【原】科研 | Food Chemistry：轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示貯藏水稻品質(zhì)變化的原因與機(jī)制（國人作品）

轉(zhuǎn)錄組 2021-04-20

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編譯：劉寧,，編輯：十九、江舜堯,。

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導(dǎo)讀

水稻在許多國家和地區(qū)都是主食,，為人們的飲食提供必需的營養(yǎng)素和微量營養(yǎng)素,。2014年中國大米產(chǎn)量約為1.72億噸，居世界首位,。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）的數(shù)據(jù),，全球每年有25％的水稻被霉菌污染，水稻在貯藏過程中的吸水增加了微生物污染的可能性,。同時貯藏條件的溫度,，濕度和氧氣水平會影響大米關(guān)鍵成分的降解，因此不良的貯藏條件會加速大米品質(zhì)的惡化,。但是為了滿足消費(fèi)需求,，收獲的大米必須在保持其質(zhì)量的條件下長期貯藏，貯藏溫度和濕度是影響貯藏期間水稻質(zhì)量的最重要環(huán)境因素,。通常,，大米應(yīng)當(dāng)在低溫和可控制的大氣條件下貯藏，以保護(hù)其免受真菌和昆蟲的侵害并抑制不良的降解反應(yīng),。但是,，亞洲南部一些水稻產(chǎn)地夏季的溫度可能超過38–41℃，而相對濕度約為85–98％,。因此,，人們對高溫和高濕條件對貯藏期間大米風(fēng)味品質(zhì)的影響具有濃厚的興趣。本研究基于高通量RNA測序技術(shù)解析風(fēng)味形成的遺傳基礎(chǔ),，并確定與風(fēng)味降解途徑有關(guān)的特定基因,。本研究為水稻在貯藏期間風(fēng)味變化的起源提供了有價值的新見解,，并為優(yōu)化水稻貯藏條件奠定了基礎(chǔ)。

論文ID

原名：Influence of gene regulation on rice quality: Impact of storage temperature and humidity on flavor profile

譯名：基因調(diào)控對水稻品質(zhì)的影響：貯藏溫度和濕度對風(fēng)味的影響

期刊：Food Chemistry

IF：5.399（二區(qū)）

發(fā)表時間：2019.1.16

通訊作者：黃志剛（教授）,、曹崇江（教授）

通訊作者單位：北京工商大學(xué)材料科學(xué)與機(jī)械工程學(xué)院&中國藥科大學(xué)工學(xué)院

DOI號：10.1016/j.foodchem.2019.01.042

實驗設(shè)計

以新收獲的水稻（南京9108品種）為材料,，經(jīng)過日曬干燥48 h后在常溫25℃/50％相對濕度貯藏為對照， 37℃和70％相對濕度為處理組,，貯藏30天后,，將樣品在液氮中冷凍，并在-80℃下貯藏以備進(jìn)一步研究,。通過GC/MS分析樣品中的揮發(fā)性化合物含量,。并使用基于金屬氧化物半導(dǎo)體的氣體分析儀陣列電子鼻檢測器與頂空自動進(jìn)樣器相結(jié)合測定氧化性氣體、有機(jī)胺,、醇,、酸等的氣味模式。隨后按照中國國家標(biāo)準(zhǔn)方法（GB/T 5510-2011）測定樣品中的脂肪酸值,，并進(jìn)行水稻過氧化氫酶活性和過氧化物含量的測定,。通過RNA轉(zhuǎn)錄組測序解析風(fēng)味形成的遺傳基礎(chǔ)，并對與風(fēng)味降解途徑有關(guān)的特定基因進(jìn)行qRT-PCR驗證,。

結(jié)果

1 水稻貯藏過程中風(fēng)味代謝物的測定

如表1所示,，在高溫高濕條件下將大米貯藏30天后，檢測到29種揮發(fā)性化合物含量和豐度,，包括2種醛,、1種醇、2種酮,、2種酚,、3種酸、6種酯,、9種碳?xì)浠衔锖?/span>4種其他類型化合物,。醛是大米在貯藏期間的風(fēng)味特征的最重要貢獻(xiàn)者，其主要由某些氨基酸和不飽和脂肪酸的氧化作用形成,。醛具有明顯的脂肪氣味,，但過量會導(dǎo)致異味。壬醛是具有柑橘和玫瑰的氣味,，而苯丙氨酸降解產(chǎn)生的苯甲醛具有苦味,。大米中醛的含量較高，產(chǎn)生了可檢測到的腐臭味,。大米中的醛類含量在貯藏前最低,，而在高溫高濕貯藏后最高（表1），可能是由于高溫下大米脂類物質(zhì)的氧化分解較快,，而較高的酸含量可能是由于脂類物質(zhì)的水解和氧化較快,。大米產(chǎn)品中酚類物質(zhì)對其味道產(chǎn)生不利影響,。儲藏30天后，大米的總酚含量在常溫貯藏時增加了約0.79％,，高溫高濕貯藏時增加了約1.22％,，差異顯著。呋喃和萜烯會產(chǎn)生令人愉悅的氣味,，特別是2-戊基呋喃和2,，3-二氫苯并呋喃具有堅果味和甜味。呋喃樣物質(zhì)在儲存后顯著增加,，然而吲哚在貯藏期間減少并消失，這可能是大米長時間貯藏期間受光和溫度影響的結(jié)果,。

