同园条件下六种野生蔷薇属植物蔷薇果的纵向代谢组学分析：成熟动态、滋味相关代谢物及抗氧化谱

《Food Chemistry》：Longitudinal metabolomic profiling of rosehips from six wild Rosa species grown under common-garden conditions: ripening dynamics, taste-associated metabolites, and antioxidant profile

　　

采用结合¹H NMR（核磁共振氢谱）与LC–DAD–ESI–MS/MS（液相色谱–二极管阵列检测–电喷雾电离–串联质谱）的整合代谢组学方法，对六个单株蔷薇果的发育进行了表征，每个单株分别代表一种在同园条件下生长的野生Rosa物种。纵向NMR谱分析由初始和最终成熟阶段的LC–MS比较予以补充。成熟通常涉及糖和有机酸增加及氨基酸减少，并伴随明显的个体特异性轨迹。个体间变异也见于氮相关代谢物，尤其是精氨酸和天冬酰胺。LC–MS揭示差异化的酚类谱，其中R. gallica显示检测到的黄酮类范围最广。OPLS-DA（正交偏最小二乘判别分析）分离了未成熟与成熟样品，并指示黄酮结合形式及鞣花酸相关成分的变化。互补的DPPH（2,2-二苯基-1-苦基肼基）、TEAC（Trolox等效抗氧化能力）、FRAP（铁还原抗氧化能力）和ORAC（氧自由基吸收能力）测定显示，所研究的R. gallica材料具有最高的体外抗氧化能力。这些发现揭示了共同的成熟相关变化以及显著的植物化学多样性，并为评估野生蔷薇果材料的食品应用提供了框架。

研究背景：蔷薇属（Rosa L.）约有250个物种和杂交种，广泛分布于欧洲、非洲和西亚，具有较强环境适应性。蔷薇果为蔷薇属的假果，由膨大的花托发育而来，内含10–30个瘦果。野生蔷薇果具有生态、文化和经济价值，长期被用作药用和保健食品，可鲜食或加工为果酱、果冻、茶、糖浆、果汁、酒类及烘焙配料等。蔷薇果富含黄酮类、酚酸、类胡萝卜素、生育酚、单宁、有机酸、氨基酸、果胶、矿物质和维生素等生物活性成分，并报道具有抗氧化、抗炎、抗菌和抗增殖等特性。然而，尽管蔷薇果作为食品和功能配料受到关注，既往研究多集中于R. canina，对其他野生Rosa物种在共享生长条件下的比较研究仍有限。基于此，研究人员在Bologna植物园同园条件下，对分别代表R. arvensis、R. canina、R. cinnamomea、R. gallica、R. sempervirens和R. tomentosa的六个单株蔷薇果进行纵向监测，比较成熟相关代谢组模式、滋味相关化学性状和体外抗氧化能力。该论文发表在《Food Chemistry》。研究的重要意义在于：同园设计减少不同生长地点带来的环境变异，整合多分析平台获得阶段分辨的比较数据集，为评估野生蔷薇果材料及其食品应用提供基础。

关键技术方法概括：研究人员以Bologna植物园同园保存的六种野生Rosa各一株为材料，材料源自Tuscan-Emilian Apennines，并于2010年起迁地栽培；2022年6月至2023年1月多点采样，每株每次取30个蔷薇果混合为复合样，按果面颜色划分四个成熟阶段。采用¹H NMR进行纵向半定量代谢谱分析，以LC–DAD–ESI–MS/MS比较Stage I与Stage IV；用比色/荧光微板法测定总酚、总黄酮、总类胡萝卜素及DPPH、TEAC、FRAP、ORAC四项抗氧化指标；以PCA（主成分分析）和OPLS-DA进行多变量分析，并用DOT（剂量超过阈值）估计滋味相关化学谱和单宁相关指数；另对R. canina进行不同干燥处理比较。

研究结果：

3.1 通过¹H NMR代谢组学探索蔷薇果成熟趋势：PCA显示，NMR代谢谱随采样时间和视觉定义成熟阶段呈渐进变化。未熟样品中氨基酸（丙氨酸、精氨酸、天冬酰胺、脯氨酸、苏氨酸和缬氨酸）、有机酸（苹果酸和奎尼酸）以及单宁/黄酮相关芳香信号相对较高；较成熟样品中葡萄糖、果糖、柠檬酸和甲酸相对较高，其他检测代谢物总体下降。成熟过程中糖和有机酸增加、氨基酸减少，并伴随明显个体特异性轨迹。

