環塔里木盆地2個蘆筍品種的代謝組學分析

摘 要：【目的】蘆筍是百合科天門冬屬植物石刁柏（Asparagus officinalis）的食用嫩莖，分析2個蘆筍品種轉錄途徑和代謝組成分，為深度評估蘆筍營養價值和蘆筍種質資源開發利用和品種選育提供理論依據。【方法】利用UPLC-MS對哥蘭德和翡翠明珠2個蘆筍品種的嫩莖并進行代謝組學研究，比較代謝組成分的種類和含量，分析蘆筍轉錄途徑和代謝組成分。【結果】共篩選出差異代謝物235種，占全部代謝物的13.03%，其中包括黃酮53種，氨基酸及其衍生物39種，酚酸類34種，木脂素21種，生物堿20種，脂質12種，有機酸8種，核苷酸及其衍生物7種，萜類7種，維生素6種，甾體5種，糖類4種，香豆素3種，酮類2種，醌類1種，醛類1種，以及其它12種。翡翠明珠與哥蘭德相比，翡翠明珠的矢車菊素-3-O-半乳糖苷、沒食子兒茶素-（4α→8）-沒食子兒茶素、丁香苷、芥子堿、2-乙酰基-5-甲基呋喃與槲皮素-3-O-桑布雙糖苷含量較高；哥蘭德的葡萄糖基 5，8-二羥基-2，6-二甲基八碳-2，6-二烯酸，N-阿魏酰尸胺、毛蕊花糖苷、1-O-（6′-O-阿魏酰）葡萄糖苷-3-O-咖啡酰奎尼酸和知母皂苷 A3-葡萄糖苷含量較高。【結論】通過富集235種代謝物，得到次生代謝物的生物合成途徑主要有氨基酸、輔助因子與黃酮類化合物的生物合成途徑。

關鍵詞：蘆筍；LC-MS；代謝；轉錄途徑

中圖分類號：S63 文獻標志碼：A 文章編號：1001-4330（2024）10-2408-09

收稿日期（Received）：2024-02-18

基金項目：天山英才-科技創新領軍人才；新疆維吾爾自治區重大科技專項（2022A02005-2）；中央高校基本科研業務費專項資金（KYYJ2022001）；新疆蔬菜產業技術體系（XJARS-07）

作者簡介：莊紅梅（1987-），女，副研究員，研究方向為新疆特色蔬菜栽培與生理，（E-mail）zhuanghongmei86@163.com

通訊作者：王浩（1970-），男，山東濟寧人，研究員，研究方向為蔬菜栽培與生理，（E-mail）wanghao183@163.com

王強（1983-），男，甘肅會寧人，研究員，研究方向為設施蔬菜栽培與生理，（E-mail）350615359@qq.com

0 引 言

【研究意義】蘆筍是百合科天門冬屬植物石刁柏（Asparagus officinalis）的食用嫩莖，營養均衡全面，維生素、蛋白質和人體必需氨基酸含量豐富，且富含多種黃酮類物質，具有抗氧化、抗菌、抗衰老和提高免疫力等生理活性以及藥理作用，經常食用可消除疲勞、改善心血管功能、提高機體代謝能力，是一種食藥兼用的蔬菜^［1，2］。蘆筍是多年生作物，栽培一次可連續采收十余年，因此品種的優劣對提高種植蘆筍的效益有重要意義。【前人研究進展】超高效液相色譜串聯質譜（Liquid chromatography-mass spectrometry，UPLC-MS）技術是近年來常用于檢測代謝物的方法，以其靈敏、高效、快速、檢測范圍廣泛等特點而在植物活性成分的分析檢測、產品品質差異分析等方面得到廣泛應用^［3］。【本研究切入點】不同蘆筍品種均具有較高的營養價值，目前蘆筍種質資源開發利用和品種選育文獻尚較少。需利用UPLC-MS對哥蘭德和翡翠明珠2個蘆筍品種的食用嫩莖部分研究比較代謝組學。【擬解決的關鍵問題】研究蘆筍轉錄途徑和代謝組成分，深度評估蘆筍營養價值，為蘆筍種質資源開發利用和品種選育提供理論依據。

