華南農(nóng)業(yè)大學園藝學院聯(lián)合北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院等單位揭示“辣椒為什么那樣紅？”
2023年10月12日來源：華南農(nóng)業(yè)大學
近日，華南農(nóng)業(yè)大學園藝學院聯(lián)合北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院等單位在辣椒紅素生物合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控中取得新進展。相關(guān)成果以“An R-R-type MYB transcription factor promotes nonclimacteric pepper fruit carotenoid pigment biosynthesis”為題發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊Plant Journal（中科院一區(qū)，五年影響因子：8.02，論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16257）。
成熟果實色澤決定果實外觀和營養(yǎng)品質(zhì)，影響消費者偏好。根據(jù)果實成熟期間呼吸及乙烯釋放高峰的有無，果實一般可以分為呼吸躍變型果實（climacteric fruit，如番茄、蘋果、和香蕉等）和非呼吸躍變型果實（non-climacteric fruit，如辣椒、葡萄、草莓和柑橘）?；谝蚁┦荏w和信號轉(zhuǎn)導的分子機制，呼吸躍變型果實番茄成熟過程中類胡蘿卜素生物合成調(diào)控的分子機理已研究非常清楚。脫落酸（ABA）被認為是啟動非呼吸躍變型果實成熟的關(guān)鍵激素，而其這在類果實成熟過程中介導類胡蘿卜素生物合成調(diào)控的分子機制卻仍然不明確。
辣椒（Capsicum）是我國重要的蔬菜和調(diào)料作物，是典型的非呼吸躍變型果實。辣椒紅素是辣椒成熟果實特異高度積累的一種類胡蘿卜素，賦予成熟果實紅色，決定果實外觀和營養(yǎng)品質(zhì)。同時，辣椒紅素作為脂溶性天然色素，由于具有優(yōu)異的抗氧化等生物活性和極高色價（色價E值即460nm處的吸光值）的特點，被作為重要的工業(yè)原料廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品（高端口紅、美妝）及飼料添加劑等領(lǐng)域。在食品添加劑領(lǐng)域，辣椒紅素憑借色價高、著色力強、保色效果好和安全性高等優(yōu)點被聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）和世界衛(wèi)生組織（WHO）列為A類色素（即在使用中可以不限量添加）。目前，全球辣椒紅素市場規(guī)模達數(shù)十億元，且以每年15%復合增長率增加。辣椒紅素提取上游主要為辣椒原材料和生產(chǎn)檢驗設(shè)備，其中辣椒原材料質(zhì)量直接影響辣椒紅素提取行業(yè)發(fā)展，上游成本的結(jié)構(gòu)中辣椒原材料成本占比超過90%，選育高產(chǎn)、多抗、高辣椒紅素的辣椒品種是加工提取的關(guān)鍵。辣椒紅素主要在辣椒果實轉(zhuǎn)色期至成熟期合成，其合成基因PSY（八氫番茄紅素合成酶），PDS（八氫番茄紅素脫氫酶），β-CH（β-胡蘿卜素羥化酶）和CCS（辣椒紅素-辣椒玉紅素合成酶）在轉(zhuǎn)錄水平層面控制辣椒紅素含量，但是其合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制尚不清楚。因此，研究辣椒紅素生物合成的分子遺傳機制，為創(chuàng)制高辣椒紅素辣椒新種質(zhì)奠定基礎(chǔ)。
