Биохимия лука

Филогенетическое распространение аллииназ

Аллииназы, скорее всего, присутствуют у всех представителей рода Allium. Активность была обнаружена у Allium cepa, Allium sativum, Allium porrum (= Allium ampeloprasum), Allium tuberosum, Allium ursinum и Allium fistulosum. Об аллииназоподобной активности также сообщалось в родственных родах Alliaceae и Liliaceae, таких как Ipheion, Tulbaghia и Leucocoryne. Об аллииназоподобной активности также сообщалось в южноамериканском двудольном Adenocalymma alliaceum (Bignoniaceae). Хотя в целом аллиин-лиазы менее специфичны в своей субстратной реактивности, они были очищены из бактерий, грибов шиитаке, декоративного кустарника Albizzia lophanta и различных видов Brassica.

Локализация в растительных тканях

Lancaster и Collin (1981) использовали исследования клеточного фракционирования протопластов из луковиц лука, чтобы продемонстрировать, что аллииназа находится в вакуолях. Эллмор и Фельдберг (1994) использовали общую гистологию и специфические для фермента антитела для определения распределения аллииназы в зубчике чеснока. На срезах, окрашенных анилиновым сине-черным для выявления общего белка, были обнаружены плотные отложения в паренхиматозных оболочках пучков, особенно вокруг флоэмы (маленькие жёлтые пятна, которые видны при поперечном разрезе зубчика чеснока). Автофлуоресценция при синем свете, предположительно из-за кофактора пиридоксаль-5′-фосфата, была видна только в клетках пучковой оболочки. С помощью окраски на активность аллииназы и иммуноцитохимического окрашивания поликлональным антителом было установлено, что аллииназа концентрируется в клетках пучкового стебля, обычно толщиной в один слой.

Было показано, что мессенджерная РНК (мРНК) аллииназы также локализована в этих клетках, что указывает на то, что аллииназа синтезируется там, а не транспортируется. Высокие уровни в пучковых влагалищах располагают фермент вблизи флоэмы, куда он или связанные с ним продукты могут быть быстро перенесены во время развития. При использовании антител против аллииназы Allium sativum иммуносигналы наблюдались в клетках пучковой оболочки (особенно флоэмы) и защитных клетках листьев Allium tuberosum. Аналогичная зелёная автофлуоресценция наблюдалась в вакуолях защитных клеток лука. Эта автофлуоресценция также может быть вызвана присутствием кофактора аллииназы пиридоксаль-5′-фосфата, как и в чесноке. Присутствие аллииназы в защитных клетках лука идеально подходит для использования в качестве защитного механизма, препятствующего проникновению микробных патогенов через устьицы.

Специфическая активность аллииназы в чесноке была в десять раз выше в луковице, чем в листьях. Очень высокая лиазная активность была обнаружена в корнях, но иммунологическая перекрестная реакция с аллииназой побегов отсутствовала, что позволяет предположить наличие отдельной корневой аллиин-лиазы.

Способ действия

Возможный механизм реакции катализируемого аллииназой гидролиза ACSO.

Аллииназа катализирует высвобождение сульфоксидной группы S-алк(ен)ил из субстрата ACSO. Механизм реакции осуществляется через производное пиридоксаль-5′-фосфат-шифф-основания, которое затем подвергается бета-элиминации. Продукты этой реакции, α-иминопропионовая кислота и сульфеновая кислота, химически неустойчивы. α-иминопропионовая кислота спонтанно гидролизуется до пирувата и аммиака. Реакционноспособная сульфеновая кислота может соединяться с рядом сореактантов, как описано выше.

Пиридоксаль-5′-фосфат был продемонстрирован как важный кофактор, который также даёт аллииназе характерный пик поглощения при 420 нм. Эмпирические измерения предсказывают наличие одного очень прочно связанного пиридоксальфосфата на субъединицу. Ингибиторы пиридоксаль-5′-фосфата, такие, как цианид натрия, аминооксиацетат и аминооксипропионат, подавляют активность аллииназы.

Химия/субстратная специфичность

Субстратная специфичность аллииназы Allium была исследована для луковицы лука, корня лука, зубчика чеснока, Allium ursinum (дикий чеснок) и лука-порея. Все ферменты активны в отношении всех ACSO, даже если конкретная ACSO может не встречаться в данном аллиуме. Изучение констант Михаэлиса (значений Km) аллииназ с различными субстратами показывает, что все вышеперечисленные аллииназы сходны, при этом аллииназа имеет более низкое сродство к MCSO, чем к другим субстратам. Алкилцистеины и цистеин были конкурентными ингибиторами аллииназ. Оказалось, что субстрат аллииназы должен иметь алифатический заместитель на сере сульфоксида L-цистеина, а аминогруппа должна быть незамещенной.

Аллииназа корня лука отличается от аллииназы луковицы тем, что обладает активностью в отношении цистина (цистеин-цистеина). Таким образом, эта аллииназа обладает как C-S-лиазной, так и цистин-лиазной активностью. У видов Brassica C-S-лиазы обладают как цистеинсульфоксидной (C-S), так и цистин-лиазной активностью, но о такой двойной активности аллииназ Allium ранее не сообщалось. Аллииназы других видов, кроме Allium, обладают активностью в отношении гораздо более широкого спектра (C-S)-содержащих соединений.

Работа по изучению реакции аллииназы лука in vivo показала, что гидролиз 1-PECSO происходит немедленно и почти на 100% в период от 5 до 20 с после мацерации луковицы. Гидролиз PCSO и MCSO был неполным; около 50% оставалось даже через 2 ч. Это исследование также показало отсутствие количественной зависимости (не стехиометрической) между содержанием ACSO в ткани и пируватом, образующимся при мацерации. Только 1 моль пирувата вырабатывается аллииназой из 5 моль субстрата 1-PECSO. Для Tulbaghia violacea было показано, что C-S-лиаза инактивируется нестабильным предшественником пирувата, который связан с пиридоксаль-5′-фосфатом фермента. Эти результаты показывают, что ингибирование аллииназной реакции может происходить в мацератах. Для аллииназы лука добавление кофактора пиридоксаль-5′-фосфата усиливало гидролиз оставшихся в мацерате MCSO и PCSO.

Блок (1992) обсудил возможность того, что сульфеновая кислота может оставаться связанной с аллииназой посредством водородной связи, когда она атакуется второй свободной сульфеновой кислотой, давая оптически активный аллицин. Очевидно, что мы ещё многого не знаем о способе действия аллииназы на ACSO.

Изозимы аллииназы

Появляется все больше доказательств того, что существует несколько изоферментов аллииназы аллиума, различающихся по физическим, химическим и ферментативным свойствам. Nock и Mazelis (1987) сообщили о разделении изоформ аллииназы луковой луковицы с помощью изоэлектрического фокусирования (ИЭФ), хотя расположение полос было неясно. Наши собственные эксперименты показали, что аллииназу луковой луковицы трудно сфокусировать в полосы, хотя они и присутствовали.

