全 文 ：第27卷 第8期
2015年8月
Vol. 27, No. 8
Aug., 2015
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2015)08-1091-04
DOI: 10.13376/j.cbls/2015150
收稿日期：2015-03-24
基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973项目”)( 2012CB113900)；国家自然科学基金青年基金(31101550)
*通信作者：E-mail: huangsanwen@caas.cn
黄三文，研究员，博士生导师。中国农业科学院蔬菜花卉研究所生物技术
室主任，中国农业科学院深圳农业基因组研究所副所长。研究领域包括植物基
因组学、蔬菜分子生物学和分子育种研究，主要致力于构建蔬菜全基因组设计
育种的理论和方法体系，打通“从基因组到新品种”的技术通路。共发表 SCI
论文 56篇和学报级论文 40余篇，包括以通讯作者在 Science、Nature、Nature
Genetics和 Plant Cell发表 6篇重量级论文，被引用 3 000余次。曾获国家优秀
留学生奖金、国家科技进步奖二等奖、十一五国家科技计划执行优秀团队奖、
华耐园艺科技奖。2012年获得国家杰出青年科学基金资助，2013年入选“百千万
人才工程”国家级人选。
黄瓜苦味物质的代谢调控与合成生物学
尚　轶1,2，黄三文1,2*
(1 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081；2 中国农业科学院深圳农业基因组研究所，深圳 518124)
摘　要：苦味是影响蔬菜品质的不良性状。然而，苦味物质对植物是“天然农药”，可用以抵御虫害侵入；
对人类是消炎、保肝药，同时还具有抗癌药物开发潜力。通过整合黄瓜基因组大数据及传统生物学研究手段，
共发现 11个基因控制着黄瓜苦味形成。其中 9个基因参与苦味合成，2个是调控苦味合成的“开关”基因。
黄瓜苦味合成、调控及驯化分子机制的解析为综合利用及改良苦味物质创造了条件：(1)通过精细调控叶片
和果实中的苦味“开关”基因，可培育叶苦果不苦的黄瓜，既可利用苦味保护植物不受害虫侵害，减少农
药使用，又可保障黄瓜优良的商品品质；(2)利用合成生物学的方法体外大规模、快速合成和改良苦味物质，
为后期新型药物研发创造条件。
关键词：黄瓜；苦味；代谢调控
中图分类号：Q493.9；S642.2 文献标志码：A
Bitterness metabolism in cucumber and synthetic biology
SHANG Yi1,2, HUANG San-Wen1,2*
(1 Institute of Vegetables and Flowers, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
2 Agricultural Genomic Institute at Shenzhen, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Shenzhen 518124, China)
Abstract: Bitterness accumulated at editable tissues of vegetables would seriously affect their quality and
marketability. However, the bitter compounds, cucurbitacins, help plants to wade off herbivores and are exploited
by humans in form of traditional herbal medicines for their anti-inflammatory, hepatoprotective and potential anti-
tumor properties. By integrating big genomic data of cucumber and multiple molecular research tools, 9-gene
module (1 OSC, 7 P450s and 1 ACT) involved in the bitterness biosynthetic pathway and 2 bitterness regulators
were unveiled. The discovery of bitterness biosynthesis, regulation and domestication in cucumber provides
生命科学 第27卷1092
possibility to develop a new non-bitter cucumber by accurately tuning the bitterness biosynthesis in different plant
tissues, which protect plants from herbivores with their own weapon systems but avoid the unpleasant bitter taste in
the fruit. And this study also opens a door to metabolic engineering cucurbitacins as potential anti-tumor drugs.
