不同花粉对梨果实初级代谢和木质素合成的影响

基本信息

材料：砀山梨果实

主要技术：GC-MS,UPLC-MS/MS,PCA

期刊:International Journal of Molecular Sciences

影响因子：3.687

文章摘要

为了研究授粉对Dangshang Su果实品质的影响，我们用Wonhwang 的花粉（父本）和Jingbaili的花粉（父本）给Dangshang Su 授粉（母本），获得的果实编号为DW和DJ。采用非靶向代谢物组学中的分析初级代谢产物的，使用靶向代谢物进行木质素合成的中间代谢物的定量分析。非靶向代谢组学的平台为气相色谱 - 质谱（GC-MS），靶向代谢组学为多反应监测（MRM）模式下使用超高效液相色谱法 - 串联质谱法（UPLC-MS / MS）。结果表明，代谢物含量在DW和DJ之间显著不同：授粉后的47天，DW的糖和氨基酸含量较高，脂肪酸含量要比DJ低；授粉63天后，DW中的糖、氨基酸和脂肪酸含量比DJ低。使用OPIS-DA模型分析等中间代谢产物的变化，发现在授粉47天后，具有显著差异的代谢物为阿魏酸，芥子醛，松柏醇，芥子醇等；在授粉63天的果实，差异显著的代谢产物为对香豆酸。授粉47天和63天的果实，对香豆酸水平显著不同，并且对香豆酸含量与木质素合成相关。授粉通过影响糖，氨基酸和脂肪酸含量来影响Dangshang Su果实的质量；同时调节木质素合成的中间代谢物，尤其是对香豆酸的含量，以影响木质素合成，并最终影响石细胞含量，提高了梨果的质量。

方法流程

成果展示

1.非靶向代谢组学分析“Dang Shan Su”不同花粉授粉的代谢物变化

非靶向研究，采用GC-MS平台，本次质谱鉴定检测到711个物质峰，定性到218种化合物，并鉴定了202种可信代谢物，这些代谢物包括糖、有机酸、氨基酸、核苷、核苷酸和芳香类等物质。在授粉47 后的果实，在DW和DJ分别鉴定出173个和164个代谢物；同时授粉63天的果实，DW和DJ分别鉴定出163个和170个代谢物。本研究采用峰面积归一化的方法对数据进行归一化，归一化后对数据进行多元统计分析。从PCA图中可以看出，DW和DJ组有明显的差异。

1.1授粉对砀山梨果实主要代谢产物的影响

采用正交偏最小二乘判别分析（OPLS- DA）模型分析GC-MS数据，授粉47天的数据R2Y和Q2值分别为0.999和0.886；授粉63天的数据R2Y和Q2值分别为1和0.8446，结果表明，OPS-DA模型稳定可靠。OPLS- DA模型是根据变量对投影（VIP）值和P值选择差异代谢物的影响。选择VIP＞1和P＜0.05的代谢物作为差异代谢物。在授粉47天果实，筛选出51个差异代谢物，其中8个差异代谢物仅在DW中检测到；26个差异代谢物在DW中表达水平较高，17个差异代谢物在DJ中表达水平较高（表1）。在授粉后63天的果实，筛选到34个差异代谢物，1个差异代谢物仅在DW中检测到，7个差异代谢物仅在DJ中检测到；5种差异代谢物在DW中含量较高，27种差异代谢物的含量较高。

1.2授粉对砀山梨果实碳水化合物代谢及氨基酸代谢的影响

为了阐明DW和DJ代谢途径的改变，将差异代谢物在代谢图中标出。在授粉47的果实中，在DW中以下9种代谢物的表达量均比DJ组高：葡萄糖-6-磷酸（1.850倍）、熊果苷（1.705倍）、山梨糖醇（1.583倍）、莽草酸（1.446倍）、咖啡酸（3.383倍）、棕榈酸（1.719倍）、硬脂酸（1.890倍）、亚麻酸（1.930倍）和油酸（1.568倍）；其中L-犬尿氨酸和赖氨酸仅在DW组鉴定到；在DW中下调的代谢物主要有葡萄糖1-磷酸（0.599倍）、甘氨酸（0.536倍）、缬氨酸（0.394倍）、天冬氨酸（0.385倍）和脯氨酸（0.359倍）等；同时天冬酰胺仅在DJ中检出。

