马铃薯（Solanum tuberosum L.）是世界上种植面积仅次于玉米、小麦和水稻的第四大粮食作物，它在保障粮食安全方面具有重要作用。马铃薯收获后的贮藏是满足消费者需求和加工业需求的重要环节，低温贮藏是马铃薯最有效的物理保鲜方法，但低温贮藏在抑制块茎发芽的同时会打破淀粉-糖代谢的平衡，导致淀粉分解，葡萄糖、果糖等还原糖积累，进而发生低温糖化现象。低温糖化的块茎在高温加工过程中（油炸、烘焙、烧烤）会发生“美拉德反应”，导致产品褐变，此外还会产生一种潜在的神经毒素和致癌物质丙烯酰胺，严重降低产品的商品价值和食用价值。因此，如何有效控制马铃薯“低温糖化”现象，减少不必要的损失，是马铃薯贮藏保鲜中的重点与难点。
气调技术作为一种高效的保鲜技术，已被广泛应用于草莓、樱桃、葡萄、青椒、小青菜等果蔬及羊肉、鸡肉等肉制品的保鲜中。相关研究发现气调保鲜结合静电场用于马铃薯的保鲜，可减缓贮藏过程中营养物质的流失，适当调整贮藏环境中的O2和CO2含量对抑制块茎的还原糖含量上升有积极作用，但目前关于马铃薯气调保鲜的研究主要集中在营养品质变化、生理变化方面，缺乏蛋白质组学层面的解析。马铃薯在贮藏过程中的品质衰败是一个复杂的代谢过程，其中蛋白质的变化是导致马铃薯贮藏期间品质劣变的重要因素，近年来，蛋白质组学已被广泛应用于果蔬贮藏保鲜及生长机理等领域的研究中，蛋白质组学可探索蛋白质的调控规律，从而更全面地阐释生命活动的规律。本课题前期通过大量研究发现，马铃薯在5% O2+2% CO2的贮藏环境下可延缓“低温糖化”及发芽的发生，并且保持良好的薯皮色度、保护膜系统的相对完整性，起到延缓块茎衰老的作用。在此基础上，甘肃省农业科学院农产品贮藏加工研究所的田甲春、葛霞、李梅*等以‘大西洋’马铃薯为实验材料，通过蛋白质组学技术系统解析低O2高CO2延缓低温糖化的分子机制，旨在从蛋白层面阐明气调贮藏延缓马铃薯品质劣变机理，为气调技术在马铃薯贮藏保鲜的应用提供理论依据和技术指导。
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马铃薯贮藏不同阶段蛋白质的鉴定及差异分析
1.1 蛋白质的鉴定及定量
对马铃薯在低O2高CO2贮藏起始（DX0）、中期（DX2、DX2C）和末期（DX4、DX4C）3 个时间点的质谱数据进行合并和数据库检索，共鉴定得到7 021 个可信蛋白。利用主成分分析（principal component analysis，PCA）对3 个时间点的可信蛋白进行表达量分析并绘制PCA得分图。如图1所示，平行样品的聚合度良好，不同时间点及同一时间对照样本的距离较远且区分明显，因此表明低O2高CO2胁迫处理后的马铃薯在贮藏不同阶段的蛋白质组成发生了显著的动态变化。
1.2 马铃薯贮藏不同阶段的DEPs分析
基于可信蛋白，以log2 FC≥1.5，且P＜0.05为标准，对马铃薯响应低O2高CO2胁迫贮藏初期、中期和末期的4 组对比进行系统分析，共筛选到4 929 个DEPs。4 组对比的Venn图见图2，贮藏中期实验组vs对照组DEPs（DX2 vs DX2C）592 个，贮藏末期实验组vs对照组DEPs（DX4 vs DX4C）720 个，中期和末期2 个比较组存在226 个共同表达的DEPs；与贮藏起始（DX0）相比，对照组贮藏60 d（DX2C vs DX0）和120 d（DX4C vs DX0）分别产生了1 417 个和2 200 个DEPs，表明随着贮藏时间的延长及低O2高CO2胁迫处理后对马铃薯块茎蛋白质具有显著影响。
