《食品科学》：江苏大学马海乐教授等：基于转录组学分析超声胁迫诱导鲜切紫甘蓝酚类物质合成机制

超声清洗作为一种无残留、安全、环保的新技术，已被广泛应用于果蔬（如草莓、生菜、红甜椒、圣女果等）的采后保鲜和贮藏中。已有研究表明，超声清洗不仅可以促进果蔬表面土壤的洗脱、微生物的消除以及农药残留的降解，还能促进果蔬中次生代谢产物的生物合成，尤其是酚类物质。酚类物质是植物性食物中最大的一类次生代谢物，与果蔬的抗氧化能力高度相关。

转录组学是研究功能基因的利器，能在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律。通过分析同一果蔬在不同胁迫下的基因表达情况，更利于探讨果蔬生理代谢的分子机制。

紫甘蓝（

Brassica oleracea

var.

capitata

f.

rubra

），属于十字花科芸薹属甘 蓝种中的一个变种，富含酚类物质 。作为天然抗氧化剂的良好来源，其常被制成鲜切蔬菜用于制备沙拉。在前期研究中发现超声清洗会诱导鲜切紫甘蓝中酚类物质的合成积累，但其潜在机制尚不清楚 。因此 ，江苏大学食品与生物工程学院的洪晨、郭丽娜、马海乐*等利用转录组学技术对超声胁迫下的鲜切紫甘蓝转录水平进行 研究，探讨鲜切紫甘蓝响应超声胁迫进行酚类物质合成的机制。

1 测序结果和质量

在C2组、C6组、U2组和U6组中共采集鲜切紫甘蓝样品24 个。由表1可知，各样品的有效数据中质量值≥20碱基所占比例均在99%以上（测序错误率＜0.01），质量值≥30碱基所占比例均在96%以上（测序错误率＜0.001），鸟嘌呤和胞嘧啶所占比例为47%。数据质量高，满足后续分析的要求。

2 DEGs的筛选结果

贮藏初期和贮藏后期两组比较组中的DEGs数量统计结果如表2显示，本实验在贮藏初期和贮藏后期的两组比较组中筛选出的DEGs总数差别不大，分别为1 142 个和1 166 个。在贮藏初期，超声胁迫下鲜切紫甘蓝中DEGs的上调数目（689 个）高于下调数目（453 个）。与之相反的是，在贮藏后期，DEGs上调数目（480 个）却低于下调数目（686 个）。

3 KEGG通路富集分析

为了进一步探索DEGs的生物学功能，解析鲜切紫甘蓝在超声诱导下的代谢调控网络，对DEGs进行了KEGG富集分析。贮藏初期和贮藏后期DEGs的KEGG富集通路分析结果分别如图1A、B所示。图中横坐标 Z 值为比对到此通路的所有基因的上下调情况的归一化值，当 Z 值＞0时认为该通路上调，反之下调。

结合图1A、B可以看出，在整个贮藏过程中，超声显著影响了鲜切紫甘蓝中的信号转导、碳水化合物代谢、能量代谢、脂质代谢以及次级代谢等过程。除此之外，贮藏初期，超声还显著上调了氨基酸代谢以及辅助因子和维生素的代谢。此外，超声清洗后的鲜切紫甘蓝中苯丙烷生物合成这一代谢通路一直处于上调状态，这说明超声清洗有利于促进酚类物质的合成。前期研究发现，超声清洗后鲜切紫甘蓝中酚类物质含量在贮藏期间显著高于对照组（

P

＜0.05）（超声组和对照组与本实验相同）。在贮藏初期（第2天），与对照组（（160.50±1.49）mg/100 g）相比，超声清洗后鲜切紫甘蓝中酚类物质含量（（169.43±2.86）mg/100 g）提高了6.36%。在贮藏后期（第6天），与对照组（（155.21±4 .54）mg/100 g）相比，超声清洗后鲜切紫甘蓝中酚类物质含量（（165.70±2.67）m g/100 g）提高了7.21% ，与本研究结果一致。

