組學(xué)技術(shù)在茶學(xué)研究中的應(yīng)用研究進(jìn)展

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(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)龍潤普洱茶學(xué)院,云南昆明 650201;2.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院,浙江杭州 310016;3.浙江省茶資源跨界應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310016)

組學(xué)技術(shù)在茶學(xué)研究中的應(yīng)用研究進(jìn)展

蘇小琴1,2,3,馬燕1,楊秀芳2,3,孔俊豪2,3,左小博2,3,趙明1,*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)龍潤普洱茶學(xué)院,云南昆明650201;2.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院,浙江杭州310016;3.浙江省茶資源跨界應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310016)

基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)具有高通量、高靈敏度和系統(tǒng)性的特點(diǎn),已成為生命科學(xué)研究中的強(qiáng)有力工具,也為茶學(xué)研究提供了新的方法。研究者應(yīng)用組學(xué)技術(shù)開展了茶樹栽培育種、種質(zhì)資源特性、茶葉生理生化、茶葉加工及貯藏等多方面研究,獲得了重要進(jìn)展,本文綜述了組學(xué)技術(shù)在茶學(xué)研究中的應(yīng)用情況。

基因組學(xué),蛋白質(zhì)組學(xué),代謝組學(xué),轉(zhuǎn)錄組學(xué),茶學(xué)

Abstract:Omics technologies including genomics,transcriptomics,proteomics,metabolomics and etc.,have characteristics with high-throughput,high sensitivity and systematic. They provided powerful tools in life science research. Omics technologies have been broadly applied in tea science,and provided novel theoretical basis and approaches to study on tea cultivation and breeding,tea germplasm resources of tea plant,physiology and biochemistry of tea plant and tea processing of tea plant. In this work,the progress of researches by omics technology in tea science was reviewed.

Keywords:genomics;proteomics;metabolomics;transcriptomics;tea science

組學(xué)(Omics)定義為“組的”組成、結(jié)構(gòu)、功能以及各組分之間相互作用和聯(lián)系的一門學(xué)科[1],主要包括基因組學(xué)(Genomics)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)(Transcriptomics)、蛋白質(zhì)組學(xué)(Protemics)和代謝組學(xué)(Metabolomics)。組學(xué)技術(shù)(Omics technology)是整合基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究思路和方法,動(dòng)態(tài)地揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能相互作用和運(yùn)行規(guī)律的技術(shù)[1]。目前,以高通量測序、色譜質(zhì)譜和核磁共振技術(shù)為基礎(chǔ)的組學(xué)技術(shù),具有高通量、高靈敏度和整體性的特征,為復(fù)雜樣品分析提供了新途徑,在醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。

茶樹(Camelliasinensis(L.)O. Kuntze)是指山茶科(Theaceae)、山茶屬(Camellia)的多年生常綠植物[4]。茶樹的嫩莖、葉加工而成的飲料已成為世界上除水之外消費(fèi)最多的飲料[5]。茶飲料具有獨(dú)特風(fēng)味品質(zhì),以及抗衰老、抑菌、降血脂、減肥等功效[6]。近年,研究者應(yīng)用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等技術(shù),以茶樹或茶制品為材料,開展了廣泛研究,為茶樹栽培和育種、茶樹種質(zhì)資源特性、茶樹生理生化、茶葉加工及貯藏、茶葉品質(zhì)等方面提供了新的知識(shí)。本文對組學(xué)技術(shù)在茶學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,并對今后基于多組學(xué)聯(lián)用的茶學(xué)組學(xué)研究進(jìn)行了展望。

1 基因組學(xué)在茶學(xué)研究中的應(yīng)用

基因組學(xué)(Genomics)指在生物體全基因組的基礎(chǔ)上研究所有基因的結(jié)構(gòu)、組成與功能[7]。近日,中國科學(xué)院昆明植物研究所聯(lián)合華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、云南農(nóng)業(yè)大學(xué)等多個(gè)機(jī)構(gòu)完成了茶樹基因組的測序。茶樹基因組測序的完成,將極大地促進(jìn)茶葉生物化學(xué)、茶樹次生代謝、茶樹育種等方面的研究,推動(dòng)茶葉科學(xué)的發(fā)展。

