袁平麗，何楠，趙勝杰，路緒強，朱紅菊，刁衛(wèi)楠，龔成勝，Muhammad Jawad Umer，劉文革

籽瓜、黏籽和普通西瓜的果實代謝組比較

袁平麗，何楠，趙勝杰，路緒強，朱紅菊，刁衛(wèi)楠，龔成勝，Muhammad Jawad Umer，劉文革

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所/河南省果樹瓜類生物學(xué)重點實驗室，鄭州 450009

【】西瓜是一種廣受歡迎的夏季水果，籽用西瓜（籽瓜）、黏籽西瓜和普通西瓜是3種重要的栽培類型，但對其果實中代謝物全面鑒定的研究很少，比較這3種西瓜果實的代謝組學(xué)差異，為明確馴化改良對不同類型西瓜代謝組的影響提供新見解。試驗以5份籽用西瓜、5份黏籽西瓜和6份普通西瓜為材料，對成熟期果肉進行廣泛靶向代謝組學(xué)檢測，采用SIMCA-P、MetaboAnalyst 5.0、Origin等軟件對代謝組數(shù)據(jù)進行分析。LC-MS分析共檢測到323種代謝物，包括51種氨基酸及其衍生物、21種核苷酸及其衍生物、14種碳水化合物、32種有機酸、52種脂質(zhì)、36種類黃酮、32種羥基肉桂酰衍生物等。PCA和聚類分析顯示，籽用西瓜和黏籽西瓜的代謝組學(xué)輪廓差異較小，籽用西瓜的代謝組輪廓介于黏籽西瓜和普通西瓜之間。對分類貢獻率較大的代謝物是蔗糖、檸檬酸、L-谷氨酸、L-蘇氨酸、葫蘆素類、香草酸糖苷異構(gòu)體、脂質(zhì)類等。聚類熱圖分析顯示黏籽西瓜中特有的代謝物是葫蘆素及其衍生物等，籽用西瓜中的綠原酸、LysoPE脂質(zhì)類等化合物含量較高，普通西瓜中的糖類、精氨酸、阿魏酸及C18-2和C18-3不飽和脂肪酸等物質(zhì)含量較高。比較分析共鑒定出156種差異代謝物，籽用西瓜與黏籽西瓜的主要差異代謝物有對香豆醛、阿魏酸、肉桂酸、蔗糖、葫蘆素D O-葡萄糖苷、葫蘆素E異構(gòu)體、牡荊素、松柏醇等。籽用西瓜與普通西瓜的主要差異代謝物有脂質(zhì)類、類黃酮類、有機酸類和糖類等。隨著作物進化的程度增加，營養(yǎng)類代謝物質(zhì)含量增加，抗性相關(guān)的代謝物質(zhì)含量減少。籽用西瓜和黏籽西瓜的果實代謝組差異比籽用西瓜和普通西瓜的差異小，籽用西瓜的代謝輪廓介于黏籽西瓜和普通西瓜之間。除了表型和基因組差異外，代謝組差異也可以作為區(qū)分品種的重要依據(jù)。本研究首次在代謝組學(xué)水平比較了3種類型西瓜果實的差異，對深入理解西瓜種質(zhì)資源，培育保健型西瓜新品種有重要的指導(dǎo)意義。

黏籽西瓜；籽用西瓜；普通西瓜；代謝組學(xué)；差異代謝物；馴化改良

0 引言

【研究意義】西瓜（）原產(chǎn)非洲，屬于葫蘆科一年生蔓生作物。西瓜在中國的栽培面積和產(chǎn)量均居世界第一[1]。普通西瓜果實中富含水分、類胡蘿卜素、維生素C、瓜氨酸等多種有益健康的物質(zhì)[2]。西瓜屬包括7個種，屬內(nèi)栽培類型繁多[3-4]，具有一定栽培規(guī)模的有黏籽西瓜、籽用西瓜和普通西瓜。普通西瓜即日常消費的鮮食甜西瓜，黏籽西瓜是西非國家的重要經(jīng)濟作物[5]。籽用西瓜是我國西北旱區(qū)的主要經(jīng)濟作物[6-7]，籽瓜籽具有很高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值，籽瓜瓤有利尿、潤肺、益肝、健脾等療效[8-10]。對這3種類型的西瓜果肉進行代謝組學(xué)檢測，可以全面掌握其果實中的代謝物構(gòu)成，充分利用西瓜種質(zhì)資源?！厩叭搜芯窟M展】植物代謝組學(xué)是對植物特定組織中整體代謝水平的檢測，已在水稻[11-12]、玉米[13]、擬南芥[14]、番茄[15]、生菜[16]、大豆[17]和甜瓜[18]等作物上開展了大量試驗，可用于代謝物的積累模式及其遺傳基礎(chǔ)研究。崔霞霞等[19]對5份西瓜材料的果實代謝產(chǎn)物進行分析，從高糖和低糖材料中鑒定出58種代謝物，其中22種代謝物存在顯著差異。Aslam等[20]對以南瓜為砧木嫁接的西瓜果實發(fā)育過程中的56種初生代謝物進行了分析，發(fā)現(xiàn)鳥氨酸、精氨酸、賴氨酸、葡萄糖、蔗糖、葡萄糖胺、蘋果酸、富馬酸和琥珀酸是影響果實品質(zhì)的主要代謝物。Sulaiman等[21]利用H-NMR技術(shù)在紅、黃果肉的西瓜中鑒定了36種代謝物，其中番茄紅素、-胡蘿卜素、葉黃素和前番茄紅素為西瓜紅色和黃色果肉的主要差異代謝物。此外，還對西瓜果實中的糖類、有機酸類、瓜氨酸、維生素C、番茄紅素等物質(zhì)進行了靶向檢測和比較分析[2,22-24]?！颈狙芯壳腥朦c】黏籽西瓜、籽用西瓜和普通西瓜的果實表型差異明顯，其果實中的代謝物組成和含量并未被完全揭示和利用，目前還未見關(guān)于這3種類型西瓜代謝組學(xué)差異研究的詳細報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究利用廣泛靶向代謝組學(xué)技術(shù)對黏籽西瓜、籽用西瓜和普通西瓜的果實代謝組進行測定，分析其整體代謝組輪廓并篩選差異代謝物，比較具體代謝物在3種類型西瓜中的積累模式，為明確這3種類型西瓜的果實代謝組學(xué)差異和充分利用西瓜種質(zhì)資源提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

