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消费者对优质谷子需求渐长，然而其品质相关代谢物及形成机制不明。研究人员对比优质 JG21 和普通 NMB 谷子品种，进行代谢组和转录组分析。发现 144 种差异代谢物，主要富集于黄酮和苯丙烷途径，明确 14 个关键调控基因。为谷子品质改良育种提供依据。
在粮食的大舞台上，谷子（Setaria italica）凭借独特魅力占据重要位置。它起源于中国北方，适应干旱、土壤贫瘠和高盐等恶劣环境，积累了多种有益代谢物，对人体健康益处多多，如调节血糖、抗炎和促进消化等。而且，它不含麸质，营养丰富，是极具潜力的 C4 模式植物。但目前，人们对谷子生长发育过程中的代谢物及其调控基因了解有限。同时，谷子加工产品口感欠佳，市场销量不高。如何在保留其高营养价值的同时提升口感品质，成为亟待解决的问题。在此背景下，山西农业大学的研究人员挺身而出，开展了一项意义非凡的研究，相关成果发表在《Food Chemistry: Molecular Sciences》上。
研究人员为解决上述问题，采用了多种关键技术方法。首先，他们精心挑选了山西地区的两个代表性谷子品种，优质的 Jingu 21（JG21）和口感相对较差的 Niumaobai（NMB），在实验基地种植并采集两个关键灌浆期（早期 S2 和晚期 S4）的样本。接着，利用广泛靶向代谢组学技术，借助超高效液相色谱 - 串联质谱（UPLC - MS/MS）分析代谢物；通过构建 cDNA 文库和高通量测序进行转录组分析。运用多种统计方法筛选差异代谢物和基因，还用 qRT - PCR 技术验证转录组数据。
下面来看具体的研究结果：
- 代谢物谱分析：研究人员在谷子灌浆期共鉴定出 552 种代谢物，涵盖 32 类，其中黄酮类及其衍生物是最丰富的次生代谢物。对比 JG21 和 NMB，发现 144 种差异代谢物，主要集中在黄酮类及其衍生物、羟基肉桂酰衍生物和脂质及其衍生物。聚类分析显示，不同品种和灌浆期的代谢物存在明显差异。在早期 S2 和晚期 S4 灌浆期，JG21 和 NMB 分别有 186 和 180 种代谢物变化显著，其中 108 种变化相似，且 JG21 和 NMB 分别有 78 和 72 种独特变化的代谢物。
- 关键代谢途径分析：
- 黄酮类生物合成途径：在黄酮类生物合成途径中，发现 11 种与 JG21 和 NMB 品质差异相关的差异积累代谢物。以柚皮素查尔酮到毛地黄黄酮（chrysoeriol）的子途径为例，JG21 中柚皮素查尔酮积累是因为两个查尔酮合酶（CHS）基因（Seita.9G142900 和 Seita.9G216100）表达上调，随后查尔酮异构酶（CHI）基因（Seita.9G034700）高表达使柚皮素积累。柚皮素转化为木犀草素（luteolin）有多条途径，相关酶基因在 JG21 中高表达促进了木犀草素等物质积累。此外，三个黄酮类 3'-O - 甲基转移酶（F3'OMT）基因在 JG21 中高表达，促进了毛地黄黄酮积累。而 NMB 中木犀草素在灌浆期可能转化为下游代谢物，导致其含量与 JG21 差异明显。
- 苯丙烷类生物合成途径：研究发现苯丙烷类生物合成途径中，5 种中间产物（芥子醛、松柏醇、对香豆醇、松柏醛和咖啡酸）在 JG21 中积累量显著高于 NMB，它们是木质素前体，影响谷物硬度和质地，而丁香苷在 JG21 中含量较低。多组学整合分析揭示了该途径的基因 - 代谢物调控网络，多个基因参与其中。同时，研究还发现 JG21 中木质素生物合成单体含量较高，但大多数与木质素形成相关的漆酶和过氧化物酶基因在 NMB 中表达更高，这或许解释了 JG21 木质素含量较低、口感不那么粗糙的原因。对 5 个相关基因进行 qRT - PCR 分析，结果验证了转录组数据的可靠性。
研究结论和讨论部分意义重大。研究表明，黄酮类化合物可能是影响谷子生长发育的关键代谢物，在调节谷物色泽、营养和口感方面发挥重要作用。例如，白杨素（eriodictyol）和毛地黄黄酮可减轻苦味，木犀草素有助于形成光滑质地和芳香风味；而 NMB 中含量较高的儿茶素和黄腐酚则与苦味、粗糙口感相关。苯丙烷类化合物在植物生长、防御和谷物品质方面也具有双重功能，其代谢途径中的木质素虽能增强作物抗逆性，但会影响口感。研究人员通过整合多组学方法，确定了 14 个核心调控基因，为理解谷子感官特性的代谢基础提供了初步分子依据。不过，目前研究尚未通过实验验证基因 - 代谢物调控网络的因果关系，未来还需利用功能基因组学方法进一步研究。这项研究为谷子品质改良育种指明了方向，有助于培育出营养丰富、口感更佳的谷子品种，让谷子在健康饮食领域绽放更耀眼的光芒。
