藏红花中的类胡萝卜素谱分析：不同生长阶段的组织特异性变化

石竹科植物（Crocus sativus）花药中合成的 апокаротениды（如crocetin、crocins、picrocrocin）通过液相色谱-高分辨质谱（LC-HRMS）分析发现其动态分配和化学修饰贯穿三个关键发育阶段（11月开花、3月球茎膨大、4月叶片衰老），并支持母球茎生长和地下器官储存。组织特异性分析显示花药中 апокаротениды 高度富集，随后转移至子房、茎和根，并通过糖基化等化学修饰稳定，可能参与植物防御和能量储存。

　　

帕布罗·纳瓦罗-西马罗（Pablo Navarro-Simarro）|埃莱娜·莫雷诺·希门尼斯（Elena Moreno Giménez）|莎拉·弗鲁斯坎特（Sarah Frusciante）|阿尔贝托·何塞·洛佩斯-希门尼斯（Alberto José López-Jiménez）|伊琳娜·阿伦萨纳-拉米拉（Irene Arenzana-Rámila）|哈维尔·阿甘多尼亚·皮卡索（Javier Argando?a Picazo）|詹弗兰科·迪雷托（Gianfranco Diretto）|卢尔德斯·戈麦斯-戈麦斯（Lourdes Gómez-Gómez）|乌萨马·阿赫拉泽姆（Oussama Ahrazem）|安赫拉·鲁比奥-莫拉加（ángela Rubio-Moraga）

卡斯蒂利亚-拉曼查大学植物研究所（Instituto Botánico de la Universidad de Castilla-La Mancha），阿尔巴塞特校区（Campus Universitario s/n），02071，西班牙

摘要

类胡萝卜素如克罗塞汀（crocetin）、克罗辛（crocins）和皮克罗克罗辛（picrocrocin）是藏红花（Crocus sativus L.）柱头中产生的关键代谢物，赋予了藏红花独特的感官特性，并参与了生态相互作用。虽然它们在开花期间在柱头中的合成过程已经得到充分研究，但它们在藏红花生命周期中在不同组织中的重新分布和持久性仍不明确。本研究采用基于LC-HRMS的代谢组学分析方法，探讨了这些类胡萝卜素在三种关键发育阶段（11月：开花和柱头衰老；3月：块茎增大且叶片绿色；4月：叶片衰老及块茎利用母体储备）在多个组织（柱头、子房、花梗、块茎和两种类型的根）中的时间和空间动态变化。总体而言，分析结果显示了明显的组织特异性。具体来说，柱头在开花期间积累了最丰富的克罗辛衍生物；子房在春季成为主要的代谢物储存库；根组织在4月克罗辛6-8和克罗塞汀-脂质结合物的含量显著增加，这与叶片衰老同时发生。主成分分析（PCA）和热图分析证实了11月柱头样本与春季子房/根样本之间的明显差异，反映了类胡萝卜素代谢的动态重组。此外，顺式-克罗辛3以糖基化形式仅在新块茎中出现，表明其在块茎发育过程中经历了新的稳定化过程。相关性分析进一步揭示了四个主要的代谢物群，区分了克罗辛衍生物和多种皮克罗克罗辛相关代谢物，并突出了HTTC异构体与其糖基化产物之间的特异性关系。这些结果表明，柱头中合成的类胡萝卜素在开花后不会被降解，而是重新分布并发生化学修饰，以支持地下组织的生长、储存及可能的保护功能。

引言

藏红花（Crocus sativus）的柱头会产生多种次生代谢物，其中一些因其药用价值而受到特别关注（Marrone等人，2024年；Martínez Fajardo等人，2025年）。这些代谢物大多来自异戊二烯途径，如单萜类和类胡萝卜素。它们赋予了藏红花独特的颜色、风味和香气。在C. sativus的柱头发育过程中，主要积累的代谢物是类胡萝卜素，如皮克罗克罗辛（picrocrocin）、克罗塞汀（crocetin）及其葡萄糖苷衍生物克罗辛（crocins），这些物质的含量在柱头完全成熟时达到峰值（Moraga等人，2009年）。类胡萝卜素对植物的多种生物过程至关重要，例如应激反应、生长和发育的调控以及与环境之间的相互作用（Al-Babili和Bouwmeester，2015年；Walter和Strack，2011年）。类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCDs）作用于类胡萝卜素，生成类胡萝卜素，这些产物可以是挥发性有机化合物（VOCs）或非挥发性分子。在藏红花中，质体酶CCD2（Ahrazem等人，2016年；Frusciante等人，2014年）在7,8和7′,8′双键处裂解玉米黄质，产生两种挥发性分子6,6-三甲基-4-羟基-1-羧醛-1-环己烯（HTCC），后者经糖基化生成皮克罗克罗辛（Diretto等人，2019年；Moraga等人，2004年），其含量在开花期达到峰值。同时，还会生成克罗塞汀二醛，进而合成克罗塞汀及其糖基化形式（Demurtas等人，2018年；Moraga等人，2004年），这些物质在柱头早期阶段即可检测到。此外，顺式-克罗辛3以糖基化形式仅在新块茎中出现，表明其在块茎发育过程中经历了新的稳定化过程。相关性分析进一步揭示了四个主要的代谢物群，区分了克罗辛衍生物和多种皮克罗克罗辛相关代谢物，并突出了HTTC异构体与其糖基化产物之间的特异性关系。这些结果共同表明，柱头中合成的类胡萝卜素在开花后不会被降解，而是重新分布并发生化学修饰，以支持地下组织的生长、储存及可能的保护功能。

