郭 爽 黄 贞 常绍东 曹翠文 沈火林

（1广州市农业科学研究院，广东广州510308；2中国农业大学农学与生物技术学院，北京100193）

植物类胡萝卜素是主要存在于植物叶绿体和有色体膜中的脂溶性色素，能够赋予植物花和果实等器官鲜艳的色彩。在辣椒（CapsicuMannuumL.）果实发育过程中，不同颜色类型果实中类胡萝卜素种类和含量不同，同一类型种类和含量变化趋势基本相同，但品种之间类胡萝卜素总含量和辣椒红素含量有差异（戴雄泽 等，2009）。类胡萝卜素的组成及含量影响辣椒果实的色泽，继而影响果实外观品质和商品价值。了解辣椒果实颜色的遗传规律和类胡萝卜素的生物合成途径及其主要酶与基因的功能，有助于有目的地调控类胡萝卜素的生物合成，对于改善辣椒果实品质，提高其商品价值具有重要的意义。

1 辣椒果实颜色的遗传规律

辣椒成熟果实颜色是其商品品质的重要指标之一。早期对辣椒果实颜色的遗传研究认为成熟果实颜色红色对黄色显性，单基因控制，并用符号y表示，y+表示红色、显性，y表示黄色、隐性（Desphande，1933）。Smith（1950）在研究辣椒棕色和绿色成熟果实颜色遗传时，认为绿色成熟果实中仍有叶绿素的存在，与y+（红色）或y（黄色）组合，分别产生棕色或橄榄绿色的成熟果实，并把该基因命名为cl，认为是叶绿素沉积基因。Shifriss和 Pilovsky（1992）的研究证实了此基因的存在。Kormos和Kormos（1960）在研究辣椒红色和白色成熟果实颜色遗传时，提出辣椒属不同颜色成熟果实的形成是由3对独立的基因y、c1、c2相互作用的结果，c1和c2是辣椒属果实颜色形成过程中类胡萝卜素的抑制因子，但没有完全证实对于3基因遗传所期望的8种表现型。Hernandez和Smith（1985）对辣椒成熟果实红色和白色的品种进行杂交分离，其 F2分离比例符合孟德尔质量性状遗传规律，肯定了辣椒成熟果实颜色遗传受 3对相互独立的基因y、c1和c2控制，并提出了辣椒成熟果实颜色遗传的3基因模型（表1）。但是，在用其他遗传背景的辣椒成熟果实红色和白色的品种杂交后代群体对 3基因模型进行验证时（Shifriss ＆ Pilovsky，1992；Popovsky ＆Paran，2000；Thorup et al.，2000），虽然认同了辣椒成熟果实颜色的形成是由3对独立的基因控制的理论，但成熟果实颜色的基因型与表现型并不完全符合 Hernandez和Smith（1985）提出的遗传模型，指出可能是由于试验所使用的辣椒种质资源不同，导致杂交群体的遗传背景不同，并最终影响了成熟果实颜色的分离。

表1 辣椒成熟果实颜色遗传的3基因模型

总之，国外学者的研究认为，在辣椒果实成熟过程中，存在着4个主要基因决定着果实颜色，分别是控制成熟果实黄色基因y，类胡萝卜素抑制基因c1和c2，以及叶绿素沉积基因cl。y、c1、c2和cl及其等位基因的不同组合，控制了辣椒成熟果实颜色的形成。

国内学者张宝玺等（1996）最早报道了辣椒绿熟期果实颜色及主要色素含量的遗传，认为辣椒果实颜色并非单基因控制的质量性状，而是由多基因控制的数量性状。同时对不同世代绿熟期果实色素吸收光谱进行扫描分析，认为 F1果实色素的吸收光谱介于双亲之间，BC1介于回交亲本和 F1之间。薛林宝等（2005）对甜椒果实商品成熟期和生理成熟期的果实颜色遗传规律的研究表明，甜椒商品成熟果和生理成熟果果实颜色的遗传均属于质量性状遗传，但分别由不同的核基因控制。商品成熟果绿色对淡黄色是由1对完全显性基因控制，淡黄色对白色是由2对具有重叠作用的显性基因控制，绿色对白色由3对基因控制，绿色基因有显性上位作用，只需1个基因的存在，即可抑制黄色与白色性状的表达；生理成熟果红色对橙黄色是由2对具有重叠作用的显性基因控制。

