茶叶抗坏血酸过氧化物酶(APX)的生理学与分子生物学研究

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抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)是植物活性氧代谢中重要的抗氧化酶之一,又是维生素C代谢的主要酶类。茶叶中富含维生素C,作为茶叶中重要活性营养成分,维生素C在茶叶加工和储存过程中易造成大量损失。开展茶叶中维生素C代谢相关基因的研究,将有助于了解茶叶中维生素C代谢的机制,为调控茶叶维生素C水平提供理论依据。本研究以茶叶(Camellia sinensis)为供试材料,研究了茶叶抗坏血酸过氧化物酶的生理特性及分子机理。通过对茶叶APX活性测定条件的探讨和建立,研究茶树不同品种、茶叶新梢不同生育时期、茶叶加工过程APX活性、同工酶的动态变化以及及维生素C含量的变化特点,探讨茶叶APX的代谢生理和作用机制;克隆了茶叶cAPX基因,并利用生物信息学方法对它的结构和功能进行预测和分析;在此基础上应用荧光定量PCR技术分析了茶叶cAPX基因的定量表达。研究结果如下:1.茶叶抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性的测定方法建立探讨了茶树鲜叶抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性的测定条件。结果表明,茶叶APX测定的最佳条件为,聚乙烯聚吡咯烷酮(PVPP)加入量约为鲜叶重的1.5倍,酶提取液pH为7.8,反应液pH为7.0,抗坏血酸(AsA)浓度为0.50 mmol/L时茶树鲜叶APX活性最高。试验样品APX活性随冷冻贮藏天数增加,不断降低,样品应可能保持芽叶的新鲜度。2.不同茶树品种、新梢不同生育时期APX酶活性研究选择福建代表性的绿茶品种(福鼎大白茶、福云6号)和乌龙茶品种(铁观音、毛蟹、黄旦、本山、肉桂),分析了不同茶树品种以及茶树鲜叶不同叶位APX活性的变化。结果表明,福建主要7个茶树品种以福云6号的APX活性最高,铁观音的APX活性最低,绿茶品种的APX活性高于乌龙茶品种,不同品种APX活性大小依次为福云6号>福鼎大白茶>肉桂>毛蟹>黄旦>本山>铁观音;茶树鲜叶不同叶位APX活性变化趋势为:芽>第一叶>第二叶>第三叶>老叶>嫩茎,随着鲜叶成熟度增加,APX活性下降。3.茶叶加工过程中APX活性及维生素C动态变化研究探讨茶叶不同萎凋程度及乌龙茶加工过程APX和维生素C的动态变化。结果表明,茶叶萎凋过程中APX活性呈“下降—上升—下降”趋势,相对活性由100%降至1.7%,萎凋不同阶段APX活性差异显著;萎凋过程中茶叶维生素C含量呈缓慢减少趋势,维生素C保留在鲜叶的80%以上,只经过萎凋的茶类(传统白茶)维生素C保留较为丰富。乌龙茶加工过程APX活性也呈“下降—上升—下降”趋势,相对活性由100%降至17.45%,炒青前各工序茶叶的APX活性差异显著,炒青后各工序茶叶的APX活性差异不显著;维生素C含量呈减少趋势,相对保留量由100%降至9.01%,揉捻工序维生素C含量下降幅度最大,其次是摇青工序。4.不同茶树品种及茶叶加工过程中APX同工酶的研究运用同工酶技术分析福建代表性绿茶、乌龙茶品种APX同工酶差异,分析探讨茶叶不同萎凋程度APX同工酶动态变化。结果表明,不同茶树品种APX同工酶存在差异,茶叶APX同工酶共有6条谱带,其中A2、A4、A5和A6四条为不同品种茶树所共有,A4、A5谱带为茶叶APX的重要同工酶。7个不同茶树品种的酶带,福鼎大白茶与毛蟹的酶带最亮最强,铁观音、黄旦与福云6号酶带最弱,除福云6号外,其他品种同工酶的表达量与APX活性存在相关性。茶叶萎凋茶叶APX同工酶谱带数量减少,起主要作用的为A4、A5同工酶也逐渐减弱,但萎凋18 h同工酶谱带强度与数量增加。同工酶的变化与APX酶活性具有相关性。5.茶叶APX的cDNA克隆从茶叶中克隆出了一个长度为1 083 bP的cAPX基因的cDNA序列,经测序分析,其包含750 bP的开放读码框,编码250个氨基酸。该基因在3’RACE与保守区重叠碱基数为321 bp,与5’RACE重叠碱基数是77 bp,非编码区5’有94 bp,3’有136 bp。已将该基因序列登录Genbank,登录号为Eu547804。6.茶叶APX基因的生物信息学分析利用生物信息学的方法对克隆的茶树cAPX基因的核酸序列及对应氨基酸序列的理化性质、结构特征、功能及系统演化关系等进行预测分析。结果表明,茶叶cAPX是一分子量27.53 kDa,等电点pI 5.59,比较稳定的酸性蛋白,属于亲水性蛋白,不含有跨膜信号,不具有信号肽;茶叶cAPX磷酸化位点有10个,丝氨酸(Ser)、酪氨酸(Tyr)磷酸化位点的各4个,苏氨酸(Thr)磷酸化位点2个,蛋白氨基酸序列9-31区域最有可能形成卷曲螺旋结构,α螺旋和不规则卷曲是茶叶cAPX蛋白最大量的结构元件。茶叶cAPX基因参与的生物过程主要是响应化学刺激和应激反应,具有四吡咯结合、过氧化物酶活性和氧化活性分子功能。蛋白的功能预测进一步证实茶叶cAPX属植物抗坏血酸过氧化物酶(Plant ascorbate-peroxidase)的蛋白质家族成员。7.茶叶主要品种及茶叶加工中APX基因的定量表达应用荧光定量PCR的方法对不同茶树品种APX基因的表达以及萎凋工艺过程中APX基因的表达进行定量分析。结果表明,茶树不同品种APX基因表达量存在显著差异,相对表达量变化范围为0.65-5.69,6个茶树品种APX基因相对表达量的大小为毛蟹>福云6号>肉桂>福鼎大白茶>黄旦>铁观音。茶叶萎凋过程中APX基因的表达量呈现“升高—降低—再升高—再降低”的趋势,相对表达量变化范围为0.02-7.46,茶叶APX基因的表达明显受到萎凋工艺处理的影响。
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