不同菜用甘薯品種莖尖代謝產(chǎn)物鑒定及途徑分析

摘要：為研究代謝產(chǎn)物對甘薯生長發(fā)育的影響，以甘薯莖尖為研究對象，利用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（liquidchromatograph-mass spectrometer，LC-M）分離鑒定南寧菜、福菜薯18號、桂菜薯1號、桂菜薯2號、福薯7-6和臺農(nóng)71共6種菜用甘薯的差異代謝產(chǎn)物，探討代謝途徑的差異。結(jié)果表明，6個甘薯品種共得到差異代謝物4 210種，其中上調(diào)2 229種，下調(diào)1 981種，表明不同甘薯品種間存在顯著差異。差異代謝物涉及的代謝途徑主要包括初級膽汁酸生物合成、吲哚生物堿生物合成、黃酮和黃酮醇生物合成和色氨酸代謝，且不同品種間差異代謝物的積累和代謝途徑也存在較大差異。因此，推測差異代謝物的積累和代謝途徑的差異對甘薯品質(zhì)起著關(guān)鍵作用。以上研究結(jié)果為進(jìn)一步分析不同品種甘薯品質(zhì)差異的機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：菜用甘薯；莖尖；代謝產(chǎn)物；代謝途徑doi：10.13304/j.nykjdb.2024.0371

中圖分類號：S531；Q591 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008‐0864（2025）02‐0062‐08

甘薯是我國重要的食品和工業(yè)原料作物，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[1]。盡管儲藏根是其主要食用部位，但甘薯的莖葉也被視為綠色蔬菜，并因其豐富的營養(yǎng)成分和健康益處而備受關(guān)注。然而對于不同品種菜用甘薯的代謝特征和代謝通路差異了解尚不充分[2-3]。

甘薯莖葉富含維生素、礦物質(zhì)、葉酸、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分以及多酚、綠原酸、黃酮等有益健康的功能成分，這不僅使其成為重要的蔬菜、飼料來源，也將使其成為加工利用的新對象[4]。綠原酸是甘薯中酚酸類物質(zhì)的主要成分，具有抗氧化、抗誘變和清除自由基等抗氧化特性[5]，意味著食用甘薯莖葉具有多種健康益處，如抗衰老、抗癌、抗菌、抗炎、抗高血壓和抗糖尿?。á蛐停┳饔肹6]。目前，消費者對甘薯莖葉的營養(yǎng)成分、生物活性和潛在健康益處越來越關(guān)注。研究表明，在甘薯中鑒定出的主要酚類化合物是酚酸和黃酮類化合物，其組成和含量因甘薯種類而存在差異[7]。劉主等[6]通過對糖尿病鼠進(jìn)行試驗發(fā)現(xiàn)，甘薯中的糖蛋白具有降血糖作用。曾果等[7]通過生物強(qiáng)化技術(shù)培育的高β-胡蘿卜素甘薯品種具有為兒童補(bǔ)充維生素A的作用。有關(guān)甘薯中酚類化合物的特征已有研究，然而關(guān)于甘薯中這些化合物的定量和表征信息有限。代謝組學(xué)研究能夠全面地揭示生物體內(nèi)代謝物的變化[8-9]，但在菜用甘薯方面的應(yīng)用尚未充分展開。本研究以6種菜用甘薯的莖尖為研究對象，通過主成分（principa component，PC）分析、偏最小二乘判別分析（orthogonal partial leastsquares discriminant analysis，OPLS-DA）等多元統(tǒng)計分析方法分析不同品種間的差異代謝產(chǎn)物和代謝通路，從而為菜用甘薯的品質(zhì)改良和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022年在廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院明陽基地 （22°27′18″—22°36′29″N，108°2′—108°18′E） 溫室大棚進(jìn)行，土壤為赤紅壤。甘薯株行距為20 cm×20 cm，栽插密度為250 500株·hm?2，田間管理同當(dāng)?shù)厮?。栽插?0 d，摘取莖尖，樣品儲藏在?80 ℃冰箱備用，每品種6個生物學(xué)重復(fù)用于代謝產(chǎn)物測定。

