方賢勝,吳 濤,肖良俊*
(云南省林業(yè)和草原科學(xué)院,云南 昆明 650201)
核桃(Juglansspp.)是世界四大干果之一[1],核桃仁是核桃食用部位,其富含蛋白質(zhì)、脂肪、磷脂、維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分[2]。核桃又是我國藥典收載的中藥,是典型的藥食同源食品[1]。其藥用功效多與富含的多酚和黃酮成分有關(guān),這些物質(zhì)具有抗氧化、提高免疫力等多方面的功效,是近年研發(fā)的熱點(diǎn)[3]。核桃仁由胚(種仁或核仁)和內(nèi)種皮(仁膜)組成,核桃內(nèi)種皮為包裹在核仁表面的一層薄膜[4-5],一般呈淺黃色,也有特異品種、資源呈紫色[6]或鮮紅色[7]。許多研究表明核桃仁多酚和黃酮主要集中在內(nèi)種皮上[8-9],抗氧化及抑酶活性顯著,適宜進(jìn)行抗衰老等保健產(chǎn)品的開發(fā)[3]。本實(shí)驗(yàn)組在開展云南省核桃種質(zhì)資源調(diào)查過程中,發(fā)現(xiàn)28 份內(nèi)種皮紫色的核桃,口感較好,食味香純,已對其氨基酸[10-11]、脂肪酸[12]和礦質(zhì)元素[13]進(jìn)行比較分析。水果的果皮顏色和果肉顏色是消費(fèi)者偏好和適銷性的重要決定因素,不僅因?yàn)橐曈X效應(yīng),還因?yàn)樽仙蚣t色外表更能讓人主觀上覺得其含有特別的或更多的有益健康成分。比如,核桃內(nèi)種皮是核桃酚類物質(zhì)的重要來源,內(nèi)種皮酚類物質(zhì)含量是核仁的8 倍[14],其咖啡酸和香豆酸含量約是核仁的15 倍和752 倍[8]。由于許多有益的酸、單寧和類黃酮存在于果皮或種皮中,紫皮核桃是否含有淺黃色核桃中沒有的營養(yǎng)成分或營養(yǎng)成分更高,尚缺乏相關(guān)信息。
代謝組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分[15-16]。代謝組學(xué)技術(shù)通過高通量化學(xué)分析技術(shù)對生物樣品中的小分子代謝產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析,在營養(yǎng)科學(xué)[17]、疾病診斷[18]、毒理學(xué)[19]、植物代謝和響應(yīng)機(jī)理[20]等方面廣泛應(yīng)用。Wang Dandan等[21]基于廣泛靶向代謝組學(xué)技術(shù)對黑芝麻中的營養(yǎng)成分及其在中藥中發(fā)揮作用的相關(guān)代謝物進(jìn)行了鑒定。Ho等[22]用代謝組學(xué)技術(shù)從黑核桃(J.nigra)中鑒定了6 個(gè)具有抑菌活性的化合物。運(yùn)用代謝組學(xué)方法分析不同顏色的核桃內(nèi)種皮中的代謝成分及其差異尚鮮見報(bào)道。本研究以普通淺黃色和特異紫色2 種顏色的核桃內(nèi)種皮為研究材料,利用廣泛向代謝組學(xué)方法,應(yīng)用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù),檢測2 種材料的代謝物種類,并對其差異性進(jìn)行比較分析,從差異代謝物的角度著手,揭示其多酚、黃酮物質(zhì)組成及內(nèi)種皮顏色差異,旨在為核桃內(nèi)種皮中化學(xué)物質(zhì)表征和功能成分研究提供參考。
