能量狀態在果蔬采后衰老中的作用及其調控研究進展

李美玲，林育釗，王 慧*，林毅雄，林河通*

（福建農林大學食品科學學院，農產品產后技術研究所，福建 福州 350002）

能量是生物體進行一切生命活動的基礎，在維持細胞正常代謝、生物體生長、發育、成熟和抵御脅迫等過程中起著重要作用。在生物體中，能量主要以腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）的形式存儲，ATP是細胞代謝活動的主要能量來源[1]。采后果蔬仍是有生命的有機體，仍然可以進行一系列的生理代謝活動。研究表明，組織能量虧缺是引起采后果蔬衰老的關鍵因素[2-5]。采后果蔬的衰老程度與ATP含量和能荷水平呈負相關[6-7]；而較高的ATP含量和能荷水平有利于采后果蔬在貯藏期間保持良好的品質并延緩采后果蔬衰老的發生[8-10]。因此，通過對采后果蔬能量狀態的調控來延緩采后果蔬衰老已經成為近年來果蔬采后生物學和果蔬貯藏保鮮等研究領域的熱點之一[4,9,11-13]。本文對能量狀態與采后果蔬衰老的關系、采后果蔬能量狀態的調控措施以及調控機制等方面進行綜述，以期揭示采后衰老發生過程中果蔬能量虧缺與調控的機制，為延緩采后果蔬衰老和延長果蔬采后貯運保鮮期提供參考。

1 能量狀態在果蔬采后衰老中的作用

能量狀態在采后果蔬的衰老過程中發揮著重要作用[3-4]。近年的研究表明，采后果蔬衰老可能是由于組織能量虧缺所致[4,14-15]。當采后果蔬處于衰老狀態時，ATP合成能力下降，細胞因能量供應不足而出現功能紊亂和代謝失調，導致細胞膜結構被破壞、膜系統功能喪失，從而造成不可逆的細胞損傷，進而加速采后果蔬的衰老進程[1,3,16]。研究發現，在葡萄果實采后自溶軟化過程中，果實中的ATP含量和能荷水平呈下降趨勢，且采后葡萄衰老自溶軟化與果肉組織中的ATP含量和能荷水平呈負相關[17]。Saquet等[2]研究發現，在氣調貯藏期間梨果實中的ATP含量顯著下降，梨果核部位褐變的發生與過多的能量消耗有關。張群等[11-12,18]研究發現，葡萄果實中ATP含量和能荷水平隨貯藏時間的延長而下降，葡萄內果皮的超微結構逐漸趨于被破壞；而熱處理能夠使葡萄內果皮組織維持較高的能量狀態，保持致密的內果皮超微結構，延緩因細胞壁降解所致的葡萄果實衰老。氧化磷酸化解偶聯劑2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol，DNP）處理可加速采后荔枝、龍眼果實ATP含量和能荷水平的下降，加速荔枝和龍眼果實采后衰老褐變[19-24]。可見，組織能量虧缺是導致采后果蔬衰老和品質劣變的重要因素。

1.1 果蔬采后呼吸代謝與能量狀態的關系

采后果蔬細胞內的能量主要由呼吸代謝所產生。ATP主要通過有氧呼吸代謝中的糖酵解途徑、三羧酸循環和氧化磷酸化而產生[25-26]。呼吸代謝是影響采后果蔬衰老的重要因素，呼吸代謝的增強可導致采后果蔬營養物質消耗增加，從而加速果蔬衰老和品質劣變。趙云峰等[27]研究發現，采后龍眼果實呼吸速率在貯藏后期隨時間的延長呈上升趨勢，而低溫貯藏能夠顯著抑制采后龍眼果實呼吸速率，從而延緩采后龍眼果實的衰老。Ge Yonghong等[28]用外源磷酸三鈉處理采后蘋果，可有效抑制蘋果呼吸強度，延緩蘋果采后衰老。此外，殼聚糖涂膜可顯著降低采后蘋果、梨、草莓、櫻桃、荔枝等果實呼吸速率，延緩采后果實衰老，延長其貯藏保鮮期[29]。可見，呼吸代謝對采后果蔬衰老的發生起重要作用，較強的呼吸代謝加速采后果蔬衰老。

