《Journal of Future Foods》：Integrative Transcriptomic and Metabolomic Analyses Reveal the Molecular Mechanisms Underlying Fruit Quality Formation in Watermelon
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本研究针对西瓜果实发育与采后软化过程中质地与风味形成机制不明确的问题，通过整合转录组和代谢组学分析，系统揭示了西瓜果实成熟与衰老过程中糖酸代谢和质地变化的动态规律，并利用WGCNA构建了关键基因共表达网络，鉴定出ERF113、TCP2、NAC29等一批调控果实品质的关键转录因子，为西瓜风味品质改良提供了重要理论依据和候选基因资源。
西瓜作为全球广泛栽培的重要瓜果作物，其果实风味品质和贮藏性能直接影响消费者体验与产业效益。然而，果实成熟与采后衰老过程中质地软化与糖酸代谢的协同调控机制尚未系统阐明，制约了品质定向改良育种进程。为此，研究人员以小型西瓜品种‘京彩1号’为材料，在7个发育与采后阶段进行取样，整合转录组和代谢组分析，结合加权基因共表达网络分析(WGCNA)深入解析了西瓜果实品质形成的分子基础。
研究发现，果实硬度随成熟进程持续下降，而蔗糖含量稳步上升；可溶性固形物、果糖、葡萄糖及柠檬酸、苹果酸等有机酸含量呈先升后降趋势。转录组分析鉴定出多个与质地修饰相关的基因，如果胶甲酯酶(PMEs)、多聚半乳糖醛酸酶(PGs)和纤维素合酶(CESAs)。糖代谢相关基因包括蔗糖磷酸合酶(SPS1)、β-淀粉酶(BAM8)和蔗糖合酶(SUS5)；有机酸代谢相关基因包括苹果酸酶(ME1)、苹果酸脱氢酶(MDH3)和琥珀酸脱氢酶(SDH1-1)。WGCNA进一步预测了与果实硬度相关的候选转录因子ERF113、TCP2和NAC29；与糖代谢相关的bHLHs、MYBs(MYB106和MYB54)、RF2b-like、ERF071和WRKY75；以及与有机酸代谢相关的ERF105、MYBs(MYB32和MYB86)、WRKY22和GATA15。该研究构建了西瓜果实品质形成的转录调控网络框架，为分子育种改良果实质地和风味提供了宝贵候选基因。相关研究成果发表在《Journal of Future Foods》。
研究人员采用的主要技术方法包括：利用质地分析仪和手持糖度计测定果实硬度和可溶性固形物；通过液相色谱(LC)定量糖酸组分；基于UPLC-MS/MS的非靶向代谢组学分析；转录组测序(RNA-seq)及差异表达基因筛选；以及加权基因共表达网络分析(WGCNA)挖掘与性状关联的模块和枢纽基因。样本来源于北京延庆西瓜基地栽培的‘京彩1号’西瓜，覆盖10、15、20、25、30天授粉后(DPA)及采后6、12天(DPH)共7个时间点。
3.1. 表型与品质变化
西瓜果肉硬度在发育期持续下降，采后衰老期先短暂升高后降低。可溶性固形物含量(SSC)在25 DPA达到峰值后趋于稳定。果糖和葡萄糖含量在20 DPA最高，蔗糖则在采后期(12 DPH)积累至顶峰。苹果酸和柠檬酸是主要有机酸，苹果酸在25 DPA最高，柠檬酸在6 DPH达到峰值。
3.2. 代谢组学分析
共鉴定751种代谢物，氨基酸、有机酸和糖醇类在15-25 DPA积累显著。差异累积代谢物(DAMs)聚类显示，氨基酸、有机酸和脂质在成熟期变化显著。KEGG富集显示ABC转运蛋白、苯丙烷生物合成等通路显著富集。
3.3. 转录组学分析
PCA显示不同发育阶段样本明显分离。差异表达基因(DEGs)分析发现，成熟期(如10 DPA vs 15 DPA)差异基因数量最多。KEGG富集到植物激素信号转导、光合作用-天线蛋白等通路。
3.4. 糖酸代谢调控
共鉴定23个糖代谢基因和31个有机酸代谢基因。SPS1表达与蔗糖含量显著正相关(r=0.90)；INVA、SUS5与蔗糖负相关。MDH3表达与柠檬酸和苹果酸含量正相关。WGCNA筛选出与糖酸代谢密切相关的模块(如黑色模块与苹果酸、富马酸相关)，并预测了bHLH、MYB、WRKY等转录因子作为潜在调控因子。
3.5. 质地调控基因分析
鉴定出31个质地相关基因，包括PME、PG、PL、BGAL和CESA家族成员。多数PME基因(PME68、PME3等)在25 DPA表达最高。CESA3、CEGR2等在衰老期仍高表达，可能与细胞壁重塑有关。共表达网络提示ERF113、TCP2、NAC29等转录因子可能协同调控质地相关基因表达。
研究结论表明，西瓜果实品质形成受多基因网络协同调控。关键结构基因(如SPS1、MDH3、PMEs)和转录因子(如bHLH、MYB、NAC)通过调控糖酸代谢和细胞壁修饰共同影响果实风味与质地。该研究系统揭示了品质形成的动态规律和分子基础，为品质改良育种提供了新靶点和理论模型。讨论部分指出，研究虽未直接测定细胞壁组分，但转录模式与已知软化机制一致；未来需通过功能验证(如VIGS、转基因)明确候选基因的调控功能。成果对提升西瓜食用品质和贮藏性具有重要科学价值。
