# 中文标题 高冬樱（*Prunus cerasoides* Don.）果实色素沉着与苦味形成的动态协调：基于代谢组学的见解

《Scientia Horticulturae》：Dynamic coordination between pigmentation and bitterness in Prunus cerasoides Don. Fruit: A metabolomics-based insight

　　

# 摘要翻译

高冬樱（*Prunus cerasoides* Don.）是一种冬季开花、春季果实成熟的樱桃树种，其果实中色素沉着与苦味之间的代谢协调机制尚不清楚。本研究结合电子舌（E-tongue）技术与代谢组学方法，分析了三个关键发育阶段——花后40天（DAA40，幼果期）、花后60天（DAA60，转色期）和花后80天（DAA80，成熟期）——花青素与苦味化合物的动态变化。研究结果表明，花青素在DAA40阶段以天竺葵素（pelargonidin）类为主，至DAA80阶段转变为以飞燕草素（delphinidin）类为主导；而栽培樱桃中常见的矢车菊素（cyanidin）几乎检测不到。苦味在整个发育过程中持续存在，但随果实成熟逐渐减弱；代谢组学分析鉴定出37种苦味化合物，其中以类黄酮（flavonoids）占比最高（29.73%）。KEGG通路分析显示，花青素和苦味化合物均显著富集于苯丙烷类生物合成（phenylpropanoid biosynthesis）和类黄酮生物合成（flavonoid biosynthesis）通路，表明二者共享上游代谢途径。此外，相关性分析表明，DAA40阶段的天竺葵素与大多数苦味化合物呈协同积累模式，而DAA80阶段的飞燕草素与部分苦味化合物则呈现分化积累关系。本研究揭示了高冬樱通过共享通路中前体代谢流的时间分配来平衡防御（苦味）与吸引（色素沉着）的策略，为理解野生果树生态适应性提供了概念框架，并支持种质资源的开发利用。

# 论文解读

## 一、研究背景与科学问题

颜色和风味是果实品质的核心要素，在植物生态适应中扮演着不可或缺的角色。花青素（anthocyanins）是决定蔷薇科（Rosaceae）多种植物花、叶和果实颜色的关键次生代谢物，不仅赋予果实从红色、紫色到蓝黑色的丰富色泽，还具备抗氧化、抗炎和心血管保护等生物学活性。在果实中，花青素的积累直接影响外观品质、营养价值和市场价值。与花青素作为吸引传粉者和食果动物以促进种子传播的“吸引信号”不同，苦味化合物则是植物重要的取食威慑和化学防御物质，能够阻止食草动物过度采食，保护种子在发育和传播过程中的完整性。

当前对李属（*Prunus*）果实着色研究主要集中在栽培物种，如欧洲甜樱桃（*Prunus avium* (L.) L.）和中国樱桃（*Prunus pseudocerasus* Lindl.）。研究表明，这些栽培种果实的花青素积累通常在转色期启动，至完全成熟时达到峰值，且以矢车菊素衍生物为主导，占比超过总花青素的70%。然而，高冬樱（*Prunus cerasoides* Don.）——一种冬季开花、春季果实成熟的特色野生樱桃树种，其果实在不同发育阶段的花青素和苦味代谢物的动态积累规律、二者之间的代谢网络关联及调控协调机制，至今尚不清楚。

值得注意的是，花青素和大多数苦味化合物的生物合成并非相互独立，而是共享一个核心代谢网络。二者均起始于苯丙烷代谢途径（phenylpropanoid pathway），通过类黄酮和黄酮生物合成途径汇聚。以苯丙氨酸为起点，经PAL催化转化为肉桂酸，进而生成柚皮素（naringenin），再经F3H转化为二氢黄酮醇。此后代谢流发生分化：一支经DFR和ANS修饰及糖基化形成稳定的花青素色素，另一支则通过LAR等酶催化生成黄烷-3-醇单体和聚合原花青素等苦味化合物。由于前体共享，花青素和苦味化合物的生物合成存在资源竞争，这种竞争在时空基因表达模式和转录调控复合体（MBW复合体）的精细调控下实现动态平衡。

基于上述背景，研究人员提出以下科学问题：高冬樱果实在发育过程中花青素和苦味代谢物如何动态积累？二者之间是否存在代谢网络层面的协调机制？这种协调如何反映植物在防御（苦味）与繁殖吸引（色素沉着）之间的进化权衡？

