ABA处理通过调节嘌呤代谢减轻黄瓜果实的冷害

《LWT》：ABA treatment mitigates chilling injury in cucumber fruit by modulating purine metabolism

　　

冷害（Chilling Injury, CI）严重影响黄瓜果实在冷藏期间的品质。本研究确定0.1 mM脱落酸（Abscisic Acid, ABA）是减轻黄瓜果实冷害的最佳浓度，并通过整合代谢组学、转录组学和生理学分析揭示了其保护作用。整合代谢组学和转录组学分析显示，ABA处理后，差异丰度代谢物（Differentially Abundant Metabolites, DAMs）和差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs）中嘌呤代谢均显著富集，并且在嘌呤代谢途径中观察到9个DAMs与16个DEGs之间存在强相关性。这表明嘌呤代谢可能是ABA诱导耐冷性的核心。生理学分析表明，ABA处理通过增强两种关键抗氧化酶（过氧化氢酶Catalase, CAT和抗坏血酸过氧化物酶Ascorbate Peroxidase, APX）的活性，在提高能量供应的同时降低了黄瓜果实中的H2O2水平。此外，代谢组学分析显示，ABA处理也调节了几种内源激素或其前体的水平。进一步的整合分析揭示了嘌呤代谢与潜在转录因子（Transcription Factors, TFs）（例如，MYB、ERF、bHLH）之间的联系。因此，研究人员提出，ABA处理可能通过诱导的转录因子来调节嘌呤代谢，从而调节能量供应、活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）水平和激素平衡以减轻冷害。这项工作为ABA介导的黄瓜果实在冷藏期间冷害的缓解提供了关键的见解。

ABA处理通过调节嘌呤代谢减轻黄瓜果实冷害的研究解读

1. 研究背景、问题与目的

低温贮藏是抑制果蔬采后病原菌生长、调节其生理过程并保持新鲜度的有效方法。然而，原产于热带和亚热带地区的果蔬种类（如黄瓜）对冷害敏感，在低于7-10°C的温度下贮藏容易发生冷害。冷害症状（如果皮凹陷、水渍状斑块）不仅影响品质，还会导致后续贮藏期间的腐烂，这严重限制了冷链技术在黄瓜采后产业中的应用。为减轻冷害，前人研究多聚焦于通过基因工程或采后处理技术（如施用化学诱导剂或植物生长调节剂）来增强耐冷性。其中，植物生长调节剂因其安全性高、效果可靠、操作简便和消费者接受度好而更具可行性。

脱落酸是一种在植物生长、发育和胁迫响应中具有重要作用的植物激素或信号分子。已有研究表明，ABA处理可有效诱导多种采后果蔬（如桃、香蕉、西葫芦、葡萄、冬枣）的耐冷性，从而减轻冷害。然而，ABA处理对黄瓜果实冷害的缓解效果、其最佳浓度及具体作用机制尚不明确。同时，嘌呤代谢作为生物体的关键过程，是核苷酸（如DNA、RNA）的必需组成部分，也作为能量载体（如ATP、GTP）参与能量释放。近年研究发现嘌呤代谢参与植物对非生物胁迫的适应，但其在采后果实ABA介导的耐冷性中的具体作用机制仍未可知。因此，本研究旨在评估ABA处理对冷藏黄瓜果实耐冷性的诱导效果，并揭示嘌呤代谢在冷害调控，特别是在ABA介导的耐冷性中的潜在作用。

2. 主要关键技术方法

研究人员以商业成熟期的黄瓜果实为材料，于采收后2小时内运至实验室。首先通过剂量效应实验，确定了减轻冷害的最佳ABA处理浓度（0.1 mM）。随后，通过重复实验验证了该浓度ABA的诱导效果。在生理层面，通过测定相对电渗率、冷害指数、次生病害指数、叶绿素荧光参数（Y(NO)和Fv/Fm）、果实硬度、可溶性固形物、H₂O₂含量、CAT和APX酶活性，以及ATP、ADP、AMP含量和能量电荷，全面评估了ABA处理对冷害症状、细胞膜完整性、光合系统、品质、活性氧代谢和能量状态的影响。在分子层面，利用广泛靶向代谢组学（LC-MS/MS）分析了ABA处理和对照组在冷藏6天和12天后果皮中的代谢物变化，并通过差异分析和KEGG富集分析筛选出关键代谢通路。同时，通过RNA测序（RNA-seq）分析了冷藏3天和6天后的转录组变化，筛选差异表达基因并进行功能富集分析。进一步，通过加权基因共表达网络分析识别了与冷害指标高度相关的基因模块。最后，整合代谢组学与转录组学数据，通过相关性分析（Pearson相关）建立了嘌呤代谢通路中差异丰度代谢物与差异表达基因之间的潜在联系，并通过实时荧光定量PCR验证了部分基因的表达模式。转录因子分析则基于差异表达转录因子基因的筛选及其与嘌呤代谢基因的相关性分析。

3. 研究结果

3.1. ABA预处理在适当浓度下可诱导冷藏黄瓜的耐冷性

剂量效应实验表明，0.05 mM、0.1 mM和0.2 mM ABA处理均能显著降低冷藏期间的冷害指数，其中0.1 mM ABA处理的效果最佳，而0.5 mM ABA反而加重了冷害。随后验证实验证实，0.1 mM ABA处理显著降低了冷藏黄瓜果实的Y(NO)值、冷害指数、相对电渗率和次生病害指数，同时提高了Fv/Fm值和可溶性固形物含量，但对果实硬度无显著影响。这表明0.1 mM ABA预处理能有效诱导黄瓜果实的耐冷性。

