全 文 ：园 艺 学 报 2014，41（10）：2094–2106 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期：2014–05–05；修回日期：2014–06–03
基金项目：国家自然科学基金项目（31070614，31370687）；教育部博士学科点专项科研基金项目（20123418110002）
* 同等贡献者
** 通信作者 Author for correspondence（E-mail：weishu@ahau.edu.cn）
茶树萜类香气物质代谢谱与相关基因表达谱时
空变化的关系
刘晶晶 1,*，王富民 1,*，刘国峰 1，贺志荣 2，杨 华 1，韦朝领 1，宛晓春 1，
魏 书 1,**
（1 安徽农业大学茶与食品科技学院，茶叶生物化学与生物技术重点实验室，合肥 230036；2 攸县食品药品监督管理
局，湖南株洲 412300）
摘 要：针对影响茶叶香气品质的关键物质在鲜叶和花中的含量和相关基因表达的关系，以茶‘农
抗早’[Camellia sinensis（L.）O. Kuntze‘Nongkangzao’]不同发育阶段鲜叶和花为试材，进行气相色谱
和质谱分析。结果表明，茶树叶片萜类化合物含量受叶片发育阶段影响，表现为幼叶中多、老叶中少；
糖苷态多、游离态少。此外，对前期获得并初步注释的茶树转录组数据库进行挖掘，发现了编码 10 个萜
类合成酶——芳樟醇合成酶（CsLIS）、香叶烯合成酶（CsMYS）、(E)–β–罗勒烯合成酶（CsOCS）、(R)–
柠檬烯合成酶（CsLIM）、(–)–α–萜品醇合成酶（CsTES）、(+)–α–水芹烯合成酶（CsPHS）、大根香
叶烯合成酶（CsGES）、(E,E)–α–法尼烯合成酶（CsFAS）、芳樟醇/橙花叔醇合成酶（CsLIS/NES）和橙
花叔醇/香叶烯芳樟醇合成酶（CsNES/GLS）的基因序列（按照植物基因命名的基本原则对上述基因进行
命名）。上述基因在不同发育阶段叶片和茶树花中的转录水平与萜类香气物质丰度的时空变化有明显的正
相关。此外，逆境信号物质茉莉酸甲酯能显著增强芳樟醇合成酶基因等 6 个基因的表达。
关键词：茶；鲜叶；花；萜类合成酶基因；萜类化合物；代谢谱；表达谱
中图分类号：S 571.1 文献标志码：A 文章编号：0513-353X（2014）10-2094-13

Correlation Between Spatiotemporal Profiles of Volatile Terpenoids and Relevant
Terpenoid Synthase Gene Expression in Camellia sinensis
LIU Jing-jing1,*，WANG Fu-min1,*，LIU Guo-feng1，HE Zhi-rong2，YANG Hua1，WEI Chao-ling1，
WAN Xiao-chun1，and WEI Shu1,**
（1Key Laboratory of Tea Biochemistry and Biotechnology，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China；2Food and
Drug Administration of Youxian，Zhuzhou，Hunan 412300，China）
Abstract：Monoterpenes and sesquiterpenes are the major tea aromatic compounds and important for
tea quality. In this study，efforts were made to elucidate the molecular mechanism controlling volatile
terpenoid biosynthesis in fresh tea leaves. Volatile terpenoid profiles in tea leaves and flowers were
constructed using GC–MS technology. Tea leaves and flowers at different developmental stages exhibited
distinct profiles of volatile terpenoids. Young leaves had more abundant terpenoids than old leaves，and the

10 期 刘晶晶等：茶树萜类香气物质代谢谱与相关基因表达谱时空变化的关系 2095

amount of glycosidically bound terpenoids were higher than free ones. Bioinformatics approaches were
employed to map tea terpenoid synthase genes from previously obtained tea transcriptome data. Genes
encoding for the following ten terpenoid synthases in tea were found：Linalool synthase，myrcene
synthase，(E)-β-ocimene synthase，(R)-limonene synthase，(-)-α-terpineol synthase，(+)-α-phellandrene
synthase ， germacrene D synthase ， (E,E)-α-farnesene synthase ， linalool/nerolidol synthase and
nerolidol/geranyl linalool synthase. Gene expression profiling revealed spatiotemporal patterns of the
tested genes in tea plants. Moreover，their expression patterns were positively correlated to the abundance
of volatile terpenoids. Additionally，the expression of six terpenoid synthase genes were induced by methyl
jasmonate（MeJA），suggesting that emission profile of aromatic terpenoids might be enhanced in practice
through these gene expression manipulation.
Key words：Camellia sinensis；fresh leaf；flower；terpenoid synthase gene；volatlie terpenoid
biosynthesis；metabolic profiling；expression profile