## 二、研究内容与主要结论

为回答上述问题，研究人员以西南林业大学校园内栽培的高冬樱为实验材料，在花后40天（DAA40，幼果期）、花后60天（DAA60，转色期）和花后80天（DAA80，成熟期）三个关键发育阶段采集果实样品。每个阶段选取5株生长均匀、无病虫害的健康植株，从每株的四个方位各采集2–3个果实，确保每阶段不少于30个果实。样品分为两部分：一部分立即用液氮速冻并转移至?80°C冰箱保存用于代谢组学分析，另一部分用于电子舌苦味检测和果色差异统计。

研究的主要发现如下：

**第一，高冬樱果实花青素积累呈现独特的时空特异性。** 基于LC-MS/MS的代谢组学分析在三个发育阶段共鉴定出1736种代谢物，分为21个类别。主成分分析（PCA）显示三个发育阶段呈现清晰的代谢分离，前两个主成分共解释76.80%的方差。共检测到1272种差异代谢物。花青素组成方面，DAA40阶段以天竺葵素及其糖基化和酰基化衍生物为主，与果实此时的橙黄色表型一致；DAA80阶段则以飞燕草素为主导，赋予成熟果实紫红色外观。值得注意的是，栽培樱桃中占主导地位的矢车菊素型花青素在高冬樱果实中几乎检测不到。研究人员推测，二氢槲皮素（dihydroquercetin）作为矢车菊素和飞燕草素生物合成的共同前体，在发育后期发生了代谢流的分流——大部分被导向飞燕草素合成途径，另一部分可能通过花青素还原酶（ANR）途径转化为(?)-表儿茶素，进入原花青素生物合成。

**第二，苦味在整个发育过程中持续存在但逐渐减弱。** 电子舌分析显示，DAA40阶段苦味值高达11.39，处于不可忍受的强度水平，显著高于DAA60和DAA80阶段；至DAA80阶段苦味有所下降但仍可感知。通过与BitterDB数据库比对，共鉴定出78种苦味化合物，其中类黄酮是最丰富的类别（20种，占25.64%）。基于VIP>1、FC>1和P<0.05的标准筛选出37种差异积累的苦味代谢物，类黄酮占29.73%。其中26种在DAA40阶段含量较高，11种在DAA80阶段富集。通过PLS-DA和ROC曲线分析，鉴定出8种具有完美区分能力（AUC=1.0）的阶段特异性苦味标志物：巢菜碱苷（vicine）、野漆树苷（rhoifolin）、染料木素（genistein）、木脂素类（lignans）、水杨苷（salicin）、银杏内酯C（ginkgolide C）、甜橙黄酮（sinensetin）和香草酸（vanillic acid）。这些化合物跨越氰苷、类黄酮、异黄酮和木脂素等多种结构类别，构成高冬樱果实苦味的化学指纹。

**第三，花青素与苦味化合物共享代谢通路并呈现动态协调关系。** KEGG通路富集分析表明，花青素和苦味化合物均显著富集于苯丙烷类生物合成和类黄酮生物合成通路。柚皮素是核心代谢枢纽：它既是花青素生物合成的上游底物，也是多种苦味化合物的重要前体——经异黄酮生物合成途径代谢为染料木素，经黄酮和黄酮醇生物合成途径代谢为野漆树苷、木犀草素和异槲皮苷，经类黄酮生物合成途径代谢为柚皮苷、圣草酚和表儿茶素。相关性分析显示，DAA40阶段的天竺葵素与15种苦味标志物中的13种呈显著正相关（P<0.05），表明二者在这一阶段协同积累；而DAA80阶段的飞燕草素仅与5种苦味代谢物保持显著正相关，与大多数苦味化合物的相关性不再显著甚至转为负相关，反映出代谢分化趋势。

基于上述发现，研究人员提出了一个代谢调控模型：苯丙烷-类黄酮途径作为中央调控枢纽，其下游分支的活性受发育和环境信号的时间性调节，使植物能够实现从“防御主导”向“吸引与防御平衡”的策略转换。在DAA40阶段，果实面临较高的生物和非生物胁迫风险，植物将代谢流广泛分配到多个防御性化合物合成分支；进入转色期后，部分早期丰富的苦味化合物合成下调，整体苦味降低，但类黄酮途径保持部分活性，选择性维持核心苦味代谢物的合成；至DAA80阶段，二氢槲皮素节点的代谢流分配成为关键的代谢权衡点——更多代谢流被导向飞燕草素合成以增强着色，而矢车菊素合成途径受到调控，部分中间代谢物被转入ANR途径合成苦味化合物。

