Food Chemistry (IF 7.514):植物代謝組學(xué)助力藍(lán)莓生物活性物質(zhì)的研究
藍(lán)莓因其良好的口感和眾多健康益處而被認(rèn)為是全球最受歡迎的水果之一，其具有潛在的抗癌、抗氧化、抗炎、抗肥胖和抗糖尿病等生物功能，這些功能的發(fā)揮與生物活性代謝物密切相關(guān)�；蛐投鄻有浴h(huán)境條件、果實(shí)發(fā)育階段以及這些因素之間的相互作用等會(huì)影響果實(shí)的生物活性化合物和代謝物的自然積累模式，而現(xiàn)有的研究主要集中在少數(shù)基因型/品種中的總代謝物含量或目標(biāo)特異性代謝物分析。
2021年11月，佛羅里達(dá)農(nóng)工大學(xué)Protiva Rani Das團(tuán)隊(duì)在Food Chemistry（IF 7.514）上發(fā)表了題為“Diversity in blueberry genotypes and developmental stages enables discrepancy in the bioactive compounds, metabolites, and cytotoxicity”的文章。該文研究了八個(gè)藍(lán)莓品種在三個(gè)發(fā)育階段的總代謝物含量、抗氧化性、抗癌活性，并對(duì)其中兩個(gè)差異顯著的品種進(jìn)行了非靶向代謝組分析，篩選出與抗癌潛力相關(guān)的生物標(biāo)志物，為開發(fā)具有卓越果實(shí)品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的新藍(lán)莓種質(zhì)提供了見解。
2021年11月，佛羅里達(dá)農(nóng)工大學(xué)Protiva Rani Das團(tuán)隊(duì)在Food Chemistry（IF 7.514）上發(fā)表了題為“Diversity in blueberry genotypes and developmental stages enables discrepancy in the bioactive compounds, metabolites, and cytotoxicity”的文章。該文研究了八個(gè)藍(lán)莓品種在三個(gè)發(fā)育階段的總代謝物含量、抗氧化性、抗癌活性，并對(duì)其中兩個(gè)差異顯著的品種進(jìn)行了非靶向代謝組分析，篩選出與抗癌潛力相關(guān)的生物標(biāo)志物，為開發(fā)具有卓越果實(shí)品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的新藍(lán)莓種質(zhì)提供了見解。
研究材料
藍(lán)莓果實(shí)
技術(shù)路線
· 步驟1：不同藍(lán)莓品種在整個(gè)發(fā)育階段的總代謝物含量和抗氧化活性研究；
· 步驟2：藍(lán)莓提取物的抗癌活性研究；
· 步驟3：代謝組學(xué)分析；
· 步驟4：生物標(biāo)志物的篩選及其與抗癌活性的相關(guān)性研究。
研究結(jié)果
1. 不同藍(lán)莓品種在整個(gè)發(fā)育階段的總代謝物含量和抗氧化活性研究
通過(guò)測(cè)定藍(lán)莓果實(shí)每個(gè)發(fā)育階段（第 I階段：綠色；第II階段：轉(zhuǎn)向色素沉著；第III階段：成熟）的總酚含量（TPC）、總黃酮含量（TFC）、總花青素含量（TAC）、DPPH自由基清除活性和FRAP抗氧化活性，確定藍(lán)莓品種的總代謝物含量和抗氧化活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在藍(lán)莓品種之間以及在每個(gè)品種的不同發(fā)育階段存在顯著差異。如在整個(gè)發(fā)育階段，TFC 的積累模式與 TPC 的積累模式相似，即與階段-II 和-III 相比，大多數(shù)品種發(fā)育階段-I具有顯著更高的總酚含量和類黃酮含量。與其他品種相比，“Vernon”和“Alapaha” 品種具有更高的TPC 值和TFC 值。而花青素的積累主要發(fā)生在成熟期，其中“Vernon”品種的TAC 水平顯著高于其他品種。通過(guò) DPPH 和 FRAP 測(cè)定確定藍(lán)莓提取物的抗氧化潛力，發(fā)現(xiàn)不同品種和不同發(fā)育時(shí)期的抗氧化活性的差異與總酚和總黃酮含量的變化相關(guān)（圖1）。
圖1 不同藍(lán)莓品種在不同發(fā)育階段的(A)表型、(B) 總酚含量 (TPC)、(C) 總黃酮含量 (TFC)、(D) 總花青素含量 (TAC)、(E) DPPH 自由基清除活性和 (F) FRAP 活性研究
2. 藍(lán)莓提取物的抗癌活性研究
文章測(cè)定了不同品種和發(fā)育階段的藍(lán)莓在250、500、750 和 1000 ng/mL 四種不同提取物濃度和24、48 和 72 小時(shí)三個(gè)培養(yǎng)時(shí)間對(duì)人肺癌 A549、肝癌HepG2 和結(jié)腸癌 Caco-2 細(xì)胞系的抗癌活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)藍(lán)莓提取物顯示出抑制所有三種癌細(xì)胞群的潛在功效，且提取物的抗癌活性與劑量和培養(yǎng)時(shí)間有關(guān)。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)最高的抗癌潛力與“Vernon”、“Alapaha”品種有關(guān)。根據(jù)代謝物含量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值篩選出最高（“Vernon”）和最低（“Star”）藍(lán)莓品種，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)“Vernon”對(duì)癌細(xì)胞有更強(qiáng)的抗癌活性，且發(fā)育階段-I比階段-II和-III具有更高的抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)的潛力。“Vernon”在抑制癌細(xì)胞群方面的更高效力可能是由于其具有較高生物活性代謝物含量 (圖2)。
