苦茶茶樹花不同發(fā)育時期苦茶堿合成相關的共表達基因鑒定
福建農(nóng)林大學葉乃興團隊前期通過對福建野生茶樹資源的調查分析及生化成分測定，發(fā)現(xiàn)了福建首個含有苦茶堿的特異茶樹資源-蕉城苦茶，并對其葉片中苦茶堿合成的相關基因進行了探究。本研究以此為基礎，進一步探究蕉城苦茶茶樹花不同發(fā)育時期苦茶堿形成的相關基因。采用超高效液相色譜-質譜聯(lián)用技術對蕉城苦茶茶樹花的幼蕾期、露白期及開花期的嘌呤生物堿進行測定，發(fā)現(xiàn)其均含有苦茶堿，且幼蕾期的苦茶堿含量顯著高于其他兩個時期。
轉錄組測序結果顯示，與對照品種福鼎大白茶相比，苦茶堿合成相關的差異基因主要富集在嘌呤生物堿合成途徑上，其中，以黃嘌呤合成途徑上差異基因數(shù)量最多且呈上調表達，咖啡堿合成途徑上差異基因數(shù)量較少。通過加權基因共表達網(wǎng)絡(WGCNA)方法鑒定得到13個模塊，將轉錄組與嘌呤生物堿含量數(shù)據(jù)相關聯(lián)，篩選到兩個與嘌呤生物堿合成關聯(lián)度較高的關鍵基因模塊，其中 ADS和UAZ可能是蕉城苦茶茶樹花中苦茶堿合成的關鍵基因。上述結果將有助于茶樹花中苦茶堿合成相關的候選基因的鑒定，探明蕉城苦茶茶樹花中不同發(fā)育時期苦茶堿的合成的分子機理。
圖1 蕉城苦茶和福鼎大白茶茶樹花不同發(fā)育時期表型圖(從左到右依次為幼蕾期、露白期、開花期)
一、研究背景
苦茶作為我國特有的地方植物，主要分布于我國云南、湖南、貴州、福建等地?？嗖枰蚱渥涛犊酀愑谄渌铇滟Y源。而不同苦茶資源中造成苦味的物質不同。例如嘌呤生物堿、黃酮類化合物、花青素、皂素等物質。值得注意的是，有一類苦茶因其含有苦茶堿而備受關注?？嗖鑹A(Theacrine)又名1,3,7,9-四甲基尿酸，是一種重要的生物堿類化合物，其具有抗抑郁、鎮(zhèn)靜催眠、調節(jié)脂質代謝等功效。
茶樹作為一種經(jīng)濟作物，主要利用的部位為芽葉，而茶樹花的開發(fā)利用相對較少，苦茶資源的研究也主要集中于葉片的研究。而茶樹花作為生殖器官，對茶樹的進化、基因研究至關重要。近年來，茶樹花的保健功效也逐漸被開發(fā)利用，因此，研究茶樹花的苦茶堿形成機理具有重要意義。
二、研究結果
本研究對蕉城苦茶的茶樹花進行嘌呤生物堿組分測定，結果表明其嘌呤生物堿總量在不同發(fā)育時期均高于福鼎大白茶茶樹花，而咖啡堿含量均低于。在三個花期中均檢測出苦茶堿，且在幼蕾期苦茶堿含量顯著高于其他兩個時期。就不同花期而言，苦茶堿及嘌呤生物堿總量的變化呈下降趨勢。
圖2 茶樹花不同發(fā)育時期嘌呤生物堿組分含量
3個不同花期在嘌呤生物堿合成途徑上共有8個差異基因，包括1個ADK，3個ADSL， 1個RRM2、APRT、UAZ 和 1個UAH ，其中6個基因屬于黃嘌呤途徑，均在蕉城苦茶茶樹花中上調表達。這些基因在幼蕾期表達量最高，而在開花期表達量最低。
圖3 茶樹花不同發(fā)育時期共有差異基因熱圖表達
利用WGCNA方法將轉錄組與嘌呤生物堿組分含量數(shù)據(jù)相關聯(lián)，并對模塊進行KEGG功能富集分析，最終篩選到4個與嘌呤生物堿響應高度相關的關鍵模塊，分別是green模塊(908個基因)、greenyellow模塊(267個基因)、black(451個基因)和brown(1376個基因)。有趣的是green模塊、greenyellow模塊的基因與咖啡堿和可可堿相關性較強，尤其是green。black、brown的基因與苦茶堿和嘌呤生物堿總量密切相關，尤其是brown。篩選出富集于嘌呤生物堿途徑上的差異基因，結果發(fā)現(xiàn)green模塊上的差異基因均在蕉城苦茶上下調表達，主要有6個基因，分別為ADSL、RRM1、PK、5’-NT、UAZ和RRM1，其中UAZ在3個花期均為差異基因。而在brown模塊上的基因均在蕉城苦茶中呈上調表達，主要為5個基因，分別為ADK、ADSL、TTHL、APRT和ADSL，其中ADSL、APRT和ADSL在3個花期均為差異基因。
圖5 基于WGCNA篩選獲得的差異基因表達量與嘌呤生物堿組分含量
來源：茶葉前沿動態(tài)
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