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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(diào)整6個(gè)基因的表達(dá)

發(fā)布時(shí)間:

2019-08-16

來自iNature
 
從進(jìn)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(dá)辣椒素的基因，只是這些基因關(guān)閉了。
 
分離后的番茄植株進(jìn)化出了生長豐富又富含營養(yǎng)的果實(shí)，很容易獲得豐收，一公頃產(chǎn)量能達(dá)到110噸。
 
而辣椒植株則變得更具防御性，進(jìn)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?yàn)檫@些基因發(fā)生了突變導(dǎo)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(xué)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(jī)制，比較了辣椒和番茄的相似性，認(rèn)為雖然具有挑戰(zhàn)性，但通過CRISPR/Cas9等基因編輯技術(shù)激活辣椒素基因在番茄中表達(dá)，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(jià)值：更容易的大量生產(chǎn)辣椒素類物質(zhì)，可用于生產(chǎn)止痛藥和辣椒噴霧劑等。
 
 
辣椒素是辣椒在進(jìn)化過程中出現(xiàn)的一種防御措施。辣椒素的辛辣味道其實(shí)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(xì)胞，大腦將其理解為灼燒感。 
 
辣椒素的進(jìn)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(yīng)，因而可以取食辣椒果實(shí)，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(zhì)，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(dá)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(dá)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(shù)操作。
 
因此，只要開啟番茄中產(chǎn)生辣椒素類物質(zhì)的基因通路，人們就可以更大量、更高效、更廉價(jià)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(shù)在植物領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)創(chuàng)造一個(gè)“火辣番茄”
 
從圖3可以看出，只需要在番茄中上調(diào)PAL、KAS、COMT、FaTA這四個(gè)基因，以及啟動BCAT、CS這兩個(gè)基因，就可以在番茄中開啟辣椒素基因的表達(dá)，從而更大量、更高效、更廉價(jià)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(chǔ)知識的進(jìn)步，以及基因編輯工具的快速發(fā)展，為使用番茄果實(shí)作為底盤設(shè)計(jì)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