通过整合转录组学和代谢组学分析解析蜡质玉米采后品质劣变的调控网络

《Postharvest Biology and Technology》：Deciphering the regulatory network of postharvest quality deterioration in waxy corn through integrated transcriptomic and metabolomic profiling

　　

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  蜡质玉米的表型和生理品质在采收后会迅速下降。
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  淀粉和蔗糖的代谢是导致采后品质下降的原因。
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  多组学分析揭示了采后品质下降过程中的组织特异性调控机制。
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  加权基因共表达网络分析找到了与品质指标相关的组织特异性基因模块及关键候选基因。

引言

蜡质玉米（Zea mays L. var. ceratina）是一种特殊的玉米品种，其胚乳中的支链淀粉含量较高，这使得煮熟后的玉米口感柔软有嚼劲。这种蜡质特性是由胚乳中的一种隐性突变基因（wxwx）控制的。该基因的突变会导致颗粒结合型淀粉合成酶I（GBSSI）缺乏，进而促使支链淀粉积累（Gaur等人，2024年）。除了独特的口感外，蜡质玉米还富含膳食纤维、蛋白质和其他营养成分，同时具有玉米特有的香气，因此很受消费者青睐，具备较大的市场潜力（Li等人，2022年）。近年来，蜡质玉米在新鲜玉米消费市场中的份额一直在稳步上升（Zhao等人，2016年）。然而，蜡质玉米在采收后的品质会迅速下降，这大大缩短了其保质期，也限制了其工业化发展。

蜡质玉米的采后品质下降涉及多个方面，包括甜度降低和口感变化（Ketthaisong等人，2014年）。蔗糖、果糖和葡萄糖等可溶性糖分是决定甜度的关键因素，这些糖分在采后储存过程中会迅速消耗，从而导致甜度下降（Kang等人，2025年；Ren等人，2026年；Zhang等人，2026年）。口感变化主要表现为硬度的高低变化。硬度增加通常与苯丙素生物合成介导的细胞壁木质化以及细胞壁多糖代谢有关（Gong和Chen，2013年；Zhu等人，2014年；Gong等人，2018年）。细胞壁多糖主要由果胶、纤维素和半纤维素组成（Posé等人，2019年）。在采后储存过程中，这些多糖会被细胞壁降解酶如聚半乳糖醛酸酶（PG）分解。这些酶的活性通常会促进组织软化，而抑制其活性则有助于保持采后的硬度（Cai等人，2023年；Cheng等人，2023年）。此外，玉米籽粒中的淀粉积累及其结构特性也会影响籽粒的口感（Yu等人，2022年；Cao等人，2023年）。这些研究结果表明，采后品质下降与糖分、淀粉以及细胞壁代谢密切相关。

内源激素是调控农产品采后品质变化的关键因素。乙烯、脱落酸（ABA）、生长素和茉莉酸（JA）都被认为在这一过程中起着重要作用（Ding等人，2022年；Zhu等人，2022年）。乙烯通常会促进果蔬的采后软化（Su等人，2025年；Shu等人，2026年）。ABA则与碳代谢密切相关（Jiang等人，2023年；Dong等人，2025年）。例如，柑橘类作物中内源ABA的积累会通过SnRK1介导的调控模块激活蔗糖磷酸合成酶基因的表达，从而促进蔗糖的合成（Zeng等人，2026年）。这些研究表明，乙烯和ABA等激素可以通过调控细胞壁代谢以及淀粉-蔗糖代谢来影响农产品的采后品质。不过，新鲜蜡质玉米采后品质下降的分子调控机制目前仍不完全清楚，亟需进一步深入研究。

目前，转录组学和代谢组学已被广泛用于阐明各类园艺作物，包括果蔬的采后品质下降的分子调控机制（Li等人，2024年；Zhang等人，2025年）。在新鲜玉米研究中，相关工作主要集中在甜玉米上。例如，一项结合转录组学和代谢组学的研究发现了11个差异表达基因以及3种转录因子，它们通过参与黄酮类化合物生物合成等途径来调控甜玉米的采后品质变化（Liu等人，2024年）。然而，关于新鲜蜡质玉米采后品质下降的分子调控机制的研究还相对较少，现有的研究大多是在整个籽粒层面进行的。玉米籽粒由果皮、胚乳和胚等多个组织构成（Watson，2003年）。在整体籽粒层面进行分析可能会掩盖不同组织在采后品质下降过程中的特异性反应。因此，为了克服这一局限，开展组织特异性的多组学分析是揭示蜡质玉米品质下降调控网络的重要途径。

本研究旨在通过表型和生理指标分析，确定蜡质玉米在室温储存过程中品质下降的关键特征及临界时间点。此外，还通过整合转录组学和代谢组学分析，明确参与采后品质下降的关键代谢途径和基因调控网络。研究采用了加权基因共表达网络分析方法，找出与品质指标密切相关的基因模块，并筛选出关键的候选基因。这些结果为保持新鲜蜡质玉米的采后品质和延长其保质期提供了理论依据。

章节要点

材料与处理

本研究使用的蜡质玉米杂交种“沈糯20号”是由沈阳农业大学特种玉米研究所培育的，种植地点位于中国沈阳的沈阳农业大学科研实验基地。为确保试验材料的均匀性，在开花前挑选了生长状况一致的植株进行套袋处理，然后在同一天进行人工自授粉。授粉后第22天，选取了一批大小一致、无机械损伤且完好的玉米穗

储存期间蜡质玉米的表型、品质及生理指标变化

在室温条件下储存时，蜡质玉米的表型和品质都会逐渐下降。随着储存时间的延长，玉米籽粒会出现明显的皱缩现象，表面光泽度也会随之降低（图1A）。6天后，籽粒的硬度增加了70%，而含水量则下降了23%。值得注意的是，这两项指标的变化速率在6天后明显放缓（图1B-C）。玉米果皮的硬度也在6天后增加了16%，其厚度

讨论

由于独特的口感和风味，蜡质玉米很受消费者喜爱。近年来，其对市场的需求一直在稳步增长。然而，采后品质的快速下降严重限制了其储存保鲜能力和商业化发展。通过结合表型、生理、转录组学和代谢组学分析，本研究揭示了品质下降的潜在调控机制。研究结果表明，碳水化合物代谢失衡以及细胞壁

结论

在室温储存条件下，蜡质玉米籽粒的品质下降是一个复杂的生物学过程，需要多个组织的协同调控。表型和生理分析表明，籽粒甜度下降和硬度增加是这一品质下降过程的主要表现。整合转录组学和代谢组学分析的结果显示，乙烯信号通路的激活以及生长素、ABA等其他物质的抑制作用

资助情况

本研究得到了辽宁省科技重大专项的财政支持（编号：2024JH1/11700007–4）。

作者贡献声明

彭江兰：研究实施、数据整理。钟雪梅：研究实施、数据整理。李美英：方法设计、研究实施。王紫露：方法设计、研究实施。郭涛：研究实施、数据整理。王俊祥：方法设计、研究实施、概念构建。兰向毅：方法设计、研究实施、概念构建。曲建洲：论文撰写与编辑、概念构建。张曼斯：论文初稿撰写、可视化处理、软件应用、方法设计、研究实施、数据整理。

关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

本研究的写作过程中仅使用了AI工具来辅助语言润色和提升文本的清晰度。在研究设计、数据收集、数据分析以及结果解读环节均未使用任何AI工具。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。

Mance Zhang|Junxiang Wang|Xiangyi Lan|Tao Guo|Meiying Li|Zilu Wang|Jianglan Peng|Xuemei Zhong|Hongwei Wang|Min Zhu|Jianzhou Qu