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黄瓜冷害期间脂代谢与类黄酮代谢失衡机制研究。采用转录组学与代谢组学联合作战，揭示低温储存下黄瓜果皮脂代谢通路上调（21种脂质增加，含4种脂质过氧化物）而类黄酮生物合成途径显著下调（17种类黄酮减少），导致抗氧化能力下降和膜脂过氧化加剧。此代谢互作失衡是冷害发生的关键机制。
王斌|袁晓|邓欣|姜圆圆|王玉坤|曲珊珊
中国韶关市韶关大学生物与农业学院/广东省北部地区食品与药用资源利用与保护重点实验室
摘要
在冷藏过程中，黄瓜果实的冷害（CI）指数、相对电解质渗漏量以及叶绿素荧光参数Y(NO)逐渐增加，而值则逐渐下降。为揭示冷害的机制，我们进行了转录组学和代谢组学的综合分析。转录组学分析显示，冷藏期间差异表达基因（DEGs）在脂质代谢途径中显著富集，而下调的DEGs主要富集在黄酮类化合物生物合成途径中。代谢组学数据进一步证实了这一变化：随着冷害程度的加重，17种黄酮类化合物的含量减少，而21种脂质（包括4种脂质过氧化物）的含量增加。黄酮类化合物的减少可能削弱了果实清除活性氧的能力，从而促进了脂质过氧化，尤其是膜脂质的过氧化。黄酮类化合物与脂质代谢之间的不平衡可能是冷藏黄瓜果实冷害发生的关键机制。
引言
在低温条件下，细菌的活性和致病性以及新鲜农产品的关键生理过程（如呼吸作用和乙烯产生）会显著降低（Brizzolara等人，2020；Martínez-Romero等人，2007；Zaman等人，2025）。为了尽可能保持产品质量并延长储存期，新鲜采后的水果和蔬菜通常在低温下储存（Paull，1999）。因此，冷藏是采后保存中的常用技术（Mounika等人，2025）。然而，许多植物物种（包括水果和蔬菜）在低温储存时容易受到冷害（CI）的影响，尤其是那些原产于热带和亚热带地区的物种（Couey，1982；Patel等人，2016）。黄瓜（Cucumis sativus L.）原产于这些地区，其果实在不高于约10°C的储存温度下容易发生冷害（Amin等人，2023；Yang等人，2011）。黄瓜果实冷害的特征性症状包括出现凹陷、变色和表皮出现透明水浸斑点，以及组织塌陷（Cen等人，2016）。这些物理症状会在室温下的短期储存期间导致严重的腐烂（Min等人，2025；Tomita等人，2023），主要是由于病原菌的感染。这种腐烂导致黄瓜产业遭受巨大的产后损失。因此，阐明冷害发生的机制是一项紧迫的任务，对于支持采后产业的高质量发展至关重要。
转录组学分析通常通过RNA测序（RNA-seq）来实现，可以全面了解基因表达水平，从而揭示基因变化如何影响复杂的生物过程（Ozsolak & Milos，2011）。同时，代谢组学分析可以量化代谢物的丰度和动态变化，提供有关生物体生理状态和代谢反应的见解（Schrimpe-Rutledge等人，2016）。无论是单独使用还是结合使用，转录组学和代谢组学方法都是广泛用于阐明采后农产品冷害复杂机制的强大工具。例如，对青椒果实的代谢组和转录组的综合分析发现了与冷害相关的关键基因和代谢物，并揭示了胰蛋白酶介导的保护机制（Zhao等人，2024）。同样，香蕉果实的转录组学分析阐明了硫化氢处理在冷藏过程中对冷害的缓解机制（Lin等人，2025）。
已经开发出多种物理和化学方法来减轻黄瓜果实的冷害。物理方法主要包括采前生长温度调节（Kang等人，2002）、冷藏前的冷适应处理（Wang & Zhu，2017）、壳聚糖（Zhang等人，2015）和岩藻多糖（Lin等人，2022）涂层、热蒸汽（Kasim & Kasim，2011）和冷休克（Chen等人，2015）处理，以及冷藏前的改良气氛包装（Fahmy & Nakano，2014）。化学方法涉及应用各种化合物，如硫化氢（Wang等人，2022）、氨基丁酸（Malekzadeh等人，2017；Wang等人，2023）和钙（He等人，2018），以及各种植物生长调节剂，包括6-苄氨基嘌呤（6-BA）（Chen & Yang，2013）、水杨酸（Zhang等人，2015）、一氧化氮（Yang等人，2011）、甲基茉莉酸（Liu等人，2016；Yuan, Jiang等人，2026）和褪黑素（Madebo等人，2021）等。尽管这些方法已被证明有效，但它们缺乏针对黄瓜冷害的具体调控靶点。这一限制主要源于对黄瓜果实冷害发生和发展的机制理解不足。对冷害机制的有限理解严重阻碍了更高效采后黄瓜果实保存技术的研究和开发。
