茶科技進展 | 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所揭示茶樹甲基化兒茶素生物合成新機制

中國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和利用茶樹的國家。茶因富含兒茶素和咖啡因等眾多生物活性分子，已成為世界上飲用最為廣泛的飲料之一。近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所茶樹種質(zhì)資源創(chuàng)新團隊聯(lián)合暨南大學(xué)藥學(xué)院張志民研究員團隊等在揭示茶葉中兒茶素甲基化衍生物的生物合成上取得重要進展，為新型茶樹的培育和茶樹資源的高效利用奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然?通訊(Nature Communications)》上。

圖1 茶樹O-甲基化兒茶素合成關(guān)鍵候選基因的發(fā)掘

茶葉中兒茶素占干重的12%以上，其中(?)-表沒食子兒茶素-3-沒食子酸酯（EGCG）是含量最豐富的成分。多項研究已證實EGCG有抗癌、抗炎和心臟保護等顯著的生理活性，然而因其在腸道中性至堿性條件下的不穩(wěn)定性而活性大幅降低。此外，結(jié)構(gòu)的高度極性也使其難以滲透腸道壁，進一步降低了其在人體內(nèi)的生物利用率。O-甲基化EGCG是通過用甲基修飾EGCG苯環(huán)上的酚羥基而形成的一系列甲基化衍生物，與EGCG相比具有更好的穩(wěn)定性、脂溶性，更高的生物利用率和更強的生物活性。在茶樹中，天然O-甲基化主要發(fā)生在EGCG的D環(huán)（含沒食子酰基基團）3″位、少部分還發(fā)生在4″位，分別產(chǎn)生(?)-表沒食子兒茶素-3-O-（3-O-甲基）-沒食子酸酯（EGCG3″Me）和(?)-表沒食子兒茶素-3-O-（4-O-甲基）-沒食子酸酯（EGCG4″Me）。先前的研究表明，O-甲基轉(zhuǎn)移酶（OMT）可以催化甲基化兒茶素的形成，但參與3″和4″位特定O-甲基化的關(guān)鍵OMT仍未被鑒定出來。

研究團隊經(jīng)過長達9年的科研積累，首先通過人工雜交的方式創(chuàng)制了一個以著名茶樹品種‘金萱’和‘紫娟’為親本的F1代分離群體，再利用F1子代中EGCG3″Me含量極端的單株為材料進行混合分組轉(zhuǎn)錄組測序，并結(jié)合27份遺傳背景廣泛的茶樹資源的轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)掘鑒定出了CsFAOMT1和CsFAOMT2等兩個關(guān)鍵OMT候選基因。研究表明：蛋白CsFAOMT1在EGCG的3??位具有特定的O-甲基轉(zhuǎn)移酶活性而生成EGCG3"Me，蛋白CsFAOMT2催化EGCG主要形成EGCG4″Me。在不同的茶樹資源和組織中，基因CsFAOMT1和CsFAOMT2的轉(zhuǎn)錄水平分別與EGCG3″Me和EGCG4″Me的含量高度正相關(guān)。此外，本研究還成功解析了CsFAOMT1和CsFAOMT2的蛋白晶體結(jié)構(gòu)，闡明了O-甲基化僅發(fā)生在EGCG等酯型兒茶素D環(huán)上的分子機制，并揭示了3′′和4′′位O-甲基化所需的關(guān)鍵氨基酸。

該研究鑒定并明確了調(diào)控茶樹甲基化兒茶素生物合成的關(guān)鍵酶及基因，揭示了高甲基化兒茶素性狀形成的分子機制，為茶樹資源的高效利用和高甲基化兒茶素品種培育提供了重要理論依據(jù)，也為解析茶樹其它重要經(jīng)濟性狀提供了研究思路和參考案例，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

論文第一作者為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所金基強副研究員及其指導(dǎo)的碩士生璩馥榕和劉慶帥、科研助理魏夢園和暨南大學(xué)博士生黃慧思，通訊作者為陳亮研究員、姚明哲研究員和暨南大學(xué)張志民研究員。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程及所級青年英才等項目的資助。

圖2 CsFAOMT1和CsFAOMT2的晶體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵氨基酸

來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所網(wǎng)站