采后果蔬冷害與能量關系研究進展

袁夢麒++潘永貴

摘 要 就冷害與果蔬的線粒體、能荷水平及代謝過程三者之間的關系，結合目前國內外相關的研究進行綜述，從果蔬冷害與能量的角度，探討果蔬冷害與抗冷性機制。

關鍵詞 果蔬 ；冷害 ；能量代謝

分類號 S426

Research Advances on Relationship between Chilling Injury and

Energy Metabolism of Postharvest Fruits and Vegetables

YUAN Mengqi PAN Yonggui

（Faculty of Food Science and Technology， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China）

Abstract To the tropical-subtropical fruit and vegetables， the inappropriate low temperature will cause Chilling injury， which will damage the postharvest fruits and vegetables during storage at low temperature. This paper first discusses the relationship among Chilling injury， the mitochondria of fruits and vegetables， the level of energy charge and metabolic processes . Then it summarizes the correlated researches at home and abroad from the view of the chilling injury of fruits and vegetables and energy， explores the mechanism of chilling injury and cold resistance of the fruits and vegetables.

Keywords postharvest ； chilling injury ； energy metabolism

低溫會降低植物細胞代謝速率，低溫貯運是降低采后果蔬產品損失，保持果蔬采后品質的主要措施。但對于熱帶、亞熱帶果蔬而言，貯藏溫度過低，會造成果蔬發生冷害，造成貯運上的損失。對于冷害發生的原因，傳統上，國內外研究一般認為主要有以下幾個觀點：第一種認為，冷害與植物細胞膜成分的改變有關。低溫會使果實細胞的膜成分受到損傷，如生物膜相改變、電導率上升和膜脂成分改變。冷害果實細胞會出現磷脂和糖脂降解，膜脂過氧化反應降低，以及膜脂不飽和度的下降[1-2]。這些都會對膜流動性產生不良影響并隨之造成膜蛋白功能的下降[3]。第二種認為，冷害會導致氧化脅迫。除了直接破壞植物果實細胞內的生物膜構成外，低溫還會誘導氧化脅迫，進而損害膜的完整性。當果蔬置于不適的低溫環境時，活性氧的產生與消除體系受破壞，活性氧會首先攻擊膜系統，導致生物膜中脂質過氧化，通透性增加，導致果實腐敗、植物死亡[4]。第三種認為，低溫脅迫會損壞植物細胞的超微結構從而導致冷害現象的發生。除細胞膜外，細胞內各細胞器的結構也受低溫環境影響。當冷敏植物受到低溫脅迫時，細胞內的葉綠體形態首先發生改變，被膜轉變為小囊泡，基粒片層減少，當溫度進一步降低時，葉綠體被膜甚至會破裂，并導致細胞死亡[5]。其次還有研究顯示，低溫逆境會誘導植物果實細胞內相應的基因表達，并導致不同部位細胞的抗冷性表達或死亡[6-7]。通過冷馴化（cold acclimation，CA）可以激發某些膜蛋白的活性，進而可以使植物獲得抗冷性[8]。近年來又有研究發現，以上的冷害發生機理都和能量代謝有著密切的關系，因此，本文主要從能量的角度出發，就目前這方面的研究做一綜述，以進一步揭示冷害更深層次的原因。

1 冷害與線粒體

線粒體是生物細胞進行呼吸作用與能量合成的部位，是細胞能量代謝的基礎[9]。正常植物細胞內可以清晰地觀察到線粒體，且數量多，均靠細胞壁分布，線粒體結構完整，雙層膜完整，含有大型的淀粉顆粒，雙層膜間有跨膜通道[10]。但在冷害的植物細胞內，線粒體則會受到不同程度的破壞。齊靈等[11]通過電鏡觀察冷害桃果實發現，其線粒體的電子透明度增加；鄭國華等[12]發現，冷害下的枇杷幼果內線粒體沒有明顯的內嵴，內部呈小泡化，膜邊界模糊，雙層膜破壞嚴重。低溫貯藏條件（0℃）下的甘薯塊莖隨著貯藏天數的增加，其線粒體膜上的膜蛋白對磷脂的結合力下降，使 PC（磷脂酰膽堿）和 LPC（脫酰磷脂酰膽堿）從膜上游離下來，進而破壞線粒體膜，并導致組織壞死。

