基因组所张兴坦研究员团队在茶树重要风味代谢物上游调控机制解析研究中发表系列论文

茶树重要风味物质（萜类、儿茶素、茶氨酸）直接影响茶树的品质。深入探索茶树的品质形成机制，是提升茶叶口感、香气、色泽和营养成分的关键。

但是茶树品质调控机制十分复杂，涉及茶树采前和采后两个截然不同的过程。其成品茶中的风味物质含量不仅和鲜叶中风味相关物质及对应的底物含量有关。还深受加工工艺的影响，具体而言即使同一堆茶，采用不同的加工工艺，其成品茶的风味也会差异巨大。近年来随着多个茶树基因组的释放，茶树研究人员对茶树风味物质合成通路关键基因、关键上游调控因子研究取得了一定进展。但是茶树中全局性代谢物调控网络、代谢物相关多效性关键转录调控因子仍不清楚，尤其是表观调控机制研究相对空白。

为解决以上科学问题，在张兴坦团队前期先组装了茶树首张采前幼叶泛转录组。通过整合多种关联分析策略，实现了茶树中关键代谢物主效基因、代谢物相关多效性关键转录调控因子的定位，并构建了茶树首张次级代谢物调控网络图谱（Kong et al., 2022, Horticulture Research）。近期，张兴坦团队以著名乌龙茶品种”铁观音”采后加工中叶片为研究材料，对茶树重要风味物质形成上游表观调控机制开展了一系列研究，涉及甲基化、染色质可及性、3D染色质组织。

首先通过代谢组学分析，他们发现在乌龙茶加工过程中次级代谢物种类和总含量趋向于增多，最为明显的是与茶叶香气相关的萜类和脂类物种趋向于增多，而与茶叶苦涩味相关的儿茶素含量趋向于降低。整合RNA-seq和WGBs-seq测序分析，他们发现这些风味相关关键代谢物合成相关基因受到严格的5mC甲基化修饰调控（Figure 1）。这个结果不仅证实了5mC DNA甲基化修饰对茶叶关键风味物质形成的关键作用，而且锁定了关键基因。

Figure 1. 差异甲基化修饰介导的基因表达差异与关键风味物质合成有关

在动物中，表观遗传修饰被认为对器官分化有显著影响，但是在植物组织功能分化中的作用尚不可知。该研究对'铁观音'的4种代表性组织(根、茎、叶、花)进行了全基因组5mC甲基化和转录组分析。结果发现：组织间甲基化水平存在明显差异，且与非组织特异性表达基因相比，组织特异性表达基因维持相对更低的甲基化水平。反之，以根组织为例，根中特异低甲基化的基因多与根组织特异性功能相关。表明甲基化修饰参与到茶树组织功能分化（Figure 2）。先前研究已经表明茶树中重要的口感物质茶氨酸在根部优势合成，但其表观调控机制不明。作者在根中特异低甲基化的基因数据集中，进一步鉴定得到两个负责茶氨酸合成的关键基因(CsAlaDC和TS/GS)，它们在根中相对于其他组织具有更低的5mC甲基化水平和更高的基因表达水平，这从甲基化层面揭示了根中优势合成茶氨酸的原因（Figure2）。以上结果最近发表于园艺学top期刊《Horticulture Research》。

Figure 2. 不同组织的甲基化修饰水平不同和5mC DNA介导的茶氨酸在根中优势合成

此外，染色质可及性变化也是主要表观修饰之一。团队进一步开展了乌龙茶加工前后样本的ATAC-seq测序数据分析，整合RNA-seq、先前代谢物数据、关键激素测定结果。该研究描述了乌龙茶加工过程中的萎凋处理引起的染色质可及性、基因表达水平、重要代谢物含量以及 JA 和 JA-ILE 含量的变化，分析了染色质可及性改变对基因表达变化、重要风味物质含量变化和 JA 过度积累的影响。共鉴定到 3,451 个开放染色质区域和 13,426 个紧密染色质区域（DACRs）。他们的研究结果表明：紧密型 DACRs 介导的下调差异表达基因（DEGs）导致枯萎过程中多种儿茶素的积累减少，而开放型 DACRs 介导的上调差异表达基因（DEGs）导致重要萜类化合物、JA、JA-ILE 和短链 C5/C6 挥发性物质的积累增加。该研究不仅鉴定了 DACRs 介导的与儿茶素、萜类化合物、JA 和 JA 以及短链 C5/C6 挥发性物质的合成有关的重要 DEGs，也证实了密切型 DACRs 对儿茶素合成的广泛影响，几乎涉及儿茶素合成通路中所有酶。最终，该研究构建了乌龙茶加工过程中染色质可及性改变介导的关键风味物质含量变化调控模型（Figure 3）。此外，该研究发现了一种调节儿茶素合成的新型 MYB 转录因子（CsMYB83），并利用 DAP-seq 验证了 CsMYB83 与儿茶素合成关键基因启动子-DACRs 区域的结合。总之，该研究不仅揭示了乌龙茶萎凋过程中染色质改变介导的转录、风味物质和激素变化的格局，而且为茶树风味改良育种提供了目标基因。相关研究结果日前发表于植物学经典top期刊《The Plant Journal》。

