基于1H NMR代谢组学分析农业系统对墨西哥本土黄、红玉米代谢谱的影响及其营养品质提升潜力

《Food Chemistry: X》：“Effect of agroecological and conventional farming systems on the metabolomic profile of yellow and red maize assessed by 1H NMR”

本研究针对可持续生产模式下高质量食品需求增长及常规农业对谷物品质的负面影响，通过1H NMR代谢组学技术对比分析了墨西哥本土Zamorano黄玉米与Chalque?o红玉米在生态农业与常规管理下的代谢差异。研究发现生态农业显著调控三羧酸循环、氨基酸生物合成等关键代谢通路，提升17种（黄玉米）和15种（红玉米）代谢物丰度，为可持续农业生产系统下玉米营养品质强化提供了理论依据。

　　

随着全球对可持续农业生产模式下高质量营养食品需求的日益增长，如何通过农业管理方式优化谷物化学组成成为研究热点。常规农业依赖化肥农药的集约化模式虽提高产量，却引发土壤退化、水体污染等环境问题，并可能影响谷物营养价值。与之相对，生态农业强调生态循环与生物多样性保护，被证实可促进作物中生物活性物质的积累。然而，关于生态农业管理如何影响墨西哥本土玉米品种代谢谱的研究尚不充分。

墨西哥作为玉米的起源中心，拥有丰富的玉米种质资源，其中黄玉米与红玉米等色素玉米品种因富含花青素、类胡萝卜素等具营养保健价值的成分而备受关注。为此，Gustavo G. Medina-Mendoza等研究团队在《Food Chemistry: X》发表论文，利用质子核磁共振（¹H NMR）代谢组学技术，系统比较了在生态农业与常规管理下种植的Zamorano黄玉米与Chalque?o红玉米的代谢差异，揭示不同农业管理模式对玉米代谢网络的调控机制，为本土玉米品种在可持续农业系统中的营养品质提升提供科学依据。

在研究方法上，作者选取墨西哥米却肯州两个代表性产区——Contepec（Zamorano黄玉米）与Zacapu（Chalque?o红玉米）的玉米样本，分别设置生态农业与常规管理两组处理，建立四个实验组（MZA、MZC、PRA、PRC）。采用Bruker 750 MHz NMR谱仪进行代谢物检测，结合主成分分析（PCA）与正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）等多变量统计方法，识别差异代谢物，并通过MetaboAnalyst 6.0进行代谢通路富集分析，系统解析农业管理模式对玉米代谢的影响。

3.1. 平均产量

产量分析显示，常规管理下Zamorano黄玉米与Chalque?o红玉米的平均产量分别为7.6 t·ha^–1与3.65 t·ha^–1。生态农业管理下，黄玉米产量基本持平（7.7 t·ha^–1），而红玉米产量显著提升至12.8 t·ha^–1，较常规管理提高约250%，表明生态农业对红玉米的增产效应尤为突出。

3.2. 玉米品种的代谢谱

通过¹H NMR分析，共鉴定出49种代谢物，包括糖类、氨基酸、有机酸及核苷等。图谱显示，生态农业与常规管理下玉米代谢物在化学位移0.8–4.5 ppm（脂肪族氢）与6.0–9.0 ppm（芳香族化合物）区域存在明显差异，为后续代谢差异分析提供了化学基础。

3.3. 多变量数据分析与按管理类型的代谢分类

PCA与OPLS-DA分析表明，两种玉米品种在不同农业管理下代谢谱呈现显著分离。Zamorano黄玉米中，OPLS-DA模型参数R²Y(cum)=0.931，Q²(cum)=0.701，识别出20种差异代谢物（VIP≥1），包括2-羟基丁酸、天冬氨酸、谷氨酸、GABA（γ-氨基丁酸）等，主要富集于三羧酸循环、丙酮酸代谢等通路。红玉米中，模型R²Y(cum)=0.992，Q²(cum)=0.954，筛选出18种差异代谢物，如腺嘌呤、葡萄糖、亮氨酸等，涉及氨基酸生物合成与糖代谢通路。

3.4. Zamorano黄玉米与Chalque?o红玉米在常规与生态农业管理下的代谢通路分析

代谢通路分析显示，黄玉米中生态农业主要影响丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢（Impact=0.77698），丙酮酸代谢（Impact=0.38783）以及淀粉和蔗糖代谢（Impact=0.59548）等11条通路，表明其碳氮代谢中心节点被显著调控。红玉米则主要扰动淀粉和蔗糖代谢（Impact=0.59548）、苯丙氨酸代谢（Impact=0.42308）和半乳糖代谢（Impact=0.34927）等10条通路，提示生态农业促进了碳水化合物转化与次生代谢物合成。

进一步分析发现，生态农业管理下，黄玉米在酸性土壤与冷凉气候中通过积累有机酸与可溶性糖增强能量代谢与渗透调节；红玉米在肥沃土壤与温和气候下则倾向于增加氨基酸与酚类代谢物，强化防御与营养品质。两地土壤与气候背景的差异共同塑造了品种特异的代谢适应策略。

本研究通过¹H NMR代谢组学技术揭示，生态农业管理可显著调控墨西哥本土玉米的代谢网络，具体表现为Zamorano黄玉米中三羧酸循环与氨基酸代谢通路的激活，以及Chalque?o红玉米中糖代谢与苯丙氨酸代谢的增强。这些变化不仅提升了玉米中关键营养代谢物的丰度，还反映出生态农业在促进作物代谢适应性、改善谷物营养品质方面的潜力。该研究为推广生态农业模式、优化本土玉米品种的可持续生产与营养强化提供了重要的理论依据与实践指导。