歷經(jīng)十年,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)破解酯型兒茶素合成之謎,為茶樹遺傳改良和品質(zhì)提升提供理論基礎(chǔ)
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歷經(jīng)十年,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)破解酯型兒茶素合成之謎,為茶樹遺傳改良和品質(zhì)提升提供理論基礎(chǔ)

4月19日,國際植物學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《植物學(xué)雜志》(The Plant Journal) 在線發(fā)表安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點實驗室夏濤教授團隊的題為《深入了解?;瘷C制:共表達絲氨酸羧肽酶類?;D(zhuǎn)移酶和非催化伴侶旁系蛋白》(Insights into acylation mechanisms: Co-expression of serine carboxypeptidase-like acyltransferases and their noncatalytic companion paralogs)的文章,最終揭開了茶樹酯型兒茶素合成之謎。

我國的茶葉品類豐富,飲茶人群眾多。茶產(chǎn)品具有獨特的苦澀風(fēng)味,這與茶鮮葉中富含的酚類物質(zhì),特別是酯型兒茶素密切相關(guān)。酯型兒茶素除了影響茶葉的感官品質(zhì),同時也是對人體健康非常有益的一類物質(zhì),具有抗氧化,減肥降脂,抗病毒等功效。

酯型兒茶素作為茶葉中的“明星物質(zhì)”,它的生物合成通路始終是個謎題。究竟是什么基因在控制它的合成?這也成為當(dāng)前茶樹生物學(xué)領(lǐng)域的研究重點。

在國家基金委支持下,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶學(xué)科研團隊多年來一直堅持探索茶樹酯型兒茶素的合成及水解途徑。

· 2012年,夏濤課題組第一次證實茶樹酯型兒茶素沒食子?;^程涉及兩步反應(yīng)(Journal of Biological Chemistry,2012)。

· 2016年,酯型兒茶素沒食子糖基化形成的CsUGT84A基因功能得到驗證(Journal of Experimental Botany,2016)。

· 2019年,課題組成功解析了非酯型兒茶素合成關(guān)鍵酶在聚合態(tài)兒茶素合成中的作用機制(The Plant Journal,2019)。

· 2020年,課題組首次報道參與酯型兒茶素水解的植物單寧酶基因家族Tannase(New Phytologist,2020)。

但是茶樹酯型兒茶素合成機理的研究舉步維艱,進展緩慢。

經(jīng)過近十年的探索,課題組通過酶學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)等技術(shù)手段,利用傳統(tǒng)的蛋白分離純化手段,從茶樹中純化了酯型兒茶素合成酶,再經(jīng)過蛋白質(zhì)譜鑒定和匹配茶樹基因組,篩選到兩條SCPL同源基因序列。課題組將其分別命名為CsSCPL4和CsSCPL5。

▲ 基因共表達策略(a)及茶樹酯型兒茶素合成代謝途徑(b)

這兩條基因在茶樹不同組織器官具有相同的表達規(guī)律,都是在幼嫩葉高表達,這也與酯型兒茶素的積累規(guī)律一致。為了進一步驗證兩條SCPL基因的功能,課題組通過植物異源蛋白表達系統(tǒng)進行酶學(xué)實驗,結(jié)果表明,當(dāng)CsSCPL4和CsSCPL5在煙草植株體內(nèi)單獨表達時,重組蛋白不具有酶催化活性;只有當(dāng)CsSCPL4和CsSCPL5在煙草植株體內(nèi)共表達時,重組蛋白具有明顯的催化活性,能夠催化底物生成酯型兒茶素。

▲ 富含單寧植物中的SCPL4?;D(zhuǎn)移酶和它們的非催化伴侶

課題組通過蛋白序列分析比對發(fā)現(xiàn),CsSCPL4具有保守的催化三殘基(S-D-H),而CsSCPL5的催化三殘基存在突變現(xiàn)象,為T-D-Y。課題組后續(xù)通過一系列點突變實驗證實了CsSCPL4具有酶催化功能,CsSCPL5則具有非催化伴侶功能。隨后的蛋白互作實驗進一步證明了CsSCPL4和CsSCPL5存在相互作用。蛋白質(zhì)免疫印跡實驗表明,在共表達系統(tǒng)中,CsSCPL5能夠維持CsSCPL4前肽的穩(wěn)定性,促進CsSCPL4前肽加工為成熟蛋白,進而發(fā)揮酶功能。

這一研究成果為茶樹酯型兒茶素的代謝調(diào)控提供了重要的基因靶點,也為茶樹遺傳改良和品質(zhì)提升等領(lǐng)域提供堅實的理論基礎(chǔ)。

茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點實驗室博士生姚勝波和生命科學(xué)學(xué)院劉亞軍教授為論文共同第一作者,夏濤教授、高麗萍教授和美國北卡羅萊納州州立大學(xué)謝德玉教授為共同通訊作者。相關(guān)工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金的資助。

來源:中國茶葉加工

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