组学技术在高氨基酸茶树中的应用研究进展

马林龙 曹丹 刘艳丽 金孝芳

（湖北省农业科学院果树茶叶研究所，武汉 430064）

氨基酸是构成茶叶滋味的重要组成部分，其组成、含量及其降解产物和转化产物直接影响茶叶品质［1-2］。氨基酸含量的差异可直接反映茶树品种特性，一般认为茶树一芽二叶中氨基酸含量≥5.0%（干重）为高氨基酸茶树品种［3］。其中，茶氨酸是茶树中最为丰富的游离氨基酸，其含量除对茶叶品质及等级有较强的正相关性外，还能有效缓减茶的苦涩味，缓解咖啡碱引起的兴奋［4］。而且现代医学研究表明，茶氨酸还具有镇静、降压、降脂、抗肿瘤及增强免疫力等众多生理及药理功能［5-8］。近年来，随着对氨基酸（尤其茶氨酸）功能的不断开发及其与绿茶品质相关性认识不断加强，人们先后培育出‘白叶1号’、‘中黄1号’和‘保靖黄金茶’等高氨基酸茶树品种，其氨基酸含量依次为7.6%、6.9%和7.5%，显著高于高氨基酸茶树品种氨基酸含量标准［1，9-10］。高氨基酸茶树品种因其所制绿茶具有滋味鲜爽、香气馥郁且集观赏、健康于一体，在市场上取得了良好的社会和经济效益［11］。

组学技术（Omics technology）是整合基因组学、转录组学和蛋白质组学的研究思路和方法，动态地揭示系统结构、功能相互作用和运行规律的技术［12］。随着茶树基因组测序的完成以及高通量测序、色谱质谱和核磁共振技术的飞速发展，茶树分子生物学的研究已经逐步跨入后基因组（转录组学、蛋白质组学和代谢组学）时代，从对单一基因或蛋白质的研究转向对多个基因或蛋白质同时进行的系统研究，以揭示细胞和生命现象的本质和活动规律［13-15］。近年来，研究者基于转录组学、蛋白质组学和代谢组学等技术，对高氨基酸茶树开展了广泛的研究，为其资源特性及其栽培和育种等方面提供了新的认识。本文综述了转录组、蛋白质组、代谢组等组学技术在高氨基酸茶树上的相关研究进展及其应用进行展望。以期为今后高氨基酸茶树的进一步研究提供参考和方向。

1 转录组学在高氨基酸茶树研究中的应用

转录组学（Transcriptomics）是指对特定组织或细胞中某一功能状态下所有RNA转录本丰度的研究，能够反映生物个体在不同生命阶段、不同生理状态、不同组织类型以及不同环境条件下细胞中所有基因的表达情况［16］。转录组学作为研究功能基因组学的强有力工具，是目前研究基因组水平变化最常用和最直接的方式，近年来在高氨基酸茶树研究上也有一定的应用，但主要集中在白化型高氨基酸茶树芽叶突变的机理上的研究。李娜娜等［17-18］利用转录组技术初步明确了‘小雪芽’和‘黄金芽’白化阶段阻碍色素合成、类囊体膜结构形成的分子机理，同时认为低温诱导型茶树‘小雪芽’叶片白化的可能遗传机理存在于蛋白质翻译后的修饰过程，而且这些变异主要发生在细胞内。李春芳等［19］通过转录组技术分析了‘白叶1号’不同叶色时期的表达谱，从黄绿期到白化期再到绿期，表达上调的基因主要参与光合作用、类胡萝卜素的生物合成、氮代谢和硫代谢；表达下调的基因主要参与花青素的生物合成。Wang等［20］采用RNA-seq技术比较分析了叶色突变品种‘中黄2号’和常规品种‘龙井43’差异表达基因，阐明了茶树芽叶黄化变异的机理。Liu等［21］利用转录组技术对比分析了‘郁金香’黄化叶芽和遮荫复绿叶片差异表达基因，研究表明两者之间共有1 196个差异表达基因，分别涉及叶绿体形成和功能、光响应、表观遗传学等多种生理进程，同时认为这些差异可能是黄化的诱因，也可能是黄化导致的结果。Zhang等［22］利用转录组对比分析了‘黄金芽’黄化叶片和和遮荫复绿叶片差异表达基因，共获5 051个差异表达基因，研究认为在黄化叶片中与生长相关基因均表现下调，而与植物防御相关基因上表现调。李娟等［23］采用抑制消减杂交方法筛选‘安吉白茶’全白期和全绿期叶片中差异表达基因，筛选到2个基因片段分别与丝氨酸羟甲基转移酶基因具有较高的相似性，认为可能与‘安吉白茶’白化期氨基酸含量升高相关；筛选到一个基因片段与钙调热激蛋白基因具有较高的相似性，在全绿期叶片中表达。Yuan等［24］采用cDNA-AFLP筛选‘安吉白茶’白化前期、白化期和复绿期差异表达基因，对PPR基因、HD-Zip转录因子、WRKY转录因子、泛素连接酶、泛素蛋白基因、泛素碳末端水解酶基因及逆转座子等7个基因进行了荧光定量PCR分析，结果表明其表达量在白化期均明显上调。

