茶叶生物化学研究进展

茶叶生物化学研究进展

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茶叶生物化学是研究茶树生命化学的科本质，研究茶树特别是茶树新梢中分子的结学，在生物化学与分子水平探讨茶树生命的构与功能、物质代谢与调节，及其在生命活动中的作用；研究茶树新梢的化学分子在加工及贮藏过程中的转化规律以及对茶叶品质及茶叶健康功能的影响；茶叶生物化学是茶学发展的基础科学。茶叶生物化学的研究成果为茶树栽培和育种、茶叶加工及深加工、茶叶贸易和文化提供了坚实的理论依据。茶叶生物化学研究的不断深入为茶产业的发展提供了动力源泉。

作为叶用植物，茶树新梢是茶树代谢最为旺盛的部位之一，在次级代谢上有其独特性，具体表现在新梢含有极其丰富的儿茶素、咖啡碱和茶氨酸等特征性次级代谢产物上，因而它们在茶树体内的生物合成及其在制茶过程中的转化等机制研究是茶叶生物化学的核心问题。近年来，茶树功能基因、次级代谢关键酶及基因、茶叶代谢谱、茶叶功能成分与健康等的相关研究呈现爆发式增长。本文就近五年来茶叶生物化学

研究主要的进展内容综述如下。

1茶树次级代谢途径的研究

植物次级代谢是植物在进化中与环境相互作用的结果。与其他植物比，茶树次级代谢的特点是，富含儿茶素、咖啡碱和茶氨酸等特征性次级代谢产物。近年来，茶树次级代谢研究主要集中在这些特征性次级代谢产物儿茶素、咖啡碱和茶氨酸的代谢途径中的关键酶及相关基因的研究，已取得一些重大进展。

茶树中儿茶素代谢相关研究进展

儿茶素类物质（黄烷-3-醇）对茶叶品质和健康功效的贡献度极高，其代谢特别是合成代谢一直是茶树次级代谢研究的重中之重。儿茶素由莽草酸途径合成而来，近年来儿茶素B环5’羟基化途径和C环没食子酰基化途径已成为儿茶素类化合物合成代谢研究中的重点。2004年，Punyasiri等的研究表明，在茶树儿茶素合成途径中，EC和EGC是由花白素经花青素合成酶（ANS)和花青素还原酶（ANR)的二步催化形成，而不是由儿茶素和没食子儿茶素直接表构而成，但儿茶素的没食子酰基化研究仍是空白。新近夏涛研究小组发现，酯型儿茶素合成以非酯型的EC和EGC为前体，涉及两步合成反应，即没食子酸首先在没食子酰基-1-0-p-D-葡萄糖基转移酶（UGGT)催化下，被活化

形成1-0-没食子酰-p-葡萄糖（pG)，以此作为活化的酰基供体(1-O-Glcesters)，再在1-0-没食子酰基-p-D-葡萄糖-0-没食子酰基转移酶（ECGT)作用下，将没食子酰基转移到顺式非酯型儿茶素的C环3位上而形成酯型儿茶素ECG和EGCG(图1)。此外，该研究组还发现了高活力的酯型儿茶素水解酶(GCH)，该酶可能属于单宁酶类，可水解酯型儿茶素为没食子酸和非酯型儿茶素。儿茶素还可进一步聚合形成原花青素（PAs)，在茶树根和茎中大量积累，而叶片中含量很低.

上述研究结果为茶树酯型儿茶素的合成与转化提供了较为清晰的途径。

儿茶素代谢途径受到多种转录因子的调控。安徽农业大学茶叶研究小组发现相关转录因子MYB、WD40和bHLH等参与了茶树中多酚类物质的代谢调控。此外，还对茶树发育相关和组织特异性相关的酚类物质积累模式、63个酚类物质合成相关结构基因和转录因子基因表达模式进行了相关分析[6]。利用体外表达手段（原核与真核），对酚类物质合成关键酶基因C1D(肉桂醇脱氢酶）、ANR1、ANR2、DFR1、DFR2、LCR1、F3H、F3’5’H,MYB5功能进行了有效鉴定。Umar等[7]利用茶树F3H、DFR和LCR构建了大肠杆

