《Potato Research》：Untargeted Metabolomics Reveals Major Patterns of Metabolic Shifts in Potato Seed Tubers during Storage
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为全面了解马铃薯种薯块茎在贮藏期间的代谢变化，并识别与生理老化相关的模式，研究人员采用基于气相色谱-质谱联用（GC–MS）和液相色谱-质谱联用（LC–MS）的非靶向代谢组学方法分析了块茎代谢物组成。在两个季节中，四个对比品种（Agria、Festien、Inn
为全面了解马铃薯种薯块茎在贮藏期间的代谢变化，并识别与生理老化相关的模式，研究人员采用基于气相色谱-质谱联用（GC–MS）和液相色谱-质谱联用（LC–MS）的非靶向代谢组学方法分析了块茎代谢物组成。在两个季节中，四个对比品种（Agria、Festien、Innovator和Lady Claire）的种薯在同一块田中生产，收获后在不同温度下贮藏。贮藏期间，检测到的次级代谢物数量逐渐增加，尤其在较高温度（7–17 °C）下更为明显。主成分分析（PCA）揭示了清晰的品种特异性代谢谱，淀粉品种Festien与其他消费品种明显分离，主要由不同的氨基酸组成引起。PCA进一步突出了低温贮藏（4 °C）对初级代谢的影响，尤其是还原糖的积累，以及贮藏时长和高温对次级代谢物（特别是糖苷生物碱）的联合效应。因子分析（FA）支持了这些发现，大多数代谢物与区分Festien品种与其他品种的因子强相关。此外，主要因子捕捉了品种特异性模式和反映贮藏时长与温度效应的多样化轨迹。这些结果共同提供了贮藏期间代谢动态的全面概览，并有助于理解代谢物在块茎生理老化中的功能作用。
**研究背景、现存问题及研究目的**
马铃薯（*Solanum tuberosum* L.）通常以营养繁殖方式栽培，种薯块茎是下一种植周期的起始材料。在多数产区，种薯需经历长时间贮藏。贮藏期间，块茎处于持续代谢活跃状态，经历休眠、顶端优势、多芽萌发及衰老等生理老化阶段（Struik and Wiersema 1999）。生理老化受日历年龄、生长史及贮藏条件等多因素影响（Struik 2018），且存在品种特异性效应（Zou et al. 2024）。生理年龄显著影响种薯活力，进而决定后续作物表现与产量（Iritani et al. 1983；van der Zaag and van Loon 1987）。此前研究报道了与生理老化相关的若干代谢物变化，例如蔗糖、苹果酸、多胺及缬氨酸、赖氨酸、异亮氨酸等氨基酸增加，柠檬酸和脱落酸（ABA）普遍下降（Rumpf 1972；Shekhar and Iritani 1979；Apelbaum 1984；Reust and Aerny 1985；Suttle 1995；Biemelt et al. 2000；Fukuda et al. 2019）。萌发过程中，多胺（腐胺、亚精胺、精胺）、有机酸（柠檬酸、琥珀酸）及块茎酸水平升高，赤霉素、细胞分裂素等植物激素浓度上升，ABA下降（Kaur-Sawhney et al. 1982；Suttle 1995，2004；Viola et al. 2007；Suttle et al. 2011）。萌发还伴随糖苷生物碱（主要为α-茄碱和α-卡茄碱）的大量积累（Friedman and Dao 1992）。此外，低温贮藏（<7 °C）促进淀粉转化为还原糖（葡萄糖和果糖），即冷诱导甜化（Sowokinos 2001）。然而，尚未发现单一代谢物或代谢物类别可作为生理老化的调节因子。因此，需要采用能够获取广泛代谢谱并解释多种交互因子影响下代谢变化规律的综合方法。
**研究内容与主要结论**
研究人员在两个生长季（2019/2020和2021/2022）中，于荷兰同一实验田（Munnekezijl，约53°20′ N，6°15′ E）生产四个品种（Agria、Festien、Innovator、Lady Claire）的种薯，采用随机区组设计（三个区组）。收获后将块茎贮藏于不同温度（2019/2020：4、7、10 °C；2021/2022：4、10、17 °C），每月取样。通过GC–MS和LC–MS平台进行非靶向代谢组学分析，共检测到（过滤后）2019/2020季节933个代谢物（104个GC–MS、829个LC–MS），2021/2022季节492个代谢物（117个GC–MS、375个LC–MS）。主成分分析（PCA）显示，品种间代谢谱存在显著差异，淀粉品种Festien区别于消费品种，主要由氨基酸组成差异驱动。低温贮藏（4 °C）对初级代谢影响显著，尤其导致还原糖积累；贮藏时长与高温联合效应则主要影响次级代谢物，特别是糖苷生物碱。