APPL FOOD RES：多组学联合分析揭示不同葡萄品种的香气特征及形成机制

多组学联合分析揭示不同葡萄品种的香气特征及形成机制

期刊：Applied Food Research（6.2）

发表日期：2025年6月

 

 

研究摘要

 

葡萄风味受品种特性影响极大，香气与口感存在显著差异。本研究采用固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术（SPME-GC/MS）与转录组测序技术（RNA-Seq），对10个葡萄品种的风味相关代谢物及调控基因进行鉴定。葡萄果实中共检出613种挥发性有机化合物（VOCs）。金星无核（VS）的挥发性物质积累模式与玫瑰香（MH）、茉莉香（MLX）差异显著，而早黑宝（ZHB）、马奶子无核（HX）、寒香蜜（HXM）、藤稔（F）、巨峰（K）的积累模式相似，巨峰组的挥发性物质含量低于其他品种。本研究筛选出11种挥发性物质，是VS浓郁风味的核心成因，也是其与玫瑰香、茉莉香产生香气差异的关键物质。同时鉴定出与玫瑰香气相关的关键挥发性物质：苯乙醛、橙花基丙酮、(2S,4S)-4-甲基-2-(2-甲基-1-丙烯基)四氢吡喃。香气组分异丁酸香叶酯与环己烯是区分蜜光（MGL）与无核翠宝（CB）香气的重要标志物。此外，本研究还鉴定出未报道的挥发性有机化合物，用于解析不同葡萄品种的特征风味。结合转录组分析，筛选出调控草莓风味、果香的关键基因，以及萜烯合成酶、脂氧合酶、醇酰基转移酶等关键合成酶基因。研究结果为葡萄风味的深入研究及优势育种提供理论依据。

 

 

研究背景

 

葡萄（Vitis vinifera L.）属于非呼吸跃变型果实，在全球作为鲜食水果与酿酒原料广泛栽培，不同品种呈现出迥异的风味与香气特征。据统计，全球葡萄年产量超7780万吨，其中约36%用于鲜食，且该占比在全球范围内持续上升。挥发性有机化合物（VOCs）是决定葡萄品种风味与香气品质的核心农艺性状，也是适配市场需求的关键指标。目前，香气相关研究多聚焦于酿酒葡萄与葡萄酒，且在诸多领域取得显著进展，包括葡萄酒香气解析、不同冠层类型对葡萄黄酮类与酚酸物质的影响、不同成熟度葡萄的香气特征、果穗区摘叶对葡萄挥发性物质组成的影响、生长调节剂对葡萄香气物质合成的影响，以及灰霉菌侵染对葡萄挥发性物质的作用。尽管已有葡萄挥发性物质检测相关研究，但现有研究检测的葡萄挥发性物质数量有限，缺乏对鲜食葡萄香气组分、特征及形成机制的系统解析，也缺少评价鲜食葡萄风味品质的有效指标。因此，本研究选取10个市面上主流、风味各异的商业葡萄品种，探究其挥发性物质特征。

为系统解析市场主流葡萄品种风味形成的核心因子与机制，本研究以10个风味各异的商业鲜食葡萄品种为材料，采用挥发性物质代谢组（GC-MS）联合转录组测序（RNA-Seq）技术，系统比较10个品种中决定风味的代谢物及其含量。同时，基于转录组数据鉴定参与葡萄风味挥发性物质合成的关键调控基因与代谢通路。研究结果为葡萄杂交育种与品质改良提供重要理论基础。

 

材料与方法

 

2.1.植物采样与处理

本研究选取10个市面上在售、香气与风味各异的葡萄品种进行检测分析。所有实验材料均采自国家种质资源太谷葡萄资源圃（北纬37°23′，东经112°32′，海拔830 m，年均气温10.6℃，无霜期160-180天，年降水量400–600 mm）。采样时间为2021年6月至10月。其中，早黑宝（ZHB）、藤稔（F）、金星无核（VS）、马尔斯无核（HX）、无核翠宝（CB）于2021年8月采样；巨峰（K）、玫瑰香（MH）、蜜光（MGL）、茉莉香（MLX）、寒香蜜（HXM）于2021年9月采样。