以云南省香格里拉市三壩鄉(xiāng)哈巴村25 a生的紫皮核桃(J.sigillatacv.‘Ziyi’)和漾濞泡核桃(J.sigillatacv.‘Yangpao’)的果實(shí)為供試材料,所取試材的生境和栽培管理措施一致。核桃果實(shí)成熟時(shí)從植株的東、西、南、北4 個(gè)方向各采集50 個(gè)核桃青果帶回實(shí)驗(yàn)室。去除核桃青皮和種殼,剝?nèi)⌒迈r核桃仁的內(nèi)種皮。漾濞泡核桃的內(nèi)種皮為淺黃色,紫皮核桃的內(nèi)種皮為紫色,其表型顏色見圖1。2 種顏色的內(nèi)種皮材料各用5 mL凍存管取3 個(gè)重復(fù),然后迅速置于液氮中,隨后轉(zhuǎn)移至-80 ℃超低溫冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>
圖1 漾濞泡核桃(A)和紫皮核桃(B)內(nèi)種皮顏色Fig.1 Endocarps of J.sigillata cv.‘Yangpao’ (A) and J.sigillata cv.‘Ziyi’ (B)
甲醇、乙腈、乙醇、標(biāo)準(zhǔn)品(均為色譜純) 德國Merck公司。
MM400研磨儀 德國Retsch公司;7754070冷凍干燥機(jī) 美國Labconco公司;5430R臺(tái)式高速冷凍離心機(jī) 德國Eppendorf公司;Shim-pack UFLC CBM30A超高效液相色譜儀 日本島津公司;QTRAP 6500系統(tǒng)串聯(lián)質(zhì)譜儀 美國賽默飛世爾公司。
1.3.1 樣品前處理
對超低溫冷凍保存的2 組供試樣品進(jìn)行真空冷凍干燥,用研磨儀研磨(30 Hz、1.5 min)至粉末狀;準(zhǔn)確稱取100 mg粉末,用1 mL 70%甲醇溶液提??;提取液于4 ℃冰箱過夜,期間渦旋3 次,提高提取率;12 000 r/min離心,吸取上清液,0.22 μm微孔濾膜過濾樣品,并保存于進(jìn)樣瓶中,用于超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析。
1.3.2 超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析
色譜條件:色譜柱:Waters ACQUITY UPLC HSS T3 C18(2.1 mm×100 mm,1.8 μm);流動(dòng)相:A相為超純水(加0.04%乙酸),B相為乙腈(加0.04%乙酸);梯度洗脫:0~11 min,95%~5% A、5%~95% B;11~12 min,5% A、95% B;12~15 min,5%~95% A、95%~5% B;15~18 min,95% A、5% B;流速0.4 mL/min;柱溫40 ℃;進(jìn)樣量2 μL。
流出物交替連接到電噴霧離子源-三重四極桿條件:電噴霧離子源溫度500 ℃,質(zhì)譜電壓5 500 V,氣體I和氣體II壓力分別設(shè)置為55 psi和60 psi,氣簾氣壓力25 psi,碰撞誘導(dǎo)電離參數(shù)設(shè)置為高。碰撞氣體(氮?dú)猓毫? psi進(jìn)行多反應(yīng)監(jiān)測(multiple reaction monitor,MRM)實(shí)驗(yàn),獲得三重四極桿掃描結(jié)果,在三重四極桿中,每個(gè)離子對MRM是根據(jù)優(yōu)化的去簇電壓和碰撞能進(jìn)行掃描檢測。
1.3.3 質(zhì)控樣本
質(zhì)控樣本由2 組不同顏色核桃內(nèi)種皮提取物等量混合制備而成,3 個(gè)重復(fù),與分析樣本采用相同的方法處理和檢測,在儀器檢測的過程中,每10 個(gè)檢測分析樣本中插入1 個(gè)質(zhì)控樣本,以考察整個(gè)分析過程的重復(fù)性。
