文章標題：Integrating proteomics and metabolomics approaches to elucidate the ripening process in white Psidium guajava

發表期刊：Food Chemistry

發表時間：2022.01

影響因子：7.514/Q1

組學技術：代謝組學、蛋白質組學

1、研究背景

番石榴(Psidium Guajava)，是一種營養豐富的熱帶水果，大小、形狀各異，含有較多的抗氧化化合物，如維生素C、多酚和類胡蘿卜素。盡管番石榴有非常高的營養價值和保健價值，但與其相關綜合研究甚少，特別是番石榴成熟過程中的生物化學和分子機制研究。

百趣解讀，水果可根據其在成熟過程中的呼吸模式不同大致分為躍變型和非躍變型成熟。就番石榴而言，躍變型和非躍變型呼吸模式取決于特定的品種?？傮w而言，躍變型成熟與乙烯爆發有關，而非躍變型成熟的生理和分子基礎仍然知之甚少。參與調控水果成熟過程的生長調節劑與某些關鍵代謝途徑可能存在關聯，此外，對番茄、山竹及香蕉成熟過程的組學研究，揭示了乙烯、脫落酸(ABA)和其他生長調節劑對果實成熟的重要性。

百趣解讀，作者通過對白番石榴兩個成熟階段的不同果實部位進行了蛋白質組學和代謝組學研究，深入挖掘白番石榴成熟過程中的潛在分子機制，并找出乙烯和脫落酸(ABA) 信號通路與番石榴成熟過程中的生化變化的調控關聯。該研究結果將為進一步探究番石榴成熟過程中植物生長調節劑參與調控機制提供理論依據。

2、研究設計

3、研究結果

（1）蛋白組學分析

百趣解讀，在本研究中，作者對MG和MY兩組的番石榴果皮、果肉組織進行蛋白組學檢測。在白番石榴果皮、果肉中分別鑒定出2695種、3166種蛋白質。在番石榴成熟過程中，果皮和果肉部位出現蛋白質的顯著累積。比較蛋白質組學分析在果皮和果肉組織中分別鑒定出859和817個差異蛋白質，其中約133個在兩種組織部位同時鑒定為差異蛋白。顯著累積的蛋白質涉及到了茉莉酸生物合成、生長素運輸和乙烯等信號通路（圖1）。對番石榴、番茄、山竹和獼猴桃在成熟過程中鑒定的差異蛋白質的同源序列進行了比較蛋白組學分析，發現存在大量的直系同源體參與了果實成熟調控過程（圖2）。

圖1. 番石榴果肉和果皮樣本蛋白組學分析

圖2. 與山竹、獼猴桃和番茄中與成熟過程相關的差異累積蛋白質比較分析

（2）非靶標代謝組學及靶標代謝組學分析

本研究中對MG和MY兩組樣本進行非靶標代謝組學檢測發現31個累積過度和47個累積下降的代謝物。在MG/MY組實驗樣本中，累積量過度代謝物主要涉及了葉綠素代謝、膽固醇、類胡蘿卜素生物合成等代謝途徑（圖3A）。此外，在MY/MG組實驗樣本中累積量下降代謝物涉及的主要途徑有（圖3B）類黃酮生物合成、次級代謝的生物合成、單萜類化合物等代謝途徑。

百趣解讀，基于非靶標代謝組學分析結果，對色素、ACC、ABA和酚類物質含量進行靶標代謝組學檢測。靶標代謝組學研究結果表明MY果皮中色素含量顯著低于MG果皮，例如β-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素、紫黃質、花藥黃素、葉黃素、α-生育酚和葉綠素B的含量在MY樣品中顯著低于MG樣品（圖3C）；整果中ACC和ABA的含量，MY顯著高于MG（圖3D、E）；在酚類物質中定量分析了17種屬于不同化學亞類的代謝物，研究發現多數已鑒定的酚類物質在果皮中的濃度與其他組織相比較高（表1）。

圖3. 代謝組學分析

表1. 酚類定量分析代謝物信息表

（3）蛋白組學及代謝組學聯合分析

作者通過對蛋白質組學和代謝組學(非靶標和靶標)的結果進行組學數據整合分析，揭示了乙烯、類胡蘿卜素、ABA和酚類生物合成途徑在番石榴成熟過程中的重要作用。結果表明ACC（乙烯前體）和ACC氧化酶（ACO4）的過度累積；在類胡蘿卜素和脫落酸代謝途徑中β-胡蘿卜素、花藥黃質和紫黃質等前體物質含量減少，而黃質苷、脫落醛和脫落酸含量卻呈現增加趨勢；酚類生物合成相關酶主要積累在MY組番石榴果皮組織中（例如：分支酸生物合成調控酶）；花青素在MY樣品中的水平低于MG樣品（圖4）。

圖4. 蛋白組學與代謝組學整合分析

（4）總結

番石榴成熟是一個極其復雜的生化過程，涉及不同的生長調節劑及其信號傳導機制，其中ABA 和乙烯在生化修飾過程中發揮著重要作用。該研究結果為白番石榴歸屬于躍變型成熟提供理論支撐。因該研究揭示番石榴成熟過程中外部感應和信號轉導所涉及的分子機制，其中生長調節劑可以微調果實性狀的生化變化。此外，組學數據聯合分析揭示了番石榴成熟過程中潛在的代謝途徑調節，突出了乙烯和ABA等生長調節劑作為可能的主要調節劑，并揭示了初級和次級代謝產物的差異累積（圖5）。

圖5. ABA和乙烯信號在苯丙素途徑激活中的協同作用

5、百趣小結

研究目的

多組學研究白番石榴成熟過程內在調節機制。

研究結果

百趣解讀，本研究選擇白番石榴成熟過程中的兩個階段，通過對不同組織進行代謝組學和蛋白組學分析，研究了白番石榴在成熟過程中代謝調控機制，研究發現蛋白出現累積，其中差異累積蛋白涉及了茉莉酸生物合成、生長素運輸和乙烯等信號通路；同時代謝組學數據表明，差異累積代謝物主要參與葉綠素代謝、膽固醇、類胡蘿卜素生物合成等代謝途徑；將蛋白組學數據與代謝組學數據聯合分析，揭示了乙烯、類胡蘿卜素、ABA和酚類生物合成途徑在番石榴成熟過程中的重要作用，并為白番石榴歸屬于躍變型成熟提供理論依據。

提升空間

在本研究的代謝組物質鑒定中，因其所用數據庫的局限性只發現較少的植物代謝物（30-50），可采用專門針對植物研究領域構建的植物廣泛靶標代謝組學技術，該技術定性物質數可達1000+，極大的提升了數據的挖掘空間，對于做植物代謝組的學者來說是目前更為適用的一種新技術。

文/阿趣代謝組學