《Scientia Horticulturae》：β-Cryptoxanthin is a critical carotenoid component and a major contributor to the flesh coloration of yellow-fleshed kiwifruit cultivars
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本文聚焦黃肉獼猴桃果肉著色機制不明確的科學(xué)問題，研究者通過評估32個黃肉品種的果實品質(zhì)，結(jié)合代謝組與轉(zhuǎn)錄組分析，揭示了β-隱黃質(zhì)是形成深黃色果肉的關(guān)鍵類胡蘿卜素成分，并鑒定出調(diào)控其合成的關(guān)鍵基因AcBCH1。這項研究為提升獼猴桃及其他果樹的果實品質(zhì)和商業(yè)價值提供了重要見解。
當(dāng)你咬下一口金黃色的獼猴桃時，是否想過這誘人的色澤從何而來？在自然界中，紅色和黃色果實的顏色很大程度上歸功于一類名為類胡蘿卜素（Carotenoids）的色素。這類物質(zhì)不僅是人類必需的抗氧化劑和維生素A前體，也直接決定了水果的市場吸引力和營養(yǎng)價值。然而，在獼猴桃這種重要的經(jīng)濟作物中，尤其是近年來日益受到歡迎的黃肉品種，究竟是哪些具體的類胡蘿卜素成分主導(dǎo)了果肉從淺黃到深黃的色澤變化？其背后的分子調(diào)控機制又是什么？這些關(guān)鍵科學(xué)問題長期以來并未得到清晰的解答。
為了回答這些問題，由賈東風(fēng)、曹佳樂等人組成的研究團隊在學(xué)術(shù)期刊《Scientia Horticulturae》上發(fā)表了一項系統(tǒng)性研究。他們旨在深入探究黃肉獼猴桃的類胡蘿卜素組成，并尋找決定其果肉著色的關(guān)鍵色素成分及相關(guān)調(diào)控基因。
研究人員主要運用了整合代謝組學(xué)（Metabolomics）與轉(zhuǎn)錄組學(xué)（Transcriptomics）的分析策略。首先，他們對來自中國江西省的32個黃肉獼猴桃栽培品種成熟果實的多項品質(zhì)指標（如果實重量、色澤參數(shù)Lab*值、葉綠素和類胡蘿卜素總含量等）進行了全面評估和相關(guān)性分析。基于此，他們篩選出兩個果肉顏色對比鮮明的代表性品種進行后續(xù)深度研究：果肉呈淺黃色的‘鳳凰2號’（Actinidia chinensis‘Fenghuang 2’）和果肉呈深黃色的‘Wanding 1’（A. chinensis‘Wanding 1’）。隨后，利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（UPLC-APCI-MS/MS）技術(shù)對這兩個品種果肉中的類胡蘿卜素成分進行了靶向代謝組學(xué)分析。同時，通過RNA測序（RNA-seq）技術(shù)比較了它們的全基因組表達譜。最后，結(jié)合生物信息學(xué)分析（如KEGG通路富集分析）和定量實時PCR（qRT-PCR）驗證，系統(tǒng)解析了與果肉著色相關(guān)的差異積累代謝物和差異表達基因。
3.1. 三十三個黃肉獼猴桃品種在生理成熟期時的外觀品質(zhì)和果實硬度
研究測量了32個品種的外觀指標，發(fā)現(xiàn)果實重量、縱橫徑及硬度在不同品種間存在顯著變異，這為后續(xù)選擇代表性品種提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
3.2. 三十三個黃肉獼猴桃品種在軟熟期時的內(nèi)在品質(zhì)
分析了軟熟期果實的可溶性固形物、干物質(zhì)、可溶性糖、可滴定酸和抗壞血酸等含量，發(fā)現(xiàn)各品種內(nèi)在品質(zhì)差異顯著，表明遺傳背景對獼猴桃綜合品質(zhì)有重要影響。
3.3. 三十三個黃肉獼猴桃品種在軟熟期時的色差和色素含量
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，所有品種的果肉色差b*值（代表黃色程度）均為正值，且與總類胡蘿卜素含量以及類胡蘿卜素-葉綠素比值均呈顯著正相關(guān)。這直接表明果肉的黃色深淺與類胡蘿卜素的積累水平密切相關(guān)。
3.4. 色差指標與色素相關(guān)指標間的相關(guān)性分析
