本網(wǎng)訊 近日，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)室趙劍課題組在國(guó)際期刊《植物生物技術(shù)》發(fā)表題為《CsMYB184調(diào)控茶樹(shù)咖啡堿合成分子機(jī)制》的研究論文，系統(tǒng)研究了MYB184調(diào)控茶樹(shù)咖啡堿合成的分子機(jī)制。

 

　　嘌呤生物堿廣泛存在于自然界多種植物中。植物嘌呤堿的種類較多，均來(lái)源于黃嘌呤核苷酸。該類化合物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥理作用復(fù)雜多樣，已有多種化合物被開(kāi)發(fā)為食品添加劑或臨床藥物。其中咖啡堿（Caffeine，1,3,7-三甲基黃嘌呤）是具有強(qiáng)興奮神經(jīng)作用的、應(yīng)用最為廣泛的植物類嘌呤生物堿。咖啡堿被譽(yù)為現(xiàn)代軟飲料文化的核心，世界三大無(wú)酒精飲料茶、咖啡和可可的流行均得益于咖啡堿的存在。

 

　　咖啡堿是茶樹(shù)特征性化合物之一，不僅對(duì)茶樹(shù)逆境脅迫響應(yīng)以及生殖生長(zhǎng)具有重要作用，而且對(duì)茶葉品質(zhì)形成至關(guān)重要。在茶樹(shù)以及其他含咖啡堿的系統(tǒng)進(jìn)化相差較遠(yuǎn)的多種植物中咖啡堿代謝途徑已經(jīng)基本清楚，其合成途徑和酶/基因呈現(xiàn)獨(dú)立、趨同進(jìn)化特征。然而其合成調(diào)控機(jī)制還不清楚。

 

　　咖啡堿生物合成途徑的核心部分為黃嘌呤核苷（xanthosine）經(jīng)3步甲基化和1步核苷水解作用最終生成咖啡堿。在茶樹(shù)基因組中，至少有11個(gè)N-methyltransferase（NMT）基因參與這三步甲基化過(guò)程。其中茶咖啡堿合成酶1（TCS1）在幼嫩葉片中高表達(dá)來(lái)催化最后一步由可可堿的1-N位甲基化反應(yīng)而合成咖啡堿。 TCS1是咖啡堿合成的限速酶基因。本研究通過(guò)WGCNA、TCS1啟動(dòng)子激活篩選等，在茶樹(shù)基因組中篩選到一個(gè)調(diào)控咖啡堿合成的R2R3 MYB類轉(zhuǎn)錄因子MYB184。MYB184能直接結(jié)合并激活TCS1啟動(dòng)子。茶樹(shù)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明該基因能直接調(diào)控TCS1基因表達(dá)以及咖啡堿合成。現(xiàn)代栽培茶樹(shù)（包括大葉種和小葉種）中TCS1表達(dá)和咖啡堿積累雖然有差異，但多數(shù)不特別大，而且可可堿含量一般很低。

 

　　可可茶（Camellia ptilophylla）是一種天然咖啡堿合成缺陷突變體，屬于一種茶樹(shù)近緣種。前期研究表明可可茶中TCS1序列變異可能導(dǎo)致了可可堿無(wú)法轉(zhuǎn)化成咖啡堿。本研究通過(guò)大量轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，可可茶中TCS1基因的表達(dá)顯著低于常規(guī)栽培品種，這說(shuō)明 TCS1表達(dá)水平變異也是可可茶中咖啡堿含量低的因素之一。比較可可茶和現(xiàn)代栽培茶樹(shù)的TCS1啟動(dòng)子，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的MYB結(jié)合位點(diǎn)變異，因此推測(cè)TCS1基因表達(dá)下調(diào)可能是由于上游轉(zhuǎn)錄因子基因MYB184表達(dá)水平降低導(dǎo)致。對(duì)MYB184啟動(dòng)子序列分析發(fā)現(xiàn)，可可茶的MYB184基因啟動(dòng)子區(qū)有一個(gè)437-bp的LTR轉(zhuǎn)座子插入，可能導(dǎo)致可可茶 MYB184的表達(dá)水平顯著低于栽培茶樹(shù)。此外，還發(fā)現(xiàn)在其它茶樹(shù)野生近源種中，咖啡堿含量、TCS1和MYB184表達(dá)水平都顯著低于現(xiàn)代栽培茶樹(shù)，暗示了MYB184表達(dá)變異可能是茶樹(shù)從野生近源種到栽培茶樹(shù)進(jìn)化過(guò)程中咖啡堿含量升高的原因之一，但具體分子機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

 

　　茶與食品科技學(xué)院李鵬輝副教授為第一作者，趙劍教授為通訊作者。童偉副教授、山東臨沂大學(xué)王樹(shù)才教授、德國(guó)馬克思普朗克分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授等參與了研究。此研究受國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、我校神農(nóng)學(xué)者人才計(jì)劃等資助。

 

　　文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13814