采后果蔬呼吸代謝的強弱受組織能荷水平的影響。當能荷水平較低時，細胞內的ATP合成途徑被激發，呼吸代謝增強，從而促進能量的產生以維持正常代謝；而當能荷水平較高時，ATP合成則會減少，呼吸代謝被抑制[30]。Lin Yixiong等[30]研究發現，H2O2處理導致采后‘福眼’龍眼果實能荷水平降低，顯著提高果實的呼吸速率，加劇龍眼果皮褐變。6-芐基腺嘌呤處理可顯著促進采后西蘭花ATP含量的積累并延緩能荷水平的下降，降低呼吸強度，延緩西蘭花褪綠黃化[31]。羅淑芬等[32]研究發現，6-芐基腺嘌呤處理可使蓮子保持較高的能荷水平，抑制蓮蓬的呼吸作用，從而有效延緩鮮蓮蓬和蓮子的品質下降和衰老。此外，研究表明，采后果蔬在衰老過程中因能荷水平的降低而導致細胞色素c氧化酶（cytochrome c oxidase，CCO）、抗壞血酸氧化酶（ascorbic acid oxidase，AAO）和多酚氧化酶等呼吸末端氧化酶的活性上升，呼吸速率增加，從而加速組織衰老[24,33]。Lin Yifen等[25]研究表明，沒食子酸丙酯處理可使龍眼果實維持較高的ATP含量和能荷水平，抑制CCO和AAO活性，降低果實呼吸速率，延緩龍眼果實采后衰老。

因此，采后果蔬組織的能量狀態對果蔬的呼吸代謝有著重要影響，當組織能量虧缺時，果蔬呼吸代謝增強，加速營養物質的消耗，進而促進果蔬采后衰老的發生。

1.2 活性氧積累與能量狀態的關系

活性氧（reactive oxygen species，ROS）主要在線粒體內產生，是植物在有氧代謝過程中電子傳遞至氧分子時產生的活躍并具毒害作用的含氧物質的總稱，包括過氧化氫（H2O2）、超氧陰離子自由基（O2－·）、羥自由基（·OH）等。ROS是造成植物氧化損傷的主要物質，細胞內ROS的大量積累導致生物膜脂、蛋白質、核酸及其他細胞組分的毒害損傷[34]。ROS的產生會干擾細胞的正常代謝，但植物細胞本身具有防御ROS積累的酶促和非酶促反應機制[35-37]。正常情況下，ROS的產生和清除處于動態平衡，對植物細胞不會產生傷害。當植物衰老或受外界脅迫時，能量物質被大量消耗，呼吸代謝產能速率降低，能量供應不足以供防御系統清除過多的ROS，細胞內的ROS大量積累，從而產生氧化損傷，促進膜脂氧化，破壞細胞膜完整性，導致細胞區室化消失和離子泄露，進而加速細胞衰老。

采后果蔬組織中ROS的積累與較低的能荷水平有關[22]。研究表明，采后蓮霧果實中的H2O2含量與能荷呈負相關；而秋水仙堿處理能延緩采后貯藏后期蓮霧果實能荷水平的下降，保持較高的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和過氧化物酶等ROS清除酶活性[38]。陳蓮等[21]用DNP處理龍眼果實，加速龍眼果實ATP含量下降，提高O2－·產生速率，降低SOD、過氧化氫酶（catalase，CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）等ROS清除酶的活性，降低還原型谷胱甘肽和還原型抗壞血酸等內源抗氧化物質的含量，從而降低ROS清除能力，導致ROS積累，加速龍眼果實衰老。梁爽等[39]采用外源DNP處理草莓果實，發現其可抑制CAT和APX活性，促進H2O2和O2－·積累；而外源ATP處理則顯著提高CAT和APX活性，降低H2O2和O2－·積累，進而延緩草莓果實的衰老。此外，水蜜桃果實組織中的ATP含量和能荷在貯藏期間呈下降趨勢，SOD活性和CAT活性快速下降，H2O2和O2－·含量顯著增加，且水蜜桃果實的能荷與H2O2和O2－·含量呈顯著負相關；而采用N2結合自發氣調復合處理可使水蜜桃果實保持較高的ATP含量和能荷水平，提高SOD和CAT活性，減少H2O2和O2－·的積累，延緩水蜜桃果實采后衰老[40]。

因此，采后果蔬中ROS的積累受組織能量狀態的影響，能量虧缺可導致ROS清除酶活性和內源抗氧化物質含量下降，使組織中ROS的產生和清除失去平衡，導致ROS積累，進而對生物膜系統和生物大分子造成損傷，促進果蔬采后衰老。