4 GSEA

GSEA可确定一组基因（即基因集）是否在两个生物学状态之间显示出统计学上显著且一致的差异。贮藏初期和贮藏后期的GSEA结果分别如图2A、B所示，与KEGG富集分析相比，GSEA中得到的显著受超声影响的代谢通路更多，但也有KEGG富集分析中涉及的通路未在GSEA富集分析中显示，如玉米素生物合成。这是因为两者分析原理不同，结果存在差异，因此为了使结果更具准确性，这两种分析可以互为补充 。

5 重要通路分析

鲜切果蔬中酚类物质的增加，除了与其自身的合成途径相关，还可能与ROS代谢、能量代谢和信号转导途径相关 。依据KEGG富集分析（图1）和GSEA富集分析（图2）结果，筛选出与ROS代谢、能量代谢、信号转导以及酚类物质合成相关的通路，结果如表3所示。

5.1 ROS代谢

在非生物胁迫下，植物中ROS产生部位主要有线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、质外体等。其中，线粒体和叶绿体中的ROS分别来自氧化磷酸化和光合作用通路。从表3可以看出，超声清洗后，鲜切紫甘蓝中氧化磷酸化这一通路的基因集处于上调趋势，有利于ROS的产生。而在贮藏后期，光合作用及其通路中涉及的卡尔文循环和光合作用-天线蛋白这两个分支通路的基因集显著下调，这将不利于叶绿体中的ROS产生。此外，在贮藏后期，超声清洗还显著下调了鲜切紫甘蓝中过氧化物酶体中的基因集，这可能与编码脂酰辅酶A氧化酶（

ACOX

）和乙醇酸氧化酶（

HAO

）的基因表达下调有关。脂肪酸的

-氧化和乙醇酸氧化是过氧化物酶体中ROS的重要来源 。在

-氧化过程中，脂酰辅酶A在ACOX的作用下脱氢氧化，从而产生H 2 O 2 。HAO是植物在呼吸作用期间乙醇酸转化为乙醛酸酯的关键酶，其催化乙醇酸氧化产生乙醛酸和H 2 O 2 。因此，超声胁迫下鲜切紫甘蓝中的过氧化物酶体在贮藏后期产生ROS的水平受到抑制。在质外体中，ROS主要是由质膜上的呼吸爆发氧化酶（RBOH）催化产生 。已有研究发现，RBOH产生ROS依赖于富亮氨酸重复受体样激酶（FLS2）和钙依赖蛋白激酶（CDPK）的调控 。从图3可以看出，在贮藏初期，超声显著提高了

FLS2

基因（Bo9g064150）的表达水平。在贮藏后期，超声显著降低了

FLS2

基因（Bo9g064150）的表达水平。而

CDPK

基因却部分上调部分下调。此外，在贮藏后期，超声虽然降低了

RBOH

基因（Bo9g175450）的表达水平，却没有显著差异（

P

＝0.053）。因此，超声刺激对鲜切紫甘蓝质外体中ROS产生的影响需要进一步研究。但总体而言，超声清洗作用打破了鲜切紫甘蓝体内的ROS平衡。在贮藏初期，超声清洗有利于ROS产生；而在贮藏后期，ROS的产生水平受到抑制。

为了应对ROS积累的负面影响，植物具有多种ROS清除机制，主要包括酶促抗氧化系统和非酶促抗氧化系统这两类。酶促抗氧化系统主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）等。非酶促抗氧化系统主要由GSH、AsA、生育酚及酚类化合物等抗氧化剂组成。在本研究中，ROS清除系统相关的DEGs也如图3所示。根据结果来看，超声胁迫下的鲜切紫甘蓝主要通过调控SOD、POD以及AsA-GSH循环来清除过剩的ROS。其中，超声对

