代謝組學(xué)在茶樹生理生化代謝研究中的應(yīng)用進展

毛純，何季*，文雪峰，吳傳美，易承熹，廉建宏，郭文敏

代謝組學(xué)在茶樹生理生化代謝研究中的應(yīng)用進展

毛純1，何季1*，文雪峰1，吳傳美1，易承熹1，廉建宏2，郭文敏2

1. 貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省普安縣茶業(yè)發(fā)展中心，貴州 黔西南 561500

茶樹是多年生常綠葉用作物，其生理代謝受外界環(huán)境因素影響顯著。氨基酸、咖啡堿、茶多酚等生化成分不僅賦予茶獨特的風(fēng)味品質(zhì)和健康特性，而且是茶樹抵抗生物和非生物脅迫的重要貢獻者。代謝組學(xué)技術(shù)具有高通量、高靈敏度和系統(tǒng)性的特點，可以全面、準確、快速地對代謝物進行鑒定和量化。代謝組學(xué)技術(shù)的深入研究為茶樹代謝物的進一步開發(fā)利用提供了技術(shù)平臺。綜述近年來代謝組學(xué)在茶樹生理代謝（光合、呼吸和碳氮代謝）和主要品質(zhì)生化成分代謝（類黃酮類、生物堿、氨基酸等）研究中的應(yīng)用，并對今后代謝組學(xué)在茶學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用作出了展望，以期為茶樹種植管理、品種開發(fā)以及茶葉品質(zhì)改良提供理論參考。

代謝組學(xué)；茶樹；生理生化；代謝產(chǎn)物

代謝組學(xué)（Metabolomics）是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)之后，于20世紀90年代出現(xiàn)的另一種新興的系統(tǒng)生物學(xué)研究方法[1]。它應(yīng)用現(xiàn)代分析手段對代謝過程中所有分子質(zhì)量小于1?000的代謝物進行定性與定量分析，研究生物體系（器官、細胞或組織）受外界干擾或刺激后代謝產(chǎn)物的類別、數(shù)目和含量變化情況，從而揭示其生命活動規(guī)律與調(diào)節(jié)機制[2]。目前常用的代謝物檢測技術(shù)主要有質(zhì)譜（MS）、核磁共振（NMR）、高效液相色譜（HPLC）、傅立葉變換紅外光譜（FTIR）等。代謝組學(xué)方法具有高效、全面、準確的特點[3]，已廣泛應(yīng)用于功能基因組學(xué)、營養(yǎng)基因組學(xué)、臨床毒理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、藥物研發(fā)、生物標志物探索等領(lǐng)域[4-7]。

茶樹[(L.) O. Kuntze]是山茶科（Theaceae）、山茶屬（）的多年生木本植物，由其新梢加工而成的茶葉是世界上很受歡迎的非酒精飲料產(chǎn)品之一，具有多種保健功效[8-9]。研究發(fā)現(xiàn)，茶樹的生理代謝極易受外界環(huán)境條件的影響，茶樹葉片中品質(zhì)成分具有區(qū)域性和季節(jié)性特征[10-11]。茶樹代謝物是茶樹抵抗生物和非生物脅迫、茶葉風(fēng)味品質(zhì)和健康特性的重要貢獻者[12-13]。與此同時，代謝產(chǎn)物還參與茶樹相關(guān)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄與活性蛋白表達的過程[14]。代謝組學(xué)技術(shù)可以全面準確地對茶樹代謝物進行鑒定和量化，有助于分析基因變異和表型差異，對茶樹的遺傳改良、代謝途徑調(diào)控以及揭示各種復(fù)雜生理現(xiàn)象具有重要意義。近年來，代謝組學(xué)在茶學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，為茶樹栽培育種、抗性機理研究、代謝產(chǎn)物合成調(diào)控、茶葉加工儲藏、茶葉品質(zhì)優(yōu)化等方面的研究提供了新的方法。本文對代謝組學(xué)在茶樹生理代謝（光合、呼吸和碳氮代謝）和主要品質(zhì)生化成分代謝（類黃酮類、生物堿、氨基酸等）研究中的應(yīng)用進行綜述，并對今后代謝組學(xué)在茶葉科學(xué)中研究方向的應(yīng)用進行了展望，擬為茶樹遺傳改良和茶葉品質(zhì)調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 在茶樹生理代謝研究中的應(yīng)用

光合作用、呼吸作用及碳氮代謝是完成植物生長發(fā)育重要的生理過程，不僅提供茶樹生命活動所必需的蛋白質(zhì)、脂肪、核酸、碳水化合物等物質(zhì)，而且對茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)有重要的影響，被認為是實現(xiàn)茶葉優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要研究目標[15]。