Аллииназа корня лука разделяется на две изоформы на основе гликозилирования. Изоформа 1 дала одну полосу на ИЭФ (pI = 9,3), тогда как изоформа 2 дала четыре полосы (pI = 7,6, 7,9, 8,1 и 8,3). Аллииназа лука-порея давала две полосы на ИЭФ (pI = 7,5 и 7,6). Напротив, белок аллииназы Allium ursinum имел низкий pI — 4,7. Чеснок, по-видимому, имеет две различные изоформы аллииназы, одна из которых специфична для 1-PECSO и аллиина, а другая — для MCSO. Необходимо определить разделение этих двух активностей и их pI.

Физико-химические свойства

Охарактеризовать физическое состояние молекулы аллииназы оказалось непросто. Аллииназа может быть активна как мономер в луковице и корне лука, а также как димер в чесноке, тример, тетрамер и даже гексамер в луковице лука и тример в Allium ursinum и луке-порее. Аллииназа китайского шнитт-лука (Allium tuberosum) может быть активна только в виде мономера. Аллиумы содержат лектины, особенно в луковицах. Было показано, что у Allium sativum и Allium ursinum аллииназа агрегирует с лектинами низкой молекулярной массы в стабильные, активные комплексы. Эта агрегация является возможным объяснением появления аллииназы в виде мультимерных форм.

Аллииназа является гликозилированным ферментом у всех видов Allium spp., кроме лука-порея и Allium ursinum. Фермент содержит около 4,6% углеводов в Allium cepa и 5,5% в Allium sativum. При электрофорезе полиакриламидного геля с додецилсульфатом натрия (SDS-PAGE) аллииназа разделяется на субъединицы с различной молекулярной массой — от 48 до 54 кДа. В луковицах Allium cepa дегликозилирование неравных субъединиц дало единственную полосу в SDS-PAGE размером 49 кДа. Аллииназа чеснока содержит один N-связанный гликан с высоким содержанием маннозы. Аллииназа корня Allium cepa имеет изоформы, значительно отличающиеся по гликозилированию. Обе они содержали N-связанные гликаны типа комплекса ксилоза/фукоза и, кроме того, одна изоформа содержала терминальные маннозные структуры. Вполне вероятно, что различия в гликозилировании аллииназ из разных источников объясняют некоторую гетерогенность размера субъединиц. Высокое содержание маннозы в аллииназе может объяснять её агрегацию с маннозоспецифичными лектинами в мультимерные формы.

Аллииназа и замораживание. Обычно считается, что замораживание тканей лука инактивирует аллииназу. Аллииназа денатурируется не в результате замораживания как такового, а в результате клеточных процессов, происходящих во время медленного замораживания и оттаивания тканей лука. Ткани лука сохраняли активность аллииназы при замораживании в жидком N₂, хранении при — 80 °C, гомогенизации в жидком N₂ и размораживании в высокосолевом буфере, содержащем этиленгликоль. Было предположено, что нарушение клеточной среды и локальные изменения pH и ионной силы во время замораживания ответственны за инактивацию аллииназы. Клеточные протеазы, как полагают, не были вовлечены в процесс. Аллииназа Allium ursinum, однако, не разрушалась после замораживания и оттаивания нативной ткани луковицы.

Гены аллииназы

Гены, кодирующие аллииназу, были выделены из луковиц лука, китайского шнитт-лука, лука-шалота и чеснока. Аминокислотная последовательность была получена путём использования кодонов из последовательности комплементарной ДНК (кДНК) аллииназы. Гомология между аллииназой кДНК и аминокислотными последовательностями лука (луковица и лист), чеснока и лука-шалота была очень высокой и составляла > 90%. Аминокислотная последовательность аллииназы китайского шнитт-лука была гомологична другим последовательностям аллииназы только на 66-69%, в то время как аминокислотная последовательность кДНК лука-корня была наиболее дивергентной — около 50%. Южная гибридизация ДНК луковицы с полноразмерной кДНК аллииназы позволила предположить, что аллииназа кодируется небольшим семейством генов, состоящим из трёх или четырёх близкородственных членов. Два локуса аллииназы были картированы в луковице лука.

Выведенная белковая последовательность кодирующей области аллииназы из различных источников Allium дала предсказанный зрелый белок из 445 аминокислот (лук и лук-шалот), 448 аминокислот (чеснок), 447 аминокислот (китайский шнитт-лук) и 453 аминокислот (корень Allium cepa). Выравнивание аминокислотных последовательностей аллииназ Allium показало наличие консенсусной последовательности гликозилирования Asn только на Asn 146 (или Asn 143 для аллииназы корня Allium cepa). Вероятно, гликозилирование участка Asn 146 необходимо для активности аллииназы. Производная белковой последовательности кодирующей области аллииназ из лука, чеснока и шалота содержит те же четыре потенциальных сайта гликозилирования Asn в аминокислотных положениях 19, 146, 191 и 328. У Allium sativum гликозилирование происходит только на участке Asn 146. В луковицах лука гликозилирован Asn 328, а также Asn 146 и/или Asn 191, тогда как Asn 19 не гликозилирован.

Эксперименты по сайт-направленному мутагенезу в китайском шнитт-луке и исследования по маркировке пиридоксаль-5′-фосфатом в луковице лука показали, что Lys в области 250-255 аминокислот от N-конца необходим для активности аллииназы. Выравнивание аминокислотных последовательностей аллииназы Allium показало консенсусную область из 35 аминокислот вокруг высоко консервативного Lys 251 (Lys 248 для аллииназы корня Allium cepa). Область вокруг Lys -250 — -255 в кДНК аллииназы Allium также консервативна в C-S-лиазах для метаболизма цистеина, гомо-цистеина и метионина. Однако аллииназа корня Allium cepa — единственный белок Allium, показавший более широкую субстратную активность с цистин-лиазой, а также активность цистеинсульфоксидазы.

Поглощение и восстановление серы

Сера является одним из шести макроэлементов, необходимых растениям, и содержится в аминокислотах цистеине и метионине, а также в различных метаболитах. Аллиумы имеют высокое содержание серы из-за высокой концентрации ACSO и их метаболических промежуточных продуктов. Сера поглощается корнями в виде сульфата и транспортируется в сосудистой ткани к листьям, где происходит большая часть ассимиляции сульфата и его восстановления до органических соединений.

Поглощение сульфата опосредуется семейством мембранных транспортёров со специализированными функциями. Последовательности кДНК были клонированы из семи видов. Как правило, существует транспортёр с высоким сродством к сульфату, экспрессируемый исключительно в корнях, и транспортёры с более низким сродством, экспрессируемые в листьях и корнях. Пространственная структура этого транспортёра с низким сродством указывает на то, что он должен отвечать за поглощение сульфата из внутреннего апопластического пула, а не из почвы.

