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不同百合鱗莖中功能成分的代謝組學分析

2024-12-05 00:00:00劉秀云陳敏敏游小英肖藝羅建讓陳麗詩
江蘇農業科學 2024年23期

摘要:百合鱗莖兼具食用與藥用價值,前人針對百合鱗莖的主要營養成分開展了較多研究,但針對不同種類百合鱗莖中功能成分的比較研究較少,為此,采用超高效液相色譜(UPLC)-串聯質譜(MS/MS)法對蘭州百合、宜興百合、“橙珍珠”和“八點后”4種不同百合鱗莖中的代謝物種類及相對含量差異展開測定與分析。結果表明,在4種百合鱗莖中共檢測到1 511種代謝物,其中占比較高的代謝物分別為羧酸及其衍生物類、有機氧化合物、異戊烯醇脂質類、黃酮類、脂肪酰類,占比依次為26.67%、14.62%、13.50%、7.69%、6.24%。4類百合中的共有代謝物共954種,差異代謝物顯著富集于亞油酸代謝途徑、淀粉和蔗糖代謝途徑以及苯丙氨酸、酪氨酸與色氨酸生物合成通路、核黃素代謝與半乳糖代謝通路。特有的代謝物共48種,如西伯利亞遠志糖A3、垂盆草苷、刺梨苷F1等物質僅在蘭州百合中被檢測到;15,16-二-氧-乙酰基豯薟苷、3,5,9-三羥基麥角甾-7,22-二烯-6-酮、黑升麻苷H1等物質僅在宜興百合中被檢測到;“橙珍珠”中的特異性代謝物為3-氧-甲基圓葉腫柄菊素D、絲瓜苷B、黑升麻苷H2等物質;澳洲茄堿、3-O-阿魏酰奎尼酸和槲皮素3-蕓香苷-7-葡萄糖苷等物質僅在“八點后”中被檢測到。蘭州百合中較高的糖和甜味氨基酸含量可能是其口感清甜的原因之一,宜興百合中較高的甾體類生物堿可能與其藥用功能相關;“橙珍珠”和“八點后”中藥用氨基酸和黃酮類物質的富集積累使其成為優異功能型百合新品種選育的重要親本。綜上結果,4類百合鱗莖中功能成分及其代謝物存在差異,可從中篩選特有標記代謝物,為后續選育和開發功能型百合新品種提供重要參考。

關鍵詞:百合;鱗莖;代謝組學;差異代謝物;功能成分

中圖分類號:S682.2+65.01" 文獻標志碼:A

文章編號:1002-1302(2024)23-0194-12

劉秀云,陳敏敏,游小英,等. 不同百合鱗莖中功能成分的代謝組學分析[J]. 江蘇農業科學,2024,52(23):194-205.

doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2024.23.027

收稿日期:2024-07-25

基金項目:上海市科技興農項目(編號:2020-02-08-00-12-F01463)。

作者簡介:劉秀云(1979—),女,內蒙古烏海人,碩士,副教授,主要從事園藝植物種質資源評價利用與栽培技術研究。E-mail:shseed@126.com。

百合為百合科(Liliaceae)百合屬(Lilium spp.)多年生球根草本植物,主要分布于北半球溫帶地區,全世界野生種質資源約115種,其中約55種分布于我國[1-2]。百合花朵碩大、色彩鮮艷、花型多樣,觀賞價值較高,在園林和家庭園藝中應用廣泛。百合地下鱗莖由肉質鱗片抱合而成,潔白肥厚,味甜清香,略有苦味,是我國衛生健康委員會審批通過的首批藥食同源植物[3],入藥部位干燥鱗葉對陰虛燥咳、痰中帶血、虛煩驚悸和失眠多夢等癥狀均有顯著療效[4-5]。有研究發現,百合花瓣中含有豐富的蛋白質、維生素C、礦質元素和生物活性物質,也具有較高的食藥用價值[6-7]。