新疆農業科學第61卷 第10期莊紅梅等：環塔里木盆地2個蘆筍品種的代謝組學分析

1 材料與方法

翡翠明珠是山東華農蘆筍科技有限公司新育成的雜交一代品種，綜合性狀優良，適合我國南北方種植，該品種豐產性強；哥蘭德是美國加利福尼亞大學選育而成的雜交一代品種，屬中熟品種，單產可達 1 500 kg/667m²，抗銹病能力強。翡翠明珠和哥蘭德蘆筍于 2019 年播種栽培于新疆和田洛浦縣蘆筍生產基地設施大棚中。成年后于采筍期（2022 年 10月）選取長度、粗度、筍形較為一致，無病蟲害的蘆筍帶回實驗室，通過超高效液相色譜串聯質譜對蘆筍中的代謝物進行定性定量檢測，篩選出具有重要生物學意義和統計學顯著差異的代謝物。

2 結果與分析

2.1 UPLC-MS/MS檢測哥蘭德和翡翠明珠蘆筍代謝物成分對比

研究表明，用UPLC-MS/MS檢測到哥蘭德和翡翠明珠品種蘆筍嫩莖中共有1 803種代謝物，包括黃酮260種（14.42%），酚酸類232種（12.87%），氨基酸及其衍生物214種（11.87%），生物堿188種（10.43%），脂質161種（8.93%），有機酸103種（5.71%），萜類97種（5.38%），甾體87種（4.83%），糖類79種（4.38%），核苷酸及其衍生物76種（4.22%），木脂素68種（3.77%），香豆素41種（2.27%），醌類28種（1.55%），維生素23種（1.28%），醛類14種（0.78%），酮類13種（0.72%），色酮類11種（0.61%），內酯類9種（0.50%），醇類9種（0.50%），茋類7種（0.39%），以及其它83種（4.60%）。圖1

2.2 比較翡翠明珠與哥蘭德蘆筍代謝組成分的種類和含量

研究表明，共篩選出差異代謝物235種，占全部代謝物的13.03%，其中包括黃酮53種，氨基酸及其衍生物39種，酚酸類34種，木脂素21種，生物堿20種，脂質12種，有機酸8種，核苷酸及其衍生物7種，萜類7種，維生素6種，甾體5種，糖類4種，香豆素3種，酮類2種，醌類1種，醛類1種，以及其它12種。與哥蘭德蘆筍相比，翡翠明珠蘆筍代謝組中有132種代謝物含量提高，103種代謝物含量下降，其中黃酮類物質中有28種含量上調，25種含量下降；氨基酸及其衍生物中有34種含量上調，5種含量下降；酚酸類物質中有14種含量上調，20種含量下降；木脂素和香豆素中有4種含量上調，20種含量下降；生物堿中有15種含量上調，5種含量下降；脂類物質中有10種含量上調，2種含量下降；有機酸中有6種含量上調，2種含量下降；7種核苷酸及其衍生物含量上調；萜類物質中有3種含量上調，4種含量下降；6種維生素含量下降；甾體物質中1種含量上調，4種含量下降；糖類物質中3中含量上調，1種含量下降；酮類物質中1種含量上調，1種含量下降，1種醌類物質和1種醛類物質含量下降。表1，圖2

與哥蘭德相比，上調差異倍數最高的代謝物是矢車菊素-3-O-半乳糖苷，其下依次為沒食子兒茶素-（4α→8）-沒食子兒茶素、薯蕷皂苷元-半乳糖-葡萄糖苷、丁香苷、飛燕草素-3-O-（2″-O-葡萄糖基）蕓香糖苷、芥子堿、2-乙酰基-5-甲基呋喃、順-β-D-葡萄糖基-2-羥基肉桂酸酯、葫蘆巴堿、3-氨基甲酰-1-甲基氧化吡啶、粗葉懸鉤子苷、矢車菊素-3-O-（2″-O-葡萄糖基）蕓香糖苷、矢車菊素-3-O-葡萄糖基蕓香糖苷、槲皮素-3-O-桑布雙糖苷和L-酪胺；下調差異倍數最高的代謝物是葡萄糖基 5，8-二羥基-2，6-二甲基八碳-2，6-二烯酸，其下依次為N-阿魏酰尸胺、毛蕊花糖苷、1-O-（6′-O-阿魏酰）葡萄糖苷-3-O-咖啡酰奎尼酸和知母皂苷 A3-葡萄糖苷。表2，圖2

