追求美味是人類的天性。在長期的飲食判斷中，挑剔的味蕾可能會告訴你：黃瓜的味道應該是清新爽口的，西瓜和甜瓜的味道則應該是甜甜的。然而，恰恰是這幾種理應非常“甜蜜”的葫蘆科蔬果，卻與生俱來攜帶著“苦味”基因。一旦遭遇生存逆境，它們的果實就有可能會變得苦澀難吃。
那么，這些蔬果的苦味是怎么形成的？它們的苦味基因又能不能被精準調控、加以利用？日前，中國農業科學院蔬菜花卉研究所副研究員尚軼和研究員黃三文綜合運用基因組大數據等多種研究手段成功揭示葫蘆科植物的“苦味”秘密。這項題為“葫蘆科作物苦味性狀的趨同馴化與差異進化”的研究，以長篇幅研究論文形式發表在國際知名學術期刊《自然·植物》上，引起廣泛關注。 研究苦味具有實用價值 自然界中的每一種植物都有屬于自己的味道，酸甜苦辣，各有千秋。而與其他味道相比，苦味顯然不受人們的歡迎。長期從事蔬菜基因組研究的黃三文說道：“苦味在果實中的存在，不僅會影響蔬果的品質，也會影響農民的生產效益。如果能深入了解蔬果苦味形成的遺傳機理，就能解決這些問題。” 植物的苦味到底是怎么形成的？“味道的獲得和丟失，與植物中次生代謝產物在作物可食用部分的分布和積累密切相關。”據尚軼介紹，次生代謝產物是植物在與外界環境長期相互作用過程中產生的天然化合物，有的具有令人愉悅的清香味，有的卻具有苦味或毒性。 雖然科學家早就知道植物的味道與次生代謝產物有關，但是每種植物的次生代謝產物都有成千上萬個，而且結構各異，要準確地找出影響味道的次生代謝產物，并找到控制它們的基因開關，無異于大海撈針。 盡管對于消費者和生產者來說，苦味會影響蔬果的品質，但對于植物本身來說，苦味卻并不是壞東西。“苦味是植物防御病害、保護自己的一種‘天然武器’。”黃三文告訴記者，早在數年前，歐洲就已經培育出不苦的黃瓜，果實不苦，其他部位也不苦，但這也使作物失去了自身防御的武器。“如何更加精準調控苦味基因，讓它們在可食用部位不苦，在其他部位苦，從而既能保證果實品質，又能保證其仍具有防御病害的能力，這成為了擺在科學家面前的一道難題。” “要實現這一目標必須在基礎研究領域有所突破。”黃三文強調說，與大田作物和模式物種相比，蔬菜作物的基礎研究又相對比較薄弱，因此加強對苦味基因的研究顯得迫在眉睫。 大數據幫忙揭開神秘面紗 從2005年起，黃三文率領團隊致力于蔬菜作物基因組、變異組及轉錄組等大數據研究，為研究重要園藝性狀、開展分子育種提供不可缺少的基礎工具。隨后，尚軼帶領的科研小組開始嘗試將基因組等大數據研究應用到代謝研究中。 “我們研究發現，黃瓜的苦味是由葫蘆素引起的。實驗證明，極低量的葫蘆素就能引起明顯的苦味，比典型的苦味劑咖啡因還要苦100倍左右。”據尚軼介紹，2014年，團隊從黃瓜的2.4萬個基因中找到了控制黃瓜苦味合成和調控過程中的11個關鍵基因，由此成功闡明黃瓜苦味物質生物合成、調控及馴化的分子機制。 在揭秘黃瓜苦味基因之后，科研團隊并不滿足，尚軼小組開始研究另一個重要問題：與黃瓜同屬于葫蘆科的西瓜、甜瓜等是否存在類似的分子機制？如果是，是否可以借鑒黃瓜苦味研究成果，在西瓜、甜瓜中也實現可操控的無苦味品種培育方案，徹底解決苦味對葫蘆科植物商品品質的影響？ 經過兩年時間的努力，他們發現葫蘆科植物具有非常相似的的苦味性狀馴化的歷史，進一步揭示出葫蘆科植物保守但又分化的苦味合成及調控分子機制。采訪中，尚軼向記者解釋:“所謂‘保守’是指黃瓜、西瓜、甜瓜馴化歷史很相似，都經歷了從果實極苦到不苦的過程；所謂‘分化’是指這三者苦味物質即葫蘆素結構及合成過程存在差異。” “2014年，我們發現了黃瓜中有9個基因負責苦味物質葫蘆素的合成，另兩個‘主開關基因’B1和Bt控制其他9個苦味合成基因的表達與否。其中，B1負責控制葉片苦味，Bt控制果實苦味。在當時的研究中，我們已經把苦味合成通路與調控通路都解析了。現在，在西甜瓜的研究中，這種精準調控繼續得到實現。”尚軼興奮地對記者說，“歐洲是通過阻斷合成基因來培育不苦的黃瓜，而我們的研究則更有針對性，能夠培育葉片苦而果實不苦的優良品種，在提升蔬果品質的同時又兼顧了抗蟲性。” “苦味”在育種和藥用上大有可為 “苦味”的研究會對生產生活帶來什么改變？2014年，在科研團隊成功打開黃瓜苦味基因密碼后，與黃三文長期合作的湖南蔬菜所黃瓜育種家陳惠明幫助華南地區培育出了4個黃瓜新品種，眼下正在徹底解決了華南黃瓜容易變苦的生產難題。 “與黃瓜新品種選育類似，利用現在的研究成果，我們可以通過精確調節西甜瓜的根和果實中苦味合成，一方面確保西瓜、甜瓜果實中不積累苦味，商品品質更好；另一方面，還能提高根中的苦味含量，進而提高作物抵御土壤中病菌、害蟲侵害的能力，減少農藥使用，提高產量。這樣的優秀品種無疑是廣大菜農朋友們迫切需要的。”黃三文向記者介紹，這次研究是利用基因組學知識改良蔬菜瓜果品質又一成功實踐，隨著育種方面研究的推進，相關品種的面市指日可待。 苦味可以被去除，當然也能被利用。尚軼告訴記者，他們在研究中發現，黃瓜中的苦味來自葫蘆素C，但甜瓜和西瓜中的苦味則分別來自葫蘆素B和葫蘆素E，后兩者都具有很強的藥用價值。據了解，古代醫書《本草綱目》記載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蘆素，現代醫學研究也證明葫蘆素能抑制癌細胞生長。 “苦味在醫藥上的應用，充分應證了‘良藥苦口’的說法。”尚軼表示，隨著葫蘆素合成和調控機制的破解，利用“苦味”開發合成治癌藥物已成為可能。由于甜瓜瓜蒂有限，要進一步挖掘葫蘆素的藥物潛力，則需要借助生物合成的方法進行生產，這也是團隊未來努力的一個方向。 “研究還具有另外一個重要意義。我們首次利用比較基因組學闡明了不同苦味物質間結構細微差異產生的原因，實現了對苦味基因的精準調控，為做品質研究的同行提供例子和方法，也為系統解析結構異常豐富的植物次生代謝產物多樣性提供了重要借鑒。”尚軼希望，在蔬菜的基礎研究中未來能有更多新的方法出現，能有更多味道的基因被發掘利用，讓蔬菜瓜果的味道變得更加好吃。