1.3 細胞膜完整性與能量狀態的關系

植物細胞存在區室化，而細胞膜和亞細胞膜對細胞區室化起重要作用，從而避免離子泄露和某些酶促反應的發生[41-44]。采后果蔬衰老的最初特征是細胞膜完整性的不可逆損傷，表現為細胞膜滲透性增加。脂質是細胞膜的重要組成部分，膜脂組分的變化可能導致生物物理或生化膜特性的改變、細胞區室化的消失和細胞膜透性的增加[16]。在采后果蔬衰老過程中，膜脂的降解和過氧化會破壞細胞膜系統的結構完整性，表現為不飽和脂肪酸相對含量降低、飽和脂肪酸相對含量增加、膜流動性降低和膜磷脂降解等[45-46]。Lin Yifen等[16]研究表明，采后龍眼果實細胞膜透性與脂肪酸不飽和度呈負相關。Zhang Shen等[46]發現，采后龍眼果實細胞膜透性與褐變指數呈正相關，且細胞膜脂的降解加速采后龍眼果實的褐變。沒食子酸丙酯處理采后龍眼可保持較高水平的果皮不飽和脂肪酸，減緩膜脂過氧化，進而延緩果實衰老[47]。此外，較高的能荷水平有利于細胞膜脂的生物合成和細胞膜的損傷修復，減緩膜脂過氧化程度，抑制膜脂降解相關酶的活性，抑制細胞膜透性的增加，從而維持較好的細胞膜結構完整性[13,48]。因此，較高的能荷水平對于減緩膜脂過氧化程度、維持細胞膜結構的完整性具有重要作用。

當采后果蔬細胞內能荷水平較低或ATP合成速率低于一定閾值時，膜脂的生物合成和細胞膜的損傷修復受阻，細胞膜結構完整性被破壞、細胞區室化消失，并導致離子泄露，從而導致酶與底物接觸進而發生酶促反應，如酚類物質與多酚氧化酶和過氧化物酶發生反應導致酶促褐變[7,23,49-50]。研究表明，在缺氧脅迫下，當馬鈴薯ATP的合成量低于閾值時，缺氧馬鈴薯細胞不能保持細胞膜的完整性[48]。采后龍眼果實果皮中的ATP含量隨貯藏時間的延長呈下降趨勢，且果皮的細胞膜透性與ATP含量呈負相關[6,16]。林毅雄等[23]發現，DNP處理能夠加劇采后龍眼果實細胞能量虧缺，增加細胞膜透性，促進采后龍眼果實果皮褐變的發生。張群等[51]研究發現，采后葡萄果實的ATP含量與膜透性呈負相關，且通過對‘維多利亞’和‘紅地球’兩個品種的葡萄果實進行比較分析，發現較高的ATP水平可減輕膜脂過氧化程度，降低細胞膜透性，延緩果實品質劣變。Yi Chun等[13]報道，外源ATP處理能夠使采后荔枝果實保持較高的ATP含量和能荷水平，降低膜脂過氧化、抑制磷脂酶D，酸性磷酸酶和脂肪氧合酶等膜脂降解相關酶的活性，保持較高的膜脂不飽和度和較完整的細胞膜結構，從而延緩荔枝果實的采后衰老。李輝等[52-53]發現，1-甲基環丙烯（1-methylcyclopropene，1-MCP）處理能夠使‘油?’果實保持較高的ATP含量和能荷水平，有效降低‘油?’果實的細胞膜透性，延緩果實的后熟和衰老。因此，能量虧缺能夠加劇果實細胞膜結構損傷，促進采后果實衰老和品質劣變，而較高的能荷水平能夠使細胞保持較完整的細胞膜結構，從而有利于采后果蔬品質的保持。

可見，細胞膜結構的完整性與能量狀態密切相關，能量虧缺可引起細胞膜脂降解、細胞膜完整性受損，細胞區室化消失，進而加速采后果蔬的衰老進程；而較高的能荷水平有利于保持較高的膜脂不飽和程度，維持細胞膜結構的完整性，從而維持正常的細胞生理代謝，延緩采后果蔬衰老。

