非靶代謝組學聯合感官分析在展現與感官品質相關的植...

非靶代謝組學聯合感官分析在展現與感官品質相關的植物代謝特征的應用

溫室栽培能夠有效地控制作物生長的溫度、光照、濕度、二氧化碳濃度等環境因素，創造適宜作物生長發育的條件，還可以打破作物生長地區和季節的限制，使作物可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節栽培，達到周年生產供應，提高經濟效益。與室外種植相比，雖然溫室可以保護植物免受極端溫度和過量紫外線的傷害，但也因其缺乏自然光或低溫刺激降低了植物的營養和感官品質。近日，瑞典厄勒布魯大學的Victor Castro-Alves通過研究降低溫度和補充紫外線等措施以改善溫室種植蒔蘿的營養和感官品質，并將其結果發表在食品一區Food Chemistry期刊。

文章標題：Integration of non-target metabolomics and sensory analysis unravels vegetable plant metabolite signatures associated with sensory quality: A case study using dill (Anethum graveolens) 

發表期刊：Food Chemistry

發表時間：2020-11-24

影響因子：IF=6.306

1.項目背景
 

蒔蘿是一種烹飪草藥，在世界范圍內都被用來作為調味食物，包括調味汁、沙拉和海鮮等食品。蒔蘿的品質是通過感官數據和一些特定揮發性化合物之間關系來定義的，特別是蒔蘿醚和水芹烯，而糖、氨基酸、有機酸和酚類化合物對蒔蘿感官品質的影響尚未可知，但也可能很重要。基于氣相色譜-質譜(GC-MS)的代謝組學技術被認為是識別小分子代謝物（如小分子酸、羥基酸、氨基酸和糖等）的理想方法，以蒔蘿為模型植物，通過整合非靶標代謝組學數據和感官分析數據，揭示植物特定代謝物和感官質量之間的新聯系，建立一種新的方法以展現植物代謝物和感官質量之間的聯系，并可能適用于其它更廣泛的作物研究。

2.

實驗分組

（每組3個重復，2年取樣情況相同）

樣本來源：

戶外、零售商、供應商和溫室（溫室內的四個條件如下）

溫室正常條件（Exp_Control）

溫室增加熒光照射(Exp_UVA)

溫室增加紫外燈光照射(Exp_UVB)

夜間移到冰箱模擬低溫(Exp_CN)

3.結果與討論

1. GC-MS非靶代謝組學結果展示

基于GC-MS的代謝物分析：通過GC-MS檢測、物質鑒定、數據比對和過濾后，匹配到70種極性代謝物，主要包括有機酸、碳水化合物和氨基酸等。在這些代謝物中，當設定ANOVA分析的p<0.01時，不同類型的樣品之間有57個代謝物表現出顯著差異。為了探索其他代謝物是否可能與蒔蘿感官品質的改善有關，將各組在代謝物水平進行了個體比較，值得注意的是，五種氨基酸(丙氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸、纈氨酸和亮氨酸)的含量在溫室的處理組較對照組有所增加。

2. 蒔蘿樣本代謝物PCA建模分析

在主成分分析的得分圖A中，Comm_shop和Exp_control分布較集中，說明樣本代謝狀態較為類似。Exp_CN、Exp_UVA和Exp_UVB三者組間差異較大，而Out_Y1和Out_Y2不僅組間差異較大，Out_Y1組內差異也較大。

在主成分分析的載荷圖B中，描述了不同的代謝物對于影響組間分布的情況。在Loadings1方向上，超過80%的氨基酸、糖和其他代謝物與Comm_grower處于相似的象限位置，表明這些代謝物在Comm_grower的蒔蘿中含量較高；在Loadings2方向上，糖和其他化合物(包括酚類化合物)在Exp_CN、Exp_UVA和Exp_UVB三者樣品中含量較高，而有機酸主要在Exp_UVA和Exp_CN高表達。綜合得分圖和載荷圖可知，氨基酸與蒔蘿特有風味有著密切關系。

