《International Journal of Molecular Sciences》：Characterization of the Aromatic Profile of Mature-Green Tomato Fruit (“Fen Junmei”) in Response to Supplemental LED Light Quality and Intensity During Ripening
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光质和光强作为重要环境信号，可调控番茄果实成熟进程和风味化合物合成。壳寡糖（chitosan oligosaccharides）作为天然生物刺激素，可改善果蔬采后品质。然而，不同LED光质—光强组合如何调控壳寡糖预处理绿熟番茄果实的成熟和香气代谢仍不清楚。本研
光质和光强作为重要环境信号，可调控番茄果实成熟进程和风味化合物合成。壳寡糖（chitosan oligosaccharides）作为天然生物刺激素，可改善果蔬采后品质。然而，不同LED光质—光强组合如何调控壳寡糖预处理绿熟番茄果实的成熟和香气代谢仍不清楚。本研究以绿熟番茄果实为实验材料，经壳寡糖溶液浸渍预处理后，施加不同补充光质（白光、蓝光以及1:1红蓝复合光）与不同光强的组合进行连续光照，系统研究这些光照条件对番茄采后生理品质和挥发性香气组分的影响，并通过转录组测序分析分子调控机制。结果表明，光质和光强显著调控番茄果实的转色、硬度、色素积累及糖酸品质。高强度红蓝复合光处理（RB-H）有效加速果实成熟，促进类胡萝卜素积累，显著提高萜烯类和芳香挥发性化合物含量，并改善果实风味。转录组分析显示，不同光处理诱导大量差异表达基因，WRKY、MYB、AP2/ERF、bHLH、NAC和C2H2等转录因子家族广泛参与光信号响应。加权基因共表达网络分析（WGCNA）鉴定出两个与光响应相关的关键模块。KEGG通路富集分析表明，萜类骨架生物合成、单萜生物合成、倍半萜和三萜生物合成以及酪氨酸代谢途径是调控番茄挥发性香气化合物产生的核心通路。总之，RB-H处理通过激活萜类生物合成和酪氨酸代谢途径中的关键基因，促进特征香气化合物积累并提升番茄整体品质。本研究揭示了光质和光强塑造壳寡糖预处理果实采后番茄成熟和风味发育的转录调控网络，为采后番茄的精准LED光环境调控和风味品质靶向提升提供理论支持。
研究背景与问题：番茄（Solanum lycopersicum）是全球广泛栽培且经济价值较高的鲜食园艺作物，其商品品质和消费者接受度由成熟转色、果肉硬度、可溶性固形物（soluble solids content，SSC）、糖酸比和特征香气决定。采后绿熟番茄贮藏过程中的成熟调控是提高温室番茄品质的核心研究方向。光作为调控果实发育、色素合成和风味代谢的关键环境信号，具有光质与光强双重梯度，但二者对番茄成熟和品质形成的协同效应尚缺乏系统阐明。已有研究多集中于单一红光或蓝光对类胡萝卜素、花青素或总香气的影响，缺乏白光、单色蓝光及1:1红蓝复合光在两种光强梯度下的系统比较；同时，壳寡糖（chitosan oligosaccharide，COS）作为天然生物刺激素可提高果蔬抗性、促进转色和改善风味，但经COS预处理的绿熟番茄在不同LED光质—光强组合下成熟和香气代谢如何变化仍不清楚。现有研究多分别分析光质对转录组或代谢组的影响，缺乏多光梯度与COS预处理背景下“光信号—转录调控—香气化合物积累”的整合分析。因此，研究人员开展本研究以比较不同光质和光强对采后番茄成熟、色素积累、糖酸品质和香气形成的影响，并解析其转录调控网络。
研究开展与结论意义：研究人员以风味型番茄品种‘Fen Junmei’绿熟果实为材料，经0.08 g/L COS溶液浸渍预处理后，设置自然室内光对照（NLS）、全光谱白光高/低光强（W-H、W-L）、单色蓝光高/低光强（B-H、B-L）以及红蓝复合光（1:1）高/低光强（RB-H、RB-L）共7个处理，连续7 d补充光照，测定转色、色差、硬度、类胡萝卜素、花青素、SSC和糖酸比，并结合顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（headspace solid-phase microextraction coupled with gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC/MS）挥发性代谢组和RNA-seq转录组分析。结果表明，RB-H可加速果实成熟和转色，促进类胡萝卜素和花青素积累，提高SSC和糖酸比，降低峰值硬度，并显著增加萜烯类和芳香挥发性化合物含量；W-L延迟转色并抑制色素和SSC积累，整体品质最差。转录组分析显示，WRKY、MYB、AP2/ERF、bHLH、NAC和C2H2等转录因子（transcription factors，TF）家族广泛参与光响应；WGCNA鉴定出绿色和品红色两个关键模块；KEGG富集表明萜类骨架生物合成、单萜生物合成、倍半萜和三萜生物合成以及酪氨酸代谢是调控香气形成的核心通路。该研究为精准LED光环境调控和采后番茄风味品质靶向提升提供了理论依据。
