辣椒素類(lèi)物質(zhì)生物合成及相關(guān)調(diào)控基因研究進(jìn)展

劉 熠，劉 峰，鄒學(xué)校,

（1.湖南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

辣椒（Casicum.C）是聞名于世界各地的絕佳菜肴調(diào)味品。它不僅在食品加工方面發(fā)揮著必不可少的作用，而且有巨大的潛在藥用價(jià)值[1-2]。辣椒素（Capsaicin）是存在于辣椒中的重要次生代謝物質(zhì)，按含量排列，其次是二氫辣椒素、去二氫辣椒素、同二氫辣椒素等[3]。在眾多的茄科植物中，只有辣椒屬可以產(chǎn)生辣椒素，辣椒素主要是在辣椒胎座中合成。辣椒素具有多種功能，如抗氧化、抗癌等藥理作用，除此之外，食用辣椒素還可以產(chǎn)生令人體感到興奮的多巴胺物質(zhì)[4]。因此，對(duì)于辣椒素的研究越來(lái)越受人們的關(guān)注，培育可以產(chǎn)生大量辣椒素的優(yōu)質(zhì)辣椒品種也成為了辣椒研究方向最主要的目標(biāo)之一。

1 辣椒素類(lèi)物質(zhì)種類(lèi)與含量測(cè)評(píng)

1.1 辣椒素類(lèi)物質(zhì)

辣椒最早產(chǎn)于中拉丁美洲的熱帶地域，但隨著時(shí)間的推移和全球化的進(jìn)展加快，辣椒的栽植面積呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)。與此同時(shí)，辛辣的菜肴已經(jīng)成為許多國(guó)家傳統(tǒng)菜肴的一部分，食品再生產(chǎn)和原料加工的方向上辣椒素的作用可謂是發(fā)揮到了極致[5]。此外，辣椒素的許多益處也和工業(yè)應(yīng)用息息相關(guān)。

人類(lèi)食用辣椒所感受到的辛辣味道實(shí)際上是一種神經(jīng)灼燒痛感，是對(duì)神經(jīng)末梢的刺激反應(yīng)，而這種刺激是因?yàn)榇嬖谟诶苯穼僦械纳飰A和其類(lèi)似物的積累造成的[6]。辣椒素最早是在1876 年由Thresh 等獲得晶體后命名的[7]。當(dāng)前已分離出的30 多種辣椒素同 系物被統(tǒng)稱作辣椒素類(lèi)物質(zhì)[8]。辣椒素類(lèi)物質(zhì)其實(shí)本質(zhì) 是一種生物堿，是由香草基胺與支鏈脂肪酸二者酰氨化合成的。按存在于辣椒中的含量排列，已發(fā)現(xiàn)的辣椒素類(lèi)物質(zhì)種類(lèi)有很多，人們所熟知且含量較高的有辣椒素、二氫辣椒素（Dihydrocapsaicin）、降二氫辣椒素（Nordihydrocapsaicin）、高辣素（Homocapsaicin）、高二氫 椒（Homodihydrocapsaicin）、 辛酸香草酸胺（Octanoyl vanillylamide）、壬酸香草基胺（Nonanoyl vanillylamide）、 癸酸香草肽胺（Decanoyl vanillylamide）、辣椒素酯（Capsiate）、二氫辣椒素酯（Dihydrocapsiate）和降二氫辣椒素酯 （Nordihydrocapsiate）等[9]，它們的主要區(qū)別是脂肪側(cè)鏈長(zhǎng)度和在脂肪鏈中存在的雙鍵多少。不同辣椒素類(lèi)物質(zhì)在辣椒中的含量占比其實(shí)有很大的差異，其中辣椒素占比69%，二氫辣椒素占29%、降二氫辣椒素占7%[10]，這幾種辣椒素類(lèi)物質(zhì)幾乎決定了辣椒辣味的主要來(lái)源。經(jīng)研究，新發(fā)掘的類(lèi)辣椒素物質(zhì)辣椒素酯和二氫辣椒素酯并不具有辣椒素的刺激性[11]。辣椒素酯所屬的芳香元素是香莢蘭醇（Vanillylalcohol），這與辣椒素有較大差異，但其所具有的側(cè)鏈脂肪酸和辣椒素卻是相同的[12]。