介绍

藏红花（Crocus sativus）的柱头产生的多种次生代谢物因其药用价值而备受关注（Marrone等人，2024年；Martínez Fajardo等人，2025年）。其中大部分来自异戊二烯途径，如单萜类和类胡萝卜素。这些代谢物赋予了藏红花独特的颜色、风味和香气。在C. sativus的柱头发育过程中，主要积累的代谢物是类胡萝卜素，如皮克罗克罗辛（picrocrocin）、克罗塞汀（crocetin）及其葡萄糖苷衍生物克罗辛（crocins），这些物质的含量在柱头完全成熟时达到峰值（Moraga等人，2009年）。类胡萝卜素对植物的多种生物过程至关重要，例如应激响应、生长和发育的调控以及与环境之间的相互作用（Al-Babili和Bouwmeester，2015年；Walter和Strack，2011年）。类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCDs）作用于类胡萝卜素，生成类胡萝卜素，这些产物可以是挥发性有机化合物（VOCs）或非挥发性分子。在藏红花中，质体酶CCD2（Ahrazem等人，2016年；Frusciante等人，2014年）在7,8和7′,8′双键处裂解玉米黄质，产生两种挥发性分子6,6-三甲基-4-羟基-1-羧醛-1-环己烯（HTCC），后者经糖基化生成皮克罗克罗辛（Diretto等人，2019年；Moraga等人，2004年），其含量在开花期达到峰值。同时，还会生成克罗塞汀二醛，进而合成克罗塞汀及其糖基化形式（Demurtas等人，2018年；Moraga等人，2004年），这些物质在柱头早期阶段即可检测到。此外，在柱头发育过程中，还会生成其他挥发性类胡萝卜素，如β-环辛醛（β-cyclocitral）和β-离子酮（β-ionone）。这些化合物在不同发育阶段的积累量不同，其中β-环辛醛在红色柱头中占主导地位，而离子酮在柱头成熟时含量增加（Moraga等人，2009年，2004年）。

克罗塞汀的糖基化作用由CsUGT2和UGT91P3完成，这两种酶均为柱头特异性葡萄糖转移酶。CsUGT2（UGT74AD1）催化克罗塞汀的初始糖基化，生成含有一个或两个葡萄糖残基的克罗辛衍生物。该基因主要在完全成熟的柱头中表达，其酶活性已在体外得到验证，表现出对克罗塞汀及其衍生物的特异性（Ahrazem等人，2022年；Demurtas等人，2018年；López-jimenez等人，2021年）。UGT91P3负责最终的糖基化步骤，添加额外的葡萄糖单元，生成高度糖基化的克罗辛衍生物（含有四个或五个葡萄糖残基）。UGT91P3也具有柱头特异性表达，其活性已通过酶活性检测和与UGT74AD1的共表达得到验证（López-jimenez等人，2021年）。这两个基因在柱头中的表达具有高度特异性，表明它们在藏红花中类胡萝卜素生物合成中起着核心作用（Ahrazem等人，2015年；Gómez-Gómez等人，2017年；López-jimenez等人，2021年）。

对UGT709G1的生化分析显示其具有较高的HTCC催化效率，使其适合生成皮克罗克罗辛（picrocrocin），后者是藏红花醇（safranal）的前体。该酶在柱头中表达显著，尤其是在早期发育阶段（Diretto等人，2019年）。除了皮克罗克罗辛外，还在柱头中发现了多种皮克罗克罗辛衍生物，包括三种皮克罗克罗辛-龙胆糖异构体以及皮克罗克罗辛衍生的龙胆糖-2-甲基-6-氧代-2E,4E-庚二烯酸酯。此前，所有这些化合物均被认为是皮克罗克罗辛代谢的产物，但其生成的具体酶促或自发机制尚不清楚（D’Archivio和Maggi，2017年；Moras等人，2018年）。