宏(元)基因組學(xué)(Metagenomics)也稱為微生物環(huán)境基因組學(xué)(Microbial environmental genomics)或生態(tài)基因組學(xué)(Ecological genomics),其定義為以環(huán)境樣品中微生物群體基因組為對象,研究微生物的種群結(jié)構(gòu)、功能活性、多樣性、相互協(xié)作關(guān)系及其與環(huán)境間關(guān)系的研究方法[8]。近年,多位研究者應(yīng)用宏基因組學(xué)技術(shù)開展了普洱茶、茯磚茶和六堡茶后發(fā)酵過程中微生物組成與變化研究。Lyu等[9]應(yīng)用454焦磷酸測序(454 Pyrosequencing Analysis)技術(shù)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌是普洱茶發(fā)酵中主要菌群,主要包括放線菌(Actinobacteria)、變形桿菌(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes),分別占30.08%、24.47%和20.23%。陳慶金[10]和徐書澤等[11]應(yīng)用Miseq技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)六堡茶中優(yōu)勢真菌均為曲霉屬(Aspergillus)和散囊菌屬(Eurotium)。Fu等[12]發(fā)現(xiàn)茯磚和青磚優(yōu)勢細(xì)菌為Firmicutes,六堡茶優(yōu)勢細(xì)菌為Actinobacteria,而普洱茶中Firmicutes和Actinobacteria所占比例對等。Zhang等[13]發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)酵進(jìn)行普洱生茶和熟茶的真菌多樣性下降,細(xì)菌多樣性上升;而不同年份的普洱生茶的微生物組成存在差異性。筆者課題組應(yīng)用454 Pyrosequencing技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室模擬發(fā)酵普洱茶過程微生物多樣性,發(fā)現(xiàn)原料與發(fā)酵初期的優(yōu)勢細(xì)菌是變形菌門(Proteobacteria),隨后Firmicutes上升為優(yōu)勢菌,發(fā)酵后期Actinobacteria與Firmicutes共同成為細(xì)菌優(yōu)勢菌;原料的優(yōu)勢真菌為no_rank_Fungi,發(fā)酵過程曲霉屬真菌一直處于優(yōu)勢,發(fā)酵中期根毛霉屬(Rhizomucor)繁殖,后期降低[14]。隨后,應(yīng)用Miseq技術(shù)研究普洱茶工業(yè)發(fā)酵樣品,發(fā)現(xiàn)原料與發(fā)酵初期的優(yōu)勢細(xì)菌是腸桿菌(Enterobacteriaceae),發(fā)酵后期優(yōu)勢細(xì)菌是芽孢桿菌(Bacillaceae);原料與發(fā)酵初期的優(yōu)勢真菌是曲霉(Aspergillus),發(fā)酵中期藍(lán)狀菌(Rasamsonia)和嗜熱絲孢菌(Thermomyces)與曲霉屬共同成為優(yōu)勢真菌,但出堆樣品的優(yōu)勢真菌為曲霉,進(jìn)一步闡明普洱茶發(fā)酵過程微生物群落組成與動(dòng)態(tài)變化[15]。另外,研究者應(yīng)用PCR變性梯度凝膠電泳(Polymerase Chain Reaction-Denaturing Gradient Gel Electrophoresis,PCR-DGGE)[16-19]、16S rRNA基因克隆文庫(Clonal Library)[20]等免培養(yǎng)技術(shù),研究了普洱茶發(fā)酵過程微生物多樣性與動(dòng)態(tài)變化。

綜上,以高通量測序?yàn)楹诵牡暮昊蚪M學(xué)技術(shù)從完整的微生物群落水平探明了普洱茶、茯磚茶和六堡茶等發(fā)酵過程微生物的組成與動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,完善了其發(fā)酵理論,為進(jìn)一步研究微生物在發(fā)酵工藝中的功能奠定基礎(chǔ)。今后應(yīng)增加樣本量,重點(diǎn)分析各地區(qū)典型廠家,不同貯藏時(shí)間及具有獨(dú)特風(fēng)味的樣品,研究分析其微生物群落結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,探究風(fēng)味品質(zhì)與微生物的具體關(guān)系,改進(jìn)發(fā)酵工藝,穩(wěn)定產(chǎn)品風(fēng)味質(zhì)量。

2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)在茶學(xué)研究中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)錄組學(xué)(Transcriptomics)是以信使RNA(mRNA)、核糖體RNA(rRNA)、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)及非編碼RNA(ncRNA)為研究對象,從整體角度研究其種類、結(jié)構(gòu)、功能及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的學(xué)科[21]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)能夠?yàn)榛虮磉_(dá)調(diào)控和蛋白質(zhì)功能研究提供大量信息,已在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、微生物學(xué)和藥學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[22-23]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)作為研究功能基因組學(xué)的強(qiáng)有力工具,在茶樹抗性機(jī)理、特殊茶樹品種資源以及茶樹次級代謝產(chǎn)物生物合成調(diào)控機(jī)制等方面得到了應(yīng)用,并取得了重要成果。

