近五年来茶叶生物化学研究进展

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近五年来茶叶生物化学研究进展

茶叶生物化学是研究茶树生命化学的科学，在生物化学与分子水平探讨茶树生命的本质，研究

茶树特别是茶树新梢中分子的结构与功能、物质代谢与调节，及其在生命活动中的作用；研究

茶树新梢的化学分子在加工及贮藏过程中的转化规律以及对茶叶品质及茶叶健康功能的影响；

茶叶生物化学是茶学发展的基础科学。茶叶生物化学的研究成果为茶树栽培和育种、茶叶加工

及深加工、茶叶贸易和文化提供了坚实的理论依据。茶叶生物化学研究的不断深入为茶产业的

发展提供了动力源泉。

作为叶用植物，茶树新梢是茶树代谢最为旺盛的部位之一，在次级代谢上有其独特性，具体表

现在新梢含有极其丰富的儿茶素、咖啡碱和茶氨酸等特征性次级代谢产物上，因而它们在茶树

体内的生物合成及其在制茶过程中的转化等机制研究是茶叶生物化学的核心问题。近年来，茶

树功能基因、次级代谢关键酶及基因、茶叶代谢谱、茶叶功能成分与健康等的相关研究呈现爆

发式增长。本文就近五年来茶叶生物化学研究主要的进展内容综述如下。

1 茶树次级代谢途径的研究

植物次级代谢是植物在进化中与环境相互作用的结果。与其他植物比，茶树次级代谢的特点

是，富含儿茶素、咖啡碱和茶氨酸等特征性次级代谢产物。近年来，茶树次级代谢研究主要集

中在这些特征性次级代谢产物儿茶素、咖啡碱和茶氨酸的代谢途径中的关键酶及相关基因的研

究，已取得一些重大进展。

1.1 茶树中儿茶素代谢相关研究进展

儿茶素类物质（黄烷-3-醇）对茶叶品质和健康功效的贡献度极高，其代谢特别是合成代谢一直

是茶树次级代谢研究的重中之重。儿茶素由莽草酸途径合成而来，近年来儿茶素 B 环5′羟基化

途径和 C 环没食子酰基化途径已成为儿茶素类化合物合成代谢研究中的重点[1].2004

年，Punyasiri 等的研究表明，在茶树儿茶素合成途径中，EC 和EGC 是由花白素经花青素合成

酶（ANS）和花青素还原酶（ANR）的二步催化形成[2],而不是由儿茶素和没食子儿茶素直接

表构而成，但儿茶素的没食子酰基化研究仍是空白。新近夏涛研究小组发现，酯型儿茶素合成

以非酯型的 EC 和EGC 为前体，涉及两步合成反应，即没食子酸首先在没食子酰基-1-O-β-D-

葡萄糖基转移酶（UGGT ）催化下，被活化形成 1-O-没食子酰-β-葡萄糖（βG），以此作为活

化的酰基供体（1-O-Glc esters ），再在 1-O-没食子酰基-β-D-葡萄糖-O-没食子酰基转移酶

（ECGT ）作用下，将没食子酰基转移到顺式非酯型儿茶素的 C 环3 位上而形成酯型儿茶素

ECG 和EGCG （图 1）[3].此外，该研究组还发现了高活力的酯型儿茶素水解酶（GCH），该

酶可能属于单宁酶类，可水解酯型儿茶素为没食子酸和非酯型儿茶素。儿茶素还可进一步聚合

形成原花青素（PAs），在茶树根和茎中大量积累，而叶片中含量很低[4].

上述研究结果为茶树酯型儿茶素的合成与转化提供了较为清晰的途径。

儿茶素代谢途径受到多种转录因子的调控。安徽农业大学茶叶研究小组发现相关转录因子

MYB、WD40 和bHLH 等参与了茶树中多酚类物质的代谢调控[5].此外，还对茶树发育相关和

组织特异性相关的酚类物质积累模式、63 个酚类物质合成相关结构基因和转录因子基因表达模

式进行了相关分析[6].

利用体外表达手段（原核与真核），对酚类物质合成关键酶基因 CAD（肉桂醇脱氢

酶）、ANR1、ANR2、DFR1、DFR2、LCR1、F3H、F3′5′H、MYB5 功能进行了有效鉴

定。Umar 等[7] 利用茶树 F3H、DFR 和LCR 构建了大肠杆菌基因工程菌，以圣草酚

（3′，4′，5,7- 四羟基黄烷酮）为底物合成了 EC、ECG、（+）-C 和CG.

