乙烯在鮮切花中的致衰機理與調控研究進展

林青青

(海南大學農學院,海南 儋州 571737)

1 引言

鮮花切離母體后,就意味著開始走向衰老,引起鮮切花衰老的主要因素包括環境因子和內部的水分代謝、呼吸代謝、細胞內含物降解、酶活性變化和內源激素變化等諸多方面,鮮切花衰老過程與內源激素的種類及其平衡狀態密切相關[1]。在影響鮮切花品質的眾多因素中,植物激素作為一個重要因素越來越受到人們的重視,切花體內五大激素的含量和變化對切花的品質有著極大影響。大量研究表明,乙烯作為切花體內重要的激素之一,在切花衰老過程中起著關鍵性的調節作用,是導致鮮切花衰敗的主要因素。

2 乙烯的生物合成途徑

1964年 Lieberman等首先指出乙烯來源于植物體內的蛋氨酸(Met)[2]。1979年 Adams和Yang[3]的研究表明,乙烯的合成途徑為:蛋氨酸(Met)→S-腺苷蛋氨酸(SAM)→氨基環丙烷羧酸(ACC)→乙烯(Eth)。最后兩步分別由ACC合成酶(ACS)和乙烯形成酶(EFE)催化。這個途徑現已證實存在于所有研究過的組織中,是植物體合成乙烯的主要途徑。

ACC是乙烯合成的直接前體,由乙烯形成酶(EFE)催化形成乙烯。乙烯合成的限速步驟是由SAM合成ACC,ACC合成酶(ACS)是乙烯生物合成途徑的限速酶。ACC可被丙二酰轉移酶催化產生結合態ACC即丙二酰ACC(MACC)。幼嫩的花瓣比衰老的花瓣具有更高的丙二酰轉移酶活性,說明ACC的結合態可能用來限制自由態ACC形成乙烯[4]。

3 乙烯的致衰機理

3.1 乙烯的信號轉導和切花的乙烯敏感性

乙烯的信號轉導也是乙烯研究中的熱點,人們推測乙烯的信號轉導是乙烯發生生理作用的關鍵步驟。經過對模式植物擬南芥以及一系列園藝作物的研究,發現乙烯信號轉導是沿著ETR1→CTR1→EIN2→EIN3→EIL方向傳導[5]。乙烯信號轉導的初始成分是乙烯受體(ETR),能跟乙烯結合,自身結構發生變化后啟動或抑制相關基因的表達,是乙烯生物合成和信號轉導途徑中一個關鍵因子,決定植物對乙烯的敏感性,控制著植物成熟和衰老的進程以及對乙烯的應答[6]。

不同衰老時期的組織對乙烯的敏感性不同,通常,花瓣對乙烯的敏感性隨著花瓣的衰老而上升,較老的花瓣在低濃度乙烯下就開始衰老[7]。Woltering和VanDoorn[8]對23科93種花的花瓣衰老過程中乙烯的作用進行研究,發現以花瓣脫落為最初衰老表型的花大多對乙烯敏感,而除了石竹科(如康乃馨)、桔梗科、錦葵科和大多數蘭科的花對乙烯高度敏感外,其他以花瓣萎蔫為最初衰老表型的花(如菊花和唐菖蒲等),其衰老與乙烯沒有明顯相關性。蔡蕾等[9]以14個生產用月季切花品種為試材,研究了乙烯對不同切花月季品種開花和衰老的影響。結果表明,在月季開花和衰老進程中不同乙烯變化類型的品種對乙烯的反應差別很大,同一類型中的不同品種對乙烯的反應也有很大差別,說明了這一問題的復雜性。

3.2 乙烯的作用機制

由于切花的種類、品種不同,遺傳背景有較大差異,其作用機理也不盡相同。許多研究認為,花衰老時呼吸速率增強與乙烯生成量有關,減少內源乙烯生成量能推遲呼吸躍變的出現[10]。Reid認為,乙烯促使細胞膜組分及透性的改變,引起細胞內含物外滲,水分丟失,花瓣凋萎[11]。有研究結果表明,乙烯敏感型切花與躍變果實一樣,花朵的開放和衰老是由產品身產生的乙烯所誘導[12],即當產品的微量乙烯生成量達到或超過閾值時,會誘導大量乙烯的生成,進而啟動切花的呼吸躍變和整個成熟衰老過程[13]。乙烯非敏感型切花不具備這一特征,其衰老期僅有微量乙烯生成,而且未出現乙烯高峰[14],切花的成熟和衰老與乙烯之間的關系更為復雜。

