組學(xué)技術(shù)在高氨基酸茶樹中的應(yīng)用研究進展

馬林龍 曹丹 劉艷麗 金孝芳

（湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹茶葉研究所，武漢 430064）

氨基酸是構(gòu)成茶葉滋味的重要組成部分，其組成、含量及其降解產(chǎn)物和轉(zhuǎn)化產(chǎn)物直接影響茶葉品質(zhì)［1-2］。氨基酸含量的差異可直接反映茶樹品種特性，一般認為茶樹一芽二葉中氨基酸含量≥5.0%（干重）為高氨基酸茶樹品種［3］。其中，茶氨酸是茶樹中最為豐富的游離氨基酸，其含量除對茶葉品質(zhì)及等級有較強的正相關(guān)性外，還能有效緩減茶的苦澀味，緩解咖啡堿引起的興奮［4］。而且現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，茶氨酸還具有鎮(zhèn)靜、降壓、降脂、抗腫瘤及增強免疫力等眾多生理及藥理功能［5-8］。近年來，隨著對氨基酸（尤其茶氨酸）功能的不斷開發(fā)及其與綠茶品質(zhì)相關(guān)性認識不斷加強，人們先后培育出‘白葉1號’、‘中黃1號’和‘保靖黃金茶’等高氨基酸茶樹品種，其氨基酸含量依次為7.6%、6.9%和7.5%，顯著高于高氨基酸茶樹品種氨基酸含量標(biāo)準(zhǔn)［1，9-10］。高氨基酸茶樹品種因其所制綠茶具有滋味鮮爽、香氣馥郁且集觀賞、健康于一體，在市場上取得了良好的社會和經(jīng)濟效益［11］。

組學(xué)技術(shù)（Omics technology）是整合基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究思路和方法，動態(tài)地揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能相互作用和運行規(guī)律的技術(shù)［12］。隨著茶樹基因組測序的完成以及高通量測序、色譜質(zhì)譜和核磁共振技術(shù)的飛速發(fā)展，茶樹分子生物學(xué)的研究已經(jīng)逐步跨入后基因組（轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)）時代，從對單一基因或蛋白質(zhì)的研究轉(zhuǎn)向?qū)Χ鄠€基因或蛋白質(zhì)同時進行的系統(tǒng)研究，以揭示細胞和生命現(xiàn)象的本質(zhì)和活動規(guī)律［13-15］。近年來，研究者基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等技術(shù)，對高氨基酸茶樹開展了廣泛的研究，為其資源特性及其栽培和育種等方面提供了新的認識。本文綜述了轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等組學(xué)技術(shù)在高氨基酸茶樹上的相關(guān)研究進展及其應(yīng)用進行展望。以期為今后高氨基酸茶樹的進一步研究提供參考和方向。

