尋找草莓中的葡萄香氣
為什麼草莓有它專屬的味道和氣息？在這篇博客中，Kevin M. Folta教授討論了他最近發表在BMC Plant Biology上的一項研究。該研究對栽培草莓中鄰氨基苯甲酸甲酯（methyl anthranilate, MA）合成過程的最後一步進行了「解密」，而MA正是許多成熟水果中都存在的天然化合物成分。
Kevin M. Folta教授 2017年9月4日
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咳嗽糖漿里加入的葡萄味使它更容易下咽。葡萄味碳酸飲料之所以有葡萄味，起作用的也是相同的一種甜味分子。在食品化學中，這種熟悉的粘粘的甜味感的產生過程很有趣，而現在我們要揭示的，正是這種分子來源在天然條件下導致果味產生——甚至是在草莓這類並沒有葡萄味的水果中產生果味——的遺傳學基礎。
我們之所以能從食物中嘗到熟悉的「葡萄」味，要歸功於一種被稱為鄰氨基苯甲酸甲酯（MA）的化合物。該化合物最開始被用作合成人造葡萄味調味劑，常見於果味飲料、香水和其他常見的消費品。它是紫色所代表的味道，同時也是一種驅鳥劑（防止鳥類入侵的化學試劑）。
許多水果在成熟後也含有天然的鄰氨基苯甲酸甲酯。它是美洲葡萄（Vitis labrusca）的標誌性香味物質。 在其他水果中，MA多發揮輔助性作用，負責在水果消化的第一階段——口腔中的機械破裂（俗稱大咬大嚼）——中打助攻，在散發出的化合物交響樂中奏響一個小音符。糖和酸組成了舌頭感知到的味道的基礎，而一群揮發性的化合物則從齶後直衝嗅覺受體，觸發神經信號，於是大腦在幾毫秒後便能感知到香氣。
心腦連接的存在使得MA可以令人聯想起夏天、甜品和健康的零食。這也是為什麼水果的味道如此之重要 ——如果科學家們可以使這些味道嘗起來更好，就有可能激發消費者選擇更健康的飲食，並且為種植者帶來更好的收益。
然而在現代的品種中，口味並非總是重中之重。種植者會著重選擇可以抵禦疾病、產量高、個頭大、可以在長途跋涉後外觀依舊基本令人滿意的品種。幾十年來對草莓這樣的水果進行的高強度人工選擇，導致它們的感官品質有所下降。
事實上，MA是存在於野生草莓中的，但在幾乎所有的現代品種中都已不復存在。現在它只存在於幾個較古老的品種以及一些專門針對葡萄芳香而培育的新品種中。
我們實驗室的興趣是找到合成重要的揮發性風味物質所需的基因，使得這些基因能夠被重新引入新品種。如果我們確定了合成過程中所需的基因，就可以開發出DNA標籤來加速培育過程。
我們的研究由Pillet等人發表在BMC Plant Biology上。這個研究先用一種複雜的方法找到了相關基因，然後確定了催化MA合成中最後一步的基因。 這項工作用到了基因組學、遺傳學、基因表達分析和被注射器戳來戳去的草莓。
首先，將產生MA的品種和不產生MA的品種雜交。 我們發現它們的後代在是否產生芳香化合物的特徵上有所分離：一些後代有芳香化合物，一些沒有。我們分析了來自每個後代植物的果實，以便初步了解與MA相對應的活性基因（從RNA水平上推斷）。
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然後我們將產生MA的草莓所表達基因的所有序列都組合進一個列表中，不產生MA的草莓中表達的所有基因組合成另一個的列表。用計算的方式對這兩個列表進行比較，發現只有5個基因明顯在產生MA的草莓中得到了啟動，而在不產生MA的草莓中處於沉默狀態。
這其中有一個基因負責編碼甲基轉移酶。甲基轉移酶，顧名思義就是負責轉移甲基，而MA即鄰氨基苯甲酸甲酯中也有甲基。這個酶的工作基本上就是抓取鄰氨基苯甲酸，然後把甲基粘附上去，從而生成鄰氨基苯甲酸甲酯。
我們從幾個方面對這一假說進行了測試。 首先，我們使用了RNA干擾技術來關閉生產MA的水果中的這個基因。我們把細菌注射進果肉，這些細菌能夠將這個基因的反向拷貝轉移到細胞中。 新注射的反向基因能夠抑制甲基轉移酶基因。經過這些操作之後，水果便不再產生MA。 這非常有力地證明了，正是這個基因在驅動合成過程。 一旦關閉了這個甲基轉移酶基因，水果就不再產生MA。
第二個測試是在細菌中生產這種酶，對其進行純化，然後確定該合成酶是否可以作用於甲基供體化合物，剝離甲基、並將其移動到鄰氨基苯甲酸分子上得到鄰氨基苯甲酸甲酯。 不過這個實驗沒有成功，這其中有很多技術性原因。
然而，如果細菌自己生成這種酶，然後在它們的培養基中加入鄰氨基苯甲酸，這些細菌就可以產生鄰氨基苯甲酸甲酯。 在另一項測試中，我們利用冷凍的水果粉末，將其重製成含有鄰氨基苯甲酸和甲基供體的化學湯。這些水果粉末竟然也能從這種化學組成的湯中合成產生有葡萄芬芳的MA！如果湯中缺少任意一種成分，水果粉末就無法產生MA。
在這項工作中，我們使用了基因組學和遺傳學方法找到了可能執行MA合成最後一步的候選基因。如果關閉該基因，則檢測不到MA。與其相對應的酶可以在細菌中製造出MA，並且當我們將正確的前體加入到草莓果肉中，就可以生成MA。所有這些數據使我們相信，甲基轉移酶確實是該過程中的那個基因沒錯了！
最後一步是確定產生MA的水果和不產生MA的水果之間在該基因上有顯著差異。我們發現該基因控制區域中的一部分能夠在產生MA的水果中擴增，但在不產生MA的水果中則不能擴增。 這種DNA序列可以用作「分子標記」。 現在，無論誰想要以產生高水平的MA為目的育種草莓，都應先測試其植物中是否含有這個基因的活性版。這樣其後代才更有可能可以產生MA。
如果你認為MA與草莓的故事到此結束，那你就錯了。 我們的研究還顯示，MA的水平依賴於環境條件和果實的成熟階段。這對我們來說是個好消息，因為這意味著有更多的基因參與了這個過程，所以研究還將繼續。
未來，如果能鑒定出編碼每一種味道的基因，植物育種者就能夠將遺傳學結合起來，培育出一種超厲害的草莓。這種美味的漿果將重新喚醒古老品種中失傳已久的味覺刺激，並完美契合現代生產的需求。
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