胡椒“辣”味是怎样炼成的

辣椒基因组信息热饮图谱

从古代上层社会的奢侈品到现在家喻户晓的调味品，“香料之王”辣椒表演了各种传奇故事。然而，保持不变的是它的辣味，尤其是被誉为胡椒之魂的“辣味”。

为什么胡椒是辣的？这是因为胡椒碱，胡椒碱的含量决定了胡椒的辛辣程度，也是衡量胡椒价值的一个重要指标。科学家们长期以来喜欢挖掘隐藏在基因组中的胡椒碱的编码。在这个基因组测序蓬勃发展的时期，胡椒独特的“辛辣”和高科技碰撞产生了更加耀眼的火花。

中国热带农业科学院香料饮料研究所(以下简称“湘阴研究所”)与华中农业大学、马来西亚科学院等7个单位合作，绘制了中国辣椒品种“热引1号”的染色体水平精细基因组图谱。全面阐释了胡椒的基因组特征和物种进化位置，对胡椒碱合成代谢网络、关键基因及其基因家族进行了深入研究，为被子植物进化和胡椒碱生物合成提供了新的见解。

10月16日，国际学术期刊《自然交流》发表了最新成果，胡椒味的神秘终于揭开了。

育种数据领先国际

辣椒在世界上种植面积超过900万亩，在中国种植面积超过40万亩。虽然面积小，但胡椒产量居世界第四位，主要分布在海南和云南。辣椒作为我国重要的辣椒产业，近年来发展逐渐面临瓶颈。对高质量农产品的需求正在增加。只有更香、更辣、更有竞争力的辣椒品种才能脱颖而出。

如何提高质量？“繁殖是关键。”湘阴研究所副所长兼研究员郝朝云告诉《中国科学日报》。湘阴研究所从未停止过辣椒育种的研究。2012年，他们在海南省万宁市建立了全国第一个辣椒种质圃，相继发现了胡椒和胡椒两个新品种，为优质新品种的选育提供了充足的遗传资源。

郝朝云介绍说，辣椒是一种多年生作物，传统的辣椒品种栽培需要4代30年左右，效率很低，因此需要最新的分子生物学技术来加快育种进程。

分子育种的第一步也是最关键的一步，也就是说，首先要知道物种的遗传组成是什么。

然而，世界上对辣椒的基础研究很少，基因组研究几乎为零。"一切都是靠摸石头过河的。"湘阴研究所副研究员胡立松用这样一句话描述了当时的工作环境。自2015年以来，研究团队开始规划和构建辣椒分子育种系统。虽然他们有辣椒的基础数据、育种积累和种质资源，但他们意识到他们仍然需要更多的智能力量来参与。

作为全国农业大学最早开展分子生物学研究的实验室之一，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室也积极加入了辣椒“辣”味的揭示团队。他们以其对生物信息的综合分析能力带来了先进的测序技术。

胡椒碱是打开胡椒新世界的“钥匙”。团队成员清楚地知道胡椒碱合成的特定控制基因是什么。胡立松告诉《中国科学报》，在长期的驯化和自然选择过程中，基因组经历了一个不断丢失和扩增的过程。通过基因家族扩增、比较转录组和序列进化分析，发现胡椒碱合成主要受苯丙烷代谢、赖氨酸代谢相关基因和酰基转移酶基因控制。这是胡椒碱合成的独特基因“符号”,它完全不同于辣椒素和其他植物中风味物质的合成。

此外，“与一年生二倍体作物如水稻和大豆不同，辣椒是一种多年生四倍体作物，很难通过自交等方式获得相对纯合的后代，因此杂合度很高，这使得基因组拼接极其困难。”华中农业大学植物科学与技术学院的金双霞教授告诉《中国科学日报》。