表1. 不同貯藏條件下水稻中揮發(fā)性化合物的相對含量

2 電子鼻分析貯藏過程中大米的風(fēng)味變化

利用電子鼻檢測了在常溫條件和高溫高濕條件下貯藏30天的樣品,，以及作為參考的新鮮大米，解析獲得不同類型揮發(fā)化合物成分雷達(dá)圖,。在兩種貯藏條件下具有相當(dāng)相似的形狀（圖1a）,，表明由大米代謝產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體成分都非常相似。與新鮮大米相比,，高溫高濕和常溫條件組的大米對傳感器PA/2,、P40/1、P10/1和T30/1的響應(yīng)均顯著增加,。電子鼻傳感器的不同靈敏度和響應(yīng),，LY/AA（與酮呈正相關(guān)），LY/G（與酮和醇呈正相關(guān)）,，T30/1（與酸呈正相關(guān)）和PA/2（與硫化合物和酸呈正相關(guān)）,，結(jié)果表明，電子鼻產(chǎn)生的風(fēng)味特征與GC-MS測定的一致,。電子鼻的結(jié)果表明,，在大米儲存過程中，導(dǎo)致不良異味的酸和酮含量增加,，在高溫高濕條件下更為明顯,，這表明炎熱潮濕的條件加速了大米脂類化合物和蛋白質(zhì)的氧化和分解。主成分分析（PCA）（圖1b）表明高溫高濕樣品的差異比常溫條件下的差異大得多,，這表明在濕熱條件下儲存的大米的風(fēng)味變化最大,。

圖1. a）不同貯藏條件下大米的雷達(dá)圖,。D0為新鮮大米,，D1為常溫條件下貯藏的大米（25 ℃/ 50％相對濕度（RH）），D2組為高溫高濕條件下貯藏的大米（37 ℃和70％相對濕度）,。b）不同貯藏時間的大米主成分分析,。

3 貯藏期間脂肪酸生成,、脂肪酶活性增加，過氧化氫酶活性下降,、過氧化物值增加

天然存在于大米中的脂肪酶可水解大米脂類物質(zhì)并在貯藏過程中產(chǎn)生游離脂肪酸,，這對大米質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。在貯藏期間兩個大米樣品的游離脂肪酸增加（圖2a）,，高溫高濕樣品增加約2.5倍,，而常溫樣品僅增加約0.8倍，表明高溫潮濕條件促進(jìn)了大米脂類物質(zhì)的水解,。進(jìn)一步檢測脂肪酶活性（圖2b）,，表明高溫高濕樣品脂肪酶活性在整個貯藏的前3周中增加，但隨后下降,；而常溫貯藏脂肪酶的活性在整個貯藏過程中持續(xù)增加,。在貯藏的初始階段，高溫高濕條件下貯藏的樣品脂肪酶活性明顯較高,，而一定時間后可能由于pH對脂肪酶活性的影響而下降,。

過氧化氫酶是一種能夠?qū)?/span>H₂O₂分解為H₂O和O₂的酶，可以抑制過氧化物促進(jìn)脂類物質(zhì)氧化的能力,。本研究中兩個樣品在貯藏過程中過氧化氫酶的活性均降低，而高溫高濕條件導(dǎo)致過氧化氫酶活性顯著降低（圖2d）,，表明高溫高濕條件抑制大米過氧化氫酶的活性,，從而加速大米貯藏過程中異味的形成,。進(jìn)一步檢測表明貯藏過程中大米的過氧化值均明顯增加（圖2c）,，表明發(fā)生了脂類物質(zhì)氧化,，過氧化值從初始樣品中的0.2 μmeq/kg增加到常溫條件下貯藏樣品的0.45 μmeq/kg和高溫高濕的0.71μ meq/kg,。結(jié)果表明高溫高濕的條件促進(jìn)了大米中脂類物質(zhì)的氧化,，從而產(chǎn)生腐臭味而對大米質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。該結(jié)果與電子鼻和GC-MS實驗的結(jié)果一致,，表明在貯藏過程中會產(chǎn)生各種揮發(fā)性的異味,。

