《Postharvest Biology and Technology》：Integrated metabolomic and transcriptomic analyses reveal that pectin metabolism mediates texture divergence in grape berries
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葡萄果实质地差异的分子机制研究基于软质‘Xiangfei’和硬质‘Sweet Sapphire’品种，整合生理、代谢组学与转录组学分析，揭示果胶合成与降解的调控网络及关键基因（如PME、PL、ERF/NAC转录因子），为分子育种提供新靶点。
甘志萌|艾晓燕|刘勇|朱伟|张阳|王慧良|王富荣|侯晓东|何华平|龚林忠
中国湖北省农业科学院果树与茶叶研究所果树种质创新与利用重点实验室，武汉430064
摘要
果实硬度是鲜食葡萄（Vitis vinifera L.）货架寿命和消费者偏好的关键决定因素，但驱动果实质地差异的分子机制仍不甚清楚。在本研究中，我们整合了生理学、代谢组学和转录组学分析方法，以解析‘香妃’（XF）软肉品种和‘甜蓝宝石’（SS）硬肉品种在成熟过程中的调控网络。表型评估显示，XF的快速软化与果胶的广泛溶解以及果胶甲基酯酶、聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶活性的升高有关。代谢组学分析鉴定了888种差异积累的代谢物，其中D-半乳糖醛酸和D-葡萄糖醛酸在SS中持续积累。K均值聚类分析将这些代谢物和差异表达基因分为七个不同的簇，这些簇在6条果胶合成和代谢途径中显著富集，例如戊糖和葡萄糖醛酸的转化以及半乳糖代谢途径。此外，加权基因共表达网络分析构建了一个层次化的调控网络，确定了20个参与果胶代谢的关键结构基因，包括GAUT、SUS6、PMEI1/2、PME1和PL1。这些结构基因与94个转录因子（如bHLH5、MYB74、ERF1/2、LBD13和NAC9/83）有很强的关联。这些发现阐明了调控果胶代谢的分子网络，并为提高果实贮藏性和延长鲜食葡萄的采后货架寿命提供了潜在的标记。
引言
鲜食葡萄（Vitis vinifera L.）是全球主要的水果作物之一，但其商业价值受到采后损失的重大限制（Ali等人，2025；Karoney等人，2024）。在各种品质特性中，果肉硬度是决定消费者偏好、运输性和货架寿命的主要因素。通常，转色期果肉硬度的迅速下降使果实容易受到机械损伤和腐烂，最终导致可食用价值和商业价值的显著损失。因此，为了制定减少采后损失和改善果实品质的策略，揭示调控果实软化的代谢和转录调控网络至关重要。
果实软化是成熟过程中的一个关键生理现象，其特征是细胞壁成分和结构的广泛变化（Posé等人，2019）。尽管这一过程受多种因素调控，但果胶降解驱动的细胞壁重塑被广泛认为是主要机制（Wang和Seymour，2022）。在包括苹果（Wang等人，2024）、番茄（Uluisik等人，2016）和草莓（Zhang等人，2026）在内的多种物种中的研究表明，成熟过程中原果胶被分解为水溶性果胶（WSP）。这一转化由一系列酶协同催化，如聚半乳糖醛酸酶（PG）、果胶甲基酯酶（PME）和果胶裂解酶（PL）（Anderson和Pelloux，2025）。最终，这种溶解导致细胞间粘附力降低，进而使组织软化。功能研究表明这些酶起着关键作用。例如，在番茄中，沉默SlPL显著增强了果实硬度并延长了货架寿命，而不影响其他成熟特性（Yang等人，2017），突显了其在质地恶化中的特定作用。同样，在苹果和草莓中，沉默PG或PL基因可显著延缓果实软化并减少水分损失（Atkinson和Sutherland，2012；Shi等人，2021）。这一功能保守性在其他物种的研究中也得到了支持；在无花果中，FcPL7的上调是成熟阶段快速软化的主要驱动因素（Fan等人，2025）。此外，果胶结构的改变也起着关键作用。在草莓中，过表达果胶甲基酯酶基因FvPME38通过改变果胶甲基化状态加速细胞壁解体和果实成熟（Cai等人，2022）。此外，对甜瓜的研究表明，同半乳糖醛酸的甲基化程度直接影响细胞壁的完整性；特别是通过CmPMT1/15等基因调节“蛋盒”凝胶结构的稳定性对于保持果实的脆性至关重要（Pan等人，2025）。
