中国科学院华南植物园杨子银研究员研究团队解析了茶叶特征性代谢物

来源：植物科学最前沿

茶树（Camellia sinensis）没有甘甜的果实，却牵动全球60多个国家的经济，影响30亿人口的生活。中国是最早发现与利用茶树的国家，至今已有数千年历史。茶能流传至今和广泛传播与其特有的功效和品质分不开。与其他植物相比，茶树中次生代谢产物有其独特性，这些物质不仅赋予了茶叶独有的色、香、味品质，而且与人体健康密切相关。L-茶氨酸（L-Theanine）是茶树中极具代表性的特征性次生代谢物质；L-茶氨酸是一种非蛋白源氨基酸，也是茶叶中含量最高的游离氨基酸（Sakato,1949;Deng et al.,2010; Yu et al., 2020）；L-茶氨酸是茶叶鲜味的主要贡献因子之一，对人体健康也具有诸多益处，因此其含量的高低直接决定了茶叶品质的好坏和市场价值的高低。

近年来，关于L-茶氨酸的生物合成研究取得一定进展。L-茶氨酸的合成前体是L-谷氨酸和乙胺，在L-茶氨酸合成酶（L-theanine synthase,TS）的催化下产生L-茶氨酸；L-谷氨酸存在于大多数植物中，也可在L-谷氨酰胺合酶（L-glutamine synthase,GS）的作用下生成L-谷氨酰胺。中国科学院华南植物园杨子银研究员团队前期通过稳定同位素示踪多个物种发现，大部分的植物都具有合成L-茶氨酸的能力，但是由于乙胺的缺失造成了除山茶属外的大部分植物都不含有L-茶氨酸的现象（Cheng et al., 2017）。由此表明，乙胺是植物中形成L-茶氨酸的重要限制因素。L-茶氨酸主要在茶树的根部合成，Wei et al.（2018）报道了在茶树根中特异表达的L-茶氨酸合成酶基因CsTSI，其为谷氨酰胺合成酶Ⅱ型，与微生物中的谷氨酰胺合成酶具有较高的同源性。然而，在茶树的叶组织尤其嫩稍中也含有较高含量的L-茶氨酸，除了来自根部运输外，其自身是否具有合成L-茶氨酸的能力及相关关键合成基因都尚不清晰。此外，L-茶氨酸在茶树各组织中的亚细胞水平分布也不明确。

2020年07月08日，杨子银研究员团队在国际期刊Plant Biotechnology Journal杂志在线发表题为：“Nonaqueous fractionation and overexpression of fluorescent‐tagged enzymes reveals the subcellular sites of L‐theanine biosynthesis in tea”的研究论文。

该研究利用非水相分离方法和质谱技术分析了L-茶氨酸及其合成前体在茶树嫩梢组织和根组织中的亚细胞分布；利用烟草瞬时表达对茶树基因组中的5个谷氨酰胺合酶同源基因TS/GS（包含前人已报道的3个L-茶氨酸合成酶基因）进行L-茶氨酸合成酶功能鉴定；利用拟南芥原生质体瞬时表达荧光标记蛋白解析了5个TS/GS的亚细胞定位。综合分析上述信息及5个TS/GS基因成员的组织表达特异性，发现在茶树根组织中，细胞质是L-茶氨酸生物合成及分布的主要场所，定位于细胞质的CsTSІ是茶树根中L-茶氨酸生物合成的关键酶；在茶树嫩梢组织中，细胞质和叶绿体是L-茶氨酸生物合成及分布的主要场所，CsGS1.1和CsGS2是L-茶氨酸生物合成的关键酶（图1）。该研究解析了L-茶氨酸在茶树根和嫩梢组织中的合成关键酶与在亚细胞水平的合成位点。此外，该研究还发现茶树嫩梢组织中L-茶氨酸的含量和分布受光照的影响。研究结果进一步揭示了L-茶氨酸在茶树中的生物合成分子机制，同时也为其他非模式植物的次生代谢物质生物合成研究提供了借鉴。

图1 L-茶氨酸在茶树根和嫩梢组织中亚细胞水平的合成及分布模式

中国科学院华南植物园傅秀敏博士为该论文第一作者，杨子银研究员为通讯作者。参与研究工作的还有中国科学院华南植物园博士研究生廖茵茵、已毕业博士生程思华、教授级高级工程师徐信兰和英国诺丁汉大学Don Grierson教授。研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金项目（31922077）、国家重点研发计划项目子课题（2018YFD1000601）、中国科学院科技服务网络计划（STS计划）区域重点项目（KFJ-STS-QYZX-093）等支持。