基于代谢组学的红菜薹和菜心茎部色泽差异成分比较.pdf
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1、现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 137 基于代谢组学的红菜薹和菜心茎部色泽差异成分比较 唐康1,2,李桂花1,郭巨先1,罗文龙1,骆善伟1,姜诗政2,符梅1*(1.广东省农业科学院蔬菜研究所,广东省蔬菜新技术研究重点实验室,广东广州 510642)(2.华南农业大学园艺学院,广东广州 510642)摘要:该研究以湘红薹 1 号红菜薹(XHT1H,R)和义农50 天菜心(YN50T,G)为研究对象,采用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)技术对 2 种菜薹类黄酮类物质进行检测,并采用主成分分析、热图
2、分析和正交偏最小二乘-判别分析等方法对红菜薹和菜心代谢组学进行分析,筛选差异代谢物。主成分分析发现,两种菜薹化合物含量的分布具有明显差异。正交偏最小二乘-判别分析结果表明,两种菜薹中共鉴定到 170 种差异类黄酮类代谢物,包括 56 种黄酮醇类、38 种花青素类、32 种黄酮类等代谢物。其中,花青素中包括 25 种矢车菊素类糖苷,6 种飞燕草素糖苷,3 种芍药花素苷,3 种牵牛花素苷,且红菜薹比菜心中含量高的差异倍数前十的代谢物中,有 6 种为矢车菊素。该研究从代谢组学角度分析了不同菜薹类黄酮成分差异,推测矢车菊素、飞燕草素、芍药花素和牵牛花素与红菜薹的色泽有关,其结果为进一步研究菜薹茎部色泽
3、的形成机制和色素的利用提供参考。关键词:红菜薹;菜心;代谢组学;花青素 文章编号:1673-9078(2023)09-137-143 DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2023.9.0998 Metabolomics-based Comparison of Color Difference Components in the Stems of Hong Caitai and Caixin TANG Kang1,2,LI Guihua1,GUO Juxian1,LUO Wenlong1,LUO Shanwei1,JIANG Shizheng2,FU Mei1*(1.Ve
4、getable Research Institute,Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Guangdong Key Laboratory for New Technology Research of Vegetables,Guangzhou 510642,China)(2.College of Horticulture,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)Abstract:This study aimed to comparatively analyze the
5、 flavonoid contents of the purple-colored cultivar Xianghongtai No.1(XHT1H,R)and the green-colored cultivar Yinong 50 tian Caixin(YN50T,G).The flavonoid compounds were separated and identified by ultra-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry.Principal component analysis(PCA),hiera
6、rchical cluster analysis,and orthogonal partial least partial-least squares discrimination analysis(OPLS-DA)were used to analyze metabolomics data and screen for differential metabolites in Hong Caitai and Caixin.PCA revealed significant differences in the flavonoid compound contents between the two
7、 varieties.OPLS-DA identified 170 different flavonoid metabolites,including 56 flavonols,38 anthocyanidins,and 32 flavones.The anthocyanins included 25 cyanidin glycosides,six delphinidin glycosides,three peonidin glycosides,and three petunidin glycosides.Additionally,six of the top ten metabolites
8、with higher content in Hong Caitai than in Caixin were cyanidins.Based on the differential flavonoids profiles of the two varieties,cyanidin,delphinidin,peonidin,and petunidin were associated with the pigmentation in Hong Caitai.These results provide a reference for further study of the mechanism of
