代谢组学分析揭示四个杏品种中的黄酮积累模式

《Food Chemistry: X》：Metabolomic analysis reveals flavonoid accumulation patterns in four apricot cultivars

　　

黄酮是重要的次生代谢产物，有助于杏果实的营养品质和感官特性；然而，其在不同品种和果实组织间的变异仍未得到充分表征。在对123份杏种质资源的总黄酮含量进行初步调查后，研究人员选取了四个具有对比水平的品种，对果皮和果肉进行UPLC–MS/MS（超高效液相色谱-串联质谱）黄酮代谢组学分析。研究共鉴定并定量了760种黄酮代谢物，其中大多数在果皮中积累水平更高，表明果皮是这些品种中主要的富含黄酮的组织。多变量分析在果肉和果皮中分别鉴定出35种和34种关键差异积累代谢物（differentially accumulated metabolites, DAMs）。品种特异性差异涉及不同的黄酮类：'Luotuohuang'（LTH，骆驼黄）富含原花青素A2（proanthocyanidin A2），而'Zixing'（ZX，紫杏）优先积累鼠李糖基化和乙酰化的黄酮苷。这些发现表征了组织和品种特异性的黄酮变异，并为杏育种和果皮副产物利用提供了有价值的黄酮资源。

研究背景与意义

杏（Prunus armeniaca L.）属于蔷薇科（Rosaceae）李属（Prunus），是中国最古老的栽培果树之一，在新疆等地区作为重要的经济作物广泛种植。杏果实不仅富含碳水化合物、维生素、有机酸等基础营养物质，还含有黄酮、多糖、三萜等多种生物活性化合物。其中，黄酮类化合物因具有强抗氧化能力、抗炎、免疫调节及心脏保护等多种生物活性，在功能性食品和保健品领域备受关注。

目前，已有超过6000种黄酮代谢物被鉴定，其生物合成源于苯丙烷途径（phenylpropanoid pathway），以苯丙氨酸为起点，经PAL（苯丙氨酸解氨酶）、4CL（4-香豆酸辅酶A连接酶）、CHS（查尔酮合成酶）等关键酶催化形成基本骨架，再经F3H、DFR、ANS、UFGT等下游酶催化及糖基化、乙酰化等修饰，形成黄酮醇、黄烷醇、花青素等多样子类。尽管已有研究调查了李属其他物种的黄酮代谢，但针对杏果实，特别是系统地比较不同品种间“果皮（peel）”与“果肉（flesh）”组织的黄酮组学研究仍然缺乏。以往研究多局限于少数已知化合物，无法全面揭示杏果实黄酮代谢的复杂性。

基于此，研究人员开展了一项针对123份杏种质资源的大规模代谢组学研究。该论文发表在《Food Chemistry: X》期刊上，旨在通过广泛靶向代谢组学（widely targeted metabolomics）技术，系统表征杏果实黄酮积累的组织特异性和品种特异性模式，为杏的高黄酮育种及果皮副产物的高值化利用提供科学依据。

主要关键技术方法

研究人员在新疆农业科学院轮台国家果树种质资源圃收集了123份杏种质资源。基于总黄酮含量的差异，选取了四个代表性品种：高积累组的'Zixing'（ZX）和'Luotuohuang'（LTH），中间组的'Kuchebaixing'（KC）以及低积累组的'Shushanggan'（SS）。

在实验技术上，研究人员主要采用了以下关键方法：

1. 1.
   总黄酮含量测定：采用NaNO?-Al(NO?)?-NaOH比色法，以芦丁（Rutin）为标准品，测定各样本的总黄酮含量。
2. 2.
   广泛靶向代谢组学：利用UPLC-MS/MS（超高效液相色谱-串联质谱）技术进行数据采集。色谱分离采用Agilent SB-C18色谱柱，质谱采用电喷雾电离（ESI）源，在多反应监测（MRM）模式下运行。
3. 3.
   数据分析：使用Metware Database（MWDB）和公共数据库进行代谢物注释与相对定量。利用主成分分析（PCA）、层次聚类分析（HCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）进行多变量统计分析，筛选差异积累代谢物（DAMs），并进行KEGG通路富集分析。