1.1 光合代謝

茶樹作為葉用作物，在其生長發(fā)育過程中光合作用是不可或缺的。光合作用是茶樹實現(xiàn)物質(zhì)和能量存儲功能的重要途徑，茶樹90%～95%的干物質(zhì)皆來自光合作用，如氨基酸、咖啡堿、兒茶素、蛋白質(zhì)、糖類物質(zhì)等[16]。茶樹喜溫喜濕喜陰，對光強的需求較低，但對光質(zhì)要求較高。隨著光質(zhì)輻射能的增加，茶樹葉片凈光合速率（Pn）增加，在不同光質(zhì)條件下，茶樹葉片凈光合速率表現(xiàn)為黃光＞紅光＞綠光＞藍光＞紫光[17]。代謝組學(xué)技術(shù)在研究光照、發(fā)育階段、季節(jié)、栽培方式等與茶樹光合作用的關(guān)系中發(fā)揮了重要的作用。Wang等[18]利用超高效液相色譜-三重四極桿-飛行時間質(zhì)譜（UPLC-Triple TOF-MS）結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法研究不同藍光強度對茶樹生長的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與白光（CK）相比，高強度藍光（HBL）下，茶樹一芽二葉中類黃酮和脂質(zhì)的合成受到顯著抑制，17個與光合作用有關(guān)的差異表達基因（DEGs）顯著上調(diào)，光合作用和脂類代謝途徑基因共表達，進而調(diào)控相關(guān)代謝產(chǎn)物的合成。Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，茶樹嫩葉和老葉的咖啡堿、兒茶素和-茶氨酸含量存在差異可能是由于不同發(fā)育階段的茶樹葉片光合速率不同。Gong等[20]采用超高效液相色譜-四極桿-飛行時間質(zhì)譜（UPLC-Q-TOF/MS）對不同季節(jié)的茶樹葉片樣品進行分析，發(fā)現(xiàn)光合作用途徑中的基因顯著下調(diào)可能與不同季節(jié)茶樹葉片表型和代謝產(chǎn)物含量有關(guān)，為研究茶樹葉片在不同季節(jié)代謝產(chǎn)物的豐度及影響因素提供了新的視角。在優(yōu)化茶樹栽培管理措施方面，Mozumder等[21]基于核磁共振氫譜（1H NMR）的代謝組學(xué)方法探究了茶樹修剪與未修剪栽培間的代謝組差異，結(jié)果表明與修剪茶樹相比，未修剪茶樹在降雨量高的年份表現(xiàn)出強烈的光合作用。與此相似，Chen等[22]應(yīng)用HPLC研究發(fā)現(xiàn)，未修剪茶樹葉片中與光合作用有關(guān)的12種蛋白質(zhì)表達上調(diào)，光合作用的調(diào)節(jié)使得未修剪茶樹葉片中游離氨基酸、葉綠素和花蜜芳香物質(zhì)的含量高于修剪的茶樹。在茶樹內(nèi)含物質(zhì)積累的光合機制研究中，代謝組學(xué)也發(fā)揮了很大的作用。Wei等[23]基于氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）的代謝組學(xué)方法研究發(fā)現(xiàn)，施用磷鉀肥通過促進茶樹幼芽中的蘋果酸代謝，誘導(dǎo)光合產(chǎn)物和碳水化合物向兒茶素途徑分配，影響與質(zhì)量相關(guān)化合物的積累。Zhang等[24]應(yīng)用UPLC-Q-TOF/MS結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，白化突變茶樹葉片中總多酚和兒茶素的積累受光合作用的增強及其產(chǎn)物的積累高度誘導(dǎo)，表明黃酮類化合物的生物合成受碳架儲存的驅(qū)動。

綜上所述，大量學(xué)者將HPLC、1H NMR、GC-MS等組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境因子、發(fā)育階段、栽培方式等對茶樹光合代謝影響的研究中，并結(jié)合其他組學(xué)技術(shù)，初步開展了茶樹生化成分合成積累的生理機制研究。這些研究結(jié)論完善了茶樹葉片光合利用效率提升的理論依據(jù)，為進一步開發(fā)茶樹育種的生物標記和茶樹葉片中代謝物的遺傳調(diào)控研究提供了新的方向。光合作用是改良茶葉品質(zhì)、優(yōu)化茶樹育種的重要目標，今后應(yīng)增加樣本量，重點分析各地區(qū)典型品種、不同采摘部位及具有獨特風(fēng)味的樣品，研究分析其光合作用相關(guān)差異表達基因和代謝物動態(tài)變化規(guī)律，探究風(fēng)味品質(zhì)形成的具體代謝機制，改進種植管理模式，提高茶產(chǎn)品風(fēng)味質(zhì)量。

1.2 呼吸代謝

植物的呼吸作用是維持植物生長和全球碳循環(huán)的重要過程[25]。呼吸作用不僅為植物生長發(fā)育提供能量ATP，三羧酸循環(huán)及電子傳遞過程中產(chǎn)生的有機酸和氨基酸等物質(zhì)也是植物生理代謝中不可或缺的中間物質(zhì)[26]。Li等[27]通過HPLC研究發(fā)現(xiàn)，茶樹葉片呼吸速率與總氮、可溶性糖、茶多酚含量呈正相關(guān)，而與總?cè)~綠素含量呈負相關(guān)，表明葉綠素、兒茶素和多酚的生物合成與不同葉位的呼吸作用密切相關(guān)。謝思藝[28]運用GC-MS結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序（RAD-seq）技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在不同地區(qū)茶樹群體中，受選擇基因（等）在呼吸作用、光合作用及其他代謝相關(guān)通路中大量富集，參與了茶葉香氣成分的形成，說明茶樹的呼吸作用可能與香氣物質(zhì)的形成密切相關(guān)。Li等[29]運用HPLC分析二氧化碳濃度升高對茶樹生理代謝的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高顯著增強茶樹葉片的呼吸作用和光合作用，從而促進茶樹生物量積累，改變次生代謝的資源分配，最終影響茶葉的產(chǎn)量和質(zhì)量。冉偉[30]采用衍生化的GC-MS和HPLC對茶樹葉片代謝物進行分析，發(fā)現(xiàn)蚜蟲為害顯著抑制茶樹葉片的呼吸作用，從而降低了茶樹對糖類化合物的積累，減少了物質(zhì)代謝所需的物質(zhì)和能量供應(yīng)，最終使茶樹對茶尺蠖的抗性降低。