1.2 辣椒素類(lèi)物質(zhì)含量的測(cè)評(píng)方法

辣椒品質(zhì)性狀與其市場(chǎng)價(jià)值的高低主要取決于辣味的強(qiáng)度，而辣椒素的相對(duì)含量對(duì)辣椒的辣度起著主要決定作用，辣椒素含量的測(cè)定對(duì)于辣椒優(yōu)秀種質(zhì)資源的篩選十分重要。辣椒素含量的測(cè)量方式有多種，但主要測(cè)量的其實(shí)是辣椒素和二氫辣椒素的含量多少，目前使用最廣泛的是高效液相色譜法（HPLC）。在對(duì)大批量的辣椒樣品進(jìn)行測(cè)定時(shí)，該方法仍然具有較高的靈敏度[13]。趙仁邦等[14]對(duì)比了采用高效液相色譜法測(cè)得的色譜圖與規(guī)范獲得的辣椒素色譜圖，獲取到了十分精確的測(cè)量結(jié)果。吳奕敏等[15]采用HPLC法和SAS 軟件的多因素方差法結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方案，在小米辣的13 個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段分別對(duì)其辣椒素類(lèi)物質(zhì)的含量進(jìn)行了精確的測(cè)定。除此之外，韋爾伯·斯科維爾等發(fā)明了Soville 感官評(píng)定法，該方法是在具有待測(cè)樣品的容量瓶里加入一定量的乙醇振蕩，隨后在特定實(shí)驗(yàn)條件下用蔗糖溶液與定量的提取液按比例稀釋?zhuān)詈笤趯?zhuān)業(yè)人士的品嘗下得出最終結(jié)論[16]。由于每個(gè)人對(duì)辣味的敏感程度不同，該方法可用于目標(biāo)樣品較少的情況。羅鳳蓮等[17]分別運(yùn)用了Scoville 感官評(píng)定法和HPLC 法，在雙重對(duì)比測(cè)定后得出樣品同屬同一辣度級(jí)別范圍的結(jié)論，這為人體感覺(jué)器官評(píng)定法具有較準(zhǔn)確的測(cè)量可信度提供了一定的依據(jù)。

2 辣椒素類(lèi)物質(zhì)的合成

2.1 辣椒素類(lèi)物質(zhì)生物合成途徑

Iwai 等[18]在同位素標(biāo)記示蹤技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了辣椒素最重要的合成部位不是種子而是辣椒胎座表層細(xì)胞的液泡，產(chǎn)生于液泡的辣椒素可以在子房隔膜的傳輸作用下到達(dá)果肉表層細(xì)胞的液泡中。香草基胺和C9-C11支鏈脂肪酸共同合成了辣椒素類(lèi)物質(zhì)，香草基胺和支鏈脂肪酸的最初來(lái)源分別是由芳香族氨基酸苯丙氨酸和纈氨酸[19]。在苯丙氨酸形成香草基胺的過(guò)程中所需要的酶有很多，其中主要的酶種類(lèi)有咖啡酸轉(zhuǎn)甲氧基酶（CA0MT）、肉桂4-羥基化酶（CA4H）、對(duì)香豆酸3-羥基化酶（CA3H）、苯丙氨酸解氨酶 （PAL）。 而在支鏈脂肪酸形成的過(guò)程中，主要參與的酶有：β-酮?；铣擅福↘AS）、脂肪酸硫酯酶 （FAT）、?；d體蛋白（ACL） 。香草基胺和支鏈脂肪酸最終可以在辣椒素合成酶（CS）的作用下生成辣椒素類(lèi)物質(zhì)。經(jīng)研究，CS 是辣椒素類(lèi)物質(zhì)形成過(guò)程中的關(guān)鍵酶[20]。結(jié)合免疫定位研究發(fā)現(xiàn)，辣椒胎座表層細(xì)胞的液泡膜是辣椒素合成酶定位的重要位置，這也從側(cè)面說(shuō)明辣椒胎座辣椒素類(lèi)物質(zhì)含量為何高于其他組織器官[21]。

2.2 辣椒素類(lèi)物質(zhì)合成相關(guān)基因

把辣椒基因組與番茄基因組進(jìn)行比較核對(duì)，發(fā)現(xiàn)番茄基因組中其實(shí)存在著辣椒素轉(zhuǎn)錄需要的全部基因。辛辣受部分基因轉(zhuǎn)錄的控制，與辣椒相比，番茄中的一些基因表達(dá)水平較低且表達(dá)受限[22]。在番茄中，辣椒合成關(guān)鍵酶CS 完全不表達(dá)[23]。韓暢等[24]篩選了16份辣椒品種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這些品種都來(lái)源于貴州省。在對(duì)辣椒素的含量進(jìn)行測(cè)定以及相關(guān)基因的準(zhǔn)確定位后，復(fù)制得到了Pun1基因。Pun1通過(guò)編碼辣椒素合成酶在辣椒素關(guān)鍵的形成過(guò)程中施展了重要作用。Curly 等[25]在對(duì)辣椒合成關(guān)鍵途徑的研究中發(fā)現(xiàn)可能參與辣椒素類(lèi)物質(zhì)生物合成的多個(gè)候選基因，其中，實(shí)驗(yàn)中的cDNA 克隆是被用來(lái)檢測(cè)不同辣味水平下的栽培品種于整個(gè)發(fā)育過(guò)程中不同果實(shí)組織器官的基因轉(zhuǎn)錄水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：上述系列基因的轉(zhuǎn)錄水平在整體上與胎盤(pán)組織的辣椒素含量大小呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。在生物信息學(xué)及相關(guān)工具的協(xié)助下，雷建軍等[26]結(jié)合獲得了5 個(gè)辣椒轉(zhuǎn)錄因子，同時(shí)利用基因沉默等技術(shù)解釋了pAMT、KAS等基因?qū)苯匪睾康恼蛑笇?dǎo)作用。Kim 等[27]在抑制消減雜交技術(shù)的基礎(chǔ)上成功得到39 個(gè)胎盤(pán)特異性表達(dá)cDNA 序列，最終得出結(jié)論：cDNA 表達(dá)具有很大的差別，且在高辣椒素含量的胎座組織中高表達(dá)，而在低辣椒素含量的胎座及各組織中表達(dá)量均較低。