关键技术方法：供试‘Fen Junmei’番茄绿熟果取自上海乾德种业有限公司寿光示范基地（Shanghai, China），单果约40±5 g，开花后约35 d处于绿熟期。果实经0.08 g/L COS溶液浸渍1 h，随后进行7 d补充光照（每日17:00—21:00，4 h），设置NLS及W-H/W-L、B-H/B-L、RB-H/RB-L，高/低光强分别为50±5/25±5 μmol m
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?1光合光子通量密度（photosynthetic photon flux density，PPFD）。测定转色、色差、硬度、SSC、糖酸比、类胡萝卜素和花青素；采用HS-SPME-GC/MS分析挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs），RNA-seq分析转录组，并进行WGCNA、KEGG富集及实时定量PCR（quantitative real-time PCR，qRT-PCR）验证16个候选基因。
研究结果：光调控成熟发育与理化品质——通过7 d表型观测和生理指标测定发现，RB-H最短达到破色期，促进类胡萝卜素、花青素、SSC和糖酸比积累，峰值硬度较低且软化较快；W-L延迟破色，抑制色素和SSC积累，峰值硬度最高且糖酸比最低；其他处理介于二者之间。色差参数——通过色差仪测定发现，RB-H的a值和C值最高、H值最低，果皮红色最深且饱和度较高；W-L的b值最高、a值最低、H值最高，果皮偏黄；L值处理间差异较小。挥发性代谢组总体轮廓——通过HS-SPME-GC/MS检测到870种VOCs，分属12类，萜类（18.51%）、酯类（17.59%）、酮类（12.76%）、醇类（10.11%）和杂环类（9.89%）为主要组分；主成分分析（principal component analysis，PCA）中PC1和PC2共解释61.92%的总变异，组间分离明显，热图显示处理特异性积累模式。差异VOCs与核心香气成分——通过Venn图和火山图分析发现，RB-H vs W-H独特差异化合物142种，火山图鉴定138个差异VOCs（136上调、2下调）；RB-H vs W-L为57个（39上调、18下调）；RB-L vs RB-H为38个（17上调、21下调）；三比较共有26种挥发物，RB-H较白光处理显著上调大量VOCs。香气感官属性——基于挥发物与已知风味描述关联分析，RB-H vs W-H富集果香、青香、花香、蜡香和甜香；RB-H vs W-L果香、甜香、木香、青香和花香较高；RB-L vs RB-H整体强度较低。研究人员说明感官轮廓由化学鉴定的挥发性代谢物与已记录风味描述关联推断，而非人工感官评价。转录组DEG全局——通过RNA-seq发现大量差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs），RB-H vs W-H和RB-H vs W-L中下调基因多于上调基因，RB-L相关比较中上调比例增加；PCA显示四组分离且重复性良好；花瓣Venn图显示54个核心共有DEG，RB-H相关三比较共享802个DEG，RB-H vs W-L独特DEG最多（1080），其次为RB-H vs W-H（961）和RB-L vs RB-H（399）。差异转录因子——通过DEG统计和聚类发现，WRKY、MYB、AP2/ERF、bHLH、NAC和C2H2为显著富集的核心TF家族，表达模式具有处理特异性，RB-H与白光处理及RB-L之间存在明显差异。WGCNA模块——通过加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis，WGCNA）鉴定绿色和品红色两个光响应关键模块；绿色模块在W-H/W-L低表达、在RB-H/RB-L上调，品红色模块在W-L受抑制、在RB-H富集；16个核心候选基因经qRT-PCR验证在RB-H中显著高于W-L，与模块趋势一致。KEGG通路网络——通过KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genomes，京都基因与基因组百科全书）富集和通路网络分析发现，倍半萜和三萜生物合成（ko00909）在三比较中均显著；萜类骨架生物合成（ko00900）在RB-H vs W-H中特有富集；酪氨酸代谢（ko00350）和单萜生物合成（ko00902）在RB-H vs W-L中富集；单萜生物合成（ko00902）在RB-L vs RB-H中富集，网络中上调基因与通路枢纽基因关联。