《Frontiers in Plant Science》：From green to red: metabolic reprogramming and bacterial community succession underpin cherry tomato fruit ripening and quality formation
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番茄果实成熟伴随着深刻的生化与微生物相关变化，共同塑造果实风味、品质及其对（非）生物胁迫的敏感性。然而，关于代谢重编程与果实相关微生物组在成熟阶段的协同变化效应，目前仍缺乏整合性认识。本研究采用多组学方法，探究了樱桃番茄果实于三个成熟阶段（绿熟期、粉熟期和红熟
番茄果实成熟伴随着深刻的生化与微生物相关变化，共同塑造果实风味、品质及其对（非）生物胁迫的敏感性。然而，关于代谢重编程与果实相关微生物组在成熟阶段的协同变化效应，目前仍缺乏整合性认识。本研究采用多组学方法，探究了樱桃番茄果实于三个成熟阶段（绿熟期、粉熟期和红熟期）的代谢组与细菌组阶段依赖性转变。果实品质分析显示，从绿熟期到红熟期，可溶性糖、番茄红素及抗坏血酸含量显著增加。非靶向代谢组学揭示了成熟过程中广泛的代谢重编程，红熟期果实中脂质、氨基酸、碳水化合物、萜类化合物和黄酮类化合物显著积累，同时防御性生物碱如番茄碱（tomatine）含量下降。高通量16S rRNA扩增子测序表明，细菌多样性与群落组成随成熟过程发生显著转变：红熟期果实具有更高的多样性，并富集革兰氏阳性菌分类单元，包括芽孢杆菌属（Bacillus）、梭菌属（Clostridium）、肠球菌属（Enterococcus）、植物乳杆菌属（Lactiplantibacillus）、利奇菲尔德菌属（Litchfieldia）及片球菌属（Pediococcus）；而假单胞菌属（Pseudomonas）则在绿熟期富集。相关性分析揭示了特定细菌分类单元与成熟相关代谢物之间的强关联，提示微生物演替与代谢重塑之间存在联系。综上所述，上述发现表明番茄果实成熟涉及紧密偶联的代谢与微生物动态，为果实品质形成及可持续农业的采后生态学提供了新见解。
果实成熟是一个受多因素影响的复杂过程，涉及宿主遗传、环境因素及宿主-微生物互作等。研究人员选取风味浓郁但研究尚少的樱桃番茄为材料，探究不同成熟阶段代谢谱变化与果实相关细菌群落之间的关联。该研究发表于《Frontiers in Plant Science》。
当前研究背景表明，番茄作为全球广泛栽培的经济作物，2023年全球产量达1.92亿公吨。樱桃番茄作为其亚种，因含有机酸、糖类及挥发性有机化合物而风味浓郁，果实大小和颜色是影响消费者决策的关键视觉特征。番茄果实成熟分为绿熟、破色、转色、粉熟、浅红和全红六个阶段，受宿主遗传、环境因素及宿主-微生物互作调控。成熟过程中，乙烯和类胡萝卜素（番茄红素和β-胡萝卜素）积累导致表型变化；糖、有机酸、酚类化合物等发生剧烈变化，影响果实风味。与此同时，果实相关微生物群在成熟过程中也发生动态的结构与组成转变，影响宿主次生代谢物组成、风味发展及采后病害抗性。然而，目前缺乏关于番茄在不同成熟阶段代谢与微生物动态整合研究的报道。
本研究旨在解决以下问题：樱桃番茄在不同成熟阶段的代谢物与细菌组组成是否存在差异，以及果实化学变化是否与果实相关细菌微生物群存在关联。研究人员采集了绿熟期（GT，完全膨大、绿色果实）、粉熟期（PT，50%粉色）和红熟期（RT，完全红色）的樱桃番茄样品，开展非靶向液相色谱-质谱联用（LC-MS）代谢组学和高通量扩增子测序分析。研究得出以下结论：果实从绿熟期到红熟期经历了显著的代谢重编程，脂质、氨基酸、碳水化合物、萜类和黄酮类积累，防御性生物碱下降；细菌群落发生显著演替，红熟期多样性增加，革兰氏阳性菌富集；代谢物与微生物之间存在显著相关性，表明果实化学与微生物组在成熟过程中紧密偶联。该研究对樱桃番茄品质、风味形成及采后管理具有重要意义。
为开展此项研究，研究人员采用了以下主要关键技术方法：果实品质测定采用3,5-二硝基水杨酸（DNS）法测定可溶性糖含量、丙酮-己烷提取分光光度法测定番茄红素含量、2,6-二氯靛酚（DCPIP）滴定法测定抗坏血酸含量；非靶向代谢组学分析采用超高效液相色谱-四极杆静电场轨道阱质谱（UHPLC-Q Exactive）联用技术，结合ACQUITY BEH Amide色谱柱，在正负离子模式下进行数据采集，使用Progenisis QI软件进行数据预处理，通过偏最小二乘判别分析（PLS-DA）筛选差异代谢物（VIP>1且p<0.05），并进行KEGG通路富集分析；细菌群落分析采用基于V5-V7区16S rRNA基因的高通量扩增子测序技术，引物为799F/1193R，使用DADA2算法进行去噪获得扩增子序列变体（ASVs），基于SILVA 16S rRNA数据库（v138.2）进行物种注释；统计与相关性分析采用R软件计算Shannon多样性指数和Simpson指数评估α多样性，基于Bray-Curtis距离进行主坐标分析（PCoA）评估β多样性，采用Spearman秩相关分析细菌与代谢物关联。样本来源为中国百色市永乐村田间自然土壤栽培的樱桃番茄品种"玉女"（Yu-nu），春季种植，每个成熟期设4个生物学重复。