除了酶的作用外，多项针对不同水果物种的研究表明，软化过程在转录水平上受到严格调控（Yang等人，2025，Yang等人，2025）。一个涉及多个转录因子（TFs）的层次化网络参与了细胞壁修饰基因的表达调控（Shi等人，2022）。这些家族主要包括乙烯响应因子（ERFs）、NACs（NAM、ATAF和CUC）、侧生器官边界结构域（LBD）蛋白以及其他TFs。例如，ERF家族具有双重作用；猕猴桃中的AcERF61通过激活PME、PL和CEL基因加速软化（Wang等人，2026），而无花果中的FcERF100则起到抑制作用（Fan等人，2025）。NAC家族也很重要，例如苹果中的MdNAC1/MdNAC18.1和猕猴桃中的AdNAC3在乙烯信号作用下调节下游细胞壁基因（Yang等人，2025，Yang等人，2025；Zhang等人，2025）。同样，MYB TFs既可以作为激活因子也可以作为抑制因子；例如，香蕉中的MaMYB44-MaMYB73复合体抑制软化相关基因，而草莓中的FvMYB79促进质地损失（Luo等人，2025）。此外，其他TFs通过激素途径调节这一过程：草莓中的FvWRKY48和甜樱桃中的PavDof成员介导ABA或生长素依赖的软化（Zhai等人，2022；Zhang和Zhao，2022），而LBD TFs参与控制半纤维素降解的生长素响应级联反应（Shi等人，2021）。最近在苹果中的研究发现，代谢物如D-半乳糖醛酸（D-GalA）和D-葡萄糖醛酸（D-GlcA）对MdMYB2/MdNAC14模块产生反馈抑制，从而延缓软化（Zhao等人，2025）。
在葡萄中，人们在解析果实硬度的遗传和分子基础方面取得了显著进展。遗传图谱分析和QTL分析确定了8号、17号和18号染色体上与果实质地相关的多个位点，揭示了参与细胞壁代谢的候选基因，如VvWARK8和果胶甲基酯酶抑制剂（VvPMEI）（Correa等人，2016；Crespan等人，2021；Guo等人，2019；Jiang等人，2020；Lin等人，2023；Lin等人，2024）。功能研究进一步明确了特定酶的作用；例如，VvBGAL3被证明能促进早期果实硬度（He等人，2024），而VvPL1、VvPL11和VvPL15参与果胶降解（Li等人，2023；Ma等人，2023；Yu等人，2023）。此外，如生长素介导的VvARF19-VvLBD13-VvXTH10通路等转录级联反应被证实可以调节软化过程中的半纤维素降解（Li等人，2025）。然而，大多数现有研究要么集中在广泛的遗传图谱分析上，要么仅关注单个基因的表征，导致区分软肉和硬肉品种的层次化转录调控网络尚未得到充分探索。
在本研究中，我们通过对两种具有不同质地表型的鲜食葡萄品种——软肉的‘香妃’（XF）和硬肉的‘甜蓝宝石’（SS）进行综合代谢和转录组分析，系统地绘制了果胶成分的代谢变化，并通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）确定了关键的结构基因和转录因子。这项工作阐明了果胶生物合成与降解之间的平衡机制，为葡萄质地的调控提供了新的见解，并为培育高品质品种提供了潜在的目标。更广泛地说，这一多组学框架适用于其他多肉水果，如苹果、梨和桃子，为理解和改善各种园艺作物的采后质地提供了通用参考。
植物材料和样本采集
本研究使用了两种二倍体鲜食葡萄品种（Vitis vinifera L.）：硬肉的‘甜蓝宝石’（SS）和软肉的‘香妃’（XF）。这些品种是从134个葡萄品种中经过全面质地评估后选出的，因为它们的硬度表型差异显著。所有植物均在湖北省农业科学院果树与茶叶研究所的葡萄种质资源库中按照标准葡萄园管理实践进行栽培
‘香妃’和‘甜蓝宝石’在成熟过程中果肉质地的比较
为了研究果实成熟过程中果肉质地的动态变化，我们在四个发育阶段（豌豆大小（S1）、转色前期（S2）、转色期（S3）和成熟期（S4）测量了软肉品种（‘香妃’，XF）和硬肉品种（‘甜蓝宝石’，SS）的果肉硬度和其他质地参数。两种品种的果肉硬度均从转色前期（S2）开始迅速下降（图1A–C）。然而，这种下降在
讨论
这些结果表明，在成熟中的葡萄果实中，与果实质地、果胶代谢和细胞壁修饰相关的关键基因和转录因子在软肉（XF）和硬肉（SS）品种之间存在差异反应。此外，通过广泛的目标代谢组学和转录组学分析，我们构建了一个涵盖果胶生物合成、降解及其上游转录途径的全面调控网络模型
结论
总之，本研究整合了生理学、代谢组学和转录组学数据，揭示了葡萄质地决定的分子复杂性。基于这些发现，我们提出了一个全面的模型，说明了软肉和硬肉品种之间质地差异的调控网络（图8）。在该模型中，XF的软质地主要由ERF/NAC介导的降解模块驱动，该模块激活PL、PME和PG，从而加速原果胶的降解
数据声明
本研究生成或分析的所有数据均包含在补充图S1-S5和表格S1-S26中。
作者贡献
甘志萌、艾晓燕、刘勇、朱伟、叶志玲、胡丽伟、傅荣和王晓东进行了实验工作并分析了数据。何鹏飞和卢志刚设计了实验和研究了整个研究；甘志萌撰写了论文。所有作者都审阅了手稿并提供了评论。
作者贡献声明
刘勇：写作 – 审稿与编辑。朱伟：写作 – 审稿与编辑。甘志萌：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、正式分析、数据管理、概念化。艾晓燕：写作 – 审稿与编辑。龚林忠：写作 – 审稿与编辑、资金获取、概念化。侯晓东：写作 – 审稿与编辑。何华平：写作 – 审稿与编辑、资金获取、概念化。王富荣：写作 – 审稿
致谢
本研究得到了中国农业研究系统（CARS-29和湖北省农业科学院青年基金会（2023NKYJJ21）的财政支持。
