遮荫调控茶树‘丽峰’品种品质代谢物的多组学机制解析

本研究针对遮荫改善绿茶品质的分子机制尚不明确的问题，通过多组学分析揭示了遮荫处理通过上调茶氨酸生物合成与转运相关基因表达，并协同调控光信号组分（UVR8、HY5、COP1）与转录因子（CsMYB1/4/7/12、CsPIF3），进而促进氨基酸积累、抑制儿茶素合成的关键通路，为优化茶树栽培提供了理论依据。

　　

一杯好茶的滋味，往往取决于茶叶中丰富的次生代谢产物。氨基酸带来鲜爽，咖啡碱贡献苦味，而儿茶素则是涩味的主要来源。在绿茶生产中，遮荫处理是一种广泛应用的农艺措施，它能有效提升茶叶品质，使茶汤更鲜爽、苦涩味降低。其典型表现是促进氨基酸和咖啡碱的积累，同时抑制儿茶素的合成。然而，长期以来，遮荫究竟如何从分子层面调控这些关键风味物质的代谢，其内在的“开关”机制却如同笼罩在迷雾中，尚未被系统阐明。是促进了合成？还是抑制了降解？亦或是存在更复杂的转录调控网络？为了解决这些核心问题，揭开遮荫改善茶叶品质的奥秘，杭州市农业科学研究院茶叶研究所的研究团队在《Food Chemistry: Molecular Sciences》上发表了他们的最新研究成果。

为了深入探究遮荫的调控机制，研究人员以茶树品种‘丽峰’为材料，设置了黑色遮阳网（BSN）和透明塑料薄膜（TPF）两种遮荫处理，以不遮荫为对照（CK）。研究综合运用了生化成分定量、非靶向代谢组学（UPLC-Q-MS/MS）、转录组学（RNA-Seq）以及实时荧光定量PCR（qRT-PCR）验证等多种技术手段。样本来源于实验茶园中10年生的‘丽峰’茶树新梢。

3.1. 遮荫对茶叶和叶绿素含量的影响

研究发现，BSN处理使茶叶颜色更深绿，并显著提高了叶绿素a和叶绿素b的含量，同时降低了叶绿素a/b的比值。而TPF处理仅使茶叶略显黄绿，对叶绿素含量影响不显著。这表明不同遮荫材料对茶树叶片的光合器官产生了不同的影响。

3.2. 遮荫处理对茶叶生化成分的影响

生化分析结果显示，与CK相比，遮荫处理（BSN和TPF）均能显著降低茶叶中茶多酚、八种儿茶素单体及总儿茶素的含量，同时显著提高总游离氨基酸和咖啡碱的含量。进一步对17种氨基酸的定量分析发现，BSN处理显著提高了茶氨酸（L-The）、天冬氨酸（Asp）、苏氨酸（Thr）等多种氨基酸的水平；TPF处理也显著提升了茶氨酸等7种氨基酸的含量。这表明遮荫能普遍提升茶叶的鲜爽味成分。

3.3. 非靶向代谢组学分析

代谢组学共注释到1582种代谢物。主成分分析（PCA）能明显区分不同处理组的样本。正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）鉴定出大量差异代谢物。与生化结果一致，遮荫显著上调了包括茶氨酸在内的多种氨基酸，而下调了儿茶素及其衍生物以及多数黄酮醇苷的含量。此外，遮荫还提高了多种香气糖苷（如芳樟醇氧化物樱草糖苷）和脂质类物质的水平，这些物质是茶叶香气的重要前体物。

3.4. 转录组分析和qPCR验证

转录组分析发现，与CK相比，BSN和TPF处理分别鉴定出662个和1670个差异表达基因（DEGs）。通过qRT-PCR对随机选取的17个关键代谢途径基因进行验证，证实了转录组数据的可靠性。

3.5. 遮荫处理后茶树中氨基酸、咖啡碱和儿茶素合成途径相关基因表达的变化

对关键代谢途径基因的深入分析揭示：

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  氨基酸代谢：遮荫显著上调了茶氨酸合成途径中的关键酶基因，如茶氨酸合成酶（TS）、谷氨酰胺合成酶（GS）等，同时下调了莽草酸途径中与部分蛋白氨基酸合成相关的基因。此外，负责茶氨酸转运的氨基酸通透酶（AAP）基因（CsAAP1, CsAAP2, CsAAP4）也显著上调。这表明遮荫通过增强茶氨酸的合成与转运，而非仅仅依赖叶绿体蛋白的降解，来促进氨基酸积累。
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  咖啡碱代谢：遮荫上调了咖啡碱合成途径中多数基因的表达，如N-甲基转移酶（NMT）、茶咖啡碱合成酶（TCS）等，这与咖啡碱含量增加的结果相符。
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  儿茶素代谢：遮荫显著下调了苯丙烷代谢途径和类黄酮代谢途径中绝大多数关键基因的表达，包括苯丙氨酸解氨酶（PAL）、查尔酮合成酶（CHS）、黄烷酮3-羟化酶（F3’H）、二氢黄酮醇4-还原酶（DFR）、无色花青素还原酶（LAR）和花青素还原酶（ANR）等，这直接导致了儿茶素含量的下降。
  对于儿茶素合成的抑制机制，转录组数据提示存在复杂的转录调控网络：遮荫下调了光信号通路基因（UVR8, COP1）及其下游转录因子HY5和CsMYB12的表达，从而减弱了对类黄酮合成的促进作用；同时，遮荫上调了光敏色素相互作用因子CsPIF3的表达，进而可能激活了转录抑制因子CsMYB4和CsMYB7，抑制了儿茶素合成基因的表达；此外，正调控因子CsMYB1的下调也参与了这一抑制过程。

综上所述，本研究通过多组学联合分析，系统地阐明了遮荫调控茶树品质代谢物的分子机制。研究结论表明，遮荫通过促进茶氨酸的生物合成与转运相关基因的表达，以及咖啡碱合成基因的上调，来增加鲜味和苦味成分；同时，通过协调光信号组分（UVR8, COP1, HY5）与关键转录因子（CsPIF3, CsMYB1/4/7/12）构成的复杂网络，抑制儿茶素合成途径基因的表达，从而降低涩味物质。这项工作不仅深化了对遮荫农艺改善茶叶品质机理的理解，为通过栽培措施精准调控茶叶风味成分提供了重要的理论依据和潜在的分子靶点，也对其他作物在遮荫或弱光条件下的品质调控研究具有借鉴意义。