FSHW 茶多酚研究中关于茶树生长、发育和茶叶加工的多组学方法：目前的技术和前景

FSHW 茶多酚研究中关于茶树生长、发育和茶叶加工的多组学方法：目前的技术和前景

　　正大乌龙茶叶,茶叶生产流程,茶叶冷冻茶是一种经过各种加工的茶树叶制成的，是全世界最受欢迎的非酒精饮料之一。随着许多国家的茶树和加工技术的不断发展，今天有数百种茶。传统上，茶被分为6类：白茶、黄茶、绿茶、乌龙茶、红茶和黑茶，以其制造工艺为依据。

　　随着茶叶的文化普及，其广泛的生物效应使茶叶更受欢迎。许多文献报道，茶叶具有很高的营养价值和健康益处，如抗肥胖、抗氧化、抗致癌、抗炎等作用。这些有益的影响归功于茶中的生物活性化学物质，主要称为多酚类物质。因此，茶多酚被认为是茶叶产品的质量指标和功能化合物。图1列出了茶叶中主要多酚类物质的形成。

　　由于茶多酚的高生物活性和健康效应，多种方法被用来研究茶叶植物中多酚的生化机制。其中，代谢组学在茶多酚研究中的应用最为广泛。由于代谢组与茶叶的生理状态直接相关，受到各种内部（如基因）和外部（环境、茶叶加工等）因素的影响，代谢物可以作为茶树表型性状的“读数”，这有助于评估茶叶等级和质量。因此，在代谢物层面，多酚类物质的类型、形成和生物活性已经得到了广泛的研究。然而，由于生物系统的复杂性，包括基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等不同规模的参与者，仅靠代谢组学无法提供与多酚有关的生物网络的完整视图。因此，需要深入的技术和策略来整合这些特征，揭示茶树生长、发育和加工过程中多酚形成和调节的生化途径。这项工作可能为如何改善茶树和产品中的有益多酚提供线索。

　　最近，“多组学”在不同的科学领域受到极大关注。多组学方法包括两种或更多的全能技术（基因组学、转录组学、蛋白质组学和/或代谢组学）的结合，并利用各种数据分析技术，如合并、归一化、比较分析和关联分析等，综合解释来自基因、转录、蛋白质和代谢物层面的生物过程大数据。与单组学相比，多组学方法可以逐步确认从基因型到表型的关联和相互作用的特征，全面展示生物体内的复杂生物系统。用于分析高维数据集的机器学习算法等统计学方法也随着多组学的发展而发展，加速了多组学在各种研究目的中的应用。多组学技术仍处于起步阶段，但它在植物科学包括茶叶研究中的应用越来越多。茶叶的多组学研究，特别是对茶多酚的形成和变化的了解，将为茶树如何调节多酚提供有价值的信息，并为今后的茶多酚研究建立深刻的认识和指导。所有这些信息可以为茶叶育种和加工提供思路，使茶叶中的多酚类物质达到理想的健康效果和茶叶质量。

　　美国佛罗里达大学的Jingwen Li、Yu Wang、Joon Hyuk Suh*在这篇综述着重介绍了单组学和多组学方法的最新进展，以及它们在茶多酚研究中的应用，包括理论方面、技术策略和数据分析。本综述还将讨论目前组学技术的挑战，以及多组学在茶叶研究领域的未来展望。

　　组学技术的进步表明，分子并不是独立拥有生物功能的，它们的功能与复杂而微妙的调控网络有关。正如上文所强调的，整合不同的组学技术，即“多组学”，将是揭示这些复杂的生物系统的有力工具，在不同的尺度上（基因组、转录组、蛋白质组和代谢组）识别有关分子的深入功能和机制。多组学方法已被越来越多地用于发现茶叶和产品中多酚类物质的遗传调节和生物合成途径。在本综述中，除了一些很少报道的方法（如联合代谢组学和基因组学方法）外，讨论了已经用于茶多酚研究的多组学方法（表1）。

　　代谢组学和蛋白质组学的整合技术主要用于确定茶叶加工过程中多酚类物质的分子功能和代谢途径。有研究将代谢组学与蛋白质组学相结合，探讨了白茶加工过程中非挥发性生物活性化合物的变化，证明了参与苯丙类和黄酮类生物合成的不同表达的蛋白质（DEP）与枯萎过程中多酚类化合物的氧化之间的关系。研究证明，凋谢过程中蛋白质表达的下调，如黄酮类3,5-羟化酶（F35H）、花青素还原酶（ANR）和黄酮醇合成酶（FLS），可以加速多酚氧化，降低其生物合成活性，导致黄酮类和相关代谢物的减少。利用代谢组学和蛋白质组学阐明了曲霉菌的新功能，曲霉菌是普洱茶后期发酵中的主要真菌。在发酵过程中，曲霉菌产生了特定的酶（如漆酶、香草醇氧化酶和苯醌还原酶），改变了多酚类物质的组成，影响了普洱茶的口感（涩味减少、醇味增加等）和生物活性。

