辣椒素類物質生物合成及相關調控基因研究進展

劉 熠，劉 峰，鄒學校,

（1.湖南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；2.湖南農業大學，湖南 長沙 410128）

辣椒（Casicum.C）是聞名于世界各地的絕佳菜肴調味品。它不僅在食品加工方面發揮著必不可少的作用，而且有巨大的潛在藥用價值[1-2]。辣椒素（Capsaicin）是存在于辣椒中的重要次生代謝物質，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生令人體感到興奮的多巴胺物質[4]。因此，對于辣椒素的研究越來越受人們的關注，培育可以產生大量辣椒素的優質辣椒品種也成為了辣椒研究方向最主要的目標之一。

1 辣椒素類物質種類與含量測評

1.1 辣椒素類物質

辣椒最早產于中拉丁美洲的熱帶地域，但隨著時間的推移和全球化的進展加快，辣椒的栽植面積呈現出逐年增加的趨勢。與此同時，辛辣的菜肴已經成為許多國家傳統菜肴的一部分，食品再生產和原料加工的方向上辣椒素的作用可謂是發揮到了極致[5]。此外，辣椒素的許多益處也和工業應用息息相關。

人類食用辣椒所感受到的辛辣味道實際上是一種神經灼燒痛感，是對神經末梢的刺激反應，而這種刺激是因為存在于辣椒屬中的生物堿和其類似物的積累造成的[6]。辣椒素最早是在1876 年由Thresh 等獲得晶體后命名的[7]。當前已分離出的30 多種辣椒素同 系物被統稱作辣椒素類物質[8]。辣椒素類物質其實本質 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，已發現的辣椒素類物質種類有很多，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]，它們的主要區別是脂肪側鏈長度和在脂肪鏈中存在的雙鍵多少。不同辣椒素類物質在辣椒中的含量占比其實有很大的差異，其中辣椒素占比69%，二氫辣椒素占29%、降二氫辣椒素占7%[10]，這幾種辣椒素類物質幾乎決定了辣椒辣味的主要來源。經研究，新發掘的類辣椒素物質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，但其所具有的側鏈脂肪酸和辣椒素卻是相同的[12]。

1.2 辣椒素類物質含量的測評方法

辣椒品質性狀與其市場價值的高低主要取決于辣味的強度，而辣椒素的相對含量對辣椒的辣度起著主要決定作用，辣椒素含量的測定對于辣椒優秀種質資源的篩選十分重要。辣椒素含量的測量方式有多種，但主要測量的其實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）。在對大批量的辣椒樣品進行測定時，該方法仍然具有較高的靈敏度[13]。趙仁邦等[14]對比了采用高效液相色譜法測得的色譜圖與規范獲得的辣椒素色譜圖，獲取到了十分精確的測量結果。吳奕敏等[15]采用HPLC法和SAS 軟件的多因素方差法結合的實驗方案，在小米辣的13 個生長發育階段分別對其辣椒素類物質的含量進行了精確的測定。除此之外，韋爾伯·斯科維爾等發明了Soville 感官評定法，該方法是在具有待測樣品的容量瓶里加入一定量的乙醇振蕩，隨后在特定實驗條件下用蔗糖溶液與定量的提取液按比例稀釋，最后在專業人士的品嘗下得出最終結論[16]。由于每個人對辣味的敏感程度不同，該方法可用于目標樣品較少的情況。羅鳳蓮等[17]分別運用了Scoville 感官評定法和HPLC 法，在雙重對比測定后得出樣品同屬同一辣度級別范圍的結論，這為人體感覺器官評定法具有較準確的測量可信度提供了一定的依據。

2 辣椒素類物質的合成

2.1 辣椒素類物質生物合成途徑

Iwai 等[18]在同位素標記示蹤技術的基礎上發現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胞的液泡，產生于液泡的辣椒素可以在子房隔膜的傳輸作用下到達果肉表層細胞的液泡中。香草基胺和C9-C11支鏈脂肪酸共同合成了辣椒素類物質，香草基胺和支鏈脂肪酸的最初來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程中所需要的酶有很多，其中主要的酶種類有咖啡酸轉甲氧基酶（CA0MT）、肉桂4-羥基化酶（CA4H）、對香豆酸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程中，主要參與的酶有：β-酮酰基合成酶（KAS）、脂肪酸硫酯酶 （FAT）、酰基載體蛋白（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物質。經研究，CS 是辣椒素類物質形成過程中的關鍵酶[20]。結合免疫定位研究發現，辣椒胎座表層細胞的液泡膜是辣椒素合成酶定位的重要位置，這也從側面說明辣椒胎座辣椒素類物質含量為何高于其他組織器官[21]。

