文献类型： 学位论文

年份： 2016

导师姓名： 阮建云

作者： 刘健伟

出版单位： 中国农业科学院

关键词： 组学;茶树;品质成分;碳氮代谢;氮素转移;氮素供应;紫鹃

研究方向： 茶学

摘要： 植物体内具有复杂的代谢网络,而稳定的碳氮(C、N)代谢平衡是植物生长的基础,然而,环境条件的改变会导致茶树体内代谢平衡关系的改变,从而影响茶树品质成分生物合成过程,最终导致茶叶品质差异。氮素(N)作为茶叶生长发育所需的必要元素,其供应的变化调控着茶树生长的C、N代谢平衡,本论文基于代谢组学的方法阐述了不同时期茶树新梢和成熟叶的C、N代谢的变化,解释了N素转移下对茶树C、N代谢平衡的调控作;此外本论文基于代谢组学技术阐述不同氮素供应条件下‘龙井’茶树C、N代谢的变化,发现了氮素对茶树代谢调控机理;本论文还通过组学技术研究了氮素对特异品种‘紫鹃’C、N代谢的调控机理。本研究工作的开展拓展了代谢组学和组学联合分析方法在茶树代谢生理研究中的运用,并积累了大量茶树代谢物信息和转录调控信息,同时对于茶树C、N平衡调控和品质成分生物合成等生理代谢过程有了新的认识,主要结果如下:1.为了阐明N转移下在春季不同时期茶树新梢和成熟叶初级和次级代谢产物和代谢途径的动态变化,我们通过采集春季不同时期(4月1日、4月15日、4月28日)茶树新梢、成熟叶样品,通过UPLC-Q-TOF/MS和GC×GC-TOF/MS分析茶树的次级和初级代谢物。研究发现,新梢和成熟叶三个时期显著区分,氨基酸、有机酸、糖类物质、类黄酮及其糖苷类物质显著变化。其中在春茶后期新梢主要的氨基酸如茶氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺的含量显著降低,然而黄烷醇、槲皮素及其糖苷显著、碳水化合物增强,代谢物的变化说明,春茶后期类黄酮合成,三羧酸循环,光呼吸显著增加。通过春季不同时期茶叶盲评的结果我们也发现早期茶叶有较好的茶叶滋味。新梢代谢物的变化不仅仅是由气候因素引起的,还可能与茶树N的转移有关。通过代谢组学分析方法,进一步证明了这种假设,成熟叶中氨基酸、糖类物质、类黄酮物质显著下降说明了C、N的转移维持了春季新梢的活性。本实验结果说明春茶新梢氮素的枯竭引起了茶树新梢、成熟叶C、N代谢平衡的改变,而这一现象可能是导致春季茶树在单一季节茶叶品质波动的重要原因。2.为了揭示氮素对茶树C、N代谢的影响,本实验以‘龙井’茶树作为材料,采用代谢组学并结合定量PCR以及测定酶活的方法,分析了不同氮素水平(0.3、1.5、4.5mmol/L)对于龙井茶树新梢、成熟叶、根C、N代谢平衡以及品质成分生物合成的影响。结果显示,新梢和成熟叶中,氮素显著抑制了新梢和成熟叶中类黄酮化合物的合成,同时与类黄酮合成有关的基因在高氮条件也显著降低;在糖类代谢中,我们也发现了高氮限制了主要糖类物质合成;同时氨基酸代谢显示,氮素升高显著增加了茶树各类自由氨基酸的含量。在茶树根系中的代谢物变化显示,在氮素调节下的初级和次级代谢物的变化与新梢和成熟叶的变化基本一致。3.为了从基因表达、酶的活性以及代谢物水平分析氮素对‘紫鹃’茶树C、N代谢的影响,本实验以花青素含量较高的特异品种紫鹃茶树作为材料,采用代谢组学结合转录组学的方法,分析了不同氮素水平(0.3、1.5、4.5mmol/L)对于新梢、成熟叶、根C、N代谢平衡以及品质成分生物合成的影响。结果显示,‘紫鹃’新梢和成熟叶中,氮素抑制了紫鹃茶树新梢和成熟叶中花青素的含量。通过基因表达验证和转录组学分析,氮素的增加也显著了抑制花青素合成基因,说明了氮素调控茶树代谢物与分子水平具有高度的相关性。此外,我们还发现,氮素显著抑制了‘紫鹃’茶树新梢和成熟叶类黄酮的生物合成,PEPC酶活性的增强也暗示了更多的碳素被利用;对于糖类物质合成方面,氮素的增加显著抑制了紫鹃成熟叶糖类物质的合成,但是对‘紫鹃’新梢,我们发现氮素的增加显著提高了许多糖类物质的合成,推测可能与‘紫鹃’茶树C、N的转移以及氮素显著抑制了紫鹃茶树新梢花青素的合成,改变了其生理特性,增加了光合作用有关;在氨基酸方面,‘紫鹃’茶树新梢和成熟叶中,氮素的增加显著提高了各种氨基酸的含量,通过转录组学和基因的表达验证,也暗示了氮素的增加显著提高了与氮素同化的相关基因的表达。在紫鹃茶树的根系中,氮素对于代谢物以及基因表达的影响与新梢和成熟叶基本一致。4.为了探究作为特异紫芽品种的‘紫鹃’茶树在氮素调节下不同与普通茶树代谢通路的变化,本实验对比了‘紫鹃’和‘龙井’茶树新梢初级和次级代谢的变化,结果显示,与普通品种相比,‘紫鹃’茶树作为花青素含量高的特异的紫芽品种,花青素代谢途径在氮素的调节下有着特异性的响应机制,氮素的升高,‘紫鹃’茶树花青素代谢物的合成受到了抑制;类黄酮的生物合成,与普通品种相同,氮素的升高显著抑制了‘紫鹃’类黄酮物质的合成;在糖类物质代谢中,与普通品种相反氮素的升高提高了‘紫鹃’主要的糖类的合成。同时,在氨基酸代谢中,与普通品种相同,氮素的升高显著提高了‘紫鹃’茶树各种自由氨基酸的含量。