印度黑莓果实基因型间抗氧化相关生物活性成分的基因型变异与多元表征

《Food Chemistry Advances》：Genotypic variability and multivariate characterization of antioxidant-associated bioactive compounds among genotypes of Indian blackberry fruits

　　

摘要：印度黑莓，俗称jamun，是一种未被充分利用的热带和亚热带水果，因其丰富的植物化学成分和高抗氧化潜力而备受重视。本研究评估了50份jamun果实基因型的生化变异及多元关系。对果实的抗坏血酸（AA）、酚类含量（TPC）、类黄酮含量（TFC）、花青素、总抗氧化能力（AOX）及DPPH清除活性进行了评价。本研究中，AA范围为72.0–165.3 mg/100 g鲜重（FW），而TPC和TFC分别表现出7.6倍和9.86倍的变异。花青素表现出强烈的组织特异性，果皮浓度高达1985.74 mg/100 g FW，显著超过果肉水平。AOX在基因型间变异达7.17倍，DPPH抑制率范围为44.63%–95.54%，表明存在广泛变异。相关性分析显示TPC、TFC、花青素与抗氧化活性之间存在强正相关，证实多酚代谢物是抗氧化性能的主要决定因素。主成分分析显示前两个主成分解释了总方差的74.98%，其中酚类相关代谢物主要影响PC1。层次聚类和热图分析进一步验证了结构化的生化多样性，并鉴定出具有独特抗氧化特性的基因型。显著的种内变异凸显了优良jamun基因型在营养保健品应用、功能性食品开发以及旨在提升jamun功能品质的育种计划中的潜力。

**论文解读：印度黑莓基因型间抗氧化相关生物活性成分的变异与多元表征**

**一、研究背景与问题**

印度黑莓（*Syzygium cumini* (L.) Skeels），俗称jamun，属于桃金娘科（Myrtaceae），是一种原产于印度次大陆和东南亚的重要但未被充分利用的水果作物。该树种常绿、耐逆，能在盐碱、沼泽及废弃土地上生长，常被用作行道树、防风林或荒地开发树种，而非商业化果园种植。尽管其果实富含维生素（如维生素C、A、烟酸）、矿物质（钙、铁、镁、磷、钾、钠）及多种游离氨基酸和糖类，且含有丰富的酚类化合物（包括花青素、类黄酮、单宁、没食子酸和鞣花酸），具有显著的抗氧化活性，但该水果仍因缺乏规范化栽培、采后管理不善和加工基础设施有限而未被充分利用。印度黑莓果实为非呼吸跃变型，采后呼吸和蒸腾速率高，导致快速软化、失水和微生物腐败，常温下货架期仅2–3天，造成大量采后损失。此前的研究多集中于个别品种或单一植物化学成分，缺乏基于广泛遗传背景的系统性基因型变异评估，也未能整合多元统计方法阐明性状间关系及基因型分化。此外，关于采后贮藏条件下生物活性化合物稳定性与表达的信息甚少。因此，有必要对50份基因型进行系统的生化特性评价，利用多元分析工具识别控制生化多样性的主要变量，并用于基因型分类。

**二、研究目的**

本研究旨在评估50份印度黑莓基因型在关键理化特性和抗氧化属性方面的基因型变异程度，并应用多元统计工具（包括主成分分析、层次聚类、热图和相关性网络分析）鉴定控制生化多样性及采后条件下基因型分类的主要变量，为优良基因型的选择、营养保健品应用和育种计划提供科学依据。

**三、主要技术方法**

研究人员从印度北方邦四个地点（Banaras Hindu University校园、Ramna村、Ramnagar村和Mirzapur区）调查的约500株自然生长的实生树中，依据稳定的形态学描述符、果实特征和田间身份，筛选出50个表型不同的*Syzygium cumini*单株作为50个基因型。每个基因型取450个大小均匀的健康果实，分为3个分析重复（每重复150个果实）。采用2,6-二氯酚靛酚（DCIP）滴定法测定抗坏血酸（AA）含量；采用酸化乙醇提取法测定果肉和果皮总花青素含量；采用氯化铝比色法测定总类黄酮含量（TFC）；采用Folin-Ciocalteu比色法测定总酚含量（TPC）；采用铜离子还原抗氧化能力（CUPRAC）法测定总抗氧化能力（AOX）；采用DPPH自由基清除法测定自由基清除活性。数据分析采用因子完全随机设计（CRD），进行方差分析（ANOVA）、Duncan多重极差检验（DMRT）、主成分分析（PCA）、层次聚类、热图及Pearson相关性网络分析。

