三个鲜食葡萄杂交品种与亲本果实品质及代谢组差异：SSR条形码鉴定与氨基酸生物合成介导的品质分化

《Food Chemistry: X》：Comparison of fruit quality and metabolome differences between three table grape varieties and their parents

　　

SSR（simple sequence repeat，简单序列重复）条形码证实了3个葡萄杂交品种及其亲本身份。杂交遗传效应并非简单加性。氨基酸生物合成（amino-acid biosynthesis）构成品质分化的关键上游通路。氨基酸生物合成作为品质分化的关键上游途径。

研究背景方面，葡萄（Vitis spp.）是重要经济果树，鲜食葡萄消费需求已由单一外观品质转向风味、营养和功能活性成分。杂交育种是培育新品种的重要途径，但杂交后代在果粒大小、可溶性固形物、酸度、香气和代谢物组成等品质性状上常呈复杂分离与重组，并非简单加性遗传。代谢组学可系统解析小分子代谢物与品质形成关系，但三个鲜食葡萄杂交品种‘Baoguang’（BG）、‘Cuiguang’（CG）、‘Miguang’（MG）与其亲本‘Kyoho’（KG）和‘Zaoheibao’（ZHB）的果实品质与代谢组差异尚需系统阐明。因此，研究人员围绕杂交后代品质分化、品种特异性代谢物及富集代谢通路开展研究，以期为分子辅助育种和优质鲜食葡萄选育提供依据。

研究所用样本来自山西省晋中市（112.29°E，37.20°N，海拔810.21 m）露地栽培的BG、CG、MG、KG和ZHB，每品种3株生物学重复，商业成熟期每株随机采收3穗、每穗50粒浆果，混合后每株100粒用于品质和代谢组分析，采收于2025年8月；感官评价由15名培训人员完成。关键技术方法包括：SSR（simple sequence repeat，简单序列重复）荧光标记鉴定真杂种并构建条形码身份；果实品质、总酚和花青素测定；感官评价；LC-MS/MS（liquid chromatography-tandem mass spectrometry，液相色谱-串联质谱）非靶向代谢组学；结合随机森林、PCA（principal component analysis，主成分分析）、OPLS-DA（orthogonal partial least squares-discriminant analysis，正交偏最小二乘判别分析）、火山图、聚类热图、KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，京都基因与基因组百科全书）富集、WGCNA（weighted gene co-expression network analysis，加权基因共表达网络分析）和RDA（redundancy analysis，冗余分析）进行解析。