張徽等提出乙烯釋放能力與花的壽命有關,如蝴蝶蘭等長壽花和玫瑰等中壽花,盛開時乙烯大量生成,而凋萎時均減少;蜀葵、黃花菜等短壽花則恰恰相反[15]。

郭維明等[14]初步證實,切花菊為ACC欠缺導致乙烯生成障礙的乙烯不敏感類型,但對高濃度乙烯也產生響應,菊花長期貯運應對外源乙烯源加于防范。楊秋生等研究認為,常溫下百合切花內源乙烯釋放量的變化與躍變型果實成熟過程類似;低溫下內源乙烯釋放量始終未出現明顯的高峰,這說明乙烯不是衰老的啟動因子,而只是在一定程度上加快衰老的進程[16]。近年來,大多數研究認為,乙烯僅有加速切花衰老的作用,而并非衰老的啟動因素。內源乙烯釋放能力的強弱與切花的自然壽命密切關系[15,17]。

4 切花衰老過程中乙烯的調控

乙烯對切花的傷害程度取決于大氣中乙烯的濃度、暴露時間長短、溫度、CO2濃度、切花的發育階段、質量和不同季節等因素。可采取措施防止乙烯的污染,清除已經產生的乙烯和抑制切花產生乙烯,從而達到保鮮目的。

4.1 乙烯的清除劑

當產生乙烯后,一些物質能吸收乙烯氣體從而降低環境中乙烯的濃度,但不能減少乙烯的產生。如高猛酸鉀、降冰片二烯、活性碳、硅膠、浮石等[18]。

4.2 乙烯的合成抑制劑

乙烯合成抑制劑是利用乙烯生物合成過程S-腺苷蛋氨酸(SAM)→氨基環丙烷羧酸(ACC)→乙烯(Eth)中的兩個關鍵步驟來抑制乙烯合成。通過合成抑制劑來降低ACC合成酶(ACS)和乙烯形成酶(EFE)的活性或含量來達到抑制乙烯生成的目的。ACS需要磷酸吡哆醛作為輔助因子,所以能被A0A(氧基乙基乙烯基甘氨酸)和AVG(氨基氧乙酸)等物質能抑制,極大地減少了觀賞植物內源乙烯的釋放。但乙烯合成抑制劑對外源乙烯的影響卻無能為例,還需及時出去環境中的乙烯,所以其生產上的運用還存在一定的局限性,今年來AOA、AVG等乙烯合成抑制劑在觀賞植物的研究和應用已較少。

4.3 乙烯的作用抑制劑及拮抗劑

乙烯作用抑制劑競爭植物體內的乙烯受體,可逆或不可逆地與受體結合,阻礙乙烯的正常結合,進而抑制其所誘導的生理生化過程[19]。目前,對乙烯受體抑制劑的研究進展較快。Ag+(AgNO3或STS)為早期發現的一種乙烯受體抑制劑,STS已在生產上獲得了廣泛應用,Ag+是重金屬離子,會對環境產生強烈的污染,高濃度STS對機體具毒害作用[20]。DACP是不穩定氣體,在高濃度下易爆炸,而其在黑暗條件下的作用不顯著。2,5-NBN需持續處理才能抑制乙烯作用,氣味難聞,且可能有致癌作用。1-MPC(1-甲基環丙烯)是近來發現的一種新型乙烯受體抑制劑,與傳統的抑制劑相比,具有無毒無味、低量、高效等優點,不僅能強烈抑制內源乙烯的生理效應,還能抑制外源乙烯對內源乙烯產生的誘導作用并且效果持久。2003年在美國50個州獲準應用與蘋果的采后處理和儲存。在世界上越來越多的國家里,1-MPC都被用來作為STS的替代品而大規模使用[21]。此外,NO、乙醇、CO2、PPOH、DPSS等物質也可能通過影響乙烯的生物合成或其他途徑來阻礙乙烯的作用,作用機理有待進一步研究。

4.4 利用生物技術調控

利用反義基因技術可以降低 ACC合成酶與ACC氧化酶水平,丙延長康乃馨等切花的瓶插壽命;使ACC脫氨酶過表達或調節乙烯受體活性也可影響鮮花壽命。隨著現代生物技術手段的發展,特別是反義RNA技術的介入,利用轉基因技術可以培育出抑制乙烯合成的切花品種。從基因水平上阻斷花的衰老,將從根本上解決切花保鮮的重大技術難題[22]。美國科學家已分離獲得香石竹編碼ACC合成酶和乙烯形成酶基因的互補DNA,利用反義RNA就能有效地阻礙內源乙烯的生物合成,從而抑制花瓣衰老[23]。