基于邁維(武漢)生物技術(shù)有限公司自建MVDB V2.0數(shù)據(jù)庫及代謝物信息公共數(shù)據(jù)庫根據(jù)二級(jí)譜信息進(jìn)行物質(zhì)定性,代謝物定量是利用三重四極質(zhì)譜MRM分析完成。獲得不同樣本的代謝物質(zhì)譜并對物質(zhì)質(zhì)譜峰進(jìn)行峰面積積分,進(jìn)行同一代謝物在不同樣本中的質(zhì)譜出峰進(jìn)行積分校正[23],利用軟件Analyst 1.6.3處理質(zhì)譜數(shù)據(jù)。采用多元統(tǒng)計(jì)分析,對兩組樣本進(jìn)行主成分分析(principal component analysis,PCA)、聚類分析,根據(jù)偏最小二乘判別分析(partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA)、正交偏最小二乘判別分析(orthogonal PLS-DA,OPLS-DA)法預(yù)測模型穩(wěn)定可靠性。利用多維統(tǒng)計(jì)變量重要性投影(variable importance in project, VIP)值、單維統(tǒng)計(jì)P值及差異倍數(shù)篩選差異代謝物。通過R(v3.3.2)中pheatmap程序?qū)Y選出的淺黃色和紫色核桃內(nèi)種皮差異代謝成分進(jìn)行聚類分析并繪制熱圖。對各組樣本差異代謝物進(jìn)行層次聚類選,同時(shí)將得到的相應(yīng)差異代謝物提交到KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站,進(jìn)行相關(guān)通路分析。
基于邁維(武漢)自建代謝物數(shù)據(jù)庫及相關(guān)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫,對MRM代謝物檢測多峰圖,通過三重四極桿篩選出每個(gè)物質(zhì)的特征離子,在檢測器中獲得特征離子的信號(hào)強(qiáng)度,用MultiaQuant軟件打開樣本下機(jī)質(zhì)譜文件,對主要代謝物進(jìn)行定性和定量分析。在淺黃色和紫色核桃內(nèi)種皮中,鑒定出23 類680 種代謝物(表1),其中淺黃色核桃內(nèi)種皮的代謝組成分有23 類670 種,特有的化學(xué)物質(zhì)有7 類12 種;紫色核桃內(nèi)種皮的代謝組成分有23 類668 種,特有的化學(xué)物質(zhì)有6 類10 種。
表1 淺黃色和紫色核桃內(nèi)種皮中的代謝物數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 1Statistics of metabolites in yellowish and purple walnut endocarps
2.2.1 PCA結(jié)果
通過對樣本進(jìn)行PCA,判別淺黃色和紫色核桃內(nèi)種皮各組樣本之間的分組之間和組內(nèi)樣本之間的變異度大小。結(jié)果得到5 個(gè)主成分,其中PC1的貢獻(xiàn)率為63.15%,PC2的貢獻(xiàn)率為10.84%,且兩組樣本在二維圖上表現(xiàn)出明顯的分離趨勢(圖2),組內(nèi)之間淺黃色內(nèi)種皮的分離大于紫色內(nèi)種皮,在PCA結(jié)果上能夠從總體上反映出兩組樣品之間的代謝物差異。
圖2 兩組樣品及質(zhì)控的PCA結(jié)果Fig.2 PCA plot for discrimination of two groups of samples and quality control
2.2.2 OPLS-DA結(jié)果