由此可見，呼吸代謝在茶樹遺傳改良、抗性研究以及品質(zhì)調(diào)控中起著關(guān)鍵性作用。呼吸代謝的改變會影響茶樹生物量的積累和分配，使茶樹從結(jié)構(gòu)和功能上對環(huán)境變化作出響應(yīng)和適應(yīng)。然而，目前代謝組學(xué)在茶樹呼吸代謝研究中的應(yīng)用還較少，茶樹應(yīng)對各種生物與非生物脅迫的呼吸代謝響應(yīng)和調(diào)控機理，以及茶樹生長栽培中環(huán)境因素與栽培措施改變引起的茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)變化的呼吸代謝機制等尚不清楚，是今后研究的重點方向。

1.3 碳氮代謝

碳氮代謝是植物中最重要也是最基本的代謝，茶樹中碳氮代謝產(chǎn)物直接影響著茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[31]。Ruan等[32]研究認為，表征茶葉品質(zhì)的茶多酚與氨基酸含量可分別作為茶樹碳庫與氮庫的重要數(shù)量表征，茶樹中的碳氮代謝平衡協(xié)調(diào)，碳氮代謝產(chǎn)物合理分配，茶葉才能優(yōu)質(zhì)。而在茶樹的生長發(fā)育過程中，環(huán)境因子、栽培措施、營養(yǎng)物質(zhì)的改變等都會對碳氮代謝及其產(chǎn)物的合成產(chǎn)生重要影響。遮陰是茶園管理中常用來提升茶葉品質(zhì)的重要農(nóng)藝措施，茶樹遮陰會改變溫度、水分、光照強度等環(huán)境條件，影響茶樹的碳氮代謝平衡。石元值等[31]研究發(fā)現(xiàn)，遮陰能調(diào)控茶樹樹冠的微域環(huán)境，促進茶樹氮代謝，減弱茶樹碳代謝，提高鮮葉品質(zhì)。Yamashita等[33]應(yīng)用電噴霧飛行時間質(zhì)譜（CE-TOF-MS）研究發(fā)現(xiàn)，遮陰可增加漫射光比例，使藍光增多，促進茶樹氮代謝，抑制碳代謝。大多數(shù)研究都認為，對茶樹進行遮陰栽培可以減弱茶樹碳代謝，增強茶樹氮代謝，但隨著研究方法的改進和提高，有學(xué)者得出了不同的結(jié)論[34-35]。Li等[34]應(yīng)用超高效液相色譜-質(zhì)譜（UPLC-MS）和GC-MS研究發(fā)現(xiàn)，茶樹碳氮代謝調(diào)節(jié)與遮陰時長密切相關(guān)，長期遮陰顯著抑制茶樹新梢的糖酵解途徑（EMP途徑）、三羧酸循環(huán)和類黃酮代謝從而降低氮代謝，短期遮陰則可促進茶樹葉片的氮代謝。而Shao等[35]應(yīng)用HPLC研究湘妃翠和金萱葉片和根的碳氮代謝，發(fā)現(xiàn)遮陰對茶樹碳氮代謝的影響與茶樹品種有關(guān)，長期遮陰更有利于夏秋茶品質(zhì)的提升。遮陰茶樹復(fù)光后，茶樹的碳氮代謝過程也會發(fā)生改變。如陳建姣等[36]研究發(fā)現(xiàn)，遮陰后茶樹主要碳代謝物含量下降，主要氮代謝物含量增加；復(fù)光后，茶樹葉片中主要碳氮代謝物含量發(fā)生顯著變化，表明在遮陰及復(fù)光過程中，茶樹對環(huán)境變化進行碳氮代謝調(diào)節(jié)，從而改變鮮葉的適制性。

此外，代謝組學(xué)技術(shù)也為研究光質(zhì)和氮素對茶樹碳氮代謝的影響提供了有效的技術(shù)平臺。曾潤康[37]運用HPLC研究不同光質(zhì)對茶樹碳氮代謝的影響，發(fā)現(xiàn)藍光促進茶樹氮代謝，而紅光促進茶樹碳代謝。氮的供應(yīng)不僅導(dǎo)致氮代謝中氨基酸的積累，還影響碳代謝。已有研究表明，不同的氮供應(yīng)水平會影響茶樹的碳代謝物，缺氮可以加速碳代謝[38]，正常的氮水平促進兒茶素的生物合成，過量的氮則抑制兒茶素的生物合成[39]。劉健偉[40]應(yīng)用UPLC-Q-TOF/MS和全二維氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜（GC×GC-TOF/MS）分析發(fā)現(xiàn)，氮素升高限制龍井43茶樹新梢和成熟葉片的碳代謝，促進氮代謝，與普通品種相比，增加氮素促進了特異品種紫娟茶樹新梢和成熟葉的碳氮代謝。Wang等[41]應(yīng)用HPLC研究不同氮源對茶樹碳氮代謝的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)NO- 3-N作為氮源能促進碳代謝，豐富碳庫，而NH+ 4-N作為氮源有利于氮代謝，與單一氮源相比，混合氮處理更能促進茶樹碳氮代謝平衡。