辣椒的辣味基因在受環(huán)境氣候等重要因素的影響的同時(shí)，還受品質(zhì)性狀遺傳和多基因的控制[28]。Pun1作為辣椒素合成途徑中的關(guān)鍵基因毫無(wú)疑問(wèn)的參與了多個(gè)相關(guān)基因的定位研究[29]。特異表達(dá)序列 SB2-66 是Kim 等通過(guò)對(duì)幾十份胎座組織檢測(cè)篩查中發(fā)現(xiàn)的，該表達(dá)序列不僅與酰基轉(zhuǎn)移酶基因AT3 同源，而且作為編碼辣椒素合成酶的關(guān)鍵基因還可以調(diào)控香草基胺的?；^(guò)程。在辣和非辣品種基因型篩選和遺傳互補(bǔ)試驗(yàn)中，Stewart 等[30]成功分離出了全長(zhǎng)cDNA片段，并以此作為DNA 印跡的探針檢測(cè)出SB2-66與Pun1有相同的基因位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)名為Pun12的未知的Pun1隱性等位基因。Pun12的序列分析顯示，4 個(gè)堿基對(duì)的缺失會(huì)導(dǎo)致移碼突變，且與辣椒素合成相關(guān)候選基因的表達(dá)水平相對(duì)較低。具有pTRV2-AT3 特殊結(jié)構(gòu)的農(nóng)桿菌用于感染幼苗以誘導(dǎo)基因沉默，于40 DPA 收獲果實(shí)后檢測(cè)到辣椒素含量和AT3基因在胎盤(pán)組織中高表達(dá)。AT3基因沉默的辣椒植株中AT3 的表達(dá)水平以及辣椒素和二氫辣椒素的表達(dá)含量分別下降了81.1%和89.6%，該實(shí)驗(yàn)表明：沉默AT3對(duì)參與辣椒素生物合成支鏈脂肪酸途徑的相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄有負(fù)面的影響[31]。Zhu 等[32]在對(duì)5 種辣椒馴化種的研究中發(fā)現(xiàn)，胎座特異表達(dá)基因MYB31直接靶向并激活辣椒素類(lèi)生物合成基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)辣椒素的生物合成，而MYB31 啟動(dòng)子的變異會(huì)導(dǎo)致W-box 元件的形成，使啟動(dòng)子與WRKY 結(jié)合，從而增強(qiáng)MYB31的表達(dá)，決定辣椒極辣物種的進(jìn)化。

辣椒素酯類(lèi)物質(zhì)與辣椒素類(lèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)十分相似，最初是從一種甜椒品種中分離出來(lái)的，通過(guò)對(duì)甜椒的分析得知辣椒素酯是通過(guò)香草醇與脂肪酸酰氯化過(guò)程中得到的，它雖然具有和辣椒素相似的結(jié)構(gòu)功能，同屬次生代謝物，但其并不具有辣味，辣椒素酯在心血管等疾病方面的治療效用也是十分的顯著，主要作用是它能夠消耗人體內(nèi)的能量，加速脂肪的代謝，除此之外也可作為日常的保健用品。

3 展 望

本文主要對(duì)辣椒素類(lèi)物質(zhì)的生物合成以及基因遺傳調(diào)控方面進(jìn)行論述。辣椒素類(lèi)物質(zhì)含量的積累不僅受基因?qū)用娴恼{(diào)控，環(huán)境氣候以及植物體自身的內(nèi)部調(diào)節(jié)也起著很大的作用。目前QTL 與GWAS 的分析探索中已檢測(cè)出多個(gè)與辣椒素類(lèi)物質(zhì)代謝形成的相關(guān)基因，如AT3、Kas、CoMT等，但其中被克隆和進(jìn)行功能驗(yàn)證的基因十分稀少，且調(diào)控辣椒素含量的機(jī)理尚未清晰，因此要加強(qiáng)相關(guān)基因及轉(zhuǎn)錄因子的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證，為培育具有優(yōu)良性狀的辣椒種質(zhì)資源奠定重要的基礎(chǔ)。此外，對(duì)于番茄等茄科作物的基因改造探索也可為今后更加高效的生產(chǎn)大量辣椒素提供一定的方向。