基于1H NMR代谢组学揭示韩国不同栽培区域红辣椒（Capsicum annuum L.）代谢物地理变异及其环境驱动机制

本研究采用1H NMR代谢组学技术，系统分析了韩国五个产区红辣椒果皮和种子组织的代谢物组成，发现地理环境因素（土壤特性、气候条件）显著影响辣椒的代谢谱。研究揭示了区域特异性代谢适应模式，如贫瘠土壤诱导GABA和辣椒素积累，营养丰富区促进糖类合成，为地域特色农产品品质调控提供了科学依据。

　　

材料与方法

研究选取韩国五个代表性红辣椒栽培区（ Chilgok、Gochang、Yeonggwang、Yeongwol、Jeju），统一栽培品种（AR Tanjeobaksa）并于2023年8月采收成熟果实。每个区域取10个生物学重复，在无菌条件下分离果皮和种子组织，液氮速冻后冻干处理。采用甲醇-d₄/D₂O（7:3）混合溶剂提取代谢物，使用800 MHz核磁共振谱仪（Bruker AVANCE III HD）采集¹H NMR谱图，并通过二维TOCSY和HSQC谱图验证代谢物鉴定结果。土壤理化性质（有机质、pH、电导率、交换性离子等）和气候数据（平均温度、降雨量、日照时数）同步分析。采用正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）和变量重要性投影（VIP）进行多变量统计分析，代谢物相对定量结果通过单因素方差检验比较显著性。

五个红辣椒栽培区的地理环境特征

栽培区海拔跨度24–259米，纬度分布范围为33°28′06″N至37°14′37″N。2023年5月至8月生长季期间，平均温度（AT）以Jeju最高（24.9°C），Gochang和Yeongwol最低（22.4°C）；总降雨量（TR）在Chilgok达1305毫米，Gochang仅749.1毫米；日照时数（TSD）最长为Yeongwol（773.8小时），Yeonggwang最短（670.4小时）。土壤分析显示，Jeju火山灰土壤有机质含量显著高于其他地区（77.0克/千克），但高阳离子交换容量（CEC）和电导率（EC 1.9 dS/m）可能限制养分有效性；Chilgok土壤呈酸性（pH 5.30）且养分贫瘠（交换性钾0.53 cmol⁺/千克）；Yeongwol土壤虽酸性强（pH 4.80），但交换性钾（2.80 cmol⁺/千克）和钙（5.3 cmol⁺/千克）含量丰富。OPLS-DA模型表明，交换性镁、有机质和钾是区分区域土壤特性的关键变量。

红辣椒的¹H NMR代谢物谱分析

¹H NMR谱图成功鉴定29种初级代谢物，包括糖类（葡萄糖、果糖、蔗糖、海藻糖）、氨基酸（γ-氨基丁酸（GABA）、谷氨酰胺、缬氨酸等）、有机酸（乙酸、琥珀酸、苹果酸）及辣椒素类化合物。化学位移区间特征明确：0.5–3.05 ppm主要为氨基酸和酰基化合物信号；3.05–5.75 ppm以碳水化合物信号为主；高于5.75 ppm区域包含芳香族氨基酸和核苷类物质。果皮与种子组织的代谢物组成呈现组织特异性差异，但各代谢物在不同样本中的化学位移一致性为跨区域比较提供了基础。

红辣椒代谢的地理差异及其环境关联

多变量分析显示，五个产区的红辣椒在果皮和种子组织中均形成明显聚类，OPLS-DA模型参数（果皮：R²Y=0.839，Q²=0.753；种子：R²Y=0.869，Q²=0.785）表明模型具有高预测可靠性。VIP分析识别出糖类、氨基酸和辣椒素类为区分区域差异的关键代谢物。

Chilgok产区（ChRP）的辣椒在贫瘠土壤（有机质5.0克/千克）和高温（24.0°C）胁迫下，果皮和种子中GABA、谷氨酰胺、葡萄糖及辣椒素含量显著升高。GABA积累与GABA分流途径的应激激活相关，而辣椒素合成受苯丙烷类和脂肪酸代谢通路驱动。Gochang产区（GcRP）在低降雨量（749.1毫米）和轻度干旱胁迫下，支链氨基酸（缬氨酸、异亮氨酸）含量上升，反映蛋白质稳态调节机制。

Yeongwol产区（YwRP）土壤营养丰富（交换性钾2.80 cmol⁺/千克），气候温和（22.4°C），其辣椒中果糖、海藻糖和葡萄糖积累最为显著，同时苏氨酸水平升高，提示氮同化作用增强。Jeju产区（JjRP）虽土壤有机质含量高，但高降雨量（938毫米）和火山灰土壤的阳离子吸附作用可能导致养分淋溶，致使糖类和氨基酸含量普遍降低。Yeonggwang产区（YgRP）在土壤中性（pH 7.20）和气候均衡条件下，蔗糖、乙酸及琥珀酸等能量代谢中间体含量较高，体现碳代谢的稳定状态。

种子组织的代谢趋势与果皮基本一致，但部分代谢物（如脂肪酸）的组织间差异凸显组织特异性代谢调控的存在。

结论

本研究通过¹H NMR代谢组学揭示了韩国红辣椒代谢谱的地理分异规律，证实环境因素（土壤养分、降雨、温度）通过调节初级代谢通路影响果实品质形成。区域特异性代谢标志物（如Chilgok的GABA、Yeongwol的糖类）为针对性栽培策略提供了依据，但鉴于数据来源于单一年份，后续需多年度验证以强化结论普适性。