茶[Camellia sinensis（L.）O. Kuntze]香气物质种类多、含量低。按香气物质的化学结构，可将
其分为萜烯类及其衍生物、脂肪族类及其衍生物，芳香族衍生物，含氮、氧等杂环类及其他化合物
（张婉婷 等，2010）。其中，萜类香气物质有百余种之多（张正竹 等，2000），多为挥发性的单萜
（C10，如香叶醇和芳樟醇）和倍半萜（C15，如橙花叔醇）以及降倍半萜（C13，如紫罗兰酮）。这
些物质香味活性高、感受阈值低（Schieberle，1995），常带有浓郁的甜香、花香和木香，对成品茶
的香气香型有特别的影响（Schuh & Schieberle，2006）。
成品茶的香气物质均直接或间接源自茶鲜叶中的代谢产物。研究表明，茶鲜叶中的萜类香气物
质除了游离态外，还有与糖分子结合的糖苷形态。这些积累在叶片中的糖苷态香气前体物质在加工
和饮用时水解呈香（Wang et al.，2000）。茶鲜叶中糖苷态萜类香气前体的种类和含量对红茶和乌龙
茶等发酵和半发酵茶的香气品质起着关键作用（Schuh & Schieberle，2006；贺志荣 等，2012；施
梦南和龚淑英，2012）。
生物学研究表明，茶树挥发性萜类物质具有重要的生态学功能。茶树未受损伤的鲜叶基本无味
或味轻微，偶尔能检测到微量的游离态萜类香气物质（许宁 等，1999）。当茶树遭受昆虫侵害时，
叶片中一些萜类合成酶（terpenoid synthase，TPS）基因的表达明显增强（Gohain et al.，2012）。茶
树在被昆虫取食、UV-B（280 ~ 315 nm）照射和茉莉酸甲酯处理后，叶片挥发性萜类物质含量明显
升高（Izaguirre et al.，2003；桂连友，2004；Dong et al.，2011）。而茶树花，清香带甜，在花蕾绽
放初期，芳樟醇、香叶醇以及橙花醇的含量明显升高，吸引昆虫进行虫媒授粉（游小清 等，1990；
顾亚萍和钱和，2008；Joshi et al.，2011）。在模式植物拟南芥上的研究显示，由萜类前体合成途径
生成的异戊二烯焦磷酸及其异构体在相关的异戊烯基转移酶的作用下，生成香叶烯基焦磷酸和法尼
烯基焦磷酸，再分别经单萜和倍半萜合成酶催化生成挥发性单萜和倍半萜（Rohmer et al.，1993；
Aharoni et al.，2003；Degenhardt et al.，2009）。而对有关茶树萜类香气物质生物合成的研究鲜见报
道。Xiang 等（2013）发现，在茶树萜类前体合成途径（甲羟戊酸途径和赤藓糖醇途径）中一些基
因的表达受代谢前体的调控。但对有关茶树萜类合成酶的研究尚无报道。目前对茶树 TPS 家族基因
的表达调控、对茶树萜类香气物质生物合成时空变化几无所知。
本研究中通过进一步挖掘前期获得的茶树转录组数据，以期发现茶树萜类香气物质合成酶基
因，并探明茶鲜叶中主要挥发性萜类香气物质代谢谱及其相应的基因表达谱的时空表达特点与关系，
揭示茶树萜类香气物质生物合成和释放的分子机理；同时利用茉莉酸甲酯（MeJA）等逆境信号物质
对茶苗进行处理，以探究茶叶增香的技术手段。
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1 材料与方法
1.1 茶树材料生长条件和取样
供试茶树为种植于安徽农业大学试验茶园（合肥大杨店）的 5 年生‘农抗早’。于 2013 年 10—11
月在田间剪取当年生枝条上的第 1、第 3 和第 5 片叶（图 1，A）和 4 个不同发育阶段的花（图 1，
B），液氮速冻后，带回实验室并置于–80 ℃冰箱中备用。


