辣椒素类物质生物合成及相关调控基因研究进展

刘 熠，刘 峰，邹学校,

（1.湖南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南农业大学，湖南 长沙 410128）

辣椒（Casicum.C）是闻名于世界各地的绝佳菜肴调味品。它不仅在食品加工方面发挥着必不可少的作用，而且有巨大的潜在药用价值[1-2]。辣椒素（Capsaicin）是存在于辣椒中的重要次生代谢物质，按含量排列，其次是二氢辣椒素、去二氢辣椒素、同二氢辣椒素等[3]。在众多的茄科植物中，只有辣椒属可以产生辣椒素，辣椒素主要是在辣椒胎座中合成。辣椒素具有多种功能，如抗氧化、抗癌等药理作用，除此之外，食用辣椒素还可以产生令人体感到兴奋的多巴胺物质[4]。因此，对于辣椒素的研究越来越受人们的关注，培育可以产生大量辣椒素的优质辣椒品种也成为了辣椒研究方向最主要的目标之一。

1 辣椒素类物质种类与含量测评

1.1 辣椒素类物质

辣椒最早产于中拉丁美洲的热带地域，但随着时间的推移和全球化的进展加快，辣椒的栽植面积呈现出逐年增加的趋势。与此同时，辛辣的菜肴已经成为许多国家传统菜肴的一部分，食品再生产和原料加工的方向上辣椒素的作用可谓是发挥到了极致[5]。此外，辣椒素的许多益处也和工业应用息息相关。

人类食用辣椒所感受到的辛辣味道实际上是一种神经灼烧痛感，是对神经末梢的刺激反应，而这种刺激是因为存在于辣椒属中的生物碱和其类似物的积累造成的[6]。辣椒素最早是在1876 年由Thresh 等获得晶体后命名的[7]。当前已分离出的30 多种辣椒素同 系物被统称作辣椒素类物质[8]。辣椒素类物质其实本质 是一种生物碱，是由香草基胺与支链脂肪酸二者酰氨化合成的。按存在于辣椒中的含量排列，已发现的辣椒素类物质种类有很多，人们所熟知且含量较高的有辣椒素、二氢辣椒素（Dihydrocapsaicin）、降二氢辣椒素（Nordihydrocapsaicin）、高辣素（Homocapsaicin）、高二氢 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）、二氢辣椒素酯（Dihydrocapsiate）和降二氢辣椒素酯 （Nordihydrocapsiate）等[9]，它们的主要区别是脂肪侧链长度和在脂肪链中存在的双键多少。不同辣椒素类物质在辣椒中的含量占比其实有很大的差异，其中辣椒素占比69%，二氢辣椒素占29%、降二氢辣椒素占7%[10]，这几种辣椒素类物质几乎决定了辣椒辣味的主要来源。经研究，新发掘的类辣椒素物质辣椒素酯和二氢辣椒素酯并不具有辣椒素的刺激性[11]。辣椒素酯所属的芳香元素是香荚兰醇（Vanillylalcohol），这与辣椒素有较大差异，但其所具有的侧链脂肪酸和辣椒素却是相同的[12]。

1.2 辣椒素类物质含量的测评方法

辣椒品质性状与其市场价值的高低主要取决于辣味的强度，而辣椒素的相对含量对辣椒的辣度起着主要决定作用，辣椒素含量的测定对于辣椒优秀种质资源的筛选十分重要。辣椒素含量的测量方式有多种，但主要测量的其实是辣椒素和二氢辣椒素的含量多少，目前使用最广泛的是高效液相色谱法（HPLC）。在对大批量的辣椒样品进行测定时，该方法仍然具有较高的灵敏度[13]。赵仁邦等[14]对比了采用高效液相色谱法测得的色谱图与规范获得的辣椒素色谱图，获取到了十分精确的测量结果。吴奕敏等[15]采用HPLC法和SAS 软件的多因素方差法结合的实验方案，在小米辣的13 个生长发育阶段分别对其辣椒素类物质的含量进行了精确的测定。除此之外，韦尔伯·斯科维尔等发明了Soville 感官评定法，该方法是在具有待测样品的容量瓶里加入一定量的乙醇振荡，随后在特定实验条件下用蔗糖溶液与定量的提取液按比例稀释，最后在专业人士的品尝下得出最终结论[16]。由于每个人对辣味的敏感程度不同，该方法可用于目标样品较少的情况。罗凤莲等[17]分别运用了Scoville 感官评定法和HPLC 法，在双重对比测定后得出样品同属同一辣度级别范围的结论，这为人体感觉器官评定法具有较准确的测量可信度提供了一定的依据。