2 蛋白质组学在高氨基酸茶树研究中的应用

蛋白质组学（Proteomics）是指生物个体、组织或细胞表达的所有的蛋白质，即一个基因组内所有基因表达的全部蛋白质，它从整体、动态、定量的角度分析细胞内蛋白质构成、表达状况与修饰状态，进而了解蛋白质之间的相互作用与联系，揭示蛋白质功能与细胞生命活动的规律［25-26］。近年，应用蛋白质组学技术在茶树抗寒、抗旱等抗性机理，次级代谢产物合成及调控规律，茶叶健康功能机理以及普洱茶发酵等方面研究取得了一定的进展，但在高氨基酸茶树方面的研究报道较少。李勤等［27］通过

对‘安吉白茶’返白前期、白化期、完全复绿期3个时期蛋白质组的研究，检测到每个时期样品的蛋白质点1 000个，表达丰度变化在 1.5倍以上的差异蛋白点有26个，对其中20个差异表达蛋白进行鉴定，主要参与物质及能量代谢、光合作用、蛋白质及RNA加工有关的抗性蛋白和未知功能的蛋白质，认为‘安吉白茶’阶段性返白现象与这些差异蛋白表达变化有关。程晓梅等［28］对‘安吉白茶’在返白前期、返白期和全复绿期这3个不同生长发育期叶片叶绿体蛋白质组进行研究，3个时期间叶绿体差异蛋白质丰度变化在1.5倍以上且重复性好的蛋白质点共计59个，主要涉及能量代谢、光合作用、蛋白质及RNA加工有关的抗性蛋白和细胞防御蛋白。

3 代谢组学在高氨基酸茶树研究中的应用

代谢组学（Metabolomics）通过对细胞、组织或机体内脂类、酮类、有机酸等低分子量（＜1 kD）代谢产物进行定量分析，从代谢物水平上直观、精确地解释生命体新陈代谢的多元动态变化［29］。近年来，以质谱（Mass spectrometry，MS）和核磁共振（Nuclear magnetic resonance，NMR）为核心的代谢组学技术具有高灵敏度、高精确度、高通量的特征，在茶树生长发育特性研究、茶叶品种改良、品质控制、功效成分探索以及在储藏过程中的化学成分变化规律研究上已广泛应用，但在高氨基酸茶树上研究仅在叶色突变型茶树上有少量报道。Li等［30］采用代谢组学方法研究‘安吉白茶’从白化到复绿阶段各个代谢途径差异，发现白化阶段三羧酸循环、光合作用、苯基丙酸类合成路径存在较大的差异变化。Zhang等［22］利用代谢组对比分析了‘黄金芽’黄化叶片和和遮荫复绿叶片差异代谢物，大约有300个显著差异代谢物，其中有41个与氨基酸代谢、碳代谢相关。Feng 等［31］对‘郁金香’、‘天台黄茶’、‘黄金芽’和‘安吉白茶’4个叶色突变茶树品种的游离氨基酸、儿茶素、咖啡碱、类胡萝卜素和叶绿素含量等主要代谢物与福鼎大白茶进行比较分析，认为叶色突变茶树品种叶绿素、类胡萝卜素和咖啡碱合成受到抑制在代谢水平动态地促进了氨基酸合成。

