综述：木本油料作物山茶属的驯化：未来育种展望

《iScience》：Woody oil crop domestication in the genus Camellia: Perspectives on future breeding

本综述系统梳理了山茶油物种（Oilseed Camellia）的驯化历史与起源，指出其主要物种为山茶属（Camellia sect. Paracamellia）内的多倍体，物种多样性中心位于南岭山区。文章揭示了驯化导致果实增大和油酸（Oleic acid）含量提升等关键性状变化，但遗传机制尚不明确。作者提出未来育种应聚焦关键性状分子机制解析、非生物胁迫耐受性改良及通过杂交创制新种质，为高效利用山茶属遗传资源提供了重要指导。

　　

山茶属油料作物的分类与自然分布

山茶油物种指的是山茶属内具有高种子含油量并被广泛栽培的多种植物。为确保命名一致性，本综述采用《中国植物志》中接受的拉丁学名。主要的油茶物种均为多倍体，其中六倍体的普通油茶在中国栽培面积和产油量最大，其次是四倍体的小果油茶、八倍体和十倍体的越南油茶以及六倍体的栓壳红山茶等。

根据《中国植物志》，油茶物种及其野生近缘种主要归属于山茶属的短柱茶组。最近的系统基因组学研究支持将油茶组并入短柱茶组，但建议将栓壳红山茶等排除在外。该组内的物种呈现出网状进化模式， characterized by 广泛的杂交和多倍化。

利用来自中国虚拟 herbarium 的野生普通油茶分布数据及气候数据， Cui 等人构建了生态位模型来预测其潜在分布区。结果显示，野生普通油茶的潜在分布区主要位于中国，与亚热带常绿阔叶林区域高度吻合。中高适宜度分布区集中在长江流域及其以南省份的亚热带丘陵地区，少量位于淮河流域南缘。

通过进一步收集主要油茶物种及野生近缘种的自然分布数据并筛选后，其在中国境内的自然分布如图所示。显而易见，南岭山脉及周边山区拥有最高物种多样性，这与此区域是野生普通油茶的高适宜区以及第四纪冰期的重要避难所相吻合。因此，南岭及周边山区是油茶物种遗传资源勘探的关键区域。

油茶驯化的历史推断

作物驯化研究通常聚焦于识别作物的祖先物种和群体、探索其起源的时空和文化背景，以及审视驯化过程中的遗传和表型变化。对于油茶而言，由于其人类利用历史相对较短，缺乏分子生物学研究和考古证据，追溯其驯化过程颇具挑战性。然而，详细的历史记录为了解油茶驯化提供了宝贵线索。

历史文献表明，采集油茶果实榨油可能始于元末（约1310-1360年），而将油茶作为油料作物栽培则兴起于明代（1368-1644年）。《农政全书》记载了油茶的选种、贮藏、育苗和榨油方法，这是对油茶栽培和生产首次系统全面的描述。此外，《天工开物》指出，当时中国的食用植物油主要来源于芝麻、莱菔、大豆、油菜、紫苏和油菜等草本植物，油茶是唯一有记载的木本油料作物。基于这些记录，可以推断油茶大约在400年前开始被有意栽培和作为油料作物利用。

我们尝试剖析油茶驯化的驱动力。根据“标准进化理论”，作物驯化和农业文明的起源是由人类社会资源供需失衡驱动的。宋代以后，由于人口避战南迁和高产水稻品种的引入，长江流域人口急剧增加。同时，小冰期对农业生产产生了显著的负面影响。这些综合压力导致了粮食短缺，从而加大了开发利用野生植物资源的力度。油茶物种是广泛分布于长江流域丘陵地区亚热带常绿阔叶林中的代表性植物，因此有较高概率被人类注意和利用。与当地其他生产工业用油的木本油料植物（如油桐和乌桕）不同，油茶籽油是可食用的。古代人类通常倾向于就地利用植物资源，这解释了作物起源的区域性特征。普遍共识是，作物起源于其祖先物种的多样性中心附近。鉴于油茶物种在中国的多样性，长江流域的丘陵地区很可能是油茶的起源中心。该地区人民对油茶的驯化可能是对历史时期所面临压力的一种自然反应。

