張書沛，林世嘉

茶樹中茶氨酸代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制研究進(jìn)展

張書沛，林世嘉*

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230036）

茶氨酸是綠茶品質(zhì)的重要決定因子，其含量與綠茶品質(zhì)高度正相關(guān)。茶氨酸是茶樹中特異的非蛋白氨基酸，也是茶葉中最豐富的游離氨基酸，賦予茶湯鮮爽和香醇味，并具有鎮(zhèn)靜安神、提高注意力等功效。本文對(duì)近年來茶氨酸代謝通路及關(guān)鍵酶、轉(zhuǎn)運(yùn)分子機(jī)制及土壤和環(huán)境因素動(dòng)態(tài)調(diào)控茶樹中茶氨酸積累的主要研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，并對(duì)茶樹中茶氨酸代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

茶氨酸；代謝；轉(zhuǎn)運(yùn)；研究進(jìn)展

茶氨酸是茶葉最重要的品質(zhì)成分之一，賦予茶湯鮮爽味，減輕茶多酚和咖啡堿的苦澀味，并具有鎮(zhèn)靜安神、提高注意力等功效[1]。因此，茶氨酸含量與茶葉品質(zhì)高度正相關(guān)[2]。酚氨比是評(píng)價(jià)茶葉品質(zhì)的重要指標(biāo)，如茶葉酚氨比高，一般苦澀味較重。茶樹中茶氨酸與茶多酚的生物合成具有拮抗性，此消彼長[3]，因此提高茶氨酸含量的同時(shí)往往降低茶多酚的含量，進(jìn)而導(dǎo)致酚氨比降低，可提高綠茶品質(zhì)。

1 茶樹茶氨酸代謝通路及關(guān)鍵酶研究進(jìn)展

茶氨酸是茶樹中特異的非蛋白氨基酸，也是茶葉中最豐富的游離氨基酸。它由茶氨酸合成酶以乙胺和谷氨酸為底物催化合成。茶樹中茶氨酸的合成主要發(fā)生在嫩根中[4]。Wei等（2018）克隆了茶樹中的茶氨酸合成酶編碼基因[5]。原核表達(dá)純化的CsTSI在體外具有催化茶氨酸合成的酶活性；在茶樹毛發(fā)根中，過表達(dá)能提高茶氨酸含量，降低其表達(dá)則降低茶氨酸含量[6]，表明CsTSI在決定茶樹合成茶氨酸中發(fā)揮重要功能。此外，發(fā)現(xiàn)茶樹中多個(gè)谷氨酰胺合成酶CsGSs也具有體外催化茶氨酸合成的活性；過表達(dá)的擬南芥或者煙草葉片，在飼喂乙胺的條件下能合成茶氨酸，暗示CsGSs對(duì)茶樹合成茶氨酸亦有貢獻(xiàn)[7, 8]。

茶氨酸合成底物乙胺由丙氨酸脫羧酶催化丙氨酸脫羧生成[9]。Bai 等（2019）克隆了茶樹中的丙氨酸脫羧酶編碼基因[10]。CsAlaDC是擬南芥絲氨酸脫羧酶的同源蛋白，在體外具有丙氨酸脫羧酶活性，但不具有絲氨酸脫羧酶活性[11]。Zhu等（2021）發(fā)現(xiàn)煙草葉片過表達(dá)時(shí)丙氨酸含量降低，乙胺大量合成[12]，這表明CsAlaDC在植物中具有丙氨酸脫羧酶活性。茶樹中谷氨酸合成主要由谷氨酸合酶CsGOGATs催化[13]。在氮素含量較高時(shí)，谷氨酸脫氫酶CsGDHs也能催化谷氨酸的合成。隨著茶樹基因組測(cè)序工作的完成，CsGOGATs和CsGDHs的編碼基因也得到了鑒定，它們都由多個(gè)基因編碼[14]。與谷氨酸不一樣的是，Cheng等（2017）發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)的乙胺含量直接決定了不同植物間茶氨酸積累水平的差異[15]。大多數(shù)植物（比如擬南芥）不合成乙胺，這是因?yàn)镃sAlaDC在這些植物中的同源蛋白絲氨酸脫羧酶SDC催化乙醇胺合成，而不是乙胺的合成[16]。Bai等（2021）比較了茶樹中CsAlaDC和CsSDC，發(fā)現(xiàn)它們只分別具有丙氨酸脫羧酶和絲氨酸脫羧酶活性，兩者的最適pH和反應(yīng)溫度不同，且CsAlaDC的底物親和性和催化速率遠(yuǎn)低于CsSDC[11]。