Сульфат является инертным соединением, которое должно быть активировано, прежде чем оно может быть метаболизировано. Путь ассимиляции, ведущий от сульфата к цистеину, включает не менее шести ферментов. Сульфат превращается в аденозинфосфосульфат (АФС). Эта реакция катализируется ферментом аденозинтрифосфат (АТФ) сульфурилазой и является единственной отправной точкой для метаболизма сульфата. В большинстве растений существует две изоформы АТФ-сульфурилазы: основная форма, расположенная в пластидах, и минорная форма, локализованная в цитоплазме. Изоформы кодируются семействами генов. Пластидный фермент существует как в листьях, так и в корнях, а хлоропласты в листьях являются основным местом ассимиляции сульфата.

Предполагаемый биосинтез ACSO и их промежуточных продуктов.

Сульфат восстанавливается перед включением в цистеин. Обычно считается, что восстановление происходит в пластидах. Реакция происходит в результате последовательного действия двух различных ферментов, оба из которых локализованы в пластидах. APS является первым субстратом, и реакция требует двух электронов для образования сульфита. Фермент, ответственный за восстановление APS, до сих пор остаётся спорным. Реакция может происходить через связанный промежуточный продукт, такой как глутатион, APS-связанный» путь и APS-сульфотрансфераза или через свободную редуктазу, такую как APS-редуктаза или фосфоаденозинфосфосульфат (PAPS) редуктаза. Восстановление сульфита происходит через сульфитредуктазу и требует шести электронов, передаваемых ферредоксином. Этот фермент был убедительно продемонстрирован путём очистки и клонирования соответствующего гена и кДНК.

Синтез цистеина из серина и сульфида в результате двух сходящихся путей представляет собой заключительный этап ассимиляции серы в органическую серу (рис.). Реакция катализируется серинацетилтрансферазой и О-ацетилсерин-лиазой в ферментном комплексе, известном как цистеинсинтаза. В отличие от других ферментов ассимиляции серы, которые локализованы в основном в пластидах, цистеинсинтаза находится в пластидах, цитозоле и митохондриях. Цистеинсинтаза также локализована в клетках оболочки сосудистого пучка. У Arabidopsis thaliana активность О-ацетилсерин-лиазы в корнях значительно увеличивает запас цистеина в растении. Затем цистеин становится доступным для включения в белки, в глутатион — ключевое соединение в клеточной окислительно-восстановительной регуляции и защите — и, у Allium, в ACSO.

Биосинтез ACSO

На рисунке выше представлен предполагаемый биосинтез различных пептидов Allium и ACSO, основанный на результатах экспериментов по мечению, в которых 35S сульфат скармливался растениям лука. Присоединение метакриловой кислоты (из валина) к глутатиону даёт S-2-карбоксипропильное производное. Последовательный гидролиз глицина, декарбоксилирование для получения γ-глутамил-S-1-пропенил цистеина, окисление до γ-глутамил-S -1-пропенил цистеин сульфоксида и расщепление γ-глутамил транспептидазой (EC 2.3.2.1) даёт 1-PECSO. Было показано, что γ-глутамил транспептидаза функционирует как гидролитический фермент в растениях Allium. Эксперименты по маркировке установили, что γ-глутамил-S-2-карбоксипропилцистеин превращается в 1-PECSO. Биосинтез 1-PECSO может также происходить из предшественника глутатиона, γ-глутамилцистеина, посредством аналогичных реакций. Метилирование глутатиона даёт S-метилглутатион, который затем превращается в MCSO. Поскольку MCSO встречается в луке в небольших количествах и отсутствует в чесноке, его биосинтезу уделялось меньше внимания. Lancaster и Shaw (1989) представили возможность того, что он образуется из γ-глутамил- S-пропенил цистеина путём насыщения двойной связи.

Аналогичная схема биосинтеза была постулирована для чеснока, с важным отличием. Чеснок накапливает γ-глутамил-цистеин, производные аллил-цистеина и меньшее количество пропенил- и метил-цистеина. Сульфоксиды γ-глутамил- S-алкенил цистеина не накапливаются в чесноке. Таким образом, можно предположить, что в чесноке действие γ-глутамил транспептидазы по расщеплению остатка глутаминовой кислоты предшествует действию предполагаемой оксидазы.

Хотя имеются веские доказательства того, что большая часть биосинтеза протекает через пептидные промежуточные продукты, исследования меток с использованием других соединений, кроме сульфата, указывают на альтернативные пути к ACSO. Алкил-тиолы, поданные в клеточные культуры, приводили к образованию соответствующих цистеиновых сульфоксидов. Прямое образование ACSO неустановленным путём было также предложено Эдвардсом и др. (1994). Широкая субстратная специфичность цистеинсинтазы, обычно функционирующей для соединения H₂S с O-ацетилсерином, означает, что экзогенные тиолы также могут быть соединены.

Регуляция метаболизма серы

В условиях низкого содержания S происходит индукция белков-транспортеров сульфатов, сульфурилазы АТФ, редуктазы АПС и цистеинсинтазы, которые участвуют в поглощении и ассимиляции S в органические соединения. Серное голодание вызывает активность определенных ферментов. Стабильные уровни мРНК высокоаффинного белка-транспортера сульфата в корнях быстро увеличиваются в ответ на серное голодание. Низкоаффинная форма медленнее или менее отзывчива на серное голодание. В целом, активность и стабильные уровни мРНК АТФ-сульфурилазы увеличиваются, когда растения испытывают серное голодание. Однако эти изменения относительно невелики, примерно в два раза или меньше, и регуляция происходит в основном в корнях. Сульфотрансфераза APS, предполагаемый первый фермент восстановления серы, является важной точкой регуляции в ассимиляции сульфата. Серное голодание вызывает накопление мРНК в корнях и увеличение активности фермента. В отличие от этого, сульфит-редуктаза не подвергается значительной регуляции на уровне мРНК. Цистеинсинтаза в пластидах листьев увеличивает уровень устойчивой мРНК после серного голодания. В Arabidopsis thaliana было показано, что серное голодание повышает уровень О-ацетил-серин-лиазы во всех частях растения и особенно в воздушных частях.

При поступлении в растения восстановленные соединения серы, такие как цистеин и глутатион, снижают активность ферментов усвоения серы. В целом, активность и стабильный уровень мРНК сульфурилазы АТФ снижаются, когда растения получают восстановленные формы серы, такие как цистеин или глутатион.

Два соединения были предложены в качестве эндогенных регуляторов этого пути. Глутатион транспортируется через сок флоэмы, и его уровень заметно снижается после кратковременного серного голодания. Эксперименты с «разделёнными корнями» подтвердили эту роль глутатиона. О-ацетил серин может действовать как положительный сигнал на усвоение серы, так как доказано увеличение мРНК устойчивого состояния белка-переносчика сульфатов при кормлении растений этим соединением.

Ремобилизация серы

Хотя ассимиляция серы в органические соединения важна для роста и развития растений, большая часть серы остаётся в вакуолях клеток в виде сульфата. По оценкам, у масличного рапса 70-90% общей серы в средних и старших листьях составляет сульфат и около 40% в самых молодых листьях. В условиях дефицита серы концентрация всех соединений серы снижалась, но особенно сульфат выступал в качестве источника серы. Эксперименты с импульсным прогоном показали, что растворимый пул серы содержит небольшой метаболически активный пул серы и более крупный пул, который находится в медленном равновесии с небольшим пулом. Ремобилизация серы из белков происходит только при дефиците азота.