2.1 茶樹抗性機(jī)理研究中的應(yīng)用

茶樹生長受低溫、干旱、病蟲害等環(huán)境條件的制約?；诖?研究者應(yīng)用高通量轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù),開展了茶樹抗性機(jī)理方面研究,為發(fā)掘茶樹抗性基因,培育抗性較強(qiáng)的茶樹良種,提高茶葉品質(zhì)奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

在抗蟲機(jī)理方面,王丹等[24]應(yīng)用RNA-Seq技術(shù)揭示茉莉酸(JasmonicAcid,JA)、乙烯(Ethylene,ET)和油菜素內(nèi)酯類(Brassinolides,BRs)合成提高了茶樹對茶尺蠖的抗性,并挖掘出9條具茶尺蠖特性的核苷酸結(jié)合位點(diǎn)-亮氨酸重復(fù)(NBS-LRR)類抗性序列CsNBSs,其中CsNBS1和CsNBS2基因在強(qiáng)弱抗品種間表達(dá)存在差異。上官明珠[25]應(yīng)用Illumina Solexa技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)miR159、miR319和miR396作用的靶基因具有調(diào)控防御反應(yīng)、赤霉素等激素合成與代謝等相關(guān)功能,可能參與茶樹抵御害蟲的防御。

在抗冷脅迫方面,Wang等[26]應(yīng)用RNA-seq技術(shù)獲得了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)基因、冷響應(yīng)基因、解毒酶基因、質(zhì)膜穩(wěn)定化基因等,提示碳代謝和鈣離子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等在茶樹冷脅迫過程中具有重要作用。Zhang等[27]應(yīng)用Illumina Solexa技術(shù)獲得了茶樹響應(yīng)冷害的microRNAs。另外,曹紅利等[28]應(yīng)用cDNA末端快速擴(kuò)增(Rapid amplification of cDNA ends,RACE)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)茶樹堿性亮氨酸拉鏈蛋白(basic region/leucine zipper protein,bZIP)轉(zhuǎn)錄因子在茶樹抗冷耐鹽逆性中發(fā)揮作用。王郁[29]研究發(fā)現(xiàn)CsICE1和CsCBF1轉(zhuǎn)錄因子能夠調(diào)控茶樹低溫脅迫,并證明茶樹中存在ICE1-CBF冷應(yīng)答途徑。

在抗旱脅迫方面,劉聲傳[30]應(yīng)用RNA-seq技術(shù)揭示了干旱脅迫與復(fù)水下茶樹激素代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及可溶性糖和脯氨酸代謝的機(jī)理,及其在茶樹耐旱中的重要作用。趙姍姍[31]應(yīng)用Solexa技術(shù)獲得了176條miRNA序列信息,且推斷出19個(gè)miRNA可能與鐵觀音茶樹干旱脅迫存在相關(guān)性。Mohanpuria等[32]獲得了6個(gè)茶樹miRNAs,其中有1個(gè)miRNA可調(diào)控耐旱功能蛋白和MYB耐旱相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)。

2.2 特殊茶樹品種資源研究中的應(yīng)用

我國茶樹種質(zhì)資源極其豐富,尤其包括一些珍稀的茶樹品種,例如高茶多酚品系、高氨基酸白化品系和高花青素紫化品系,其葉色變化和特異性成分的機(jī)理成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。陳林波、李建等[33-34]應(yīng)用RNA-seq技術(shù)對高花青素“紫娟”品種進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序分析,發(fā)現(xiàn)碳水化合物代謝、花青素和油菜素類脂合成途徑的基因顯著上調(diào),可促進(jìn)花青素的合成和運(yùn)輸。李娜娜[35]應(yīng)用Illumina Solexa技術(shù)初步明確了“小雪芽”和“黃金芽”白化階段阻礙色素合成、類囊體膜結(jié)構(gòu)形成的分子機(jī)理。李春芳[36]研究發(fā)現(xiàn)“白葉1號”不同葉色時(shí)期,表達(dá)上調(diào)的基因主要參與光合作用、類胡蘿素的生物合成、氮代謝、磷酸戊糖途徑和硫代謝,表達(dá)下調(diào)的基因主要參與花青素的生物合成。吳全金[37]應(yīng)用RNA-seq技術(shù)從“白雞冠”中獲得25個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族,注釋最多的為MYB轉(zhuǎn)錄因子、AP2結(jié)構(gòu)域、同源異型盒、鋒指蛋白、bZIP家族和bHLH家族。Wang[38]等應(yīng)用RNA-seq技術(shù)闡明了“中黃2號”芽葉黃化變異的機(jī)理。

