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劉寧（中）在北京農(nóng)林科學(xué)院蔬菜中心溫室指導(dǎo)研究生分析水培韭菜的生長(zhǎng)情況。受訪者供圖

■本報(bào)記者 張晴丹

韭菜盒子、豬肉韭菜餡餃子、韭菜包子……中國(guó)人對(duì)韭菜這種傳統(tǒng)特色蔬菜喜愛有加，這種偏好更多是由于韭菜特殊的風(fēng)味?？茖W(xué)家開始關(guān)注韭菜里的風(fēng)味物質(zhì)是如何形成的。

然而，與白菜、茄子、甘藍(lán)、番茄等大宗蔬菜相比，特色蔬菜的分子生物學(xué)研究相對(duì)比較滯后，韭菜功能基因組學(xué)研究進(jìn)程非常緩慢，其風(fēng)味形成的分子機(jī)制研究仍是一片空白。

近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜中心（以下簡(jiǎn)稱蔬菜中心）栽培與設(shè)施科研團(tuán)隊(duì)通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)鑒定和分析了韭菜風(fēng)味物質(zhì)合成過程的關(guān)鍵基因，厘清了合成途徑，并初步勾勒出線路圖，為深入開展韭菜風(fēng)味合成的調(diào)控機(jī)制研究奠定了堅(jiān)實(shí)的工作基礎(chǔ)。相關(guān)成果在線發(fā)表于《基因組學(xué)》。

厘清風(fēng)味形成途徑

韭菜是一種分布在東亞和東南亞地區(qū)的蔥亞科蔥屬多年生宿根蔬菜，我國(guó)常年種植面積約600萬畝，在蔬菜生產(chǎn)和供應(yīng)中占據(jù)重要地位。

“韭菜、大蒜、洋蔥、大蔥等都是蔥屬作物，它們的葉片、鱗莖、種子植物組織中含有多種生物活性物質(zhì)，主要包括含硫化合物、甾體皂苷、黃酮類化合物、含氮化合物等，其中以S-烴基半胱氨酸亞砜（CSO）為主的一類有機(jī)硫化物對(duì)風(fēng)味貢獻(xiàn)最大，它們是蔥屬植物風(fēng)味前體物質(zhì)?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、蔬菜中心研究員劉寧在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)介紹。

不過，目前關(guān)于CSO合成及其分解途徑的研究主要集中在大蒜和洋蔥兩種作物。蔬菜中心的科研人員想在韭菜相關(guān)研究中闖出一條路，團(tuán)隊(duì)選用國(guó)內(nèi)主栽品種“791”韭菜為實(shí)驗(yàn)材料，開始了一系列探索。

他們厘清了韭菜從硫轉(zhuǎn)運(yùn)、吸收和利用，到合成風(fēng)味物質(zhì)的整個(gè)途徑?！傲蚴侵参锉匦璧臓I(yíng)養(yǎng)元素，韭菜主要從土壤里吸收硫酸鹽來加以利用，通過特定轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白把硫酸鹽從根部運(yùn)進(jìn)植物體內(nèi)，并在體內(nèi)發(fā)生‘蛻變’，從無機(jī)硫變成有機(jī)硫。在同化過程中，硫酸鹽生成了半胱氨酸，再繼續(xù)轉(zhuǎn)化為谷胱甘肽，最終經(jīng)多步反應(yīng)生成CSO。”劉寧說。

特征香氣形成的關(guān)鍵基因

神奇的是，CSO其實(shí)并沒有味道，那它又是如何讓韭菜這么“有味兒”呢？

劉寧介紹，蔥屬植物含有極為豐富的蒜氨酸酶，這個(gè)酶是特征香氣釋放的關(guān)鍵酶，可以與風(fēng)味前體物質(zhì)CSO相互作用，被催化分解后能生成一系列具有揮發(fā)性的有機(jī)硫化物，釋放出辛辣氣味。

