转录组与代谢组联合解析丝瓜果实褐变机制：脂质代谢与苯丙烷途径的关键作用

本研究针对丝瓜采后褐变严重影响品质的产业难题，通过整合生理学、转录组学和代谢组学多组学技术，揭示褐变敏感材料Z-37相较于抗褐变材料YN-20在酶活性、酚类物质积累及氧化应激方面的差异，鉴定出80个差异表达基因和78个差异代谢物，首次阐明脂质过氧化产物通过激活苯丙烷生物合成途径关键基因（PAL/PPO/POD）驱动褐变的分子机制，为丝瓜抗褐变品种选育提供理论依据。

　　

丝瓜（Luffa cylindrica）作为葫芦科的重要经济作物，因其丰富的营养和药用价值备受消费者青睐。然而采后加工过程中的果实褐变问题一直是制约产业发展的痛点——褐变不仅导致外观品质劣变，更会降低商品价值和消费者接受度。尽管前人研究表明褐变与多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）等酶活性及酚类物质含量密切相关，但丝瓜褐变的分子调控网络和关键代谢通路仍未系统阐明。为此，石河子大学的研究团队在《Postharvest Biology and Technology》发表了题为"Transcriptome and metabolome profiling reveal the mechanism underlying fruit browning in sponge gourd"的研究论文，通过整合生理生化、转录组与代谢组分析，揭示了丝瓜褐变的关键机制。

研究团队选取褐变抗性材料YN-20和敏感材料Z-37为实验对象，在三个鲜切时间点（0/12/24小时）系统测定了褐变表型、酶活性、抗氧化指标及代谢物动态变化，并采用转录组测序（RNA-Seq）、广靶代谢组检测（UPLC-QTOF-MS）、加权基因共表达网络分析（WGCNA）以及酶动力学实验等技术手段。研究发现Z-37的褐变程度、黑色素含量、总酚及可溶性醌含量均显著高于YN-20，同时PAL、PPO、POD活性和MDA（丙二醛）含量也更高。转录组分析鉴定出9个与褐变性状显著相关的基因模块，KEGG富集分析表明这些基因显著富集于苯丙烷生物合成、脂质代谢和氨基酸代谢通路。代谢组进一步验证了脂质过氧化产物（如9-羟基-12-氧代-15-十八碳烯酸）和酚类物质（阿魏酸、咖啡酸）的积累模式。通过整合分析，研究提出Z-37中脂氧合酶（LOX）和烯烃氧化物合酶（AOS）基因表达差异导致膜脂过氧化加剧，进而激活苯丙烷途径中PAL、PPO、POD基因表达，促进酚类氧化成醌并最终聚合为黑色素。

关键实验结果方面：

3.1 褐变表型及酚类物质含量

Z-37在鲜切24小时后的a*值、褐变程度和黑色素含量分别是YN-20的1.99/2.40/3.45倍，且总酚和可溶性醌含量持续上升，表明Z-37具有更强的褐变潜势。

3.2 褐变相关酶活性及氧化特性

Z-37的PAL/PPO/POD活性在12小时达到峰值（分别为YN-20的3.18/2.86/1.59倍），同时ROS生成速率和MDA含量显著升高，表明氧化应激和膜脂损伤是褐变的重要推动因素。

3.3 转录组分析关键基因

WGCNA筛选出3300个与褐变相关的DEGs，其中80个核心基因涉及苯丙烷途径（如Lcy10g007470/PAL、Lcy06g007110/PPO）、脂质代谢（4个LOX和1个AOS）及类黄酮生物合成。

3.4 代谢组结果

78个差异代谢物中，脂质过氧化产物（12-OPDA等）和酚类物质（咖啡酸、阿魏酸）在Z-37中呈现特异性积累，且与褐变程度呈正相关。

3.7 PPO/POD酶学特性

酶动力学实验显示Z-37中PPO对咖啡酸的Km值（0.40 mmol/L）显著低于YN-20（2.66 mmol/L），证实咖啡酸是PPO的最适底物，且Z-37酶亲和力更高。

研究结论强调，丝瓜褐变是由脂质过氧化启动的级联反应：膜脂降解产物通过激活LOX/AOS基因表达引发细胞膜损伤，进而促使酚类物质与高活性的PPO/POD接触，最终通过苯丙烷途径生成黑色素。该研究不仅首次绘制了丝瓜褐变的分子调控图谱，更为抗褐变品种选育提供了关键靶点（如Lcy08g015050/LOX、Lcy10g007470/PAL等）。值得注意的是，咖啡酸作为PPO最适底物的发现，为开发靶向抑制剂（如特异性酚类底物类似物）提供了新思路。此外，研究中鉴定的脂质代谢物（如10-OPDA）可作为早期褐变生物标志物，用于采后品质监控。这一机制解析对葫芦科作物采后保鲜技术开发具有广泛借鉴意义。