光信号对茶树叶片类黄酮合成调节机制的研究进展

闾怡清，金晶，胡美娟，叶红燕，叶俭慧*，梁月荣

1.浙江大学茶叶研究所，浙江 杭州 310058；2.浙江省农业技术推广中心，浙江 杭州 310000；3.浙江华茗园茶业有限公司，浙江 永康 321300

类黄酮化合物是茶树（Camellia sinensis）重要的次生代谢产物，具有抗氧化、抗炎等多种生理功效[1-2]，是茶叶重要的品质和功能成分。此外，类黄酮化合物参与茶树的生长发育和逆境胁迫[3-4]，其生物合成受到光照、温度、水分等外界环境条件以及生物胁迫的影响[5-8]。光照是植物生长的必要环境因子，为茶树光合作用提供能量，同时参与调节茶树生长发育和次生代谢。研究表明，茶树类黄酮生物合成受到光照强度和光质的影响[5,9]。

1 茶叶中主要的类黄酮物质

类黄酮化合物占茶树幼嫩新梢干物质的15%～30%[10]。类黄酮是以2-苯基苯并吡喃为基本结构的一类物质，其基本骨架如图1-A 所示。黄烷醇（图1-B）、黄酮醇（图1-C）和花青素（图1-D）及其衍生物是茶树主要的类黄酮物质。黄烷醇类化合物又称儿茶素类化合物，是茶树主要的类黄酮物质，占茶多酚总量的70%～80%[11]，主要包括儿茶素（C）、表儿茶素（EC）、没食子儿茶素（GC）、表没食子儿茶素（EGC）、儿茶素没食子酸酯（CG）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）、没食子儿茶素没食子酸酯（GCG）、表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）8种单体。茶叶中，黄酮醇类化合物是含量仅次于儿茶素类化合物的类黄酮物质，约占多酚总量的13%[11]。根据苷元部分，黄酮醇类化合物可分为山奈酚苷、槲皮素苷、杨梅素苷三大类；根据糖基部分，可分为单糖苷、双糖苷、三糖苷三大类。花色苷在茶树叶片中有少量分布，一般占茶树叶片干物质的0.01%左右。但在紫化茶树品种中，花色苷含量可达到叶片干重的0.5%～1.0%[12]。茶叶中花色苷主要有矢车菊素苷、飞燕草素苷和天竺葵素苷三大类。

图1 类黄酮物质的分子结构示意图

2 类黄酮生物合成途径及调控

植物体内的类黄酮生物合成途径主要包括苯丙烷途径和类黄酮合成途径（图2）。碳水化合物经莽草酸途径转化为苯丙氨酸，进入苯丙烷途径，生成香豆酰辅酶A，再经查尔酮合成酶（CHS）催化，进入类黄酮合成通路。在类黄酮合成途径的下游，分支生成黄烷醇、黄酮醇苷及花色苷等[13]。其中，糖基化是类黄酮化合物的重要终反应之一，而类黄酮糖基转移酶（UFGT）是重要的催化酶。

图2 类黄酮物质的生物合成途径

转录因子（Transcription factor）调节目的基因在特定的时间、空间，以特定的强度进行表达，具有调节目标基因转录水平的作用。类黄酮物质的生物合成亦受到转录因子的调控。MYBs、bHLHs和WD40s是调节类黄酮生物合成最重要的3 个转录因子家族。已从茶树中克隆得到Cs-MYB4a 转录因子，该转录因子能对结构基因CsC4H、Cs4CL、CsCHS、CsLAR及CsANR2的转录起到负调节作用[14]。Zhao 等[15]发现CsMYB12和CsbZⅠP1，CsMYB4 和CsMYB7 均 能 与CsFLS和CsUGT78A14的启动子区域发生互作。在烟草验证体系中，CsMYB5a 和CsMYB5b 能促进原花青素在烟草中的积累[16-17]。除MYB 转录因子以外，研究表明CsbHLH62、CsWRKY57like 分别能与CsDFR、CsLAR、CCoAOMT基因启动子区域发生互作，进而参与茶树甲基化EGCG 的合成调控[18-19]。MYB-bHLH-WD40 复合体（MBW 复合体）参与类黄酮生物合成通路下游结构基因的转录调控，如CsMYB85 与CsWD40、CsTT8s、Cs-GLs相互作用形成MBW复合物，调节原花青素的合成[20]。CsMYB196（CsMYB5b）与CsMYB184（CsMYB1）分别与CsWD40、CsTT8a 形成MBW三元复合物，调节CsANR的转录[17,20]。Liu 等[21]报道CsWD40 可 与bHLH 转 录 因 子CsGL3 和CsTT8，以及MYB 转录因子CsAN2 和CsMYB5e发生互作，形成MBW 复合物进而调节花色苷和原花青素的积累。 CsMYB1 能与CsGL3 和CsWD40形成MBW复合物进而促进儿茶素合成基因 的 转 录，如CsANS、CsANR和CsSCPL1A[22]。此外，共表达分析法是筛选获得参与类黄酮合成调控候选转录因子的重要方法[23-24]。