油茶的驯化综合征及相关基因

作物驯化常导致表型性状的趋同进化，形成所谓的“驯化综合征”。例如，谷物作物往往具有比野生近缘种更大的种子或果实，以及更直立植株结构和落粒性丧失。油茶也不例外。

Xing 等人对六倍体普通油茶的野生材料和栽培品种的果实产量性状及种子化学成分进行了比较分析。果实重量和种子油中的油酸含量被确定为普通油茶的主要驯化性状。具体而言，栽培品种表现出显著更大的果实和更高的油酸含量。此外，驯化似乎还导致栽培油茶果仁中苦味物质（如茶皂苷）含量显著降低。有趣的是，尽管目前油茶主要通过嫁接繁殖，但与野生祖先相比，栽培品种的种子休眠性显著降低，这可能反映了历史上早期为种子繁殖而驯化的结果。另一个重要观察涉及油茶的交配系统。尽管主要是异花授粉物种，但Yao和Chang发现一些栽培品种表现出自交亲和性的迹象。这表明驯化可能改变了某些品种的交配系统。

然而，尽管发生了这些驯化相关的变化，普通油茶在栽培中仍面临若干挑战。例如，其花期在晚秋，此时授粉昆虫稀少；幼果越冬后于次年春夏生长膨大，这导致果实采收期与花芽形成期重叠，使得机械采收困难。有趣的是，Zhang 等人最近证明普通油茶可能进化出了适应鸟类而非蜜蜂传粉的特性，这为授粉管理提供了新视角。总之，虽然普通油茶已形成明显的驯化综合征，但其相对较短的栽培历史和生物学特性意味着一些表型性状尚未得到有效选择。此外，我们对某些关键生物学过程的有限理解继续阻碍着油茶总产量和栽培管理的提升。

我们分析了六倍体普通油茶和其他主要木本油料作物的驯化性状。总体而言，木本油料作物的驯化综合征所涉及的性状数量少于经过更广泛人类栽培和育种的主要草本作物。此外，木本油料作物与其野生祖先的表型差异并不遵循高度驯化作物（如粮食和蔬菜作物）中观察到的可预测模式。在木本油料作物中，栽培材料的大多数表型性状与其野生祖先没有明显分化，尤其是在椰子和油棕中。这种差异可能源于木本植物的特性，如长寿多年生、漫长的幼年期、广泛的异交、普遍的杂交以及作物-野生基因流，导致驯化程度较温和。

一些先前的研究已经探索了栽培油茶关键性状的遗传调控机制。例如，油茶的果实是一种蒴果，果实大小和种子大小可能受果皮和种皮木质化过程的影响。具体而言，较早的木质素积累导致油茶果皮较薄和果实较小，这一过程与肉质果实的发育显著不同。Yan 等人进一步研究发现转录因子CcBLH6在调节浙江红山茶果皮和种皮的木质素合成中起关键作用。除了果实大小，油茶中油酸的生物合成和积累也一直是研究重点。Lin 等人发现SAD基因的高表达和FAD2基因的低表达对于普通油茶种子中实现高油酸含量至关重要。他们进一步鉴定了四个关键基因（CoSAD1, CoSAD2, CoFAD2-A, CoFAD2-B）中参与不饱和脂肪酸生物合成的两个插入缺失和362个单核苷酸多态性。Wu 等人表明KASII基因表达的增加以及FAD3, FAD7, FAD8基因表达的减少有助于油酸的积累。最近，利用首个染色体级别的二倍体闽鄂山茶参考基因组，Lin 等人比较了221个普通油茶品种的转录组，并在与种子油脂合成和植物激素代谢通路相关的基因中检测到了选择信号。