В луке сульфаты составляют 41-48% от общего количества серы в луковице. Уровень сульфатов был выше у мягких сортов и при увеличении уровня снабжения серой. При дефиците S почти 95% общего количества S в луковице приходилось на ACSO и их пептидные промежуточные продукты.

Низкое снабжение серой снижало уровень серосодержащих соединений, таких как ACSO и их биосинтетические промежуточные продукты, а также глутатион. Также было показано, что низкое снабжение серой увеличивает экспрессию и активность белков, участвующих в поглощении и ассимиляции серы. Таким образом, когда сера ограничена, органические соединения серы метаболизируются более эффективно.

Увеличение активности аллииназы при низких уровнях серы повышает вероятность того, что аллииназа эндогенно участвует в переработке ACSO. Мы знаем, что аллииназа хранится в вакуолях клеток лука и гидролизует предшественники аромата, когда клетки разрушаются. Аллииназа также может играть роль в ремобилизации предшественников аромата в интактных клетках в условиях серного голодания. В экспериментах с импульсным преследованием сульфата, подаваемого на листья лука, удельная активность 35S в 1-PECSO упала наполовину между 3 и 7 днями, что свидетельствует об эндогенном метаболизме этого соединения.

Аналогичные доказательства потери меченого 35S из ACSO были обнаружены Эдвардсом и др. (1994).

Регуляция серы, связанная с защитой

Считается, что система аллииназа-ACSO вовлечена в защиту от патогенов и нападения насекомых (хотя это не доказано). Arabidopsis thaliana содержит глюкозинолаты, S-соединения, которые, по аналогичному мнению, участвуют в защите. После ранения или применения жасмоната — индуктора раневого ответа — ферменты ассимиляции S увеличиваются, а уровень глюкозинолатов возрастает в два раза. Это позволяет предположить, что раненые растения поставляют доступную серу для синтеза веществ, связанных с защитой, путём активации генов, участвующих в метаболизме серы. Было бы интересно выяснить, наблюдаются ли подобные реакции у аллиумов.

Генетические факторы, влияющие на вкус

Хорошо известно, что сорта Allium различаются по интенсивности вкуса. В то время как потребители во многих культурах предпочитают острые сорта, другие предпочитают сорта с мягким и сладким вкусом. Спрос на качество и интенсивность вкуса зависит от культурных предпочтений и предполагаемого использования. На протяжении многих лет, используя различные аналитические методы, различные исследования описывали различия в качестве и интенсивности вкуса среди сортов лука. Платениус (1941) использовал общий летучий S для разделения 16 сортов лука, содержание которого варьировалось от 59 до 156 ppm. Аналогичным образом, летучий ЛФ, тиопропаналь S-оксид, использовался для разделения девяти сортов, хотя было сообщено о незначительном разделении, вероятно, из-за нестабильности и временной чувствительности измерения этого соединения.

Поскольку его легко измерить, ферментативно вырабатываемый пируват использовался для сравнения сортов в ряде исследований. Содержание пирувата у культиваров варьирует от 1 до 22 мкмоль/г свежего веса ткани луковицы. Однако поскольку пируват является продуктом гидролиза всех предшественников вкуса, он измеряет только общую интенсивность вкуса и не дифференцирует качество вкуса. Общая и индивидуальная ACSO также использовались для разделения сортов лука по качеству и интенсивности вкуса.

Учитывая сложность поглощения S, его снижение и потребность в нём для здорового роста и развития растений, его использование в пути биосинтеза аромата и тот факт, что лук культивировался различными цивилизациями на протяжении тысячелетий, понятно, что существует постоянная вариация интенсивности аромата среди сортов лука. Культивары различаются по общему содержанию S в растениях, а различия в интенсивности вкуса и качестве, вероятно, возникают из-за вариативности в поглощении серы и её метаболизме через биосинтетический путь вкуса. Шестьдесят два сорта лука были протестированы на содержание S в листьях и луковицах при двух уровнях S-плодородия. При высокой плодородности S в листьях варьировал от 1,11 до 0,69% сухого веса, а в луковицах — от 1,03 до 0,46% сухого веса. При низкой плодородности S листьев и луковиц была значительно ниже и менее изменчива среди тестируемых сортов. Слабые корреляции между S листьев и S луковицы, а также между S луковицы и ферментативно вырабатываемым пируватом указывают на то, что сорта различаются по способу разделения S на вкусовые и невкусовые соединения.

Один из способов, которым сорта различаются по расщеплению S, заключается в их способности снижать содержание SO₄^2-, чтобы он мог попасть в ароматический путь. Острые сорта более эффективны в восстановлении SO₄^2-, тогда как мягкие сорта хранят больше поглощённого S в виде SO₄^2- в вакуолях клеток растения, тем самым исключая его из вкусового пути. Однако различия внутри лука для АТФ-сульфурилазы и других ферментов, ответственных за восстановление SO₄^2-, ещё предстоит описать.

Сорта лука также различаются по способности накапливать соединения S среди и внутри различных путей, ведущих к синтезу вкусовых прекурсоров. Резкие сорта, как правило, накапливают больше общего содержания вкусовых прекурсоров, чем более мягкие сорта. Однако в одном случае мягкий сорт накапливал больше общего содержания ACSO, чем более пунцовые сорта. Это было объяснено различиями в условиях выращивания оцениваемых сортов. Резкие сорта также выделяют больше серы в биосинтетический путь 1-пропенил-цис-теинсульфоксида по сравнению с более мягкими сортами. Более высокие уровни γ-L-глутамил-S-(1-пропенил)-L-цистеин сульфоксида, предпоследнего пептида, ведущего к 1-пропенил цистеин сульфоксиду, и S-2-карбоксипропил глутатиона, обнаруженного в начале пути, накапливались в более высокой концентрации у этих сортов. γ-L-глутамил-S-(1-пропенил)-L-цистеин сульфоксид также, по-видимому, является узким местом в регуляции перемещения S по этому пути, поскольку его концентрация в четыре раза превышала концентрацию S-2-карбоксипропилглутатиона, когда растения выращивались в условиях высокого содержания S.

Культивары также различаются по уровню активности аллииназы in vitro. Несмотря на значительную изменчивость от луковицы к луковице, резкие сорта имели в два-три раза более высокую активность аллииназы, чем мягкие сорта. Однако активность аллииназы in vitro, возможно, не является точным средством классификации вкусового потенциала лука, поскольку лук, выращенный в среде с низким содержанием серы, имел большую активность аллииназы, хотя и более низкий вкусовой потенциал, чем лук, выращенный в среде с высоким содержанием серы. Повышенное содержание метилцистеинсульфоксида по отношению к 1-пропенилцистеинсульфоксиду и активность аллииназы in vivo по отношению к этим предшественникам изменяются — это возможные причины такого расхождения.