图 1 茶树叶片和花取样图
Fig. 1 Sampling of tea leaves and flowers in this study

1.2 叶片中主要挥发性萜类物质的检测
参照 Arjan 等（2000）的方法提取并检测茶鲜叶的挥发性萜类物质丰度。取 5 g 叶片样品，液
氮中磨碎，加入 50 μL 由酵母菌离体表达的黑曲酶 BGL1 所得到的 β–葡萄糖苷水解酶（Wei et al.，
2004）和 5 mL 无菌水，37 ℃反应 2 h 后顶空抽气及 GC–MS（HS–GC–MS）（Agilent HS-7697A/
GC-7890A/MS-5975C；气相色谱柱为 DB-5）分析，测得茶树叶片全部萜类物质的含量。柱温控
制程序如下：50 ℃先保持 1 min；然后以 10 ℃ · min-1 的速度升温到 100 ℃并保持 1 min；此后
以 4 ℃ · min-1 的速度升温到 200 ℃并保持 1 min；此后再以 3 ℃ · min-1 的速度升温到 280 ℃并
保持 7 min。用同样的方法磨样，将研磨好的样品置于 5 mL 葡萄糖酸内酯（糖苷水解酶活性抑制
剂，3 mol · L-1）中，再用相同方法测定茶样中的游离态萜类物质丰度。糖苷态萜类物质的丰度为总
萜类物质含量与游离态萜类物质含量之差值。以葵酸内酯为内标，按面积归一化法计算各组分含量。
试验设 3 个生物重复，每生物重复有 3 个技术重复。
1.3 转录组数据分析
此前本实验室获得了 Illumina 深度测序的茶树转录组数据库，其中含有初步注释的 55 088 个
Unigene（Shi et al.，2011）。在此基础上采用本课题组此前的方法（Xiang et al.，2013），将转录组
中可能为萜类合成酶的 Unigene，与己知功能的植物萜类合成酶序列进行蛋白质水平上的多重比对
（Clastal W，Version 1.83），对具备保守结构域的 Unigene，推定为萜类合成酶基因。
1.4 RNA 提取及 cDNA 的合成
茶树各组织总 RNA 用 RNAiso Plus 试剂盒（TaKaRa）并按使用说明提取。RNA 样品经 DNaseⅠ
酶（TaKaRa）处理以去除基因组残留 DNA。RNA 浓度用 NanoDrop 2000 超微量分光光度计（Thermo）
测定。RNA 的完整性通过 1%琼脂糖凝胶电泳检测。cDNA 第一链合成使用 PrimeScript RT reagent Kit
10 期 刘晶晶等：茶树萜类香气物质代谢谱与相关基因表达谱时空变化的关系 2097

（TaKaRa）并按说明书进行。
1.5 实时荧光定量 PCR
以反转录产物为模板，用基因专一性引物（表 1）进行相关基因的转录子的定量分析。荧光定
量 PCR 用 TransStart Top Green qPCR Mix 试剂盒（TransGen）并按其说明书配制反应体系，使用
CFX96 实时荧光定量 PCR 仪（Bio-Rad）。反应条件如下：95 ℃先预变性 30 s；然后 95 ℃变性 5 s，
55 ℃退火 25 s，72 ℃延伸 20 s，进行 40 个循环；最后 72 ℃延伸 5 min。数据读取由 PCR 仪自动完
成，供试基因的扩增效率均在 85%以上。内参基因为 CsGAPDH（孙美莲 等，2010）。采用 2-ΔΔCt
方法计算基因表达水平。3 次技术重复。

表 1 用于茶树萜类合成酶基因表达的定量 PCR 引物
Table 1 Primers used for quantifying transcript levels of terpenoid synthase genes in tea
基因名称
Gene name
引物
Primer
序列
Sequence
产物大小/bp
Product size
CsGAPDH-F 5′-ttggcatcgttgagggtct-3′ 甘油醛–3–磷酸脱氢酶基因
GAPDH CsGAPDH-R 5′-cagtgggaacacggaaagc-3′
206
CsFAS-F 5′-taatgctctattctttaggctcc-3′ 法尼烯合成酶基因
Farnesene synthase CsFAS-R 5′-tgaattggtgatattcttcagaat-3′
226
CsGES-F 5′-agtgagaaagatgttagtggcag-3′ 大根香叶烯合成酶基因
Germacrene synthase CsGES-R 5′-tccttgttgtctaagtaaccgaa-3′
217
CsLIM-F 5′-aacactacctttggtgctctg-3′ 柠檬烯合成酶基因
Limonene synthase CsLIM-R 5′-aggcatgtccttatattgtgtg-3′
211
CsOCS-F 5′-cttctgttcagttggaatggtc-3′ 罗勒烯合成酶基因
Ocimene synthase CsOCS-R 5′-gaagcatagtttcaggcagtct-3′
205
CsMYS-F 5′-acgatgggaatttcaaacc-3′ 香叶烯合成酶基因
Myrcene synthase CsMYS-R 5′-agacctagtcatttgccattgt-3′
233
CsPHS-F 5′-ctaaaaatctcaaagaaaacctca-3′ 水芹烯合成酶基因
Phellandrene synthase CsPHS-R 5′-ttcagatcttcttggtaagttgtt-3′
220
CsTES-F 5′-atctgcgaactaccaacctcc-3′ 萜品醇合成酶基因
Terpineol synthase CsTES-R 5′-ccttgaagtgatagaacactcca-3′
209
CsLIS/NES-F 5′-tgaagttcgctagagaccaacctctaa-3′ 芳樟醇/橙花叔醇合成酶基因
Linalool/Nerolidol synthase CsLIS/NES-R 5′-tccacagcaccaagttcccatcta-3′
210
CsNES/GLS-F 5′-attcttaaaatggacgggct-3′ 橙花叔醇/香叶基芳樟醇合成酶基因
Nerolidol/Geranyl linalool synthase CsNES/GLS-R 5′-tgaggacatcttcgaacaag-3′
226
芳樟醇合成酶基因 Linalool synthase CsLIS-F
CsLIS-R
5′-cagcacaaacgaaatttcct-3′
5′-cattccatgacccaagagaa-3′
226

