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博士后在The Plant Cell发文,揭示调控茶树香气与抗寒性的新机制
学术
2024-10-07 19:44
山东
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近日,安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室
宋传奎
与
夏恩华
教授等团队合作在
The Plant Cell
在线发表了题为“
Evolution and functional divergence of glycosyltransferase genes shaped the quality and cold tolerance of tea plants
”的研究论文,揭示了茶树UGT基因通过功能分化协同调控茶树香气品质与抗寒的新机制,为其他园艺作物品质与抗性的协同演化与调控提供新思路。
茶树生物学与资源利用国家重点实验室博士后
王婧铭
为论文第一作者,宋传奎教授、夏恩华教授和德国慕尼黑工业大学Wilfried Schwab教授为通讯作者。
茶树是我国重要的经济作物。干旱、低温等非生物胁迫严重影响茶叶的品质与产量。研究发现,茶树基因组在大约3000万年前发生过一次近期的全基因组加倍事件,导致诸如糖基转移酶(UGTs)等与茶叶品质和抗逆性相关的基因家族在茶树中发生快速扩增,然而目前尚未有关于茶树UGTs基因加倍后功能分化影响茶叶品质和抗逆性的报道。
为此,该研究以28个代表性植物的基因组为切入点,在系统鉴定UGT的基础上,首先探索了茶树UGTs的扩增模式。研究发现,UGTs在茶树谱系中发生特异性地扩张和收缩。茶树中UGTs家族成员众多,共包含297个拷贝。根据其结构和底物偏好性可分为18个亚家族(A-R),其中UGT76隶属于H亚家族,该亚家族在不同茶树品种中呈现显著收缩的状态,特别是在茶树‘舒茶早’品种中仅保留了一个拷贝(UGTH1)。功能试验证实该拷贝与茶树真菌病害的抗性密切相关,暗示着H亚家族在茶树中仍保留了其它植物中保守的抗病功能(图1)。
图1. 茶树中特异性收缩的H亚家族参与茶树抗病
与H亚家族不同,UGT85隶属于G亚家族。该家族成员通常在糖基化单萜、二萜和脱辅基类胡萝卜素等底物上表现出特定的偏好性。研究发现,茶树G亚家族的UGTs可进一步划分为3种类型(Ⅰ-Ⅲ),其中II和III型的UGTs在茶树全基因组重复和串联重复事件驱动下发生显著扩增,之后经历了功能分化。如G亚家族II型代表成员UGT85A53(II-2)和UGT1(II-3)为重复基因,二者均能糖基化香叶醇等挥发性化合物,但对激素底物的选择发生了分化。主要表现为,UGT85A53的糖基化底物为脱落酸(ABA),而UGT1并未表现出对ABA或其他激素的糖基化活性,二者对激素底物的选择差异重塑了重复基因UGT85A53和 UGT1分别通过正、负调控的方式调控茶树的抗寒和抗旱性。
图2. 糖基转移酶G亚家族Ⅱ中UGTs的功能分化
研究还进一步对野生型茶树(DASZ)和栽培茶树(‘云抗10号’和‘舒茶早’)的UGTs进行了比较分析,发现茶树G亚家族III-1为茶树‘舒茶早’品种特有分支。遗传多样性分析进一步发现,该分支中的许多UGTs经历了人工选择。特别地,III-1代表成员UGT3和III-2代表成员UGT2分别具有糖基化叶绿醇和呋喃酮的活性,表明二者在糖基化香气底物上表现出分化。进一步功能实验发现,UGT2可参与茶树的抗寒和抗旱,而UGT3仅能参与茶树的抗寒而非抗旱(图3),进一步证明G亚家族III中受人工选择的UGTs表现出抗寒性保守而抗旱性分化的功能差异。这些发现不仅为揭示了驯化过程中UGTs协同调控茶树香气品质与抗寒性的全新机制,也为其他园艺作物香气品质与抗性的协同选择提供新思路。
图3. 糖基转移酶G亚家族III中UGTs的功能分化
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