辣椒素积累生理研究的最新进展

赵凯 邓明华 朱海山

（云南农业大学园林园艺学院，云南昆明，650201）

辣椒素积累生理研究的最新进展

赵凯 邓明华 朱海山

（云南农业大学园林园艺学院，云南昆明，650201）

辣椒素的积累主要受到遗传、环境、竞争物质、酶的影响。在遗传方面，辣椒的基因型以及决定辣椒素含量的特定基因对辣椒素的积累起着决定作用，环境中的光照、温度、CO2、肥料起辅助作用，竞争物质，如木质素、类黄酮、蛋白质、单宁、生物碱、香豆素等物质与辣椒素的积累相互抑制，辣椒素的合成酶和降解酶同样影响辣椒素的积累。

辣椒素 积累 遗传 环境 合成 降解 生理

辣椒素（capsacin）是辣椒果实中主要呈现辣味的酰胺类化合物，是辣椒果实品质的重要指标之一。它的积累主要受遗传因素的影响，另外，环境因素也影响辣椒素的合成。辣椒素的生物合成是一个复杂的过程[2]，涉及到多种物质的竞争和酶的调控，在合成的过程中主要受辣椒素合成酶 （CS）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性的影响，另外，木质素、类黄酮、蛋白质、单宁、生物碱、香豆素等物质的合成与辣椒素的合成存在着竞争共同前体物的问题；在辣椒素降解的过程中，过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、过氧化氢酶（CAT）是主要的降解酶。随着研究技术的提高以及各领域对辣椒素纯天然、低毒害、无污染等特点的认识及深入研究，目前，辣椒素日益受到消费者的青睐和研究者的重视。

1 辣椒素的结构、分布和性质

辣椒素是辣椒碱（capsaicinoids）中的主要物质，最早是由Thres于1876年从辣椒果实中分离出来的，并为它命名。化学名称为：8-甲基-6-癸烯香草基胺，分子式为C18H27NO3，是香草基胺的酰胺衍生物，化学结构式为：H3CO（HO）-C6H3-CH2-NH-CO-（CH2）4CH= CHCH（CH3）2[3]。

人们之前对于辣椒素的分布持有不同的看法，直到1979年Iwai利用同位素示踪、电子密度扫描显微镜等先进技术对辣椒素的形成做了研究，并认为辣椒素主要在果实胎座表皮细胞的液泡中合成并积累，然后通过子房隔膜运输到果肉表皮细胞的液泡中积累，这与之后的研究 （辣椒素在果实中的分布亦不均匀，其中胎座中含量最高，果肉次之，种子中含量最少）相一致。

辣椒素的物理性质：辣椒素纯品呈单斜长方形片状无色晶体，熔点65～66℃，沸点210～220℃，易溶于甲醇、乙醇、乙醚、苯以及氯仿等有机溶剂，微溶于二硫化碳。化学性质：辣椒素为酰胺类化合物，可被水解为香草基胺和癸烯酸，因其具有酚羟基而呈弱酸性，因此可与菲林试剂（Folin）发生显色反应。

2 辣椒素的积累生理

对于辣椒素在辣椒果实生长过程中的积累规律，人们看法不一，有人认为辣椒素随着果实的成熟逐渐升高，到红熟期达到最高；也有人认为辣椒素在辣椒果实绿熟期达到高峰，随后稍有下降。Zewdie Y等[4]研究发现，辣椒的辣味程度与果实层位有关，第2层位的果实最辣，辣味随着果实层位的上移而降低。王金玲等[5]研究不同层位果实中辣椒素含量的变化时得出了相似的结果：第2层果实中辣椒素含量最高，第1层次之，第3、4层依次减少。原因是随着辣椒坐果层位的上移和果实数的增多，植株处于源小于库的状态，养分竞争加剧，进而辣椒素的合成受到限制，含量减少。Estrada B等[6]却得出相反的结论：同株辣椒果实中辣椒素的含量随结果部位的升高而升高，并把这种结果归因于光照在辣椒素类物质合成中所起的重要作用，认为越往上层，光照越充分，进而越有利于辣椒素类物质的合成。而我认为，2种不同的观点背后有一个共同点，即都将辣椒素的合成与养分的竞争联系起来，而辣椒素合成的过程受到多种与之有竞争关系的物质的影响。Estrada B观点中光照强度越高，制造的养分越多，辣椒素合成得到的前体物质越多。