在未受精的情况下，花朵会进入衰老程序，这是花朵发育的最终阶段，导致整个花朵枯萎。在此过程中，代谢活跃的组织被清除，克罗辛从衰老的柱头转移到子房和发育中的块茎（Rubio-Moraga等人，2010年）。此时，由于其前体的脱糖基化作用，克罗辛在新块茎中积累（Rubio-Moraga等人，2010年）。这一过程避免了代谢物的损失，表明克罗辛在块茎发育的早期和活跃阶段被代谢。然而，关于这些主要在柱头中产生的类胡萝卜素在藏红花发育周期中如何转移到其他器官的信息很少。在整个地中海地区，藏红花花期通常在秋季，子房基部开始形成子块茎。在干燥季节（4月至5月），叶片衰老枯萎，子块茎进入休眠状态，母块茎转变为完全木质化的脱水组织（Douglas等人，2014年；Rubio-Moraga等人，2010年）。从营养生长阶段到生殖阶段的转变发生在夏季之前，发生在地下块茎的顶端，这些块茎没有根或叶（Molina等人，2005年）。在本研究中，我们采用了多种方法来研究10月至11月期间柱头中生成的类胡萝卜素的积累或转移情况，分别对应于克罗塞汀从子块茎中消失后的时期、11月底以及3月和4月子块茎生长加速的时期。

研究部分

研究的类胡萝卜素和组织/阶段

类胡萝卜素的谱型通过LC-HRMS分析确定，分析时间点为11月底克罗塞汀从子块茎中消失之后。此后，研究重点关注由作用于玉米黄质的类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCDs）的7,8和/或7,8/7′,8′-裂解反应产生的衍生物（Ahrazem等人，2016年；Frusciante等人，2014年）。这些化合物包括克罗塞汀及其各种糖基化衍生物（顺式-克罗辛1、反式-克罗辛1等）

讨论

对Crocus sativus的代谢组学分析为类胡萝卜素在植物整个生物周期中的动态提供了新的见解，表明这些化合物不仅限于开花期间在柱头中合成，还会在多个营养和生殖组织中重新分布、修饰和积累。研究结果挑战了传统观点，即克罗辛（crocins）、克罗塞汀（crocetin）和皮克罗克罗辛（picrocrocin）仅作为柱头中的代谢物存在

结论

总体而言，研究结果表明，藏红花中的类胡萝卜素是系统性代谢物，它们在柱头中合成后重新分布到子房、花梗、块茎和根中，在这些部位得到保存和化学修饰。它们在地下器官中的存在，尤其是以酰基化形式存在，表明它们在根发育和块茎成熟过程中具有保护和结构作用。观察到的季节性变化、组织特异性模式、化合物特异性轨迹以及生物合成途径都进一步证实了这一点

生长条件和样品采集

所使用的Crocus sativus L.块茎来自卡斯蒂利亚-拉曼查地区（西班牙）的认证本地生产商，该地区拥有悠久的藏红花种植传统。为确保样本的均匀性，选择了大小相似（8–10克）且无可见病害或机械损伤的健康块茎。块茎在夏末（9月初）由人工种植在卡斯蒂利亚-拉曼查大学植物研究所（UCLM，阿尔巴塞特）的实验田中，遵循常规种植方法

CRediT作者贡献声明

乌萨马·阿赫拉泽姆（Oussama Ahrazem）：撰写——审稿与编辑；撰写——初稿。卢尔德斯·戈麦斯-戈麦斯（Lourdes Gómez-Gómez）：资金获取；概念构思。詹弗兰科·迪雷托（Gianfranco Diretto）：撰写——初稿；数据管理。哈维尔·阿甘多尼亚·皮卡索（Javier Argando?a Picazo）：撰写——初稿；研究。伊琳娜·阿伦萨纳-拉米拉（Irene Arenzana-Rámila）：撰写——初稿；研究；数据分析。莎拉·弗鲁斯坎特（Sarah Frusciante）：撰写——初稿；数据分析。阿尔贝托·何塞·洛佩斯-希门尼斯（Alberto José López-Jiménez）：数据分析；数据管理。埃莱娜·莫雷诺·希门尼斯（Elena Moreno Giménez）：撰写——

未引用参考文献

Jan等人，2021年。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

本研究生成的所有LC-HRMS数据已存储在Zenodo数据库中，并可公开获取（https://doi.org/10.5281/zenodo.17867441）。数据集包括所有分析组织和发育阶段的原始LC-HRMS文件及完整样本元数据。

伦理声明

本文不涉及人类或动物实验。

合规性声明

本文不涉及人类或动物实验。

资助

本研究得到了西班牙科学与创新部（Ministerio de Ciencia e Innovación）通过西班牙研究机构（Agencia Estatal de Investigación）提供的MCIN/AEI/ID2023-B6186OB-I00项目资助，以及IEA「Don Juan Manuel」（1282448D）项目的资助。LGG是CARNET网络（RED2022-134577-T）的成员。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。