《Food Chemistry》：L-phenylalanine induces cutin and wax biosynthesis in muskmelon fruit epidermis via fatty acid and triterpenoid pathways
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果皮蜡层与角质层发育及脂代谢调控机制研究：外源L-苯丙氨酸通过激活脂肪酸合成关键酶（FAT、LACS、FAR等）及上调ABCG转运蛋白和脂转移蛋白（LTP）表达，促进长链脂肪酸（VLCFAs）及其衍生物（羟基脂肪酸、脂肪酸醇、烷烃和三萜类物质）的积累，增强表皮屏障功能，延缓果实采后劣变。
作者：杨莉、谢鹏东、白博涛、王毅、李永才、Dov Prusky、杨碧
中国甘肃省农业大学食品科学与工程学院，兰州730030
摘要
本研究探讨了采前喷施L-苯丙氨酸（L-Phe）对香瓜（Cucumis melo L.）果实角质层发育及相关脂质代谢的影响。在果实生长期间喷施8 mM L-Phe可增加角质层厚度以及羟基脂肪酸、脂肪醇、烷烃和三萜类物质的积累。L-Phe增强了关键酶（FAT、LACS、FAR、SQE、OSC）的活性，并上调了参与脂肪酸延长、羟基化、烷烃和三萜类生物合成的基因表达。此外，它还增加了ATP结合盒（ABCG）转运蛋白和脂质转移蛋白（LTP）的表达，促进了蜡质和角质单体的跨膜运输和沉积。因此，处理过的果实形成了更致密的表皮屏障，果皮完整性得到改善。这些发现表明，外源L-Phe在酶促和转录水平上调节了角质质和蜡质的生物合成，为利用氨基酸处理来增强果实表皮和提高采后贮藏性提供了理论依据。
引言
果实角质层主要由角质质和蜡质组成，是果实与外部环境之间的主要保护屏障。这一特殊结构在限制非气孔水分流失、延缓衰老、增强抗病性以及维持果实发育和贮藏期间的表面光泽和硬度方面发挥着重要作用（Moggia等人，2022；Wang等人，2022；Ziv等人，2018）。研究表明，角质层蜡质主要由极长链脂肪酸（VLCFAs）及其衍生物构成，这些衍生物包括脂肪醇、酮类、醛类、烷烃和三萜类，而角质质主要由羟基脂肪酸及其酯化衍生物组成（Bernard & Joubes，2013；Lara等人，2015）。这些成分的生物合成涉及关键酶，如长链酰基辅酶A合成酶（LACS）、脂肪酸延长酶（FAE）、β-酮酰基辅酶A合成酶（KCS）和脂肪酸酰基辅酶A还原酶（FAR），其细胞外组装依赖于ABCGs和LTPs的跨膜运输（Ichino & Yazaki，2022；Lee & Suh，2015）。因此，调节角质质和蜡质的积累和组成被认为是提高果实品质和采后性能的关键策略。
先前的研究表明，采前施用各种诱导剂可以激活果实的脂肪酸代谢。在收获前喷施壳聚糖寡糖（COS）可以激活香瓜果实的脂肪酸代谢，从而促进膜脂质的合成并增强抗寒性（Han等人，2023）。同样，采前施用甲基茉莉酸（MeJA）通过增强脂肪酸代谢和增加不饱和脂肪酸（如油酸、亚油酸和α-亚麻酸）的水平来减少石榴果实的冷害（García-Pastor等人，2020）。此外，采前施用钙可以通过激活葡萄的脂肪酸代谢来增强角质层蜡质的生物合成和贮藏品质（Zeng等人，2025）。L-苯丙氨酸（L-Phe）已被确定为苯丙素途径的初始底物，并被确定为植物防御反应和多酚生物合成的关键前体（Jiao等人，2018；Li等人，2024）。一些研究表明，外源L-Phe可以增强苯丙素代谢中关键酶的活性，如苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）、肉桂醇脱氢酶（CAD）和查尔酮合成酶（CHS），从而促进酚酸、黄酮类和木质素的积累，从而提高葡萄和香瓜的抗病性（Oosalo等人，2024；Xie等人，2022）。
此外，L-Phe可以激活磷脂酶A2（PLA2），导致不饱和脂肪酸（包括亚油酸和亚麻酸）的释放，这些脂肪酸是脂质代谢和信号传导的重要前体（Xie, Yang, Gong, Li等人，2024）。先前的研究表明，氨基酸代谢可以通过关键代谢中间体（如乙酰辅酶A）或信号分子（如激素前体）来调节脂质合成途径。这为L-Phe在影响角质层发育中的潜在作用提供了代谢基础。由于关于L-Phe是否直接调节果实果皮中的角质质和蜡质生物合成或相关代谢网络的知识有限，我们假设外部施用L-Phe可以通过调节参与脂肪酸合成、延长和运输的途径来增强角质质和蜡质单体的积累，从而改善表皮结构及其屏障功能。