代謝組學(xué)也能夠探索茶樹碳氮代謝物變化的分子和生理機制。Zhang等[42]應(yīng)用UPLC-Q-TOF/MS研究發(fā)現(xiàn)，白化茶樹葉片中碳代謝嚴重減弱，而氮代謝增強，產(chǎn)生了更多的碳骨架用于碳代謝，從而維持白化茶樹在碳缺乏脅迫下的碳氮平衡，為白化突變體植株葉片中碳氮代謝機制的探究提供了新的見解。Liu等[43]應(yīng)用UPLC-Q-TOF/MS和GC×GC-TOF/MS研究發(fā)現(xiàn)，茶樹新梢中氨基酸和類黃酮的積累與根和成熟葉片中的碳氮代謝高度相關(guān)。劉健偉[40]應(yīng)用UPLC-Q-TOF/MS和GC×GC-TOF/MS分析發(fā)現(xiàn)，春季不同時期茶樹新梢中碳氮代謝物的變化不僅與氣候因素有關(guān)，還與茶樹氮的轉(zhuǎn)移有關(guān)。可見，代謝組學(xué)在茶樹生理代謝研究中的應(yīng)用集中在遮陰、光照、季節(jié)變化對茶樹碳氮代謝物的影響、氮供應(yīng)對碳氮代謝的調(diào)控和特殊茶樹品種的碳氮代謝機制等方面。這些研究結(jié)果對于揭示特殊茶樹品種品質(zhì)特征的形成、研究氮供應(yīng)對茶葉品質(zhì)的影響、闡明茶葉品質(zhì)的形成機理、探討環(huán)境變化影響茶樹碳氮代謝物的變化規(guī)律具有重要的理論意義。然而，目前代謝組學(xué)多應(yīng)用于研究茶樹碳氮代謝物變化，對于產(chǎn)生這些差異性變化機理、代謝組之間轉(zhuǎn)化途徑以及代謝物變化與茶葉品質(zhì)和具體風(fēng)味變化的關(guān)聯(lián)等方面缺乏深入研究。今后，應(yīng)致力于將代謝組學(xué)與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)結(jié)合，建立代謝網(wǎng)絡(luò)和通路，研究碳氮代謝物的動態(tài)變化規(guī)律，闡明其變化機理及代謝物差異與感官品質(zhì)的關(guān)系，建立茶葉品質(zhì)評價模型。

綜上所述，關(guān)于茶樹生理代謝影響因素的研究已較為透徹，現(xiàn)階段的研究主要集中在應(yīng)用代謝組學(xué)探究茶樹內(nèi)含物質(zhì)變化的機制方面。茶樹的生理代謝與環(huán)境因素密切相關(guān)，面對環(huán)境條件的變化，茶樹進行生理代謝調(diào)節(jié)，改變體內(nèi)的代謝物類別和含量對環(huán)境變化做出響應(yīng)與適應(yīng)，但具體調(diào)控相關(guān)代謝物的分子機制以及影響因素尚未完全探明。此外，對多種環(huán)境因素如何協(xié)同影響茶樹的生理代謝，進而影響與茶葉品質(zhì)相關(guān)的代謝物尚不清楚，需進一步加強，以為未來培育高品質(zhì)、強抗性和高產(chǎn)的茶樹品種提供理論依據(jù)。

2 在茶樹主要品質(zhì)生化成分代謝研究中的應(yīng)用

茶樹品質(zhì)生化成分種類繁多，氨基酸類、生物堿類、類黃酮類以及萜烯類物質(zhì)占茶樹中化合物含量的一半以上，是茶樹主要的品質(zhì)生化成分[44]。它們對茶葉品質(zhì)的形成具有重要作用，是茶樹遺傳改良的重點研究對象。這些化合物的形成機理復(fù)雜，代謝過程受諸多因素影響，其中環(huán)境因子是影響它們在茶樹體內(nèi)合成與分布的重要因素之一。因此，這些品質(zhì)生化成分的代謝變化很大程度上反映了茶樹與環(huán)境的相互作用，利用這些品質(zhì)成分的差異代謝物可以挖掘茶樹代謝途徑及其調(diào)控機理，改善茶葉品質(zhì)。

