芹菜中挥发性有机化合物在种质、生长阶段和组织类型间的动态积累与特异性分布

《Journal of Future Foods》：Dynamic Accumulation and Specific Distribution of Volatile Organic Compounds Across Germplasms, Growth Stages, and Tissue Types in Celery

　　

本研究旨在系统阐明芹菜中挥发性有机化合物（VOCs）的组成、积累模式和种间差异。采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）技术，分析了25个芹菜品种在不同生长阶段（幼苗期和成熟期）和组织类型（叶片、叶柄、根和干种子）中的VOCs。在芹菜样品中共鉴定出66种VOCs，主要涵盖五类物质，包括单萜（monoterpenes）、倍半萜（sesquiterpenes）和苯酞类（phthalides）。萜类如D-柠檬烯（D-Limonene）、β-蒎烯（β-Pinene）和β-罗勒烯（β-Ocimene）是核心VOCs组分。此外，不同品种、生长阶段和组织类型间总VOC含量和组成存在显著差异。VOC含量随植物生长显著增加，成熟植株高于幼苗。叶柄和叶片是主要的储存组织，分别占总VOCs的36.93%-49.99%和19.96%-39.87%。在品种间，青芹（green celery）的VOC积累最高，其次是白芹、黄芹和紫芹。最后，正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）确定了20种关键差异化合物（β-罗勒烯、D-柠檬烯、1,3,8-对薄荷三烯、α-蒎烯、月桂烯、β-(E)-罗勒烯等）作为种间变异的主要来源。总体而言，本研究阐明了芹菜VOCs的分布和积累模式，确定了其核心组分和种间变异，并突出了高VOC积累的种质品种。这些发现为改善芹菜风味品质提供了理论和实践基础。

**论文解读：芹菜挥发性有机化合物的动态积累与特异性分布研究**

**研究背景与意义**

植物挥发性有机化合物（VOCs）是一类低分子量、亲脂性的次生代谢产物，在植物生长调控、品质形成及生物与非生物胁迫防御中发挥关键作用。芹菜（*Apium graveolens* L.）作为伞形科（Apiaceae）具独特风味的蔬菜，其风味品质主要由VOCs的组成与含量决定，直接影响感官评价和商业价值。然而，不同芹菜种质（germplasm）中VOCs的组成、积累规律及种间差异尚缺乏系统研究。此前研究多局限于单一品种或特定组织，未同时覆盖多个生长阶段、组织类型及颜色变种（青、白、黄、紫芹）。因此，研究人员以25个代表性芹菜品种为材料，系统解析VOCs在种质、生长阶段（幼苗期与成熟期）和组织类型（叶柄、叶片、根、种子）间的动态积累与特异性分布，旨在为芹菜风味品质的遗传改良提供理论依据和关键靶标化合物。该论文发表在《Journal of Future Foods》。

**研究内容与结论**

研究人员采用顶空固相微萃取气相色谱质谱联用（HS-SPME-GC-MS）技术，共鉴定出66种VOCs，涵盖脂肪酸衍生物、单萜、倍半萜、苯酞类及其他化合物。主要结论包括：（1）VOC积累具有显著的生长阶段和组织特异性，成熟期总含量和种类显著高于幼苗期，叶柄是最主要的积累部位（占总VOCs 36.93%-49.99%），其次为叶片（19.96%-39.87%），根和种子含量较低；（2）青芹的总VOC含量最高（637.45-2041.08 mg/kg），紫芹最低（559.98-1261.1 mg/kg）；（3）所有品种共有的核心VOCs包括D-柠檬烯（D-Limonene）、β-蒎烯（β-Pinene）、β-罗勒烯（β-Ocimene）、1,3,8-对薄荷三烯（1,3,8-p-Menthatriene）、β-石竹烯（β-Caryophyllene）、反式新蛇床内酯（trans-Neocnidilide）和芹菜内酯（Sedanenolide）等；（4）通过正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）筛选出20种关键差异VOCs（如β-罗勒烯、D-柠檬烯、α-蒎烯、月桂烯等），其含量在品种间差异达4.38-125.14倍，可作为区分种质的风味标记。这些结果首次系统揭示了芹菜VOCs的积累规律和种间差异，为高风味品质芹菜育种提供了直接靶标。

**主要技术方法**

研究人员以25个芹菜品种（包括青、白、黄、紫四种颜色类型）为材料，种植于四川农业大学现代农业基地（103°86′E，30°70′N）。采用顶空固相微萃取（HS-SPME）结合气相色谱质谱联用（GC-MS）技术提取并分析VOCs。样品采集包括幼苗期（株高15 cm）的叶柄和叶片，以及成熟期（90-100天）的叶柄、叶片、根和种子。每个样品设三个生物学重复，每个重复由5株混合。GC-MS使用HP-5MS色谱柱，梯度升温（40°C至250°C），质谱全扫描模式。定性通过NIST14谱库匹配和保留指数（RI）计算（匹配度≥85），定量采用内标法（2-辛醇）计算毫克每千克（mg/kg）含量。数据统计分析基于OPLS-DA模型，以变量重要性投影（VIP）≥1.0和单因素方差分析（P<0.05）筛选差异化合物。