1 轉(zhuǎn)錄組學(xué)在高氨基酸茶樹研究中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)錄組學(xué)（Transcriptomics）是指對特定組織或細胞中某一功能狀態(tài)下所有RNA轉(zhuǎn)錄本豐度的研究，能夠反映生物個體在不同生命階段、不同生理狀態(tài)、不同組織類型以及不同環(huán)境條件下細胞中所有基因的表達情況［16］。轉(zhuǎn)錄組學(xué)作為研究功能基因組學(xué)的強有力工具，是目前研究基因組水平變化最常用和最直接的方式，近年來在高氨基酸茶樹研究上也有一定的應(yīng)用，但主要集中在白化型高氨基酸茶樹芽葉突變的機理上的研究。李娜娜等［17-18］利用轉(zhuǎn)錄組技術(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)形成的分子機理，同時認為低溫誘導(dǎo)型茶樹‘小雪芽’葉片白化的可能遺傳機理存在于蛋白質(zhì)翻譯后的修飾過程，而且這些變異主要發(fā)生在細胞內(nèi)。李春芳等［19］通過轉(zhuǎn)錄組技術(shù)分析了‘白葉1號’不同葉色時期的表達譜，從黃綠期到白化期再到綠期，表達上調(diào)的基因主要參與光合作用、類胡蘿卜素的生物合成、氮代謝和硫代謝；表達下調(diào)的基因主要參與花青素的生物合成。Wang等［20］采用RNA-seq技術(shù)比較分析了葉色突變品種‘中黃2號’和常規(guī)品種‘龍井43’差異表達基因，闡明了茶樹芽葉黃化變異的機理。Liu等［21］利用轉(zhuǎn)錄組技術(shù)對比分析了‘郁金香’黃化葉芽和遮蔭復(fù)綠葉片差異表達基因，研究表明兩者之間共有1 196個差異表達基因，分別涉及葉綠體形成和功能、光響應(yīng)、表觀遺傳學(xué)等多種生理進程，同時認為這些差異可能是黃化的誘因，也可能是黃化導(dǎo)致的結(jié)果。Zhang等［22］利用轉(zhuǎn)錄組對比分析了‘黃金芽’黃化葉片和和遮蔭復(fù)綠葉片差異表達基因，共獲5 051個差異表達基因，研究認為在黃化葉片中與生長相關(guān)基因均表現(xiàn)下調(diào)，而與植物防御相關(guān)基因上表現(xiàn)調(diào)。李娟等［23］采用抑制消減雜交方法篩選‘安吉白茶’全白期和全綠期葉片中差異表達基因，篩選到2個基因片段分別與絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶基因具有較高的相似性，認為可能與‘安吉白茶’白化期氨基酸含量升高相關(guān)；篩選到一個基因片段與鈣調(diào)熱激蛋白基因具有較高的相似性，在全綠期葉片中表達。Yuan等［24］采用cDNA-AFLP篩選‘安吉白茶’白化前期、白化期和復(fù)綠期差異表達基因，對PPR基因、HD-Zip轉(zhuǎn)錄因子、WRKY轉(zhuǎn)錄因子、泛素連接酶、泛素蛋白基因、泛素碳末端水解酶基因及逆轉(zhuǎn)座子等7個基因進行了熒光定量PCR分析，結(jié)果表明其表達量在白化期均明顯上調(diào)。

2 蛋白質(zhì)組學(xué)在高氨基酸茶樹研究中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）是指生物個體、組織或細胞表達的所有的蛋白質(zhì)，即一個基因組內(nèi)所有基因表達的全部蛋白質(zhì)，它從整體、動態(tài)、定量的角度分析細胞內(nèi)蛋白質(zhì)構(gòu)成、表達狀況與修飾狀態(tài)，進而了解蛋白質(zhì)之間的相互作用與聯(lián)系，揭示蛋白質(zhì)功能與細胞生命活動的規(guī)律［25-26］。近年，應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在茶樹抗寒、抗旱等抗性機理，次級代謝產(chǎn)物合成及調(diào)控規(guī)律，茶葉健康功能機理以及普洱茶發(fā)酵等方面研究取得了一定的進展，但在高氨基酸茶樹方面的研究報道較少。李勤等［27］通過

對‘安吉白茶’返白前期、白化期、完全復(fù)綠期3個時期蛋白質(zhì)組的研究，檢測到每個時期樣品的蛋白質(zhì)點1 000個，表達豐度變化在 1.5倍以上的差異蛋白點有26個，對其中20個差異表達蛋白進行鑒定，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)，認為‘安吉白茶’階段性返白現(xiàn)象與這些差異蛋白表達變化有關(guān)。程曉梅等［28］對‘安吉白茶’在返白前期、返白期和全復(fù)綠期這3個不同生長發(fā)育期葉片葉綠體蛋白質(zhì)組進行研究，3個時期間葉綠體差異蛋白質(zhì)豐度變化在1.5倍以上且重復(fù)性好的蛋白質(zhì)點共計59個，主要涉及能量代謝、光合作用、蛋白質(zhì)及RNA加工有關(guān)的抗性蛋白和細胞防御蛋白。

