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?辣椒的“辣基因”大白于天下


內容摘要:  因為辣,辣椒能讓食草動物退避三舍,不去咀嚼其種子;也因為辣,辣椒深受美食愛好者追捧?!渡嗉馍系闹袊吩v述,辣不是種味

  因為辣,辣椒能讓食草動物退避三舍,不去咀嚼其種子;也因為辣,辣椒深受美食愛好者追捧?!渡嗉馍系闹袊吩v述,辣不是種味道,而是一種被刺激誘發的感覺,事實真是如此嗎?

  走近科學

  我國科學家解密“辣基因”

  全基因組測序完成,并構建高密度連鎖圖譜

  最近,由貴州省遵義市農業科學研究院牽頭的科學家團隊完成了針對辣椒的首次高質量參照基因組測序,使辣椒的“辣基因”大白于天下。

  據了解,辣椒全基因組序列測序的辣椒品種為遵義市農業科學研究院選育的品種“遵辣1號”和來自墨西哥的野生種“Chiltepin”。研究人員分別對“遵辣1號”和“Chiltepin”進行了全基因組測序,構建了高密度的連鎖圖譜,并組裝得到高質量的基因組精細圖譜。兩個基因組大小約為3.3Gb,分別有35336個和34476個基因,12對染色體,其中約90%的基因都錨定到這些染色體上。

  辣椒堿主要由辣椒素和二氫辣椒素組成,能夠產生辣椒果實獨特的辣味。研究人員在辣椒中發現了51個參與辣椒素生物合成的基因家族,雖然這些基因家族在西紅柿、土豆、擬南芥中也存在同源基因,但部分關鍵的基因在辣椒中有明顯的拷貝數擴增。通過對不同辣度的辣椒相關轉錄組數據的比較分析,推測可能負責辣椒素最終合成的AT基因家族中AT3-D1和AT3-D2基因協同作用,合成并積累含量不同的辣椒素,這可能是一種與辣椒素積累相連的關鍵因素,可以決定不同品種辣椒的辣度。

  研究人員進一步分析了有辣味和沒有辣味的辣椒品種基因序列及其在果實中的表達情況,發現AT3-D1基因的編碼區(能夠翻譯成蛋白質的那一段序列)在無辣味的品種中發生了部分序列的丟失,導致其翻譯蛋白質的過程異常,不能夠合成與辣味有關的物質,這也正就是有些辣椒品種不辣的原因。

  美國農藝學會主席、新墨西哥州立大學辣椒研究所所長PaulBo?sland教授認為:中國科學家主導的高質量辣椒基因組圖譜的完成,為辣椒的研究打開了新的一頁,該圖譜將促進辣椒抗性、品質等重要農藝性狀基因的定位研究,為通過分子育種進行辣椒品種改良奠定基礎,同時還將促進茄科植物的進化研究,以及果實發育機理等基礎生物學研究。

  輔宏璞

  一家之言

  選育抗病品種是當務之急

  覃成

  近年來,隨著我國辣椒產業的蓬勃發展,由于耕地數量有限,土地、氣候等條件的限制以及對高產高效的追求,辣椒多年連續種植使土地難以得到輪作倒茬的現象較為普遍,全國各地出現的辣椒連作障礙現象日益嚴重(同一種作物或者近緣作物連作以后,即使在正常管理的條件下,也會產生產量降低、品質變劣、生育狀況變差的現象,這就是連作障礙)。辣椒連作障礙的主要癥狀是病毒病、疫病、青枯病等的致病病菌持續積累,導致病情加重,嚴重影響辣椒的產量和品質,制約了我國辣椒產業的快速發展和轉型升級。

  上述3種主要病害的致病病菌在土壤中存活時間長(旱地為3年~5年),即使通過改善栽培措施和種植結構,以及化學防治和生物防治相結合的方法,也很難達到明顯的防治效果,使得它從發現至今一直是困擾辣椒生產的主要難題,深受國內外研究者的關注。

  從“植物健康管理”角度,選育辣椒抗病品種被認為是最緊迫、最有效和最環境友好的出路,即利用寄主的抗病性是目前防病的最有效途徑之一。通過傳統的雜交育種技術選育辣椒抗病新品種效率低下(6年~7年,甚至更久),應用經典遺傳學、現代分子生物學技術與傳統雜交育種技術相結合,將會大大提高辣椒抗病的育種效率(3年~4年),是解決我國辣椒連作障礙的最佳途徑。

  幫打聽

  辣椒為什么會辣?辣椒辣味的遺傳分子機制又是什么呢?野生辣椒與馴化后的辣椒有何區別?帶來辣味的“辣基因”還存在于哪些蔬菜中呢?我國辣椒育種人員近期關注的焦點是什么?針對大家感興趣的一系列問題,遵義市農科院覃成博士為大家一一解答。

  基因同源,西紅柿為何不辣?

  研究表明,辣椒基因組包含大量的重復序列,約有2.7Gb(占基因組大小的81%),遠高于其在西紅柿(479Mb,61%)和馬鈴薯(399Mb,61%)中的含量,并且以Gypsy(54.5%)和Copia(8.6%)兩種類型的重復序列為主。進一步的進化分析表明Gypsy在約30萬年時發生了大規模的擴張和復制,導致辣椒基因組是西紅柿和馬鈴薯基因組大小的4倍。

  通過對比辣椒和其近親植物番茄的基因組,發現這兩種植物中都有可產生刺激性辣椒素的基因,但番茄中含有該基因的4種無功能副本,辣椒中則有7種無功能副本和1種起作用的該基因的副本。

  在對辣椒與其他茄科植物的比較基因組及進化分析中,研究人員還發現,辣椒和西紅柿、馬鈴薯一樣,經歷了一次三倍化事件和一次全基因復制事件,但是由茄科中分化出的辣椒屬分支并未發生全基因組的復制,進一步證實辣椒的基因組擴張是由近期重復序列的擴張復制導致的。相對于馬鈴薯和西紅柿,辣椒基因組產生了大量的重排和異位事件。

  解讀

  辣椒難度有多大?

