浙江大学果实品质生物学团队——

和浙大学者一起追寻番茄果实“小时候的味道”

发布时间:2021-10-29来源:浙大新闻办作者:杨金0

炎热夏日里,把一颗红润饱满的番茄浸入井水里,冰镇数约分钟后,咔嚓一口咬下去,肥厚沙软的口感滑动在唇齿间,酸酸甜甜的汁水润过喉咙……

你回忆里童年的夏天,是不是有着一股浓浓“番茄味儿”?但如今,番茄似乎再没有了“小时候的味道”。又大又红的高颜值下,却好似藏着一颗“硬心肠”。为了方便采后物流运输减少损耗,现代育种往往以牺牲果实品质为代价,丢失了许多传统的优良性状,如风味、芳香和营养等。

用不平凡的坚持和行动寻找最平凡的“国民味道”!

浙江大学果实品质生物学团队,是国内最早开始果实品质研究的团队,在张上隆教授的开启下,经陈昆松教授的继承与拓展,从上世纪90年代开始至今,团队一直致力于探寻延长果实货架生命,且能改善果实品质的良好方法,

团队研究基于大数据分析平台,充分发挥多组学联合分析的优势,获得主效调控果实质地且不影响成熟进程的靶标基因,利用定向编辑技术获得高品质耐贮运新种质;创制适应采后低温等物流环境且维持良好芳香品质的新种质材料;创制高营养价值新种质材料;真真切切把论文写在祖国大地上,为“能吃到”并且“能吃好”不断耕耘前行。

让“番茄味儿”不被“偷走”

番茄,又称西红柿,起源于南美洲的安第斯山地带,大约在明朝传入我国。它适应性广、产量高、风味独特,富含碳水化合物、类胡萝卜素、维生素、有机酸、膳食纤维、矿物质等丰富的营养成分,又具有生食、烹饪、加工番茄酱、番茄汁等多种食用方式,是全球栽培最为普遍的果菜之一。

我国的番茄以鲜食烹饪为主,更加注重风味品质。根据粮农组织统计,2019年中国番茄产量为6276万吨,是全球最大的番茄生产国。作为国人饭桌上的宠儿,番茄果实的好吃与否,关乎着万家灯火日暮黄昏晚饭时极其重要的味蕾体验。

众所周知,番茄果实成熟会就会迅速软化,其软化速度直接影响贮藏物流和货架寿命。现产业链中,果农往往会提早采收,一般在其绿熟阶段进行采摘,货架前再催熟;或者通过与成熟突变体进行杂交,创制长货架新品种。这些策略都是通过降低乙烯生物合成,进而延缓果实成熟,延长货架期,但通常带来的果是果实成熟进程受到抑制,果实风味和营养丢失。

果实软化是一个复杂的初生细胞壁水解膨胀过程,包括果胶的水解及溶解,半纤维素和纤维素的解聚等。近30年来,学界展开了集中于初生细胞壁降解酶及相应编码基因的研究,目前只有一个果胶裂解酶基因(PL)敲除后可以获得高硬度番茄。转录因子可通过识别顺式元件调控下游结构基因,RIN、CNR等转录因子的突变可维持果实硬度,但果实的成熟也被抑制,导致果实风味和营养价值下降。因此,寻找独立于乙烯系统的关键调控子,使其既可以提高果实运性和货架期,又保证果实品质,成了研究重点。

近期,陈昆松教授与美国康奈尔大学BTI(Boyce Thompson Institute)Jim Giovannoni院士合作,通过大数据分析,挖掘了一个新型转录因子SlLOB1。研究表明SlLOB1可以转录调控下游一系列细胞壁降解酶、细胞壁修饰酶和细胞壁结构蛋白编码基因。基因功能验证显示,沉默SlLOB1可延缓果实软化进程,红果期的硬度为对照果实2倍多;同时不影响果实正常成熟和软化,番茄红素增加了60%;过表达SlLOB1,可激活下游细胞壁基因表达,促进果实提早软化。

SlLOB1沉默果实绿果期没有差异(左上)转色和红果期果肉胶质不溶解且果实积累更多番茄红素(左下);SlLOB1沉默果实呈现Cnr-like质地特征直接漂浮水面(右)

不同于以往鉴定的成熟软化调控因子,SlLOB1可以调控果实软化且不依赖乙烯,并可以促进果实中番茄红素积累,是一个调控果实成熟软化的全新通路,在既保证货架生命的同时,又不影响番茄本身的风味,让“番茄味儿”不被“偷走”。


