比较代谢组和转录组学揭示“19香”水稻香气物质组成及其形成途径.pdf

现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 279 比较代谢组和转录组学揭示“19 香”水稻 香气物质组成及其形成途径 刘志涛1,2，梁嘉燕2，孔雷蕾2，胡晓丹2，郑奕雄1*，白嵩2*（1.仲恺农业工程学院农业与生物学院 广东广州 510230）（2.广东省农业科学院水稻研究所，农业农村部华南优质稻遗传育种实验室（部省共建），广东省水稻育种新技术重点实验室，广东省水稻工程实验室，广东广州 510640）摘要：基于气象色谱-质谱联用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）对广东省龙川市和连山市种植的“19 香”乳熟期籽粒胚乳的挥发性代谢物进行代谢组学分析，结合转录组技术挖掘香气物质形成的相关基因，探讨产地对香稻香气物质形成的影响。通过主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、偏最小二乘法判别分析（Partial Least Squares Discriminant Analysis，PLS-DA）对原始数据进行多元统计分析。结果表明，“19 香”异地种植后其挥发性物质含量发生变化，其中有 14 个香气物质的相对含量达显著差异。通过 KEGG 富集分析发现次级代谢物的生物合成对香气物质含量具有显著影响。在转录水平上以连山组为对照，龙川组样本有56 个显著上调表达基因和 89 个下调表达基因，且主要参与有机物的分解代谢和多糖代谢等生物进程，差异表达基因发挥着糖基键的水解酶活性和氧化还原酶活性等分子功能，此外类胡萝卜素合成途径为显著富集通路。综上所述，不同种植环境对香稻的香气物质含量影响较大，其中乳熟期糖类代谢活动、胁迫应答相关机制可能是种植环境中调控香气物质含量的关键因子。关键词：香稻；异地种植；香气物质；2-乙酰基-1-吡咯啉；转录组测序 文章编号：1673-9078(2023)09-279-295 DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2023.9.0768 Comparison between Metabolomics and Transcriptomics for Revealing the Composition and Formation Pathway of Aroma Compounds in 19 Xiang Rice LIU Zhitao1,2,LIANG Jiayan2,KONG Leilei2,HU XiaoDan2,ZHENG Yixiong1*,BAI Song2*(1.College of Agriculture&Biology,Zhongkai University of Agriculture and Engineering,Guangzhou 510230,China)(2.Rice Research Institute,Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Key Laboratory of Genetics and Breeding of High Quality Rice in Southern China(Co-construction by Ministry and Province),Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Guangdong Key Laboratory of New Technology in Rice Breeding,Guangdong Rice Engineering Laboratory,Guangzhou,510640 China)Abstract:Using gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS),a metabolomic analysis of volatile metabolites of 19 Xiang milk-ripe stage endosperm grains grown in Longchuan City and Lianshan City,Guangdong Province was conducted.The effect of origin on the formation of aroma compounds in aromatic rice was also explored by identifying the genes related to the formation of aroma compounds using 引文格式：刘志涛,梁嘉燕,孔雷蕾,等.比较代谢组和转录组学揭示“19香”水稻香气物质组成及其形成途径J.现代食品科技,2023,39(9):279-295 LIU Zhitao,LIANG Jiayan,KONG Leilei,et al.Comparison between metabolomics and transcriptomics for revealing the composition and formation pathway of aroma compounds in 19 Xiang rice J.Modern Food Science and Technology,2023,39(9):279-295 收稿日期：2022-06-18 基金项目：广东省重点领域研发计划项目（2020B0202090003；2020B020225004）；广东省农业科学院水稻研究所优谷计划项目（2021YG09）；广东省水稻育种新技术重点实验室（2020B1212060047）作者简介：刘志涛（1992-），女，硕士研究生，研究方向：稻米品质特性，E-mail： 