研究结果显示，3.1 基于SSR标记的亲本与后代遗传关系验证：30对SSR引物中28对扩增清晰，获得28个等位位点；VrZAG93毛细管电泳显示三个后代均具有KG和ZHB的特征等位，确认为真杂种；KG与ZHB遗传距离最大，三个杂交种聚为一组，并分别获得独特SSR条形码分子身份。3.2 基本果实品质比较：CG和ZHB平均果重显著较高，BG和KG果形指数接近1，近圆形；CG可溶性固形物最高且可滴定酸最低，糖酸比最高；MG表现强玫瑰香，类似父本ZHB，CG和KG呈草莓香，BG兼具轻玫瑰和轻草莓香。3.3 酚类和花青素比较：KG总酚含量最高，MG与KG无显著差异，CG最低；BG果皮花青素含量最高且显著高于父本ZHB，CG花青素较高但总酚较低。3.4 感官评价：MG综合得分最高，外观、风味和质地均优；BG和ZHB综合感官中高；CG得分较低，主要受穗外观和风味强度影响，但质地脆。3.5 代谢组学分析：3.5.1 代谢物分类显示，随机森林模型重复嵌套10折交叉验证准确率为97.42 ± 0.86%，普通10折为98.7%；五个品种代谢谱差异显著，杂交种呈双亲代谢特征叠加，BG中L-苯丙氨酸比例高，CG中L-苹果酸和D-葡萄糖酸比例高，MG中L-鼠李糖酸最高、脂质最低。3.5.2 PCA和OPLS-DA分析显示，PC1和PC2分别解释33.9%和20.3%，累计54.2%；OPLS-DA置换检验Q²截距为?0.5224，R²Y和Q²的p = 0.005；差异代谢物以类黄酮、酚类、氨基酸、萜类和生物碱为主，其中类黄酮和花青素占比最高。3.5.3 差异代谢物比较显示，BG与KG、ZHB比较分别有367个上调和331个下调、393个上调和301个下调代谢物，BG类黄酮和香气前体特异上调；CG与KG、ZHB比较分别有267个上调和319个下调、399个上调和425个下调代谢物，CG偏向母本KG；MG与KG、ZHB比较分别有369个上调和374个下调、283个上调和333个下调代谢物，MG中L-Methionine、Peonidin-3-O-galactoside和Quercimeritrin等特异上调，父本部分次生代谢物降低而新类黄酮糖苷和酚衍生物上调，表明杂交效应非简单偏亲。3.5.4 聚类热图分析显示，品种内欧氏距离为17.85–21.46，品种间为62.17–77.70；KG与ZHB距离最大，CG与KG最近，MG与ZHB略近于KG，BG距离各品种均较远且代谢谱独特；MG与ZHB聚在一起并高表达类黄酮糖苷、酚酸和萜衍生物，CG与KG聚类，BG高表达Holyryne A、10-Hydroxydecanoate和Difucol hexaacetate等。3.5.5 KEGG富集分析显示，BG与KG比较中氨基酸生物合成最显著，其次为植物次生代谢、黄酮和黄酮醇生物合成、aminoacyl-tRNA生物合成；BG与ZHB比较中黄酮和黄酮醇生物合成最显著；CG与KG比较中氨基酸生物合成最显著；CG与ZHB比较中辅因子和氨基酸代谢相关；MG与双亲比较中氨基酸生物合成均最高，嘌呤代谢增强提供能量，辅因子代谢改变提供酶学基础，进而影响次生代谢。ko01230在所有杂交-亲本比较中最显著；L-苯丙氨酸在BG中丰富，与其高花青素一致；CG中L-苹果酸升高，与其高糖酸比一致。3.6 RDA揭示代谢物-性状-品种关联：类黄酮及其糖苷与花青素含量（r = 0.69–0.78）和总酚含量（r = 0.65–0.74）呈正相关，DENTICULAFLAVONOL与花青素、总酚和类黄酮均正相关；12-hydroxyjasmonic acid和Threonic acid与可滴定酸正相关，LysoPE和Glucosyl-C18-sphingosine与质地正相关，Octyl 2-furoate与风味正相关。WGCNA将2038个注释代谢物分为14个共表达模块，MEgreen与可滴定酸和总酚正相关，与花青素、果重、外观和质地负相关；MEtan与花青素和果重正相关，与总酚负相关；MEyellow和MEgrey与外观中度正相关；MEblue与可滴定酸负相关，MEturquoise与之正相关。RDA1和RDA2分别解释58.02%和16.37%，累计74.39%，调整R²为28.29%，外观品质与内部品质性状在代谢水平呈对立分化。

讨论部分表明，SSR分析不仅确认三个杂交种为真杂种，也为代谢组聚类提供DNA水平证据；CG糖酸平衡优异，MG感官综合最佳且玫瑰香突出，BG花青素含量高。酚类和花青素是决定颜色、抗氧化能力和风味复杂性的关键功能成分，类黄酮和花青素是品种间核心差异代谢物。杂交后代对亲本代谢特征的继承因代谢物类型而异，并非简单加性，而涉及代谢网络重塑。KEGG结果提示氨基酸生物合成网络重塑可能是杂交后代品质分化的上游驱动事件，氨基酸既参与蛋白质合成，也作为风味物质和酚类化合物前体。SSR条形码可用于品种鉴定和知识产权保护，代谢组数据为选育富含酚类和花青素等功能成分的品种以及天然食品原料和功能食品开发提供参考。由于代谢物注释为putative（MSI Level 2/3），仍需真实标准品靶向验证；未来需结合转录组和等位基因特异表达分析解析遗传调控网络。

研究结论翻译：本研究系统比较了鲜食葡萄杂交后代与亲本的果实品质和代谢组差异。CG表现出优异的糖酸平衡，适合鲜食和制汁；基于花青素组成和感官特性，BG和MG具有广阔应用前景。SSR分子标记证实三个杂交种均为真后代，每个品种均获得独特SSR条形码分子身份。PCA和OPLS-DA确认品种间代谢组清晰分离，类黄酮和花青素被鉴定为关键差异代谢物。相关分析显示黄酮醇糖苷与花青素和总酚强正相关；WGCNA分析显示花青素和总酚呈分歧动态趋势；RDA分析显示外观品质和内部品质性状在代谢水平呈对立分化。KEGG富集分析表明，差异代谢物主要富集于氨基酸生物合成和类黄酮代谢途径，提示氨基酸代谢重塑与杂交后代品质分化密切相关，从而为通过育种改善葡萄果实风味、颜色和营养品质提供代谢靶标。本研究为鲜食葡萄杂交育种亲本选择提供理论依据，SSR标记可用于品种鉴定和知识产权保护。代谢组数据为选育富含酚类和花青素等功能活性成分的葡萄品种提供参考，并在天然食品原料和功能食品开发中具有潜在应用。由于代谢物注释为putative（MSI Level 2/3），仍需真实标准品靶向验证。未来需结合转录组和等位基因特异表达分析进一步解析潜在遗传调控网络。