POD

基因的影响最为显著。在贮藏初期，超声显著上调了编码POD的大部分基因，而在贮藏后期，下调的

POD

基因数量变多。此外，在贮藏后期，超声清洗还显著上调了

SOD

基因。SOD催化超氧化物发生歧化生成O 2 和H 2 O 2 ，生成的O 2 和H 2 O 2 再经CAT和POD催化生成水，以达到清除ROS的目的 。因此，超声胁迫诱导的鲜切紫甘蓝体内

POD

基因以及

SOD

基因的上调有利于ROS的清除。AsA-GSH循环中主要涉及抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、单脱氢抗坏血酸还原酶（MDAR）、脱氢抗坏血酸还原酶（DAR）和谷胱甘肽还原酶（GR）。从表3可以看出，在贮藏初期，超声显著上调了AsA-GSH循环，这可能与

APX

基因（Bo8g112810、Bo5g008580和Bo9g081890）、

GPX

基因（Bo9g092640和Bo6g079800）、

MDAR

基因（Bo3g002490、Bo8g082300、Bo3g061810）和 GR 基因（Bo8g084820）的上调有关。

从上述结果可以发现，超声清洗在贮藏初期促进了鲜切紫甘蓝中ROS的产生，打破了其体内ROS的平衡，进而激活了ROS清除系统。酚类物质作为ROS清除系统中较为重要的抗氧化剂之一，其生物合成因此被激活。

5.2 能量代谢

能量是采后果蔬维持正常生理代谢活动的基础，主要以腺苷三磷酸（ATP）的形式存储，其在维持细胞正常代谢、生长发育、抵御胁迫等过程中起着重要作用 。众所周知，氧化磷酸化和光合作用是植物ATP的主要来源 。因此，超声清洗后，氧化磷酸化通路中基因集的上调会促使ATP的生成，而在贮藏后期光合作用中基因集的下调会降低鲜切紫甘蓝的能量水平。ATP合酶在ATP合成过程中至关重要，它可以催化二磷酸腺苷磷酸化产生ATP。从图4中可以看出，在整个贮藏期间超声清洗后的ATP合酶DEGs均显著上调，这有助于促进鲜切紫甘蓝中ATP的合成。

此外，从表3可以看出，糖酵解和TCA循环这两个通路也受到显著影响。糖酵解和TCA循环作为ATP的重要来源，在细胞能量供应中发挥着不可忽视的作用 。超声清洗后，鲜切紫甘蓝中糖酵解和TCA循环的基因集显著上调，这说明超声波刺激可以通过增强糖酵解和TCA循环代谢从而促进ATP的产生。在糖酵解过程中，超声都显著提高了大部分编码3-磷酸甘油醛脱氢酶（

GAPD

）、磷酸甘油酸激酶（

PGK

）以及丙酮酸激酶（

PK

）的基因，促进了ATP的产生。糖酵解产生的丙酮酸在丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）的催化下，氧化脱羧生成乙酰CoA。在TCA循环中，乙酰CoA进入由一连串反应构成的循环体系，在异柠檬酸脱氢酶（IDH）、

-酮戊二酸脱氢酶复合体（ KGDHC）、琥珀酰CoA合成酶（SCS）、琥珀酸脱氢酶（SDH）以及苹果酸脱氢酶（MDH）的作用下，经历4 次脱氢和1 次底物水平磷酸化形成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、还原型黄素腺嘌呤二核苷酸和鸟苷三磷酸，进而生成ATP 。从图4可以看出，在贮藏初期和贮藏后期，大部分

PDC

IDH

KGDHC

SCS

SDH

MDH

基因显著上调，仅有少部分基因下调。结果表明，超声刺激下TCA循环中大部分产能基因都呈现上调状态，这为超声清洗后的鲜切紫甘蓝维持较高的能荷水平提供了可能，从而为酚类物质的合成提供能量。

