辣椒为什么会这么辣华南农业大学雷建军课题组

时间:2019-07-04

  

辣椒为什么会这么辣华南农业大学雷建军课题组揭示辣椒素类物质生物合成的转录调控机制

   Agustin Zsgn称,这项研究已经在着手进行,难点在于定位这些辣椒素有关基因。浙江大学郑晓冬等:美国豆芋加快产后大鼠的子! MYB31功能的明确为辣椒素类物质特异在辣椒属中合成的转录调控提供了新认识,其启动子变异为极辣基因型辣椒(C. chinense)遗传进化提供新见解。MYB31启动子的变异可用于开发相应的诊断性分子标记用于辣椒风味遗传改良。 MYB31在C. annuum、C. baccatum、C. chinense、C. frutescens、C. pubescens不同辣度基因型材料的转录水平和辣椒素合成相关基因转录水平及辣椒素类物质含量显著正相关(图3)。通过分析不同辣度基因型材料MYB31启动子序列,发现启动子变异和其转录活性相关。决定种间启动子活性差异的关键区域,在高辣的C. chinense基因材料存在1个正常的W-box元件,然而在低辣的C. annuum、C. baccatum、C. frutescens和C. pubescens基因型材料该W-box元件缺失或者存在SNP突变(图3)。进一步分析表明,该W-box可以被一个胎座特异表达的WRKY9转录因子识别使得MYB31转录被强烈激活,进而使得高辣的C. chinense基因型材料的MYB31基因转录水平明显高于其他4种基因型,进而导致极辣C. chinense种的形成。 采用辣椒素含量极高(极辣)的辣椒740自交系(C. chinense)做母本,辣椒素含量极低(微辣)的辣椒CA1自交系(C. annuum)做父本构建了种间杂交群体,从辣椒中克隆到一个在辣椒胎座特异表达的MYB转录因子MYB31。进化分析表明,和辣椒近缘的茄科植物番茄、土豆、烟草、茄子虽然也存在MYB31同源基因,但是MYB31在这些植物中却未转录。转录水平分析发现,MYB31和辣椒素合成相关基因高度共表达;进一步实验发现,其可以通过直接调控辣椒素合成相关基因参与辣椒素的生物合成(图2)。 植物为了适应其生存环境进化出了各种各样的次生代谢产物参与防御反应。辣椒素及其类似物是辣椒属植物特有的一种次生代谢产物,赋予辣椒果实辣味,同时帮助其抵抗哺乳动物和病原菌危害果实和种子。辣椒素类物质同时在医药、化工、食品和军事等领域具有重要的经济和应用价值,纯辣椒素(类物质)价值高达数万元每千克。由于辣椒独特的风味,辣椒在世界和我国被广泛栽培,根据联合国粮食和农业组织的数据统计,全世界吃辣的人口数量达到60%,在过去几十年间,的鲜食辣椒总产量翻了三倍多,干辣椒的总产量也将近翻了两倍。据2018年统计我国辣椒栽培面积达到3000万亩,辣椒及其相关制品产值超过1000亿元。辣椒已被许多地区列为重要的乡村振兴作物之一。 华南农业大学博士生朱张生为改论文的第一作者,课题组雷建军教授和陈长明副教授为该论文通讯作者。研究得到了国家自然科学基金(31572124)、国家重点研发计划(2018YFD1000800)、华南农业大学研究生联合培养海外项目(2017LHPY018)的资助。 然而,也有学者并不看好这项研究。加州大学戴维斯分校的植物遗传学研究员Allen Van Deynze说,辣椒是辣椒素的“巨大而有效的工厂”。相比而言,番茄栽培需要更多的水,并且番茄果实很软更难处理。他更有兴趣看到利用番茄生产更难以获得的化合物。 辣椒基因组测序表明,辣椒素合成途径相关基因(Capsaicinoid biosynthetic gene, CBG)在和辣椒近缘的茄科植物番茄、土豆、烟草矮牵牛等植物中都存在,比较转录组学发现辣椒素合成相关基因在特异在辣椒胎座中获得转录是辣椒产生辣味的原因【1,2】。在辣椒35个种中有5个被栽培和驯化(图1)。和其他几个种相比,Capsicum chinense特点是极辣(辣椒素类物质含量极高),所有“吉尼斯世界记录”报道的最辣的辣椒“印度魔鬼椒”、“卡莱罗纳死神椒”和“Pepper X”都来自于该种,我国最辣的“涮涮辣”和海南黄灯笼椒也属于该种(图1)。然而,辣椒素合成途径相关基因(CBG)特异在辣椒属中获得转录,以及极辣辣椒形成的遗传和分子机制尚不清楚。 有意思的是,大约1900万年前,番茄和辣椒同属于一个祖先。正如上文所述,番茄中也含有辣椒素合成途径相关的基因,只不过这些基因处于“休眠”状态,不能进行转录。今年1月份,来自巴西维索萨联邦大学的Agustin Zsgn团队在Trends in Plant Science发表了一篇题为Capsaicinoids: Pungency beyond Capsicum的观点文章。Agustin Zsgn认为,产生辣椒素的所有基因都存在于番茄中,只是它们不活跃,使用CRISPR/Cas9基因编辑技术有望重新启动这些基因。

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