“在杂合性问题上，我们与许多科研机构进行了合作，经常进行积极的讨论，并增加了最先进的辅助装配技术，能够解决问题。”华中农业大学博士徐告诉《中国科学日报》。

正是因为该团队最终结合了PacBio第三代测序、10X基因组学、基于直接标记和染色的BioNano单分子光学图谱(DLS)和Hi-C染色体交互捕获四种测序技术，实现了辣椒染色体水平的组装，绘制了中国主要辣椒栽培品种“热1号”的染色体水平精细基因组图谱，这也是世界上第一张辣椒精细基因组图谱。

“结果公布后，全球数据共享可以为更多的辣椒育种专家提供重要数据，意义重大。最重要的是，我们占据了国际制高点。”郝朝云说道。

植物进化的核心物种

与胡椒的味道相比，科学家们更加关注木兰属植物的系统位置。木兰是被子植物的一种，包括八角、胡椒、樟树和木兰。另外三种类型分别是真双子叶植物、单子叶植物和基生被子植物。后三者的系统位置在植物分类学研究者中已达成共识，但木兰的系统位置尚未确定。

"胡椒是被子植物进化的核心."金双霞说，木兰系统位置的确定将为植物学和化学领域开辟一个新的方向，并将在解释进化之谜和揭示地球历史方面发挥难以言喻的作用。

就在此之前，《自然-植物》相继发表了两项研究成果。人们认为木兰更老，是单子叶和双子叶植物的祖先。另一种认为木兰和真双子叶植物是姐妹，而单子叶植物更古老，两种结果完全相反。

这在植物进化领域引起了轩然大波，并重新引发了关于木兰系统位置的讨论。

胡立松说，为了找到木兰系统位置的线索，他们对21种植物进行了研究，包括胡椒、9种双子叶植物、3种单子叶植物、3种木兰科植物、无油樟脑、2种裸子植物和2种低等植物，并鉴定出82个单拷贝直向同源基因。

然后，利用这些基因构建系统发育树，评估分化时间，确定胡椒及其木兰科植物的系统发育位置。结果表明，木兰亚类和整个单子叶-双子叶植物是姐妹。此外，胡椒和木兰樟脑目是姐妹，大约在1.87-1.75亿年前分化。

"我们的测序工作为被子植物进化提供了非常重要的遗传学证据."金双霞说道。这不仅是因为科学家已经破解了香料的遗传密码，也是因为这一物种的遗传信息为分析高等植物的遗传进化路线提供了全面而关键的信息。

迫切需要挖掘更大的应用价值。

胡椒已被用于埃及木乃伊的防腐。此外，胡椒还能促进消化，去除腥味，暖胃散寒等。它有许多优点。研究人员现在需要做的是扩大这些优势，挖掘胡椒更大的开发潜力和市场应用价值。

“根据我们的研究结果，我们可以大大缩短育种周期，并根据我们的需要改变辣椒的性状，如增强抗病性和增加产量。”许对说道。

“目前，辣椒市场处于低迷状态。例如，在主要生产国马来西亚，种植胡椒的农民越来越少，胡椒出口变得越来越困难。然而，全世界对辣椒品质的要求越来越高。我们找到了合成胡椒碱的方法，可以进一步提高胡椒碱的含量，促进胡椒碱的生物合成，具有良好的市场应用前景湘阴研究所的研究员、团队成员范瑞告诉《中国科学日报》。

历史上，西哥特人入侵罗马、十字军东征和开辟新路线等重大事件都与胡椒资源和贸易权利的竞争密切相关。在古代，胡椒被认为是促进东西方文化交流的重要商品。在古代，胡椒贸易路线的扩展促成了重要的历史事件，如地理大发现。

“现在，结果的公布确立了中国在辣椒基因研究领域的国际地位。由于辣椒在30多个国家和地区的热带和亚热带地区广泛种植，辣椒将成为未来服务于国家“一带一路”倡议的一种重要的中间作物郝朝云说道。

辣椒产业的发展是优质辣椒产品的供应。郝朝云说，辣椒在未来有很大的潜力。今后，中国和其他国家的优势育种机构可以联合起来，加快全球辣椒优质品种育种的步伐，加快优质品种的推广，为有需要的国家提供研究工具和尖端技术，共同探讨辣椒发展的伟大事业。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-019-12607-6