陈亮小组茶树功能基因组研究取得进展

2011-8-08 09:09 来源: 科学时报
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  我国只有不到25%的园栽种经过改良的品种

  茶树是一种重要的经济植物,由于其自身特性的限制,茶树分子生物学尤其是功能基因研究相对迟缓。在国家自然科学基金等的资助下,中国农业科学院茶叶研究所研究员陈亮率先展开茶树功能基因组、茶树分子标记研究,从更深层次上认识茶树生长发育、起源、驯化、育种、抗性等规律。

  老茶园的新问题

  全世界目前有近60个产茶国,但其中只有十几个国家的茶园年产量超过1500公斤/公顷。许多生产力较低的老茶园,不仅产量低,品质也较差。

  在我国约110万公顷的茶园中,只有不到25%的茶园栽种的是经过改良的品种,其他多数茶园种植的是参差不齐的群体种,其生产力不断下降,远低于世界平均水平。

  茶叶生产的这种低产率、低品质使生产成本增加,经济效益降低。用更好的品种,得到更高的产量、更好的品质、更强的抗病虫性能和抗逆性能,是使茶叶生产获得突破发展的重要途径。

  由于茶树是多年生植物,培育与推广茶树新品种的困难之一就是生育周期太长。因而在育种过程中,水稻育种研究半年就可以完成的工作在茶树上就可能需要数年。同时茶树的结实率低,且自交不结实,得不到纯系,使其他植物中常用的杂交育种方法在茶树上几乎失去用武之地。

  植物基因工程技术的发展,在植物抗病、抗虫、抗除草剂和作物品质改良等几个方面取得了很大的成就,获得了一大批基因工程植物(转基因植物)。这些植物有的已进入了大田试验,有的已经逐渐投产,使人们定向改造农作物的愿望成为现实。

  “和人类基因组研究有助于破译遗传信息,了解生命的起源、认识人类自身、掌握生老病死规律和疾病诊断治疗相似;对茶叶进行基因研究不仅有利于茶树的选育、抗逆等性能改善,还可以更深层次地认识茶树生长发育规律。”陈亮说,“但茶树比较特殊,之前的研究也相对较少。”

  从功能基因入手

  在棉花等作物中,已经通过生物技术方法育成了优质、抗逆品种,取得了很好的效益。但茶树上的基因工程研究工作仍比较少见。主要原因是在使基因转移后的茶树细胞重新形成植株方面未能取得实用性的突破,被导入了基因的材料不能够恢复成完整的植株,同时,人们对茶树的分子遗传学与分子生物学研究缺乏足够的知识基础。

  “不同茶叶的品质、香味、独特作用等特性都源于功能基因。”陈亮说,“现代生物技术发展很快,全基因组的方法已发展到第三代、第四代。现在人们一天就能拿到几千个基因。但我们开始进行茶树功能基因研究时,得到一个基因并不容易,全世界那么多人作茶叶研究,到2001年,只获得了十几个基因。我们当时采用EST(表达序列标签Expressed Sequence Tag, EST)方法,在半年时间里就取得一千多个基因。”

  上世纪90年代,陈亮从浙江农业大学茶学系获农学硕士学位后,就来到中国农业科学院茶叶研究所,开始从事茶树种质资源和分子生物学研究,他先后到日本爱媛大学基因研究中心和美国康奈尔大学分子生物学和遗传学系从事植物分子生物学研究。主功方向为茶树种质资源收集保存、鉴定评价、创新利用和系统分类,茶树分子标记和功能基因组学研究。

  2001年,在国家自然科学基金的支持下,陈亮开始对基于植物EST研究茶叶香气释放过程的有关基因的研究。他带领的研究团队率先在国内开展茶树分子标记研究。首次对茶树种质资源的遗传稳定性以及茶组植物和茶树品种的遗传多样性进行分析,提出3种独立的方法可以用于茶树种质资源的分子鉴定。并率先启动茶树功能基因组学研究,建立了我国第一个(国际上第二个)茶树cDNA文库,通过高通量基因测序和生物信息学比对、分离、克隆和注释茶树功能基因。

  该团队对龙井43新梢进行高通量cDNA克隆测序,获得首批1684个茶树表达序列标签。通过比对,研究人员初步明确了茶树新梢基因表达谱特征和表达丰度,获得300多个茶树功能基因的部分序列或全长,其中包括与茶叶香气形成密切相关2个基因——β-葡萄糖苷酶和β-樱草糖苷酶基因。他们采用新的技术,以所获得的EST为材料建立了第一张广谱型茶树基因芯片,初步构建了一个基于基因芯片的茶树资源与育种研究平台。获得大量的茶树功能基因表达信息,对从基因组水平认识并调控茶树的生长、发育、抗性和代谢都具有理论与实践意义。

  测序只是开始

  “茶的起源、驯化、选育、构造、抗性问题都能从基因上找到答案。测序只是一种技术手段,通过这些技术手段可以更深层次地认识茶树。科学家们测了上万种动植物的基因,人类基因组研究也做了十几年。但茶这中作物和别的作物不同,目前对茶叶功能基因的测序还没做完,对它的一些机理我们还不是很清楚。目前茶树还没有出现转基因品种。”陈亮说。

  国家自然科学基金和早期的一些其他项目为陈亮的后续研究奠定了很好的基础。他先后主持 “863”项目,国家自然科学基金项目,国际植物新品种保护联盟(UPOV)国际标准,国家标准和农业行业标准,“八五”、“九五”、“十五”国家科技攻关计划,“十一五”国家科技支撑计划,科技部科技基础条件平台项目、科技部基础性工作项目等30多项。并作为首席科学家,承担我国为国际植物新品种保护联盟制定的第一个测试指南的研制,曾5次代表中国政府参加国际植物新品种保护联盟大会讨论制订茶树测试指南文本。