Key words: cucumber; bitterness; metabolism
黄瓜源自喜马拉雅山脉南麓，是印度境内土生
土长的植物。野生黄瓜植株比较矮小，果实呈球型
且布满长长的果刺，再加上果实跟黄连一样非常苦，
在印度一直被用作泻药 [1]。经过漫长的驯化过程，
黄瓜植株和果实形态都发生了较大改变，最关键的
是果实中不再积累苦味物质。不苦的黄瓜吃起来口
感爽脆，果实中富含蛋白质和维生素，深受消费者
喜爱，现已广泛种植于温带和热带地区。我国种植
黄瓜的历史可追溯到西汉时期，《本草纲目》中记
载黄瓜最早是由张骞 (公元前 164年 ~公元前 114
年 )出使西域带回中原，这与现代黄瓜变异组研究
得出的结论基本一致 [2]。目前黄瓜是我国第一大设
施蔬菜作物，也是世界十大蔬菜之一。
1　黄瓜苦味物质是什么
由中草药变成可口的蔬菜，植物中发生了哪些
变化而直接影响了它与人类的关系？要回答这个问
题，首先需要知道黄瓜果实苦味是什么导致的。植
物中有数以万计的大相对分子质量次生代谢化合
物，它们在植物与外界环境相互作用过程中发挥非
常重要的作用。其中萜类化合物是中草药中的一类
比较重要的化合物，主要包含单萜、倍半萜、二萜
和三萜等。黄瓜苦味正是由三萜化合物葫芦素 C导
致的 [3]。葫芦素是一类高度氧化的四环三萜化合物，
仅在葫芦科植物中 (黄瓜、西瓜和甜瓜等 )被发现，
如西瓜和甜瓜中分别富含葫芦素 E和 B[4-5]。根据碳
骨架氧化程度和氧化位置不同，葫芦素大致可分为
葫芦素A~T[6]。苦是这类化合物最显著的特点，因此，
葫芦素也叫苦味素。极低量的葫芦素 (0.1 mg/L)就
能引起明显的苦味，比典型的苦味剂咖啡因还要苦
100倍左右 [7]。
2　苦味与人类健康
对植物来说，极苦的葫芦素是最佳的防御武器，
可用来抵御病虫害的侵入。葫芦素是保护植物的 “绿
色农药”，既是大部分广食性昆虫的防御剂，同时
还是某些专食性昆虫的诱食剂，在葫芦科植物与昆
虫互作、协同进化过程中发挥重要作用 [3,8-9]。而对
人类而言，虽然苦味不受欢迎，但其巨大的药用潜
力足以引起人们的关注。在印度，极苦的野生黄瓜
果实和叶片除了被用作泻药，还被用于治疗各种炎
症 [6,10]。而我国明朝时期著名医师李时珍在《本草
纲目》中也详细记载了甜瓜瓜蒂具有护肝及消炎的
功效。现代医学研究发现，甜瓜瓜蒂中含有大量的
葫芦素，正是它们发挥了消炎和保肝功效 [6,10]。因此，
大量的葫芦素被提取出来并开发成治疗肝病的有效
药物。近年来新发现的葫芦素药用价值引起了人们
的关注：治疗癌症。葫芦素可通过特异阻断肿瘤细
胞生长所需的 JAK-STAT信号通路来抑制肝癌、膀
胱癌、胰腺癌等癌细胞的扩散，可与其他抗癌药物
一块使用，提高癌症治疗的效果 [10-12]。从这个角度
来说，“良药苦口”是非常有道理的。
3　开发和利用苦味的瓶颈
虽然野生的葫芦科植物非常苦，但是，葫芦素
在植物中的含量并不高，要获得足量多的葫芦素进
行药物开发和治疗，就必须从植物材料中进行分离
和纯化。不论是前期大面积的植物种植，还是后期
复杂繁琐的纯化过程，都需要大量的时间和很高的
成本。葫芦素属于结构复杂的大分子，利用化学方
法进行合成的难度非常大，且面临环境污染的风险。
因此，要进一步挖掘葫芦素的药物潜力，必须借助
生物合成的方法进行生产，而生物合成的前提是植
物中苦味物质合成代谢通路必须清楚。此外，由于
驯化不完全，不少黄瓜品种在高温、干旱等逆境条
件下生长，果实中仍会出现令人不悦的苦味，从而
失去商品价值。因此，要保障优良的蔬菜品质，也
必须对黄瓜苦味合成、调控及驯化机理进行解析。
4　黄瓜苦味代谢研究进展
4.1　控制叶片苦味的关键基因
前期研究发现有两个显性单基因遗传位点分别
控制着黄瓜叶片苦味 (Bi)和果实苦味 (Bt)，但是基
因未知 [13-14]。黄瓜基因组和变异组图谱的绘制完成，
给阐明葫芦科植物苦味物质形成的分子机理提供了
研究基础 [2,15]。通过全基因组关联分析 (GWAS) 115
份黄瓜核心种质资源重测序数据及叶片苦味表型数
据，发现了与叶片苦味紧密连锁的 SNP位点 [16]。
尚　轶，等：黄瓜苦味物质的代谢调控与合成生物学第8期 1093
该位点导致 Csa6G088690基因 393位的氨基酸从半
胱氨酸变为酪氨酸，叶片从苦变成不苦。Csa6G-
088690编码 2,3氧化角鲨烯环化酶 (OSC)，与西葫
芦中发现的葫芦素合成酶 (CPQ)具有 80%的同源
性 [17]。酵母中 Csa6G088690催化 2,3氧化角鲨烯环
化生成葫芦二烯醇，而 393位氨基酸突变后酶的活
性完全丧失。因此，Csa6G088690就是 Bi，负责催
