茶叶基因工程研究进展

沈金萍（华南农业大学园艺学院茶学系，广州 510642）

茶叶基因工程研究进展

沈金萍
（华南农业大学园艺学院茶学系，广州 510642）

基因工程目前在各行业已得到广泛的应用，在茶学领域中起步较晚，但应用前景广阔。本文介绍了基因工程技术和茶叶中的生物活性物质及其功能。简述了在茶树育种中应用基因工程改良茶树品种或提高茶叶品质的情况和发展前景，以及利用基因工程降低茶叶中咖啡碱的情况。

茶树育种；基因工程；茶叶；应用

中国是茶的故乡，也是世界茶叶生产、消费和出口大国，有绿茶、红茶、黑茶、黄茶、白茶、青茶等六大茶类。茶是世界三大饮料之一，而中国是世界茶产量第一大国、出口第二大国。茶学是我国一门较成熟的传统学科，然而随着科技日新月异的高速发展，传统茶叶生产技术在质量、产量、新产品研发及综合利用等方面显得十分乏力，必须进行技术创新。目前基因工程在各行业已得到广泛的应用，在茶学领域起步较晚，但大大推动了茶学领域的研究，在茶学上展现了广阔的前景，有望解决传统茶叶面临的许多难题。例如，利用基因工程来提高茶叶品质、进行茶树抗病虫转基因育种等。

1 基因工程技术的简介

基因工程是在分子水平上对DNA进行操作的技术，是采用类似工程设计的方法，按照人类的特殊需要，将具有遗传性的目的基因（DNA片段）在离体条件下进行剪切、组合、拼接（需要工具酶），在将人工重组的基因（重组NDA），通过载体（微生物质粒、噬菌体和病毒）导入受体细胞，进行无性繁殖（克隆），并使目的基因在受体细胞中高速表达，产生出人类所需要的产品或组建成新的生物类型。基因工程技术在茶业上的应用较滞后，目前还处于基因组NDA提纯和鉴定阶段，其应用主要包括：RAPD分子标记技术、茶树基因的分离和克隆、茶树遗传转化系统。DNA分子标记技术能直接反映出茶品种基因组DNA间的差异。目前在茶研究中应用比较多的是RAPD、AFLP。目前，一些与茶叶品质密切相关的基因已被克隆。转基因技术在茶研究中起步较晚。据报道，用农杆菌介导法将Bt基因、lntron GUS基因和NPT1基因转入茶树中，获得了Gus瞬间表达。通过对根癌农杆菌介导茶树转化研究，报道了茶树较为适宜的农杆菌转化系统。然而由于茶树原生质体培养尚处在研究阶段，农杆菌介导法等转基因技术目前难以取得更大的进展，还没有转基因茶树的报道。基因工程在茶学中的应用主要包括：DNA分子标记技术、基因的分离和克隆及转基因技术。

2 茶叶中的生物活性物质及其功能

在大众日益关心自身健康的同时，许多健康食品也应运而生，其中茶可说是最佳的健康食品。近年来，由于科技进步及科学家们亟欲解开茶的生理功效之谜，进行了各项动物实验，甚至临床实验，皆证实茶叶确实具有多种保健及预防疾病之功效。茶叶中的功效成分主要有维生素类、茶多糖、茶氨酸、茶多酚、生物碱、无机盐类等。茶叶的主要保健功能有：

（1）清除自由基、抗氧化功能。茶叶中的抗氧成分主要是维生素C和茶多酚中的儿茶素。

（2）抗衰老功能。茶叶中的茶多酚（起主要作用的是儿茶素）不但自身能够清除过剩的自由基，抑制机体内脂质过氧化，降低细胞内LPO的含量，延缓心肌细胞LF的形成，而且还能提高细胞的GSH-Px 和SOD活性。因而，茶多酚具有抗衰功能。

（3）抗癌、抗肿瘤、抗突变功能。近年来，国内外对茶叶抗癌、抗肿瘤、抗突变的研究，均取得了很大进展。现已表明，茶多酚中的儿茶素（尤其是酯型儿茶素）和茶色素均有明显的抗癌、抗肿瘤、抗突变功能。

（4）抗辐射功能。一种说法是，茶多酚（起主要作用的是儿茶素）和维生素C等抗辐射功能的途径之一就是通过提高GSH-Px和SOD的活性来实现的。另一种说法是，茶多酚、茶多糖、维生素C等组分的协调作用可以吸收放射性物质，并使之通过粪便排出体外，从而实现抗辐射功能。

