基于叶绿体和线粒体全基因组测序的山茶属系统发育研究

Camellia is the largest, more phylogetically primitive and the most economically important genus in the family Theaceae. China is the most abundant in the tea tree germplasms in the world. Up to date, clear phylogenetic relationships and taxonomy of the genus still remain unsolved as a result of frequent interspecific introgression and polyploidization together with lacking suitable gene fragments for evolutionary analyses. This study proposes to sequence the complete chloroplast and mitochondrial genomes of 119 species belonging to 14 sections in the genus by using Pyrenaria yunnanensis as outgroup. Subsequent comparative analyses will lead to a better understanding of the chloroplast and mitochondrial genome variation and evolution in the genus. With the help of sequencing about ten singletons in the Camellia species, phylogenomic analyses of the chloroplast, mitochondrial and nuclear genes will further help to obtain a comprehensible resolution of evolutionary relationships as well as taxonomic treatment. The obtained genomic data will be used to find suitable DNA barcodes in order to rapidly and accurately identify the tea tree germplasms. The proposed study thus is of greatly significance in enhancing efficient conservation and sustainable utilization of the precious tea tree germplasms in China.

山茶属是山茶科中种类最多、系统上较原始和经济价值最大的一个属，我国拥有世界上最为丰富的茶种资源。该属植物频繁的杂交与多倍化、加上缺乏用于进化分析的合适 DNA 片段，目前对其系统发育关系依然缺乏清晰的认识，分类学处理混乱。本项目拟以云南核果茶为外类群、利用Ilumina 测序技术对闵天禄分类系统 14 个组共 119 个种进行叶绿体与线粒体基因组的测序，开展比较基因组学研究，认识它们在该属中的变异与进化规律；辅以约 10 个单拷贝核基因的测序，通过系统发育基因组学研究获得该属的系统发育与分类的认识，寻找适合快速准确地鉴定茶种资源的DNA条形码。该项目的开展对促进我国茶种资源的科学保护与发掘利用具有十分重要的意义。

山茶属 (Camellia) 是山茶科 (Theaceae) 中种类最多、系统上较原始和经济价值最大的一个属，全产于亚洲。按照山茶属植物分类学家闵天禄的系统，全球有山茶属植物119种，我国有98种，约占82%，拥有世界上最为丰富的茶树种质资源。该属由于包括了举世闻名的茶叶 (茶 C. sinensis；大叶茶 C. sinensis var. assamica)，茶花 (茶花 C. japonica；云南山茶 C. reticulata；金花茶 C. petelotii;茶梅 C. sasanqua) 和油茶 (油茶 C. oleifera；红花油茶 C. reticulata) 等非常重要的经济植物，一直倍受世人青睐。.本项目对闵天禄分类系统中包含的14个组81个种及山茶科外类群云南核果茶 (P. yunnanensis) 进行野外调查和取样，并对取样的材料进行分类学鉴定，保存凭证标本。通过仔细斟酌，选取山茶属13个组30个代表物种进行细胞器基因组的组装，共完成山茶属30个叶绿体完整基因组，并进行了多个叶绿体基因组的比较基因组学分析。以Coffea arabica为外类群，对30个叶绿体基因组分别用ML、NJ和MP法进行系统发育树的构建，三种方法获得结果较一致，支持将秃茶组归入茶组，而不是单独做为一个组。短柱茶组、古茶组和糙果茶组位于系统发育树的基部。Longjing43来源于茶组，Zijuan和Yunkang10 2个商业品种均来源于离生雄蕊茶组。本研究还对山茶属叶绿体基因组的重复序列、SSR、SNP和基因组共线性进行了比较分析。通过本研究，对山茶属植物系统发育规律和叶绿体基因组特征有了新的认识。同时本项目还对5个山茶属线粒体基因组进行了组装，最大的线粒体基因组已达1,054,071bp，线粒体基因组从长度和复杂度上远大于叶绿体基因组。本项目开发的细胞器基因组筛选流程和线粒体细胞质雄性不育分析流程将为后续细胞器基因组的分析提供生物信息学支撑。本项目共发表SCI/SCIE论文2篇，申请专利2个。.本项目的意义是多方面的。第一，本项目通过山茶属植物叶绿体和线粒体基因组比较研究，认识其基因组进化的规律；第二，本项目较为全面地获得该属植物系统发育关系与进化机制的认识，澄清分类学上的混乱。最后，本项目为我国未来茶树、油茶和茶花的优异资源发掘利用与育种研究奠定坚实的基础。