文献标题：Gene mining and genomics-assisted breeding empowered by the pangenome of tea plant Camellia Sinensis

发表期刊：Nature plants

影响因子：18.0

发表时间：2023.11.27

1. 多个优质茶树品种的从头组装和注释

此研究选择了18个知名的茶树品种进行基因组测序和从头组装，这些品种分布在3个茶树类群中（图1a-b）。此外，加上4个已发表的茶树基因组，总计22个基因组用于本研究的分析。这些茶树基因组组装结果显示，它们的基因组大小相似并且大多数的基因组区域有着高度的一致性。基于这22个代表性茶树品种的新组装，构建了一个图形泛基因组，这些品种代表了茶树广泛的遗传多样性。

图1 选择22个代表性的茶树品种进行泛基因组分析

2. TEs通过介导结构变异（SVs）导致茶树基因组出现大量的非必需序列

高度活跃的转座子（TEs）可能会导致基因组不稳定以及不同茶树基因组之间广泛的SVs的产生。以TGY为参考基因组，与剩余的21个基因组进行比对，共鉴定出887,986个SVs，均匀地分布在15条染色体上（图2a）。这些SVs覆盖了5,959Mb的基因组序列（图2b），约占茶树基因组（约3GB）的200%。5MB滑动窗口分析显示，每个窗口中平均79.8%的SVs与TEs重叠（图2c），这些结果表明SVs和TEs之间存在显著的相关性，TEs在驱动遗传变异中起重要作用。

此外，本研究综合了不同茶树基因组的等位基因，建立了一个包含40,461个代表基因和432,597个等位基因的泛基因集，可细分为core基因（29.8%），shell基因（43.9%）以及private基因（26.3%）三大类（图2d），其中core等位基因显示出更长的CDS长度（图2e）。相比非必需基因，core基因的Ka/ks比例显著下降（图2f）而表达水平更高（图2g），这表明核心基因的功能是保守的。

图2 基于22个从头组装的茶树基因组的SVs检测和泛基因组的构建

3. 结构变异对茶树不同叶色的影响

进一步收集不同叶色茶树品种的转录组和代谢组数据集，探究SVs对叶片颜色的影响。结果发现，白叶品种（AJBC）和金叶品种（HJY）叶片的叶绿素含量较低，而HJY叶片的玉米黄质含量较高，表明这些品种叶色差异与这些途径相关基因的SVs密切相关。不同品种相关基因序列比对结果表明，GluRS、GluTR、ChID和CYP97A3HJY等7个关键酶基因存在多个SVs（图3a-b）。比如，CYP97A3HJY等位基因在不同叶片颜色的样品中表现出不同的突变，这些突变发生在CDS区，包括7个SNP和2个Indel。这些变异会导致CYP97A3HJY等位基因编码蛋白的氨基酸序列发生变化。CYP97A3HJY蛋白结构分析表明，蛋白结构变化会间接影响与底物的结合能力。此外，RNA-seq结果还显示CYP97A3HJY等位基因在HJY中高表达（图3c）,推测其对玉米黄质的积累起到重要作用。此外，与花青素生物合成途径相关的基因（MYB114和MYB90）表达水平升高，表明花青素的积累可能导致紫叶品种JMZ和ZJ的叶色呈紫色。这些品种的CsMYB114基因的序列比对显示，CDS区没有明显差异，而在CsMYB114上游约200bp出现了一个LTR/Gypsy插入，此插入仅存在于紫叶品种中（图3f-g）,这表明SV可能参与了叶色的调控。

图3 SVs对茶树叶色的调控

4. 泛基因组助力茶树芽萌发时间性状基因的挖掘

泛基因组可以处理分析复杂性状的GWAS，比如该研究针对早期芽萌发（EBF）的这一性状，对155个重测序的个体进行了GWAS分析，鉴定了35个SNP与此性状显著相关（图4a）。3个显著的SNP与一段38.45Mb数量性状位点（QTL）（qSPI4）重叠，这使QTL进一步细化为607kb的基因组区域。通过泛基因组和GWAS的联合分析，发现此位点存在一个与DREB2A-like基因重叠的SV，此基因显示出显著的差异表达。

对不同品种的DREB2A-like等位基因进行比对，发现一个A到C的非同义突变，此突变导致在EBF品种中形成异亮氨酸，而在LBF品种中形成亮氨酸（图4b），由此形成的蛋白质三级结构的改变，可能影响到该基因的功能。此外，基于DREB2A-like CDS序列的系统发育树分析，发现EBF和LBF品种明显分开，这表明DREB2A-like等位基因可能参与调控茶树的EBF性状。

图4 基于泛基因组图谱挖掘茶树芽萌发时间性状相关的关键基因

5. 茶树泛基因组助力基因组学辅助育种

本研究结合代谢组数据和泛基因组数据，鉴定到495个基因（≥1个突变）与儿茶素含量显著相关（图5a）。其中CsCYB-561 (C到T)、CsWDR (G到A)和CsDELLA (A到C)中检测到的单碱基突变与儿茶素含量显著相关（图5b）。此外，本研究发现一个参与调控儿茶素生物合成的关键基因——CsDIOX，在该基因的氨基酸序列中有两个相邻的非同义突变（A-A到G-G），导致丝氨酸残基（S-S类型）被甘氨酸残基（G-G类型）替换，三维蛋白结构预测和底物结合模拟分析表明，G-G类型的结合位点更少，限制了儿茶素的合成（图5c-d）。进一步分析发现CsDIOX位于3号染色体具有合成儿茶素的基因簇中。该基因簇在茶花属中是保守的，并且由6个核心基因组成， 其中CsSCPL4 和 CsSCPL5 与儿茶素的合成密切相关（图5e）。

图5 泛基因组助力基因组辅助育种

该研究对22个具有代表性的茶树品种进行了全基因组测序，并构建了首个茶树泛基因组。通过深入分析泛基因组，挖掘出与茶叶品质等重要农艺性状相关的基因及其变异形式，为理解茶树的生物学特性和进化历程提供了重要参考。此外，该研究有力推动茶树的基因组辅助育种工作，从而更加精准高效的培育高品质的新品种。