一般認為，在低溫逆境條件下，線粒體膜脂由液晶態向凝膠態轉變使得線粒體內膜完整性受損，從而導致氧化磷酸化解偶聯，氧化過程雖然照樣進行，但不能形成ATP[13]。另一種觀點則認為，線粒體結構的破壞與低溫引發的氧化脅迫有關[14-15]。氧化脅迫對采后果蔬的生理、品質等都有著顯著的影響，其中線粒體對于氧脅迫尤其敏感。低溫逆境會破壞細胞內活性氧產生和清除的平衡體系導致活性氧積累，誘發氧化脅迫。活性氧攻擊線粒體的膜系統，導致其膜質的過氧化或脫脂化，從而導致線粒體結構受損，能量產生受到影響，而這又會產生更多的自由基進攻細胞膜產生惡性循環[16]。有研究已經證實，在桃果實的貯藏過程中，隨著線粒體結構的損壞和功能的下降，細胞內活性氧迅速增加，細胞膜成分受到損傷[17]。此外，Ca2+-ATPase的活性也會影響線粒體結構的完整性，Ca2+-ATPase能維持細胞線粒體內Ca2+平衡，在正常情況下，線粒體通過Ca2+-ATPase將Ca2+從細胞質運輸到線粒體內，同時參與各種調節，當其活性降低時，線粒體內Ca2+濃度降低，細胞質內Ca2+濃度升高，導致線粒體受損[18-19]。endprint

此外，還有研究表明，冷誘導核基因表達受線粒體的控制，線粒體電子傳遞鏈中的Complex I（NADH脫氫酶EC 1.6.5.3）與核基因中低溫誘導應激反應基因有關，其缺失會影響冷調控基因的表達[20]。對于番茄的研究發現，經熱處理的番茄果實大量產生一種新的小分子熱休克蛋白（sHSPs），相較于未經處理的果實，處理組對于冷害表現出較好的耐性[21]，這種sHSPs就是劉箭等[22]后來克隆出的LeHsp23.8，因此可以認為線粒體sHSPs可能和果實的抗冷性有關。

2 冷害與能量物質及能荷水平

碳水化合物、蛋白質和脂肪是主要供能物質，因此，它們的變化直接與能量產生密切相關。可溶性碳水化合物代謝對低溫脅迫很敏感，在低溫脅迫下，果蔬組織內的大分子物質如淀粉等會加速水解，使得細胞內可溶性糖的含量增加，細胞呼吸作用增強。4℃貯藏條件下的茄子細胞內的還原糖呈先上升后下降的趨勢，其高峰在出現冷害癥狀之前，這可能是由于植物在剛受冷害時，呼吸效率升高而加快了蔗糖及其他多糖的分解[23-24]。對桃果實的冷害研究發現，低溫逆境下的桃果實內ATP的含量也會先上升后下降，其能荷水平的變化也與ATP含量變化一致[25]。而可溶性糖的增加有助于提高果蔬對于冷害的抵抗能力。Cai等[26]發現，低溫預處理能夠有效地減少枇杷低溫貯藏過程中的冷害發生，期間果實的總糖量增加。經NO熏蒸過的芒果果實在低溫貯藏條件下的總糖和果糖含量明顯高于未經熏蒸的果實，其冷害程度也較輕[27]。在熱處理減輕柑橘果實冷害的過程中，蔗糖也扮演著重要的角色[28]。

有研究表明冷害會降低果蔬組織內的能量水平[29]。在低溫貯藏條件下，藍莓果實內的ATP，ADP含量均明顯減少，隨著冷害的發生，ATP等的含量和能荷水平達到最低[30]。陳京京等[25]對于冷害發生中的能荷變化規律做了更加詳細的研究，并發現5℃貯藏下的桃果實ATP、ADP含量和能荷水平下降最快，細胞膜電導率最高，膜脂過氧化產物MDA的積累也最為迅速，此時冷害褐變最嚴重。在整個過程中，冷害水平和能量水平成負相關。

高能量水平有助于緩解果實冷害的發生。番茄經草酸處理后，其后熟過程中的ATP和ADP含量得到提高，冷害程度也得到減輕[29]。用ATP處理過的荔枝果實在貯藏過程中過氧化產物的積累、細胞膜流動性的減少，以及細胞膜透性的增加都受到抑制，細胞膜水解相關的酶類如脂氧合酶、酸性磷酸酶、及磷脂酶D等的活性也都小于未經處理的果實[31]。ATP處理還能抑制極性脂的降解和游離脂肪酸的釋放，并維持脂肪酸的不飽和度，這些都對冷害有著良好的緩解作用[32]。

高能量水平對于冷害的緩解作用，與能量能夠維持膜的完整性有主要關系，Rawyler[32]認為，ATP在脂類合成及細胞膜的修復中起重要作用，與膜脂降解也有關，當ATP合成速率低于一定值時，膜脂水解產物明顯增加。用ATP處理的荔枝果實表皮細胞內ATP含量及其能荷水平出現明顯提高，膜脂降解和過氧化相關的酶如酸性磷酸酶和脂氧合酶等活性降低。研究還發現，ATP處理有助于荔枝果實在貯藏初期維持較高的能量水平，減輕膜氧化，抑制膜脂水解酶活性，這些都有助于維持其膜完整性。另一方面，有研究認為，高水平的ATP能夠減輕組織內的自由基積累，防止冷害造成的冷害脅迫[33-34]。

