基因組所張興坦研究員團(tuán)隊(duì)在茶樹重要風(fēng)味代謝物上游調(diào)控機(jī)制解析研究中發(fā)表系列論文

茶樹重要風(fēng)味物質(zhì)（萜類、兒茶素、茶氨酸）直接影響茶樹的品質(zhì)。深入探索茶樹的品質(zhì)形成機(jī)制，是提升茶葉口感、香氣、色澤和營養(yǎng)成分的關(guān)鍵。

但是茶樹品質(zhì)調(diào)控機(jī)制十分復(fù)雜，涉及茶樹采前和采后兩個截然不同的過程。其成品茶中的風(fēng)味物質(zhì)含量不僅和鮮葉中風(fēng)味相關(guān)物質(zhì)及對應(yīng)的底物含量有關(guān)。還深受加工工藝的影響，具體而言即使同一堆茶，采用不同的加工工藝，其成品茶的風(fēng)味也會差異巨大。近年來隨著多個茶樹基因組的釋放，茶樹研究人員對茶樹風(fēng)味物質(zhì)合成通路關(guān)鍵基因、關(guān)鍵上游調(diào)控因子研究取得了一定進(jìn)展。但是茶樹中全局性代謝物調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、代謝物相關(guān)多效性關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子仍不清楚，尤其是表觀調(diào)控機(jī)制研究相對空白。

為解決以上科學(xué)問題，在張興坦團(tuán)隊(duì)前期先組裝了茶樹首張采前幼葉泛轉(zhuǎn)錄組。通過整合多種關(guān)聯(lián)分析策略，實(shí)現(xiàn)了茶樹中關(guān)鍵代謝物主效基因、代謝物相關(guān)多效性關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的定位，并構(gòu)建了茶樹首張次級代謝物調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖譜（Kong et al., 2022, Horticulture Research）。近期，張興坦團(tuán)隊(duì)以著名烏龍茶品種”鐵觀音”采后加工中葉片為研究材料，對茶樹重要風(fēng)味物質(zhì)形成上游表觀調(diào)控機(jī)制開展了一系列研究，涉及甲基化、染色質(zhì)可及性、3D染色質(zhì)組織。

首先通過代謝組學(xué)分析，他們發(fā)現(xiàn)在烏龍茶加工過程中次級代謝物種類和總含量趨向于增多，最為明顯的是與茶葉香氣相關(guān)的萜類和脂類物種趨向于增多，而與茶葉苦澀味相關(guān)的兒茶素含量趨向于降低。整合RNA-seq和WGBs-seq測序分析，他們發(fā)現(xiàn)這些風(fēng)味相關(guān)關(guān)鍵代謝物合成相關(guān)基因受到嚴(yán)格的5mC甲基化修飾調(diào)控（Figure 1）。這個結(jié)果不僅證實(shí)了5mC DNA甲基化修飾對茶葉關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)形成的關(guān)鍵作用，而且鎖定了關(guān)鍵基因。

Figure 1. 差異甲基化修飾介導(dǎo)的基因表達(dá)差異與關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)合成有關(guān)

在動物中，表觀遺傳修飾被認(rèn)為對器官分化有顯著影響，但是在植物組織功能分化中的作用尚不可知。該研究對'鐵觀音'的4種代表性組織(根、莖、葉、花)進(jìn)行了全基因組5mC甲基化和轉(zhuǎn)錄組分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：組織間甲基化水平存在明顯差異，且與非組織特異性表達(dá)基因相比，組織特異性表達(dá)基因維持相對更低的甲基化水平。反之，以根組織為例，根中特異低甲基化的基因多與根組織特異性功能相關(guān)。表明甲基化修飾參與到茶樹組織功能分化（Figure 2）。先前研究已經(jīng)表明茶樹中重要的口感物質(zhì)茶氨酸在根部優(yōu)勢合成，但其表觀調(diào)控機(jī)制不明。作者在根中特異低甲基化的基因數(shù)據(jù)集中，進(jìn)一步鑒定得到兩個負(fù)責(zé)茶氨酸合成的關(guān)鍵基因(CsAlaDC和TS/GS)，它們在根中相對于其他組織具有更低的5mC甲基化水平和更高的基因表達(dá)水平，這從甲基化層面揭示了根中優(yōu)勢合成茶氨酸的原因（Figure2）。以上結(jié)果最近發(fā)表于園藝學(xué)top期刊《Horticulture Research》。

