《LWT》：Ultrasound and trehalose differentially modulate metabolic allocation to improve nutritional quality in mustard (
Brassica juncea) sprouts
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本研究针对如何通过外源诱导手段提升芥菜芽苗营养价值这一关键问题，系统探讨了超声波、海藻糖及其联合处理对芽苗生理代谢和转录调控的影响。研究发现，单一处理（尤其是超声波）能有效促进功能营养素（如硫苷、黄酮）积累，而联合处理则引发代谢权衡，导致抗氧化能力和硫苷含量下降。该研究为开发靶向提升芽苗品质的播种后调控策略提供了新见解。
在追求健康饮食的今天，芽苗菜因其生产周期短、栽培简单且营养价值高而备受青睐，成为流行的功能型蔬菜。其中，芥菜（Brassica juncea）芽苗尤为突出，其富含的硫苷（glucosinolates）含量可达成熟植株的十倍以上。硫苷是富含氮和硫的糖苷，其生物合成过程消耗大量能量。在光合作用受限、代谢重编程迅速的芽苗阶段，硫苷的生物合成很可能与碳、氮、硫等初级代谢产物的分配紧密耦合。如何通过安全有效的手段进一步提升芽苗的营养品质，是当前农业与食品科学领域关注的热点。
物理诱导（如超声波）和化学诱导（如海藻糖）是改善作物品质的两种常用策略。超声波作为一种温和的物理刺激，能促进种子吸胀、加速萌发，并刺激生物活性抗氧化物质（尤其是酚类和黄酮类）的积累。海藻糖则被称为“生命之糖”，作为一种化学诱导剂，已知能增强植物对非生物胁迫的耐受性，并通过信号分子作用调节碳水化合物代谢。然而，将这两种作用机制截然不同的诱导剂结合使用，是会产生协同增效作用，还是可能导致代谢干扰，目前尚不清楚。此外，芽苗对这些诱导剂的响应背后的转录调控基础也知之甚少。
为了解决这些问题，研究人员在《LWT》期刊上发表了题为“Ultrasound and trehalose differentially modulate metabolic allocation to improve nutritional quality in mustard (Brassica juncea) sprouts”的研究论文。该研究系统评估了超声波、海藻糖及其联合处理对芥菜芽苗关键品质相关初级和次级代谢产物的影响，并通过转录组分析阐明了相关的代谢重编程和调控网络。
为开展研究，研究人员采用了几个关键技术方法：以‘川宝11号’芥菜种子为材料，设置对照组、超声波处理组、海藻糖处理组及联合处理组；使用高效液相色谱等技术测定叶绿素、类胡萝卜素、抗坏血酸及硫苷组成含量；采用分光光度法测定可溶性糖、可溶性蛋白、总酚、黄酮含量及铁还原抗氧化能力；对处理10天后的芽苗进行转录组测序，进行差异表达基因、KEGG通路富集及加权基因共表达网络分析。
3.1. 超声波和海藻糖处理对萌发和生长的影响
研究发现，超声波及其联合处理使种子萌发更整齐，但在收获时各处理间芽苗鲜重无显著差异。这表明处理影响了萌发进程和代谢分配，但未改变最终生物量。
3.2. 超声波和海藻糖处理对光合色素的影响
超声波处理略微提高了总叶绿素和类胡萝卜素含量，而海藻糖处理影响不显著。令人意外的是，联合处理显著降低了总叶绿素和类胡萝卜素含量，降幅分别达12.7%和13.4%，暗示联合处理可能对光合机构产生了某种压力。
3.3. 超声波和海藻糖处理对可溶性糖和可溶性蛋白的影响
超声波处理使可溶性糖和可溶性蛋白含量分别增加11.4%和13.0%。海藻糖处理提升效果更明显，使可溶性糖增加19.3%。然而，联合处理对可溶性糖的提升幅度（6.3%）小于单一处理，对可溶性蛋白无显著影响，表明联合处理在促进初级代谢产物积累方面并未产生叠加效应。
3.4. 超声波和海藻糖处理对抗氧化剂及抗氧化能力的影响
在抗氧化物质方面，处理效果呈现差异化：海藻糖处理能提高抗坏血酸含量（3.4%），而超声波和联合处理则使其降低。所有处理均提高了黄酮和总酚含量，其中超声波对黄酮积累的促进效果最强（增加39.0%），而海藻糖对总酚的提升幅度最大（20.2%）。与代谢物变化一致，超声波和海藻糖单一处理均使抗氧化能力（FRAP值）提升约10%，但联合处理下抗氧化能力与对照组无差异。