关键通路基因表达——通过通路基因表达分析发现，ko00909中germacrene型合成相关基因上调，无环倍半萜和达玛烷型合成基因也有差异；ko00902中neomenthol和8-hydroxygeraniol相关关键基因在RB-H较白光上调；ko00900上游关键酶基因表达改变；ko00350中酪氨酸、酪胺和多巴胺转化步骤基因在RB-H较W-L上调。总体上，RB-H同时激活萜类生物合成和酪氨酸代谢途径，促进单萜、倍半萜和芳香挥发物产生，RB-L与RB-H差异较小。
讨论部分总结：讨论3.1指出，RB-H缩短绿熟番茄达到破色期的时间，加速叶绿素降解，提高果皮a*值和C值，降低H°和果实硬度；W-L延迟转色并维持较高硬度。讨论认为红光经光敏色素（PHY）促进乙烯合成，蓝光经隐花色素（CRY）上调类胡萝卜素生物合成关键酶基因，高光强放大光信号转导强度；同一光质下高光强处理优于低光强，光质调控优先于光强，RB-L在品质参数上仍优于W-H；NLS光强仅50 μmol m
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?1且光谱缺少足够红蓝光，整体品质低于LED补充光照。讨论3.2指出，RB-H的SSC和糖酸比最高，W-L最低；高红蓝光可上调蔗糖转运基因、促进淀粉向可溶性糖转化并激活有机酸降解，从而优化糖酸平衡。HS-SPME-GC/MS检测的870种VOCs中萜类占主导；RB-H上调百余种果香、花香和甜香相关挥发物，W-L香气积累最低且青草味比例增加；萜类骨架、单萜、倍半萜和三萜生物合成及酪氨酸代谢为核心通路，RB-H上调萜类途径关键限速酶基因，酪氨酸代谢仅在RB-H vs W-L中显著富集；RB-L也上调萜类途径但幅度低于RB-H，白光体系即使高光强也不能大量合成特征萜类，光质是决定风味品质的关键因素。讨论3.3指出，WRKY、MYB、AP2/ERF、bHLH、NAC和C2H2等TF家族连接光信号与成熟和香气代谢；MYB可调控类胡萝卜素和花青素合成，NAC和AP2/ERF参与乙烯信号，WRKY和bHLH参与次生代谢和光响应；这些TF在RB-H中高表达、在W-L中受抑制。WGCNA绿色和品红色模块分别响应红蓝混合光和高光强，16个枢纽基因在RB-H中显著上调，模块富集氨基酸代谢、萜类生物合成、黄酮合成、脂肪酸合成和乙烯生物合成等基因；54个核心DEG可作为番茄光响应保守标记基因。讨论3.4指出，转录组—挥发代谢组关联显示四条核心通路中的结构基因与差异萜类和芳香化合物显著正相关；倍半萜途径中germacrene型合成基因在RB-H上调，单萜途径中neomenthol和geraniol合成关键酶高表达，酪氨酸途径促进多巴胺和酪胺衍生的芳香化合物形成。讨论同时说明，所有果实均接受相同COS预处理，未设置非COS对照，因此数据不能统计分离COS与光因素的独立生物学效应及交互作用，所有比较均反映统一COS背景下不同光质/光强处理间的差异。
研究结论翻译：本研究表征了光质和光强如何改变壳寡糖预处理绿熟番茄的采后品质属性，表明光质调控优先于光强。RB-H（50 μmol m
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?1 PPFD）为最优处理，可缩短绿熟番茄成熟期，促进类胡萝卜素和花青素积累，增强果皮着色，降低果实硬度，提高SSC和糖酸比，从而综合改善外观和基础风味品质；W-L显著抑制成熟和养分积累，整体品质最差。代谢组分析检测到870种VOCs，萜类为核心香气成分；RB-H显著上调百余种与果香、花香和甜香相关的挥发物，重塑番茄香气感官轮廓并提高风味复杂性。转录组筛选出WRKY、MYB、AP2/ERF、bHLH、NAC和C2H2六个主要光响应核心TF家族；WGCNA揭示绿色和品红色两个与番茄成熟和香气代谢密切相关的关键共表达模块，分别响应光质和光强；模块内16个核心枢纽基因在RB-H下特异性上调，在将光信号传递至下游代谢途径中发挥关键作用。KEGG通路富集确认萜类骨架生物合成、单萜生物合成、倍半萜和三萜生物合成以及酪氨酸代谢是光调控特征香气形成的核心通路；RB-H上调这些通路中关键限速酶编码基因，为多种挥发物合成提供充足前体。综上，本研究评价了高强度红蓝LED补充光照对壳寡糖预处理番茄的采后品质提升，并揭示“光信号—转录因子—共表达模块—萜类/酪氨酸代谢—香气化合物积累”的完整调控网络，为温室番茄精准LED光环境调控和果实风味品质靶向提升提供理论依据和生产方案。
