1、茶叶科学 2023，43（3）：297309 Journal of Tea Science www.tea- 收稿日期：2023-02-13 修订日期：2023-04-14 基金项目：第二次青藏高原科学考察研究（2019QZKK050203）、云南臻字号茶业有限责任公司技术开发项目（E2552812C1）作者简介：佟岩，女，助理研究员，主要从事分子生物学方面研究。*通信作者： 森林茶园古茶树大理茶叶绿体基因组密码子 偏好性及系统发育研究 佟岩1，黄荟1,2，王雨华1*1.中国科学院昆明植物研究所，资源植物与生物技术重点实验室，云南省野生资源植物研发重点实验室，云南 昆明 650201；2.怀化
2、学院生物与食品工程学院，湖南 怀化 418000 摘要：大理茶（Camellia taliensis）是古茶林森林茶园的重要茶种之一，参与了大叶茶的起源驯化。为了解大理茶叶绿体基因组密码子偏好性，探讨影响密码子偏好性形成的因素，对其进行了中性绘图分析、ENC-plot、PR2-plot 分析，并寻找最优密码子。结果表明，大理茶叶绿体 54 条编码序列（CDS）的 GC 含量为 37.68%，GC1、GC2的含量分别为 46.44%、39.77%，高于 GC3（27.67%），说明其叶绿体基因组密码子末位碱基偏好以 A、U 结尾；有效密码子数 ENC 范围为 35.6456.67，平均值为 46
3、.1，表明其密码子偏好性较弱；中性绘图分析、ENC-plot 分析和 PR2-plot 偏倚分析表明，影响大理茶叶绿体密码子偏好性的主要因素是自然选择；有 11 个密码子被确定为最优密码子。虽然基于 matK 基因和 CDS 序列构建的茶组植物系统发育树显示的拓扑结构有所不同，但所有树型均显示大理茶与秃房茶聚为一支，且是栽培茶的近缘种。本研究为解析大理茶的遗传进化，系统发育提供了基础，为大理茶重要农艺性状改良提供了科学依据。关键词：大理茶；森林茶园；叶绿体基因组；密码子偏好性；系统发育 中图分类号：S571.1 文献标识码：A 文章编号：1000-369X(2023)03-297-13 Ana
4、lysis of Codon Usage Bias and Phylogenesis in the Chloroplast Genome of Ancient Tea Tree Camellia taliensis in Forest-tea Garden TONG Yan1,HUANG Hui1,2,WANG Yuhua1*1.Key Laboratory of Economic Plants and Biotechnology,Yunnan Key Laboratory for Wild Plant Resources,Kunming Institute of Botany,Chinese
5、 Academy of Sciences,Kunming 650201,China;2.Key Laboratory of Research and Utilization of Ethnomedicinal Plant Resources of Hunan Province,College of Biological and Food Engineering,Huaihua University,Huaihua 418000,China Abstract:Camellia taliensis is one of the important tea plants which is often
6、grown in forest-tea gardens,which participated in the origin and domestication of C.sinensis var.assamica.To determine the codon usage bias pattern and its main influencing factors in the chloroplast genome of C.taliensis,neutral plotting,ENC-plot,PR2-plot analyses were performed and the optimal cod
7、ons were found.The results show that the GC content of 54 CDS sequences was 37.68%,while GC1 and GC2 content were 46.44%and 39.77%,higher than GC3(27.67%),indicating that the third base of the codon preferred to end in A/U.The effective codon number(ENC)ranged from 35.64 to 56.67,with an average val
8、ue of 46.1,demonstrating weak codon usage bias in chloroplast genome of C.taliensis.Neutral plotting,DOI:10.13305/ki.jts.2023.03.010298 茶 叶 科 学 43 卷 ENC-plot,PR2-plot analyses show that the main factor affecting the codon usage bias of the C.taliensis chloroplast genome was natural selection.In tota