## 三、主要技术方法

本研究采用的关键技术方法包括：（1）电子舌（E-tongue）技术：使用INSENT SA402B电子舌仪器，配备COO化学传感器，以30 mmol/L氯化钾和0.3 mmol/L酒石酸为参考溶液，对三个发育阶段的果实样品进行苦味定量检测，每阶段设4个重复；（2）超高效液相色谱-质谱联用（UHPLC-Q Exactive HF-X）代谢组学分析：采用电喷雾电离（ESI）源，正负离子双扫描模式，质量扫描范围70–1050 m/z，配备HSST3色谱柱（100 mm × 2.1 mm，1.8 μm），对果实样品进行广泛靶向代谢物 profiling；（3）多元统计分析与差异代谢物筛选：运用主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），采用七折交叉验证评估模型稳定性，以|log?FC|≥1、VIP>1和P<0.05为标准筛选差异代谢物；（4）KEGG通路注释与富集分析；（5）受试者工作特征（ROC）曲线分析：使用MetaboAnalyst 4.0平台，以AUC=1.0为阈值筛选具有阶段区分能力的苦味标志物；（6）相关性网络分析：使用R包ggplot2可视化苦味化合物之间及花青素与苦味标志物之间的相关性。样本来源为西南林业大学校园内栽培的高冬樱果实。

## 四、讨论与结论

讨论部分围绕三个核心议题展开。关于花青素积累的代谢机制，研究人员指出高冬樱的着色模式与典型栽培樱桃存在本质区别：栽培樱桃以矢车菊素为主导的“红紫色”色素系统是大多数蔷薇科植物成熟果实的典型特征，而高冬樱则呈现出从单羟基化的天竺葵素（橙红色）到三羟基化的飞燕草素（蓝紫色）的时间性转变，反映了花青素B环羟基化程度的逐步增加。这一独特模式可能归因于F3′5′H活性、ANR活性与花青素液泡稳定封存之间的动态平衡，是物种特殊物候期和生态适应性的重要表现。

关于苦味化合物积累的代谢机制，研究发现苦味强度的变异本质上反映了复杂代谢网络内资源分配和代谢流分布的变化。高冬樱在果实成熟过程中可能采取了一种“选择性保留”策略——在整体下调苦味化合物合成以增强可食性的同时，主动维持由多种结构类型组成的核心苦味代谢物库。这种策略可能代表一种精细的生态权衡：适度苦味不会排斥所有动物类群，而是作为筛选特定耐受性种子传播者的选择性过滤器，同时保留的生物活性成分可维持对病原微生物的抗菌活性。

关于花青素与苦味化合物协调积累的机制，研究人员提出苯丙烷-类黄酮途径是连接颜色和风味的中央调控枢纽。二氢槲皮素节点在发育后期的代谢流分配构成了关键的代谢权衡点。研究人员推测，这种代谢协调可能涉及资源竞争、植物生物相互作用的调控作用以及野生与栽培樱桃在高海拔生境下的适应性差异等多个层面。

研究结论指出，高冬樱果实通过共享的苯丙烷-类黄酮途径中关键中间体（如柚皮素和二氢槲皮素）的竞争性分配，实现了色素与苦味物质的协同积累。这一性状协调支持了一种与冬季坐果、春季成熟物候期相适应的进化策略——早期优先防御，后期在吸引与保留防御之间取得平衡，从而确保种子传播期间的保护。此外，鉴定出的多种苦味化合物具有药理活性，包括抗氧化、抗炎、抗菌和抗病毒等广谱生物学功能，其中巢菜碱苷、木脂素类和染料木素在糖尿病管理和降脂干预中显示出潜在疗效，凸显了高冬樱果实作为生物资源开发利用的潜力。该研究为理解野生果树次生代谢进化提供了坚实的理论基础，也为栽培樱桃品质改良提供了指导依据。然而，关键代谢节点上重要转录因子的具体调控功能以及环境因素的影响仍有待深入研究，未来应通过转录组学分析和关键生物合成基因的功能鉴定来验证和完善该模型。