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脑洞大开:“火辣番茄”,用CRISPR基因编辑让番茄产生辣椒素,只需调整6个基因的表达


来自iNature
 
从进化的角度来看,辣椒是番茄长期失联的表兄弟。它们在1900万年前与共同祖先分离,但至今仍然分享着一些相同的DNA。基因测序表明,番茄依然存在表达辣椒素的基因,只是这些基因关闭了。
 
分离后的番茄植株进化出了生长丰富又富含营养的果实,很容易获得丰收,一公顷产量能达到110吨。
 
而辣椒植株则变得更具防御性,进化出了产生辣椒素的基因,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,就是因为这些基因发生了突变导致的。
 
但是辣椒的产量相比番茄要低得多,一公顷产量一般在3吨以下,因而通过农业种植辣椒来获取辣椒素还是比较困难的。
 
近日,巴西维索萨联邦大学的Agustin Zsögön等人在 Cell 子刊Trends In Plant Science (影响因子12.149)杂志发表了题为:Capsaicinoids: Pungency beyond Capsicum 的论文。
 
该论文梳理了辣椒素的生物合成机制,比较了辣椒和番茄的相似性,认为虽然具有挑战性,但通过CRISPR/Cas9等基因编辑技术激活辣椒素基因在番茄中表达,有望创造出高产辣椒素的番茄。
 
研究人员称他们的目的并不是创造一种新型的食物,而是为了商业价值:更容易的大量生产辣椒素类物质,可用于生产止痛药和辣椒喷雾剂等。
 
 
辣椒素是辣椒在进化过程中出现的一种防御措施。辣椒素的辛辣味道其实不是味道,而是一种刺激性疼痛。它们刺激舌头中的神经细胞,大脑将其理解为灼烧感。 
 
辣椒素的进化帮助辣椒抵御小型哺乳动物的取食。而鸟类对辣椒素没有疼痛反应,因而可以取食辣椒果实,并将辣椒种子传播开来。
 
 
 
图1:辣椒的横截面,以及辣椒素类生物合成途径
 
目前已经发现了至少 23 种不同类型的辣椒素类物质,它们都从辣椒内部合成产生。辣椒的辣度由辣椒素的含量决定,而生成辣椒素的基因决定了辣椒素的含量。
 
 
图2:直接或间接影响辣椒素水平的因素
 
辣椒和番茄在1900万年前与共同祖先分离,但它们的基因组保持完好,也都是12条染色体。基因测序表明,番茄依然存在产生辣椒素所必需的基因,只是这些基因的表达没有开启。
 
辣椒的种植周期为120-150天,每公顷产量很少超过3吨;
 
番茄的种植周期为120天,每公顷产量经常达到110吨。作为世界上主要的园艺作物之一,番茄是一种非常完善的模式物种,非常适合生物技术操作。
 
因此,只要开启番茄中产生辣椒素类物质的基因通路,人们就可以更大量、更高效、更廉价地获取辣椒素。
 
辣椒基因组测序和番茄基因组测序已经完成,以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术在植物领域的应用也已经非常成熟。理论上人们已经可以在番茄上编辑所需要的任何基因。
 
 
图3:使用基因组工程技术创造一个“火辣番茄”
 
从图3可以看出,只需要在番茄中上调PAL、KAS、COMT、FaTA这四个基因,以及启动BCAT、CS这两个基因,就可以在番茄中开启辣椒素基因的表达,从而更大量、更高效、更廉价地生产辣椒素。
 
辣椒基因组测序的完成,以及番茄含有辣椒素所必需的全套基因的发现,为通过基因编辑操作生产辣椒类生物制剂的“火辣番茄”铺平了道路。
 
基础知识的进步,以及基因编辑工具的快速发展,为使用番茄果实作为底盘设计其他更具想象力的生物合成途径铺平了道路。
 
论文链接:
 
https://doi.org/10.1016/j.tplants.2018.11.001