《Scientia Horticulturae》：Integrated metabolomic and transcriptomic analysis unravels the biosynthetic mechanism of characteristic aroma compounds in red-fleshed 'Yexiang' mango pulp
编辑推荐：
• 柠檬烯（limonene）是红肉'Yexiang'芒果的特征香气化合物。
• 萜类化合物（terpenoids）是变种间的主要差异代谢物。
• DXS2 是成熟过程中柠檬烯积累的关键基因。
• 红肉芒果中总 DXS 蛋白含量更高。
• 多组学（multi-
• 柠檬烯（limonene）是红肉'Yexiang'芒果的特征香气化合物。
• 萜类化合物（terpenoids）是变种间的主要差异代谢物。
• DXS2 是成熟过程中柠檬烯积累的关键基因。
• 红肉芒果中总 DXS 蛋白含量更高。
• 多组学（multi-omics）揭示红肉'Yexiang'芒果特征香气生物合成。
论文解读：整合代谢组与转录组解析红肉'Yexiang'芒果果肉特征香气物质生物合成机制
研究背景与问题：芒果（Mangifera indica）是重要热带果树，香气直接影响消费者接受度和商业价值。'Yexiang'芒果是海南昌江主栽品种之一，因果形似蛋又称“蛋芒”，果肉通常黄色、甜、质地细。红肉'Yexiang'芒果为橙黄果肉变种，果肉具独特柑橘样香气。迄今其香气由哪些单体化合物决定及生物合成机制均未见报道。芒果中已鉴定约260种香气化合物，包括萜类、醇、醛、酮等，组成和丰度受品种与成熟阶段影响；萜类常占较大比例并塑造整体果香。并非所有香气成分均显著贡献特征香气，关键或特征香气化合物需结合浓度与气味阈值，相对气味活性值（relative odor activity value，rOAV）≥1时贡献显著。挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）合成受酶和基因调控，整合代谢组与转录组是阐明香气合成及关键基因的有效策略。果实香气形成涉及脂肪酸、氨基酸、萜类、类胡萝卜素途径；1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase，DXS）、萜类合酶（terpene synthases，TPS）和类胡萝卜素裂解双加氧酶（carotenoid cleavage dioxygenases，CCD）等关键酶控制VOC合成。芒果采后成熟香气增强与香气相关基因表达和果肉组织变化有关。因此，研究人员比较同园红肉与黄肉'Yexiang'芒果，选取花后天数（days after flowering，DAF）90 d和90 DAF后室温后熟7 d（97 DAF）为关键阶段，开展多组学研究。
研究人员开展的研究、结论及意义：研究人员整合顶空固相微萃取-气相色谱/质谱（headspace solid-phase microextraction coupled with gas chromatography/mass spectrometry，HS-SPME-GC/MS）挥发代谢组和RNA-seq，比较红肉与黄肉'Yexiang'芒果果肉香气化合物、相关通路和基因，并用靶向柠檬烯定量及总DXS蛋白含量验证关键变化。结果表明，柠檬烯是红肉'Yexiang'芒果特征香气化合物，萜类为变种间主要差异代谢物，DXS2是后熟过程中柠檬烯积累的关键基因，红肉芒果总DXS蛋白含量更高，多组学揭示其特征香气生物合成机制。该研究为红肉'Yexiang'芒果特征柑橘样香气的代谢和分子基础提供线索，并为芒果品质育种和栽培技术创新提供参考；但候选柠檬烯合酶（limonene synthase，LS）基因克隆与功能验证及分子机制仍需深入研究。
