《Food Bioscience》：Integrative machine learning and structure-based computational modeling reveal germination-driven enrichment of bioactive dipeptides in pigmented rice
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水稻二肽组学揭示发芽增强Trp-Phe-Leu相关二肽，机器学习与分子模拟证实其抗高血压潜力。
克里斯蒂安·多米尼克·I·德古兹曼（Christian Dominic I. De Guzman）| 加塞尔·C·佩尔菲尼安（Gacel C. Perfinian）| 萨利赫·阿尔塞克（Saleh Alseekh）| 阿利斯代尔·R·费尔尼（Alisdair R. Fernie）| N·蒂奥佐恩·罗威尔（N. Tiozon Rhowell）| 内塞·斯里尼瓦苏卢（Nese Sreenivasulu）
消费者驱动的谷物品质与营养研究，水稻育种创新平台，国际水稻研究所（International Rice Research Institute），菲律宾拉古纳省洛斯巴尼奥斯市4031号
摘要
尽管小肽（包括二肽）具有营养和功能性潜力，但它们仍被忽视。本研究分析了超过500份全谷物水稻（Oryza sativa L.）样本，鉴定出132种富含必需氨基酸的蛋白质生成二肽，尤其是色氨酸（Trp，11.74%）、苯丙氨酸（Phe，11.36%）和亮氨酸（Leu，9.85%）。发芽作为一种自然富集过程，可使二肽含量增加高达10.78倍，超过了野生近缘种和非水稻参考样本（谷物/伪谷物、坚果、水果和蔬菜）中的含量。使用随机森林模型的机器学习预测显示，某些品系具有更高的二肽峰值强度，准确率为98.84%。计算机模拟分析显示这些二肽具有多种生物活性，其中超过一半针对血管紧张素转换酶（ACE），而ACE是调节血压的关键因子。含有C端色氨酸的二肽（Ile-Trp、Lys-Trp、Tyr-Trp）表现出最强的抗高血压潜力。分子对接和动力学模拟证实了它们通过与ACE催化残基的氢键、疏水相互作用和π-堆积形成稳定结合。药物相似性和ADMET分析进一步表明这些二肽具有良好的药代动力学和安全性特征。这些发现凸显了水稻二肽在功能性食品开发和药物发现中的潜在价值。
引言
精制大米（Oryza sativa L.）主要由淀粉组成，是亚洲数十亿人的主食，但其蛋白质和其他营养成分含量较低。最近的营养改良策略集中在提高大米蛋白质质量上（Xinkang等人，2023年），这导致了对大米游离氨基酸组成的广泛研究。然而，代谢组学分析还发现了小肽，尤其是二肽和三肽，其中二肽的含量更为丰富（Nie等人，2024年；Tiozon等人，2023年）。鉴于它们的营养价值，目前对这些小肽的系统研究不足，可能导致人们对全谷物和发芽过程中大米实际营养价值的低估。
二肽由两个通过肽键连接的氨基酸组成，通常在发育和成熟过程中作为蛋白质周转的中间产物在谷物中积累。游离氨基酸和小肽被再利用来合成储存蛋白、结构蛋白和酶，但并非所有小肽都能重新被利用。一些小肽因空间隔离和运输限制而被困在谷物内部结构中（Cao等人，2022年）。另一方面，一些二肽是在翻译过程中由上游ORFs或非核糖体肽类合成酶直接合成的；然而，这些机制在植物中的研究仍十分有限（Agarwal等人，2025年；Wu等人，2023年）。除了在氮代谢中的作用外，二肽还被认为是在发育过程中和对压力响应时差异积累的小分子调节剂（Minen等人，2023年）。
从营养角度来看，由于存在如PepT1肽转运蛋白等专门的运输系统，二肽的生物利用度可能比完整蛋白质更高，在某些情况下甚至高于游离氨基酸（Rohm等人，2019年）。此外，多项研究表明短肽具有多种生物活性，包括抗癌、抗糖尿病、抗高血压和抗氧化作用（Kadam等人，2024年；Sartagoda等人，2024年）。例如，大豆来源的Leu-Val-Pro-Lys和Ile-Val-Pro-Lys对肝癌（HepG2）、肺癌（MCF-7）和宫颈癌（HeLa）细胞系具有抗癌作用（Chen等人，2018年）；玉米醇溶蛋白肽Pro-Phe、Leu-Pro-Phe和Glu-Cys-Gly表现出强大的抗氧化能力（Tang & Zhuang，2014年）；鹰嘴豆白蛋白肽Phe-Glu-Ile、Phe-Asn-Lys、Met-Glu-Glu和Phe-Gly-Lys-Gly通过抑制DPP-IV显示出抗糖尿病潜力（Quintero-Soto等人，2021年）；小麦面筋肽Leu-Tyr和Leu-Val-Ser具有强抗高血压活性（Okagu等人，2022年）。