1.6 茉莉酸甲酯处理茶苗
选择在人工气候室（温度 25 ℃，湿度 50%）培养 90 d、生长一致的‘农抗早’茶籽苗，使
用浓度 1 mmol · L-1 的 MeJA[溶解在 0.05%二甲基亚砜（DMSO）中]充分喷施茶树叶片，对照组用
0.05% DMSO 溶液处理，6 h 后取样置于–80 ℃备用。分别提取处理组和对照组茶苗叶片 RNA，反
转录成 cDNA 后，进行实时荧光定量 PCR 检测。
在前期试验中发现，供试各萜类合成酶基因以及内参基因在实生茶苗群体中的表达变异与在扦
插苗群体的相比没有显著差异。因此为了便于操作和减少室外环境的不稳定性，选择了室内种植的
茶籽苗进行试验。
2098 园 艺 学 报 41 卷
2 结果与分析
2.1 不同发育阶段叶片中萜类香气物质代谢谱的时空变化
在‘农抗早’不同发育阶段的鲜叶中检测到 7 种挥发性萜类化合物：芳樟醇、顺式–呋喃型芳
樟醇氧化物、反式–呋喃型芳樟醇氧化物、β–蒎烯、D–柠檬烯、反式–β–罗勒烯和 β–罗勒烯（表
2）。叶片发育程度不同，萜类化合物的含量随之发生变化。成熟度越高，含量越少。各化合物的糖
苷态含量较为稳定，除第 3 叶的糖苷态 D–柠檬烯稍高于第 1 叶的外，其他化合物的糖苷态均是第
1 叶最高，第 5 叶最低。而游离态化合物含量变化较大，β–蒎烯和 D–柠檬烯游离态化合物含量变
化一致，随叶片发育程度的增加而降，反式–β–罗勒烯和 β–罗勒烯游离态化合物含量表现出相同
的趋势，第 1 叶最高，第 3 叶降低，第 5 叶检测不到。而游离态和糖苷态的芳樟醇均主要存在于第
1 叶，其他叶片仅含少量糖苷态芳樟醇而无游离态芳樟醇及其氧化产物。茶树叶片中萜类化合物含
量整体表现为幼叶中多、老叶中少，糖苷态多、游离态少。萜类化合物总量也因此表现出幼叶多、
老叶少的趋势。

表 2 茶树叶片中萜类化合物及其含量
Table 2 Abundance of volatile terpenoid compounds in tea leaves （μg · g-1）
样品
Sample
化合物
Compound
游离态挥发性化合物含量
Free
糖苷态化合物含量
Glycosidically bound
萜类化合物总量
Total
β–蒎烯 β-pinene 0.24 ± 0.137 0.32 ± 0.141 0.56 ± 0.249
D–柠檬烯 D-limonene 0.13 ± 0.056 0.10 ± 0.049 0.23 ± 0.105
反式–β–罗勒烯 trans-β-ocimene 0.08 ± 0.033 0.07 ± 0.037 0.15 ± 0.067
β–罗勒烯 β-ocimene 0.12 ± 0.085 0.12 ± 0.089 0.24 ± 0.163
反式–呋喃型芳樟醇氧化物
trans-furanoid linalool oxide
– 0.10 ± 0.002 0.10 ± 0.002
顺式–呋喃型芳樟醇氧化物
cis-furanoid linalool oxide
0.05 ± 0.023 0.09 ± 0.056 0.14 ± 0.076
第 1 叶
First leaf
芳樟醇 Linalool 0.08 ± 0.058 0.31 ± 0.200 0.39 ± 0.250
β–蒎烯 β-pinene 0.02 ± 0.002 0.20 ± 0.157 0.22 ± 0.159
D–柠檬烯 D-limonene 0.02 ± 0.001 0.11 ± 0.053 0.13 ± 0.053
反式–β–罗勒烯 trans-β-ocimene 0.04 ± 0.023 0.03 ± 0.021 0.07 ± 0.043
β–罗勒烯 β-ocimene – 0.09 ± 0.071 0.09 ± 0.071
反式–呋喃型芳樟醇氧化物
trans-furanoid linalool oxide
– 0.02 ± 0.001 0.02 ± 0.001
顺式–呋喃型芳樟醇氧化物
cis-furanoid linalool oxide
– 0.04 ± 0.019 0.04 ± 0.019
第 3 叶
Third leaf
芳樟醇 Linalool – 0.03 ± 0.030 0.03 ± 0.030
第 5 叶 β–蒎烯 β-pinene 0.08 ± 0.001 – 0.08 ± 0.001
Fifth leaf D–柠檬烯 D-limonene 0.07 ± 0.001 – 0.07 ± 0.001
反式–β–罗勒烯 trans-β-ocimene – 0.03 ± 0.006 0.03 ± 0.006
β–罗勒烯 β-ocimene – 0.04 ± 0.009 0.04 ± 0.009
反式–呋喃型芳樟醇氧化物
trans-furanoid linalool oxide
– – –
顺式–呋喃型芳樟醇氧化物
cis-furanoid linalool oxide
– 0.02 ± 0.016 0.02 ± 0.016
芳樟醇 Linalool – 0.03 ± 0.006 0.03 ± 0.006



