代謝組學在皺皮木瓜不同產(chǎn)地果實形態(tài)及活性成分差異性研究中的應用

“百益之果”皺皮木瓜在不同產(chǎn)地果實形態(tài)及活性成分的差異性研究-代謝組學解讀

文章標題：Comparative Metabolomics Study of Chaenomeles speciosa(Sweet) Nakai from Different Geographical Regions

發(fā)表期刊：FOODS
發(fā)表時間：2022.3.31
影響因子：4.35
合作客戶：西南大學
百趣生物提供服務：植物廣靶代謝組學檢測服務

研究背景
百趣代謝組學解讀，皺皮木瓜作為一種可鮮食的水果備受人們的喜愛，在我國的云南、貴州、山東、四川、浙江和重慶，湖北和安徽等地廣泛栽培。皺皮木瓜果實中含有多種營養(yǎng)物質(zhì)和活性成分，在抗癌、抗氧化、抗病毒、抗菌性能、抗炎等方面有著一定的作用。本文選取了8個皺皮木瓜的主要產(chǎn)地進行研究，系統(tǒng)的論證了生態(tài)環(huán)境因素對皺皮木瓜果實代謝產(chǎn)物的影響。

01.研究內(nèi)容
地理區(qū)域氣候條件對果實大小的影響
百趣代謝組學解讀，在本研究中，收集了8個主要產(chǎn)地YN(中國云南臨滄馬臺鄉(xiāng))、GZ(中國貴州鎮(zhèn)安桐梓坪)、CQ(中國重慶綦江打通)、ZJ(中國浙江淳安左口)、HB(中國湖北長陽土家族自治縣榔坪)、AH(中國安徽宣城新田)、SC(四川達州復興)和SD(山東臨沂湯河)。圖1A為本研究的8個聚集點，圖1B為8個產(chǎn)區(qū)的經(jīng)緯度，圖1C,D為各氣候參數(shù)。SD是八個產(chǎn)地中氣溫最低的地區(qū)，海拔高度HB最高，YN次之，SD和AH最低。YN年降雨量最高，SD年光照時間最長，年降雨量最少。廣州和CQ的年降水量和光照時數(shù)均低于ZJ、HB、AH和SC。從總體上看，8個不同果區(qū)的氣候條件存在明顯差異。

對商品成熟期的果實樣本進行研究，表1是方差分析和Duncan檢驗的結(jié)果。從整體上看，SC和GZ產(chǎn)區(qū)的果實較其他地區(qū)明顯較厚、較長、較重，其中AH產(chǎn)區(qū)的微型果實最多。不同品種的果實形態(tài)差異明顯，特別是GZ、SC和AH。以上結(jié)果表明，不同地理區(qū)域的氣候條件對果實大小有重要影響。
 

圖1. 采集的果實樣本的地理分布和氣候條件，(A)樣品生產(chǎn)地點，(B)八個區(qū)域坐標，(C)年降雨量(mm)和年日照時數(shù)(h)，(D)年平均溫度(◦C)和海拔高度(m)

表1. 不同地區(qū)果實表觀差異
 

02.不同地區(qū)果實代謝物檢測分析
為進一步了解不同產(chǎn)地果實的代謝產(chǎn)物差異，采用UPLC-QqQ-MS/MS對8個產(chǎn)地的鮮果進行了檢測分析，共鑒定到了974種代謝物，并將其分為19類（圖2A/B），包括163種類黃酮、119種生物堿、118種萜、83種酚、58種氨基酸及其衍生物、50種有機酸及其衍生物、47種脂類、47種類固醇及其衍生物、40種碳水化合物和醇、39種苯丙素、38種核苷酸及其衍生物、30種香豆素、20種木脂素、17種苯及其取代衍生物、15種口山酮、15種維生素及其衍生物、14種醌、13種植物激素和48種其他類代謝物。百趣代謝組學解讀。
 