因子分析（FA）识别出12个潜在因子，其中因子1（F1）解释最大方差且与大多数代谢物相关，主要反映品种差异（Festien中代谢物丰度较高）。其他因子捕捉了品种特异性动态及贮藏时间与温度的交互效应。研究结果系统揭示了贮藏期间代谢动态，为理解块茎生理老化的代谢基础提供了重要依据。论文发表在《Potato Research》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用基于气相色谱-质谱联用（GC–MS）和液相色谱-质谱联用（LC–MS）的非靶向代谢组学技术。样本来源于两个生长季（2019/2020和2021/2022）中荷兰同一实验田生产的四个品种（Agria、Festien、Innovator、Lady Claire）种薯，每个品种设三个田间区组。收获后块茎于不同温度（4、7、10 °C或4、10、17 °C）下贮藏，每月取样。代谢物提取后经GC–MS（分析初级代谢物）和LC–MS（分析半极性次级代谢物）检测，原始数据经Metalign和MSClust预处理，通过PCA和FA进行多元统计解析。
**研究结果**
**Number of Metabolites（代谢物数量）**
通过GC–MS和LC–MS分别检测初级和次级代谢物。结果表明，品种间代谢物数量差异显著，淀粉品种Festien在贮藏初期即具有最多的LC–MS代谢物。贮藏期间，LC–MS代谢物数量显著增加，尤其高温条件下；GC–MS代谢物数量变化较小，且低温（4 °C）下数量略高。贮藏温度与时长对LC–MS代谢物数量存在显著交互作用，提示次级代谢物更直接参与生理老化进程。
**Multivariate Analyses（多元分析）**
**PCA Indicates Key Roles of Cultivar, Storage Temperature, and Storage Duration in the Tuber Metabolome（PCA表明品种、贮藏温度和贮藏时长在块茎代谢组中的关键作用）**
对GC–MS和LC–MS数据分别进行PCA。GC–MS的PCA中，PC1在2019/2020季节分离Festien与其他品种（缬氨酸负载最高），PC2区分4 °C与较高温度贮藏的块茎。2021/2022季节因温度范围更宽，温度效应更显著。品种特异性PCA中，PC1多对应冷诱导甜化（甘露糖、果糖等糖类），PC2反映氨基酸动态（酪氨酸、苏氨酸）。LC–MS的PCA中，PC1主要捕捉品种差异（Festien和Innovator分离，Agria与Lady Claire部分重叠反映遗传关系），PC2反映随贮藏时长和温度升高的代谢轨迹。5-咖啡酰奎宁酸在2021/2022季节的PC2负载最高。品种特异性PCA中，PC1主要由糖苷生物碱（茄碱、卡茄碱）驱动，Festien中则以pleoside为主。
**FA: Top Factors Indicate Dominant Patterns of Metabolic Shifts（FA：顶级因子指示代谢变化的主要模式）**
对GC–MS与LC–MS合并数据进行FA，每季提取12个因子。因子1（F1）解释最大方差，与半数以上代谢物相关，且主要为正负载（LC–MS代谢物为主）；多数GC–MS代谢物呈负负载。跨季节一致负负载于F1的代谢物包括阿魏酸、甘氨酸、苏氨酸，正负载包括地衣酚龙胆二糖苷、脱氢卡茄碱和半乳糖酸。谷氨酸、天冬酰胺等在2021/2022季节呈负负载。因子得分图显示，F1在Festien中显著高于其他品种；F2、F3等因子表现出品种特异性时间与温度模式。例如，2019/2020季节的F5呈先升后平台（低温）或下降（高温）趋势，可能与衰老或萌发能力相关。品种特异性FA中，F1在所有品种中均随贮藏温度升高而增加，低温效应体现在不同品种的特定因子中。
**总结讨论与结论**
本研究首次采用非靶向代谢组学方法，结合多品种、多温度和多时间点的实验设计，全面解析了马铃薯种薯贮藏期间的代谢动态。结果显示，品种是代谢组变异的主要来源，尤其淀粉品种Festien与其他消费品种在氨基酸组成和次级代谢物谱上存在根本差异。低温贮藏显著影响初级代谢，导致还原糖积累（冷诱导甜化），而高温与长时间贮藏则驱动次级代谢物（如糖苷生物碱）的积累，这些变化与生理老化和萌发密切相关。因子分析有效识别了主导代谢变异模式的潜在因子，其中大多数代谢物受品种因子主导，而贮藏温度和时长则通过其他因子产生特定效应。部分因子呈现先升后平台或下降的轨迹，可能与种薯萌发能力等质量性状关联。尽管LC–MS平台在第二季因技术问题导致检测代谢物数量减少，但跨季节一致的模式验证了结果的稳健性。
**研究结论**（翻译自原文结论部分）：这些结果共同提供了贮藏期间代谢动态的全面概览，并有助于理解代谢物在块茎生理老化中的功能作用。
