非靶代谢组学联合感官分析在展现与感官品质相关的植...
非靶代谢组学联合感官分析在展现与感官品质相关的植物代谢特征的应用
温室栽培能够有效地控制作物生长的温度、光照、湿度、二氧化碳浓度等环境因素，创造适宜作物生长发育的条件，还可以打破作物生长地区和季节的限制，使作物可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培，达到周年生产供应，提高经济效益。与室外种植相比，虽然温室可以保护植物免受极端温度和过量紫外线的伤害，但也因其缺乏自然光或低温刺激降低了植物的营养和感官品质。近日，瑞典厄勒布鲁大学的Victor Castro-Alves通过研究降低温度和补充紫外线等措施以改善温室种植莳萝的营养和感官品质，并将其结果发表在食品一区Food Chemistry期刊。
文章标题：Integration of non-target metabolomics and sensory analysis unravels vegetable plant metabolite signatures associated with sensory quality: A case study using dill (Anethum graveolens)
发表期刊：Food Chemistry
发表时间：2020-11-24
影响因子：IF=6.306
1.项目背景
莳萝是一种烹饪草药，在世界范围内都被用来作为调味食物，包括调味汁、沙拉和海鲜等食品。莳萝的品质是通过感官数据和一些特定挥发性化合物之间关系来定义的，特别是莳萝醚和水芹烯，而糖、氨基酸、有机酸和酚类化合物对莳萝感官品质的影响尚未可知，但也可能很重要。基于气相色谱-质谱(GC-MS)的代谢组学技术被认为是识别小分子代谢物（如小分子酸、羟基酸、氨基酸和糖等）的理想方法，以莳萝为模型植物，通过整合非靶标代谢组学数据和感官分析数据，揭示植物特定代谢物和感官质量之间的新联系，建立一种新的方法以展现植物代谢物和感官质量之间的联系，并可能适用于其它更广泛的作物研究。
2.
实验分组
（每组3个重复，2年取样情况相同）
样本来源：
户外、零售商、供应商和温室（温室内的四个条件如下）
温室正常条件（Exp_Control）
温室增加荧光照射(Exp_UVA)
温室增加紫外灯光照射(Exp_UVB)
夜间移到冰箱模拟低温(Exp_CN)
3.结果与讨论
1. GC-MS非靶代谢组学结果展示
基于GC-MS的代谢物分析：通过GC-MS检测、物质鉴定、数据比对和过滤后，匹配到70种极性代谢物，主要包括有机酸、碳水化合物和氨基酸等。在这些代谢物中，当设定ANOVA分析的p<0.01时，不同类型的样品之间有57个代谢物表现出显著差异。为了探索其他代谢物是否可能与莳萝感官品质的改善有关，将各组在代谢物水平进行了个体比较，值得注意的是，五种氨基酸(丙氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸、缬氨酸和亮氨酸)的含量在温室的处理组较对照组有所增加。
2. 莳萝样本代谢物PCA建模分析
在主成分分析的得分图A中，Comm_shop和Exp_control分布较集中，说明样本代谢状态较为类似。Exp_CN、Exp_UVA和Exp_UVB三者组间差异较大，而Out_Y1和Out_Y2不仅组间差异较大，Out_Y1组内差异也较大。
在主成分分析的载荷图B中，描述了不同的代谢物对于影响组间分布的情况。在Loadings1方向上，超过80%的氨基酸、糖和其他代谢物与Comm_grower处于相似的象限位置，表明这些代谢物在Comm_grower的莳萝中含量较高；在Loadings2方向上，糖和其他化合物(包括酚类化合物)在Exp_CN、Exp_UVA和Exp_UVB三者样品中含量较高，而有机酸主要在Exp_UVA和Exp_CN高表达。综合得分图和载荷图可知，氨基酸与莳萝特有风味有着密切关系。
