茶树中茶氨酸代谢和转运机制研究进展

张书沛，林世嘉

茶树中茶氨酸代谢和转运机制研究进展

张书沛，林世嘉*

（安徽农业大学 茶树生物学与资源利用国家重点实验室，安徽合肥 230036）

茶氨酸是绿茶品质的重要决定因子，其含量与绿茶品质高度正相关。茶氨酸是茶树中特异的非蛋白氨基酸，也是茶叶中最丰富的游离氨基酸，赋予茶汤鲜爽和香醇味，并具有镇静安神、提高注意力等功效。本文对近年来茶氨酸代谢通路及关键酶、转运分子机制及土壤和环境因素动态调控茶树中茶氨酸积累的主要研究进展进行了系统总结，并对茶树中茶氨酸代谢和转运的发展趋势进行了展望。

茶氨酸；代谢；转运；研究进展

茶氨酸是茶叶最重要的品质成分之一，赋予茶汤鲜爽味，减轻茶多酚和咖啡碱的苦涩味，并具有镇静安神、提高注意力等功效[1]。因此，茶氨酸含量与茶叶品质高度正相关[2]。酚氨比是评价茶叶品质的重要指标，如茶叶酚氨比高，一般苦涩味较重。茶树中茶氨酸与茶多酚的生物合成具有拮抗性，此消彼长[3]，因此提高茶氨酸含量的同时往往降低茶多酚的含量，进而导致酚氨比降低，可提高绿茶品质。

1 茶树茶氨酸代谢通路及关键酶研究进展

茶氨酸是茶树中特异的非蛋白氨基酸，也是茶叶中最丰富的游离氨基酸。它由茶氨酸合成酶以乙胺和谷氨酸为底物催化合成。茶树中茶氨酸的合成主要发生在嫩根中[4]。Wei等（2018）克隆了茶树中的茶氨酸合成酶编码基因[5]。原核表达纯化的CsTSI在体外具有催化茶氨酸合成的酶活性；在茶树毛发根中，过表达能提高茶氨酸含量，降低其表达则降低茶氨酸含量[6]，表明CsTSI在决定茶树合成茶氨酸中发挥重要功能。此外，发现茶树中多个谷氨酰胺合成酶CsGSs也具有体外催化茶氨酸合成的活性；过表达的拟南芥或者烟草叶片，在饲喂乙胺的条件下能合成茶氨酸，暗示CsGSs对茶树合成茶氨酸亦有贡献[7, 8]。

茶氨酸合成底物乙胺由丙氨酸脱羧酶催化丙氨酸脱羧生成[9]。Bai 等（2019）克隆了茶树中的丙氨酸脱羧酶编码基因[10]。CsAlaDC是拟南芥丝氨酸脱羧酶的同源蛋白，在体外具有丙氨酸脱羧酶活性，但不具有丝氨酸脱羧酶活性[11]。Zhu等（2021）发现烟草叶片过表达时丙氨酸含量降低，乙胺大量合成[12]，这表明CsAlaDC在植物中具有丙氨酸脱羧酶活性。茶树中谷氨酸合成主要由谷氨酸合酶CsGOGATs催化[13]。在氮素含量较高时，谷氨酸脱氢酶CsGDHs也能催化谷氨酸的合成。随着茶树基因组测序工作的完成，CsGOGATs和CsGDHs的编码基因也得到了鉴定，它们都由多个基因编码[14]。与谷氨酸不一样的是，Cheng等（2017）发现植物体内的乙胺含量直接决定了不同植物间茶氨酸积累水平的差异[15]。大多数植物（比如拟南芥）不合成乙胺，这是因为CsAlaDC在这些植物中的同源蛋白丝氨酸脱羧酶SDC催化乙醇胺合成，而不是乙胺的合成[16]。Bai等（2021）比较了茶树中CsAlaDC和CsSDC，发现它们只分别具有丙氨酸脱羧酶和丝氨酸脱羧酶活性，两者的最适pH和反应温度不同，且CsAlaDC的底物亲和性和催化速率远低于CsSDC[11]。

茶氨酸在茶氨酸水解酶的催化下降解为谷氨酸和乙胺，该过程主要发生在幼嫩的新梢组织[17]。Fu等（2020）发现茶树中拟南芥谷氨酰胺酶的同源蛋白CsPDX2.1在体外具有茶氨酸水解酶活性[18]。白化茶树叶片中茶氨酸含量普遍高于绿叶品种，可能与这些品种中表达水平低有关，使得茶氨酸降解减少而得以更多积累。

