苦茶茶树花不同发育时期苦茶碱合成相关的共表达基因鉴定
福建农林大学叶乃兴团队前期通过对福建野生茶树资源的调查分析及生化成分测定，发现了福建首个含有苦茶碱的特异茶树资源-蕉城苦茶，并对其叶片中苦茶碱合成的相关基因进行了探究。
本研究以此为基础，进一步探究蕉城苦茶茶树花不同发育时期苦茶碱形成的相关基因。采用超高效液相色谱-质谱联用技术对蕉城苦茶茶树花的幼蕾期、露白期及开花期的嘌呤生物碱进行测定，发现其均含有苦茶碱，且幼蕾期的苦茶碱含量显著高于其他两个时期。
转录组测序结果显示，与对照品种福鼎大白茶相比，苦茶碱合成相关的差异基因主要富集在嘌呤生物碱合成途径上，其中，以黄嘌呤合成途径上差异基因数量最多且呈上调表达，咖啡碱合成途径上差异基因数量较少。
通过加权基因共表达网络(WGCNA)方法鉴定得到13个模块，将转录组与嘌呤生物碱含量数据相关联，筛选到两个与嘌呤生物碱合成关联度较高的关键基因模块，其中 ADS和UAZ可能是蕉城苦茶茶树花中苦茶碱合成的关键基因。上述结果将有助于茶树花中苦茶碱合成相关的候选基因的鉴定，探明蕉城苦茶茶树花中不同发育时期苦茶碱的合成的分子机理。
图1 蕉城苦茶和福鼎大白茶茶树花不同发育时期表型图
(从左到右依次为幼蕾期、露白期、开花期)
一、研究背景
苦茶作为我国特有的地方植物，主要分布于我国云南、湖南、贵州、福建等地。苦茶因其滋味苦涩而异于其他茶树资源。而不同苦茶资源中造成苦味的物质不同。例如嘌呤生物碱、黄酮类化合物、花青素、皂素等物质。值得注意的是，有一类苦茶因其含有苦茶碱而备受关注。苦茶碱(Theacrine)又名1,3,7,9-四甲基尿酸，是一种重要的生物碱类化合物，其具有抗抑郁、镇静催眠、调节脂质代谢等功效。
茶树作为一种经济作物，主要利用的部位为芽叶，而茶树花的开发利用相对较少，苦茶资源的研究也主要集中于叶片的研究。而茶树花作为生殖器官，对茶树的进化、基因研究至关重要。近年来，茶树花的保健功效也逐渐被开发利用，因此，研究茶树花的苦茶碱形成机理具有重要意义。
二、研究结果
本研究对蕉城苦茶的茶树花进行嘌呤生物碱组分测定，结果表明其嘌呤生物碱总量在不同发育时期均高于福鼎大白茶茶树花，而咖啡碱含量均低于。在三个花期中均检测出苦茶碱，且在幼蕾期苦茶碱含量显著高于其他两个时期。就不同花期而言，苦茶碱及嘌呤生物碱总量的变化呈下降趋势。
3个不同花期在嘌呤生物碱合成途径上共有8个差异基因，包括1个ADK，3个ADSL， 1个RRM2、APRT、UAZ 和 1个UAH ，其中6个基因属于黄嘌呤途径，均在蕉城苦茶茶树花中上调表达。这些基因在幼蕾期表达量最高，而在开花期表达量最低。
图3 茶树花不同发育时期共有差异基因热图表达
利用WGCNA方法将转录组与嘌呤生物碱组分含量数据相关联，并对模块进行KEGG功能富集分析，最终筛选到4个与嘌呤生物碱响应高度相关的关键模块，分别是green模块(908个基因)、greenyellow模块(267个基因)、black(451个基因)和brown(1376个基因)。有趣的是green模块、greenyellow模块的基因与咖啡碱和可可碱相关性较强，尤其是green。black、brown的基因与苦茶碱和嘌呤生物碱总量密切相关，尤其是brown。
筛选出富集于嘌呤生物碱途径上的差异基因，结果发现green模块上的差异基因均在蕉城苦茶上下调表达，主要有6个基因，分别为ADSL、RRM1、PK、5’-NT、UAZ和RRM1，其中UAZ在3个花期均为差异基因。而在brown模块上的基因均在蕉城苦茶中呈上调表达，主要为5个基因，分别为ADK、ADSL、TTHL、APRT和ADSL，其中ADSL、APRT和ADSL在3个花期均为差异基因。
图5 基于WGCNA筛选获得的差异基因表达量与嘌呤生物碱组分含量
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