学者专栏 | 青岛农业大学丁兆堂教授团队首次揭示茶树感知氮营养的赖氨酸乙酰化修饰机制

2018-12-13 17:09:04, 丁兆堂教授杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物/专栏

编者按：茶叶源于中国，在西汉中期，茶已被当做饮料。到两晋南北朝时期，饮茶习俗已传播到国内大部分地区。唐代茶叶消费的兴盛，极大地促进了茶叶生产的发展。中唐以后茶成为“举国之饮”。现代研究表明，茶叶中含有茶多酚、咖啡碱、肌醇、叶酸、泛酸等多种成分，适当引用可以促进人体健康，故受各国人民的喜爱。因其重要的经济价值，和咖啡、可可一起被成为"世界三大饮料"。

长期以来，中国在对外贸易中一直存在较大的顺差，其原因之一是中国垄断了茶树资源。欧洲人千方百计要改变双方贸易利差的局面，最后借助两类植物达到了目的，一个是罂粟，另一个就是茶树。英国人Robert Fortune在19世纪中期四次来华盗采茶树，通过最新植物长途运输技术，最终在印度成功种植茶树。到19世纪末，印度茶叶占据了英国国内市场的90%，中国茶在世界的垄断地位彻底被打破。

氮元素对茶树的生长至关重要：茶树缺氮表现为叶张变薄变小，叶色变黄；生长缓慢，驻芽出现早、叶片寿命缩短，产量显著下降。严重缺氮的茶树，发芽轮次凌乱，生长停滞，更严重的会全株枯死。

为了研究茶树对氮胁迫的响应，研究人员以1年生的茶树幼苗为材料，在正常含氮的营养液中培养一周，然后转入去除铵盐的营养液中，作为氮饥饿处理一周，继而转入含氮培养液中培养3小时、3天。研究表明缺氮幼苗在补氮3小时后，其叶片氮含量就增加了近30%，证明茶树有非常强的氮吸收能力。

由于氮胁迫抑制光合作用，研究人员发现补氮后，茶叶PSII光能转换效率也恢复正常。之前氮研究表明拟南芥光合作用中蛋白普遍受到赖氨酸乙酰化修饰调控。因此，研究人员利用Western Blotting分析茶树在恢复氮补给后赖氨酸乙酰化水平的变化，结果发现低氮胁迫赖氨酸乙酰化水平很高，3天处理后赖氨酸乙酰化水平显著降低，暗示赖氨酸乙酰化修饰在茶树的氮响应中具有重要作用。

因此，研究人员利用氮胁迫7天，恢复氮处理后3小时，3天氮叶片为材料，利用乙酰化蛋白质组学技术分析三个时期蛋白质赖氨酸乙酰化水平的变化。

研究人员鉴定到了1286个蛋白上的2229个赖氨酸乙酰化位点。大多数鉴定到的赖氨酸乙酰化蛋白位于叶绿体(39%)和细胞质(29%)中。和光合作用相关的乙酰化蛋白主要集中在蛋白复合物光系统I、光系统II和细胞色素b6/f复合物中，与光合作用相关的蛋白，如LHCA1、LHCA3、LHCB6、psaE、psaD、psaN等发生了明显的乙酰化作用。暗示蛋白质赖氨酸乙酰化修饰影响了氮胁迫对光合作用的抑制。

生物体处于逆境条件下，糖酵解途径可以提供额外的能量，本研究中也发现，茶树在恢复氮供给后，糖酵解途径中的相关的蛋白，如ENL、PEPC乙酰化下调，暗示赖氨酸乙酰化修饰在恢复氮供给后加快茶叶的糖酵解途径。

茶多酚属于黄酮类次生代谢产物，是茶叶中主要的活性成分，其含量和种类很大程度上影响了茶叶的品质。Phenylalanine ammonia lyase（PAL）和dihydroflavonol4-reductase（DFR）是苯丙烷合成途径中的关键酶，结果表明两者的乙酰化在恢复氮处理3小时候增加。暗示氮复供会迅速刺激PAL和DFR的乙酰化，从而对类黄酮代谢物的合成进行调整。

该研究为茶树响应氮营养时发生赖氨酸乙酰化修饰的首次报道，从光合作用、糖酵解和类黄酮代谢等多角度，阐述蛋白质乙酰化修饰在茶树氮营养状态变化下的响应机制。论文发表在国际学术期刊《BMC Genomics》上，得到了山东省现代农业产业技术体系项目、山东省现代农业重大技术创新项目、山东省泰山学者计划支持。硕士研究生姜举堂为论文第一作者，泰山学者特聘专家、山东省茶叶产业体系首席专家丁兆堂教授为论文的通讯作者。

通讯作者介绍

丁兆堂，博士，泰山学者特聘专家，二级教授，享受国务院特殊津贴专家，山东省有突出贡献的中青年专家，山东省现代农业产业技术体系茶叶创新团队首席专家，中国茶叶学会常务理事，山东省农业专家顾问团林果分团成员，山东省园艺学会茶学专业委员会主任委员，青岛农业大学学术委员会委员，青岛农业大学园艺学院硕士生导师，青岛市茶叶学会理事长、青岛市农业专家顾问团成员，《茶叶科学》、《山东农业科学》编委等。

丁兆堂教授主要从事茶树生长发育及其环境应答的分子机理研究。迄今为止，主持承担多项国家自然科学基金、国家科技支撑计划及省重大技术创新项目等20余项。获山东省科技进步奖二等奖2项，三等奖2项，安徽省科技进步奖二等奖1项，青岛市科技进步奖3项，育成茶树品种3个，授权发明专利9项，主持制定省级地方标准6部，在Frontiers in Plant Science, BMC Genomics, Journal of Theoretical Biology, Plant Physiology and Biochemistry, Journal of Plant Physiology 等国内外学术期刊上发表研究论文70余篇。