然而，通过直接比较作物与野生近缘种之间的遗传分化来鉴定油茶驯化基因的研究仍然很少。驯化在很大程度上富集了野生普通油茶中有利的自然遗传变异，从而在栽培品种中产生满足人类需求的高级性状。从遗传学角度看，普通油茶的驯化可能主要涉及对现有遗传变异的人工选择，导致某些基因组区域出现“软清除”特征，这些可以通过基因组筛选检测到。

当我们将考察驯化性状的范围扩大到不同的油茶物种和野生近缘种时，我们可能会发现更多有助于改良栽培油茶的见解。例如，与六倍体普通油茶相比，四倍体小果油茶果实较小，但因高种仁率在某些地区仍受青睐。山茶属果实为木质果皮的蒴果，仅种仁含油。因此，提高种仁相对于果皮的比例可以增加果实的整体含油率。在野外调查中，我们发现了六倍体普通油茶和四倍体小果油茶之间的自然杂交种，并比较了它们与两个亲本以及相关二倍体物种闽鄂山茶的果实性状。结果显示，果实大小部分与倍性水平相关。具体而言，六倍体普通油茶果实最大，而四倍体小果油茶和二倍体闽鄂山茶表现出更高的种仁率。杂交种的果实大小介于双亲之间。这一发现并不令人惊讶，因为异速生长是植物器官发育的常见现象，果实大小的增加往往导致种仁率下降。因此，在山茶育种中，若不考虑种仁率而单纯选择大果，未必能带来高油产。相当一部分同化产物可能会流向不贡献油产的果皮生长。值得注意的是，二倍体浙江红山茶不仅果实比普通油茶大，而且表现出与主要油茶物种不同的物候模式——春季开花，同年秋季结果。这种独特的模式在未来育种计划的探索和利用中具有巨大潜力。

油茶起源的基因组学见解

由于存在广泛的、令人困惑的形态变异，山茶属是分类学和系统发育研究中最具挑战性的类群之一。多倍体，特别是四倍体和六倍体，在该属中很常见，尤其是在短柱茶组内。多倍体（特别是异源多倍体）的发生通常由种间杂交 followed by 全基因组加倍驱动。频繁的杂交和多倍化很可能促进了山茶属物种的多样化。然而，这些相同的过程也使追溯多倍体油茶物种的起源变得复杂，使得界定清晰的物种边界和理解其进化史的任务尤为困难。

山茶属的系统发育研究采用了多种分子标记，包括nrITS、cpDNA、低拷贝核基因以及整个质体基因组。尽管付出了这些努力，基因树的不一致性及其根本原因仍然是争论的话题。组学方法的广泛应用正在扩大我们对油茶及其野生近缘种系统发育和物种形成的理解。例如，基于转录组分析获得的核同源基因，Qin 等人提出六倍体普通油茶的祖先很可能是四倍体小果油茶和二倍体落瓣油茶祖先杂交的结果，而八倍体越南油茶的祖先可能起源于六倍体普通油茶和二倍体闽鄂山茶祖先的杂交。Fan 等人使用多组学方法得出了类似的结论。

随着油茶物种高质量参考基因组的发布，对油茶起源的更清晰理解值得期待。我们整理了近期发布的油茶参考基因组列表，包括六倍体普通油茶、四倍体小果油茶和浙江红山茶，它们现在都有了高质量的染色体级别组装。这些参考基因组不仅有助于解决先前的分类学误解，也为油茶的起源提供了新见解：所谓的二倍体“南荣油茶”实际上是闽鄂山茶；四倍体普通油茶可能是通过二倍体短柱茶的自体多倍化形成的；而四倍体小果油茶的基因组复杂，可能代表一个独立的物种。Zhu 等人声称六倍体普通油茶是自体多倍体存在争议，因为基于六倍体普通油茶参考基因组的基因组调查和亚基因组分析都表明它可能是AAAAAB型的异源六倍体。尽管由于亚基因组间的高度共线性，获得六倍体普通油茶的高质量基因组组装仍然具有挑战性，但有希望获得更精确的单倍型分辨参考基因组，甚至端粒到端粒基因组。随着C. sect. Paracamellia内更多物种，特别是关键支系中二倍体物种参考基因组的发布，我们将有机会全面揭示油茶物种之间复杂的关系和进化模式。

