《Scientia Horticulturae》：Integrating electronic sensory analysis and multi-omics to decode carrot flavor and regulatory networks
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胡萝卜（Daucus carota L.）是全球广泛消费的根茎类蔬菜，其风味是影响消费者接受度和品种改良的重要品质性状。风味感知由挥发性香气化合物与非挥发性味觉成分共同决定，但品种特异性风味变异的代谢基础及其与仪器感官响应的关系尚不明确。本研究整合电子感官分析
胡萝卜（Daucus carota L.）是全球广泛消费的根茎类蔬菜，其风味是影响消费者接受度和品种改良的重要品质性状。风味感知由挥发性香气化合物与非挥发性味觉成分共同决定，但品种特异性风味变异的代谢基础及其与仪器感官响应的关系尚不明确。本研究整合电子感官分析、色谱质谱联用技术、代谢组学与转录组学分析，对五个胡萝卜品种的风味变异进行系统表征。电子鼻（E-nose）和电子舌（E-tongue）分析实现了不同品种香气与味觉特征的快速区分，其中W1W、W2W和W5S传感器响应与关键香气代谢物显著相关。通过顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC–MS）共鉴定出104种挥发性化合物，萜类化合物（terpenoids）占主导地位；气相色谱-嗅闻-质谱联用（GCO-MS）进一步鉴定出17种气味活性化合物，醛类（aldehydes）和萜类化合物是品种特异性胡萝卜香气的主要贡献者。高效液相色谱（HPLC）和GC–MS分别定量了14种游离氨基酸（free amino acids）及多种可溶性糖和有机酸，电子舌甜味响应与d-葡萄糖（d-glucose）、d-果糖（d-fructose）和赤藓糖醇（erythritol）含量呈正相关。转录组比较分析鉴定了与萜类生物合成及糖代谢相关的差异表达基因（DEGs），并通过加权基因共表达网络分析筛选出可能参与风味代谢调控的候选转录因子（TFs），包括MYB、WRKY和HD-ZIP等家族。酵母单杂交（Y1H）和双荧光素酶报告基因（dual-luciferase reporter）实验证实，DcWRKY71和DcWRKY40可直接结合并激活蔗糖转化酶基因DcINV3的启动子。该研究建立了感官表型—风味代谢物—转录组变异之间的关联框架，为胡萝卜风味形成的分子机制解析及风味导向育种提供了潜在靶点。
以下是论文解读文章：
**整合电子感官分析与多组学策略解析胡萝卜风味特征及其分子调控网络**
**一、研究背景与科学问题**
胡萝卜（Daucus carota L.）是全球最重要的根茎类蔬菜之一，不仅富含维生素原A（provitamin A）等营养物质，还含有聚乙炔类（polyacetylenes）如法卡林醇（falcarinol）、法卡林二醇（falcarindiol）等具有抗癌和抗菌活性的次生代谢产物。除营养与功能价值外，风味是决定消费者接受度和推动品种改良的核心品质属性。胡萝卜风味是一个由挥发性香气化合物与非挥发性味觉成分共同决定的复杂性状：萜类化合物（terpenoids）构成新鲜胡萝卜挥发性组分的主体，赋予其特征性的胡萝卜样、青草、果香和树脂香气；可溶性糖贡献甜味，氨基酸与有机酸影响鲜味、苦味和酸味。然而，不同品种间风味特征存在显著差异，品种特异性风味变异的代谢基础、这些代谢物与仪器感官响应之间的关联，以及其背后的转录调控机制均尚未充分阐明。从分子层面看，萜类生物合成涉及甲羟戊酸途径（MVA pathway）和甲基赤藓醇磷酸途径（MEP pathway），以往研究主要聚焦于萜类合酶基因（TPS genes）的鉴定与功能分析，而上游通路基因和转录因子在品种间萜类积累差异中的调控作用研究较少。此外，糖代谢相关基因如蔗糖合酶（SUS）、蔗糖磷酸合酶（SPS）和蔗糖转化酶（INV）虽已在胡萝卜中被鉴定，但其品种特异性调控机制有待深入探讨。因此，亟需整合多维分析手段，建立感官表型与代谢物及基因表达变异之间的系统关联。
