甲基茉莉酸增强无土栽培韭菜辛辣风味的潜在机制：代谢组学与转录组学联合解析

《BMC Plant Biology》：Integrated metabolomics and transcriptomics analysis reveals the potential mechanism by which Methyl jasmonate enhances the pungent flavor of soilless-cultivated Chinese chives (Allium tuberosum)

为探究甲基茉莉酸（MeJA）对韭菜风味物质合成的调控机制，研究人员开展相关研究，发现 MeJA 可增强韭菜辛辣风味，为优化葱属作物风味提供依据。

　　在蔬菜的世界里，韭菜凭借独特的辛辣风味备受青睐。然而，传统土壤栽培的韭菜易受病虫害侵袭，存在安全隐患，无土栽培虽解决了安全问题，却面临风味不足的困扰。与此同时，尽管茉莉酸（JA）信号在植物生理过程中意义重大，甲基茉莉酸（MeJA）也被证实能诱导植物产生次生代谢物，但 MeJA 对无土栽培韭菜风味物质合成的调控机制却一直成谜。为了揭开这层面纱，甘肃农业大学的研究人员踏上探索之旅，相关成果发表于《BMC Plant Biology》 ，为提升韭菜品质带来新的曙光。

研究人员运用了多种技术方法来深入探究这一问题。在样本处理上，选取 “韭菜神 F1” 品种，分别进行基质栽培和水培，待幼苗长至一定阶段，用 500 μM 的 MeJA 进行叶面喷施处理，同时设置对照组。之后，采用超高效液相色谱串联质谱（UPLC-MS/MS）和顶空固相微萃取气相色谱 - 质谱（HS-SPME-GC-MS）技术分析非挥发性和挥发性成分；通过 RNA 测序（RNA-Seq）获取转录数据，并进行基因表达分析；利用实时定量 PCR（qRT-PCR）对转录组数据进行验证。

在研究结果方面，研究人员从多个维度进行了分析。

• 生长和营养品质评估：研究发现，外源 MeJA 处理显著增加了无土栽培韭菜的干物质含量、叶片维生素 C 和类黄酮含量，同时降低了叶片硝酸盐水平，还提高了可溶性糖和总酚含量。这表明 MeJA 不仅提升了韭菜的风味，还改善了其营养品质。
• 代谢组学分析：通过 UPLC-MS/MS 和 GC-MS 检测到 923 种代谢物，这些代谢物被分为 23 类。主成分分析（PCA）显示，不同处理组之间代谢物存在明显差异。进一步分析发现，在水培和基质栽培的韭菜中，分别鉴定出 31 种和 45 种差异代谢物。KEGG 富集分析表明，水培韭菜的差异代谢物主要富集在苯丙烷、亚油酸、叶酸和类黄酮生物合成途径；基质栽培韭菜的差异代谢物则主要富集在嘌呤代谢、磷脂酰肌醇代谢等途径。这揭示了不同栽培方式下 MeJA 对韭菜代谢物的影响具有特异性。
• 转录组测序和拼接：对 12 个 RNA-Seq 文库进行测序，获得了高质量的转录数据。通过注释和分类，发现大量基因参与了各种生物过程、细胞组成和分子功能。共鉴定出 2,667 个差异表达基因（DEGs），KEGG 富集分析显示，这些 DEGs 参与了植物信号传导和生物代谢途径，如光合作用天线蛋白途径、萜烯骨架生物合成途径等。这为深入了解 MeJA 对韭菜基因表达的调控提供了重要信息。
• 整合转录组和代谢组分析：KEGG 富集分析发现，差异代谢物和 DEGs 共同参与了多个代谢途径，如次生代谢物生物合成、亚油酸代谢等。相关性分析表明，在不同处理组中，许多基因和代谢物存在显著相关性。通过构建正交偏最小二乘法（O2PLS）模型，筛选出了影响其他组学数据的关键变量。这进一步揭示了基因和代谢物之间的相互作用关系，为理解 MeJA 调控韭菜风味物质合成的机制提供了更深入的视角。
• 外源 MeJA 诱导的 JA 反应途径：研究发现，外源 MeJA 处理导致 21 个与 JA 生物合成相关的基因差异表达，抑制了 JA 生物合成和信号传导，下调了参与 JA 途径的多个基因。这表明 MeJA 对 JA 信号通路存在反馈调节机制，影响了植物的生理过程。
• 风味物质前体（CSO_s）的生物合成途径分析：从转录组数据中鉴定出 193 个与 CSO_s生物合成相关的基因。MeJA 处理上调了 AtuSULTR1.1 和 AtuFMO1 基因的表达，促进了 S - 烷基 - L - 半胱氨酸向 CSO_s的转化，增加了 CSO_s的积累，同时提高了水培韭菜叶片中 S - 甲基 - L - 半胱氨酸和蛋氨酸的水平。这直接解释了 MeJA 增强韭菜辛辣风味的原因。
• FMO 调节的风味物质前体（CSO_s）生物合成分析：对 FMO 基因进行深入研究发现，AtuFMO1 与拟南芥中的 At1G19250/AtFMO1 密切相关，其表达受 MeJA 诱导显著增加。转录因子分析表明，AtuPHL7、AP2/ERF-ERF 等转录因子可能正向调节 AtuFMO1，促进 S - 烷基 - L - 半胱氨酸向共轭硫化合物（CSO_s）的转化，增强韭菜的辛辣风味。这为进一步理解 MeJA 调控韭菜风味的分子机制提供了关键线索。
• qRT-PCR 验证分析：对 8 个随机选择的基因进行 qRT-PCR 验证，结果显示除一个基因外，其他七个基因的表达水平与 RNA-Seq 数据相符，证实了 RNA-Seq 数据的可靠性。这为研究结果的准确性提供了有力支持。

综合研究结论和讨论部分，外源 MeJA 通过激活关键酶编码基因 AtuFMO1，促进了 CSO_s的生物合成，增加了辛辣化合物 Methiin 和 Alliin 的积累，从而增强了无土栽培韭菜的辛辣风味。同时，MeJA 抑制了内源 JA 的生物合成，促进了硫同化和 CSO_s合成途径。转录因子 AtuPHL7 和 AP2/ERF-ERF 对 AtuFMO1 的调控在这一过程中起着关键作用。该研究为理解转录因子如何调控大蒜风味化合物的代谢提供了理论框架，也为优化葱属作物风味品质提供了潜在的分子靶点。不过，研究也存在一定局限性，如候选转录因子的功能在蛋白质水平上尚未得到验证，未来还需进一步深入研究。总的来说，这项研究为葱属作物的品质改良开辟了新的道路，具有重要的理论和实践意义。