辣椒品質(zhì)研究進展

王楠藝， 付文婷， 吳 迪， 涂祥敏， 楊萬榮， 何建文

[貴州省農(nóng)業(yè)科學院蠶業(yè)(辣椒)研究所，貴州貴陽550006]

辣椒原產(chǎn)于南美洲，經(jīng)中美洲和歐洲，再到非洲和亞洲，現(xiàn)在全球范圍內(nèi)栽培種植，中國是鮮辣椒產(chǎn)量最高的國家，世界上干辣椒產(chǎn)量最高的是印度。早在1萬年前辣椒被人類熟知并作為食物，既可鮮食也可干食，辣椒富含多種重要的營養(yǎng)成分，如辣椒素類、辣椒素酯類、維生素、類胡蘿卜素、酚類化合物、各種微量元素等。其中，辣椒所特有的辣椒素類物質(zhì)具有降糖、抗腫瘤、抗疲勞、肝損傷保護等多種作用。辣椒維生素C含量是柑橘類水果的2倍。干紅辣椒富含維生素A，并且是-胡蘿卜素的重要來源。它們有助于人體健康，如減少肥胖和糖尿病。辣椒具有抗菌特性，含有生物類黃酮等最常見的抗氧化劑。辣椒還可以通過門冬酰胺酶有效預防癌癥。這些營養(yǎng)成分對人體健康非常重要，決定著辣椒的營養(yǎng)品質(zhì)。優(yōu)良的營養(yǎng)品質(zhì)有助于提升商品價值，相應地有利于種植推廣，因而國內(nèi)外都十分注重辣椒的營養(yǎng)品質(zhì)研究，并取得了長足的進展。本文對辣椒營養(yǎng)品質(zhì)的國內(nèi)外研究進展進行概述，旨在為深入研究和進一步提高辣椒營養(yǎng)品質(zhì)提供參考。

1 辣椒營養(yǎng)品質(zhì)類型及功能

1.1 辣椒素類和辣椒素酯類

辣椒素類物質(zhì)是一類生物堿化合物，為辣椒屬植物所特有，是7個同源的支鏈烷基香草酰胺的混合物。Thresh于1876年首次分離出結(jié)晶形式的化合物，并將其命名為“辣椒素類”。辣椒素類物質(zhì)包括5種：辣椒素(CAP)、二氫辣椒素(DHCAP)、降二氫辣椒素、高二氫辣椒素和高辣椒素，辣椒素是最重要的一種。辣椒素和二氫辣椒素含量最豐富，占總辣椒素的近90%，二者的差別在于支鏈脂肪酸的碳9處的不飽和雙鍵。辣椒素決定辣椒辣味的強弱，國際上習慣用史高維爾熱量單位(Scoville Heat Unit，簡稱SHU)表示辣度，SHU數(shù)值與辣椒辣度呈正相關。辣椒素酯類物質(zhì)是在一種甜椒品種中被首次發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構與辣椒素相似，存在于大部分辣椒種質(zhì)資源中。基于脂肪酸部分的結(jié)構，辣椒素酯類物質(zhì)包括辣椒素酯和二氫辣椒素酯3種。辣椒素和辣椒素酯類物質(zhì)表現(xiàn)出相似的生理活性，包括增加耗氧量、提高體溫以及抑制脂肪積累。辣椒素酯之所以無刺激性，是因為它是由香草醇和支鏈脂肪酸縮合而成的，具有高親脂性或水不穩(wěn)定性，這使得感覺神經(jīng)元難以接觸到它。

1.2 類胡蘿卜素

類胡蘿卜素屬于四萜類化學物質(zhì)，它們的顯色特性使生物體呈現(xiàn)出橙色、黃色和紅色。類胡蘿卜素對營養(yǎng)和健康至關重要。它們具有抗氧化和抗癌特性，并且是維生素A和視黃酸等其他關鍵物質(zhì)的前體。依據(jù)化學結(jié)構的不同，類胡蘿卜素可以分為胡蘿卜素和葉黃素2類；基于顯色特性可以分為黃色和紅色2個色系。辣椒果實具有綠色、黃色、橙色和紅色多種鮮艷的顏色，都是源自類胡蘿卜素色素，存在于果實成熟過程中形成的有色體的類囊體膜中。其中，葉綠體a和葉綠體b呈現(xiàn)綠色；-胡蘿卜素、-隱黃質(zhì)、玉米黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)、紫黃質(zhì)和葉黃素呈現(xiàn)黃橙色；辣椒紅素、辣椒玉紅素和隱辣椒素呈現(xiàn)紅色，并且是辣椒果實中所特有的。辣椒果實呈現(xiàn)紅色正是由于高含量的辣椒紅素和辣椒玉紅素所致，而呈現(xiàn)橙黃色果實的辣椒是因為含有-胡蘿卜素和紫黃質(zhì)。類胡蘿卜素中辣椒紅素占6成。辣椒紅素和辣椒玉紅素的積累速率隨著成熟的后期呈指數(shù)增加。

