中国茶树遗传育种发展、创新之回顾与展望

王新超，王璐，郝心愿，李娜娜，黄建燕，丁长庆，杨亚军

中国农业科学院茶叶研究所/国家茶树改良中心，杭州310008

茶树作为起源于我国的重要经济作物，在我国灿烂的农耕文化中具有独特的地位，也对推动我国与世界的交流起着重要的作用。茶叶深深融入中国人生活，成为传承中华文化的重要载体。新中国成立后，特别是改革开放以后，茶产业在推动我国宜茶区域“三农”发展、脱贫攻坚和乡村振兴中发挥着独特的作用。一粒种子可以改变世界，品种是农业的“芯片”，以半矮化育种和杂种优势利用为代表的“绿色革命”对推动世界农业生产发展发挥了无可替代的作用，因此，不断选育优良品种是保障农业生产持续发展的重要保障。作为茶产业技术链条上游的重要一环，茶树新品种选育在推动我国茶产业发展、提高茶园单位面积效益和促进茶叶产业结构调整中起到了重要作用。本文简要回顾我国茶树遗传育种研究的历史及成就，重点对现代茶树遗传育种的研究现状进行总结，分析当前研究存在的问题，并提出未来的研究重点与展望，以期抛砖引玉。

1 中国茶树遗传育种研究历史回顾

作为茶树的起源地和最早利用茶树的国家，我国有关茶树遗传育种的早期文献可以追溯到《尔雅》等文献。唐代陆羽所著的《茶经》“茶之源”中有“紫者上，绿者次；笋者上，芽者次；叶卷上，叶舒次”的论述，论述了形态特征与茶叶品质的关系。宋代《东溪试茶录》“茶名”篇根据茶树叶型、树型和发芽期将茶树分为7 类：一曰白叶茶，次有柑叶茶，三曰早茶，四曰细叶茶，五曰稽茶，六曰晚茶，七曰从茶。但清代以前，茶树种植的全是有性繁殖群体，直至清代才出现了茶树压条和扦插技术，在福建一带出现了无性繁殖茶树群体，形成了最初的无性系品种，如铁观音、水仙、黄棪、福鼎大白茶等［1］。但直至新中国成立才逐渐开展系统的无性系茶树品种选育及育种基础理论研究，20 世纪80 年代以后育种进程加速，进入21 世纪后，我国在茶树遗传育种多个领域更是取得了多项成果，引领了世界相关领域的发展［2-3］。

1.1 育成了一大批茶树新品种，有效支撑了我国茶产业高质量发展

2000 年以前，我国茶树品种管理采用审定制度，分为国家级和省级品种2个层级，分别由原国家农业部和各省（市、区）农业部门主管，国家层面由“全国茶树良种审定委员会（1989 年改名为“全国农作物品种审定委员会茶树专业委员会”）”承担审定职责。2000 年《中华人民共和国种子法》（以下简称《种子法》）修订后，茶树品种不列入强制审定，2003 年成立了全国茶树品种鉴定委员会，在农业主管部门的指导下组织全国性的茶树新品种区域试验和鉴定工作，育种者自愿鉴定。国家级层面共进行了10 批的全国性茶树品种审（认、鉴）定工作，134 个品种获得了品种认（审、鉴）定证书，包括117 个无性系品种和17 个曾经对我国茶产业做出重要贡献、知名度比较大的有性系群体品种（表1）。另外，还审（认）定了200 余个省级品种。这些品种在推动我国茶产业发展、满足不同时期市场需求中发挥了重要的作用［2-3］。

表1 2015年以前通过审（认、鉴）定的国家级茶树品种名单Table 1 List of national registered tea plant cultivars before 2015

2015 年《种子法》再次修订，茶树列入非主要农作物登记范畴，茶树品种在推广前必须进行登记。施行登记制度以后，茶树品种选育的程序相对于以前有所简化，各育种单位根据《非主要农作物品种登记指南—茶树》的要求，进行了品种的登记申报。2018年，第一批9个茶树品种通过了非主要农作物品种登记，截至2022 年1 月30 日，共计128 个品种获得了登记证书（表2），包括部分2015年以前通过审（认、鉴）定的品种。这些新登记的茶树新品种围绕“机器换人”“优质安全”“多元利用”等产业需求，包括适合机采的新品种‘中茶501’‘中茶502’、特异新品种‘中黄1 号’‘中白1 号’‘紫嫣’、超细绿茶粉专用品种‘浙农302’、氮高效品种‘中茗6 号’‘中茗7 号’、早生优质品种‘保靖黄金茶1号’、地方名茶专用品种‘庐云1号’等，这些新品种不仅丰富了我国茶树品种的结构，也为下一步我国茶产业高质量发展提供了坚实的品种保障［2］。