2 茶树中茶氨酸转运分子机制研究进展

Li等（2019）检测了茶氨酸生物合成和氨基酸转运蛋白基因在根和芽四个时间点的表达。基因表达量与茶氨酸含量的相关性分析表明，茶氨酸生物合成基因表达量与茶氨酸含量呈普遍负相关；而包括CsLHT在内的氨基酸转运体基因的表达与茶氨酸含量呈普遍正相关，并发现CsLHT具有茶氨酸转运活性[19]。

茶氨酸主要在根中合成，通过维管束从根运输到新梢。Dong等（2020）鉴定了茶树中9个的AAP家族氨基酸蛋白，发现其中6个（CsAAP1、CsAAP2、CsAAP4、CsAAP5、CsAAP6和CsAAP8）具有茶氨酸转运能力。除了在各组织中组成性表达，另外5个茶氨酸转运蛋白编码基因都具有较高的组织表达特异性，其中，在茶氨酸从根向地上部转运过程中发挥重要功能[20]。

Feng等（2021）发现，茶树中定位于液泡膜的CAT氨基酸转运蛋白家族CsCAT2，也具有茶氨酸转运能力[21]。从冬季到春季的不同时间点，在根中的表达趋势与茶氨酸在根中的储存趋势一致；在不同品种茶树的根中，的表达量与茶氨酸从根到新梢的转运能力显著负相关；暗示 CsCAT2介导茶氨酸在根部的储存而负调控茶氨酸向地上部运输。至于冬季茶氨酸在根中如何储存，以及CsCAT2如何介导茶氨酸储存过程，还需要深入的实验验证。

Li等 （2022）酵母系统中验证CsAAP7.2具有运输茶氨酸和其他氨基酸的能力；组织特异性分析表明，在根和茎中高度表达。过表达拟南芥株系对高浓度茶氨酸更敏感，且在土壤中氨基酸摄取和茶氨酸的长途运输中起着重要作用[22]。

3 土壤和环境因素动态调控茶树中茶氨酸积累的研究进展

3.1 茶树中茶氨酸的积累受遗传和环境因素的共同调控

我国拥有丰富的茶树种质资源。经过长期的自然选择和栽培驯化，获得了很多优异的茶树品种/品系。Fang等（2020）检测了春、夏、秋三个季节里191个茶树种质材料新梢中的茶氨酸含量，发现茶氨酸含量变异范围分别在0～4.03%、0～2.38%和0～6.01%之间，计算得出茶氨酸含量的遗传力为0.6[23]，说明茶氨酸含量受遗传因素控制，但环境因素影响亦很大。最近，Huang等（2022）鉴定了控制氨基酸含量包括茶氨酸含量的QTLs (Quantitative Trait Loci)[24]。他们利用2018年测定的茶氨酸含量，鉴定到5个茶氨酸含量相关的QTLs；但是，利用2019年测定的茶氨酸含量数据，只鉴定出1个与茶氨酸含量相关的QTL。这主要是由于两个年份之间茶氨酸含量差别较大而引起的。另外，很多黄化或白化品种中的茶氨酸含量高，但随着温度或者光照变化，其叶色会返绿，茶氨酸含量也随之降低。这些结果都说明茶氨酸含量除了受遗传因素调控外，亦受环境因素的影响。

3.2 季节和环境因素对茶氨酸积累水平的调控

前人研究表明，秋冬季节，茶氨酸在根中大量合成和积累，作为氮素的储存形式在根中储存；春季，茶氨酸逐渐运输到新梢中，新梢中茶氨酸含量较高；夏秋季，茶叶中茶氨酸含量较低[25]。Li等（2019）测定了四个时间点（12月12日、3月1日、3月23日、4月13日）13个品种根和顶芽中茶氨酸的含量。发现根中的含量在前两个时间点相对稳定，在3月23日显著升高，而在4月13日显著下降。顶芽中茶氨酸的含量在12月12日低，从3月1日到23日持续增加；对于早发品种，顶芽中茶氨酸的含量在4月13日显著降低，而晚发品种中的含量在4月13日仍在升高[26]。季节因素是光照、温度、水分等因素的综合，强光、高温、干旱等都降低茶氨酸的积累水平，而盐胁迫和茶尺蠖取食增加新梢里的茶氨酸含量[14]。Wang等报道干旱抑制了茶氨酸生物合成基因的表达，诱导了茶氨酸分解代谢基因的表达，从而减少了茶氨酸在茶树叶片中的积累[27]。相比之下，Deng等人报道，与盐胁迫前相比，150 mM NaCl处理8 d增加了茶树幼苗根和芽中茶氨酸的积累[28]。盐胁迫诱导茶氨酸生物合成的研究最近得到证实[29]。对于生物胁迫，Li等报道了茶尺蠖侵食茶树叶片使受侵害叶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 土壤营养的含量和形式显著影响茶氨酸积累