所有供試材料的種子由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所國家西瓜甜瓜中期庫和多倍體西瓜遺傳育種課題組保存。根據(jù)種質(zhì)特點挑選具代表性的5份黏籽西瓜、5份籽用西瓜和6份普通西瓜（表1），均為純種自交系。2018年春季在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所新鄉(xiāng)綜合實驗基地種植。種子統(tǒng)一破殼處理，浸泡2.5 h后，用棉布包好，于培養(yǎng)箱中32℃條件下催芽，芽長0.5 cm時播種于營養(yǎng)缽中，苗期統(tǒng)一管理。實生苗播種后35 d移栽至大棚，隨機區(qū)組設(shè)計，行間距1.6 m，株間距0.8 m，地膜覆蓋，澆水、施肥、除草等所有田間栽培管理措施一致。開花期人工授粉，在第二雌花節(jié)位留單瓜。于開花前1 d將雌雄花分別套上紙帽，次日開花后自交授粉，并標記授粉日期。

1.2 果實表型調(diào)查及取樣

根據(jù)授粉日期，西瓜果實在成熟期采收，每個品種選均勻一致的9個果實，縱切后每3個西瓜果實的果肉混合取樣作為一個生物學(xué)重復(fù)。每個品種設(shè)置3個生物學(xué)重復(fù)。樣品裝在50 mL離心管中，立即用液氮速凍，然后帶回實驗室存放于-80℃超低溫冰箱保存，待用。肉眼觀察果肉顏色并拍照，手持糖度計（SCTDJ-020）測量可溶性固形物含量，硬度計（GY4）測量果肉硬度，酸度計（PHS-3C）測量果肉pH，普通直尺測量果皮厚度，普通電子秤測量果實的重量。

1.3 廣泛靶向代謝組學(xué)檢測

從超低溫冰箱取出的果肉樣品，經(jīng)過真空冷凍干燥后，利用研磨儀（MM 400，Retsch）在50 Hz條件下研磨1 min；稱取100 mg的粉末，用含有內(nèi)標的70%甲醇1.0 mL于4℃過夜提取，其間渦旋混勻。提取后，10 000×離心10 min，吸取上清液，用微孔濾膜（0.22 μm pore size）過濾樣品，隨后用于液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS）分析。廣泛靶向代謝組學(xué)檢測在武漢邁特維爾生物科技有限公司開展。

1.4 統(tǒng)計分析

Excel進行數(shù)據(jù)整理，Origin 2020b軟件進行統(tǒng)計分析和作圖，SIMCA-P 14.1軟件對代謝組數(shù)據(jù)進行Par標準化處理，再進行主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA），TBtools（v1.082）進行熱圖繪制，MetaboAnalyst 5.0進行相關(guān)模式分析。Photoshop CS6進行圖片處理。

2 結(jié)果

2.1 籽用西瓜、黏籽西瓜和普通西瓜的果實表型特征

籽用西瓜與黏籽西瓜的果實表型差異相對較小，但二者和普通西瓜果實有明顯的表型差異。主要體現(xiàn)在果肉顏色、糖度、酸度、硬度、皮厚及果實大小等性狀上（表1）。黏籽西瓜和籽用西瓜的果肉均為白色（除‘紅瓜子’外），普通西瓜果肉更鮮艷，表現(xiàn)為紅色或者黃色；黏籽西瓜和籽用西瓜的果肉糖含量低，平均可溶性固形物含量（Brix%）分別為3.06和4.70，但是普通西瓜的含糖量較高，平均為8.64；黏籽西瓜和籽用西瓜的果肉較硬，平均硬度分別是6.01和4.15 kg?cm-2，普通西瓜的果肉較酥脆，平均硬度為0.90 kg?cm-2；黏籽西瓜和籽用西瓜的果肉稍酸，平均pH分別是4.68和4.79，普通西瓜果肉無酸味，平均pH為5.56。另外，黏籽西瓜和籽用西瓜的果皮比普通西瓜要厚；普通西瓜和籽用西瓜作為中國主要的經(jīng)濟作物，果實重量比黏籽西瓜大。