关键技术方法（≤250字）：实验在海南昌江芒果园（19°3’ N，109°1’ E）进行，选用32年生红肉和黄肉'Yexiang'芒果各10株，设红肉'Yexiang'芒果（RY）和黄肉'Yexiang'芒果（Y）两组，各3个生物学重复。2025年花后40至90 DAF每10天取样，90 DAF后室温后熟7天记为97 DAF，红肉与黄肉采后样品分别记为97RY-PH和97Y-PH。同一批样品用于挥发代谢组和RNA-seq。关键技术包括生理生化指标测定，HS-SPME-GC/MS挥发代谢组，RNA-seq及京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）和基因本体（Gene Ontology，GO）富集，实时荧光定量PCR（quantitative real-time PCR，qRT-PCR）验证差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs），酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）测定总DXS蛋白，靶向气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）定量柠檬烯，以及多组学关联分析。统计采用SAS Studio，ANOVA后Duncan多重比较和独立样本t检验。
研究结果：
3.1 'Yexiang'芒果果肉品质比较分析：红肉果肉颜色更深黄带红调。两变种可溶性糖和糖酸比随时间升高，可滴定酸和抗坏血酸（ascorbic acid，AsA）总体下降。红肉在50和60 DAF可溶性糖显著高于黄肉；可滴定酸在40 DAF和70 DAF后显著低；糖酸比在40至70 DAF及采后后熟显著高；AsA无显著差异。70 DAF起红肉开始释放柑橘样香气并逐渐增强。说明采后红肉整体风味品质更好，颜色和柑橘样香气为特征。
3.2 'Yexiang'芒果果肉挥发代谢组分析：鉴定1104种VOCs，萜类占18.48%最大，酯类16.58%、酮类11.59%、杂环类10.24%。按rOAV排序，β-紫罗兰酮（β-ionone）在各阶段均最高，是整体香气关键组分和共享背景香气。90 DAF差异集中在甜香和青香，其次果香、坚果、花香、蔬菜和柑橘；97 DAF青、草本、花香、果香和柑橘注释频率增加，风味由青/蔬菜向甜/柑橘扩展。主成分分析（principal component analysis，PCA）PC1、PC2、PC3分别解释42.21%、14.46%、9.82%，合计66.49%，红黄明显分离，层次聚类重复性好。
3.3 'Yexiang'芒果果肉差异挥发代谢物：以VIP>1和倍数变化≥2或≤0.5筛选。柠檬烯在多数阶段差异代谢物中rOAV最高，除70 DAF外红肉中最高，对差异香气贡献最大，是特征柑橘样香气重要成分。90和97 DAF热图显示红肉多数差异香气代谢物包括柠檬烯总体上升且高于黄肉。表明后熟期VOCs合成和释放涉及特定调控。
3.4 'Yexiang'芒果果肉转录组分析：90 DAF多数DEGs在红肉上调，后熟后多数基因在红肉上调，与差异代谢物趋势一致。DEGs按绝对log
2FC ≥1和错误发现率（false discovery rate，FDR）<0.05筛选。TPS基因中，TPS4整体表达最高，TPS1中等，TPS10、TPS12、TPS13、TPS24、TPS28低；仅TPS24具(R)-limonene synthase-like注释，是最直接候选，但无显著差异表达。TPS4主要与二萜和赤霉素相关，不能直接推断参与柠檬烯；TPS1和TPS13与倍半萜相关，TPS28与二萜相关，TPS10和TPS12产物不明。KEGG富集显示多数DEGs参与代谢和次生代谢物生物合成，两阶段均富集到萜类骨架生物合成途径；直接编码LS的TPS基因几乎不表达且未达DEG阈值，提示应关注萜类骨架途径。
3.5 转录组与代谢组关联分析：筛选萜类骨架途径DEGs后，构建DXS、DXS2和柠檬烯Z-score热图。DXS和DXS2表达与柠檬烯含量变化一致，DXS在90 DAF红肉高，DXS2在97 DAF红肉高。系统筛选甲基赤藓醇磷酸（methylerythritol phosphate，MEP）途径和下游单萜合成基因，DXS在90 DAF为DEG且红肉显著高，DXS2此阶段几乎不表达；后熟后DXS2在红肉为DEG且高于黄肉，DXS不再显著差异。