授粉63天的果实，DW与DJ相比，表达上调的有山梨糖醇（2.293倍）、大豆（1.396倍）和缬氨酸（5.355倍）；表达下调的有高果糖（0.615倍）、半乳糖葡萄糖苷（0.579时报）、甘露醇（0.478倍），β-谷甾醇（0.702倍），天冬氨酸（0.557倍），脯氨酸（0.472倍），油酸甲酯（0.677倍）和没食子酸正（0.605倍）；赖氨酸和山梨糖只是在DJ中检测到。

2.代谢研究，授粉对砀山梨果实木质素合成中间产物的影响

2.1授粉对当山梨果实木质素合成中间代谢产物含量的影响

通过比较标准样品与样品之间的保留时间和特征离子对，检测到7种木质素合成代谢物。标准样品和实验样品的多反应监测（MRM）扫描色谱图分别在图中示出。

如图所示，授粉47天的果实中，DW与DJ相比，对香豆酸、咖啡酸、阿魏酸、松柏醛、芥子醛、松柏醇、芥子醇含量DW中的含量相对低。这一结果与授粉47天的果实中，木质素和石细胞的含量一致。对香豆酸、阿魏酸、芥子醛、松柏醇、芥子醇含量有显著性差异。在授粉63 天的果实，DW中的香豆酸含量明显高于DJ，约为3.62倍。当对香豆酸含量增加时，木质素含量可增加。这一结果与DW中木质素含量较高的观察结果一致。结果表明，不同的花粉可通过调节木质素生物合成过程中的中间代谢物含量而影响木质素含量。

靶向代谢组学的OPLAS-DA分析发现，在授粉47天的果实中，具有显著差异的代谢产物分别为对香豆酸、阿魏酸、芥子醛、松柏醇和芥子醇。在授粉63天的果实中中，差异代谢物是对香豆酸。

2.2梨果中木质素合成中间代谢产物相关性分析

为了研究授粉对梨果木质素合成的影响，进行了中间代谢物的木质素合成之间的相关性分析。结果表明，在授粉47的果实中，大多数的木质素合成中间代谢产物都是显著性正相关，只有少数是不相关。在授粉63 天的果实中，大多数木质素合成的中间代谢产物的是不相关的，代谢物却是显著性正相关。

对木质素合成的中间代谢产物进行了相关网络分析，以确定显著正相关（r> 0.8，P <0.05）。在授粉47天的果实中，11对代谢物表现出显著正相关；授粉63天后的果实中，5对代谢物呈正相关。

结论说明

(1)代谢组学分析具有广泛的应用价值，在该实验中，采用检测的GC-MS和LC-ESI-MS / MS方法。用NMR光谱法相比，这些技术具有更复杂的单变量和多变量数据分析的方法和更广泛的覆盖。另外，LC-ESI-MS / MS具有高精度，高灵敏度和高输出的优点。在这项研究中，利用LC-ESI-MS / MS平台的MRM技术对7个代谢物进行了定量。

(2)靶向GC-MS检测，PCA和OPIS-DA分析显示，DW和DJ具有显著性差异，说明授粉对代谢物具有重要影响。糖，氨基酸和脂肪酸与梨果实品质是相关联的。在授粉47天的果实中，DW的糖和氨基酸含量相对较高，脂肪酸含量相对较低。在授粉63 的果实中，DW的糖，氨基酸和脂肪酸含量比在DJ低

(3)在授粉47 的果实中，KEGG差异代谢物富集到的通路有苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸生物合成通路等，木质素的合成是由苯丙氨酸的脱氨基作用形成肉桂酸引起的。因此，可以推断，授粉影响苯丙氨酸的合成，进而影响木质素的合成。

文献来源

Shu ML.et al.,Effects of different pollens on primary metabolism and lignin biosynthesis in Pear. 2018,.International Journal of Molecular Sciences