水心，又称“糖心”存在于苹果、梨、甜瓜、山竹果等水果的中果皮中，包含这种水心中果皮的水果引起了科学家和消费者的极大关注。据报道，在低温下，苹果水心在生长成熟过程中更容易发育，而高温后水心则会减少。但是，水心和非水心中果皮在蛋白组学和代谢组学水平上的差异迄今尚未得到研究。
钙离子是细胞信号传导的第二信使，在植物发育、系统防御和植物-微生物相互作用中起着至关重要的作用。钙缺乏会导致苹果中淀粉样蛋白过度积累和苦核，而大量淀粉体的存在会破坏钙的分布，并导致细胞程序性死亡。然而，钙离子对苹果水心中果皮是有益的还是有害的，目前尚不明确。
2022年9月，Food Chemistry期刊（IF:9.231）上新发表的题为 “Ongoings in the apple watercore: First evidence from proteomic and metabolomic analysis”的研究成果，本研究通过对不同地区苹果水心和非水心中果皮的iTRAQ标记定量蛋白质组学和GC-MS代谢组学的研究，发现了碳水化合物代谢的改变，以及蔗糖合成酶( SUSY )蛋白同时参与钙离子结合和糖代谢，是苹果水心发育的潜在基础，为表观品质的调控提供了潜在的候选基因。其中蛋白组学和代谢组学由鹿明生物提供技术支持。
研究思路
研究结果
1. 参与糖代谢的代谢物和蛋白质积累
在中国6个地理和气候条件不同的城市的果园中采集苹果,分别是阿克苏（新疆）、洛川（陕西省）、运城（山西省）、大连山（四川）、昭通（云南）和烟台（山东）。
使用GC-MS代谢组学和标记蛋白质组学技术对阿克苏和昭通的苹果进行研究，主成分分析（PCA）显示，苹果水心中果皮、非水心中果皮和苦核中果皮组代谢产物和蛋白质存在较大差异（图1 A）。阿克苏苦核苹果和非水心苹果相比，检测出403个上调蛋白和246个下调的蛋白；阿克苏有水心中果皮苹果相对于无水心中果皮苹果，检测出上调312个上调蛋白和228个下调蛋白。
与非水心中果皮相比，昭通苹果水心中果皮组有145个上调蛋白，54个下调蛋白（图1 B）。维恩图显示三个比较组共有51个差异蛋白（图1 C）。KEGG富集分析显示，差异蛋白显著富集在碳水化合物代谢(代谢)、翻译(遗传信息处理)、氨基酸代谢(代谢)、折叠、分选和降解(遗传信息处理)等通路。碳水化合物代谢的变化与苹果中果皮的甜度有关，水心中果皮中的糖醇、2-脱氧赤藓糖醇和麦芽糖醇含量高于非水心中果皮。岩藻糖、D-葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸也在含水心中果皮中富集，这可能会让苹果水心更甜（图1 E）。
图1 组间蛋白质组学和代谢组学在淀粉和蔗糖代谢的差异概述
2. 水心苹果中的钙稳态
GO富集分析显示，金属离子结合在水心发育过程中显著富集。进一步证据表明，在46个“淀粉和蔗糖代谢”蛋白和59个“钙离子结合”蛋白中有34个重复的差异蛋白，这表明在水心积累过程中，钙稳态和糖代谢之间存在潜在的相关性（图2 d）。钙含量检测结果显示，WM1比NM1低了三分之二（图2 a）。除此之外，通过形态学和微观结构观察，检测到钙离子的转运通道呈放射状分布在维管束周围（图2 b）。参与钙离子结合的差异蛋白热图显示，阿克苏和昭通苹果的水心和非水心中果皮的钙稳态变化相似（图2 c）。而苦中果皮中参与钙稳态的差异蛋白含量普遍较低（图3 c）。
图2 阿克苏水心苹果的钙稳态
3. 水心苹果中蔗糖合酶（SUSY）蛋白的丰度
同时参与“淀粉和蔗糖代谢”和“钙离子结合”的蔗糖合酶（SUSY）在水心中果皮中含量较高，而在苦中果皮中含量较少（图3 a）。作者为了探索其潜在的生物学功能，在SWISS-Model数据库上通过同源建模的方法预测了MdSUSY的三维结构，该序列与拟南芥SUSY1模板的同源性为66.87%。MdSUSY蛋白由812个氨基酸组成，呈对称的四聚体结构（图3 b）。对蛋白CDS序列上游启动子区域进行顺式作用元件分析，以确定可能的调控因子。共分析到12个不同的响应因子，其中包括8MeJA响应位点，5脱落酸响应位点和5MYB位点，4MYC位点，3MYBHv1结合位点，2生长素响应位点和2细胞周期调控位点，和1厌氧诱导、防御和应激反应、MYB-like和种子特定监管位点（图3 c）。
通过系统发育树分析，作者研究了包含拟南芥在内近缘植物物种间SUSY的进化模式。结果表明，苹果种与中国玫瑰枝相近（图3 d）。此外，基序发现和蛋白结构域分析显示，在16个物种中，所有同源蛋白均包含10个保守基序（图3 e）。“蔗糖合酶结构域”在16个物种的蛋白质中普遍存在，表明了SUSY的进化保守性（图3 f）。
图3 不同物种的SUSY同源物分析
文章总结
总的来说，本研究通过对不同地区苹果水心中果皮和非水心中果皮的蛋白质组学和代谢组学综合分析，发现碳水化合物代谢是最显著富集的途径。主要涉及淀粉降解以及蔗糖和糖醇的生物合成。参与钙离子结合、淀粉和蔗糖代谢的差异蛋白质有50%以上重叠，意味着钙信号传导参与水心发育。对蔗糖合酶（SUSY）序列进行分析，发现了12个不同的响应因子位点，通过系统发育树分析，表明了SUSY的进化保守性。这些结果有助于水心和苦中果皮的鉴定，并为改善苹果的外观和食品质量提供了潜在的价值。