茶氨酸（L-theanine）是绿茶最重要的品质成分之一。它是茶树中特异并大量积累的一种非蛋白质氨基酸，其含量可占茶叶总游离氨基酸的70%以上， 赋予茶汤类似味精的鲜爽味。同时，茶氨酸具有镇静安神、抗抑郁、提高注意力和学习能力等重要的生理功效。另外，茶氨酸还能中和茶汤的苦涩味，并降低茶叶中高浓度咖啡碱引起的过度兴奋效应。因此，茶叶中茶氨酸的含量与绿茶品质高度相关。从茶叶中提取或利用微生物发酵生产的茶氨酸已经被广泛用作保健品和食品添加剂。但是，人们对茶树特异地大量合成茶氨酸分子机理的认识还很少。
茶氨酸主要在茶树根中合成。本研究中，作者通过分析不同茶树品种根中茶氨酸含量和其底物（谷氨酸和乙胺）含量的相关性 （图1A-D），发现乙胺含量和茶氨酸含量呈高度正相关， 表明乙胺对茶氨酸的积累起到关键作用。并发现合成乙胺的丙氨酸脱羧酶编码基因CsAlaDC的表达量和乙胺、茶氨酸的含量也呈现高度正相关（图1E-H），表明CsAlaDC对茶树大量合成茶氨酸至关重要。值得一提的是，茶氨酸合成酶编码基因CsTSI的表达与茶氨酸含量不直接相关。
图1 不同茶树品种中茶氨酸合成前体代谢物含量、基因表达量与茶氨酸含量的相关性
在模式植物烟草叶片中瞬时表达CsAlaDC，烟草叶片合成了高浓度乙胺（图2），证明CsAlaDC在植物体内具有合成乙胺的活性。但是在只有大量乙胺合成的条件下，烟草叶片中没有检测到明显的茶氨酸合成。说明只有乙胺存在，不足以大量合成茶氨酸。
图2 瞬时表达CsAlaDC的烟草叶片合成了乙胺
在此基础上，将茶氨酸合成酶编码基因CsTSI与CsAlaDC在烟草叶片中共表达，烟草叶片合成了大量的茶氨酸（图3），烟草叶片茶氨酸含量可达4 mg/g干重，这与茶叶中茶氨酸的含量相当。这一结果表明，CsTSI与CsAlaDC协同作用决定了茶氨酸的大量合成。
图3 共表达CsAlaDC和CsTSI的烟草叶片中合成了大量茶氨酸
本研究实现了在不饲喂底物的情况下，在烟草中高效合成茶氨酸。近年来，植物合成生物学日益兴起，利用植物生产天然产物成本低，且易于规模化生产。同时，基因瞬时转化和表达系统提高了生产速度，可在转化后几天后内收获，不受季节限制，无需长达数月的生长期，可以大大节约时间成本，提高生产效率。本研究也为在粮食和蔬菜等农作物中合成茶氨酸以提高农作物品质和健康功效提供了理论基础和技术路线。
安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室博士生朱碧颖、郭嘉懿和已毕业硕士董春霞为为论文共同第一作者，张照亮教授为该论文通讯作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所鲍时来研究员、美国加州大学戴维斯分校Willam J. Lucas教授也参与了此工作。工作得到了国家自然科学基金（32072624, 31770731），教育部茶树生物学与品质化学创新引智计划项目（D20026）和安徽省杰出青年科学基金项目（2008085J18） 的支持。