茶树中儿茶素的合成代谢还受到外界环境的影响。Rani 等对茶树儿茶素合成途径中的关键基因

F3H、DFR、ANS 和ANR 的表达，以及干旱、脱落酸、赤霉素、伤害处理对其表达影响进行

了研究分析[8].刘仲华研究组以白化茶树品种为研究对象，发现苯丙氨酸裂解酶（PAL）基因

和黄酮醇合成酶（FLS）基因表达与儿茶素浓度呈负相关，而黄烷酮-3-羟化酶（F3H）基因表

达呈正相关[9].夏涛等发现大田遮荫处理可使茶树酚类物质中的黄酮醇、原花青素合成显著下

降；但儿茶素和木质素总量稍下降，而对 EGCG 含量影响最小[10].进一步发现黑暗培养的茶愈

伤组织移至光下培养后，木质素、花青素、儿茶素的积累量明显增加。与黑暗处理相比，弱光

处理后茶籽苗中非酯型儿茶素含量增加，酯型儿茶素积累却显著下降[11].

1.2 茶树中咖啡碱代谢相关研究进展

咖啡碱（1,3,7-三甲基黄嘌呤）代谢与腺嘌呤核苷酸代谢密切相关。茶树咖啡碱主要在幼嫩叶

片和茶花中进行生物合成，合成部位可能在叶绿体。2000 年，Kato 等从茶树叶片中纯化出咖

啡碱生物合成关键酶咖啡碱合成酶（3-NMT+7-NMT），并对该酶基因进行克隆和测序

[12]. →植物体内咖啡碱生物合成的核心途径为：黄嘌呤核苷7- →甲基黄嘌呤核苷7-甲基黄嘌呤

→ → 可可碱咖啡碱，其中包括 3 步由 N- 甲基转移酶催化的转甲基化反应和 1 步由核糖核苷水解

酶催化的脱核苷反应（图 2[13] → →）；而咖啡碱的降解主要路径为咖啡碱茶叶碱 3-甲基黄嘌呤

→ → → → → →黄嘌呤尿酸尿囊素尿囊酸尿素NH3+CO2[13].

近年来相关研究主要集中在咖啡碱代谢途径中关键酶及其基因的的克隆、结构与功能的关系以

及表达调控机制等。通过克隆源自咖啡的黄嘌呤核苷甲基转移酶基因（CaXMT1）和源自茶树

的咖啡碱合成酶基因（TCS1）导入酵母中进行组合表达后，饲喂黄嘌呤核苷（XR ）和 SAM,

成功合成了咖啡碱[14]. 刘祥琦通过疑似 N-甲基核苷水解酶基因（STx）的克隆和大肠杆菌表达

发现该酶具有催化 XR 脱核糖反应的功能[15]. 金基强等从白叶一号茶树中，获得了 6 种NMTs

的基因组 DNA 全长，发现了 3 种TCS3、TCS4 和TCS5 基因[16]. 魏艳丽从茶树中克隆出了

AMP 脱氨酶基因的 cDNA 全长（GenBank:AGJ84350.1）[17].

由于一些特殊人群对咖啡碱敏感，低咖啡碱茶树品种的选育一直是科研工作者的目标之

一。Mohanpuria 等采用RNAi 技术培育出TCS 基因沉默的转基因茶树植株，咖啡碱和可可碱

的含量与对照比分别下降了44%~61%和46%~67% ;同时，还利用农杆菌侵染导入RNAi 片段，

使得茶树幼苗新梢中咖啡碱和可可碱含量最高分别下降了67% 和61%[18-19].

1.3 茶树中茶氨酸代谢相关研究进展

茶氨酸（N-乙基-γ-L- 谷氨酰胺）系茶树特征性非蛋白质氨基酸，主要通过茶氨酸合成酶 TS 催

化谷氨酸和乙胺合成茶氨酸，现已在 Genebank 登录的TS 基因有 3 条

（DD410895,DD410896、JN226569）。尽管这些基因序列和植物中的谷氨酰胺合成酶（GS）

序列高度同源，但通过大肠杆菌和拟南芥体外功能验证实验已先后证明其具有 GS 所不具备的

体外合成茶氨酸的能力[20].TS1 主要在根部和叶部高表达；TS2 在盛花期表达量最高；TS3 的

表达量在单芽萌发阶段和主侧根中最高（结果未发表）。茶氨酸的合成具有明显的时空特异

性，参与多个器官的氮素贮藏与转运，受到复杂的分子调控。

茶氨酸的合成还受到诸多生物和非生物因素的调控。盐胁迫、外源施加ABA、NO 等激素信号

分子也会促进茶树体内茶氨酸大量积累，说明茶氨酸与茶树抵御逆境胁迫息息相关，通过染色

体步移技术克隆到TS 基因的启动子区域，发现多个响应光调节、激素调节和逆境胁迫等的顺

式作用元件，若对其进行深入研究与验证，将有助于解析茶树体内大量积累茶氨酸的生物学意

义[21].

