咖啡碱（CAF）是茶树中的主要风味物质之一，也是茶饮广受青睐的核心原因。作为茶树体内一类重要的次生代谢产物，不同茶树种质资源间的咖啡碱含量差异显著。但截至目前，调控咖啡碱生物合成的遗传机制仍未明确。

近期，贵州大学茶学院/农业生物工程学院牛素贞教授团队完成的题为“Identification of CsAK as a critical caffeine-related upstream gene in tea accessions through genome-wide association study”的研究在Journal of Integrative Agriculture（JIA）2026年4期发表。

该研究以贵州高原359份茶树种质资源为材料，开展全基因组关联分析（GWAS），旨在挖掘与咖啡碱含量相关的遗传变异位点。研究共鉴定出19个显著相关的单核苷酸多态性（SNP）位点，以及1个参与咖啡碱生物合成的关键基因CsAK。亚细胞定位实验结果显示，CsAK-GFP融合蛋白定位于细胞膜上。通过反义寡核苷酸（AsODN）靶向沉默茶树芽叶CsAK基因，结果显示AsODN处理的茶树中CsAK基因的表达水平显著下调，且CAF含量降低。在真核细胞中过表达CsAK基因可促进CAF生物合成过程中关键中间产物（L-蛋氨酸）的积累。

该研究为后续培育具有高或低CAF水平的优良种质资源的茶树育种计划提供了理论依据。

基于105,370个高质量SNP位点，借助Admixture对359份茶树材料进行群体结构分析，并结合主成分分析（PCA）与系统发育树分析进行验证。当K=5时交叉验证误差最小，结合membership coefficient＞0.8的标准，材料被分为5个纯合群体和1个混合群体。主成分分析与系统发育树分析的结果，均与群体结构分析的分类结果高度吻合，证实了该分类的可靠性。

两种环境下359份茶树材料的咖啡碱含量变异范围分别为2.02%–4.07%、1.81%–4.29%，变异系数为14.59%和15.48%，含量分布均呈正态或近似正态分布。

确定GLM-P模型为咖啡碱性状关联分析最优模型，共检测到19个显著关联SNP位点，表型变异贡献率6.27%-10.27%；3.5 kb范围内SNP标记连锁不平衡性强，保证了关联分析可靠性。筛选出2个关键关联SNP位点，并注释得到2个候选基因—CsAK和CsCOG7。

RT-qPCR实验证实CsAK基因表达量与咖啡碱含量正相关，参与调控其生物合成；CsCOG7基因表达与咖啡碱含量无关联。

本研究通过在烟草叶片中瞬时表达CsAK-GFP 融合蛋白，发现CsAK蛋白主要定位于细胞膜上。

通过反义寡核苷酸（AsODN）靶向沉默高咖啡碱茶树芽叶中CsAK基因，可显著下调该基因表达量并降低咖啡碱含量，初步证实CsAK参与咖啡碱生物合成。结合KEGG分析与基因功能注释结果，CsAK基因可能参与天冬氨酸代谢通路，可生成咖啡碱合成的甲基供体SAM；基于此，进一步检测了天冬氨酸代谢通路中的主要代谢物含量，发现AsODN处理会导致该通路中L-甲硫氨酸、SAM等关键代谢物含量降低。后续分析显示，AsODN处理同时降低了黄苷、7-甲基黄嘌呤等咖啡碱合成前体物的含量，表明CsAK基因正向调控茶树咖啡碱的生物合成。

为进一步探究CsAK基因在L-甲硫氨酸积累过程中的作用，本研究在真核细胞中过表达CsAK基因，并检测L-甲硫氨酸的动态变化。实验证实，该基因可促进L-天冬氨酸向L-甲硫氨酸的转化。这一结果表明，CsAK基因通过参与催化L-天冬氨酸生成咖啡碱合成的关键中间产物—L-甲硫氨酸。

贵州大学农业生物工程学院牛素贞教授为论文的通讯作者，贵州大学茶学院饶凯鑫为论文第一作者。本研究得到国家自然科学基金、中央引导地方科技发展资金等项目资助。