《Food Chemistry: X》：Metabolomic variation associated with coloration in purple-fleshed sweet potato storage roots under different substrate conditions
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在三种底物（LS、VM和SS）下生长的紫肉甘薯贮藏根表现出不同的生化和代谢特征，同时伴随着果肉着色的差异。为了表征与这些表型相关的代谢变异，将生理测量与非靶向代谢组学分析相结合。在14种推定的花青素相关代谢物中，有5种在不同底物处理间存在显著差异，揭示了底物相
在三种底物（LS、VM和SS）下生长的紫肉甘薯贮藏根表现出不同的生化和代谢特征，同时伴随着果肉着色的差异。为了表征与这些表型相关的代谢变异，将生理测量与非靶向代谢组学分析相结合。在14种推定的花青素相关代谢物中，有5种在不同底物处理间存在显著差异，揭示了底物相关的花青素代谢谱变异。总花青素含量遵循LS ≥ VM > SS的顺序，而单个花青素衍生物则表现出底物特异性的积累模式。矢车菊素-3-芸香糖苷（Keracyanin）和飞燕草素（delphinidin）相关衍生物在LS中积累水平较高，而芍药素（peonidin）衍生的花青素则在SS中富集。各处理间总酚、总黄酮、可溶性碳水化合物和淀粉也存在显著差异。相关性分析显示，底物pH、Fe3?含量与酚类和碳水化合物相关性状之间存在显著关联。这些发现表明，底物环境与紫肉甘薯贮藏根的视觉果肉着色和花青素相关代谢变异有关。
紫肉甘薯贮藏根着色差异的代谢机制解读——基于《Food Chemistry: X》论文分析
一、研究背景与科学问题
紫肉甘薯（Ipomoea batatas (L.) Lam.）是一种重要的经济作物和功能性食品资源，其贮藏根富含花青素（anthocyanins）。花青素不仅赋予紫肉甘薯独特的紫色至深紫色外观，还具有抗氧化、调节肠道菌群、改善葡萄糖代谢紊乱和肝脏保护等多种健康促进作用。与蓝莓、葡萄等浆果中的花青素不同，紫肉甘薯中的花青素主要以酰化形式存在，这种结构增强了其对光、热和pH变化的稳定性，使其在食品加工中作为天然色素具有重要应用潜力。
然而，植物花青素的生物合成受基因型、环境条件及其交互作用的共同调控。在相同遗传背景下，外部环境的变化往往是导致花青素含量和贮藏根着色差异的重要因素。此前的研究虽从环境因子或分子调控角度探讨了花青素合成机制，但对于不同土壤底物如何系统影响紫肉甘薯贮藏根的颜色形成及相关代谢物积累，仍缺乏深入理解。特别是，对于根茎类作物而言，淀粉积累与花青素合成都需要碳源，而土壤pH和铁离子水平也可能影响花青素的稳定性和颜色表达。因此，阐明影响贮藏根花青素积累和颜色发育的环境因素，对于提升紫肉甘薯的品质评价、功能利用和高值化开发具有重要意义。
二、研究方法概述
研究人员采用同一紫肉甘薯品种“紫妃”（Zifeishu），于2025年4月10日种植在湖北民族大学林学园艺学院试验田，并于同年10月3日（176天）统一收获。设置了三种具有不同理化性质的栽培底物处理：沙土（sandy soil, SS）、蛭石（vermiculite, VM）和壤土（loam soil, LS），每种处理种植15株。收获后选取生长均匀、无病虫害和机械损伤的代表性块根进行检测。主要关键技术方法包括：（1）底物理化性质测定：采用电位法测定pH，参照Huang等人的方法提取和定量底物中有效铁离子（Fe3?）；（2）生化成分测定：采用pH示差法测定花青素含量，福林-酚比色法测定总酚含量（total phenolic content, TPC），氯化铝比色法测定总黄酮含量，蒽酮-硫酸比色法测定淀粉含量，苯酚-硫酸法测定可溶性多糖含量；（3）非靶向代谢组学分析：采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）技术，结合内部数据库、公共数据库（METLIN、HMDB、KEGG、MoNA、MassBank）和MetDNA算法进行代谢物注释；（4）统计分析：采用Tukey多重比较检验评估处理间差异显著性，主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）进行多变量分析，Pearson相关性分析评估指标间的关联。
三、研究结果
3.1 贮藏根切面视觉特征与底物特性
定性视觉评估显示，不同底物处理的贮藏根横切面色泽存在明显差异。SS处理的贮藏根呈现较浅的紫色，白色区域较多；VM处理呈中间色调；LS处理呈现更深的紫色，白色区域较少。底物化学性质方面，三种处理的pH存在显著差异：LS最高（7.60，微碱性），SS次之（6.78），VM最低（6.41，微酸性）。Fe3?含量则呈现相反趋势：VM最高（0.266 mg/g），显著高于SS（0.089 mg/g）和LS（0.033 mg/g）。
