果实发育、茉莉酸甲酯处理及土壤理化因子对Physalis peruviana L.靶向功能代谢物的影响

《EUROPEAN FOOD RESEARCH AND TECHNOLOGY》：Impact of fruit development, methyl jasmonate treatment, and soil physicochemical factors on targeted functional metabolites in Physalis peruviana L.

　　

Physalis peruviana L.（酸浆）是一种热带水果，因其富含健康促进化合物而具有较高的营养价值，这些化合物包括黄酮类（flavonoids）、生育酚类（tocopherols）和类胡萝卜素（carotenoids）。本研究旨在考察五种功能代谢物——表儿茶素（epicatechin）、α-生育酚（α-tocopherol）、δ-生育酚（δ-tocopherol）、γ-生育酚（γ-tocopherol）和β-胡萝卜素（β-carotene）——在未成熟和成熟果实发育阶段的浓度变化；并评估土壤理化因子（soil physicochemical factors, SPF）以及外源茉莉酸甲酯（methyl jasmonate, MeJA）处理对成熟果实中这些代谢物积累的影响。靶向代谢物定量采用高效液相色谱耦合二极管阵列和荧光检测（high-performance liquid chromatography coupled with diode-array and fluorescence detection, HPLC-DAD/FLD）进行分析。结果显示，代谢物水平呈阶段依赖性波动，生育酚类和β-胡萝卜素在成熟阶段显著增加。在采样0时，未成熟和成熟果实中的代谢物与部分SPF之间观察到Spearman相关性。除α-生育酚外，MeJA处理未观察到统计学显著差异。这些发现为P. peruviana果实中生物活性代谢物的发育阶段调控、SPF相关性以及诱导子介导的调控机制提供了新的见解，支持其在功能食品开发中的应用。

研究背景与目的

Physalis peruviana L.（酸浆，又名灯笼果或黄金浆果）是茄科（Solanaceae）多年生灌木，原产于安第斯地区。该果实因其独特风味及丰富的营养和植物化学 profile 而在全球范围内日益受到重视，其富含碳水化合物、膳食纤维、抗坏血酸、生育酚、类胡萝卜素（ notably β-胡萝卜素）和酚类化合物。在果实发育和成熟过程中，P. peruviana经历显著的生理生化变化：未成熟阶段叶黄素（lutein）占主导，而完全成熟时β-胡萝卜素及其酯类成为主要类胡萝卜素，占总类胡萝卜素高达55%，此过程伴随有色体（chromoplast）结构变化以利于色素沉积。然而，过度成熟的果实因降解和分解过程可能导致总类胡萝卜素含量下降。

酚类化合物（包括黄酮类如表儿茶素）和生育酚类（即α-、δ-、γ-生育酚）对果实的抗氧化和营养药用价值贡献显著。基因型变异和采收时间显著影响酚类、β-胡萝卜素和抗氧化活性水平，成熟果实通常呈现较高的β-胡萝卜素和抗坏血酸，但某些品种的总酚类可能降低。外源诱导子如茉莉酸甲酯（MeJA）的应用已成为增强果实生物活性化合物积累的有前景策略。MeJA是一种脂质衍生植物激素，参与防御信号传导、应激反应及代谢调控，包括次生代谢物途径。在苹果、木瓜、树莓、葡萄和草莓等作物中，MeJA处理已被证明能增加酚类化合物、类胡萝卜素、黄酮类和抗氧化酶活性，并改善采后品质。

尽管MeJA在提升其他物种果实品质方面的益处已有文献记载，但其在P. peruviana代谢物组成中的影响，尤其是关于黄酮类和生育酚含量方面，仍研究不足。迄今，黄金浆果的研究主要集中于成熟过程中的类胡萝卜素变化和品种效应，而关于表儿茶素或维生素E异构体的发育变异及其诱导子调控方面所知甚少。因此，本研究旨在评估功能代谢物在未成熟和成熟果实不同发育阶段的浓度变化，探索SPF与P. peruviana果实中靶向代谢物浓度之间的关系；并评估采前MeJA叶面喷施对成熟果实中这些功能代谢物积累的影响。该论文发表于《EUROPEAN FOOD RESEARCH AND TECHNOLOGY》。

