对中国云南省特有竹种Chimonocalamus delicatus的香气成分及转录组进行分析

《Industrial Crops and Products》：Analysis of aroma components and transcriptome in Chimonocalamus delicatus an endemic bamboo species from Yunnan, China

本研究通过感官分析、电子鼻、HS-SPME-GC/MS及转录组测序，系统解析了云南黄竹（Chimonocalamus delicatus）不同生长阶段及部位的挥发性成分与生物合成机制。结果表明，竹秆成熟阶段（1-3年）富含愈创木烯（71.37%）和莰烯（8.86%），其香气强度随年龄增长显著提升，且与MEP途径关键基因（DXR、FPS）及萜烯合酶（TPS6、TPS7）的高表达相关。转录组分析揭示竹秆成熟期次生代谢通路激活，而竹笋阶段以醛类、醇类为主。该研究为竹子高附加值利用提供了理论依据。

　　在自然界的众多植物中，竹子以其独特的形态和生态功能而著称。然而，能够分泌芳香油的竹子种类极为稀少，仅有一种，即“Chimonocalamus delicatus”，被广泛认为是这种特性的代表。该竹种因其竹秆内部的芳香油而闻名，这些油在自然状态下仅存在于特定区域，并呈现出复杂的香气特征。本研究旨在通过多维度的方法，深入解析这种竹子的挥发性成分及其形成机制，以期为该物种的高附加值产品开发提供理论依据。

### 1. 研究背景

“Chimonocalamus delicatus”是分布于中国西南地区的一种地方性竹种，尤其在云南省的 Jinping 县具有独特的生态地位。与常见的竹子不同，这种竹子不仅在形态上具有代表性，而且在香气方面展现出显著特征。其竹秆内部的芳香油被广泛应用于食品、化妆品、竹酒和材料工业，显示出潜在的经济价值。尽管已有研究表明，该竹种的香气成分主要由单萜和倍半萜组成，但其生物合成机制尚未完全阐明，这成为当前研究的一个重点。

竹子的挥发性物质研究在国内外都受到关注，尤其是其香气成分的识别和生物合成路径的探索。近年来，随着代谢组学和分子生物学技术的发展，对竹子中挥发性成分的解析取得了重要进展。然而，针对“C. delicatus”这一特定竹种的系统研究仍显不足。本研究通过结合感官分析、电子鼻、固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术（HS-SPME-GC-MS）和转录组测序，全面解析其挥发性成分的组成和形成机制，为竹子资源的高值化利用提供理论支持。

### 2. 研究方法

本研究选取了“C. delicatus”竹种的多个样本，包括不同发育阶段的竹秆（竹笋、一年生、两年生、三年生）以及不同植物部位（枝条、叶片、竹秆、竹鞭）。所有样本均来自云南昆明的西南林业大学，其种植环境为高海拔、干旱区域，这使得竹秆的生长条件与其它地区有所不同。

#### 2.1 感官分析

为了评估不同竹秆发育阶段和不同植物部位的香气特性，本研究采用了人工感官评估方法。通过分析竹秆内部的油含量、香气强度、内部颜色和外部颜色，研究团队发现，随着竹秆的成熟，其香气成分的种类和浓度均显著增加。竹秆的香气强度和油含量在两年生阶段达到最高，而竹笋阶段则相对较低。此外，竹秆的内部颜色从黄色逐渐向绿色转变，这可能与挥发性成分的积累有关。

#### 2.2 电子鼻分析

电子鼻是一种能够模拟人类嗅觉系统的设备，用于检测样品中的挥发性有机化合物（VOCs）。本研究采用电子鼻对不同竹秆发育阶段和不同植物部位的挥发性成分进行了分析。结果表明，不同发育阶段的竹秆在VOCs的组成上存在显著差异，其中两年生阶段的竹秆表现出最强的香气响应。电子鼻的主成分分析（PCA）结果显示，竹秆的挥发性成分在两年生阶段的积累最为显著，而竹笋阶段的挥发性成分则相对较少。此外，电子鼻的雷达图进一步表明，竹秆中的挥发性成分主要由萜烯、芳香化合物和氮氧化物构成。

#### 2.3 HS-SPME-GC-MS分析

HS-SPME-GC-MS是一种高效、非破坏性的挥发性成分分析方法，能够精确识别样品中的挥发性物质。通过这种方法，研究团队成功鉴定了“C. delicatus”竹秆中多种挥发性成分，包括萜烯、醇类、酯类、烷烃类、呋喃类等。研究发现，随着竹秆的成熟，萜烯的相对含量显著增加，而醇类和醛类的含量则有所下降。此外，竹秆中的主要挥发性成分包括α-蒎烯、β-石竹烯、樟脑烯等，这些成分在竹秆和枝条中尤为丰富，而在竹叶和竹鞭中则较少。

