《Journal of Agriculture and Food Research》：Blooming Aroma Secrets: Metabolite-Gene Correlations Boost Terpenoid Accumulation in Kushui Rose Petals
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作为药食同源植物，苦水玫瑰（Rosa sertata × Rosa rugosa Yu. et Ku.）以其独特香气和健康益处吸引人类。挥发性萜类（volatile terpenoids）不仅是影响玫瑰精油香型的特征香气成分，也是玫瑰产品的功能成分，其在原料中
作为药食同源植物，苦水玫瑰（Rosa sertata × Rosa rugosa Yu. et Ku.）以其独特香气和健康益处吸引人类。挥发性萜类（volatile terpenoids）不仅是影响玫瑰精油香型的特征香气成分，也是玫瑰产品的功能成分，其在原料中的积累将影响玫瑰产品的品质。研究人员采用整合代谢组学和转录组学分析（metabolomic and transcriptomic analyses），调查了苦水玫瑰花瓣在三个开花阶段（花蕾期、半开期和盛开期）的挥发性萜类谱和基因表达模式。研究人员使用高效液相色谱（high-performance liquid chromatography, HPLC）检测可溶性糖和有机酸，同时使用核糖核酸（RNA）测序（Ribonucleic acid (RNA) sequencing）和实时定量聚合酶链式反应（real-time quantitative polymerase chain reaction, RT-qPCR）验证，研究了参与萜类合成的关键基因。结果表明，香叶醛（citral）是苦水玫瑰中主要的挥发性有机化合物，单萜和倍半萜在半开期达到峰值。香叶醛（citral）、香茅醇（citronellol）和香叶醇（geraniol）与D-(+)-葡萄糖（D-(+)-glucose）、D-果糖（D-fructose）、蔗糖（sucrose）和琥珀酸（succinic acid）呈强正相关。鉴定出的关键基因为RsDXS3、RsHDS4和RsHDR7，它们与香叶醇（geraniol）、香叶醛（citral）、香茅醇（citronellol）、β-月桂烯（β-myrcene）和芳樟醇（linalool）呈正相关。这些发现为提高苦水玫瑰品质及其作为食品添加剂的价值提供了理论依据。
### 研究背景与问题
苦水玫瑰（Rosa sertata × Rosa rugosa Yu. et Ku.）是原产于中国甘肃省兰州市苦水镇的药食同源植物，以其独特香气和保健功能被广泛用于制作玫瑰饼、玫瑰酱、玫瑰茶和精油。挥发性萜类（volatile terpenoids）不仅是决定玫瑰精油香型的关键成分，还具有抗氧化、抗菌和情绪调节等生物活性。然而，不同开花阶段（花蕾期S1、半开期S2、盛开期S3）中萜类化合物的积累模式及其与可溶性糖、有机酸等非挥发性物质的关联尚不清楚，且苦水玫瑰中参与萜类合成的关键基因及其表达调控网络也缺乏系统研究。现有研究显示，其他玫瑰如大马士革玫瑰（Rosa damascena）中单萜类在半开期多样性最高，但苦水玫瑰（杂交品种）是否遵循类似规律尚不明确。因此，研究人员旨在通过整合代谢组学和转录组学方法，解析苦水玫瑰花瓣不同开花阶段挥发性萜类的积累规律，探索其与糖酸及类胡萝卜素的相关性，并鉴定关键合成基因，以期为提升苦水玫瑰品质及其在食品添加剂领域的应用价值提供理论依据。
