炎陵花叶茶斑锦变异的分子机理研究

作     者：谢念祠 

作者单位：湖南农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈程文

授予年度：2020年

学科分类：09[农学] 090203[农学-茶学] 0902[农学-园艺学] 

主      题：茶树 斑锦变异 叶色 茶氨酸合成酶 转录组测序 

摘      要：茶树(Camellia sinensis(L.)***.)作为我国重要的经济作物之一,其叶色是影响茶叶质量的重要指标。本实验研究材料炎陵花叶茶为茶树斑锦变异体,其叶色表型为白绿嵌合且不受环境因素影响而改变。目前,斑锦变异在仙人掌科植物中出现较多,研究主要集中在探索斑锦变异的呈色机制和叶绿体发育,但有关于茶树斑锦变异的研究依然鲜见。茶树叶色变异(包括斑锦)通常会引起茶树中茶氨酸的含量变化。作为茶树的特征代谢产物,茶氨酸因其赋予茶叶特殊品质及功效备受人们关注,但迄今茶氨酸的积累机制仍未明晰。因此,研究斑锦变异茶树的呈色机制及其与茶氨酸积累的关联性将具有重要意义。本研究以斑锦变异茶树炎陵花叶茶为实验材料,根据叶色差异将其叶片分为白化部位(Albino area,AA)、过渡区(Transition site,TS)、正常部位(Normal part,NP)。通过对叶色不同部位进行表型指标、生理生化指标及转录组测序,整合探究了呈色与茶氨酸积累二者之间的可能原因,主要结果如下:(1)对不同叶色部位进行转录组测序并比对中国种茶树基因组,共得到44908个非重复序列基因,其中AA比NP、AA比TS、NP比TS显著差异基因数量分别是2760、1484、1283个。KEGG富集分析表明,碳代谢及氨基酸的生物合成富集了最多的差异表达基因。考虑到叶色变化造成AA茶氨酸含量拔高,且茶树氮代谢与茶氨酸代谢密切相关。通过关注差异基因所在代谢途径:光合作用天线蛋白、卟啉与叶绿素代谢、氮代谢、氨基酸的生物合成和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径,找到炎陵花叶茶呈色机制及茶氨酸积累相关基因10个,基于形态学特征及生理生化表型,结合差异基因进行了进一步探究。(2)对不同叶色部位进行光合色素及超微结构分析,发现NP、TS、AA呈现色素含量骤减,叶绿体超微结构形状拉长、基粒数量减少、基粒类囊体垛叠不明显、空泡增多现象。同时,转录组测序结果中光系统Ⅱ捕光复合物(LHCⅡ)整体下调表达,表明LHCⅡ蛋白可能处于自噬或降解状态。这一系列反应可能是斑锦变异茶树为了自我保护以防止光化学损伤。其中CP24、CP29、PPOX、PORA在维持LHCⅡ结构,保证类囊体垛叠中起了重要作用,CP24在AA的低表达量可能是造成类囊体膜分解的直接原因。(3)对不同叶色部位进行生化分析,发现NP、TS、AA呈现游离氨基酸总量及茶氨酸含量增加趋势,AA游离氨基酸总量达6.01%,茶氨酸含量为2.47%,AA中茶氨酸、谷氨酸、丙氨酸分别为NP的1.25、1.88、2.00倍。结合转录组测序结果,推测整体氨基酸含量的提升可能由LHCⅡ的蛋白降解产生了大量的氨基酸残基造成。同时,转录组测序结果也发现CsTS在AA与NP中表达无差异,但二者表达量显著高于TS。CsGS1.2、CsGDH、CsALAAT2在AA中表达量显著低于NP。CsTS作用于乙胺与谷氨酸合成茶氨酸,CsGS1.2作用于谷氨酸合成谷氨酰胺;CsGDH为谷氨酸脱氢酶,作用于谷氨酸脱氢;CsALAAT2为丙氨酸转氨酶基因,作用于L-丙氨酸生成丙酮酸。这些基因低表达逆向促进了谷氨酸、丙氨酸的积累,L-丙氨酸积累能增强L-丙氨酸脱氢酶稳定性促进乙胺生成,而乙胺的有效性是茶树与其他植物L-茶氨酸积累差异的原因,这三个基因的共同作用可能促进了茶氨酸的积累。