#### 2.4 转录组测序

为了进一步解析“C. delicatus”中挥发性成分的生物合成机制，本研究采用了转录组测序技术。通过比对已知的参考基因组（如“Phyllostachys edulis”），研究团队能够识别出与挥发性成分合成相关的基因。这些基因主要涉及次生代谢途径，包括甲瓦龙酸（MVA）和甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径。此外，研究还发现了一些关键的转录因子，它们可能在调控挥发性成分的合成过程中发挥重要作用。

### 3. 研究结果

#### 3.1 挥发性成分的组成

通过HS-SPME-GC-MS分析，研究团队鉴定了“C. delicatus”竹秆中多种挥发性成分，其中萜烯类化合物占主导地位，包括β-石竹烯、α-蒎烯、樟脑烯等。这些成分的相对含量在竹秆的不同发育阶段表现出显著变化，尤其是在竹秆成熟阶段，其浓度显著增加。此外，竹叶中的挥发性成分以醛类和烷烃为主，而竹鞭中的挥发性成分则以酯类为主。

#### 3.2 挥发性成分的贡献分析

为了评估不同挥发性成分对整体香气的贡献，研究团队采用了相对气味活性值（ROAV）方法。结果显示，β-石竹烯和α-蒎烯是竹秆中主要的香气贡献者，其ROAV值在不同发育阶段均较高。此外，竹叶中的某些挥发性成分，如α-蒎烯和β-石竹烯，也表现出较高的ROAV值，表明它们在竹叶香气形成中具有重要作用。

#### 3.3 挥发性成分的基因调控

通过转录组测序和基因表达分析，研究团队发现了多个与挥发性成分合成相关的基因，包括1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶（DXR）、法尼基焦磷酸合酶（FPS）、萜烯合酶（TPS6、TPS7）等。这些基因的表达水平在竹秆的不同发育阶段表现出显著变化，尤其是在竹秆成熟阶段，其表达水平显著上升。此外，研究还发现了一些关键的调控基因，它们可能在挥发性成分的合成过程中发挥重要作用。

#### 3.4 转录组与代谢组的整合分析

通过整合转录组和代谢组数据，研究团队构建了一个关于“C. delicatus”挥发性成分合成的调控网络。该网络显示，不同发育阶段的竹秆在基因表达和代谢产物积累方面存在显著差异，尤其是在竹秆成熟阶段，其挥发性成分的积累最为显著。此外，研究还发现了一些关键的基因和酶，它们可能在调控挥发性成分的合成过程中发挥重要作用。

### 4. 讨论

#### 4.1 挥发性成分的生物学意义

竹子的挥发性成分不仅影响其香气特性，还可能在植物的生态适应性和防御机制中发挥重要作用。例如，萜烯类化合物具有一定的抗虫作用，能够有效抵御昆虫的侵害。此外，一些挥发性成分还可能在植物的繁殖过程中发挥作用，如吸引传粉昆虫或促进种子的萌发。

#### 4.2 挥发性成分的多样性与进化

竹子的挥发性成分表现出较高的多样性，这可能与其进化历史和生态适应性有关。不同竹种的挥发性成分在组成和含量上存在显著差异，这可能与它们的生长环境和生理功能密切相关。例如，某些竹种的挥发性成分可能与其抗病性或抗旱性相关，而另一些竹种的挥发性成分则可能与其香气特性有关。

#### 4.3 基因调控与代谢组的关联

研究团队发现，挥发性成分的合成不仅受到基因调控的影响，还可能与代谢组的变化密切相关。例如，某些基因的表达水平与特定挥发性成分的含量呈正相关，这表明这些基因可能在调控挥发性成分的合成中发挥重要作用。此外，一些基因可能在竹秆的不同时期表现出不同的表达模式，这可能与其生理功能的动态变化有关。

### 5. 结论

本研究通过对“C. delicatus”竹种的挥发性成分进行系统分析，揭示了其香气成分的组成和形成机制。结果表明，β-石竹烯和α-蒎烯是竹秆中主要的香气贡献者，其含量随着竹秆的成熟而显著增加。此外，竹秆中的挥发性成分主要来源于萜烯类化合物，而竹叶和竹鞭中的挥发性成分则以醛类和酯类为主。通过整合转录组和代谢组数据，研究团队构建了一个关于“C. delicatus”挥发性成分合成的调控网络，这为该物种的高值化利用提供了理论依据。未来的研究可以进一步探索这些基因的调控机制，以及它们在竹子其他品种中的表达情况，以期为竹子资源的综合利用提供更加全面的理论支持。