2.2 籽用西瓜、黏籽西瓜和普通西瓜的果實代謝組輪廓

西瓜果實是人類食用的重要部分，集中了主要的育種目標。通過對黏籽西瓜、籽用西瓜和普通西瓜的果肉組織進行廣泛靶向代謝組學(xué)檢測，共得到323種已知代謝物，包括51種氨基酸及其衍生物、21種核苷酸及其衍生物、14種碳水化合物、32種有機酸、52種脂質(zhì)、7種維生素、36種類黃酮、32種羥基肉桂酰衍生物、9種苯甲酸衍生物、9種三萜葫蘆素等。無監(jiān)督的PCA分析可以同時反映組內(nèi)和組間的差異，因此對所有樣本的代謝組數(shù)據(jù)進行PCA分析（圖1），發(fā)現(xiàn)3種類型西瓜的果肉代謝物輪廓有明顯的分離趨勢，各自聚類在一起，即3種類型的西瓜果肉代謝譜差異明顯。其中主成分1可以將普通西瓜和其他兩種類型西瓜區(qū)分開，主成分2可以將籽用西瓜和其他兩種類型西瓜區(qū)分開。黏籽西瓜和籽用西瓜被主成分1劃分在一起，他們之間的代謝組差異比籽用西瓜和普通西瓜的代謝組差異小，籽用西瓜的代謝組輪廓介于黏籽西瓜和普通西瓜之間，并且有一定的品種特異性。PCA的載荷圖（loading plot）可以用來尋找差異變量，距離原點越遠的代謝物被認為對樣本的分類貢獻率越大。從載荷圖（圖2）可以看出，對分類貢獻率較大的代謝物是蔗糖、檸檬酸、L-谷氨酸、L-蘇氨酸、葫蘆素類、香草酸糖苷異構(gòu)體、脂肪酸類等。這些差異代謝物可以作為標記性代謝物來區(qū)分不同類型的西瓜品種。

QC：質(zhì)控樣品 QC: Quality control samples

圖2 3種類型西瓜果實代謝組的PCA載荷圖

從聚類熱圖的結(jié)果可以看出（圖3），籽瓜和黏籽西瓜的代謝譜特征更為相似，普通西瓜單獨聚為一類。普通西瓜中含量明顯較高的有蔗糖、單糖、組氨酸、L-精氨酸、L-瓜氨酸、L-谷氨酸、阿魏酸、對香豆酸、檸檬酸、肉桂酸、C18-2和C18-3不飽和脂肪酸等，顯示在熱圖的左上角區(qū)域（紅色框）。籽瓜中含量較高的是綠原酸、L-色氨酸、左旋肉堿、木犀草素、氨基葡萄糖、LysoPE16:0和LysoPC17:0等代謝物（黑色框）。黏籽中特有含量較高的是葫蘆素糖苷類物質(zhì)或異構(gòu)體、葫蘆巴堿、木犀草素-O-葡萄糖苷、木犀草素-C-葡萄糖苷、亞麻酸、牡荊素等代謝物（黃色框）。黏籽和籽用西瓜中含量都高而在普通西瓜中含量低的代謝物有維生素C、橙皮苷、犬尿喹啉酸、D-泛酸等有機酸、香蘭素苷異構(gòu)體、對氨基苯甲酸鹽等苯甲酸衍生物、二羥基葫蘆二烯醇、原兒茶酸、4-吡哆醇酸等（綠色框）。

2.3 黏籽西瓜-籽用西瓜和籽用西瓜-普通西瓜的差異代謝物

為了成對比較兩種栽培類型之間的代謝物差異，對黏籽西瓜-籽用西瓜，籽用西瓜-普通西瓜分別進行OPLS-DA模型分析，圖4顯示兩組中不同類型的西瓜可以被明顯區(qū)分開來，表明OPLS-DA構(gòu)建的模型參數(shù)擬合效果較好（表2）。

在OPLS-DA分析中，模型變量的變量權(quán)重值（variable important in projection，VIP）可以衡量各代謝物積累差異對各組樣本分類判別的影響強度和解釋能力，挖掘具有生物學(xué)意義的差異代謝物。VIP≥1為常見的差異代謝物篩選標準，本研究結(jié)合變化倍數(shù)（FC，fold change）進行差異代謝物篩選（VIP≥1，F(xiàn)C＞2或FC＜0.5）。結(jié)果顯示黏籽西瓜和籽用西瓜的差異代謝物有75種（表3），主要是脂質(zhì)、羥基肉桂酰衍生物、有機酸、碳水化合物、黃酮類等。與黏籽相比，籽瓜中上調(diào)的代謝物有31種，下調(diào)的代謝物有44種。對香豆醛、阿魏酸、肉桂酸、蔗糖、L-蛋氨酸、膽固醇、LysoPC16:1、MGMG(18:2)異構(gòu)體、丁二醇乙酸酯等代謝物表現(xiàn)為上調(diào)；6-甲基香豆素、葫蘆素D O-葡萄糖苷、葫蘆素E異構(gòu)體、牡荊素、松柏醇、D-蘇氨酸、組氨酸等代謝物表現(xiàn)為下調(diào)。籽用西瓜和普通西瓜的差異代謝物有115種（表4），主要是脂質(zhì)、有機酸、碳水化合物、黃酮、氨基酸類。與籽瓜相比，普通西瓜中上調(diào)的代謝物有45種，下調(diào)的代謝物有70種。對香豆酸苷異構(gòu)體、MAG（18:1）、DGMG（18:2）異構(gòu)體、D-松三糖、-異丙基蘋果酸、5-羥基己酸、琥珀酸、精氨酸、檸檬酸、組氨酸、L-谷氨酸、L-蘇氨酸、UDP-D-葡萄糖、D-葡萄糖醛、蔗糖、吡哆醇（維生素B7）等代謝物表現(xiàn)為上調(diào)，Lyso PC14:0、Lyso PC16:2、Lyso PC18:3、牡荊素、木犀草素C-己糖苷、木犀草素O-己糖苷、D-泛酸、反式玉米素N-葡萄糖苷、4-乙酰氨基丁酸、犬尿喹啉酸、原兒茶酸等代謝物表現(xiàn)為下調(diào)。