Figure 3. 乌龙茶加工过程中染色质可及性改变介导的关键风味物质含量变化调控模型

Figure 4. 在乌龙茶加工过程中与儿茶素含量变化相关的转录因子鉴定

除了甲基化和染色质可及性，基因组三维染色质组织也可直接影响基因表达变化，进而导致茶树重要性状（如风味物质含量）发生分化。在以上数据基础之上，该团队进一步对茶叶叶片进行了Hi-C和H3K27ac Chip-seq数据加测，绘制了茶树高分辨率三维染色质图谱，并初步鉴定了全基因组启动子和增强子元件。该研究描述了三级茶树三维结构单元（A/B compartments、TADs、loops），全基因组启动子和增强子，并对3D基因组结构单元、转录调控元件的基因组、转录组、表观基因组特征进行了表征（Figure 5）。进一步整合课题组先前发表代谢物GWAs定位结果（Kong et al., 2022, Horticulture Research），作者初步探讨了TADs、启动子和增强子的结构变异对茶树群体基因表达或/和风味代谢物积累的影响。发现F3’5’H基因的可及性在大小叶变种中存在明显差异，而这个差异可以有效解释这个基因表达、以及不同儿茶素在变种间的分布偏向性，这暗示F3’5’H基因可及性差异是影响儿茶素偏向性分布的重要原因。相关研究结果日前发表于园艺学top期刊《Horticulture Research》。

Figure 5. 茶树的高分辨率三维染色质图谱

以上研究，基于多组学数据不仅证实了5mC DNA、染色质可及性变化、3D染色质组织对树生长发育及关键风味物质形成中的关键作用，也为后期高品质茶树新品种选育提供了基因编辑靶点、转录调控元件操控位点。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所张兴坦组已出站博士后孔维龙博士为以上论文的第一作者，张兴坦研究员及孔维龙博士为共同通讯作者。余佳鑫博士为茶树3D染色质图谱论文共一作者，硕士研究生赵平、柴琨、杨菁菁、张妍冰、陈晓、雷文龙、蒋梦微、以及张清博士、朱秋芳博士、朱义旺博士、张晟铖博士参与了部分研究工作，以上研究致谢福建农林大学林金科教授和朱秋芳博士在样本收集过程中提供的帮助。以上研究得到了深圳市科技计划(批准号RCYX2021076092103024)和广东省重点领域研发计划(2020B022200004)的资助，在此鸣谢！

参考文献：

KongW, Jiang M, Wang Y, Chen S, Zhang S, Lei W, Chai K, Wang P, Liu R, Zhang X.Pan-transcriptome assembly combined with multiple association analysis providesnew insights into the regulatory network of specialized metabolites in the teaplant Camellia sinensis. Hortic Res. 2022, 9:uhac100. doi: 10.1093/hr/uhac100.

KongW, Zhu Q, Zhang Q, Zhu Y, Yang J, Chai K, Lei W, Jiang M, Zhang S, Lin J, ZhangX. 5mC DNA methylation modification-mediated regulation in tissue functionaldifferentiation and important flavor substance synthesis of tea plant (Camelliasinensis L.). Hortic Res. 2023, 10(8):uhad126. doi: 10.1093/hr/uhad126.

KongW, Zhao P, Zhang Q, Yang J, Zhu Q, Zhang Y, Deng X, Chen X, Lin J, Zhang X.Chromatin accessibility mediated transcriptome changes contribute to flavorsubstance alterations and jasmonic acid hyperaccumulation during oolong teawithering process. Plant J. 2023. doi: 10.1111/tpj.16521.

KongW, Yu J, Yang J, Zhang Y, Zhang X. The high-resolution three-dimensional (3D)chromatin map of the tea plant (Camellia sinensis). Hortic Res. 2023,10(10):uhad179.doi: 10.1093/hr/uhad179.