　　代谢组学和转录组学的结合被用来探索白色和粉色茶花在其发育阶段的花青素积累模式。代谢组学分析显示，特定的花青素类（花青素O-丁香酸、矮牵牛素3-O-葡萄糖苷和天竺葵素3-O-β-D-葡萄糖苷）只在粉红茶花的发育期积累。随后的转录组分析证实，两朵茶花之间花青素的积累受特定的不同表达的基因（DEGs）支配，如FLS基因和二氢黄酮醇-4-还原酶基因。在不同的生长阶段，利用代谢组学结合转录组学研究了茶苗中儿茶素的调节。研究发现，无论在哪个生长阶段，儿茶素都在叶＞茎＞根中积累，并推测与ANL2、WRKY44和AtMYB113同源的三个转录因子在植物的不同部位对儿茶素的调控中起着关键作用。综合代谢组学和转录组学的方法也被应用于研究体外蔗糖对茶树多酚生物合成的影响。蔗糖处理导致茶多酚含量增加，参与茶多酚生物合成途径的11个关键结构基因，如查尔酮合酶（CHS）、ANR、黄酮3-羟化酶（F3H）和黄酮3-羟化酶（F3H）的上调。该结果暗示了蔗糖在茶树生长和发育过程中对多酚形成的作用。在茶叶加工方面，有一项研究是为了确定红茶发酵过程中叶片中多酚的遗传和化学控制。联合代谢组学和转录组学方法确定了红茶中的主要多酚—茶黄素（TFs）如何在发酵过程中从母体儿茶素分子中产生的机制。这一反应是由包括多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（POD）在内的酶催化的，并监测了相关基因的表达。儿茶素水平随着CsAPX1、CsPOD18和CsPOD的表达而明显降低，这些基因被认为是在红茶发酵过程中通过相关的酶活性（如PPO和POD）促进从儿茶素合成TFs。在另一项研究中，利用代谢组学与转录组学的结合，研究了绿茶叶中代谢物和调控基因表达在不同的凋萎过程条件下的变化。低温下的萎凋被证明通过二氢黄烷醇-4-还原酶基因的上调来延迟多酚的氧化，表明萎凋过程可以改变绿茶中多酚的水平。

　　元基因组学有助于分析发酵过程中细菌/真菌多样性、演替和联合，揭示微生物组在茶叶加工中的作用。代谢组学和元基因组学的整合已被用于研究不同发酵条件下微生物活动和代谢物变化之间的关系。利用元基因组学和代谢组学分析了茯砖茶制造过程中真菌群落的演替和代谢物的改变。代谢物谱分析表明，代谢物（包括糖类、黄酮类、有机酸、氨基酸、、(–)-儿茶素（C）、表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）、没食子儿茶素没食子酸酯（GCG）、表没食子儿茶素（EGC）和(+)-表儿茶素（EC））在生产过程中都有所下降。在制造过程的早期阶段，曲霉属、Cyberlindnera和念珠菌属占主导地位，但在制造过程的最后阶段，只有曲霉属占主导地位。曲霉属的水平与儿茶素含量（如EGCG、GCG和ECG）呈负相关，表明真菌群落和这些多酚类物质在茯砖茶的过程中可能相互影响。利用元基因组学和代谢组学的结合，研究了普洱茶固态发酵过程中微生物群落对多酚类物质代谢的影响。发现曲霉菌和其他一些菌属（芽孢杆菌、Rasamsonia、Lichtheimia和Debaryomyces）在固态发酵的不同阶段影响风味化合物的形成，如由多酚衍生的茶褐素（TBs）。这些研究证明了微生物组和多酚之间的关系，意味着在茶叶加工过程中，多酚的生产可以通过改变微生物组的组成来调整。

