基于組學(xué)技術(shù)研究氮素對于茶樹碳氮代謝及主要品質(zhì)成分生物合成的影響.pdf

1、植物體內(nèi)具有復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，而穩(wěn)定的碳氮（C、N）代謝平衡是植物生長的基礎(chǔ)，然而，環(huán)境條件的改變會導(dǎo)致茶樹體內(nèi)代謝平衡關(guān)系的改變，從而影響茶樹品質(zhì)成分生物合成過程，最終導(dǎo)致茶葉品質(zhì)差異。氮素（N）作為茶葉生長發(fā)育所需的必要元素，其供應(yīng)的變化調(diào)控著茶樹生長的C、N代謝平衡，本論文基于代謝組學(xué)的方法闡述了不同時期茶樹新梢和成熟葉的C、N代謝的變化，解釋了 N素轉(zhuǎn)移下對茶樹C、N代謝平衡的調(diào)控作；此外本論文基于代謝組學(xué)技術(shù)闡述不同氮素供應(yīng)條件

2、下龍井‘茶樹C、N代謝的變化，發(fā)現(xiàn)了氮素對茶樹代謝調(diào)控機(jī)理；本論文還通過組學(xué)技術(shù)研究了氮素對特異品種紫鵑‘C、N代謝的調(diào)控機(jī)理。本研究工作的開展拓展了代謝組學(xué)和組學(xué)聯(lián)合分析方法在茶樹代謝生理研究中的運(yùn)用，并積累了大量茶樹代謝物信息和轉(zhuǎn)錄調(diào)控信息，同時對于茶樹C、N平衡調(diào)控和品質(zhì)成分生物合成等生理代謝過程有了新的認(rèn)識，主要結(jié)果如下：
　　1．為了闡明 N轉(zhuǎn)移下在春季不同時期茶樹新梢和成熟葉初級和次級代謝產(chǎn)物和代謝途徑的動態(tài)變化，我們

3、通過采集春季不同時期（4月1日、4月15日、4月28日）茶樹新梢、成熟葉樣品，通過UPLC-Q-TOF/MS和GC×GC-TOF/MS分析茶樹的次級和初級代謝物。研究發(fā)現(xiàn)，新梢和成熟葉三個時期顯著區(qū)分，氨基酸、有機(jī)酸、糖類物質(zhì)、類黃酮及其糖苷類物質(zhì)顯著變化。其中在春茶后期新梢主要的氨基酸如茶氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺的含量顯著降低，然而黃烷醇、槲皮素及其糖苷顯著、碳水化合物增強(qiáng)，代謝物的變化說明，春茶后期類黃酮合成，三羧酸循環(huán)，光呼吸顯著增

4、加。通過春季不同時期茶葉盲評的結(jié)果我們也發(fā)現(xiàn)早期茶葉有較好的茶葉滋味。新梢代謝物的變化不僅僅是由氣候因素引起的，還可能與茶樹N的轉(zhuǎn)移有關(guān)。通過代謝組學(xué)分析方法，進(jìn)一步證明了這種假設(shè)，成熟葉中氨基酸、糖類物質(zhì)、類黃酮物質(zhì)顯著下降說明了C、N的轉(zhuǎn)移維持了春季新梢的活性。本實驗結(jié)果說明春茶新梢氮素的枯竭引起了茶樹新梢、成熟葉C、N代謝平衡的改變，而這一現(xiàn)象可能是導(dǎo)致春季茶樹在單一季節(jié)茶葉品質(zhì)波動的重要原因。
　　2．為了揭示氮素對茶樹C

5、、N代謝的影響，本實驗以龍井‘茶樹作為材料，采用代謝組學(xué)并結(jié)合定量PCR以及測定酶活的方法，分析了不同氮素水平（0.3、1.5、4.5mmol/L）對于龍井茶樹新梢、成熟葉、根C、N代謝平衡以及品質(zhì)成分生物合成的影響。結(jié)果顯示，新梢和成熟葉中，氮素顯著抑制了新梢和成熟葉中類黃酮化合物的合成，同時與類黃酮合成有關(guān)的基因在高氮條件也顯著降低；在糖類代謝中，我們也發(fā)現(xiàn)了高氮限制了主要糖類物質(zhì)合成；同時氨基酸代謝顯示，氮素升高顯著增加了茶樹各類

6、自由氨基酸的含量。在茶樹根系中的代謝物變化顯示，在氮素調(diào)節(jié)下的初級和次級代謝物的變化與新梢和成熟葉的變化基本一致。
　　3．為了從基因表達(dá)、酶的活性以及代謝物水平分析氮素對紫鵑‘茶樹C、N代謝的影響，本實驗以花青素含量較高的特異品種紫鵑茶樹作為材料，采用代謝組學(xué)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法，分析了不同氮素水平（0.3、1.5、4.5mmol/L）對于新梢、成熟葉、根C、N代謝平衡以及品質(zhì)成分生物合成的影響。結(jié)果顯示，?紫鵑‘新梢和成熟葉中，

7、氮素抑制了紫鵑茶樹新梢和成熟葉中花青素的含量。通過基因表達(dá)驗證和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，氮素的增加也顯著了抑制花青素合成基因，說明了氮素調(diào)控茶樹代謝物與分子水平具有高度的相關(guān)性。此外，我們還發(fā)現(xiàn)，氮素顯著抑制了紫鵑‘茶樹新梢和成熟葉類黃酮的生物合成，PEPC酶活性的增強(qiáng)也暗示了更多的碳素被利用；對于糖類物質(zhì)合成方面，氮素的增加顯著抑制了紫鵑成熟葉糖類物質(zhì)的合成，但是對紫鵑‘新梢，我們發(fā)現(xiàn)氮素的增加顯著提高了許多糖類物質(zhì)的合成，推測可能與?紫鵑‘茶

8、樹C、N的轉(zhuǎn)移以及氮素顯著抑制了紫鵑茶樹新梢花青素的合成，改變了其生理特性，增加了光合作用有關(guān)；在氨基酸方面，紫鵑‘茶樹新梢和成熟葉中，氮素的增加顯著提高了各種氨基酸的含量，通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)和基因的表達(dá)驗證，也暗示了氮素的增加顯著提高了與氮素同化的相關(guān)基因的表達(dá)。在紫鵑茶樹的根系中，氮素對于代謝物以及基因表達(dá)的影響與新梢和成熟葉基本一致。
　　4．為了探究作為特異紫芽品種的紫鵑‘茶樹在氮素調(diào)節(jié)下不同與普通茶樹代謝通路的變化，本實驗對比

9、了‘紫鵑’和‘龍井’茶樹新梢初級和次級代謝的變化，結(jié)果顯示，與普通品種相比，紫鵑‘茶樹作為花青素含量高的特異的紫芽品種，花青素代謝途徑在氮素的調(diào)節(jié)下有著特異性的響應(yīng)機(jī)制，氮素的升高，紫鵑‘茶樹花青素代謝物的合成受到了抑制；類黃酮的生物合成，與普通品種相同，氮素的升高顯著抑制了‘紫鵑’類黃酮物質(zhì)的合成；在糖類物質(zhì)代謝中，與普通品種相反氮素的升高提高了‘紫鵑’主要的糖類的合成。同時，在氨基酸代謝中，與普通品種相同，氮素的升高顯著提高了紫鵑‘