3 冷害與能量代謝過程

冷害對于整個能量代謝的過程都有著重要的影響。在整個能量代謝過程中，冷害首先影響其三羧酸循環。SDH（琥珀酸脫氫酶）是連接氧化磷酸化與電子傳遞的樞紐之一，其主要作用是在三羧酸循環中催化琥珀酸脫氫生成延胡索酸，脫下的H+經電子傳遞最后生成ATP，它的活性可以作為三羧酸循環運行的指標[35]。在研究中發現，SDH的活性與冷害有著密切聯系。隨著低溫下貯藏時間延長，藍莓果實內的SDH活性逐漸降低，冷害程度也隨之加深[36]。草酸處理番茄和芒果果實能顯著地提高其組織內SDH的活性，與此對應，果實的冷害也得到降低[37]。這些都說明冷害影響了植物細胞內的三羧酸循環。

其次，冷害與細胞內的氧化磷酸化也有重要關系。冷害可以通過破壞線粒體內膜完整性來使氧化磷酸化過程解耦連，雖然氧化過程照樣進行，但細胞不能形成ATP，從而影響細胞正常能量代謝并導致植物死亡[13]。細胞色素氧化酶（CCO）是線粒體呼吸鏈中氧化磷酸化的關鍵酶，是植物體內最主要的末端氧化酶，能夠將電子傳遞給O2，為氧化磷酸化過程供能，CCO的活性和ATP的生成密切相關[38]。用NO處理枇杷果實，在延緩其冷害造成的木質化劣變的過程中發現CCO的活性受到了保護，而未經處理的果實中CCO的活性迅速下降，能量水平也迅速降低，果實發生冷害劣變[39]。Peng Jin等[40]在對草酸處理減輕桃果實冷害的研究中也認為，草酸處理提高了CCO活性是其減輕冷害的重要機制之一。

H+-ATP酶同樣也是線粒體呼吸代謝關鍵酶，作為細胞膜的質子泵，通過將H+從線粒體內膜泵至外側，產生跨膜質子推動力從而合成ATP[41]。研究發現其活性的下降和組織能量損失保持一致，隨著冷害溫度下貯存時間的增加，冷害程度上升，其酶活性持續降低[42]。對茉莉酮酸甲酯影響桃果實冷害的研究也認為，茉莉酮酸甲酯影響H+-ATP酶的活性是其影響冷害的機制之一[43]。對于低溫影響ATPase活性的原因一般有以下幾種猜測：第一種觀點認為，低溫通過影響膜流動性進而影響ATPase的活性。對于玉米根的研究發現其線粒體ATPase活化溫度與脂肪酸鏈的長度和不飽和度有關[44]。因為膜脂一般由親水性的極性端基和疏水性的脂肪酸末端組成，磷脂的極性端和脂肪酸鏈的長短和飽和度都通過膜流動性影響著膜結合酶ATPase的活性。另一種觀點則認為，低溫直接影響了ATPase的活性。ATPase的結構中富含-SH基團，levitt的硫氫基假說認為低溫環境下-SH極易向-S-S轉變，所以低溫很容易引起ATPase的變性，并且低溫引起的氧化脅迫也會對ATPase造成損傷。Lindow等[45]研究發現，在低溫條件下，ATP合成酶的γ-亞基的35 kD多肽在分子內形成二硫鍵變成34 kD多肽，但是在經過低溫馴化后，其35 kD多肽對于低溫的敏感程度降低。endprint

綜上所述，果蔬冷害與能量代謝的關系研究目前主要集中于線粒體結構和ATP代謝方面，低溫脅迫通過影響線粒體結構和相關酶的活性從而影響ATP的產生，而ATP的缺失則會造成細胞內代謝功能紊亂和細胞結構的破壞，從而進一步加重冷害反應，這種惡性循環導致采后果實在冷藏條件下無法正常后熟，乃至產生各種冷害癥狀，造成經濟損失。研究采后果蔬低溫貯藏條件下的冷害產生和調控機制對于開發精密的貯藏保鮮技術有著重要意義，盡管目前對于其冷害機制的研究已經有了可喜的進展，但具體到采后果蔬如何感知外界的低溫信號，低溫條件下果實細胞能量代謝的自我調節，以及如何調控其能量代謝進而抵抗冷害等問題還有待于進一步研究。

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