辣椒风味与色泽的遗传密码：整合TWAS-mGWAS与空间转录组解析Capsicum chinense次级代谢网络

本研究通过整合代谢组学、基因组关联分析(GWAS)、转录组关联分析(TWAS)及空间转录组技术，系统解析了Capsicum chinense(黄灯笼辣椒)果实中辣椒素类物质(capsaicinoids)、类胡萝卜素(carotenoids)和风味挥发物(VOCs)的遗传调控网络。研究人员在244份种质资源中鉴定出507个辣椒素相关SNP、304个类胡萝卜素相关SNP和1,176个风味物质相关SNP，通过CRISPR/Cas9验证发现AP2和PPR转录因子分别调控β-胡萝卜素积累和叶黄素酯化。该研究为辣椒风味品质改良提供了分子靶点，相关成果发表于《Horticulture Research》。

　　

辣椒作为全球重要的调味作物，其独特的风味和色泽主要由三类关键代谢物决定：带来灼烧感的辣椒素类物质(capsaicinoids)、决定颜色的类胡萝卜素(carotenoids)，以及构成香气的挥发性有机物(VOCs)。然而这些性状的遗传调控网络复杂，传统育种面临周期长、效率低的瓶颈。尤其对于Capsicum chinense(黄灯笼辣椒)这类具有极端辛辣和特殊风味的品种，其代谢多样性形成的分子机制更是一片亟待探索的领域。

为系统解析这些重要性状的遗传基础，由Umesh K. Reddy和Padma Nimmakayala领衔的国际团队开展了多组学整合研究。研究人员首先构建了包含244份地理来源多样的种质资源库，涵盖从温和到超辣的广泛表型变异。通过代谢组检测发现Bhut Jolokia(鬼椒)等品种的辣椒素含量高达28.04 mg/g，而类胡萝卜素在PI 260522等材料中积累显著，β-胡萝卜素达到1321.66μg/g。这种自然变异为遗传解析提供了理想材料。

研究采用三大关键技术：1) 基于301,884个SNP的基因组关联分析(GWAS)结合转录组关联分析(TWAS)，在12条染色体上定位代谢物相关位点；2) 对高/低代谢物含量的种质进行分段RNA测序和Stereo-seq空间转录组，绘制基因表达的时空图谱；3) 利用CRISPR/Cas9在番茄中敲除候选基因，通过广靶代谢组验证功能。

2.1 表型多样性分析

代谢物检测揭示了种质间的显著差异：辣椒素含量跨度达0.01-28.04 mg/g，β-胡萝卜素为0.67-1321.66μg/g，而风味物质2-己烯醛(2-hexenal)的变异达13.8-7052.29 ng/g。Shapiro-Wilk检验显示部分类胡萝卜素呈非正态分布，暗示可能存在主效基因调控。

2.2 遗传定位发现

GWAS鉴定到507个辣椒素相关SNP，包括位于2号染色体的PUN1位点(编码酰基转移酶AT3)和3号染色体的PUN2位点(编码氨基转移酶pAMT)。TWAS进一步发现3-酮脂酰-CoA合成酶(3-ketoacyl-CoA synthase, KCS)和长链醇氧化酶等新候选基因。值得注意的是，AP2-like转录因子和五肽重复蛋白(Pentatricopeptide repeat, PPR)在多个代谢通路中反复出现，提示其核心调控作用。

2.3 空间转录组解析

通过5天幼果的Stereo-seq分析，发现74个基因具有组织特异性表达模式。AP2在富含类胡萝卜素的果皮区域高表达，而PPR在胎座组织(辣椒素合成主要部位)活跃。这种空间共定位暗示AP2可能通过调控LCYB(番茄红素β-环化酶)等基因影响类胡萝卜素 flux。

2.4 基因编辑验证

在番茄中敲除AP2导致β-胡萝卜素增加32%，lycopene积累显著；而PPR突变体出现叶黄素酯(lutein esters)下降和β-柠乌素(β-citraurin)上升。广靶代谢组检测到AP2_12.29株系有1244种代谢物改变，包括类黄酮和苯丙烷途径产物的重编程。

该研究首次在辣椒中实现GWAS-TWAS-空间转录组的三维整合分析，不仅验证了已知的PUN1/PUN2位点，更发现AP2和PPR作为"代谢总开关"的新功能。AP2通过协调LCYB、CCS等基因的表达调控类胡萝卜素流向，而PPR可能通过RNA编辑影响叶黄素酯化酶活性。这些发现为分子设计育种提供了精准靶标——通过调控AP2表达可提高β-胡萝卜素含量，而修饰PPR能改善风味物质组成。技术层面，研究建立的Stereo-seq方案突破了植物细胞壁对空间转录组的限制，为其他作物研究提供了范本。

从应用角度看，这项成果有助于培育营养强化的辣椒品种：高β-胡萝卜素材料可补充维生素A缺乏，而低PPR活性的株系可能产生更多具有保健功能的apocarotenoids。在基础研究领域，发现AP2同时调控类胡萝卜素和辣椒素通路，为理解植物次级代谢的协同进化提供了新视角。随着消费者对食品风味和功能性的需求增长，这些遗传调控元件的应用将加速辣椒品种的精准改良。