桃果實后熟軟化機理分子生物學研究進展

張瑞明

摘要 桃果實的成熟軟化是一個非常復雜的發育過程，其間經歷了一系列生理生化的變化，包括細胞壁的降解、乙烯的釋放以及其他的代謝變化。對桃果實成熟軟化方面的分子生物學研究進展進行了綜述，介紹與桃果實成熟軟化過程相關的細胞壁酶以及乙烯在果實成熟軟化過程中的作用，并對軟化機理進行了探討。綜合表明，果實的成熟軟化過程受多種基因調控作用的影響。對果實成熟軟化機理的探討可為果實的貯藏及加工提供理論依據。

關鍵詞 桃；果實；后熟軟化；研究進展

中圖分類號 S662.1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-04043-03

Abstract In the peach， fruit ripening and softening is a complex process concerning growth and regulation which is accompanied by a series of changes in physiological and biochemical attributes， including the degradation of cell wall， ethylene evolution and other metabolic change. Research advances on fruit ripening and softening in molecular biology was discussed. The related enzyme of cell wall and ethylene in fruit ripening and softening were reviewed. The results showed that the courses of fruit ripening and softening are influenced by many genes. The discussion on the mechanism of fruit ripening and softening will provide the theoretical foundation for the storage and freshness and processing of fruit.

Key words Peach； Fruit； Ripening and softening； Research process

桃[Prunus persica （L.） Batsch]屬于薔薇科 （Rosaceae）李屬（Prunus L.）。我國是桃起源中心，擁有4 000多年的栽培歷史和古老的文化底蘊，長期以來的自然變異和人工選育積累了豐富的品種或品系。果實品質對果樹產業的構成和發展起著十分重要的作用，其中，果實硬度是果實品質的一個重要指標，對果實的運輸、貯藏具有重要的意義，越來越受到生產者和育種者的重視。然而，桃果實成熟軟化是一個非常復雜的過程，其間經歷了一系列生理生化的變化，包括細胞壁的降解、乙烯的生物合成以及其他代謝變化。隨著分子生物學研究的深入，目前研究結果表明，果實的成熟軟化受多種基因調控。因此，加強果實成熟軟化分子的基礎研究，對于揭示果實成熟軟化的生理機制方面具有重要意義。

1 細胞壁降解對果實成熟軟化的影響

果實成熟軟化過程伴隨著細胞壁組分的變化。在果實成熟發育過程中，通過細胞壁修飾酶作用的降解在果實軟化中起著重要作用。

內切多聚半乳糖醛酸酶（EC 3.2.1.15）主要作用于果膠，并對多聚半乳糖醛酸中的半乳糖醛酸殘基間的α（14） 糖苷鍵進行水解。目前，已經在番茄[1]、桃[2]、蘋果[3]等多種果實中檢測到 endoPG 的活性，且其表達量與果實軟化存在著密切的關系。Callahan等認為，endoPG 對桃果實質地起決定性作用，可能決定桃果實的溶質和非溶質[4]。另有報道表明，在溶質性桃的溶質階段，endoPG 酶的活性和基因的表達量均出現大幅度上調[5-6]；但在成熟的非溶質性桃的果實中，也可以檢測到 endoPG 酶的活性和基因的表達，但活性和表達均較低[2，7]。此外，Ghiani等研究發現，由于endoPG 在溶質性桃果實中的大量表達，導致了細胞粘著力的降低，造成了細胞間空隙增大；而在非溶質性桃果實中沒有觀察到這些現象，因此認為endoPG 在桃果實中的作用主要是通過增大細胞間空隙和中果皮細胞的皺縮來實現溶質，對硬度的降低無顯著影響[7]。對桃果實endoPG 基因進一步分析發現：軟溶質果實和硬溶質果實的PG等位基因間僅存在1個SNP位點，其附近存在果實軟化相關的性狀標記[8]；同樣在溶質桃和非溶質桃的endoPG 基因開放閱讀框之間僅存在5個SNP 位點，其中只有1個是非同義突變[2]，這些SNP可用于桃果實果肉質地的分子標記輔助育種。

此外，β半乳糖苷酶可以使細胞壁的一些組分變得不穩定，它可以通過降解具支鏈的多聚醛酸，從而使其果膠降解或溶解。在桃果實出現軟化的前兩天，果膠物質的降解主要是β半乳糖苷酶水解果膠分子上的乳糖支鏈起重要作用，加速了果實的軟化[9]。同樣，在對硬溶質桃果實的研究中也表明，β半乳糖苷酶活性高峰出現于成熟前期，其作用與桃果實成熟前期果實的軟化啟動密切相關[10-11]。同時，在桃果實中，αL阿拉伯呋哺糖苷酶基因表達和活性在成熟軟化后期較高，且αL阿拉伯呋哺糖苷酶的快速變化滯后于乙烯及其合成相關酶的變化，推測其主要作用于果實成熟中后期的快速軟化，且αL阿拉伯呋哺糖苷酶的激活與果實內源乙烯的積累密切相關[11]。