4 结语

综上所述，人们以转录组学、蛋白质组学和代谢组学为基础的组学技术在高氨基酸茶树上开展了多方面的研究并取得了初步进展，为今后高氨基酸茶树品种研究积累了一定的研究技术和数据信息，同时也为高氨基酸茶树的资源特性及其栽培和育种等方面提供了新的认识。但组学技术作为一门前沿科学技术，其在高氨基酸茶树研究中的应用仍存在诸多不足和亟待突破的难题。

高氨基酸茶树品种多，资源种类丰富，而目前的研究主要集中在部分叶色突变型高氨基酸茶树品种上，而利用组学技术研究‘黄金茶1号’和‘川茶2号’等叶色正常型高氨基酸茶树少有报道。其次，虽利用组学技术基本明确白化型高氨基酸茶树叶色突变机理，初步揭示了白化型高氨基酸茶树氨基酸形成机制，但对白化型高氨基酸茶树品种存在适应环境能力差、采摘期短等问题少有研究。因此，今后应加强组学技术在高氨基酸茶树的抗性、栽培管理和次级代谢产物生物合成调控机制等方面上的应用研究，加大高氨基酸茶树研究的深度和广度。

组学技术在茶树栽培育种、生理生化、种质资源特性、茶叶加工及贮藏等多方面研究得到了广泛应用，为生产优质茶产品，培育我国特有茶树资源奠定了基础。但转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术在高氨基酸茶树上研究应用较为简单，对于高氨基酸茶树的基因、蛋白质、代谢物的探究只是冰山一角，对于更深层次的内在机理与它们之间的联系尚不明确。其次，现有很多研究都是将不同组学的方法进行联用，全面系统的解析生命现象。而利用组学技术研究高氨基酸茶树均以转录组学研究为主，单一的组学技术仅能在某一层面反映生物信息情况，目前尚无综合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术来研究高氨基酸茶树的报道。总之，组学技术已然成为今后研究高氨基酸茶树的重要手段，多组学技术联用必然成为未来高氨基酸茶树研究的方向。同时，随着茶树基因组测序完成［32］，基因工程技术的日趋成熟和各种先进科学技术的应用，组学技术在高氨基酸茶树的研究应用将迈上一个崭新的台阶。

［1］邵济波, 唐茜, 周晓兰, 等. 四川引种安吉白茶主要生化成分分析［J］. 食品科学 , 2012, 33（16）：179-183.

［2］ 郭桂义, 胡孔峰, 袁丁. 信阳毛尖茶的化学成分［J］. 食品科技,2006, 31（9）：298-301.

［3］ 赵洋, 杨培迪, 刘振, 等. 高氨基酸黄金茶种质资源筛选鉴定［J］. 茶叶通讯 , 2017, 44（3）：13-16.

［4］马林龙, 顾辰辰, 邓威威, 等. 大别山野生油茶中茶氨酸检测与茶氨酸合成酶基因克隆［J］. 广西植物, 2015, 35（1）：92-98.

［5］Kakuda T. Neuroprotective effects of the green tea components theanine and catechins［J］. Biol Pharm Bull, 2002, 25（12）：1513-1518.

［6］Kimura K, et al. L-Theanine reduces psychological and physiological stress responses［J］. Biol Psychol, 2007, 74（1）：39-45.

［7］Shimbo M, et al. Green tea consumption in everyday life and mental health［J］. Public Health Nutr, 2005, 8（8）：1300-1306.

［8］Hindmarch I, Rigney U, Stanley N, et al. A naturalistic investigation of the effects of day-long consumption of tea, coffee and water on alertness, sleep onset and sleep quality［J］. Psychoparmacology（Berl）, 2000, 149：203-216.

［9］杨亚军, 陈明, 王新超, 等. 特异优质茶树新品种‘中黄1号’选育研究［J］. 中国茶叶, 2014（9）：8-9.

［10］张湘生, 等. 特早生高氨基酸优质绿茶茶树新品种保靖‘黄金茶1号’选育研究［J］. 茶叶通讯, 2012, 39（3）：11-16.

