基于核基因的山茶属植物系统发育研究

Camellia is the largest and most economically important genus in the family Theaceae. This genus includes many representative species, such as C. sinensis, C. oleifera and C. japonica; they play an important role in the production of tea and oil as well as ornamental flowers. However, due to the frequent interspecific hybridization and polyploidization together with lacking of suitable nuclear genes for evolutionary analyses, the clear phylogenetic relationship of this genus remains poorly understood, which hampers the efficient development and utilization of species from this genus towards modern breeding. In the present study, we intend to sequence the leaf transcriptomes of 119 Camellia species from 14 sections of Min’s taxonomical system. The Pyrenaria spectabilis is used as outgroup. By performing comparative genomic and transcriptomic analyses, we aim to identify a set of low-copy nuclear genes and single-nucleotide polymorphisms (SNP) sites to systematically construct and clearly clarify the phylogenetic relationships and taxonomy of genus Camellia. The study will enhance our understanding of the evolutionary relationship of genus Camellia that is of greatly significance in not only its germplasm conservation and sustainable utilization, but also accelerating comparative genomics studies and genetic improvement efforts of tea plant in the future.

山茶属是山茶科中包含物种数最多，也最具经济价值的一个属。该属包含许多具有代表性的物种，例如茶树、普通油茶和茶花等，它们在茶叶和油脂生产及观赏花卉上有着重要的应用。然而，该属植物频繁的杂交与多倍化、加之缺乏用于进化分析的合适基因片段，致使其系统发育关系目前尚未获得清晰的认识，一定程度上阻碍了山茶属植物的高效开发与利用。本研究拟以大果核果茶为外类群，利用高通量测序技术对山茶属经典分类系统中的14组共119种植物叶片进行转录组测序，结合茶树基因组，通过比较基因组学和转录组学研究，筛选一批适合用于山茶属植物系统发育构建的直系同源低拷贝核基因和单核苷酸多态性位点；随后通过开展系统发育基因组学研究，获得山茶属植物系统发育关系清晰的认识。本项目的开展将有助于推动我国茶种资源的发掘利用与科学保护，同时也为开展茶树比较基因组学与群体遗传学等研究夯实分类学基础。

山茶属是山茶科中包含物种数最多，也最具经济价值的一个属。该属包含许多具有代表性的物种，例如茶树、普通油茶和茶花等，它们在茶叶和油脂生产及观赏花卉上有着重要的应用。然而，该属植物频繁的杂交与多倍化、加之缺乏用于进化分析的合适基因片段，致使其系统发育关系目前尚未获得清晰的认识，一定程度上阻碍了山茶属植物的高效开发与利用。本项目首先辗转浙江金华、云南西双版纳、贵州古菁和纳雍等地，收集和保存山茶属植物材料500余份；在此基础上，利用高通量测序平台对分类准确鉴定的山茶属植物14组共99种及2种近缘植物叶片进行转录组测序，序列经拼接后获得13,182,618条高质量的转录本序列，平均N50长度为1068bp，组装完整度为84%。通过开展比较基因组学和转录组学分析，鉴定得到165,912个山茶属植物直系同源基因家族，其中373个为高质量的低拷贝直系同源核基因。以四川大头茶为外类群，分别构建了山茶属植物极大似然树和贝叶斯树发现：1）两种策略构建的山茶属系统发育关系基本一致，大多数进化分支的支持率为100%，且得到36个叶片形态特征数据的高度支持；2）山茶属可划分为7个系统分支，其属下各组的系统发育关系支持茶组与秃茶组、油茶组与短柱茶组、瘤果茶组与半宿萼茶组、毛蕊茶组与连蕊茶组的合并处理；3）茶组为单系，红山茶组分支与油茶组分支亲缘关系较近，金花茶组为山茶属的基部类群；4）支持最新中国植物志对广东秃茶、丹寨秃茶和重庆山茶等物种的修订；5）进一步对山茶属植物分化事件进行估算发现，山茶属与大头茶属约在1430万年前发生分化，茶组可能起源于667万年前，茶树原变种与阿萨姆变种的分化时间约为149-216万年前。这些研究结果系统厘清山茶属植物的系统发育关系，无疑为高效发掘和利用我国珍贵而丰富的茶树种质资源、促进我国茶树、油茶和茶花种植产业和栽培育种提供理论依据。