《Journal of Future Foods》：Integrated metabolome and transcriptome analysis of the molecular mechanisms underlying fruit flavor formation during ripening of
Pyrus pyrifolia
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本研究针对沙梨果实成熟过程中风味物质形成的分子机制尚不明确的问题，通过整合代谢组和转录组学技术，对‘沪晶梨18号’和‘沪晶梨67号’姐妹系品种的果实成熟过程进行了系统分析。研究揭示了乙烯合成增强、蔗糖积累与可溶性酸性转化酶（SAI）基因下调、TCA循环和氨基酸代谢动态变化是风味形成的关键，尤其发现天冬氨酸氨基转移酶（AST）上调促进L-谷氨酸和L-丙氨酸合成以增强鲜味。该研究为梨果实品质调控和育种策略提供了重要理论依据。
当我们品尝一颗汁水充盈、香甜可口的梨时，是否曾想过这美妙的风味是如何形成的？果实成熟是一个复杂而精妙的生物学过程，伴随着色泽、质地、香气和味道的剧烈变化。对于沙梨（Pyrus pyrifolia）这类重要的经济果树而言，其风味品质直接决定了市场价值和消费者接受度。然而，尽管我们知道糖分积累、有机酸变化以及氨基酸含量共同构成了果实的基本味觉轮廓，但驱动这些变化的深层分子机制，特别是哪些特定的代谢物和基因在幕后扮演着关键角色，长期以来仍是科研人员试图揭开的谜团。理解这些机制，对于通过分子育种手段精准改良果实品质、培育更优良的品种具有至关重要的意义。
为了深入探究沙梨果实风味形成的奥秘，一项题为《Integrated metabolome and transcriptome analysis of the molecular mechanisms underlying fruit flavor formation during ripening of Pyrus pyrifolia》的研究发表在《Journal of Future Foods》上。该研究巧妙地选取了一对遗传背景高度相似的姐妹系品种——‘沪晶梨18号’（Hujingli18）和‘沪晶梨67号’（Hujingli67）作为研究对象。这两个品种成熟期略有差异（‘沪晶梨18号’于开花后105天成熟，而‘沪晶梨67号’约在开花后120天成熟），这为比较不同成熟度下的分子事件提供了绝佳模型。研究人员在果实发育的两个关键时期（开花后75天和105天）分别取样，综合运用代谢组学和转录组学这两大前沿技术，系统地描绘了果实成熟过程中的代谢物动态变化和基因表达谱，并将两者进行关联分析，从而构建起从基因到代谢表型的调控网络。
为了开展这项研究，研究人员主要依赖于几个关键的技术方法。首先是样本的精心设计，他们选取了遗传背景相似的‘沪晶梨18号’和‘沪晶梨67号’在开花后75天和105天两个发育阶段的果实进行采样。核心技术包括：1）基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的非靶向代谢组学分析，用于广泛鉴定和定量果实中的代谢物；2）基于Illumina NovaSeq6000平台的RNA测序（RNA-seq）技术，用于全面分析基因表达水平；3）高效液相色谱（HPLC）技术，用于精确测定蔗糖、果糖、葡萄糖和山梨醇四种关键糖分的含量。数据分析方面，运用了差异表达基因（DEGs）和差异表达代谢物（DEMs）筛选、KEGG通路富集分析以及基因-代谢物相关性网络构建等生物信息学方法。
3.1. ‘沪晶梨18号’和‘沪晶梨67号’果实的代谢组分析
研究首先对两个品种在不同发育阶段的果实进行了代谢物检测。结果共注释到3422种代谢物。通过主成分分析（PCA）和相关性分析证实了生物学重复间的高度一致性。差异表达代谢物（DEMs）分析显示，同一品种内不同发育阶段（75天 vs 105天）的代谢物差异远大于同一时期不同品种间的差异，表明成熟过程是驱动代谢物变化的主要因素。K-均值聚类将DEMs分为9个亚簇，揭示了代谢物在成熟过程中或递增或递减的动态模式。这些DEMs主要富集在次级代谢物生物合成、氨基酸代谢、辅因子/维生素代谢以及碳水化合物代谢等通路。
3.2. 果实成熟过程中的主要差异代谢物
深入分析发现，在果实成熟过程中，有1602种代谢物是‘沪晶梨18号’和‘沪晶梨67号’共有的差异化合物。其中627种含量上升，975种含量下降。上升的化合物包括与多酮代谢相关的N-阿魏酰-3-甲氧基酪胺和金霉酮，以及多种激素相关中间体，如细胞分裂素（顺式玉米素核苷、反式玉米素）、赤霉素A20和A36、脱落酸D-吡喃葡萄糖苷酯和茉莉酸等。糖和酸相关代谢物如D-果糖-1-磷酸、L-苹果酸、柠檬酸等含量增加。值得注意的是，乙烯合成的关键组分S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine, SAM）的含量在成熟过程中下降。糖含量测定进一步揭示，蔗糖含量在成熟期显著增加数倍，而‘沪晶梨18号’的蔗糖和果糖含量高于‘沪晶梨67号’。