3.2 生物活性成分与碳水化合物含量分析
不同底物处理下，紫肉甘薯贮藏根中多种生物活性成分和碳水化合物含量存在显著差异。LS处理的总酚含量最高，显著高于VM处理；LS处理的黄酮含量也显著高于SS和VM处理。花青素和总类胡萝卜素含量在VM和LS处理中均显著高于SS处理。碳水化合物方面，LS处理的可溶性多糖含量最高，显著高于SS和VM处理；而SS处理的淀粉含量最高，显著高于LS处理。
3.3 非靶向代谢组学分析
共注释到3397种代谢物，其中氨基酸及其衍生物占比最大（21.73%），其次为有机酸（16.49%）、苯及取代衍生物（12.37%）、生物碱（4.51%）、黄酮类（4.30%）和酚酸类（3.80%）。层次聚类分析和PCA得分图均显示，三种底物处理的样品形成独立聚类，表明底物条件与代谢物组成的显著差异相关。
3.4 差异代谢物鉴定
共筛选出903种差异代谢物（differentially expressed metabolites, DEMs），主要包括氨基酸及其衍生物（190种）、有机酸（156种）、苯及取代衍生物（126种）和黄酮类（45种）。维恩图显示三个比较组共享28种共同差异代谢物。差异黄酮代谢物分为8个亚类，其中黄酮类占比最大（44.44%）。
3.5 花青素化合物差异分析
共注释到14种花青素相关代谢物，其中5种在不同样品组间存在显著差异，包括：芍药素-3-O-β-半乳糖吡喃苷（Peonidin-3-O-beta-galactopyranoside）、矢车菊素-3-芸香糖苷（Keracyanin）、无色飞燕草素（Leucodelphidin）、芍药素-3-O-α-阿拉伯吡喃苷（Peonidin-3-O-alpha-arabinopyranoside）和飞燕草素3-O-(6-O-苹果酰基-β-D-葡萄糖苷)（delphinidin 3-O-(6-O-malyl-beta-D-glucoside)）。其中，芍药素衍生物在SS中显著富集，无色飞燕草素主要在VM中积累，而矢车菊素-3-芸香糖苷和飞燕草素3-O-(6-O-苹果酰基-β-D-葡萄糖苷)在LS中积累水平最高。
3.6 差异代谢物代谢通路分析
差异代谢物主要富集在碳水化合物代谢、氨基酸代谢、脂质代谢和次生代谢物生物合成等多个关键通路。LS vs. SS比较组的差异代谢物主要富集在苯丙氨酸代谢、黄酮类生物合成和氨基酸相关代谢通路。LS vs. VM比较组显示出更明显的次生代谢重编程特征。VM vs. SS比较组的差异代谢物同时富集在糖酵解和丙酮酸代谢等碳水化合物代谢通路，以及脂肪酸代谢和甘油磷脂代谢等脂质代谢通路。
3.7 花青素代谢通路分析
将花青素相关代谢物映射到花青素生物合成通路后发现，不同底物处理与其相对丰度模式相关。SS中推定为芍药素-3-O-α-阿拉伯吡喃苷和芍药素-3-O-β-半乳糖吡喃苷的特征代谢物相对丰度较高；VM中推定为无色飞燕草素的特征代谢物相对丰度较高；LS中推定为矢车菊素-3-芸香糖苷和飞燕草素3-O-(6-O-苹果酰基-β-D-葡萄糖苷)的特征代谢物相对丰度较高。
3.8 底物因子与代谢物的相关性分析
底物pH与贮藏根中的总酚、黄酮和可溶性多糖含量呈显著正相关，但与底物Fe3?含量呈显著负相关。相应地，底物Fe3?与贮藏根中的总酚和黄酮含量呈显著负相关。贮藏根淀粉含量与花青素和可溶性多糖含量呈显著负相关。黄酮含量与总酚含量呈显著正相关，总类胡萝卜素含量与花青素含量呈显著正相关。
四、讨论与结论
研究表明，不同底物条件下紫肉甘薯贮藏根的着色差异不能仅由总花青素含量的变化来解释，而可能与花青素衍生物组成、碳相关代谢和酚类辅色代谢物谱的变异有关。LS处理表现出花青素积累增强和酚类物质富集的代谢特征；SS处理表现出更强的淀粉积累特征，这可能导致其花青素水平较低；VM处理则呈现出介于LS和SS之间的中间代谢特征，并伴随代谢物谱的特异性变化。特别值得注意的是，虽然LS和VM处理的总花青素含量无显著差异，但LS贮藏根呈现更深的紫色，并积累了更高水平的总酚和总黄酮，这表明酚类和黄酮类化合物可能在花青素的颜色表达和稳定性中发挥辅助作用，通过形成非共价分子缔合物或复合物来增强颜色强度和提高色素稳定性。
研究结论翻译：不同底物条件与紫肉甘薯贮藏根中不同的代谢谱相关，并伴随处理间肉眼可见的果肉着色差异。在14种推定注释的花青素相关代谢物中，有5种在处理间差异显著。尽管总花青素含量遵循LS ≥ VM > SS的顺序，但LS和VM之间无显著差异却表现出不同的着色，这表明总花青素含量本身并不能完全解释颜色强度。LS的特征在于推定注释为矢车菊素-3-芸香糖苷和飞燕草素3-O-(6-O-苹果酰基-β-D-葡萄糖苷)的代谢物相对丰度较高，同时总酚和总黄酮含量也较高，而芍药素相关代谢物在SS中相对较高。底物pH和Fe3?与酚类和碳水化合物相关指标显著相关，表明底物化学性质与代谢变异之间存在关联。总体而言，结果表明不同的底物环境与紫肉甘薯贮藏根中肉眼观察到的不同果肉着色相关，同时也与总花青素含量、推定注释的花青素相关代谢物谱以及其他次生代谢物的变异相关。
