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科研 | Food Chem：基于代谢组学研究不同甜樱桃果实性状差异
编译：微科盟橙子，编辑：微科盟Tracy、江舜尧。
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论文ID
原名：Cell wall and metabolite composition of sweet cherry fruits from two cultivars with contrasting susceptibility to surface pitting during storage译名：两种甜樱桃果实的细胞壁和代谢物组成对贮藏过程中表面有凹陷敏感性的对比
期刊：Food Chemistry
IF：7.514发表时间：2021.04通讯作者：Romina Pedreschi
通讯作者单位：智利瓦尔帕莱索大学
实验设计
实验结果
甜樱桃的硬度已被广泛研究。在这项研究中，多因素方差分析表明，Kordia甜樱桃明显比甜心品种硬度强；并且最大力、功、梯度（弹性系数）和变形在第一评估发育阶段（S1）的差异更为显著（表1）。然而，在收获（S2）、1℃下27 d（S3）和1℃下27 d+20℃下5 d（S4）后，除功（mJ）外，其他参数均未观察到显著差异，其中来自Kordia品种的甜樱桃比来自Sweetheart品种的甜樱桃表现出更高的值。在采后贮藏过程中，甜樱桃受到细胞壁降解和水分损失等多种因素的影响，导致硬度下降。硬度在储存期间无显著差异，这可能是由于破坏硬度所导致的（测量皮肤破裂点处的最大力度）。因此，我们记录距离（mm）的变化以获得变形参数，记录的距离是探针到破裂发生处的距离，用检测直径的百分比表示。Kordia变形显著高于Sweetheart；结合其他参数，这可以解释为Kordia甜樱桃更耐破裂。文献报道甜樱桃的晚品种比早品种更结实。然而，在我们的研究中，Kordia是一个比晚熟Sweetheart更结实的早期品种。因此，品种间硬度的差异可能与基因型的差异有关。就甜樱桃的大小而言，两个品种在所有发育阶段均表现出不显著的差异。然而，在相同的发育阶段，Kordia樱桃比Sweetheart樱桃重，可溶性固形物（%）高（表1）。Serradilla等人报道了Sweetheart品种的可溶性固形物含量相似。然而，Kordia的可溶性固形物（约1.3倍）略多。贮藏期间，两个品种的可溶性固形物含量均呈上升趋势；然而，只有Kordia在最后阶段（S4）表现出显著的增加，这种增加可能是由于水分流失。在S1期，品种间的颜色没有差异，然而，在收获和贮藏阶段，Kordia甜樱桃显示出紫色，比Sweetheart樱桃颜色较深。此外，Kordia在最后阶段（S4）表现出代表红色的参数a*显著降低。这些颜色参数与其他作者报道的一致。表1 Kordia和Sweetheart甜樱桃不同发育阶段和采后品质相关参数的研究
2. 细胞壁的特征
甜樱桃细胞壁物质水解后得到的单糖组成如表2所示。Kordia的醇不溶性残基（AIRs）比Sweetheart的高1.4倍，导致细胞壁中几种单糖的含量更高。文献报道了类似Sweetheart品种的AIR产量(1.77%)。此外，观察到AIR产量与变形显著相关（R=0.82；P<0.01），表明细胞壁物质产量的提高与甜樱桃的抗裂性呈正相关。Kappel等人报道，水果硬度与表面凹陷的严重程度没有显著关系。在我们的研究中，硬度（最大力）与空气含量呈轻微正相关（R=0.55；P<0.05）。因此，更坚固、更具相对抗性的品种（Kordia）与其较高的AIRs含量呈正相关。这一结果支持了较高含气量的果实硬度越高，表面凹陷越小。两个品种细胞壁的主要中性糖都与阿拉伯糖相对应。文献报告，这种糖随着成熟而增加其比例。此外，半乳糖和鼠李糖数量显著，表明存在Ramnogalacturan-I（RG-I）。葡萄糖和木糖表明存在木葡聚糖和木聚糖。这些糖分在Kordia显著高于Sweetheart。半纤维素（例如木聚糖）可以与纤维素微纤丝形成承重网络。此外，RG-I的阿拉伯多糖和半乳聚糖侧链能与纤维素微纤丝结合，其亲和力与木聚糖相似，直接促进纤维素微纤丝在细胞壁上的交联。甜樱桃的硬度很大程度上取决于共价结合的果胶和基质聚糖，这与本研究的结果一致。相反，岩藻糖和甘露糖是含量最低中性糖，品种间没有显著差异。Salato等人报道，在硬度较高的品种中，细胞壁物质含量较高，细胞壁中紧密结合的果胶分枝较少，中性富含糖的果胶侧链含量较低。最后，Kordia甜樱桃的半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸含量高于Sweetheart，这可能是Kordia甜樱桃形成表面凹陷斑的原因之一。