10 期 刘晶晶等：茶树萜类香气物质代谢谱与相关基因表达谱时空变化的关系 2099

2.2 茶树单萜和倍半萜合成酶基因的挖掘
对初步注释的茶树转录组数据库（Shi et al.，2011）进行了筛选，得到 28 个可能的萜类合成酶
基因序列，经 BLASTX 分析，确定了源自同一转录子的重叠序列，再经与已发表并已知功能的植物
萜类合成酶蛋白质序列进行多重比较，认定了 10 个茶树萜类合成酶基因（表 3）。其中，6 个单萜合
成酶基因：芳樟醇合成酶基因、(E)–β–罗勒烯合成酶基因、香叶烯合成酶基因、(R)–柠檬烯合成
酶基因、(–)–α–萜品醇合成酶基因和 (+)–α–水芹烯合成酶基因；2 个倍半萜合成酶基因：大根
香叶烯合成酶基因和 (E,E)–α–法尼烯合成酶基因；1 个单萜/倍半萜合成酶基因：(3S)–芳樟醇
/(E)–橙花叔醇合成酶基因；1 个倍半萜/二萜合成酶基因：(E)–橙花叔醇/(E,E)–香叶基芳樟醇合成
酶基因。这些基因序列在氨基酸水平上的大小和位置如图 2 所示。

表 3 转录组中茶树萜类合成酶基因
Table 3 The genes coding for terpene syntheses found in tea transcriptome data


基因类别
Gene type
相似度最高基因及登录号
Homologue gene and accession
序列/bp
Size
E 值
E value
覆盖度/%
Query
coverage
相似度/%
Identity
210 6e-26 98 74
293 1e-23 58 89
701 3e-84 73 74
916 1e-85 64 82
933 0 96 93
大根香叶烯合成酶基因
Germacrene D synthase[Camellia sinensis]
AFE56211.1
576 2e-96 96 76
424 2e-34 76 57
878 5e-62 99 47
倍半萜合成酶
Sesquiterpene synthase
(E,E)–α–法尼烯合成酶基因
(E,E)-α-farnesene synthase[Vitis vinifera]
XP_002264134.2
1 044 6e-120 88 63
单萜/倍半萜双合成酶
Monoterpene/
sesquiterpene synthase
(3S)–芳樟醇/(E)–橙花叔醇合成酶基因
(3S)-linalool/(E)-nerolidol synthase[Vitis vinifera]
AEY82696.1
306 5e-35 99 63
倍半萜/二萜双合成酶
Sesquiterpene/diterpene
synthase
(E)–橙花叔醇/(E,E)–香叶基芳樟醇合成酶基因
(E)-nerolidol/(E,E)-geranyl linalool synthase[Vitis vinifera]
P_001268004.1
2 148 0 95 62
1 345 0 82 70 单萜合成酶
Monoterpene synthase
芳樟醇合成酶基因
Linalool synthase[Actinidia arguta]
ADD81294.1
1 906 0 87 71
443 1e-76 98 78
455 1e-3 63 66
765 2e-103 99 63

(E)–β–罗勒烯合成酶基因
(E)-β-ocimene synthase[Vitis vinifera]
ADR74204.1
207 2e-23 98 66
871 6e-124 75 81
342 5e-26 62 72
1 059 6e-102 83 55
300 2e-33 80 76

香叶烯合成酶基因
Myrcene synthase[Vitis vinifera]
XP_002266808.1
246 2e-19 98 56
248 6e-35 99 72

(R)–柠檬烯合成酶基因
(R)-limonene synthase[Ricinus communis]
XP_002515689.1 1 293 3e-142 98 74
460 4e-51 69 78
327 3e-27 70 61

(–)–α–萜品醇合成酶基因
(–)–α-terpineol synthase[Vitis vinifera]
NP_001268216.1
902 1e-30 14 50
(+)–α–水芹烯合成酶基因
(+)-α-phellandrene synthase[Vitis vinifera]
ADR74201.1
354 3e-40 32 61
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图 2 茶树萜类合成酶基因序列比对图
Fig. 2 Schematic demonstration of TPS gene segments found from transcriptomic data in Camellia sinensis