**四、研究结果**

**4.1 抗坏血酸含量（AA）**：50个基因型间AA含量变异显著，范围为72.0 mg/100 g FW（JT 23）至165.3 mg/100 g FW（JT 172），超过两倍差异。DMRT将基因型分为多个统计显著不同的组别。JT 172、JT 191(AF)、JT 190(STB)和JT 157表现出最高AA含量（≥114 mg/100 g FW），而JT 23、JT 164、JT 169和JT 170含量较低（≤76 mg/100 g FW）。这表明AA积累受基因型特异性生化途径调控，高AA基因型可能对采后氧化劣变具有更强抗性。

**4.2 果肉总花青素含量（ACN pulp）**：果肉花青素含量在0.84±0.04至23.96±0.89 mg/100 g FW之间，差异约28.3倍。最高含量基因型归入最高统计组（a），低于2.0 mg/100 g FW的基因型归入最低组（u-v）。DMRT将基因型分为多个显著不同类别，证实了基因型对花青素生物合成和积累的强烈影响。花青素通过苯丙烷-类黄酮途径合成，其积累高度依赖基因型，受类黄酮生物合成中结构酶差异调控的影响。

**4.3 果皮总花青素含量（ACN peel）**：果皮花青素含量范围为178.54±6.81至1985.74±18.95 mg/100 g FW，约11.1倍差异。最高含量基因型显著分离于其他基因型。果皮花青素浓度远高于果肉，表明果皮是花青素沉积的主要部位。约11倍变异反映了基因型依赖性差异，可能源于花青素生物合成结构酶的差异调控以及底物可用性和色素稳定机制的变化。高果皮花青素基因型（>1500 mg/100 g FW）为育种计划提供了宝贵种质。

**4.4 总酚含量（TPC）**：TPC范围为220.62±10.95至1677.89±36.33 mg GAE/100 g FW，变异达7.6倍。最高含量基因型归入最高统计组（a），超过1000 mg GAE/100 g FW的基因型位于较高类别（b-e），低于300 mg GAE/100 g FW的基因型位于最低类别（u-x）。TPC变异幅度大于抗坏血酸，表明次生代谢途径对基因型差异更为敏感。酚类化合物通过苯丙烷途径合成，包括没食子酸、鞣花酸、儿茶素等主要成分。基因型间TPC差异可能反映关键生物合成酶（如苯丙氨酸解氨酶PAL、肉桂酸-4-羟化酶、查尔酮合酶）的差异调控。高TPC基因型（>1000 mg GAE/100 g FW）是提升营养价值和采后货架期的优良种质。

**4.5 总类黄酮含量（TFC）**：TFC范围为40.83±0.16至402.50±16.02 mg CE/100 g FW，差异达9.86倍。最高含量基因型归入最高组（a），超过300 mg CE/100 g FW的基因型位于较高类别（b-d），低于80 mg CE/100 g FW的位于最低组（v-y）。TFC变异幅度超过初级代谢物，表明类黄酮代谢的基因型依赖性。类黄酮的生物合成涉及查尔酮合酶、黄烷酮3-羟化酶和类黄酮糖基转移酶等关键酶。高TFC基因型（>300 mg CE/100 g FW）对增强抗氧化功能和采后贮藏稳定性具有重要意义。

**4.6 总抗氧化能力（AOX）**：AOX范围为1.63±0.07至11.73±0.54 μmol TE/g FW，差异约7.17倍。最高值基因型归入最高组（a），次高值（11.11±0.74）归入（b），7.14–7.97 μmol TE/g FW的基因型位于中间较高类别（d-e），低于2.0 μmol TE/g FW的基因型位于最低组（u-v）。多数基因型分布在多个中间显著性组（f-t），呈现连续变异模式。AOX变异模式与TPC和TFC紧密平行，但与AA相关性较弱。AOX不仅取决于总浓度，还取决于生物活性化合物的定性组成和协同相互作用。高AOX基因型（>10.0 μmol TE/g FW）是改善营养品质和功能食品价值的候选。

