整合多组学分析揭示了红毛丹（Nephelium lappaceum L.）品种风味差异的分子和生化基础

《Food Bioscience》：Integrated Multi-Omics Analysis Reveals Molecular and Biochemical Basis of Flavor Variation in Rambutan ( Nephelium lappaceum L.) Cultivars

山竹五个品种在商业成熟期通过生化、代谢组学和转录组学分析，揭示了糖、有机酸及氨基酸代谢差异，发现bHLH、ERF、MYB-related和NAC等转录因子调控代谢通路，关联风味形成机制。

　　

穆罕默德·莫比恩·塔希尔（Muhammad Mobeen Tahir）| 张亚文（Yawen Zhang）| 冯中瑞（Zhongrui Weng）| 杨成坤（Chengkun Yang）| 周凯兵（Kaibing Zhou）| 钱敏杰（Minjie Qian）| 吴洪霞（Hongxia Wu）

中国海南省海口市海南大学热带农林学院热带园艺作物品质调控重点实验室及三亚繁殖与扩繁研究所，邮编570228

摘要

红毛丹（Nephelium lappaceum L.）品种具有独特的风味特征，但这些差异背后的分子机制尚不明确。为了解决这一问题，我们采用了生化分析、广谱代谢组学和转录组学方法，对五个商业成熟期的红毛丹品种（BY-2、BY-4、BY-5、BY-6和BY-7）进行了综合研究。生化检测结果显示，总可溶性固形物（TSS）、总有机酸（TOA）和糖酸比存在显著差异：BY-7的甜度最高，BY-4的TOA含量最高，而BY-2的风味最为均衡。广谱代谢组学分析发现了13类主要代谢物，这些代谢物在各个品种中的积累模式存在差异，尤其是在黄酮类、氨基酸及其衍生物和酚酸方面。Pairwise比较发现了433–554种差异积累的代谢物（DAMs），KEGG基因组百科全书（KEGG）富集分析表明，黄酮类、苯丙素类、氨基酸、脂质和激素代谢是区分这些品种的关键途径。RNA测序共检测到1,871–3,352个差异表达基因（DEGs），KEGG通路富集分析显示，植物-病原体相互作用、淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导、苯丙素类生物合成等途径存在显著差异。值得注意的是，包括bHLH、ERF、MYB相关家族和NAC家族在内的转录因子（TFs）在调控中起核心作用。综合分析进一步表明，基因表达与代谢物积累之间存在强相关性，说明黄酮类生物合成、碳水化合物代谢和氨基酸代谢途径受到协同调控。总体而言，本研究从多组学角度全面揭示了红毛丹果实品质的分子和生化决定因素，为品种改良和定向育种提供了宝贵见解。

引言

红毛丹（Nephelium lappaceum L.）是无患子科（Sapindaceae）的一种热门热带水果，与荔枝（Litchi chinensis）和龙眼（Dimocarpus longan）有密切亲缘关系（Wall, 2006）。它原产于马来西亚西部和印度尼西亚苏门答腊岛，因其独特的外观和清爽的酸甜风味而在西南亚广泛种植。红毛丹于20世纪60年代初引入中国，此后培育出了多个适应当地环境的品种。目前，红毛丹主要在中国海南省的保亭、琼中和三亚等地种植，已成为支撑当地农业产业的重要水果作物（Wang等人，2024年）。 红毛丹果实由38.6–70.8%的果皮、19.1–45.9%的果肉和8.3–20.3%的种子组成（Chai等人，2018年）。其果皮上布满细小的毛状突起，颜色从黄色到红色不等（O'hare，1995年）。可食用的果肉富含糖分、维生素C、酚类化合物和多种生物活性物质，这些成分赋予了红毛丹美味的口感和营养价值（Palanisamy等人，2008年；Li等人，2018年；Phuong等人，2020年；Rozana和Sunardi，2021年）。红毛丹通常鲜食，也可加工成果汁、果酱和果冻等增值产品。 先前的生化研究表明，红毛丹果肉中的糖分主要以蔗糖（5.38–10.01%）、果糖（1.75–3.18%）和葡萄糖（1.72–2.43%）为主，柠檬酸是决定酸度和风味平衡的主要有机酸（Lee等人，2013年；Chai等人，2018年）。此外还检测到了其他有机酸（如酒石酸、苹果酸、琥珀酸和乳酸）以及氨基酸（如丙氨酸（Ala）和γ-氨基丁酸（GABA）（Lee等人，2013年）。由于红毛丹属于非成熟果实类型，其风味和质地高度依赖于采收时的成熟度（O'hare，1995年）。因此，对商业成熟期不同品种中的风味相关代谢物进行系统比较对于培育优质品种至关重要。然而，整合糖分、有机酸、氨基酸和次级代谢物的多品种比较研究仍较为有限。 广谱代谢组学作为一种强大的方法，结合了超高效液相色谱-串联质谱（UPLC–MS/MS）和多元统计分析技术（Maurer和Muddiman，2012年；Zhou等人，2019年；Yang等人，2021年），可用于分析水果的营养和风味代谢物。糖类、有机酸和氨基酸等初级代谢物是果实风味的关键决定因素，但其积累受到转录网络的严格调控。近期代谢组学研究开始探索红毛丹风味形成的生化调控机制。例如，3,4-二 galloylshikimic酸被确定为黄色品种‘Baoyan No.2’（BY-2）中酸度和糖酸比负相关的关键代谢物（Deng等人，2023b）。通过BY-2和BY-7的成熟期代谢组学比较，发现GABA以及几种氨基酸（甲硫氨酸、丙氨酸和S-甲基-L-半胱氨酸）与糖酸比相关，对果实营养品质有重要影响（Deng等人，2023a）。然而，这些研究仅限于一两个品种，未探讨代谢物变异和风味差异背后的转录调控机制。 RNA测序（RNA-seq）技术能够提供全基因组的转录调控信息，有助于识别控制代谢物积累和风味形成的关键结构基因、转录因子（TFs）和调控网络。类似的多组学方法已成功应用于番茄（Bai等人，2023年）、苹果（Xu等人，2023年）和Pyrus hopeiensis（Li等人，2023年）等作物中花青素和黄酮类生物合成的分子调控机制。尽管红毛丹具有重要的经济和营养价值，但在商业成熟期（即消费者最关注的阶段）进行的多品种多组学比较仍较为缺乏，导致风味、甜度和酸度差异的分子基础尚不明确。 因此，本研究旨在：（1）评估五个红毛丹品种（BY-2、BY-4、BY-5、BY-6和BY-7）在商业成熟期的形态和生化多样性；（2）利用广谱代谢组学方法识别与品种间风味差异相关的关键代谢物和代谢途径；（3）通过RNA-seq分析糖类、有机酸和氨基酸代谢相关的转录重编程和关键转录因子；（4）整合代谢组学和转录组学数据，揭示风味和品质差异的分子机制。这些发现为红毛丹风味多样性的遗传和生化基础提供了新的见解，并为培育具有优良风味和消费者吸引力的品种奠定了分子基础。