2 乙烯對桃果實軟化的影響

桃是典型的呼吸躍變型果實，在果實成熟過程會出現躍變型果實所具有的呼吸峰和乙烯峰。乙烯早已被證實是果實成熟軟化和衰老的重要因子，近年來，借助于擬南芥和番茄等模式植物的一些研究成果，植物乙烯信號轉導路徑已基本建立，與乙烯作用相關的果實成熟軟化控制方面取得了很大進展，對揭示果實成熟的生理機制具有重要的理論意義。植物體內 SAM在ACC合成酶作用下轉化為ACC，ACC合成酶是果實成熟時乙烯產量增加的關鍵和限速酶[12-13]。桃成熟軟化過程中乙烯生物合成相關酶，如ACC合成酶、ACC氧化酶、ACC脫氨酶、SAM （硫腺苷甲硫氨酸）合成酶、SAM 水解酶等已被克隆并做了相關的功能分析[14-17]。金勇豐等采用PCR和RTPCR技術成功地從桃“玉露”品種中克隆出ACC 氧化酶基因，該基因全長1 288 bp，含4個外顯子和3個內含子， 外顯子總長為957 bp，共編碼319個氨基酸，與番茄、矮牽牛、康乃馨的氨基酸序列同源性分別為83.00%、76.18%、74.00%，表明該基因是高度保守的[18-19]。此外，在乙烯的生物合成過程中ACS 和ACO 是2個關鍵酶，二者與ACC的積累共同調節果實中乙烯的產量[20]。在果實成熟期，PpACS1和PpACO1基因轉錄以及蛋白表達水平顯著上調，可能參與乙烯合成的各種酶促反應[21-23]。另外，這些酶的活性可被葉片等組織的創傷誘導激活[24-25]，同時也可誘導PpACS2表達水平迅速下調，暗示其可能受到乙烯合成的負調控[2]。

近些年，日本科學家發現了一種新的桃肉質類型Stony hard（SH），又名“石頭桃”，果實表現為硬度高、肉質脆、掛果時間長且采后肉質較長時間不會變軟，同時可溶性固形物含量較高。Hayama等對具SH基因型的“Manami”桃進行深入的乙烯釋放和軟化機理研究時，發現果實成熟過程中乙烯釋放量極少或幾乎沒有乙烯產生[26]。Tatsuki等研究發現，SH基因型只釋放很少的乙烯，同時伴隨著PpACS1低表達；然而應用人工合成的生長素“1萘乙酸”后可誘導PpACS1表達上調，同時果實會釋放較多的乙烯并開始軟化[27]。由此可見，PpACS1可能是SH基因型桃果實內源乙烯生物合成過程中最為關鍵的限速因子。

另一方面，鮮食桃屬于時鮮水果，常溫下只能存放2～5 d，耐貯運性能差，貯藏保鮮的效果也很有限。Begheldo等使用溶質桃品種“Summer Rich”和SH肉質單株“IFF331”經10和20 ℃ 2種溫度處理時發現：低溫處理對溶質桃延遲成熟的影響效果不明顯，2種溫度條件下溶質桃幾乎同時進入軟熟期，僅低溫條件下溶質桃的硬度稍高于常溫；低溫下（10 ℃）SH桃的乙烯產生量比常溫時（20 ℃）顯著增高，且果實硬度快速降低[28]。這是因為低溫條件誘導了SH果實中乙烯合成相關的ACC合成酶基因（PpACS1）的轉錄，產生的乙烯又誘導了果實中endoPG基因的表達，促使細胞壁降解，表現為果實軟化。該現象與冬梨的低溫后熟過程類似，但是否是同一生理控制過程還有待進一步研究。SH桃作為一個乙烯釋放的突變類型，其貯藏特性研究僅作了10和20 ℃ 2種溫度處理，有必要深入開展SH基因型貯藏特性的分子生物學研究，可為深入了解該基因型桃的特性提供理論依據。目前國內對SH基因型桃的鑒定和評價還處于起步階段，Haji等利用雜種群體對肉質遺傳進行分析時發現，桃SH是由隱性單基因控制，該基因獨立于溶質、不溶質遺傳并且具有上位效應[29-30]。同時發現，應用外源乙烯處理SH桃果實時又可以分離出處理后快速軟化和處理后緩慢變軟2種表現型，且推斷分別由2種基因型控制，屬于隱性純合基因型，若使用2種該基因型的種質作為親本，雜種群體中理論上可獲得大量SH單株，因而能為SH基因型育種提供親本選擇依據。

3 小結與展望

目前，對果實成熟軟化方面的研究大多以番茄為試材，還不清楚這種調控模式是否適用于其他植物的果實，但至少在桃、梨、蘋果和獼猴桃等呼吸躍變型果實中，控制乙烯生物合成的基因表達和調控機制有很大的相似性，但仍需對果實成熟軟化調控機制進行進一步研究。

耐貯運桃新品種選育是當前國內外重要的育種目標，鑒于SH桃成熟時果肉硬脆，果實成熟過程中表現出極低水平的乙烯釋放且具有較高的可溶性固形物含量，近年來成為桃果實采后生理及其相關分子生物學研究的熱點，以其為研究對象進行乙烯釋放與成熟生理機制研究，為闡明乙烯在桃果實生理代謝中的作用機制提供難得的試材。該研究為豐富果實軟化機理以及解決果品貯藏和加工中的問題提供了重要的理論依據。

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