2.3 茶树叶片和花器官中单萜和倍半萜合成酶基因表达谱的时空变化
在茶树叶片中，设定第 1 叶中 α–法尼烯合成酶基因（CsFAS）的表达水平为对照 1， 以此计
算其他基因的相对转录水平（2-ΔΔCt）。图 3 显示，各基因的表达水平有较大差别，香叶烯合成酶基
因（CsMYS）和 α–水芹烯合成酶基因（CsPHS）的表达均低于本研究的检测下限，而芳樟醇合成
酶基因（CsLIS）的表达水平在供试叶片中均有较高水平。在第 1 叶中，大根香叶烯合成酶基因
（CsGES）和芳樟醇合成酶基因（CsLIS）的表达水平远高于其他基因，二者的表达水平均在对照的
200 倍以上；在第 3 叶中，α–萜品醇合成酶基因（CsTES）、橙花叔醇/香叶基芳樟醇合成酶基因
（CsNES/GLS）和芳樟醇合成酶基因（CsLIS）的表达水平均在对照的 70 倍以上；在第 5 叶中，各
基因的表达水平普遍降低，α–萜品醇合成酶基因（CsTES）和芳樟醇合成酶基因（CsLIS）的表达
高于其他基因，为对照基因的 60 倍以上，α–法尼烯合成酶基因（CsFAS）、柠檬烯合成酶基因（CsLIM）
10 期 刘晶晶等：茶树萜类香气物质代谢谱与相关基因表达谱时空变化的关系 2101

图 3 茶树叶片不同发育阶段萜类合成酶基因定量分析
Fig. 3 Quantitative analysis of the TPS genes in tea leaves at
different developmental stages
1：CsFAS；2：CsGES；3：CsLIM；4：CsOCS；5：CsTES；
6：CsLIS/NES；7：CsNES/GLS；8：CsLIS.
图 4 MeJA 处理后茶树叶片萜类合成酶基因表达情况
Fig. 4 Expression levels of the TPS genes in tea leaves after
MeJA treatment
和 β–罗勒烯合成酶基因（CsOCS）的表达却几乎检测不到。
α–萜品醇合成酶基因（CsTES）和橙花叔醇/香叶基芳樟醇合成酶基因（CsNES/GLS）在第 3
叶中表达水平最高，且第 5 叶高于第 1 叶；而 α–法尼烯合成酶基因（CsFAS）在第 1 叶和第 3 叶中
表达水平基本不变，在第 5 叶中最低。其余 5 个基因均在第 1 叶中的表达水平最高。其中，柠檬烯
合成酶基因（CsLIM）、β–罗勒烯合成酶基因（CsOCS）和芳樟醇合成酶基因（CsLIS）的表达水平
呈现相同的变化规律，表现为第 1 叶中表达水平最高，随后逐渐降低；大根香叶烯合成酶基因
（CsGES）和芳樟醇/橙花叔醇合成酶基因（CsLIS/NES）的表达也具有一致性，均在第 1 叶中表达
水平最高，第 3 叶中最低，第 5 叶有所回升。
茶苗叶片经 MeJA 处理后（图 4），依旧检测不到香叶烯合成酶基因（CsMYS）和 α–水芹烯合
成酶基因（CsPHS）的表达，同时 α–萜品醇合成酶基因（CsTES）和橙花叔醇/香叶基芳樟醇合成
酶基因（CsNES/GLS）的表达与对照组（0.05% DMSO 处理，设为 1）相比基本无变化，而其余 6
个基因均有不同程度升高，其中芳樟醇合成酶基因（CsLIS）和大根香叶烯合成酶基因（CsGES）的
升高尤为明显，分别为对照组的 31 倍和 28 倍。




对茶树花 3 个部位不同发育时期各基因表达水平进行定量分析，结果表明，仅有 5 种萜类合成
酶基因表达，其中雌蕊中 4 种、雄蕊中 3 种、花瓣中 5 种（图 5）。以第 1 阶段雌蕊中芳樟醇/橙花
叔醇合成酶基因（CsLIS/NES）表达水平为对照 1 计算 2-ΔΔCt 值。
结果显示，大根香叶烯合成酶基因（CsGES）、芳樟醇/橙花叔醇合成酶基因（CsLIS/NES）和芳
樟醇合成酶基因（CsLIS）在茶树花 3 个部位均有表达，且芳樟醇合成酶基因（CsLIS）的表达一直
处于较高水平，在第 2 阶段雄蕊中的表达水平是对照的 160 倍；橙花叔醇/香叶基芳樟醇合成酶基因
（CsNES/GLS）仅在茶树花雌蕊和花瓣中少量表达，且在雌蕊中的表达水平高于花瓣；而香叶烯合
成酶基因（CsMYS）仅在茶树花第 4 阶段花瓣中特异性表达，在其他花器官和叶片中均无表达。在
雌蕊和雄蕊中，大根香叶烯合成酶基因（CsGES）和芳樟醇合成酶基因（CsLIS）的表达水平远远高
于其他基因，并都在第 2 阶段表达最高。