PCA法雖然能夠有效地提取主要信息,但是對于相關(guān)性較小的變量不敏感,而PLS-DA可以使組間區(qū)分最大化,有利于尋找差異代謝物。OPLS-DA結(jié)合了正交信號(hào)矯正和PLS-DA方法,通過去除不相關(guān)的差異篩選差異變量。根據(jù)OPLS-DA模型(圖3a)對680 種代謝組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,淺黃色核桃內(nèi)種皮樣品分布在置信區(qū)間的左側(cè),紫色核桃內(nèi)種皮樣品分布在置信區(qū)間的右側(cè),2 個(gè)樣品的區(qū)分效果豐常明顯。OPLS-DA得到PC1的貢獻(xiàn)率為62.1%、PC2的貢獻(xiàn)率為9.74%,=0.719,=0.999、Q2=0.975,其中Q2>0.9為出色的模型,相比于PCA模型效果更好。對OPLS-DA進(jìn)行排列驗(yàn)證(n=200,即進(jìn)行200 次排列實(shí)驗(yàn))。在模型驗(yàn)證中(圖3b),橫線對應(yīng)為原始模型的和Q2,紅點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)分別代表Y置換后模型的和Q’2。和Q’2均小于原始模型的和Q2,即相應(yīng)點(diǎn)都不超過相應(yīng)的線,則說明模型有意義,可根據(jù)VIP值分析篩選其差異代謝物。
圖3 OPLS-DA得分圖(a)和驗(yàn)證圖(b)Fig.3 OPLS-DA score plot (a) and verification (b) of OPLS-DA model
2.2.3 差異代謝物鑒定
基于OPLS-DA結(jié)果,從獲得的多變量分析OPLS-DA模型的VIP值,以其表示對應(yīng)代謝物的組間差異在模型中各組樣本分類判別中的影響強(qiáng)度,一般認(rèn)為VIP≥1的代謝物則為差異顯著。初步篩選出兩類樣品間差異的代謝物,選取VIP≥1的代謝物。淺黃色與紫色核桃內(nèi)種皮進(jìn)行篩選共得到的差異代謝物21 類244 種(表1)。整體上淺黃色與紫色核桃內(nèi)種皮差異代謝成分(244 種)占共有代謝成分(658 種)的37.08%,說明不同顏色的核桃內(nèi)種皮代謝物質(zhì)差異顯著。其中差異較大的是有機(jī)酸及衍生物、黃酮、苯丙素、氨基酸及衍生物、黃酮醇5 種類別,分別占比為19.26%、13.11%、9.42%、8.20%和7.38%。
2.3.1 差異代謝物熱圖分析
為方便觀察代謝物變化規(guī)律,對差異顯著的代謝物進(jìn)行歸一化處理,并繪制聚類熱圖,結(jié)果如圖4所示。該圖簡單、直觀地反映出代謝物的變化情況。在244 種差異代謝成分中,紫色核桃內(nèi)種皮相對淺黃色核桃內(nèi)種皮有93 種成分上調(diào),即相對含量增加,增加的代謝成分占244 種差異代謝成分的38.11%,151 種成分下調(diào),即相對含量降低,降低的代謝成分占244 種差異代謝成分的61.89%。
圖4 差異代謝物熱圖Fig.4 Heat map for differential metabolites
2.3.2 主要差異代謝成分分析
比較淺黃色和紫色核桃內(nèi)種皮樣品中代謝成分定量信息發(fā)生的差異倍數(shù)變化,將差異倍數(shù)進(jìn)行處理(log2FC),變化排在前的20 個(gè)差異表達(dá)代謝成分如圖5所示。與淺黃色核桃內(nèi)種皮相比,紫色核桃內(nèi)種皮5 種有機(jī)酸及衍生物(3-O-阿魏??鼘幩?、奎寧酸O-二葡萄糖醛酸、隱綠原酸、新綠原酸、1-咖啡??鼘幩幔?,1 種苯丙素(6-羥基-4-甲基香豆素),1 種維生素及衍生物(抗壞血酸),1 種黃酮(木犀草素C-阿魏?;禾擒眨? 種生物堿(N-甲基色胺),1 種氨基酸及衍生物(Nα-乙酰-L-精氨酸)的相對含量顯著增加;2 種原花青素(原花青素B2、原花青素B3),1 種黃酮(氧甲基柚皮素C-戊糖苷),1 種黃酮醇(紫杉葉素),1 種黃酮類(水仙苷),1 種多酚(兒茶素),1 種生物堿(5-甲氧基-N,N-二甲基色胺),1 種有機(jī)酸及衍生物(龍膽酸),1 種醇類(去氫催吐蘿芙木醇),1 種苯丙素(芥子酰羥基香豆素)的相對含量顯著降低。紫杉葉素(二氫槲皮素)屬于黃酮醇,在淺黃色核桃內(nèi)種皮中的含量是紫色的137.83 倍。資料顯示,其對癌癥和皮膚衰老具有治療前景,可以清除髓過氧化物酶衍生的活性氮,減輕(谷胱甘肽合成的不可逆抑制劑)丁硫氨酸亞砜胺對人皮膚組織的損傷,下調(diào)UVB處理皮膚細(xì)胞中的膠原酶I[24]。