3. 蒔蘿風味物質的含量分析

已有研究表明蒔蘿醚（Dill ether）和α/β-水芹烯（α/β-Phellandrene）與特有的蒔蘿風味有關，而本研究通過靶標定量進行已知風味相關化合物的含量分析。如圖A所示，蒔蘿醚在普通植株Out_Y1、Out_Y2和Comm_grower 6W的蒔蘿中含有較高水平，而來自溫室的蒔蘿含量卻很低(或第二年有些檢測不到)，僅在第一年溫室經熒光或紫外燈光照射下的蒔蘿醚含量較對照組有所增加。如圖B所示，α/β-水芹烯的相對含量水平與蒔蘿醚觀察到的結果具有相似情況，雖然所有樣本都檢測到了α/β-水芹烯，但是與Comm_ grower 6w的蒔蘿植株相比，這些含量仍然處于較低水平。由此可見，夜間低溫和暴露在富含紫外線條件下可調節溫室蒔蘿的新陳代謝，且植物年齡是蒔蘿醚和α-水芹烯積累的關鍵因素。

4. 蒔蘿樣本感官特征的PCA建模分析

蒔蘿的感官分析由瑞典奧雷布羅大學的酒店管理學院、烹飪藝術學院和膳食科學學院抽調專人組成的品評小組，使用了匯編網格方法(RGM)來匯集小組成員對不同樣本的看法。結果顯示，七種味道(酸味、青草味、甜味、苦味、辣味、蒔蘿味和檸檬味)是普遍存在所有樣本中。

圖A和圖B分別是第一年和第二年的樣本感官數據進行PCA建模分析的得分圖和載荷圖，第一年樣本感官品評的PCA得分圖中樣本在PC1上的分離模式與代謝物的整體分布較為類似；在載荷圖上，蒔蘿味、茴香味、酸味、芹菜味、胡椒味和苦味是PC1主要貢獻因素，從而表明這些感官屬性在Out_Y1中比較突出。青草味與甜味在PC1上是負值，表明與其味道在同象限位置的Exp_control和Comm_shop樣本中更突出，而辣味是在PC2方向上區分樣本的主要感官屬性。綜合得分圖和載荷圖可以看出，由Exp_CN、Exp_UVA到Exp_UVB，蒔蘿植物在熒光和紫外燈光的脅迫條件下改善了蒔蘿特有的風味，感官屬性向與蒔蘿味道相關的載荷方向移動。

第二年的樣本中，與第一年的增加輻照因素會使得樣本向與特有蒔蘿味道相關的載荷方向移動這一趨勢相符，但主成分分析表明，溫室的植株在第二年與第一年的相同處理下卻有著不同的感官特征模式，且新出現的泥土味和香草味與蒔蘿味是在PC2方向上區分樣本的主要屬性。

5. 非靶代謝物與感官特征的關聯分析

在溫室種植的樣本中，由P<0.01篩得29種含量顯著變化的代謝物，與高頻感官特性(酸味、青草味、甜味、苦味、辣味、蒔蘿味和檸檬味)和總代謝物質類進行關聯分析。相關性網絡分析揭示了不同化學類別的化合物對蒔蘿感官特性的顯著影響：氨基酸類相互呈正相關，且與蒔蘿味和酸味也呈正相關，而總有機酸與氨基酸是正相關關系，與辛辣和苦味也呈現正相關。甜味與糖類呈正相關，但是沒有發現甜味和蒔蘿特有的味道之間的相關性。檸檬與辣味和總氨基酸呈負相關，青草味與蒔蘿味呈負相關。在單個代謝物水平上，纈氨酸和谷氨酸與蒔蘿味呈正相關，而蔗糖呈負相關。顯然，許多不同化學類別的化合物之間的相互作用決定了食物的感官質量，雖已有研究表明蒔蘿醚和α-水芹烯是與蒔蘿風味相關的揮發性化合物，但是非靶代謝組學和感官分析表明，這兩種化合物含量高低與蒔蘿味沒有任何強烈的關聯，這可能是除蒔蘿醚和α/β-水芹烯之外的氨基酸等代謝物讓品評小組對蒔蘿味道的感知具有很強的調節作用。

4.結論
 

這是第一項整合非靶向代謝組學和感官數據的研究，旨在提高溫室種植蒔蘿的品質，對于溫室蒔蘿，我們發現與生產年份相比，樣品來源和實驗條件對植物代謝有著更大的影響，該結果支持溫室種植可替代戶外種植生產是一個可行的模式，也可擴展到其他植物；該研究進一步呈現了，將植物脅迫條件與作物新陳代謝變化及其對感官質量的影響聯系起來的過程，表明了環境脅迫可用來調節植物代謝譜以提高作物質量的可行性，還可為培育高質量農業性狀的育種計劃提供依據。