圖3 3種類型西瓜代謝組數(shù)據(jù)聚類分析

表2 黏籽西瓜-籽用籽瓜和籽用西瓜-普通西瓜的OPLS-DA模型的評價參數(shù)

Ａ：主成分數(shù)，1+4（1代表主成分t1，4代表正交主成分數(shù)目）；R2X、R2Y：模型解釋率；Q2：模型預(yù)測能力。R2Y和Q2越接近1表明模型越穩(wěn)定可靠

A: The principal components number, 1+4 (1 represents the principal component t1, 4 represents the number of orthogonal principal components); R2X, R2Y: The model interpretation rate; Q2: The model predictive ability. R2Y and Q2closer to 1 indicates that the model more stable and reliable

表3 籽用西瓜-黏籽西瓜的差異代謝物

續(xù)表3 Continued table 3

表4 籽用西瓜-普通西瓜的差異代謝物

續(xù)表4 Continued table 4

續(xù)表4 Continued table 4

圖4 OPLS-DA分析得分圖

2.4 黏籽西瓜-籽用西瓜-普通西瓜的代謝物積累相關(guān)模式

根據(jù)西瓜馴化和被栽培的程度以及果實的可食性程度，假定從黏籽西瓜到籽用西瓜再到普通西瓜的馴化過程，通過代謝物積累相關(guān)模式分析（correlation＞0.6，F(xiàn)DR＜0.1）（圖5），發(fā)現(xiàn)在黏籽西瓜-籽用西瓜-普通西瓜模式中，呈逐漸上升趨勢的代謝物有蔗糖、MGMG (18:2)異構(gòu)體、MAG (18:1)異構(gòu)體、LysoPC 18:0、LysoPC 18:1及其異構(gòu)體、丁二醇乙酸酯、L-谷氨酸、L-精氨酸、L-蛋氨酸、半胱氨酰甘氨酸、還原型谷胱甘肽、S（甲基）-谷胱甘肽、煙酸腺嘌呤二核苷酸、尿苷5′-二磷酸葡萄糖二鈉鹽和UDP-α-D-葡萄糖，其參與植物的各種代謝途徑，并且對人體健康有益。呈逐漸下降趨勢的代謝物有異亮氨酸己糖異構(gòu)體、5-甲氧基-N,N-二甲基色氨、小麥黃素糖酸、香蘭酸苷異構(gòu)體、金圣草素8-C-己糖苷、2-O-戊糖基-6木犀草素、犬尿喹啉酸、芹菜素C-葡萄糖苷、7-甲基黃嘌呤、4-吡哆醇酸、牡荊素、異牡荊素、D-泛酸、松柏醛、黃柏紅素F、松柏醇（阿魏醇）、鄰苯二甲酸酐、香蘭素、葫蘆素E異構(gòu)體、二羥基葫蘆二醇、木犀草素C-己糖苷、異半皮桉苷、3,4-二羥基苯乙酸、枸櫞苦素A異構(gòu)體1、Lysoc 14:0（2n異構(gòu)體）等。這些多是黃酮類物質(zhì)，可以提高植物的抗逆、抗病性，但是對消費者的口感有負面影響。

2.5 主要代謝物的含量分析

西瓜果實中有很多被廣泛關(guān)注的代謝物，其與果實的口感、人體健康或作物抗病性相關(guān)。對這些關(guān)注度較高的代謝物進行比較分析（圖6），結(jié)果顯示，普通西瓜中的瓜氨酸、檸檬酸、琥珀酸、肉桂酸、阿魏酸、L-蛋氨酸、蔗糖、單糖、谷胱甘肽含量顯著高于其他兩種西瓜，這些代謝物與營養(yǎng)、口感和風(fēng)味相關(guān)。綠原酸、維生素C、蘋果酸、L-色氨酸、L-亮氨酸在籽用西瓜中的含量最高，其中綠原酸與植株生長或抗性相關(guān)。黏籽西瓜中含量較高的有D-松三糖O-鼠李糖苷、木犀草素-O-己糖苷、葫蘆素B O-葡萄糖苷，這些代謝物在黏籽西瓜中可以增強植物的抗逆及抗病能力。不同類型的西瓜所積累的代謝物含量有明顯差異，這與其自身生長的生態(tài)環(huán)境和人類的選育方向相關(guān)。

圖5 黏籽-籽用-普通西瓜代謝物積累模式分析

3 討論

籽用西瓜是中國西北旱區(qū)的主要經(jīng)濟作物，種植面積約32萬hm2[6]。但是其副產(chǎn)品瓜瓤的丟棄也越來越多，如何使瓜瓤變廢為寶，理解籽瓜果肉的代謝組構(gòu)成是第一步。本草綱目記載“籽瓜性味甘，籽瓜入心脾胃，肉有降心脾胃熱，止消渴”。籽瓜瓤中含有多種氨基酸、礦物質(zhì)和維生素等營養(yǎng)物質(zhì)[25-27]。籽瓜糖度低，適合糖尿病病人食用，本研究也發(fā)現(xiàn)籽瓜中多種活性成分的含量較高，如D-松三糖O-鼠李糖苷、綠原酸、L-色氨酸、維生素C、蘋果酸、L-亮氨酸、左旋肉堿、木犀草素、氨基葡萄糖等代謝物的含量比普通西瓜高，籽用西瓜的代謝組輪廓介于黏籽西瓜和普通西瓜之間，可以看作一種過渡類型，育種家可以用黏籽西瓜和普通西瓜中的優(yōu)良基因改良籽用西瓜，培育抗病性強、低糖保健型籽用西瓜新品種，并綜合開發(fā)籽用西瓜瓜瓤的醫(yī)療、保健、美容功能，促進籽用西瓜的綜合利用效率。