圖5 2 個(gè)樣品中含量差異最大的20 種代謝物Fig.5 Twenty most significantly differential metabolites between two samples
2.3.3 差異代謝物通路分析
通過KEGG數(shù)據(jù)庫對差異代謝物質(zhì)進(jìn)行通路富集分析結(jié)果(圖6)顯示,鑒定出的244 種顯著差異代謝物,主要分布在20 條代謝途徑中,差異代謝物數(shù)量富集最多的前5 條通路:1)次生代謝產(chǎn)物的生物合成通路,主要包括氨基酸及衍生物、核苷酸及衍生物、維生素及衍生物、吲哚及衍生物、有機(jī)酸及衍生物等90 種代謝成分;2)黃酮類生物合成通路,主要包括金圣草黃素5-O-己糖苷等48 種代謝成分;3)黃酮和黃酮生物合成通路,主要包括18 種黃酮醇類、7 種黃酮類、8 種黃烷酮、4 種異黃酮等37 種代謝成分;4)不同環(huán)境中微生物相關(guān)的代謝通路,主要包括30 種代謝成分;5)苯丙烷生物合成通路,主要包括芥子酰羥基香豆素等23 種代謝成分。前5 條通路分別是次生代謝產(chǎn)物生物合成通路、黃酮類生物合成通路、黃酮和黃酮醇生物合成通路、環(huán)境微生物相關(guān)代謝通路和苯丙烷生物合成通路,分別包括代謝物90 種(36.89%)、48 種(19.67%)、37 種(15.16%)、30 種(12.30%)和23 種(9.43%)。
圖6 差異代謝物KEGG富集圖Fig.6 KEGG enrichment map for differential metabolites
本研究采用廣泛靶向代謝組學(xué)技術(shù),以淺黃色和紫色核桃內(nèi)種皮為材料,對二者的代謝物進(jìn)行對比分析。從2 種類型的核桃內(nèi)種皮中檢測到23 類680 種代謝物,其中差異代謝成分(21 類244 種)占共有代謝成分(23 類658 種)的37.08%。核桃內(nèi)種皮相對于外種皮(核桃殼)來說,物理保護(hù)屏障功能較弱,但無疑其對核桃仁具有很強(qiáng)的化學(xué)保護(hù)和防御功能。防護(hù)功能主要源于含量較高各種植物化學(xué)物質(zhì),如杏和甜櫻桃積累了大量的生氰糖苷[25],但多數(shù)物種的種子受到高含量硫代葡萄糖苷、生物堿或酚類化合物的保護(hù)[26]。核桃內(nèi)種皮中高含量酚類化合物的作用是保護(hù)富含脂肪的油性胚乳的種胚,這種保護(hù)并不側(cè)重于防御掠食者,因?yàn)楹颂胰时话趫?jiān)硬的外殼中,外殼上覆蓋著高含量酚類的青皮[27-28]。在這種情況下,酚類化合物的抗氧化性潛在地負(fù)責(zé)保護(hù)核桃仁免受有價(jià)值的脂肪酸的氧化,從而保護(hù)核桃仁的內(nèi)在質(zhì)量。
核桃仁略有的苦澀味與其含有的酚類化合物有關(guān)[29],且在內(nèi)種皮中的含量遠(yuǎn)高于核仁[14]。雖然酚類化合物沒有已知的營養(yǎng)功能,但由于其良好的抗氧化、抗動(dòng)脈粥樣硬化、抗炎和抗突變特性,它們對人體健康有重要作用[3]。黃酮類和多酚類物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,種類多樣,具有鎮(zhèn)痛、護(hù)肝、抗腦缺血損傷、抗心律失常、抗自由基和抗病毒、抗腫瘤等多種生物學(xué)活性和藥理作用[4]。紫色核桃與淺黃色核桃相比,共有的25 種黃酮差異代謝物中上調(diào)的物質(zhì)(即在紫色核桃中相對含量較高)有10 種,平均差異倍數(shù)4.96 倍,下調(diào)的15 種差異代謝物的平均差異倍數(shù)0.29 倍;多酚類差異代謝物有11 種,其中二沒食子兒茶素為上調(diào)代謝物質(zhì),差異倍數(shù)為2.36 倍,另10 種為下調(diào)物質(zhì),平均差異倍數(shù)為0.20 倍。