3 代謝組學(xué)在高氨基酸茶樹研究中的應(yīng)用

代謝組學(xué)（Metabolomics）通過對細胞、組織或機體內(nèi)脂類、酮類、有機酸等低分子量（＜1 kD）代謝產(chǎn)物進行定量分析，從代謝物水平上直觀、精確地解釋生命體新陳代謝的多元動態(tài)變化［29］。近年來，以質(zhì)譜（Mass spectrometry，MS）和核磁共振（Nuclear magnetic resonance，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，在茶樹生長發(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藏過程中的化學(xué)成分變化規(guī)律研究上已廣泛應(yīng)用，但在高氨基酸茶樹上研究僅在葉色突變型茶樹上有少量報道。Li等［30］采用代謝組學(xué)方法研究‘安吉白茶’從白化到復(fù)綠階段各個代謝途徑差異，發(fā)現(xiàn)白化階段三羧酸循環(huán)、光合作用、苯基丙酸類合成路徑存在較大的差異變化。Zhang等［22］利用代謝組對比分析了‘黃金芽’黃化葉片和和遮蔭復(fù)綠葉片差異代謝物，大約有300個顯著差異代謝物，其中有41個與氨基酸代謝、碳代謝相關(guān)。Feng 等［31］對‘郁金香’、‘天臺黃茶’、‘黃金芽’和‘安吉白茶’4個葉色突變茶樹品種的游離氨基酸、兒茶素、咖啡堿、類胡蘿卜素和葉綠素含量等主要代謝物與福鼎大白茶進行比較分析，認為葉色突變茶樹品種葉綠素、類胡蘿卜素和咖啡堿合成受到抑制在代謝水平動態(tài)地促進了氨基酸合成。

4 結(jié)語

綜上所述，人們以轉(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)在高氨基酸茶樹上開展了多方面的研究并取得了初步進展，為今后高氨基酸茶樹品種研究積累了一定的研究技術(shù)和數(shù)據(jù)信息，同時也為高氨基酸茶樹的資源特性及其栽培和育種等方面提供了新的認識。但組學(xué)技術(shù)作為一門前沿科學(xué)技術(shù)，其在高氨基酸茶樹研究中的應(yīng)用仍存在諸多不足和亟待突破的難題。

高氨基酸茶樹品種多，資源種類豐富，而目前的研究主要集中在部分葉色突變型高氨基酸茶樹品種上，而利用組學(xué)技術(shù)研究‘黃金茶1號’和‘川茶2號’等葉色正常型高氨基酸茶樹少有報道。其次，雖利用組學(xué)技術(shù)基本明確白化型高氨基酸茶樹葉色突變機理，初步揭示了白化型高氨基酸茶樹氨基酸形成機制，但對白化型高氨基酸茶樹品種存在適應(yīng)環(huán)境能力差、采摘期短等問題少有研究。因此，今后應(yīng)加強組學(xué)技術(shù)在高氨基酸茶樹的抗性、栽培管理和次級代謝產(chǎn)物生物合成調(diào)控機制等方面上的應(yīng)用研究，加大高氨基酸茶樹研究的深度和廣度。

組學(xué)技術(shù)在茶樹栽培育種、生理生化、種質(zhì)資源特性、茶葉加工及貯藏等多方面研究得到了廣泛應(yīng)用，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)茶產(chǎn)品，培育我國特有茶樹資源奠定了基礎(chǔ)。但轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)在高氨基酸茶樹上研究應(yīng)用較為簡單，對于高氨基酸茶樹的基因、蛋白質(zhì)、代謝物的探究只是冰山一角，對于更深層次的內(nèi)在機理與它們之間的聯(lián)系尚不明確。其次，現(xiàn)有很多研究都是將不同組學(xué)的方法進行聯(lián)用，全面系統(tǒng)的解析生命現(xiàn)象。而利用組學(xué)技術(shù)研究高氨基酸茶樹均以轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究為主，單一的組學(xué)技術(shù)僅能在某一層面反映生物信息情況，目前尚無綜合基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)來研究高氨基酸茶樹的報道?？傊?，組學(xué)技術(shù)已然成為今后研究高氨基酸茶樹的重要手段，多組學(xué)技術(shù)聯(lián)用必然成為未來高氨基酸茶樹研究的方向。同時，隨著茶樹基因組測序完成［32］，基因工程技術(shù)的日趨成熟和各種先進科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，組學(xué)技術(shù)在高氨基酸茶樹的研究應(yīng)用將邁上一個嶄新的臺階。

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