2.2 辣椒素類物質合成相關基因

把辣椒基因組與番茄基因組進行比較核對，發現番茄基因組中其實存在著辣椒素轉錄需要的全部基因。辛辣受部分基因轉錄的控制，與辣椒相比，番茄中的一些基因表達水平較低且表達受限[22]。在番茄中，辣椒合成關鍵酶CS 完全不表達[23]。韓暢等[24]篩選了16份辣椒品種進行實驗，這些品種都來源于貴州省。在對辣椒素的含量進行測定以及相關基因的準確定位后，復制得到了Pun1基因。Pun1通過編碼辣椒素合成酶在辣椒素關鍵的形成過程中施展了重要作用。Curly 等[25]在對辣椒合成關鍵途徑的研究中發現可能參與辣椒素類物質生物合成的多個候選基因，其中，實驗中的cDNA 克隆是被用來檢測不同辣味水平下的栽培品種于整個發育過程中不同果實組織器官的基因轉錄水平，結果發現：上述系列基因的轉錄水平在整體上與胎盤組織的辣椒素含量大小呈現相同的變化趨勢。在生物信息學及相關工具的協助下，雷建軍等[26]結合獲得了5 個辣椒轉錄因子，同時利用基因沉默等技術解釋了pAMT、KAS等基因對辣椒素含量的正向指導作用。Kim 等[27]在抑制消減雜交技術的基礎上成功得到39 個胎盤特異性表達cDNA 序列，最終得出結論：cDNA 表達具有很大的差別，且在高辣椒素含量的胎座組織中高表達，而在低辣椒素含量的胎座及各組織中表達量均較低。

辣椒的辣味基因在受環境氣候等重要因素的影響的同時，還受品質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鍵基因毫無疑問的參與了多個相關基因的定位研究[29]。特異表達序列 SB2-66 是Kim 等通過對幾十份胎座組織檢測篩查中發現的，該表達序列不僅與酰基轉移酶基因AT3 同源，而且作為編碼辣椒素合成酶的關鍵基因還可以調控香草基胺的酰化過程。在辣和非辣品種基因型篩選和遺傳互補試驗中，Stewart 等[30]成功分離出了全長cDNA片段，并以此作為DNA 印跡的探針檢測出SB2-66與Pun1有相同的基因位點，發現名為Pun12的未知的Pun1隱性等位基因。Pun12的序列分析顯示，4 個堿基對的缺失會導致移碼突變，且與辣椒素合成相關候選基因的表達水平相對較低。具有pTRV2-AT3 特殊結構的農桿菌用于感染幼苗以誘導基因沉默，于40 DPA 收獲果實后檢測到辣椒素含量和AT3基因在胎盤組織中高表達。AT3基因沉默的辣椒植株中AT3 的表達水平以及辣椒素和二氫辣椒素的表達含量分別下降了81.1%和89.6%，該實驗表明：沉默AT3對參與辣椒素生物合成支鏈脂肪酸途徑的相關基因轉錄有負面的影響[31]。Zhu 等[32]在對5 種辣椒馴化種的研究中發現，胎座特異表達基因MYB31直接靶向并激活辣椒素類生物合成基因的表達，調節辣椒素的生物合成，而MYB31 啟動子的變異會導致W-box 元件的形成，使啟動子與WRKY 結合，從而增強MYB31的表達，決定辣椒極辣物種的進化。

辣椒素酯類物質與辣椒素類物質結構十分相似，最初是從一種甜椒品種中分離出來的，通過對甜椒的分析得知辣椒素酯是通過香草醇與脂肪酸酰氯化過程中得到的，它雖然具有和辣椒素相似的結構功能，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

本文主要對辣椒素類物質的生物合成以及基因遺傳調控方面進行論述。辣椒素類物質含量的積累不僅受基因層面的調控，環境氣候以及植物體自身的內部調節也起著很大的作用。目前QTL 與GWAS 的分析探索中已檢測出多個與辣椒素類物質代謝形成的相關基因，如AT3、Kas、CoMT等，但其中被克隆和進行功能驗證的基因十分稀少，且調控辣椒素含量的機理尚未清晰，因此要加強相關基因及轉錄因子的開發驗證，為培育具有優良性狀的辣椒種質資源奠定重要的基礎。此外，對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大量辣椒素提供一定的方向。