作為藥食同源植物,百合營養物質和生物活性物質相關研究逐漸成為熱點[8-9],檢測種類主要集中在蘭州百合、卷丹、岷江百合、川百合和龍牙百合中,現已明確百合鱗莖中的活性成分以多糖、生物堿、甾體皂苷、黃酮與酚酸等為主,而對于不同種類的百合鱗莖中含有的基本營養物質、生物活性物質含量和組成的差異研究[10-18]較少。前人研究表明,百合多糖具有降血糖、抗腫瘤、抗氧化等功效[19]。甾體皂苷的功能包括抗炎、降血糖、抗氧化、抗抑郁、保肝與抗腫瘤等[20]。酚酸具有抗炎、抑菌、抗氧化和抗腫瘤等作用[21]。黃酮除以上功效外,還有抗病毒、護心和抗衰老等作用[22]。生物堿具有緩解關節痛和細胞毒性、抗腫瘤和真菌等作用[9]。

隨著組學技術的發展,代謝組學已被廣泛應用于百合育種、植物生長發育以及脅迫相關代謝反應等研究中。Tang等研究了22種代表性百合的次生代謝物,并分析了其與抗氧化能力的相關性[23]。Liang等對59種百合的食用特性進行了研究,探討了百合球莖顏色色素沉著的機理[24]。成志遠等對1~3年生的蘭州百合進行了響應自主脅迫的代謝組分析,為揭示抗氧化脅迫的調控機制提供參考[25]。另外,轉錄組和代謝組聯合分析也被應用于百合代謝組研究,如楊佳慧利用此方法分析了野生百合鱗莖休眠解除分子機制[26]。李保豫研究了蘭州百合鱗莖紫紅色變化分子機制以及王波分析了蘭州百合鱗莖發育過程中差異代謝物與其生長發育規律的關系[27-28]。Qin等結合代謝組學和轉錄組學說明了L.lancifolium和L.brownii苦味成分的差異[29]。本研究選擇蘭州百合(傳統食用百合)、宜興百合(藥用百合)、亞洲百合“橙珍珠”及東方百合“八點后”為研究材料,通過非靶向代謝組學對比分析其鱗莖中所含活性成分的差異,旨在為食藥用百合的開發利用及新品種選育提供參考。

1" 材料與方法

1.1" 試驗材料

試驗材料種植于上海農林職業技術學院種質資源圃,蘭州百合(LZBH)、宜興百合(YXBH)、“橙珍珠”(CZZ)和“八點后”(BDH)的成熟鱗莖于2023年9月地上部分全部枯萎后采收,選擇飽滿無損無病蟲害的種球,去根去泥、洗凈、自然陰干、液氮速凍,-80 ℃低溫冰箱保存備用。

1.2" 試驗方法

1.2.1" 代謝物提取

取冷凍干燥鱗莖,于60 Hz下粉碎處理2 min。每種百合鱗莖樣品稱取100 mg,放入離心管中,加入1 mL體積比為1 ∶1 ∶1的水 ∶乙腈 ∶異丙醇提取液,渦旋60 s后,低溫超聲提取 30 min,然后在4 ℃、12 000 r/min條件下離心 10 min,保留上清液,在-20 ℃條件下放置1 h,最后在同樣的條件下離心10 min,取上清液抽真空干燥,加入200 μL乙腈溶液(質量分數30%)復溶、渦旋,在14 000 r/min條件下離心15 min,取上清液進行上機檢測。

1.2.2" 上機檢測

使用超高效液相色譜儀(Vanquish,UPLC,Thermo,USA)對樣本進行色譜分離,高分辨質譜儀(Q Exactive HFX,Thermo,USA)進行質譜分析。

1.3" 數據預處理和質控

使用 Progenesis QI(Waters Corporation,Milford,USA)軟件對原始數據進行前處理,得到1個數據矩陣。利用商業數據庫和三黍生物自建代謝物二級質譜數據庫及相應裂解規律對含有二級質譜數據的峰進行鑒定。利用主成分分析(PCA)和QC樣本相對標準偏差(RSD)檢測分析過程中儀器的穩定性,得到的數據可靠,可開展后續的生信分析。

1.4" 數據分析

采用Pearson相關性分析計算得到相關系數(r),代表樣本之間的相關性,根據化學分析對所有的代謝物進行分類統計。將數據矩陣導入R軟件,采用PCA來觀察每組樣品之間的代謝差異和組間的變異程度,采用PLS-DA和OPLS-DA區分每組百合鱗莖之間代謝物水平的差異。差異代謝物的標準為P<0.05且VIP>1。采用t檢驗結合多元分析OPLS-DA的方法進行差異代謝物的生信分析,篩選統計差異代謝物。通過KEGG數據庫對差異代謝物開展通路注釋以及相關途徑富集分析。