相關(guān)性分析進一步確認，b值與總類胡蘿卜素含量和類胡蘿卜素-葉綠素比值顯著正相關(guān)，而與葉綠素含量無顯著相關(guān)。這促使研究者選擇葉綠素含量相近但b值、總類胡蘿卜素含量及類胡蘿卜素-葉綠素比值差異顯著的‘鳳凰2號’和‘Wanding 1’進行后續(xù)深入分析。
3.5. ‘鳳凰2號’和‘Wanding 1’果實中的類胡蘿卜素組成及差異積累的類胡蘿卜素化合物
靶向代謝組學(xué)分析共鑒定出27種類胡蘿卜素化合物。在‘Wanding 1’中，類胡蘿卜素總含量是‘鳳凰2號’的2.95倍。特別值得注意的是，在‘Wanding 1’中，β-隱黃質(zhì)（β-Cryptoxanthin）的含量異常高，達到21.61 μg g-1FW，占其所有檢測到的類胡蘿卜素總和的55%以上，并且其含量是‘鳳凰2號’的75.84倍。共有12種類胡蘿卜素被鑒定為差異積累代謝物，其中7種在類胡蘿卜素生物合成通路中顯著富集。
3.6. ‘鳳凰2號’和‘Wanding 1’之間的全轉(zhuǎn)錄組基因表達及差異表達基因
轉(zhuǎn)錄組分析在兩者之間共鑒定出7，793個差異表達基因，其中3，650個在‘Wanding 1’中上調(diào)表達，4，143個下調(diào)表達。
3.7. 差異表達基因的富集京都基因與基因組百科全書通路和富集基因本體論術(shù)語
KEGG通路富集分析顯示，“類胡蘿卜素生物合成”是顯著富集的通路之一，其中包含26個差異表達基因。GO富集分析也發(fā)現(xiàn)了多個與類胡蘿卜素代謝過程相關(guān)的顯著富集條目。
3.8. 類胡蘿卜素代謝中的主要差異積累類胡蘿卜素及相關(guān)差異表達基因
研究者將7個差異積累的類胡蘿卜素與18個直接參與類胡蘿卜素代謝的結(jié)構(gòu)性差異表達基因共同映射到代謝通路上進行分析。結(jié)果顯示，在β-分支通路中，β-隱黃質(zhì)是最關(guān)鍵的差異積累化合物。同時，多個與β-隱黃質(zhì)代謝相關(guān)的基因表達發(fā)生改變，特別是編碼β-胡蘿卜素羥化酶的基因AcBCH1和AcBCH2以及細胞色素P450單加氧酶基因AcCYP97A3在‘Wanding 1’中表達上調(diào)。
3.9. 類胡蘿卜素代謝相關(guān)差異表達基因的表達驗證結(jié)果
通過qRT-PCR對6個高表達的類胡蘿卜素代謝相關(guān)差異表達基因進行驗證，證實了轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的可靠性。其中，AcBCH1在‘Wanding 1’中的相對表達量顯著高于‘鳳凰2號’，其表達趨勢與β-隱黃質(zhì)的積累水平高度一致。
在討論部分，作者總結(jié)了本研究的核心發(fā)現(xiàn)與意義。首先，研究明確了黃肉獼猴桃果肉黃色的深淺不僅受總類胡蘿卜素含量的影響，還顯著受類胡蘿卜素-葉綠素比值的調(diào)控。其次，研究揭示了獼猴桃中的類胡蘿卜素組成具有高度的品種特異性，而在本研究所用的深黃色品種‘Wanding 1’中，β-隱黃質(zhì)是占絕對主導(dǎo)地位的關(guān)鍵色素成分，對形成其深黃色果肉起到了決定性作用。這一發(fā)現(xiàn)在其他作物如柑橘和木瓜中也有類似報道，印證了β-隱黃質(zhì)作為黃色著色劑的重要性。
最重要的是，研究通過整合分析，將代謝物積累與基因表達關(guān)聯(lián)起來，首次在獼猴桃中明確指出AcBCH1基因是調(diào)控β-隱黃質(zhì)生物合成的關(guān)鍵基因。該基因的上調(diào)表達與‘Wanding 1’中β-隱黃質(zhì)的極高積累量高度相關(guān)。此外，上游基因如AcPSY1、AcPDS1和AcLCYB4的上調(diào)，也與前體物質(zhì)（如八氫番茄紅素Phytoene和六氫番茄紅素Phytofluene）的積累增加相吻合，共同促進了β-隱黃質(zhì)的生物合成。
綜上所述，本研究系統(tǒng)解析了黃肉獼猴桃果肉著色的物質(zhì)基礎(chǔ)與分子機制，鑒定出β-隱黃質(zhì)是關(guān)鍵色素成分，并發(fā)現(xiàn)了其合成的關(guān)鍵調(diào)控基因AcBCH1。這些成果不僅增進了我們對果樹類胡蘿卜素代謝的理解，也為通過分子育種手段定向改良獼猴桃果實色澤、提升其營養(yǎng)價值和市場競爭力提供了直接的理論依據(jù)和寶貴的基因資源。未來，對獼猴桃及其他果樹中β-隱黃質(zhì)代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的深入探索，將持續(xù)推動果實品質(zhì)育種工作的進步。