**研究结果详细解析**

**3.1 25个芹菜种质中VOCs的组成分析**
通过HS-SPME-GC-MS鉴定，共检测到66种VOCs，分为五类：脂肪酸衍生物（18种）、单萜（24种）、倍半萜（17种）、苯酞类（4种，源自萜类代谢）及其他（3种）。单萜和倍半萜合计占总VOCs的69.70%，是芹菜风味的主要贡献者。

**3.2 不同生长阶段芹菜VOCs和含量的差异分析**
比较幼苗期与成熟期，发现成熟期VOC种类（46-56种）和总含量（559.98-2041.08 mg/kg）均显著高于幼苗期（41-53种，356.88-1400.46 mg/kg）。92%的品种在成熟期总VOC含量增加，其中青芹品种‘Jinnan Shiqin No. 3’（2041.08 mg/kg）和‘Siji Lvxiangqin’（1878.06 mg/kg）最高。单萜含量随生长阶段显著上升，从幼苗期的215.95-1028.02 mg/kg增至成熟期的417.45-1566.50 mg/kg，比例均超过60%；倍半萜比例虽下降，但绝对含量仍增加。

**3.3 不同组织类型中VOC成分和含量的差异分析**
VOC总含量在组织间呈现叶柄（287.86-1177.97 mg/kg）>叶片（194.58-916.42 mg/kg）>根（96.57-509.3 mg/kg）>种子（79.31-204.11 mg/kg）的规律。叶柄和叶片中单萜占主导（分别为65.43%-82.88%和61.75%-84.83%），根中单萜比例亦高（49.49%-76.37%），而种子中脂肪酸衍生物比例显著升高（14.56%-48.79%），与种子活跃的脂质代谢相关。

**3.4 不同芹菜品种特征VOC成分分析**
通过热图分析，筛选出在所有品种和所有组织（叶柄、叶片、根、种子）中均存在的核心共有VOCs：己醛（Hexanal）、(E)-2-戊烯-1-醇（(E)-2-Penten-1-ol）、α-侧柏烯（α-Thujene）、D-柠檬烯、β-罗勒烯、1,3,8-对薄荷三烯、β-石竹烯、反式新蛇床内酯和芹菜内酯。其中D-柠檬烯、β-罗勒烯和1,3,8-对薄荷三烯在各类组织中的平均含量最高，构成基础香气框架。

**3.5 不同芹菜品种差异VOC成分分析**
基于OPLS-DA模型（R²Y=0.979，Q²=0.956，200次置换检验确认无过拟合），以VIP≥1筛选出20种关键差异VOCs，包括β-罗勒烯、D-柠檬烯、1,3,8-对薄荷三烯、α-蒎烯、月桂烯、β-(E)-罗勒烯、β-蒎烯、α-侧柏烯、α-水芹烯（α-Phellandrene）、β-石竹烯、香芹酮（Carvone）、(E)-β-金合欢烯（(E)-β-Farnesene）、桧烯（Sabinene）、芹菜内酯、石竹烯氧化物（Caryophyllene oxide）、别香橙烯（Alloaromadendrene）、庚醛（Heptanal）、α-松油烯（α-Terpinene）、邻伞花烃（o-Cymene）和反式新蛇床内酯。这些化合物含量在品种间差异达4.38-125.14倍，可作为区分芹菜种质的风味特征标记。

**讨论与结论**

讨论部分指出，萜类（尤其是单萜）是芹菜VOCs的核心组分，与已有研究（如Wilson等鉴定22种单萜）一致。D-柠檬烯、月桂烯等不仅贡献风味，还具有抗菌、抗炎等生物活性；β-石竹烯虽含量低但普遍存在，可能参与基础防御。VOC积累随生长阶段和组织特异性变化，与代谢调控相关：叶柄和叶片作为主要食用器官，萜类积累显著，为风味形成关键期和部位。颜色差异方面，紫芹因花色苷合成竞争前体（如磷酸烯醇式丙酮酸和赤藓糖-4-磷酸），导致VOC含量最低，而青芹积累最高。关键差异化合物（如β-罗勒烯、D-柠檬烯等）的显著种间变异构成风味多样性基础。结论部分翻译如下：本研究以25个芹菜品种为材料，系统分析了芹菜VOCs的组成特征、分布规律和种间差异。芹菜VOCs积累具有显著的生长阶段和组织特异性，含量和数量在发育过程中显著增加，组织富集模式为叶柄>叶片>根>种子。VOC含量与叶柄颜色显著相关，顺序为青芹>白芹>黄芹>紫芹，其中‘Siji Lvxiangqin’、‘Jinnan Shiqin No. 3’和‘Lvling Huangxinqin’为高VOC含量优势种质。所有品种中共有的核心成分包括Hexanal、D-Limonene、β-Ocimene、β-Caryophyllene、trans-Neocnidilide和Sedanenolide等。芹菜风味由多种VOCs相互作用形成，Hexanal、D-Limonene、β-Ocimene、1,3,8-p-Menthatriene、β-Caryophyllene、Sedanenolide等为核心共有成分，β-Ocimene、D-Limonene、α-Phellandrene、(E)-β-Farnesene等为关键差异成分。高丰度化合物（如D-Limonene和β-Ocimene）提供基础香气框架，而Sedanenolide和Hexanal因极低嗅觉阈值关键塑造特征风味。综上，本研究揭示了VOCs在芹菜中的富集特征，为风味品质遗传改良提供了理论依据和关键靶标化合物，也为未来功能性VOCs开发与利用奠定基础。