  雖說每三個人中就有大約一個人吃辣,辣椒是重要的經濟作物,但是全球對辣椒的基礎研究相對都比較弱,和茄科的西紅柿、馬鈴薯等其他作物相比,更是有著顯著的差距。究其原因,是由于辣椒的基因組大且非常復雜,辣椒基因組測序要突破三大難點:高度純合材料獲得難、基因組組裝難度大、生物學故事解讀難度大。

  通過解讀全球發表的所有關于辣椒的研究論文及其他物種相關的研究成果,研究人員最終選定了以下生物學問題:辣椒基因組擴增的原因,這有助于解釋辣椒屬基因組的進化;茄科的進化,這有助于研究辣椒屬在茄科及單子葉植物中的進化地位;辣椒人工選擇的分子印跡的發掘,這為辣椒分子育種提供重要的基因資源。通過辣椒與西紅柿果實發育全過程的比較分析,獲得了辣椒果實成熟后仍然堅硬等生物學特性相關的候選基因,為辣椒開展分子標記輔助育種提供了重要的基因資源。

  未來的辣椒什么樣?

  目前,在我國辣椒的育種仍然以傳統的雜交育種為主,應用生物技術輔助選育種的水平相對較低,究其原因主要有兩個方面:對辣椒進行分子領域的研究嚴重滯后于其他主要農作物和其他大宗蔬菜,如番茄、黃瓜、大白菜、馬鈴薯等;缺乏對辣椒核心種質資源的整體研究以及對辣椒重要經濟性狀,如不育性、恢復性、抗病性等的深入研究。辣椒基因組圖譜的公布促進了辣椒抗性、品質等重要農藝性狀基因的定位研究,為通過分子育種進行辣椒品種改良奠定了基礎,同時還促進了茄科植物的進化研究,以及果實發育機理等基礎生物學研究。

  下一步辣椒研究的重點是如何打通上游的理論研究和下游的應用研究,借助基因組學的研究成果,指導辣椒分子育種,選出好的雜交品種,真正能為老百姓收入增加創造機會,科研才實現了其基本的社會價值。做好辣椒種質資源精準鑒定與評價及抗病候選基因挖掘,加速抗病分子育種,盡快解決制約我國辣椒產業的快速發展和轉型升級的重大問題,是我國辣椒育種人員近期關注的焦點。

  王蕾 本報記者 繆翼

  鏈接

  辣椒會辣手

  人們所說的辣味,其實并不是一種味覺,而是一種痛覺,是辣椒素等化學物質刺激細胞,在大腦中形成了類似灼燒的微量刺激的感覺,不是由味蕾所受到的味覺。因此,只要有神經能感受到的地方,就能感受到辣。

  吃辣為什么會上癮

  當辣椒的辣味刺激舌頭、口腔的神經末梢時,機體的神經系統會反射性地出現心跳加速、唾液及汗液分泌增加、腸胃蠕動增快而加倍工作。同時,興奮性的刺激會使大腦釋放出內啡肽,再繼續吃下去,大腦又會以為有痛苦襲來,于是釋放出更多的內啡肽。內啡肽會促進大腦內另一種物質——多巴胺的分泌,多巴胺是一種腦內分泌,相當于每個人體內的“獎勵系統”,是一種類似腎上腺素的物質,可以影響一個人的情緒,在短時間內令人高度興奮。于是享樂主義的大腦讓人們對吃辣“上癮”,以至于聞到濃郁的辣味就有進食的沖動。

  辣出來的熱是幻覺

  即使在常溫下,吃辣椒也會產生一種“火熱”的灼燒感,這是為什么呢?因為感覺。辣椒中帶有一個活躍的化學物質叫辣椒素,科學家發現,它可以激發口中一種名為VR1的受體,繼而剝離了感應神經元的電子,傳遞出辛辣刺激的信號。但VR1受體本身并未感應到辣椒素存在,而主要是進行熱感應,因此,當VR1受體被辣椒素激發后,大腦最終受到的信號卻是類似喝了滾燙的水一樣的灼燒感,這并非是真正灼燒,而是神經受體被“迷惑”后發出的灼燒的幻覺。

  我國重辣版圖

  西南大學歷史地理研究所藍勇教授對中國飲食辛辣口味分析后,繪制出了中國“吃辣”版圖?!爸乩眳^”包括四川、湖南、湖北、貴州等地。

  貴州的辣,種類齊全,辣得刻骨銘心,讓人想起來胃就會一陣絞痛;云南的德宏擁有世界上最辣的辣椒品種,那就是云南象鼻涮涮辣,辣度是朝天椒的20倍~30倍;四川講究辣椒入到菜里面的味道,辣的味道都在那紅油里;湖南人好用新鮮辣椒或者干辣椒炒菜,無辣不歡;湖北各地市辣菜介于干辣和麻辣之間,家家戶戶熱愛辣味;江西有個地方可能是全中國吃得最辣的地方,那就萍鄉市,這地方煮粥、燉湯都要放辣椒;廣西氣候十分適合種植辣度高的辣椒,辣椒是人們生活飲食里不可或缺的一個部分。

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