3.5. 超声波和海藻糖处理对硫苷的影响
这是本研究最关键的发现之一。检测到3种脂肪族硫苷（主要是芥子碱）和4种吲哚族硫苷。超声波和海藻糖单一处理均显著提高了总硫苷含量（分别增加21.0%和10.1%），尤其是主要成分芥子碱。然而，联合处理却导致总硫苷含量降低13.9%，各类硫苷普遍呈下降趋势。这表明联合处理在促进硫苷积累方面产生了拮抗效应。
3.6. 转录组概览及通路富集
转录组分析揭示了处理引起的广泛基因表达变化。三种处理比较共享3650个差异表达基因。KEGG富集分析显示，淀粉和蔗糖代谢、苯丙烷生物合成、类黄酮生物合成和硫苷生物合成是富集程度较高的通路。对共享差异表达基因的聚类分析发现，处理下调的基因富集于类黄酮生物合成、苯丙烷代谢等通路，而上调基因则富集于植物-病原互作、类胡萝卜素生物合成等通路。
3.6.1. 与淀粉和蔗糖代谢相关的DEGs
基因表达分析表明，超声波处理上调了蔗糖合成基因（SPS, SPP）和淀粉降解基因，促进碳源动员。海藻糖处理显著抑制海藻糖-6-磷酸合成酶基因而诱导海藻糖-6-磷酸磷酸酶基因表达，提示海藻糖-6-磷酸信号转导参与调控。联合处理对部分糖代谢基因的诱导更强，反映了维持碳代谢稳态的能量需求增加。
3.6.2. 与抗坏血酸和醛糖酸代谢相关的DEGs
所有处理均下调了抗坏血酸氧化酶和抗坏血酸过氧化物酶基因，这可能有助于维持细胞内抗坏血酸水平，与海藻糖处理下抗坏血酸含量较高的结果一致。
3.6.3. 与苯丙烷代谢相关的DEGs
所有处理均显著下调了上游苯丙烷代谢关键基因和木质素合成分支基因，同时上调了类黄酮合成分支基因。这表明代谢流从木质素合成转向了类黄酮合成，这合理解释了黄酮含量增加的现象。
3.6.4. 与硫苷代谢相关的DEGs
尽管单一处理提高了硫苷含量，但大多数硫苷生物合成基因却显著下调。这种转录水平与代谢物积累的解耦现象，提示芽苗中的硫苷可能主要来源于种子储存库的保留而非新合成，且高硫苷含量可能反馈抑制其生物合成基因。联合处理下硫苷生物合成基因也普遍下调，与观察到的硫苷含量下降相一致。
3.6.5. 与植物激素生物合成和信号转导相关的DEGs
激素通路分析显示，处理引起了协调的激素调整。生长素感知相关基因上调，但生长素响应基因下调，暗示维持感知但限制快速伸长。油菜素内酯信号组分上调，有助于维持基础生长潜力。细胞分裂素和脱落酸通路被激活，可能支持生长维持和抗氧化能力。而与防御相关的乙烯、茉莉酸和水杨酸通路基因则被抑制，表明能量分配从高成本防御转向初级代谢和低成本抗氧化途径。
3.7. 共表达网络分析及关键调控因子鉴定
加权基因共表达网络分析筛选出与超声波处理高度相关的基因模块，并从中鉴定出多个候选转录因子，如ARF32、NAC59、JUB1等。相关性分析显示这些转录因子与多种营养品质指标显著相关，例如ARF32与可溶性蛋白含量呈强正相关，提示它们可能是连接诱导信号与代谢重编程的关键调控节点。
讨论与结论
本研究深入揭示了超声波和海藻糖这两种不同外源诱导剂对芥菜芽苗品质的差异化调控机制。超声波作为一种物理刺激，更有效地促进了萌发，并通过激活碳代谢和重定向苯丙烷代谢流，显著提升了功能营养素（如黄酮和硫苷）的含量。海藻糖则主要通过糖信号途径（如调节T6P-SnRK1轴）影响碳分配，更有效地提升可溶性糖和维持抗坏血酸水平。
然而，当两种诱导剂联合使用时，并未产生预期的协同效应，反而引发了代谢权衡。联合处理导致光合色素减少、抗氧化能力未提升，特别是造成了硫苷含量的显著下降。转录组证据支持了这一现象：联合处理引起了更显著的碳水化合物代谢重编程，可能导致碳硫资源被优先用于维持代谢稳态和氧化还原平衡，而非分配给耗能巨大的防御相关次生代谢物（如硫苷）的生物合成。同时，激素信号分析表明，联合处理下植物可能调整了防御策略，从依赖硫苷的防御转向成本较低的类黄酮抗氧化途径。
综上所述，该研究证实了单一诱导剂，特别是超声波，在靶向改善芥菜芽苗营养品质方面优于联合诱导策略。这些发现为理解外源诱导剂特异性代谢调控提供了新见解，并将有助于制定精准的播种后策略，以生产营养价值更高的芽苗蔬菜。