面对寒冷胁迫，植物通常会产生大量的活性氧（ROS），这些活性氧具有很强的氧化活性（Qian等人，2024）。ROS的积累会导致生物大分子（如脂质、蛋白质和核苷酸）的氧化损伤（Juan等人，2021），从而导致功能下降。脂质，特别是不饱和脂肪酸，是细胞膜的关键组成部分。ROS氧化对膜的损伤通常被认为是植物冷害的主要机制（Shen等人，2025；Valenzuela等人，2017）。随后细胞内的离子渗漏通常被认为是这种损伤的直接指标（Tomita等人，2023）。为了应对冷诱导的ROS，植物发展出了多种ROS代谢机制，包括酶促和非酶促系统（Gill & Tuteja，2010）。关键的抗氧化酶包括过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）（Bela等人，2015；Sheri等人，2023）。大多数关于冷害发生和ROS代谢的研究主要集中在植物中酶促抗氧化剂的作用上（Kuk等人，2003；Venkatachalam，2018）。已有研究表明，寒冷胁迫还会增强这些酶的活性，从而提高它们的ROS清除能力（Khaledian等人，2015）。然而，目前的理解还不足以完全解释ROS代谢和脂质过氧化的复杂机制，因为抗氧化酶活性的增加往往伴随着脂质过氧化的加剧。除了代谢酶外，黄酮类化合物也是重要的非酶促抗氧化剂，用于清除ROS（Cheng等人，2024）。少数研究表明它们在减轻冷害中起直接作用（Xie等人，2025）。因此，它们在冷害发生和进展中的确切作用及其与脂质代谢的相互作用尚未完全阐明。我们假设黄酮类化合物与脂质代谢之间的关键代谢相互作用在冷藏黄瓜的冷害中起着重要作用。因此，我们采用了转录组学和代谢组学的综合方法来验证这一假设。
部分内容摘录
黄瓜材料、储存条件和取样
本研究使用了商业品种‘Cuixia’作为材料（Wang, Wang, Wang等人，2024）。黄瓜果实是在商业成熟期收获的（Min等人，2025），在实验前没有进行预冷却处理。选择的黄瓜果实形状和重量均匀，且无机械损伤和虫害。
选定的黄瓜果实被分为三组，每组包含30个果实，每组作为一组实验对象。
黄瓜果实易受冷藏条件下的冷害影响
为了研究黄瓜果实对冷害的敏感性，我们首先评估了其在5°C冷藏条件下的变化情况。如图1所示，冷害指数（CI指数）、相对电解质渗漏量（REL）和叶绿素荧光参数Y(NO)随冷藏时间的延长而增加，而值则下降，叶绿素荧光信号减弱。冷藏12天后，CI指数达到1.43（图1A），REL和Y(NO)分别增加了165.66%和195.46%（图1B和C）。
讨论
黄瓜果实表皮上的凹陷是冷害的关键视觉特征，因此，CI指数是根据表皮上凹陷面积的百分比来评估的（Wang & Zhu，2017）。然而，由于黄瓜的刺容易脱落，消费者很难区分自然脱落的刺和凹陷。此外，寒冷胁迫会损害叶绿体的完整性，导致植物的光合作用效率和叶绿素含量下降。
结论
本研究全面阐明了黄瓜果实冷藏过程中发生的冷害的关键代谢和转录组变化。我们的综合代谢组学和转录组学分析揭示了冷害期间黄瓜果实代谢优先级的显著变化，表现为脂质代谢的显著增强以及多种黄酮类化合物含量的减少。具体来说，随着冷害的发展，21种脂质（尤其是脂质过氧化物）的含量显著增加。
生成式AI声明
生成式AI（ChatGPT 4o-mini）仅用于检查正文的拼写和语法错误。
作者贡献声明
王斌：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，实验设计，概念构思。
袁晓：初稿撰写，实验设计，数据管理。
邓欣：实验设计，资金获取。
姜圆圆：撰写 – 审稿与编辑。
王玉坤：撰写 – 审稿与编辑。
曲珊珊：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了广东省教育厅的“大学生创新创业培训计划”（编号：S202510576047）和广东省教育厅的“重点研究平台与项目”（编号：2024GCZX006、2025KCXTD046和2025ZDZX4059）的支持。我们衷心感谢上述资助项目的支持。同时，我们也感谢华南农业大学的王光博士的热情帮助。