2.1 竞争物质对辣椒素积累的影响

辣椒素是酰胺类化合物，又是次生代谢物，同位素示踪技术表明，辣椒素的生物合成路径由香草基胺和C9～C10支链脂肪酸两部分组成。芳香族氨基酸苯丙氨酸（phenylalanine）经肉桂酸（cinnamic acid）、对香豆酸（coumaric acid）、咖啡酸（caffeic acid）、阿魏酸（ferulic acid）、香草醛 （vanillin），最后转变成香草基胺（vanillylamine），而支链脂肪酸部分8-甲基-6-癸烯酰CoA（8-methyl-6-nonenoy1-CoA）则是由缬氨酸（valine）经α-酮异戊烯（ketoisovalerate）、异丁酰基CoA（isobutrylCoA）、脂肪酸合成循环 （fatty acid synthesis cycle），8-甲基癸酸（8-methyl-6-nonenoic acid）、8-甲基癸烯酸（8-methylnonanoic acid）衍生而来[2～7]。

辣椒素代谢底物之一的苯丙氨酸也是生物体内苯丙氨酸代谢途径的底物，可以生成单宁、木质素、类黄酮等化合物。合成辣椒素的代谢中间物质，如香豆酸、肉桂酸、咖啡酸、阿魏酸等同时也是蛋白质、生物碱、类黄酮、木质素、单宁以及香豆素的合成中间物质。因此，辣椒素的合成途径存在着与其他生物合成竞争共同前体的问题。

Kirschbaum-titze P等[8]研究认为，辣椒素的积累与木质素的生成存在着竞争关系。唐胜球等[9]研究发现，用于构成细胞壁的类木质素物质是辣椒素合成的酚类前体物与辣椒素竞争氧化产生的。高嵩等[10]在研究不同光强对辣椒果实中辣椒素及其竞争物质的影响时发现，辣椒素含量随光照的减弱呈增加趋势，但是强光相对于弱光却有更多的木质素合成，由此可以推测，辣椒素的合成代谢途径中，木质素与辣椒素可能存在着竞争关系。Estrada B等[6]也研究发现，辣椒果实软化，木质素含量下降，而辣椒素合成量增加。可能的原因是合成类木质素的酚类前体物质流向辣椒素合成途径所致。

类黄酮在植物体内具有保护植物免受紫外线损伤的作用，光照增强，类黄酮的合成增多。高嵩等[10]研究表明，80%的光照下，辣椒素的积累最多。自然光下，辣椒素的合成降低，原因是：自然光下，在辣椒素的合成途径中，有更多的中间物质流向类黄酮合成途径，类黄酮合成增多。高妍萍等[12]认为遮光可以促进辣椒素的积累，降低类黄酮的含量，因此可以推断，类黄酮与辣椒素的合成之间也存在着某种竞争关系。

高嵩等[10]研究发现，辣椒素积累的高峰期至分解期，单宁含量急剧增加，即辣椒素降低的同时，单宁的合成增加，则表明单宁作为一种次生代谢产物与辣椒素的合成代谢存在竞争关系。富宏丹等[13]在研究辣椒素及其代谢相关物质变化的规律时，也发现单宁与辣椒素之间存在着竞争关系。

2.2 酶对辣椒素积累的影响

参与辣椒素合成途径的酶目前已知的有：苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸水解酶（CA4H）、对香豆酸水解酶（C3H）、咖啡酸转甲氧基酶（COMT）、氨基转移酶（pAMT）、支链氨基酸转移酶（BCAT）、异戊酸脱氢酶（IVD）、β-酮脂酰-ACP合酶（Kas）、酰基运载蛋白（A-CL）、酰基-ACP-硫酯酶（FAT）、去饱和酶、酰基CoA合成酶（ACS）和辣椒素合成酶（capsaicin synthase，CS）[4]。其中，辣椒素合成酶是辣椒素合成中的关键酶，主要定位于果实胎座表皮细胞的液泡膜上，同时也是辣椒素合成过程中最后一个酶，是关键的限速酶。在辣椒素的合成反应中，辣椒素合成酶首先催化支链脂肪酸与辅酶A（COA）形成isoC10-COA复合体，然后在ATP和Mg2+辅因子的作用下，isoC10-COA与香草基胺合成辣椒素 。Narasimha Prasad B C等[14]成功分离得到了CS蛋白，并获得基因的全长cDNA,经证实，因即为辣椒素合成酶基因。Narasimha Prasad B C等[16]分离了辣椒素合成酶，并克隆了该酶的基因。负相关0.01）。