2.3 茶樹次級代謝產(chǎn)物生物合成調(diào)控中的應(yīng)用

Shi等[39]應(yīng)用RNA-Seq技術(shù)獲得了13個(gè)參與茶氨酸、類黃酮等茶特征成分代謝的茶樹Unigenes。Wu等[40]應(yīng)用454 GS FLX技術(shù)鑒定了可能參與茶樹類黃酮合成的6個(gè)MYB和2個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子。王弘雪、趙磊應(yīng)用RACE技術(shù)研究克隆得到了參與茶樹中多酚類物質(zhì)代謝調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子MYB、bHLH和WD40[41-42]。

總之,基于茶樹基因組數(shù)據(jù)未公布的現(xiàn)狀,以高通量測序?yàn)榛A(chǔ)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)在茶學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了極其重要的作用,為培育優(yōu)良且獨(dú)具功能成分特色的創(chuàng)新茶樹品種奠定了良好的理論和研究基礎(chǔ)。通過對轉(zhuǎn)錄組的差異分析,從轉(zhuǎn)錄組水平深入解析茶樹抗性機(jī)理,特異性茶樹品種典型特征產(chǎn)生機(jī)理。今后,應(yīng)加快茶樹基因組學(xué)研究的步伐,完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基因組信息,為進(jìn)一步深度挖掘轉(zhuǎn)錄組信息提供基礎(chǔ);同時(shí)應(yīng)集合生物信息學(xué)等前沿技術(shù)為測序獲得海量數(shù)據(jù)分析提供強(qiáng)有力工具;另外,應(yīng)進(jìn)一步推動(dòng)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,確保轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

3 蛋白質(zhì)組學(xué)在茶學(xué)研究中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)組(Proteome)是由Wilkins和Williams等人[43]于1994年提出,定義為“基因組所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)的總和”。蛋白質(zhì)組學(xué)(Proteomics)是一門大規(guī)模、高通量、系統(tǒng)化的研究所有蛋白質(zhì)組成、功能及其蛋白之間的相互作用的學(xué)科[44]。目前,以二維凝膠電泳(two-dimensionalgel electrophoresis,2-DE)和質(zhì)譜(Mass Spectrometry,MS)技術(shù)為核心的鳥槍(shotgun)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),被視為最經(jīng)典、最廣泛應(yīng)用的蛋白質(zhì)組分析方法[45]。近年,研究者對茶葉蛋白樣品的制備,應(yīng)用2-DE、質(zhì)譜技術(shù)(UPLC-Q-TOF、MALDI-TOF/TOF MS、LTQ-ESI-MS/MS、TOF-TOFTM、LC-MS/MS)、同位素標(biāo)記相對和絕對定量技術(shù)(Isobaric tags for relative and absolute quantittation,iTRAQ)開展了茶蛋白組學(xué)研究,在茶樹抗寒、抗旱等抗性機(jī)理、次級代謝產(chǎn)物合成及調(diào)控規(guī)律、白化茶白化機(jī)理、茶葉降脂、減肥和抗癌功能機(jī)理以及普洱茶發(fā)酵等等方面獲得了新的知識(shí),促進(jìn)了茶學(xué)研究的發(fā)展。

3.1 茶樹抗逆性研究中的應(yīng)用

郭春芳等[46]應(yīng)用TOF-TOFTM技術(shù)分析茶樹在聚乙二醇脅迫下葉片蛋白質(zhì)組差異,鑒定出14個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn),代表了10種差異蛋白,5個(gè)為1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亞基,9個(gè)為 PEG脅迫響應(yīng)蛋白,主要參與葉綠體組成、糖代謝、能量代謝、蛋白質(zhì)代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等生命活動(dòng)過程。莊重光[47]研究發(fā)現(xiàn)水分脅迫下茶樹中的核酮糖1,5二磷酸羧化酶、3磷酸甘油醛脫氮酶表達(dá)量降低而光誘導(dǎo)蛋白(ELIP)表達(dá)量顯著提高。Qi等[48]應(yīng)用LC-MS/MS研究發(fā)現(xiàn)活性氧對茶樹種子干燥脅迫具有調(diào)節(jié)作用。Zhou等[49]應(yīng)用MALDI-TOF-MS技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)脫落酸在茶樹干旱脅迫中發(fā)揮作用,鑒定了72個(gè)蛋白點(diǎn),其中16個(gè)上調(diào),2個(gè)下調(diào),上調(diào)蛋白對糖酵解和光合系統(tǒng)有重要作用,21個(gè)響應(yīng)干旱脅迫的蛋白大多參與碳氮代謝,核酸代謝、防御、活性氧的控制相關(guān)。Hu等[50]應(yīng)用MALDI-TOF-MS技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)茶樹凍害組和正常組之間存在29個(gè)上調(diào)蛋白和17個(gè)下調(diào)蛋白,主要包括熱休克蛋白70、參與碳代謝的酶等。