9、 stem color formation and pigment utilization in Caitai.Key words:Hong Caitai(Brassica rapa);Caixin(Brassica rapa);metabolomics;anthocyanin 引文格式:唐康,李桂花,郭巨先,等.基于代谢组学的红菜薹和菜心茎部色泽差异成分比较J.现代食品科技,2023,39(9):137-143 TANG Kang,LI Guihua,GUO Juxian,et al.Metabolomics-based comparison of color difference comp
10、onents in the stems of Hong Caitai and Caixin J.Modern Food Science and Technology,2023,39(9):137-143 收稿日期:2022-10-12 基金项目:广州市科技计划项目(202102020442);广东省基础与应用基础研究基金项目(2020A1515110377);广东省农业科学院创新基金项目(202108);广东省蔬菜新技术重点实验室开放基金(201907);国家科技部外专局项目(QN2022030025L);广东省农业厅项目(粤财农2022 184 号)作者简介:唐康(1997-),男,在读硕士
11、,研究方向:蔬菜生理栽培,E-mail: 通讯作者:符梅(1988-),女,博士,助理研究员,研究方向:蔬菜分子生物学,E-mail: 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 138 红菜薹别名紫菜薹,属十字花科芸薹属白菜类蔬 菜作物的变种。红菜薹起源于长江流域中部,是我国著名的特色叶菜之一,主要种植于湖北、湖南和广东等地1。红菜薹以鲜薹和嫩叶为食用器官,内含多种营养物质,其中维生素 C 含量含量比塌菜、大白菜和小白菜等都高2-4,具有较高的营养价值并具有广阔的市场,已成为育种家关注的热点品种之一。近年来,随着旅游业
12、的发展以及自身优越的品质,红菜薹被引种到全国各地。类黄酮是一类水溶性色素,与果蔬的颜色密切相关,如水果中的草莓5和葡萄6,蔬菜中的豇豆7、萝卜8和辣椒9等均富含丰富的类黄酮物质。类黄酮是植物重要的次生代谢产物,主要包括原花青素、查尔酮、黄酮、黄酮醇、黄烷醇、花青苷等10。其中,花青苷是花青素通过与糖苷结合,形成的稳定色素物质。常见的花青素主要包括天竺葵素、飞燕草素、矮牵牛素、芍药素、矢车菊素和锦葵素11。花青素不仅赋予植物器官于五彩斑斓的颜色和独特的风味,而且对生物及非生物胁迫等逆境也有一定的预防效果12。此外,花青素还具有抗氧化活性,对心血管疾病、衰老和癌症等有一定的预防效果13,14。色泽
13、是决定外观品质的指标之一,然而在我国一些地方红菜薹表现出着色不均,品质下降等问题,严重影响其商品价值。因此,解析红菜薹花青素代谢调控机制对培育高花青素品种具有重要意义。我国学者已对红菜薹中的花青素进行了初步的探究,红菜薹花青素的成分和含量与品种有关,并且还受各种环境因素的影响。Guo 等15的研究发现,红菜薹(Zicaitai ZCT095)中花青素主要成分为 17 种矢车菊素苷。另外,Guo 等16用弱光处理红菜薹发现,与正常光照相比,主要是 3 种矢车菊素苷含量量下降。目前,红菜薹花青素的代谢机制依然并不清晰。红菜薹呈紫红色,基于以前对芸苔属紫红色蔬菜的研究发现,这些紫红色蔬菜除了矢车菊素
14、外,还有别的辅助呈色物质。前人在红菜薹的研究结果中鉴定到的花青素种类较少,目前所报道的多为矢车菊素类物质。矢车菊素主要是紫红色物质的显色成分,但红菜薹中还有部分深紫色,推测可能还有别的显色成分。代谢组学是系统生物学的重要组成部分,它通过分析生物体内的所有代谢物,并将筛选到的差异代谢物与表型变化进行关联分析,是继基因组学和蛋白组学之后新发展起来的一门重要学科17。基于UPLC-MS/MS 的广泛靶向代谢组具有高通量、高灵敏度和准确性好等特点,已在疾病诊断18、植物代 谢19,20和毒理学21等方面得到广泛应用。为更全面挖掘红菜薹中所含有的花青素类物质,本研究以两种颜色的菜薹为研究材料,将 UPL
15、C-MS/MS 与广泛靶向代谢组学相结合,检测材料中类黄酮化合物的种类和含量,并从差异代谢物的角度着手,揭示红色和绿色菜薹色泽差异的代谢机制,为红菜薹后续应用基础研究奠定理论基础。1 材料和方法 1.1 材料与试剂 供试验材料红菜薹和菜心均于2021年3月种植于广东省农业科学院蔬菜研究所试验田,生长约 40 d 进行取样(图 1a),用刀片剥取茎部的表皮,每种材料取 3 个生物学重复,随后将所取的材料投入液氮,迅速转至-80 超低温冰箱保存。甲醇(色谱纯)、乙腈(色谱纯)、乙醇(色谱纯)美国 Merck 公司。1.2 仪器与设备 Scientz-100F 冻干机,宁波新芝;MM 400 研磨仪
16、,Retsch;色谱柱:Agilent SB-C18(1.8 m,2.1 mm 100 mm);0.22 m pore size 微孔滤膜;超高效液相色谱(Ultra Performance Liquid Chromatography,UPLC);串联质谱(Tandem Mass Spectrometry,MS/MS);全波长酶标仪(Epoch Microplate Reader),BioTek。1.3 试验方法 1.3.1 总花青素含量的测定 参考 Rabino 等的22试验方法,将保存的样品剪碎,精确称取0.1 g,放置于 2 mL 离心管中,加入1 mL乙醇溶液(含体积分数 1%的盐酸)