3.2 Stage I与Stage IV蔷薇果的LC–MS比较谱分析：LC–DAD–ESI–MS/MS揭示包含有机酸、酚酸、黄酮、缩合与水解单宁、低极性酚类及类胡萝卜素等的复杂谱。OPLS-DA以成熟阶段为判别类别，模型R2Y(cum)=0.998、Q2(cum)=0.960，CV-ANOVA显著。Stage I与quercetin-O-malonyl-hexoside和flavogallonic acid关联较强；Stage IV与quercetin galloyl-hexoside、oxovitisin A、(?)-epigallocatechin gallate、dihydroxy-tetramethoxyflavone和ellagic acid关联较强。结果表明成熟涉及酚类谱的协调重塑而非统一增减；黄酮结合形式发生重分配；flavogallonic acid仅在Stage I检出、ellagic acid仅在Stage IV检出，但现有数据不能证明前者直接转化为后者。

3.3 与Rosa tomentosa和Rosa canina较早成熟相关的代谢特征：R. tomentosa成熟最早，7月底已从Stage I进展至Stage III，9月初为唯一达到Stage IV的单株，10月已无蔷薇果可采。NMR半定量显示其精氨酸估计含量在所研究样品中最高，从2.4增至32.9 mg/g DW；该物质在R. arvensis、R. cinnamomea和R. gallica中未检出，在R. canina和R. sempervirens中仅最终采收时检出。研究人员指出，精氨酸早期持续积累可能反映与其较快发育轨迹相关的氮分配策略，但数据不能确定精氨酸积累是否促进早熟。R. canina也较早达到Stage IV，脯氨酸估计水平持续较低；未熟R. canina具有独特黄酮醇组成，包括其他Stage I样品未检出的quercetin-O-coumaroyl-hexoside和kaempferol-3-O-rhamnoside，且未检出其他未熟蔷薇果中存在的hyperoside；Stage IV时这些早期特征不再检出并出现不同黄酮醇结合物。

3.4 常绿R. sempervirens单株的代谢组特殊性：PCA的t[1]与t[3]投影将6月至9月初采收的R. sempervirens样品定位为离群样本。t[3]方向分离主要由其天冬酰胺估计含量显著较高驱动，均值达96.8 mg/g DW；天冬酰胺在Stage I–III较高，Stage IV明显下降。R. sempervirens为数据集中唯一常绿Rosa，1月最终采样时仍保留达到Stage IV的果实，而所研究落叶种已无蔷薇果。研究人员提出，天冬酰胺可能作为果实发育过程中的暂时性氮库，但其解释仍需直接分析氮流和源–库关系。

3.5 基于代谢组数据的滋味相关化学谱探索比较：利用¹H NMR半定量数据和文献阈值计算DOT。天冬酰胺和柠檬酸的DOT最高，分别提示在所用分析条件下较突出的苦味和酸味相关化学贡献；未检出天冬氨酸或谷氨酸等鲜味相关化合物。柠檬酸在R. canina、R. cinnamomea和R. arvensis中较丰富；R. tomentosa和R. sempervirens的苦味和酸味相关代谢物贡献较高，R. tomentosa尤其受高精氨酸影响；R. arvensis甜味相关贡献最高，主要由果糖驱动。LC–MS数据还用于计算基于已注释原花青素和鞣花单宁离子强度之和的相对单宁相关指数，R. gallica最高，R. arvensis和R. tomentosa为中等正值，R. canina和R. cinnamomea为负z-score。上述DOT和单宁指数为相对化学代理，未通过感官分析验证。

3.6 干燥方法对代谢组谱的影响：以商业化产品中最常用的R. canina比较冻干、室温风干及40 °C和80 °C烘箱干燥。与冻干和风干样品相比，烘箱干燥样品随40 °C处理时间延长蔗糖NMR信号逐渐增加，80 °C处理后更明显；天冬酰胺、葡萄糖、柠檬酸和乙酸信号也发生变化。室温风干未产生与烘箱干燥相当的蔗糖信号增加，但伴随多种代谢物信号总体下降及乙酸出现。结果表明干燥条件可影响蔷薇果的NMR可检测代谢谱。