植物材料与采样

来自中国海南省保亭市保亭热带作物研究所商业果园中种植的8年生红毛丹品种（BY-2、BY-4、BY-5、BY-6和BY-7）的成熟果实。每个品种从5株树上随机采集果实，每品种至少采集60个果实。采集的果实分为3个生物学重复样本，每个样本包含20个果实。

样品制备与理化分析

在田间，测定了总可溶性固形物（TSS）等参数。

红毛丹品种间的形态和生化差异

五个品种的成熟果肉均为半透明白色至奶油色，其中BY-2、BY-5、BY-6和BY-7呈圆形，而BY-4则细长（图1A）。尽管外观相似，生化分析显示了显著差异：BY-7的TSS最高（22.5 g·Kg^-1 FW），其次是BY-5、BY-4和BY-2，BY-6的TSS最低（18.3 g·Kg^-1 FW）。相反，BY-4的TOA含量最高，其次是BY-5、BY-7和BY-6，BY-2的TOA含量最低。

红毛丹风味背后的生化多样性

本研究首次对五个商业成熟期的红毛丹品种进行了全面的多组学比较，尽管外观相似，但生化成分存在显著差异。TSS、TOA和糖酸比的差异表明糖类和酸类代谢受到协同调控，从而影响风味（Chen等人，2009年；Ma等人，2015年；Aubert等人，2019年）。这些差异凸显了糖类和酸类代谢的协调调控作用。

结论

本研究首次对成熟红毛丹果实进行了综合代谢组学和转录组学分析，揭示了品种间代谢组成、基因表达和风味特征的显著差异。糖酸平衡的差异与碳水化合物和有机酸代谢的差异调控密切相关，这解释了BY-7的高甜度、BY-4的明显酸度以及BY-2的均衡风味。这些差异表明...

CRediT作者贡献声明

冯中瑞（Zhongrui Weng）： 软件支持。 杨成坤（Chengkun Yang）： 软件支持。 周凯兵（Kaibing Zhou）： 形式数据分析。 穆罕默德·莫比恩·塔希尔（Muhammad Mobeen Tahir）： 原稿撰写、软件应用、方法学设计。 张亚文（Yawen Zhang）： 原稿撰写、软件应用、方法学设计。 钱敏杰（Minjie Qian）： 原稿撰写、审稿与编辑、项目监督、资金申请。 吴洪霞（Hongxia Wu）： 原稿撰写、审稿与编辑、资源协调、资金申请。

未引用参考文献

Ma等人，2015年。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFD2300801）、保亭市科学技术项目基金（项目编号：BTZDYF2023003）、海南省热带园艺作物品质调控重点实验室开放基金（项目编号：HNZDSYS(2025)-02）以及海南大学的红毛丹研究系统专项基金（项目编号：THAITS-6）的支持。