5.3 信号转导

基于表3涉及的信号通路途径，超声清洗后鲜切紫甘蓝在贮藏期间的信号转导流程汇总如图5所示，其中具体转导情况如图6所示。当鲜切紫甘蓝受到超声刺激后，胁迫信号由植物传感器感知，从而启动复杂的信号通路作为对超声的响应，如ROS、Ca 2+ 、植物激素、MAPK信号等。这些复杂的信号通路是相互协作的工作模块，共同负责在当前胁迫下的行为变化。这些信号通路串扰激活转录因子（TF）（主要包括AP2/乙烯响应因子（ERF）、WRKY、bHLH、bZIP、MYB和NAC），从而调控酚类物质的生物合成。

如表3所示，超声对信号转导途径的影响主要发生在贮藏初期。因此，将着重对贮藏初期信号通路中涉及的基因进行分析。如图7所示，对于ROS和Ca 2＋ 信号，在贮藏初期，超声显著上调了编码

FLS2

OXI1

NDPK

CaM

MPK1

2

MPK6

以及

MPK11

的基因。结合图6A来看，可以推测，当鲜切紫甘蓝细胞收到超声刺激后，膜受体FLS2被激活，从而引发一系列的MAPK级联反应。与此同时，超声空化效应产生的ROS激活了OXI1，进一步诱导MAPK级联响应超声胁迫。此外，超声改变了Ca 2＋ 通道CNGC，促进了Ca 2＋ 内流，在动态Ca 2＋ 传感器CDPK和CaM的帮助下，向下游传递信号，从而激发一系列反应。对于植物激素，在贮藏初期，超声清洗显著上调了

-亚麻酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、玉米素生物合成、色氨酸代谢和二萜生物合成通路，有利于茉莉酸、ET、细胞分裂素、生长素和赤霉素的合成。同时，超声清洗引起类胡萝卜素生物合成通路的基因集显著下调，从而可能阻碍了脱落酸的生成。这些植物激素在酚类等次生代谢产物的合成中发挥着调控作用 。尤其是ET，已有研究表明酚类物质合成与ET信号分子的调节密切相关 。本研究中，在贮藏初期，超声清洗后编码ER的两个基因中，Bo1g152030上调、Bo4g001150下调。此外，超声显著下调了

CTR1

的基因水平，上调了

EIL

基因表达。依据图6B可以推测，超声清洗引起了鲜切紫甘蓝中的“伤乙烯”，其与ER结合，导致负调控组分受体CTR1复合体失活。失活后的CTR1复合体不再通过MAPK级联反应磷酸化下游信号组分EIN2和EIN3/EIL，进而激活了下游的

ERF 1

2

基因（Bo1g102210、Bo2g132270和Bo7g077390），从而响应超声胁迫。

5.4 酚类物质合成

众所周知，酚类化合物合成的前体物质是糖代谢的中间产物——磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和赤藓糖-4-磷酸（E4P）。然后PEP和E4P经过莽草酸途径生成苯丙氨酸和酪氨酸，从而进入苯丙烷代谢途径和类黄酮代谢途径。具体的代谢过程如图8所示，代谢过程中涉及的DEGs如图9所示。

从图9可以看出，在贮藏过程中，超声诱导了

INV

HK

FK

PFK

FBA

ENO

基因的上调表达，促进蔗糖转化为葡萄糖和果糖，从而为酚类物质的合成提供充足的前体物质PEP和E4P（图8A）。此外，超声还显著提高了大部分

DAHPS

DHD

SDH

EPSPS

CM

基因的表达量，促进了E4P和PEP向预苯酸转化（图8B）。大部分转氨酶的基因在贮藏初期和贮藏后期均显著提高，

ADH

基因的表达量也显著增加，这有利于酚类前体物质苯丙氨酸和酪氨酸的生物合成。

在苯丙烷类生物合成途径中，超声显著上调了贮藏初期

PAL

C4H

COMT

F5H

CAD

的基因水平（图8C）。并且经超声清洗后的鲜切紫甘蓝中大部分的

4CL

CCoAOMT

POD

基因的表达水平也显著高于对照组。这有利于苯丙氨酸向咖啡酸、阿魏酸和芥子酸等酚酸类物质转化，同时也能促进木质素沉积，从而有助于提高鲜切紫甘蓝的抗逆性。在贮藏后期，大部分

