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苦茶茶樹花不同發(fā)育時期苦茶堿合成相關(guān)的共表達(dá)基因鑒定

福建農(nóng)林大學(xué)葉乃興團隊前期通過對福建野生茶樹資源的調(diào)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(guān)基因進(jìn)行了探究。本研究以此為基礎(chǔ)，進(jìn)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(guān)基因。采用超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)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(jìn)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(zhuǎn)錄組測序結(jié)果顯示，與對照品種福鼎大白茶相比，苦茶堿合成相關(guān)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(diào)表達(dá)，咖啡堿合成途徑上差異基因數(shù)量較少。通過加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)(WGCNA)方法鑒定得到13個模塊，將轉(zhuǎn)錄組與嘌呤生物堿含量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，篩選到兩個與嘌呤生物堿合成關(guān)聯(lián)度較高的關(guān)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(guān)鍵基因。上述結(jié)果將有助于茶樹花中苦茶堿合成相關(guān)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。苦茶因其滋味苦澀而異于其他茶樹資源。而不同苦茶資源中造成苦味的物質(zhì)不同。例如嘌呤生物堿、黃酮類化合物、花青素、皂素等物質(zhì)。值得注意的是，有一類苦茶因其含有苦茶堿而備受關(guān)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(diào)節(jié)脂質(zhì)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(jìn)化、基因研究至關(guān)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(jié)果

本研究對蕉城苦茶的茶樹花進(jìn)行嘌呤生物堿組分測定，結(jié)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?qū)儆邳S嘌呤途徑，均在蕉城苦茶茶樹花中上調(diào)表達(dá)。這些基因在幼蕾期表達(dá)量最高，而在開花期表達(dá)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(dá)

利用WGCNA方法將轉(zhuǎn)錄組與嘌呤生物堿組分含量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并對模塊進(jìn)行KEGG功能富集分析，最終篩選到4個與嘌呤生物堿響應(yīng)高度相關(guān)的關(guān)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(guān)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(guān)，尤其是brown。篩選出富集于嘌呤生物堿途徑上的差異基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)green模塊上的差異基因均在蕉城苦茶上下調(diào)表達(dá)，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(diào)表達(dá)，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。