### 研究概述与结论
研究人员于2023年5月23日在甘肃省兰州市永登县苦水镇（36°16′N, 103°26′E）随机采集苦水玫瑰花朵，按花蕾期（S1）、半开期（S2）和盛开期（S3）三个发育阶段取样，每个阶段约80朵花，花瓣分离后速冻保存。通过整合代谢组学和转录组学分析，系统研究了挥发性萜类谱、可溶性糖、有机酸和总类胡萝卜素含量，并结合加权基因共表达网络分析（WGCNA）和相关性分析，鉴定了关键候选基因。结论表明：香叶醛（citral）是苦水玫瑰中的主要挥发性有机化合物，单萜和倍半萜在半开期达到峰值；香叶醛、香茅醇（citronellol）和香叶醇（geraniol）与D-(+)-葡萄糖、D-果糖、蔗糖和琥珀酸呈强正相关；关键基因为RsDXS3、RsHDS4和RsHDR7，它们与香叶醇、香叶醛、香茅醇、β-月桂烯（β-myrcene）和芳樟醇（linalool）呈正相关。该研究为提升苦水玫瑰品质及其作为食品添加剂的价值提供了理论基础，论文发表在《Journal of Agriculture and Food Research》。
### 主要关键技术方法
样本来源：甘肃省兰州市苦水镇，随机采集三个开花阶段（S1、S2、S3）的花瓣，每个阶段设三个生物学重复，每个重复含26–27朵花。主要技术方法包括：1）非挥发性代谢物测定：使用高效液相色谱（HPLC）结合示差折光检测器测定可溶性糖（D-(+)-葡萄糖、D-果糖、蔗糖），使用HPLC结合紫外检测器测定有机酸（草酸、DL-酒石酸、莽草酸、L-苹果酸、柠檬酸、琥珀酸），使用分光光度法测定总类胡萝卜素。2）挥发性代谢物分析：采用气相色谱-飞行时间质谱（GC-TOF-MS）进行挥发性代谢组学全扫描，结合NIST数据库和保留指数鉴定；使用气相色谱-质谱联用（GC-MS）进行挥发性萜类的定性定量，以外标曲线计算浓度。3）转录组分析：提取总RNA，构建cDNA文库后采用Illumina NovaSeq 6000平台进行PE150双端测序；通过Trinity组装，edgeR筛选差异表达基因（DEGs），WGCNA进行共表达模块分析，KEGG进行通路富集。4）基因表达验证：使用实时定量PCR（RT-qPCR）验证9个萜类合成相关基因的表达水平。
### 研究结果
#### 3.1. 可溶性糖、有机酸和总类胡萝卜素
通过HPLC和分光光度法测定，发现D-(+)-葡萄糖和D-果糖含量随开花显著增加，在S3达到峰值（分别比S1高1.38倍和1.35倍）；蔗糖含量先升后降，在S2最高。有机酸中，柠檬酸和L-苹果酸在S1最高，随后急剧下降后略有回升；草酸和琥珀酸随开花持续上升，在S3最高；DL-酒石酸和莽草酸在S2达峰。总类胡萝卜素含量随开花递减，S1最高，S3最低。
#### 3.2. 总挥发性有机物（VOCs）谱
通过GC-TOF-MS共鉴定35种VOCs，包括16种萜类（11种单萜、5种倍半萜）、13种脂肪族化合物和6种芳香族化合物。萜类是主要成分，占总VOCs的52.17%–62.50%。主成分分析（PCA）显示三个开花阶段样本分布在不同象限，S1和S2分别位于PC1负半轴和正半轴，S3位于PC1正半轴和PC2负半轴，表明VOCs谱差异显著。热图进一步显示，S1阶段α-蒎烯、β-月桂烯等含量较高，S2阶段6-甲基-5-庚烯-2-酮和(E)-β-金合欢醛含量较高，S3阶段(E)-2-己烯醛、香叶醛、辛醛和苯乙醛含量较高。
#### 3.3. 挥发性萜类定量
通过GC-MS定量分析，发现主要挥发性萜类在不同开花阶段含量差异显著（P < 0.05）。香叶醛（以香叶醛和橙花醛的峰面积总和表示）是主要化合物，在S2达到峰值（77.71 μg/g FW），比S3高13.0%，比S1高10.93倍。香茅醇、香叶醇、芳樟醇和β-月桂烯均在S2达到峰值。
#### 3.4. 非挥发性化合物与挥发性萜类的相关性分析
Pearson相关分析显示：香叶醛、香茅醇和香叶醇与D-(+)-葡萄糖、D-果糖和琥珀酸呈高度显著正相关（P < 0.05）；香叶醇、β-月桂烯和芳樟醇与蔗糖呈强正相关；香叶醛和香茅醇与蔗糖和草酸显著正相关；芳樟醇与D-果糖、琥珀酸和DL-酒石酸显著正相关；β-月桂烯与莽草酸和DL-酒石酸显著正相关。所有挥发性萜类与柠檬酸和L-苹果酸呈显著负相关（P < 0.01）。