2.1 氨基酸

茶葉中有26種氨基酸，包括20種蛋白質(zhì)氨基酸和6種非蛋白質(zhì)氨基酸[44]。氨基酸的合成主要發(fā)生在葉綠體中，而分解主要發(fā)生在線粒體或細胞質(zhì)中[45]。茶氨酸是茶葉中一類獨特而豐富的非蛋白氨基酸，占茶葉中游離氨基酸的70%以上[46]。茶氨酸不僅參與了茶葉鮮爽滋味的形成，還具有多種健康益處，對茶葉品質(zhì)具有重要貢獻。加工工藝是影響茶葉品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，代謝組學(xué)分析方法可以深入地了解茶葉加工過程中氨基酸的動態(tài)變化。方駿婷[47]應(yīng)用HPLC檢測并分析祁門紅茶加工過程中氨基酸的變化情況，發(fā)現(xiàn)加工過程中祁紅氨基酸總量減少。Tan等[48]利用UHPLC-Q-TOF/MS技術(shù)分析紅茶在不同發(fā)酵時間（0、1、2、4、6、8、10、12、14?h）代謝組的變化，結(jié)果表明發(fā)酵過程中紅茶氨基酸含量顯著降低。茶樹葉片中氨基酸的種類和含量在不同品種間存在差異。Li等[49]通過GC-MS和UPLC-MS技術(shù)分析白化茶樹品種和普通綠色茶樹品種代謝產(chǎn)物的差異，結(jié)果表明，與普通綠色茶樹品種相比，白化茶樹品種氨基酸含量更高。Zhu等[50]運用UHPLC-Q-TO/MS技術(shù)對茶樹葉片絨毛進行非靶向代謝組分析，共鑒定出114種化學(xué)成分，和無絨毛的茶樹葉片相比較，有絨毛的茶樹葉片氨基酸含量更高。彭佳堃等[51]結(jié)合非靶向代謝組學(xué)、化合物定量分析、多元統(tǒng)計學(xué)等方法比較永春佛手、鐵觀音和水仙烏龍茶的化學(xué)成分差異，結(jié)果表明，永春佛手具有相對較高的氨基酸總量和茶氨酸含量。不同產(chǎn)地茶葉的化學(xué)成分也存在差異。徐歡歡等[52]應(yīng)用HPLC測定不同地區(qū)（云南、陜西、印度等地）的紅茶中-氨基丁酸（GABA）、-茶氨酸和-谷氨酸含量，發(fā)現(xiàn)不同紅茶中GABA、-茶氨酸和-谷氨酸含量差別均較大，并且-茶氨酸含量普遍高于GABA、-谷氨酸含量。高健健等[53]應(yīng)用超高效液相色譜串聯(lián)四級桿軌道阱質(zhì)譜（UHPLC-Q-Exactive/MS）分析云南白茶與福鼎白茶的化學(xué)成分差異，共鑒定出46個具有組間顯著性差異的化合物，其中福鼎白茶較云南白茶具有更高的氨基酸含量。隨著季節(jié)的推移，從春季到夏季，由于環(huán)境條件的變化，茶樹葉片中氨基酸含量減少[54]。隨著葉齡的增加，茶氨酸的積累與代謝也表現(xiàn)出明顯差異[55]。在優(yōu)化茶葉品質(zhì)方面，Ji等[56]基于1H NMR的代謝組學(xué)方法，探索不同遮陰條件下茶樹代謝產(chǎn)物組成，結(jié)果表明，隨著遮陰程度和遮陰時間的增加，茶樹為適應(yīng)黑暗脅迫，氨基酸含量增加。

代謝組學(xué)也為茶樹中氨基酸的代謝途徑研究提供了技術(shù)支撐。Wu等[57]利用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）和HPLC分析板栗-茶間作和茶單作下茶樹的差異代謝途徑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)間作后茶樹黃酮醇的生物合成和苯丙氨酸代謝途徑發(fā)生顯著變化，表明板栗-茶間作可以極大地影響茶樹的氨基酸代謝，改善茶葉口感。Duan等[58]應(yīng)用LC-MS分析茶樹-大豆間作對茶樹代謝產(chǎn)物的影響，發(fā)現(xiàn)間作大豆的茶樹葉片中氨基酸合成增強，與氨基酸代謝相關(guān)的代謝產(chǎn)物，特別是谷氨酸、谷氨酰胺、賴氨酸和精氨酸的表達上調(diào)。研究不同條件下茶樹的代謝途徑差異，可以清楚生長條件變化引起的茶樹體內(nèi)代謝物的變化，有助于從分子水平上揭示茶樹生理變化的機制。

2.2 生物堿

咖啡堿是茶葉中主要的生物堿類代謝物，占茶葉干重的2%～4%，主要在嫩葉中合成，是茶葉滋味物質(zhì)的主要組成成分。大約99%的咖啡堿存在于葉片中，且以鮮嫩的芽葉含量較高，并隨芽葉的老化而逐漸減少[15]?？Х葔A具有化學(xué)防御功能及抗菌活性，被認為是一種天然殺蟲劑，其產(chǎn)生的負面化感作用會阻礙周圍植物的生長[59]。大量研究表明，咖啡堿的含量受茶樹品種、加工工藝和外部環(huán)境因子等影響[60-63]。馬圣洲等[60]應(yīng)用HPLC研究發(fā)現(xiàn)，江蘇丘陵地區(qū)10個主要品種的咖啡堿、氨基酸、糖類、兒茶素等代謝物含量存在明顯差異，其中白葉1號氨基酸含量最高，為2.65%；咖啡堿含量最低，為3.13%，較適宜開發(fā)特色紅茶。徐玉婕等[61]應(yīng)用HPLC研究6個白化品種綠茶（奶白茶）和14個黃化品種綠茶（黃金芽茶）咖啡堿含量差異，發(fā)現(xiàn)奶白茶中咖啡堿的含量明顯低于黃金芽茶。尹娟等[62]應(yīng)用HPLC研究發(fā)現(xiàn)，與正常加工工藝茶葉相比，白葉1號鮮葉先經(jīng)厭氧富集處理5?h后再用熱水浸漬3?min，制得的茶葉中氨基酸含量增加，而咖啡堿含量降低，具有高鮮爽味低苦澀味的特點。遮陰會造成茶樹生長環(huán)境的改變，遮陰下茶樹葉片中氨基酸含量增加，咖啡堿含量降低，茶葉品質(zhì)提升[63]。