茶氨酸在茶氨酸水解酶的催化下降解為谷氨酸和乙胺，該過程主要發(fā)生在幼嫩的新梢組織[17]。Fu等（2020）發(fā)現(xiàn)茶樹中擬南芥谷氨酰胺酶的同源蛋白CsPDX2.1在體外具有茶氨酸水解酶活性[18]。白化茶樹葉片中茶氨酸含量普遍高于綠葉品種，可能與這些品種中表達(dá)水平低有關(guān)，使得茶氨酸降解減少而得以更多積累。

2 茶樹中茶氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)分子機(jī)制研究進(jìn)展

Li等（2019）檢測(cè)了茶氨酸生物合成和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在根和芽四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)。基因表達(dá)量與茶氨酸含量的相關(guān)性分析表明，茶氨酸生物合成基因表達(dá)量與茶氨酸含量呈普遍負(fù)相關(guān)；而包括CsLHT在內(nèi)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體基因的表達(dá)與茶氨酸含量呈普遍正相關(guān)，并發(fā)現(xiàn)CsLHT具有茶氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)活性[19]。

茶氨酸主要在根中合成，通過維管束從根運(yùn)輸?shù)叫律?。Dong等（2020）鑒定了茶樹中9個(gè)的AAP家族氨基酸蛋白，發(fā)現(xiàn)其中6個(gè)（CsAAP1、CsAAP2、CsAAP4、CsAAP5、CsAAP6和CsAAP8）具有茶氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)能力。除了在各組織中組成性表達(dá)，另外5個(gè)茶氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因都具有較高的組織表達(dá)特異性，其中，在茶氨酸從根向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)過程中發(fā)揮重要功能[20]。

Feng等（2021）發(fā)現(xiàn)，茶樹中定位于液泡膜的CAT氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族CsCAT2，也具有茶氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)能力[21]。從冬季到春季的不同時(shí)間點(diǎn)，在根中的表達(dá)趨勢(shì)與茶氨酸在根中的儲(chǔ)存趨勢(shì)一致；在不同品種茶樹的根中，的表達(dá)量與茶氨酸從根到新梢的轉(zhuǎn)運(yùn)能力顯著負(fù)相關(guān)；暗示 CsCAT2介導(dǎo)茶氨酸在根部的儲(chǔ)存而負(fù)調(diào)控茶氨酸向地上部運(yùn)輸。至于冬季茶氨酸在根中如何儲(chǔ)存，以及CsCAT2如何介導(dǎo)茶氨酸儲(chǔ)存過程，還需要深入的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

Li等 （2022）酵母系統(tǒng)中驗(yàn)證CsAAP7.2具有運(yùn)輸茶氨酸和其他氨基酸的能力；組織特異性分析表明，在根和莖中高度表達(dá)。過表達(dá)擬南芥株系對(duì)高濃度茶氨酸更敏感，且在土壤中氨基酸攝取和茶氨酸的長途運(yùn)輸中起著重要作用[22]。

3 土壤和環(huán)境因素動(dòng)態(tài)調(diào)控茶樹中茶氨酸積累的研究進(jìn)展

3.1 茶樹中茶氨酸的積累受遺傳和環(huán)境因素的共同調(diào)控

我國擁有豐富的茶樹種質(zhì)資源。經(jīng)過長期的自然選擇和栽培馴化，獲得了很多優(yōu)異的茶樹品種/品系。Fang等（2020）檢測(cè)了春、夏、秋三個(gè)季節(jié)里191個(gè)茶樹種質(zhì)材料新梢中的茶氨酸含量，發(fā)現(xiàn)茶氨酸含量變異范圍分別在0～4.03%、0～2.38%和0～6.01%之間，計(jì)算得出茶氨酸含量的遺傳力為0.6[23]，說明茶氨酸含量受遺傳因素控制，但環(huán)境因素影響亦很大。最近，Huang等（2022）鑒定了控制氨基酸含量包括茶氨酸含量的QTLs (Quantitative Trait Loci)[24]。他們利用2018年測(cè)定的茶氨酸含量，鑒定到5個(gè)茶氨酸含量相關(guān)的QTLs；但是，利用2019年測(cè)定的茶氨酸含量數(shù)據(jù)，只鑒定出1個(gè)與茶氨酸含量相關(guān)的QTL。這主要是由于兩個(gè)年份之間茶氨酸含量差別較大而引起的。另外，很多黃化或白化品種中的茶氨酸含量高，但隨著溫度或者光照變化，其葉色會(huì)返綠，茶氨酸含量也隨之降低。這些結(jié)果都說明茶氨酸含量除了受遺傳因素調(diào)控外，亦受環(huán)境因素的影響。

