本研究由Guangtao Qian（东北林业大学生命科学学院盐碱地植被生态恢复教育部重点实验室）、Xiangyu Li（黑龙江省农业科学院作物资源研究所）、Heng Zhang（中国科学院上海植物逆境生物学研究中心植物分子遗传国家重点实验室）等来自中国、巴基斯坦多所研究机构的学者共同完成，发表于2023年2月的《Food Chemistry: X》期刊（Volume 17, Article 100594）。研究采用超高效液相色谱-电喷雾串联质谱（UPLC-ESI-MS/MS）代谢组学技术，系统分析了黑、红、白三种颜色藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）籽粒中黄酮类与酚酸的积累模式及其与甜菜红素的协同作用机制。

学术背景

藜麦作为安第斯山脉原生的伪谷物，因其无麸质、高蛋白且含有人体必需氨基酸的特性，被联合国粮农组织列为”功能食品”。先前研究表明，不同颜色藜麦籽粒的酚类物质含量存在差异，深色品种通常具有更高的抗氧化活性，但关于其代谢谱的系统研究仍存在空白。特别是甜菜红素（betacyanin）作为红/黑藜麦的主要色素，与黄酮类、酚酸的共色素作用机制尚未阐明。本研究旨在通过广泛靶向代谢组学揭示颜色表型与代谢物的关联，为功能食品开发提供理论依据。

研究方法与流程

1. 实验设计与样品制备

选取玻利维亚黑藜麦”Yana”、红藜麦”Pasan Ralle”及阿根廷白藜麦”QQ87”三个代表性品种，2020年5月在中国青海乌兰县同质化种植。成熟籽粒经真空冷冻干燥后研磨，采用70%甲醇溶液提取代谢物，每个品种设置3个生物学重复，并通过混合样本作为质控（QC）。

2. UPLC-ESI-MS/MS分析

采用Shimadzu Nexera X2超高效液相系统与AB Sciex 4500 Q Trap质谱联用：
- 色谱条件：Agilent SB-C18色谱柱（1.8 μm, 100×2.1 mm），流动相为含0.1%甲酸的乙腈/水体系，梯度洗脱9分钟。
- 质谱参数：正负离子模式切换，离子源温度500℃，喷雾电压±5.⁵⁄₄.5 kV。通过多反应监测（MRM）结合自建MWDB数据库及公共数据库（MassBank、HMDB）对689种代谢物进行定性定量。

3. 数据分析

• 多元统计分析：采用R语言进行主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），以VIP值≥1且倍数变化≥2/≤0.5为标准筛选差异代谢物（DAMs）。
  
• 代谢通路注释：通过KEGG数据库分析DAMs富集通路，使用GraphPad Prism 8进行可视化。
  

主要研究结果

1. 代谢谱特征
   共鉴定到689种代谢物，包括391种初级代谢物（脂类18.3%、有机酸10.9%）和298种次级代谢物（黄酮类14.8%、酚酸14.1%）。热图分析显示红藜麦代谢谱与黑白品种显著分离，表明遗传背景对代谢物积累具有决定性影响。

2. 黄酮类与酚酸差异

   • 黄酮类：102种黄酮中，白藜麦富含异鼠李素苷（如isorhamnetin-3-O-rutinoside，含量为黑/红品种的116倍），红藜麦则积累山奈酚衍生物（如kaempferol-3-O-sambubioside，上调27倍）。
     
   • 酚酸：97种酚酸中，红藜麦的香草酸-4-O-葡萄糖苷含量为白藜麦的7.3倍，而黑藜麦的原儿茶酸（protocatechuic acid）含量显著高于其他品种（123倍）。
     

3. 甜菜红素共色素作用
   仅在黑/红藜麦中检测到甜菜红素（黑藜麦含量为红的2.5倍）。皮尔逊相关性分析发现：

   • 黑藜麦中7种黄酮（如槲皮素-3-O-木糖苷）与甜菜红素呈显著正相关（r=0.676-0.928, p<0.05）
     
   • 白藜麦的异鼠李素苷与甜菜红素呈负相关，暗示黄酮结构差异影响共色素效应。
     

4. 代谢通路富集
   DAMs显著富集于”苯丙烷生物合成”（phenylpropanoid biosynthesis）、”ABC转运蛋白”（ABC transporters）等通路。其中红藜麦通过上调咖啡酰奎宁酸合成途径（如5-O-p-coumaroylquinic含量提升9倍）增强次级代谢。

结论与价值

本研究首次系统解析了颜色表型驱动藜麦代谢物分化的分子基础，揭示黄酮/酚酸作为甜菜红素共色素的关键作用。科学价值体现在：
1. 为藜麦品种选育提供代谢标记物（如山奈酚苷与抗氧化活性关联）
2. 开发功能食品时，黑藜麦适合作为抗炎成分来源，红藜麦则更适用于抗氧化产品
3. 提出的”代谢物-颜色-功能”关联模型为其他彩色作物研究提供范式

研究亮点

1. 方法创新：建立基于UPLC-ESI-MS/MS的广泛靶向代谢组学流程，较传统HPLC方法检测通量提升3倍
   
2. 发现新颖性：首次报道异鼠李素苷与甜菜红素的拮抗效应，为色素稳定性调控提供新视角
   
3. 应用导向：明确不同颜色藜麦的差异化应用场景，如白藜麦适合作为黄酮苷补充剂原料
   

其他价值

研究发现的22种差异黄酮和5种酚酸可作为藜麦品质鉴定的特征指标，相关数据已通过Supplementary Material公开，包括689种代谢物的质谱特征（Table S1）及KEGG通路注释结果（Table S3）。该成果得到中国国家自然科学基金（32170279）等项目的资助。