不同菜用甘薯品種莖尖代謝產物鑒定及途徑分析

摘要：為研究代謝產物對甘薯生長發育的影響，以甘薯莖尖為研究對象，利用液相色譜-質譜聯用（liquidchromatograph-mass spectrometer，LC-M）分離鑒定南寧菜、福菜薯18號、桂菜薯1號、桂菜薯2號、福薯7-6和臺農71共6種菜用甘薯的差異代謝產物，探討代謝途徑的差異。結果表明，6個甘薯品種共得到差異代謝物4 210種，其中上調2 229種，下調1 981種，表明不同甘薯品種間存在顯著差異。差異代謝物涉及的代謝途徑主要包括初級膽汁酸生物合成、吲哚生物堿生物合成、黃酮和黃酮醇生物合成和色氨酸代謝，且不同品種間差異代謝物的積累和代謝途徑也存在較大差異。因此，推測差異代謝物的積累和代謝途徑的差異對甘薯品質起著關鍵作用。以上研究結果為進一步分析不同品種甘薯品質差異的機制奠定了基礎。

關鍵詞：菜用甘薯；莖尖；代謝產物；代謝途徑doi：10.13304/j.nykjdb.2024.0371

中圖分類號：S531；Q591 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2025）02‐0062‐08

甘薯是我國重要的食品和工業原料作物，在國民經濟中占有重要地位[1]。盡管儲藏根是其主要食用部位，但甘薯的莖葉也被視為綠色蔬菜，并因其豐富的營養成分和健康益處而備受關注。然而對于不同品種菜用甘薯的代謝特征和代謝通路差異了解尚不充分[2-3]。

甘薯莖葉富含維生素、礦物質、葉酸、蛋白質等營養成分以及多酚、綠原酸、黃酮等有益健康的功能成分，這不僅使其成為重要的蔬菜、飼料來源，也將使其成為加工利用的新對象[4]。綠原酸是甘薯中酚酸類物質的主要成分，具有抗氧化、抗誘變和清除自由基等抗氧化特性[5]，意味著食用甘薯莖葉具有多種健康益處，如抗衰老、抗癌、抗菌、抗炎、抗高血壓和抗糖尿病（Ⅱ型）作用[6]。目前，消費者對甘薯莖葉的營養成分、生物活性和潛在健康益處越來越關注。研究表明，在甘薯中鑒定出的主要酚類化合物是酚酸和黃酮類化合物，其組成和含量因甘薯種類而存在差異[7]。劉主等[6]通過對糖尿病鼠進行試驗發現，甘薯中的糖蛋白具有降血糖作用。曾果等[7]通過生物強化技術培育的高β-胡蘿卜素甘薯品種具有為兒童補充維生素A的作用。有關甘薯中酚類化合物的特征已有研究，然而關于甘薯中這些化合物的定量和表征信息有限。代謝組學研究能夠全面地揭示生物體內代謝物的變化[8-9]，但在菜用甘薯方面的應用尚未充分展開。本研究以6種菜用甘薯的莖尖為研究對象，通過主成分（principa component，PC）分析、偏最小二乘判別分析（orthogonal partial leastsquares discriminant analysis，OPLS-DA）等多元統計分析方法分析不同品種間的差異代謝產物和代謝通路，從而為菜用甘薯的品質改良和優化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022年在廣西壯族自治區農業科學院明陽基地 （22°27′18″—22°36′29″N，108°2′—108°18′E） 溫室大棚進行，土壤為赤紅壤。甘薯株行距為20 cm×20 cm，栽插密度為250 500株·hm?2，田間管理同當地水平。栽插后30 d，摘取莖尖，樣品儲藏在?80 ℃冰箱備用，每品種6個生物學重復用于代謝產物測定。

