《Scientia Horticulturae》：Integrated metabolomic and transcriptomic profiling with organic acid quantification unveils metabolic signatures and basis of sour flavor formation in
Begonia edulis
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本研究针对秋海棠酸味形成机制不明及传统认为草酸是主要酸味物质的认知局限，采用代谢组学与转录组学整合分析技术，结合UPLC精准定量，系统解析了食用秋海棠（Begonia edulis）叶片、叶柄和根茎的代谢特征，发现柠檬酸、苹果酸、奎宁酸、酒石酸和抗坏血酸的组织特异性高积累是酸味形成的关键，而非草酸，为秋海棠的食用开发提供了理论依据。
在野生蔬菜的丰富宝库中，秋海棠属植物因其独特的观赏和食用价值而备受关注。特别是食用秋海棠（Begonia edulis），其新鲜的叶片和叶柄带有一种令人愉悦的酸味，类似于柠檬的清新口感，使其成为一些地区人们喜爱的野菜。然而，长期以来，人们对秋海棠可食性的认识大多停留在基础的营养成分分析上，对于其标志性酸味究竟由何种物质主导，科学界却存在一个普遍的误解：许多研究想当然地认为草酸是酸味的主要来源。这一误解在一定程度上限制了秋海棠在食用方面的进一步推广和应用。为了打破这一认知壁垒，更系统地揭示食用秋海棠的代谢奥秘及其独特风味的形成基础，一项深入的研究显得尤为重要。
为此，发表在《Scientia Horticulturae》上的研究论文《Integrated metabolomic and transcriptomic profiling with organic acid quantification unveils metabolic signatures and basis of sour flavor formation in Begonia edulis》应运而生。研究团队选取了食用秋海棠的三个关键组织——叶片、叶柄和根茎，展开了一场多组学联动的深入探索。
为了精准地回答上述科学问题，研究人员运用了几项关键技术。他们首先采用了广泛靶向代谢组学技术，对三种组织进行了全面的代谢物检测。同时，利用RNA测序技术进行了转录组分析，以揭示基因表达层面的差异。为了对代谢组学初步发现的关键有机酸进行精确验证，研究采用了超高效液相色谱技术进行绝对定量分析。此外，还通过化学滴定法测定了样品的可滴定酸度，并运用DPPH、ABTS和FRAP三种方法评估了不同组织的抗氧化能力。这些技术的结合，构成了从宏观代谢轮廓到微观基因表达，再到精准定量验证的完整研究体系。本研究的植物材料来源于中国贵州省罗甸县。
3.1. 代谢物和可滴定酸含量在不同组织中的差异
研究首先通过广泛靶向代谢组学分析，从食用秋海棠的根茎、叶片和叶柄中共鉴定出1818种代谢物，并将其分为15大类，其中黄酮类、萜类和酚酸含量最为丰富。主成分分析和韦恩图均表明三种组织在代谢物组成上存在显著差异。特别值得注意的是，化学测定显示叶柄的可滴定酸度最高，叶片次之，根茎最低，这与其食用时的酸味体验相一致。
3.2. 不同组织间差异积累代谢物
通过OPLS-DA模型，研究共鉴定出1537个差异积累代谢物。针对与酸味密切相关的有机酸，研究发现55种被检测的有机酸中有47种存在组织间差异积累。其中，有27种有机酸在叶柄中相较于根茎整体上调，特别是抗坏血酸、富马酸等9种有机酸在所有组织比较中均呈现一致的上调趋势，暗示它们是形成秋海棠特征酸味的关键候选物质。
3.3. 不同组织的RNA-seq分析
转录组测序产生了高质量的数据，组装获得60,154个unigenes。主成分分析显示三种组织的基因表达谱明显分离。差异表达基因分析共鉴定出16,965个DEGs。KEGG富集分析发现“植物激素信号转导”、“苯丙烷生物合成”等通路在不同组织比较中均显著富集，表明这些通路在驱动组织间转录差异中起关键作用。
3.4. 不同组织中有机酸生物合成相关基因
为深入解析酸味形成的分子机制，研究重建了秋海棠的有机酸代谢通路，鉴定出28个相关基因家族，其中59个基因表现为差异表达。糖酵解途径包含最多DEGs，而三羧酸循环和抗坏血酸生物合成途径的DEGs表达模式相对一致。一些基因的表达趋势与可滴定酸度的变化显著相关。
3.5. 转录组与代谢组整合分析
通过九象限图和相关性网络分析，研究揭示了有机酸积累与基因表达之间的调控关系。构建的转录代谢调控网络显示了30种有机酸化合物与18个有机酸生物合成结构基因之间的强相关性，为进一步理解有机酸积累的调控机制提供了线索。
3.6. 不同组织中有机酸含量定量分析及抗氧化能力
UPLC精准定量验证了代谢组学的结果，显示抗坏血酸、酒石酸、琥珀酸和富马酸在不同组织间存在显著浓度差异，且与可滴定酸度趋势相符。值得注意的是，草酸在所有组织中均有检出，但其在根茎中的含量反而略高于叶柄和叶片，这与酸味特征呈负相关，从而有力驳斥了草酸是主要酸味物质的传统观点。抗氧化能力测定表明，叶柄的抗氧化活性最高，且Mantel检验分析揭示多种有机酸的积累与抗氧化活性及可滴定酸度之间存在显著相关性，表明有机酸积累与抗氧化代谢存在协同调控关系。
结论与讨论
本研究系统地绘制了食用秋海棠组织的代谢图谱，并重建了其有机酸生物合成通路。综合代谢组学表征和UPLC定量分析明确指出，食用组织中叶柄和叶片中柠檬酸、苹果酸、奎宁酸、酒石酸和抗坏血酸的组织特异性高积累，是形成秋海棠独特酸味的关键，而非以往认为的草酸。这一发现纠正了长期以来的认知偏差，为秋海棠的风味品质评价提供了科学依据。
讨论部分进一步阐述了有机酸在食品感官属性、营养和加工中的重要作用，并指出食用秋海棠富含多种初级和次级代谢物，结合其独特的酸味特征，显示出作为特殊风味来源、生物活性物质以及膳食补充剂或功能性食品的巨大潜力。然而，研究也客观指出了产业化面临的挑战，即组织中存在的草酸可能影响钙吸收和增加肾结石风险。虽然其含量低于菠菜等常见蔬菜，但如何通过加工工艺在降低草酸的同时最大限度地保留其有益的有机酸谱和风味，是未来实现秋海棠资源高值化利用需要解决的关键问题。
综上所述，这项研究不仅深刻揭示了食用秋海棠酸味形成的代谢基础，更新了人们对秋海棠风味构成的认知，而且为其进一步的开发利用奠定了坚实的理论基础，对推动野生食用植物资源的可持续利用具有重要意义。