3.2 季節(jié)和環(huán)境因素對(duì)茶氨酸積累水平的調(diào)控

前人研究表明，秋冬季節(jié)，茶氨酸在根中大量合成和積累，作為氮素的儲(chǔ)存形式在根中儲(chǔ)存；春季，茶氨酸逐漸運(yùn)輸?shù)叫律抑校律抑胁璋彼岷枯^高；夏秋季，茶葉中茶氨酸含量較低[25]。Li等（2019）測(cè)定了四個(gè)時(shí)間點(diǎn)（12月12日、3月1日、3月23日、4月13日）13個(gè)品種根和頂芽中茶氨酸的含量。發(fā)現(xiàn)根中的含量在前兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定，在3月23日顯著升高，而在4月13日顯著下降。頂芽中茶氨酸的含量在12月12日低，從3月1日到23日持續(xù)增加；對(duì)于早發(fā)品種，頂芽中茶氨酸的含量在4月13日顯著降低，而晚發(fā)品種中的含量在4月13日仍在升高[26]。季節(jié)因素是光照、溫度、水分等因素的綜合，強(qiáng)光、高溫、干旱等都降低茶氨酸的積累水平，而鹽脅迫和茶尺蠖取食增加新梢里的茶氨酸含量[14]。Wang等報(bào)道干旱抑制了茶氨酸生物合成基因的表達(dá)，誘導(dǎo)了茶氨酸分解代謝基因的表達(dá)，從而減少了茶氨酸在茶樹葉片中的積累[27]。相比之下，Deng等人報(bào)道，與鹽脅迫前相比，150 mM NaCl處理8 d增加了茶樹幼苗根和芽中茶氨酸的積累[28]。鹽脅迫誘導(dǎo)茶氨酸生物合成的研究最近得到證實(shí)[29]。對(duì)于生物脅迫，Li等報(bào)道了茶尺蠖侵食茶樹葉片使受侵害葉片中的茶氨酸含量增加，但降低了根中的茶氨酸含量[30]。

3.3 土壤營養(yǎng)的含量和形式顯著影響茶氨酸積累

大量研究表明，施用氮肥增加茶氨酸的積累。茶樹是喜銨植物，相比于硝態(tài)氮，銨態(tài)氮能更有效地提高茶氨酸積累[31]。磷、鉀和鎂元素營養(yǎng)對(duì)茶氨酸的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)過程也很重要[32]。但這些營養(yǎng)元素的含量只有在一定的范圍內(nèi)才能有效提高茶氨酸的積累，含量太高時(shí)反而與茶氨酸的含量負(fù)相關(guān)[33]。長期不施肥，茶樹一直處于養(yǎng)分虧缺狀態(tài)，茶氨酸的積累也顯著降低[34]。Yang （2020）研究發(fā)現(xiàn)，與缺氮處理相比，加氮肥處理顯著提高的轉(zhuǎn)錄和蛋白水平[35]；遮陰處理也誘導(dǎo)茶樹根中表達(dá)[36]。

4 研究展望

近年來，茶樹中茶氨酸合成和轉(zhuǎn)運(yùn)分子機(jī)制的研究取得了重要進(jìn)展，但是，茶氨酸合成和轉(zhuǎn)運(yùn)過程受到土壤營養(yǎng)、季節(jié)和其他環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)調(diào)控，我們對(duì)其背后的分子機(jī)理的認(rèn)識(shí)還十分有限。鑒定調(diào)控茶氨酸合成和轉(zhuǎn)運(yùn)過程的關(guān)鍵基因，揭示茶樹中茶氨酸積累動(dòng)態(tài)調(diào)控的分子機(jī)理，可以為創(chuàng)制高茶氨酸含量的優(yōu)異茶樹種質(zhì)資源和研發(fā)綠色高效栽培技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和靶標(biāo)基因。

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S571.1

A

1006-5768（2023）03-140-005

2023-04-24

張書沛(1982—)，女，遼寧省營口市人，助理實(shí)驗(yàn)員，研究方向?yàn)椴鑼W(xué)， E-mail：zhangshupei@ahau.edu.cn。

林世嘉(1996—)，男，福建省寧德市人，在讀博士生，研究方向?yàn)椴鑼W(xué)， E-mail：13385006672@163.com。

（責(zé)任編輯：范曉娟）