茶(Camellia sinensis)在草酸盐胁迫下的综合缺失分析


发布时间:

2024-06-10

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广泛应用草酸盐(glufosinate,GLU)会引发非目标茶树(山茶属)的分子变化,从而无意中干扰代谢产物,最终影响茶叶质量。茶树对谷氨酸的机制反应尚未被探索。本研究调查了茶幼苗中GLU残留行为、对光合能力、专门代谢产物、次生途径和转录水平的影响。在这里,GLU主要代谢为甲基亚磷酸丙酸(methylphosphinico-propionic acid,MPP),并在成熟叶片中积累比在幼叶中更多。GLU严重影响光合作用,导致叶片失绿,Fv/Fm和叶绿素含量下降。整合了生理生化、代谢组学和转录组学分析。表明GLU破坏光合电子传递链,触发活性氧(reactive oxygen species,ROS)和抗氧化系统,抑制光合碳固定。GLU靶向谷氨酰胺合成酶(glutamine Synthetase,GS)导致铵的积累和关键鲜味Lthanine的抑制,导致氮代谢紊乱,尤其是氨基酸合成紊乱。有趣的是,初级黄酮类化合物的生物合成被防御性酚酸和木质素制剂所牺牲,导致叶片营养和嫩度的可能损失。这项研究揭示了茶树对葡萄糖胁迫的防御复杂性和潜在的品质退化。对GLU暴露后非靶标作物的解毒机制提供了有价值的见解。

 

图1  培养液和暴露7d叶片中的GLU、MPP和草铵膦-N-乙酰(N-acetyl-glufosinate,NAG):培养物中GLU-1(a)、GLU-5(b)和GLU-10(c)组的GLU和MPP;不同加标水平下幼嫩和成熟茶叶中GLU(d)、MPP(e)和NAG(f)的残留和相关性分析。

 

图2  GLU胁迫7天后茶树幼苗的生长和光合参数,包括茶树的Fv/Fm(a)和胁迫程度(b),嫩茶叶中的叶绿素a(c)、叶绿素b(d)、蛋白质(e)、可溶性糖(f)、总叶绿素(g)和总类胡萝卜素(h)。

 

图3  GLU对7天后茶中N同化和特殊成分的影响,包括硝酸盐(a)、铵(b)、GS(谷氨酰胺合成酶,c)、GLU(谷氨酸,d)、嫩茶叶中的AAs(氨基酸,e)、L-The(L-茶氨酸,f)、GABA(γ-氨基丁酸,g)、CAF(咖啡因,h)、TF(总黄酮,i)、TP(茶多酚,j)、EGC(表没食子儿茶素,k)、c(儿茶素,L)、EC(表儿茶素,m)、EGCG(表没食子儿茶素-3-没食子酸盐,N)和茶苗中的ECG(表儿茶素-3-没食子酸盐,o)。

 

图4  GLU对7天后嫩茶叶抗氧化状态的影响,包括DAB(3′,3-二氨基联苯胺)染色(a)、MDA(丙二醛,b)、SOD(超氧化物歧化酶,c)、POD(过氧化物酶,d)、GPX(谷胱甘肽过氧化物酶,e)、GSH(还原型谷胱甘肽,f)、AsA(抗坏血酸,g)和DPPH(自由基清除活性,h)。

 

图5  GLU对7天后茶叶中黄酮类化合物和酚酸的影响,包括芦丁(a)、杨梅素(b)、槲皮素(c)、木犀草素(d)、芹菜素(e)、山奈酚(f)、没食子酸(g)、绿原酸(h)、鞣花酸(i)和阿魏酸(j)。

 

图6  主成分分析(PCA)(a)、火山图(b)、KEGG途径的气泡图(c)以及GLU-5和CK组之间嫩茶叶转录组学中DEG的热图(GLU-5 VS CK)。

 

图7  主成分分析(PCA)(a)、火山图(b)、KEGG途径的气泡图(c)以及GLU-5和CK组之间嫩茶叶中广泛靶向代谢组学中DEC的热图(GLU-5 VS CK)。

 