1.2 試驗材料

選取南寧菜（NNC）、福菜薯18號（FCS18）、桂菜薯1 號（GCS1） 、桂菜薯2 號（GCS2） 、福薯7-6（FS7-6）和臺農(nóng)71（TN71）共6個甘薯品種。南寧菜株型匍匐型，頂芽和頂葉黃綠色，成葉墨綠色，葉心形或心形帶齒，葉脈、葉脈基部、葉柄、柄基及莖均為綠色，葉片較大，莖直徑較粗，分枝數(shù)中等，味甜、軟滑，且葉片較耐煮、不爛，食味好。福菜薯18 號株型短蔓半直立，萌芽性能好，葉心形，帶齒，莖尖無茸毛；植株生長旺盛，腋芽再生能力強(qiáng)；中抗甘薯根腐病、甘薯莖線蟲病，感甘薯黑斑病；耐濕耐水肥。桂菜薯1號株型表現(xiàn)為直立或半直立，莖端無茸毛，葉形深裂復(fù)缺刻，頂葉綠色或黃綠色，莖色綠，無茸毛，燙后顏色綠，有香味、甜味和滑膩感。桂菜薯2號株型表現(xiàn)為直立或半直立，莖端無茸毛，葉形深裂復(fù)缺刻，頂葉黃綠色或綠色，成葉深綠色，莖綠色，莖尖燙熟后顏色綠色，有香味和甜味，無澀味。福薯7-6株型短蔓半直立，頂葉、成葉、葉脈、葉柄和莖蔓均為綠色。葉脈基部淡紫色，葉心形，莖尖絨毛少，食味清甜，無苦澀味，適口性好。臺農(nóng)71株型短蔓半直立，基部分枝多，頂葉、成葉、葉脈、葉柄、莖蔓均為綠色，葉心形，茸毛少，口感鮮嫩滑爽。

1.3 試驗方法

1.3.1 菜用甘薯樣品預(yù)處理 選取完整、成熟的甘薯莖尖，放入研缽研磨，將研磨好的粉末樣品儲存于?80 ℃ 冰箱備用。

1.3.2 代謝產(chǎn)物提取 取 100 mg 研磨樣本，置于 EP 管中，加入500 μL 的 80%甲醇水溶液；渦旋振蕩，冰浴靜置 5 min，4 ℃、15 000 r·min?1離心20 min；取一定量的上清加質(zhì)譜級水稀釋至甲醇含量為53%；4 ℃、15 000 r·min?1離心20 min，收集上清，進(jìn)行液相色譜? 質(zhì)譜聯(lián)用儀（liquidchromatograph mass spectrometer，LC-MS）分析[10]。

1.3.3 LC-MS 分析 ①色譜條件。在LC-MS 系統(tǒng)，分析條件如下：取5 μL提取物進(jìn)行色譜分離，色譜柱（100 mm×2.1 mm，1.7 μm， Waters，USA）柱溫為40 ℃，流速為0.35 mL·min?1，其中流動相包括水和 0.1%甲酸溶液（溶劑A）、5%乙腈溶液（溶劑B）。 洗脫梯度程序：以5%溶劑B為起始條件，保持1 min；并將5%～100% B 保持8.0 min；隨后在 9.0—12.0 min使用100%溶劑B；最后在12.0—15.0 min使用5%溶劑B。

②質(zhì)譜條件。在Q ExactiveTM HF-X質(zhì)譜儀上進(jìn)行質(zhì)量采集，該系統(tǒng)在電噴霧電離正負(fù)模式下運行，設(shè)置如下：一級離子掃描m/z范圍：80～1 200，分辨率 70 000，二級打碎片離子分辨率 17 500，能量梯度為 20/50；在正、負(fù)模式下，噴霧電壓分別為：3.50、3.00 kV，離子源溫度為300 ℃。

1.4 數(shù)據(jù)分析

將質(zhì)譜分析采集得到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過Compound Discoverer 2.1（Thermo Fisher Scientific）軟件處理，獲得整理好的數(shù)據(jù)后，將其導(dǎo)入MetaboAnalyst 進(jìn)行主成分（PC）分析、正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA），以篩選不同甘薯品種的差異代謝物，并進(jìn)行KEEG（kyoto encyclopedia ofgenes and genomes）通路分析和代謝通路分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析和偏最小二乘法判別分析

為比較不同甘薯品種的代謝物組成，通過非靶向LC-MS獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分（PC）分析，結(jié)果（圖1）表明，正離子模式下，PC1和PC2的貢獻(xiàn)率分別為18.8% 和12.7%，累計貢獻(xiàn)率為31.5%；負(fù)離子模式下，PC1和PC2的貢獻(xiàn)率分別為21.6%和14.2%，累計貢獻(xiàn)率為35.8%。不同品種間較分散，而同一品種的不同生物學(xué)重復(fù)聚集在一起。同時樣本均分布在95%置信區(qū)間，表明分析結(jié)果可靠，不同甘薯品種的代謝物存在差異。