表2 2018年以来取得登记证书的茶树品种名单Table 2 List of registered tea plant cultivars after 2018

另外，植物品种权作为知识产权保护的一种形式，也逐渐为育种家所重视。茶树被列入中华人民共和国《农业植物新品种保护名录 第七批》，截至2021年底，共计98个新品种获得植物品种权［2］。

群体种在我国茶业发展中曾经发挥了重要的作用，但随着产业的发展，其弊端逐渐显现。为了发挥无性系良种的增产增效作用，1992 年，原农业部提出了良种无性化建议。1997 年原农业部正式要求各地淘汰种子直播和移栽实生苗的老办法，做到发展新茶园和老茶园换种改植采用无性系良种，明确提出经过30 a的努力，实现茶树无性系良种化［4］。经过几十年的推动，我国无性系良种化比例由20 世纪80 年代初的10%左右提高到2020 年的68%［5］。无性系良种在推动我国茶产业发展，特别是名优茶发展中起到了至关重要的作用，依托‘白叶1 号’‘中黄1 号’‘中黄2 号’‘保靖黄金茶1 号’等为代表的良种打造出了“安吉白茶”“天台黄茶”“缙云黄茶”“广元黄茶”“保靖黄金茶”等知名品牌，是“一个品种造就了一个产业”的生动范例［3］。

1.2 形成了比较完备的育种技术体系，有效助推了育种技术创新

我国茶树育种仍然以传统的系统选种方法为主，辅以人工杂交和诱变育种，生物技术育种技术也有了相应的技术储备。对已通过登记的128 个品种进行了统计，采用人工杂交育成的品种有16个，辐射诱变的有2 个（中茶108、黔辐4 号），其他都是通过系统选种法育成。虽然系统选种法仍然是茶树育种的主要方法，但该方法存在较大的缺点，比如育种目标盲目性大，以“撞大运”的小概率方式进行选择。为了提高育种目标的精准性和提高基因突变频率，新的育种技术如诱变育种技术手段运用到茶树育种中。研究人员对诱变的剂量进行了比较系统的研究，如董丽娟等［6］提出了He-Ne 激光茶树育种最佳剂量，杨跃华等［7-8］研究了γ射线辐照以及γ射线和化学诱变剂复合处理的生物学效应，提出了插穗以及大叶种和中小叶种茶籽的适宜半致死剂量。多种诱变源如γ 射线、激光、N+离子注入、化学诱变、航天诱变等被应用到茶树育种，并取得了初步的成果［3］。

以分子标记辅助育种和基因工程育种为代表的现代生物技术育种技术在20世纪成为推动植物育种技术进步的主要力量。但茶树生物技术育种起步较晚，目前仍然停留在实验室技术储备阶段，尚无利用生物技术育成茶树品种的报道。但一些为分子辅助育种技术做的储备研究取得了阶段性的研究成果。在遗传连锁图谱构建上，构建了多个遗传连锁图谱，且遗传距离逐渐缩短［9-12］，越来越多的与重要性状关系密切的QTⅬ数字性状位点被精准定位［13-14］，多个功能性的分子标记被开发出来，离实际运用也越来越近［15-16］。基于茶树重测序结果，中国农业科学院茶叶研究所设计出了一款200 K 的高密度茶树SNP芯片，该芯片可以快速定位QTⅬ、发掘功能基因和SNP 分型［17］。茶树的重要性状往往是复杂性状，受多个基因控制，这为全基因组关联分析（genomewide association studies，GWAS）技术的利用提供了舞台。GWAS 是一种高效地将表型和基因型进行关联并用于遗传作图和搜寻相关性状候选基因的方法，可同时对多个复杂性状进行分析，具有高通量、精度高和花费时间少等显著优点。早期茶树的GWAS 研究，受限于测序费用的高昂和基因组的缺乏，多采用的是简化基因组测序技术，如SⅬAF-seq（specific locus amplified fragment sequencing）［10］、RADseq（restriction-site associated DNA sequencing）［12］和BSR-Seq（bulked segregant RNA-seq）［18］等，受益于测序价格的下降和茶树全基因组测序的完成，基于重测序的GWAS技术也在茶树上开始应用，如Wang等［19］和Fang 等［20］利用GWAS 技术，分别发掘了多个与春季发芽期、茶叶风味等性状关联的SNP 等位变异和候选基因。这些研究结果为今后的分子标记辅助育种技术在茶树上的实践奠定了基础。在基因工程育种技术方面也进行了探索，如Ⅼü 等［21］优化了农杆菌介导的转化体系，唐雨薇等［22］对茶树CRISP/Cas9载体的构建进行了探索。

