?胡椒基因組信息? 熱飲所供圖 從古代上流階層的奢侈品到現在家喻戶曉的調味品，“香料之王”胡椒演繹著各種傳奇的故事。不過，萬變不離其宗的是它的香辣特色，尤其“辣”味被譽為胡椒的靈魂。 胡椒為什么會辣？這要歸功于胡椒堿，其含量高低決定了胡椒的辛辣程度，也是胡椒價值的重要衡量標準。一直以來，科學家對于挖掘胡椒堿的密碼樂此不疲，而這些密碼都藏在基因組里。在這個基因組測序井噴的時期，胡椒獨特的“辣”與高科技碰撞出了更加絢爛奪目的火花。 中國熱帶農業科學院香料飲料研究所（以下簡稱香飲所）聯合華中農業大學、馬來西亞科學院等7家單位，繪制出我國胡椒栽培種“熱引1號”染色體級別精細基因組圖譜，綜合解讀了胡椒的基因組特征和物種進化位置，并對胡椒堿合成代謝網絡和關鍵基因及其基因家族進行深入研究，為被子植物演化及胡椒堿生物合成提供新的見解。 10月16日國際學術期刊《自然—通訊》雜志發表這項最新成果時，胡椒辣味的神秘面紗終于被揭開。

育種數據國際領先

全世界胡椒種植面積大約900多萬畝，我國有40多萬畝，雖然面積不大，但在世界上胡椒產量中排名第四位，主要分布在海南和云南。作為我國重要的熱作產業，胡椒發展近年來逐漸面臨瓶頸，消費需求的提升對于優質農產品供應要求越來越高，只有更香、更辣、更具競爭力的胡椒品種才能脫穎而出。 如何提質？“育種是關鍵。”香飲所副所長、研究員郝朝運告訴《中國科學報》。香飲所從未停止過對胡椒育種的研究，2012年，他們在海南省萬寧市建成了全國首個胡椒種質圃，并陸續發現盾葉胡椒、尖峰嶺胡椒兩個新物種，為優質新品種的選育提供了充足的遺傳資源。 郝朝運介紹，胡椒是多年生作物，傳統的胡椒品種培育大概需要3~4代、約30年，效率很低，這就需要最新的分子生物學技術來加快育種進程。 而分子育種邁出的第一步也是最關鍵的一步，即首先要知道物種的基因構成是什么。 不過，國際上關于胡椒的分子基礎研究寥寥無幾，基因組研究幾乎為零。“一切都是摸著石頭過河。”香飲所副研究員胡麗松用這樣一句話描述了當時的工作狀況。研究團隊自2015年起開始布局構建胡椒分子育種體系，雖然擁有胡椒的基礎數據、育種積淀、種質資源等，但他們意識到還需要更多智慧力量的參與。 作為全國農業高校里最早開始分子生物學研究的實驗室之一，華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室也積極加入到胡椒“辣”味的揭秘隊伍里，他們憑借生物信息綜合分析能力帶來了先進的測序技術。 胡椒堿是那把打開胡椒新天地至關重要的“鑰匙”，團隊成員清楚地知道他們要找出胡椒堿合成的具體控制基因是什么。胡麗松告訴《中國科學報》，在長時間的馴化和自然選擇里，基因組經歷著不斷丟失和擴增的過程，通過基因家族擴增、比較轉錄組以及序列進化分析發現，胡椒堿的合成主要由苯丙烷代謝、賴氨酸代謝相關基因和酰基轉移酶基因控制，這是胡椒堿合成特有的基因“符號”，與辣椒素等其他植物的風味物質合成完全不同。 此外，“與水稻、大豆等一年生二倍體作物不同，胡椒是多年生四倍體作物，很難通過自交等手段獲得相對純合的后代，因此雜合性很高，造成基因組拼接異常困難。”華中農業大學植物科學技術學院教授金雙俠告訴《中國科學報》。 “關于雜合性問題，我們與很多科研單位合作，經常積極討論，而且加入了最先進的技術進行輔助組裝，才得以解決。”華中農業大學博士許忠平告訴《中國科學報》。 正是因為結合PacBio三代測序、10X Genomics、基于直接標記和染色（DLS）的BioNano單分子光學圖譜和Hi-C染色體交互捕獲四種測序技術，團隊最終實現了胡椒染色體級別的組裝，并且繪制出我國胡椒主要栽培種“熱引1號”染色體級別精細基因組圖譜，這也是全世界第一張胡椒精細基因組圖譜。 “成果發表后，數據全球共享，可以為更多胡椒育種專家提供重要數據，意義重大。最重要的是，我們占據了國際制高點。”郝朝運說。