圖2. 不同地區(qū)果實代謝物聚類熱圖、餅圖、HCA圖和PCA圖展示

03.TCMSP數(shù)據(jù)庫中識別有效代謝物
我們將鑒定到的974個代謝物與TCMSP數(shù)據(jù)庫進行匹配，以確定與抗病和藥物靶點相關(guān)的有效成分，對匹配到的有效成分進行分類統(tǒng)計，并對疾病和藥物靶點分別進行了相關(guān)性作圖分析。如圖3所示，黃酮類化合物在與疾病和藥物靶點相關(guān)的代謝產(chǎn)物中含量最高，相關(guān)性也最顯著。此外，木脂素、苯丙素和生物堿類物質(zhì)也與疾病或靶點顯著相關(guān)。為了進一步尋找潛在的關(guān)鍵活性代謝物，以口服利用度(OB)≥30%和類藥性(DL)≥0.18作為篩選標準，發(fā)現(xiàn)黃酮類化合物是潛在的主要抗病成分。百趣代謝組學解讀。
 

圖3. (A)19種化合物與326種相關(guān)疾病代謝物的Pearson相關(guān)性分析、(B) 19種化合物類與336個相關(guān)靶點代謝物的Pearson相關(guān)性分析

*不同類別與疾病或目標有顯著相關(guān)性，p < 0.05

**不同類型與疾病或靶標顯著相關(guān)，p < 0.01

***不同類別與疾病或靶標顯著相關(guān)，p < 0.001

04.不同地區(qū)氣候、主要代謝物和差異代謝物的相關(guān)性研究

在研究中我們還發(fā)現(xiàn)經(jīng)緯度與黃酮類代謝產(chǎn)物含量存在較強的負相關(guān)關(guān)系。緯度越高(◦N)，類黃酮含量越低，如表2所示。為了進一步分析尋找不同產(chǎn)地木瓜果實代謝物的差別，我們對數(shù)據(jù)進行了可視化作圖分析，如圖3所示，對篩選到的548個差異代謝物的種類按數(shù)量進行排序（圖4A），并將其映射到KEGG數(shù)據(jù)庫中，選出差異顯著性前25的通路進行繪制（圖4B），發(fā)現(xiàn)黃酮類化合物在木瓜果實的代謝中起著主要作用。百趣代謝組學解讀。

表2. 氣候特征與主要大類代謝物的相關(guān)性分析
 

圖4. 548個差異代謝物分析，(A) C. speciosa 548個差異代謝物的分類，(B) 548個差異代謝物和前25個通路的KEGG富集分析，(C)選擇潛在的標記代謝物，使每個區(qū)域的標記代謝物可視化

05.核心區(qū)的確定及與其他區(qū)域的比較
經(jīng)過前期研究分析，我們發(fā)現(xiàn)YN與其他產(chǎn)地差異顯著。我們將YN作為一個核心群體與其他群體進行比較。如圖5A所示，繪制不同地區(qū)差異代謝物的集合圖（圖5A），最終選擇25個共同的差異代謝物作為YN的關(guān)鍵代謝物，并進行層次聚類圖的繪制（圖5C）。此外，我們對YN地區(qū)果實差異代謝物進行了富集通路分析表明黃酮類化合物的生物合成、甾體激素的生物合成、苯丙素的生物合成和生物堿的生物合成途徑是YN區(qū)果實代謝物主要的富集途徑（圖5D）。百趣代謝組學解讀。

圖5. YN與其他區(qū)域差異代謝物的比較，(A)常用的代謝物用倒置圖表示，(B)共有代謝物中含量最高的5種代謝物，(C) 25種常見代謝物的熱圖，(D) YN中含量較高的差異代謝物KEGG富集分析

結(jié)論
百趣代謝組學解讀，在本研究中，我們對8個地區(qū)皺皮木瓜果實的代謝物進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)皺皮木瓜果實的代謝產(chǎn)物含量存在差異，表明了生態(tài)因素對皺皮木瓜果實的代謝有一定的影響，在8個地區(qū)中，YN地區(qū)和其他地區(qū)的代謝產(chǎn)物有著較為明顯的差異。此外，本研究還將皺皮木瓜的代謝物和TCMSP數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，對數(shù)據(jù)源等重要信息進行了整理總結(jié)，以OB≥30%、DL≥0.18為篩選標準，共篩選出101個潛在的關(guān)鍵代謝產(chǎn)物，為其活性成分在治療人類疾病方面提供了一定的參考依據(jù)。

文/阿趣代謝組學