3.2 種質(zhì)資源研究中的應(yīng)用

李勤等[51]通過對安吉白茶返白前期、白化期、完全復(fù)綠期間3個(gè)時(shí)期蛋白質(zhì)組的研究,檢測到每個(gè)時(shí)期樣品的蛋白質(zhì)點(diǎn)1000個(gè),表達(dá)豐度變化在1.5倍以上的差異蛋白點(diǎn)有60個(gè),對其中26個(gè)差異表達(dá)蛋白進(jìn)行鑒定,主要參與物質(zhì)及能量代謝、光合作用、蛋白質(zhì)及RNA加工有關(guān)的抗性蛋白和未知功能的蛋白質(zhì)。

3.3 化學(xué)品質(zhì)調(diào)控中的應(yīng)用

張立明等[52]分析茶樹不同兒茶素含量愈傷組織的蛋白差異性,檢測到14個(gè)差異蛋白主要包括谷胱甘肽、咖啡酸-O-轉(zhuǎn)甲基酶、S-腺苷甲硫氨酸合成酶、果膠甲酯酶等,分別參與了類黃酮的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)及其調(diào)控,參與了乙烯合成、糖酵解和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等生理作用。Li等[53]首次應(yīng)用iTRAQ技術(shù)分析茶樹芽和嫩葉的蛋白質(zhì)組差異性,鑒定了116個(gè)上調(diào)蛋白和117個(gè)下調(diào)蛋白,主要參與碳代謝、核酸和蛋白代謝、光合作用等相關(guān)的生物過程。林金科[54]通過外源無公害誘導(dǎo)物誘導(dǎo)使茶樹表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)含量提高20.15%～25%,出現(xiàn)和消失的特異蛋白分別為14種和8種,表達(dá)上調(diào)和下調(diào)相差10倍的特異蛋白分別為11種和6種,這些蛋白在提高茶樹EGCG含量過程中具有重要作用。另外,筆者課題組應(yīng)用LC-MS/MS宏蛋白組學(xué)技術(shù)研究普洱茶模擬發(fā)酵樣品微生物酶的組成與來源,共鑒定335個(gè)蛋白,具有28種生物過程和35種分子功能,同時(shí)發(fā)現(xiàn)與兒茶素氧化有關(guān)的過氧化氫酶、過氧化物酶,以及與茶葉軟化等有關(guān)的酶[14]。隨后在普洱茶工業(yè)發(fā)酵樣品研究中,共檢測到27～379個(gè)細(xì)菌蛋白和189～1893個(gè)真菌蛋白[15]。

3.4 功能機(jī)理研究中的應(yīng)用

劉仲華[55]應(yīng)用LC-MS/MS技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)茯磚茶對肝臟損傷及脂質(zhì)代謝紊亂具有修復(fù)作用,并指出甘油激酶(GK)、細(xì)胞色素C氧化酶2(COX2)、脂肪酸乙酰輔酶A羧化酶(ACACB)、脂肪酸合酶(FAS)等蛋白可能是茯磚茶改善高脂血癥作用于肝臟的藥物靶標(biāo)。吳朝比[56]通過比較高血脂模型和飼喂茯磚茶的高脂模型大鼠肝臟差異表達(dá)蛋白,推測茯磚茶具有降脂作用。宋爽[57]等研究發(fā)現(xiàn)普洱茶對肝臟尿蛋白具有調(diào)節(jié)代謝作用。Lu等[58]應(yīng)用LC-MS/MS技術(shù)研究綠茶提取物對肺癌A549 細(xì)胞的影響,發(fā)現(xiàn)有14個(gè)蛋白含量發(fā)生變化,且一些上調(diào)蛋白對細(xì)胞遷移具有重要作用。

綜上,以2-DE和MS為基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在茶學(xué)領(lǐng)域研究發(fā)揮了重要的作用,為培育高抗旱、耐寒茶樹新品種,生產(chǎn)高氨基酸、高生物活性優(yōu)質(zhì)茶產(chǎn)品,探索茶風(fēng)味品質(zhì)形成機(jī)理提供新思路。但基于高通量質(zhì)譜技術(shù)所獲得的大量復(fù)雜數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析成為亟需解決的問題,且由于茶樹的特異性其基因組數(shù)據(jù)和蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)庫不完善,使蛋白的鑒定和功能分析受到制約;另外,已有關(guān)于蛋白質(zhì)組學(xué)在茶學(xué)方面的應(yīng)用僅局限于蛋白定性分析階段,茶學(xué)定量蛋白質(zhì)組學(xué)的研究鮮有報(bào)道。今后,首先應(yīng)集合生物信息學(xué)的技術(shù)手段,開發(fā)具有針對性、高效性的蛋白組數(shù)據(jù)分析新型軟件,減輕海量數(shù)據(jù)分析的工作難度,從而推進(jìn)蛋白組學(xué)技術(shù)在茶學(xué)的深入研究;其次,基于蛋白定性基礎(chǔ)研究,推進(jìn)茶學(xué)蛋白的相對定量和絕對定量應(yīng)用,從而提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的蛋白信息,為解決茶學(xué)科學(xué)問題提供強(qiáng)有力技術(shù)支撐。