2" 結果與分析

2.1" 4種百合鱗莖中代謝物的總體分析

對4種百合鱗莖樣本代謝物進行主成分分析,所得PCA散點圖(圖1-A)顯示,4類百合數據重復性較好,PC1、PC2分別解釋的表型變異為83.0%、9.4%。對蘭州百合(LZBH)、宜興百合(YXBH)、“橙珍珠”(CZZ)和“八點后”(BDH)鱗莖中的代謝物進行總體聚類分析,結果(圖1-B)表明,4種百合在鱗莖品質上存在顯著差異,“橙珍珠”(CZZ)與宜興百合(YXBH)聚為一支,再與蘭州百合(LZBH)聚為一類,“八點后”(BDH)聚為一類。

2.2" 4種百合鱗莖中代謝物的分類

本研究對檢測到的1 511個代謝物進行分類和占比情況分析,結果如圖2所示,按代謝物的二級分

類來進行劃分,占比較高的5類物質分別為羧酸及其衍生物類(26.67%)、有機氧化合物(14.62%)、異戊烯醇脂質(13.50%)、黃酮類化合物(7.69%)、脂肪酰類(6.24%)。

由圖3可知,按代謝物的三級分類(class C)進行劃分,在羧酸及其衍生物類物質中,氨基酸、肽和類似物占比最高,達到97.69%,二羧酸及其衍生物(0.66%)、伏馬菌素(0.33%)、六羧酸及其衍生物(0.33%)、三羧酸(TCA)及其衍生物(0.99%)的占比都非常低(圖3-A)。在有機氧化合物中,碳水化合物與其結合物占比最高,達到77.22%,醇類和多元醇占13.92%,羰基化合物占8.86%(圖3-B)。在異戊烯醇脂類化合物中,萜類糖苷占比最大,達到40.69%,其余單萜類、倍半萜類、二萜類、三萜類、萜類內酯分別占5.52%、11.03%、18.62%、9.66%、14.48%(圖3-C)。在黃酮類化合物中,黃

酮苷占比最大,達55.95%,雙黃酮和多黃酮、黃烷、O-甲基化黃酮和吡喃類黃酮分別占1.19%、17.86%、22.62%和2.38%(圖3-D)。在脂肪酰基化合物中,占比最高的是脂肪酰基糖苷(65.67%),其余類花生酸(5.97%)、脂肪醇(7.46%)、脂肪酰胺(4.48%)和線性酸及其衍生物(16.42%)占比較少(圖3-E)。由此,從結果推測,這些物質是影響百合鱗莖品質的主要成分。

2.3" 4種百合鱗莖中差異代謝物的韋恩分析和KEGG富集分析

為明確與百合鱗莖品質相關的因素,本研究進一步分析百合差異代謝物。經韋恩分析發現,4類百合共含有954個差異代謝物(圖4-A)。蘭州百合(LZBH)、宜興百合(YXBH)、“橙珍珠”(CZZ)與“八點后”(BDH)所含的特有代謝物依次為18、18、12、13個。由此可知,在所含特有物質種類的數量上,蘭州百合(LZBH)與宜興百合(YXBH)均高于“橙珍珠”(CZZ)與“八點后”(BDH)。之后對于差異代謝物開展KEGG富集分析,結果(圖4-B)表明,此類差異代謝物主要富集于亞油酸代謝途徑,淀粉和蔗糖代謝途徑,苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成途徑以及核黃素代謝和半乳糖代謝等途徑中。

2.4" 4種百合鱗莖中共有差異代謝物的分析

為對差異代謝物在4類百合鱗莖內的積累模式加以明確,本研究繼續對954類共有差異代謝物開展分類與聚類分析(CA)。結果表明,絕大多數羧酸及其衍生物皆在“八點后”(BDH)品種內呈顯著積累表現,“橙珍珠”(CZZ)內次之(圖5-A)。大多數有機氧化合物在蘭州百合(LZBH)以及宜興百合(YXBH)內顯著積累(圖5-B)。異戊烯醇脂類物質大多在蘭州百合(LZBH)以及宜興百合(YXBH)內顯著積累(圖5-C)。黃酮類化合物大多在“八點后”(BDH)內顯著積累(圖5-D)。脂肪酰基類化合物大多在蘭州百合(LZBH)內顯著積累(圖5-E)。

