实验方法

水果口味的管弦乐队中的葡萄音符

2020-07-14 17:52

咳嗽药里的葡萄味让你更容易咽下去。葡萄汽水之所以能有这种味道,是因为它含有同样的气味

甜味分子。这种熟悉的粘甜感觉在食物化学中有一个有趣的起源,现在我们正在解开它的基因基础,它是一种自然产生的水果味道的因素,甚至是那些我们认为尝起来不像葡萄的水果,比如草莓。

食物中常见的“葡萄”味道是由一种名为邻氨基甲酸甲酯(MA)的化合物散发出来的。它首先被合成并用作一种人造葡萄香精,是水果味饮料、香水和其他普通消费品中常见的成分。这是紫色的味道。它也是一种驱虫剂。

许多成熟的水果中也含有邻氨基甲酸甲酯。这是Concord葡萄(Vitis labrusca)显著的风味特征。在其他水果中,MA起着辅助性的作用,在水果消化的第一阶段——口腔中的机械分裂——所发出的化合物交响乐中,MA是一个小音符。糖和酸构成了舌头的感觉基础,一群挥发性化合物从上颚移到嗅觉感受器,在那里触发神经冲动,几毫秒后在大脑中重新组合感觉体验。

“马”只是大脑与夏天、甜点和享受健康零食的联想的一部分。这就是为什么水果的味道如此重要——如果科学家们能让它们味道更好,这可能有助于鼓励消费者做出更健康的选择,也有助于种植者获得更好的利润。

但在现代品种中,口味并不总是优先考虑的问题。育种家们做了一项出色的工作,选择了能够抵御疾病的品种,并生产出高产的大型水果,这些水果可以穿过一个大陆,以合理的形状到达目的地。几十年来,每年对草莓等水果的精心挑选导致了感官品质的下降。

事实上,MA存在于野生草莓中,并且在几乎所有的现代草莓品种中已经完全消失。它只存在于一些较老的品种和一些专门为葡萄香气而培育的新品种中。

我们的实验室感兴趣的是识别出合成重要香味挥发物所需的基因,以便首次将它们重新引入新品种中。如果我们确定了合成所需的基因,它就能促进DNA签名的发展,从而加快繁殖过程。

我们的工作由Pillet等人发表在《BMC植物生物学》(BMC Plant Biology)上,首先采用了一种复杂的方法寻找相关基因,并确定了催化MA合成最后一步的基因。这项工作结合了基因组学、遗传学、基因表达分析和用注射器戳草莓。

首先将一个产马品种与一个非产马品种杂交。它们的子代被发现分离出香气化合物;一些后代有,另一些没有。对每一种结果植物的果实进行分析,以获得与MA存在相对应的活性基因的快照(从RNA水平推断)。

然后,所有来自MA生产者的表达基因序列被合并到一个列表中。所有在非ma生产者中表达的基因被合并到一个单独的列表中。对这两个列表进行了计算比较,结果发现在生产者中只有5个基因被明显激活,而在非生产者中没有。

其中一种编码一种被称为甲基转移酶的酶。甲基转移酶转移甲基,邻氨基甲酸甲酯的名字中就有甲基。基本上这个候选酶可能做的是抓住邻氨基苯甲酸并在其上附着一个甲基,生成邻氨基苯甲酸甲酯。

这一假设得到了多种方式的验证。首先,我们用一种叫做RNA干扰的方法关闭了产马水果中的基因。从字面上讲,这种水果被注入了细菌,这些细菌可以将基因的反向复制转移到细胞中。这种新的反向遗传信息抑制甲基转移酶基因。当我们这样做的时候,果实并没有产生MA。这是基因驱动合成的有力证据。当甲基转移酶基因关闭时,果实不产生MA。

第二项测试是在细菌中产生这种酶,并对其进行提纯,然后确定合成的酶是否能带走甲基供体化合物,去掉甲基基团,并将其移到邻氨基甲酸甲酯分子上生成邻氨基甲酸甲酯。它没有工作。这类故障有很多技术原因。

然而,如果细菌在内部制造酶,并在培养基中喂养邻氨基甲酸甲酯,它们可以生产邻氨基甲酸甲酯。在另一项测试中,我们将冷冻果粉重新制成含有邻氨基甲酸盐和甲基供体的化学汤。他们还能够从组成部分合成葡萄的香气!如果去掉任何一种成分,果粉就不会产生MA。

在这项工作中,我们使用基因组学和遗传学方法来确定一个候选基因,可能执行MA合成的最后一步。如果该基因被关闭,则未检测到MA。相应的酶可以从它在细菌中的组成部分中制造MA,当我们用正确的前体喂养草莓果实成分时,我们就可以冷产生MA。这些数据一起构成了一个令人信服的论点,甲基转移酶确实是这个过程中正确的基因!

最后一步是鉴别MA生产者和非生产者之间可追踪的基因差异。基因的一部分控制区域可以在生产者中扩增,但不能在非生产者中扩增。这个DNA序列可以作为一个“分子标记”。现在,任何想要培育高MA含量草莓的人都应该首先测试他们的植物是否含有活性基因。后代将有更高的可能性成为MA生产者。

《草莓》里马的故事还有很多。研究还显示了该水平如何依赖于环境条件和果实成熟阶段。这是个好消息,因为这意味着有更多的基因参与了这一过程,所以搜寻工作还在继续。

未来,基因的识别将使植物育种家能够结合基因,将所有的基因组合成一种适于种植的草莓。结果美味的浆果将回收失去的感官兴奋的传家宝品种,再一次在精英草莓兼容现代生产的要求。

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