科研 | 华南农大&广东省农科院：紫外线C对苦瓜果实衰老的影响及转录组学和代谢组学分析的关键因素（国人佳作）

苦瓜果实经过特定时间的UV-C照射，包括0秒、10秒、40秒、60秒和120秒，以确定UV-C处理对其采后品质的影响。对照组和UV-C处理组的结果如图1A所示。UV-C处理的苦瓜样品的成熟指数低于对照组，尤其是40秒处理组。在第4天，40秒处理组的成熟指数显著低于对照组和其他处理组，且颜色从绿色到黄色的变化不显著（图1B）。经过10秒和40秒UV-C照射的苦瓜样品在颜色和h0值方面显著优于对照组和其他处理组（图1C, D）。对照组的硬度随贮藏时间迅速下降，而UV-C处理组的硬度下降较慢。在所有UV-C处理组中，第2天的硬度差异不显著，但40秒处理组在第3天和第4天的果实硬度显著高于其他UV-C处理组和对照组（图1E）。在前2天，对照组和UV-C处理组的乙烯产生量较少，但在第3天和第4天迅速增加。10秒处理组的乙烯产生量最高，而120秒处理组最低（图1F）。40秒处理组在第1天的呼吸速率显著增加，但在第2天降低。在第2天，所有处理组的呼吸速率差异不显著。在成熟后期，所有处理组的呼吸速率均增加，其中40秒处理组的呼吸速率最高，而120秒处理组最低（图1G）。总体结果表明，40秒的UV-C处理延长了苦瓜果实的采后保质期，并在贮藏条件下提高了其品质（图S1）。

对照组和经过40秒UV-C处理的样品在0至4天内产生的过氧化氢较少（图2A）。相比之下，对照组和UV-C处理的样品产生了更多的超氧负离子，并且丙二醛（MDA）含量更高，且在对照组中显著高于UV-C处理组（图2B, C）。这些结果表明，对照组的苦瓜样品比经过UV-C处理的样品承受了更多的活性氧（ROS）压力。

UV-C处理组的抗氧化能力在第1天显著增加，但在第4天时，对照组和UV-C处理组之间没有显著差异（图2D）。与对照组相比，UV-C处理组在贮藏期间的抗氧化酶活性，如超氧化物歧化酶（superoxidedismutase, SOD）、过氧化物酶（Peroxidase，POD）和抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase, APX），显著增加（图2E-G）。相比之下，过氧化氢酶（Catalase，CAT）的活性在UV-C处理组中最初增加，但在后期贮藏期间显著下降；在对照组中，CAT活性在早期阶段迅速下降，但在后期贮藏期间增加（图2H）。抗坏血酸（AsA）的含量在两组中均逐渐下降，但UV-C处理延缓了其下降，含量高于对照组（图2I）。这些酶和非酶类化合物，如AsA，可能是维持苦瓜组织氧化还原平衡的关键因素。

在苦瓜采后贮藏期间，我们对对照组和UV-C处理组的黄酮类化合物和总酚类化合物（TP）含量也进行了测定。结果显示，UV-C处理组的黄酮类化合物和TP含量显著高于对照组，并且随着采后贮藏时间的增加而增加（图2J, K）。此外，UV-C处理组的叶绿素含量也显著高于对照组，且随着采后贮藏时间的增加而增加（图2L）。这些结果表明，采后UV-C处理能够提高苦瓜在贮藏过程中酚类化合物和黄酮类化合物的含量。酚类化合物和黄酮类化合物与抗氧化酶和抗坏血酸（AsA）一起，在植物中表现出强大的抗氧化能力，有助于减少氧化应激并防止组织中脂质的氧化。

为了研究UV-C照射对苦瓜采后代谢的分子效应，我们选取了三个不同阶段的样品（CK-0d、CK-3d和UV-3d）进行转录组分析，总共映射了4110万到4260万条读段，映射率为97.63%到97.62%，其中3930万到4050万条（95.26%到95.52%）读段唯一映射。Q30碱基百分比大于94.21%，GC含量为94.21%到94.55%（表S1）。我们发现共有12,733个基因差异表达（DEGs），其中370个基因是共有的。然而，在所有处理中，有3235个基因是独特的（图S2A）。在对照条件下，CK-0d与CK-3d相比，下调基因（3792个）多于上调基因（3313个）。在响应UV-C照射时，CK-0d与UV-3d以及CK-3d与UV-3d相比，上调基因的数量（分别为2269个和804个）显著增加，而下调基因的数量（分别为2169个和386个）相对较少（图3A）。此外，对苦瓜对照组和UV-C样品之间的DEGs进行主成分分析（PCA），结果显示PC1占总变异的41.19%，PC2占14.84%（图S2B）。我们还使用皮尔逊相关系数对苦瓜的生物学重复样本进行了相关性分析，样本内的相关系数高于样本间的相关系数（图S2C）。这表明数据是可靠的。此外，火山图展示了苦瓜在0d与CK-3d、CK-0d与UV-3d以及CK-3d与UV-3d之间的DEGs（图S2D-F），并显示了不同组中识别的DEGs数量。

