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解譯茶樹基因:了解茶葉風味與咖啡因演化的奧秘

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源遠流長的茶葉,早在公元前三世紀便記載於中國史料中。公元四、五世紀開始,中國已用茶葉與鄰近國家交流,到了唐朝 (公元 618-907 年),茶葉普及為中國的大眾化飲品。茶葉透過陸路與海陸交易逐漸傳遍了歐陸,17 世紀末流行到英國,更在英國發揚光大成為下午茶文化。漫長的茶葉史,從中國出發,影響了 30 億人口的飲茶習慣,並串起歐亞的人類歷史,成為世界上最具經濟與文化價值的含咖啡因飲品之一。如此重要的經濟作物,人們卻才剛剛開始了解它的基因奧秘。茶樹,是繼咖啡與可可之後被破解基因密碼的世界第三大飲料植物。

中國科學院昆明植物研究所高立志研究員所帶領的團隊,經過五年長時間的茶樹研究,終於在今年五月號的美國期刊《分子植物》(Molecular Plant) 上,宣告完成山茶樹「雲抗 10 號」(Yunkang 10) 茶種,超過 3 百萬對鹼基,3GB 的龐大基因組定序與解析,這是人類第一次拼湊出茶樹基因的完整圖譜。為了註釋茶樹基因組,研究人員必須針對葉、花、種子和幼苗各個部位的茶樹組織進行 RNA 定序。 他們在茶樹基因組中共鑑定出近 37,000 個蛋白質編碼基因,發現茶樹基因的重複序列高達 80.9%。此研究還比對了 25 種茶樹間的主要特徵成分,包含影響茶葉苦澀滋味的兒茶素、和決定是否適合製成茶葉的茶氨酸和咖啡因,以了解茶樹間彼此間的區別與適應周遭環境的能力異同。

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高立志和他的研究團隊發現,茶樹基因組包含許多長的末端重複序列以及譜系特異性基因擴增,長末端重複序列約佔了三分之二的茶樹基因組,其中大多數屬於 TL001 家族中的 Ty3 /gypsy LTR 反轉錄轉座子。大型茶樹基因組的擴大是由於 LTR 反轉錄轉座子擴增長期且緩慢的積累而成。茶樹基因組至今已經歷了兩次全基因組重複事件,最近的一次導致黃酮與萜類化合物的基因家族的擴大,基因家族的擴張是譜系分裂和表型多樣化的重要驅動因素,茶樹基因家族的明顯變化,影響範圍有茶葉的風味品質和氣候適應性,也說明了不同分支逐漸演化的過程。

研究人員還深入了解茶樹如何獲得咖啡因的基因編碼。 雖然茶樹與咖啡和可可植物擁有共同的祖先,但在茶葉中,咖啡因合成由 SAM 依賴性 N – 甲基轉移酶介導 (SAM-dependent N-methyltransferases)。 研究團隊在茶中鑑定出了 13 種這樣的 NMT 基因,不同於咖啡的 23 和可可的 21 種 NMT 基因。這些 NMT 基因的系統發育分析說明了,茶樹分化後獨立發展其咖啡因生產能力。咖啡因生物合成途徑平行獨立演化的結果,還強化了茶樹的咖啡因成為一種有益防禦疾病的化合物。

茶樹基因組全貌的揭露,有助於後續相關研究的發展。因為從茶樹基因組圖譜可以看出茶樹栽培的歷程,也顯示出調配不同風味茶種的可能方法。接下來,科學家有許多可發展研究的主題,如觀察基因拷貝數的變化如何影響茶葉的品質,更進一步描繪出不同茶樹分布到世界各地的遺傳演化變遷地圖,藉此培育與改良出更具風味的新品種茶樹,這些或許都是有利於全世界眾多品茶人口的研究方向。

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參考文獻:
1. http://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(17)30103-X?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS167420521730103X%3Fshowall%3Dtrue
2. https://www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170501141648.htm

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