1.4 茶树萜烯类香气物质代谢研究进展

茶鲜叶中含有 30 余种糖苷态萜烯类香气物质，如芳樟醇及其氧化物和香叶醇等。这些挥发性

萜类及其糖苷的含量和水解对成品茶的香气类型有重要影响。植物经 2-C-甲基-D-藓糖醇-4-磷

酸（MEP）和甲羟戊酸（MVA）途径合成萜烯类物质。单萜和倍半萜合成酶是挥发性萜类化

合物生物合成途径中的关键酶；糖基转移酶可能与茶鲜叶中糖苷态萜类香气化合物的合成和积

累有关；而糖苷水解酶则催化糖苷态香气物质的水解，导致香气物质的释放[22].Yang 等[23]对

茶树中的香气物质生物合成途径进行了系统总结，如图 3 所示。

茶树中萜烯类物质合成途径中的相关酶基因报道较少，而更多地侧重在糖苷水解酶相关基因的

研究。陈亮等研究发现，8 个品种中茶树 β- 葡萄糖苷酶基因表达量是 β- 樱草糖苷酶的 2.4~45.6

倍，但 β-葡萄糖苷酶活性测定结果与基因表达量之间的相关性不明显[24].

1.5 茶树基因组研究进展

现代生物技术的迅猛发展为茶树次生代谢的研究提供了重要的技术手段和方法。虽然茶树次级

代谢的分子生物学研究起步较晚，但目前仍是茶叶学科中最活跃和进展最快的一个领域。在此

领域中业已分离和筛选出茶树特征性次级代谢物的相关功能基因，并对其功能进行了研究。

在茶树分子生物学研究中，AFLP、RAPD、RFLP 和EST-SSR 等技术等已成功应用于茶树

DNA 分子标记，构建了茶树次级代谢物差减杂交 cDNA 文库、龙井 43 新梢和幼根的 cDNA 文

库和阿萨姆杂交种TV-1 嫩梢的 cDNA 文库[25]; 并利用cDNA 芯片技术获得了安吉白茶不同白

化期的671 个差异表达基因[26].Wu 等利用454 测序技术对茶树叶部的转录组进行了研究，获

得了 25 637 个编码基因（unigene）和 3 767 个EST-SSRs 标记[27].李娜娜等利用Solexa 法对福

鼎大白茶和小雪芽品种叶部的转录组进行了研究，获得了 79 797 个unigenes 和6 439 个SSRs

标记[28].

2009 年，安徽农业大学茶叶重点实验室启动茶树基因组研究计划，对 2 个栽培种和 1 个古茶树

进行了45 倍深度基因组测序，获得了基因和分子标记信息，为茶树基因组序测序方法和材料

选择上提供了重要依据；同时进行了茶树全器官转录组与功能表达谱研究[29];以茶树带芽茎段

为外植体建立了离体再生体系[30].这些研究结果为进一步揭示茶树优质、高产和抗逆的分子机

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摘要：

近五年来茶叶生物化学研究进展茶叶生物化学是研究茶树生命化学的科学，在生物化学与分子水平探讨茶树生命的本质，研究茶树特别是茶树新梢中分子的结构与功能、物质代谢与调节，及其在生命活动中的作用；研究茶树新梢的化学分子在加工及贮藏过程中的转化规律以及对茶叶品质及茶叶健康功能的影响；茶叶生物化学是茶学发展的基础科学。茶叶生物化学的研究成果为茶树栽培和育种、茶叶加工及深加工、茶叶贸易和文化提供了坚实的理论依据。茶叶生物化学研究的不断深入为茶产业的发展提供了动力源泉。作为叶用植物，茶树新梢是茶树代谢最为旺盛的部位之一，在次级代谢上有其独特性，具体表现在新梢含有极其丰富的儿茶素、咖啡碱和茶氨酸等特征性次级代谢...

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