1.3 維生素

辣椒富含維生素A、維生素C、維生素E和葉酸，有利于減少人體患多種癌癥和心臟病的風險。辣椒被證明是維生素C的豐富來源。從綠色階段到紅色肉質(zhì)階段，辣椒果實可以提供足夠的維生素C以滿足成人60 mg/d的建議攝取量。辣椒富含維生素E(生育酚)，不同品種含量差異顯著，變幅從3.7～236 mg/100 g不等，紅辣椒粉的-生育酚水平與菠菜和蘆筍相當，其含量是西紅柿的4倍。100克紅色辣椒將超過普通成年人的營養(yǎng)素供給量(RDA)(8～10 mg)。包括-胡蘿卜素和-隱黃質(zhì)在內(nèi)的類胡蘿卜素在細胞內(nèi)代謝為視黃醇和視黃酸，這是維生素A的活性形式，與年齡相關性黃斑變性(AMD)和肺癌的風險降低有關。

1.4 酚類化合物

酚類化合物是廣泛存在于植物中的次生代謝物。它們作為一種防御機制，有助于通過苯丙烷途徑在脅迫期間維持植物的生理過程。酚酸衍生物和黃酮類化合物是辣椒果實中主要的酚類化合物，它們作為抗氧化劑具有促進健康的功能。幾項流行病學研究表明，食用類黃酮和酚酸與降低患神經(jīng)退行性疾病和冠狀動脈疾病、骨質(zhì)疏松癥、癌癥和糖尿病的風險之間存在潛在聯(lián)系。除了黃酮醇苷外，辣椒果實的果皮還含有一些芹菜素、楊梅素、木樨草素和山柰酚衍生物的苷和苷元。黃酮醇與抗真菌、抗菌、抗氧化和抗癌特性有關，因為在特定位置存在羥基和在C2～C3位置存在雙鍵，如在辣椒中含有槲皮素3----鼠李糖苷。青椒的未成熟果實比成熟果實含有更高的黃酮醇(高達4.5倍)。紅色和紫色的辣椒含有花青素，成熟的黃色果實和成熟的紅色果實中的總花青素水平在 0.5～28 mg/100 g不等。飛燕草素-3-反式-香豆酰蕓香苷-5-葡萄糖苷是在辣椒果實中發(fā)現(xiàn)的最豐富的花青素。

1.5 辣椒營養(yǎng)品質(zhì)的檢測

對于辣椒素成分的分離，一般采用薄層色譜法、超臨界流體色譜法、氣相色譜法和液相色譜法(LC)。在這些方法中，LC因其快速、可靠、準確和精確的特性而被廣泛使用。用于辣椒素測定的最新技術可以采用LC與質(zhì)譜聯(lián)用或者超高效LC，因為它分析速度快，并且在流動相下溶劑消耗量減少了5～10倍。Douventzidis等利用Weber-Fechner定律來說明更復雜的辣椒量表，以替代傳統(tǒng)使用的史高維爾熱量單位，新的評級量表簡單有效。由美國香料貿(mào)易協(xié)會(ASTA)制定的使用分光光度法對辣椒的可提取顏色值進行量化。ASTA參考值也可以通過美國官方分析化學師協(xié)會制定的方法評估。