2 辣椒素类物质的合成

2.1 辣椒素类物质生物合成途径

Iwai 等[18]在同位素标记示踪技术的基础上发现了辣椒素最重要的合成部位不是种子而是辣椒胎座表层细胞的液泡，产生于液泡的辣椒素可以在子房隔膜的传输作用下到达果肉表层细胞的液泡中。香草基胺和C9-C11支链脂肪酸共同合成了辣椒素类物质，香草基胺和支链脂肪酸的最初来源分别是由芳香族氨基酸苯丙氨酸和缬氨酸[19]。在苯丙氨酸形成香草基胺的过程中所需要的酶有很多，其中主要的酶种类有咖啡酸转甲氧基酶（CA0MT）、肉桂4-羟基化酶（CA4H）、对香豆酸3-羟基化酶（CA3H）、苯丙氨酸解氨酶 （PAL）。 而在支链脂肪酸形成的过程中，主要参与的酶有：β-酮酰基合成酶（KAS）、脂肪酸硫酯酶 （FAT）、酰基载体蛋白（ACL） 。香草基胺和支链脂肪酸最终可以在辣椒素合成酶（CS）的作用下生成辣椒素类物质。经研究，CS 是辣椒素类物质形成过程中的关键酶[20]。结合免疫定位研究发现，辣椒胎座表层细胞的液泡膜是辣椒素合成酶定位的重要位置，这也从侧面说明辣椒胎座辣椒素类物质含量为何高于其他组织器官[21]。

2.2 辣椒素类物质合成相关基因

把辣椒基因组与番茄基因组进行比较核对，发现番茄基因组中其实存在着辣椒素转录需要的全部基因。辛辣受部分基因转录的控制，与辣椒相比，番茄中的一些基因表达水平较低且表达受限[22]。在番茄中，辣椒合成关键酶CS 完全不表达[23]。韩畅等[24]筛选了16份辣椒品种进行实验，这些品种都来源于贵州省。在对辣椒素的含量进行测定以及相关基因的准确定位后，复制得到了Pun1基因。Pun1通过编码辣椒素合成酶在辣椒素关键的形成过程中施展了重要作用。Curly 等[25]在对辣椒合成关键途径的研究中发现可能参与辣椒素类物质生物合成的多个候选基因，其中，实验中的cDNA 克隆是被用来检测不同辣味水平下的栽培品种于整个发育过程中不同果实组织器官的基因转录水平，结果发现：上述系列基因的转录水平在整体上与胎盘组织的辣椒素含量大小呈现相同的变化趋势。在生物信息学及相关工具的协助下，雷建军等[26]结合获得了5 个辣椒转录因子，同时利用基因沉默等技术解释了pAMT、KAS等基因对辣椒素含量的正向指导作用。Kim 等[27]在抑制消减杂交技术的基础上成功得到39 个胎盘特异性表达cDNA 序列，最终得出结论：cDNA 表达具有很大的差别，且在高辣椒素含量的胎座组织中高表达，而在低辣椒素含量的胎座及各组织中表达量均较低。

辣椒的辣味基因在受环境气候等重要因素的影响的同时，还受品质性状遗传和多基因的控制[28]。Pun1作为辣椒素合成途径中的关键基因毫无疑问的参与了多个相关基因的定位研究[29]。特异表达序列 SB2-66 是Kim 等通过对几十份胎座组织检测筛查中发现的，该表达序列不仅与酰基转移酶基因AT3 同源，而且作为编码辣椒素合成酶的关键基因还可以调控香草基胺的酰化过程。在辣和非辣品种基因型筛选和遗传互补试验中，Stewart 等[30]成功分离出了全长cDNA片段，并以此作为DNA 印迹的探针检测出SB2-66与Pun1有相同的基因位点，发现名为Pun12的未知的Pun1隐性等位基因。Pun12的序列分析显示，4 个碱基对的缺失会导致移码突变，且与辣椒素合成相关候选基因的表达水平相对较低。具有pTRV2-AT3 特殊结构的农杆菌用于感染幼苗以诱导基因沉默，于40 DPA 收获果实后检测到辣椒素含量和AT3基因在胎盘组织中高表达。AT3基因沉默的辣椒植株中AT3 的表达水平以及辣椒素和二氢辣椒素的表达含量分别下降了81.1%和89.6%，该实验表明：沉默AT3对参与辣椒素生物合成支链脂肪酸途径的相关基因转录有负面的影响[31]。Zhu 等[32]在对5 种辣椒驯化种的研究中发现，胎座特异表达基因MYB31直接靶向并激活辣椒素类生物合成基因的表达，调节辣椒素的生物合成，而MYB31 启动子的变异会导致W-box 元件的形成，使启动子与WRKY 结合，从而增强MYB31的表达，决定辣椒极辣物种的进化。

辣椒素酯类物质与辣椒素类物质结构十分相似，最初是从一种甜椒品种中分离出来的，通过对甜椒的分析得知辣椒素酯是通过香草醇与脂肪酸酰氯化过程中得到的，它虽然具有和辣椒素相似的结构功能，同属次生代谢物，但其并不具有辣味，辣椒素酯在心血管等疾病方面的治疗效用也是十分的显著，主要作用是它能够消耗人体内的能量，加速脂肪的代谢，除此之外也可作为日常的保健用品。

3 展 望

本文主要对辣椒素类物质的生物合成以及基因遗传调控方面进行论述。辣椒素类物质含量的积累不仅受基因层面的调控，环境气候以及植物体自身的内部调节也起着很大的作用。目前QTL 与GWAS 的分析探索中已检测出多个与辣椒素类物质代谢形成的相关基因，如AT3、Kas、CoMT等，但其中被克隆和进行功能验证的基因十分稀少，且调控辣椒素含量的机理尚未清晰，因此要加强相关基因及转录因子的开发验证，为培育具有优良性状的辣椒种质资源奠定重要的基础。此外，对于番茄等茄科作物的基因改造探索也可为今后更加高效的生产大量辣椒素提供一定的方向。