實(shí)驗(yàn)室宋傳奎教授與夏恩華教授等團(tuán)隊(duì)合作揭示茶樹糖基轉(zhuǎn)移酶協(xié)同調(diào)控茶樹香氣與抗寒的新機(jī)制

茶樹是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物。干旱、低溫等非生物脅迫嚴(yán)重影響茶葉的品質(zhì)與產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，茶樹基因組在大約3000萬年前發(fā)生過一次近期的全基因組加倍事件，導(dǎo)致諸如糖基轉(zhuǎn)移酶（UGTs）等與茶葉品質(zhì)和抗逆性相關(guān)的基因家族在茶樹中發(fā)生快速擴(kuò)增，然而目前尚未有關(guān)于茶樹UGTs基因加倍后功能分化影響茶葉品質(zhì)和抗逆性的報(bào)道。

為此，該研究以28個代表性植物的基因組為切入點(diǎn)，在系統(tǒng)鑒定UGT的基礎(chǔ)上，首先探索了茶樹UGTs的擴(kuò)增模式。研究發(fā)現(xiàn)，UGTs在茶樹譜系中發(fā)生特異性地?cái)U(kuò)張和收縮。茶樹中UGTs家族成員眾多，共包含297個拷貝。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和底物偏好性可分為18個亞家族（A-R），其中UGT76隸屬于H亞家族，該亞家族在不同茶樹品種中呈現(xiàn)顯著收縮的狀態(tài)，特別是在茶樹‘舒茶早’品種中僅保留了一個拷貝（UGTH1）。功能試驗(yàn)證實(shí)該拷貝與茶樹真菌病害的抗性密切相關(guān)，暗示著H亞家族在茶樹中仍保留了其它植物中保守的抗病功能（圖1）。

圖1.茶樹中特異性收縮的H亞家族參與茶樹抗病

與H亞家族不同，UGT85隸屬于G亞家族。該家族成員通常在糖基化單萜、二萜和脫輔基類胡蘿卜素等底物上表現(xiàn)出特定的偏好性。研究發(fā)現(xiàn)，茶樹G亞家族的UGTs可進(jìn)一步劃分為3種類型（Ⅰ-Ⅲ），其中II和III型的UGTs在茶樹全基因組重復(fù)和串聯(lián)重復(fù)事件驅(qū)動下發(fā)生顯著擴(kuò)增，之后經(jīng)歷了功能分化。如G亞家族II型代表成員UGT85A53（II-2）和UGT1（II-3）為重復(fù)基因，二者均能糖基化香葉醇等揮發(fā)性化合物，但對激素底物的選擇發(fā)生了分化。主要表現(xiàn)為，UGT85A53的糖基化底物為脫落酸（ABA），而UGT1并未表現(xiàn)出對ABA或其他激素的糖基化活性，二者對激素底物的選擇差異重塑了重復(fù)基因UGT85A53和UGT1分別通過正、負(fù)調(diào)控的方式調(diào)控茶樹的抗寒和抗旱性。

圖2.糖基轉(zhuǎn)移酶G亞家族Ⅱ中UGTs的功能分化

研究還進(jìn)一步對野生型茶樹（DASZ）和栽培茶樹（‘云抗10號’和‘舒茶早’）的UGTs進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)茶樹G亞家族III-1為茶樹‘舒茶早’品種特有分支。遺傳多樣性分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，該分支中的許多UGTs經(jīng)歷了人工選擇。特別地，III-1代表成員UGT3和III-2代表成員UGT2分別具有糖基化葉綠醇和呋喃酮的活性，表明二者在糖基化香氣底物上表現(xiàn)出分化。進(jìn)一步功能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，UGT2可參與茶樹的抗寒和抗旱，而UGT3僅能參與茶樹的抗寒而非抗旱（圖3），進(jìn)一步證明G亞家族III中受人工選擇的UGTs表現(xiàn)出抗寒性保守而抗旱性分化的功能差異。這些發(fā)現(xiàn)不僅為揭示了馴化過程中UGTs協(xié)同調(diào)控茶樹香氣品質(zhì)與抗寒性的全新機(jī)制，也為其他園藝作物香氣品質(zhì)與抗性的協(xié)同選擇提供新思路。

圖3. 糖基轉(zhuǎn)移酶G亞家族III中UGTs的功能分化

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一單位與通訊單位，茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后王婧銘為論文第一作者，宋傳奎教授、夏恩華教授和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)Wilfried Schwab教授為通訊作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

來源：茶樹生物學(xué)與資源利用國重室，信息貴在分享，如涉及版權(quán)問題請聯(lián)系刪除