文獻解讀：從蛋白組學和代謝組學角度，淺析白番石榴成熟過程

文章標題：Integrating proteomics and metabolomics approaches to elucidate the ripening process in white Psidium guajava
發(fā)表期刊：Food Chemistry
發(fā)表時間：2022.01
影響因子：7.514/Q1
組學技術(shù)：代謝組學、蛋白質(zhì)組學

1、研究背景
番石榴(Psidium Guajava)，是一種營養(yǎng)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(yǎng)價值和保健價值，但與其相關(guān)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(jù)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(fā)有關(guān)，而非躍變型成熟的生理和分子基礎(chǔ)仍然知之甚少。參與調(diào)控水果成熟過程的生長調(diào)節(jié)劑與某些關(guān)鍵代謝途徑可能存在關(guān)聯(lián)，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(diào)節(jié)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(zhì)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(diào)控關(guān)聯(lián)。該研究結(jié)果將為進一步探究番石榴成熟過程中植物生長調(diào)節(jié)劑參與調(diào)控機制提供理論依據(jù)。

2、研究設(shè)計

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(guān)的差異累積蛋白質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(jié)果，對色素、ACC、ABA和酚類物質(zhì)含量進行靶標代謝組學檢測。靶標代謝組學研究結(jié)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(zhì)、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(zhì)中定量分析了17種屬于不同化學亞類的代謝物，研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)已鑒定的酚類物質(zhì)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(lián)合分析
作者通過對蛋白質(zhì)組學和代謝組學(非靶標和靶標)的結(jié)果進行組學數(shù)據(jù)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(jié)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(zhì)和紫黃質(zhì)等前體物質(zhì)含量減少，而黃質(zhì)苷、脫落醛和脫落酸含量卻呈現(xiàn)增加趨勢；酚類生物合成相關(guān)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(diào)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(jié)
番石榴成熟是一個極其復(fù)雜的生化過程，涉及不同的生長調(diào)節(jié)劑及其信號傳導(dǎo)機制，其中ABA 和乙烯在生化修飾過程中發(fā)揮著重要作用。該研究結(jié)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(yīng)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)所涉及的分子機制，其中生長調(diào)節(jié)劑可以微調(diào)果實性狀的生化變化。此外，組學數(shù)據(jù)聯(lián)合分析揭示了番石榴成熟過程中潛在的代謝途徑調(diào)節(jié)，突出了乙烯和ABA等生長調(diào)節(jié)劑作為可能的主要調(diào)節(jié)劑，并揭示了初級和次級代謝產(chǎn)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(xié)同作用

5、百趣小結(jié)
研究目的
多組學研究白番石榴成熟過程內(nèi)在調(diào)節(jié)機制。

研究結(jié)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(diào)控機制，研究發(fā)現(xiàn)蛋白出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與代謝組學數(shù)據(jù)聯(lián)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(jù)。

提升空間
在本研究的代謝組物質(zhì)鑒定中，因其所用數(shù)據(jù)庫的局限性只發(fā)現(xiàn)較少的植物代謝物（30-50），可采用專門針對植物研究領(lǐng)域構(gòu)建的植物廣泛靶標代謝組學技術(shù)，該技術(shù)定性物質(zhì)數(shù)可達1000+，極大的提升了數(shù)據(jù)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(shù)。

文/阿趣代謝組學