在成熟果穗的上部、中部、下部随机采集浆果，每穗选取10粒以上果实，混合作为1个生物学重复，每组设置3个生物学重复。去除果实表面杂质后，迅速投入液氮保存，带回实验室置于-80℃储存备用。

 

2.2.通过GC-MS检测挥发性有机化合物

 

2.3.转录组测序（RNA-seq）分析

 

2.4.数据统计分析

 

 

结果与讨论

 

3.1.葡萄品种的表型与风味特征

供试的10个葡萄品种（图1）中，巨峰（K）原产于日本，果皮紫黑、带有香气，是日本高端葡萄的代表性品种。早黑宝（ZHB）果皮紫黑，果穗与果粒均较大，果肉柔软、味甜带香，最大优势为早熟。藤稔（F）果粒硕大饱满、色泽鲜亮、果肉充盈，风味甜多浆汁，外观形态与巨峰相似，但产量显著更高。金星无核（VS）果实紫色、无核，风味极佳（具草莓香）、甜香浓郁，抗性优于巨峰。马奶子无核（HX）为早熟鲜食无核品种，果实紫黑、果粉厚、果皮韧，酸甜适口且草莓香气浓郁。玫瑰香（MH）果粒深紫、果粒偏小，具有典型玫瑰香气。蜜光（MGL）果皮黄绿、自然无核，果肉带有浓郁玫瑰果香。茉莉香/醉金香（MLX）果实紫色，成熟度均匀，茉莉香气突出。无核翠宝（CB）果粒黄绿、无核，带有玫瑰香气，酸甜清爽。寒香蜜（HXM）果皮浅粉，香甜气息浓郁，风味近似蜂蜜，由此得名，适口性佳。

 

 

3.2.葡萄挥发性有机化合物代谢组图谱分析

本研究采用固相微萃取-气相色谱-质谱联用（SPME-GC-MS）技术，对10个葡萄品种的风味相关代谢物进行鉴定。共检出613种风味相关物质，主要包括：萜类（17.03%）、杂环化合物（16.8%）、酯类（16.48%）、烃类（10.44%）、酮类（8.65%）、醇类（8.16%）、醛类（6.36%）、芳香族化合物（6.04%）等（图2a）。

随后对葡萄中挥发性有机化合物进行主成分分析（PCA）。结果表明，各组葡萄样本（含QC样本）生物学重复性良好，不同葡萄品种之间存在显著分离（图2b），说明不同品种葡萄的香气物质积累模式存在显著差异。在第一主成分（PC1，37.19%）上，VS与MH、MLX明显分离，分别位于PC1两端（图2b）在第二主成分（PC2，19.77%）上，MGL与CB明显分离，分别位于PC2两端。与其他组相比，ZHB、HX、HXM、F、K在PC1和PC2上的分布均较为接近（图2b），推测这5个品种的香气代谢物积累模式差异较小。

葡萄挥发性有机化合物的层次聚类分析显示，香气物质在不同品种中呈现不同积累模式，按挥发性物质相对含量变化可划分为3个主要模块（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。其中，模块Ⅰ的挥发性物质在VS中显著富集，而在MH、MLX中含量较低（图2c）。结合PCA结果推测，这类物质是导致VS与MH、MLX在PC1上显著分离的原因。模块Ⅱ的挥发性物质主要在CB、MH中富集，在MGL、F、K中含量显著下降（图2c），推测该模块物质是CB与MGL在PC2上显著分离的原因。模块Ⅲ的挥发性物质在所有品种中均有积累，在VS、MGL中含量更高（图2c）。热图中的样本聚类结果与PCA分析结果一致。

 

 

3.3.不同葡萄品种挥发性有机化合物积累模式分析

层次聚类分析显示，VS中富集大量香气物质，与MH、MLX差异尤为突出。因此本研究首先对比VS与MH、MLX之间的差异挥发性物质（DAVs）积累差异。以倍数变化FC≥2或FC≤0.5、变量重要性投影VIP≥1、p<0.05为标准，筛选并鉴定葡萄中的差异挥发性物质。MLX vs VS组合共筛选出275种差异挥发性物质，其中196种上调、79种下调。MH vs VS组合共筛选出300种差异挥发性物质，其中190种上调、110种下调。采用韦恩（Venn）分析筛选两组比较组合的共有差异挥发性物质，共鉴定出211种共有差异物质，其中153种在MH vs VS、MLX vs VS组合中均显著上调。详细分析表明，这些差异物质主要包括37种萜类、30种酯类、20种杂环化合物、14种酮类、12种醇类。