2 辣椒營養(yǎng)品質(zhì)育種現(xiàn)狀

辣椒最早起源于美洲熱帶地區(qū)，有30多個種，其中只有4個栽培種，包括辣椒(L.)、黃燈籠辣椒(Jacq.)、風鈴辣椒(L.)和絨毛辣椒(L.)。雖然馴化品種來源于熱帶品種，但大多在溫帶國家進行辣椒育種，研究人員最關注的是辣椒(L.)。辣椒屬的第1批育種者是美洲的土著人，他們通過選擇馴化辣椒品種。考慮到對營養(yǎng)品質(zhì)的多樣化需求，各國在世界范圍內(nèi)進行了種質(zhì)資源探索和評估，以確定富含辣椒素類和類胡蘿卜素的種質(zhì)、育種系或地方品種。世界各地的辣椒育種者都試圖評估和鑒定更有辛辣感的辣椒，這促使了對辛辣辣椒種質(zhì)資源的收集。世界各國先后培育出很多不同辣度的辣椒品種，在不同地區(qū)推廣種植(表1)。印度東北部辣椒以辛辣度高而聞名，印度東北部的Bhoot Jolokia，來源于和之間的自然雜交，因其超過百萬SHU，注冊了吉尼斯世界記錄。然而，在幾年之后，由澳大利亞的Butch Taylor培育的Trinidad Butch T Scorpion和由Bosland等鑒定的Trinidad Moruga scorpion，辣度超過了Bhoot Jolokia。2013年，該紀錄再次被Carolina Reaper打破，該品種具有220萬SHU的辣度。2017年，一種名為Pepper X的新辣椒培育成功，其斯科維爾評分為318萬SHU。目前已經(jīng)確定了許多富含類胡蘿卜素的種質(zhì)資源(表1)，例如基因型ICBD-10、EC-18和ICBD-8含有大量類胡蘿卜素和較低的辣度(>200ASTA 顏色值)。Kt-Pl-19、PBC171、SSP-1999和ICBD-8/10也具有較高的ASTA顏色值。Bydagi Dabbi以其深紅色(150～200 ASTA顏色值)和低辣度而享譽國際，于2010年9月獲得地理標志證書。

表1 富含辣椒素類、辣椒素酯類及類胡蘿卜素的種質(zhì)資源

我國的辣椒種植面積為78萬hm，新鮮辣椒產(chǎn)量1 900萬t，均位居世界第一。我國辣椒物種資源相對匱乏，然而在種內(nèi)發(fā)生了部分獨特的演化和分化現(xiàn)象。蓬桂華等通過測定貴州地方辣椒品質(zhì)情況(辣椒素、粗脂肪、粗纖維和蛋白質(zhì)含量)，將貴州地區(qū)辣椒種質(zhì)資源按照品質(zhì)類型劃分為4種：高、中、一般和特殊，為當?shù)乩苯菲焚|(zhì)劃分的依據(jù)和標準提供參考。張軍等分別對來源于四川的辣椒種質(zhì)83份和貴州的辣椒種質(zhì)30份進行辣椒素含量的測定，分析辣椒種質(zhì)資源的辣度情況，為培育不同辣度品質(zhì)的辣椒品種提供種質(zhì)資源。僅在2017—2019年期間，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部非主要農(nóng)作物品種登記就通過了多達2 801個辣椒新品種，其中包括高辣度、香辣、高維生素C含量等營養(yǎng)品質(zhì)方面的品種。如高辣度辣椒品種金辣1號，辣椒素含量1.6%，辣味強，可為專用提取辣椒素的品種，現(xiàn)已在浙江一帶廣泛推廣應用。

3 營養(yǎng)品質(zhì)形成的生理機制

辣椒素類物質(zhì)是在開花后大約20 d開始在果實中積累，其生物合成發(fā)生在胎座表皮細胞中，然后分泌到外細胞壁并在胎座表面的“小泡”中積累。種子不含辣椒素，但由于它們靠近胎座，所以會表現(xiàn)出一定的刺激性。辣椒素類物質(zhì)是由香草胺分子縮合后產(chǎn)生的，香草胺分子是苯丙氨酸的衍生物，后者是一種由纈氨酸或亮氨酸合成的含有9～11個碳原子的支鏈脂肪酸(圖1)。由于在氨基轉(zhuǎn)移酶基因()中插入1個T堿基導致產(chǎn)生1個終止密碼子，使其功能喪失，從而合成了辣椒素酯類物質(zhì)。正是由于氨基轉(zhuǎn)移酶不能催化香草醛合成香草胺，所以辣椒素酯類物質(zhì)分子產(chǎn)生積累。辣椒素酯類物質(zhì)的積累可能受到控制辣椒素積累的相同遺傳機制的影響。辣椒紅素在紅辣椒果實成熟果皮的色素體的類囊體膜中積累，是類胡蘿卜素生物合成途徑的延伸產(chǎn)物，始于在辣椒果實發(fā)育和成熟期間通過八氫番茄紅素合酶合成八氫番茄紅素。幾個去飽和反應將八氫番茄紅素轉(zhuǎn)化為橙色的-胡蘿卜素，后者被氧化形成葉黃素。在辣椒中，辣椒紅素/辣椒玉紅素合酶(Ccs)合成辣椒紅素和辣椒玉紅素2種紅色素。

