中国不同产区‘妃子笑’荔枝果实品质特性与植物化学物质的变异研究

本研究针对地理起源对荔枝品质影响机制不清的问题，通过多组学技术系统解析了五个主产区‘妃子笑’荔枝的代谢与转录组特征。研究发现不同产区荔枝在糖酸比（31.01-98.37）、氨基酸组成及挥发性物质（如2,4-十一碳二烯醛和玫瑰氧化物异构体）存在显著差异，鉴定出85个共同差异代谢物（DAMs），揭示半乳糖代谢和苯丙烷生物合成是关键调控通路。该研究为产区优化栽培和品质定向改良提供了分子依据。

　　

荔枝（Litchi chinensis Sonn.）作为备受推崇的热带水果，以其独特风味和丰富营养享誉全球。中国作为荔枝的主要生产国，其种植区域遍布广东、广西、云南、海南和福建等热带亚热带地区。然而，尽管‘妃子笑’等品种具有很高的商业价值，但一个长期困扰产业和科学界的问题是：不同产区的环境条件如何影响荔枝的最终品质？消费者常常能体验到来自不同地区荔枝的口感和风味差异，但其背后的生化基础和分子机制却鲜为人知。地理起源通过气候、土壤、光照和热量等复杂互作影响果实品质的现象在其他作物中已有报道，例如高海拔地区的葡萄具有更高的苹果酸和果皮花青素含量。在荔枝中，土壤水分、光照和降雨模式显著影响开花坐果，而‘桂味’荔枝甚至表现出热敏感型种子发育。这些发现暗示产地可能是果实品质分化的主要驱动因素。因此，系统揭示‘妃子笑’荔枝在不同产区的品质变异规律及其调控网络，对于指导精准农业、优化栽培实践、提升产业价值具有重要意义。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项系统性的研究，成果发表在《Food Chemistry: X》。他们从中国五个主要荔枝产区（海南海口、广东湛江、广西玉林、云南屏边和福建漳州）采集了‘妃子笑’荔枝果实样本。研究综合运用了高效液相色谱（HPLC）技术定量分析了糖组成（葡萄糖、果糖和蔗糖），采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）分析了氨基酸和有机酸含量，通过非靶向代谢组学（LC-MS/MS）鉴定了广泛的代谢物，利用气相色谱-质谱（GC-MS）解析了挥发性风味物质谱，并借助转录组测序（RNA-Seq）技术揭示了基因表达差异。通过整合这些组学数据，研究人员旨在阐明地理起源对荔枝品质形成的综合影响。

3.1. 荔枝果肉中糖、有机酸和氨基酸的含量

通过高效液相色谱分析发现，五个产区荔枝的总糖含量相对稳定（178.50–185.18 g/L），但糖组成存在显著差异。果糖是主要的糖分，其中海南样本含量最高（83.98 g/L），福建最低（76.91 g/L）。葡萄糖则呈现相反趋势，福建样本含量最高（77.90 g/L），云南最低（68.81 g/L）。蔗糖变异最大，广西样本含量最高（34.38 g/L），是福建（23.69 g/L）的1.5倍。有机酸分析揭示了更 dramatic 的地区差异，总酸含量范围从云南的1822.58 mg/L到福建的5757.10 mg/L。苹果酸是主导有机酸，占总量57.5–91.4%，其中福建样本的苹果酸含量异常高（5264.54 mg/L）。柠檬酸是第二丰富的有机酸，海南样本含量最高（327.43 mg/L），云南最低（22.17 mg/L）。广西样本的乳酸酸含量显著高于其他地区（972.80 mg/L），提示可能存在独特的代谢途径或微生物活动。糖酸比是决定风味平衡的关键指标，其值在31.01（福建）到98.37（云南）之间变化，表明云南荔枝口感最甜，而福建荔枝更酸。氨基酸分析表明，总氨基酸含量在4400.07 mg/L（海南）到5032.99 mg/L（广东）之间。γ-氨基丁酸（GABA）是所有样本中最丰富的氨基酸，广西含量最高（1398.37 mg/L）。广东样本的天冬氨酸和丙氨酸含量较高，而福建样本的酪氨酸和精氨酸含量突出。这些氨基酸组成的差异可能影响荔枝的风味（如鲜味、苦味）和营养品质。