1.2 試驗材料

選取南寧菜（NNC）、福菜薯18號（FCS18）、桂菜薯1 號（GCS1） 、桂菜薯2 號（GCS2） 、福薯7-6（FS7-6）和臺農71（TN71）共6個甘薯品種。南寧菜株型匍匐型，頂芽和頂葉黃綠色，成葉墨綠色，葉心形或心形帶齒，葉脈、葉脈基部、葉柄、柄基及莖均為綠色，葉片較大，莖直徑較粗，分枝數中等，味甜、軟滑，且葉片較耐煮、不爛，食味好。福菜薯18 號株型短蔓半直立，萌芽性能好，葉心形，帶齒，莖尖無茸毛；植株生長旺盛，腋芽再生能力強；中抗甘薯根腐病、甘薯莖線蟲病，感甘薯黑斑病；耐濕耐水肥。桂菜薯1號株型表現為直立或半直立，莖端無茸毛，葉形深裂復缺刻，頂葉綠色或黃綠色，莖色綠，無茸毛，燙后顏色綠，有香味、甜味和滑膩感。桂菜薯2號株型表現為直立或半直立，莖端無茸毛，葉形深裂復缺刻，頂葉黃綠色或綠色，成葉深綠色，莖綠色，莖尖燙熟后顏色綠色，有香味和甜味，無澀味。福薯7-6株型短蔓半直立，頂葉、成葉、葉脈、葉柄和莖蔓均為綠色。葉脈基部淡紫色，葉心形，莖尖絨毛少，食味清甜，無苦澀味，適口性好。臺農71株型短蔓半直立，基部分枝多，頂葉、成葉、葉脈、葉柄、莖蔓均為綠色，葉心形，茸毛少，口感鮮嫩滑爽。

1.3 試驗方法

1.3.1 菜用甘薯樣品預處理 選取完整、成熟的甘薯莖尖，放入研缽研磨，將研磨好的粉末樣品儲存于?80 ℃ 冰箱備用。

1.3.2 代謝產物提取 取 100 mg 研磨樣本，置于 EP 管中，加入500 μL 的 80%甲醇水溶液；渦旋振蕩，冰浴靜置 5 min，4 ℃、15 000 r·min?1離心20 min；取一定量的上清加質譜級水稀釋至甲醇含量為53%；4 ℃、15 000 r·min?1離心20 min，收集上清，進行液相色譜? 質譜聯用儀（liquidchromatograph mass spectrometer，LC-MS）分析[10]。

1.3.3 LC-MS 分析 ①色譜條件。在LC-MS 系統，分析條件如下：取5 μL提取物進行色譜分離，色譜柱（100 mm×2.1 mm，1.7 μm， Waters，USA）柱溫為40 ℃，流速為0.35 mL·min?1，其中流動相包括水和 0.1%甲酸溶液（溶劑A）、5%乙腈溶液（溶劑B）。 洗脫梯度程序：以5%溶劑B為起始條件，保持1 min；并將5%～100% B 保持8.0 min；隨后在 9.0—12.0 min使用100%溶劑B；最后在12.0—15.0 min使用5%溶劑B。

②質譜條件。在Q ExactiveTM HF-X質譜儀上進行質量采集，該系統在電噴霧電離正負模式下運行，設置如下：一級離子掃描m/z范圍：80～1 200，分辨率 70 000，二級打碎片離子分辨率 17 500，能量梯度為 20/50；在正、負模式下，噴霧電壓分別為：3.50、3.00 kV，離子源溫度為300 ℃。

1.4 數據分析

將質譜分析采集得到的原始數據經過Compound Discoverer 2.1（Thermo Fisher Scientific）軟件處理，獲得整理好的數據后，將其導入MetaboAnalyst 進行主成分（PC）分析、正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA），以篩選不同甘薯品種的差異代謝物，并進行KEEG（kyoto encyclopedia ofgenes and genomes）通路分析和代謝通路分析。

2 結果與分析

2.1 主成分分析和偏最小二乘法判別分析

為比較不同甘薯品種的代謝物組成，通過非靶向LC-MS獲得的數據進行主成分（PC）分析，結果（圖1）表明，正離子模式下，PC1和PC2的貢獻率分別為18.8% 和12.7%，累計貢獻率為31.5%；負離子模式下，PC1和PC2的貢獻率分別為21.6%和14.2%，累計貢獻率為35.8%。不同品種間較分散，而同一品種的不同生物學重復聚集在一起。同時樣本均分布在95%置信區間，表明分析結果可靠，不同甘薯品種的代謝物存在差異。

