发现蔬果的“苦味”秘密

　　追求美味是人类的天性。在长期的饮食判断中，挑剔的味蕾可能会告诉你：黄瓜的味道应该是清新爽口的，西瓜和甜瓜的味道则应该是甜甜的。然而，恰恰是这几种理应非常“甜蜜”的葫芦科蔬果，却与生俱来携带着“苦味”基因。一旦遭遇生存逆境，它们的果实就有可能会变得苦涩难吃。

 

　　那么，这些蔬果的苦味是怎么形成的？它们的苦味基因又能不能被精准调控、加以利用？日前，中国农业科学院蔬菜花卉研究所副研究员尚轶和研究员黄三文综合运用基因组大数据等多种研究手段成功揭示葫芦科植物的“苦味”秘密。这项题为“葫芦科作物苦味性状的趋同驯化与差异进化”的研究，以长篇幅研究论文形式发表在国际知名学术期刊《自然·植物》上，引起广泛关注。

 

 

　　自然界中的每一种植物都有属于自己的味道，酸甜苦辣，各有千秋。而与其他味道相比，苦味显然不受人们的欢迎。长期从事蔬菜基因组研究的黄三文说道：“苦味在果实中的存在，不仅会影响蔬果的品质，也会影响农民的生产效益。如果能深入了解蔬果苦味形成的遗传机理，就能解决这些问题。”

 

　　植物的苦味到底是怎么形成的？“味道的获得和丢失，与植物中次生代谢产物在作物可食用部分的分布和积累密切相关。”据尚轶介绍，次生代谢产物是植物在与外界环境长期相互作用过程中产生的天然化合物，有的具有令人愉悦的清香味，有的却具有苦味或毒性。

 

　　虽然科学家早就知道植物的味道与次生代谢产物有关，但是每种植物的次生代谢产物都有成千上万个，而且结构各异，要准确地找出影响味道的次生代谢产物，并找到控制它们的基因开关，无异于大海捞针。

 

　　尽管对于消费者和生产者来说，苦味会影响蔬果的品质，但对于植物本身来说，苦味却并不是坏东西。“苦味是植物防御病害、保护自己的一种‘天然武器’。”黄三文告诉记者，早在数年前，欧洲就已经培育出不苦的黄瓜，果实不苦，其他部位也不苦，但这也使作物失去了自身防御的武器。“如何更加精准调控苦味基因，让它们在可食用部位不苦，在其他部位苦，从而既能保证果实品质，又能保证其仍具有防御病害的能力，这成为了摆在科学家面前的一道难题。”

 

　　“要实现这一目标必须在基础研究领域有所突破。”黄三文强调说，与大田作物和模式物种相比，蔬菜作物的基础研究又相对比较薄弱，因此加强对苦味基因的研究显得迫在眉睫。

 

 

　　从2005年起，黄三文率领团队致力于蔬菜作物基因组、变异组及转录组等大数据研究，为研究重要园艺性状、开展分子育种提供不可缺少的基础工具。随后，尚轶带领的科研小组开始尝试将基因组等大数据研究应用到代谢研究中。

 

　　“我们研究发现，黄瓜的苦味是由葫芦素引起的。实验证明，极低量的葫芦素就能引起明显的苦味，比典型的苦味剂咖啡因还要苦100倍左右。”据尚轶介绍，2014年，团队从黄瓜的2.4万个基因中找到了控制黄瓜苦味合成和调控过程中的11个关键基因，由此成功阐明黄瓜苦味物质生物合成、调控及驯化的分子机制。

 

　　在揭秘黄瓜苦味基因之后，科研团队并不满足，尚轶小组开始研究另一个重要问题：与黄瓜同属于葫芦科的西瓜、甜瓜等是否存在类似的分子机制？如果是，是否可以借鉴黄瓜苦味研究成果，在西瓜、甜瓜中也实现可操控的无苦味品种培育方案，彻底解决苦味对葫芦科植物商品品质的影响？

 

　　经过两年时间的努力，他们发现葫芦科植物具有非常相似的的苦味性状驯化的历史，进一步揭示出葫芦科植物保守但又分化的苦味合成及调控分子机制。采访中，尚轶向记者解释：“所谓‘保守’是指黄瓜、西瓜、甜瓜驯化历史很相似，都经历了从果实极苦到不苦的过程；所谓‘分化’是指这三者苦味物质即葫芦素结构及合成过程存在差异。”

 

　　“2014年，我们发现了黄瓜中有9个基因负责苦味物质葫芦素的合成，另两个‘主开关基因'B1和Bt控制其他9个苦味合成基因的表达与否。其中，B1负责控制叶片苦味，Bt控制果实苦味。在当时的研究中，我们已经把苦味合成通路与调控通路都解析了。现在，在西甜瓜的研究中，这种精准调控继续得到实现。”尚轶兴奋地对记者说，“欧洲是通过阻断合成基因来培育不苦的黄瓜，而我们的研究则更有针对性，能够培育叶片苦而果实不苦的优良品种，在提升蔬果品质的同时又兼顾了抗虫性。”

 

 

　　“苦味”的研究会对生产生活带来什么改变？2014年，在科研团队成功打开黄瓜苦味基因密码后，与黄三文长期合作的湖南蔬菜所黄瓜育种家陈惠明帮助华南地区培育出了4个黄瓜新品种，眼下正在彻底解决了华南黄瓜容易变苦的生产难题。

 

　　“与黄瓜新品种选育类似，利用现在的研究成果，我们可以通过精确调节西甜瓜的根和果实中苦味合成，一方面确保西瓜、甜瓜果实中不积累苦味，商品品质更好；另一方面，还能提高根中的苦味含量，进而提高作物抵御土壤中病菌、害虫侵害的能力，减少农药使用，提高产量。这样的优秀品种无疑是广大菜农朋友们迫切需要的。”黄三文向记者介绍，这次研究是利用基因组学知识改良蔬菜瓜果品质又一成功实践，随着育种方面研究的推进，相关品种的面市指日可待。

 

　　苦味可以被去除，当然也能被利用。尚轶告诉记者，他们在研究中发现，黄瓜中的苦味来自葫芦素C，但甜瓜和西瓜中的苦味则分别来自葫芦素B和葫芦素E，后两者都具有很强的药用价值。据了解，古代医书《本草纲目》记载甜瓜的瓜蒂具有催吐及消炎的功效，其瓜蒂正含有大量的葫芦素，现代医学研究也证明葫芦素能抑制癌细胞生长。

 

　　“苦味在医药上的应用，充分应证了’良药苦口‘的说法。”尚轶表示，随着葫芦素合成和调控机制的破解，利用“苦味”开发合成治癌药物已成为可能。由于甜瓜瓜蒂有限，要进一步挖掘葫芦素的药物潜力，则需要借助生物合成的方法进行生产，这也是团队未来努力的一个方向。

 

　　“研究还具有另外一个重要意义。我们首次利用比较基因组学阐明了不同苦味物质间结构细微差异产生的原因，实现了对苦味基因的精准调控，为做品质研究的同行提供例子和方法，也为系统解析结构异常丰富的植物次生代谢产物多样性提供了重要借鉴。”尚轶希望，在蔬菜的基础研究中未来能有更多新的方法出现，能有更多味道的基因被发掘利用，让蔬菜瓜果的味道变得更加好吃。