**二、研究内容与重要意义**
研究人员选取五个胡萝卜品种——包括四个橙色品种（D18、D22、D10、D80）和一个紫色品种（D60）——系统开展了风味特征的比较研究。通过电子鼻（E-nose）和电子舌（E-tongue）的仪器感官分析，结合顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC–MS）、气相色谱-嗅闻-质谱联用（GCO-MS）、高效液相色谱（HPLC）和GC–MS代谢物检测，以及转录组测序（RNA-seq），全面解析了不同品种的香气和味觉特征及其分子基础。进一步通过共表达网络分析筛选候选转录因子，并利用酵母单杂交（Y1H）和双荧光素酶报告基因（dual-luciferase reporter）实验对糖代谢关键基因的转录调控进行了分子验证。该研究的重要意义在于：首次将电子感官响应与色谱代谢物谱进行整合关联，明确了可用于胡萝卜品种香气和甜味快速区分的传感器指标及其对应的化学基础；揭示了萜类化合物和醛类作为品种特异性香气的核心贡献者；从转录组层面鉴定了萜类生物合成和糖代谢相关的候选基因及调控因子；并通过分子实验验证了WRKY转录因子对蔗糖分解代谢的直接调控作用。该研究为风味导向的胡萝卜分子育种提供了候选标记和靶标基因。
**三、主要关键技术方法**
本研究采用了以下关键技术：利用PEN3型电子鼻系统（含10个金属氧化物半导体传感器）和SA402B Plus-EX型电子舌系统（含多个味觉传感器）进行仪器感官分析；通过HS-SPME结合DB-5ms超惰性色谱柱的GC–MS进行挥发性化合物的分离与鉴定，以3-壬酮（3-nonanone）为内标进行半定量；利用Gerstel嗅觉检测端口进行GCO-MS气味活性化合物鉴定，由10名经训练的评估员进行气味描述和强度评分（0–3分制）；采用GC–MS测定可溶性糖、糖醇和有机酸，以核糖醇（ribitol）为内标；采用AccQ-Tag柱前衍生化HPLC法测定游离氨基酸；通过高通量测序平台进行PE150双端转录组测序，使用HISAT2将clean reads比对至胡萝卜参考基因组，以差异倍数≥2且FDR<0.01为标准筛选差异表达基因；使用TBtools提取靶基因上游2000 bp启动子序列进行顺式作用元件预测，结合皮尔逊相关系数（|r|>0.90，P<0.05）构建共表达网络；采用Matchmaker Gold Y1H系统和双荧光素酶报告系统进行蛋白-DNA互作及转录激活活性验证；所用植物材料种植于安徽省宿州市埇桥区怡人蔬菜种植农场，栽培管理参照安徽省地方标准DB34/T 4599–2023执行。
**四、主要研究结果**
**（一）电子鼻预测胡萝卜香气特征**
电子鼻雷达图显示各品种具有相似的传感器响应模式但响应强度存在显著差异。线性判别分析（LDA）将五个品种清晰分离，LD1和LD2共同解释了82.22%的总方差，紫色品种D60沿LD1与其他品种显著区分。传感器贡献分析表明W1W（对萜类敏感）对LD1贡献最大，其次为W5S和W2W。D60在这三个传感器上均表现出最高的响应强度，与其胡萝卜顶味感官评分最高相一致，提示紫色品种积累了更多挥发性萜类物质，可能与其作为祖先类型品种的遗传背景有关。
**（二）电子舌预测胡萝卜味觉特征**
电子舌味觉雷达图显示鲜味是所有品种的主导味觉属性，甜味和苦味次之，酸味响应较弱。主成分分析（PCA）中，PC1（56.6%）和PC2（27.9%）共同解释84.5%的方差，将五个品种分为四个组。载荷图显示鲜味与甜味呈近反向分布，品种甜味排序为D18 > D80 > D22 > D60 > D10，与感官评价甜味排序完全一致，验证了电子舌在甜味差异快速比较中的潜在应用价值。
**（三）HS-SPME-GC–MS挥发性组分分析**
共鉴定出104种挥发性化合物，包括46种萜类、14种醛类、10种醇类、9种烃类、8种酮类、7种酯类和10种其他化合物。萜类占比最高（44.23%），其含量范围为924.34–7600.28 μg/kg鲜重，占总挥发物的73.26%–81.90%。总挥发物含量在不同品种间差异显著，D60含量最高。偏最小二乘判别分析（PLS-DA）中前两个组分解释了99.1%的总方差，基于变量投影重要性（VIP）>1筛选出六个差异显著的挥发物：萜品油烯（terpinolene）、石竹烯（caryophyllene）、肉豆蔻醚（myristicin）、γ-萜品烯（γ-terpinene）、p-(1-丙烯基)-甲苯（p-(1-propenyl)-toluene）和p-伞花烃-8-醇（p-cymen-8-ol），可作为区分五个品种的候选香气标志物。