植物進化的核心物種

相比于胡椒的口味，科學家更關注的是木蘭類植物的系統位置。木蘭類植物由白桂皮目、胡椒目、樟目以及木蘭目組成，是被子植物的一個種類，包括八角、胡椒等。另外三類分別是真雙子葉植物、單子葉植物和基部被子植物，后三者的系統位置已經在植物分類學研究者中形成共識，但木蘭類的系統位置卻一直沒有定論。 “胡椒在被子植物進化里處于非常核心的地位。”金雙俠說，木蘭類系統位置的確定，將會開辟植物演化學領域的新方向，并對解釋進化論的謎題以及地球歷史的揭示有著難以言喻的作用。 就在此前，《自然—植物》先后刊登了兩個研究成果，一個認為木蘭類更為古老，是單雙子葉植物的祖先；另一個則認為，木蘭類與真雙子葉成姐妹關系，而單子葉更為古老，兩種結果完全相反。 這在植物演化學界掀起不小的漣漪，重啟了關于木蘭類系統位置的討論。 胡麗松介紹，為了探尋木蘭類系統位置的蛛絲馬跡，他們在胡椒、9個雙子葉植物、3個單子葉植物、3個木蘭亞綱植物、無油樟、兩個裸子植物和兩個低等植物外群共21個物種中做研究，鑒定出82個單拷貝直系同源基因。 隨后，他們利用這些基因進行物種進化樹的構建和分化時間的評估，確定了胡椒及其所在木蘭亞綱的系統發育位置。結果顯示，木蘭亞綱與整個單子葉—雙子葉互為姐妹關系；進一步，胡椒目與木蘭目—樟目互為姐妹關系，且大約在187~175 百萬年前發生分化。 “我們的測序工作為被子植物進化提供了非常重要的遺傳學證據。”金雙俠表示。這不僅僅是科學家破譯了一個香料的基因密碼，更具科學意義的是，這個物種的遺傳信息為解析高等植物的遺傳演化路線提供全面、關鍵的信息。

亟待挖掘更大應用價值

胡椒曾被用于埃及木乃伊的防腐，此外，胡椒還可以促進消化、去腥、暖胃驅寒等，集萬千優點于一身。而科研人員現在要做的就是把這些優點放大，挖掘胡椒更大的發展潛力和市場應用價值。 “基于我們的研究成果，可以極大縮短育種年限，并且根據我們的需求改變胡椒性狀，如增強抗病性、提高產量等。”許忠平表示。 “目前，胡椒市場處于低迷境況，比如主產國馬來西亞種植胡椒的農戶越來越少，胡椒出口也越來越困難。而整個世界對胡椒品質的需求越來越高，我們找到胡椒堿合成途徑，可以進一步提高胡椒堿含量，促進胡椒堿的生物合成，具有很好的市場應用前景。”團隊成員、香飲所副研究員范睿告訴《中國科學報》。 歷史上，西哥特人入侵羅馬、十字軍東征、新航路的開辟等重要事件與胡椒資源和貿易權的爭奪有著密切聯系，胡椒被認為是古代促進東西方文化交流的重要商品。在古代，胡椒貿易路線的拓展促成了地理大發現等重要歷史事件。 “如今，成果的發布確立了我國在胡椒基因研究領域的國際地位。由于胡椒廣泛種植于熱帶、亞熱帶30多個國家和地區，將來胡椒會成為服務國家‘一帶一路’倡議的重要媒介作物。”郝朝運說。 胡椒產業的發展是優質胡椒產品的供給。郝朝運表示，胡椒的未來大有作為，將來可以把我國和其他國家育種優勢機構聯合起來，加快全球胡椒優質品種選育步伐，加快推廣優質品種，為有需要的國家提供研究工具和前沿技術，共商胡椒發展大業。 相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-019-12607-6

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編輯?∑Gemini

?來源：科學網

總結

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