甜樱桃果皮抗渗性与果胶总量呈正相关，果胶主要成分为半乳糖醛酸。Xin等人报道，大多数碳酸钠可溶果胶在樱桃中形成大的聚集体。冷藏后果胶的结构发生了变化，主要由果胶酯酶和多聚半乳糖醛酸酶催化裂解、短链和解聚。Kordia和Sweetheart品种在冷藏过程中细胞壁组成的差异与硬度及其对机械损伤的相对抗性有关。尽管品种间存在差异，但去核和不去核的甜樱桃之间没有差异。这种现象可能是由于在表面凹陷过程中缺少成分变化，而大量的细胞壁材料可能会提高甜樱桃的抗变形性，从而提高甜樱桃的表面抗凹陷性。 表2 不同采后阶段有(P)和无(N)表面凹陷的Kordia和Sweetheart甜樱桃细胞壁单体（mg/g AIR）
3. 酚类化合物
酚类化合物如表3所示。总酚含量在5.23和71.44 mg/g（DW）范围内，在Kordia中显著高于Sweetheart。三种主要化合物为对香豆酸衍生物（RT=9.89 min）、绿原酸衍生物（RT=7.91 min）和绿原酸（RT=10.70 min）（分别为表3中的化合物3、7和14）。第一个化合物可能对应于对香豆酰奎宁酸，这已被一些作者报道。此外，新绿原酸是甜樱桃中一种丰富的酚类化合物。我们研究中检测到的绿原酸衍生物（RT=7.91）与该化合物相对应。大部分酚类物质的含量在第一发育阶段（S1）显著升高。甜樱桃成熟期间，果实重量和可溶性固形物含量增加，绿原酸等酚类化合物转化为花青素。各品种采后酚类物质含量无明显差异，Sen等人也报告了类似的结果，他们指出，在最佳成熟期收获并在低温和室温下贮藏的甜樱桃在总酚含量和抗氧化能力方面没有发生显著变化。多因素方差分析表明，除对香豆酸衍生物外（RT=11.01，表3中的化合物4），在1℃下放置27天后，加上20℃下放置5天后（S4），去核和不去核的甜樱桃之间没有差异。在这种情况下，表面有凹陷的Sweetheart甜樱桃比无凹陷的Sweetheart甜樱桃中酚酸的含量更高（0.15±0.02和0.11±0.0 mg/g（DW）。然而，与总酚含量相比，这些含量较低。花青素-3-芸香苷是两个品种的主要花青素，在Kordia中显著高于Sweetheart甜樱桃（分别为4.72、6.60和1.45、2.29 mg/g DW）。花青素-3-葡萄糖苷在Sweetheart中是微量元素，而在Kordia中的含量范围为0.34±0.76 mg/g DW（表4）。花青素含量与甜樱桃的颜色相关；在花青素-3-芸香苷的情况下，与颜色参数L*、a*和b*（分别为R=0.88、R=0.96和R=0.96）的相关性显著（P<0.01）；花色苷含量在后两个时期（S3和S4）均较高。冷藏可以诱导成熟和部分成熟樱桃中花青素的合成，品种类型和贮藏条件是影响酚类化合物和花青素含量的主要因素，然而，我们在Kordia和Sweetheart的去核和不去核的甜樱桃之间没有观察到差异。所有凹陷样品的总花青素含量均略高于未凹陷样品（P>0.05）。仅在1℃（S3）下放置27 d后的Sweetheart，去核甜樱桃的花青素-3-芸香苷含量高于未去核甜樱桃（分别为2.14和1.45 mg/g DW）。次生代谢物可作为抗自由基物质，中和冷藏引起的氧化应激对樱桃皮肤组织的损伤。据我们所知，这是首次有研究评估有核甜樱桃的酚类化合物。然而，机械应力是否能诱导Sweetheart果实冷藏后产生花青素-3-芸香苷，尚需进一步研究。 表3 不同发育阶段和采后有表面凹陷(P)和无表面凹陷(N)的Kordia和Sweetheart甜樱桃酚类化合物
表4 果实采后不同时期表面有凹陷(P)和无凹陷(N)的Kordia和Sweetheart甜樱桃花青素含量
4. 极性化合物的GC-MS非靶向代谢组分析
GC-MS检测到的极性代谢物包括有机酸、氨基酸和糖等。图1显示了对这些化合物进行的主成分分析，PCA提取了5个PCs，解释了总变异性的74.1%。第一组分在不同发育阶段之间有区别，第二组分在不同品种之间有区别。然而，其他3个样本之间没有明显差异（数据未显示）。我们对表现出更大可变性的代谢物（图1中远离来源的化合物）进行单因素方差分析（P<0.05）；结果显示对所鉴定的初级代谢产物而言，在稻草色S1期的Sweetheart甜樱桃的有机酸（如柠檬酸、琥珀酸和苹果酸）和氨基酸（如L-丙氨酸和丝氨酸）含量高于S1期的Kordia品种（图1）。这些化合物参与柠檬酸循环和几种氨基酸的生物合成，维持多种代谢途径（KEGG，2020）。途径分析显示，Sweetheart样品在S1和S2对氨基酰tRNA生物合成的影响较大（P<0.05），而在S1对肌醇磷酸代谢的影响较小。