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PBJ | 中国农业科学院毕金峰团队构建“微观代谢组-细胞壁多糖组分-宏观加工品质”体系解析桃果浆品质形成物质基础

  • 2026-10-20 02:12:58
PBJ | 中国农业科学院毕金峰团队构建“微观代谢组-细胞壁多糖组分-宏观加工品质”体系解析桃果浆品质形成物质基础
近日,Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了由中国农业科学院农产品加工研究所毕金峰团队撰写的“Metabolomic Analysis Reveals Structural Diversity of Pectic Polysaccharides From Prunus persica (L.) Batsch and Their Relationship With Purees Characteristics”论文。本研究以20份黏度、浊度及色泽表型存在显著差异的桃品种为试材,整合代谢组学、细胞壁果胶分级表征与流变学分析开展系统解析。结果表明,糖类、有机酸及酚类物质的积累模式与螯合性果胶(CSP)含量呈显著协同变化趋势,提示品种间代谢谱差异与细胞壁果胶组装程度具有协同变异特征;不同果胶组分对果浆流变行为的调控作用存在明显功能分化:CSP与果浆屈服应力密切相关,是决定果实抗变形能力的关键组分,水溶性果胶(WSP)则与屈服后流体行为、黏度及黏弹性平衡的关联更为紧密;此外,二氢槲皮素、根皮苷查尔酮等酚类化合物与果浆色泽性状高度关联,可作为评价桃果浆色泽品质的潜在代谢标志物。本研究初步阐明了桃果浆品质性状的生化调控基础,从内源代谢与细胞壁组装的联动视角揭示了果浆品质的形成机制,拓展了果实加工品质研究的解析维度,为核果类果实品质研究提供了理论参考与研究思路。
桃(Prunus persica)属蔷薇科,我国野生近缘种与地方品种遗传多样性丰富。果胶作为细胞壁关键组分,其对果浆品质的影响已在胡萝卜、蓝莓、黑李等多种果蔬中得到广泛研究(Christiaens et al., 2012; Chevalier et al., 2017; Mohammadi-Moghaddam et al., 2020; García-Pérez et al., 2024)。果胶包含同型半乳糖醛酸聚糖、鼠李半乳糖醛酸聚糖I/II等结构域(Ke et al., 2023; Asimakopoulou et al., 2024),可分级提取为水溶性、螯合剂可溶性与碳酸钠可溶性果胶,后两者分别通过离子键、共价键结合于细胞壁,维持植物基质结构完整性(Kaczmarska et al., 2024)。已有研究阐明了果胶的高尔基体合成途径、细胞壁交联机制及采后多糖降解与果实糖酸品质的关联(Mohnen, 2008; Caffall and Mohnen, 2009; Cirilli et al., 2016; Hu et al., 2024)。但目前桃果胶生物合成机制研究匮乏,现有报道多聚焦果胶结构对果浆品质的影响(Wani et al., 2021; Liu et al., 2024),其生物合成相关代谢物的协同调控规律仍未系统阐明。中国农业科学院农产品加工研究所毕金峰团队通过多元统计解析品种间果胶组分、代谢谱及果浆理化流变特性的差异与关联,构建核心代谢物调控果胶生物合成的通路框架,为桃细胞壁特性与加工品质调控提供理论支撑。全文主要研究结果如下:

1. 20个桃品种果胶核心结构指标筛选与PCA分组特征

本研究从水溶性、螯合性和碱溶性三类桃果胶组分中,筛选出果胶得率、半乳糖醛酸含量、同型半乳糖醛酸聚糖与鼠李半乳糖醛酸聚糖I型结构域占比等核心结构参数;果浆品质维度筛选出粒径、流变参数及得率等核心指标。相关性分析表明了水溶性果胶的直链结构域占比和半乳糖醛酸含量与果浆黏度正相关,鼠李半乳糖醛酸聚糖I型支链比例及分支度呈负相关;螯合性果胶侧链的分支度对果浆zeta电位贡献显著;碱溶性果胶协同调控果浆黏度、稠度系数与得率(图1A)。基于核心参数的PCA分析(图1B、C)显示,前两主成分累计解释58%总方差,20个桃品种可划分为4类结构特征组。统计检验表明,分组与成熟期无显著关联,与果肉色泽、茸毛性状呈中等相关,提示该分组反映品种多维度表型的综合差异。

