《Plants》：GC-MS-Based Volatile Metabolomics and Quantitative Trait Locus Mapping of Aroma Components in ‘Muscat Hamburg’ Grape
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葡萄的麝香香气在很大程度上由萜类挥发物决定。然而，其在‘Muscat Hamburg’中的遗传基础仍不清楚。研究人员对‘Muscat Hamburg’和‘Red Globe’在浆果发育过程中的挥发性代谢物进行了比较代谢组学分析，鉴定出127种差异丰富的代谢物，
葡萄的麝香香气在很大程度上由萜类挥发物决定。然而，其在‘Muscat Hamburg’中的遗传基础仍不清楚。研究人员对‘Muscat Hamburg’和‘Red Globe’在浆果发育过程中的挥发性代谢物进行了比较代谢组学分析，鉴定出127种差异丰富的代谢物，其中上调的代谢物主要富集于单萜生物合成途径。利用一个包含264个单株的F1分离群体，研究人员连续两年对四种关键单萜类化合物（α-松油醇、芳樟醇、香叶醇和顺式芳樟醇氧化物）进行了定量分析。利用SLAF-seq技术生成的高密度遗传图谱（包含7872个SNP标记），研究人员在LG5上检测到控制α-松油醇、芳樟醇和香叶醇的稳定主效QTL，并在LG14上检测到一个控制顺式芳樟醇氧化物的新QTL。表达分析显示，在成熟期，‘Muscat Hamburg’中VvDXS和VvGGPPS1的转录水平显著高于‘Red Globe’。在番茄中的异源过表达增强了萜类香气积累，且不影响果实发育。这些结果表明，VvDXS和VvGGPPS1在‘Muscat Hamburg’品种香气的形成中发挥着关键作用。
葡萄果实香气作为决定浆果品质、商品价值和消费者偏好的核心性状，其遗传调控机制的解析对品质育种至关重要。在葡萄香气的物质基础中，单萜类化合物是麝香型品种典型玫瑰香气的主要贡献者，然而其生物合成与积累的调控机制在不同品种中尚未完全阐明。特别是对于鲜食葡萄品种‘Muscat Hamburg’，尽管其具有鲜明的麝香香气特征，其遗传基础仍存在大量空白。研究已明确萜类化合物通过胞质甲羟戊酸途径和质体2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸途径合成，其中1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶被确认为MEP途径的关键限速酶，而牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶催化GGPP的生成，但GGPPS在麝香葡萄单萜积累调控中的作用仅有少数报道。既有研究在不同群体中鉴定到LG5上的主效QTL编码DXS，然而该区间在‘Muscat Hamburg’香气形成中的贡献以及GGPPS家族成员的调控角色均待明确。为系统解析上述问题，研究人员以麝香型品种‘Muscat Hamburg’与中性品种‘Red Globe’为材料开展了全链条研究。
研究人员首先对两个品种五个发育阶段的浆果进行GC-MS非靶向挥发性代谢组学分析，共鉴定到442种挥发性代谢物，其中127种在两个品种商业成熟期差异丰富。差异代谢物显著富集于单萜生物合成途径，且顺式芳樟醇氧化物与α-松油醇在‘Muscat Hamburg’成熟过程中持续上调，而在‘Red Globe’中保持低丰度，α-松油醇和顺式芳樟醇氧化物的平均含量分别达到‘Red Globe’的8.03倍和7.40倍，证实其构成麝香香气形成的重要代谢基础。基于此，研究人员选择α-松油醇、芳樟醇、香叶醇和顺式芳樟醇氧化物作为核心表型指标。利用‘Muscat Hamburg’בRed Globe’杂交构建的含264个个体的F1分离群体，连续两年采用GC-MS靶向定量四种单萜含量。表型分析显示各性状在群体中均呈现广泛连续变异并出现超亲分离，符合典型数量性状特征，为高分辨率QTL定位提供了理想材料。
在遗传解析方面，研究人员基于SLAF-seq技术构建了包含7872个高质量SNP标记的高密度整合遗传图谱，覆盖19个连锁群，总图距为2131.69 cM，平均标记间隔为0.29 cM。利用复合区间作图法进行QTL定位，结果显示α-松油醇和芳樟醇的稳定主效QTL在两年间均定位于LG5，峰值LOD分别为12.35和10.82；香叶醇性状在LG1和LG5各检测到一个显著QTL，其中LG5区间与前两者重叠，表明该区间对多种单萜性状具有多效性调控作用；顺式芳樟醇氧化物则在LG14上检测到一个稳定主效QTL，峰值LOD为9.76。基于定位结果和基因组功能注释，研究人员筛选出九个候选基因进行qRT-PCR表达验证，发现VvDXS和VvGGPPS1在‘Muscat Hamburg’各发育阶段的表达水平均显著高于‘Red Globe’，且在商业成熟期差异达到最大，与单萜积累模式高度一致，其余七个候选基因则无显著差异表达或表达趋势与香气积累无关。功能验证阶段，研究人员构建了VvDXS和VvGGPPS1植物过表达载体并通过农杆菌介导法转化番茄‘Micro-Tom’，获得纯合过表达株系。GC-MS定量显示VvDXS-OE株系中芳樟醇含量显著高于野生型，VvGGPPS1-OE株系中α-松油醇含量显著增加且多种萜类化合物呈现广泛上调，而果实大小、重量等农艺性状未受显著影响，证明两个基因特异性正调控萜类香气生物合成而不干扰正常发育。
本研究通过挥发性代谢组学、高密度遗传图谱构建、QTL定位、表达验证与功能验证的系统策略，首次在‘Muscat Hamburg’בRed Globe’的F1群体中解析了单萜香气性状的遗传架构。研究确认LG5主效区间在不同遗传背景和年份间的保守调控地位，将VvDXS和VvGGPPS1确定为核心功能基因，并鉴定出LG14上控制顺式芳樟醇氧化物积累的新QTL，为葡萄香气分子育种提供了理论依据与有价值的遗传靶点。需要指出的是，本研究仅聚焦单萜类组分，而葡萄香气的整体感知还受酯类、醛类、醇类等其他挥发性物质的共同影响，这些组分及香气化合物间的协同调控机理有待进一步探索。该论文发表在《Plants》期刊，标志着研究团队在葡萄品质遗传改良领域迈出重要一步。