#### 3.5. 差异表达基因（DEGs）的KEGG通路富集
比较三个开花阶段，S1 vs S2的DEGs最多（2451个），S2 vs S3最少（654个）。KEGG富集分析表明，所有比较组中DEGs主要富集于“淀粉和蔗糖代谢”通路（P < 0.05），少量DEGs富集于“单萜类生物合成”、“类胡萝卜素生物合成”和“萜类骨架生物合成”等次级代谢通路。
#### 3.6. 加权基因共表达网络分析（WGCNA）
通过WGCNA将基因分为20个模块。模块-时期相关性分析显示，turquoise模块与S1显著相关（P < 0.001），其基因富集于“淀粉和蔗糖代谢”、“糖酵解/糖异生”和“丙酮酸代谢”；light-green模块与S2相关，仅一个基因富集于“倍半萜和三萜生物合成”；pink模块与S3显著相关（P < 0.001），富集于“萜类骨架生物合成”、“淀粉和蔗糖代谢”和“类胡萝卜素生物合成”，表明萜类代谢相关基因在S3最活跃。进一步筛选出7个萜类骨架生物合成候选基因，包括RsDXS、RsHDR、RsGGPS等，均随开花持续上调。
#### 3.7. 基因表达与萜类的相关性分析
在MEP和甲羟戊酸（mevalonate）途径中共鉴定75个基因。表达热图显示RsDXR、RsMCS、RsCMS、RsHDS、RsMPD、RsGPPS和RsTPS等基因从S1到S3显著上调。Pearson相关分析显示：β-月桂烯与RsHDR4、RsHDR7、RsHDS4（P < 0.01）以及RsHDR5、RsDXS3（P < 0.05）显著相关；香叶醇、香叶醛和香茅醇与RsDXS3、RsHDS4、RsHDR7、RsDXS8（P < 0.01）及RsDXS7（P < 0.05）正相关；芳樟醇与RsDXS3、RsHDR7、RsHDS4（P < 0.01）及RsHDR4、RsDXS8（P < 0.05）正相关。
#### 3.8. 实时定量PCR（RT-qPCR）基因表达验证
使用RT-qPCR验证9个萜类合成相关基因的表达水平，结果与RNA-seq数据高度一致，证实了转录组测序数据的可靠性，为进一步研究萜类代谢调控机制提供了坚实基础。
### 讨论总结
本研究显示，可溶性糖和萜类含量在S2和S3高于S1，相关分析支持大多数萜类与糖（尤其D-(+)-葡萄糖和D-果糖）的协同积累模式。L-苹果酸和柠檬酸在S1最高，随后下降，与先前研究一致。莽草酸作为氨基酸前体，可能参与2-苯乙醇的合成（其在S2达峰）。不同物种中萜类谱随开花阶段变化：在苦水玫瑰中，半开期和盛开期是挥发性萜类积累的关键时期，单萜和倍半萜在S2达峰，总类胡萝卜素则随开花递减。MEP和甲羟戊酸途径的差异表达基因驱动了不同阶段的香气谱，大多数基因从S1到S3上调。关键基因RsDXS3、RsHDS4和RsHDR7与主要萜类正相关，而RsTPS2与芳樟醇呈负相关，可能与底物特异性有关。此外，香茅醇等萜类可能增强苦水玫瑰对害虫的抗性和抗菌活性。本研究通过整合组学方法揭示了代谢物-基因网络，为提升苦水玫瑰品质提供了理论支持。
### 研究结论
本研究证明香叶醛（citral）是苦水玫瑰中的主要挥发性成分，在半开期达到峰值。香叶醛、香茅醇（citronellol）和香叶醇（geraniol）与可溶性糖和有机酸（包括D-(+)-葡萄糖、D-果糖、蔗糖和琥珀酸）呈高度显著正相关。萜类生物合成途径中的关键酶编码基因为RsDXS3、RsHDS4和RsHDR7，它们与香叶醇、香叶醛和芳樟醇（linalool）呈正相关。这项工作为改善苦水玫瑰品质和应用价值提供了理论依据。未来研究应通过CRISPR编辑候选基因在模式系统中进行功能验证，并结合与环境胁迫的多组学整合，以揭示气候对香气生物合成的影响。
