《Scientia Horticulturae》：Multi-omics dissection of molecular and metabolic drivers of pineapple fruit flesh translucency
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为解决严重损害菠萝品质的果肉透明化生理障碍，研究人员对‘MD2’品种的透明与健康果实进行了整合转录组学与代谢组学分析，揭示了糖转运蛋白显著下调、糖酵解与有机酸周转增强、细胞壁降解与膜磷脂重塑协同作用导致渗透压失衡和细胞外液积累的分子网络。本研究阐明了钙信号、油菜素内酯与茉莉酸信号在调控这一代谢与结构响应中的潜在作用，为理解并缓解果实透明化提供了分子框架与潜在靶点。
想象一下，你满怀期待地切开一个金黄诱人的菠萝，却发现果肉并非想象中的晶莹紧实，而是呈现出一种水渍状、半透明的质感，口感也变得平淡甚至带有异味。这并非个例，而是一种被称为“果肉透明化”的生理性障碍，它严重影响菠萝的质地、风味和耐储运性，给产业带来了巨大的经济损失。菠萝是全球第三大热带水果，深受消费者喜爱，然而，尽管这种透明化现象已被发现数十年，其背后复杂的分子机制却如同一团迷雾，阻碍了有效的防控策略的制定。以往的研宄多集中于生理和形态描述，直到近年才开始在分子层面进行探索。因此，深入揭示菠萝果肉透明化的分子与代谢基础，对于保障产业健康发展、提升果实品质至关重要。
为了揭开这层迷雾，来自福建农林大学园艺生物技术研究所的郑平等研究人员，以易感透明化的明星商业品种‘MD2’为材料，选取了处于轻度透明化阶段的果实与健康果实进行对比，开展了一项整合转录组学与代谢组学分析。这项成果发表在国际园艺学期刊《Scientia Horticulturae》上，为我们理解这一生理障碍提供了全新的系统性视角。
研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，从广西南宁的田间果园采集了外观一致的‘MD2’菠萝健康果实与轻度透明化果实，将果肉组织混合成三个生物学重复用于后续分析。其次，对样品进行了RNA测序（RNA-seq），通过比对菠萝参考基因组、差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs）鉴定及GO与KEGG富集分析，系统描绘了透明化果实中的转录重编程图谱。同时，采用广泛靶向代谢组学（UPLC–MS/MS）技术，检测并分析了果实中代谢物的差异积累情况。最后，通过整合转录组与代谢组数据，构建了基因-代谢物关联网络与通路图，从而在多个层面上阐释透明化的驱动机制。
3.1. 差异表达基因（DEGs）分析
RNA-seq分析在透明化与健康果实间共鉴定出3882个差异表达基因。GO富集分析显示，这些基因显著富集于细胞壁组织与生物合成、碳水化合物代谢过程、激素介导的信号通路（特别是油菜素内酯和茉莉酸响应）、活性氧代谢过程以及氮代谢等相关条目。这表明透明化涉及细胞结构、代谢和应激反应的广泛重编程。KEGG通路富集分析进一步揭示，上调基因主要富集于糖酵解/糖异生、淀粉和蔗糖代谢等通路，而下调基因则与植物-病原互作、MAPK信号通路等相关。
3.2. 转录因子分析及关键基因表达谱
研究发现，多种应激响应型转录因子家族（如WRKY、NAC、AP2/ERF-ERF）的成员在透明化果实中普遍上调。对关键代谢与结构基因的分析显示：糖酵解、TCA循环（三羧酸循环）及淀粉降解相关基因被协同诱导上调；而绝大多数编码糖转运蛋白（如AcSUTs、AcSTPs、AcSWEETs）和水通道蛋白（Aquaporins, AcAQPs）的基因则显著下调。同时，多种细胞壁修饰酶（如果胶酯酶、果胶裂解酶、β-半乳糖苷酶）以及磷脂酶D（Phospholipase D, AcPLDs）基因被上调。钙信号相关基因呈现复杂变化：钙转运蛋白（如AcCCXs、AcCa2+-ATPases）多下调，而钙信号感应与转导组件（如AcCBLs、AcCIPKs）多上调。抗氧化酶基因表达模式不一，部分过氧化氢酶（Catalase, AcCAT）、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase, AcFSD/MSD）及脱氢抗坏血酸还原酶（Dehydroascorbate Reductase, AcDHAR）基因上调，而多数抗坏血酸过氧化物酶（Ascorbate Peroxidase, AcAPX）基因下调。