3 光照强度对茶树类黄酮合成的影响

强光照促进茶树叶片类黄酮物质的生物合成，尤其是黄酮醇苷类和花色苷的积累[25-26]。茶树类黄酮合成相关基因启动子序列含有多种光响应元件，如G-box、ACE、GT1-motif、Box 4、Sp1、TCT-motif等，这是茶树类黄酮合成易受到光照条件影响的重要原因。黑网遮阴能有效降低茶树生长环境的光照强度，从而减少茶树叶片苦涩味物质的合成。黑网覆盖遮阴能有效下调茶树苯丙烷途径结构基因的表达水平， 例如CsPAL、CsC4H、Cs4CL、CsCHS、CsF3H、CsF3'H，CsF3'5'H、CsDFR、CsANS、CsANR1、CsFLS和CsUFGT[7,15,27]。此外，类黄酮合成相关转录因子MYBs 的表达，如MYB12，亦受到光信号的调节[20,28]。不同类黄酮物质对光照强度的响应存在差异，黄酮醇苷类物质相较于儿茶素类物质更容易受到光照的影响[15]。在相同遮阴条件下，龙井43、中茗192、望海1 号、景宁1 号和中黄2 号的黄酮醇苷类物质降幅大于儿茶素类化合物[21]。Wang 等[7]亦发现经遮阴处理后茶树叶片的黄酮醇苷类物质的降幅较其他类黄酮化合物大，而不同儿茶素类化合物亦对光照存在差异响应。研究表明EC、EGC对遮阴处理响应迅速[29]。由于茶树叶片EGCG、ECG 的含量经遮阴处理的降幅较小[28-30]，具体表现为遮阴后酯型儿茶素占比增加[28]。不同茶树品种对黑网遮阴处理存在响应差异。研究表明，玉绿新梢的茶多酚含量在遮阴后期不再降低，而毛头种新梢的茶多酚含量在遮阴后期仍有明显减少[31]。黑网覆盖遮阴能普遍减少不同茶树品种主要苦涩味物质的合成和积累，这一原理已广泛应用于抹茶产品的田间栽培管理[32]。同时，覆盖遮阴还能显著提高茶叶叶绿素含量和氨基酸含量，使茶叶色泽更绿，滋味更鲜爽，改善茶叶口感，提升抹茶品质。在实际生产中，一般采用90%～95%遮阳度的黑色遮阳网覆盖20 d 左右[33-34]，能有效改变茶叶的内质成分[29,35-36]。然而，由于遮阴显著降低茶树生长的光照强度，延缓乃至抑制了茶树新梢生育，同时大幅度降低了茶树成熟叶片的光合效率，这对单位时间内或单位面积的鲜叶产量有所影响。因此，可以通过补充大量肥料来减少遮阴对茶树生长的影响。遮阳网的使用和损耗、有机肥的大量施用和茶树生长量的减少，这些因素提高了抹茶生产的成本，不利于抹茶相关产业的进一步扩张。

4 光质对茶树类黄酮生物合成的影响

太阳光由紫外光区段（400 nm以下）、可见光区段（400～710 nm）和红外光区段（710～1 000 nm）组成，其中可见光区段由17%蓝光（400～495nm）、44%绿光（495～570 nm）、30%黄光（570～590 nm）和9%红光（590～710 nm）组成。研究表明，茶树类黄酮生物合成对不同的光质具有差异响应。在密闭环境中，低照度（紫外照度＜1 μmol/m2·s）或短时间（30 min 以内）的UVB 辐照能促进茶树叶片儿茶素类化合物的积累，而过量的UVB辐照会减少儿茶素类化合物的含量[37]。UVB 处理能够降低茶树叶片儿茶素化合物的含量[38]，增加黄酮醇苷类和花色苷的含量[15,38-39]。研究表明，紫外光在芽叶花色苷和黄酮醇苷的积累中起主要作用[40-41]。UVB 处理能促进苯丙烷途径CsPAL、Cs4CL、CsC4H的表达上调[38]，能诱导CsMYB4转录进而抑制类黄酮合成途径CsLAR、CsANR、CsFLS的表达，使得花色苷生物合成加强，具体表现为花色苷含量显著增加，儿茶素类化合物含量下降[39]。除结构基因以外，类黄酮合成相关转录因子亦能响应UVB辐照。经UVB辐照后茶树叶片CsCPCa、CsCPCb、CsMYBL2b表达水平下调[20]，其中拟南芥突变体中已证明CsCPCa的过表达可积累更多的花色苷。UVB 辐照还能促进转录因子CsBZⅠP1和CsMYB12形成复合体，进而促进CsFLS和CsUGT78A14转录，提高黄酮醇苷类化合物的含量[15]。