研究结果

3.1. 杏果实黄酮的组织分布与变异

通过对123份种质的果皮和果肉总黄酮含量测定，研究人员发现两者存在显著差异（p < 0.05），果皮的含量（均值4.163 mg/g）显著高于果肉（均值2.026 mg/g）。其中，ZX和LTH表现出较高的总黄酮含量，而SS含量较低。这表明黄酮在杏果实中的分布具有明显的组织依赖性，果皮可能是黄酮生物合成和积累的重要场所。

3.2. 杏果实的代谢组学分析

基于总黄酮表型，选取ZX、LTH、KC、SS进行UPLC-MS/MS分析。质量控制（QC）样本的总离子流色谱图（TICs）重叠良好，表明仪器稳定性高。研究共鉴定出760种黄酮相关代谢物，包括247种黄酮醇、190种黄酮等。层次聚类分析（HCA）将24个样本（4品种×2组织×3重复）清晰分为8组，表明组织特异性是塑造黄酮代谢谱的主导因素，其次是基因型。

3.3. 多变量分析揭示的代谢分化与遗传变异

PCA分析显示前两个主成分解释了57.77%的总方差，PC1主要按组织类型分离样本，PC2反映品种差异。研究人员构建了16个成对OPLS-DA模型，所有模型的Q2值均在0.955至0.999之间，且置换检验表明模型无过拟合，稳定可靠。果皮显示出比果肉更大的代谢变异，这可能反映了外层组织对环境因素的更强响应。

3.4. 差异黄酮积累与关键代谢物筛选

以VIP ≥ 1且FC ≥ 2或FC ≤ 0.5为阈值，筛选DAMs。在果皮中，以KCP为参照，SSP、LTHP、ZXP分别鉴定出328、474、531个DAMs；果肉中也有大量DAMs。研究人员发现果皮中通常积累了更高水平的黄酮苷和酰化衍生物，如槲皮素-3-O-_alloside。差异最显著的代谢物多为经过糖基化、乙酰化或丙二酰化修饰的衍生物，而非游离苷元，提示结构修饰是品种间代谢差异的重要贡献者。

3.5. DAMs的K-means聚类与KEGG通路富集分析

对751个DAMs进行K-means聚类，分为10个簇。结果显示，簇1-5及8-10的代谢物在果皮中相对丰度较高，而簇6-7在果肉中较高，反映了明显的组织分布偏好。KEGG分析表明，这些DAMs显著富集于“黄酮生物合成”、“黄酮和黄酮醇生物合成”及“花青素生物合成”等通路。LTH和ZX果皮中富集于这些通路的DAMs比例更高，表明其果皮中黄酮的积累和修饰更为显著。

3.6. 关键差异黄酮的组成与组织特异性积累

通过韦恩图分析，研究人员在果肉中鉴定出35个共有DAMs，在果皮中鉴定出34个共有DAMs，作为核心标志物。LTH果皮富含原花青素（如proanthocyanidin A2），而ZX果皮富含鼠李糖基化黄酮（如7,3',4',5'-tetrahydroxyflavone 7-rhamnoside）。在果肉中，ZX富含槲皮素-3-O-(2″-O-acetyl)rhamnoside，LTH富含黄烷醇类。这些结果表明，特定的糖基化和酰化修饰模式决定了品种特异性的化学指纹。

结论与讨论总结

研究人员通过广泛靶向UPLC-MS/MS代谢组学，系统表征了四个杏品种果皮和果肉中黄酮的组织异质性和基因型依赖性变异。研究鉴定出760种黄酮，并确定了69个核心差异标志物（果肉35个，果皮34个）。结论指出，组织特异性决定了空间不对称性，即果皮是主要的黄酮代谢库；而基因型决定了修饰黄酮谱的组成，其中双糖基化黄酮、乙酰化黄酮苷和原花青素是关键生物标志物。LTH以高聚合原花青素的积累为特征，而ZX则显著富集具有位点特异性鼠李糖基化和乙酰化的黄酮醇苷。

这项研究不仅揭示了杏果实品质差异的物质基础，也为高黄酮功能性杏品种的选育、特色种质资源的营养评价以及杏果皮等加工副产物的高值化利用提供了重要的理论依据和数据支持。