3 影响辣椒素积累的因素

PAL是辣椒素生物合成途径的第一个酶，其酶蛋白分子量为22～33万Da，全酶由4个亚基组成四聚体。它催化苯丙氨酸解氨基生成肉桂酸。PAL定位于辣椒果实胎座表皮细胞的液泡上[17]。高妍萍等[12]在研究遮光对辣椒果实中辣椒素及其相关酶的影响中发现，绿熟期遮光辣椒素积累的量最多，而苯丙氨酸解氨酶（PAL）在此时的活性最高。因此我们可以推出：在辣椒绿熟期遮光有可能提高了PAL的活性，从而为辣椒素的合成提供了更多的前体物质，增加了辣椒素的积累。Sung Y等[18]也研究发现，辣椒果实中辣椒素的含量和PAL的活性呈正相关。

Bernal等1993年研究表明，辣椒过氧化物酶与辣椒素共同定位于胎座表皮细胞的液泡中。辣椒果实中的过氧化物酶（Peroxidase EC1.11.17）参与了辣椒素的氧化，使得辣椒素转化为其他次生物质，从而降低了辣椒果实中辣椒素的含量。1995年进一步研究发现，过氧化物酶特别是碱性过氧化物酶同工酶B6与辣椒素共同定位于胎座表皮细胞的液泡中，它能强烈氧化辣椒素及其酚类前体物。多酚氧化酶主要氧化酚类物质，而辣椒素作为酚类物质的一种，多酚氧化酶也可能参与辣椒素的氧化降解[19]。

富宏丹等[20]在研究辣椒素与过氧化物酶、多酚氧化酶的关系时发现，所取的3个辣椒品种胎座和果肉中的过氧化物酶、多酚氧化酶活性和辣椒素含量呈负相关。高妍萍等[12]也得出相同的结论：在绿熟期遮光，辣椒素含量升高时对应着过氧化物酶、多酚氧化酶活性的降低。赵海燕等[21]研究得出，在整个线椒果实发育成熟过程中，POD、CAT活性与辣椒素含量总体上呈

辣椒素含量的高低受基因型影响比较大，不同品种的辣椒，辣椒素的含量往往相差很大。且外界环境因子，如光照、温度、水分、CO2、肥料等都会对辣椒素的含量产生不同程度的影响。

3.1 环境因素对辣椒素积累的影响

辣椒属于中光性蔬菜，对光照的要求不严格，但近期也有研究表明，光照影响辣椒素的合成，但是，光照对辣椒素的作用存在2种不同的看法，有的研究者认为遮光可以促进辣椒素的合成，也有人认为遮光降低了辣椒素的含量。高妍萍等[12]研究表明，遮光增加了辣椒素的含量，并得出在绿熟期35%遮光效果最好，辣椒素合成积累较快。高嵩等[10]却得出了相反的结论，即无论是在胎座还是果肉中，除自然光外，辣椒素含量随光照强度减弱而降低，自然光却不利于辣椒素积累。狄云[22]研究不同遮光程度对辣椒果实中辣椒素代谢生理的影响结果表明，降低光照强度进行遮荫栽培会使辣椒果实中的辣椒素含量下降。针对以上2种不同的结论，我认为可能有以下几种原因：①遮光处理影响了与辣椒素生成与降解有关酶的合成和活性，从而影响了辣椒素的生成；②辣椒植株通过光合作用制造养分，不同的遮光处理会影响辣椒植株的光合作用，从而进一步干扰了辣椒素合成所需的前体物质；③以上研究者有的是研究辣椒单位质量辣椒素的含量，有的是研究整株辣椒果实中辣椒素的含量，这样2种不同的做法会造成因取材不同而导致研究结果的不同，因为辣椒果实中辣椒素的含量还受到熟期、果实层位等因素的影响。辣椒素的积累受外界条件的影响比较大，要想做到在科学的、统一的标准下测量它的含量，会很困难。