2.5" 4種百合鱗莖中特有代謝物的分類

經檢測可知,有48個代謝物僅在1種百合內被檢出,且含量較大, 其中包括11個有機氧化合物類

物質、2個羧酸及其衍生物類物質、2個黃酮類物質、9個異戊烯醇類物質、2個脂肪酰基類化合物、1個木質素糖苷類物質、1個線性1,3-二芳基丙烷類物質、1個縮酚酸及縮酚酸環醚類、2個酚類、5個類固醇和類固醇衍生物類、12個其他類物質(表1)。

其中,西伯利亞遠志糖A3、垂盆草苷、刺梨苷F1等14個物質僅在蘭州百合(LZBH)中被檢測到,15,16-二-氧-乙酰基豯薟苷、3,5,9-三羥基麥角甾-7,22-二烯-6-酮、黑升麻苷H1等12個物質僅在宜興百合(YXBH)中含有,“橙珍珠”(CZZ)特異性地含有3-氧-甲基圓葉腫柄菊素D、絲瓜苷B、黑升麻苷H2等10個物質,澳洲茄堿、3-O-阿魏酰奎尼酸和槲皮素3-蕓香苷-7-葡萄糖苷等12個物質僅在“八點后”(BDH)中被檢測到。可將此類物質當做化學標志物,開展更為深入的開發與研究,為鑒定百合種質或分析指紋圖譜提供指導。

2.6" 4種百合鱗莖中品質相關代謝物的積累分析

如圖6所示,碳水化合物中的蔗糖、葡萄糖和半乳糖在4種百合中均可檢測到,蘭州百合(LZBH)中含有較高含量的蔗糖、葡萄糖和半乳糖,其次是宜興百合(YXBH)和“橙珍珠”(CZZ),“八點后”(BDH)中含量最低;蘭州百合和宜興百合中含有較高含量的阿拉伯糖和海藻糖,明顯高于“橙珍珠”和“八點后”;蘭州百合較高的糖含量可能與其較甜口感相關。氨基酸及其衍生物中的甜味氨基酸谷氨酰胺在蘭州百合(LZBH)中富集積累,含量明顯高于其他3種百合,分別是宜興百合(YXBH)、“橙珍珠”(CZZ)和“八點后”(BDH)的1.86、2.73、2.58倍,而苦味氨基酸包括組氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸、精氨酸、酪氨酸、纈氨酸等6種氨基酸,在蘭州百合(LZBH)中積累水平較低;相比于蘭州百合(LZBH),宜興百合(YXBH)中甜味氨基酸積累較少,而苦味氨基酸積累較多。4種百合中,“橙珍珠”(CZZ)含有較高含量的組氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸、酪氨酸和纈氨酸,“八點后”(BDH)含有較高含量的精氨酸。在多酚類物質中,與“八點后”(BDH)相比,蘭州百合中(LZBH)含有高含量的香豆素和咖啡酸,分別是BDH的8.87倍和8.52倍;“橙珍珠”(CZZ)含有較高含量的阿魏酸和香草酸,LZBH的阿魏酸含量僅次于CZZ,BDH的香草酸含量僅次于CZZ。在甾體類生物堿中,宜興百合(YXBH)和“橙珍珠”(CZZ)含有較高含量的葫蘆巴堿,“八點后”(BDH)含有較高含量的澳洲茄堿,是蘭州百合(LZBH)70 971.95倍。在黃酮類化合物中,蕓香苷、楊梅素、槲皮素、異槲皮素、山柰酚和圣草酚的積累規律非常類似,均在BDH中顯著富集。

3" 討論與結論

研究表明,百合鱗莖中含有豐富的水分、蛋白質、脂類、碳水化合物、礦物質、維生素和膳食纖維等七大營養素和多酚類及生物堿類活性成分。前期已有一些學者開展了百合中代謝物成分的檢測鑒定研究,如Tang等研究了5種代表性百合的次生代謝物,共鑒定出577種次生代謝產物,包括201種黃酮類和153種酚酸化合物[23]。Qin等在卷丹和野百合中鑒定出26種苯丙烷類甘油葡糖苷[29]。本研究檢測到1 511種代謝物,其中954個差異積累代謝物共同存在于4種百合中,該研究結果是對前人研究的進一步補充。