主要技术方法

研究人员采用高效液相色谱耦合二极管阵列和荧光检测（HPLC-DAD/FLD）进行靶向代谢物定量分析，使用Develosil^? 5 μm RP-Aqueous C₃₀色谱柱。采用Kruskal-Wallis非参数检验和多元方差分析（PERMANOVA）的成对Wilcox检验进行统计分析。运用Spearman相关性分析结合主成分分析（PCA）评估土壤理化变量与代谢物间的统计关系，该分析为无实验控制的观察性研究。样本来源于哥伦比亚安蒂奥基亚省拉乌尼翁市的四个商业种植园，分两组进行：农场1和2（海拔2366.1–2414.5 m.a.s.l.，2023年7月31日至9月25日采样）；农场3和4（海拔2505.8–2507.8 m.a.s.l.，2023年11月7日至2024年3月7日采样）。土壤理化性质包括湿度、温度、pH、质地、电导率、阳离子交换量（cation exchange capacity, CEC）、有机碳含量、有机质百分比、有效磷、总凯氏氮（total Kjeldahl nitrogen）及多种金属元素（Al、Sb、As、Ba、Be、B、Cd、Ca、Cr、Cu、Fe、Pb、Li、Mg、Mn、Hg、Mo、Ni、K、Se、Ag、Na、Sn、Ti、V、Zn）。

研究结果

**功能代谢物随果实发育阶段的变异**

比较两种不同发育阶段果实的研究发现统计学显著差异。在农场1和2中，未成熟与成熟P. peruviana果实的平均α-生育酚浓度分别为6.23±1.16 mg/kg和10.51±1.96 mg/kg，δ-生育酚分别为19.60±3.58 mg/kg和34.88±6.36 mg/kg，β-胡萝卜素分别为21.63±3.97 mg/kg和55.74±10.25 mg/kg（α=0.05）。表儿茶素在未成熟和成熟果实中的平均浓度分别为1.80±0.30 mg/kg和10.84±1.80 mg/kg，同样具有统计学显著差异。而γ-生育酚浓度（7.02±1.12 mg/kg vs. 6.74±1.07 mg/kg）无统计学显著差异。

农场3和4亦呈现统计学显著差异：α-生育酚在未成熟和成熟果实中分别为1.70±0.32 mg/kg和6.44±1.20 mg/kg，δ-生育酚分别为14.08±2.57 mg/kg和29.27±5.34 mg/kg。然而，表儿茶素的平均浓度在未成熟和成熟果实中均为0.93±0.15 mg/kg，无统计学显著差异。该值因测量浓度低于定量限而在特定阈值被排除，两发育阶段均报告相同浓度，因其均低于该阈值而对应于检测限规定值。农场3和4中β-胡萝卜素的非参数方差分析显示无统计学显著差异。

**土壤理化因子与功能代谢物的相关性**

通过Spearman相关性分析，研究人员观察到土壤理化变量组与部分分析代谢物之间存在关联，这些结果具有探索性而非因果性。

在农场1和2的未成熟果实中（采样0），Be、土壤温度（T）、土壤湿度（H）、总凯氏氮、阳离子交换量、有机碳含量和有机质百分比聚为一类（蓝色聚簇）；表儿茶素、α-生育酚和β-胡萝卜素浓度与Al、Cu、Fe、Li、Mn、Ni、Pb、Se、Sb、Ti、Zn等金属浓度聚为另一类（绿色聚簇）；δ-生育酚、有效磷、As、Ba、Cr、K、Mg和Mo再归为一类（紫色聚簇）。蓝色聚簇与绿色聚簇的变量间呈反向关系。在成熟果实中，γ-生育酚、pH和Hg聚为粉色聚簇；表儿茶素、δ-生育酚与Al、Cu、Fe、Li、Mn、Ni、Pb、Se、Sb、Ti、V、Zn等金属聚为绿色聚簇；有效磷、As、Ba、Cr、K、Mg和Mo仍为紫色聚簇。蓝色与绿色聚簇间再次呈现反向关系。