　　理论上，蛋白质组和转录组是紧密联系在一起的，在相似的条件下，它们的水平在同一组织中具有高度的相关性。然而，在现实中，许多文献报道，由于各种因素（如转录后调控），蛋白质组的水平与转录组的水平不是线性匹配的。因此，联合蛋白质组学和转录组学的方法可以提供关于茶叶中多酚调节和合成的生化机制的全面信息，这些信息可能无法通过单一的组学方法（蛋白质组学或转录组学）来揭示。利用蛋白质组学和转录组学分析，分别研究了茶树嫩紫叶（TPL）和成熟绿叶（MGL）在叶片发育期间的DEPs和DEGs。发现与花青素形成有关的DEPs，如FLS、CHS和查尔酮异构酶（CHI），在转录水平上受到调控，这些酶在TPL样品中积累，表明TPL在其发育阶段显示紫色的原因。利用蛋白质组学和转录组学研究了冬季和春季嫩茶芽之间的生理学差异。结果显示，冬季嫩芽中莽草酸脱氢酶（SDH）、脱氢奎尼酸（DHQ）和FLS的表达量明显下降，导致茶多酚的含量降低。这项工作还发现了DEPs和DEGs之间的一些表达差异（如真核生物乳糖醇合成酶、单脱氢抗坏血酸还原酶和果糖酶），证明这些蛋白质在转录水平上受到不同的调节（非线性相关）。在蛋白质组和转录组水平上研究了茶叶不同发育阶段的酚类化合物的积累模式。在叶片发育过程中，非没食子酰化儿茶素（EC和EGC）通过水解没食子酰化儿茶素（ECG和EGCG）而增加。这一现象被没食子酰化儿茶素水解酶（GCH）的较高活性和没食子酰-1-O-β-D-葡萄糖基转移酶（UGGT）、表儿茶素1-O-没食子酰-β-D-葡萄糖 O-没食子酰转移酶（EGGT）的较低活性所证明。酶的活性与相关基因（CsUGT75E2、CsUGT75E3、CsSCPL1、CsSCPL3等）的表达水平进一步确认，表明酶和基因之间的关联及其在茶叶发育中的作用。采用蛋白质组学和转录组学相结合的方法，研究了茶叶加工过程中采后叶样儿茶素的动态变化（萎凋温度）。在不同的萎凋温度下观察到与儿茶素形成相关的DEPs（CHI、F3H和ANR）和DEGs（CsCHI、CsF3H和CsANR），并与这些条件下的儿茶素含量（如GC、EGC和EC）进行了验证。有趣的是，这项研究再次显示了一些与相应的DEPs没有线性关系的DEGs，表明有其他因素影响蛋白质的表达。

　　蛋白质组学和元基因组学的整合已被用于研究茶叶多酚研究中的发酵过程。随着对参与茶叶发酵的微生物的鉴定，蛋白质组学提供了关于微生物衍生的酶反应和与多酚形成相关的变化的有用信息。通过元蛋白组学和元基因组学的联合方法研究了普洱茶固态发酵中的微生物群落和与多酚有关的蛋白质。综合数据表明，曲霉菌是发酵过程中的主要真菌，是包括过氧化氢酶（Q877A8）、过氧化氢酶-过氧化物酶（A2Q7T1）和过氧化氢酶（Q5ASN8）等微生物胞外酶的主要宿主。这些蛋白质具有多酚氧化的功能，儿茶素（如EGC、EC、EGCG、GG和ECG）的数量减少。采用元蛋白组学与元编码相结合的方法研究了普洱茶发酵过程中多酚相关蛋白与微生物组之间的关系。曲霉菌在发酵的所有阶段都占优势，而Rasamsonia和Thermomyces属只在中间阶段占优势。微生物体衍生的酶（如糖苷水解酶、糖基转移酶、鞣酸酶、邻苯二酚O-甲基转移酶、苯酚2-单氧酶、儿茶酚2,3-双加氧酶、儿茶酚1,2-双加氧酶和槲皮素2,3-双加氧酶）揭示了在水解、氧化改性和降解多酚（C、EGC、ECG、EGCG等）中的作用。

　　利用转录组学与基因组学的结合，克隆了与黄酮类化合物的生物合成途径相关的基因（CsF3H、CHS、CHI和F3H），并对其进行了功能鉴定。通过RT-qPCR分析研究了基因的表达水平，表明在茶苗的四个阶段中，所有基因的表达在第三阶段增加到最大。黄烷-3-醇（如C、EGCG和GCG）的水平在同一阶段（第3阶段）达到最大值，证明了这些基因在黄烷-3-醇的生物合成中的作用。还利用综合基因组学和转录组学筛选并验证了C. sinensis (L.) O. Kuntze cv. Shuchazao中参与苯丙氨酸和黄酮类途径的基因（CsCHSs、CsF3′H、CsANRs、CsLARs和CsPALa）。基因表达与儿茶素含量的相关分析表明，CsCHSs、CsF3′H、CsANRs和CsLARs的表达与EC的水平密切相关，而CsPALa的表达与EGCG和原花青素（PA）相关联。