茶树类黄酮合成相关基因表达水平和酶活力受到不同可见光波段的影响。陈思肜[42]对茶树进行红光、蓝光补光处理，发现茶树中儿茶素类化合物对有色光补光的响应与其补光强度和补光时间有关。张泽岑等[43]报道经黄色薄膜处理后茶树叶片的花色苷含量增加。王加真等[44]发现100%的红光能促进茶树多酚含量的积累。Zheng等[24]发现夜间采用蓝光补光可以促进茶树叶片花青素和儿茶素的积累，蓝绿光补光能增加主要儿茶素类化合物的含量，且蓝光的效果要优于蓝绿混合光。红蓝光配比对茶树叶片的类黄酮含量影响不大[45]，而夜间进行红蓝光混合光补光，在一定程度内能增加茶树叶片多酚含量[46]。李智[40]发现蓝紫光能够影响F3H、DFR 的酶活力，而红橙光主要影响CHⅠ、ANS 的酶活力，但光质对CHS、ANR的酶活力无明显作用。有研究报道高强度蓝紫光能提高F3H 的酶活力，而低强度蓝紫光能提高ANR的酶活力[40]。

5 光信号转导对茶树类黄酮生物合成的调节作用

植物通过光信号转导系统响应外界光环境，并进而调节自身生长代谢。光受体是植物对光环境的重要感知器，主要包括UVB 光受体（UVR8）、光敏色素（PHYs）、向光素受体（PHOTs）和隐花色素（CRYs）。光受体在接受光信号后，启动植物光形态建成和其他生理代谢过程中，光信号元件，如COP1、PⅠFs、SPAs、HY5等，也参与其中。UVR8 是植物感知UVB 的光受体[47]，与植物类黄酮合成密切相关[28,48-49]。在UVB处理下，UVR8蛋白能与COP1发生相互作用促进HY5 的积累，进而调控下游UVB 靶基因的转录[50-51]。HY5可与靶基因启动子区域的G box元件发生互作[52]，还可以促进自身转录[53]。在拟南芥hy5 突变体中已证明CsHY5 能够响应UVB 促进类黄酮的生物合成，体现在CsHY5 能与CsDFRa、CsFLS、CsLARa基因的启动子区域发生互作[38]。HY5 还通过诱导介导类黄酮合成途径的转录因子的转录启动并影响类黄酮的合成积累。Lin等[38]研究发现当UVB被滤除后，参与调控茶树类黄酮合成的CsHY5、CsMYB12、CsMYB75转录因子表达量下调，酵母双杂交技术证明了茶树CsHY5 与CsMYB12蛋白之间存在互作。在拟南芥中已证实HY5与MYB12之间发生互作从而调节类黄酮的生物合成[54]。此外，在被子植物中向光素受体家族被分为PHOT1和PHOT2两大分支，是植物感知蓝光信号的光受体。在茶树中，已鉴定到Cs-PHOT1a、CsPHOT1b和CsPHOT2[55]等光受体。隐花色素也是植物中重要的蓝光受体，其对应的CsCRY1和CsCRY2基因亦在茶树中被鉴定和克隆。蓝光能够诱导CsCRY1和CsCRY2基因表达水平的显著上调[56]。此外，CsCRYs的表达具有组织特异性：根＞叶＞花＞茎[56]。Tai 等[28]采用遮阴处理茶树叶片，发现CsCRY1和CsCRY2的转录水平与CsCHSs和CsFLS呈负相关。关于光信号转导对茶树类黄酮合成，特别是花色苷和黄酮醇苷生物合成的分子作用机制，仍有待深入研究。

6 结语

光是调节茶树生长发育和次生代谢的重要环境因子。类黄酮是茶树重要的次生代谢产物，与茶叶的滋味品质和生理活性密切相关，同时还参与茶树对外界环境的响应。基于光信号对茶树类黄酮生物合成的作用机制，科研工作者们开展了大量通过覆盖遮阴和LED 灯补光等技术改善茶叶品质的研究工作。覆盖遮阴已广泛应用于抹茶生产，能有效降低茶叶的苦涩味物质，改善茶叶的口感。近年来，光信号介导的类黄酮生物合成调控相关研究在众多园艺植物中已有报道。而关于光信号转导对茶树类黄酮生物合成的分子调节机制仍有待深入研究。明确光照强度、光质和光周期等因素对茶树类黄酮生物合成的影响和作用机制有助于开发新的栽培措施，为改变茶树重要滋味成分组成，提升茶叶品质提供科学指导和理论依据。