化苦味合成第一步关键限速步骤 [16]。Bi上的 SNP
突变可用做分子靶标，筛选苦味合成中断的黄瓜品
种，确保果实中无苦味产生，保障黄瓜的商品品质。
4.2　调控苦味合成的“开关”基因
既然 Bi参与苦味合成，那么控制果实苦味的
Bt究竟是什么基因？由于 Bt控制的果实苦味性状
与驯化过程密切相关，Bt很可能是受到选择的驯化
基因。在黄瓜变异组研究中，根据驯化区域筛选及
图位克隆的结果，Bt被定位到 5号染色体 422 kb
的范围内，共有 67个候选基因 [3]。在进一步缩小
候选基因时，田间自然和人工无苦味突变体的发现
为锁定 Bt提供了线索。通过对突变体重测序分析，
找到了调控叶片苦味合成的基因 Bl (bitter leaf)，它
编码一个 bHLH转录因子，可与 Bi启动子互作直接
调控 Bi表达，发生在 Bl上的两个 SNP突变均导致叶
片从苦变成不苦。因此，Bl是叶片中特异调控苦味合
成的“开关”基因。Bl、Csa5G157220、Csa5G157230
三个基因均为 bHLH转录因子，且都在 67个 Bt候
选基因范围中，但 Csa5G157230和 Bi在野生的黄
瓜果实中大量表达，在栽培的不苦的黄瓜果实中则
都不表达，这与苦味在野生和栽培黄瓜果实中的含
量一致。此外，Csa5G157230在 115份核心种质资
源果实中的表达量也与 Bi表达量及苦味含量呈正
相关。与 Bl功能类似，Csa5G157230也能直接调
控 Bi表达。因此，Csa5G157230很有可能就是 Bt
基因，是果实中特异调控苦味合成的 “开关”基因。
突变发生在 Bt启动子区域，降低了果实中 Bt表达
量，最终导致果实中苦味含量减少，最终被选择并
固定下来。最直接的证据是 Bt起始密码子前 1 601
处的碱基 (SNP1601)与逆境导致的果实苦味密切相
关：当 SNP1601是 G时，胁迫诱导果实中 Bt表达
迅速升高，Bi及苦味含量也随之升高，导致原本不
苦的黄瓜果实变苦；而突变成 A后，果实则不再
变苦。
4.3　苦味合成通路解析
发现 Bi、Bl和 Bt三个关键苦味基因为无苦味
黄瓜品种培育打下了良好的理论基础，尤其是两个
与苦味表型紧密连锁的 SNP分子靶标，将确保蔬
菜的品质不受苦味影响。然而，要进一步利用生物
合成的方法生产葫芦素，只克隆 Bi是远远不够的。
Bi催化生成的葫芦二烯醇还需被 P450和乙酰转移
酶 (ACT)进一步氧化和乙酰化，才能最终生成葫芦
素。Bi所在染色体周围 35 kb范围内有 3个基因编
码 P450，1个基因编码 ACT，这些基因在不同黄瓜
组织中的表达情况与 Bi一致，且也能被 Bl和 Bt直
接调控。植物中次生代谢产物合成基因往往在基因
组上成簇分布 [18-19]，黄瓜苦味合成基因极有可能也
以基因簇的形式存在。进一步从全基因组范围筛选
与 Bi共表达，且被 Bl和 Bt共调控的 P450和 ACT，
最终将苦味合成候选基因从原来 4个扩展到 8个 (7
个编码 P450，1个编码 ACT)。这些候选合成基因
在黄瓜叶片中的表达调低后均能导致叶中苦味含量
下降，从而间接证明它们参与了苦味合成 [16]。为了
进一步说明它们的催化机制，从两方面对黄瓜苦味
代谢研究体系进行了优化：(1)整合上游合成基因
到酵母基因组中，提高酵母中 2,3氧化角鲨烯及葫
芦二烯醇的含量；(2)从 1 000 kg苦的黄瓜叶片中
分离纯化可能的葫芦烷型化合物，用于苦味合成中
间产物解析。最终鉴定出参与苦味合成第二、第三
步以及最后一步的酶基因 [16]，即 Csa5G903540氧
化葫芦二烯醇生成 19羟基葫芦二烯醇；Csa6G088160
继续氧化 19羟基葫芦二烯醇生成 19,25二羟基葫芦
二烯醇；Csa6G088700催化去乙酰基葫芦素 C生成
葫芦素 C。上述研究为阐明整个苦味合成通路打下
了良好的基础，剩余苦味合成步骤正在解析中。
5　展望
黄瓜苦味合成、调控及驯化分子机制的解析，
为综合利用苦味物质葫芦素创造了契机。通过控制
叶片和果实中的“开关”基因 Bl和 Bt，可培育一
个新的“超级黄瓜”品种：既能利用自身合成的苦
味物质进行虫害防御，减少农药使用；又可确保果
实中无苦味合成，保障蔬菜商品品质。此外，随着
合成生物学技术已趋成熟，生物合成大分子化合物
已成为可能。采用类似体外合成青蒿素的技术 [20]，
将整个葫芦素合成代谢通路导入酵母基因组，通过
发酵的方式快速、高效合成和改良葫芦素，为未来
开发新的抗癌药物提供了新的思路和借鉴。
[参　考　文　献]
[1] Dwivedi NK, Dhariwal OP, Krishnan SG, et al .
