茶树 (Camellia sinensis)、咖啡等重要饮料植物中富含咖啡因等嘌呤生物碱类代谢物。它们不仅参与茶叶风味形成，还具有显著的生理活性，如提神醒脑、抑菌抗氧化等。嘌呤生物碱的生物合成依赖于上游嘌呤代谢途径和S-腺苷甲硫氨酸 (SAM) 循环。腺苷与腺嘌呤等嘌呤代谢物为其提供嘌呤骨架，SAM循环为其甲基化反应提供甲基基团。然而，茶树中嘌呤代谢途径的遗传及调控机制尚未被完全解析。

      近日，JIPB在线发表了华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室闻玮玮教授团队题为“The horizontally transferred gene, CsMTAN, rewired purine traffic to build caffeine factories in tea leaves”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.13957)，揭示了茶树中嘌呤生物碱相关代谢物的积累模式及其遗传基础。

      该研究首先对包含183份多样性种质资源的茶树自然群体的幼嫩叶片 (YL) 和成熟叶片 (ML) 进行嘌呤及嘌呤生物碱等10种代谢物的测定，发现了嘌呤生物碱及其上游代谢物间高度相关的积累模式。代谢物全基因组关联分析 (mGWAS) 共定位到17个与嘌呤及嘌呤生物碱积累显著关联的位点，包括一个已知的编码咖啡因合成酶TCS1的位点。对其他16个新定位到的位点的深入分析，筛选到一个与茶树群体中的腺嘌呤核苷含量变异显著关联的关键基因CsMTAN (图1)。

图1.  嘌呤生物碱相关代谢物全基因组关联分析及功能基因鉴定

      CsMTAN编码的MTA/SAH核苷酶能够催化MTA和SAH降解分别生成MTR和SRH，同时释放腺嘌呤。由T→A碱基自然变异导致的第179位氨基酸替换 (苯丙氨酸→酪氨酸) 使CsMTAN蛋白的催化效率显著降低。在CsMTAN-T和CsMTAN-A瞬时过表达的烟草叶片中腺嘌呤含量均显著升高，而腺嘌呤核苷含量均剧烈下降，且过表达CsMTAN-T叶片中的腺嘌呤核苷含量显著低于过表达CsMTAN-A的叶片。茶树群体中携带CsMTAN-A/A与CsMTAN-T/T两种基因型的种质中，腺嘌呤和腺嘌呤核苷含量的变化与上述烟草中的结果高度一致，充分验证了该基因对嘌呤代谢物生物合成的关键作用。

      进一步系统进化分析发现，CsMTAN及一些植物MTANs与其宿主植物的进化关系并不完全一致 (图2)。在山茶属植物中，CsMTAN的基因和蛋白序列表现出高度保守性，其中T/T，C/C基因型是祖先基因型，基因编码区的SNP55151898 (T→A) 和SNP55152064 (C→G) 单碱基变异仅在茶树中被鉴定到。等位基因CsMTAN-A在CSA和CSS茶树中均存在，且其分布频率在不同地理来源的茶树种质间存在明显差异。

图2.  CsMTAN基因挖掘验证与系统发育分析过程示意图

      综上，该研究阐明了茶树中CsMTAN介导的嘌呤合成与代谢的新通路，完善了对植物嘌呤代谢途径的认识。CsMTAN及其自然变异的发现为茶树品质改良提供了重要的基因资源。此外，水平基因转移事件的发现为理解山茶属植物嘌呤代谢的遗传多样性提供了新的见解，也为植物代谢研究开辟了新视角。

      华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室闻玮玮教授为本文的通讯作者。华中农业大学园艺林学学院果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室博士生贾欣欣、张小亮为论文的共同第一作者，硕士生陈雪丽、马克斯普朗克分子植物生理所Alisdair Fernie教授参与了研究。该研究得到了国家自然科学基金重大项目 (32494781)、国家自然科学基金国际合作交流项目 (32161133017) 的资助。华中农业大学园艺林学学院果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室公共平台给予了重要支持。

论文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.13957

本文转自公众号：植物科学最前沿（mp.weixin.qq.com/s/AXSVPYpnpjDhYNcbjTIOCg）