基于Bhut Jolokia鬼椒地方品种的辣椒素类物质超高辣味QTL定位研究

《Discover Plants》：Identification of QTLs contributing to extremely high pungency in Bhut Jolokia, a ghost pepper landrace of Capsicum chinense

　　

辣椒属（Capsicum）果实的辣味由一组称为辣椒素类物质（capsaicinoids）的化合物决定。本研究利用Bhut Jolokia（BJ：C. chinense的地方品种）与C. annuum栽培种进行种间杂交产生的BC1作图群体，构建了遗传连锁图谱，并据此鉴定与辣味相关的数量性状位点（QTL）。共424个标记被分配到12个连锁群（LGs），覆盖1197.73 cM的图谱距离。研究人员采用高效液相色谱（HPLC）分析，估算了亲本系、F1及BC1后代中两种主要辣椒素类物质——辣椒素（capsaicin）和二氢辣椒素（dihydrocapsaicin）的含量。针对四个辣味相关性状——辣椒素、二氢辣椒素、总辣椒素类物质及辣椒素/二氢辣椒素比值，共鉴定出八个QTL。值得注意的是，在LG4上发现一个热点区域，同时承载了全部四个辣味性状的QTL。该热点区域贡献了较高的表型变异解释率（PVE），使其成为基于图谱的基因克隆和分子标记辅助育种的理想位点。最重要的是，本研究表明BJ中存在一个此前报道的Pun1等位基因之外的新位点，该位点控制着辣椒属中的辣味性状。

论文解读：Bhut Jolokia鬼椒超高辣味性状的QTL定位研究

一、研究背景与科学问题

辣椒属（Capsicum）隶属于茄科（Solanaceae），包含40多个明确界定的物种。辣椒果实独特的辣味源于一类称为辣椒素类物质（capsaicinoids）的生物碱，目前已鉴定出超过23种单体化合物，其中辣椒素（capsaicin）和二氢辣椒素（dihydrocapsaicin）贡献了超过90%的辣味。辣椒素类物质的合成主要发生在果实胎座和果皮的腺体细胞中，苯丙烷途径和支链脂肪酸途径参与其生物合成。尽管已有超过50个基因被报道参与辣椒素类物质的生物合成，但其调控互作机制仍需进一步研究。

Bhut Jolokia（BJ），又称幽灵辣椒，是印度东北部特有的一种辣椒地方品种，以其极高的辣味闻名于世，在当地具有重要的文化和社会经济价值。然而，并非所有BJ基因型的辣味水平相同，其辣椒素类物质含量存在显著的定量变异。此前仅有少数研究探索了辣椒素类物质含量的定量变异，而Pun1位点是唯一被确认的影响辣椒素类物质有无的突变位点，被视为关键调控因子，但其确切功能仍不清楚。

本研究旨在解决以下问题：第一，扩展辣椒育种可用的遗传与基因组资源；第二，利用BJ这一多样化的遗传资源，探究辣味位点的遗传基础。由于BJ的极高辣味在科学上具有独特价值，而此前对其辣味遗传机制的研究相对匮乏，因此开展本研究具有重要的科学意义和应用价值。

二、研究设计与技术方法

研究人员利用来自印度的BJ地方品种CC015（高辣味）与不辣品种CC063（C. annuum，轮回亲本）进行种间杂交，构建了包含166个个体的BC₁作图群体。遗传标记开发采用了AFLP、TE-AFLP和SSR三种标记技术，另从已注释的辣椒基因组中设计了27个微卫星标记。最终，452个标记被分配到12个连锁群（LGs），覆盖1197.77 cM的图谱距离，平均标记间距为3.36 cM。

辣椒素类物质含量测定采用高效液相色谱（HPLC）法，对亲本、6个F₁植株及133个成功结实的BC₁个体进行了辣椒素和二氢辣椒素的定量分析。QTL检测采用单标记分析（SMA）和包含复合区间作图（ICIM-ADD）两种方法，通过QTL ICIMapping V4.0软件完成，以0.5 cM步长和0.001概率阈值进行，LOD阈值通过1000次置换检验在0.05误差率下确定。