为了进一步探讨UV-C对苦瓜保质期的分子响应，我们对差异表达基因（DEGs）进行了基因本体论（GO）富集分析。在三个主要类别中，如生物组分、生物过程和分子功能，我们找到了前20条最显著的通路（图S3）。在生物过程中，最富集的GO术语是细胞过程和代谢过程，而在分子功能和细胞组分中，最富集的GO术语分别是催化活性和细胞解剖实体。此外，我们还进行了KEGG分析，以找出在采后贮藏期间UV-C照射下苦瓜中DEGs富集的潜在调控通路（图3）。在UV-C照射下，苦瓜中最富集的通路包括碳代谢、植物激素信号转导、植物-病原体互作、氨基酸生物合成和MAPK信号通路。进一步分析表明，在CK-0d与CK-3d之间（图3A），这些特定通路中的DEGs数量多于UV-C处理组。在CK-0d与UV-3d以及CK-3d与UV-3d之间（图3B, C），未成熟果实中这些特定通路的DEGs数量减少。

在对照条件下，我们从苦瓜成熟过程中共鉴定出282种差异积累代谢物（DAMs），其中175种上调，107种下调。在UV-C照射下，我们共鉴定出226种DAMs，其中167种在CK-0d与UV-3d组中上调，59种下调；在CK-3d与UV-3d组中，共发现81种DAMs，其中59种上调，22种下调（图4A）。研究发现，有177种DAMs是独特代谢物，而20种是所有处理中的共有代谢物（图S4-A）。这些代谢物被分为11个不同的类别，其中酚酸、黄酮类、萜类、生物碱以及氨基酸及其衍生物的比例较高（图4B）。我们在苦瓜对照组和UV-C处理组的DAMs之间进行了主成分分析（PCA），结果显示PC1占数据总变异的34.56%，PC2占15.44%（图S4B）。PCA分析还表明，CK-3d和UV-3d之间的代谢物相关性高于CK-0d。此外，对照组和UV-C处理后苦瓜样本之间的相关性分析显示，样本在重复实验中显著一致（图S4-C）。此外，UV-C处理下苦瓜中DAMs的表达模式在火山图中展示出来（图S4E–G）。在积累模式上，DAMs被分为八个亚类，其中在CK-3d积累较多，而在UV-3d减少的DAMs属于亚类1和5（图S4H）。然而，亚类3、4、6和8在CK-3d积累较少，而在UV-3d高度积累，而亚类2和7则从CK-0d到UV-3d持续积累。这表明这些代谢物可能是UV-C照射下苦瓜中的重要DAMs。总体而言，这些结果表明，在成熟过程中，UV-C处理显著下调了苦瓜中DAMs的数量。

KEGG分析显示，在CK-0d与CK-3d之间，最富集的通路包括戊糖和葡萄糖醛酸相互转化、亚油酸代谢、苯丙氨酸代谢、黄酮和黄酮醇生物合成以及α-亚麻酸代谢（图4C）。然而，在CK-0d与UV-3d之间，最富集的通路是酪氨酸代谢、苯丙素生物合成以及辅因子生物合成（图4D）。在CK-3d与UV-3d之间，最富集的通路是α-亚麻酸代谢、黄酮和黄酮醇生物合成以及半胱氨酸和蛋氨酸代谢（图4E）。此外，我们基于高度富集的通路筛选出差异积累代谢物（DAMs），其中与乙烯生物合成相关的代谢物（如蛋氨酸）以及与细胞壁降解相关的代谢物（如葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、樱桃苷和松柏苷）被下调。而与木质素生物合成和黄酮类化合物相关的代谢物（如对香豆醇、对香豆醛、迷迭香酸、柚皮素、异槲皮苷、芦丁和其他等）在UV-C照射下上调（图4F）。这些结果表明，与乙烯产生和细胞壁降解相关的代谢物被UV-C处理下调，而与木质素和黄酮类生物合成相关的DAMs则被上调。

UV-C照射通过抑制与乙烯产生相关的酶显著延缓了苦瓜的成熟过程。我们鉴定出多种与乙烯生物合成相关的基因，如1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶（ACS）和ACC氧化酶（ACO），其中ACS1、ACS-like、ACO1和ACO3在UV-C照射下被显著抑制（图5A, B）。此外，在苦瓜中，几种乙烯响应转录因子（ERF）在UV-C照射下也被显著抑制。ERF003、ERF012、ERF017、ERF061、ERF062和ERF117在CK-0d与UV-3d以及CK-3d与UV-3d之间的处理中被下调，而ERF3在UV-C照射后表达上调（图5B）。乙烯应答元件结合因子1（ethylene response element binding factor 1，ERN1）在苦瓜中经UV-C照射后上调。我们还鉴定出一些与果实衰老相关的其他激素相关的基因，如ABA响应元件结合蛋白1（ABA response element binding protein 1，ABR1）在CK-0d与UV-3d以及CK-3d与UV-3d之间被下调，而细胞分裂素响应因子2（cytokinin response factor，CRF2）在这些处理中上调（图5B）。这些发现表明，UV-C照射通过下调与乙烯生物合成及其相应响应因子相关的基因来延缓成熟过程。