 

3.4.玫瑰香、金星无核、茉莉香葡萄差异挥发性物质比较分析

采用柱状图与热图分析VS、MH、MLX中各代谢物类别的总含量与绝对含量积累模式（图3）。结果显示，萜类物质浓度最高，其次为酯类、杂环化合物（图3）。

筛选MLX vs VS、MH vs VS组合中差异最显著的前20种差异挥发性物质进行深入分析，再通过韦恩分析筛选共有显著变化的差异挥发性物质（表1）。结果表明，这11种物质是导致VS与MH、MLX风味显著差异的主要原因，也是VS风味浓郁的关键物质。值得注意的是，仅苯乙醇和戊酸1-乙烯基-1,5-二甲基-4-己烯酯在金星无核中检出，在MH、MLX中未检出，其余9种差异物质在VS中的含量均为MH、MLS的10倍以上。

 

 

基于MH vs VS、MLX vs VS两组差异挥发性物质的韦恩分析结果，从211种共有差异挥发性物质中进一步筛选出47种在VS中呈下调表达的差异挥发性物质。其中，4-(1,5-二甲基-1,4-己二烯基)-1-甲基-环己烯、1,4-二乙基苯、2-异丙基-5-甲基-9-亚甲基双环[4.4.0]癸-1-烯、(E)-3-己烯-1-醇乙酸酯、异杜松烯在VS中未检出，但在MH、MLS中含量较高。

此外，MH葡萄特有差异挥发性物质达89种。结果显示，MH中与草莓香气相关的苯乙醛、香叶基丙酮、反式玫瑰醚等差异挥发性物质含量显著高于VS，而MLX中癸酸乙酯、桉叶素、1-(1,4-二甲基-3-环己烯-1-基)乙酮含量高于VS与MH。

 

 

3.5.蜜光（MGL）与无核翠宝（CB）葡萄品种差异挥发性物质比较分析

本研究对主成分分析中在第二主成分上显著分离的MGL与CB的挥发性有机化合物积累模式进行分析。MGL vs CB组合共筛选出228种差异挥发性物质，其中上调158种、下调70种。其中萜类、酯类、杂环化合物的数量位居前三。进一步对差异挥发性物质含量分析发现一个典型特征：MGL与CB各含有一类特异性香气成分，其中在CB中筛选出12种特异性香气成分，MGL中筛选出25种高含量特异性香气成分（表2）。MGL中差异挥发性物质的种类多于CB，而CB中差异挥发性物质的积累数量优于MGL。

 

 

3.6.以巨峰（K）为对照的葡萄品种挥发性有机化合物差异积累分析

结合前期主成分分析与层次聚类分析结果，ZHB、HX、HXM、F、K在第一、第二主成分上的分布高度接近。尽管这类葡萄品种的挥发性有机化合物组成差异较小，但仍存在差异积累的挥发性有机化合物需进一步解析。因此，本研究选取特色品种K为对照，分别与CB、MH、MLX、VS、MGL进行对比分析（图S3）。结果显示，无论哪一组比较组合，上调挥发性有机化合物的种类与数量均显著高于下调组，初步表明K的挥发性有机化合物种类与含量低于其他供试葡萄品种。

随后对各比较组的差异挥发性有机化合物及其注释的感官风味特征进行分析，选取注释数量最多的10种感官风味绘制雷达图（图4）。结果显示，各比较组的风味差异主要集中在甜香、青香、果香、清香四类，这也是K与其他葡萄品种风味差异的核心原因。

 

 

3.7.不同葡萄品种特征风味化合物的筛选与分析

本研究对不同葡萄品种的特征风味物质进行了筛选与鉴定。首先对各比较组中鉴定出的挥发性有机化合物进行定量统计：ZHB共检出579种、F 590种、VS 585种、HX 595种、K 582种、MH 583种、HXM 599种、CB 577种、MGL 588种、MLX 592种。