4 代謝組學(xué)在茶學(xué)研究中的應(yīng)用

基于代謝組(Metabolome)的概念,Nicholson[59]和Fiehn[60]于上世紀(jì)90年代提出代謝組學(xué)(Metablomics/metabonomics),即以整體系統(tǒng)的方法對細(xì)胞、組織和機(jī)體產(chǎn)生的低分子量(<1 kDa)代謝產(chǎn)物進(jìn)行定性定量研究,揭示各代謝網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)聯(lián)性。以質(zhì)譜(MS)和核磁共振(NMR)為核心的代謝組學(xué)技術(shù)具有高靈敏度、高精確度、高通量的特征,作為一種整體性的技術(shù)策略和研究方式,對茶樹生長發(fā)育特性研究、茶葉品種改良、品質(zhì)控制、功效成分探索以及在儲(chǔ)藏過程中的化學(xué)成分變化規(guī)律研究起到了極大推動(dòng)作用。

4.1 茶樹生長發(fā)育中的應(yīng)用

茶樹不同生長發(fā)育階段及后期栽培管理方式與其理化成分的代謝方式息息相關(guān),進(jìn)而影響茶葉的品質(zhì)。Jiang[61]等應(yīng)用UPLC-3Q-MS-MS發(fā)現(xiàn)茶樹不同發(fā)育階段芽、葉和根系中酚類物質(zhì)積累不同,嫩葉中含量更高。楊亦揚(yáng)等[62]應(yīng)用1H-NMR發(fā)現(xiàn)茶樹代謝組晝夜差異較大,主要為茶氨酸、葡萄糖和蔗糖、表兒茶素(Epicatechin,EC)、沒食子兒茶素(Gallocatechin,GC)和氨基酸組分。王凱[63]應(yīng)用GC-MS研究發(fā)現(xiàn)不同氮素形態(tài)下茶葉的非揮發(fā)性物質(zhì)差異較大,全氮和銨態(tài)氮更有利于茶葉中有機(jī)酸和糖類的積累。郝亞利等[64]應(yīng)用GC-MS研究發(fā)現(xiàn)不同光質(zhì)處理對兒茶素、咖啡堿、糖類、氨基酸和揮發(fā)性物質(zhì)效應(yīng)存在顯著差異,從而影響茶鮮葉品質(zhì)。Lee等[65]應(yīng)用UPLC-Q-TOF-MS分析發(fā)現(xiàn)遮陰處理能夠增加茶氨酸、咖啡堿、苯基丙氨酸等10種化學(xué)成分的含量,降低兒茶素、EC等4種成分的含量;并應(yīng)用1H-NMR技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)綠茶葉片越嫩茶氨酸、咖啡堿、沒食子酸含量越高,而兒茶素、葡萄糖和蔗糖含量減少[66]。另外,李春芳[36]通過分析“安吉白茶”白化期和綠期的代謝譜,得到65個(gè)差異顯著的代謝產(chǎn)物,主要參與碳固定、苯丙烷生物合成和類黃酮生物合成途徑;與綠期相比,白化期的糖、糖衍生物和表兒茶素含量顯著降低,而氨基酸含量顯著升高,有助于進(jìn)一步理解茶樹白化代謝調(diào)控機(jī)制。

4.2 茶葉加工工藝中的應(yīng)用

加工是茶葉品質(zhì)形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。寧井銘等[67]應(yīng)用GC-MS技術(shù)發(fā)現(xiàn)祁門紅茶加工中兒茶素類一直降解,茶黃素呈先增后減趨勢,兒茶素與茶黃素代謝在萎凋和揉捻階段呈顯著性負(fù)相關(guān)。王秀梅[68]應(yīng)用GC-MS和LC-MS法研究發(fā)現(xiàn)祁紅不同加工的水相和有機(jī)相含量及物質(zhì)種類差異較大,亮氨酸和咖啡堿含量一直很高,生物堿基本不變,在干燥中略有下降,其它氨基酸隨加工工序變化。

