腦洞大開：“火辣番茄”，用CRISPR基因編輯讓番茄產(chǎn)生辣椒素，只需調整6個基因的表達
發(fā)布時間:
2019-08-16
來自iNature
從進化的角度來看，辣椒是番茄長期失聯(lián)的表兄弟。它們在1900萬年前與共同祖先分離，但至今仍然分享著一些相同的DNA?；驕y序表明，番茄依然存在表達辣椒素的基因，只是這些基因關閉了。
分離后的番茄植株進化出了生長豐富又富含營養(yǎng)的果實，很容易獲得豐收，一公頃產(chǎn)量能達到110噸。
而辣椒植株則變得更具防御性，進化出了產(chǎn)生辣椒素的基因，辣椒素以使辣椒具有辣味，用以抵御掠食者。那些不辣的辣椒，就是因為這些基因發(fā)生了突變導致的。
但是辣椒的產(chǎn)量相比番茄要低得多，一公頃產(chǎn)量一般在3噸以下，因而通過農(nóng)業(yè)種植辣椒來獲取辣椒素還是比較困難的。
近日，巴西維索薩聯(lián)邦大學的Agustin Zs?g?n等人在 Cell 子刊Trends In Plant Science （影響因子12.149）雜志發(fā)表了題為：Capsaicinoids: Pungency beyond Capsicum 的論文。
該論文梳理了辣椒素的生物合成機制，比較了辣椒和番茄的相似性，認為雖然具有挑戰(zhàn)性，但通過CRISPR/Cas9等基因編輯技術激活辣椒素基因在番茄中表達，有望創(chuàng)造出高產(chǎn)辣椒素的番茄。
研究人員稱他們的目的并不是創(chuàng)造一種新型的食物，而是為了商業(yè)價值：更容易的大量生產(chǎn)辣椒素類物質，可用于生產(chǎn)止痛藥和辣椒噴霧劑等。
辣椒素是辣椒在進化過程中出現(xiàn)的一種防御措施。辣椒素的辛辣味道其實不是味道，而是一種刺激性疼痛。它們刺激舌頭中的神經(jīng)細胞，大腦將其理解為灼燒感。
辣椒素的進化幫助辣椒抵御小型哺乳動物的取食。而鳥類對辣椒素沒有疼痛反應，因而可以取食辣椒果實，并將辣椒種子傳播開來。
圖1：辣椒的橫截面，以及辣椒素類生物合成途徑
目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了至少 23 種不同類型的辣椒素類物質，它們都從辣椒內(nèi)部合成產(chǎn)生。辣椒的辣度由辣椒素的含量決定，而生成辣椒素的基因決定了辣椒素的含量。
圖2：直接或間接影響辣椒素水平的因素
辣椒和番茄在1900萬年前與共同祖先分離，但它們的基因組保持完好，也都是12條染色體?；驕y序表明，番茄依然存在產(chǎn)生辣椒素所必需的基因，只是這些基因的表達沒有開啟。
辣椒的種植周期為120-150天，每公頃產(chǎn)量很少超過3噸；
番茄的種植周期為120天，每公頃產(chǎn)量經(jīng)常達到110噸。作為世界上主要的園藝作物之一，番茄是一種非常完善的模式物種，非常適合生物技術操作。
因此，只要開啟番茄中產(chǎn)生辣椒素類物質的基因通路，人們就可以更大量、更高效、更廉價地獲取辣椒素。
辣椒基因組測序和番茄基因組測序已經(jīng)完成，以CRISPR/Cas9為代表的基因編輯技術在植物領域的應用也已經(jīng)非常成熟。理論上人們已經(jīng)可以在番茄上編輯所需要的任何基因。
圖3：使用基因組工程技術創(chuàng)造一個“火辣番茄”
從圖3可以看出，只需要在番茄中上調PAL、KAS、COMT、FaTA這四個基因，以及啟動BCAT、CS這兩個基因，就可以在番茄中開啟辣椒素基因的表達，從而更大量、更高效、更廉價地生產(chǎn)辣椒素。
辣椒基因組測序的完成，以及番茄含有辣椒素所必需的全套基因的發(fā)現(xiàn)，為通過基因編輯操作生產(chǎn)辣椒類生物制劑的“火辣番茄”鋪平了道路。
基礎知識的進步，以及基因編輯工具的快速發(fā)展，為使用番茄果實作為底盤設計其他更具想象力的生物合成途徑鋪平了道路。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.tplants.2018.11.001
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