为了解马铃薯贮藏过程中DEPs的分布情况，以1og2 FC为横坐标、-1g P为纵坐标绘制马铃薯贮藏不同阶段的火山图，红色圆点表示上调蛋白，蓝色圆点表示下调蛋白；根据火山图，对贮藏过程中的DEPs进行分析，发现贮藏60 d时，相较于初始（DX2C vs DX0）产生1 417 个DEPs，其中上调703 个，下调714 个 （图3A）；贮藏至120 d（DX4C vs DX0），DEPs增加至2 200 个，上调（1 023 个）与下调（1 177 个）蛋白数量均显著增多（图3B）。该结果表明，长期低温贮藏本身对马铃薯蛋白质组具有巨大影响。处理组与同期对照组（DX2 vs DX2C，DX4 vs DX4C），分别产生592 个和720 个DEPs，其中上调蛋白数分别为307、338 个，下调蛋白数分别为285、382 个（图3C、D），这些变化更直接反映低O2高CO2环境的作用。为更好地阐明低O2高CO2贮藏环境的作用机制，后续的GO与KEGG富集分析将主要针对贮藏中期及末期的处理组与对照组的比较（DX2 vs DX2C，DX4 vs DX4C），以揭示影响低O2高CO2胁迫的通路及功能。
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贮藏过程中DEPs的GO功能富集分析
GO数据库是基因功能注释的重要数据库。如图4所示，基于Fisher精确检验，在DX2 vs DX2C比较组中，共有384 个DEPs被注释到133 条显著富集的GO功能条目中（P＜0.05）；在DX4 vs DX4C比较组中共有399 个差异蛋白被注释到，其显著富集的基因功能条目高达147 条（P＜0.05）。由此可见，低O2高CO2胁迫后马铃薯贮藏末期较贮藏中期的差异蛋白具有更丰富的功能注释。
在马铃薯响应低O2高CO2胁迫贮藏过程中，基于生物过程、细胞组分、分子功能的GO分类方法，对马铃薯贮藏中期和末期的差异蛋白分别进行GO功能富集分析，表达蛋白主要富集显示丰度前20的功能条目。如图4所示，横坐标表示GO条目，纵坐标表示富集的显著性水平（-lg Padjust），其值越大，表明该GO条目越显著富集。贮藏中期归属生物过程的对过氧化氢的反应、蛋白质复合物寡聚化、对活性氧的反应、热刺激反应显著富集；归属细胞组分的细胞器小核糖体亚基显著富集；属于分子功能的四吡咯结合、血红素结合、单加氧酶活性显著富集（图4A）。贮藏末期，生物过程的蛋白质复合物寡聚化、对过氧化氢的反应、对活性氧的反应、对盐胁迫的反应得到显著富集；与贮藏中期相比，归属细胞组分的差异表达蛋白有所增加，其中细胞器小核糖体亚基、线粒体小核糖体亚基、光合膜、质体类囊体膜得到显著富集；属于分子功能的氧化还原酶活性，作用于配对供体，结合或减少分子氧、核糖体RNA结合、四吡咯结合也得到显著富集（图4B）。
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DEPs的KEGG通路富集分析
利用KEGG数据库对马铃薯贮藏中期和末期的差异蛋白进行代谢通路富集分析。马铃薯贮藏中期（60 d，DX2 vs DX2C），DEPs在内质网中的蛋白质加工、代谢途径、苯丙烷类物质生物合成、光合作用等通路上显著富集（图5A1）。其中下调蛋白主要富集在苯丙烷类物质生物合成、代谢途径、核糖体等通路（图5A2），上调蛋白主要富集在内质网中的蛋白质加工、光合作用、代谢途径、淀粉和蔗糖代谢等通路（图5A3）。贮藏末期（120 d，DX4 vs DX4C）的差异蛋白主要富集在内质网中的蛋白质加工、代谢途径、光合作用、苯丙烷类物质生物合成等通路（图5B1），下调蛋白主要富集在核糖体、乙醛酸盐和二羧酸盐代谢、二萜生物合成、苯丙烷类物质生物合成等通路（图5B2），上调蛋白主要富集在内质网中的蛋白质加工、光合作用、代谢途径等通路（图5B3）。