4.3 茶葉質(zhì)量品質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用

目前,茶葉品質(zhì)的評判仍以感官審評為主,而代謝組學(xué)技術(shù)為茶葉高效率、高精度的品質(zhì)判別提供了一種科學(xué)手段。呂海鵬[69]等應(yīng)用GC-MS研究發(fā)現(xiàn)不同等級普洱茶香氣成分存在顯著差異,其中醇類香氣可作為區(qū)分普洱茶等級的重要指標(biāo)。Lucksanaporn等[70]應(yīng)用1H-NMR研究表明糖、奎寧酸、咖啡因、茶氨酸、EGCG和ECG是評價(jià)日本綠茶等級的重要標(biāo)記化合物。Pongsuwan等[71]應(yīng)用UPLC-TOF-MS研究發(fā)現(xiàn)EGCG和ECG是日本煎茶高等級的標(biāo)志物。劉曉莎[72]應(yīng)用NMR技術(shù)發(fā)現(xiàn)相對于清香型鐵觀音,濃香型的茶湯中EC、蔗糖等物質(zhì)的相對含量較高,而茶氨酸、異亮氨酸、奎尼酸、EGC、ECG、EGCG等物質(zhì)的相對含量較低。Lee等[73]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵茶中EC、EGC、ECG、EGCG、奎尼酸、咖啡因和蔗糖等物質(zhì)的含量下降,沒食子酸和葡萄糖含量升高。另外,陳紅霞[74]應(yīng)用LC-MS技術(shù)在普洱茶發(fā)酵中鑒定了49種顯著差異性代謝物,其中茶氨酸、槲皮素、EGCG、EC的含量下降,黃嘌呤和次黃嘌呤上升。葉茂[75]應(yīng)用UPLC-Q-TOF-MS分析發(fā)現(xiàn)普洱生茶和熟茶化學(xué)成分隨著存放時(shí)間的延長而變化,且存在差異性。Ku等[76]發(fā)現(xiàn)隨著儲(chǔ)藏年份增加普洱生茶中EGCG、EGC、ECG、奎寧酸、綠原酸和木麻黃素含量下降,沒食子酸含量上升;而不同貯藏年限的熟茶無顯著差異。

4.4 茶葉產(chǎn)地、季節(jié)和茶類判別中的應(yīng)用

我國茶葉種類繁多,同一品種不同產(chǎn)地的茶、不同類型的茶,以及不同加工生產(chǎn)季節(jié)的茶、其品質(zhì)存在差異性。研究者應(yīng)用MS和NMR結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)的代謝組學(xué)分析手段，發(fā)現(xiàn)不同類型、不同生產(chǎn)季節(jié)以及同一種類不同產(chǎn)地的茶(相鄰地區(qū)除外)代謝組均存在顯著差異性(詳見表1)?；诖?代謝組學(xué)可作為茶葉溯源判別的強(qiáng)有力工具,為茶葉溯源準(zhǔn)確判別奠定基礎(chǔ)。

表1 茶葉溯源評判的代謝組學(xué)研究Table 1 Researchs of application of metabonomics techniques in tea origin traceability

注:主成分分析(Principal component analysis,PCA)、偏最小二乘判別分析(partial least square discrimination analysis,PLS-DA)、正交偏最小二乘判別分析(orthogonal projections to the latent structures discriminant analysis,OPLS-DA)。

綜上,多位研究者應(yīng)用以NMR和MS 技術(shù)為基礎(chǔ)的代謝組學(xué)研究策略開展了茶產(chǎn)品品種、類型、產(chǎn)地、來源與生產(chǎn)季節(jié)鑒別、品質(zhì)與質(zhì)量評估和內(nèi)含成分變化規(guī)律等多方面研究。這對于揭示茶葉主要品質(zhì)特征的形成,探討不同風(fēng)味品質(zhì)特征成分之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,研究加工工藝和儲(chǔ)藏條件對茶葉品質(zhì)的變化規(guī)律,闡明茶葉品質(zhì)的形成機(jī)理具有重要的理論意義,且茶樹品種的改良效率和茶葉品質(zhì)調(diào)控也具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。然而,目前代謝組學(xué)在茶學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用僅僅局限于茶葉內(nèi)含成分變化,對于產(chǎn)生這些差異性變化機(jī)理、內(nèi)含成分組之間轉(zhuǎn)化途徑、以及內(nèi)含成分組變化與茶葉品質(zhì)和具體風(fēng)味變化的關(guān)聯(lián)等方面尚缺乏深入研究。今后,應(yīng)致力于將代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,構(gòu)建代謝網(wǎng)絡(luò)和通路,獲得代謝物動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,并闡明其變化機(jī)理。應(yīng)致力于研究代謝物差異與茶葉感官品質(zhì)的關(guān)系建立,建立代謝物與經(jīng)典茶葉評價(jià)的模型。

5 總結(jié)

