在数以百万年的时光长河里，一株茶树经历了怎样的变化？人类的驯化和栽培，又赋予了它怎样的变化？
近日，记者从中国农科院获悉，该院深圳农业基因组研究所联合多家单位，成功破解了铁观音基因组，并探明了铁观音在漫长时间里的演化史。这一成果，为茶树功能基因组学研究、现代生物育种奠定了坚实的理论基础。该研究得到国家重点研发项目的资助，研究成果发表在《自然遗传学（Nature Genetics）》上。
中国是茶叶的发源地，也是最早栽培驯化茶树的国家。受访者供图
铁观音基因的秘密
该研究选取的基因组测序对象“铁观音”是全国十大名茶之一，因茶树自交不亲和、种间频繁杂交等因素，导致其基因组高度杂合、组装难度很大。
深圳农业基因组所研究员张兴坦告诉记者，研究团队成功拼接了两套铁观音基因组，并进行了分型基因组组装鉴定，以及对161个茶树品种和15个近缘种进行了重测序分析。结果显示，来自父母本的两套单倍型之间存在大量遗传变异。
铁观音距今已有约300年的栽培历史，长期的无性繁殖积累大量体细胞突变（包括有害突变），增加了遗传负荷，导致其适应性降低。
然而，人们对无性繁殖作物如何应对遗传负荷这一问题知之甚少。此次研究中，研究人员针对这一问题进行了深入探索，揭开了作物自我应对遗传负荷的秘密。
研究结果显示，在无性繁殖的茶树基因组中，显性效应可能是其应对遗传负荷的重要机制。面对大量积累的体细胞突变或有害突变，长期无性繁殖的茶树利用优势等位基因，应答不断积累的遗传负荷，以维持其正常的生长发育和对环境的适应性。
百万年演化，小叶茶北迁
在分析铁观音基因的基础上，科学家们开始探索茶树在漫长的演化史、驯化史中发生的变化。
分析结果显示，大约在200万年前的格拉斯安地质时代，气候等环境因素剧烈变化，使得大叶茶和小叶茶的祖先遭遇了瓶颈效应。在生物学中，瓶颈效应是指生物群体遭遇外部影响，大批量灭绝，只在某些特定地域留下小部分的现象，瓶颈效应会导致物种基因的多样性急剧降低，要经历漫长的时间，才有可能恢复。这次瓶颈效应也促使了大叶茶和小叶茶的分化。
此后，一直到2万年前，最后一次冰河世纪来临前，大叶茶和小叶茶的分化一直没有中断。受环境影响，大叶茶主要在云贵地区生存，从云贵往北，湖南、湖北、山东等地，则以小叶茶为主。
“大约2万年前的冰河世纪中，包括铁观音在内的小叶茶，经历了第二次瓶颈效应，而主要生存在云贵高原的大叶茶，受到的影响不大，”张兴坦说，“这次瓶颈效应，也造成了小叶茶多种性状的变化，比如叶片变得更小、株高降低等。”
3000年驯化，不同选择造就不同品种
大约3000年前，巴渝地区的人们开始使用茶叶。通过基因组鉴定、重测序分析等技术手段，科研人员发现了不同地区驯化茶树的过程中，人们是如何选择不同的基因的。
“我们通过遗传分析发现，在大叶茶中，有874个基因受到了驯化，小叶茶有920个，其中重合的只有95个，这说明，大叶茶和小叶茶的驯化，并非先后顺序，而是经过不同地域中的人们，分别驯化而成的。”张兴坦介绍。
为进一步了解人类驯化过程中的选择倾向，科研人员将栽培茶树分成两大类，并分别和野生种对比，“我们把茶树栽培种分成地方种和精英种，地方种多是各地方培育的品种，更像是一种早期驯化的结果，而精英种则指经过国家审定的品种，可以适应更多环境的优良品种，更像是后期改良的结果，”张兴坦说，“将地方种和野生种进行比较，可以观察到早期驯化的变化。其中，在大叶茶中，人们更喜欢糖苷转移类基因，简单形容的话，就是人们会选择口感更甜的茶树。小叶茶的早期驯化中，则更偏向于对抗昆虫的侵害，因为我们发现了很多应对昆虫啃噬的次级代谢产物。”
后期改良中，人们的选择又和早期驯化不同，张兴坦介绍，“通过精英种和野生种的对比发现，大叶茶的改良中，人们更多选择和生物碱、芳香气味合成相关的基因，通俗来说，就是大叶茶的香气更浓郁了。小叶茶则主要选择和冷胁迫相关的基因，这说明，为了适应气候的变化，人们刻意提高了小叶茶的抗冷能力。有趣的是，这些防御性的次级代谢物，也和茶叶的香气有关，这可能是一个巧合。”
茶叶培育中也有“绿色革命”
上世纪60年代，农业发展中出现了一次“绿色革命”，通过一系列技术手段，大幅度提高了粮食产量。其中，小麦和水稻的矮化是重要的变化之一。
“随着产量的提高，植株更高的作物，在成长期很容易倒伏，矮化就是为了应对这种现象而出现的，当时被称为‘绿色革命’，”张兴坦说，“通过研究，我们发现，在茶树驯化中，矮化现象在大叶茶和小叶茶中，也都出现过。”
张兴坦介绍，研究人员在大叶茶和小叶茶中，找到了两个和矮化相关的基因，并认为这两个基因在驯化过程中，参与到了茶树演化的过程里。“在早期驯化过程中，大叶茶就表现出了变矮的趋势，而在改良中，小叶茶也在变矮”。
人类为什么需要茶树变矮？目前仍未有确切的答案，张兴坦告诉记者，有一些可能的原因，比如抗冷，比如便于人类采摘等。
中国是茶叶的发源地，也是最早栽培驯化茶树的国家，张兴坦告诉记者，目前，还没有确切的茶树迁徙路线，但在未来，随着越来越多茶树种类的全基因测序完成，确实有可能探明茶树驯化和迁徙的路线。
新京报记者 周怀宗
编辑 唐峥 校对 卢茜