蘭州百合是我國特有的傳統食用百合,因可溶性糖含量高于其他品種,且粗纖維含量低,口感甜,被稱為甜百合[30]。本研究發現,蘭州百合中蔗糖、葡萄糖和半乳糖等含量高于其他3種百合,與前人的研究結果[31]相似。游離氨基酸作為植物重要的生物活性成分之一,對植物營養價值和藥用價值的形成具有一定作用,如苯丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸及其衍生物可作為多種疾病的治療藥物[32-33]。不同游離氨基酸還具有甜味、苦味、鮮味等不同味覺特性,其含量高低對風味品質的形成具有重要影響,也被作為品質評價的重要指標[34-35]。本研究檢測到4種百合鱗莖中含有7種常見的游離氨基酸,其中包括3種必需氨基酸(苯丙氨酸、異亮氨酸和纈氨酸)和1種半必需氨基酸(組氨酸)及3種非必需氨基酸(谷氨酰胺、精氨酸和酪氨酸)。根據各氨基酸的呈味特性,又可將檢測到的7種氨基酸分為2類,如甜味氨基酸,即谷氨酰胺,苦味氨基酸則包括組氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸、精氨酸、酪氨酸、纈氨酸等6種氨基酸。本研究檢測到蘭州百合中谷氨酰胺的含量明顯高于其他3種百合,這可能是蘭州百合具有甜味的主要原因之一,研究也表明,谷氨酰胺對淋巴細胞生成、細胞因子產生有重要作用[36-37]。本研究還發現,“橙珍珠”中富集苯丙氨酸和酪氨酸等2種藥用氨基酸,這些品種間游離氨基酸種類和含量的差異反映了百合種類的遺傳積累特征和遺傳多樣性,為后續功能百合的開發利用提供了豐富的種質基礎。

香豆素是植物中一種天然化學物質,存在于蔬菜和水果中,在抗腫瘤方面也具有重要作用[38]。阿魏酸分布在百合的種子、果皮和鱗莖中,可用于治療心腦血管疾病[39]。葫蘆巴堿是一種存在于咖啡、胡蘆巴種子中的生物堿[40],則具有類似抗抑郁的作用,還可以防止腎結石的形成,可能與百合鱗莖的抗抑郁作用有關[41]。抗腫瘤植物化學物質澳洲茄堿已被證實存在于百合鱗莖中[42]。宜興百合被稱為藥百合,這可能與其具有高含量的生物堿相關。此外,百合中的黃酮類物質具有抗氧化、抗炎、抗病毒、護心、抗衰老、抗糖尿病、抗腫瘤等作用[22]。本研究發現,“八點后”鱗莖中富集積累黃酮類物質,如蕓香苷、楊梅素、槲皮素、異槲皮素、山柰酚和圣草酚等,是功能型百合新品種選育的優異親本材料。

本研究利用非靶向代謝組學技術對蘭州百合、宜興百合、“橙珍珠”和“八點后”等中的主要代謝物差異進行系統分析比較。通過代謝組學數據分析發現,4種百合中共有差異積累代謝物954個,其中,“八點后”中羧酸及其衍生物類物質的積累量高于其他3種百合,蘭州百合和宜興百合中有機氧化合物和異戊烯醇脂類物質積累量高于“橙珍珠”和“八點后”,黃酮類化合物主要在“八點后”中積累,脂肪酰基類化合物主要在蘭州百合中積累。同時,從4種百合中檢測出特有的代謝物質48個,其中,蘭州百合中含有14個特有代謝物質,宜興百合中含有12個特有代謝物質,橙珍珠中含有10個特有代謝物質,八點后中含有12個特有代謝物質。這些特有代謝物的組成和含量差異可能是構成4種百合鱗莖功能品質差異的重要因素。本研究揭示了不同種類百合鱗莖中營養功效成分的差異和多樣性,可為開發利用不同類型百合提供重要參考依據。

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