杏仁,原产于地中海区域一带桃亚属的扁桃,又称巴旦杏、巴旦木、八担杏(巴旦是维吾尔语Badam的译音)、阿蒙杏、西杏、京杏,是世界主要坚果之一。2017年全世界生产224万公吨的扁桃,种植面积达到192.5万公亩;全世界生产最多扁桃的国家是美国(46%)、其次是西班牙(11.4%)、第三则是摩洛哥(5.2%)。
虽然扁桃是极为受欢迎的零食之一,但野生扁桃果实常含有苦杏仁苷(amygdalin),不仅会让果实带有苦味,还会分解产生致命的氰化物:如果误食含有苦杏仁苷的野生扁桃,只需要几十颗就会中毒致死。苦杏仁苷是从野黑樱糖苷(prunasin)合成而来,不仅是扁桃,同属于李属的苹果、桃子以及做为中药的杏仁也能合成苦杏仁苷。
过去的研究发现,不能合成苦杏仁苷是一种显性的突变,由于绝大部分的扁桃品系不能自花授粉,必须要跟其他品系的扁桃杂交才能结果,因此以种子繁殖扁桃总是会有大约四分之一的后代会结出具有苦味的果实;但由于扁桃无法插枝、只能以嫁接方式繁殖,因此还是会有农民以种子来繁殖扁桃。
为了了解野生扁桃究竟是如何失去合成苦杏仁苷的能力,欧洲的研究团队对扁桃的基因体进行定序,并以后代性状配合分子标记,破解了这个谜题。扁桃的基因体具有16个(8对)染色体,共含有27,817个基因。
以后代性状配合分子标记,研究团队一开始将甜果实基因(SK,sweet kernel)定位到基因体上一个118千碱基对(kb)的区域。这个区域中共有11个基因,其中五个负责产生bHLH 转录因子(basic helix-loop-helix transcription factor)。由于过去的研究发现,负责将野黑樱糖苷转化成为苦杏仁苷的两个细胞色素基因(PdCYP79D16与PdCYP71AN24)在野生扁桃与驯化品系中的表现量相差极大,而且在这两个基因的启动子(promoter)中也发现了数个bHLH 转录因子的结合序列,因此决定先研究这五个bHLH 转录因子基因。
研究团队先测试这五个基因在野生与驯化品系扁桃中的表现量,结果发现其中两个基因不论在野生或驯化品系中都没有表现,另外的三个(bHLH1,2,4)虽然在野生与驯化品系扁桃中都有表现,但并在表现量上并无不同。
接着研究团队便开始对这三个有表现的基因进行定序,定序的结果发现,bHLH4在野生与驯化品系中没有任何序列上的差异,倒是bHLH1在驯化品系中只能产生一个截短的蛋白质(驯化品系:262氨基酸;野生扁桃:401氨基酸),而bHLH2则带有两个突变:第一个位于第346个氨基酸上,使白胺酸(Leucine)被苯丙胺酸(phenylalanine)取代;第二个则是在第411个氨基酸后面插入了一个天门冬酰胺(asparagine)。进一步的研究发现,只有野生扁桃的bHLH2基因可以诱导负责产生苦杏仁苷的两个细胞色素基因表现,且只有这个基因上的第一个突变(L346F)会造成这个影响。
究竟这个突变是如何对那两个基因表现造成影响的呢?分子模拟的结果显示,第346号氨基酸位于bHLH2形成双体(dimer)的界面上。进一步的研究发现,这个突变虽然不影响bHLH2蛋白质形成双体,却使得形成的突变双体蛋白无法诱导那两个细胞色素基因表现—也就是说,因为这个突变,使得bHLH2无法诱导那两个细胞色素基因表现,造成驯化品系无法合成苦杏仁苷。
考古研究发现,扁桃应是第一批被人类驯化的果树;不仅在埃及时代的图坦卡门陵墓中便发现扁桃的果实,近年来更在位于以色列加利利海岸边、两万三千年前的奥哈罗二号遗址(Ohalo II)发现扁桃的外壳。由于扁桃不能插枝,只能以嫁接或实生(种子)的方式栽种,加上绝大部分的扁桃因有自体不亲和的问题,只能透过与其他品系杂交来产生种子;过去以种子培育总是要等到实生苗开花结果时才能确知该果树的果实是否可食用,从这个研究结果可以研发出一个新的分子标记,让农民们不需要耗费数年就可以得知哪一株实生苗要继续栽培,节省了许多人力物力。
参考文献
Sanchez-Perez et. al., 2019. Mutation of a bHLH transcription factor allowed almond domestication. Science. 364:1095-1098