3.2. 荔枝果肉代谢物的区域变异

非靶向代谢组学分析揭示了五个产区荔枝代谢谱的显著差异。主成分分析（PCA）将样本分为三个明显的组：广东、广西和云南聚在一起，海南自成一组，福建则被明显分离。通过OPLS-DA模型（VIP > 1.0）和倍数变化（FC ≥ 2 或 ≤ 0.5）筛选差异积累代谢物（DAMs），发现福建vs海南的比较组差异最显著，有830个DAMs。所有比较组中共有85个共同的DAMs，主要包括有机酸、氨基酸及其衍生物。KEGG通路富集分析显示，这些DAMs显著富集在“泛醌和其他萜醌生物碱生物合成”、“赖氨酸降解”、“组氨酸代谢”、“甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢”、“精氨酸生物合成”、“精氨酸和脯氨酸代谢”以及“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”等通路，表明产地的栽培条件主要影响荔枝果实的氨基酸代谢和次级代谢物生物合成。

3.3. 不同产区荔枝果肉中挥发性香气化合物的差异

采用GC-MS对挥发性化合物进行 profiling，共鉴定出1232种代谢物。成分分析表明，萜烯类和酯类是含量最丰富的挥发性物质类别，其次是酮类、杂环化合物、醇类、醛类和烃类。层次聚类分析（HCA）将荔枝样本分为两大簇：一簇包含广东、广西和云南荔枝，另一簇包含福建和海南荔枝，后者又进一步分为不同的亚组。差异挥发物分析（VIP > 1 且 |log₂FC| ≥ 1）显示，比较组间存在显著变异。关键气味活性物质分析确定了地区特异性标志物。在福建vs海南组中，2,4-十一碳二烯醛是贡献风味差异的最显著气味物，在海南荔枝中含量更高。此外， Germacrene D 和 3-甲基-丁烯醛对增强海南荔枝的甜果香起到关键作用。有趣的是，广西荔枝因其含有多种玫瑰氧化物异构体（如(-)-cis-玫瑰氧化物、玫瑰氧化物、trans-玫瑰氧化物、cis-玫瑰氧化物）而呈现出独特的玫瑰般香气。2,4-壬二烯醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛和5-乙基-3-羟基-4-甲基-2(5H)-呋喃酮在多个比较组（广东vs海南；云南vs海南）中作为判别因子重复出现，表明这些化合物可能作为荔枝区域风味分化的通用标记物。

3.4. 不同产区荔枝的转录组分析

转录组分析旨在探究造成‘妃子笑’荔枝代谢物区域变异的分子机制。对来自五个地理群体的荔枝果肉样本构建了15个cDNA文库，获得了高质量测序数据。使用 |log₂Fold change| > 1 和 FDR < 0.05 的阈值鉴定差异表达基因（DEGs）。福建vs海南比较组的DEGs数量最多（1727个），其次是云南vs海南（1467个）。GO分析显示，在生物过程类别中，“细胞过程”包含的DEGs最多，其次是“代谢过程”和“对刺激的反应”。在细胞组分中，“细胞解剖实体”和“蛋白质含复合物”最普遍。分子功能方面，“结合”和“催化活性”是最丰富的术语。KEGG通路分析显示，福建vs海南和广东vs海南比较组的DEGs主要与“半乳糖代谢”、“苯丙烷生物合成”、“黄酮生物合成”和“光合作用”等代谢通路相关。类似地，广西vs海南和云南vs海南的DEGs富集在“苯丙烷生物合成”和“半乳糖代谢”通路。苯丙烷有助于风味形成、色素沉积和植物防御机制，而黄酮类化合物主要以其抗氧化特性而被认识。这些特化代谢物在植物适应环境、介导生物和非生物胁迫响应以及促进环境互作中扮演重要角色。