2 辣椒果实类胡萝卜素的组成及生物合成途径

辣椒果实颜色的形成与果实成熟过程中类胡萝卜素的合成与代谢有关，是由果实中积累的含40个碳（C）的类异戊烯聚合物类胡萝卜素的种类及主要类胡萝卜素的相对含量决定的（Thorup et al.，2000）。辣椒果实中的类胡萝卜素主要包括辣椒红素（Capsanthin）和辣椒玉红素（Capsorubin）等红色组分，玉米黄质（Zeaxanthin）和β-胡萝卜素（β-carotenone）等黄色组分。此外，还有隐辣椒质（Cryptocapsin）、隐黄质（Cryptoxanthin）、紫黄质（Violaxanthin）等色素类物质。红色辣椒、甜椒果实中占优势的色素就是辣椒红素和辣椒玉红素。国外学者基于对辣椒果实颜色类胡萝卜素进行的生理研究（Kuntz et al.，1992；Hugueney et al.，1992，1995，1996；Romer et al.，1993；Bouvier et al.，1994，1998；Hirschberg et al.，1997；Thorup et al.，2000；Lang et al.，2004），阐明了辣椒果实中类胡萝卜素的生物合成代谢途径（图1）。

图1 辣椒果实类胡萝卜素生物合成途径

类胡萝卜素在植物体内的合成是通过类异戊二烯代谢途径进行的。类胡萝卜素的合成前体是从乙酰辅酶A（Acetyl coenzyme A）衍生而来的。乙酰辅酶A经过一系列反应生成甲羟戊酸（Mevalonate，MVA），进一步在质体中生成异戊烯焦磷酸（Isopentenyl pyrophosphate，IPP），再经异构化生成二甲基丙烯焦磷酸（2-methyl acrylic diphosphate，DMAPP）。两分子的DMAPP缩合生成牛儿焦磷酸（Geranyl pyrophosphate，GPP），然后经法尼基焦磷酸（Farnesyl pyrophosphate，FPP）在牛儿基牛儿焦磷酸合成酶（Geranylgeranyl pyrophosphate synthase，GGPS）的作用下，生成牛儿基牛儿焦磷酸（Geranylgerany pyrophosphate，GGPP）。GGPP是类胡萝卜素合成途径中第1种类胡萝卜素（即八氢番茄红素）的直接前体。2分子GGPP在八氢番茄红素合成酶（Phytoene synthase，PSY）催化下缩合形成八氢番茄红素（Phytoene），它是整个类胡萝卜素合成途径中第1个类胡萝卜素分子。在八氢番茄红素脱饱和酶（Phytoene desaturase，PDS）催化下，八氢番茄红素脱氢生成六氢番茄红素（Phytofluene），继而进一步脱氢生成ζ-胡萝卜素（ζ-carotene），这是类胡萝卜素合成途径中第 1个呈色色素（图 1）。在ζ-胡萝卜素脱饱和酶（ζ-carotene desaturase，ZDS）催化下，ζ-胡萝卜素脱氢生成链孢红素（Neurosporene），继而进一步脱氢生成番茄红素（Lycopene）。番茄红素在番茄红素环化酶（Lycopene β-cyclase，LYC）催化下生成β-胡萝卜素（β-carotene），这是合成途径中第1个具环的类胡萝卜素分子。β-胡萝卜素在β-胡萝卜素羟化酶（β-carotene hydroxylase，Crtz）的作用下羟化，依次转变成β-隐黄质（βcryptoxanthin）、玉米黄质（Zeaxanthin），进而在玉米黄质环氧化酶（Zeaxanthin epoxidase，Ze）作用下转变成环氧玉米黄质（Antheraxanthin）和紫黄质（Violaxanthin）。最后，在双功能酶辣椒红素/辣椒玉红素合成酶（Capsanthin-capsorubin synthase，CCS）催化下，环氧玉米黄质转变成辣椒红素，紫黄质转变成辣椒玉红素。由此可见，辣椒成熟果实呈现红色的主要类胡萝卜素成分辣椒红素和辣椒玉红素，在辣椒果实类胡萝卜素生物合成途径的最后一步形成。