**（四）GCO-MS鉴定关键气味活性物质**
在104种挥发性化合物中，共鉴定出17种气味活性化合物，包括8种醛类、4种萜类、3种醇类和2种酮类。醛类占比最大（47.06%），贡献果香、青草、坚果和花香调。六种低阈值醛类——己醛（hexanal）、庚醛（heptanal）、苯甲醛（benzaldehyde）、辛醛（octanal）、(E)-2-辛烯醛（(E)-2-octenal）和β-环柠檬醛（β-cyclocitral）——首次作为新鲜胡萝卜中的气味活性化合物被鉴定。萜品油烯、(E)-2-辛烯醛和6-甲基-5-庚烯-2-酮（6-methyl-5-hepten-2-one）具有最高的气味强度。相关性分析表明，庚醛、苯甲醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、辛醛、p-伞花烃（p-cymene）、d-柠檬烯（d-limonene）、2-壬酮（2-nonanone）和萜品油烯与W1W和W5S传感器响应呈显著正相关，建立了气味活性物质与电子鼻响应之间的直接联系。
**（五）HPLC和GC–MS分析非挥发性化合物及其与味觉的关联**
HPLC定量了14种游离氨基酸，甜味氨基酸占比44.55%–61.71%，天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、丙氨酸（Ala）、丝氨酸（Ser）、精氨酸（Arg）和缬氨酸（Val）滋味活性值（TAV）>1。相关性分析显示Glu、Ala、Ser等与鲜味响应正相关。蔗糖（21.193–71.973 mg/g）是含量最高的糖，其次为d-葡萄糖（5.421–18.74 mg/g）和d-果糖（4.13–11.079 mg/g）。电子舌甜味响应与d-葡萄糖、d-果糖和赤藓糖醇呈正相关，鲜味响应与苹果酸（malic acid）、奎宁酸（quinic acid）和蔗糖呈正相关。D18具有较高的果糖和葡萄糖水平，同时α-紫罗兰酮（α-ionone）含量也较高，提示其较强的甜味感知可能反映了可溶性糖与香气物质通过跨模态嗅觉-味觉交互作用的共同贡献。
**（六）转录组全局分析与候选萜类生物合成基因**
选择感官和代谢表型差异显著的D10、D60和D18进行转录组比较。D18与D60间鉴定出2965个差异表达基因（DEGs），富集于淀粉和蔗糖代谢、单萜生物合成和萜类骨架生物合成等通路。在MVA和MEP通路中，3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶基因（DcHMGR）、磷酸甲羟戊酸激酶基因（DcPMK）和香叶基香叶基焦磷酸合酶基因（DcGGPPS）在D60中的表达显著高于D18，可能与其萜类积累增强的代谢能力有关。共表达网络分析筛选出86个与萜类相关DEGs显著关联的候选转录因子，涵盖ERF、HD-ZIP、MYB、G2-like和WRKY家族。
**（七）候选可溶性糖代谢基因与DcINV3的转录调控验证**
D18与D10间鉴定出3106个DEGs，富集于淀粉和蔗糖代谢及半乳糖代谢等通路。八个糖代谢相关DEGs中，蔗糖转化酶基因DcINV1和DcINV3在D18中高表达，且DcINV3在D18和D10间的表达差异最大，并与WRKY、HD-ZIP、NAC、MYB和ERF等多个转录因子家族在共表达网络中关联。酵母单杂交实验证实DcWRKY71（DCAR_005083）和DcWRKY40（DCAR_016302）可直接结合DcINV3启动子。双荧光素酶报告实验表明，二者共表达可显著提高DcINV3启动子驱动的LUC/REN活性比，表明DcWRKY71和DcWRKY40是DcINV3的正调控转录因子。
**五、讨论与结论**
本研究通过整合电子感官分析、色谱质谱联用、代谢组学和转录组学分析，系统揭示了五个胡萝卜品种风味差异的化学基础和转录调控特征。共鉴定出138种风味相关代谢物（104种挥发性物质和34种非挥发性物质），其中17种挥发物被确认为气味活性化合物。萜类化合物主导挥发性组分，而醛类和萜类化合物是品种特异性香气的主要贡献者。萜品油烯、石竹烯等六种挥发物被鉴定为潜在的品种区分香气标志物。电子鼻W1W、W2W和W5S传感器以及电子舌甜味、鲜味和苦味传感器显示出区分五个品种的潜力，仪器响应模式与感官评价总体一致。电子鼻W1W响应与萜品油烯和p-伞花烃密切相关，电子舌甜味响应与葡萄糖、果糖和赤藓糖醇正相关且甜味排序与感官评价完全一致。转录组分析鉴定了MVA/MEP通路基因及DcSUS、DcINV和DcAMY等糖代谢相关候选基因，MYB、WRKY和HD-ZIP等转录因子家族被预测为与萜类积累和糖代谢变异相关的候选调控因子。酵母单杂交和双荧光素酶实验证实DcWRKY71和DcWRKY40可直接结合并激活DcINV3启动子，支持其作为DcINV3的候选正调控转录因子。研究结论指出，上述更广泛的转录因子-靶基因关系仍基于差异表达和共表达分析推断，需进一步验证。未来研究还需在更广泛的种质资源和感官性状范围中验证这些发现，并直接对关键萜类相关转录因子-靶基因互作进行功能验证，以全面阐明胡萝卜风味的分子调控基础。