OPLS-DA結(jié)果（圖2）表明，R2 和Q2 值均大于0.9，說明模型有效，預(yù)測能力好。通過置換檢驗對模型有效性做進(jìn)一步的檢驗，結(jié)果表明，6個甘薯品種之間有顯著性差異（Plt;0.05），說明模型穩(wěn)健性好，不存在過擬合現(xiàn)象。福菜薯18號與南寧菜、桂菜薯1 號與南寧菜、桂菜薯1 號與福菜薯18號、桂菜薯2號與南寧菜、桂菜薯2號與福菜薯18號、桂菜薯2號與桂菜薯1號、福薯7-6與南寧菜、福薯7-6 與福菜薯18 號、福薯7-6 與桂菜薯1號、福薯7-6與桂菜薯2號、臺農(nóng)71與南寧菜、臺農(nóng)71與福菜薯18號、臺農(nóng)71與桂菜薯1號、臺農(nóng)71與桂菜薯2號、臺農(nóng)71與福薯7-6樣品間差異較大，說明不同甘薯品種存在差異，而同一品種內(nèi)的6次生物學(xué)重復(fù)較集中，即組內(nèi)差異較小。

2.2 不同甘薯品種間差異代謝物的篩選

將變量投影重要性（variable importance inprojection， VIP）≥1、Plt;0.05 和倍數(shù)變化（foldchange，F(xiàn)C） ≥ 2的差異代謝物定義為顯著性差異代謝物。由表1可知，福菜薯18號和南寧菜之間有314 種顯著差異代謝物，其中189 種上調(diào)，125種下調(diào)；桂菜薯1號和南寧菜之間有304種顯著差異代謝物，其中166種上調(diào)，138種下調(diào)；桂菜薯1號和福菜薯18號之間有253種顯著差異代謝物，其中138種上調(diào)，115種下調(diào)；桂菜薯2號和南寧菜之間有300種顯著差異代謝物，其中148種上調(diào)，152種下調(diào)；桂菜薯2號和福菜薯18號之間有311種顯著差異代謝物，其中155種上調(diào)，156種下調(diào)；桂菜薯2號和桂菜薯1號之間有292種顯著差異代謝物，其中132種上調(diào)，160種下調(diào)；福薯7-6和南寧菜之間有287種顯著差異代謝物，其中162種上調(diào)，125種下調(diào)；福薯7-6和福菜薯18號之間有254 種顯著差異代謝物，其中116 種上調(diào)，138種下調(diào)；福薯7-6和桂菜薯1號之間有276種顯著差異代謝物，其中126種上調(diào)，150種下調(diào)；福薯7-6和桂菜薯2號之間有315種顯著差異代謝物，其中154種上調(diào)，161種下調(diào)；臺農(nóng)71和南寧菜之間有331種顯著差異代謝物，其中185種上調(diào)，146種下調(diào)；臺農(nóng)71和福菜薯18號之間有272種顯著差異代謝物，其中146 種上調(diào)， 126 種下調(diào)；臺農(nóng)71和桂菜薯1號之間有209種顯著差異代謝物，其中119種上調(diào)，90種下調(diào)；臺農(nóng)71和桂菜薯2號之間有209種顯著差異代謝物，其中132種上調(diào)，77種下調(diào)；臺農(nóng)71和福薯7-6之間有283種顯著差異代謝物，其中162種上調(diào)，122種下調(diào)。在福菜薯18號和南寧菜中檢測到的上調(diào)差異代謝物最多，而在臺農(nóng)71和桂菜薯2號最少。在臺農(nóng)71和福薯7-6中檢測到的下調(diào)差異代謝物數(shù)量最高，在臺農(nóng)71和桂菜薯2號最少。各品種間的差異代謝物均有所不同，呈現(xiàn)出顯著差異，推測6種甘薯品種的差異是由于代謝物差異所致。綜上，南寧菜和福菜薯18 號、桂菜薯1 號、桂菜薯2號、福薯7-6、臺農(nóng)71間的代謝物譜差異較大。