9、l,11 optimal codons were identified in the chloroplast genome of C.taliensis.Although phylogenetic trees constructed by matK gene and CDS sequence display different topological structures,all trees show that C.taliensis and C.gymnogyna are clustered into one branch and are closely related to cultiva
10、ted tea plant.This study provided the basis for analyses of genetic evolution,phylogeny and improved agronomic traits of C.taliensis.Keywords:Camellia taliensis,forest-tea garden,chloroplast genome,codon usage bias,phylogenetic analysis 古茶树多指百年左右、树体高大的自然生长或栽培的茶树，主要为茶组植物的野生型、半野生型或栽培型等各类茶树资源，云南是世界上古茶树
11、和野生大茶树资源最为丰富的地方，至今仍保留有较大面积的古茶林1。古茶树是重要的茶树种质资源基因库，在研究茶树的起源、进化、生物多样性、品种改良等方面都具有重要的价值2。裴盛基等3从民族植物学视角提出，以产出生态茶叶为目标，按传统方式管理，符合绿色、有机种植标准，面积在0.5 hm2以上，伴生有高于 5 m 以上至少 1 种形成林冠的其他野生或栽培的木本植物，覆盖度在 10%以上的栽培山茶科山茶属茶组植物群落称为森林茶园，一般古茶林都能达到森林茶园的标准，称为古茶林森林茶园。古茶林森林茶园是我国二三千年的茶叶栽培史中，劳动人民通过各种传统农业耕作模式遗留下来的，既保留了天然林的主要特征和功能，又
12、能在人为调控作用下获得最大利用价值的茶园模式，具有重要的生态、经济和文化意义3-4。茶组植物大理茶（Camellia taliensis）是云南古茶树资源中分布广泛、面积大、适应性强的一种茶树资源，也是古茶林森林茶园的重要物种，其群落为物种多样性丰富的原生自然植被，调查发现白莺山古茶园、镇源千家寨等古茶林森林茶园的主要建群物种即为大理茶，其是典型的森林茶园古茶树物种5-6。前人基于分子标记研究发现，大叶茶可能是由栽培的大理茶与小叶茶进行杂交后再驯化而来7-8。此外，大理茶也是迄今发现与栽培茶化学成分最为相近，以及富含咖啡碱和茶多酚的近缘茶组植物，自古以来就被当地少数民族利用作为茶饮，有名的“大
13、理感通茶”“银生茶”“野生乔木茶”等均来源于大理茶5,9。大理茶分布于云南西南部山区，横断山脉澜沧江中段至伊洛瓦底江流域，海拔1 5002 400 m的南亚热带山地的中山地带，野生大理茶为国家二级保护树种，群落物种多样性极为丰富10。茶叶品质的季节性变化及地区性差异主要是由于光、温度等环境因子对茶树多酚类、咖啡碱及茶氨酸等主要成分合成与代谢的影响导致11。在茶树种植中多用遮阴覆盖等农业措施调节茶树的光合作用，从而提升茶品质11-12。叶绿体是植物体中进行光合作用的重要器官，拥有独立于细胞核的半自主遗传系统13。叶绿体基因组 DNA（Chloroplast genome DNA，cpDNA）具有
14、分子量小、单倍性、单亲遗传的特点，其基因含量和基因组高度保守，基因类型与位置分布较为保守、遗传特性稳定，有些进 化 速 率 较 快 的 基 因 如 matK（Maturase kinase）等兼具较高的基因同源性和大量的变异位点，多态性高，在物种鉴定、系统发育关系和物种起源等方面应用广泛13-14。matK 基因位于叶绿体 trnK 基因的内含子中，编码一种参与叶绿体型内含子剪切的成熟酶 K，是叶绿体行使正常功能的关键基因之一15。聂传朋等16对茶树 DNA条形码引物进行了初步筛选，认为 matK、rcbL 可作为茶树品种间分类的备选序列。目前，matK 作为植物 DNA 条形码的标准序列之一
15、，不仅能够用于植物种及变种之间的鉴别，还能够有效地对属间及属以上级别进行鉴定，对近缘种也有较好的分辨力。遗传信息从 mRNA 翻译成蛋白质时，由3 期 佟岩，等：森林茶园古茶树大理茶叶绿体基因组密码子偏好性及系统发育研究 299 于密码子的简并性而对同义密码子的使用频率出现差异的现象称为密码子使用偏好性（Codon usage bias，CUB）17。不同物种、不同基因的密码子偏好性不同，是物种长期进化过程中受到自然选择、突变压力和随机遗传漂变等多种因素影响而形成的，密码子偏好性的存在可降低外源基因在宿主中的表达量，从而维持物种的稳定遗传18-19。本研究通过对大理茶叶绿体基因组的密码子使用与
16、基因的表达情况、CDS 区的碱基组成等密码子使用偏好特征及其偏好性的影响因素进行系统分析，筛选最优密码子，为提高大理茶外源基因的表达转化效率提供基础。1 材料与方法材料与方法 1.1 大理茶叶绿体基因组序列的获取 大理茶（C.taliensis）叶绿体基因组参照Yang 等20报道，基因组序列（NC_022264.1）及注释文件均从 NCBI 数据库中下载，获得的大理茶叶绿体基因组序列长度为 156 974 bp，共包含 89 条编码序列（Coding sequence，CDS）。移除基因编码序列中长度小于 300 bp的序列与基因重复序列，最终获得 54 条符合条件的大理茶 CDS 序列用于后续分析。同时从 NCBI 数据库中下载小叶茶（C.sinensis var.sinensis，NC_020019.1）、大叶茶云抗 10 号（C.sinensis var.assamica cv.Yunkang10，MH019307.1）、白毛茶（C.sinensis var.pubilimba，NC_038198.1）、德宏茶（C.sinensis var.dehungensis，KJ8062