在S2，两个甜樱桃品种的乙醛酸、二羧酸、丁酸、丙酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢受影响较大。然而，冷藏和凹陷样品并没有显示出代谢途径的显著变化。其他作者也报道了成熟过程中有机酸和糖的品种差异。此外，成熟期和冷藏期的Sweetheart样品中D-甘露糖、天冬酰胺、L-谷氨酸和L-5-氧代脯氨酸等单个化合物的含量均高于Kordia。葡萄糖、果糖和蔗糖是甜樱桃中的主要糖类，然而，这些糖分在品种间没有显著差异。两个品种的D-甘露糖含量在冷藏（S3）后升高，在室温（S4）下5 d后降低，然而，在这两个阶段中，Sweetheart的D-甘露糖含量高于Kordia。这种单糖参与果糖、甘露糖和半乳糖的代谢。Brizzolara、Manganaris、Fotopoulos、Watkins和Tonutti研究了冷藏对柑橘、油桃和桃子等水果碳水化合物代谢的影响，其中较高含量的蔗糖和糖醇可能有助于膜的稳定性，低温贮藏也会影响氨基酸代谢。然而，Sweetheart在冷藏后发现了与丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢有关的氨基酸，如天门冬氨酸、L-谷氨酸和4-氨基丁酸（GABA）。GABA是氮代谢的重要中间产物，在逆境条件下可能起到渗透保护作用，平衡碳水化合物的快速减少。最后，L-5-氧代脯氨酸和L-谷氨酸参与了谷胱甘肽的代谢，表明Sweetheart甜樱桃冷藏后，特别是去核后，可能存在抗氧化保护机制。
（a）得分图和（b）因子载荷图。Kordia品种用黑色表示，Sweetheart品种用灰色表示。S1：稻草色；S2：商品采摘；S3：1℃保存27天；S4：在1℃下储存27天+在20℃下储存5天的保质期。每重复100个果实（n=4）。 我们通过PCA分析无法区分有凹陷和非有凹陷样品。然而，果胶的主要成分D-半乳糖醛酸在Sweetheart凹陷样品中含量较高。因此，在易受表面凹陷影响的品种中，果胶发生了更多的降解，这一发现与空气中发现的D-半乳糖醛酸减少一致（表2）。为了研究所有变量（初级和次级代谢物、细胞壁单糖和质量变量）之间的关系以及品种、采后阶段和凹陷样品之间的差异，我们进行了PLS-DA分析。由于这两个品种的S1期在大多数参数上存在显著差异，因此不考虑进行多变量分析。此外，选择P值<0.05的重要变量进行PLS-DA。图2显示，由于酚类成分的不同，品种间主要的分类区分是存在的。Kordia甜樱桃的花色苷含量较高，呈深紫色。此外，这些样品体积较大，可溶性固形物和肌醇含量较高，在糖醇的合成中起着生物学作用（KEGG，2020）。Sweetheart甜樱桃中对香豆酸衍生物、L-5-羟脯氨酸和D-半乳糖的含量较高。如上所述，在冷藏过程中，碳水化合物代谢会发生变化，不同品种的变化程度不同。此外，D-半乳糖是RG-I的主要分支单糖，其以游离形式存在，这可能是由于储存期间果胶的溶解（S3和S4）导致的。Salato等人报道RG-I可能是优先溶解在Sweetheart甜樱桃中的聚脲类化合物。
预测变量用黑点表示，分类反应变量用红点表示。Kor：Kordia品种；SH：Sweetheart品种；P：有凹陷样品；正常样品；S3：1℃保存27天；S4：在1℃下储存27天+在20℃下储存5天的保质期。每重复100个果实（n=4）。 然而，在贮藏后期（S4），AIRs中的岩藻糖浓度显著高于S3，品种间差异不显著。岩藻糖是一种中性单糖，存在于半纤维素中，可增加其在空气中的比例，而其他单糖则减少，如半乳糖醛酸、木糖和甘露糖（表2）。我们在PLS-DA分析中未观察到有核甜樱桃和无核甜樱桃的区别。在这项研究中，我们观察到的变异性是由品种导致的。然而，这些不同品种之间在有凹陷方面的差异使我们能够理解代谢变化的差异可能会影响表面凹陷的敏感性。
结论
两个甜樱桃品种在初级代谢产物和次级代谢产物方面存在差异。在表面凹陷敏感的Sweetheart品种中，对香豆酸衍生物L-5-氧脯氨酸、D-半乳糖和D-半乳糖醛酸的含量较高；D-半乳糖在冷藏和保质期后的凹陷样品中明显更高。在Sweetheart样品中一些代谢途径相关增加（如谷胱甘肽和碳水化合物代谢），游离单糖和细胞壁单糖的组成表明，贮藏后Sweetheart样品中果胶的增溶作用更强。此外，高含量的细胞壁物质与抗破裂（变形）能力呈正相关，这解释了Kordia甜樱桃对表面凹陷的相对抗性。本研究首次揭示了甜樱桃在发育和冷藏过程中的代谢变化及其与表面凹陷形成的关系。然而，我们还需要进一步探究，特别是进行与细胞壁结构有关的分析，以了解这两个品种对机械应力的反应。对甜樱桃表面凹陷斑的了解将有助于开发基于分子知识的治疗方法。
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