大量研究表明，施用氮肥增加茶氨酸的积累。茶树是喜铵植物，相比于硝态氮，铵态氮能更有效地提高茶氨酸积累[31]。磷、钾和镁元素营养对茶氨酸的合成和转运过程也很重要[32]。但这些营养元素的含量只有在一定的范围内才能有效提高茶氨酸的积累，含量太高时反而与茶氨酸的含量负相关[33]。长期不施肥，茶树一直处于养分亏缺状态，茶氨酸的积累也显著降低[34]。Yang （2020）研究发现，与缺氮处理相比，加氮肥处理显著提高的转录和蛋白水平[35]；遮阴处理也诱导茶树根中表达[36]。

4 研究展望

近年来，茶树中茶氨酸合成和转运分子机制的研究取得了重要进展，但是，茶氨酸合成和转运过程受到土壤营养、季节和其他环境因素的动态调控，我们对其背后的分子机理的认识还十分有限。鉴定调控茶氨酸合成和转运过程的关键基因，揭示茶树中茶氨酸积累动态调控的分子机理，可以为创制高茶氨酸含量的优异茶树种质资源和研发绿色高效栽培技术提供理论基础和靶标基因。

[1] TURKOZU D, SANLIER N. L-theanine, unique amino acid of tea, and its metabolism, health effects, and safety [J]. Crit Rev Food Sci,2017,57(8):1681-1687.

[2] 阎守和, MIGNOLET E, MEURENS M.一种优化的茶氨酸化学合成方法简报[J].茶业通报,2021,43(04):154-155.

[3] LIU J, LIU M, FANG H, et al.Accumulation of amino acids and flavonoids in young tea shoots is highly correlated with carbon and nitrogen metabolism in roots and mature leaves [J]. Front Plant Sci,2021, 12:756433.

[4] ASHIHARA H. Occurrence, biosynthesis and metabolism of theanine (gamma-Glutamyl-L-ethylamide) in plants: a comprehensive review [J]. Nat Prod Commun, 2015,10(05):803-810.

[5] WEI C L, YANG H, WANG S B, et al. Draft genome sequence ofprovides insights into the evolution of the tea genome and tea quality [J]. Proc Natl Acad Sci U S A,2018,115(18): E4151-E4158.

[6] SHE G B, YU S W, LI Z G, et al. Characterization of CsTSI in the biosynthesis of theanine in tea plants () [J]. J Agr Food Chem,2022, 70(03):826-836.

[7] FU X M, LIAO Y Y, CHENG S H, et al. Nonaqueous fractionation and overexpression of fluorescent-tagged enzymes reveals the subcellular sites of L-theanine biosynthesis in tea [J]. Plant Biotechnol J,2021,19(01):98-108.

[8] YU Y, KOU X B, GAO R S, et al. Glutamine synthetases play a vital role in high accumulation of theanine in tender shoots of albino tea germplasm "Huabai 1" [J]. J Agr Food Chem,2021,69(46):13904-13915.

[9] TAKEO T. l-alanine decarboxylase in[J]. Phytochemistry,1978,17(02):313-314.

[10] BAI P, WEI K, WANG L Y, et al. Identification of a novel gene encoding the specialized alanine decarboxylase in tea () plants [J].Molecules,2019,24(03):15.

[11] BAI P X, WANG L Y, WEI K, et al. Biochemical characterization of specific alanine decarboxylase (AlaDC) and its ancestral enzyme serine decarboxylase (SDC) in tea plants () [J]. BMC Biotechnol, 2021,21(01):17.

[12] ZHU B Y, GUO J Y, DONG C X, et al. CsAlaDC and CsTSI work coordinately to determine theanine biosynthesis in tea plants (L.) and confer high levels of theanine accumulation in a non-tea plant [J]. Plant Biotechnol J,2021,19(12):2395-2397.

[13] RANA N K, MOHANPURIA P, YADAV S K. Expression of tea cytosolic glutamine synthetase is tissue specific and induced by cadmium and salt stress [J]. Biol Plant,2008,52(02):361-364.

[14] LIN S, CHEN Z, CHEN T, et al. Theanine metabolism and transport in tea plants (L.): advances and perspectives [J]. Crit Rev Biotechnology,2022:1-15.

[15] CHENG S H, FU X M, WANG X Q, et al. Studies on the biochemical formation pathway of the amino acid L-theanine in tea () and other plants [J]. J Agr Food Chem,2017,65(33):7210-7216.

[16] RONTEIN D, NISHIDA I, TASHIRO G, et al. Plants synthesize ethanolamine by direct decarboxylation of serine using a pyridoxal phosphate enzyme [J].Journal of Biological Chemistry,2001,276(38):35523-35529.