在农场3和4的未成熟果实中，α-生育酚、γ-生育酚与Al、As、Ba、Be、Cr、Fe、Hg、Li、Mg、Mn、Mo、Pb、Ti、V等金属聚为蓝色聚簇；β-胡萝卜素与阳离子交换量、pH、土壤湿度聚为绿色聚簇；Ca、Cu、有效磷、总凯氏氮、有机碳含量和有机质百分比聚为紫色聚簇，δ-生育酚与该紫色聚簇呈反向相关。在成熟果实中，前述金属仍为蓝色聚簇；阳离子交换量、土壤湿度和Sb为绿色聚簇；α-生育酚、δ-生育酚、γ-生育酚、β-胡萝卜素、Ca、Cu、有效磷、总凯氏氮、有机碳含量和有机质百分比归为紫色聚簇。土壤pH与蓝色聚簇、Zn浓度与绿色聚簇间分别呈反向关系。

**茉莉酸甲酯处理对成熟果实的影响**

总体而言，在所评估的实验条件下，采前MeJA叶面喷施（浓度0.5、2.5、5.0 μL/mL）对成熟P. peruviana果实中的表儿茶素、生育酚异构体或β-胡萝卜素浓度未产生统计学显著差异，仅有一处例外：农场3和4的α-生育酚在低浓度MeJA处理（0.5 μL/mL）时相较于对照和高浓度处理呈现统计学显著增加。此外，农场1和2之间α-生育酚浓度存在显著差异；采样时间对α-生育酚和δ-生育酚亦有显著影响，特别是初始采样（0和1）与后期采样（2和3）之间。

讨论总结

研究人员指出，果实成熟过程中常出现α-生育酚水平升高而以γ-生育酚为代价的现象，这在柑橘、芒果、番茄、桃、草莓和辣椒中均有报道。在番茄中，外源MeJA在成熟期间诱导α-生育酚含量增加约80%。α-生育酚是抗氧化能力方面生物活性最高的形式，能中和因细胞中和衰老相关代谢变化而产生的活性氧（reactive oxygen species, ROS）。然而，MeJA效果的变异性受物种、品种、成熟阶段、处理条件、栽培管理等多种因素影响，其他作物的积极反应不能直接外推至P. peruviana。

本研究中观察到的有限响应可能由多种因素解释：MeJA浓度和喷雾体积、环境条件及内在生理因素可能限制了诱导子的有效性。田间条件下，施用后的降水和大风可显著减少化合物在叶面的保留和吸收；叶片表皮毛（indumentum）可能作为物理屏障限制MeJA渗透，尽管添加了Tween作为表面活性剂，但其效果因叶片表面特征而异。此外，果实成熟阶段的代谢可塑性降低，关键生物合成酶可能下调，减少了诱导子诱导增强的潜力。未来研究应探索替代诱导子、处理时机、浓度和体积的优化，以及采后储存条件，以优化生物活性化合物的积累。

研究结论

本研究提供了关于P. peruviana果实中土壤组成与生物活性化合物含量之间相关性的首批报告之一。同时，研究报道了采前叶片喷施不同浓度MeJA的试验，该处理未影响果实中靶向代谢物的浓度，可能是由于测试浓度过低和/或施用体积不足所致。总体而言，结果证实成熟果实比未成熟果实积累更高浓度的抗氧化代谢物，特别是α-生育酚、δ-生育酚和β-胡萝卜素，这对果实的营养、健康促进特性和功能品质具有重要意义。这种模式反映了果实成熟过程中抗氧化代谢的协调调控。该研究成果有助于增进对P. peruviana果实代谢组学的认识，同时为果实生产和采后链中的农艺过程提供适用信息，以确保果实品质和安全，为优化栽培和采收策略提供机会。研究人员特别指出，部分相关文献来自生产国的学位论文，这激励了对这些果实代谢组学的进一步研究。未来研究应探索替代诱导子、处理时机、浓度和体积的优化，以及储存条件，以优化采后生物活性化合物的积累。同时，理解这些途径中的遗传和生化调控以及环境影响，将有助于支持旨在提高P. peruviana营养药用潜力的育种计划。