4 營養(yǎng)品質(zhì)性狀的分子生物學研究

關于辣椒遺傳圖譜的開發(fā)有多個報道，包括RAPD、RFLP、AFLP和SSR標記。不同類型的標記用于構建連鎖圖譜，以便可以使用傳統(tǒng)的雙親作圖群體識別控制特定數(shù)量性狀的染色體區(qū)域。單核苷酸多態(tài)性(SNP)標記的引入為密集連鎖圖譜開辟了更多新機會，可用于繪制QTL和識別重要數(shù)量性狀的候選基因。轉(zhuǎn)錄組序列、測序基因分型和全基因組測序方法加速了大量基于DNA的SNP標記的可用性。Li等開發(fā)了145對基于NGS重測序的高分辨率熔解(HRM)標記的引物對。在2個辣椒自交系中發(fā)現(xiàn)了indels(1～5 bp)，并驗證并繪制了252個InDel標記。這些研究共同表明，標記輔助選擇策略可以應用于辣椒育種計劃，以便于利用遺傳變異。劉周斌在通過對轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的整合分析中發(fā)現(xiàn)在辣椒中，辣椒素的合成主要受牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸合成酶 GGPS1(Capana04g000412)和辣椒紅素-辣椒玉紅素合成酶 CCS1(Capana06g000615)的調(diào)控。全基因組關聯(lián)作圖是使用雙親作圖群體的另一種新方法，用于識別復雜性狀的QTL。Nimmakayala等首次在辣椒使用GWAS，發(fā)現(xiàn)編碼錨蛋白樣蛋白、IK13家族蛋白、ABC轉(zhuǎn)運蛋白G家族和五肽重復蛋白的基因中的SNP是辣椒素的主要標志物。2014年，實現(xiàn)了第一個栽培和野生辣椒的全基因組測序。辣椒的基因組比其他茄科作物的基因組要大得多：它的基因組大小為3 480 Mb，比馬鈴薯(840 Mb)、番茄(950 Mb)和茄子(1 127 Mb)大幾倍。已確定76%～81%的辣椒基因組由轉(zhuǎn)座因子組成。盡管基因組異染色質(zhì)區(qū)域大量擴增的功能意義尚不清楚，但辣椒基因組是研究該現(xiàn)象的理想模型。雖然在擬南芥、番茄和馬鈴薯中發(fā)現(xiàn)了可能參與辣椒素類生物合成的基因同源物，但辣椒在13個基因家族中具有特定的重復，表明基因重復和新功能化。對編碼已知控制辣椒素合成的?；D(zhuǎn)移酶的基因分析表明，該基因的3個拷貝在高辣度種質(zhì)中串聯(lián)復制，而在該基因的啟動子區(qū)域中存在缺失。Ou等比較了368個、4個和11個品種的測序(NGS)數(shù)據(jù)，并分析了基因變異。由此產(chǎn)生的辣椒泛基因組信息將成為辣椒重要的遺傳資源。與茄科的其他成員(例如煙草和番茄)相比，從辣椒的培養(yǎng)組織進行植物的組織培養(yǎng)再生有些困難。小孢子胚胎發(fā)生是一種可用在育種中產(chǎn)生雙單倍體的方法，并已得到優(yōu)化。使用直接基因轉(zhuǎn)移方法或農(nóng)桿菌介導的基因轉(zhuǎn)移方法在轉(zhuǎn)基因辣椒植物中表達外源基因存在成功案例，使用CRISPR/Cas9系統(tǒng)在特定靶基因中引入突變的基因組編輯尚未在辣椒中實現(xiàn)。隨著通過基因組工具在不同物種中鑒定出更多與園藝相關性狀的候選基因，可以預期，未來以育種改良品種為目的的基因轉(zhuǎn)移和基因組編輯的使用將會增加。

涉及植物組織培養(yǎng)和重組DNA技術的生物技術是強大的工具，可以彌補傳統(tǒng)育種技術的不足，加快辣椒營養(yǎng)品質(zhì)的改良。孫國勝等創(chuàng)建了一套適用于辣椒的遺傳轉(zhuǎn)化體系，該體系的優(yōu)點是易操作、無選擇性、周期短。以納米磁性顆粒為載體，與質(zhì)粒DNA等比例混勻，再與培養(yǎng)基中的辣椒花粉利用磁場的作用混合，經(jīng)過人工授粉(花粉攜帶載體DNA)，轉(zhuǎn)化效率可達63.70%。利用該技術體系，結(jié)合最新的基因編輯技術，有望為辣椒營養(yǎng)品質(zhì)的育種工作在效率和精準度方面提升一個新的臺階。

