《Food Chemistry》：Combining metabolomic analysis and high-throughput sequencing to explore the dynamics of transcription factors in the paddy rice with cold plasma treatment during posthaverst storage
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冷等离子体处理通过调控类黄酮代谢增强大米储存稳定性，转录组学分析发现上调686个基因包括关键R2R3-MYB基因和bHLH转录因子，代谢组学验证类黄酮（如3,7,4'-三羟基黄酮）显著积累。
陈颖|张一佳|侯帅|王康旭|杭倩瑜|潘雷青|丁超|刘强
南京财经大学食品科学与工程学院/现代粮食流通与安全协同创新中心，粮食与油脂质量控制与加工重点实验室，江苏省南京市210023，中国
摘要
冷等离子体（CP）技术通过调节黄酮类化合物的代谢，有效延缓了储存稻米的质量劣化。本研究结合转录组学和代谢组学分析，阐明了CP处理如何通过调控稻米中的黄酮类化合物代谢来提高储存稳定性。储存60天后，CP处理上调了686个基因，包括关键的R2R3-MYB基因（Os01g0977300、Os06g0258000、Os06g0637500）和bHLH转录因子。木质素生物合成基因（Os4CL3, OsPAL, ROMT9）和黄酮类化合物生物合成基因（OsFLS, OsCHS）的表达水平在储存过程中显著上调，其中OsFLS的表达量增加了2倍（通过qRT-PCR验证）。代谢组学分析证实了这些转录变化，发现CP处理样品中黄酮类化合物积累显著增加：3,7,4′-三羟黄酮在对照组中无法检测到，而在CP处理组中达到了106.45 μg/100 g干重；超氧化物歧化酶增加了50%；橙皮苷达到了8.37 μg/100 g干重。综上表明，CP处理通过MYB/bHLH介导的转录调控增强了黄酮类化合物的代谢，揭示了一种新的调控机制，可能为基于等离子体的粮食保存策略的开发提供依据。
引言
水稻作为世界三大主粮之一，在保障全球粮食安全方面发挥着关键作用，但在储存过程中极易受到多种形式的劣化影响。这些劣化包括蛋白质、脂质和酚类化合物的氧化降解以及微生物污染。这些过程导致了全球范围内的重大营养和经济损失。传统的热稳定技术是通过热驱动的水分扩散来降低稻谷水分含量（12–14%），主要通过抑制微生物呼吸和酶活性来实现（Zhang等人，2022年）。然而，这种方法存在显著缺点。其主要限制是它会导致表面快速脱水，从而产生明显的水分梯度并阻碍内部水分迁移。这种不平衡会在稻粒内部引起严重的热应力，最终导致表面开裂和胚乳损伤（Sung等人，2014年）。因此，传统的热处理方法在追求微生物控制的同时，往往会影响稻粒的结构完整性和养分保留。为了解决这些固有的权衡问题，非热稳定技术作为保持收获后稻米质量的有希望的替代方案应运而生。
在非热处理技术中，冷等离子体（CP）因其低能耗、环境兼容性和强大的杀菌效果而成为食品保存和农业储存的有前景的方法（Kaur等人，2024年）。与可能导致不可逆损伤的热处理不同，CP处理后的样品保持了更优的质量，减少了褐变，并有效灭活了微生物。CP产生的部分电离气体含有多种活性成分，包括活性氧/氮物种（ROS/RNS）、紫外线光子和带电粒子，这些成分会破坏微生物细胞膜的结构，导致细胞内容物泄漏，最终实现微生物的灭活。最近的研究进一步证明了CP在粮食储存中的广泛保护作用。Huang等人（2025年）表明，CP处理通过破坏脱氧雪腐镰刀菌毒素（DON）的关键毒性基团，降低了其毒性，同时保留了稻米的主要营养成分。类似地，CP处理也被证明能有效抑制Aspergillus niger、Aspergillus ochraceus、Penicillium和Fusarium graminearum的生长，DON的最大降解率为61.25%，赭曲霉毒素A的最大降解率为55.64%（Guo等人，2023年；Zhi等人，2023年）。除了微生物控制之外，CP处理还优化了稻米的烹饪特性和质地，同时提升了风味，从而全面改善了其食用品质（Zhou等人，2024年）。与传统的热干燥不同，CP技术在常温下激发高密度非平衡等离子体，触发材料表面的定向反应，实现精确的保存（Zhao等人，2025年）。这种机制有效地避免了由于水分梯度和热应力引起的稻粒开裂和养分损失等结构和质量问题（Nikzadfar等人，2024年）。这为提高收获后稻米的质量和减少储存损失提供了可靠的技术途径。