Несмотря на различия в средней интенсивности вкуса или качестве среди сортов лука, значительные различия между луковицами наблюдаются для измеряемых компонентов вкуса. В гетерогенном виде, таком как лук, можно ожидать врождённой изменчивости любого сорта. При выведении сортов лука отсутствие активной селекции на вкус в сочетании с сильной инбридинговой депрессией, вероятно, способствовало этой изменчивости. Значительная изменчивость от образца к образцу или от луковицы к луковице была описана для содержания летучей серы, ферментативно вырабатываемого пирувата и общего S луковицы, активности аллииназы, γ-глутамиловых пептидов и содержания вкусовых прекурсоров. В каждом случае изменчивость от луковицы к луковице подчёркивала необходимость использования нескольких образцов луковиц при проверке различий между сортами или при проверке влияния обработки на производительность сорта. Объединённой ткани десяти луковиц обычно достаточно для обнаружения разницы в 10 промилле летучей серы между сортами, хотя увеличение образца до 20 или 25 луковиц повысило его точность. Рэндл (1992b), используя статистическую модель выборки, определил, что десяти луковиц лука, повторённых четыре раза, будет достаточно для обнаружения разницы в 1 мкмоль пирувата между обработками с достоверностью 95%. Значительная изменчивость качества и интенсивности вкуса от луковицы к луковице предполагает, что для улучшения качества и постоянства вкуса необходим активный отбор при выведении сортов.

Было проведено мало исследований, изучающих генетическую основу аромата или развития аромата у Allium. Получение оценок наследственности и представление генетических вариаций у лука затруднено из-за сложной цветочной морфологии вида и подверженности депрессии инбридинга. Однако сам факт, что сорта различаются по интенсивности вкуса во всём мире и что их общие вкусовые характеристики передаются через последовательные циклы посева, говорит, что интенсивность вкуса является наследственным признаком. При оценке наследственности с помощью контролируемых скрещиваний между отобранными родителями значения, близкие к 1,0, указывают на высокую степень связи между потомством и родителями, в то время как значения, близкие к 0, говорят, что выраженность признака не передается от родителей к потомству. Однако при тестировании на наследуемость следует учитывать мощность каждой схемы спаривания, поскольку некоторые тесты более строги, чем другие, при получении оценок наследуемости.

При оценке большого количества растений исследователи полагаются на быстрые химические тесты для дифференциации интенсивности вкуса среди отдельных фенотипов. Оценка ферментативно вырабатываемого пирувата была наиболее широко используемым анализом, и несколько лабораторий увеличили скорость и эффективность теста, чтобы учесть большое количество образцов. Warid (1952) использовал регрессию между родителями и потомками для получения оценки наследственности в 0,71 для жгучести луковиц короткодневного лука. Совсем недавно, используя анализ средств генерации от скрещивания между родителями-долгожителями и оценку за один год, оценки наследственности в широком смысле для жгучести луковиц варьировали от 0,13 до 0,56. Лин и соавторы также определили, что наследование жгучести луковиц происходит в основном за счёт аддитивных эффектов генов, и поэтому отбор на основе родительских характеристик был возможен. Оценки наследственности в узком смысле для жгучести луковиц, рассчитанные на основе анализа потомства полусибсов среди короткодневных луков в одном цикле оценки, составили от 0,25 до 0,53. Соответствующие реализованные оценки наследственности в результате одного поколения направленного отбора на более низкую жгучесть были между 0 и 0,51. Однако в том исследовании неизбранная популяция и отобранные луковицы оценивались в один сезон, а отобранная популяция — в другой.

Ежегодные изменения окружающей среды могут значительно повлиять на показатели жгучести. Саймон (1995) использовал анализ средств поколения и четырёх- и восьмиродительские диаллельные спаривания для определения генетического контроля жгучести в течение двухлетнего периода оценки. Оценки наследственности в широком смысле от четырёх родительских скрещиваний с длинным днём варьировали от 0,34 до 0,89, со значительными эффектами года. Преобладание аддитивной генетической изменчивости позволило предположить, что отбор будет эффективным для манипулирования жгучестью луковиц. В другом исследовании жгучесть тестовых скрещиваний, полученных в результате факториальной схемы спаривания, была эквивалентна наиболее жгучему родителю, когда длиннодневные популяции открытого опыления (ОП) хранились в течение 3 месяцев и оценивались в два разных года. Тестовые скрещивания с испанскими популяциями ОП были признаны обладающими самой низкой жгучестью.

В целом, оценки наследственности, представленные в вышеуказанных исследованиях, указывают на низкую или умеренную способность передавать вкусовые характеристики от родителей к потомкам, что говорит, что хотя изменения в интенсивности вкуса могут быть достигнуты, прогресс может быть медленным. Выпуск сорта «NuMex Dulce», селекции от «NuMex Starlite», подтверждает это наблюдение. После двух циклов рекомбинантного отбора на более низкий уровень пирувата средняя жгучесть NuMex Dulce снизилась с 5,2 до 4,4 мкмоль пирувата на 1 г сырого веса. Как Саймон (1995), так и Уолл и др. (1996) сообщили о прогрессе от селекции на снижение жгучести луковиц, причём уровень прогресса зависел от селекционируемых популяций. В настоящее время селекционеры ведут активную селекцию на снижение жгучести в рамках программ в США, Европе и Израиле. Другие выведенные сорта лука были отобраны на низкую жгучесть луковиц.

Часто считается или предполагается, что содержание растворимых твёрдых веществ/сухого вещества и жгучесть фенотипически коррелируют. Сорта с низким содержанием сухого вещества обладают низкой жгучестью, в то время как сорта с высоким содержанием сухого вещества более жгучие. Платениус (1941) сообщил о некоторой связи, но также отметил, что сорта со слабой и сильной жгучестью имели одинаковое содержание сухого вещества. Аналогично, Швиммер и Гуаданьи (1962) и Лин и др. (1995) сообщили о слабых корреляциях между жгучестью и растворимыми сухими веществами (r = 0,57 и r = 0,50-0,42, соответственно). Однако эта корреляция является положительно смещенной ассоциацией, поскольку соединения, вызывающие жгучесть, также способствуют увеличению содержания растворимых сухих веществ. Более того, в этой взаимосвязи всегда можно найти исключения, если количество оцениваемых сортов велико, также сообщалось о незначительных корреляциях между сухими веществами и жгучестью. Сильная положительная корреляция между пируватом и растворимыми твёрдыми веществами среди родителей и гибридов F₁ была незначительной или даже стала отрицательной внутри и среди семей F3, и, вероятно, эти признаки могли быть отобраны независимо. На самом деле, биосинтетические пути, ведущие к образованию вкусовых предшественников и накоплению растворимых углеводов, имеют мало общего. И если гены, ответственные за синтез вкусовых предшественников и растворимых углеводов, генетически не сцеплены, вероятно, каждая биосинтетическая система будет работать независимо, и будут существовать возможности для манипулирования каждой системой в отдельности.