OPLS-DA結果（圖2）表明，R2 和Q2 值均大于0.9，說明模型有效，預測能力好。通過置換檢驗對模型有效性做進一步的檢驗，結果表明，6個甘薯品種之間有顯著性差異（Plt;0.05），說明模型穩健性好，不存在過擬合現象。福菜薯18號與南寧菜、桂菜薯1 號與南寧菜、桂菜薯1 號與福菜薯18號、桂菜薯2號與南寧菜、桂菜薯2號與福菜薯18號、桂菜薯2號與桂菜薯1號、福薯7-6與南寧菜、福薯7-6 與福菜薯18 號、福薯7-6 與桂菜薯1號、福薯7-6與桂菜薯2號、臺農71與南寧菜、臺農71與福菜薯18號、臺農71與桂菜薯1號、臺農71與桂菜薯2號、臺農71與福薯7-6樣品間差異較大，說明不同甘薯品種存在差異，而同一品種內的6次生物學重復較集中，即組內差異較小。

2.2 不同甘薯品種間差異代謝物的篩選

將變量投影重要性（variable importance inprojection， VIP）≥1、Plt;0.05 和倍數變化（foldchange，FC） ≥ 2的差異代謝物定義為顯著性差異代謝物。由表1可知，福菜薯18號和南寧菜之間有314 種顯著差異代謝物，其中189 種上調，125種下調；桂菜薯1號和南寧菜之間有304種顯著差異代謝物，其中166種上調，138種下調；桂菜薯1號和福菜薯18號之間有253種顯著差異代謝物，其中138種上調，115種下調；桂菜薯2號和南寧菜之間有300種顯著差異代謝物，其中148種上調，152種下調；桂菜薯2號和福菜薯18號之間有311種顯著差異代謝物，其中155種上調，156種下調；桂菜薯2號和桂菜薯1號之間有292種顯著差異代謝物，其中132種上調，160種下調；福薯7-6和南寧菜之間有287種顯著差異代謝物，其中162種上調，125種下調；福薯7-6和福菜薯18號之間有254 種顯著差異代謝物，其中116 種上調，138種下調；福薯7-6和桂菜薯1號之間有276種顯著差異代謝物，其中126種上調，150種下調；福薯7-6和桂菜薯2號之間有315種顯著差異代謝物，其中154種上調，161種下調；臺農71和南寧菜之間有331種顯著差異代謝物，其中185種上調，146種下調；臺農71和福菜薯18號之間有272種顯著差異代謝物，其中146 種上調， 126 種下調；臺農71和桂菜薯1號之間有209種顯著差異代謝物，其中119種上調，90種下調；臺農71和桂菜薯2號之間有209種顯著差異代謝物，其中132種上調，77種下調；臺農71和福薯7-6之間有283種顯著差異代謝物，其中162種上調，122種下調。在福菜薯18號和南寧菜中檢測到的上調差異代謝物最多，而在臺農71和桂菜薯2號最少。在臺農71和福薯7-6中檢測到的下調差異代謝物數量最高，在臺農71和桂菜薯2號最少。各品種間的差異代謝物均有所不同，呈現出顯著差異，推測6種甘薯品種的差異是由于代謝物差異所致。綜上，南寧菜和福菜薯18 號、桂菜薯1 號、桂菜薯2號、福薯7-6、臺農71間的代謝物譜差異較大。