C4H

4CL

COMT

CAD

POD

基因出现下调，这能够有效阻止过多的木质素生物合成，从而维持蔬菜的质地和口感。此外，从图8C还可以看出，超声还显著影响了绿原酸合成途径中的关键酶

C3

H

HCT

基因的表达，从而调控绿原酸及其衍生物的合成。

C3

H

HCT

基因的表达水平显著上调，有利于促进绿原酸及其衍生物的生物合成。

在类黄酮生物合成（图8D）中，超声处理在贮藏初期显著提高了FLS基因的表达量，

FLS

基因表达量的上调有利于促进山柰酚和槲皮素的生物合成 。在贮藏后期，

CHI

F3H

DFR

ANS

基因的表达量显著上调，并且大部分

CHS

基因的表达量也显著高于对照组。CHS和CHI是将苯丙烷类代谢途径引导至黄酮类生物合成的关键酶，对香豆酰CoA在这两个酶的作用下形成类黄酮骨架，并进一步修饰转化为不同的类黄酮物质 。

CHS

CHI

基因表达上调有利于促进下游类黄酮化合物的生物合成。F3H也在类黄酮合成途径中起着十分重要的调控作用，它是植物进入不同类黄酮代谢物分支的中枢，可以催化生成花青素和黄酮醇的前体物质二氢黄酮醇 。

F3H

基因表达量的上调有利于促进二氢山柰酚和二氢槲皮素的积累，从而为黄酮醇和花青素的生物合成提供充足的前体物质。DFR和ANS是花青素苷合成途径中的关键酶，DFR催化二氢黄酮醇进一步还原成无色花色素，无色花青素苷在ANS作用下加氧转变成有色的花青素苷。因此，

DFR

ANS

基因的上调有利于鲜切紫甘蓝中花青素的形成。

研究结果表明，超声处理上调了糖代谢和莽草酸途径的大部分基因，促进了糖类向苯丙氨酸和酪氨酸的转化，为酚类物质的合成提供了充足的前体物质。此外，超声清洗后，苯丙烷类合成途径和类黄酮生物合成途径中的大部分基因表达水平也上调，这加快了苯丙氨酸和酪氨酸的利用率，促进了酚酸和类黄酮的生物合成。

结论

本研究利用转录组测序的技术手段，从转录水平研究了鲜切紫甘蓝对超声胁迫的响应，从而发现超声清洗下鲜切紫甘蓝酚类物质合成积累的分子调控机制。结果表明，超声处理显著调控了与ROS代谢、能量代谢、信号转导以及酚类物质生物合成相关的代谢途径。超声清洗打破了鲜切紫甘蓝体内ROS的平衡，激活了ROS清除系统，从而引起酚类物质的合成。超声刺激可能通过调控鲜切紫甘蓝的ROS、Ca2＋、植物激素以及MAPK信号转导通路，诱导糖类物质到酚类物质转化过程中相关基因的表达，进而促进酚类物质的积累。同时，超声清洗使得鲜切紫甘蓝在贮藏期间能够维持较高的能荷水平，为上述系列的反应提供能量。本研究挖掘了超声胁迫下鲜切紫甘蓝中酚类物质合成的分子机制，可为后续研究酚类物质合成机制提供新的视角。

本文《基于转录组学分析超声胁迫诱导鲜切紫甘蓝酚类物质合成机制》来源于《食品科学》2025年46卷第14期37 -48 页， 作者：洪 晨，郭丽娜，张莘妍，欧阳宁宁，吴 平，马海乐*。 DOI: 10.7506/spkx1002-6630-20241101-003 。点击 下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑：林安琪；责任编辑：张睿梅。点击下方 阅读原文 即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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