文章測(cè)定了不同品種和發(fā)育階段的藍(lán)莓在250、500、750 和 1000 ng/mL 四種不同提取物濃度和24、48 和 72 小時(shí)三個(gè)培養(yǎng)時(shí)間對(duì)人肺癌 A549、肝癌HepG2 和結(jié)腸癌 Caco-2 細(xì)胞系的抗癌活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)藍(lán)莓提取物顯示出抑制所有三種癌細(xì)胞群的潛在功效，且提取物的抗癌活性與劑量和培養(yǎng)時(shí)間有關(guān)。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)最高的抗癌潛力與“Vernon”、“Alapaha”品種有關(guān)。根據(jù)代謝物含量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值篩選出最高（“Vernon”）和最低（“Star”）藍(lán)莓品種，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)“Vernon”對(duì)癌細(xì)胞有更強(qiáng)的抗癌活性，且發(fā)育階段-I比階段-II和-III具有更高的抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)的潛力。“Vernon”在抑制癌細(xì)胞群方面的更高效力可能是由于其具有較高生物活性代謝物含量 (圖2)。
圖2 藍(lán)莓提取物的癌細(xì)胞生長(zhǎng)抑制活性研究
3. 代謝組學(xué)分析
作者基于所有發(fā)育階段的總代謝物含量、抗氧化能力和抗癌活性的研究，選擇了兩個(gè)最具代表性的品種，“Vernon”和“Star”進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)檢測(cè)。共鑒定出 328 種代謝物，主要是有機(jī)酸、脂肪酸、類黃酮、類異戊二烯和單糖�；诖x物集富集分析(MSEA)，發(fā)現(xiàn)p值較高的主要化學(xué)基團(tuán)為氨基酸和多肽、脂肪酸和共軛物、三羧酸、有機(jī)羧酸等（圖3）。PCA 分析表明，藍(lán)莓代謝物的差異主要是由于品種之間的差異，而在較小程度上是由于發(fā)育階段的差異。接著在每個(gè)發(fā)育階段的兩個(gè)品系之間進(jìn)行火山圖分析，以確定藍(lán)莓代謝物的倍數(shù)變化差異。發(fā)現(xiàn)三種常見代謝物表阿福豆素-3-沒食子酸酯、苜蓿酸和柚皮苷在“Vernon”的每個(gè)發(fā)育階段都顯著上調(diào)。此外，在不同發(fā)育階段如山柰酚、十三烷酸、槲皮素3-阿拉伯糖苷等被確定為通常上調(diào)的代謝物。相比之下，沒食子酸、曲酸、2,5-呋喃二甲酸、5-羥基-2-糠酸等物質(zhì)是在每個(gè)發(fā)育階段發(fā)現(xiàn)的常見下調(diào)代謝物（圖4）。
圖3 代謝物集富集分析 (MSEA)
圖4 PCA和柱形圖分析（展示火山圖前20種 FC 代謝物模式）
4. 生物標(biāo)志物的篩選及其與抗癌活性的相關(guān)性研究
通過(guò)偏最小二乘判別分析 (PLS-DA)篩選出整個(gè)發(fā)育階段總共 17 種藍(lán)莓生物標(biāo)志物(VIP ≥ 1.0)，包括奎尼酸、甲基琥珀酸、檸檬酸、草乙酸、蘋果酸等。進(jìn)一步將鑒定的生物標(biāo)志物和抗癌活性進(jìn)行熱圖分析，發(fā)現(xiàn)藍(lán)莓代謝產(chǎn)物的相對(duì)含量和抗癌潛力在不同品種間存在明顯的差異，與“Star”相比，“Vernon”品種具有更高的抗癌活性可能是由于其所鑒定的生物標(biāo)志物含量更高（圖5）。作者進(jìn)一步對(duì) 17 種生物標(biāo)志物的抗癌活性進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果篩選出5種具有較高抗癌潛力的代謝物，包括綠原酸、氧代己二酸、奎尼酸、甲基琥珀酸和蘋果酸，同時(shí)發(fā)現(xiàn)“Vernon”品種在每個(gè)發(fā)育階段包含的每種生物標(biāo)志物的相對(duì)含量顯著較高（圖6）。
圖5 生物標(biāo)志物篩選及與抗癌活性的熱圖展示
圖6 生物標(biāo)志物的篩選及其與抗癌活性的相關(guān)性分析
小結(jié)
文章對(duì)不同品種不同發(fā)育階段的藍(lán)莓果實(shí)進(jìn)行了總代謝物、抗氧化活性、抗癌潛力和非靶代謝組研究，發(fā)現(xiàn)藍(lán)莓提取物之間的差異主要來(lái)源于品種差異。結(jié)果還證實(shí)了與發(fā)育階段-II 和-III 相比，發(fā)育階段 I的藍(lán)莓果實(shí)含有更高的酚類物質(zhì)和類黃酮含量以及更高的抗氧化和抗癌活性。多元統(tǒng)計(jì)分析確定了五種與抗癌活性呈較高正相關(guān)的生物標(biāo)志物包括奎尼酸、甲基琥珀酸、綠原酸、氧代己二酸和蘋果酸。本研究中鑒定的生物標(biāo)志物及其證明的抗癌活性預(yù)計(jì)對(duì)食品、制藥、營(yíng)養(yǎng)保健品等領(lǐng)域具有重要價(jià)值，有望開發(fā)具有抗癌潛力的新種質(zhì)。
中科優(yōu)品推薦
【中科新生命】可提供基于高質(zhì)海量數(shù)據(jù)庫(kù)的非靶向植物代謝組學(xué)服務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)初生代謝物和次生代謝物的檢測(cè)分析，助力植物方向研究。
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