植物学家奇思妙想-改造基因组培育辣味番茄

组学大讲堂 2019-02-18

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当酸酸甜甜的番茄与诱人的辣椒相遇，会挑动什么样的味蕾呢？周末小编有幸吃到了这样一款火锅，味道棒极了！

据说这个番茄辣是新疆番茄与清新线椒激情碰撞而成的，才能集酸、辣、甜、香于一体。

吃着火锅，不禁让小编想起了最近看到的一篇关于培育辣味番茄的文章，或许在不久的将来，一个辣味番茄就搞定这个番茄辣火锅了！无辣不欢的小伙伴们你们期待吗？

巴西维索萨联邦大学的Emmanuel Rezende Naves等人在Cell子刊Trends In Plant Science（影响因子12.149）杂志发表了题为：Capsaicinoids: Pungency beyond Capsicum的论文，论文中作者详细梳理了辣椒素的生物合成机制，比较了辣椒和番茄的相似性，认为虽然具有挑战性，但通过CRISPR/Cas9等基因编辑技术激活辣椒素基因在番茄中表达，有望创造出高产辣椒素的番茄。不过作者培育辣味番茄的初衷可不是为了吃货们的口福，而是批量生产用于商业目的的辣椒素。

辣椒素是辣椒辣味的来源，“辣”确切的说并不是一种味道，而是疼痛反应，辣椒素类物质能够刺激舌头神经细胞，让其产生热诱发性疼痛，信号传递到大脑中就是一种灼烧感；辣椒素分子具有消炎、抗氧化、抗肿瘤和减肥的特性，也可用于制作止痛药和胡椒喷雾剂，工业用途很是广泛。

但辣椒生产属于劳动密集型，生长周期长（4-5个月），产量却很少超过3吨/公顷；并且辣椒均为大田栽培，易受环境影响，并不是理想的辣椒素来源；所以作者将目光转向了番茄，番茄生长周期短（4个月），产量高（110吨/公顷），易于集约化生产，与辣椒相比更适合作为辣椒素来源。

从进化的角度来看，辣椒和番茄的血缘关系并不是很近，虽都是茄科，但分属两个属，大概 1900 万年前，辣椒和番茄由共同的祖先分离，一个进化为鲜美多汁，另一个则辛辣刺激，虽然表型上两者差异悬殊，但仍然分享着很多相同的 DNA，这也是青椒与番茄能杂交成功的基础；对番茄基因组测序分析发现，番茄仍然具有产生辣椒素所需的基因，但因某种原因，失去了表达这些基因的能力，作者表示他们有足够强大的工具来调控番茄基因组，但目前最大的挑战在于需要知道要调控哪些基因以及如何调控！

辣椒中辣椒素积累是个动态过程，是合成和降解两过程综合作用结果，而且，辣椒素的合成与降解能力又与遗传、环境有关，作者细数了诸如水分、温度、光照、伤害、营养元素等环境因子对辣椒素积累的影响，如下图：

辣椒素含有至少23种不同的化学物质，其中辣椒素（反式-8-甲基-N-香草基-6-壬烯酰胺）和二氢辣椒素（8-甲基-N-香草基壬酰胺），合计占辣椒素总含量的90％；辣椒素合成有两条代谢路径：苯丙烷途径和支链脂肪酸途径（如下图）；目前已确认番茄中存在辣椒素合成的苯丙烷途径，但仍未发现支链脂肪酸途径的有力证据。

在甜椒中，之所以失去辣味是由于突变造成胎盘隔的辣椒素生物合成基因表达量下调，由此可见，辣椒素合成似乎受转录调控。而在番茄中，一些基因的表达水平较低（PAL、C4H、CL，酰基载体蛋白和AMT，氨基转移酶）；除KAS外，还有些基因受时间限制表达量更低（COMT，咖啡酰-CoA 3-O-甲基转移酶、和FaTA，酰基ACP硫酯酶）；两个基因甚至不表达（BCAT，支链氨基酸氨基转移酶和CS）。如下图，似乎调控这些基因就能激活番茄中辣椒素合成。