生命科学 第27卷1094
Distribution and extent of diversity in Cucumis species in
the Aravalli ranges of India. Genet Resour Crop Evol,
2010, 57: 443-52
[2] Qi JJ, Liu X, Shen D, et al. A genomic variation map
provides insights into the genetic basis of cucumber
domestication and diversity. Nat Genet, 2013, 45: 1510-5
[3] Balkema-Boomstra AG, Zijlstra S, Verstappen FWA, et al.
Role of cucurbitacin C in resistance to spider mite
(Tetranychus urticae) in cucumber (Cucumis sativus L.). J
Chem Ecol, 2003, 29: 225-35
[4] Lester G. Melon (Cucumis melo L.) fruit nutritional
quality and health functionality. HortTech, 1997, 7: 222-7
[5] Matsuo K, DeMilo AB, Schroder RF, et al. Rapid high-
performance liquid chromatography method to quantitate
elaterinide in juice and reconstituted residues from a bitter
mutant of Hawkesbury watermelon. J Agric Food Chem,
1999, 47: 2755-9
[6] Chen JC, Chiu MH, Nie RL, et al. Cucurbitacins and
cucurbitane glycosides: structures and biological activities.
Nat Prod Rep, 2005, 22: 386-99
[7] Horie H, Ito H, Ippoushi K, et al. Cucurbitacin C-bitter
principle in cucumber plants. Jap Agr Res Q, 2007, 41: 65
[8] Da Costa CP, Jones CM. Cucumber beetle resistance and
mite susceptibility controlled by the bitter gene in
Cucumis sativus L. Science, 1971, 172: 1145-6
[9] Metcalf RL, Metcalf RA, Rhodes AM. Cucurbitacins as
kairomones for diabroticite beetles. Proc Natl Acad Sci
USA, 1980, 77: 3769-72
[10] Chen XP, Bao JL, Guo JJ, et al. Biological activities and
potential molecular targets of cucurbitacins: a focus on
cancer. Anti-Cancer Drugs, 2012, 23: 777-87
[11] Blaskovich MA, Sun JZ, Cantor A, et al. Discovery of
JSI-124 (cucurbitacin I), a selective Janus kinase/signal
transducer and activator of transcription 3 signaling
pathway inhibitor with potent antitumor activity against
human and murine cancer cells in mice. Cancer Res, 2003,
63: 1270-9
[12] Thoennissen NH, Iwanski GB, Doan NB, et a l .
Cucurbitacin B induces apoptosis by inhibition of the
JAK/STAT pathway and potentiates antiproliferative
effects of gemcitabine on pancreatic cancer cells. Cancer
Res, 2009, 69: 5876-84
[13] Pierce L, Wehner TC. Review of genes and linkage groups
in cucumber. Hortscience, 1990, 25: 605-15
[14] Walters SA, Shetty NV, Wehner TC. Segregation and
linkage of several genes in cucumber. J Am Soc Hortic
Sci, 2001, 126: 442-50
[15] Huang SW, Li RQ, Zhang ZZ, et al. The genome of the
cucumber, Cucumis sativus L. Nat Genet, 2009, 41: 1275-81
[16] Shang Y, Ma YS, Zhang HM, et al. Biosynthesis,
regulation, and domestication of bitterness in cucumber.
Science, 2014, 346: 1084-8
[17] Shibuya M, Adachi S, Ebizuka Y. Cucurbitadienol
synthase, the first committed enzyme for cucurbitacin
biosynthesis, is a distinct enzyme from cycloartenol
synthase for phytosterol biosynthesis. Tetrahedron, 2004,
60: 6995-7003
[18] Nützmann HW, Osbourn A. Gene clustering in plant
specialized metabolism. Curr Opin Biotechnol, 2014, 26:
91-9
[19] Chae L, Kim T, Nilo-Poyanco R, et al. Genomic signatures
of specialized metabolism in plants. Science, 2014, 344:
510-3
[20] Paddon CJ, Westfall PJ, Pitera DJ, et al. High-level semi-
synthetic production of the potent antimalarial artemisinin.
Nature, 2013, 496: 528-32