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The Plant J|在茶树中鉴定茶氨酸转运蛋白

The Plant J|在茶树中鉴定茶氨酸转运蛋白

安徽农业大学茶树生物与利用国家重点实验室和南京农业大学作物遗传与种质改良国家重点实验室的研究人员于The Plant Journal上发表了一篇题为“Theanine transporters identified in tea plants (Camellia sinensis L.)”的研究文献,该文献报告了在茶树中鉴定的茶氨酸转运蛋白。

文章来源

背景

茶叶中丰富的促代谢物使其成为最受欢迎的饮料之一。茶氨酸是茶叶中最重要的促代谢物之一,是一种非蛋白源氨基酸,茶鲜味的主要成分,能平衡茶叶中儿茶素和咖啡因的苦味。目前,茶树中茶氨酸转运的机制仍然未知。在这里,通过酵母文库筛选,进行功能分析,确定了谷氨酰胺渗透酶GNP1是酵母中茶氨酸的特异性转运蛋白。


结果

酵母Gln渗透酶GNP1转运茶氨酸

酵母已被广泛用作鉴定AAT的模型,使用酵母文库进行了遗传筛选,以鉴定酵母中该茶氨酸摄取能力的潜在基因。在含有茶氨酸的培养基上进行突变筛选,发现野生型酵母的生长明显受到抑制,从中鉴定出570株茶氨酸不敏感突变体。从中鉴定出相关基因,这些基因被认为是编码茶氨酸转运体的候选基因。

茶氨酸通过谷氨酰胺渗透酶GNP1在酵母中特异性转运

1. 茶氨酸通过谷氨酰胺渗透酶GNP1在酵母中特异性转运

为了研究茶氨酸的转运能力,克隆了这些候选基因,然后将其转移到酵母突变菌株中。结果为以下假设提供了支持:在酵母中GNP1可以转运茶氨酸,而编码其他转运蛋白的基因突变可以间接影响茶氨酸转运。综合结果表明茶氨酸可以通过具有Gln转运活性的氨基酸转运蛋白转运,而不能通过赖氨酸等其他转运蛋白转运,可能是由于茶氨酸和Gln之间的结构相似。


茶树中的特定AAP可以转运茶氨酸

为了鉴定茶树中潜在的茶氨酸转运蛋白,接下来尝试鉴定GNP1同源物。由于 AAP家族成员是植物中研究最多的AAT,并且已经被证明优先运输中性和酸性氨基酸,包括Gln,研究了CsAAP运输茶氨酸的能力。研究发现表明CsAAP是进化保守的。测定表明六种CsAAP可以转运茶氨酸,但亲和力存在明显差异。

CsAAP运输茶氨酸

2. CsAAP运输茶氨酸

CsAAP对茶氨酸的亲和力各不相同

为了进一步评估这些CsAAP对茶氨酸的亲和力,分析了它们的转运动力学。进一步研究表明,这六个CsAAP具有转运茶氨酸的能力。CsAAP4CsAAPCsAAP6对茶氨酸的亲和力CsAAP1CsAAP3CsAAP8高,与酵母生长分析一致。这些发现证实了这六种CsAAP对茶氨酸的吸收具有不同的亲和力。

通过CsAAP1/2/4/5/6/8进行茶氨酸转运的动力学和底物特异性分析

3. 通过CsAAP1/2/4/5/6/8进行茶氨酸转运的动力学和底物特异性分析

CsAAPs表现出pH依赖的茶氨酸转运

被测CsAAP的茶氨酸转运特性表现出明显的pH依赖性。随着培养基 ph 值从4增加到8,茶氨酸转运性能下降。

酵母菌株中CsAAP1/2/4/5/6/8摄取茶氨酸的pH依赖性

4. 酵母菌株中CsAAP1/2/4/5/6/8摄取茶氨酸的pH依赖性

CsAAP的组织特异性表达

为了深入了解CsAAP在茶氨酸运输中的功能,接下来在茶树中研究了CsAAP在各种组织中的表达,包括叶、芽、茎和根中提取的维管束。CsAAP1主要在叶片中表达,CsAAP2在维管组织和根中高表达,与其他CsAAP相比,CsAAP8在根和茎中高表达。结果表明,这些CsAAP可能在多种组织中起作用。

茶树中CsAAP1/2/4/5/6/8的组织特异性表达

5. 茶树中CsAAP1/2/4/5/6/8的组织特异性表达

CsAAPs表达的季节性调节

茶氨酸是茶树中氮的主要储存和运输形式,为了深入了解CsAAP在茶氨酸季节性长途运输中的作用,在冬季和春季的四个时间点研究了这6CsAAP在根和叶芽中的表达。结果表明CsAAP1CsAAP2参与了茶根系统中茶氨酸的季节性调控。

冬季和春季茶树根和芽中茶氨酸含量和CsAAP1/2/4/5/6/8表达

6.冬季和春季茶树根和芽中茶氨酸含量和CsAAP1/2/4/5/6/8表达

茶根中CsAAP1的表达与茶氨酸从根到茎的转运相关

为了进一步探索CsAAP在茶氨酸从根到茎的运输中的作用,接下来在相同的四个季节时间点评估了七个不同茶树种的芽和根中茶氨酸的含量。结果表明,在春季,茶氨酸被不断地从根系运输到新芽。结果变化也反映了这项研究评估的这七个品种中茶氨酸转运活性的差异。综上所述, CsAAP1在茶氨酸从根到芽的整个运输过程中起关键作用。

在不同茶树品种中CsAAP1的表达与茶氨酸的转运高度相关

7. 在不同茶树品种中CsAAP1的表达与茶氨酸的转运高度相关

结论

在这里确定了茶AAP家族的AAT的特定成员,与茶氨酸相比,6种特征性的CsAAPGln等表现出更高的亲和力。CsAAP1在根中的表达与茶氨酸从根到芽的运输呈正相关。茶氨酸的细胞内和细胞间转运是进一步研究的重要方向。

该研究得到了国家自然科学基金和安徽省科学技术厅以及安徽省自然科学基金的支持。

参考文献

1Ashihara, H. (2015) Occurrence, biosynthesis and metabolism of theanine (c-glutamyl-L-ethylamide) in plants: a comprehensive review. Nat. Prod. Commun. 10, 803–810.

2Bellocchio, E.E., Reimer, R.J., Fremeau, R.T. Jr and Edwards, R.H. (2000) Uptake of glutamate into synaptic vesicles by an inorganic phosphate transporter. Science, 289, 957–960.

3Besnard, J., Pratelli, R., Zhao, C., Sonawala, U., Collakova, E., Pilot, G. and Okumoto, S. (2016) UMAMIT14 is an amino acid exporter involved in phloem unloading in Arabidopsis roots. J. Exp. Bot. 67, 6385–6397.

文献链接

https://doi.org/10.1111/tpj.14517

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茶叶中丰富的促代谢物使其成为最受欢迎的饮料之一。茶氨酸是茶叶中最重要的促代谢物之一,是一种非蛋白源氨基酸,茶鲜味的主要成分,能平衡茶叶中儿茶素和咖啡因的苦味。目前,茶树中茶氨酸转运的机制仍然未知。在这里,通过酵母文库筛选,进行功能分析,确定了谷氨酰胺渗透酶GNP1是酵母中茶氨酸的特异性转运蛋白。
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