辣椒果實類胡蘿卜素研究進展

郭 爽 黃 貞 常紹東 曹翠文 沈火林

（1廣州市農業科學研究院，廣東廣州510308；2中國農業大學農學與生物技術學院，北京100193）

植物類胡蘿卜素是主要存在于植物葉綠體和有色體膜中的脂溶性色素，能夠賦予植物花和果實等器官鮮艷的色彩。在辣椒（CapsicuMannuumL.）果實發育過程中，不同顏色類型果實中類胡蘿卜素種類和含量不同，同一類型種類和含量變化趨勢基本相同，但品種之間類胡蘿卜素總含量和辣椒紅素含量有差異（戴雄澤 等，2009）。類胡蘿卜素的組成及含量影響辣椒果實的色澤，繼而影響果實外觀品質和商品價值。了解辣椒果實顏色的遺傳規律和類胡蘿卜素的生物合成途徑及其主要酶與基因的功能，有助于有目的地調控類胡蘿卜素的生物合成，對于改善辣椒果實品質，提高其商品價值具有重要的意義。

1 辣椒果實顏色的遺傳規律

辣椒成熟果實顏色是其商品品質的重要指標之一。早期對辣椒果實顏色的遺傳研究認為成熟果實顏色紅色對黃色顯性，單基因控制，并用符號y表示，y+表示紅色、顯性，y表示黃色、隱性（Desphande，1933）。Smith（1950）在研究辣椒棕色和綠色成熟果實顏色遺傳時，認為綠色成熟果實中仍有葉綠素的存在，與y+（紅色）或y（黃色）組合，分別產生棕色或橄欖綠色的成熟果實，并把該基因命名為cl，認為是葉綠素沉積基因。Shifriss和 Pilovsky（1992）的研究證實了此基因的存在。Kormos和Kormos（1960）在研究辣椒紅色和白色成熟果實顏色遺傳時，提出辣椒屬不同顏色成熟果實的形成是由3對獨立的基因y、c1、c2相互作用的結果，c1和c2是辣椒屬果實顏色形成過程中類胡蘿卜素的抑制因子，但沒有完全證實對于3基因遺傳所期望的8種表現型。Hernandez和Smith（1985）對辣椒成熟果實紅色和白色的品種進行雜交分離，其 F2分離比例符合孟德爾質量性狀遺傳規律，肯定了辣椒成熟果實顏色遺傳受 3對相互獨立的基因y、c1和c2控制，并提出了辣椒成熟果實顏色遺傳的3基因模型（表1）。但是，在用其他遺傳背景的辣椒成熟果實紅色和白色的品種雜交后代群體對 3基因模型進行驗證時（Shifriss ＆ Pilovsky，1992；Popovsky ＆Paran，2000；Thorup et al.，2000），雖然認同了辣椒成熟果實顏色的形成是由3對獨立的基因控制的理論，但成熟果實顏色的基因型與表現型并不完全符合 Hernandez和Smith（1985）提出的遺傳模型，指出可能是由于試驗所使用的辣椒種質資源不同，導致雜交群體的遺傳背景不同，并最終影響了成熟果實顏色的分離。

表1 辣椒成熟果實顏色遺傳的3基因模型

總之，國外學者的研究認為，在辣椒果實成熟過程中，存在著4個主要基因決定著果實顏色，分別是控制成熟果實黃色基因y，類胡蘿卜素抑制基因c1和c2，以及葉綠素沉積基因cl。y、c1、c2和cl及其等位基因的不同組合，控制了辣椒成熟果實顏色的形成。

國內學者張寶璽等（1996）最早報道了辣椒綠熟期果實顏色及主要色素含量的遺傳，認為辣椒果實顏色并非單基因控制的質量性狀，而是由多基因控制的數量性狀。同時對不同世代綠熟期果實色素吸收光譜進行掃描分析，認為 F1果實色素的吸收光譜介于雙親之間，BC1介于回交親本和 F1之間。薛林寶等（2005）對甜椒果實商品成熟期和生理成熟期的果實顏色遺傳規律的研究表明，甜椒商品成熟果和生理成熟果果實顏色的遺傳均屬于質量性狀遺傳，但分別由不同的核基因控制。商品成熟果綠色對淡黃色是由1對完全顯性基因控制，淡黃色對白色是由2對具有重疊作用的顯性基因控制，綠色對白色由3對基因控制，綠色基因有顯性上位作用，只需1個基因的存在，即可抑制黃色與白色性狀的表達；生理成熟果紅色對橙黃色是由2對具有重疊作用的顯性基因控制。