让“番茄味儿”更加浓郁

当然,酸酸甜甜并不是“番茄味儿”的全部。人们在品尝食物时体会到的“味道”,其实是味觉、嗅觉与其他感官的综合体验。在这中间,嗅觉的感知尤为重要,果实的芳香扮演了决定性的角色。当你咬上一口晶莹剔透的番茄细品之时,多种挥发性成分飘入鼻腔,激活了嗅觉,这些感受加在一起,构成了完整的“番茄味儿”。

相对于蔗糖、葡萄糖、果糖、苹果酸、柠檬酸等几种数量有限的风味物质,影响“番茄味”的挥发性化学物质则非常复杂。科学家们从番茄果实中鉴别出了超400种的挥发性化合物,主要来自于脂肪酸、氨基酸和类胡萝卜素等营养物质的代谢。通过结合消费者的感官评价和气相色谱检测,发现了“番茄果实味道的配方”,主要包括己烯醛、β-紫罗酮和β-大马酮等近30种芳香物质。进一步研究发现:这些重要的芳香物质在现代商业品种中的含量显著普遍低于古老品种。这意味着人类在长期的育种过程中,过于关注番茄的外观、产量和抗性等性状,导致了控制果实风味品质的某些基因位点丢失,由此使得番茄果实的风味变差。

团队成员张波教授采用基因组关联分析的策略,揭示了调控番茄果实脂肪酸代谢途径芳香物质合成的新基因SlLIP8,采用基因编辑方式敲除该基因,显著减少了短链芳香物质的含量。此外,团队还发现转录因子RIN具有调控果实芳香物质生物合成的功能。这些研究都为今后番茄果实的风味改良工作提供了新思路。

除了遗传育种和果实的发育成熟,采后贮藏物流也是影响果实风味的重要因素。低温贮藏物流是常用的采后措施,果实品质生物学团队发现过于追求贮藏寿命的操作,显著抑制了番茄果实重要芳香物质的含量,导致了番茄果实风味的丧失。团队与美国佛罗里达大学Harry Klee院士合作研究发现,DNA甲基化等表观遗传学参与了采后低温贮藏物流对于番茄果实风味的调控。采后低温对于风味品质的不利影响,在番茄、桃和柑橘等果实中都有发现,这些研究结果为指导采后供应链环境因子的精准控制技术研发提供了参考依据。


守护“国民味道”与健康之门

一颗平凡的小小的番茄,其实背后承载的是一个团队二十多年大大的坚守。

1997年,浙江大学与中国农业大学共同承担了国家自然科学基金委园艺学领域的第一个重点项目“柑桔果实品质形成规律研究”,为我国开启果实品质生物学研究奠定了最初的基础。

20多年来,团队成员由最初的2人,发展到了目前的10余人,筚路蓝缕,一路风雨同行,团队成员多人先后入选国家各类人才培养计划。现在,还创新组成了浙江大学首个海外学术大师工作室,汇聚了一批发达国家的院士等顶尖人才。园艺植物的芳香、质地和营养等品质形成与代谢调控研究成为了他们的独特优势,团队也以第一单位获得国家科技进步奖二等奖1项和省部科技奖一等奖5项。

团队成员还参与了本领域国家科技战略研究和发展规划,向后主持承担了国家重点研发计划项目、“863”计划项目、国家支撑计划项目、国家公益性行业专项项目、国家自然科学基金重点项目等,积极对接国家需求,瞄准国家大食物安全观新战略,以高品质和多元化食物安全供给为己任,服务国家乡村振兴和健康中国战略。

当然,从番茄开始,也不囿于番茄。社会经济不断发展,人们健康意识日益增强;其中,富含天然产物的果蔬成为了健康追求的“宠儿”。由于番茄特殊性,使它可以成为一个良好的“生物反应培养皿”和实验对象。团队成员李鲜教授正在展开在番茄果实中富集杨梅素的探索,将杨梅素合成通路搬进番茄果实,为开发富含杨梅素的果蔬产品提供了依据。要知道杨梅素具有抗氧化、消炎、抗癌、预防糖尿病和心血管疾病等药理活性,需要杨梅树皮中分离提取,但它在膳食果蔬中的含量非常低,甚至不在可检测水平。这些研究都在为国民健康提供更多更新的思路,并推动全国园艺产业的经济发展,

从春种到秋收,从田间到餐桌,陈昆松教授团队在果实品质形成与性状改良、采后贮藏物流、营养品质与消费指导等方面“精耕细作”多年,守护着味蕾的美好体验。

(杨金)