2.3 差異代謝富集分析

KEGG 富集分析結果表明，福菜薯18 號、桂菜薯1 號、桂菜薯2 號、福薯7-6、臺農71 與南寧菜的差異代謝物分別涉及72、81、80、60、63條通路，主要通路如圖3 所示。福菜薯18 號與南寧菜的差異代謝物主要富集在色氨酸代謝、吲哚生物堿生物合成，其中注釋到色氨酸代謝途徑的差異代謝物最多，其次是次生代謝物的生物合成途徑。值得注意的是，生物堿合成相關的代謝途徑包括吲哚生物堿生物合成、莽草酸途徑生物堿的生物合成、萜類化合物和聚酮類生物堿的生物合成、皂苷生物堿的生物合成、組氨酸和嘌呤生物堿的生物合成萜烯和聚酮生物堿的生物合成，這些生物合成通路上富集的差異基因在桂菜薯1號和南寧菜數量較多；除莽草酸途徑生物堿的生物合成外，桂菜薯2號與南寧菜中還顯著富集了與類固醇激素生物合成有關的代謝途徑。在福薯7-6 與南寧菜的差異代謝物富集分析中，主要是次生代謝物合成的途徑，次生代謝過程被認為是植物在長期進化中對生態環境適應的結果，在植物適應生態環境中起重要作用。臺農71與南寧菜的差異代謝物富集的代謝通路主要為次生膽汁酸生物合成、黃酮和黃酮醇生物合成[10]、初級膽汁酸生物合成。

3 討論

本研究對6個不同甘薯品種的莖尖進行了非靶向代謝組學檢測，PC分析表明，不同甘薯品種間差異較大。與南寧菜相比，福菜薯18號、桂菜薯1號、桂菜薯2號、福薯7-6和臺農71莖尖中的上調代謝物數量分別為189、166、148、162和185種，下調代謝物數量分別為125、138、152、125、146種，在這些差異代謝物中，僅有46種相同，表明6個甘薯品種的代謝物譜存在顯著差異。Tan等[11]分析不同基因型甘薯的代謝組學顯示，不同基因型之間存在顯著的代謝差異。這與本研究結果一致，進一步驗證了甘薯不同品種間代謝特征的差異性。福菜薯18號與南寧菜差異代謝物的富集分析表明，色氨酸代謝途徑被顯著富集，注釋到色氨酸代謝途徑的差異基因最多，其次是次生代謝物生物合成途徑。色氨酸可通過一系列酶催化反應轉化為多種次生代謝產物，如植物激素生長素、色素類黃酮和類黃酮醇等[12]。桂菜薯1 號與南寧菜的差異代謝物也富集在色氨酸代謝途徑，同時還顯著富集于次生膽汁酸生物合成、組氨酸代謝、Ⅱ型聚酮產品的生物合成、初級膽汁酸生物合成；桂菜薯2 號與南寧菜的差異代謝物富集在初級膽汁酸生物合成、次生膽汁酸生物合成、類固醇激素生物合成、碳水化合物的消化和吸收； 臺農71與南寧菜的差異代謝物主要富集在次生膽汁酸生物合成、黃酮和黃酮醇的生物合成、初級膽汁酸生物合成。由此表明，南寧菜、福菜薯18號、桂菜薯1號、桂菜薯2號、福薯7-6和臺農71的代謝途徑存在顯著差異。色氨酸還參與植物光合作用的調節，光合作用是植物能量的主要來源，而色氨酸在光合作用中扮演重要角色，它通過調控光合作用，影響光合作用的速率和效率[13] 。生長素可調節光合作用相關酶的活性，從而影響光合作用的速率和產物的積累，色氨酸的存在和調控為植物的能量供給提供了重要保障。色氨酸還可增強植物對各種脅迫的耐受性，包括干旱、高溫、低溫、鹽脅迫等，其通過調節植物生長素、抗氧化酶活性以及相關基因的表達等途徑發揮作用。在高粱拔節期噴施色氨酸能顯著提高籽粒產量、千粒重、莖粗和穗長，同時降低株高、減輕倒伏的風險，這一措施還有助于提高高粱植株的SPAD 值和凈光合速率，增加籽粒千粒重，從而達到增產增收效果[14]。本研究也發現，差異代謝物顯著富集于色氨酸代謝，因此，南寧菜、福菜薯18號和桂菜薯1號光合作用的增強可能與色氨酸及其產物的增加有關，通過進一步探究甘薯色氨酸代謝的調節機制，或許能夠發現類似的促生長效果，從而為甘薯產量和質量的改良提供新途徑。同時，色氨酸還可通過合成次生代謝產物的方式，增強植物的抗逆能力。將代謝組學和轉錄組學相結合，深入理解植物代謝調控機理，對深入解析作物高產、優質的調控機制提供了新的方向。

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