3 辣椒果实类胡萝卜素合成主要酶的分子生物学研究

在辣椒果实类胡萝卜素合成途径中，涉及到的酶类基因均已被克隆，Thorup等（2000）将其定位到相应的染色体上（表2）。

表2 类胡萝卜素合成主要酶的染色体位置及克隆

在辣椒果实类胡萝卜素合成途径中，与辣椒成熟果实颜色关系最为密切的是辣椒红素/辣椒玉红素合成酶（CCS）基因、八氢番茄红素合成酶（PSY）基因和番茄红素环化酶（LYC）基因。其中，研究最为深入的是CCS基因，在辣椒果实类胡萝卜素合成途径的最后一步出现，控制辣椒成熟果实中辣椒红素、辣椒玉红素的合成。辣椒红素/辣椒玉红素合成酶是双功能酶，同时催化环氧玉米黄质转变成辣椒红素，紫黄质转变成辣椒玉红素。该基因在辣椒叶片和绿色幼果中没有表达，在黄果和绿果突变体中也检测不到，仅在辣椒红色果实的最后发育阶段才能检测到（Bouvier et al.，1994；Houlne et al.，1994；Hugueney et al.，1996）。Lang 等（2004）对CCS基因进行了分子遗传分析，发现在黄果椒和红果椒杂交后代分离群体中，CCS基因的PCR带型呈现多态性。在黄果椒的上游区域CCS基因有缺失。Sourthern杂交和序列分析表明，在黄果椒中检测到了基因下游区域的211 bp长的片段，而在成熟黄果中没有检测到CCS基因的转录本。利用薄层色谱对类胡萝卜素组成成分进行分析，表明辣椒红素和辣椒玉红素在红果椒中存在，而在黄果椒中没有。CCS基因的PCR多态性和色谱分析同时证实了CCS基因通过改变类胡萝卜素的组成来决定辣椒的果实颜色（Lang et al.，2004）。Deruere等（1994）首先克隆了该基因，是辣椒成熟果实中的单一拷贝基因，Thorup 等（2000）将其定位到辣椒第6染色体上。早期的研究表明，CCS基因控制辣椒红色果实的形成，而黄色果实表现型很可能与CCS基因的缺失有关（Lefebvre et al.，1998）。随后进一步的研究发现y+基因与CCS基因共分离，指出这两个基因是同一个基因，含有隐性等位基因y的辣椒橙色果实可能是由于CCS基因缺失造成的（Popovsky &Paran，2000；Lang et al.，2004）。高效液相色谱（HPLC）检测分析同样支持这个结论，在辣椒红色和粉红色成熟果实中能检测到辣椒红素、辣椒玉红素，而在黄色果实中则检测不到这两种色素（Thorup et al.，2000）。Kumagai等（1998）将CCS基因导入烟草，转基因植株叶片中积累了高含量的辣椒红素，植株叶片呈现橙色。

PSY基因催化牛儿基牛儿焦磷酸转化成八氢番茄红素。RFLP分子标记及高效液相色谱（HPLC）检测结果均表明，PSY基因与辣椒果实遗传模型中的c2基因是同一基因，位于辣椒第4染色体上，是辣椒果实成熟过程中类胡萝卜素合成的限速因子（Thorup et al.，2000；Huh et al.，2001），这与番茄果实PYS基因的研究结论相同（Bird et al.，1991）。由此，Huh 等（2001）推断辣椒橙色果实的形成是由于PYS活性降低，使得八氢番茄红素的积累量减少，从而没有足够的底物进行下一步的类胡萝卜素的合成反应，进而阻碍了辣椒红素和辣椒玉红素的形成。最新的研究发现，在两个黄色果实的辣椒品种中有CCS基因的正常表达，进一步证实了CCS基因缺失并非辣椒果实呈现黄色的必要条件（Ha et al.，2007）。因此可以推断，CCS基因的不正常表达以及PSY活性的降低都可导致辣椒果实呈现黄色或者橙色。到目前为止，还没有鉴定出与c1位点相对应的基因。

辣椒中存在两种LYC，即番茄红素β环氧化酶（Crtl-b）和番茄红素ε环氧化酶（Crtl-e）。番茄红素分子的两个末端若均在Crtl-b催化下形成β-环，即为β-胡萝卜素；若只有其中一个末端在Crtl-e催化下形成ε-环，而另一个末端不环化，即为γ-胡萝卜素；而若两个末端分别被Crtl-b及Crtl-e催化，形成β-环及ε-环，即为α-胡萝卜素（CunninghaMet al.，1996）。Crtl-b位于辣椒第10染色体上，催化番茄红素生成β-胡萝卜素，Crtl-b活性减弱会导致β-胡萝卜素及其下游产物减少。Crtl-e位于辣椒第9染色体上，在番茄中Crtl-e的上调表达导致γ-胡萝卜素取代番茄红素大量积累，并最终使得果实发育成橙色（Ronen et al.，1999），但在辣椒上并未见相关报道。在辣椒未成熟果中，Crtl-b及Crtl-e两种酶都存在，但CCS不表达，故β-胡萝卜素和隐黄质是主要的类胡萝卜素；进入成熟期后，Crtl-e活性减弱并最终消失，而CCS开始表达并逐渐增强；与此相对应，玉米黄素消失，辣椒红素和辣椒玉红素积累，果实逐渐呈现红色（陶俊和张上隆，2003）。

综上所述，国内外学者在辣椒成熟果实颜色遗传研究上存在很大差异，可能是由于辣椒种质资源的多样性、果实发育时期的阶段性、果实颜色组成的复杂性以及人为的主观色差决定的。由于辣椒种质资源的多样性，决定了辣椒果实颜色遗传的多样性与复杂性，即使目测果实颜色相同的辣椒极有可能含有不同的类胡萝卜素种类和数量，并且其基因型也有可能不同。因此关于辣椒成熟果实的颜色遗传有待进一步的深入研究。同时，随着辣椒果实类胡萝卜素合成途径及有关合成代谢酶基因功能的不断揭示，有助于研究者有目的地调控辣椒果实类胡萝卜素的生物合成，对于改善果实品质，提高色素含量有重要的指导意义。

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