科研 | Food Chemistry：转录组学揭示贮藏水稻品质变化的原因与机制（国人作品）
编译：刘宁，编辑：十九、江舜尧。
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水稻在许多国家和地区都是主食，为人们的饮食提供必需的营养素和微量营养素。2014年中国大米产量约为1.72亿吨，居世界首位。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，全球每年有25％的水稻被霉菌污染，水稻在贮藏过程中的吸水增加了微生物污染的可能性。同时贮藏条件的温度，湿度和氧气水平会影响大米关键成分的降解，因此不良的贮藏条件会加速大米品质的恶化。但是为了满足消费需求，收获的大米必须在保持其质量的条件下长期贮藏，贮藏温度和湿度是影响贮藏期间水稻质量的最重要环境因素。通常，大米应当在低温和可控制的大气条件下贮藏，以保护其免受真菌和昆虫的侵害并抑制不良的降解反应。但是，亚洲南部一些水稻产地夏季的温度可能超过38–41℃，而相对湿度约为85–98％。因此，人们对高温和高湿条件对贮藏期间大米风味品质的影响具有浓厚的兴趣。本研究基于高通量RNA测序技术解析风味形成的遗传基础，并确定与风味降解途径有关的特定基因。本研究为水稻在贮藏期间风味变化的起源提供了有价值的新见解，并为优化水稻贮藏条件奠定了基础。
论文ID
译名：基因调控对水稻品质的影响：贮藏温度和湿度对风味的影响
期刊：Food Chemistry
IF：5.399（二区）
发表时间：2019.1.16
通讯作者：黄志刚（教授）、曹崇江（教授）
通讯作者单位：北京工商大学材料科学与机械工程学院&中国药科大学工学院
DOI号：10.1016/j.foodchem.2019.01.042
实验设计
结果
1 水稻贮藏过程中风味代谢物的测定
2 电子鼻分析贮藏过程中大米的风味变化
利用电子鼻检测了在常温条件和高温高湿条件下贮藏30天的样品，以及作为参考的新鲜大米，解析获得不同类型挥发化合物成分雷达图。在两种贮藏条件下具有相当相似的形状（图1a），表明由大米代谢产生的挥发性气体成分都非常相似。与新鲜大米相比，高温高湿和常温条件组的大米对传感器PA/2、P40/1、P10/1和T30/1的响应均显著增加。电子鼻传感器的不同灵敏度和响应，LY/AA（与酮呈正相关），LY/G（与酮和醇呈正相关），T30/1（与酸呈正相关）和PA/2（与硫化合物和酸呈正相关），结果表明，电子鼻产生的风味特征与GC-MS测定的一致。电子鼻的结果表明，在大米储存过程中，导致不良异味的酸和酮含量增加，在高温高湿条件下更为明显，这表明炎热潮湿的条件加速了大米脂类化合物和蛋白质的氧化和分解。主成分分析（PCA）（图1b）表明高温高湿样品的差异比常温条件下的差异大得多，这表明在湿热条件下储存的大米的风味变化最大。
图1. a）不同贮藏条件下大米的雷达图。D0为新鲜大米，D1为常温条件下贮藏的大米（25 ℃/ 50％相对湿度（RH）），D2组为高温高湿条件下贮藏的大米（37 ℃和70％相对湿度）。b）不同贮藏时间的大米主成分分析。
3 贮藏期间脂肪酸生成、脂肪酶活性增加，过氧化氢酶活性下降、过氧化物值增加
天然存在于大米中的脂肪酶可水解大米脂类物质并在贮藏过程中产生游离脂肪酸，这对大米质量产生负面影响。在贮藏期间两个大米样品的游离脂肪酸增加（图2a），高温高湿样品增加约2.5倍，而常温样品仅增加约0.8倍，表明高温潮湿条件促进了大米脂类物质的水解。进一步检测脂肪酶活性（图2b），表明高温高湿样品脂肪酶活性在整个贮藏的前3周中增加，但随后下降；而常温贮藏脂肪酶的活性在整个贮藏过程中持续增加。在贮藏的初始阶段，高温高湿条件下贮藏的样品脂肪酶活性明显较高，而一定时间后可能由于pH对脂肪酶活性的影响而下降。
过氧化氢酶是一种能够将H2O2分解为H2O和O2的酶，可以抑制过氧化物促进脂类物质氧化的能力。本研究中两个样品在贮藏过程中过氧化氢酶的活性均降低，而高温高湿条件导致过氧化氢酶活性显著降低（图2d），表明高温高湿条件抑制大米过氧化氢酶的活性，从而加速大米贮藏过程中异味的形成。进一步检测表明贮藏过程中大米的过氧化值均明显增加（图2c），表明发生了脂类物质氧化，过氧化值从初始样品中的0.2 µmeq/kg增加到常温条件下贮藏样品的0.45 µmeq/kg和高温高湿的0.71µ meq/kg。结果表明高温高湿的条件促进了大米中脂类物质的氧化，从而产生腐臭味而对大米质量产生不利影响。该结果与电子鼻和GC-MS实验的结果一致，表明在贮藏过程中会产生各种挥发性的异味。
图2. 不同条件对（a）脂肪酶活性，（b）过氧化氢酶活性，（c）脂肪酸，（d）过氧化值的影响
4 RNA-seq确定了与大米风味代谢途径相关的差异基因
基于RNA-seq的研究结果，研究了9种参与大米风味代谢途径的基因对大米贮藏过程中风味变化的影响（表2）。OS11G0605500和OS05G0132100是参与脂类物质降解和杂环化合物合成途径的基因。OS08G0508800、OS03G0738600和OS08G0509100是涉及亚油酸氧化降解途径的基因。OS06G0604400，OS02G0676000、OS03G0826600和OS09G0543100是涉及脂肪酶水解和磷脂酶降解的基因。图3显示在常温条件和高温高湿贮藏条件下，水稻脂类物质代谢途径中涉及的基因表达的变化。OS11G0605500、OS05G0132100、OS08G0508800、OS03G0738600和OS08G0509100的表达量增加，且在高温高湿下的表达高于常温条件。这5个基因作用于脂肪酸合成和亚油酸途径，表明高温潮湿的贮藏条件会刺激促进脂肪酶的基因表达，从而产生影响大米品质的游离脂肪酸。OS11G0605500和OS05G0132100基因还能够作用于脂肪酶产生杂环化合物，从而进一步导致大米风味降低。在水稻贮藏期间，OS06G0604400、OS02G0676000、OS03G0826600和OS09G0543100基因的表达量下降。在高温高湿条件下基因表达的下降更为明显。这些基因参与水解脂肪酶和降解磷脂酶。因此在炎热潮湿条件下基因表达量下降将降低水稻控制脂肪酶和磷脂酶活性的能力，从而促进三酰甘油和磷脂形成游离脂肪酸。
表2. 水稻风味代谢途径中涉及的差异基因KEGG富集列表。
图3. 样品D1（常温条件）和D2（高温高湿）中9种不同表达基因的mRNA表达分析。从新鲜的水稻和高温高湿的水稻中分离总RNA，8BQ5基因（泛素5）用作内参基因。每个基因的表达水平显示为相对于处理时间（0天）的比值。每个值代表来自三个不同样品的三个生物学重复的平均值。
结论
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