2102 园 艺 学 报 41 卷

图 5 茶树花中萜类合成酶基因的表达
Fig. 5 Transcript levels of TPS genes in tea flowers at the different stages
2：CsGES；6：CsLIS/NES；7：CsNES/GLS；8：CsLIS；9：CsMYS.
2.4 茶树叶片萜类香气物质代谢谱与相关基因表达谱时空变化的关系
对茶树叶片萜类化合物代谢谱和相关基因表达谱的时空变化进行了对比，结果显示，基因的时
空表达与萜类化合物总量的时空变化呈现明显的正相关（图 6）。在茶鲜叶中，D–柠檬烯的总量、
反式–β–罗勒烯和 β–罗勒烯的总量、芳樟醇及其两种氧化产物的总量呈现相同的变化趋势，均表
现为在第 1 叶中最高，随后逐渐降低。这与柠檬烯合成酶基因（CsLIM）、β–罗勒烯合成酶基因
（CsOCS）和芳樟醇合成酶基因（CsLIS）的定量 PCR 分析的结果一致。


图 6 茶树叶片中萜类香气物质代谢谱与相关基因表达谱时空变化的关系
Fig. 6 Correlation between the spatiotemporal changes in metabolic profile of main volatile terpenoid compounds
and the expression profile of the relevant terpenoid synthase genes in tea leaves
3 讨论
3.1 茶树中单萜和倍半萜合成酶基因的挖掘
已有的研究表明，拟南芥、水稻和葡萄具有功能的 TPS 基因数分别为 32、34 和 69（Chen et al.，
2011），其中和萜类香气物质有关的多为单萜和倍半萜合成酶基因。拟南芥有 5 个功能已知的单萜合
成酶基因、6 个倍半萜合成酶基因、2 个单萜/倍半萜双功能合成酶基因（Acosta & Farmer，2010）；
葡萄有 10 个功能已知的单萜合成酶基因、18 个倍半萜合成酶基因、5 个单萜/倍半萜双功能合成酶基
因、2 个倍半萜/二萜双功能合成酶基因、4 个单萜/倍半萜/二萜三功能合成酶基因（Martin et al.，2010）。
10 期 刘晶晶等：茶树萜类香气物质代谢谱与相关基因表达谱时空变化的关系 2103

