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新梢白化茶树生理生化特征及白化分子机理研究

李娜娜  
【摘要】:新梢白化茶树是一类珍稀的茶树种质资源,其在特定条件下萌展的新梢因缺乏叶绿素而呈现白化现象,又因其色素含量水平的不同而具有不同的叶色表现型,包括全白色、乳白色、浅黄色、金黄或黄(白)绿色相间等。迄今发现的新梢白化茶树品种有温度敏感型和光照敏感型两种。多数白化新梢都具有氨基酸含量高、茶多酚和咖啡因含量适中的特点,是优质绿茶的良好原料。然而,新梢的白化程度取决于生长环境条件,如气温高低或光照强度,从而导致内含成分含量的不稳定。而且,高度白化的茶树抗逆性差,以致移栽成活率低,苗期管理困难。其根本原因是人们对茶树新梢白化的遗传机理没有全面了解,缺乏有效的调控手段。有鉴于此,本研究以低温敏感型新梢白化茶树品种‘小雪芽’和光照敏感型新梢白化茶树品种‘黄金芽’为试验材料,应用透射电子显微镜和HPLC技术研究白化叶片的叶绿体结构和色素含量的变化;利用分光光度计比色和HPLC技术研究白化叶片主要内含成分茶多酚、氨基酸、儿茶素类和咖啡因的含量变化;采用高通量测序技术构建茶树转录组和数字化表达谱研究白化叶片基因表达差异,并结合实时荧光定量PCR技术进一步探究MEP代谢途径、类胡萝卜素代谢途径和叶绿素代谢途径关键酶基因以及编码光捕获叶绿素a/b结合蛋白基因的表达模式,探索新梢白化茶树的生理生化特征和白化分子机理。主要的研究结果如下: 1.与温度敏感型新梢白化茶树品种‘小雪芽’正常绿色芽、叶相比,‘小雪芽’白化叶片(芽下第三叶)的叶绿体发育异常,表现为体积膨胀变大,出现囊状空泡,基粒片层和类囊体膜结构发育受阻;光合色素叶绿素类和类胡萝卜素类含量显著性减少。‘小雪芽’白化叶片内氨基酸含量显著增加,茶多酚、咖啡因、总儿茶素类、EGCG和ECG含量以及酚氨比值显著降低,是优质绿茶的良好原料。 2.以新梢白化茶树品种‘小雪芽’和普通茶树品种‘福鼎大白茶’为试验材料,构建茶树转录组,共79797条茶树Unigenes,其中序列长度在1000bp以上的有11371条;N50长度847bp,平均测序长度为560.30bp,序列组装效果良好;6439条Unigenes具有简单重复序列SSR,51491条Unigenes有功能注释。 3.与‘小雪芽’绿色芽、叶相比,其白化叶片的1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶基因DXS1和DXS2以及原叶绿素酸酯还原酶基因Porl和Por2表达受到显著抑制,导致‘小雪芽’白化叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量缺乏;推测缺乏叶绿素和类胡萝卜素等光合色素的‘小雪芽’白化叶片可反馈性抑制光捕获叶绿素a/b结合蛋白基因Lhcbl-2和Lhcb7的表达,进而阻碍白化叶片叶绿体类囊体和基粒的发育。 4.光照敏感型新梢白化茶树品种‘黄金芽’在夏季高温强光条件下产生白化现象,采取遮荫处理可以使‘黄金芽’白化叶片复绿。‘黄金芽’白化叶片与其遮荫处理和普通茶树品种‘福鼎大白茶’相比,表现为叶绿体内类囊体和基粒形成受阻,叶绿素类含量显著性减少,紫黄质、叶黄素和总胡萝卜素含量增加。‘黄金芽’白化叶片内紫黄质、叶黄素和总类胡萝卜素的高含量是白化叶片呈现黄色的直接原因。 5.与普通茶树品种‘福鼎大白茶’和‘鸠坑’相比,春季光照敏感型新梢白化茶树品种‘黄金芽’具有咖啡因、总氨酸含量高,茶多酚、儿茶素类、EGCG含量适中,酚氨比值较低。与‘福鼎大白茶’相比,夏季‘黄金芽’白化新梢具有总氨基酸含量高,总茶多酚、总儿茶素、EGCG和ECG含量低以及酚氨比值低;通过遮荫处理,可以使‘黄金芽’白化新梢的咖啡因含量显著增加。 6.以自然光照和遮荫处理的‘黄金芽’一芽二叶为试验材料构建数字化基因表达谱,筛选得到1392个差异表达基因,其中1105个基因有功能注释。‘黄金芽’叶片在强光照条件下早期光诱导蛋白基因ELIP呈现高表达,而1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶基因家族DXS以及光合系统Ⅱ10kDa蛋白基因psbR的表达则受到明显抑制,说明‘黄金芽’白化叶片在强光照下受到光胁迫,其色素合成前体物质生物合成不足,且叶绿体光合系统Ⅱ放氧复合物的形成受阻,导致叶绿素生物合成和叶绿体结构发生异常。 7.实时荧光定量PCR进一步研究表明,新梢白化茶树‘黄金芽’叶片在强光条件下,1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶基因DXS1、DXS2口DXS3以及镁离子螯合酶D亚基基因CHLD的表达受到明显抑制,而八氢番茄红素合成酶基因PSY、番茄红素p-环化酶基因LCYB、胡萝卜素ε-单加氧酶基因LUT1、玉米黄质环氧化酶基因ZEP和紫黄质脱环氧化酶基因VDE等维持较高的表达水平,导致叶片内叶绿素含量缺乏而总类胡萝卜素、紫黄质、叶黄素维持高含量水平,是‘黄金芽’白化叶片表现为黄色的根本原因;推测这些因素可能反馈抑制光捕获复合物I叶绿素a/b结合蛋白基因Lhca2-2的表达,进而影响叶绿体内膜系统的形成。


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