进行准确的茶树早期鉴定，对于茶树这样童期长的作物提高育种效率尤为重要。我国的茶树育种工作者也进行了有效的探索，取得了一定的研究成果。如杨亚军等［23-24］建立了基于品种主要生化成分含量预测制红、绿茶品质的模型，并明确幼龄茶树与成龄茶树的化学成分没有明显差异，从二龄茶树即可应用化学鉴定方法开展早期鉴定；戴伟东等［25］发现鲜叶中山柰酚-3-葡萄糖苷/山柰酚-3-半乳糖苷比值与茶树品种适制性密切相关，比值＞2.3适制红茶，比值＜2.3 适制绿茶。Mu 等［26］发现鲜叶中S/R-芳樟醇的对映异构体比例高于90∶10 的品种适制绿茶和白茶，R/S-α-紫罗兰酮的对映异构体比例高于99∶1的品种适制绿茶和红茶。发掘与目标性状紧密连锁的稳定分子标记是进行茶树早期鉴定最有效的技术，可以避免环境因素变化带来的不利影响。Jin等［15-16］开发了相应的功能标记，可进行低咖啡碱和高二羟基儿茶素材料的快速筛选。

1.3 在茶树育种基础理论研究上取得了具有应用价值的创新性成果

育种基础理论研究是推动育种技术创新和指导有目的性品种选育的源头。茶树是典型的异花授粉植物，具有高度的杂合性和异质性。加之它又是多年生的木本植物，导致茶树基础研究长期滞后。在经典遗传学研究上，茶树性状经典遗传规律的研究大都出现在2000 年以前，而且也主要集中在表型性状上，如一芽三叶重、芽叶重、育芽力、茸毛、萌芽期等，而对于品质性状以及重要的抗性性状的经典遗传规律研究则较少［3，27］。进入21 世纪以后，随着现代分子生物学技术的快速发展，我国茶树分子遗传学研究一枝独秀，成果不断涌现，成为世界茶学相关研究领域的引领者。遗传群体是进行目标性状遗传规律研究的物质基础，多家单位构建了茶树人工杂交F1代遗传群体，并用于遗传图谱构建、QTⅬ定位等研究。在高密度茶树遗传图谱构建上，遗传图距平均已经缩短到0.39 cM，为下一步基因图位克隆打下了良好基础［17］。在分子层面也开始了茶树杂种优势机制的研究，如Zheng 等［28］综合转录组学和代谢组学的研究结果，认为非加性效应在茶树挥发性组分的杂种优势中起着主要作用。更值得一提的是我国科学家在世界上率先完成了茶树全基因组的测序和多个染色体级别高质量基因组的组装，以及多个材料的重测序，为深入开展茶树遗传学、功能基因组学研究奠定了雄厚的数据基础［29-37］。伴随着高通量测序技术的发展以及全基因组测序的完成，在茶树目标性状调控基因的克隆及表达调控上，也取得了许多有意义的研究成果［2-3，38］。如Wang 等［39］发现品种间抗寒性差异的主要机制是活性氧清除能力及其清除相关基因表达的差异。Zhang 等［40］利用不同氮效率品种鉴定出茶树品种间氮浓度响应差异的关键基因［40］。茶的风味品质和健康功效密切相关，Dai等［41］系统研究了茶树单宁酶基因家族及其功能，证实它们参与调控了酯型儿茶素、没食子单宁和鞣花单宁的代谢。Fu 等［42］比较了白化和绿色茶树材料中L-茶氨酸水解酶基因CsPDX2.1的表达差异，发现该基因在绿色材料叶片中的表达量显著高于黄色材料叶片，与材料间茶氨酸含量呈负相关，为解析白（黄）化茶树品种的高氨基酸含量机制提供了新的思路。

2 我国茶树遗传育种研究存在的问题与未来发展展望

2.1 存在的主要问题

虽然我国茶树遗传育种研究有悠久的历史、完备的科研体系和世界上规模最大的从业人员数量，也取得了领域内举世瞩目的成绩，但也应该看到，在困扰茶树遗传育种基础理论创新、育种新技术创新和品种创新上仍有一些长期存在的问题没有解决［2-3，38］。

一是对茶树主要性状遗传规律的研究基础仍然薄弱。精准育种的实现依赖于对目标性状基本遗传规律的了解。由于茶树自身特殊性造成的目标性状经典遗传规律研究的长周期性和困难性，从事这方面研究的人员越来越少，形成了茶树经典遗传育种理论基础薄弱的局面，反过来又制约了茶树突破性品种的育成。而在分子遗传学方面，虽然纵向对比取得了较为显著的成就，受益于全基因组测序的完成，茶树的功能基因鉴定数量规模化增长，但由于缺乏茶树遗传转化体系这个最大的技术“瓶颈”，茶树特有基因的功能鉴定还是需要借助于异源表达的手段，但这种间接鉴定的结果无法获得与同源表达直接鉴定一样的准确结果，特别是对复杂性状所涉及的调控模块更无法准确鉴定到。虽然近年来借助于寡核苷酸沉默手段实现了部分基因的同源验证［43］，但该项技术无法长时间稳定表达且对大部分性状的功能基因鉴定并不适用。技术的局限影响到对目标性状调控基因及其“调控模块”研究的准确性，使得分子遗传研究结果对育种实践的指导效果大打折扣。可喜的是，茶树上已经有利用愈伤组织进行基因编辑实现调控咖啡碱合成基因的报道［44-45］，有望实现茶树基因功能同源鉴定。

