丝瓜发育与成熟过程中关键代谢途径的动态调控网络解析

《Horticultural Plant Journal》：Key metabolic pathways across sponge gourd ( Luffa aegyptiaca Mill.) development and ripening

本研究针对丝瓜(Luffa aegyptiaca Mill.)发育与成熟过程中基因表达与营养调控网络互作机制不清的问题，通过整合转录组学、代谢组学与WGCNA分析，系统揭示了从花后1天至50天全周期中类黄酮、酚酸、果胶多糖及氨基酸等关键代谢物的动态变化规律，并构建了MYB25、FLS、HCT、CSE、PG、GAD等重要基因及转录因子ERF12、bZIP5参与的调控网络，为葫芦科作物品质改良与代谢研究提供了重要理论依据。

　　

丝瓜(Luffa aegyptiaca Mill.)作为一种重要的蔬菜和药用植物，在热带和亚热带地区被广泛种植。它不仅营养价值高，富含维生素C、矿物质等多种有益成分，还具有抗炎、抗病毒等药用价值。然而，与番茄、水稻、猕猴桃等作物相比，人们对丝瓜整个生长发育周期的代谢调控网络了解甚少。特别是在果实发育、成熟乃至衰老过程中，基因如何动态调控类黄酮、酚酸、果胶多糖、氨基酸等重要代谢物的合成与积累，这些过程背后的分子机制仍是一个“黑箱”。解开这个黑箱，对于提高丝瓜果实品质、延长货架期以及挖掘其药用潜力至关重要。

为了系统揭示丝瓜从发育到衰老的完整代谢蓝图，由安振福、白春梅、王敏等来自北京市农林科学院农产品加工与营养研究所的研究团队，在《Horticultural Plant Journal》上发表了他们的研究成果。他们采集了丝瓜从花后1天(1 DPA)到50天(50 DPA)共14个发育时期的21个样本（包括果皮和果肉），运用转录组学(Transcriptomics)和代谢组学(Metabolomics)技术，并结合加权基因共表达网络分析(WGCNA, Weighted Gene Co-expression Network Analysis)，深入分析了基因和代谢物的变化规律。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，利用UPLC-ESI-MS/MS系统进行广泛靶向代谢组学分析，检测了1630种代谢物。其次，通过RNA测序获得转录组数据，并使用FPKM值进行基因表达量化。第三，采用WGCNA算法构建基因共表达网络，将基因划分为不同模块，并分析与代谢物的相关性（筛选标准为|Pearson相关系数| > 0.8且p值 < 0.05）。此外，还利用KEGG数据库进行通路富集分析，并通过系统发育树分析对关键转录因子进行功能预测。样本来源于中国北京市顺义区金锣港科技农业产业园种植的丝瓜。

3.1. 丝瓜整个生长周期中的外观变化

研究人员将丝瓜的发育过程分为四个时期：早期发育（1-3 DPA）、中期发育（4-9 DPA）、商业成熟期（10 DPA）和衰老期（20-50 DPA）。研究发现，果实长度随着发育进程不断增加，并在衰老期开始出现木质化，尤其在果肉中更为明显。

3.2. 丝瓜生长周期中的转录组和代谢组变化

转录组测序获得了456.95 Gb的高质量数据，聚类分析显示基因表达具有明显的阶段特异性。代谢组分析共检测到1630种代谢物，其中酚酸（16.13%）、氨基酸及其衍生物（13.56%）、脂质（12.39%）和类黄酮（10.37%）占比较高。主成分分析(PCA)表明，代谢物和基因表达均表现出显著的组织特异性（果皮与果肉差异明显），并且衰老后期的样品（如pulp-50）与其他样品差异巨大。

3.3. 丝瓜生长周期的WGCNA分析

通过WGCNA将基因划分为17个共表达模块。其中，棕色模块与类黄酮和酚酸代谢显著相关；绿色模块与果胶多糖代谢相关；红色模块则与氨基酸代谢密切相关。这为后续聚焦关键代谢通路提供了清晰的线索。

3.4. 丝瓜生长周期中类黄酮代谢的调控

研究鉴定出169种类黄酮化合物。代谢物和基因表达分析均表明，类黄酮（如芹菜素、木犀草素、山奈酚的衍生物）在果皮中的积累显著高于果肉。关键基因如CHS、CHI、F3H、FLS、ANS等在棕色模块中高表达，尤其是在果皮中。系统发育和相关性分析进一步揭示，转录因子MYB111与FLS强相关，而MYB25与CHI和F3H等基因表达密切相关，提示它们在调控类黄酮合成中发挥核心作用。

3.5. 丝瓜生长周期中酚酸代谢的调控

酚酸代谢同样主要富集在棕色模块。研究人员重点分析了p-香豆酸、咖啡酸、芥子酸等衍生物的积累模式。发现参与木质素合成的基因（如CCR、CAD、POD、LAC）在果肉发育中期（4-10 DPA）表达较高，而在衰老期（20-50 DPA）表达降低，表明木质化过程在果肉发育中期更为活跃。相关性分析显示，转录因子MYB15与4CL1强相关，MYB83与CCR2强相关，而MYB25则与F5H、CSE、HCT等多个酚酸代谢关键基因显著相关，凸显了MYB25在酚酸代谢网络中的核心地位。

3.6. 丝瓜生长周期中果胶多糖的调控

果胶代谢相关基因主要集中在绿色模块。研究发现，果胶降解产物d-半乳糖醛酸和d-葡萄糖醛酸的含量在果肉衰老过程中（特别是pulp-10至pulp-50）显著升高，并与PG、CESA、PAE10等基因的表达呈负相关。相反，可能参与果胶合成的物质如半乳糖醇和d-乳糖则与这些基因表达呈正相关。转录因子ERF12与PG、CESA等多个果胶代谢基因显著正相关，但与d-半乳糖醛酸等降解产物负相关，暗示ERF12可能通过抑制果胶降解来延缓果实衰老。

3.7. 丝瓜生长周期中氨基酸的调控

氨基酸代谢与红色模块密切相关。天冬酰胺、谷氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的衍生物在衰老后期的果肉（pulp-50）中含量最高。与之对应的基因，如天冬酰胺酶(ASN)、天冬氨酸氨基转移酶(AST)、谷氨酸脱羧酶(GAD)、谷氨酸脱氢酶2(GLUD2)和支链氨基酸转氨酶(BCAT)等在pulp-50也呈现高表达。系统发育分析表明，转录因子bZIP53与AtbZIP53等调控ASN的因子亲缘关系较近，且与GLUD2、GAD、ASN、BCAT等基因及多种氨基酸衍生物显著正相关，表明bZIP53可能是氨基酸代谢的关键调节因子。

本研究通过多组学整合分析，首次系统描绘了丝瓜果实全发育周期的代谢与转录调控图谱。研究不仅证实了类黄酮和酚酸代谢的组织特异性，还揭示了MYB25等转录因子在其中的核心调控作用。同时，明确了果胶降解和氨基酸积累是丝瓜果实衰老的重要特征，并发现了ERF12和bZIP53等转录因子在这些过程中的潜在功能。这些发现深化了对葫芦科果实发育与成熟机制的理解，为通过遗传手段改良丝瓜及其他瓜类作物的果实品质、营养价值和抗逆性提供了宝贵的基因资源和理论支撑。例如，通过调控MYB25或ERF12的表达，有望延缓果实衰老或增强其抗病抗氧化能力，具有重要的应用前景。