圖2. 不同條件對（a）脂肪酶活性，（b）過氧化氫酶活性,，（c）脂肪酸，（d）過氧化值的影響

4 RNA-seq確定了與大米風(fēng)味代謝途徑相關(guān)的差異基因

基于RNA-seq的研究結(jié)果,，研究了9種參與大米風(fēng)味代謝途徑的基因?qū)Υ竺踪A藏過程中風(fēng)味變化的影響（表2）,。OS11G0605500和OS05G0132100是參與脂類物質(zhì)降解和雜環(huán)化合物合成途徑的基因,。OS08G0508800、OS03G0738600和OS08G0509100是涉及亞油酸氧化降解途徑的基因,。OS06G0604400,，OS02G0676000、OS03G0826600和OS09G0543100是涉及脂肪酶水解和磷脂酶降解的基因,。圖3顯示在常溫條件和高溫高濕貯藏條件下,，水稻脂類物質(zhì)代謝途徑中涉及的基因表達(dá)的變化。OS11G0605500,、OS05G0132100,、OS08G0508800、OS03G0738600和OS08G0509100的表達(dá)量增加,，且在高溫高濕下的表達(dá)高于常溫條件,。這5個基因作用于脂肪酸合成和亞油酸途徑，表明高溫潮濕的貯藏條件會刺激促進(jìn)脂肪酶的基因表達(dá),，從而產(chǎn)生影響大米品質(zhì)的游離脂肪酸。OS11G0605500和OS05G0132100基因還能夠作用于脂肪酶產(chǎn)生雜環(huán)化合物,，從而進(jìn)一步導(dǎo)致大米風(fēng)味降低,。在水稻貯藏期間，OS06G0604400,、OS02G0676000,、OS03G0826600和OS09G0543100基因的表達(dá)量下降。在高溫高濕條件下基因表達(dá)的下降更為明顯,。這些基因參與水解脂肪酶和降解磷脂酶,。因此在炎熱潮濕條件下基因表達(dá)量下降將降低水稻控制脂肪酶和磷脂酶活性的能力，從而促進(jìn)三酰甘油和磷脂形成游離脂肪酸,。

表2. 水稻風(fēng)味代謝途徑中涉及的差異基因KEGG富集列表,。

圖3. 樣品D1（常溫條件）和D2（高溫高濕）中9種不同表達(dá)基因的mRNA表達(dá)分析。從新鮮的水稻和高溫高濕的水稻中分離總RNA,，8BQ5基因（泛素5）用作內(nèi)參基因,。每個基因的表達(dá)水平顯示為相對于處理時間（0天）的比值。每個值代表來自三個不同樣品的三個生物學(xué)重復(fù)的平均值,。

結(jié)論

在高溫高濕條件下貯藏大米會導(dǎo)致脂類物質(zhì)更快地降解,，導(dǎo)致形成游離脂肪酸和揮發(fā)性化合物（例如醛、酮和呋喃）,，從而對大米質(zhì)量產(chǎn)生不利影響,。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，這種作用的起源部分是由于在炎熱潮濕條件下脂肪酶活性增加和過氧化氫酶活性降低,。這是首次將基因表達(dá)與大米在貯藏期間的風(fēng)味代謝途徑相關(guān)聯(lián),。這些結(jié)果表明轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法可用于建立水稻的最佳貯藏條件,。

評論

水稻是是我國的主要糧食作物之一，具有悠久的種植歷史和廣大的種植面積,。水稻貯藏后的品質(zhì)大多與其周圍的溫度,、濕度和氧氣水平有關(guān)。本項目研究了高溫高濕貯藏對大米風(fēng)味的影響并首次利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)將其于基因表達(dá)相關(guān)聯(lián),。在高溫高濕條件下貯藏大米時,，醛、酮和呋喃等揮發(fā)性化合物增加,，同時,，貯藏過程脂肪酶活性增加導(dǎo)致大米中脂肪酸含量顯著增加，脂類物質(zhì)氧化也被加速,，形成過氧化物,，但是過氧化氫酶活性降低促進(jìn)了過氧化物的積累，而且以上過程在高溫高濕條件下會更加顯著,。轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)用于研究在貯藏過程中水稻的風(fēng)味代謝途徑,，深入解析了引起這些變化的遺傳機(jī)制。