ScentChrono：一种整合挥发性有机物昼夜节律与传粉者互作的计算新方法及其生态应用

《Heliyon》：ScentChrono: A computational pipeline for floral volatile rhythms and pollinator interactions

本研究针对传统GC-MS数据分析方法难以解析花朵挥发性有机物(VOCs)昼夜排放节律与传粉者活动同步性的技术瓶颈，开发了ScentChrono计算流程。该工具通过特征聚类整合时间序列分析，在Erucaria microcarpa模型中成功识别出9种与传粉活动同步的苯环类化合物，其检测精度(0.64)和灵敏度(0.5)显著优于RAMClust方法，为植物-传粉者互作研究提供了创新技术支撑。

　　

当夜幕降临，大多数花朵会悄然合拢花瓣，但你是否知道，即使在白天，花朵也会通过精妙的"化学钟"来调控自身香气的释放？这种被称为 floral scent 的挥发性有机物(VOCs)排放节律，正是植物与传粉昆虫之间亿万年协同进化的奇妙产物。在植物繁殖的"交易市场"中，花朵通过释放特定气味分子来吸引传粉者，而传粉者则依据气味线索高效定位食物源。然而，这种化学对话的时序规律却长期困扰着生态学家——传统气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术能检测数千种化合物，却难以区分真正的花香信号与背景噪音，更无法解析其动态排放模式。

针对这一技术瓶颈，来自本-古里安大学的研究团队在《Heliyon》发表了创新性研究。他们以以色列内盖夫沙漠的常见一年生植物小果埃鲁卡（Erucaria microcarpa，十字花科）为模型，开发出名为ScentChrono的计算生物学流程。该研究巧妙整合了动态顶空采集、GC-MS分析和时间序列算法，首次实现了对花香昼夜节律与传粉者活动同步性的精准量化。

关键技术方法包括：采用动态顶空技术每3小时采集花朵挥发物，通过GC-MS获得高分辨率数据；利用XCMS Online平台进行峰检测和特征对齐；创新性提出"气味条件(SmellCondition)"指标，结合花-空白比率(Flower-Blank Ratio)和日变化趋势(DailyTrend)筛选真实花香信号；采用Louvain/Infomap网络聚类与DBSCAN retention time(RT)聚类相结合的分层策略；以RAMClust为基准进行方法学比较；通过野外每2小时传粉者观测验证生态相关性。

研究结果

花香化合物的昼夜排放规律

通过靶向分析鉴定出18种挥发性化合物，其中1,4-二甲苯排放速率最高(4.8 μg h^-1)。ScentChrono精准识别出9种具有生态相关性的化合物，包括苯甲醛、苯甲酸甲酯、苄基腈等苯环类衍生物。这些化合物均呈现显著的昼间排放节律，排放峰值出现在中午前后，与传粉者活动高峰同步，而夜间排放降至最低。

传粉者活动与花香同步性

野外观测显示，膜翅目昆虫(45%)为主要传粉群体，其次为双翅目(25%)、鞘翅目(23%)和鳞翅目(7%)。交叉相关分析揭示Cluster 13（含苄基-2-甲基丁酸酯）与四类传粉者均呈现高度相关性(R=0.76-0.93)。Cluster 2（苯甲醛、苯甲酸甲酯、苄基腈）与鞘翅目(R=0.54)和膜翅目(R=0.53)呈现中等相关，表明特定化合物组合对不同类群传粉者具有选择性吸引作用。

方法学比较优势

ScentChrono-Louvain方法在精度(0.64)和召回率(0.5)上显著优于RAMClust(0.23/0.38)。其独特的递归聚类策略结合RT校正，使调整兰德指数(ARI)达0.92，标准化互信息(NMI)达0.92，而RAMClust仅分别为0.24和0.61。这表明时间维度整合能有效降低假阳性，提高化合物鉴定的生态相关性。

聚类一致性分析

针对连续两天采样数据的聚类稳定性评估显示，ScentChrono在RT聚类阶段的Rand指数(RI)达0.97-0.98，显著高于RAMClust(0.88)。这表明该方法能有效识别在不同采样日间稳定出现的生物标志物，如苯甲酸甲酯等苯环类化合物，而像二乙基苯等偶然出现的污染物则被自动过滤。

讨论与结论

该研究突破了传统代谢组学分析中"静态图谱"的局限，通过引入时间维度建立了花香动态排放与生态功能的直接关联。ScentChrono的创新性体现在三个方面：首先，通过空白对照和时序分析有效区分真实花香与环境污染；其次，采用多算法融合策略提高化合物鉴定准确性；最后，建立量化指标关联化学信号与传粉行为。

在生态学层面，研究发现E. microcarpa通过苯环类化合物主导的"化学钟"策略适应沙漠环境：在传粉者活跃的午间集中释放苯甲酸甲酯等高效吸引剂，而在夜间降低代谢消耗。这种精确的化感调控既最大化了传粉效率，也体现了植物在资源限制环境下的适应策略。特别值得注意的是，甲基水杨酸和己烯醇乙酸酯等典型抗虫化合物的检出，揭示了花朵化学信号在传粉与防御之间的功能平衡。

该方法为解析植物-传粉者网络提供了新范式，在农业授粉管理、濒危植物保护等方面具有应用前景。未来研究可拓展到不同生态系统和植物类群，探究花香节律进化的普遍规律。该工作的算法代码已开源共享，将推动计算生态学与化学生态学的交叉融合。