實(shí)際上，這兩者正常狀態(tài)下相互分隔，蒜氨酸酶存在于液泡膜里，與細(xì)胞質(zhì)中的底物CSO無法接觸，但韭菜葉片一旦被切碎，液泡中貯存的蒜氨酸酶被釋放出來，兩者“相遇”發(fā)生反應(yīng)就會(huì)形成韭菜特有的風(fēng)味。這就是為什么完整的韭菜香氣并不濃，但一經(jīng)加工，立馬氣味四溢。

值得一提的是，團(tuán)隊(duì)成員利用高通量測(cè)序技術(shù)，系統(tǒng)分析了韭菜葉片、花、花序、根狀莖、根和種子的組織特異性轉(zhuǎn)錄組，從中鑒定到22萬個(gè)韭菜基因，發(fā)現(xiàn)205個(gè)基因參與硫同化、半胱氨酸和谷胱甘肽合成、CSO合成與水解釋放香氣的生化過程。這些發(fā)現(xiàn)有助于未來韭菜分子育種工作的開展。

為水培韭菜“增味”

市面上，韭菜可謂讓消費(fèi)者“又愛又怕”，韭菜農(nóng)殘超標(biāo)的話題此起彼伏。這是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)土壤栽培方式下，露天韭田長(zhǎng)期連作導(dǎo)致韭蛆蟲害嚴(yán)重，農(nóng)藥的效用比較有限，韭蛆很容易卷土重來、周而復(fù)始。反復(fù)使用化學(xué)防治極易引發(fā)嚴(yán)重的食品安全問題。

針對(duì)韭菜農(nóng)藥殘留超標(biāo)的難題，蔬菜中心研究員武占會(huì)及其團(tuán)隊(duì)推出了水培韭菜生產(chǎn)模式。論文共同通訊作者武占會(huì)向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，水培技術(shù)去除了韭蛆滋生的土壤環(huán)境，基本解決了蟲害及伴隨的農(nóng)殘問題，并能實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液封閉循環(huán)，省肥節(jié)水，推動(dòng)了韭菜產(chǎn)業(yè)的科學(xué)、綠色和安全發(fā)展。

然而水培韭菜遇到了一個(gè)瓶頸問題，與傳統(tǒng)土壤栽培方式相比，水培韭菜的風(fēng)味稍遜一籌。

“主要原因是CSO積累量顯著低于同茬期的土培韭菜。”劉寧表示，水培韭菜風(fēng)味不足嚴(yán)重影響了消費(fèi)者的購(gòu)買意愿和種植農(nóng)戶的收益，“味淡”成為困擾水培韭菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心難題之一。

受到農(nóng)諺“順境出產(chǎn)量，逆境出品質(zhì)”的啟發(fā)，研究人員經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)篩選，發(fā)現(xiàn)在原營(yíng)養(yǎng)液配方中添加適量鹽分，精準(zhǔn)控制水培韭菜的脅迫程度，能促進(jìn)CSO合成過程關(guān)鍵酶基因轉(zhuǎn)錄，CSO積累量增加，韭葉辛辣度提升1.06倍，與土壤栽培韭菜風(fēng)味相近，其它品質(zhì)指標(biāo)也顯著改善，產(chǎn)量增加6%左右，更受消費(fèi)者歡迎。

這項(xiàng)改進(jìn)措施能夠?qū)崿F(xiàn)水培韭菜“增味”，有望發(fā)展成為一項(xiàng)成本低廉、簡(jiǎn)單易行的實(shí)用栽培技術(shù)，并有潛力應(yīng)用于改善其它水培蔬菜風(fēng)味、品質(zhì)。該項(xiàng)栽培技術(shù)背后的分子機(jī)制正在研究之中。

目前，水培韭菜技術(shù)在北京郊區(qū)、河北定州、河南新鄉(xiāng)、新疆阿克蘇等地示范推廣，取得良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.ygeno.2021.05.005