翡翠明珠、哥蘭德的差異代謝物在44個KEGG通路中均有富集。代謝途徑（Metabolic pathways）富集到的33個差異代謝物，數量最多，次生代謝物的生物合成途徑（Biosynthesis of secondary metabolites）富集到23個差異代謝物，氨基酸的生物合成途徑（Biosynthesis of amino acids）富集到8個差異代謝物，輔助因子的生物合成途徑（Biosynthesis of cofactors）富集到7個差異代謝物，黃酮類化合物的生物合成途徑（Flavonoid biosynthesis）富集到6個差異代謝物。圖3

翡翠明珠蘆筍中上調較高的差異代謝物丁香苷富集到苯丙烷類化合物的生物合成途徑（Phenylpropanoid biosynthesis），芥子堿富集到苯丙烷類化合物和次生代謝物的合成途徑，葫蘆巴堿富集到煙酸和煙酰胺代謝途徑（Nicotinate and nicotinamide metabolism），槲皮素-3-O-桑布雙糖苷富集到黃酮和黃酮醇的生物合成途徑（Flavone and flavonol biosynthesis，KEGG數據庫網址：https：//www.kegg.jp/）。圖4

3 討 論

3.1 在翡翠明珠蘆筍中上調倍數最高的代謝物中，矢車菊素-3-O-半乳糖苷是一種廣泛存在于多種蔬果中的花青素類物質^［4］；沒食子兒茶素-（4α→8）-沒食子兒茶素具有抗菌、抗氧化的功效^［5］；丁香苷具有抗炎免疫、保護肝功能的作用^［6］；芥子堿具有抗輻射、抗氧化、抗腹瀉、抗癌、抗腫瘤、保護肝功能和降壓平喘的藥理作用^［7］；2-乙酰基-5-甲基呋喃是重要的食用香料^［8］；葫蘆巴堿具有抗脫粒、抗糖尿病、抗氧化、抗炎和保護神經和心腎等功效^［9，10］；粗葉懸鉤子苷具有抗氧化活性^［11］；槲皮素-3-O-桑布雙糖苷能夠促進對神經中樞的刺激，并具有抗氧化和抗癌活性^［12］。在翡翠明珠蘆筍中下調倍數最高的代謝物中，毛蕊花糖苷具有抗氧化、免疫調節、抗炎、保肝等生物活性和保護皮膚免受紫外線損傷的功效^{［13，14］}。

3.2 此外，與哥蘭德蘆筍相比，翡翠明珠蘆筍中還有許多其它具有藥用價值的代謝物含量發生上調或下降。黃酮類物質中，黃芩苷、野黃芩素、柚皮素、圣草酚等含量上升，蘆丁、葒草素、水仙苷等含量下降。黃芩苷能夠具有顯著的抗氧化、抗炎癥、抗病毒活性，可顯著抑制HIV逆轉錄酶的活性，并抑制HIV-1的復制^［15］；野黃芩素具有抑制結腸癌發生、抑制視網膜神經節RGC-5細胞凋亡等藥理活性^［16-18］；柚皮素具有抗炎、抗凋亡、抗氧化應激等生物學活性，是潛在的治療慢性腸道炎癥性疾病有效藥物^{［19，20］}；圣草酚具有抗氧化、降血脂、降血糖等功效，在抑制糖尿病腎纖維化、改善潰瘍性結腸炎等亦有潛在的藥用價值^［21-24］；蘆丁具有抗炎、抗氧化、保護血管和鎮痛等多種藥理作用，且廣泛應用在畜牧業中^［25］；葒草素具有抗癌細胞遷移，以及改善肺損傷、肝損傷以及細胞損傷等藥理作用^［26］。酚酸類物質中，松果菊苷等含量下降，松果菊苷具有抗炎、抗氧化、減輕膿毒癥導致的心肌和腎功能損傷、治療神經系統疾病的功效^［27］。