未来油茶育种展望

关键驯化性状的遗传基础

如前所述，普通油茶是一种驯化程度相对较低的木本油料作物，它与其他木本油料作物面临着共同的挑战，如育种周期长和自交不亲和性。这些问题无法通过借鉴现有的研究和管理实践得到很好解决。此外，油茶的驯化呈现出独特的挑战。首先，油茶物种与野生近缘种之间频繁发生种内和种间杂交。其次，多倍体在短柱茶组内广泛存在，这进一步复杂化了驯化工作。

在油茶物种中，六倍体普通油茶无疑占据主导地位，但像四倍体小果油茶和越南油茶这样的次要作物也有相当大的栽培面积。总体而言，油茶驯化的主要方向是增大果实，我们在六倍体普通油茶和四倍体小果油茶中都观察到了这一趋势。然而，驱动这种表型性状平行进化的遗传机制在不同物种间可能并不一致。这表明，在研究具有不同倍性和起源的油茶物种的驯化时，可能需要采取个案研究的方法。

许多油茶物种的多倍体性质使传统分子标记在群体遗传分析和鉴定与驯化性状相关的主效基因中的应用复杂化。Cui 等人证明，六倍体普通油茶基因分型中的等位基因剂量不确定性可能导致野生群体遗传多样性、结构和分化分析中的显著偏差。另一方面，基因组和转录组测序已被证明能有效阐明二倍体作物驯化性状的遗传基础，但多倍体物种的复杂基因组使得难以获得高质量的参考基因组并对大量野生和栽培材料进行准确的基因组范围变异分析。虽然四倍体和六倍体普通油茶的染色体级别基因组已经发布，但其质量和连续性仍不及二倍体物种，这会影响进一步基因组范围分析的准确性。

尽管如此，现有不同油茶物种的参考基因组即使面临这些挑战，仍能提供有价值的见解。我们可以进一步探索多倍体油茶种质的基因组特征，以鉴定与产油量、油品质量和功能成分相关的驯化基因；研究在多倍体油茶物种关键驯化性状发育过程中，亚基因组偏向在同源基因表达和调控中的作用；最终为油茶的分子设计育种奠定基础。

耐受非生物胁迫的野生遗传资源的勘探与利用

随着全球气候变化的加剧，作为多年生树木，栽培油茶预计未来将面临来自非生物胁迫的日益严峻的挑战。Cui 等人的研究表明，当前普通油茶的主要栽培区集中在长江以南。油茶具有特殊的物候期，常在冬季结果，因此寒害对其生存和生产构成严重威胁。为减轻未来气候变化的影响并将栽培范围向北扩展，首要任务是选育耐寒材料。此外，2022年和2024年，长江流域在夏秋季经历了极端干旱和高温事件，严重影响了区域作物生产。尽管油茶通常被认为耐旱，但这一时期是其果实油脂积累和花芽形成的关键期。此时的干旱和高温会严重影响连续多年的油产。因此，选育更能适应干旱和高温的新油茶品种至关重要。然而，先前油茶杂交育种策略主要集中于改良产量相关性状，对非生物胁迫耐受性的重视有限。因此，大多数现有品种适应性有限，不仅易受非生物胁迫影响，而且表现出强烈的区域特异性，这给广泛栽培带来了困难。

