4月19日，國(guó)際植物學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《植物學(xué)雜志》(The Plant Journal) 在線(xiàn)發(fā)表安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室夏濤教授團(tuán)隊(duì)的題為《深入了解?；瘷C(jī)制：共表達(dá)絲氨酸羧肽酶類(lèi)酰基轉(zhuǎn)移酶和非催化伴侶旁系蛋白》(Insights into acylation mechanisms: Co-expression of serine carboxypeptidase-like acyltransferases and their noncatalytic companion paralogs)的文章，最終揭開(kāi)了茶樹(shù)酯型兒茶素合成之謎。
我國(guó)的茶葉品類(lèi)豐富，飲茶人群眾多。茶產(chǎn)品具有獨(dú)特的苦澀風(fēng)味，這與茶鮮葉中富含的酚類(lèi)物質(zhì)，特別是酯型兒茶素密切相關(guān)。酯型兒茶素除了影響茶葉的感官品質(zhì)，同時(shí)也是對(duì)人體健康非常有益的一類(lèi)物質(zhì)，具有抗氧化，減肥降脂，抗病毒等功效。
酯型兒茶素作為茶葉中的“明星物質(zhì)”，它的生物合成通路始終是個(gè)謎題。究竟是什么基因在控制它的合成?這也成為當(dāng)前茶樹(shù)生物學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
在國(guó)家基金委支持下，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶學(xué)科研團(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直堅(jiān)持探索茶樹(shù)酯型兒茶素的合成及水解途徑。
· 2012年，夏濤課題組第一次證實(shí)茶樹(shù)酯型兒茶素沒(méi)食子?；^(guò)程涉及兩步反應(yīng)(Journal of Biological Chemistry，2012)。
· 2016年，酯型兒茶素沒(méi)食子糖基化形成的CsUGT84A基因功能得到驗(yàn)證(Journal of Experimental Botany，2016)。
· 2019年，課題組成功解析了非酯型兒茶素合成關(guān)鍵酶在聚合態(tài)兒茶素合成中的作用機(jī)制(The Plant Journal，2019)。
· 2020年，課題組首次報(bào)道參與酯型兒茶素水解的植物單寧酶基因家族Tannase(New Phytologist，2020)。
但是茶樹(shù)酯型兒茶素合成機(jī)理的研究舉步維艱，進(jìn)展緩慢。
經(jīng)過(guò)近十年的探索，課題組通過(guò)酶學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)等技術(shù)手段，利用傳統(tǒng)的蛋白分離純化手段，從茶樹(shù)中純化了酯型兒茶素合成酶，再經(jīng)過(guò)蛋白質(zhì)譜鑒定和匹配茶樹(shù)基因組，篩選到兩條SCPL同源基因序列。課題組將其分別命名為CsSCPL4和CsSCPL5。
▲ 基因共表達(dá)策略(a)及茶樹(shù)酯型兒茶素合成代謝途徑(b)
這兩條基因在茶樹(shù)不同組織器官具有相同的表達(dá)規(guī)律，都是在幼嫩葉高表達(dá)，這也與酯型兒茶素的積累規(guī)律一致。為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩條SCPL基因的功能，課題組通過(guò)植物異源蛋白表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行酶學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)CsSCPL4和CsSCPL5在煙草植株體內(nèi)單獨(dú)表達(dá)時(shí)，重組蛋白不具有酶催化活性;只有當(dāng)CsSCPL4和CsSCPL5在煙草植株體內(nèi)共表達(dá)時(shí)，重組蛋白具有明顯的催化活性，能夠催化底物生成酯型兒茶素。
▲ 富含單寧植物中的SCPL4?；D(zhuǎn)移酶和它們的非催化伴侶