二是育种技术创新进展缓慢。进入21 世纪后，植物育种技术创新速度不断加快，新的育种技术不断涌现，植物分子设计育种技术体系逐渐成熟并在育种实践上得以运用，如在水稻等作物上已经建立了从“分子模块”到“设计型品种”的现代生物技术育种创新体系，育成了多个品种，实现了多个优异性状的集成［46-47］，以CRISPR/Cas 9 为代表的基因编辑技术实现了目标性状新材料的精准创制［48］，这些设计育种（designer breeding）新技术可以更为精准地满足产业需求。如前所述，茶树育种还是以系统选择为主，育种盲目性大、效率低、周期长、育成品种性状同质性程度高的弊端一直存在，导致品种更新速度以及育成品种的性状很难跟上产业发展的步伐［2］。育种技术的落后已经成为制约茶树育种取得突破性成果的最大“卡脖子”问题。

三是育成品种数量多而在生产推广应用少的现象没有根本扭转。虽然我国育成品种的数量居世界前列，但根据相关部门的统计，育成品种在生产上推广利用的比例却很低，大部分品种育成以后就束之高阁，很难在生产中推广利用。这固然与品种存在时间性这个经济学属性有关，但深层次的原因，则是因为育成的品种大部分仅仅是对已有品种某些性状的局部改良，综合性状表现平平，不被种植者和市场所接受。

2.2 发展展望

茶产业是绿色产业、健康产业，也是我国乡村振兴的支柱产业，其高质量发展对我国茶产区实现共同富裕至关重要。不断推出满足产业和消费需求、充分发挥茶树品种在保障茶产业高质量可持续发展中的基础性作用，是我国茶树育种工作者的使命担当。结合学科和产业发展趋势，在未来一段时间内，应从以下几个方面发力［2-3］：

一是加强茶树遗传育种基础理论的创新。准确把握重要性状的遗传规律及其调控机制是实现茶树精准育种和定向育种的关键。在茶产业快速发展、消费市场变化日新月异的大背景下，尽快推出满足需求的品种依赖于对目标性状遗传机制的准确解析。应从经典遗传学和分子遗传学2个维度，加强茶树遗传育种基础理论的创新。经典遗传学方面，要借助于人工杂交群体，瞄准主要农艺、经济性状，开展杂交后代目标性状遗传规律、杂种优势等研究，以指导亲本配组和后代选择；分子遗传学方面，要借助于高通量的现代生物组学、信息学、合成生物学等手段，利用我国最为丰富的茶树种质资源，发掘目标性状形成的遗传基础及其调控网络，揭示复杂性状全基因组编码规律其调控模块［47］，解析杂种优势形成的分子机制，为最终实现茶树品种的定向培育和分子设计育种奠定理论基础。

二是进一步加快育种技术创新。要发挥茶树无性繁殖的优势，在以下几个方面加快育种技术创新：（1）传统育种技术创新。加快远缘杂交、高效定向诱变、倍性育种和目标性状早期鉴定等技术研究；（2）分子设计育种技术创新。综合运用现代育种手段，以提高育种效率、缩短育种周期、聚合优良性状为目标，借助于现代分子生物学、生物组学、信息学、合成生物学等先进的技术手段，在高通量实用分子标记发掘、全基因组高效选择、基因功能同源鉴定、分子模块精准鉴定、基因组编辑以及杂交胚早期挽救等技术上实现突破，建立高效分子设计育种技术体系和高通量的早期精准鉴定平台，突破茶树传统育种技术瓶颈，为突破性品种创新提供技术支撑。

三是以产业需求为导向加快品种创新。近年来，随着城镇化程度的提高、茶叶消费群体和理念的变化以及生态低碳生产方式的深入人心，我国茶产业发展到了新的阶段［5］。在此大背景下，为支撑我国茶产业高质量发展的品种需求，在优质、高效（高产）的育种目标基础上，需要在以下几个育种目标上实现品种创新：（1）宜机化优质品种选育，满足“机器换人”目标；（2）健康成分富集品种选育，满足人民健康需求目标；（3）生态型（高肥效、抗病虫）优质品种选育，满足绿色生产目标；（4）加工型优质品种选育，满足新型茶产品消费需求目标；（5）抗逆新品种选育，满足应对气候灾害目标。