作者:Kevin Folta 来源:《BMC植物生物学》 发布时间:2017/10/14 15:23:06
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科学家寻找草莓中的“葡萄”香气

 

为什么草莓有它专属的味道和气息?在这篇博客中,Kevin M. Folta教授讨论了他最近发表在BMC Plant Biology上的一项研究。该研究对栽培草莓中邻氨基苯甲酸甲酯(methyl anthranilate, MA)合成过程的最后一步进行了“解密”,而MA正是许多成熟水果中都存在的天然化合物成分。

图片来源于原文

咳嗽糖浆里加入的葡萄味使它更容易下咽。葡萄味碳酸饮料之所以有葡萄味,起作用的也是相同的一种甜味分子。在食品化学中,这种熟悉的粘粘的甜味感来源十分有趣,而现在我们要揭示的,正是这种分子来源在天然条件下导致果味产生——甚至是在草莓这类并没有葡萄味的水果中产生果味——的遗传学基础。

我们之所以能从食物中尝到熟悉的“葡萄”味,要归功于一种被称为邻氨基苯甲酸甲酯(MA)的化合物。该化合物最开始被用作合成人造葡萄味调味剂,常见于果味饮料、香水和其他常见的消费品。它是紫色所代表的味道,同时也是一种驱鸟剂(防止鸟类入侵的化学试剂)。

许多水果在成熟后也含有天然的邻氨基苯甲酸甲酯。它是美洲葡萄(Vitis labrusca)的标志性香味物质。 在其他水果中,MA多发挥辅助性作用,负责在水果消化的第一阶段——口腔中的机械破裂(俗称大咬大嚼)——中打助攻,在散发出的化合物交响乐中奏响一个小音符。糖和酸组成了舌头感知到的味道的基础,而一群挥发性的化合物则从腭后直冲嗅觉受体,触发神经信号,于是大脑在几毫秒后便能感知到香气。

心脑连接的存在使得MA可以令人联想起夏天、甜品和健康的零食。这也是为什么水果的味道如此之重要 ——如果科学家们可以使这些味道尝起来更好,就有可能激发消费者选择更健康的饮食,并且为种植者带来更好的收益。

然而在现代的品种中,口味并非总是重中之重。种植者会着重选择可以抵御疾病、产量高、个头大、可以在长途跋涉后外观依旧基本令人满意的品种。几十年来对草莓这样的水果进行的高强度人工选择,导致它们的感官品质有所下降。

事实上,MA是存在于野生草莓中的,但在几乎所有的现代品种中都已不复存在。现在它只存在于几个较古老的品种以及一些专门针对葡萄芳香而培育的新品种中。

我们实验室的兴趣是找到合成重要的挥发性风味物质所需的基因,使得这些基因能够被重新引入新品种。如果我们确定了合成过程中所需的基因,就可以开发出DNA标签来加速培育过程。

我们的研究由Pillet等人发表在BMC Plant Biology上。这个研究先用一种复杂的方法找到了相关基因,然后确定了催化MA合成中最后一步的基因。 这项工作用到了基因组学、遗传学、基因表达分析和被注射器戳来戳去的草莓。

首先,将产生MA的品种和不产生MA的品种杂交。 我们发现它们的后代在是否产生芳香化合物的特征上有所分离:一些后代有芳香化合物,一些没有。我们分析了来自每个后代植物的果实,以便初步了解与MA相对应的活性基因(从RNA水平上推断)。

然后我们将产生MA的草莓所表达基因的所有序列都组合进一个列表中,不产生MA的草莓中表达的所有基因组合成另一个的列表。用计算的方式对这两个列表进行比较,发现只有5个基因明显在产生MA的草莓中得到了启动,而在不产生MA的草莓中处于沉默状态。

这其中有一个基因负责编码甲基转移酶。甲基转移酶,顾名思义就是负责转移甲基,而MA即邻氨基苯甲酸甲酯中也有甲基。这个酶的工作基本上就是抓取邻氨基苯甲酸,然后把甲基粘附上去,从而生成邻氨基苯甲酸甲酯。

我们从几个方面对这一假说进行了测试。 首先,我们使用了RNA干扰技术来关闭生产MA的水果中的这个基因。我们把细菌注射进果肉,这些细菌能够将这个基因的反向拷贝转移到细胞中。 新注射的反向基因能够抑制甲基转移酶基因。经过这些操作之后,水果便不再产生MA。 这非常有力地证明了,正是这个基因在驱动合成过程。 一旦关闭了这个甲基转移酶基因,水果就不再产生MA。

第二个测试是在细菌中生产这种酶,对其进行纯化,然后确定该合成酶是否可以作用于甲基供体化合物,剥离甲基、并将其移动到邻氨基苯甲酸分子上得到邻氨基苯甲酸甲酯。 不过这个实验没有成功,这其中有很多技术性原因。

然而,如果细菌自己生成这种酶,然后在它们的培养基中加入邻氨基苯甲酸,这些细菌就可以产生邻氨基苯甲酸甲酯。 在另一项测试中,我们利用冷冻的水果粉末,将其重制成含有邻氨基苯甲酸和甲基供体的化学汤。这些水果粉末竟然也能从这种化学组成的汤中合成产生有葡萄芬芳的MA!如果汤中缺少任意一种成分,水果粉末就无法产生MA。

在这项工作中,我们使用了基因组学和遗传学方法找到了可能执行MA合成最后一步的候选基因。如果关闭该基因,则检测不到MA。与其相对应的酶可以在细菌中制造出MA,并且当我们将正确的前体加入到草莓果肉中,就可以生成MA。所有这些数据使我们相信,甲基转移酶确实是该过程中的那个基因没错了!

最后一步是确定产生MA的水果和不产生MA的水果之间在该基因上有显著差异。我们发现该基因控制区域中的一部分能够在产生MA的水果中扩增,但在不产生MA的水果中则不能扩增。 这种DNA序列可以用作“分子标记”。 现在,无论谁想要以产生高水平的MA为目的育种草莓,都应先测试其植物中是否含有这个基因的活性版。这样其后代才更有可能可以产生MA。

如果你认为MA与草莓的故事到此结束,那你就错了。 我们的研究还显示,MA的水平依赖于环境条件和果实的成熟阶段。这对我们来说是个好消息,因为这意味着有更多的基因参与了这个过程,所以研究还将继续。

未来,如果能鉴定出编码每一种味道的基因,植物育种者就能够将遗传学结合起来,培育出一种超厉害的草莓。这种美味的浆果将重新唤醒古老品种中失传已久的味觉刺激,并完美契合现代生产的需求。(来源:科学网)

 
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