課題組通過(guò)蛋白序列分析比對(duì)發(fā)現(xiàn)，CsSCPL4具有保守的催化三殘基(S-D-H)，而CsSCPL5的催化三殘基存在突變現(xiàn)象，為T(mén)-D-Y。課題組后續(xù)通過(guò)一系列點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)證實(shí)了CsSCPL4具有酶催化功能，CsSCPL5則具有非催化伴侶功能。隨后的蛋白互作實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了CsSCPL4和CsSCPL5存在相互作用。蛋白質(zhì)免疫印跡實(shí)驗(yàn)表明，在共表達(dá)系統(tǒng)中，CsSCPL5能夠維持CsSCPL4前肽的穩(wěn)定性，促進(jìn)CsSCPL4前肽加工為成熟蛋白，進(jìn)而發(fā)揮酶功能。
這一研究成果為茶樹(shù)酯型兒茶素的代謝調(diào)控提供了重要的基因靶點(diǎn)，也為茶樹(shù)遺傳改良和品質(zhì)提升等領(lǐng)域提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生姚勝波和生命科學(xué)學(xué)院劉亞軍教授為論文共同第一作者，夏濤教授、高麗萍教授和美國(guó)北卡羅萊納州州立大學(xué)謝德玉教授為共同通訊作者。相關(guān)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金的資助。
來(lái)源：中國(guó)茶葉加工
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4月19日，國(guó)際植物學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《植物學(xué)雜志》(The Plant Journal) 在線(xiàn)發(fā)表了我校茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室夏濤教授團(tuán)隊(duì)的題為《深入了解?；瘷C(jī)制：共表達(dá)絲氨酸羧肽酶類(lèi)?；D(zhuǎn)移酶和非催化伴侶旁系蛋白》(Insights into acylation mechanisms: Co-expression of serine carboxypeptidase-like acyltransferases and their noncatalytic companion paralogs)的文章，最終揭開(kāi)了茶樹(shù)酯型兒茶素合成之謎。
圖1.基因共表達(dá)策略(A)及茶樹(shù)酯型兒茶素合成代謝途徑(B)
眾所周知，茶樹(shù)富含酚類(lèi)物質(zhì)，其中酯型兒茶素是綠茶多酚的主要組成成分，約占鮮葉干重的8-12%，是形成綠茶收斂性滋味的決定性成分，也是茶飲料的抗氧化、抗菌、抗病毒和抗動(dòng)脈硬化等健康功效的主要成分。
在國(guó)家基金委支持下，課題組圍繞著茶樹(shù)酯型兒茶素合成及水解途徑展開(kāi)持續(xù)研究。早在2012年，夏濤課題組第一次證實(shí)茶樹(shù)酯型兒茶素沒(méi)食子?；^(guò)程涉及兩步反應(yīng)(Journal of Biological Chemistry, 2012)，其中涉及沒(méi)食子糖基化形成的CsUGT84A 基因功能于2016年得到驗(yàn)證(Journal of Experimental Botany, 2016)。2020年課題組首次報(bào)道參與酯型兒茶素水解的植物單寧酶基因家族Tannase(New Phytologist, 2020)。課題組還成功解析了非酯型兒茶素合成關(guān)鍵酶在聚合態(tài)兒茶素合成中的作用機(jī)制(The Plant Journal, 2019)。但是茶樹(shù)酯型兒茶素合成機(jī)理的研究舉步維艱，進(jìn)展緩慢。
圖2. 富含單寧植物中的SCPL4?；D(zhuǎn)移酶和它們的非催化伴侶
經(jīng)過(guò)近十年的探索，他們發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單易行的共表達(dá)策略可用于驗(yàn)證植物的SCPL?；D(zhuǎn)移酶基因功能，并證實(shí)有一對(duì)SCPL?；D(zhuǎn)移酶以獨(dú)特方式參與了茶樹(shù)、葡萄和柿子等植物的酯型兒茶素合成，其中由大小亞基組成的SCPL4?；D(zhuǎn)移酶具有酶催化功能;而SCPL4?；D(zhuǎn)移酶的旁系同源蛋白SCPL5酰基轉(zhuǎn)移酶則起作非催化伴侶功能，在維持SCPL4?；D(zhuǎn)移酶前肽穩(wěn)定性、促進(jìn)SCPL4?；D(zhuǎn)移酶前肽加工為成熟蛋白中起重要作用。研究結(jié)果拓展了人們對(duì)SCPL?；D(zhuǎn)移酶的非催化伴侶功能的認(rèn)知，也為解答茶樹(shù)為什么積累酯型兒茶素的科學(xué)問(wèn)題提供了新的視角。
茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生姚勝波和生命科學(xué)學(xué)院劉亞軍教授為論文共同第一作者，夏濤教授、高麗萍教授和美國(guó)北卡羅萊納州州立大學(xué)謝德玉教授為共同通訊作者。相關(guān)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金的資助。
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近日，Horticultural Plant Journal在線(xiàn)發(fā)表了華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉少群團(tuán)隊(duì)題為“Dynamic DNA methylation modification in catechins and terpenoids biosynthesis during tea plant (Camellia sinensis) leaf development（茶樹(shù)葉片發(fā)育過(guò)程中DNA甲基化對(duì)兒茶素和萜烯類(lèi)生物合成的動(dòng)態(tài)修飾）”的研究論文。
01
研究背景
茶樹(shù)（Camellia sinensis）是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，其葉片富含次生代謝物。兒茶素和萜烯類(lèi)物質(zhì)對(duì)于茶葉滋味和香氣具有重要貢獻(xiàn)，其含量及種類(lèi)隨茶樹(shù)葉片的發(fā)育發(fā)生了顯著變化。DNA甲基化在植物生長(zhǎng)發(fā)育及次生代謝中扮演著重要的角色。然而，關(guān)于DNA甲基化對(duì)茶樹(shù)葉片發(fā)育過(guò)程中次生代謝物的調(diào)控仍不清晰。
02
研究問(wèn)題
本研究以‘嶺頭單叢’茶樹(shù)嫩葉和老葉為材料，通過(guò)全基因組DNA甲基化測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序以及色譜分析技術(shù)，從DNA甲基化、基因轉(zhuǎn)錄和物質(zhì)代謝三個(gè)層面，共同探討在茶樹(shù)葉片發(fā)育過(guò)程中，DNA甲基化的變化規(guī)律及其對(duì)于兒茶素、萜烯類(lèi)代謝的潛在調(diào)控作用，研究結(jié)果可為提高茶葉原料利用率、輔助茶樹(shù)育種提供理論指導(dǎo)。
03
研究結(jié)果
（1）在茶樹(shù)葉片發(fā)育過(guò)程中，全基因組DNA甲基化水平顯著升高，并在全基因組背景下有著相似的DNA甲基化水平分布。
圖1茶樹(shù)葉片發(fā)育過(guò)程中DNA甲基化水平變化及在染色體上的分布情況
（2）全基因組DNA甲基化水平的顯著升高主要受到甲基轉(zhuǎn)移酶CMT2、CMT3、MET1和去甲基化酶DME共同調(diào)控。
圖2茶樹(shù)葉片發(fā)育過(guò)程中DNA甲基化相關(guān)基因的表達(dá)變化
（3）差異表達(dá)基因中只有少部分與差異甲基化區(qū)域相關(guān)聯(lián)。功能富集分析表明與差異甲基化區(qū)域相關(guān)聯(lián)的差異表達(dá)基因顯著富集于苯丙烷、類(lèi)黃酮及萜烯類(lèi)通路上。
圖3DNA甲基化與轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析
（4）兒茶素合成關(guān)鍵基因SCPL1A、LAR等以及萜烯類(lèi)物質(zhì)合成關(guān)鍵基因NES的基因表達(dá)水平顯著受到DNA甲基化的調(diào)控。說(shuō)明在茶樹(shù)葉片發(fā)育過(guò)程中，DNA甲基化的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于兒茶素及萜烯類(lèi)物質(zhì)的組成及含量具有重要影響。
圖5兒茶素及萜烯類(lèi)代謝通路中關(guān)鍵基因的差異甲基化區(qū)域可視化
04
意義和創(chuàng)新性
解析了茶樹(shù)葉片發(fā)育過(guò)程中DNA甲基化圖譜變化，DNA甲基化對(duì)兒茶素和萜烯類(lèi)代謝的潛在調(diào)控作用，為表觀(guān)遺傳調(diào)控茶樹(shù)次生代謝提供一定的見(jiàn)解。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
碩士研究生陳家浩為該論文的第一作者，孫彬妹副教授和劉少群研究員為該文的通信作者。本科生胡楊、朱張生副教授、鄭鵬高級(jí)農(nóng)藝師參與了本研究。
來(lái)源：Horticultural Plant Journal HPJ編輯部，
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