不同小寫字母表示在P＜0.05水平差異顯著（最小顯著性差異法） Different lowercase letters indicate significant difference (P＜0.05) (Fisher LSD test)

育種家在選擇果肉顏色、口感或果重等主要育種目標的同時，其整個代謝組都會發(fā)生協(xié)同變化，這個概念類似于番茄上的“搭車效應(yīng)（hitchhiking）”[28]。同一物種內(nèi)的不同品種，少數(shù)幾個基因，甚至一個基因的變化，都會導(dǎo)致代謝物的巨大變化。例如番茄果重、甜瓜成熟的遺傳機制都較簡單[28-29]，但是其初生和次生代謝物都發(fā)生了重要變化[18]。本研究基于廣泛靶向代謝組學(xué)方法得出3種類型西瓜的果實代謝組輪廓差異明顯。特別是籽用西瓜和普通西瓜都屬于西瓜種，分子標記顯示其親緣關(guān)系近，遺傳基礎(chǔ)狹窄[30-31]，由于育種目標的不同（籽用、鮮食）造成其果實表型的差異，本研究基于廣泛靶向的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)也顯示籽用西瓜和普通西瓜在代謝組學(xué)方面的明顯差異。該結(jié)果進一步說明，代謝組學(xué)作為表型和基因組的橋梁[32]，可以放大表型或者基因組差異，幫助找到不同種質(zhì)之間表型和基因差異之外更多的差異性狀，深入理解不同種質(zhì)間的區(qū)別。

基于代謝組學(xué)的系統(tǒng)發(fā)育分析，或稱化學(xué)分類系統(tǒng)學(xué)，從上個世紀初就開始有人嘗試[33]，尤其在70年代特別流行，化學(xué)系統(tǒng)分類與分子多態(tài)性系統(tǒng)分類的結(jié)果總體上一致[34]，而且這些分析主要針對同屬內(nèi)不同種作物之間的差異比較?；谏贁?shù)或部分代謝物的數(shù)據(jù)不足以支撐同種內(nèi)的分類關(guān)系，大規(guī)模代謝組數(shù)據(jù)的整合才能分析種內(nèi)各品種的關(guān)系[35-36]。Moing等[18]認為廣泛的非靶向代謝組學(xué)/化合物特征數(shù)據(jù)集可以強烈反應(yīng)（不是全部）品種間的遺傳分類。本研究中，利用廣泛靶向方法得到的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)，代表著一種廣泛性的變化，既有對育種選擇價值較高的靶向代謝物（糖、酸等），還有很多具有較低育種選擇價值的代謝物（氨基酸、核苷酸、類黃酮、脂質(zhì)、羥基肉桂酰類代謝物等），這些育種選擇價值低的代謝物代表著趨同育種性狀（convergent traits），認為這些代謝物和基因組數(shù)據(jù)中的四倍簡并位點（fourfold degenerate synonymous site，4DTv）具有一定的相似性，其受到自然或人工選擇的糾正少，更為中性，可以更好地展示不同材料之間的真實差異，揭示品種間的親緣關(guān)系。綜上，得到3種西瓜類型之間的代謝組學(xué)差異，可以與基于植株表型和DNA分子標記的植物分類鑒定相互補充，用來輔助植物分類，進一步明晰西瓜馴化育種歷程。

植物中的初生和次生代謝物可達20萬至100萬種[37-38]，任何單一的檢測平臺都不能夠得到所有的代謝物。因此，下一步工作可以聯(lián)合多個檢測平臺得到更全面的代謝組數(shù)據(jù)；可以結(jié)合基因組、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析西瓜不同栽培類群的關(guān)系；可以開展基于代謝組的全基因組關(guān)聯(lián)分析（mGWAS），挖掘調(diào)控代謝物積累的關(guān)鍵候選基因。逐步解析西瓜果實代謝組學(xué)的生化和遺傳基礎(chǔ)，為代謝組學(xué)輔助西瓜育種奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究通過對黏籽西瓜、籽用西瓜和普通西瓜成熟期果肉的廣泛靶向代謝組學(xué)分析，共檢測到323種代謝物，不同類型西瓜的果肉代謝組差異明顯，籽用西瓜的代謝輪廓介于黏籽西瓜和普通西瓜之間。蔗糖、檸檬酸、L-谷氨酸、葫蘆素、脂質(zhì)等差異代謝物可以作為標記性物質(zhì)來區(qū)分不同類型的西瓜品種。隨著西瓜進化的程度不斷增加，蔗糖、L-谷氨酸、L-精氨酸、谷胱甘肽等對人體有益的營養(yǎng)類代謝物質(zhì)含量逐漸增加，麥黃酮O-葡糖酸、芹菜素C-葡萄糖苷、7-甲基黃嘌呤、4-吡哆醇酸、牡荊素、葫蘆素E異構(gòu)體等，與植物抗性相關(guān)但不利于口感的代謝物質(zhì)含量逐漸減少。

[1] 劉文革, 何楠, 趙勝杰, 路緒強. 我國西瓜品種選育研究進展. 中國瓜菜, 2016, 29(1): 1-7.