Тканевые и онтогенетические факторы, влияющие на аромат

Аромат и компоненты аромата неравномерно распределены в различных тканях среди видов Allium spp. Общее содержание летучих сульфидов в измельченных тканях пяти видов Allium spp., произрастающих в Северной Америке, было выше в листве, чем в луковицах. Качество аромата также различалось между тканями, поскольку метил- и аллилсульфидные радикалы были обнаружены в более высоких концентрациях в луковицах, чем в листве. Метильные и аллильные молекулы вызывают различные вкусовые качества и сенсорные нотки при употреблении. Концентрация летучих молекул серы в листьях и луковицах различалась по концентрации и составу и зависела от вида Allium. Они также сообщили о слабой связи между предшественниками сульфоксида алк(эн)ил цистеина и их летучими молекулами в исследуемых тканях.

Градиенты аромата также существуют в тканях луковиц различных видов Allium spp. Сообщения о градиентах аромата в луковицах лука различаются, хотя самые высокие концентрации обычно наблюдаются во внутренней части и у основания луковиц, а самые низкие — на верхушке и в наружных чешуях. Фриман (1975) сообщил о последовательном увеличении концентрации тиосульфината и пирувата от наружной к внутренней чешуе лука и от наружных к внутренним листьям лука-порея. Ланкастер и др. (1986), напротив, сообщили об увеличении общего содержания прекурсоров от наружных чешуй лука к середине внутренних чешуй, а затем о снижении содержания прекурсоров во внутренних чешуях. 1-пропенил цистеин сульфоксид был обнаружен в более высокой концентрации в наружных чешуях лука, в то время как метил цистеин сульфоксид был в более высокой концентрации во внутренних чешуях. Аналогичным образом, концентрация пирувата увеличивалась от наружной к внутренней чешуе у трёх протестированных сортов лука. Различия также существуют внутри луковицы лука сверху вниз. Ферментативно продуцируемый пируват был самым высоким у основания луковицы, снижался к вершине, а затем увеличивался. Более высокая жгучесть в верхней и нижней части луковицы была результатом более высоких концентраций сульфоксида 1-пропенилцистеина. В чесноке наибольшие концентрации тиосульфинатов были обнаружены в листьях хранения, меньшие — в ростках и листочках.

Вкус меняется в зависимости от стадии роста, поскольку растения развиваются вегетативно, а затем переносят вещества в запасающие ткани. Незрелые луковицы лука выделяли мало летучей серы, её количество увеличивалось по мере роста луковицы, а затем уменьшалось по мере созревания и перехода в состояние покоя. Эти изменения были связаны с изменением содержания воды в луковицах в процессе развития и созревания, поскольку различия были минимальными, если выражать их в процентах от сухого веса. Общее содержание серы в листьях, измеренное во время ранней бутонизации, было выше, чем общее содержание серы в луковицах зрелых растений. Жгучесть лука также снижалась по мере созревания луковиц.

Когда растения Allium amplectens и Allium anceps находились в состоянии покоя, не было обнаружено различий в количестве производимых летучих сульфидов. Но по мере роста растений в течение сезона количество летучих сульфидов увеличивалось. Ланкастер и др. (1986) первыми показали, что различия в концентрации и составе ароматических веществ между тканями растений могут быть результатом онтогенетических факторов, а также типа ткани. В луке до луковицы общая концентрация вкусовых прекурсоров была выше в листьях, чем в чешуе луковицы. Однако, когда растения начали набирать луковицы, общая концентрация прекурсоров в луковицах стала превышать концентрацию в листьях. В растениях до образования луковицы также были чрезвычайно низкие уровни γ-глутамиловых пептидов. Но по мере роста луковиц появились большие скопления γ-глутамилпропенилцистеинсульфоксида и, в меньшей степени, S-2-карбоксипропилглутатиона. Значительное увеличение содержания γ-глутамил-S-аллил-L-цистеина, γ-глутамил-S-(транс-1-пропенил)-L-цистеина и аллил цистеин сульфоксида также происходит в чесноке по мере созревания зубчиков в течение последнего месяца роста.

Изменение вкуса во время хранения

Луковицы лука и чеснока обычно хранятся в течение разного времени до поступления в продажу. Несмотря на то, что луковицы могут находиться в состоянии покоя в течение этого времени, изменения вкуса лука и чеснока были измерены. Однако трудно провести сравнение между этими исследованиями из-за различий в до- и послеуборочных факторах, которые могли повлиять на глубину покоя луковиц и их качество. Различия в условиях и продолжительности хранения также делают сравнение проблематичным. Тем не менее интенсивность вкуса и качество изменяются в процессе хранения, и эти изменения зависят от сорта, продолжительности хранения, глубины покоя луковиц и температуры хранения.

Freeman и Whenham (1976) из Великобритании сообщили об увеличении ферментативно вырабатываемого пирувата для двух сортов лука длительного хранения в первые 210 дней хранения, за которыми последовало резкое снижение жгучести до 240 дней. Температура влияла на величину изменений: четырёхкратное увеличение жгучести происходило при хранении луковиц при температуре 2 °C и температуре окружающей среды и только двух-трехкратное увеличение при хранении при 25 °C. В США у трёх сортов, хранившихся при температуре 15-22 °C в течение 4 месяцев, а в другом исследовании жгучесть сорта «Spartan Banner» увеличилась. При температуре 4 °C жгучесть четырёх сортов длинного дня в целом снижалась в течение 7-месячного периода хранения, хотя наблюдались значительные различия между двумя годами, в которые проводилось исследование. У плохо хранящегося сорта «Walla Walla» жгучесть увеличилась более чем в четыре раза за 4-недельный период для рано убранных луковиц, но лишь немного увеличилась за 7-недельный период для зрелых луковиц. Плохо хранящийся лук сорта «Granex» оценивался в различных условиях хранения на предмет изменения вкуса. В каждой ситуации хранения жгучесть увеличивалась в течение 6 месяцев, при этом наименьшее увеличение произошло при хранении в условиях холодильника и контролируемой атмосферы (CA) с 5% CO₂ и 3% O₂, а наибольшее увеличение (почти X 2) — при хранении в холодильнике с нормальной атмосферой при 1 °C. Позже лук сорта «Granex» был оценен на предмет изменения жгучести после июня в коммерческих хранилищах с контролируемой атмосферой в регионе выращивания Видалия. Хотя лук из 14 хранилищ представлял разные сорта, разную продолжительность хранения и разные комбинации методов культуры и обработки, все партии увеличивали жгучесть. Хотя для прогнозирования увеличения жгучести было получено простое уравнение регрессии, анализ данных выявил значительные отклонения от линии регрессии, что говорит, что этот подход может быть не совсем простым.

В попытке определить генетические различия между сортами в отношении изменений вкуса, происходящих во время хранения, восемь сортов были выращены и хранились в одинаковых условиях. Данные выявили сложную картину изменений вкуса, которые происходили во время хранения и зависели от сорта. У одних сортов жгучесть уменьшалась, у других увеличивалась, а у третьих увеличивалась, а затем уменьшалась во время хранения.

У чеснока жгучесть луковиц увеличивалась от 90 до 180 дней хранения, а затем уменьшалась по мере хранения луковиц до 300 дней.