图1基于果胶组分核心结构和果浆理化指标对20个桃品种的筛选与分组

2. 四组样本代谢组水平比较分析

桃中共检出1449种代谢物,酚酸类占比最高(264种,18.22%),黄酮类(241种,16.63%)与脂质类(197种,13.6%)次之。四组样本分离清晰(图2A),模型拟合度良好(Q2 > 0.90,图2B)。基于四组间333个差异积累代谢物(图2C)分析,1#、4#、11#中参与果实色泽形成的酚酸与黄酮类代谢物Z值较高;8#中糖类与有机酸Z值显著降低。

图2. 基于差异积累代谢物的四组样本OPLS-DA建模验证与代谢模式聚类分析

3. 不同品种果胶生物合成通路相关核心代谢物筛选

借助KEGG 代谢通路数据库的标准注释体系,成功鉴定得到 40 个目标代谢物。相关性分析(图3A)显示,各代谢物间存在广泛潜在关联,其中D-半乳糖、D-甘露糖、黄素单核苷酸(FMN)、高柠檬酸、衣康酸等9种代谢物与其他代谢物的关联程度最高;糖类、有机酸与黄酮类是四组样本差异的核心代谢物类别。

进一步关联分析发现(图3B),3-羟基丙酸、D-半乳糖等5种代谢物与螯合性果胶得率呈显著正相关,黄酮类物质黄杉素、二氢槲皮素与水溶性果胶得率呈负相关。D-阿拉伯糖和咖啡酸与其余差异代谢物间存在更高关联度,属于核心差异积累代谢物;本研究最终共筛选出12 个组间差异贡献显著的核心代谢物(图3C)。
图3 20个桃品种果胶生物合成相关差异积累代谢物的关联网络筛选、结构特征关联与丰度谱整合分析

4. 核心差异代谢物的代谢通路分析

在碳水化合物代谢通路中,各组均存在肌醇消耗现象,伴随阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等中性糖代谢物的差异积累,其中第四组中性糖水平最高;第一组中肌醇代谢更倾向于果胶主链合成,而非中性糖积累;第二组与第四组呈现螯合性果胶结构域相关代谢特征,中性糖含量相对较高,提示果胶生物合成过程中不同结构域存在差异化调控。葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸后进入三羧酸循环,产生柠檬酸、苹果酸等中间代谢物;第二组与第四组衣康酸含量较高,其积累特征可反映细胞壁多糖合成的碳通量差异。此外,葡萄糖经糖酵解-莽草酸途径生成酚类物质,第一组二氢槲皮素等呈色代谢物水平较高,第一、二组咖啡酸消耗更为显著。综上,有机酸、糖类及酚类在各组间积累模式差异显著,为果胶结构异质性及果浆理化、流变与色泽特性的差异提供了生化基础(图4)。

图4. 核心代谢物介导果胶生物合成的潜在调控框架

该项工作阐明了核心代谢物通过调控不同果胶组分的合成积累,进而介导果浆流变特性差异的内在机制:螯合性果胶的含量差异是决定果浆抗变形能力与屈服临界点的核心因素,水溶性果胶的结构特征则主导着果浆的黏度水平、黏弹平衡及屈服后的塑性流动行为。此项工作构建了“微观代谢组-细胞壁多糖组分-宏观加工品质”的多尺度关联分析体系,为桃加工品质评价体系的构建与工艺的定向优化提供了重要理论支撑。
中国农业科学院农产品加工研究所与列日大学联合培养博士生刘梦为论文第一作者,中国农业科学院农产品加工研究所毕金峰研究员(https://ifst.caas.cn/rctd/gjzc/zgjzc/207608.htm)为该研究工作第一通讯作者,中国农业科学院农产品加工研究所刘璇研究员(https://ifst.caas.cn/yjspy/dsjj/bsds/spkxygc/ca4295ed4a364767b53207099e18fb1f.htm)为并列通讯作者。研究工作得到了国家桃产业技术体系专项的支持。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70709

References:

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