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今天小编给大家介绍一种逆天生长的植物，颠覆你的三观！——“黄金芽”，它在茶叶中营养排行最高，价格堪比黄金，阳光下全身金黄，遮荫下叶片却呈绿色。都说它是白化茶种，然而却与白茶不同，白茶尚且因温度变焕叶色，而黄金芽性状稳定，春、夏、秋三季新梢均呈金黄色。 如此有趣且奇妙的问题怎么能不深究呢？这不，山东省果树研究所茶树研究中心、南京农业大学、南京诺唯赞就联手分析了黄金芽的转录组，探究了这一神奇的叶色变化。 Molecular Link between Leaf Coloration and Gene Expression of Flavonoid and Carotenoid Biosynthesis in Camellia sinensis Cultivar ‘Huangjinya’ 发表时间：2017年5月 杂志：Frontiers in Plant Science 研究背景与目的 黄金芽是我国营养价值最高的白化茶种，其颜色鲜亮，富含氨基酸，属于光敏感型，叶片在光照下呈黄色，在阴暗处呈绿色，半遮荫处理后，类黄酮和类胡萝卜素水平也会升高。由于这一有趣的现象与其他植物截然不同，便吸引了众多研究者的眼球。本研究通过转录组de novo测序比较分析了两种不同光照条件下的黄金芽转录组，欲揭示其叶色变化的内在分子机制。 研究材料
研究方法
研究结果 1. 遮荫后茶树表型变化 如图1所示，研究发现，黄金芽（Y）相比龙井茶（LJ）叶色较亮，叶绿素含量更低。遮荫的黄金芽叶片（Y+S）7天之内变绿，10天后对其进行分析，发现其叶绿素含量和类胡萝卜素含量明显升高，但是依旧比龙井低。然而叶绿素a/b含量却没有明显变化。
图1.黄金芽的表型和色素变化 2. de novo组装 选取光照处理和遮荫处理下的黄金芽进行转录组de novo测序，通过de novo拼接得到127,253个unigenes，总长度为116.3M，平均长度为914nt，N50长度为1,510nt。 通过PCA分析评估样本之间的相关性，剔除了遮荫处理组中的Y+S3和光照组的Y1两个样本，每组剩余的两个样本进行后续的差异基因分析。 3. 茶叶转录组功能注释 通过六大数据库对unigenes进行功能注释，注释到81,128个基因（如图2所示）。通过蛋白编码能力预测，确定了81,573个蛋白。
图2. 茶树所有unigenes的功能注释和分类 4. 差异表达基因GO功能和KEGG通路富集分析 研究发现，遮荫处理后的茶树转录组中有207个差异基因，其中110个上调，97个下调。如图3所示，GO富集分析显示，差异基因主要富集在细胞进程、新陈代谢、应激反应和催化氧化还原酶活性相关进程中。
图3. 黄金芽遮荫处理后的差异基因GO富集分析 KEGG富集分析显示，差异基因参与到各种代谢途径中，大部分的差异基因富集在蛋白质进程和代谢进程中。其中类黄酮生物合成和亚油酸代谢通路富集因子最高，而光合作用通路中几乎没有富集到差异基因。因此，本研究将更多关注投入到类黄酮和类胡萝卜素的合成与代谢通路中，以研究黄金芽的叶色变化机制。
图4. 黄金芽差异基因KEGG通路富集分析 5. 差异表达基因的qRT-PCR验证 本研究选取15个差异基因进行qRT-PCR验证，其中2个涉及ATP结合，3个涉及离子结合，10个编码与氧化还原酶相关的蛋白质。如图5所示，qRT-PCR和RNA-seq数据结果一致，说明测序结果的可靠性。
图5. 差异基因的RNA-seq数据与qRT-PCR验证比较 类黄酮和类胡萝卜素生物合成代谢是与氧化还原酶活性相关的两条重要通路。除了RNA-seq鉴定的差异基因，本研究评估了所有与类黄酮和类胡萝卜素合成代谢相关的基因，发现在遮荫处理下，除了LODX，类黄酮合成通路中的所有基因均呈下调表达。与此相反，类胡萝卜素合成相关的基因在遮荫处理下均呈上调表达。由此，本文提出了两种推测： （1）类黄酮可能是光诱导茶叶颜色变化的主因 在此，小编首先补充介绍一下类黄酮、多酚和儿茶酚的关系，茶叶中所含有的多酚化合物95%是类黄酮，而类黄酮是由5000多种植物成分和其代谢物组成的一个酚类化合物大家族。其中包括花青素、原花青素、异黄酮、黄酮、黄烷酮、黄酮醇、儿茶酚等。 类黄酮的生物合成由一系列酶进行催化，包括羟戊酸依赖型双加氧酶（F3H，FLS和LDOX），NADPH依赖型还原酶（dihydroflavonol 4-reductase, DFR）和细胞色素P450羟化酶 flavonoid 3‘-hydroxylase (F3’H) 以及 flavonoid 3‘,5’-hydroxylase (F3‘5’H)。本研究发现，除了F3‘5’H和LDOX外，类黄酮生物合成通路中的所有基因在45%遮荫后均呈下调表达，同时，儿茶酚的产量升高，即儿茶酚或多酚含量与黄酮类生物合成相关基因的表达呈负相关（如图6）。这一结果与安吉白茶的许多研究结果相似。然而，在普通绿茶的研究当中，却发现在半遮荫处理下类黄酮合成相关基因的表达与儿茶酚呈正相关。其实，已有很多研究表明，类黄酮合成通路中一些基因的表达会影响植物的颜色，例如康乃馨和金鱼草关于DFR突变体导致其形成黄花的研究。在黄金芽的黄色叶片中，儿茶酚含量明显低于绿色叶片，表明儿茶酚合成受到抑制。然而有研究表明，类黄酮具有保护茶叶不受UV辐射伤害的功能，因此，光照下的黄金芽可能因为类黄酮含量较低而难于应对UV的损害，从而叶片黄化；遮荫处理提高了儿茶酚含量，并且避免了UV带来的伤害，由此可能使叶片变绿。
图6. 遮荫处理下黄金芽类黄酮合成相关基因的表达 （2）类胡萝卜素生物合成导致黄金芽叶色改变 阳光下，黄金芽黄化的叶片中类胡萝卜素和总叶绿素水平较低，但是遮荫处理后类胡萝卜素和叶绿素水平升高，这一现象与半遮荫处理下类胡萝卜素合成相关基因的表达模式一致，如图7所示。该结果与前人很多研究相似，例如金蝶兰属杂交兰花中PSY沉默或表达下调之后，均会导致叶片发黄，叶绿素水平下降。在黄金芽中，类胡萝卜素生物合成属于光敏感型，并且其大部分合成相关基因在阳光下下调，这一结果支持了黄金芽嫩叶中的类胡萝卜素生物合成由于光照阻碍了其相关基因的表达而受到抑制。
图7. 遮荫处理下黄金芽类胡萝卜素合成相关基因的表达 本研究初步推测，黄金芽的叶色变化可能主要取决于类黄酮和类胡萝卜素生物合成的综合效应，但是其具体的分子机制还有待于进一步的探究。所幸的是，近期茶树基因组的公布为研究黄金芽叶色变化机制铺垫了一个大的台阶，也让我们有了新的思路，请大家拭目以待！ 文献： Molecular link between leaf coloration and gene expression of flavonoid and carotenoid biosynthesis in camellia sinensis cultivar ‘Huangjinya’,Frontiers in Plant Science,2017.
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