3.3. ‘沪晶梨18号’和‘沪晶梨67号’果实的转录组分析
转录组测序产生了高质量的数据，与沙梨参考基因组（‘翠冠’）的比对效率高。差异表达基因（DEGs）分析表明，在‘沪晶梨18号’和‘沪晶梨67号’各自成熟前后（75天 vs 105天）分别鉴定出5415和3849个DEGs。两个品种在成熟度相近时（105天）的基因表达差异更大（4281个DEGs），而在未成熟时（75天）差异较小（2058个DEGs）。共有832个基因上调，1370个基因下调，这些共同变化的基因很可能核心调控果实成熟。
3.4. 果实成熟过程中代谢组与转录组的整合分析
KEGG通路富集分析显示，半胱氨酸和甲硫氨酸代谢、植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢、碳代谢、萜类骨架生物合成等通路在果实成熟中显著富集。
3.4.1. 果实成熟中的植物激素合成
研究重点解析了激素相关通路。在乙烯生物合成通路中，尽管前体S-腺苷甲硫氨酸（SAM）含量下降，但三个1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶（ACS）基因均显著上调，表明SAM向ACC的转化是沙梨乙烯合成的关键步骤。S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS）和1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶（ACO）基因家族成员表达有升有降。在脱落酸（ABA）代谢中，（+）-脱落酸含量增加，AAO3基因上调而CYP707A（ABA 8’-羟化酶）基因下调，共同促进了ABA的积累。细胞分裂素（iP和tZ）含量增加，但其合成相关基因（如LOG8, IPT）下调，而降解基因（CKX, UGT）上调，表明其代谢调控复杂。
3.4.2. TCA循环和氨基酸生物合成
三羧酸（TCA）循环和氨基酸生物合成对风味形成至关重要。分析发现，苹果酸、柠檬酸、异柠檬酸和琥珀酸等有机酸含量在成熟期增加，而乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）含量下降。与之对应，柠檬酸合酶（CS）、苹果酸脱氢酶（MDH）、琥珀酸脱氢酶（SDH）、异柠檬酸脱氢酶（IDH）和延胡索酸水合酶（FH）等相关基因大多上调。同时，L-谷氨酸（L-glutamate）、L-丙氨酸（L-alanine）等六种氨基酸含量显著增加。L-谷氨酸（鲜味）和L-丙氨酸（甜味）的积累与天冬氨酸氨基转移酶（AST）和丙氨酸转氨酶（ALT）的上调表达相关，为果实鲜味和甜味的形成提供了代谢基础。
3.4.3. 糖的代谢与转化
在淀粉和蔗糖代谢通路中，鉴定到10个DEMs和88个DEGs。蔗糖的积累与三个蔗糖磷酸合成酶（SPS）基因的上调以及三个可溶性酸性转化酶（SAI）基因的下调密切相关。山梨醇的积累则与山梨醇-6-磷酸脱氢酶（S6PDH）的上调和山梨醇脱氢酶（SDH）的下调有关。此外，大多数糖转运相关基因（如SWEET、糖转运蛋白等）在成熟期下调，表明糖分的长途运输减弱，而库强（积累能力）增强。
3.4.4. 转录因子的差异表达
研究还发现78个转录因子在成熟过程中差异表达，其中14个上调，64个下调。上调的包括HY5、NAC、MYB家族成员，下调的包括bHLH、WRKY等。相关性分析显示，一些转录因子（如NAC56）与下游糖代谢基因（如S6PDH、HK）表达高度正相关，提示它们可能调控这些基因的表达，进而影响糖分积累。
3.5. 不同成熟期品种间比较
在开花后105天比较两个品种（‘沪晶梨18号’已成熟，‘沪晶梨67号’接近成熟），发现大量DEMs和DEGs。在‘沪晶梨18号’中，一些黄酮类化合物、激素相关物质（如二氢玉米素核苷、S-腺苷甲硫氨酸、（+）-脱落酸）含量更高，且多个乙烯合成（ACS, ACO）和信号转导（ERF1A, ABR1）相关基因上调，蔗糖代谢（SUS, SPS）和转运（ERD6）基因也更活跃，反映了其更早进入成熟状态。
4. 讨论与结论
本研究通过多组学整合分析，深入揭示了沙梨果实成熟期风味形成的复杂分子网络。尽管沙梨属于非跃变型果实，但研究结果表明乙烯合成在其成熟过程中显著增强，ACS基因的上调是关键事件。同时，乙烯与脱落酸、细胞分裂素等其他激素协同作用，共同调控成熟进程。在风味物质形成方面，TCA循环的增强导致了有机酸的积累，而与之衔接的氨基酸生物合成通路的上调，特别是AST和ALT基因推动的L-谷氨酸和L-丙氨酸合成，直接贡献了果实的鲜味和甜味。蔗糖的显著积累则主要由SPS基因的上调和SAI基因的下调所驱动。此外，多个转录因子被鉴定为潜在的调控节点。
综上所述，该研究系统地阐明了沙梨果实成熟过程中风味品质形成的代谢基础和转录调控机制，鉴定出多个关键代谢物、基因和通路。这些发现不仅增进了对梨果实发育生物学的理解，而且为未来通过基因编辑或分子标记辅助选择等育种手段，定向改良梨果实的风味、营养和贮藏品质提供了宝贵的候选基因和理论依据，对梨产业的高质量发展具有重要的指导意义。