Изменения вкуса были связаны с прорастанием после потери луковицами состояния покоя. Когда луковицы прорастали, ароматические соединения мобилизовались и переносились в появляющиеся листья, с соответствующим увеличением активности ферментов, связанных с переносом. Прорастание луковиц, однако, происходило спустя долгое время после потери покоя. Когда потеря покоя определялась по способности луковицы образовывать придаточные корни, не удалось установить корреляцию между изменениями вкуса и потерей покоя во время хранения. Например, два сорта короткодневного лука теряли дормантность с одинаковой скоростью, но у одного из них увеличивалась, а у другого уменьшалась жгучесть. В другом примере короткодневный сорт, потерявший дормантность во время хранения, имел снижение жгучести по сравнению с уровнем до хранения, такое же как и длиннодневный сорт, который оставался полностью дормантным. Таким образом, оказывается, что метаболические изменения, происходящие в ароматическом пути во время хранения, довольно сложны и необязательно связаны с переходом луковицы в состояние покоя. Эта область требует дальнейшего изучения, поскольку изменения вкуса, происходящие во время хранения, оказывают значительное влияние на рынок.

Также было показано, что качество вкуса меняется во время хранения лука и чеснока. При хранении чеснока при 4 °C в течение 22 недель было обнаружено значительное увеличение содержания аллил- и транс-1-пропенил-тиосульфинатов, причём на уровне, примерно в четыре раза превышающем уровень аллицина. Однако при хранении луковиц при 22 °C увеличение было значительно меньше. Аллицин оставался неизменным при обеих температурах хранения. Используя продукты перегруппировки 3-винил-1,2-дити-5-ен и 3-винил-1,2-дити-4-ен в качестве индикаторов поведения содержания аллицина во время хранения, были получены аналогичные результаты в течение 22 недель хранения при комнатной температуре. Однако, когда хранение продолжалось до 43 недель, содержание аллицина в луковицах чеснока значительно снизилось, в то время как диаллилдисульфид значительно увеличился в течение всего периода хранения.

В луке 1-пропенилцистеинсульфоксид и продукты его распада обычно увеличиваются во время хранения луковиц. Поскольку продукты сульфоксида 1-пропенилцистеина ответственны за слезоточивость и остроту хранение делает этот лук более резким на вкус. Тиопропаналь-S-оксид из хранящихся луковиц увеличивался в течение первых 7 месяцев хранения в условиях окружающей среды, а затем уменьшался на 8-м месяце. При хранении при 2 °C наблюдалась аналогичная картина, но уровень лакриматора был ниже, а 6 месяцев хранения при 0 °C привели к увеличению более чем на 50% содержания 1-пропенилцистеинсульфоксида в двух сортах лука в Великобритании.

Сорта короткого, среднего и длинного дня, которые выращивались и хранились в аналогичных условиях в США, отличались по скорости и количеству увеличения 1-пропенила. У одного сорта содержание 1-пропенилцистеинсульфоксида увеличилось более чем в два раза, тогда как у других — только на 40%. Интересно, что скорость увеличения содержания сульфоксида 1-пропенилцистеина во время хранения у семи сортов была пропорциональна потере сульфоксида y-глулаинилпропенилцистеина, что позволяет предположить, что активность y-глулаинилтранспептидазы ответственна за увеличение содержания вкусовых прекурсоров в течение всего периода хранения. Содержание метилцистеинсульфоксида, напротив, в целом снижалось в процессе хранения, хотя у некоторых сортов оно практически не изменилось. Поскольку было показано, что гидролиз 1-пропенилцистеинсульфоксида влияет на полный гидролиз метилцистеинсульфоксида, характер изменения содержания прекурсоров во время хранения имеет важное значение для вкусовых качеств. Действительно, в то время как активность аллииназы по отношению к 1-пропенилцистеинсульфоксиду не изменялась в процессе хранения, после 4 месяцев хранения гидролизовалось незначительное количество метилцистеинсульфоксида.

Экологические факторы, влияющие на вкус

Давно признано, что лук, выращенный в разных районах, может иметь различную интенсивность вкуса. Итальянский красный» лук, выращенный в Италии, был более мягким, чем луковицы того же сорта, выращенные в Нью-Йорке. Популярные сорта, отобранные в Новой Зеландии, имели трёхкратную разницу в общем содержании связанных с S вкусовых прекурсоров в зависимости от места выращивания. Сообщалось о ежегодных колебаниях в жгучести луковиц, причём некоторые различия были более чем двукратными для конкретного сорта. Причина этих различий, очевидно, во многом связана с условиями, в которых выращивался лук. Местность может отличаться по типу почвы, плодородию, доступности воды, температуре выращивания, солнечной радиации и методам управления под руководством фермера. Многие из этих факторов также могут различаться в разные годы. С помощью контролируемых экспериментов исследователи начали выделять конкретные факторы, влияющие на интенсивность и качество вкуса.

Доступность серы (сульфатов) была наиболее тщательно исследована и, вероятно, оказывает наибольшее влияние на интенсивность и качество вкуса среди всех экологических факторов. Очевидно, что ограничение количества серы или её изобилие для растения должно серьезно повлиять на количество синтезируемых соединений-прекурсоров вкуса на основе серы. Freeman и Mossadeghi (1970) впервые показали в контролируемых тепличных экспериментах, что интенсивность пунцовости (общая интенсивность вкуса) можно варьировать от почти ничтожных уровней до высоких уровней, просто манипулируя количеством сульфата, поступающего в растение. Аналогичные результаты были получены для сульфата, подаваемого на чеснок и Allium vineale. Их работа также показала, что может быть достигнута точка насыщения, после которой дополнительное количество сульфата не приводит к значительному увеличению жгучести. В полевых экспериментах жгучесть не реагировала на внесение серы, поскольку этот элемент уже был обеспечен в достаточном количестве. В техасском исследовании Гамильтона и коллег сульфат в почве составлял от 120 до 530 ppm, а в поливной воде — 71 ppm сульфата. При таких уровнях S был намного выше точки насыщения для сульфата, и было обнаружено незначительное влияние на жгучесть луковиц. Кумар и Сахай (1954) в Индии показали реакцию жгучести на внесение сульфата в луке, выращенном в поле.

Для многих видов лука желательна высокая интенсивность вкуса. В большинстве случаев в районах выращивания имеется достаточное количество сульфатов в почве, или сульфаты добавляются в почву с помощью обычных методов повышения плодородия. Однако для производства действительно мягкого лука необходимо ограничить поступление сульфата в растение. Для производства мягкого лука содержание сульфатов в почве и воде не должно превышать 50 ppm. Поскольку сульфат является вымываемым ионом, лёгкие песчаные почвы предпочтительнее тяжёлых или высокоорганических почв для выращивания мягкого лука. Поскольку сера является обязательным элементом и необходима для нормального роста и развития растений, ограничение поступления сульфатов при производстве мягкого лука привело к снижению урожайности. Но и высокий уровень доступного сульфата может снижать урожайность лука и чеснока.