通讯作者：郑奕雄（1963-），男，硕士，教授，研究方向：花生遗传育种，E-mail：；共同通讯作者：白嵩（1970-），男，博士，副研究员，研究方向：水稻生理生态和稻米品质研究，E-mail： 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 280 transcriptome technology.Multivariate statistical analysis was performed on the original data using principal component analysis(PCA)and partial least squares discriminant analysis(PLS-DA).The results showed that the content of volatile substances in 19 Xiang varied among grains planted in different places,exhibiting significant differences in the relative contents of 14 aroma substances.KEGG enrichment analysis revealed that the biosynthetic pathways of secondary metabolites significantly affected on the content of aroma substances.At the transcriptional level,taking the Lianshan group as the control,the samples of the Longchuan group had 56 significantly upregulated genes and 89 downregulated genes,which were mainly associated with biological processes such as catabolism of organic matter and polysaccharide metabolism.In conclusion,different planting environments greatly influence the content of aroma substances in aromatic rice,and carbohydrate metabolism activities and stress response-related mechanisms at the milking stage may be crucial factors regulating the content of aroma substances in the planting environment.Key words:aromatic rice;off-site planting;aroma compound;2-acetyl-1-pyrroline(2AP);transcriptome sequencing 香气作为优质稻品种重要的品质性状之一，香气浓郁的优质稻米拥有更高的消费吸引力和市场价值。因此，研究香稻的香气物质组成及其形成机制，解析环境对香气物质的影响对香稻品种的选育，以及香稻异地种植后其香气品质的稳定性具有重要意义。目前已通过气质联用、电子鼻等方法从稻米中鉴定出 200 多种香气物质1，其中 2-乙酰基-1-吡咯啉（2-Acetyl-1-Pyrroline，2AP）2是研究较多的一种具有爆米花香味的杂环类化合物。此外，有部分气味阈值较低的杂环类化合物，如 2-乙酰基-2-噻唑啉、2-甲基呋喃、2-戊基呋喃等也能为稻米香气贡献不同风 味3。张江丽等4从云南地方香稻品种排香沙糯中发现含量较高的挥发性物质是具有果香、草香等风味的己醛和壬醛。Hinge 等5通过比较香稻与非香稻发育时期的挥发性成分发现，香稻中的庚醛、(E)-2-辛醛、苯乙醛、戊醛、壬醛、(E)-2-壬烯醛等醛类物质含量均高于非香稻。有研究表明醇类物质中的 1-己醇和 1-丁醇能赋予稻米甜味、花果香等风味4，此外在所有水稻品种中具有较高含量的 1-辛烯-3-醇，可赋予大米蘑菇和秸秆风味。但印度香米则具有较高含量的己醇6。鉴于不同稻米中各类物质的占比有所差异，香稻的最终风味源于多种挥发性物质的共同作用7，而能被人类嗅觉系统感知到的挥发性物质主要来自于氨基酸、脂肪酸和类胡萝卜素等前体物质8。如稻米的香气物质来源于氨基酸和脂肪酸的生成代谢途径。研究表明脯氨酸、鸟氨酸和谷氨酸的代谢途径是香稻关键性香气成分 2AP 的主要来源，其中脯氨酸的酶促反应产生 2AP 的前体物质吡咯啉-5-羧酸（Pyrroline 5 Carboxylic Acid，P5C），而鸟氨酸和谷氨酸是 2AP 的重要氮源9。芳香族氨基酸苯丙氨酸的代谢可产生气味阈值较低且具有花果香味的风味物质，如苯乙醛、苯乙酸、苯乙醇等物质10。脂肪酸在脂氧合酶或者-和-氧化酶作用下，产生具有香气的醛、醇、酮和酸类等物质。据研究报道，油酸和亚油酸的分解产物和氧化速度存在差异11，因此对两者分解产物的鉴定可用来作为脂质氧化的标记12,13。根据前人研究以及农户调查发现同一香稻品种异地种植后其香气发生显著差异，该变化不利于维持稻米香气品质的稳定性以及香稻品种种植区域的扩大。目前关于香稻香气成分的研究主要集中于对特征性香气成分 2-乙酰基-1-吡咯啉（2AP）的合成途径及其潜在的分子调控网络的研究，但其他香气物质的合成通路以及分子遗传机制有待研究和解析。1 材料与方法 1.1 材料及种植 优质籼型香稻品种“19 香”是广东省农业科学院水稻研究所培育的香型丝苗米新品种，是当前广东省各地丝苗米产业园的主栽品种。本实验于2021 年早季在广东省龙川市和连山市的