3. 莳萝风味物质的含量分析
已有研究表明莳萝醚（Dill ether）和α/β-水芹烯（α/β-Phellandrene）与特有的莳萝风味有关，而本研究通过靶标定量进行已知风味相关化合物的含量分析。如图A所示，莳萝醚在普通植株Out_Y1、Out_Y2和Comm_grower 6W的莳萝中含有较高水平，而来自温室的莳萝含量却很低(或第二年有些检测不到)，仅在第一年温室经荧光或紫外灯光照射下的莳萝醚含量较对照组有所增加。如图B所示，α/β-水芹烯的相对含量水平与莳萝醚观察到的结果具有相似情况，虽然所有样本都检测到了α/β-水芹烯，但是与Comm_ grower 6w的莳萝植株相比，这些含量仍然处于较低水平。由此可见，夜间低温和暴露在富含紫外线条件下可调节温室莳萝的新陈代谢，且植物年龄是莳萝醚和α-水芹烯积累的关键因素。
4. 莳萝样本感官特征的PCA建模分析
莳萝的感官分析由瑞典奥雷布罗大学的酒店管理学院、烹饪艺术学院和膳食科学学院抽调专人组成的品评小组，使用了汇编网格方法(RGM)来汇集小组成员对不同样本的看法。结果显示，七种味道(酸味、青草味、甜味、苦味、辣味、莳萝味和柠檬味)是普遍存在所有样本中。
图A和图B分别是第一年和第二年的样本感官数据进行PCA建模分析的得分图和载荷图，第一年样本感官品评的PCA得分图中样本在PC1上的分离模式与代谢物的整体分布较为类似；在载荷图上，莳萝味、茴香味、酸味、芹菜味、胡椒味和苦味是PC1主要贡献因素，从而表明这些感官属性在Out_Y1中比较突出。青草味与甜味在PC1上是负值，表明与其味道在同象限位置的Exp_control和Comm_shop样本中更突出，而辣味是在PC2方向上区分样本的主要感官属性。综合得分图和载荷图可以看出，由Exp_CN、Exp_UVA到Exp_UVB，莳萝植物在荧光和紫外灯光的胁迫条件下改善了莳萝特有的风味，感官属性向与莳萝味道相关的载荷方向移动。
第二年的样本中，与第一年的增加辐照因素会使得样本向与特有莳萝味道相关的载荷方向移动这一趋势相符，但主成分分析表明，温室的植株在第二年与第一年的相同处理下却有着不同的感官特征模式，且新出现的泥土味和香草味与莳萝味是在PC2方向上区分样本的主要属性。
5. 非靶代谢物与感官特征的关联分析
在温室种植的样本中，由P<0.01筛得29种含量显著变化的代谢物，与高频感官特性(酸味、青草味、甜味、苦味、辣味、莳萝味和柠檬味)和总代谢物质类进行关联分析。相关性网络分析揭示了不同化学类别的化合物对莳萝感官特性的显著影响：氨基酸类相互呈正相关，且与莳萝味和酸味也呈正相关，而总有机酸与氨基酸是正相关关系，与辛辣和苦味也呈现正相关。甜味与糖类呈正相关，但是没有发现甜味和莳萝特有的味道之间的相关性。柠檬与辣味和总氨基酸呈负相关，青草味与莳萝味呈负相关。在单个代谢物水平上，缬氨酸和谷氨酸与莳萝味呈正相关，而蔗糖呈负相关。显然，许多不同化学类别的化合物之间的相互作用决定了食物的感官质量，虽已有研究表明莳萝醚和α-水芹烯是与莳萝风味相关的挥发性化合物，但是非靶代谢组学和感官分析表明，这两种化合物含量高低与莳萝味没有任何强烈的关联，这可能是除莳萝醚和α/β-水芹烯之外的氨基酸等代谢物让品评小组对莳萝味道的感知具有很强的调节作用。
4.结论
这是第一项整合非靶向代谢组学和感官数据的研究，旨在提高温室种植莳萝的品质，对于温室莳萝，我们发现与生产年份相比，样品来源和实验条件对植物代谢有着更大的影响，该结果支持温室种植可替代户外种植生产是一个可行的模式，也可扩展到其他植物；该研究进一步呈现了，将植物胁迫条件与作物新陈代谢变化及其对感官质量的影响联系起来的过程，表明了环境胁迫可用来调节植物代谢谱以提高作物质量的可行性，还可为培育高质量农业性状的育种计划提供依据。
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