近年来，一些研究鉴定了与普通油茶非生物胁迫抗性相关的基因。然而，这些研究大多集中于实验室条件下人工模拟胁迫环境，且主要针对幼苗，虽然能精确控制环境变量并简化遗传背景，但与田间复杂多变的自然胁迫环境差异显著。在自然生长过程中，成年油茶植株不仅要应对干旱、低温等单一胁迫，还常常面临多种环境胁迫因子的叠加效应。此外，这些发现尚未应用于增强种质的非生物胁迫抗性。

与许多其他作物一样，油茶的野生近缘种作为快速增强栽培品种非生物胁迫耐受性的基因库具有巨大潜力。例如，我们在庐山的野生油茶群体中鉴定出了高耐寒材料，能够耐受-30°C以下的极端低温。为进一步探索，我们通过实验室和田间实验相结合的方式进行了冷胁迫研究，揭示了Ca²⁺、赤霉素信号通路和木质素生物合成通路参与了植株对冷胁迫的响应。在此基础上，我们对11个位于冷冬或暖冬地区的野生油茶群体进行了基因组测序，揭示了由单核苷酸多态性和拷贝数变异驱动的耐寒胁迫分子基础。

除了耐寒性，相信在野生油茶中还存在尚未发现的具有耐旱、耐低温和耐低磷等特性的种质。传统育种策略依赖种间杂交来转移优良性状，但该方法存在时间长、性状分离复杂等局限性。近年来，植物营养学家和育种家将目光转向嫁接，以探索新的育种模式。砧木可以通过调节离子运输、激素信号和次生代谢物合成来系统性地增强植物的胁迫耐受性。利用野生近缘种选育抗性砧木并结合嫁接，为快速利用野生油茶的抗性性状开辟了一条新途径。建立野生抗性砧木资源库并结合基因表达调控技术，有望构建一套高效精准的抗性育种体系，这不仅有助于保障油茶的稳产增产、维护国家粮油安全，也将是推动油料作物产业可持续发展、积极应对全球气候变化的新方案。

通过自然和人工杂交创制新种质

种间杂交可能在油茶重要果实性状（尤其是果实增大）产生显著变异方面发挥了关键作用，如图3所示。借鉴猕猴桃百年驯化与改良的历史，Huang 提出有价值的遗传资源最有可能在自然杂交带中发现。与一年生作物相比，多年生果树的驯化与改良要慢得多，因为长寿多年生植物通常具有延长的幼年期、广泛的异交和频繁的杂交。因此，从自然杂交带进行渐渗育种，可能是在较短时间内获得具有理想性状的多样杂交种或育种系的有效方法，优于传统杂交育种途径。鉴于南岭、苗岭、武夷山脉及岭南相邻区域油茶及野生近缘种的高度物种多样性，这些区域可能是油茶及其野生近缘种的潜在杂交带。因此，这些区域应优先作为油茶相关遗传资源的保护和利用重点。未来的研究应聚焦于勘探岭南地区的种间杂交带，并利用其中的遗传资源。

与此同时，不应忽视人工杂交。杂交育种在林木育种中已被证明有效，并具有产生显著提高油产的优良材料的潜力。如果我们能通过杂交育种在油茶上取得像油棕那样的突破，那确实将是一个“找到了！”的时刻。可以利用种内和种间杂交来创制具有改良性状的新种质。我们观察到不同山茶物种在关键驯化性状上表现出不同特征：六倍体普通油茶、越南油茶和浙江红山茶都具有较大的果实，而四倍体小果油茶具有较高的种仁率。此外，栓壳红山茶和浙江红山茶表现出春季开花、同年秋季结果的物候特性。这些性状可以通过种间杂交甚至细胞融合相结合，产生具有增强特性的新杂交后代，形成优良种质。在亚种水平上，通过杂交实验也能产生有前景的杂交种和品种组合。将高通量分子标记辅助选择与杂交育种技术相结合，将进一步优化创制理想油茶种质的策略。这种综合方法有潜力培育出更高产、更优质、对环境胁迫更具抗性的新品种。