菌基因工程菌，以圣草酚（3’，4’，5，7-四羟基黄烷酮）为底物合成了EC、ECG、（+)-C和CG。

茶树中儿茶素的合成代谢还受到外界环境的影响。Ram等对茶树儿茶素合成途径中的关键基因F3H、DFR、ANS和ANR的表达，以及干旱、脱落酸、赤霉素、伤害处理对其表达影响进行了研究分析。刘仲华研究组以白化茶树品种为研究对象，发现苯丙氨酸裂解酶(PAL)基因和黄酮醇合成酶（FLS)基因表达与儿茶素浓度呈负相关，而黄烷酮-3-羟化酶（F3H)基因表达呈正相关。夏涛等发现大田遮荫处理可使茶树酚类物质中的黄酮醇、原花青素合成显著下降；但儿茶素和木质素总量稍下降，而对EGCG含量影响最小。进一步发现黑暗培养的茶愈伤组织移至光下培养后，木质素、花青素、儿茶素的积累量明显增加。与黑暗处理相比，弱光处理后茶籽苗中非酯型儿茶素含量增加，酯型儿茶素积累却显著下降。

茶树中咖啡碱代谢相关研究进展

咖啡碱（1,3,7-三甲基黄嘌呤）代谢与腺嘌呤核苷酸代谢密切相关。茶树咖啡碱主要在幼嫩叶片和茶花中进行生物合成，合成部位可能在叶绿体。2000年，Kato等从茶树叶片中纯化出咖啡碱生物合成关键酶咖啡碱合成酶(3-NMT+7-NMT)，并对该酶基因进行克隆

和测序。植物体内咖啡碱生物合成的核心途径为：黄嘌呤核苷-7-甲基黄嘌呤核苷-7-甲基黄嘌呤-可可碱-咖啡碱，其中包括3步由N-甲基转移酶催化的转甲基化反应和1步由核糖核苷水解酶催化的脱核苷反应（图2);而咖啡碱的降解主要路径为咖啡碱-茶叶碱-3-甲基黄嘌呤-黄嘌呤-尿酸-尿囊素-尿囊酸-尿素-NH3+CO2。

近年来相关研究主要集中在咖啡碱代谢途径中关键酶及其基因的的克隆、结构与功能的关系以及表达调控机制等。通过克隆源自咖啡的黄嘌呤核苷甲基转移酶基因（CaXMTl)和源自茶树的咖啡碱合成酶基因（TCS1)导入酵母中进行组合表达后，饲喂黄嘌呤核苷(XR)和SAM，成功合成了咖啡碱。刘祥琦通过疑似N-甲基核苷水解酶基因（STx)的克隆和大肠杆菌表达发现该酶具有催化XR脱核糖反应的功能。金基强等从白叶一号

茶树中，获得了6种NMTs的基因组DNA全长，发现了3种TCS3、TCS4和TCS5基因。魏艳丽从茶树中克隆出了AMP脱氨酶基因的cDNA全长（GenBank:)。

由于一些特殊人群对咖啡碱敏感，低咖啡碱茶树品种的选育一直是科研工作者的目标之一。Mohanpuria等米用RNAi技术培育出TCS基因沉默的转基因茶树植株，咖啡碱和可可碱的含量与对照比分别下降了44%?61%和46%~67%；同时，还利用农杆菌侵染导入RNAi片段，使得茶树幼苗新梢中咖啡碱和可可碱含量最高分别下降了67%和61%。

茶树中茶氨酸代谢相关研究进展

茶氨酸（N-乙基-y-L-谷氨酰胺）系茶树特征性非蛋白质氨基酸，主要通过茶氨酸合成酶TS催化谷氨酸和乙胺合成茶氨酸，现已在Genebank登录的TS基因有3条（DD410895，DD410896、JN226569)。尽管这些基因序列和植物中的谷氨酰胺合成酶（GS)序列高度同源，但通过大肠杆菌和拟南芥体外功能验证实验已先后证明其具有GS所不具备的体外合成茶氨酸的能力。TS1主要在根部和叶部高表达；TS2在盛花期表达量最高；TS3的表达量在单芽萌发阶段和主侧根中最高（结果未发表）。茶氨酸的合成具有明显的时