香瓜（Cucumis melo L.）在采后容易发生水分流失，且在贮藏和运输过程中经常出现硬度降低和抗病性减弱的问题。植物角质层是一种多功能屏障，在控制水分流失、抵御病原体和维持采后品质方面起着关键作用。尽管角质质和角质层蜡质的结构成分和生物合成途径已经得到了广泛研究，但其在果实发育过程中的上游调控机制仍不完全清楚。特别是，初级代谢信号如何与脂质代谢途径整合以调节角质层沉积仍不明确。L-苯丙氨酸（L-Phe）是植物代谢中的核心氨基酸，是苯丙素途径的关键前体。除了其经典的代谢作用外，越来越多的证据表明L-Phe可以作为调节多种生理过程的信号分子，包括应激反应、激素信号传导和脂质代谢。我们之前的研究表明，采前喷施L-Phe显著减少了收获后的香瓜重量损失（Xie等人，2022）。此外，现有研究表明，角质层和蜡质在调节植物表皮的机械性能和减轻采后水分流失方面起着关键作用（Heredia等人，2024）。因此，我们认为这些改善可能与果实果皮中角质层和蜡质层的强化密切相关。然而，L-Phe是否以及如何参与角质质和角质层蜡质生物合成的调节仍很大程度上尚未探索。因此，我们假设L-Phe作为一种代谢调节剂，能够协调参与脂肪酸合成、延长和运输的过程。具体来说，我们提出外源L-Phe通过调节与脂肪酸延长、羟基化、三萜类生物合成和脂质运输相关的关键酶步骤和代谢途径来增强角质质和蜡质的沉积。为了验证这一假设，我们通过结合结构观察、生化分析、酶活性测定和基因表达谱分析，研究了采前L-Phe施用对香瓜果实角质层发育的影响。这种方法提供了关于氨基酸介导的代谢调节如何促进表皮屏障形成的机制性见解，并为通过靶向代谢调节来提高果实品质和采后性能提供了概念框架。
部分摘录
果实和化学
香瓜（Cucumis melo 品种Manao）种子购自中国泾源种业有限公司。这些种子在中国甘肃省民勤县寿城镇（38.90565°N, 103.60719°E，海拔1342米）的露天田中种植，连续两个生长季节（2023年和2024年）进行种植。田间管理遵循了香瓜生产的标准化本地商业实践，包括均匀的种植密度、滴灌和常规施肥。病虫害控制
采前L-Phe喷施可增加果实发育过程中的角质层和蜡质厚度
构成果实表皮的角质层和蜡质层是防止水分流失和病原体入侵的重要屏障。L-Phe处理组和对照组在果实发育过程中都表现出层厚度的逐渐增加；然而，L-Phe喷施在所有时间点上都显著增强了这种积累。喷施后第12天，处理组的角质层和蜡质层厚度分别比对照组增加了15.35%和15.83%（图1）
L-Phe促进角质层和蜡质形成的脂肪酸衍生物的生物合成
脂肪酸是角质层和角质层蜡质形成的基本前体。它们的生物合成主要依赖于质体中的从头合成，随后在内质网中进行延长和修饰（Bernard & Joubes，2013）。长链脂肪酸（C16-C18）以游离脂肪酸的形式释放，然后通过LACS被激活为脂肪酸酰基辅酶A。这些中间体通过脂肪酸延长复合体被延长为VLCFAs，其中KCS起着重要作用
结论
本研究表明，采前施用L-Phe是香瓜果实角质层发育的有效代谢调节剂。L-Phe不仅作为代谢前体发挥作用，还似乎协调了参与角质层和蜡质形成的多种生物合成和运输途径，从而形成了结构更加坚固的表皮屏障。研究结果表明，L-Phe促进了包括脂肪酸延长、羟基化在内的综合代谢响应
作者贡献声明
杨莉：撰写 – 原稿撰写、方法学设计、实验实施、数据整理。谢鹏东：数据验证、方法学设计、实验实施。白博涛：软件使用、数据整理。王毅：资源获取。李永才：数据验证。Dov Prusky：概念构思。杨碧：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金争取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金-以色列国际合作专项基金（项目编号31861143046）的支持。