在研究低O2高CO2贮藏环境对马铃薯的响应机制时，重点关注了内质网中的蛋白质加工、光合作用、苯丙烷类物质生物合成、淀粉和蔗糖代谢及丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号转导-植物等关键途径。这些途径在马铃薯贮藏的不同阶段表现出显著的蛋白表达变化（表1），共同参与了马铃薯对气调胁迫的响应，与块茎“低温糖化”、衰老延缓等贮藏品质密切相关。
3.1 与内质网中的蛋白质加工相关的DEPs
马铃薯经低O2高CO2胁迫后，参与内质网蛋白质加工的DEPs数量较多。在贮藏中期（60 d）及末期（120 d），内质网伴侣蛋白（HSPA5, BIP，XP_006344666.1、XP_006350519.1）及多数HSP20家族蛋白（HSP20，XP_006345019.1、XP_006360820.1、XP_006347502.1、XP_006338640.1等）、分子伴侣HtpG（HSP90A, htpG，XP_006362664.1）、热休克70 kDa蛋白1/6/8（HSPA1_6_8，XP_006341414.1、XP_006343624.1）均呈上调表达，贮藏末期热休克蛋白90 kDa β（HSP90B, TRA1，XP_006342064.1）、蛋白质转运蛋白SEC61亚基α（SEC61A，XP_006358101.1）、转运蛋白SEC61亚基γ和相关蛋白（SEC61G, SSS1, secE，XP_006347395.1）、蛋白激酶C底物80K-H（PRKCSH，XP_006349805.1）呈下调表达。
3.2 与光合作用相关的DEPs
马铃薯经低O2高CO2胁迫后，贮藏中期参与光合作用的铁氧还蛋白的2 个同源体（petF，XP_006362894.1、XP_006339919.1）呈下调表达，而光系统I反应中心亚基III（psaF，XP_006353052.1）、叶绿体（psbP，NP_001274949.1）、光系统I亚基IV（psaE，XP_006350287.1）及铁氧还蛋白-NADP+还原酶（petH，XP_006340740.1）均呈上调表达。贮藏至末期，铁氧还蛋白（petF，XP_006361478.1）呈上调表达，psaF、psbP、psaE、petH相关蛋白仍持续上调。
3.3 与苯丙烷类物质生物合成相关的DEPs
马铃薯在低O2高CO2胁迫贮藏中期，参与苯丙烷类物质生物合成的差异表达蛋白中，咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶（E2.1.1.104，XP_006356576.1）呈下调表达；香豆酸-CoA连接酶（4CL，XP_006347575.1、XP_006340129.1）呈下调表达；反式肉桂酸4-单加氧酶（CYP73A，XP_006350887.1）呈下调表达。同时，过氧化物酶（E1.11.1.7）家族不同成员存在差异表达，XP_006351795.1、XP_006348116.1及XP_006349568.1均上调，而XP_015167704.1、XP_006361306.1、NP_001275041.1、XP_006367274.1、XP_006354189.1、XP_006354190.1和XP_006367225.1则均呈下调表达。贮藏至末期，咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶（E2.1.1.104，XP_006346396.1）呈上调表达，香豆酸-CoA连接酶（4CL，XP_006347575.1）由下调转为上调，而过氧化物酶（E1.11.1.7，XP_006367225.1）由下调转为上调表达。
3.4 与淀粉和蔗糖代谢相关的DEPs