近年,以基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)為基礎(chǔ)的組學(xué)技術(shù)在茶學(xué)領(lǐng)域多方面開展了研究,已成為茶學(xué)研究的強(qiáng)有力工具(詳見圖1)。高通量測序技術(shù)的發(fā)展,極大推動(dòng)了茶樹全基因組測序工作進(jìn)程,為完善茶樹基因組數(shù)據(jù)庫,深度挖掘功能基因信息奠定了基石?；诤Ａ繑?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)提拱了大量轉(zhuǎn)錄水平的信息和思路,在篩選功能基因和代謝通路上發(fā)揮了不可替代作用。以LC-MS為基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)為解釋茶樹生命現(xiàn)象及品質(zhì)形成機(jī)理提供了技術(shù)支撐。以NMR和MS為基礎(chǔ)的代謝組學(xué)技術(shù)在茶樹品種、產(chǎn)品、產(chǎn)地、來源與生產(chǎn)季節(jié)鑒別、品質(zhì)與質(zhì)量評估和內(nèi)含成分變化規(guī)律研究中發(fā)揮了極大作用。綜上,組學(xué)技術(shù)在茶樹生理生化、茶葉加工、種質(zhì)資源特性等方面都得到了廣泛應(yīng)用,已有的研究結(jié)果極大豐富了茶學(xué)知識(shí),為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)茶產(chǎn)品,培育我國特有茶樹資源提供了科學(xué)數(shù)據(jù),推動(dòng)了茶學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

圖1 組學(xué)技術(shù)在茶學(xué)研究中應(yīng)用情況Fig.1 Summy of application of omics technology in tea science

另外,組學(xué)技術(shù)作為一門前沿科學(xué)技術(shù),其在茶學(xué)研究中的應(yīng)用存在著很多的不足和亟待突破的難題,概括起來主要包括:我國茶樹品種多樣,茶制品類型各異,其品質(zhì)形成機(jī)理、特點(diǎn)及產(chǎn)品功能等相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏,品質(zhì)與組學(xué)數(shù)據(jù)之間缺乏有效聯(lián)系;茶樹基因功能驗(yàn)證體系的缺乏限制了組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)的基因、蛋白的功能研究;高通量技術(shù)可以獲得海量數(shù)據(jù),有效信息的抽提與分析需要生物信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)與生物學(xué)基礎(chǔ),這些知識(shí)與技術(shù)對于茶學(xué)研究者比較困難;單一的組學(xué)技術(shù)僅能在某一層面反映生物信息情況,目前尚未有綜合基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)方法來研究茶學(xué)的報(bào)道。組學(xué)技術(shù)與經(jīng)典茶學(xué)如何結(jié)合,如何深度挖掘茶學(xué)信息等。針對這些問題,首先應(yīng)加強(qiáng)茶樹基因組學(xué)的研究,從源頭上豐富茶樹的基因組信息。其次,有針對性的建立不同層面研究的數(shù)據(jù)庫,加大茶學(xué)研究的深度和廣度。同時(shí),在組學(xué)時(shí)代,應(yīng)集合基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)以及代謝組學(xué)的研究策略,采用多組學(xué)綜合分析研究茶學(xué)生理生化特征、茶風(fēng)味品質(zhì)形成機(jī)理。

總之,多組學(xué)綜合分析必將成為解決茶樹生命現(xiàn)象和茶葉品質(zhì)形成機(jī)理的強(qiáng)有力工具,為揭示茶樹抗逆、抗病的機(jī)制,品種選育和種質(zhì)資源鑒定發(fā)揮重要作用,更全面更深入地認(rèn)識(shí)茶、為創(chuàng)新茶加工工藝提供理論支撐,推動(dòng)茶學(xué)學(xué)科發(fā)展的進(jìn)程。

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Progressofresearchesinteasciencebyomicstechnologies

SUXiao-qin1,2,3,MAYan1,YANGXiu-fang2,3,KONGJun-hao2,3,ZUOXiao-bo2,3,ZHAOMing1,*

(1.College of Longrun Pu-erh tea,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China;2.Hangzhou Tea Research Institute,All China Federation of Supply and Marketing Cooperatives,Hangzhou 310016,China;3.Zhejiang Key Laboratory of Transboundary Applied Technology for Tea Resource,Hangzhou 310016,China)

TS272

A

1002-0306(2017)18-0333-08

2017-02-13

蘇小琴(1990-)，女，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事茶葉生物化學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)方面的研究，E-mail:cecynasu@163.com。

*通訊作者:趙明(1979-)，男，博士，教授，主要從事茶學(xué)多組學(xué)方面的研究，E-mail:zhaoming02292002@aliyun.com。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31160174)；“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD400805-3)。

10.13386/j.issn1002-0306.2017.18.063