尽管小肽具有这些潜力，但由于氨基酸主要以蛋白质形式储存，因此在成熟谷物中的含量有限。发芽是一种经济有效的过程，可以动员淀粉、蛋白质和脂质来促进幼苗生长，因此被提出作为提高谷物营养和功能特性的方法（Tiozon等人，2023年）。事实上，研究表明发芽可以增加玉米中的氨基酸水平（Kaur & Gill，2020年；Chavarín-Martínez等人，2019年；Gong等人，2018年），并提高有色水稻中的游离酚类、黄酮类和微量营养素含量（Tiozon等人，2023年）。
在这项研究中，我们分析了大量全谷物水稻样本中的二肽组，并评估了种子发芽过程中的相变。通过机器学习模型，我们识别出在成熟种子或发芽种子中优先富集特定二肽的基因型，其含量超过了选定的营养密集型野生AA基因组水稻物种和非水稻参考样本。最后，我们实施了全面的计算机模拟流程来评估水稻来源二肽的预测生物活性。通过整合代谢组学、计算建模和预测方法（图1），本研究首次全面分析了水稻中的二肽，并为探索其潜在的健康益处（特别是抗高血压作用）提供了框架。
植物材料与生长条件
我们从国际水稻研究所（IRRI）基因库获得了504份全谷物水稻样本，包括不同颜色的品种：紫色（n = 299）、红色（n = 38）和非色素型（n = 78）。这些样本在2019年菲律宾拉古纳省洛斯巴尼奥斯市的IRRI实验站进行灌溉条件下种植。成熟后的谷物被收获，风干至含水量14%，然后使用Zaccaria PAZ-1/DTA设备脱壳。
大规模全谷物水稻样本的二肽分析揭示了其多样性和营养潜力
蛋白质生成二肽经常在基于质谱的代谢组学分析中被检测到，但直接针对它们的研究较少，且大多数研究仅限于有限的部分而非全面分析（Minen等人，2023年）。本研究使用UPLC-Q-Exactive Orbitrap/MS技术分析了504份全谷物水稻样本（包括有色和非有色品种），从中鉴定出132种蛋白质生成二肽。
结论
本研究表征了有色水稻芽中的二肽组，发现其具有潜在的抗高血压生物活性。我们采用双重策略：首先筛选成熟谷物中二肽组的表型可塑性变化，然后利用发芽这一自然过程——该过程可使二肽峰值强度显著增加高达10.78倍。这种方法使我们能够识别出富含二肽的基因库供体。
CRediT作者贡献声明
内塞·斯里尼瓦苏卢（Nese Sreenivasulu）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，资金获取，概念构思。
萨利赫·阿尔塞克（Saleh Alseekh）：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。
阿利斯代尔·R·费尔尼（Alisdair R. Fernie）：撰写 – 审稿与编辑，监督。
N·蒂奥佐恩·罗威尔（N. Tiozon）：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，数据管理，概念构思。
加塞尔·C·佩尔菲尼安（Gacel C. Perfinian）：方法学，研究实施。
克里斯蒂安·多米尼克·德古兹曼（Christian Dominic De Guzman）：撰写 – 初稿，数据可视化，软件开发，方法学。
未引用的参考文献
He和Yang，2013年；Lunow等人，2014年；Trott和Olson，2009年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
数据可用性
所有数据均包含在手稿或补充文件中。
致谢
N.S. 感谢英国生物技术和生物科学研究委员会（UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council）、英国研究与创新计划（项目编号BB/T008873/1）、食品与农业研究基金会（Grant No. CA-21-SS-0000000157）以及印度农业研究委员会（ICAR）和CGIAR的“为未来而育种”研究项目的财政支持。C.D.D.G感谢菲律宾科学技术部-先进科学技术研究所（DOST-ASTI）和计算部门的协助。
