基于組學(xué)技術(shù)研究氮素對(duì)于茶樹(shù)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(zhǎng)的基礎(chǔ)，然而，環(huán)境條件的改變會(huì)導(dǎo)致茶樹(shù)體內(nèi)代謝平衡關(guān)系的改變，從而影響茶樹(shù)品質(zhì)成分生物合成過(guò)程，最終導(dǎo)致茶葉品質(zhì)差異。氮素（N）作為茶葉生長(zhǎng)發(fā)育所需的必要元素，其供應(yīng)的變化調(diào)控著茶樹(shù)生長(zhǎng)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(shí)期茶樹(shù)新梢和成熟葉的C、N代謝的變化，解釋了 N素轉(zhuǎn)移下對(duì)茶樹(shù)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(shù)C、N代謝的變化，發(fā)現(xiàn)了氮素對(duì)茶樹(shù)代謝調(diào)控機(jī)理；本論文還通過(guò)組學(xué)技術(shù)研究了氮素對(duì)特異品種紫鵑‘C、N代謝的調(diào)控機(jī)理。本研究工作的開(kāi)展拓展了代謝組學(xué)和組學(xué)聯(lián)合分析方法在茶樹(shù)代謝生理研究中的運(yùn)用，并積累了大量茶樹(shù)代謝物信息和轉(zhuǎn)錄調(diào)控信息，同時(shí)對(duì)于茶樹(shù)C、N平衡調(diào)控和品質(zhì)成分生物合成等生理代謝過(guò)程有了新的認(rèn)識(shí)，主要結(jié)果如下：
　　1．為了闡明 N轉(zhuǎn)移下在春季不同時(shí)期茶樹(shù)新梢和成熟葉初級(jí)和次級(jí)代謝產(chǎn)物和代謝途徑的動(dòng)態(tài)變化，我們

3、通過(guò)采集春季不同時(shí)期（4月1日、4月15日、4月28日）茶樹(shù)新梢、成熟葉樣品，通過(guò)UPLC-Q-TOF/MS和GC×GC-TOF/MS分析茶樹(shù)的次級(jí)和初級(jí)代謝物。研究發(fā)現(xiàn)，新梢和成熟葉三個(gè)時(shí)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(shuō)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(guò)春季不同時(shí)期茶葉盲評(píng)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(shù)N的轉(zhuǎn)移有關(guān)。通過(guò)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(shuō)明了C、N的轉(zhuǎn)移維持了春季新梢的活性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明春茶新梢氮素的枯竭引起了茶樹(shù)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(shù)在單一季節(jié)茶葉品質(zhì)波動(dòng)的重要原因。
　　2．為了揭示氮素對(duì)茶樹(shù)C

5、、N代謝的影響，本實(shí)驗(yàn)以龍井‘茶樹(shù)作為材料，采用代謝組學(xué)并結(jié)合定量PCR以及測(cè)定酶活的方法，分析了不同氮素水平（0.3、1.5、4.5mmol/L）對(duì)于龍井茶樹(shù)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(shí)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(shí)氨基酸代謝顯示，氮素升高顯著增加了茶樹(shù)各類

6、自由氨基酸的含量。在茶樹(shù)根系中的代謝物變化顯示，在氮素調(diào)節(jié)下的初級(jí)和次級(jí)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(duì)紫鵑‘茶樹(shù)C、N代謝的影響，本實(shí)驗(yàn)以花青素含量較高的特異品種紫鵑茶樹(shù)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(duì)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(shù)新梢和成熟葉中花青素的含量。通過(guò)基因表達(dá)驗(yàn)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(shuō)明了氮素調(diào)控茶樹(shù)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(shù)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(duì)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(duì)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(cè)可能與?紫鵑‘茶

8、樹(shù)C、N的轉(zhuǎn)移以及氮素顯著抑制了紫鵑茶樹(shù)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(shù)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(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和基因的表達(dá)驗(yàn)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(shù)的根系中，氮素對(duì)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(shù)在氮素調(diào)節(jié)下不同與普通茶樹(shù)代謝通路的變化，本實(shí)驗(yàn)對(duì)比

9、了‘紫鵑’和‘龍井’茶樹(shù)新梢初級(jí)和次級(jí)代謝的變化，結(jié)果顯示，與普通品種相比，紫鵑‘茶樹(shù)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(shù)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(shí)，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‘