2 辣椒果實類胡蘿卜素的組成及生物合成途徑

辣椒果實顏色的形成與果實成熟過程中類胡蘿卜素的合成與代謝有關，是由果實中積累的含40個碳（C）的類異戊烯聚合物類胡蘿卜素的種類及主要類胡蘿卜素的相對含量決定的（Thorup et al.，2000）。辣椒果實中的類胡蘿卜素主要包括辣椒紅素（Capsanthin）和辣椒玉紅素（Capsorubin）等紅色組分，玉米黃質（Zeaxanthin）和β-胡蘿卜素（β-carotenone）等黃色組分。此外，還有隱辣椒質（Cryptocapsin）、隱黃質（Cryptoxanthin）、紫黃質（Violaxanthin）等色素類物質。紅色辣椒、甜椒果實中占優勢的色素就是辣椒紅素和辣椒玉紅素。國外學者基于對辣椒果實顏色類胡蘿卜素進行的生理研究（Kuntz et al.，1992；Hugueney et al.，1992，1995，1996；Romer et al.，1993；Bouvier et al.，1994，1998；Hirschberg et al.，1997；Thorup et al.，2000；Lang et al.，2004），闡明了辣椒果實中類胡蘿卜素的生物合成代謝途徑（圖1）。

圖1 辣椒果實類胡蘿卜素生物合成途徑

類胡蘿卜素在植物體內的合成是通過類異戊二烯代謝途徑進行的。類胡蘿卜素的合成前體是從乙酰輔酶A（Acetyl coenzyme A）衍生而來的。乙酰輔酶A經過一系列反應生成甲羥戊酸（Mevalonate，MVA），進一步在質體中生成異戊烯焦磷酸（Isopentenyl pyrophosphate，IPP），再經異構化生成二甲基丙烯焦磷酸（2-methyl acrylic diphosphate，DMAPP）。兩分子的DMAPP縮合生成牛兒焦磷酸（Geranyl pyrophosphate，GPP），然后經法尼基焦磷酸（Farnesyl pyrophosphate，FPP）在牛兒基牛兒焦磷酸合成酶（Geranylgeranyl pyrophosphate synthase，GGPS）的作用下，生成牛兒基牛兒焦磷酸（Geranylgerany pyrophosphate，GGPP）。GGPP是類胡蘿卜素合成途徑中第1種類胡蘿卜素（即八氫番茄紅素）的直接前體。2分子GGPP在八氫番茄紅素合成酶（Phytoene synthase，PSY）催化下縮合形成八氫番茄紅素（Phytoene），它是整個類胡蘿卜素合成途徑中第1個類胡蘿卜素分子。在八氫番茄紅素脫飽和酶（Phytoene desaturase，PDS）催化下，八氫番茄紅素脫氫生成六氫番茄紅素（Phytofluene），繼而進一步脫氫生成ζ-胡蘿卜素（ζ-carotene），這是類胡蘿卜素合成途徑中第 1個呈色色素（圖 1）。在ζ-胡蘿卜素脫飽和酶（ζ-carotene desaturase，ZDS）催化下，ζ-胡蘿卜素脫氫生成鏈孢紅素（Neurosporene），繼而進一步脫氫生成番茄紅素（Lycopene）。番茄紅素在番茄紅素環化酶（Lycopene β-cyclase，LYC）催化下生成β-胡蘿卜素（β-carotene），這是合成途徑中第1個具環的類胡蘿卜素分子。β-胡蘿卜素在β-胡蘿卜素羥化酶（β-carotene hydroxylase，Crtz）的作用下羥化，依次轉變成β-隱黃質（βcryptoxanthin）、玉米黃質（Zeaxanthin），進而在玉米黃質環氧化酶（Zeaxanthin epoxidase，Ze）作用下轉變成環氧玉米黃質（Antheraxanthin）和紫黃質（Violaxanthin）。最后，在雙功能酶辣椒紅素/辣椒玉紅素合成酶（Capsanthin-capsorubin synthase，CCS）催化下，環氧玉米黃質轉變成辣椒紅素，紫黃質轉變成辣椒玉紅素。由此可見，辣椒成熟果實呈現紅色的主要類胡蘿卜素成分辣椒紅素和辣椒玉紅素，在辣椒果實類胡蘿卜素生物合成途徑的最后一步形成。