4 結 論

通過富集235種代謝物，得到次生代謝物的生物合成途徑主要有氨基酸、輔助因子與黃酮類化合物的生物合成途徑。翡翠明珠與哥蘭德蘆筍上調和下調倍數最高的代謝物中的黃酮類物質具有顯著的抗氧化、抗炎癥、抗病毒活性，酚酸類物質具有抗氧化、治療神經系統疾病的功效。

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Metabolomics study of two different varieties of Asparagus based on LC-MS technique

ZHUANG Hongmei¹，ZHAO Jiafen²，WANG Yan³，CHEN Xianzhi⁴，LIU Huifang¹，

HAN Hongwei¹， Kelibinuer Kaisaier¹， WANG Qiang¹， WANG Hao¹

（1. Institute of Horticultural Crops， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences/Xinjiang Vegetable Engineering Research Center/Provincial and Ministerial Co-Construction State Key Laboratory of Crop Stress Resistance Genetic Improvement and Germplasm Innovation in Arid Desert Region/Xinjiang Key Laboratory of Genomic Research and Genetic Improvement of Specialty Fruits and Vegetables， Urumqi 830091， China; 2. Hotan Agricultural Technology Extension Center， Hotan Xinjiang 848000， China; 3.College of Horticulture， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China; 4. Wenzhou Vocational College of Science and Technology， Wenzhou Zhejiang 325006， China）

Abstract：【Objective】 Asparagus known as the 'king of vegetables' is the edible tender stem of the asparagus officinalis in the lily family， so this project aims to clarify the two varieties of asparagus transcriptional pathway and metabolism components.The results of this study has provided theoretical basis for in-depth evaluation of nutritional value， development and utilization of germplasm resources and variety breeding of asparagus.【Methods】 A comparative metabolomic study was carried out on the young stems of two varieties of Galande and Jade Pearl asparagus by UPLC-MS and the transcriptional pathway and metabolic components of asparagus were comprehensively understood by comparing the types and contents of metabolic components.【Results】 A total of two hundred and thirty-five different metabolites were screened out accounting for 13.03% of the total metabolites， including fifty-three flavonoids， thirty-nine amino acids and their derivatives， thirty-four phenolic acids， twenty-one lignans， twenty alkaloids， twelve lipids， eight organic acids， seven nucleotides and their derivatives， seven terpenoids， six vitamins， five steroids， four sugars， three coumarins， two ketones， one quinone， one aldehyde， and twelve others. The cyanidin-3-O-galactoside， gallocatechin-（4α→8）-gallocatechin， syringin， sinapine， 2-acetyl-5-methylfuran and quercetin-3-O-sambubioside were higher than those of galactoside. Golande had a high content of glucosyl 5， 8-dihydroxy-2， 6-dimethylocta-2， 6-dienoic acid， N-feruloyl cadaverine， acteoside， 1-O-（6' -o-feruloyl acid） glucoside， 3-O-caffeoyl quinic acid and timosaponin A3-glucoside. 【Conclusion】 Through enrichment of two hundred and thirty-five kinds of metabolites， the main biosynthesis pathways of secondary metabolites include amino acids， cofactors and flavonoids.

Key words：asparagus; LC-MS; metabolism; transcription pathway

Fund projects：“Tianshan Talerts”—Science and technology Innovation Leading Talent project; Major Science and Technology Projects in Xinjiang Uygur Autonomous Region（2022A02005-2）;Earmarked Fund for the Basic Scientific Research of Central Government Universities （KYYJ2022001）; Xinjiang Vegetable Agriculture Research System（XJARS-07）

Correspondence author： WANG Hao （1970-）， male， from Jining， Shandong， researcher， research direction： vegetable cultivation and physiology， （E-mail） wanghao183@163.com

WANG Qiang （1983-）， male， from Huining， Gansu， researcher， research direction： Protected vegetable cultivation and physiology， （E-mail） 350615359@qq.com