马铃薯经低O2高CO2胁迫后，参与淀粉和蔗糖代谢的多个关键酶发生了显著变化，贮藏中期β-果糖基呋喃糖苷酶（INV, sacA，NP_001274993.1）呈下调表达，蔗糖合成酶（SUS，NP_001275286.1、NP_001274911.1）、α-淀粉酶（AMY, amyA, mal，XP_006357265.1）、海藻糖-6-磷酸合成酶/磷酸酶（TPS，XP_006340112.1、XP_006355973.1）等均上调；贮藏至末期时，蔗糖合成酶（NP_001275286.1）表达模式转为下调表达，内切葡聚糖酶（E3.2.1.4，XP_006358489.1）持续上调表达。
3.5 与MAPK信号转导-植物相关的DEPs
马铃薯经低温低O2高CO2胁迫后，贮藏中期参与MAPK信号转导-植物的DEPs钙调蛋白的两个同源体（CALM，NP_001275042.1、NP_001275359.1）、基本内切几丁质酶B（CHIB，XP_015170518.1、XP_006367375.1）、病原相关分子模式蛋白1（PR1，XP_006367089.1）均呈下调表达；过氧化氢酶（katE, CAT, catB, srpA，XP_006342134.1）、5’-3’外切核糖核酸酶4（XRN4，XP_006340038.1）呈上调表达。贮藏至末期，钙调蛋白（CALM，NP_001275359.1）持续保持下调；过氧化氢酶（katE, CAT, catB, srpA，XP_006342134.1）持续上调表达；基本内切几丁质酶B（CHIB，XP_006340818.1）、病原相关分子模式蛋白1（PR1，XP_006367089.1）在贮藏末期上调表达。
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DEPs的亚细胞定位
对低O2高CO2贮藏过程中的DEPs进行亚细胞定位预测，如表2所示，共产生1 312 个差异蛋白，其中贮藏中期和末期分别筛选出592 个和720 个，主要富集于细胞质（中期225 个、末期293 个）、叶绿体（中期110 个、末期131 个）及内质网（中期44 个、末期50 个）等细胞器。
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马铃薯采后贮藏过程中，随着时间的延长会发生失水、发芽、营养物质损失等一系列衰老变化，这些衰老进程相互关联共同调控马铃薯采后的品质及生理代谢变化。马铃薯响应低O2高CO2环境胁迫的分子机制中，DEPs的亚细胞定位并非随机分布，而是与其功能执行、信号传递及代谢通路协同，特定定位决定了蛋白可接触的底物及参与的生理过程，进而直接影响胁迫的效率，最终与“低温糖化”的调控密切相关。
本研究中马铃薯在低O2高CO2条件下贮藏，DEPs定位主要集中于细胞质、叶绿体、细胞核，其次为内质网、线粒体等，这与高羊茅、木豆的结果相似。细胞质定位的DEPs数量最多，其中贮藏中期225 个，贮藏末期293 个，说明细胞质是低O2高CO2胁迫马铃薯最核心的功能执行场所。细胞质是淀粉降解与糖代谢的主要场所。淀粉和蔗糖代谢是马铃薯“低温糖化”的关键环节，低温处理的马铃薯中StINV1的表达下调，加速了蔗糖的分解代谢并降低了蔗糖含量，本研究中贮藏中期，β-果糖基呋喃糖苷酶的表达量低于同期对照，说明低O2高CO2贮藏环境能够降低蔗糖分解速度，从而缓解块茎中糖含量的积累。苯丙烷类物质生物合成代谢中的过氧化物酶在贮藏中期显著上调，过氧化物酶的上调有助于减缓胁迫下活性氧的伤害，有利于提升农作物的耐寒性。过氧化物酶的上调可能通过保护β-果糖基呋喃糖苷酶、蔗糖合成酶等糖代谢关键酶免受氧化损伤，维持正常催化活性，从而抑制还原糖的异常积累。这一发现为低O2高CO2气调贮藏延缓“低温糖化”提供了直接的分子机制线索，但在该贮藏阶段过氧化物酶的部分基因亚型呈现下调表达，因此推测该家族基因在长期低O2高CO2环境胁迫下存在复杂的亚功能分化与动态平衡。钙调蛋白是当前广泛研究的一种典型的钙结合蛋白，在植物应对各类胁迫反应中起着至关重要的作用。马铃薯贮藏中期钙调蛋白呈下调表达，与杉木中的ClCaM2在低磷胁迫下的表达模式一致。钙调蛋白下调表达可能通过改变Ca2+信号的敏感性或转导效率，影响淀粉分解相关基因的表达或酶活，进而直接调控淀粉向还原糖转化的速率，这与过氧化物酶的作用形成互补，为控制糖化提供了另一条路径。
