Analisi dell'evoluzione della piccantezza nel genere Capsicum grazie al sequenziamento del genoma di peperone

Capsicum genus belongs to the Solanaceae family. This genus includes some species: C. annum, that includes both peppers and hot peppers, and other four hot pepper's species: C. chinense, C. frutescens, C. pubesense e C. baccatum. These cultivations have a wide variety of uses, including in pharmaceutical and cosmetics, or as ornamental plants. For these reasons the project of pepper's genome (estimated size genome=3,48Gb) has great importance. This is based on the sequencing of C. annum CM 334, the resequencing of two coltived species ('Perennial' e 'Dempsey') and the wild species C. chinense. It's generated 650,2Gb of whole-genome shoutgun sequence, by Illumina sequencing of genomic libraries with insert size rancing from 180bp¿20kbp. Later these sequences were assembled by bioinformatic programs. A total of 34.903 protein-coding genes were predicted. This gene number is approximately the same for tomato (34.771) and potato (39.031), which suggests a similar gene number in Solanaceae plants. While the genome's size is very different between the members of this family, the pepper genome is approximately fourfold larger than tomato genome, owing to an accumulation of retrotransposons (Gypsy-like). The pungency of the hot pepper is due to the accumulation of capsaicinoids, a group of alkaloids that are unique to the Capsicum genus. These compounds give important characteristics to peppers, as pharmaceutical property, including antioxidative, anti-infiammatory activities, cosmetics and industrial uses. Capsaicinoids are synthesized in the placenta of fruits by an enzymatic condensation of vanillylamine and medium-lenght branched-chain fatty acid. Vanillylamine originates from the phenylpropanoid pathway, and the fatty acid derives from amino acid metabolism. The key enzime leading to the production of capsaicinoids is capsaicin synthase (CS, Pun1 locus), an acyltransferase enzyme involved in the last reaction. The Pun1 allelic state functions as an on-off switch for pungency in pepper. Hot peppers have a functional CS allele (Pun1/-), while sweet peppers have pun1/pun1 alleles (pun1 has deletion in the promoter and in the first intron of the AT3 gene) and, as a consequence, capsaicinoids cannot be formed. The phylogenetic analysis demonstrated that CS is originated through the evolution of new genes by unequal duplication of existing genes and owing to changes in gene expression in fruit after speciation. Capsinoids are non-pungent compounds, reported for the first time in the sweet pepper C. annum cv. 'CH19 Sweet'. They are analog to capsaicinoids, but they are connected through an ester rather an amine bond. In this case is pAMT that determines non pungency of the fruit. This gene shows a polymorphism, a T nucleotide insertion at 1291bp in the pAMT gene. This insertion forms a new stop codon, which prevents a normal translation. Considering that capsinoids are non-pungent, their exploitment will be likely expanded in the near future. However to obtain capsinoids from pepper fruits, raw green peppers should be eaten, since the molecules are unstable in water. For this reason, a new fresh cultivar containing capsinoids ('Maru Salad') derivated from the cross between 'CH19 Sweet' and 'Murasaki' (C. annum) has been developed. In conclusion, the recently sequenced genome of pepper is an important resource for breeding in to increase tolerance to biotic/abiotic stresses and for expanding the knowledge within the Solanaceae botanical family.

Il genere Capsicum fa parte della famiglia botanica delle Solanaceae. Esso include la specie Capsicum annum, che comprende sia peperoni che peperoncini, più altre quattro specie di peperoncini. Queste colture rivestono una grande importanza sia dal punto di vista alimentare, per il contenuto di nutrienti, sia dal punto di vista farmaceutico e ornamentale. Per questo motivo ha avuto grande rilevanza il progetto genoma del peperone (dimensione stimata del genoma = 3,48 Gb), che ha previsto il sequenziamento della cultivar C. annum CM334, il ri-sequenziamento di una specie di C. chinense e di altre due cultivar di C. annum ('Perennial' e 'Dempsey'). Il progetto ha previsto la produzione e il sequenziamento (profondità 186 X) di librerie a inserto variabile (180 bp ¿ 20 kbp), e la successiva ricostruzione delle sequenze di partenza per via bioinformatica. Analizzando il genoma di peperone sono stati predetti 34.903 geni, dato in linea con quello di altre Solanaceae. Nonostante questo, le dimensioni del genoma delle diverse specie della famiglia botanica variano molto (e.g.: il genoma di peperone è quattro volte più grande di quello di pomodoro). La piccantezza tipica del genere Capsicum è data dall'accumulo di una classe di alcaloidi, detti capsaicinoidi. Per le loro caratteristiche essi sono usati in diversi campi, come quello farmaceutico o industriale. La biosintesi di questi metaboliti secondari si osserva nelle cellule epidermiche della placenta. La loro via metabolica consiste nella condensazione di una molecola di vanillamina, derivata dalla fenilalanina, con un acido grasso sintetizzato a partire dalla leucina o dalla valina. È stato identificato come enzima chiave della formazione dei capsaicinoidi la capsaicina sintasi (CS, locus Pun1), un'aciltransferasi chiamata AT3, coinvolta nella condensazione della vanillammina con l'acido grasso che dovrebbe avere la funzione di ¿interruttore¿ per la piccantezza. Nei peperoncini piccanti, infatti, Pun1 è funzionale, mentre in quelli non piccanti è presente la forma allelica recessiva pun1/pun1, che presenta una delezione di 2,5 kb tra il promotore e il sesto introne del gene AT3. Le analisi filogenetiche dimostrano che CS sia comparso durante la speciazione per la duplicazione di un gene ancestrale ed è verosimile pensare che solo dopo l'ultimo evento il gene sia diventato funzionale. I capsinoidi sono, invece, degli alcaloidi analoghi dei capsaicinoidi, ma a bassa piccantezza e pertanto il loro utilizzo potrebbe essere allargato a più settori di utilizzo oltre quello alimentare. Essi sono stati isolati per la prima volta in una cv. di C. annum ('CH-19 Sweet'). Questi composti differiscono per la presenza di un gruppo estere al posto di un gruppo amminico. In questo caso è p-AMT a determinare la presenza/assenza di piccantezza. Questo gene, in 'CH-19 Sweet', presenta un polimorfismo, a singolo nucleotide che crea un codone di stop prematuro, impedendo la traduzione del gene. Alla fine del processo si ha la formazione di vanillil-alcol al posto di vanillammina. Sfortunatamente, però, per poter ottenere capsinoidi, i peperoni devono essere consumati crudi e verdi. È stata pertanto studiata una nuova varietà, 'Maru Salad' che presenta le caratteristiche ricercate. In conclusione, considerata l'importanza economica ed agronomica di peperone e peperoncino, il sequenziamento del genoma rappresenta un'importante risorsa per il miglioramento genetico della specie.