5 結語

近20年來,關于切花的采后生理生化研究與切花保鮮劑的配置取得了不少成果,因而在改善切花品質與壽命方面有了較大進展。但仍有不少問題有待進一步研究,如對乙烯不敏感的切花的衰老機理,乙烯的作用機理和高效、價廉、低污染的新型保鮮劑等。控制乙烯生物合成、乙烯敏感性及乙烯信號轉導的原理和方法已在生化水平和分子水平上逐漸被闡明,隨著乙烯生物合成與效應的生化調控和基因調控研究的進一步深入,必將為切花保鮮提供新的有效方法,并帶來巨大的經濟效益。

[1]田 煦.鮮切花衰老機理及保險技術研究進展[J].湖南農業大學學報,1995,21(4):414

[2]高 勇,吳紹錦.乙烯與切花的衰老及保鮮[J].植物生理學通訊,1988(4):5～10.

[3]Adam s Do,Yang S F.Ethylene biosynthesis:dentification of 1-amino cyclopropane-1 carboxylic acid as an intermendiate in the conversion of methionine to ethtlene[J].procnatlacad sci US A,1979(76):170～174.

[4]Wood son W R,Law ton K A,Gold sbrough P B.Ethylence regulated gene exp ression during carnation petal senescence[J].acta hort,1989(261):131～144.

[5]楊迎伍,李正國,張 利,等.乙烯信號的接受與轉導[J].植物生理學通訊,2003,39(5):547～552.

[6]賈培義,李春嬌,董 麗.乙烯抑制劑在采后觀賞植物中的應用研究進展[J].園藝園林科學,2006,22(2):246～251.

[7]徐良雄,李 玲,彭永宏.乙烯在切花衰老中的作用[J].亞熱帶植物科學,2003,32(4):65～71.

[8]Woltering E J.Role of ethylene in senescence of petals[J].morhologicalan dtaxinomical relationships,1988(39):1605～1616.

[9]蔡 蕾,張曉紅,沈紅香,等.乙烯對不同切花月季品種開花和衰老的影響[J].園藝學報,2002,29(5):467～472.

[10]史國安,包滿珠.植物切花乙烯至衰機理與化學調節[J].河南科技大學學報,2003,23(2):1～4.

[11]Reid M S.T he role of ethylene in flower senescence[J].acta hort,1989(261):157～169.

[12]Gao J,Kubo Y,Nakamu ra R.Induction of ethylene biosynthesis in banana fruit under different ripening conditions[J].hort sci,1990(59):665～671.

[13]Yang S F.Regulation of ethylenebiosy nth esis[J].hortsci,1980(15):238～243.

[14]郭維明,曹武清,陳發槺.乙烯對切花菊花衰老的調節[J].南京農業大學學報,1997,20(4):24～29.

[15]張 徽,張 慧,古祝平,等.幾種切花衰老原因的研究[J].植物學報,1991,33(6):429～436.

[16]楊秋聲,黃曉書,籍 越,等.不同溫度貯藏對百合切花內源激素水平變化的影響[J].河南農業大學學報,1996,30(3):203～206.

[17]何生根.切花品質的生理生化基礎[J].植物生理學通訊,1977,33(1):66～69.

[18]鄭愛珍,胡金朝.乙烯與切花衰老及其調節機制[J].商丘師范學院學報,2004,20(2):137～139.

[19]夏晶暉,吳中軍.乙烯影響切花衰老的機理及調控措施[J].綿陽經濟技術高等專科學校學報,1998,15(2):22～24.

[20]Jiang Y M,Fu J R.Ethylene regulation of fruit ripening molecular aspects[J].plant grow reg ul,200(30):193～200.

[21]Cameron A C.Th e use of silver thiosulph ate anionic complex as a foliar spray to prevent flower abscission of Zygocactus[J].hort sci,1981(16):761～762.

[22]蘇小軍,蔣躍明.乙烯受體抑制劑在園藝作物上的應用研究[J].亞熱帶植物科學,2001,30(3):69～74.

[23]余義勛,張俊衛,孫振元,等.香石竹ACC氧化酶基因的克隆與植株表達載體構建[J].林業科學研究,2002,15(3):256～260.