Hortic Res. | 海拔決定顏值？蛋白+代謝解析蘋果成熟與海拔的變化

註：本文轉自“邁維代謝MetWare”微信公眾號，原文鏈接：

聯合代謝組和蛋白組解析蘋果果皮成熟期間的海拔激活調控機制期刊：Horticulture Research發表時間：2020.08IF：5.404

2020年8月，塞薩洛尼基亞裡士多德大學的Evangelos Karagiannis等人在Horticulture Research雜志上發表瞭名為“Decoding altitude-activated regulatory mechanisms occurring during apple peel ripening ”的論文。本研究基於生理檢測、代謝組和蛋白質組檢測分析，研究瞭低海拔(20米)和高海拔(750米)環境對蘋果果皮組織成熟的影響機制。蘋果（Malus x domestica Borkh）因廣泛的氣候適應能力成為世界上種植面積最大的果樹之一。一些環境因素在不同的海拔位置發生瞭改變，比如晝夜溫度、紫外線輻射和光強，甚至是所有這些參數的組合，所以沿海拔梯度生長的蘋果果實是研究環境對發育和成熟過程影響的良好資源。雖然已有研究表明溫度和光照是影響蘋果紅色果皮形成的最關鍵的環境因素，但關於果皮成熟與海拔變化的多組學研究尚未開展。因此在本研究中，利用代謝組學和蛋白質組學的綜合分析，旨在全面瞭解生長在低海拔(20米)和高海拔(750米)兩個不同高度的富士蘋果(“Fujiku”)果皮組織成熟過程的表達模式。

1、表型和生理特征檢測分析：海拔會引起果皮顏色的改變蘋果在發育過程中的表型如下圖所示，表明海拔及其相關的氣候因素對蘋果皮的顏色有很大影響。為瞭表征海拔與蘋果果實發育的關系，分析瞭兩個栽培區域的各種參數。數據顯示，蘋果果實樣本在不同發展階段的兩個環境條件下顯示類似的增長模式(水果直徑、鮮重、幹物質)和成熟模式(淀粉含量、硬度、含糖量)，這些數據表明，果實的成熟狀態不受高度影響（圖1），然而,蘋果皮的顏色、評估參數包括L、a, b,和色相角顯示高海拔環境下，開花後120、140、160d的蘋果外果皮顏色百分比增加瞭一倍以上，收獲期（160DAFB）顏色參數達到92%，總花青素含量與顏色指數變化一致（圖2）。

圖1. 取樣策略及海拔對富士蘋果果實成熟的影響註：（a）采樣策略；（b）依次為鮮重（g）、果實直徑（mm）、淀粉含量(mg g−1FW)、硬度(kg)、可溶性固形物含量(%)、幹物質(%)。圖2. 不同海拔條件下蘋果果實的表型可塑性和顏色變化。註：成熟期（120、140、160DAFB）的果實表型；顏色指數（%）、總花青素含量（mg 100 g−1FW）、色相角（h0）、明度（L）、紅色（a）、黃色（b）。

2、代謝組分析：解析海拔對果皮代謝的影響為瞭解析海拔對果皮代謝的影響，分別在低海拔和高海拔環境下對140 DAFB(收獲前期)和160DAFB(收獲期)栽培蘋果進行瞭初級和次級代謝產物分析，共得到13個差異物質，其中7種代謝物上調，6種代謝物下調（圖3）。次生代謝物的分析發現, 在兩種環境下鑒定到的16種酚類物質中，有6個物質在收獲前和收獲時發生瞭顯著變化 (圖4)。具體來看，綠原酸的穩態、槲皮苷-3-O-蕓香糖苷(蘆丁)、表兒茶素、槲皮苷-3-O-鼠李糖苷、槲皮苷-3-O-葡萄糖苷+半乳糖苷和花青素物質矢車菊素-3-O-半乳糖苷和矢車菊素-3-O-桑佈雙糖苷在高海拔區域的果皮中均顯示上調。

圖3. 高海拔和低海拔環境下的初生代謝物表達熱圖

圖4. 高海拔和低海拔環境下的次生代謝物表達熱圖

3、蛋白組定性定量分析：解析海拔對蘋果果皮蛋白的影響為瞭研究果皮表型變化，在140DAFB和160DAFB這兩個階段對果皮組織進行瞭蛋白質組比較分析。共鑒定到3370個蛋白，可歸為13個功能類別。為瞭檢測不同海拔環境下發生變化的特定蛋白，本研究集中比較瞭兩個發育階段（140DAFB和160DAFB）在低海拔和高海拔地區的蛋白質變化。高海拔地區的蘋果皮在140 DAFB階段，有34個蛋白質的豐度顯著上調， 37個蛋白顯著下調(圖5)；在160 DAFB階段，有28個蛋白顯示下調，43個蛋白顯示上調。此外，高海拔在兩個發育階段均抑制瞭27個常見蛋白質的表達，促進瞭 33個蛋白的積累。並且，在收獲期，高海拔地區還抑制瞭10個蛋白的表達，而同樣的蛋白在收獲期上調。一個亞定位於葉綠體的蛋白(大亞基核糖體蛋白L13e)采收前期在高海拔區域上調，但隨後在采收時下調(圖5)。

圖5. 高海拔對果皮組織蛋白表達的影響。註：（a）維恩圖顯示收獲前(177個蛋白)和收獲時(202個蛋白)受高度影響的蛋白的數量，以及兩階段之間均發生變化的蛋白數量(71個蛋白)， “正”或“負”符號分別表示上調或下調蛋白質的數量；（b）兩個階段均發生變化的蛋白的功能分類；（c）兩個階段均發生變化的蛋白

研究目的： 基於多組學解析不同海拔環境在蘋果果皮組織成熟過程中的影響機制。研究結果： 高海拔生長的蘋果果皮中，花青素和其他酚類化合物含量均有所增加。此外，在高海拔環境中，各種碳水化合物(如阿拉伯糖、蔗糖)豐度較高，而谷氨酸和幾種相關蛋白含量較低。其他受高海拔影響的過程還包括TCA循環、氧化/防禦酶的合成和光合蛋白的積累。根據所獲得的數據，本研究構建瞭一個代謝蛋白網絡，描述海拔對果皮成熟的影響。在此提出的綜合分析為蘋果皮的成熟與當時的環境條件之間的生理過程提供瞭新的見解。

圖6. 受海拔影響的蛋白代謝調控網絡錦上添花：在本研究中初生代謝物和次生代謝物（酚類物質）是分開檢測且測到的物質數量都有限，而廣泛靶向代謝組可以實現一針檢測初生（1000+）和次生物質（3500+）共計5000+種，簡便且高效。

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