吕长山等[23]通过盆栽施肥试验，研究氮肥对辣椒素积累的影响，结果表明，在辣椒果实发育成熟过程中，随着氮肥施用量的增加，辣椒素的含量下降。进一步分析供试土壤基础理化性质发现，土壤中氮肥水平处于中等肥力水平。这与Charles D J等人无土栽培试验的结果相一致。这可能是因为氮肥促进植株营养生长，随着氮肥的增加，营养生长加剧，从而削弱了果实的生长，进而抑制了辣椒素的合成。还可能是因为氮肥的适量增加，促进了需氮初生代谢产物的合成，以及含氮的降解辣椒素酶的活性。黄科等[24]用基质盆栽法，研究了氮、磷、钾施用量对辣椒素积累的影响。结果表明，氮与辣椒素含量呈显著直线相关，辣椒素含量随施氮量的增加而增加，他认为这主要是由于辣椒素是含氮化合物，氮水平的提高能增加氮素的代谢，故对辣椒素的合成有利。

3.2 遗传特性对辣椒素积累的影响

辣椒素的含量主要受到基因型的影响，不同辣椒品种的辣椒素含量差异很大，经研究发现，大多数辣椒品种鲜果中的辣椒素含量在0.1%～1.0%。从果实性状与辣椒素含量的关系来看，一般认为，大果型辣椒辣味轻或带甜味，辣椒素含量低；朝天椒、线椒等小果型品种则辣味强，辣椒素含量高。也有研究表明辣椒素含量与果实鲜样质量之间呈极显著负相关，而与果实中干物质含量呈极显著正相关[25]。戴雄泽等[26]研究结果表明，辣椒的辣度与干物质、单株结果数呈极显著正相关，与果长、果宽呈极显著负相关。因此，大果型辣味强和小果型辣味弱的辣椒品种较难育成。但也有研究认为这两者之间的相关性较低，目前还没有研究者证实两者是否有直接相关性。

通过基因工程研究辣椒素的积累，前人做了很多贡献：Curry J等[27]结合cDNA文库和差异筛选法分离了辣椒素生物合成路径基因Kim M等[28]利用抑制差减杂交方法获得了4个与辣椒素代谢有关的基因片段。序列比对分析发现，这些片段与Pamt、Kas、乙酰基转移酶、脂肪酸乙醇氧化酶序列有较高的同源性。AluruMR等[29]研究脂肪酸合成酶复合物组成因子与辣味关系也表明，

4 展望

对于影响辣椒素积累的因素，包括环境、遗传以及涉及到的合成酶和降解酶、竞争物质，前人已经作了多方面的研究，但是，仍有一些问题需要解决，即①如何调控环境因子来提高辣椒素的含量还很困难；②竞争物质的研究仅局限于表面水平，而对分子机理的的研究少之又少；③酶调控辣椒素合成的分子机制仅局限于辣椒素合成酶，而其他酶控制辣椒素合成的分子机制的研究还很少；④还没有明确辣椒素生物合成路径的调控机制，包括关键基因的定位、克隆和调控的分子机理，相关基因启动子的分离和调控作用；⑤由于辣椒转基因体系还很不稳定，且在辣椒素生物合成中控制辣味的基因的功能难以直接证实，加之辣椒素类物质含量可能是多基因控制性状，因而通过转基因手段调节辣椒素含量还很困难。

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Progress of Physiology Research of Capsaicin Accumulation

ZHAO Kai,DENG Minghua,ZHU Haishan

The accumulation of capsaicin is mainly affected by the factors of genetics,environment,competitive materials and enzymes.In the genetic aspect,genotypes of hot pepper and specific genes which decide the content of capsaicin play a key role in the accumulation of capsaicin.In the environment,the light,temperature,CO2and fertilizer play a supplementary role.Competitive materials,such as lignin,flavonoids,protein,tannin,alkaloid,coumarin,restrain the accumulation of capsaicin.Synthase and degrading enzyme also affects the accumulation of capsaicin.

Capsaicin;Accumulation;Genetic;Environment;Synthesis;Degradation;Physiology

10.3865/j.issn.1001-3547.2009.20.005

云南省科技攻关2006NG17

赵凯（1981-），男，在读硕士，研究方向为蔬菜遗传育种研究E-mail：kailixian1023@yahoo.com.cn

朱海山（1962-），男，通信作者，教授，硕士生导师，主要从事蔬菜遗传育种。E-mail：shanyau29@hotmail.com

2009-04-13