叶绿体是植物进行光合作用的场所，是光系统I、光系统II及光合电子传递链的载体，本研究中参与光合作用相关的差异蛋白铁氧还蛋白、光系统I反应中心亚基III均位于叶绿体，叶绿体定位的差异蛋白数量仅次于细胞质，贮藏中期110 种，末期131 种，其定位作用直接关联马铃薯在胁迫下的“能量供给”与“光合损伤修复”。铁氧还蛋白能够增强植物对细菌和病毒的抗性，在抵抗各类病原体的侵染过程中发挥作用，此外还可通过参与活性氧的清除增加植物应对逆境胁迫的能力。铁氧还蛋白作为一种电子载体在光合作用过程中具有重要作用，主要负责光合色素复合物I和光合色素复合物II之间的电子传递，铁氧还蛋白（XP_006362894.1、XP_006339919.1）在贮藏中期呈下调表达，铁氧还蛋白作为光合电子传递链的关键电子载体，其下调可能导致电子传递效率下降，进而影响NADPH的生成，并且会进一步调控淀粉降解酶的活性，从而抑制还原糖的产生。
内质网是蛋白质折叠、加工的主要场所，本研究中内质网定位的差异蛋白HSP20家族蛋白（HSP20，XP_006338640.1、XP_006345019.1、XP_006349271.1、XP_006360820.1等）、热休克70 kDa蛋白1/6/8（HSPA1_6_8，XP_006341414.1、XP_006343624.1）等多个蛋白在贮藏中期和末期均显著上调，而贮藏末期热休克蛋白90 kDa β（HSP90B, TRA1，XP_006342064.1）、蛋白质转运蛋白SEC61亚基α（SEC61A，XP_006358101.1）、转运蛋白SEC61亚基γ和相关蛋白（SEC61G, SSS1, secE，XP_006347395.1）、蛋白激酶C底物80K-H（PRKCSH，XP_006349805.1）呈下调表达。HSP20基因家族已在不同物种中被鉴定出，且在不同物种间功能各异。例如，毕研飞等对甜瓜的HSP20基因家族进行了鉴定分析，共鉴定出36 个HSP20s，CmHSP20基因在干旱非生物胁迫下受到高度诱导，推测它在干旱非生物胁迫中调节环境应激反应。HSP基因可减少胁迫对植物的伤害，产生热休克蛋白，热休克蛋白参与不同非生物胁迫下蛋白质的运输和分解，在植物冷、热等逆境胁迫和生长发育过程中发挥着重要作用。在马铃薯块茎中，淀粉降解与糖代谢依赖于淀粉磷酸化酶、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶等酶的协同作用。HSP20的广泛上调可能通过维持这些代谢酶的构象稳定，确保糖代谢的正常运行，可避免因酶功能失调导致的淀粉过度分解与还原糖积累。
综上，低O2高CO2胁迫下，马铃薯块茎通过过氧化物酶、钙调蛋白、铁氧还蛋白、β-果糖基呋喃糖苷酶、α-淀粉酶等蛋白的协同作用，共同维持细胞内环境稳定，从而延缓低温诱导的淀粉分解与还原糖积累。这些发现为马铃薯的气调贮藏提供了理论基础。
本研究基于DIA蛋白质组学技术，筛选出了多个响应低O2高CO2胁迫的关键差异蛋白，并进行了生物信息学分析和功能注释，而马铃薯采后衰老与品质劣变是基因表达、蛋白质调控与代谢物积累共同驱动的复杂生物学过程，单一组学分析难以完整解析其响应机制。因此，后续需通过Western blot对关键蛋白进行验证，并整合转录组学、蛋白质组学与代谢组学技术进行多组学联合分析，深入阐明低O2高CO2胁迫下马铃薯块茎的响应机制，为马铃薯的贮藏及培育抗逆优质品种提供理论支撑。