图8  受GLU胁迫(5 mg/L)影响的茶叶中光系统和碳固定的机制及其相关途径。LHC,光捕获Chl蛋白复合物;PSII,光系统II;Cytb6/f、细胞色素b6f;PSI,光系统I;FNR、铁氧还蛋白NADP+氧化还原酶;Fd,铁氧还蛋白;MDA、丙二醛;SOD、超氧化物歧化酶;POD、过氧化物酶;CAT、过氧化氢酶;H2O2、过氧化氢;GSH,还原型谷胱甘肽;谷胱甘肽过氧化物酶;GSSG,氧化型谷胱甘肽;脱氢抗坏血酸还原酶;抗坏血酸;二十二碳六烯酸;G3P、甘油酸盐-3P;1,3BPG,1,3-二磷酸甘油酸;GAP,甘油醛-3P;F1,6BP,D-果糖1,6P2;F6P、D-果糖6P;E4P、红细胞-4P;SBP,sedoheptulose 1,7-二磷酸;S7P、景天庚酮-7P;R5P、核糖-5P;Ru5P、核酮糖-5P;蔗糖、蔗糖;果糖、果糖;Gluc、葡萄糖;磷酸核酮糖3-差向异构酶;GAPA,NAD依赖性甘油醛3-磷酸脱氢酶;GAPDH,3-磷酸甘油醛脱氢酶;FPB,果糖-1,6-二磷酸酶I;TKT,转酮酶;SBPase,sedoheptulose双磷酸酶;MALZ,α-葡萄糖苷酶。

 

图9 茶中氨基酸生物合成的Schemic模式及其相关途径,受GLU暴露(5 mg/L)的影响。Gluc、葡萄糖;GAP,甘油醛-3P;G3P、甘油酸盐-3P;磷酸烯醇式丙酮酸;α-KG、α-酮戊二酸;OAA,草酰乙酸;His,组氨酸;Trp,色氨酸;Phe,苯丙氨酸;Tyr,酪氨酸;IIe,异亮氨酸;缬氨酸、缬氨酸;亮氨酸、亮氨酸;丙氨酸,丙氨酸;天冬氨酸;Asn,天冬酰胺;丝氨酸,丝氨酸;谷氨酸、谷氨酸;精氨酸、精氨酸;Pro、脯氨酸;Gln、谷氨酰胺;γ-氨基丁酸;L-茶氨酸;EA,乙胺;6-磷酸果糖激酶-1-激酶;GAPDH,3-磷酸甘油醛脱氢酶;PGAM,磷酸甘油酸变位酶;PK,丙酮酸激酶;PHGDH、D-3磷酸甘油酸脱氢酶;磷酸丝氨酸氨基转移酶PSAT1;TD,苏氨酸脱水酶;trpB,色氨酸合成酶β链;ADH、环氧化物脱氢酶(NADP+);ilvD,二羟基酸脱水酶;leuC,3-异丙基苹果酸脱水酶;ALS,乙酰乳酸合成酶;ALT、丙氨酸转氨酶;AS,天冬酰胺合成酶;AST、天冬氨酸转氨酶;P5CS,delta-1-吡咯啉-5-羧酸合成酶;arg,精氨酸酶;NR、硝酸还原酶;NiR,亚硝酸还原酶;GS,谷氨酰胺合成酶;谷氨酸合成酶;谷氨酸脱羧酶;TS,茶氨酸合成酶;ADC,精氨酸脱羧酶;GDH,谷氨酸脱氢酶。

 

图10 受GLU胁迫(5mg/L)影响的茶中苯丙素生物合成的Schemic模式。EC,表儿茶素;C、 儿茶素;EGC、表没食子儿茶素;心电图,表儿茶素-3-没食子酸盐;EGCG,表没食子儿茶素3没食子酸盐;PAL,苯丙氨酸解氨酶;C4H,苯丙氨酸氨裂解酶;4CL,4-库马拉特-CoA连接酶;CAD,肉桂醇脱氢酶;POD、过氧化物酶;F3'5'H,类黄酮3',5'-羟化酶;F3'H,类黄酮3'-羟化酶;FLS,黄酮醇合成酶;LAR,白花青素还原酶。

 

来 源

Huan Yu, Dong Li, Yangliu Wu, et al. Integrative Omics Analyses of Tea (Camellia sinensis) under Glufosinate Stress Reveal Defense Mechanisms: A Trade-Off with Flavor Loss, Journal of Hazardous Materials, (2024)

 

编辑

王春颖

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