CP不仅仅是一种物理保存技术；它还在调节稻米内在的生化防御机制方面发挥着更深层次的作用，尤其是通过增强苯丙素类化合物的代谢。苯丙素类化合物的代谢途径通过生成防御化合物来增强稻米的储存稳定性，以应对生物和非生物胁迫。在储存过程中激活后，该途径利用苯丙氨酸（来自莽草酸途径的产物）来合成关键防御化合物，包括增强细胞壁结构的木质素，以及通过抗菌和抗氧化活性保护品质的酚类化合物（Dong等人，2020年；Patil & Kumudini，2019年）。三个核心酶对此过程至关重要：苯丙氨酸氨裂解酶（PAL），它催化初始脱氨基反应生成反-肉桂酸；肉桂酸-4-羟化酶（C4H），它促进羟基化反应生成p-香豆酸；以及4-香豆酸CoA连接酶（4CL），它将中间体激活为CoA硫酯（Liu, Hou等人，2024年；Liu, Li等人，2024年）。遗传学研究表明，PAL–C4H–4CL活性的破坏显著减少了耐逆代谢物的积累，证实了其在保存生物化学中的关键作用（Niu等人，2023年）。本研究中检测的代谢物是根据它们在苯丙素类途径中的已知作用以及之前关于它们对CP处理响应性的证据选定的。我们之前的非靶向代谢组学分析表明CP处理上调了这一途径。这与文献中的报道一致，即CP处理能够增强草莓果实中的黄酮类化合物生物合成，并增加石榴汁中的特定化合物（如儿茶素，Herceg等人，2016年）和草莓果实中的芦丁（Rana等人，2020年）的水平。因此，这些代谢物被优先用于探究CP诱导的苯丙素类化合物代谢的调控机制。
先前的非靶向代谢组学研究显示，CP处理显著提高了稻米中的苯丙素类化合物水平，并伴随关键生物合成酶（PAL、C4H、C3H、CAD）活性的增加（Liu, Hou等人，2024年；Liu, Li等人，2024年）。虽然这些发现表明CP具有激活苯丙素类化合物代谢的潜力，但其背后的调控机制仍不清楚，特别是在转录水平上以及与黄酮类化合物生物合成之间的联系。为了解决这一知识空白，本研究结合代谢组学分析和高通量测序，系统地阐明了CP处理如何调节苯丙素类途径中的基因表达和转录因子活性，重点关注与黄酮类化合物相关的调控因子。研究结果有望阐明CP通过何种分子机制提高储存稳定性并延缓稻米的质量劣化。
材料与化学试剂
新鲜稻谷（Nanjing 9108品种）购自中国江苏省南京市，并在使用前储存在?4°C。初始含水量为16%（湿基）。甲醇、乙腈和甲酸购自Solarbio Science & Technology Co., Ltd.（北京，中国）。黄酮类化合物标准品（≥98%，HPLC级）购自Wako Pure Chemical Industries, Ltd.（大阪，日本）。
冷等离子体处理
CP系统（BK-130，Phenix Technologies，美国马里兰州）由五个组件组成：
转录组数据的质量控制
通过严格的质量控制获得了高质量的转录组数据，其中原始读段经过过滤去除了低质量序列、接头污染和不确定的碱基。对干净读段的统计分析确认了碱基组成的平衡性和数据完整性，平均Q30值为95.57%（表明测序精度高），GC含量为52.44%（在预期的植物转录组范围内），且没有污染迹象（表S2）。这些质量指标符合
结论
CP处理通过调节苯丙素类化合物代谢途径，显著提高了稻米的储存稳定性。转录组分析显示，在储存60天后，CP处理组和对照组之间存在显著的基因表达差异。关键的转录因子，特别是R2R3-MYBs（Os01g0977300、Os06g0258000、Os06g0637500）和bHLHs，在CP处理后显著上调。这些激活的转录因子随后触发了下游基因的表达
CRediT作者贡献声明
陈颖：撰写——原始草稿，项目管理，方法学，研究。张一佳：撰写——原始草稿，方法学，研究。侯帅：监督，数据管理，概念构思。王康旭：资源获取，研究，数据管理。杭倩瑜：监督，项目管理，概念构思。潘雷青：验证，研究，数据管理。丁超：撰写——审稿与编辑，方法学，概念构思。刘强：撰写——审稿与
资助
作者感谢国家重点研发计划（编号2023YFE0123300）、国家自然科学基金（NSFC: 32202132）、中国科协青年精英科学家资助计划（编号2022QNRC001）和江苏省高等教育机构优先学术发展计划（PAPD）的财政支持。
未引用参考文献
Dong和Lin，2021
Li等人，2019
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