3.7 抗氧化化合物与体外抗氧化能力：R. gallica的独特谱：测定总酚、总黄酮和总类胡萝卜素含量，并用DPPH、FRAP、ORAC和TEAC评估体外抗氧化能力。总酚含量范围为0.9–923 mg GAE/g DE，总黄酮含量为0.00–0.51 mg RE/g DE；多数样品从Stage I到Stage IV酚类和黄酮含量总体下降。类胡萝卜素含量为0.07–3.16 mg BCE/g DE，呈相反趋势，从Stage I到Stage IV总体增加，Stage IV时R. cinnamomea最高、R. gallica次之。双因素ANOVA显示所研究物种与成熟阶段在DPPH、FRAP、ORAC和TEAC中存在显著交互作用。R. canina、R. cinnamomea和R. tomentosa在多数测定中从Stage I到Stage IV显著下降。相反，R. gallica在DPPH、FRAP和TEAC中从Stage I到Stage IV显著增加，ORAC无显著差异；但Stage IV时R. gallica在四项测定中均显著高于其他所研究样品。LC–DAD–ESI–MS/MS显示成熟R. gallica果实具有更广、更分化的黄酮醇谱，包括kaempferol-coumaroyl-hexoside相对离子信号较高，且总黄酮含量下降相对较小。总体表明所研究R. gallica单株具有最独特的成熟相关代谢谱，并在成熟时维持或提高抗氧化能力，而R. canina、R. cinnamomea和R. tomentosa总体下降。

讨论部分总结：原文将结果与讨论合并。讨论强调，所研究蔷薇果虽共享若干成熟相关代谢变化，但这些共同趋势未导致统一的植物化学终点；六个单株各自遵循不同代谢组轨迹，并以不同日历时间通过视觉定义成熟阶段。在植物园共享生长条件下，这些轨迹在成熟后期形成差异化谱，涉及甜味和酸度相关代谢物、含氮化合物、多酚组成及体外抗氧化能力的平衡。由于每种仅由一个已定植单株代表，观察到的差异仅表征所检验的具体植物材料，尚不能泛化为物种水平性状；仍需在更多个体、种群和种质材料中验证。尽管如此，纵向同园设计减少了所研究植物间的环境变异，每次采样以30个果实组成复合样提高了株内果实变异性的代表性；结合互补分析平台和抗氧化能力测定，该方法生成了有价值的阶段分辨比较数据集。总体而言，研究既揭示共享的成熟相关变化，也揭示所研究野生蔷薇果之间显著的个体特异性化学多样性，为未来重复研究以验证物种相关代谢性状并筛选食品、营养品及其他增值应用材料提供基础。

研究结论翻译：综合来看，比较分析显示，尽管所研究的蔷薇果共享若干成熟相关代谢变化，但这些共同趋势并未导致统一的植物化学终点。相反，所研究的六个单株各代表一个Rosa物种，遵循不同的代谢组轨迹，并且在其通过视觉定义成熟阶段的日历时间上存在差异。在植物园共享生长条件下，这些轨迹导致成熟后期的差异化谱，涉及甜味和酸度相关代谢物、含氮化合物、多酚组成以及体外抗氧化能力的平衡。由于每个物种仅由一个已定植单株代表，观察到的差异表征的是所检验的具体植物材料，尚不能概括为物种水平性状。因此，将需要在更多个体、种群和种质材料中进行确认。尽管如此，纵向同园设计减少了所研究植物之间的环境变异，而每次采样使用由30个果实组成的复合样提高了株内果实变异性的代表性。结合互补分析平台和抗氧化能力测定的整合，该方法生成了有价值的阶段分辨比较数据集。总体而言，这些发现揭示了所研究野生蔷薇果之间既存在共享的成熟相关变化，也存在显著的个体特异性化学多样性。该数据集为未来重复研究提供了基础，这些研究旨在验证物种相关代谢性状并鉴定有前景的食品、营养品及其他增值应用植物材料。