2.3 差異代謝富集分析

KEGG 富集分析結(jié)果表明，福菜薯18 號、桂菜薯1 號、桂菜薯2 號、福薯7-6、臺農(nóng)71 與南寧菜的差異代謝物分別涉及72、81、80、60、63條通路，主要通路如圖3 所示。福菜薯18 號與南寧菜的差異代謝物主要富集在色氨酸代謝、吲哚生物堿生物合成，其中注釋到色氨酸代謝途徑的差異代謝物最多，其次是次生代謝物的生物合成途徑。值得注意的是，生物堿合成相關(guān)的代謝途徑包括吲哚生物堿生物合成、莽草酸途徑生物堿的生物合成、萜類化合物和聚酮類生物堿的生物合成、皂苷生物堿的生物合成、組氨酸和嘌呤生物堿的生物合成萜烯和聚酮生物堿的生物合成，這些生物合成通路上富集的差異基因在桂菜薯1號和南寧菜數(shù)量較多；除莽草酸途徑生物堿的生物合成外，桂菜薯2號與南寧菜中還顯著富集了與類固醇激素生物合成有關(guān)的代謝途徑。在福薯7-6 與南寧菜的差異代謝物富集分析中，主要是次生代謝物合成的途徑，次生代謝過程被認(rèn)為是植物在長期進(jìn)化中對生態(tài)環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果，在植物適應(yīng)生態(tài)環(huán)境中起重要作用。臺農(nóng)71與南寧菜的差異代謝物富集的代謝通路主要為次生膽汁酸生物合成、黃酮和黃酮醇生物合成[10]、初級膽汁酸生物合成。

3 討論

本研究對6個不同甘薯品種的莖尖進(jìn)行了非靶向代謝組學(xué)檢測，PC分析表明，不同甘薯品種間差異較大。與南寧菜相比，福菜薯18號、桂菜薯1號、桂菜薯2號、福薯7-6和臺農(nóng)71莖尖中的上調(diào)代謝物數(shù)量分別為189、166、148、162和185種，下調(diào)代謝物數(shù)量分別為125、138、152、125、146種，在這些差異代謝物中，僅有46種相同，表明6個甘薯品種的代謝物譜存在顯著差異。Tan等[11]分析不同基因型甘薯的代謝組學(xué)顯示，不同基因型之間存在顯著的代謝差異。這與本研究結(jié)果一致，進(jìn)一步驗證了甘薯不同品種間代謝特征的差異性。福菜薯18號與南寧菜差異代謝物的富集分析表明，色氨酸代謝途徑被顯著富集，注釋到色氨酸代謝途徑的差異基因最多，其次是次生代謝物生物合成途徑。色氨酸可通過一系列酶催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為多種次生代謝產(chǎn)物，如植物激素生長素、色素類黃酮和類黃酮醇等[12]。桂菜薯1 號與南寧菜的差異代謝物也富集在色氨酸代謝途徑，同時還顯著富集于次生膽汁酸生物合成、組氨酸代謝、Ⅱ型聚酮產(chǎn)品的生物合成、初級膽汁酸生物合成；桂菜薯2 號與南寧菜的差異代謝物富集在初級膽汁酸生物合成、次生膽汁酸生物合成、類固醇激素生物合成、碳水化合物的消化和吸收； 臺農(nóng)71與南寧菜的差異代謝物主要富集在次生膽汁酸生物合成、黃酮和黃酮醇的生物合成、初級膽汁酸生物合成。由此表明，南寧菜、福菜薯18號、桂菜薯1號、桂菜薯2號、福薯7-6和臺農(nóng)71的代謝途徑存在顯著差異。色氨酸還參與植物光合作用的調(diào)節(jié)，光合作用是植物能量的主要來源，而色氨酸在光合作用中扮演重要角色，它通過調(diào)控光合作用，影響光合作用的速率和效率[13] 。生長素可調(diào)節(jié)光合作用相關(guān)酶的活性，從而影響光合作用的速率和產(chǎn)物的積累，色氨酸的存在和調(diào)控為植物的能量供給提供了重要保障。色氨酸還可增強(qiáng)植物對各種脅迫的耐受性，包括干旱、高溫、低溫、鹽脅迫等，其通過調(diào)節(jié)植物生長素、抗氧化酶活性以及相關(guān)基因的表達(dá)等途徑發(fā)揮作用。在高粱拔節(jié)期噴施色氨酸能顯著提高籽粒產(chǎn)量、千粒重、莖粗和穗長，同時降低株高、減輕倒伏的風(fēng)險，這一措施還有助于提高高粱植株的SPAD 值和凈光合速率，增加籽粒千粒重，從而達(dá)到增產(chǎn)增收效果[14]。本研究也發(fā)現(xiàn)，差異代謝物顯著富集于色氨酸代謝，因此，南寧菜、福菜薯18號和桂菜薯1號光合作用的增強(qiáng)可能與色氨酸及其產(chǎn)物的增加有關(guān)，通過進(jìn)一步探究甘薯色氨酸代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制，或許能夠發(fā)現(xiàn)類似的促生長效果，從而為甘薯產(chǎn)量和質(zhì)量的改良提供新途徑。同時，色氨酸還可通過合成次生代謝產(chǎn)物的方式，增強(qiáng)植物的抗逆能力。將代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)相結(jié)合，深入理解植物代謝調(diào)控機(jī)理，對深入解析作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的調(diào)控機(jī)制提供了新的方向。

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