17、。充分混合后,放置 4 冰箱浸提 18 h,于 530 nm 和 657 nm 下测定吸光值。相对浓度的计算:A=A530-0.25A657,利用 A657矫正叶绿素等杂质的影响,再用 A 除以鲜重(单位为 g),得到A/g FW 表示相对浓度。1.3.2 UPLC-MS/MS 代谢组分析 1.3.2.1 样品制备 对冷冻干燥(24 h)后的样品经研磨(30 Hz,1.5 min),称取0.1 g粉末溶于1.2 mL预冷提取液(70%甲醇水溶液,V/V)中,为了使样品能充分的溶解,对样品进行涡旋,每次涡旋 30 s,每30 min 涡旋一次,共涡旋 6 次,随后将样本存放于 4 冰箱过夜。取出
18、样品,离心(转速 12 000 r/min,10 min)后,用移液枪将上清吸出,并用 0.22 m 微孔滤膜过滤样品,最后保存于进样瓶中,用于 UPLC-MS/MS 分析。现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 139 1.3.2.2 样品测定 液相条件主要为流动相:A 相为超纯水(含体积分数 0.1%的甲酸),B 相为乙腈(含体积分数 0.1%的甲酸);柱温 40;进样量 4 L;流速 0.35 mL/min;洗脱梯度:0.00 min B 相体积比例为 5%,9.00 min 内B 相体积比例线性增加到 95%
19、,并维持在 95%1 min,10.0011.10 min,B 相体积比例降为 5%,并维持在5%至 14.00 min;质谱条件主要为:电喷雾离子源(Electrospray Ionization,ESI)温度 550,离子喷雾电压 5 500 V(正离子模式)/-4 500 V(负离子模式);帘气为 25.0 psi。1.3.3 数据分析 基于 UPLC-MS/MS 检测平台,利用软件 Analyst 1.6.3 进行数据的采集。使用 Metware 迈维(武汉)自建 MWDB 数据库,对样本的代谢物进行定性分析;对进行差异比较的分组样品进行主成分分析,利用 R软件中的MetaboAnal
20、ystR包OPLSR.Anal函数进行偏最小二乘法判别分析(Partial Least Squares-Discriminant Analysis,PLS-DA),基于 OPLS-DA 结果,从获得的多变量分析 OPLS-DA 模型的变量重要性投影(Variable Importance in Projection,VIP),结合差异倍数值(Fold Change)筛选出菜心和红菜薹间差异的代谢物;对得到的差异代谢物的原始相对含量按行采用归一化处理(Unit Variance Scaling,UV Scaling),通过 R 软件 pheatmap 包绘制热图;利用 Office 2019进行
21、基本数据处理;利用 GraphPad Prism 9 进行柱状图绘制。2 结果与讨论 2.1 总花青素的检测 图 1a 中,生长了约 40 d 后的红菜薹茎部以及叶柄呈现紫红色,菜心的则为绿色,色泽差异较大。对其茎部表皮总花青素含量进行检测(图 1b),发现红菜薹茎部表皮花青素含量远高于菜心,可知红菜薹和菜心茎部表皮代谢物质含量存在较大差异。图 1 红菜薹(R)和菜心(G)表型以及茎部表皮总花青素含量 Fig.1 Phenotypes of hongcaitai and caixin and the contents of total anthocyanin instem epidermis
22、2.2 类黄酮化合物的鉴定 图 2 正离子模式(a)和负离子模式(b)混样质控样品(QC)质谱检测总离子流重叠图 Fig.2 Overlapped total ions current of mixed quality control(QC)sample under positive ion mode(a)and negative ion mode(b)利用 UPLC-MS/MS 技术对 2 种菜薹类黄酮代谢物进行进一步检测,对不同质控 QC 样本质谱检测分析的总离子流图(TIC 图)进行重叠分析,如图 2 所示,代谢物检测总离子流的曲线重叠良好,色谱峰的响应强度和保留时间较为一致,显示此次检
23、测数据可靠。基于迈维(武汉)自建代谢数据库,对样本的代谢物进行了质谱定性定量分析。在红薹菜和菜心中共 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 140 鉴定出234种类黄酮类代谢产物,包括76种黄酮醇类、53 种黄酮类、40 种花青素类、18 种二氢黄酮类、10种黄烷醇类、10 种异黄酮类、8 种鞣质类、7 种二氢黄酮醇类、6 种查尔酮类、5 种黄酮碳糖苷类和 1 种双黄酮类。其中黄酮醇类、黄酮类和花青素类最多,分别占总类黄酮类代谢物的 32.48%、22.65%和 17.09%。此外 32 种花青素、13 种黄酮醇、
24、8 种黄酮、7 种二氢黄酮、3 种二氢黄酮醇、3 种查尔酮、2 种黄烷醇类、2 种黄酮碳糖苷以及 1 种异黄酮只在红菜薹中有检测到,9 种黄酮、7 种黄酮醇、4 种异黄酮、1 种二氢黄酮以及 1 种双黄酮只在菜心中有检测到,这些代谢物可能是区分红菜薹和菜心的重要物质。2.3 PCA 和代谢物积累模式分析 图 3 各组样品与质控样品质谱数据的 PCA 得分散点图 Fig.3 PCA scatter plot of quality spectrum data of each group samples and quality control samples 注:R红菜薹茎部表皮;G 菜心茎部表皮;
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