［11］ 金孝芳, 等. 6个高氨基酸茶树品种（系）主要生化成分分析［J］. 茶叶学报, 2017, 58（2）58-62.

［12］Sánchez B, Ruiz L, et al. Omics for the study of probiotic microorganisms［J］. Food Res Int, 2013, 54（1）：1061-1071.

［13］苏小琴, 马燕, 杨秀芳, 等. 组学技术在茶学研究中的应用研究进展［J］. 食品工业科技, 2017, 38（18）：333-340.

［14］吴文静, 李志强, 柯云玲, 等. 组学技术在白蚁研究中的应用［J］. 环境昆虫学报, 2015, 37（4）：883-893.

［15］孔德康, 王红旗, 许 洁, 等. 基因组学、蛋白质组学和代谢组学在微生物降解PAHs中的应用［J］. 生物技术通报, 2017,33（10）：46-51.

［16］Wang Z, Gerstein M, Snyder M. RNA-Seq：a revolutionary tool for transcriptomics［J］. Nat Rev Genet, 2009, 10（1）：57-63.

［17］Li N, Yang Y, Ye J, et al. Effects of sunlight on gene expression and chemical composition of light-sensitive albino tea plant［J］. Plant Growth Regulation, 2016, 78（2）：253-262.

［18］李娜娜, 等. 茶树品种福鼎大白茶和小雪芽叶片基因转录组研究［J］. 江苏农业学报, 2012, 28（5）：974-978.

［19］李春芳. 茶树类黄酮等次生代谢产物的合成及基因的表达分析［D］. 杭州：中国农业科学院, 2016.

［20］Wang L, Yue C, Cao H, et al. Biochemical and transcriptome analyses of a novel chlorophyll-deficient chlorina tea plant cultivar［J］. BMC Plant Biol, 2014, 14 ：352.

［21］Liu G, Han Z, Feng L, et al. Metabolic flux redirection and transcriptomic reprogramming in the albino tea cultivar ‘Yu-Jin-Xiang’ with an emphasis on catechin production［J］. Scientific Reports, 2017, 7：45062.

［22］Zhang Q, Liu M, Ruan J. Integrated transcriptome and metabolic analyses reveals novel insights into free amino acid metabolism in Huangjinya tea cultivar［J］. Front Plant Sci, 2017, 8 ：291.

［23］李娟, 等. ‘安吉白茶’抑制消减杂交cDNA文库的构建及初步分析［J］. 中国农学通报, 2011, 27（4）：96-101.

［24］Yuan L, Xiong L, Deng T, et al. Comparative profiling of gene expression inCamellia sinensisL.cultivar AnJiBaiCha leaves during periodic albinism［J］. Gene, 2015, 561（1）：23-29.

［25］程晓梅, 黄建安, 刘仲华, 等. 茶树蛋白质组学研究进展［J］.湖南农业科学, 2014, 23：28-31.

［26］张红亮, 王道文, 张正斌. 利用转录组学和蛋白质组学技术揭示小麦抗旱分子机制的研究进展［J］. 麦类作物学报, 2016,36（7）：878-887.

［27］李勤. 安吉白茶新梢生育期间蛋白质组学及茶氨酸体外生物合成的研究［D］. 长沙：湖南农业大学, 2011.

［28］程晓梅. 安吉白茶阶段性返白过程中叶绿体蛋白质组学研究［D］. 长沙：湖南农业大学, 2015.

［29］Sumner L, Mendes P, Dixon R. Plant metabolomics：largescale phytochemistry in the functional genomics era［J］.Phytochemistry, 2003, 62（6）：817-836.

［30］Li C, Yao M, Ma C, et al. Differential metabolic profiles during the albescent stages of ‘Anji Baicha’（C. sinensis）［J］. PLoS One,2015, 10：e0139996.

［31］Feng L, Gao M, Hou R, et al. Determination of quality constituents in the young leaves of albino tea cultivars［J］. Food Chemistry,2014, 155（11）：98-104.

［32］Xia E, Zhang H, Sheng J, et al. The Tea tree genome provides insights into tea flavor and independent evolution of caffeine biosynthesis［J］. Molecular Plant, 2017, 10（6）：866-877.