LIU W G, HE N, ZHAO S J, LU X Q. Advances in watermelon breeding in China. China Cucurbits and Vegetables, 2016, 29(1): 1-7. (in Chinese)

[2] 萬學(xué)閃, 劉文革, 閻志紅, 趙勝杰, 何楠, 劉鵬, 代軍委. 西瓜果實發(fā)育過程中番茄紅素、瓜氨酸和Vc等功能物質(zhì)含量的變化. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 44(13): 2738-2747.

WAN X S, LIU W G, YAN Z H, ZHAO S J, HE N, LIU P, DAI J W. Changes of the contents of functional substances including lycopene, citrulline and ascorbic acid during watermelon fruits development. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(13): 2738-2747. (in Chinese)

[3] ZHANG H Y, FAN J G, GUO S G, REN Y, GONG G Y, ZHANG J, WENG Y Q, DAVIS A, XU Y. Genetic diversity, population structure, and formation of a core collection of 1197accessions. HortScience, 2016, 51(1): 23-29.

[4] RENNER S S, SOUSA A, CHOMICKI G. Chromosome numbers, Sudanese wild forms, and classification of the watermelon genus, with 50 names allocated to seven biological species. Taxon, 2017, 66(6): 1393-1405.

[5] ACHIGAN-DAKO E G, AVOHOU E S, LINSOUSSI C, AHANCHEDE A, VODOUHE R S, BLATTNER F R. Phenetic characterization ofspp. (Cucurbitaceae) and differentiation of egusi-type (). Genetic Resources and Crop Evolution, 2015, 62(8): 1159-1179.

[6] 陳菁菁, 許勇, 張建農(nóng), 陳年來. 我國籽用西瓜生產(chǎn)與研究進展. 中國蔬菜, 2015(12): 12-18.

CHEN J J, XU Y, ZHANG J N, CHEN N L. Production and research of seed using watermelon in China. China Vegetables, 2015(12): 12-18. (in Chinese)

[7] 甘肅省園藝學(xué)會瓜類專業(yè)委員會. 對黑籽瓜生產(chǎn)與研究中一些術(shù)語與標準界定的意見. 中國西瓜甜瓜, 1999, 12(2): 31-33.

Gansu Horticultural Society Cucurbits Professional Committee. Some terms and standards in the production and research of black edible seed watermelon. China Watermelon and Muskmelon, 1999, 12(2): 31-33. (in Chinese)

[8] 徐明慧, 張清華. 打瓜高產(chǎn)栽培管理. 特種經(jīng)濟動植物, 2011, 14(1): 34-35.

XU M H, ZHANG Q H. High yield cultivation and management of Da Gua. Special Economic Animal and Plant, 2011, 14(1): 34-35. (in Chinese)

[9] 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所. 中國西瓜甜瓜. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

Zhengzhou Fruit Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences. China Watermelon and Muskmelon. Beijing: Chinese Agriculture Press, 2000. (in Chinese)

[10] 林淑敏, 劉謹, 劉彤, 陶東, 王誠忠. 甘肅鮮食籽瓜產(chǎn)業(yè)開發(fā)前景. 農(nóng)業(yè)科技與信息, 2011, 8(21): 9-11.

LIN S M, LIU J, LIU T, TAO D, WANG C Z. Development prospect of fresh seed melon industry in Gansu Province. Agricultural Science and Technology and Information, 2011, 8(21): 9-11. (in Chinese)

[11] Chen W, Gao Y Q, Xie W B, Gong L, Lu K, Wang W S, Li Y, Liu X Q, Zhang H Y, Dong H X, Zhang W, Zhang L J, Yu S B, Wang G W, Lian X M, Luo J. Genome-wide association analyses provide genetic and biochemical insights into natural variation in rice metabolism. Nature Genetics, 2014, 46(7): 714-721.

[12] GOFF S A, RICKE D, LAN T H, PRESTING G, WANG R L, DUNN M, GLAZEBROOK J, SESSIONS A, OELLER P, VARMA H, HADLEY D, HUTCHISON D, MARTIN C, KATAGIRI F, LANGE B M, MOUGHAMER T, XIA Y, BUDWORTH P, ZHONG J P, MIGUEL T,. A draft sequence of the rice genome (L. ssp.). Science, 2002, 296(5565): 92-100.

[13] FU J J, CHENG Y B, LINGHU J J, YANG X H, KANG L, ZHANG Z X, ZHANG J, HE C, DU X M, PENG Z Y, WANG B, ZHAI L H, DAI C M, XU J B, WANG W D, LI X R, ZHENG J, CHEN L, LUO L H, LIU J J, QIAN X J, YAN J B, WANG J, WANG G Y. RNA sequencing reveals the complex regulatory network in the maize kernel. Nature Communications, 2013, 4: 2832.

[14] HAAS B J, DELCHER A L, MOUNT S M, WORTMAN J R, JR R K S, HANNICK L I, MAITI R, RONNING C M, RUSCH D B, TOWN C D, SALZBERG S L, WHITE O. Improving thegenome annotation using maximal transcript alignment assemblies. Nucleic Acids Research, 2003, 31(19): 5654-5666.

[15] CONSORTIUM T G. The tomato genome sequence provides insights into fleshy fruit evolution. Nature, 2012, 485(7400): 635-641.

[16] ZHANG W Y, ALSEEKH S, ZHU X, ZHANG Q H, FERNIE A R, KUANG H H, WEN W W. Dissection of the domestication-shaped genetic architecture of lettuce primary metabolism. The Plant Journal, 2020, 104(3): 613-630.

[17] YUN D Y, KANG Y G, KIM M, KIM D, KIM E H, HONG Y S. Metabotyping of different soybean genotypes and distinct metabolism in their seeds and leaves. Food Chemistry, 2020, 330: 127198.

