中国是世界上最早发现和利用茶树的国家。茶因富含儿茶素和咖啡因等众多生物活性分子，已成为世界上饮用最为广泛的饮料之一。近日，中国农业科学院茶叶研究所茶树种质资源创新团队联合暨南大学药学院张志民研究员团队等在揭示茶叶中儿茶素甲基化衍生物的生物合成上取得重要进展，为新型茶树的培育和茶树资源的高效利用奠定了理论基础。相关研究成果发表在《自然•通讯(Nature Communications)》上。
图1 茶树O-甲基化儿茶素合成关键候选基因的发掘
茶叶中儿茶素占干重的12%以上，其中(−)-表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（EGCG）是含量最丰富的成分。多项研究已证实EGCG有抗癌、抗炎和心脏保护等显著的生理活性，然而因其在肠道中性至碱性条件下的不稳定性而活性大幅降低。此外，结构的高度极性也使其难以渗透肠道壁，进一步降低了其在人体内的生物利用率。O-甲基化EGCG是通过用甲基修饰EGCG苯环上的酚羟基而形成的一系列甲基化衍生物，与EGCG相比具有更好的稳定性、脂溶性，更高的生物利用率和更强的生物活性。在茶树中，天然O-甲基化主要发生在EGCG的D环（含没食子酰基基团）3″位、少部分还发生在4″位，分别产生(−)-表没食子儿茶素-3-O-（3-O-甲基）-没食子酸酯（EGCG3″Me）和(−)-表没食子儿茶素-3-O-（4-O-甲基）-没食子酸酯（EGCG4″Me）。先前的研究表明，O-甲基转移酶（OMT）可以催化甲基化儿茶素的形成，但参与3″和4″位特定O-甲基化的关键OMT仍未被鉴定出来。
研究团队经过长达9年的科研积累，首先通过人工杂交的方式创制了一个以著名茶树品种‘金萱’和‘紫娟’为亲本的F1代分离群体，再利用F1子代中EGCG3″Me含量极端的单株为材料进行混合分组转录组测序，并结合27份遗传背景广泛的茶树资源的转录组测序，发掘鉴定出了CsFAOMT1和CsFAOMT2等两个关键OMT候选基因。研究表明：蛋白CsFAOMT1在EGCG的3ʹʹ位具有特定的O-甲基转移酶活性而生成EGCG3″Me，蛋白CsFAOMT2催化EGCG主要形成EGCG4″Me。在不同的茶树资源和组织中，基因CsFAOMT1和CsFAOMT2的转录水平分别与EGCG3″Me和EGCG4″Me的含量高度正相关。此外，本研究还成功解析了CsFAOMT1和CsFAOMT2的蛋白晶体结构，阐明了O-甲基化仅发生在EGCG等酯型儿茶素D环上的分子机制，并揭示了3′′和4′′位O-甲基化所需的关键氨基酸。
该研究鉴定并明确了调控茶树甲基化儿茶素生物合成的关键酶及基因，揭示了高甲基化儿茶素性状形成的分子机制，为茶树资源的高效利用和高甲基化儿茶素品种培育提供了重要理论依据，也为解析茶树其它重要经济性状提供了研究思路和参考案例，具有重要的科学意义和应用前景。
论文第一作者为中国农业科学院茶叶研究所金基强副研究员及其指导的硕士生璩馥榕和刘庆帅、科研助理魏梦园和暨南大学博士生黄慧思，通讯作者为陈亮研究员、姚明哲研究员和暨南大学张志民研究员。该研究得到国家自然科学基金、中国农业科学院创新工程及所级青年英才等项目的资助。
图2 CsFAOMT1和CsFAOMT2的晶体结构及关键氨基酸