3.5. 转录组与代谢组的整合分析

通过将DEGs和DAMs映射到KEGG数据库进行整合分析，揭示了每个比较评估中前20个显著富集的代谢通路。综合转录组和代谢组分析表明，关键差异基因和代谢物主要集中于“氨基酸生物合成”、“氨基糖和核苷酸糖代谢”、“半乳糖代谢”、“黄酮生物合成”和“苯丙烷生物合成”通路，强调了它们在生物过程中的关键作用。整合分析发现，半乳糖代谢、苯丙烷生物合成和黄酮生物合成是变化最显著的关键代谢通路。葡萄糖、果糖和蔗糖含量很高，尽管代谢组学分析未显示比较组间有统计学显著差异，但HPLC定量揭示了这些糖分在不同地区荔枝中的明显变异。GLA（推测与糖代谢相关）在蔗糖和葡萄糖合成中起关键作用，在多个比较组（福建vs海南、广西vs海南、云南vs海南）中呈现差异表达。GOLS（半乳糖醇合成酶）在福建vs海南、广东vs海南、广西vs海南和云南vs海南比较组中均显著下调。虽然半乳糖醇在福建vs海南组中上调，但在广东vs海南、广西vs海南和云南vs海南组中不显著。甘露三糖在福建vs海南和广西vs海南比较组中也显示出显著差异。棉子糖是半乳糖醇的下游产物，在荔枝果肉中被检测到，但地区间浓度无显著差异。苯丙烷通路是木质素和黄酮生产的关键途径，其基因表达在不同来源的荔枝中显示出显著变异。涉及的关键基因包括CSE（肉桂醇脱氢酶）、CAD（肉桂醛脱氢酶）、F5H（阿魏酸-5-羟化酶）和过氧化物酶，所有这些基因在比较组间都显示出不同的表达模式。这些基因在木质素生物合成、细胞壁强化和胁迫响应中起重要作用，提示荔枝在苯丙烷代谢中存在种特异性适应。关于黄酮生物合成，二氢山奈酚在云南vs海南组中下调，但在其他比较（福建vs海南、广东vs海南和广西vs海南）中无显著变化。对香豆酸在广东vs海南和广西vs海南中上调，表明酚类化合物存在地区特异性积累。尽管苯丙烷相关通路的基因表达发生显著变化，但只有少数相应的代谢物表现出差异积累。这种差异可能源于代谢物检测的技术限制，因为一些黄酮类化合物可能以低浓度存在或经历快速周转。

本研究全面阐明了地理起源对‘妃子笑’荔枝代谢和转录组谱的显著影响，揭示了中国五个主产区在糖含量、有机酸、氨基酸、挥发性化合物和关键生物合成通路上的显著变异。研究结论强调，福建产区荔枝因其极高的苹果酸含量而呈现独特酸味，云南产区则因糖酸比最高而口感最甜。挥发性物质分析确定了包括2,4-十一碳二烯醛、玫瑰氧化物异构体在内的关键地区风味标志物。分子机制上，半乳糖代谢和苯丙烷生物合成被确定为最受影响的通路，GLA、GOLS、CSE和CAD等关键基因的表达差异是造成品质变异的重要原因。该研究不仅为理解环境对果实品质形成的调控机制提供了深入见解，也为实现荔枝的产区优化栽培和品质定向改良提供了坚实的理论依据和实践策略，对提升中国荔枝产业价值和国际竞争力具有重要意义。未来的研究可侧重于改进代谢物检测方法以更好地捕获低丰度黄酮，以及追踪荔枝采后品质在贮藏期间的变化，进一步巩固本研究的基础。