百趣代谢组学解读，从蛋白组学和代谢组学角度，浅析白番石榴成熟过程

​

文章标题：Integrating proteomics and metabolomics approaches to elucidate the ripening process in white Psidium guajava

发表期刊：Food Chemistry

发表时间：2022.01

影响因子：7.514/Q1

组学技术：代谢组学、蛋白质组学

1、研究背景

番石榴(Psidium Guajava)，是一种营养丰富的热带水果，大小、形状各异，含有较多的抗氧化化合物，如维生素C、多酚和类胡萝卜素。尽管番石榴有非常高的营养价值和保健价值，但与其相关综合研究甚少，特别是番石榴成熟过程中的生物化学和分子机制研究。

百趣解读，水果可根据其在成熟过程中的呼吸模式不同大致分为跃变型和非跃变型成熟。就番石榴而言，跃变型和非跃变型呼吸模式取决于特定的品种。总体而言，跃变型成熟与乙烯爆发有关，而非跃变型成熟的生理和分子基础仍然知之甚少。参与调控水果成熟过程的生长调节剂与某些关键代谢途径可能存在关联，此外，对番茄、山竹及香蕉成熟过程的组学研究，揭示了乙烯、脱落酸(ABA)和其他生长调节剂对果实成熟的重要性。

百趣解读，作者通过对白番石榴两个成熟阶段的不同果实部位进行了蛋白质组学和代谢组学研究，深入挖掘白番石榴成熟过程中的潜在分子机制，并找出乙烯和脱落酸(ABA) 信号通路与番石榴成熟过程中的生化变化的调控关联。该研究结果将为进一步探究番石榴成熟过程中植物生长调节剂参与调控机制提供理论依据。

2、研究设计

3、研究结果

（1）蛋白组学分析

百趣解读，在本研究中，作者对MG和MY两组的番石榴果皮、果肉组织进行蛋白组学检测。在白番石榴果皮、果肉中分别鉴定出2695种、3166种蛋白质。在番石榴成熟过程中，果皮和果肉部位出现蛋白质的显著累积。比较蛋白质组学分析在果皮和果肉组织中分别鉴定出859和817个差异蛋白质，其中约133个在两种组织部位同时鉴定为差异蛋白。显著累积的蛋白质涉及到了茉莉酸生物合成、生长素运输和乙烯等信号通路（图1）。对番石榴、番茄、山竹和猕猴桃在成熟过程中鉴定的差异蛋白质的同源序列进行了比较蛋白组学分析，发现存在大量的直系同源体参与了果实成熟调控过程（图2）。

图1. 番石榴果肉和果皮样本蛋白组学分析

图2. 与山竹、猕猴桃和番茄中与成熟过程相关的差异累积蛋白质比较分析

（2）非靶标代谢组学及靶标代谢组学分析

本研究中对MG和MY两组样本进行非靶标代谢组学检测发现31个累积过度和47个累积下降的代谢物。在MG/MY组实验样本中，累积量过度代谢物主要涉及了叶绿素代谢、胆固醇、类胡萝卜素生物合成等代谢途径（图3A）。此外，在MY/MG组实验样本中累积量下降代谢物涉及的主要途径有（图3B）类黄酮生物合成、次级代谢的生物合成、单萜类化合物等代谢途径。

百趣解读，基于非靶标代谢组学分析结果，对色素、ACC、ABA和酚类物质含量进行靶标代谢组学检测。靶标代谢组学研究结果表明MY果皮中色素含量显著低于MG果皮，例如β-胡萝卜素、α-胡萝卜素、紫黄质、花药黄素、叶黄素、α-生育酚和叶绿素B的含量在MY样品中显著低于MG样品（图3C）；整果中ACC和ABA的含量，MY显著高于MG（图3D、E）；在酚类物质中定量分析了17种属于不同化学亚类的代谢物，研究发现多数已鉴定的酚类物质在果皮中的浓度与其他组织相比较高（表1）。

图3. 代谢组学分析

表1. 酚类定量分析代谢物信息表

（3）蛋白组学及代谢组学联合分析

作者通过对蛋白质组学和代谢组学(非靶标和靶标)的结果进行组学数据整合分析，揭示了乙烯、类胡萝卜素、ABA和酚类生物合成途径在番石榴成熟过程中的重要作用。结果表明ACC（乙烯前体）和ACC氧化酶（ACO4）的过度累积；在类胡萝卜素和脱落酸代谢途径中β-胡萝卜素、花药黄质和紫黄质等前体物质含量减少，而黄质苷、脱落醛和脱落酸含量却呈现增加趋势；酚类生物合成相关酶主要积累在MY组番石榴果皮组织中（例如：分支酸生物合成调控酶）；花青素在MY样品中的水平低于MG样品（图4）。

图4. 蛋白组学与代谢组学整合分析

（4）总结

番石榴成熟是一个极其复杂的生化过程，涉及不同的生长调节剂及其信号传导机制，其中ABA 和乙烯在生化修饰过程中发挥着重要作用。该研究结果为白番石榴归属于跃变型成熟提供理论支撑。因该研究揭示番石榴成熟过程中外部感应和信号转导所涉及的分子机制，其中生长调节剂可以微调果实性状的生化变化。此外，组学数据联合分析揭示了番石榴成熟过程中潜在的代谢途径调节，突出了乙烯和ABA等生长调节剂作为可能的主要调节剂，并揭示了初级和次级代谢产物的差异累积（图5）。

图5. ABA和乙烯信号在苯丙素途径激活中的协同作用

5、百趣小结

研究目的

多组学研究白番石榴成熟过程内在调节机制。

研究结果

百趣解读，本研究选择白番石榴成熟过程中的两个阶段，通过对不同组织进行代谢组学和蛋白组学分析，研究了白番石榴在成熟过程中代谢调控机制，研究发现蛋白出现累积，其中差异累积蛋白涉及了茉莉酸生物合成、生长素运输和乙烯等信号通路；同时代谢组学数据表明，差异累积代谢物主要参与叶绿素代谢、胆固醇、类胡萝卜素生物合成等代谢途径；将蛋白组学数据与代谢组学数据联合分析，揭示了乙烯、类胡萝卜素、ABA和酚类生物合成途径在番石榴成熟过程中的重要作用，并为白番石榴归属于跃变型成熟提供理论依据。

提升空间

在本研究的代谢组物质鉴定中，因其所用数据库的局限性只发现较少的植物代谢物（30-50），可采用专门针对植物研究领域构建的植物广泛靶标代谢组学技术，该技术定性物质数可达1000+，极大的提升了数据的挖掘空间，对于做植物代谢组的学者来说是目前更为适用的一种新技术。

文/阿趣代谢组学