咖啡堿在茶樹體內(nèi)的合成主要發(fā)生在鮮嫩的芽葉中，而分解代謝主要發(fā)生在老葉中，這種分布規(guī)律與咖啡堿在茶樹體內(nèi)的生物合成與代謝機制密切相關(guān)?？Х葔A的代謝受核酸（尤其是嘌呤核苷酸）和蛋白質(zhì)代謝的影響顯著，故而在核酸、蛋白質(zhì)代謝旺盛的茶樹新梢中，咖啡堿合成代謝旺盛、分解代謝緩慢，含量高；隨著葉質(zhì)的老化，核酸、蛋白質(zhì)的分解代謝加強，咖啡堿的合成代謝減慢并以分解代謝為主，因此，咖啡堿在老葉中的含量明顯低于新梢[64]?？Х葔A在茶樹體內(nèi)的生物合成是黃嘌呤核苷在多種酶的共同作用下轉(zhuǎn)化成咖啡堿的過程，-甲基轉(zhuǎn)移酶在此過程中起著重要的作用[65]。許多研究已證實，參與咖啡堿代謝的多種酶基因表達量在不同茶樹品種以及同一品種不同部位間差異顯著[66-67]?？Х葔A生物合成與分解代謝的分子機制是茶學(xué)研究的重要領(lǐng)域，近年來，不少學(xué)者利用代謝組學(xué)技術(shù)探究了茶樹咖啡堿代謝的潛在機制[68-70]。Li等[68]應(yīng)用HPLC研究發(fā)現(xiàn)，于光敏白化茶樹而言，遮陰處理會刺激茶樹參與EMP途徑關(guān)鍵基因的表達，使其體內(nèi)咖啡堿的含量明顯增加。Li等[69]應(yīng)用HPLC結(jié)合基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，白化期茶樹中咖啡堿含量明顯低于綠葉期，咖啡堿代謝途徑中的合成酶基因的表達受到抑制是導(dǎo)致小雪芽白化葉中生物堿降低的重要因素。Li等[70]應(yīng)用HPLC研究發(fā)現(xiàn)，相較于現(xiàn)代栽培茶樹，野生近源種的咖啡堿含量、和表達水平顯著降低，表達水平的提高可能是茶樹從野生近源種到栽培茶樹進化過程中咖啡堿含量升高的原因之一，揭示了調(diào)控茶樹咖啡堿合成代謝的分子機制。

2.3 類黃酮類及萜烯類

類黃酮是廣泛分布于植物中的一類化合物，可分為黃酮類、黃烷-3-醇類、異黃酮類、黃烷酮類、黃酮醇類、花青素類[71]。茶多酚是茶葉中主要的類黃酮物質(zhì)，其中以兒茶素最為重要，約占茶多酚總量的60%～80%[72]。兒茶素主要分布在茶樹新梢和快速生長的葉片中。有學(xué)者認為，兒茶素可以為幼嫩的葉片提供化學(xué)防御，使其免受食草動物和病原體的侵害[73]。近年來，代謝組學(xué)技術(shù)在類黃酮類化合物影響因素和代謝機制的研究中得到了廣泛應(yīng)用。Jiang等[74]應(yīng)用UPLC-MS-MS研究發(fā)現(xiàn)，茶樹不同發(fā)育階段芽、葉和根系中酚類物質(zhì)積累量不同，嫩葉中含量較高。郝亞利等[75]應(yīng)用GC-MS結(jié)合HPLC對茶鮮葉主要品質(zhì)特征成分進行檢測，發(fā)現(xiàn)茶鮮葉在不同光質(zhì)處理下，葉片中兒茶素、咖啡堿、糖類、氨基酸及揮發(fā)性物質(zhì)含量差異較大。Lee等[76]應(yīng)用UPLC-Q-TOF/MS分析發(fā)現(xiàn)，遮陰處理能夠降低茶樹葉片中兒茶素、表兒茶素等4種成分的含量。加工工藝也是影響茶葉代謝物變化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？娪谐傻萚77]以汝城白毛茶夏季鮮葉為原料，運用HPLC分析加工過程中茶鮮葉兒茶素組分含量變化，發(fā)現(xiàn)搖青工藝能降低茶樣中兒茶素組分含量，發(fā)酵時間與兒茶素組分含量呈負相關(guān)。寧井銘等[78]應(yīng)用HPLC技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，祁門紅茶加工過程中兒茶素類持續(xù)降解，茶黃素呈先增加后減少趨勢，兒茶素與茶黃素代謝在萎凋和揉捻階段呈顯著負相關(guān)。秦俊哲等[79]利用HPLC開展人工接種條件下茯磚茶中表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）含量的研究，發(fā)現(xiàn)茯磚茶加工過程中EGCG含量呈下降趨勢，第二次汽蒸后進行接種，茶磚的EGCG減少最多，茶磚質(zhì)量較好。在類黃酮代謝機制研究方面，Liao等[80]應(yīng)用HPLC研究發(fā)現(xiàn)，GABA與花色素苷濃度呈正相關(guān)，和在GABA和花色素苷調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中起重要作用。Wei等[81]運用GC-MS結(jié)合多元統(tǒng)計和定量檢測分析營養(yǎng)元素對茶葉代謝物的影響機制，發(fā)現(xiàn)茶園施用磷和鉀促進了類黃酮的代謝。李春芳[82]通過GC-MS分析白葉1號白化期和綠期的代謝組，共得到65個差異顯著的代謝產(chǎn)物，這些差異代謝物主要參與茶樹碳固定、類黃酮生物合成等途徑；與綠期相比，白化期的表兒茶素含量顯著降低，而氨基酸含量顯著升高，研究結(jié)果為進一步理解茶樹白化代謝調(diào)控機制提供了基礎(chǔ)。