Figure 2. 不同組織的甲基化修飾水平不同和5mC DNA介導(dǎo)的茶氨酸在根中優(yōu)勢合成

此外，染色質(zhì)可及性變化也是主要表觀修飾之一。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展了烏龍茶加工前后樣本的ATAC-seq測序數(shù)據(jù)分析，整合RNA-seq、先前代謝物數(shù)據(jù)、關(guān)鍵激素測定結(jié)果。該研究描述了烏龍茶加工過程中的萎凋處理引起的染色質(zhì)可及性、基因表達(dá)水平、重要代謝物含量以及 JA 和 JA-ILE 含量的變化，分析了染色質(zhì)可及性改變對基因表達(dá)變化、重要風(fēng)味物質(zhì)含量變化和 JA 過度積累的影響。共鑒定到 3,451 個開放染色質(zhì)區(qū)域和 13,426 個緊密染色質(zhì)區(qū)域（DACRs）。他們的研究結(jié)果表明：緊密型 DACRs 介導(dǎo)的下調(diào)差異表達(dá)基因（DEGs）導(dǎo)致枯萎過程中多種兒茶素的積累減少，而開放型 DACRs 介導(dǎo)的上調(diào)差異表達(dá)基因（DEGs）導(dǎo)致重要萜類化合物、JA、JA-ILE 和短鏈 C5/C6 揮發(fā)性物質(zhì)的積累增加。該研究不僅鑒定了 DACRs 介導(dǎo)的與兒茶素、萜類化合物、JA 和 JA 以及短鏈 C5/C6 揮發(fā)性物質(zhì)的合成有關(guān)的重要 DEGs，也證實(shí)了密切型 DACRs 對兒茶素合成的廣泛影響，幾乎涉及兒茶素合成通路中所有酶。最終，該研究構(gòu)建了烏龍茶加工過程中染色質(zhì)可及性改變介導(dǎo)的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)含量變化調(diào)控模型（Figure 3）。此外，該研究發(fā)現(xiàn)了一種調(diào)節(jié)兒茶素合成的新型 MYB 轉(zhuǎn)錄因子（CsMYB83），并利用 DAP-seq 驗(yàn)證了 CsMYB83 與兒茶素合成關(guān)鍵基因啟動子-DACRs 區(qū)域的結(jié)合?？傊?，該研究不僅揭示了烏龍茶萎凋過程中染色質(zhì)改變介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄、風(fēng)味物質(zhì)和激素變化的格局，而且為茶樹風(fēng)味改良育種提供了目標(biāo)基因。相關(guān)研究結(jié)果日前發(fā)表于植物學(xué)經(jīng)典top期刊《The Plant Journal》。

Figure 3. 烏龍茶加工過程中染色質(zhì)可及性改變介導(dǎo)的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)含量變化調(diào)控模型

Figure 4. 在烏龍茶加工過程中與兒茶素含量變化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子鑒定

除了甲基化和染色質(zhì)可及性，基因組三維染色質(zhì)組織也可直接影響基因表達(dá)變化，進(jìn)而導(dǎo)致茶樹重要性狀（如風(fēng)味物質(zhì)含量）發(fā)生分化。在以上數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對茶葉葉片進(jìn)行了Hi-C和H3K27ac Chip-seq數(shù)據(jù)加測，繪制了茶樹高分辨率三維染色質(zhì)圖譜，并初步鑒定了全基因組啟動子和增強(qiáng)子元件。該研究描述了三級茶樹三維結(jié)構(gòu)單元（A/B compartments、TADs、loops），全基因組啟動子和增強(qiáng)子，并對3D基因組結(jié)構(gòu)單元、轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件的基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組特征進(jìn)行了表征（Figure 5）。進(jìn)一步整合課題組先前發(fā)表代謝物GWAs定位結(jié)果（Kong et al., 2022, Horticulture Research），作者初步探討了TADs、啟動子和增強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)變異對茶樹群體基因表達(dá)或/和風(fēng)味代謝物積累的影響。發(fā)現(xiàn)F3’5’H基因的可及性在大小葉變種中存在明顯差異，而這個差異可以有效解釋這個基因表達(dá)、以及不同兒茶素在變種間的分布偏向性，這暗示F3’5’H基因可及性差異是影響兒茶素偏向性分布的重要原因。相關(guān)研究結(jié)果日前發(fā)表于園藝學(xué)top期刊《Horticulture Research》。

Figure 5. 茶樹的高分辨率三維染色質(zhì)圖譜

以上研究，基于多組學(xué)數(shù)據(jù)不僅證實(shí)了5mC DNA、染色質(zhì)可及性變化、3D染色質(zhì)組織對樹生長發(fā)育及關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)形成中的關(guān)鍵作用，也為后期高品質(zhì)茶樹新品種選育提供了基因編輯靶點(diǎn)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件操控位點(diǎn)。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所張興坦組已出站博士后孔維龍博士為以上論文的第一作者，張興坦研究員及孔維龍博士為共同通訊作者。余佳鑫博士為茶樹3D染色質(zhì)圖譜論文共一作者，碩士研究生趙平、柴琨、楊菁菁、張妍冰、陳曉、雷文龍、蔣夢微、以及張清博士、朱秋芳博士、朱義旺博士、張晟鋮博士參與了部分研究工作，以上研究致謝福建農(nóng)林大學(xué)林金科教授和朱秋芳博士在樣本收集過程中提供的幫助。以上研究得到了深圳市科技計劃(批準(zhǔn)號RCYX2021076092103024)和廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃(2020B022200004)的資助，在此鳴謝！

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