结 论
本研究通过DIA蛋白质组学技术研究低O2高CO2胁迫对马铃薯的响应机制，研究表明低O2高CO2贮藏中期和末期共产生1 312 个差异蛋白，主要集中于细胞质、叶绿体及内质网等细胞器。两个贮藏阶段共有226 个共同表达的差异蛋白，说明马铃薯在低O2高CO2胁迫贮藏的不同阶段蛋白质的表达存在显著差异（P＜0.05），这些差异蛋白协同调控内质网中的蛋白质加工、光合作用、淀粉和蔗糖代谢、苯丙烷类物质生物合成、MAPK信号转导-植物等途径。其中，HSP20家族蛋白、铁氧还蛋白、β-果糖基呋喃糖苷酶、过氧化物酶、钙调蛋白等关键蛋白共同调控马铃薯衰老的延缓进程，进而有效延缓马铃薯“低温糖化”现象，为马铃薯气调贮藏技术提供了蛋白层面的理论依据。
作者简介
通信作者：
李梅，甘肃省农业科学院农产品贮藏加工研究所研究员。长期从事农产品贮藏与加工方面的科研工作。2017年入选中组部第十四批“西部之光”访问学者，兼任中国作物学会马铃薯专业委员会会员、中国粮油学会薯类分会理事、甘肃省女科技工作者协会会员。获国家及省部级科技奖励9 项，其中甘肃省科技进步一等奖1 项、甘肃省科技进步二等奖3 项、甘肃省科技进步三等奖1 项、甘肃省专利二等奖1 项、全国农牧渔业丰收合作一等奖1 项、中国商业联合会科学技术奖二等奖1 项、甘肃省农牧渔业丰收二等奖1 项。先后主持和参与完成国家级、省部级科研项目20余项，其中主持国家自然基金项目1 项，参与制定国家行业标准1 项、甘肃省地方标准1 项， 主持和参与授权国家发明专利、实用新型专利10余项，在农产品贮藏生理、病理及多元化产品加工方面取得了多项创新成果，在《Frontiers in plant science》《International Journal of Agricultural and Biological Engineering》《食品科学》《西北植物学报》等国内外核心刊物发表学术论文30余篇。
第一作者：
田甲春， 博士，甘肃省农业科学院农产品贮藏加工研究所副研究员。长期从事马铃薯贮藏保鲜方面的科研工作，先后主持和参与完成国家自然基金、国家重点实验室开放课题、联合国世界粮食计划署等科研项目10余项，参与制定国家行业标准1 项、甘肃省地方标准1 项，企业标准2 项。参与申报国家发明专利、实用新型专利7 项。在《食品科学》《作物学报》《核农学报》等刊物发表学术论文30余篇。
引文格式：
田甲春, 葛霞, 李梅, 等. 基于蛋白质组学解析马铃薯应对低O2高CO2胁迫的响应机制[J]. 食品科学, 2026, 47(11): 289-297. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251127-216.
TIAN Jiachun, GE Xia, LI Mei, et al. Proteomic analysis of the response mechanism of potatoes to low O2 and high CO2 stress[J]. Food Science, 2026, 47(11): 289-297. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251127-216.
实习编辑：南伊；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
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