一些研究者應(yīng)用MS和NMR結(jié)合多元統(tǒng)計的代謝組學(xué)分析方法對茶樹萜烯類代謝產(chǎn)物進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同品種、不同生產(chǎn)季節(jié)、不同海拔，以及不同加工工藝的茶葉揮發(fā)性成分均存在顯著差異[83-86]。代謝組學(xué)方法在茶葉揮發(fā)性成分的合成調(diào)控機制研究中也有一些應(yīng)用。Qu等[87]應(yīng)用GC-MS分析熱處理對綠茶關(guān)鍵香氣成分的影響，發(fā)現(xiàn)栗香綠茶的關(guān)鍵香氣成分只在干燥階段產(chǎn)生，且異亮氨酸、茶氨酸、蛋氨酸和葡萄糖參與了這種特殊香氣的形成。Li等[88]應(yīng)用GC-MS研究發(fā)現(xiàn)，茶葉紅光萎凋后期，萜烯合成相關(guān)基因（、等）的表達顯著上調(diào)，并進一步促進揮發(fā)性萜類化合物的合成，同時，由于酶基因（、）的高度表達，紅光萎凋葉片在枯萎后期釋放更多的葉醇，揭示了紅光萎凋在后續(xù)加工中改善紅茶香氣質(zhì)量的分子機制。

綜上所述，代謝組學(xué)技術(shù)已應(yīng)用于茶樹氨基酸、咖啡堿、兒茶素、揮發(fā)性物質(zhì)等重要品質(zhì)成分的合成途徑、分子機制及影響因素研究中，并取得了有效的成果，為今后的茶學(xué)研究積累了許多有價值的知識。但研究缺乏與茶葉品質(zhì)相關(guān)的代謝物水平的評價標準，珍稀茶樹特異性代謝產(chǎn)物積累的分子機制也還有待深入研究。此外，茶樹葉片中代謝產(chǎn)物種類豐富，形成機理復(fù)雜，其合成調(diào)節(jié)涉及多條代謝途徑。近年來，關(guān)于茶樹代謝物生物合成的研究已有不少成果，但對于這些代謝物降解與調(diào)控的分子機制還尚不清楚。尤其是次級代謝物生物合成與調(diào)控的分子機制更是成為了茶學(xué)研究的難點。多組學(xué)技術(shù)為更好地解析茶樹復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建代謝物調(diào)控途徑，了解基因表達水平提供了必要的技術(shù)支持。未來應(yīng)結(jié)合多種組學(xué)方法，挖掘代謝途徑中的功能基因，進一步分析代謝物豐度、基因表達和轉(zhuǎn)錄因子之間的相關(guān)性，解析復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，為茶樹品種選育、栽培管理、茶葉品質(zhì)提升提供重要依據(jù)，促進茶學(xué)研究的全面發(fā)展。

