华南农大雷建军教授课题组揭示了“辣椒为什么会这么辣？！”
华南农业大学雷建军教授课题组在国际著名学术期刊
《New Phytologist》
表论文揭示了辣椒为什么会这么辣
近日华南农业大学园艺学院雷建军教授团队在辣椒素类物质生物合成的转录调控和遗传进化取得重要进展。相关成果以Naturalvariations in the MYB transcription factor MYB31determine the evolution of extremely pungent peppers为题发表在国际著名学术期刊《New Phytologist》。
植物为了适应其生存环境进化出了各种各样的次生代谢产物参与防御反应。辣椒素及其类似物是辣椒属植物特有的一种次生代谢产物，赋予辣椒果实辣味，同时帮助其抵抗哺乳动物和病原菌危害果实和种子。辣椒素类物质同时在医药、化工、食品和军事等领域具有重要的经济和应用价值，纯辣椒素（类物质）价值高达数万元每千克。由于辣椒独特的风味，辣椒在世界和我国被广泛栽培，根据联合国粮食和农业组织的数据统计，全世界吃辣的人口数量达到60%，在过去几十年间，的鲜食辣椒总产量翻了三倍多，干辣椒的总产量也将近翻了两倍。据2018年统计我国辣椒栽培面积达到3000万亩，辣椒及其相关制品产值超过1000亿元。辣椒已被许多地区列为重要的乡村振兴作物之一。
图1 辣椒5个栽培驯化种和极辣基因型辣椒
辣椒基因组测序表明，辣椒素合成途径相关基因（Capsaicinoid biosynthetic gene, CBG）在和辣椒近缘的茄科植物番茄、土豆、烟草矮牵牛等植物中都存在，比较转录组学发现辣椒素合成相关基因在特异在辣椒胎座中获得转录是辣椒产生辣味的原因（Kim等，2014；Qin 等2014）。在辣椒35个种中有5个被栽培和驯化（图1）。和其他几个种相比其中Capsicum chinense特点是极辣（辣椒素类物质含量极高），所有“吉尼斯世界记录”报道的最辣的辣椒“印度魔鬼椒”、“卡莱罗纳死神椒”和“Pepper X”都来自于该种，我国最辣的“涮涮辣”和海南黄灯笼椒也属于该种（图1）。然而，辣椒素合成途径相关基因（CBG）特异在辣椒属中获得转录，以及极辣辣椒形成的遗传和分子机制尚不清楚。
图2 MYB31调控辣椒素的生物合成
采用辣椒素含量极高（极辣）的辣椒740自交系（C. chinense）做母本，辣椒素含量极低（微辣）的辣椒CA1自交系（C. annuum）做父本构建了种间杂交群体。从辣椒中克隆到一个在辣椒胎座特异表达的MYB转录因子MYB31，进化分析表明和其近缘的茄科物番茄、土豆、烟草、茄子虽然也存在MYB31同源基因，但是MYB31在这些植物中却未转录。转录水平分析发现MYB31和辣椒素合成相关基因高度共表达，进一步实验发现其可以通过直接调控辣椒素合成相关基因参与辣椒素的生物合成（图2）。
图3 MYB31启动子变异影响转录活性
MYB31在C. annuum、C. baccatum、C. chinense、C. frutescens、C. pubescens不同辣度基因型材料的转录水平和辣椒素合成相关基因转录水平及辣椒素类物质含量显著正相关（图3）。通过分析不同辣度基因型材料MYB31启动子序列，发现启动子变异和其转录活性相关。决定种间启动子活性差异的关键区域，在高辣的C. chinense基因材料存在1个正常的W-box元件，然而在低辣的C. annuum、C. baccatum、C. frutescens和C. pubescens基因型材料该W-box元件缺失或者存在SNP突变（图3）。进一步分析表明该W-box可以被一个胎座特异表达的WRKY9转录因子识别使得MYB31转录被强烈激活，进而使得高辣的C. chinense基因型材料的MYB31基因转录水平明显高于其他4种基因型，进而导致极辣C. chinense种的形成。MYB31功能的明确为辣椒素类物质特异在辣椒属中合成的转录调控提供了新认识，其启动子变异为极辣基因型辣椒（C. chinense）遗传进化提供新见解。MYB31启动子的变异可用于开发相应的诊断性分子标记用于辣椒风味遗传改良。
图4 辣椒素生物合成的转录调控和极辣辣椒进化模式图
华南农业大学博士生朱张生为该论文的第一作者，课题组雷建军教授和陈长明副教授为该论文通讯作者。雷建军教授长期从事辣椒种质资源收集、鉴定、评价和利用，目前收集千余份辣椒种质资源。该论文是雷建军教授课题组继在ScientificReport（2019 9:1054）关于辣椒种质资遗传变和优异农艺性状关键基因鉴定取得的系统性成果。研究得到了国家自然科学基金（31572124）、国家重点研发计划（2018YFD1000800）、华南农业大学研究生联合培养海外项目（2017LHPY018）的资助。
参考文献：
Kim,S., Park, M., Yeom, S.-I., Kim, Y.-M., Lee, J.M., Lee, H.-A., Seo, E., Choi,J., Cheong, K., and Kim, K.T. (2014). Genome sequence of the hot pepperprovides insights into the evolution of pungency in Capsicum species. Nature Genetics 46:270-276.
Qin,C., Yu, C., Shen, Y., Fang, X., Chen, L., Min, J., Cheng, J., Zhao, S., Xu, M.,and Luo, Y. (2014). Whole-genome sequencing of cultivated and wild peppersprovides insights into Capsicumdomestication and specialization. Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America 111:5135-5140.