植物组学丨多组学技术解析茶树化学多样性

植物组学

强国必先强农，农强方能国强。种业处于农业整个产业链源头，是国家战略性、基础性核心产业。我国高度重视种业问题，继2021年中央一号文件强调打好种业翻身仗；2022年中央一号文件提出大力推进种源等农业关键核心技术攻关，全面实施种业振兴行动方案；2023年中央一号文件提出全面实施生物育种重大项目。以‘生物技术+信息技术+人工智能+大数据技术’为基础的育种‘4.0’时代，有望让我国种业实现弯道超车，解决卡脖子问题，因此，推进生物育种技术及产业化迫在眉睫。

除了粮食作物以外，经济作物也成为育种研究重点目标。茶树作为一种重要的经济作物，在全球许多国家都有种植，因其口感、风味和对健康有益，加之地域文化属性，使其成为一种非常受欢迎的饮料。

近日，由果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、华中农大园艺林学学院闻玮玮团队领衔，联合多个研究团队（包含赛默飞世尔科技），在植物学知名杂志Plant Biotechnology Journal发表了题为“Depicting the genetic and metabolic panorama of chemical diversity in the tea plant”的论文。文章结合代谢组学、遗传学和生物化学等方法，对茶树的代谢物的多样性进行了全面研究，为茶树品质的遗传改良、种质资源挖掘提供了丰富的资源和科学技术支撑。Q Exactive Plus Orbitrap高分辨质谱平台联合TSQ Quantis三重四极杆液质联用仪为该研究提供了高质量精度及卓越稳定性的数据，用以代谢组和基因组数据联合分析。

首先，研究人员结合Q Exactive Plus Orbitrap高分辨质谱及TSQ Quantis精准定量，对215份茶树种质资源进行了大规模代谢组学研究，针对两个不同的组织样本（YL和TL）检测出2837个代谢物，其中1098个进行了化合物注释和分类，63个化合物通过与标准品比对得到精准鉴定。进一步构建了代谢物同分异构体和修饰网络。羟基化、糖基化通常是植物代谢的最显著的修饰，有趣的是在茶叶代谢组中没食子酰化是数量最多的一类修饰化，而非羟基化或糖基化。

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接下来，研究人员对两种组织（YL和TL）进行基于代谢物全基因组关联分析 （mGWAS），鉴定了全基因组mQTL，以揭示茶树代谢物多样性的遗传基础。类黄酮化合物作为茶树最具特征的代谢物之一，文章最后进一步研究了类黄酮类化合物合成通路。通过两个已鉴定的mQTL（包括功能候选基因CsUGTa、CsUGTb和CsCCoAOMT），拓展了茶树黄酮类化合物的生物合成途径。

Q Exactive Plus Orbitrap高分辨质谱仪

TSQ Quantis 三重四极杆液质联用仪

该研究为茶叶化学多样性研究提供了最丰富的资源，为茶树的遗传改良、种质资源挖掘，奠定了坚实的科学基础，加深了我们对茶树化学多样性的遗传学理解。

Summary 小结

近年来，随着基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学、表观组学等技术的飞速发展，聚焦核心种质资源，开展全方位多组学研究，打破数据孤岛，将是生物育种领域的重点发展方向。代谢组学是基因型与表型之间的桥梁，开展代谢物的全基因组关联分析，可批量精确定位控制代谢表型相关候选基因，研究调控作物营养和品质等相关机理，有助于深入挖掘利用优良基因和培育新品种，进一步促进中国育种产业和农业快速发展。

专家访谈

闻玮玮（果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、华中农大园艺林学学院教授）

问 请您谈谈本研究的难点在哪里？

答 茶树富含类黄酮、生物碱、萜类等次生代谢物，这些代谢物种类多，结构复杂，对它们的结构鉴定和注释是一大难点，本研究中Q Exactive Plus高分辨质谱及Compound Discovery数据库的应用是代谢物的高通量测定和结构解析的有利工具。

问Q Exactive Plus高分辨质谱仪及TSQ Quantis在该研究中发挥了怎样的作用？

答在本研究中Q Exactive Plus高分辨质谱仪是代谢物的结构鉴定和注释的重要保障。TSQ Quantis则发挥了更加快速和精准的定量优势，提高了研究效率，为后续的遗传和生化分析奠定了良好的基础。

问请您谈谈解析茶树的类黄酮生物合成途径对茶树种质资源研究有哪些帮助？

答类黄酮是茶树富含的一类次生代谢物，在茶树的风味品质调控、抵御逆境过程中发挥着重要的功能。茶树的类黄酮生物合成途径的解析可为茶叶品质形成和抗性等机理研究和后续茶树品质和抗性的遗传改良奠定基础。

 专家简介：

闻玮玮 ，博士，教授，博士生导师。近几年来以重要园艺作物茶树等为研究对象进行基因组与代谢组学研究，完成首个古茶树基因组组装并揭示中国茶树选育进程，首次完成基于单细胞测序的茶树基因组分型，解析茶树中氨基酸、类黄酮和生物碱等合成通路。近年来发表SCI论文40余篇，主持各类科研项目10余项，担任Journal of Experimental Botany，Beverage Plant Research等国际期刊的编委。

参考文献

[1] HJ Qiu, XL Zhang, YJ Zhang , et al. Depicting the genetic and metabolic panorama of chemical diversity in the tea plant [J]. Plant Biotechnology, 2023.

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