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鉴定完205个单基因,中国科学家发现了韭菜独有香味的原因

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  韭菜是人们在日常生活中常见的一种蔬菜,一提到它,大家都不陌生。当人们讨论到它时,更多提起的是它那强烈的特殊香味。

  近日,北京市农林科学院蔬菜中心栽培与设施科研团队,针对韭菜香味形成的原因进行了深入的研究,并以《韭菜多种组织的转录组景观突出了参与香味的代谢途径》((Transcriptome landscapes of multiple tissues highlight the genes involved in the flavor metabolic pathway in Chinese chive (Allium tuberosum)))为题,在 Genomics 上发表了一篇论文。

  

  (来源:Genomics)

  韭菜属于葱属多年生植物,在世界范围内被人们广泛种植和引种。作为一种颇具发展前途的功能性食品,它本身具有的特殊香味、较高的营养价值和药用价值越来越受到人们的青睐。

  韭菜成熟的叶子、幼嫩的花序和花朵中含有一种结合了大蒜和甜味的芳香成分,人们之所以食用它,主要与它自身独特的香味、以及能够增强其他食物的香味有关。

  科研团队发现,韭菜的独特香味主要与以 S - 烃基半胱氨酸亚砜(CSO)为主的一系列有机硫化合物、在组织擦伤或浸渍后的水解有关。

  韭菜为四倍体植物,估计的基因组大小约为 31.2 Gb。与其他蔬菜作物相比,韭菜基因组庞大,功能基因组学和分子标记辅助育种研究相对滞后。

  因此,转录组分析可能是在全基因组水平上阐明基因内容的比较有效的方法。为了扩展块茎限制生物技术,在作物改良、香味以及代谢途径研究中的应用,以及为了获得组织特异性转录组,研究人员选用国内主栽品种 “791” 韭菜为实验材料,对包括叶、根、根茎、成熟花、花序和种子在内的多种植物组织进行了从头转录组组装,建立了 18 个 RNA-Seq 文库。

  然后,通过对块茎的测序,他们得到了 133.7Gb 的干净读数。之后,研究人员自从头组装的转录组鉴定了 223529 个单基因,对其进行了功能注释、基因本体分析和代谢途径分析等。

  经反复试验和筛选后,研究人员发现给原营养液配方添加适量盐分,并且对水培韭菜的胁迫程度进行精准控制,就有利于促进 CSO 合成过程关键酶的基因转录。

  

  (来源:公众号公共图片库)

  此外,为了揭示香味代谢途径,他们一共鉴定了 205 个参与硫同化和 CSO 生物合成的单基因,并用 RNA-Seq 和 qRT-PCR 分析了它们的表达谱。

  当葱属植物的组织受到损伤时,蒜氨酸酶水解 CSO,从而产生磺酸、丙酮酸和氨。由于硫磺在化学上并不稳定,因此它的降解会通过自发反应生成一系列有气味、易挥发的含硫化合物。

  比如,洋葱里富含异蒜氨酸,而大蒜则富含蒜氨酸,这也分别解释了大蒜和洋葱特有的香味和辛辣。除了在香料生产中的作用外,CSO 及其水解分解产物对葱属作物中的植物病原菌也具有保护作用。

  研究人员表示:葱属植物的香味成分是一系列挥发性有机硫化合物,通常来源于香味前体 CSO。由于 CSO 或挥发性香味化合物的直接鉴定很困难,测定 CSO 水解酶产生的丙酮酸就成为测试洋葱和其他葱类作物香味强度的一种低成本、快速的替代方法。而本实验对总香味强度的确定正是通过测定 CSO 水解酶产生的丙酮酸进行的。

  自 20 世纪 60 年代以来,相关研究主要集中在葱属植物和其他植物中 CSO 生物合成的分子基础等方面。CSO 的生物合成来源于硫的同化,并因此并入有机代谢物。

  放射性示踪实验提出了植物如何在拟南芥中将硫酸盐转化为一系列有机硫化合物,并进一步转化为葱类作物的香味前体的有效途径。

  概括来说,本研究为块茎香味形成的分子和功能研究、分子标记的开发以及其他遗传研究提供了非常有价值的资源。

  -End-

  参考:

  https://doi.org/10.1016/j.ygeno.2021.05.005

  

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