研究结果表明：果实品质参数随成熟阶段显著变化，红熟期可溶性糖、番茄红素和抗坏血酸含量最高，绿熟期最低，粉熟期居中。代谢组学分析显示，PLS-DA分析表明早期（GT）与晚期（RT）代谢谱明显分离，GT与PT聚类较近；火山图揭示PT vs GT有49个代谢物显著上调、29个下调，RT vs GT有358个上调、72个下调，RT vs PT有291个上调、70个下调。代谢物组成分析显示，初级代谢物中脂质（38.63%）、氨基酸及衍生物（28.36%）、碳水化合物及衍生物（23.47%）占主导；次级代谢物中萜类（26.81%）和黄酮类（21.91%）最丰富。成对比较发现PT vs GT、RT vs PT、RT vs GT分别有38、81、149个独特代谢物，17个代谢物在三阶段比较中持续差异表达。RT vs GT比较中，番茄碱、脱氢番茄碱、N-油酰天冬酰胺、茄碱等在GT富集；L-脯氨酸、L-谷氨酸、UDP-半乳糖等在RT富集。KEGG富集分析显示RT vs GT中α-亚麻酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、ABC转运蛋白、β-丙氨酸代谢、丙酸代谢、氨酰tRNA生物合成、硫代谢等通路显著富集。
细菌群落多样性分析显示，Shannon指数在RT显著高于GT，Simpson指数RT显著高于PT和GT；Venn图显示RT特有ASVs最多，共75个ASVs在三阶段共享；PCoA分析显示群落组成随成熟阶段分离（R=0.2153，P=0.043）。细菌群落组成分析显示，门水平上变形菌门（Pseudomonadota）、芽孢杆菌门（Bacillota）、拟杆菌门（Bacteroidota）、放线菌门（Actinomycetota）和酸杆菌门（Acidobacteria）占主导，但无显著差异；科水平上，假单胞菌科（Pseudomonadaceae）和李斯特菌科（Listeriaceae）在GT和PT显著高于RT，芽孢杆菌科（Bacillaceae）、梭菌科（Clostridiaceae）、肠球菌科（Enterococcaceae）和链球菌科（Streptococcaceae）在RT显著高于GT和PT。核心与富集细菌分析显示，三元图表明假单胞菌属（Pseudomonas）、 brochothrix、迈尔氏菌属（Myroides）、肉杆菌属（Carnobacterium）和Dellaglioa在GT和PT更丰富；利奇菲尔德菌属（Litchfieldia）、梭菌属、肠球菌属、链球菌属（Streptococcus）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和伯克霍尔德菌-卡巴莱罗尼亚菌-副伯克霍尔德菌属复合群（Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia）在RT更丰富。核心属包括假单胞菌属、Brochothrix、Myroides、Carnobacterium、Desulfotomaculum、Sphingomonas、Dellaglioa、Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia、Vagococcus、甲基杆菌属（Methylobacterium）、棒状杆菌属（Corynebacterium）、弧菌属（Vibrio）、希瓦氏菌属（Shewanella）、不动杆菌属（Acinetobacter）和Cutibacterium。火山图ASV水平分析显示，RT vs GT有26个ASVs在RT富集，仅4个在GT富集；RT vs PT有31个ASVs在RT富集，仅4个在PT富集。RT富集的ASru_ids属于链球菌属、肠球菌属、Fonticella、梭菌属、大肠杆菌-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）、植物乳杆菌属、芽孢杆菌属、副球菌属（Paracoccus）、片球菌属、利奇菲尔德菌属、黄杆菌属（Flavobacterium）和假单胞菌属等。