3 辣椒果實類胡蘿卜素合成主要酶的分子生物學研究

在辣椒果實類胡蘿卜素合成途徑中，涉及到的酶類基因均已被克隆，Thorup等（2000）將其定位到相應的染色體上（表2）。

表2 類胡蘿卜素合成主要酶的染色體位置及克隆

在辣椒果實類胡蘿卜素合成途徑中，與辣椒成熟果實顏色關系最為密切的是辣椒紅素/辣椒玉紅素合成酶（CCS）基因、八氫番茄紅素合成酶（PSY）基因和番茄紅素環化酶（LYC）基因。其中，研究最為深入的是CCS基因，在辣椒果實類胡蘿卜素合成途徑的最后一步出現，控制辣椒成熟果實中辣椒紅素、辣椒玉紅素的合成。辣椒紅素/辣椒玉紅素合成酶是雙功能酶，同時催化環氧玉米黃質轉變成辣椒紅素，紫黃質轉變成辣椒玉紅素。該基因在辣椒葉片和綠色幼果中沒有表達，在黃果和綠果突變體中也檢測不到，僅在辣椒紅色果實的最后發育階段才能檢測到（Bouvier et al.，1994；Houlne et al.，1994；Hugueney et al.，1996）。Lang 等（2004）對CCS基因進行了分子遺傳分析，發現在黃果椒和紅果椒雜交后代分離群體中，CCS基因的PCR帶型呈現多態性。在黃果椒的上游區域CCS基因有缺失。Sourthern雜交和序列分析表明，在黃果椒中檢測到了基因下游區域的211 bp長的片段，而在成熟黃果中沒有檢測到CCS基因的轉錄本。利用薄層色譜對類胡蘿卜素組成成分進行分析，表明辣椒紅素和辣椒玉紅素在紅果椒中存在，而在黃果椒中沒有。CCS基因的PCR多態性和色譜分析同時證實了CCS基因通過改變類胡蘿卜素的組成來決定辣椒的果實顏色（Lang et al.，2004）。Deruere等（1994）首先克隆了該基因，是辣椒成熟果實中的單一拷貝基因，Thorup 等（2000）將其定位到辣椒第6染色體上。早期的研究表明，CCS基因控制辣椒紅色果實的形成，而黃色果實表現型很可能與CCS基因的缺失有關（Lefebvre et al.，1998）。隨后進一步的研究發現y+基因與CCS基因共分離，指出這兩個基因是同一個基因，含有隱性等位基因y的辣椒橙色果實可能是由于CCS基因缺失造成的（Popovsky &Paran，2000；Lang et al.，2004）。高效液相色譜（HPLC）檢測分析同樣支持這個結論，在辣椒紅色和粉紅色成熟果實中能檢測到辣椒紅素、辣椒玉紅素，而在黃色果實中則檢測不到這兩種色素（Thorup et al.，2000）。Kumagai等（1998）將CCS基因導入煙草，轉基因植株葉片中積累了高含量的辣椒紅素，植株葉片呈現橙色。

PSY基因催化牛兒基牛兒焦磷酸轉化成八氫番茄紅素。RFLP分子標記及高效液相色譜（HPLC）檢測結果均表明，PSY基因與辣椒果實遺傳模型中的c2基因是同一基因，位于辣椒第4染色體上，是辣椒果實成熟過程中類胡蘿卜素合成的限速因子（Thorup et al.，2000；Huh et al.，2001），這與番茄果實PYS基因的研究結論相同（Bird et al.，1991）。由此，Huh 等（2001）推斷辣椒橙色果實的形成是由于PYS活性降低，使得八氫番茄紅素的積累量減少，從而沒有足夠的底物進行下一步的類胡蘿卜素的合成反應，進而阻礙了辣椒紅素和辣椒玉紅素的形成。最新的研究發現，在兩個黃色果實的辣椒品種中有CCS基因的正常表達，進一步證實了CCS基因缺失并非辣椒果實呈現黃色的必要條件（Ha et al.，2007）。因此可以推斷，CCS基因的不正常表達以及PSY活性的降低都可導致辣椒果實呈現黃色或者橙色。到目前為止，還沒有鑒定出與c1位點相對應的基因。

辣椒中存在兩種LYC，即番茄紅素β環氧化酶（Crtl-b）和番茄紅素ε環氧化酶（Crtl-e）。番茄紅素分子的兩個末端若均在Crtl-b催化下形成β-環，即為β-胡蘿卜素；若只有其中一個末端在Crtl-e催化下形成ε-環，而另一個末端不環化，即為γ-胡蘿卜素；而若兩個末端分別被Crtl-b及Crtl-e催化，形成β-環及ε-環，即為α-胡蘿卜素（CunninghaMet al.，1996）。Crtl-b位于辣椒第10染色體上，催化番茄紅素生成β-胡蘿卜素，Crtl-b活性減弱會導致β-胡蘿卜素及其下游產物減少。Crtl-e位于辣椒第9染色體上，在番茄中Crtl-e的上調表達導致γ-胡蘿卜素取代番茄紅素大量積累，并最終使得果實發育成橙色（Ronen et al.，1999），但在辣椒上并未見相關報道。在辣椒未成熟果中，Crtl-b及Crtl-e兩種酶都存在，但CCS不表達，故β-胡蘿卜素和隱黃質是主要的類胡蘿卜素；進入成熟期后，Crtl-e活性減弱并最終消失，而CCS開始表達并逐漸增強；與此相對應，玉米黃素消失，辣椒紅素和辣椒玉紅素積累，果實逐漸呈現紅色（陶俊和張上隆，2003）。

綜上所述，國內外學者在辣椒成熟果實顏色遺傳研究上存在很大差異，可能是由于辣椒種質資源的多樣性、果實發育時期的階段性、果實顏色組成的復雜性以及人為的主觀色差決定的。由于辣椒種質資源的多樣性，決定了辣椒果實顏色遺傳的多樣性與復雜性，即使目測果實顏色相同的辣椒極有可能含有不同的類胡蘿卜素種類和數量，并且其基因型也有可能不同。因此關于辣椒成熟果實的顏色遺傳有待進一步的深入研究。同時，隨著辣椒果實類胡蘿卜素合成途徑及有關合成代謝酶基因功能的不斷揭示，有助于研究者有目的地調控辣椒果實類胡蘿卜素的生物合成，對于改善果實品質，提高色素含量有重要的指導意義。

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