[18] MOING A, ALLWOOD J W, AHARONI A, BAKER J, BEALE M H, BEN-DOR S, BIAIS B, BRIGANTE F, BURGER Y, DEBORDE C, ERBAN A, FAIGENBOIM A, GUR A, GOODACRE R, HANSEN T H, JACOB D, KATZIR N, KOPKA J, LEWINSOHN E, MAUCOURT M,. Comparative metabolomics and molecular phylogenetics of melon (Cucurbitaceae) biodiversity. Metabolites, 2020, 10(3): 121.

[19] 崔霞霞, 王亞欽, 任毅, Alisdair R Fernie, Saleh Alseekh, 何洪巨, 宮國義, 張海英, 郭紹貴, 張潔, 許勇. 低糖野生種與高糖栽培種西瓜果實代謝產(chǎn)物組分差異分析. 園藝學(xué)報, 2018, 45(4): 775-783.

CUI X X, WANG Y Q, REN Y, FERNIE A, ALSEEKH S, HE H J, GONG G Y, ZHANG H Y, GUO S G, ZHANG J E, XU Y. Variance analysis of metabolite components between low sugar wild and high sugar cultivated watermelon fruits. Acta Horticulturae Sinica, 2018, 45(4): 775-783. (in Chinese)

[20] ASLAM A, ZHAO S J, AZAM M, LU X Q, HE N, LI B B, DOU J L, ZHU H J, LIU W G. Comparative analysis of primary metabolites and transcriptome changes between ungrafted and pumpkin-grafted watermelon during fruit development. PeerJ, 2020, 8: e8259.

[21] SULAIMAN F, AZAM A A, BUSTAMAM M S A, FAKURAZI S, ABAS F, LEE Y X, ISMAIL A A, MOHD FAUDZI S M, ISMAIL I S. Metabolite profiles of red and yellow watermelon () cultivars using a1H-NMR metabolomics approach. Molecules, 2020, 25(14): 3235.

[22] 袁平麗, 李智, 趙勝杰, 路緒強, 何楠, 尚建立, 劉文革. 西瓜種質(zhì)資源番茄紅素含量評價. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 46(7): 115-120.

YUAN P L, LI Z, ZHAO S J, LU X Q, HE N, SHANG J L, LIU W G. Evaluation of lycopene content of watermelon germplasm resources. Jiangsu Agricultural Sciences, 2018, 46(7): 115-120. (in Chinese)

[23] 李蒙蒙, 路緒強, 趙勝杰, 何楠, 尚建立, 劉文革. 西瓜種質(zhì)資源的瓜氨酸含量分析及評價. 果樹學(xué)報, 2017, 34(4): 482-494.

LI M M, LU X Q, ZHAO S J, HE N, SHANG J L, LIU W G. Analysis and evaluation of citrulline content in watermelons. Journal of Fruit Science, 2017, 34(4): 482-494. (in Chinese)

[24] 關(guān)立穎, 劉文革, 裴孝伯, 趙勝杰, 閻志紅, 路緒強. 不同砧木對西瓜果實中糖和Vc含量的影響. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2012, 21(1): 136-140.

GUAN L Y, LIU W G, PEI X B, ZHAO S J, YAN Z H, LU X Q. Effect of different rootstocks on the sugar and vitamin C content in watermelon fruit. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica, 2012, 21(1): 136-140. (in Chinese)

[25] 程瑛琨, 孟慶繁, 陳亞光, 滕利榮. 籽瓜多種營養(yǎng)成分的分析. 食品研究與開發(fā), 2006, 27(7): 169-171.

CHENG Y K, MENG Q F, CHEN Y G, TENG L R. Analysis of nutritional compositions of seed melon. Food Research and Development, 2006, 27(7): 169-171. (in Chinese)

[26] 梁琪, 蔣玉梅, 張盛貴, 畢陽, 鄭善強. 甘肅省不同產(chǎn)地籽瓜瓤皮成分分析. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1999, 34(1): 79-83.

LIANG Q, JIANG Y M, ZHANG S G, BI Y, ZHENG S Q. Components of seed-used watermelon fruit in Gansu of China. Journal of Gansu Agricultural University, 1999, 34(1): 79-83. (in Chinese)

[27] 張玉秀, 趙文明. 籽瓜種子蛋白質(zhì)的氨基酸成分分析. 果樹科學(xué), 1992, 9(4): 231-233.

ZHANG Y X, ZHAO W M. Amino acid composition analysis of seed protein of seed melon. Guoshu Kexue, 1992, 9(4): 231-233. (in Chinese)

[28] ZHU G T, WANG S C, HUANG Z J, ZHANG S B, LIAO Q G, ZHANG C Z, LIN T, QIN M, PENG M, YANG C K, CAO X E, HAN X, WANG X X, VAN DER KNAAP E, ZHANG Z H, CUI X, KLEE H, FERNIE A R, LUO J E, HUANG S W. Rewiring of the fruit metabolome in tomato breeding. Cell, 2018, 172(1/2): 249-261.

[29] PECH J C, BOUZAYEN M, LATCHé A. Climacteric fruit ripening: Ethylene-dependent and independent regulation of ripening pathways in melon fruit. Plant Science, 2008, 175(1): 114-120.

[30] 張建農(nóng). 籽用西瓜種質(zhì)資源利用和耐貯性生理機理的研究[D]. 蘭州: 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué), 2005.

