玉米黃素環氧化酶（ZEP）與辣椒的顏色

 

圖片來源：維基百科

玉米黃素環氧化酶（ZEP，zeaxanthin epoxidase）在植物中負責催化從玉米黃素（zeaxanthin）到紫黃素（violaxanthin）的兩步驟轉化反應。玉米黃素先轉化為花藥黃素（antheraxanthin），然後再轉化為紫黃素。兩個步驟都是還原反應，要消耗NAD(P)H。

zeaxanthin + 2 NAD(P)H + 2 H⁺ + 2 O₂ ⇌violaxanthin + 2 NAD(P)⁺ + 2 H₂O

學過葉黃素循環（xanthophyll cycle）的人可能比較熟悉從紫黃素到玉米黃素的反應，這是植物用來消耗多餘光能的反應，以免植物因為光太強而發生「曬傷」。

有趣的是，最近韓國的研究發現，玉米黃素環氧化酶（以下簡稱ZEP）的突變導致辣椒的果實變成鮮紅色的！

研究團隊在野生型 Yuwolcho 品系的EMS突變群體中，找到了一個突變株EMS204。這個突變株有鮮紅色的果實。透過 HPLC 分析發現，與野生型 Yuwolcho 品種相比，EMS204 果實中的玉米黃素（zeaxanthin）含量較高，而辣椒紅素（capsanthin）和辣椒玉紅素（capsorubin）含量較低。進一步的分析發現在2號染色體上的一個 2.5-Mbp 區域中，玉米黃素環氧化酶（ZEP）基因中存在錯義突變，導致胺基酸序列改變。

這個突變是在 ZEP 基因的第 5 個外顯子中的一個 G 到 A 的錯義突變。這個突變導致了蛋白質單氧酶域中的一個胺基酸，即在第 291 位將纈胺酸（Valine，簡稱 V）改變為異白胺酸（Isoleucine，簡稱 I），即 V291I 突變。

為了證明的確是ZEP突變導致這個性狀，研究團隊還以病毒誘導基因沉默（VIGS，Virus-Induced Gene Silencing）方式進行了 ZEP 基因沉默實驗，研究人員選擇了辣椒（Capsicum annuum）的 MR 品系來進行 ZEP 基因的沉默分析。MR 品系本身沒有任何已知的類胡蘿蔔素生物合成基因突變，但在質體發育基因（PRR2）中有突變。

研究團隊使用了 TRV2-GFP（作為對照組）和 TRV2-ZEP（用於沉默 ZEP 基因）來感染 MR 辣椒。在植物的生長期、花朵或未成熟的果實中，TRV2-GFP和TRV2-ZEP接種的 MR 辣椒沒有顯示出可見的變化。然而，在成熟階段，pTRV2-GFP接種的果實呈紅色，而 ZEP 基因沉默的果實則呈鮮紅色。

為了確認 ZEP 基因已經被成功沉默，研究團隊進行了反轉錄聚合酶鏈反應（RT-PCR），結果顯示在 TRV2-ZEP 植株中 ZEP 基因被成功沉默。此外，對成熟果實外皮進行的高效液相色譜（HPLC）分析顯示，在 ZEP 基因沉默的果實中，玉米黃素（zeaxanthin）的含量比 TRV2-GFP 植株中增加了 2.6 倍，而辣椒紅素、辣椒玉紅素、花青素、紫羅蘭黃素、α-胡蘿蔔素和 β-胡蘿蔔素的含量則低於對照組。這些結果顯示，ZEP 基因的沉默會導致辣椒果實的顏色變為鮮紅色。

這個研究讓我們進一步瞭解到如何改變辣椒的顏色。五彩繽紛的食物也可以刺激食慾，對於食物的美學也很有幫助。

參考文獻：

Lee SY, Jang SJ, Jeong HB, Lee JH, Kim GW, Venkatesh J, Back S, Kwon JK, Choi DM, Kim JL, Kim GJ, Kang BC. Leaky mutations in the zeaxanthin epoxidase in Capsicum annuum result in bright-red fruit containing a high amount of zeaxanthin. Plant J. 2024 Jan 5. doi: 10.1111/tpj.16619. Epub ahead of print. PMID: 38180307.