[17] TSUSHIDA T T T. An enzyme hydrolyzing l-theanine in tea leaves [J]. J Agricultural Chemical,1985,49(10): 2913-2917.

[18] FU X M, CHENG S H, LIAO Y Y, et al. Characterization of L-theanine hydrolaseand subcellular distribution of its specific product ethylamine in tea () [J]. J Agr Food Chem,2020,68(39):10842-10851.

[19] LI F, DONG C X, YANG T Y, et al. Seasonal theanine accumulation and related gene expression in the roots and leaf buds of tea plants (L.) [J]. Front Plant Sci,2019,10:14.

[20] DONG C X, LI F, YANG T Y, et al. Theanine transporters identified in tea plants (L.) [J]. Plant J,2020,101(01):57-70.

[21] FENG L, YU Y C, LIN S J, et al. Tonoplast-localized theanine transporter CsCAT2 may mediate theanine storage in the root of tea plants (L.) [J]. Front Plant Sci,2021,12:10.

[22] LI F, LV C J, ZOU Z W, et al. CsAAP7.2 is involved in the uptake of amino acids from soil and the long-distance transport of theanine in tea plants (L.) [J]. Tree Physiol,2022,42(11):2369-81.

[23] FANG K X, XIA Z Q, LI H J, et al. Genome-wide association analysis identified molecular markers associated with important tea flavor-related metabolites [J]. Hortic Res.2021,8(01):17.

[24] HUANG R, WANG J-Y, YAO M-Z, et al. Quantitative trait loci mapping for free amino acid content using an albino population and SNP markers provides insight into the genetic improvement of tea plants [J]. Hortic Res.2022,9:uhab029.

[25] 陈瑛.茶氨酸在茶树体内的分布规律和年变化的研究 [J].绍兴文理学院学报, 1999,19(05):70-73.

[26] LI F, DONG C X, YANG T Y, et al. Seasonal theanine accumulation and related gene expression in the roots and leaf buds of tea plants (L.) [J]. Front Plant Sci,2019,10:1397.

[27] WANG W D, XIN H H, WANG M L, et al. Transcriptomic analysis reveals the molecular mechanisms of drought-stress-induced decreases inleaf quality [J]. Front Plant Sci,2016,7:13.

[28] DENG W W, WANG S, CHEN Q, et al. Effect of salt treatment on theanine biosynthesis inseedlings [J]. Plant Physiol Bioch,2012,56:35-40.

[29] CHEN Z P, LIN S J, LI J, et al. Theanine improves salt stress tolerance via modulating redox homeostasis in tea plants (L.) [J]. Front Plant Sci,2021,12:770398.

[30] LI L B, LI T T, JIANG Y Y, et al. Alteration of local and systemic amino acids metabolism for the inducible defense in tea plant () in response to leaf herbivory by[J]. Arch Biochem Biophys,2020,683:108301.

[31] WANG Y, CHENG X M, YANG T Y, et al. Nitrogen-regulated theanine and flavonoid biosynthesis in tea plant roots: protein-level regulation revealed by multiomics analyses [J]. J Agr Food Chem,2021,69(34):10002-10016.

[32] RUAN J Y, MA L F, YANG Y J. Magnesium nutrition on accumulation and transport of amino acids in tea plants [J]. J Sci Food Agr,2012,92(07):1375-1383.

[33] SUN L L, LIU Y, WU L Q, et al. Comprehensive analysis revealed the close relationship between N/P/K status and secondary metabolites in tea leaves [J]. ACS Omega,2019,4(01):176-184.

[34] ZHOU B, CHEN Y, ZENG L, et al. Soil nutrient deficiency decreases the postharvest quality-related metabolite contents of tea ((L.) Kuntze) leaves [J]. Food Chem,2022,377:132003.

[35] YANG T Y, LI H P, TAI Y L, et al.Transcriptional regulation of amino acid metabolism in response to nitrogen deficiency and nitrogen forms in tea plant root (L.) [J]. Sci Rep,2020,10:6868.

[36] YANG T Y, XIE Y X, LU X, et al. Shading promoted theanine biosynthesis in the roots and allocation in the shoots of the tea plant (L.) cultivar Shuchazao [J]. J Agr Food Chem,2021,69(16):4795-4803.

S571.1

A

1006-5768（2023）03-140-005

2023-04-24

张书沛(1982—)，女，辽宁省营口市人，助理实验员，研究方向为茶学， E-mail：zhangshupei@ahau.edu.cn。

林世嘉(1996—)，男，福建省宁德市人，在读博士生，研究方向为茶学， E-mail：13385006672@163.com。

（责任编辑：范晓娟）