三、研究结果

遗传连锁图谱构建。 研究人员从599个标记中筛选出452个形成12个连锁群的标记，图谱总长1197.77 cM，平均标记距离3.36 cM。多数微卫星标记的归组与已发表图谱一致，验证了图谱的可靠性。

辣椒素类物质含量变异分析。 CC015的辣椒素类物质含量为15 mg/g（约240,031 SHU），而CC063仅为0.39 mg/g（约6,186 SHU）。F₁植株含量介于3.51至11.07 mg/g之间，且辣椒素含量高于二氢辣椒素。133个BC₁个体中，辣椒素类物质含量从0到11.12 mg/g不等，平均为3.59 mg/g，与预期的3.85 mg/g接近，表明群体向轮回亲本方向偏移。辣椒素和二氢辣椒素呈强正相关（r=0.78）。有两个BC₁基因型表现为不辣。

QTL鉴定。 通过ICIM-ADD方法共鉴定出8个QTL，分布于4个连锁群上。LG4上存在一个热点区域，同时承载了辣椒素（qCAP4-1）、二氢辣椒素（qDHC4-1）和总辣椒素类物质（qTCAP4-1）三个主要QTL，且位置几乎重叠，表明可能存在一个同时控制这三个性状的主效QTL。辣椒素/二氢辣椒素比值主要受LG11上的qRCD11-1控制，LG4上的qRCD4-1贡献较小。另在LG9上鉴定出总辣椒素类物质的QTL（qTCAP9-1），与Ben-Chaim等人的研究结果相对应。

标记与QTL的关联。 微卫星标记HpmsE036距LG4上辣椒素和二氢辣椒素主效QTL分别仅2.88 cM和1.88 cM；HpmsE009距LG11上二氢辣椒素微效QTL（qDHC11-1）1.08 cM，距辣椒素/二氢辣椒素比值主效QTL（qRCD11-1）5.08 cM。这些微卫星标记具有良好的可转移性，为分子标记辅助育种提供了实用工具。

新位点的发现。 研究人员将QTL置信区间与已鉴定的辣椒素类物质生物合成途径基因进行比较，发现包括Pun1在内的主要结构基因均不位于所鉴定QTL的置信区间内。此外，此前报道的Pun1位点在本作图群体中呈单态性，很可能是因为亲本基因型缺乏该标记所依赖的缺失多态性。这些观察表明，本研究鉴定的QTL可能代表了BJ中此前未报道的、影响辣味变异的新基因组区域。

四、讨论与结论

讨论部分总结。 本研究构建的连锁图谱总长1198 cM，与辣椒12条染色体的预期基因组大小相符，平均标记间距3.36 cM优于此前报道的5.01 cM。BC₁群体的平均辣椒素类物质含量向轮回亲本偏移，符合预期遗传模式。LG4上的QTL热点区域具有较高的表型变异解释率（PVE），是图位克隆和分子标记辅助育种的理想靶点。辣椒素/二氢辣椒素比值受LG11和LG4上两个QTL的共同调控，提示这些位点可能调控辣椒素与二氢辣椒素的相对积累。与已报道的Pun1等位基因不同，本研究发现的QTL代表了控制BJ超高辣味的新基因位点，为深入解析辣味遗传机制开辟了新方向。

结论部分翻译。 本研究聚焦于由BJ（一种鬼椒品种）与C. annuum杂交衍生的BC₁群体，开展连锁作图并鉴定与辣味性状相关的QTL。BJ被誉为世界上最辣的辣椒之一，然而对其极高辣味背后的遗传学进行科学探究的研究相对较少。本研究开发的遗传材料为精确解析BJ中与辣味相关的QTL提供了宝贵资源。研究成功鉴定出多个与辣味性状紧密关联的EST-SSR、AFLP和TE-AFLP标记，为分子标记辅助育种提供了潜在工具。此外，本研究为通过遗传改良提升BJ的农艺性状奠定了基础。尽管BJ具有较高的市场价值，但由于病害易感性、栽培困难及产量低等挑战，农民往往不愿种植该品种。本研究通过分子育种为改良BJ建立了基础，使其成为对农民更具经济可行性和吸引力的选择。