茶樹是一種重要的經(jīng)濟植物,由于其自身特性的限制,茶樹分子生物學(xué)尤其是功能基因研究相對遲緩。在國家自然科學(xué)基金等的資助下,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所研究員陳亮率先展開茶樹功能基因組、茶樹分子標(biāo)記研究,從更深層次上認(rèn)識茶樹生長發(fā)育、起源、馴化、育種、抗性等規(guī)律。
老茶園的新問題
全世界目前有近60個產(chǎn)茶國,但其中只有十幾個國家的茶園年產(chǎn)量超過1500公斤/公頃。許多生產(chǎn)力較低的老茶園,不僅產(chǎn)量低,品質(zhì)也較差。
在我國約110萬公頃的茶園中,只有不到25%的茶園栽種的是經(jīng)過改良的品種,其他多數(shù)茶園種植的是參差不齊的群體種,其生產(chǎn)力不斷下降,遠低于世界平均水平。
茶葉生產(chǎn)的這種低產(chǎn)率、低品質(zhì)使生產(chǎn)成本增加,經(jīng)濟效益降低。用更好的品種,得到更高的產(chǎn)量、更好的品質(zhì)、更強的抗病蟲性能和抗逆性能,是使茶葉生產(chǎn)獲得突破發(fā)展的重要途徑。
由于茶樹是多年生植物,培育與推廣茶樹新品種的困難之一就是生育周期太長。因而在育種過程中,水稻育種研究半年就可以完成的工作在茶樹上就可能需要數(shù)年。同時茶樹的結(jié)實率低,且自交不結(jié)實,得不到純系,使其他植物中常用的雜交育種方法在茶樹上幾乎失去用武之地。
植物基因工程技術(shù)的發(fā)展,在植物抗病、抗蟲、抗除草劑和作物品質(zhì)改良等幾個方面取得了很大的成就,獲得了一大批基因工程植物(轉(zhuǎn)基因植物)。這些植物有的已進入了大田試驗,有的已經(jīng)逐漸投產(chǎn),使人們定向改造農(nóng)作物的愿望成為現(xiàn)實。
“和人類基因組研究有助于破譯遺傳信息,了解生命的起源、認(rèn)識人類自身、掌握生老病死規(guī)律和疾病診斷治療相似;對茶葉進行基因研究不僅有利于茶樹的選育、抗逆等性能改善,還可以更深層次地認(rèn)識茶樹生長發(fā)育規(guī)律。”陳亮說,“但茶樹比較特殊,之前的研究也相對較少。”
從功能基因入手
在棉花等作物中,已經(jīng)通過生物技術(shù)方法育成了優(yōu)質(zhì)、抗逆品種,取得了很好的效益。但茶樹上的基因工程研究工作仍比較少見。主要原因是在使基因轉(zhuǎn)移后的茶樹細(xì)胞重新形成植株方面未能取得實用性的突破,被導(dǎo)入了基因的材料不能夠恢復(fù)成完整的植株,同時,人們對茶樹的分子遺傳學(xué)與分子生物學(xué)研究缺乏足夠的知識基礎(chǔ)。
“不同茶葉的品質(zhì)、香味、獨特作用等特性都源于功能基因。”陳亮說,“現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展很快,全基因組的方法已發(fā)展到第三代、第四代。現(xiàn)在人們一天就能拿到幾千個基因。但我們開始進行茶樹功能基因研究時,得到一個基因并不容易,全世界那么多人作茶葉研究,到2001年,只獲得了十幾個基因。我們當(dāng)時采用EST(表達序列標(biāo)簽Expressed Sequence Tag,EST)方法,在半年時間里就取得一千多個基因。”
上世紀(jì)90年代,陳亮從浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)茶學(xué)系獲農(nóng)學(xué)碩士學(xué)位后,就來到中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所,開始從事茶樹種質(zhì)資源和分子生物學(xué)研究,他先后到日本愛媛大學(xué)基因研究中心和美國康奈爾大學(xué)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)系從事植物分子生物學(xué)研究。主功方向為茶樹種質(zhì)資源收集保存、鑒定評價、創(chuàng)新利用和系統(tǒng)分類,茶樹分子標(biāo)記和功能基因組學(xué)研究。
2001年,在國家自然科學(xué)基金的支持下,陳亮開始對基于植物EST研究茶葉香氣釋放過程的有關(guān)基因的研究。他帶領(lǐng)的研究團隊率先在國內(nèi)開展茶樹分子標(biāo)記研究。首次對茶樹種質(zhì)資源的遺傳穩(wěn)定性以及茶組植物和茶樹品種的遺傳多樣性進行分析,提出3種獨立的方法可以用于茶樹種質(zhì)資源的分子鑒定。并率先啟動茶樹功能基因組學(xué)研究,建立了我國第一個(國際上第二個)茶樹cDNA文庫,通過高通量基因測序和生物信息學(xué)比對、分離、克隆和注釋茶樹功能基因。
該團隊對龍井43新梢進行高通量cDNA克隆測序,獲得首批1684個茶樹表達序列標(biāo)簽。通過比對,研究人員初步明確了茶樹新梢基因表達譜特征和表達豐度,獲得300多個茶樹功能基因的部分序列或全長,其中包括與茶葉香氣形成密切相關(guān)2個基因β-葡萄糖苷酶和β-櫻草糖苷酶基因。他們采用新的技術(shù),以所獲得的EST為材料建立了第一張廣譜型茶樹基因芯片,初步構(gòu)建了一個基于基因芯片的茶樹資源與育種研究平臺。獲得大量的茶樹功能基因表達信息,對從基因組水平認(rèn)識并調(diào)控茶樹的生長、發(fā)育、抗性和代謝都具有理論與實踐意義。
測序只是開始
“茶的起源、馴化、選育、構(gòu)造、抗性問題都能從基因上找到答案。測序只是一種技術(shù)手段,通過這些技術(shù)手段可以更深層次地認(rèn)識茶樹?茖W(xué)家們測了上萬種動植物的基因,人類基因組研究也做了十幾年。但茶這中作物和別的作物不同,目前對茶葉功能基因的測序還沒做完,對它的一些機理我們還不是很清楚。目前茶樹還沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)基因品種。”陳亮說。
國家自然科學(xué)基金和早期的一些其他項目為陳亮的后續(xù)研究奠定了很好的基礎(chǔ)。他先后主持“863”項目,國家自然科學(xué)基金項目,國際植物新品種保護聯(lián)盟(UPOV)國際標(biāo)準(zhǔn),國家標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),“八五”、“九五”、“十五”國家科技攻關(guān)計劃,“十一五”國家科技支撐計劃,科技部科技基礎(chǔ)條件平臺項目、科技部基礎(chǔ)性工作項目等30多項。并作為首席科學(xué)家,承擔(dān)我國為國際植物新品種保護聯(lián)盟制定的第一個測試指南的研制,曾5次代表中國政府參加國際植物新品種保護聯(lián)盟大會討論制訂茶樹測試指南文本。