ZHANG J N. Study on germplasm resource exploitage and bear- storage mechanism in edible seed watermelon [D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2005. (in Chinese)

[31] LEVI A, THOMAS C E. Low genetic diversity indicates the need to broaden the genetic base of cultivated watermelon. HortScience, 2001, 36(6): 1096-1101.

[32] LUO J. Metabolite-based genome-wide association studies in plants. Current Opinion in Plant Biology, 2015, 24: 31-38.

[33] MCNAIR J B. Angiosperm phylogeny on a chemical basis. Bulletin of the Torrey Botanical Club, 1935, 62(9): 515-532.

[34] WATERMAN P G. The current status of chemical systematics. Phytochemistry, 2007, 68(22/24): 2896-2903.

[35] BERNILLON S, BIAIS B, DEBORDE C, MAUCOURT M, CABASSON C, GIBON Y, HANSEN T H, HUSTED S, DE VOS R C H, MUMM R, JONKER H, WARD J L, MILLER S J, BAKER J M, BURGER J, TADMOR Y, BEALE M H, SCHJOERRING J K, SCHAFFER A A, ROLIN D, HALL R D, MOING A. Metabolomic and elemental profiling of melon fruit quality as affected by genotype and environment. Metabolomics, 2013, 9(1): 57-77.

[36] VAN TREUREN R, VAN EEKELEN H D L M, WEHRENS R, DE VOS R C H. Metabolite variation in the lettuce gene pool: Towards healthier crop varieties and food. Metabolomics, 2018, 14(11): 146.

[37] FANG C Y, FERNIE A R, LUO J. Exploring the diversity of plant metabolism. Trends in Plant Science, 2019, 24(1): 83-98.

[38] WANG S C, ALSEEKH S, FERNIE A R, LUO J. The structure and function of major plant metabolite modifications. Molecular Plant, 2019, 12(7): 899-919.

Metabolomics Comparative Study on Fruits of Edible Seed Watermelon, Egusi and Common Watermelon

YUAN PingLi, HE Nan, ZHAO ShengJie, LU XuQiang, ZHU HongJu,DIAO WeiNan, GONG ChengSheng, Muhammad Jawad Umer, LIU WenGe

Zhengzhou Fruit Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Henan Key Laboratory of Fruit and Cucurbit Biology, Zhengzhou 450009

【】Watermelon is a very popular summer fruit.(egusi),var.(edible seed watermelon) andvar.(common dessert watermelon) are the three main cultivation types. The appearance and taste of their fruits are quite different, but there is no detailed report on the comprehensive fruit metabolome. In order to clarity the influence of selection on metabolomics in watermelon domestication and improvement processes, the metabolic profiling of three types of watermelon fruits was analyzed. 【】 In this study, 5 egusi watermelon, 5 edible seed watermelon and 6 common watermelon accessions were used for metabolomics profiling analysis by widely targeted metabolic profiling method based on liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). The software SIMCA-P, MetaboAnalyst 5.0, and Origin were used to analyze the metabolomics data. 【】A total of 323 metabolites were detected, including 51 amino acids and their derivatives, 21 nucleotides and their derivatives, 14 carbohydrates, 32 organic acids, 52 lipids, 36 flavonoids, 32 hydroxycinnamoyl derivatives, etc. PCA and cluster analysis showed that the difference of metabolomics profile between egusi watermelon and edible seed watermelon was small, and the metabolomics profile of edible seed watermelon was between that of egusi watermelon and common watermelon. The major metabolites contributing to the classification were sucrose, citric acid, L-glutamic acid, L-threonine, cucurbitacin, vanillic acid glycoside isomers, lipids, and so on. Heatmap analysis showed that cucurbitacin and their derivatives were the unique metabolites in egusi watermelon. The contents of chlorogenic acid, LysoPE, etc. in edible seed watermelon were higher than those in egusi and common watermelon. The contents of carbohydrate, arginine, ferulic acid and C18-2 and C18-3 unsaturated fatty acids in common watermelon were higher than those in egusi and edible seed watermelon. There were 156 differentially accumulated metabolites, which were identified by comparison analysis. The main divergent metabolites between edible seed watermelon and egusi watermelon were p-coumaraldehyde, ferulic acid, cinnamic acid, sucrose, cucurbitacin D O-glucoside, cucurbitacin E isomer, vitexin, coniferyl alcohol, and so on. The main divergent metabolites between edible seed watermelon and common watermelon were lipids, flavonoids, organic acids, sugars, and others. With the development of crop evolution, the content of nutritious metabolites increased, whereas the content of resistance related metabolites decreased. 【】The watermelon fruit metabolomics was reported for the first time based on widely targeted metabolic profiling method. The metabolomics difference between edible seed watermelon and egusi watermelon was smaller than that of edible seed watermelon and common watermelon, and the metabolic profile of edible seed watermelon lay between that of egusi watermelon and common watermelon. In addition to phenotypic and genomic differences, the differential metabolites could also be used as biomarkers to distinguish different varieties. The metabolomics data provided the new insight for complementary understanding watermelon germplasm resources and for metabolomics-based genetic improvement of functional watermelon.

;var.;var.; metabolome; divergence metabolites; domestication and improvement

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.19.013

2020-12-03；

2021-03-24

國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0100704）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程專項經(jīng)費項目（CAAS-ASTIP-ZFRI-07）、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CARS-25-03）、國家自然科學(xué)基金（31672178，31471893）、河南省科技攻關(guān)項目（202102110197）

袁平麗，E-mail：82101179218@caas.cn，mengping513@163.com。通信作者劉文革，E-mail：liuwenge@caas.cn

（責任編輯 趙伶俐）