整合广靶代谢组与转录组分析揭示茶树种质资源抗氧化能力差异与叶色变异

《Food Bioscience》：Integrated widely targeted metabolome and transcriptome analyses provide insights into differential antioxidant capacity and leaf color variation among tea germplasms

　　

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  10个茶树品种抗氧化能力排序为：紫叶 > 绿叶 > 黄叶 > 白化。
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  黄酮类和酚酸是四种叶色茶树品种间的主要差异代谢物，其中黄酮类与抗氧化活性高度相关。
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  转录组学揭示了白化/黄叶品种与绿叶品种之间光合作用途径的差异，并将抗氧化能力降低与差异黄酮类联系起来。
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  白化/黄化茶树表现出异常的叶绿体、光合减少、黄酮合成受抑以及氨基酸积累升高。
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  WGCNA鉴定出与黄酮生物合成相关的关键基因。

引言

茶树（Camellia sinensis）起源于中国西南部，是全球广泛栽培的经济作物和三大非酒精饮料之一。在长期的自然变异和人工选择过程中，除常规绿叶外，还培育出了具有紫叶、黄叶和白化表型的多样化叶色茶树种质资源。这些叶色变异品种表现出不同的表型特征，在次生代谢物、光合生理和功能品质方面存在显著差异。随着人们对营养型茶产品需求的不断增长，叶色突变品种因其独特的感官特征和健康益处而受到广泛关注。因此，阐明叶色变异与抗氧化能力之间的关系具有重要的理论和实践价值。

植物叶色主要由内源色素的组成和积累决定。在茶树中，叶色由三类色素共同调控：叶绿素、类胡萝卜素和黄酮类。叶绿素是绿色的核心色素，直接决定叶片的深浅；其减少会导致黄叶或白化表型（Beale, 2005; Tanaka & Tanaka, 2006）。类胡萝卜素呈黄色至橙黄色，调节黄色的色调强度，并参与跨物种的黄叶形成（Ramel et al., 2012）。花青素是黄酮类的主要亚类，是紫叶和浅紫叶的关键，其大量积累是茶树紫叶性状的主导原因（Huang et al., 2022; Shen et al., 2018）。越来越多的证据表明，叶色变异通常伴随着次生代谢谱的显著变化。这三类色素在比例组成、空间分布和积累丰度上的差异最终塑造了多样化的茶树叶片表型。值得注意的是，这些色素不仅是基本着色物质，还是植物抗氧化能力的关键调节因子。

抗氧化活性是茶叶健康促进功能的核心指标。大量研究已证实，内源色素深刻调节植物的抗氧化能力（Rao et al., 2024）。黄酮类（包括黄酮醇类、儿茶素类和花青素类）和酚酸是茶叶中主要的次生代谢物和重要的抗氧化剂。这些化合物具有强烈的自由基清除和还原能力，是决定茶叶抗氧化性能的关键因素（Comert et al., 2020; Dias et al., 2021）。叶绿素也是非酶抗氧化系统的核心组成部分，通过直接清除超氧阴离子和过氧化氢等活性氧（ROS），发挥抗氧化作用，从而提供基本的抗氧化保护（Lanfer-Marquez et al., 2005）。作为辅助光合色素，类胡萝卜素（如β-胡萝卜素）通过猝灭单线态氧和清除自由基来增强抗氧化防御，同时保护叶绿素免受光氧化损伤，间接维持抗氧化系统的稳定性（Ramel et al., 2012）。总体而言，叶色变异常伴随着代谢途径的重组编程，最终导致抗氧化活性的显著差异。然而，对具有不同叶色的茶树种质的抗氧化特性进行系统比较的研究仍然不足，叶色表型与抗氧化活性之间的内在关系仍需全面阐明。