3 總結(jié)與展望

我國茶樹種質(zhì)資源豐富，種植范圍廣泛，對茶樹的研究方向涵括范圍廣。近年，以NMR、MS、HPLC為基礎(chǔ)的代謝組學(xué)技術(shù)在茶樹生理生化代謝研究中得到了廣泛的應(yīng)用。研究主要集中在品種、季節(jié)、產(chǎn)地、遮陰、光照、加工工藝等因素所引起的茶樹代謝物變化差異，代謝產(chǎn)物的合成途徑和調(diào)節(jié)機制也有了初步研究，已有的研究結(jié)果為茶學(xué)領(lǐng)域提供了新的知識儲備和數(shù)據(jù)支撐，推動了茶學(xué)學(xué)科的發(fā)展。然而，代謝組學(xué)在茶學(xué)研究中的應(yīng)用還存在很多不足，有待進一步解決和改進。主要包括：（1）代謝組學(xué)在茶樹代謝物研究中的應(yīng)用更多關(guān)注的是代謝物的數(shù)量、類型變化情況，而對產(chǎn)生這些代謝物差異性的變化機理、代謝物之間的轉(zhuǎn)化過程，以及代謝物的變化如何導(dǎo)致茶產(chǎn)品不同風(fēng)味特征的深層機制等方面尚缺乏深入研究；（2）只有少數(shù)參與茶樹生理代謝的基因被探索，大多數(shù)與茶葉產(chǎn)量相關(guān)的代謝物的調(diào)節(jié)機制目前尚不清楚；（3）茶樹中的代謝物種類繁多，具有各種物理和化學(xué)性質(zhì)，基于組學(xué)技術(shù)獲得的海量數(shù)據(jù)如何進行更高效便捷的分析，新發(fā)掘的代謝產(chǎn)物如何查詢注釋成為亟需解決的問題；（4）探究環(huán)境因素對茶樹生理代謝的影響研究多集中在單一品種、幼年植株上，且分析的樣本數(shù)量較少，對不同樹齡、土壤類型、生長環(huán)境等對茶樹生理代謝影響的長期研究較缺乏。因此，在今后可以利用代謝組學(xué)技術(shù)從以下4個方面開展茶學(xué)研究。

第一，集合生物信息學(xué)的技術(shù)手段，開發(fā)新型數(shù)據(jù)分析軟件、完善豐富標準數(shù)據(jù)庫，以方便查詢、準確注釋、全面統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)，為進一步深度挖掘更多潛在的代謝組信息提供基礎(chǔ)。

第二，加強代謝組學(xué)與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)的聯(lián)合運用，探究多重代謝網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜物質(zhì)代謝調(diào)控、茶葉風(fēng)味品質(zhì)形成機理、逆境脅迫響應(yīng)機理，加快茶樹品種的遺傳改良和茶葉品質(zhì)提升的進程；同時，加快茶樹代謝相關(guān)基因研究的步伐，發(fā)掘更多參與代謝的基因，如抗性基因、健康功能基因、特殊茶樹品種特異性基因等，對培育品質(zhì)優(yōu)良且獨具功能成分特色的創(chuàng)新茶樹品種具有重要意義。

第三，在今后的研究中可以增加長期定位試驗，增加樣本量，研究環(huán)境因素對茶樹生理代謝的影響及調(diào)控機制，有利于后期因地制宜，指導(dǎo)茶園實際生產(chǎn)。

第四，古茶樹作為茶樹體系中的特殊群系，種質(zhì)資源優(yōu)良，具有獨特的品質(zhì)和多樣的遺傳特征。近年來，古茶樹逐漸受到重視，人工種植較多。目前，不少學(xué)者針對古茶樹種質(zhì)資源保護、生長環(huán)境、生理生化特性、進化特征等方面開展了研究[89-93]，但對于人工繁育后，古茶樹的品質(zhì)形成及其對環(huán)境適應(yīng)的生理調(diào)控機制等方面幾乎沒有關(guān)注，這非常不利于古茶樹的可持續(xù)開發(fā)和利用。因此，在今后的研究中可以利用代謝組學(xué)技術(shù)探究人工種植古茶樹的品質(zhì)特征和生理代謝調(diào)控的分子機制，開展古茶樹特色口感的特異基因挖掘，促進古茶樹種質(zhì)資源的保護性開發(fā)和合理利用。

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Advances in the Application of Metabolomics in the Study of Physiological and Biochemical Metabolism of Tea Plants[(L.) O.Kuntze]

MAO Chun1, HE Ji1*, WEN Xuefeng1, WU Chuanmei1, YI Chengxi1, LIAN Jianhong2，GUO Wenmin2

1. College of Agriculture, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Tea Industry Development Center of Puan County in Guizhou Province, Southwest Guizhou 561500, China

Tea is a leafy perennial crop, and its physiological metabolism is significantly affected by external environmental factors. Main biochemical components such as amino acids, caffeine and tea polyphenols not only give tea unique flavor quality and health characteristics, but also are important contributors to the resistance of tea plants to biotic and abiotic stresses. Metabolomics technologies have the characteristics of high throughput, high sensitivity and systematization. They can identify and quantify tea metabolites comprehensively, accurately and quickly. The in-depth study of metabolomics provides a technical platform for the further development and utilization of tea metabolites. This paper reviewed the applications of metabolomics in the study of physiological and biochemical metabolism (photosynthesis, respiration, carbon and nitrogen metabolism) and metabolism of main quality biochemical components (flavonoids, alkaloids, amino acids, etc.) of tea plants in recent years, and prospected the future applications of metabolomics in the field of tea, so as to provide some theoretical references for further tea management, cultivar breeding and quality improvement.

metabolomics,, physiology and biochemistry, metabolites

S571.1

A

1000-369X(2023)05-607-14

2023-03-28

2023-05-03

貴州省科技計劃項目（黔科合基礎(chǔ)-ZK[2021]一般133）、國家自然科學(xué)基金委員會-貴州省人民政府喀斯特科學(xué)研究中心項目（U1612442）、貴州省科技計劃項目（黔科合后補助[2020]3001）

毛純，女，碩士研究生，主要從事茶園土壤與茶葉品質(zhì)方面的研究，453170353@qq.com。*通信作者：heji15@163.com