3.3. 差异积累代谢物（DAMs）分析
代谢组学共鉴定出262个差异积累代谢物。其中，多种糖醇（如甘露醇、阿拉伯糖醇）、有机酸（如琥珀酸、苹果酸、γ-氨基丁酸GABA）、氨基酸（如脯氨酸、精氨酸、支链氨基酸）及游离脂肪酸在透明化果实中大量积累。相反，多数溶血磷脂酰胆碱（Lysophosphatidylcholine, LPC）和溶血磷脂酰乙醇胺（Lysophosphatidylethanolamine, LPE）、抗坏血酸以及部分黄酮类化合物的含量则下降。KEGG富集分析表明，差异代谢物显著富集于嘌呤代谢、氨基酸降解、抗坏血酸代谢及苯丙烷生物合成等通路。
3.4. 整合转录组学–代谢组学分析
整合分析清晰地描绘了透明化果实中核心代谢网络的改变：糖酵解和乙醛酸循环增强导致琥珀酸等有机酸积累；TCA循环中的α-酮戊二酸通过GABA支路（GABA shunt）更多地流向氨基酸（如GABA、脯氨酸）合成。糖转运受阻与局部糖/糖醇积累、细胞壁与膜结构降解、水通道蛋白下调共同破坏了细胞的水分平衡。同时，氧化应激标志物（如L-DOPA）积累与抗氧化系统重组也证实了氧化还原失衡的发生。
结论与讨论
本研究通过多组学整合分析，提出了一个关于菠萝果肉透明化形成机制的综合性模型。其核心在于一系列相互关联的代谢、结构与调控事件的级联反应。首先，代谢重编程与渗透调节失衡是起点。糖酵解和淀粉降解增强，但糖转运蛋白（AcSUTs, AcSTPs, AcSWEETs等）的下调导致糖分输出受阻，蔗糖、葡萄糖、果糖三大糖含量虽未显著变化，但阿拉伯糖醇、甘露醇等多种糖醇局部大量积累，提高了组织渗透势。同时，乙醛酸循环和GABA支路被激活，碳流从TCA循环转向琥珀酸、GABA及多种氨基酸的合成，这既是一种代谢适应，也产生了脯氨酸、GABA等渗透保护物质。
其次，细胞壁与膜重塑加剧结构解体。多种细胞壁降解酶基因的上调加速了果胶等多糖的分解，削弱了细胞壁强度。膜磷脂酶D（AcPLDs）的上调与溶血磷脂（LPCs, LPEs）的减少表明膜脂发生剧烈重塑，膜完整性受损。水通道蛋白（AcAQPs）的下调进一步扰乱了细胞的水分调控能力。细胞壁的疏松与膜结构的改变，协同渗透压的升高，最终导致细胞外液异常积累，形成了肉眼可见的透明化外观。
再者，氧化应激响应贯穿始终。活性氧代谢过程相关基因的富集、氧化应激标记物L-DOPA的激增、以及抗坏血酸的消耗与部分抗氧化酶基因表达模式的改变，都证实透明化组织中存在着显著的氧化压力。这可能是代谢紊乱和结构损伤的结果，同时也可能进一步加剧细胞损伤。
最后，激素与钙信号扮演调控角色。油菜素内酯（Brassinosteroid, BR）和茉莉酸（Jasmonate, JA）信号通路相关基因的富集，提示这些激素信号可能参与了透明化过程的调控。与苹果水心病中乙烯的核心作用不同，菠萝透明化可能具有独特的激素调控特征。钙稳态的失调尤为关键：钙转运蛋白下调与钙信号传感器（如CBL-CIPK模块）上调，暗示细胞内钙分布与信号传递紊乱。这与前期研究发现透明化果实钙含量下降、以及Ca2+/H+逆向转运蛋白AcoCAX2功能缺失会导致透明化的结论相印证，表明钙信号通过影响细胞壁稳定性和糖代谢，在透明化发展中起重要作用。
这项研究的意义重大。它不仅首次为菠萝果肉透明化障碍提供了一个系统、深入的分子框架，将看似孤立的生理现象（如高糖、软腐、水渍化）串联成一条清晰的因果链条，而且通过与苹果、梨、山竹等果实类似障碍的比较，揭示了不同物种间“水渍化”障碍共享的保守生理特征（渗透失衡、氧化应激、结构解体）和物种特异性调控路径。研究中发现的多个关键节点，如GABA支路、AcPLDs、AcSUTs、AcCCXs以及钙信号网络，均为未来开发早期诊断生物标记物或设计干预策略（例如外源施加LPE以稳定膜结构、调控钙营养或抗氧化系统）提供了潜在的分子靶点。尽管研究基于单一品种和成熟度，但其整合多组学的研究范式与所得结论，为后续在不同品种、不同发育阶段及不同诱发条件下深入验证和拓展相关机制奠定了坚实基础，对通过育种和栽培管理减轻这一生理障碍、提升菠萝产业效益具有重要的指导价值。
