转录组和代谢组学分析揭示褪黑素调控梨果皮酚类代谢机制：提升果实品质的新视角

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Transcriptomic and metabolomic analyses reveal phenolic metabolism regulated by melatonin in pear peel

为探究采前喷施褪黑素对梨果皮酚类物质代谢的调控机制，中国农业科学院果树研究所等机构的研究人员以 “玉露香” 梨为材料展开研究。结果表明，100 μM 褪黑素可提升果实品质，影响酚类代谢关键基因表达。该研究为调控梨果实酚类合成提供理论依据。

　　在水果的世界里，梨凭借多汁的口感和丰富的营养深受人们喜爱。酚类物质作为梨果实中的重要次生代谢产物，不仅影响着果实的外观、风味，还与果实的抗病虫能力息息相关，甚至对人体健康有着积极作用，比如具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤等功效。然而，梨果实中酚类物质的含量受到多种因素影响，其中褪黑素虽对果实生长发育至关重要，但采前喷施褪黑素调控梨果皮酚类化合物代谢的机制却尚不明确。

为了揭开这一神秘面纱，中国农业科学院果树研究所和西南大学的研究人员开展了深入研究。他们以 “玉露香” 梨为研究对象，通过多学科综合研究方法，包括生理生化分析、转录组学和代谢组学研究，全面探索褪黑素对梨果皮酚类物质合成的影响及其调控机制。

研究结果意义重大。一方面，发现采前喷施 100 μM 褪黑素能够显著增加单果重量、总可溶性固形物（TSS）含量以及 TSS/TA 比值，有效提升果实的内在和外观品质。另一方面，明确了褪黑素可促进果皮中酚类物质（如花色苷、绿原酸和木质素）的积累，影响信号转导、激素调节、葡萄糖代谢等多条关键代谢途径，以及苯丙烷生物合成和类黄酮生物合成等重要代谢通路中的关键基因表达。此外，研究还筛选出 12 个可能参与褪黑素调控多酚生物合成的关键转录因子。这些发现为深入理解褪黑素调控梨果皮酚类化合物代谢的机制提供了全面视角，为进一步精准调控梨果实酚类物质合成奠定了坚实基础。

研究人员开展研究时主要运用了以下关键技术方法：

1. 转录组测序：从梨果皮样本中提取总 RNA，构建 cDNA 文库，在 Illumina NovaSeq 6000 平台测序，以 “砀山酥梨” 基因组为参考进行数据分析，筛选差异表达基因（DEGs）。
2. 代谢组测定：采用 UPLC-MS/MS 技术对梨果皮样本进行广泛靶向代谢组分析，通过特定的样品处理和色谱条件，检测代谢物含量变化，筛选差异表达代谢物（DEMs）。
3. qRT-PCR 分析：运用 Applied Biosystems 7500 Real-Time PCR System，对部分基因进行表达量验证，确保转录组测序结果的可靠性。

下面具体来看研究结果：

1. 褪黑素对梨果实品质的影响：通过对不同处理组果实的重量、TSS、TA 等指标测定，发现 MT₁₀₀和 MT₂₀₀处理显著增加单果重量和 TSS 含量，MT₁₀₀处理还降低了 TA 含量，提高了 TSS/TA 比值。
2. 褪黑素对果皮酚类和木质素含量的影响：连续两年实验表明，喷施 100 μM 褪黑素显著增加果皮中多酚（如绿原酸、芦丁、槲皮素等）、花色苷和木质素含量。
3. 转录组分析：对不同处理组样本进行转录组测序，结果显示 T₁ VS. CK₁组差异表达基因（DEGs）最多。不同比较组的 DEGs 在植物激素信号转导、苯丙烷生物合成等多个代谢途径显著富集，且在果实发育不同阶段，相关代谢途径的活性存在差异。
4. 代谢组分析：利用 UPLC-MS/MS 进行代谢组分析，发现 T₁ VS. CK₁组差异表达代谢物（DEMs）最多。不同比较组的 DEMs 在多种代谢途径富集，包括氨基酸代谢、酚类物质代谢等，且在果实发育不同阶段，代谢物的积累模式不同。
5. 转录组和代谢组关联分析：筛选出 DEGs 和 DEMs 共响应的代谢途径，如苯丙烷生物合成途径。在该途径中，多个关键基因（如 PAL、4CL 等）和代谢物（如 L - 苯丙氨酸、肉桂醛等）受到褪黑素调控。
6. 关键转录因子筛选：分析不同比较组中差异表达的转录因子，发现 AP2/ERF、NAC、MYB 和 WRKY 家族转录因子显著差异表达。其中，PbrMYB4 等 12 个转录因子可能是褪黑素介导酚类代谢的关键调控因子。
7. DEGs 准确性验证：通过 qRT-PCR 对随机选取的 12 个 DEGs 进行验证，结果表明 RNA 测序和 qRT-PCR 数据趋势基本一致，证实了 RNA 测序结果的可靠性。

研究结论和讨论部分指出，适当浓度的褪黑素可提升果实品质，且低浓度效果优于高浓度。褪黑素可能通过促进关键基因表达或同时调节不同关键基因，增强果皮中花色苷和木质素合成。此外，转录组和代谢组分析揭示了多个受褪黑素影响的代谢途径和关键基因，为进一步研究褪黑素调控酚类代谢机制提供了方向。不过，研究也存在一定局限性，如对潜在调控转录因子未进行验证，未来还需进一步深入研究。但总体而言，该研究成果为优化梨果实品质、揭示褪黑素调控酚类代谢的分子机制提供了重要依据，在梨种植和果实品质提升领域具有重要的理论和实践指导意义。