随后对各比较组挥发性有机化合物的含量差异进行分析，结果显示CB、VS的挥发性有机化合物含量高于其他组，其中CB尤为突出，但从挥发性有机化合物的种类来看，CB并未显著高于其他品种，甚至低于多数品种（图5），该结果与前期MGL vs CB的分析结论一致。造成该差异的主要原因是酮类、烃类物质在CB中显著积累（图5），这也是优势葡萄育种的重要研究结果。

 

 

本研究同时分析了各葡萄品种的特异性挥发性有机化合物组分。由于供试品种数量较多，本研究优先筛选具有明显品种特异性、组群特异性积累的挥发性有机化合物。结果显示，仅在MGL中鉴定出12种特异性积累挥发性有机化合物，其中9种为MGL vs CB组合中筛选出的特异性积累物质。整体分析显示，这类物质在MGL中的含量仍高于其他所有品种10倍以上。随后在CB、MH、ZHB中筛选出两组群特异性积累挥发性有机化合物，包括环丁基乙醇、(3R,6R)-2,2,6-三甲基-6-乙烯基四氢-2H-吡喃-3-醇，这类物质在其余供试葡萄品种中均未检出。此外，本研究在HX、MLX中筛选出4种组群特异性积累挥发性有机化合物（表3）。

 

 

3.8.葡萄香气调控基因共表达网络及与代谢组联合分析

本研究采用加权基因共表达网络分析（WGCNA），对挥发性有机化合物（酯类、杂环化合物、酮类与烃类、萜类、芳香族化合物与醇类）和转录组数据进行联合分析。结果显示，Megreen模块与所有葡萄挥发性物质含量呈高度显著相关（图S5）。因此，本实验选取该模块内的差异表达基因（DEGs）开展后续分析。

从该模块中共筛选出2100个差异表达基因，相关系数均大于0.6。结合基因功能注释，进一步筛选出14个与葡萄香气挥发性有机化合物合成调控相关的差异表达基因（图6a），包括9个羧酸酯酶基因（CXEs），该类基因参与葡萄果实成熟过程中挥发性酯类的分解代谢。此外，本研究通过共表达网络分析，还筛选出3个萜烯合成酶基因（TPS）、1个脂氧合酶基因（LOX）和1个醇酰基转移酶基因（AAT）（图6b）。结果表明，这些基因可能在葡萄香气形成过程中发挥关键作用。

 

 

研究结论

 

本实验采用气相色谱-串联质谱（GC–MS/MS）技术，对10种市场销量突出的主栽葡萄品种进行检测，分析并对比了不同品种间挥发性有机化合物（VOCs）的差异。本研究共鉴定出613种挥发性有机化合物，涵盖萜类、杂环类、酯类、烃类、酮类、醇类、醛类及芳香族化合物，且这些物质在不同葡萄品种中均呈现特异性积累模式。仅有金星无核（VS）品种中大量积累戊酸-1-乙烯基-1,5-二甲基-4-己烯酯、苯乙醇，这两类物质是该品种具有浓郁风味的核心物质，而(E)-3-己烯-1-醇乙酸酯、异杜松烯等挥发性有机化合物虽未在金星无核中检出，却在茉莉香（MH）、玫瑰香（MLX）中大量积累，是这两个品种特征香气形成的关键。此外，本研究还鉴定出与玫瑰香气密切相关的核心挥发性有机化合物，包括苯乙醛、(E)-6,10-二甲基-5,9-十一碳二烯-2-酮、反式玫瑰醚等，可作为茉莉香、玫瑰香葡萄品种的特异性风味标记物。

研究发现，蜜光（MGL）品种的挥发性有机化合物总量显著高于无核翠宝（CB），而无核翠宝中部分特征挥发性物质的浓度高于蜜光。上述研究结果对芳香型葡萄品种的育种具有重要指导意义。无核翠宝中芳樟醇、1-甲基-4-(1-甲基亚乙基)环己烯、β-水芹烯、β-罗勒烯等香气关键物质大量积累。同时，本研究发现羧酸酯酶（CXE）、萜烯合成酶（TPS）、脂氧合酶（LOX）、醇酰基转移酶（AAT）编码基因，在调控葡萄品种的草莓果香与果实风味中发挥关键作用。上述研究结果可为今后葡萄果实风味的遗传改良与调控机制研究提供理论依据。下一步，本实验将对筛选出的关键基因与化合物开展深入功能验证分析，为通过基因工程育种定向改良葡萄风味品质提供理论支撑。