3.6 代谢组与转录组结果验证：随机选9个DEGs进行qRT-PCR，表达趋势与转录组一致，说明转录组可靠。DXS在90 DAF红肉高，后熟差异变小且未达阈值；DXS2在90 DAF两变种均低，97 DAF红肉高。ELISA显示总DXS蛋白在80、90和97 DAF红肉显著高，与柠檬烯积累及DXS/DXS2表达一致。靶向GC-MS显示柠檬烯在80、90和97 DAF红肉显著高，支持柠檬烯为柑橘样香气主要贡献者。
讨论部分总结：
4.1 红肉'Yexiang'芒果果肉特征香气成分鉴定：β-紫罗兰酮rOAV最高且两变种无显著差异，构成共享背景香气，具典型强烈紫罗兰花香和木质底，气味阈值极低，是许多芒果关键香气。特征香气应从差异代谢物中寻找。柠檬烯为单萜，低阈值、柑橘样气味，与感知和风味雷达图一致；红肉中柠檬烯在差异代谢物rOAV排序中多居首，而黄肉中2,4-壬二烯醛超过柠檬烯，其油/青香可能通过感官掩蔽干扰柠檬烯，红肉中较低丰度减少干扰。
4.2 'Yexiang'芒果其他高rOAV差异代谢物鉴定：乙酰基吡嗪和2-乙氧基-3-甲基吡嗪为含氮杂环，呈现爆米花和烤坚果等热加工气，而非新鲜芒果自然香气；HS-SPME热脱附和高温GC进样可使还原糖与游离氨基酸发生美拉德反应生成此类热诱导产物，其高rOAV更可能来自分析热诱导，不应视为天然候选特征香气化合物。
4.3 特征香气成分生物合成途径关键DEGs筛选：多数DEGs在90 DAF和后熟期表达模式相似，与差异代谢物动态一致。KEGG富集显示萜类骨架途径显著富集。DXS和DXS2呈阶段特异性差异表达，趋势与柠檬烯含量一致。DXS/DXS2可影响质体类异戊二烯前体异戊烯基焦磷酸（isopentenyl pyrophosphate，IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（dimethylallyl diphosphate，DMAPP）及下游萜类包括柠檬烯的合成速率。研究人员推断DXS和DXS2上调为单萜挥发物积累提供上游驱动力，DXS2可能是解释红肉后熟期柠檬烯优先积累的关键候选基因，其调控作用需过表达、沉默或基因编辑验证。
4.4 多组学总结：柠檬烯合成受多酶协调，上游前体供应和关键酶表达影响最终积累。DXS是MEP途径入口酶，催化丙酮酸与3-磷酸甘油醛缩合生成1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸（1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate，DXP），是碳流进入MEP途径的关键限速起始步骤；DXS2是与萜类代谢密切相关的同工酶，可影响MEP来源前体供应。与主要归因TPS的研究不同，本研究中直接参与单萜形成的TPS基因几乎不表达且未达DEG阈值。研究人员测定柠檬烯和总DXS蛋白，二者均在红肉显著高且趋势匹配，说明DXS蛋白增加增强IPP和DMAPP供应，驱动柠檬烯合成；TPS蛋白保守稳定结构可能维持持续催化能力，将扩大的前体池转化为产物积累。后熟期红肉柠檬烯rOAV仍高，提示“通量控制”效应，即下游合酶表达相对稳定时，增强上游入口通量仍可放大终产物积累，无需下游协同上调。未来仍需克隆和功能鉴定芒果候选LS基因。
研究结论翻译：与常规黄肉'Yexiang'芒果相比，红肉'Yexiang'芒果的独特香气本质上是采后后熟过程中优势香气组分重构的结果。在该阶段，红肉果实中DXS2表达升高，在“通量控制”效应下促进柠檬烯差异积累；同时2,4-壬二烯醛丰度较低，使柠檬烯在消费者嗅觉感知最强的关键采后时期被更充分感知。上述因素共同最终赋予红肉'Yexiang'芒果区别于黄肉类型的特征柑橘样香气。因此，红肉'Yexiang'芒果的独特香气并非源于单一挥发物简单增加，而是由前体供应增强与优势单萜积累共同驱动的香气重构过程。该研究为红肉'Yexiang'芒果特征香气形成提供重要线索，并为芒果品质育种和栽培技术创新提供有益参考。然而，这些特征香气化合物积累的分子机制以及芒果候选柠檬烯合酶基因的克隆和功能表征仍需深入研究。