有研究报道，大多数植物 TPS 为多产物酶，可催化同一底物生成多种产物，这与其催化底物形成碳
阳离子中间体的化学键可以随机重组有关（Ogura & Koyama，1998；Steele et al.，1998；Christianson，
2006）。根据生成产物的多寡又分为两种类型：一是以一种产物为主，如拟南芥的 1,8–桉叶素合
成酶（Chen et al.，2004），挪威云杉的长叶松萜烯合成酶（Martin et al.，2004），分别主要生产 1,8–
桉叶素和长叶松萜烯等；另一种则是多种产物量基本相等，如拟南芥的 AtTPS24（At3g25810）以
GPP 为底物，可催化生成 8 种单萜，如 α–蒎烯、香桧烯、(E)–β–罗勒烯等（Chen et al.，2003）。
拟南芥 AtTPS11（At5g44630）以 FPP 为底物时可生成多达 14 种倍半萜产物（Tholl et al.，2005）。
已有的研究表明，植物中的单萜/倍半萜和倍半萜/二萜双功能合成酶可同时具有双重功能，如草莓
的 FaNES1，在质体中以 GPP 为底物产生芳樟醇，在细胞质中以 FPP 为底物产生橙花叔醇（Aharoni
et al.，2003），葡萄中 VvCSENerGl 和 VvPNENerGl 两个基因是橙花叔醇/香叶基芳樟醇双功能合成酶
基因，二者均可以FPP为底物产生 (E)–橙花叔醇，以GGPP为底物产生（E,E）–香叶基芳樟醇（Martin
et al.，2010）。
本研究中以 RNA-seq 深度测序所获得的茶树转录组数据为基础，运用生物信息学方法，获得 28
条茶树单萜和倍半萜基因序列，经过 NCBI 在线软件 BLASTX 比对分析，发现这些基因序列分别与
其他物种的 10 个 TPS 基因具有较高的相似度和覆盖度（表 3）。进一步对上述基因编码的蛋白质序
列进行功能性比对分析，发现了 6 个不同的单萜合成酶基因和两个倍半萜合成酶基因。此外，还发
现了两个双功能合成酶基因。本研究中发现的茶树挥发性萜类合成酶基因是基于与已知功能的植物
萜类合成酶同源基因序列的分析，具有较高的序列比对跨度和相似度（大多大于 60%）。但这些基
因的化学功能仍需后续试验逐一验证。
3.2 茶树中萜类合成酶基因表达谱的时空变化及其与挥发性萜类化合物代谢谱的关系
已有的研究表明，植物挥发性萜类物质的生物合成和释放普遍具有组织器官、发育阶段和昼夜
节奏变化的特点（Chen et al.，2003；Dudareva & Pichersky，2006）。拟南芥的花所释放的挥发性萜
类物质主要是（E）–β–石竹烯等 20 余种倍半萜和少数单萜（Chen et al.，2003；Tholl et al.，2005）。
此外，拟南芥花中 TPS 基因的表达也限于花粉、萼片和柱头等器官，花瓣中无明显表达，具有高度
组织特异性（Chen et al.，2003；Tholl et al.，2005；Huang et al.，2010）；而在金鱼草中，只有花瓣
中有单萜合成酶基因的表达，叶片和其他花器官均无表达（Dudareva et al.，2003）。
本试验中通过实时荧光定量 PCR 分析茶树叶片和花中 TPS 基因的表达，发现这 10 个 TPS 基因
除香叶烯合成酶和 α–水芹烯合成酶基因外，均在茶鲜叶中有表达，而茶树花雌蕊、雄蕊和花瓣则
分别仅有 4、3 和 5 个基因表达，其中香叶烯合成酶基因仅在第 4 阶段茶树花花瓣中有表达，表现出
明显的组织特异性。α–萜品醇合成酶基因和橙花叔醇/香叶基芳樟醇合成酶基因在中等发育叶片（第
3 叶）中的表达水平最高，并且不受 MeJA 的诱导，与其他基因的调控机制不同。
茶树叶片经 GC–MS 分析，共检测到 7 种萜类化合物，大部分以糖苷态形式存在，且糖苷态化
合物总量与游离态化合物总量相比较为稳定。前人研究已证实，植物中萜类香气物质易与糖分子结
合，多形成糖苷态香气前体物质储存（Wang et al.，2000），还有一些萜类物质易被氧化生成氧化产
物释放和储存（Luan et al.，2006）。茶树叶片中 TPS 基因的表达高低与萜类化合物的总含量呈现出
一定的正相关：鲜叶中柠檬烯合成酶基因、β–罗勒烯合成酶基因和芳樟醇合成酶基因的表达与这 3
种化合物及其氧化产物的游离态和糖苷态总量均呈现出第 1 叶中最高，随后逐渐降低的趋势。芳樟
醇合成酶基因在各阶段叶片中的表达均处于较高水平，但仅在第 1 叶中检测到少量游离态芳樟醇，
大部分的芳樟醇以糖苷态和氧化物的形式存在，因此，茶树 TPS 基因的表达影响萜类化合物及其氧
化产物的总含量。本试验中并未发现蒎烯合成酶基因，但其含量却很高（第 1 叶中总含量为 0.56
2104 园 艺 学 报 41 卷
μg · g-1），这可能是因为萜类合成酶的多产物特性，试验中也证实其含量趋势与单萜合成酶基因的整
体表达趋势相同。而用同样的方法在茶树花各部位均检测到大量释放的苯乙酮，其宽大的色谱峰可
能覆盖了一些与其流出时间相近的挥发性萜类物质的色谱峰。因此，后续研究茶树花中萜类合成酶
基因与萜类物质的相关性，需进一步研究高效色谱分离技术。
3.3 茉莉酸甲酯处理对茶树叶片萜类合成酶基因和挥发性萜类化合物的影响
植物许多生物学过程以及逆境诱导的生物学反应都有茉莉酸（JA）和脱落酸（ABA）等参与并
主导。由茉莉酸途径产生的茉莉酸和茉莉酸甲酯（MeJA）等信号物质，通过复杂的信号传导途径
（Devoto & Turner，2005；Acosta & Farmer，2010；Kazan & John，2013），发挥调节植物生殖生长
（花和种子）（Claus et al.，2013）以及抵御逆境胁迫等重要作用（Devoto & Turner，2005；Nathan et
al.，2012）。本研究中利用外源 MeJA 处理茶苗叶片，以未处理的茶苗叶片为对照组。定量结果显示，
有 6 个 TPS 基因的表达水平有不同程度的升高，其中大根香叶烯合成酶基因和芳樟醇合成酶基因的
表达水平分别为对照组的 28 倍和 31 倍。
其他研究表明，非生物胁迫和生物胁迫对茶树香气物质的含量均有影响，如低温、紫外照射和
干旱会使茶鲜叶中储存态萜类化合物明显提高（曹藩荣 等，2006，曹潘荣 等，2006；Jang et al.，
2010）；‘东方美人’乌龙茶，因叶片被小绿叶蝉取食而导致芳樟醇及其氧化产物等化合物的升高而
具有与众不同的香气品质（Cho et al.，2007）。本研究结果显示，茉莉酸作为逆境信号物质有可能在
高香茶的生产中替代生物逆境和非生物逆境的处理，而起到增进茶叶香气品质的作用。
综上所述，本研究发现了 10 个茶树重要挥发性萜类生物合成酶基因及其表达谱的时空变化特性，
以及与萜类香气物质代谢谱的相关性。同时，MeJA 作为信号物质可诱导一些植物 TPS 基因的表达
（Nathan et al.，2012）。为了更好的研究茶树萜类合成酶基因的功能，今后还需克隆相关萜类合成
酶基因，并对其功能和启动子进行深入研究。本工作为进一步研究茶树萜类香气物质生物合成的机
理打下基础，同时为提高成品茶香气品质提供了新的途径。

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