3 利用基因工程改良茶树品种

基因工程的研究在茶树上还处于起步阶段，基因的克隆是第一步。Kato等从茶叶中成功克隆了咖啡碱合成酶基因的cDNA。利用这项科研成果，将来有可能通过转基因技术培育出不含咖啡碱合成酶的茶树。茶功能成分如茶多酚、生物碱、茶氨酸、茶多糖等都是茶树的次生代谢产物。对茶树次生代谢的研究已逐步从生理生化水平向分子生物学水平发展。目前已在茶树上分离和克隆了一些与茶叶天然生理活性物质合成及茶叶品质相关的基因和基因片段。但已有的研究也表明，这些次生代谢产物并非由单一基因控制，往往涉及生化代谢途径中众多相关因子，而这些因子关联着众多基因，亟待用基因芯片技术进行研究。

目前，RAPD、AFLP技术已在茶树遗传育种研究中得到广泛应用，用以进行亲子鉴定研究、品种识别、连锁遗传图谱构建以及茶树品种资源的评价等。AFLP （ Amplified Fragment Length Polymorphism）是从RAPD技术发展来的一种较先进的分子标记技术，其特点是把RFLP和PCR结合了起来。AFLP技术既具有RAPD自动化程度高，操作简单，不受时间、地点、环境等因素干扰的优点，同时又克服了RAPD标记只作为显性标记的缺点，可提供更多的共显性标记。这项技术在茶树育种研究上已开始应用，为进一步克隆和转移这些目的基因奠定了科学基础。农残是制约我国茶叶出口的主要因素，特别是2000年7月1日欧盟实施农残新标准后，问题更加严重，茶叶降残就成为了我国茶叶科研急需解决的一大难题。要达到茶叶降残的目的，除采取常规的技术和管理措施外，我们可以运用基因工程技术将抗虫基因转入茶树之中，使茶树自身具有抵抗虫害的能力，以减少每年因虫害造成的损失和施用农药的巨大开支。另外通过基因工程技术研究确定儿茶素和茶氨酸等茶叶保健功能成分的目的基因，并将其转入某些工程菌，然后，采用发酵工程技术高效生产。这种基因工程和发酵工程等生物工程技术的综合研究，将为茶叶保健功能成分的开发利用开辟辉煌的前景。

4 应用基因工程降低茶叶中的咖啡碱

咖啡碱（1，3，7-三甲基黄嘌呤）是茶叶中嘌呤碱的主体成分，摄入过量的咖啡碱会对人体产生短期的负面作用，也限制了以保健和治疗为目的茶和茶制品的摄入剂量。近20年来，国内外系统研究了茶叶脱除咖啡碱技术，开发了溶剂萃取法、热水脱除法、超临界CO2萃取法等理化方法，并开始培育低咖啡碱茶树品种等，尤其是通过基因工程创造低咖啡碱茶叶新材料的分子育种呼之欲出。

由于基因工程育种可以按人们的设想定向地、有目的地改变植物的基因型，且较常规育种用时少，因此自1983年首次获得转基因烟草植株以来，植物基因工程研究得到了蓬勃发展。一个完整的植物基因工程理论和技术体系已基本建立。利用基因工程的方法可以在短时间内培育低咖啡碱的茶树，而且不会影响转基因植株的其它生化成分。咖啡碱的生物合成途径已基本清楚，但是对于茶树来说，茶树基因工程尚处于起步阶段，其遗传转化受到茶多酚的自毒作用和杀菌作用的严重干扰，目前这方面的研究还鲜有报道。茶树咖啡碱合成酶基因cDNA的克隆，为可以利用反义RNA技术和双链RNA技术抑制咖啡碱合成酶基因的表达和培育低咖啡碱茶树奠定了基础。与理化处理方法不同的是，遗传操作有希望直接解决茶叶的咖啡碱含量问题，但传统育种又受到基因型缺乏的限制，应用基因工程方法培育低咖啡碱茶树是解决茶叶咖啡碱含量问题的根本途径。但至今尚没有成功的报道，茶树的高效遗传转化将成为首要解决的瓶颈问题。此外，采用人工诱导突变（如EMS、紫外线、中子、X射线等处理）创造低咖啡碱突变体，结合生化标记和分子标记技术进行辅助育种，是解决茶叶咖啡碱问题的另一个重要策略。

5 展望

我国是茶叶的发源地，是世界产茶大国，但与世界茶叶先进水平相比，仍有很大的差距。我们要充分利用世界生物技术迅猛发展的契机，重视茶叶生物技术研究，利用基因工程，不断探索基因工程在茶树育种中改良茶树品种或提高茶叶品质的应用，促进我国传统茶业的改革及产业化，实现我国茶业“高产高质高效低耗”的可持续发展战略，巩固和提高我国茶叶的国际地位及市场竞争力。

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