茶树新资源‘华白1号’的白化分子机理研究

Tea varieties are the foundation of tea industry. Superior tea germplasms are a key base of tea varieties. A distinctive albino tea germplasm has been discovered, named as ‘Huabai 1’. It has of jade white tender shoots, shows white sepal and pericarp, possesses high amino acid content and excellent sensory quality. The phenotypic expression of ‘Huabai 1’ is significantly different from temperature-sensitive and light-sensitive albino tea varieties. It is a very suitable novel material to study tea albino mechanism multi-dimensionally. The research project aims to pursue identification of key genes controlling albino phenotype of ‘Huabai 1’ through transcriptomic analysis and chloroplast genomic analysis. The relationship between chloroplast development and albino phenotype will be analyzed via chloroplast ultrastructure observation and the expression of key genes and proteins. The metabolomes will be detected and analyzed to determine the differential metabolic pathways and the target metabolic sites of key genes involved in albinism of ‘Huabai 1’. Interaction of key proteins of albinism will be detected by yeast two-hybrid system and bimolecular fluorescence complementation method. In conclusion, it is of important scientific significance to the development and utilization of ‘Huabai 1’ by revealing the albino molecular mechanism in a multi-dimensional way of ‘key genes-proteins-metabolites-albinism’.

茶树品种是茶叶产业的基础，茶树优异资源是新品种选育的前提。申报者发现新梢、花萼和果皮均呈白化特征、游离氨基酸含量高、制茶品质好的特异茶树种质资源‘华白1号’，与温敏型和光敏型白化茶树资源的表型有显著差异，是多维度研究茶树白化机理的特异材料，具有重要的研究价值。项目通过转录组和叶绿体基因组分析，获得控制‘华白1号’白化表型的关键基因；利用透射电子显微镜观察‘华白1号’叶绿体发育的结构特点，结合关键基因和蛋白的表达，分析叶绿体发育与白化表型的关系；通过代谢组分析明确‘华白1号’的差异代谢途径，探明白化关键基因的靶向代谢位点；利用酵母双杂交和双分子荧光互补技术分析白化关键基因编码蛋白的互作机制。项目从“白化关键基因-蛋白-代谢物质-表型”多维度阐明的白化分子机制，对‘华白1号’资源的开发利用具有重要科学意义。

‘华白1号’是新发现的白化优异种质资源，其白化新梢较其它白化茶树富集更多的茶氨酸，本项目以其为材料挖掘白化茶树叶色变异与茶氨酸富集的机制。本研究用透射电子显微镜观察‘华白1号’和‘白叶1号’叶片叶绿体大小及类囊体结构，结果表明，‘白叶1号’返绿叶片叶绿体发育正常，而‘华白1号’白化和返绿叶片叶绿体发育都不完全。对‘华白1号’白色与绿色新梢转录组进行分析，发现‘华白1号’叶色变化是苯丙烷类生物合成相关途径综合作用的结果，并且鉴定了两个与叶绿素生物合成相关的关键基因：STAY-GREEN（SGR）和光捕获复合体II叶绿素a/b结合蛋白（LHCII）。为了深入研究SGR和LHCII在‘华白1号’叶色白化中的作用，构建CsSGR和CsLHCII过表达载体，将目的基因导入野生型和突变体拟南芥，结果显示，CsSGR过表达植株后代产生白化表型，可以促进叶绿素分解；CsLHCII过表达植株叶片的叶绿素含量显著上升，其转录调控叶绿素生物合成代谢通路。这说明CsSGR和CsLHCII分别在茶树新梢叶绿素分解和积累中发挥重要作用。利用酵母双杂交对CsSGR和CsLHCII的互作蛋白进行筛选分别获得6个和12个互作蛋白，并且发现受温度调控的CssHSP同时与CsSGR和CsLHCII互作，这为‘华白1号’属于温敏型白化茶树的论点提供了初步证据。此外，对茶树谷氨酰胺合成酶基因（CsGSs）进行体内外的功能验证，发现CsGSs均为合成谷氨酰胺和茶氨酸的双功能酶，其中，CsGS2过表达可以缓解突变体拟南芥的失绿表型，为CsGS2参与‘华白1号’白化新梢失绿过程提供直接证据。