Изменение сульфатного плодородия также влияет на накопление сахара и растворимых твёрдых веществ в луке. Некоторые сорта обеспечивают повышенное содержание твёрдых веществ/сахара при высокой сульфатной плодородности, в то время как другие снижают содержание твёрдых веществ/сахара. С другой стороны, некоторые сорта, особенно те, которые могут быть мягкими, увеличивают содержание твёрдых веществ/сахара при низкой сульфатной плодородности. У дегидраторного лука «Giza 20» в Египте повышение плодородности серы увеличило общее содержание твёрдых веществ, общее содержание фруктовых веществ и жгучесть луковицы. Сахара сахароза, глюкоза и фруктоза, напротив, уменьшались по мере увеличения плодородности серы.

Сорта лука различаются по своей вкусовой реакции на сульфатное плодородие. На некоторые сорта сильно влияют изменения в доступном сульфате, в то время как другие демонстрируют меньшую реакцию. Более того, слабая корреляция в ранговом порядке сортов, выращенных при высокой и низкой S-плодородности, говорит, что метаболизм серы в рамках ароматического пути среди зародышей лука может быть довольно сложным.

Изменение сульфатной плодородности также оказывает значительное влияние на распределение серы в растении. У растений, выращенных при высокой сульфатной плодородности, больше серы сохраняется в листьях во время бутонизации, чем у растений, выращенных при низкой сульфатной плодородности. Разница в общем количестве серы в листьях между растениями, выращенными при высоком и низком уровнях серы, становится преувеличенной по мере развития бутонизации, а массовая транслокация сопровождает бутонизацию. Если листьям зрелых луковиц дать отсохнуть и высохнуть, то в листьях растений, выращенных при низком уровне сульфатного плодородия, практически не остаётся серы. По мере повышения сульфатной плодородности количество общей серы, запасённой луковицами в виде сульфата, увеличилось примерно с 10% до почти 50%. Рэндл и соавторы также заметили, что сорта с острым вкусом накапливали меньший процент сульфата в луковице по сравнению с сортами с мягким вкусом. Похоже, что сорта с острым вкусом имеют большую метаболическую потребность в сере и более эффективно включают S в и через путь, ведущий к накоплению ароматических предшественников. С другой стороны, одним из механизмов, объясняющих мягкость лука, является способность растения отделять большее количество поглощённой серы в виде сульфата, тем самым исключая её из пути ACSO.

Плодородие S оказывает выраженное влияние на то, как органический S накапливается и метаболизируется через различные пептиды и предшественники ароматического пути. В условиях высокой S-плодородности сульфоксид 1-пропенилцистеина накапливался в самой высокой концентрации среди отдельных предшественников аромата. Поскольку большинство луков выращивается при достаточном S-плодородии, в других исследованиях сообщалось, что 1-пропенилцистеинсульфоксид является основным предшественником аромата лука. Однако при снижении плодовитости S до уровня, близкого к дефициту, концентрация метилцистеинсульфоксида увеличивалась и он становился доминирующим предшественником. Пропил цистеин сульфоксид, который обычно находится в самой низкой концентрации среди отдельных предшественников (и при некоторых методах анализа не обнаруживается в луке), был обнаружен в более высокой концентрации, чем 1-пропенил цистеин сульфоксид, когда плодородие S приблизилось к уровню дефицита. При низкой плодородности S эффективно метаболизируется по пути биосинтеза аромата и не накапливается в значительной степени в пептидных промежуточных продуктах. Почти 95% общего количества S в луковице может быть учтено в соединениях ароматического пути. Однако по мере увеличения плодовитости S, пептидные промежуточные соединения 2-карбоксипропилглутатион и γ-глютамил-1-пропенилцистеин сульфоксид начали накапливаться в более высоких концентрациях. При высокой плодовитости S менее 40% общей серы луковицы приходилось на соединения ароматического пути.

Азот. Высокая доступность азота влияет на интенсивность и качество вкуса лука. Когда уровни азота в растворе изменялись от 0,22 до 0,97 г л 1 в гидропонных растворах, ферментативно продуцируемый пируват линейно увеличивался, но затем уменьшался при самом высоком уровне азота. MCSO увеличивался по мере увеличения доступности азота, в то время как 1-PECSO сначала увеличивался, но затем уменьшался при более высоких уровнях азота. ПКСО в целом увеличивалась с повышением уровня азота. Изменения в концентрации и соотношении ACSO влияют на сенсорное восприятие лукового вкуса.

Селен. Плодородие селената также влияло на качество и интенсивность вкуса лука. Из 16 исследованных сортов у шести наблюдалось значительное снижение ферментативно вырабатываемого пирувата, хотя у большинства из них наблюдалась тенденция к снижению жгучести при выращивании в присутствии селената натрия. Влияние селената натрия на вкусовые качества было аналогично тому, которое было обнаружено при выращивании лука в условиях S-стресса. Содержание MCSO увеличивалось, а 1-PECSO уменьшалось в присутствии высокой плодородности селената натрия, хотя и наблюдались различия между протестированными сортами.

Кальций. В полевом исследовании предпосадочное внесение кальция не оказало большого влияния на жгучесть луковиц лука. Только обработка с самым высоким содержанием кальция вызвала значительное повышение жгучести, и этот эффект был объяснён тем, что внесение Ca вызвало дисбаланс питательных веществ в почвенном растворе.

Температура влияет на рост и развитие лука. Бутонизация прекращается при понижении температуры ниже 10 °C; она достигает максимума при температуре около 38 °C. Летучие соединения серы в луке увеличиваются с повышением температуры, хотя он не смог уточнить, были ли различия во вкусе обусловлены ростом растений в зависимости от температуры или прямым влиянием температуры на развитие вкуса. Позже лук выращивали при четырёх температурах и в двух режимах: в течение 35 дней, а затем проверяли развитие пирувата в луковице, и до созревания луковицы, а затем проверяли пируват в луковице. В обоих случаях при повышении температуры от 10 до 30 °C утилизация серы увеличивалась, а жгучесть луковицы удваивалась. В этих пределах, чем жарче условия, тем более резким будет лук.

Выращивание лука в засушливых условиях также увеличивает жгучесть луковиц по сравнению с луком, выращенным в хорошо орошаемых условиях. Когда лук выращивался при естественных осадках или при искусственном орошении, лук с естественными осадками давал более высокое содержание летучей серы по сравнению с луком, получавшим дополнительное искусственное орошение. Более сухие условия выращивания также привели к тому, что луковицы имели более высокий уровень жгучести, измеряемый ферментативно вырабатываемым пируватом, и большую интенсивность вкуса при оценке вкусовой панели. Поскольку в более сухих условиях размер луковицы был меньше, предполагалось, что увеличение силы вкуса связано с концентрацией вкусовых соединений в мелких клетках.

Потребление воды и поглощение сульфатов луком слабо коррелировали (r = 0,09). На потребление воды сильно влияли суточные различия в солнечной радиации, в то время как на поглощение сульфатов это не влияло. Однако точный механизм увеличения вкуса у растений, испытывающих водный стресс, ещё предстоит выяснить.