多组学联合分析已成为系统解析植物代谢差异、品质形成和分子调控网络的高效工具。广靶代谢组学能够准确鉴定大量次生代谢物，并阐明抗氧化相关化合物的组成和积累模式；而转录组学则可全面筛选差异表达基因，并表征调控关键代谢途径的调控模式。例如，Shen等对两个紫叶茶品种进行了代谢组学分析，证实花青素积累是叶色变化的主要原因。Huang等通过代谢组学和转录组学联合分析，在紫娟茶中鉴定出花青素合成基因CsANS1，其上调表达被认为是导致紫叶形成的核心因素（Huang et al., 2022; Shen et al., 2018）。然而，叶色变异与抗氧化活性相关性的代谢基础和分子调控网络仍有待系统探索。

本研究综合应用了生理抗氧化指标、广靶代谢组学、转录组学和细胞学观察，对不同叶色茶树的抗氧化能力进行了评估。鉴定了与抗氧化性能密切相关的差异积累代谢物和差异表达基因，并阐明了不同叶色表型茶树种质中叶绿素、类胡萝卜素和黄酮类等核心抗氧化物质生物合成途径的调控特征。此外，还进行了加权基因共表达网络分析（WGCNA），筛选与叶色变异相关的重要代谢物模块，并探索调控叶色突变和抗氧化能力的关键调控基因。本研究旨在为理解茶树叶片颜色变异的分子机制提供理论基础，并促进高质量茶树品种的颜色定向育种。

章节摘要

植物材料

2023年4月7日，根据叶片表型颜色特征，从中南农业大学茶园选取了10个生长状态一致、无病虫害的茶树种质资源，以其春季嫩梢作为实验材料；当日气温最低8°C，最高21°C。材料包括2个绿叶茶品种（FDDB，福鼎大白茶；EC10，鄂茶10号）、3个黄叶品种（HJY，黄金芽；

不同叶色茶树品种的抗氧化能力分析

叶色相同的不同品种表现出相似的颜色模式，10个茶树品种可分为四组：绿叶、紫叶、黄叶和白化。（图1b）。研究表明，茶树叶片颜色的变异通常会导致生化成分的差异。为明确叶色表型与抗氧化能力之间的相关性，本研究测定了不同叶色茶树种质的抗氧化活性。结果

讨论

此前关于茶树叶片颜色变异的研究主要集中于单一白化突变体或单组学方法（Li et al., 2018; Zeng et al., 2022; Zhang et al., 2022; Zheng et al., 2021）。例如，Li等仅依赖代谢组学对白化和绿叶品种进行了比较（Li et al., 2018），而Zheng等则使用标准差异表达分析，关注单一白化突变体（Zheng et al., 2021）。本研究系统比较了四种代表性茶

结论

本研究将10个茶树品种（绿叶、白化、黄叶和紫叶）分为四个叶色组，各组表现出不同的色素积累和表型特征。深入分析表明，紫叶茶品种具有显著更高的抗氧化能力（T-AOC、DPPH和ABTS），伴随总黄酮含量升高和更强的抗氧化性能。广靶代谢组学鉴定出大量差异

CRediT作者贡献声明

王普：写作——审阅与编辑、概念构思。王明乐：写作——审阅与编辑、概念构思。赵华：写作——审阅与编辑、概念构思。王玉：写作——审阅与编辑、概念构思。倪德江：写作——审阅与编辑、概念构思。郭飞：写作——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念构思。秦芳：写作——审阅与编辑、写作——原稿撰写、可视化，

利益冲突声明

作者没有需要声明的利益冲突。

数据可用性

本研究中的所有数据均为公开数据并已按要求提交。转录组学和代谢组学数据已存入BIG数据中心（https://bigd.big.ac.cn），项目编号为PRJCA071724。转录组数据可通过登录号CRA048320获取。代谢组数据可通过登录号OMIX020687获取。

未引用参考文献

Chen et al., 2021, Li et al., 2016

利益竞争声明

? 作者声明不存在任何已知的财务利益冲突或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作由国家重点研发计划（2021YFD1200200, 2021YFD1200203）、中央高校基本科研业务费（2662024FW002）以及云南省科学技术厅科技计划项目（202204AC100001-A01）资助。

秦芳|曹亚婷|胡诗雨|李辉|王普|王明乐|赵华|王玉|倪德江|郭飞