**4.7 自由基清除活性（DPPH）**：DPPH抑制率范围为44.62±1.11%至95.54±2.26%，约2.14倍差异。抑制率超过94%的基因型归入最高组（a），89–94%位于（a-b），76–82%位于中间组（c），56–63%位于较低组（e-g），低于50%的归入最低组（h）。整体呈连续定量分布，表明抗氧化性状受多基因控制。酚类和花青素积累较高的基因型通常对应较高的DPPH抑制率，表明植物化学成分与自由基清除效率之间存在功能关联。DPPH清除活性受酚类结构特征（如羟基化模式、共轭程度、分子氧化还原电位）影响。抑制率超过90%的基因型是抗氧化种质选择和功能性状改良的候选。

**4.8 酚类化合物与抗氧化属性之间的关系**：相关性分析显示TPC、TFC、果皮和果肉花青素、AOX和DPPH之间存在显著正相关。高TPC和TFC基因型一致表现出高AOX和DPPH抑制，表明多酚积累与抗氧化潜力之间存在强功能联系。花青素浓度（尤其是果皮）与AOX和DPPH的关联比总抗坏血酸更紧密。AA与酚类衍生性状的相关性较弱，表明其对总抗氧化能力的贡献部分独立。多酚类代谢物是基因型间抗氧化行为的主要决定因素。

**4.9 主成分分析（PCA）**：Bartlett球形检验显著（χ2=262.019，df=1，p<0.0001），KMO抽样充分性为0.770，表明数据适合降维。PC1特征值为4.287，解释总方差的61.24%；PC2特征值为0.962，解释13.74%的方差，累计解释74.98%。PC1上TFC（0.920）、AOX（0.879）、果皮花青素（0.826）、果肉花青素（0.792）、TPC（0.799）和DPPH（0.636）具有强正载荷。PC2主要受抗坏血酸（0.581）影响，与花青素和DPPH呈中等负相关。PCA相关双标图沿PC1清晰区分基因型，JT-172、JT-191(AF)、JT-190(STB)和JT-RS等基因型具有高正PC1得分，表明酚类和抗氧化特性优越。连续分布模式支持抗氧化性状的多基因遗传。

**4.10 层次聚类与热图分析**：层次聚类将基因型分为不同簇，酚类和花青素水平高、自由基清除能力强的基因型聚在一起，形成抗氧化特性优越的簇；代谢物浓度较低的基因型形成单独簇。热图颜色梯度（蓝到红）显示TPC、TFC、花青素、AOX和DPPH在相似基因型组中呈现协调的高强度模式，而AA分布模式相对独立。聚类模式主要由酚类和类黄酮相关代谢物驱动，与PCA结果一致。

**4.11 相关性网络分析**：以|r|≥0.50为阈值构建Pearson相关性网络，揭示了紧密互联的酚-类黄酮模块，包括TFC、TPC、AOX、果皮花青素和果肉花青素。TFC作为最核心的节点，与TPC、AOX、ACN（peel）、ACN（pulp）和AA均呈强正相关，表明其在抗氧化代谢中的整合作用。TPC与AOX和TFC强连接，确认其对总体抗氧化性能的主要贡献。果皮和果肉花青素彼此强相关，并与TFC和AOX正相关，表明色素生物合成和组织范围内类黄酮衍生物积累的协调。DPPH与果肉花青素强关联，强调果肉花青素对自由基中和的贡献。AA在网络中连接有限，主要与TFC相关，显示其互补但部分独立的贡献。

**五、讨论与结论**

讨论部分强调了多酚类化合物（尤其是类黄酮和花青素）作为印度黑莓抗氧化性能主要决定因素的作用。PCA、层次聚类和相关性网络分析结果一致，表明抗氧化变异主要由酚类相关代谢物控制，而抗坏血酸呈现相对独立的代谢途径。研究结论指出，50份基因型在总酚、总类黄酮、花青素、总抗氧化能力、DPPH清除活性和抗坏血酸方面表现出显著生化变异，反映种质中抗氧化相关代谢物的广泛多样性。多元分析一致鉴定酚类和类黄酮相关化合物为基因型间抗氧化差异的主要贡献者。TPC、TFC、花青素、AOX和DPPH之间的强关联表明次生代谢物的协调积累影响抗氧化潜力，而抗坏血酸表现出相对独特的贡献模式。生化分析与多元统计方法的整合有效区分了基因型并鉴定了富含抗氧化剂的候选基因型。这些发现为以采后品质提升和潜在营养保健品应用为目标的种质选择提供了科学基础，推进了对*Syzygium cumini*抗氧化变异的理解，并支持其在园艺改良计划中的战略性利用。