3.2. ABA处理诱导的代谢组学变化

代谢组学分析显示，ABA处理显著改变了黄瓜果皮在冷藏6天和12天时的代谢谱。差异丰度代谢物的KEGG富集分析表明，在6天和12天的比较组中，嘌呤代谢都是最显著富集的通路之一，提示其在ABA诱导的耐冷性中可能起重要作用。对嘌呤代谢通路中11个差异丰度代谢物的积累模式分析显示，ABA处理对其具有复杂的时空调控效应，例如部分代谢物在6天时含量高于对照而在12天时低于对照。

3.3. ABA处理诱导的转录组学变化

转录组学分析发现，ABA处理在冷藏3天和6天后分别诱导了2168个和6279个差异表达基因。KEGG富集分析显示，6天比较组中的差异表达基因在嘌呤代谢通路中显著富集（46个基因），这从转录水平证实了嘌呤代谢参与ABA介导的耐冷性。加权基因共表达网络分析进一步识别出一个与多个冷害指标显著相关的棕色模块，该模块中的基因也在嘌呤代谢通路中富集，并包含E3泛素连接酶和pentatricopeptide重复蛋白等关键调控因子。

3.4. 代谢组学与转录组学的整合分析

研究人员在嘌呤代谢通路中鉴定出9个差异丰度代谢物与16个差异表达基因之间存在强相关性（相关系数R²> 0.8）。这些差异表达基因功能注释涉及腺苷酸激酶、磷酸核糖甲酰甘氨脒合成酶、核糖核苷酸还原酶、尿酰基乙醇酸水解酶等，它们在嘌呤的生物合成、分解和核苷酸转换中发挥关键作用。这进一步支持了嘌呤代谢在ABA诱导耐冷性中的直接参与。

3.5. ABA预处理对能量状态和活性氧代谢的影响

生理测定结果表明，与对照相比，ABA处理显著提高了冷藏期间黄瓜果实的ATP、ADP含量和能量电荷，并降低了AMP含量，表明其增强了细胞的能量供应。同时，ABA处理增强了过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性，从而显著降低了H₂O₂的积累水平，表明其改善了活性氧代谢平衡。

3.6. ABA处理影响的转录因子

转录组分析筛选出在3天和6天比较组中共同差异表达的转录因子基因82个，主要属于MYB、AP2和bHLH家族。相关性分析发现，其中8个转录因子基因（来自MYB、ERF、bHLH家族）与嘌呤代谢通路中的8个差异表达基因存在强相关性，提示这些转录因子（如ERF11、ERF118、bHLH112、REVEILLE 8）可能在ABA调控嘌呤代谢基因表达中扮演枢纽角色。

4. 讨论总结与研究结论

讨论部分总结如下：本研究明确了0.1 mM ABA是诱导黄瓜果实耐冷性的最佳浓度。叶绿素荧光参数（Y(NO)和Fv/Fm）与传统的冷害指标高度相关，可作为评估冷害的有效指标。整合多组学分析表明，嘌呤代谢是ABA诱导耐冷性的核心通路。ABA处理通过调控嘌呤代谢，可能从多个方面发挥作用：其一，嘌呤代谢产物ATP、GTP作为能量载体，ABA处理提高了能量状态，为抵抗冷胁迫提供了充足的能量供应。其二，嘌呤代谢的某些中间产物（如尿囊素）已知可影响激素代谢和活性氧水平，本研究也发现ABA处理调节了多种内源激素（包括ABA、水杨酸、茉莉酸）水平，并通过增强抗氧化酶活性降低了H₂O₂积累，从而维持了激素平衡和活性氧稳态。其三，转录因子（MYB、ERF、bHLH）和泛素化相关蛋白（如E3泛素连接酶）可能作为上游调控因子，协调嘌呤代谢及相关防御反应。除了嘌呤代谢，MAPK信号通路、植物-病原互作、苯丙素和类黄酮生物合成等防御通路也显著富集，表明ABA处理启动了一个全面的防御网络来应对冷胁迫。

研究结论翻译：

本研究通过整合表型、生理、代谢组学和转录组学数据，系统研究了ABA处理减轻黄瓜果实冷害的潜力。研究人员确定0.1 mM ABA是诱导耐冷性的最佳浓度，证据包括冷藏期间显著降低的相对电渗率和叶绿素荧光损失，更好地维持了果实硬度和可溶性固形物含量，以及更高的能量供应和抗氧化活性。未来的研究应进一步调查ABA处理后是否在黄瓜果实中残留，以及残留的ABA可能如何影响感官品质。

本研究的整合代谢组学和转录组学分析揭示，ABA诱导的黄瓜果实耐冷性与嘌呤代谢的显著改变密切相关。转录组学分析进一步强调了该通路的重要性，显示了嘌呤代谢中富集的差异表达基因，以及嘌呤代谢物与其对应基因之间的强相关性。这表明嘌呤代谢是ABA对抗冷胁迫保护作用的核心组成部分，即ABA介导的嘌呤代谢可能在关键的生理过程中发挥作用。此外，研究结果表明存在一个涉及泛素化和特定转录因子（MYB、ERF和bHLH家族）的调控级联，该级联可能协调嘌呤代谢参与细胞对冷害的响应。总之，本研究强调了嘌呤代谢对ABA诱导的黄瓜果实耐冷性的重要贡献，并为开发增强这种重要农产品贮藏性和品质的新策略奠定了基础。