甜杏仁果是怎麼產生的

撰文|葉綠舒

原產於地中海區域一帶桃亞屬的扁桃,又稱偏桃、巴旦杏、巴旦木、八擔杏(巴旦是維吾爾語Badam的譯音)、阿蒙杏、西杏、京杏,在台灣又稱為「杏仁果」,是世界主要堅果之一。2017年全世界生產224萬公噸的扁桃,種植面積達到192.5萬公畝;全世界生產最多扁桃的國家是美國(46%)、其次是西班牙(11.4%)、第三則是摩洛哥(5.2%)。

雖然扁桃是極為受歡迎的零嘴,但野生扁桃果實常含有苦杏仁苷(amygdalin),不僅會讓果實帶有苦味,還會分解產生致命的氰化物:如果誤食含有苦杏仁苷的野生扁桃,只需要幾十顆就會中毒致死。苦杏仁苷是從野黑櫻醣苷(prunasin)合成而來,不僅是扁桃,同屬於李屬的蘋果、桃子以及做為中藥的杏仁也能合成苦杏仁苷,幾年前風靡全台的「後宮甄嬛傳」裡面的安陵容最後就是吃苦杏仁而死。

過去的研究發現,不能合成苦杏仁苷是一種顯性的突變,由於絕大部分的扁桃品系不能自花授粉,必須要跟其他品系的扁桃雜交才能結果,因此以種子繁殖扁桃總是會有大約四分之一的後代會結出具有苦味的果實;但由於扁桃無法插枝、只能以嫁接方式繁殖,因此還是會有農民以種子來繁殖扁桃。

為了瞭解野生扁桃究竟是如何失去合成苦杏仁苷的能力,歐洲的研究團隊對扁桃的基因體進行定序,並以後代性狀配合分子標記,破解了這個謎題。扁桃的基因體具有16個(8對)染色體,共含有27,817個基因。

以後代性狀配合分子標記,研究團隊一開始將甜果實基因(SK,sweet kernel)定位到基因體上一個118千鹼基對(kb)的區域。這個區域中共有11個基因,其中五個負責產生bHLH 轉錄因子(basic helix-loop-helix transcription factor)。由於過去的研究發現,負責將野黑櫻醣苷轉化成為苦杏仁苷的兩個細胞色素基因(PdCYP79D16與PdCYP71AN24)在野生扁桃與馴化品系中的表現量相差極大,而且在這兩個基因的啟動子(promoter)中也發現了數個bHLH 轉錄因子的結合序列,因此決定先研究這五個bHLH 轉錄因子基因。

研究團隊先測試這五個基因在野生與馴化品系扁桃中的表現量,結果發現其中兩個基因不論在野生或馴化品系中都沒有表現,另外的三個(bHLH1,2,4)雖然在野生與馴化品系扁桃中都有表現,但並在表現量上並無不同。

接著研究團隊便開始對這三個有表現的基因進行定序,定序的結果發現,bHLH4在野生與馴化品系中沒有任何序列上的差異,倒是bHLH1在馴化品系中只能產生一個截短的蛋白質(馴化品系:262胺基酸;野生扁桃:401胺基酸),而bHLH2則帶有兩個突變:第一個位於第346個胺基酸上,使白胺酸(Leucine)被苯丙胺酸(phenylalanine)取代;第二個則是在第411個胺基酸後面插入了一個天門冬醯胺(asparagine)。進一步的研究發現,只有野生扁桃的bHLH2基因可以誘導負責產生苦杏仁苷的兩個細胞色素基因表現,且只有這個基因上的第一個突變(L346F)會造成這個影響。

究竟這個突變是如何對那兩個基因表現造成影響的呢?分子模擬的結果顯示,第346號胺基酸位於bHLH2形成雙體(dimer)的介面上。進一步的研究發現,這個突變雖然不影響bHLH2蛋白質形成雙體,卻使得形成的突變雙體蛋白無法誘導那兩個細胞色素基因表現—也就是說,因為這個突變,使得bHLH2無法誘導那兩個細胞色素基因表現,造成馴化品系無法合成苦杏仁苷。

考古研究發現,扁桃應是第一批被人類馴化的果樹;不僅在埃及時代的圖坦卡門陵墓中便發現扁桃的果實,近年來更在位於以色列加利利海岸邊、兩萬三千年前的奧哈羅二號遺址(Ohalo II)發現扁桃的外殼。由於扁桃不能插枝,只能以嫁接或實生(種子)的方式栽種,加上絕大部分的扁桃因有自體不親和的問題,只能透過與其他品系雜交來產生種子;過去以種子培育總是要等到實生苗開花結果時才能確知該果樹的果實是否可食用,從這個研究結果可以研發出一個新的分子標記,讓農民們不需要耗費數年就可以得知哪一株實生苗要繼續栽培,節省了許多人力物力。

 

參考文獻:Sanchez-Perez et. al., 2019. Mutation of a bHLH transcription factor allowed almond domestication. Science. 364:1095-1098

 

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作者:葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授,科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

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