相关性分析结果表明，富集ASVs与17个核心代谢物之间存在正负关联。假单胞菌相关ASVs与多种代谢物呈显著负相关，包括lippioside II、agavoside A、lucidamine A、cinnamoside、aziii、convalloside、Phe-Val、vomifoliol 9-[xylosyl-(1->6)-glucoside]和N-(2-methyl-4-oxooxetan-3-yl)acetamide。Lippioside II与大多数细菌ASVs（肠球菌属、梭菌属、利奇菲尔德菌属、植物乳杆菌属、芽孢杆菌属、大肠杆菌-志贺氏菌属和片球菌属）呈正相关；Leu-Val-Phe与大多数上述细菌ASVs呈负相关。利奇菲尔德菌属与大多数代谢物呈正相关，包括lippioside II、ruscogenin、agavoside A、lucidamine A、O-乙酰基-L-丝氨酸、chaenorrhinoside、aziii、convalloside、PheVal、kanokoside D、vomifoliol 9-[xylosyl-(1->6)-glucoside]和androsin。大多数核心属（假单胞菌属、Brochothrix、Carnobacterium、Dellaglioa、Vagococcus和Vibrio）与核心代谢物呈负相关。
讨论部分总结如下：研究人员进一步分析了代谢重编程与微生物演替的生物学意义。关于代谢方面，果实成熟过程中的糖分、番茄红素和抗坏血酸增加与先前研究一致，糖类通过韧皮部长途运输至果实，经质外体和共质体分配，对细胞扩张和风味至关重要。脂质作为香气挥发物前体、氨基酸作为香气前体、碳水化合物对果实发育和品质的贡献已被广泛认知。萜类化合物在植物生长调控、能量转移、吸引传粉者、植物-微生物互作及病害抑制中发挥关键作用；黄酮类对人体健康有益，其在外果皮中的积累赋予番茄特征性红色。番茄碱等生物碱在绿熟期含量高，成熟过程中转化为无苦味的乙酰葡萄糖基化形式（如esculeoside A或lycoperoside G和F），同时参与植物防御。L-苹果酸等有机酸随成熟逐渐减少，而L-谷氨酸作为"鲜味"特征氨基酸、L-脯氨酸作为应激响应多功能氨基酸参与风味形成，UDP-半乳糖的富集反映细胞壁解体过程中半乳糖的周转回收。
关于微生物方面，红熟期果实细菌多样性增加，变形菌门、芽孢杆菌门和拟杆菌门为主导，这可能归因于其于营养丰富的果实环境中利用多种碳源的能力。假单胞菌科随成熟显著下降，芽孢杆菌科、梭菌科、肠球菌科和链球菌科显著上升，此模式与葡萄浆果系统报道一致，反映成熟相关果实化学和微生境结构变化对革兰氏阳性菌的选择性富集。核心属中甲基杆菌属、假单胞菌属和鞘氨醇单胞菌属为双子叶植物叶际主要富集类群；弧菌属、希瓦氏菌属和Cutibacterium虽非典型叶际栖居者，但其植物相关角色已有新证据支持。假单胞菌属多个ASVs在GT富集而仅单个ASV在RT富集，表明该属内存在菌株水平生态位分化，GT支持更广泛的谱系而RT对适应性菌株施加更强选择压力。芽孢杆菌属作为生防制剂抑制果实表面真菌病原体；黄杆菌属对植物生长促进、病害抑制和非生物胁迫耐受重要；植物乳杆菌属具益生菌和抗真菌潜力；利奇菲尔德菌属新近发现具促植物生长特性；副球菌属参与胁迫缓解和微生物群落结构调控；片球菌属对细菌和真菌病原体表现出生防特性。
相关性分析的功能分化意义表明，假单胞菌相关ASVs与代谢物的负相关反映早期成熟阶段的消费者导向生态特征；利奇菲尔德菌属与代谢物的广泛正相关暗示其对代谢物丰富红熟期环境的适应。Lippioside II作为与多种分类单元正相关的中心代谢物，可能在塑造细菌群落结构中发挥作用。研究人员明确指出这些基于相关性的关联为探索性发现，并不代表因果关系，需实验验证以建立因果作用。
研究结论部分翻译如下：基于樱桃番茄果实成熟过程中代谢与微生物动态的综合结果，研究人员的发现表明，从绿熟期到红熟期的成熟过程伴随着广泛的代谢重编程，包括糖、氨基酸、类胡萝卜素及与果实品质和风味相关的次生代谢物的积累，以及防御性生物碱的下降。与此同时，果实相关细菌群落发生显著演替，多样性增加，从革兰氏阴性、消费者导向的分类单元向红熟期中富集的革兰氏阳性和代谢物相关属转变。观察到的富集细菌ASVs与关键成熟代谢物之间的强相关性表明，果实化学与微生物组组成在成熟过程中紧密交织。尽管这些模式为相关性结果，但指示了占据不同成熟生态位的微生物分类单元之间存在功能分化。总体而言，研究结果推进了对番茄果实成熟作为偶联代谢-微生物过程的理解，并突出了果实微生物组作为改善果实品质、风味发展和采后管理的潜在靶点。