本研究通過對辣椒不同發(fā)育階段果實的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)構(gòu)建加權(quán)基因共表達網(wǎng)絡(luò)（WGCNA），鑒定到辣椒紅素合成模塊（MEdarkgreen）。在該模塊中，包含編碼辣椒紅素合成酶（capsanthin-capsorubin synthase，CCS）基因及一個功能未知且和CCS表達高度相關(guān)的R-R型MYB轉(zhuǎn)錄因子DIVARICATA1。功能表征發(fā)現(xiàn)DIVARICATA1編碼一個核定位的轉(zhuǎn)錄激活因子，沉默DIVARICATA1顯著降低了辣椒紅素合成相關(guān)基因PSY，PDS，β-CH1和CCS的轉(zhuǎn)錄，對應(yīng)的辣椒紅素含量也顯著降低。進一步實驗證明了DIVARICATA1直接結(jié)合并調(diào)控辣椒紅素合成基因CCS的表達。通過分析辣椒紅素含量不同的辣椒種質(zhì)資源發(fā)現(xiàn)，DIVARICATA1轉(zhuǎn)錄水平和辣椒紅素含量顯著正相關(guān)。
為了進一步探索ABA在辣椒果實成熟過程中的作用，采用ABA處理綠熟期辣椒果實可以顯著促進DIVARICATA1和辣椒紅素合成基因（CBG）表達，對應(yīng)的辣椒紅素的含量也顯著上升。沉默DIVARICATA1顯著降低了ABA介導的辣椒紅素合成基因（CBG）表達和辣椒紅素的積累，表明在ABA介導非呼吸躍變型辣椒果實成熟過程中，類胡蘿卜素合成依賴于DIVARICATA1。
辣椒基因組測序表明，辣椒紅素合成通路基因在茄科植物辣椒、番茄、茄子、馬鈴薯、煙草等植物中都存在，比較轉(zhuǎn)錄組學發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵基因特異在辣椒果實中轉(zhuǎn)錄是辣椒積累辣椒紅素的原因。為了進一步明確辣椒紅素生物合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控進化機制，本研究分析了辣椒、番茄、茄子、馬鈴薯等茄科所有已明確參與果實成熟和類胡蘿卜素生物合成的轉(zhuǎn)錄因子和合成基因。結(jié)果表明，類胡蘿卜素上游合成基因PSY、PDS和成熟核心調(diào)控基因MADS-RIN轉(zhuǎn)錄模式在茄科果實成熟過程中相對保守。然而，類胡蘿卜素下游合成基因β-CH、CCS和DIVARICATA1特異在辣椒果實中獲得高水平轉(zhuǎn)錄，表明它們功能茄科中出現(xiàn)了差異進化。進一步分析表明，辣椒中DIVARICATA1可以被MADS-RIN調(diào)控，表明MADS-RIN-DIVARICATA1模塊參與辣椒果實成熟過程中類胡蘿卜素的生物合成。該研究首次鑒定到了辣椒紅素生物合成的關(guān)鍵調(diào)控基因，明確了ABA信號介導非呼吸躍變型辣椒果實類胡蘿卜素生物合成的機制，并且發(fā)現(xiàn)了辣椒紅素在茄科的生物合成差異調(diào)控的進化機制，為辣椒色澤遺傳改良奠定了基礎(chǔ)。
據(jù)悉，目前園藝學院辣椒課題組已經(jīng)從世界范圍內(nèi)收集3200余份遺傳多樣性極為廣泛的辣椒種質(zhì)資源，這些材料為辣椒重要農(nóng)藝性狀、風味色澤代謝品質(zhì)和雜種優(yōu)勢形成機理的研究以及分子設(shè)計育種提供了重要的支撐。
華南農(nóng)業(yè)大學博士后宋佳麗和孫彬妹副教授為該論文第一作者，朱張生、雷建軍教授為該論文通訊作者。陳長明、陳國菊、曹必好等教授也參與了該研究。研究得到了國家自然科學基金（32102380, U21A20230, 32070331和32072580）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2022A1515012547）、廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2023A04J0115）、廣東省農(nóng)業(yè)廳（2022-NPY-00-024）和華南農(nóng)業(yè)大學提質(zhì)增效項目的資助。
免責聲明：凡本網(wǎng)注明“來源：XXX(非中國食品新聞網(wǎng))”的作品，均轉(zhuǎn)自其他媒體，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多的信息，僅供網(wǎng)友學習參考使用，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點。著作權(quán)及版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載無意侵犯版權(quán)，如有內(nèi)容、版權(quán)和其他相關(guān)問題，請速與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將盡快處理。
我來說兩句