核桃核仁顏色是影響核桃堅(jiān)果質(zhì)量分級(jí)和銷售價(jià)格的因素。在GB/T 20398—2006《核桃堅(jiān)果質(zhì)量等級(jí)》中,核桃堅(jiān)果分為4 級(jí),特級(jí)、I級(jí)和II級(jí)的核仁顏色都要求黃白,III級(jí)為黃白或淺琥珀色[30]。在LY/T 3004—2018《核桃標(biāo)準(zhǔn)綜合體》中,核桃堅(jiān)果分為3 個(gè)等級(jí),特級(jí)和一級(jí)的核仁顏色都要求“黃白或具良種特有顏色”,二級(jí)為“黃白、淺琥珀色或具良種特有顏色”。另一方面,由于(紫)紅色在中國和其他亞洲國家是一個(gè)賣點(diǎn),因?yàn)樗笳餍腋:秃眠\(yùn),因而售價(jià)更高。研究表明,菜豆和擬南芥種膜的顏色是由苯丙烷類化合物的氧化決定的[31-32]。所有陸地植物都會(huì)合成苯丙烷,這是一類包括單寧、花青素、黑色素、木質(zhì)素的化合物。這些化合物中有許多是有色的,賦予植物著色和抗氧化保護(hù)作用[33-34]。淺黃色和紫色核桃內(nèi)種皮共測得花青素類物質(zhì)13 種、原花青素類物質(zhì)4 種,通過對花青素類和原花青素類差異代謝物進(jìn)行鑒定,得到花青素類差異代謝物8 種,原花青素類差異代謝物3 種。紫色核桃內(nèi)種皮相對于淺黃色核桃內(nèi)種皮在芍藥花青素O-己糖苷、矢車菊屬3-O-丙二酰己糖苷、矢車菊素3-O-葡萄糖苷、矢車菊素半乳糖苷、芍藥3-O-葡萄糖苷氯化物5 種的含量較高(4.10 倍),矢車菊素3-O-葡萄糖苷、錦葵色素3-O-葡糖苷、矢車菊素3-O-蕓香糖苷3 種含量較低(0.33 倍)。在3 種原花青素類差異代謝物中,紫色核桃內(nèi)種皮相對于淺黃色核桃內(nèi)種皮原花青素A、原花青素B2、原花青素B3的含量均較低(0.14 倍)。總體而言,紫色核桃內(nèi)種皮花青素差異代謝物中含量較高的代謝物的數(shù)量較多且差異倍數(shù)較大,含量較低的代謝物少且差異倍數(shù)較小,內(nèi)種皮中花青素積累的差異可能是影響核仁顏色差異的因素之一。
2 種核桃內(nèi)種皮相較對方而言,各自特有代謝物質(zhì)共22 種,占全部代謝物質(zhì)(680 種)的3.24%。通過文獻(xiàn)檢索和化學(xué)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫檢索,22 種特有代謝物質(zhì)中有相關(guān)功能報(bào)道的僅1 種苯丙素(花椒毒醇)和3 種生物堿(植保素、茶堿和咖啡堿)?;ń范敬季哂猩锘钚缘木€性呋喃香豆素,有強(qiáng)烈的藥理學(xué)活性,如抗炎、抗氧化,5-羥色胺拮抗和神經(jīng)保護(hù)作用。植保素是一種簡單的吲哚生物堿,存在于擬南芥和其他十字花科植物中,其次生代謝產(chǎn)物起植物抗毒素的作用,可以阻止細(xì)菌和真菌病原體。茶堿對哮喘和心肺疾病有療效[35-36]??Х葔A可能是世界上最常攝入的藥理活性物質(zhì)。它存在于咖啡、茶、可可等產(chǎn)品以及藥物中,適度地使用有祛除疲勞、興奮神經(jīng)的作用,臨床上用于治療神經(jīng)衰弱和昏迷復(fù)蘇[37]。本研究對淺黃色和紫色核桃內(nèi)種皮代謝物進(jìn)行比較,所檢測到的物質(zhì)可為核桃內(nèi)種皮的功能研究及下一步開發(fā)利用提供參考。