病毒誘導的基因沉默(virus-induced gene silencing，簡稱VIGS)技術，可應用于辣椒基因功能研究。通過VIGS體系抑制茉莉酸代謝信號途徑中的基因的表達，使基因(辣椒素生物合成相關)表達量下降，也降低了辣椒素的含量。利用VIGS技術，沉默氨基酸轉(zhuǎn)移酶基因()，使辣椒素類和辣椒素酯類物質(zhì)含量減少。采用相同的技術研究辣椒中的、、和基因，都參與到辣椒素生物合成途徑中，其表達量與辣椒素含量呈正相關。因此，利用VIGS體系調(diào)控辣椒營養(yǎng)品質(zhì)相關成分，可獲得優(yōu)質(zhì)的辣椒品種。

辣椒果實中營養(yǎng)成分的積累取決于基因型、果實發(fā)育階段和環(huán)境因素，如光照、溫度、水、CO、海拔、傷害和營養(yǎng)等?；蚪M學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學是研究這些營養(yǎng)成分生物合成途徑的有效方法。

5 栽培措施對辣椒品質(zhì)影響的相關研究

辣椒品質(zhì)與水、肥和介質(zhì)等環(huán)境因素密切相關。中等灌溉量和中等施肥量耦合處理可在節(jié)水省肥的基礎上使辣椒高產(chǎn)并且顯著提高辣椒果實營養(yǎng)品質(zhì)，高子星等研究發(fā)現(xiàn)灌水量和營養(yǎng)液的濃度顯著影響辣椒的果實品質(zhì)，游離氨基酸、可溶性還原糖以及維生素C含量等部分果實品質(zhì)隨營養(yǎng)液濃度的增加達到飽和。馬國禮等的研究表明，水氮耦合對辣椒品質(zhì)及產(chǎn)量影響顯著，增加施氮量提高了辣椒各品質(zhì)的含量，且施氮對辣椒品質(zhì)的影響大于基質(zhì)含水率，同時發(fā)現(xiàn)水肥最優(yōu)處理的組合為中水高肥(W2F1)處理，即灌水量為田間持水量的60%。

相較單作栽培模式，間作模式呈現(xiàn)出明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢。辣椒、玉米、芋頭間套作栽培模式研究表明此栽培模式不僅可以大幅降低辣椒病毒病的發(fā)病率，同時還能提高單位面積的綜合產(chǎn)值，結(jié)果表明，3年間套種單位面積產(chǎn)值與單種相比，其漲幅分別達到59.71%、52.37%和56.15%。同時曾國璠在研究間作栽培措施對辣椒主要品質(zhì)指標的影響中發(fā)現(xiàn)玉米種植密度28 500株/hm、辣椒種植密度39 000墩/hm、不剪枝剪葉、噴施0.2%硫酸鋅溶液的玉米辣椒間作栽培措施組合可有效提高辣椒維生素C、辣椒素以及干物質(zhì)含量，研究結(jié)果可為研發(fā)提高辣椒品質(zhì)的栽培模式提供支撐。

6 展望

隨著辣椒全基因組序列的公布，破解了辣椒豐富的遺傳密碼，這些基因組信息為研究者提供了大量潛在的靶標基因，有助于對辣椒營養(yǎng)品質(zhì)進行精準高效改良。值得關注的是，這種巨大遺傳多樣性與觀察到的表型變異性之間相關性研究還有待深入開展，尤其是基因組資源與辣椒中重要營養(yǎng)品質(zhì)相關性狀之間的關聯(lián)是一個重要的研究領域。辣椒轉(zhuǎn)基因技術體系的開發(fā)也很緩慢，在辣椒的遺傳轉(zhuǎn)化和組織培養(yǎng)再生過程中的效率不高。隨著基因編輯技術的出現(xiàn)和不斷升級，可以探索最新的基因組編輯技術及其在辣椒營養(yǎng)品質(zhì)遺傳改良中的潛在應用。新育種技術將成為辣椒營養(yǎng)品質(zhì)育種必不可少的工具，有機融合傳統(tǒng)的遺傳育種選擇和生物育種技術，將大大提高辣椒營養(yǎng)品質(zhì)改良效率，滿足人們對不同營養(yǎng)品質(zhì)辣椒品種的需求，在增加食欲的同時，增進人類的健康水平。