2 采后果蔬能量狀態的調控措施

采用適當外源處理可調控采后果蔬的能量狀態，進而影響采后果蔬的衰老進程。研究發現，適當的外源處理能夠使采后果蔬保持較高的能荷水平，有效抑制采后果蔬衰老。外源施加ATP可使采后龍眼果實保持較高的ATP含量和能荷水平，抑制果皮細胞膜透性的增加，保持較高的葉綠素、類胡蘿卜素、花青素等色素物質和類黃酮含量，從而抑制龍眼果皮褐變，并有效抑制總可溶性固形物、總可溶性糖和VC含量的下降及可滴定酸含量的增加，保持較好的果實品質，延緩龍眼果實衰老[9,21]。高兆銀等[20]發現，外源ATP處理延緩采后荔枝果實能荷水平下降，抑制荔枝果實失水和果皮細胞膜透性增加，進而延緩采后荔枝果實的衰老。董栓泉等[54]發現，蔗糖處理能夠提高采后青花菜中的ATP含量和能荷水平，有效抑制青花菜的黃化。Liu Ting等[55]研究表明，短期厭氧處理可使采后荔枝果實保持較高的ATP含量和能荷水平，有效延緩荔枝果實采后褐變。Li Ling等[10]采用50%O2＋50% CO2處理可使花椰菜保持較高的ATP含量和能荷水平，從而延緩其衰老進程，延長其貯藏保鮮期。王金花等[40]發現，N2結合自發氣調復合處理能夠使水蜜桃果實維持較高的ATP含量和能荷水平，抑制水蜜桃果實軟化，保持較高的可溶性固形物和VC含量，維持較好的營養品質，抑制水蜜桃果實后熟和衰老。采后枇杷果實經適當濃度的NO處理，可維持較高的能荷水平，抑制枇杷果實采后木質化的發生[56]。陳蓮等[8]報道，采用1-MCP處理臺灣青棗果實，能夠使果實保持較高的ATP含量和能荷水平，抑制果實衰老腐爛。李輝等[52,57]發現，1-MCP處理可使‘油?’果實保持較高的ATP含量，抑制果實硬度下降，保持較高的果皮葉綠素含量和可滴定酸含量，進而延緩‘油?’果實果皮顏色轉變，減少‘油?’果實的質量損失和衰老腐爛。秋水仙堿處理能夠使采后蓮霧果實保持較高的ATP含量和能荷水平，有效延緩其采后衰老[38]。鈣聯合殼聚糖涂膜處理可有效延緩采后葡萄果肉組織能荷水平的下降，保持較高的花色素苷、葉綠素、類黃酮、總酚和單寧含量，從而延緩葡萄果實衰老和品質劣變[58]。青花菜在采后貯藏期間易發生黃化，而褪黑素處理能夠使其維持較高的能荷水平，延緩青花菜衰老黃化[59]。因此，通過適當的外源處理可使采后果蔬保持較高的能荷水平，利于采后果蔬保持較好的貯藏品質，有效延緩果蔬采后衰老。

3 采后果蔬能量狀態調控機制

細胞內的能量狀態與腺苷酸的合成、耗散、轉運和感知等密切相關[4,14,60]。ATP合成酶是ATP合成的關鍵酶，由許多亞基組成，其中ATP合成酶β亞基（ATP synthaseβ，AtpB）參與催化ATP的合成和降解，是ATP合成酶催化結構域的關鍵組成部分，并且被認為是一種新的程序性細胞死亡蛋白，調節植物細胞死亡[61]。此外，植物中存在兩種與能量相關的耗散蛋白，包括交替氧化酶（alternating oxidase，AOX）和線粒體內膜上的解偶聯蛋白（uncoupling proteins，UCP）[62-63]。當植物組織受到脅迫時，AOX和UCP可調節植物細胞線粒體內的能量平衡，形成抗氧化系統，維持三羧酸循環的正常運行，減少ATP合成，釋放熱能，造成能量耗散[62,64]。ADP/ATP載體蛋白（ATP/ADP carrier，AAC）作為高等生物體中線粒體內膜上的腺苷核苷酸轉運系統的核心蛋白，能夠介導線粒體內高濃度的氧化磷酸化作用的產物——ATP向細胞質運輸，同時將同等數量的ADP轉運至線粒體[65]。蔗糖非酵解型蛋白激酶（sucrose non-fermenting-related protein kinase，SnRK）能夠感知細胞內能荷水平并調節下游代謝途徑，維持能量供需動態平衡[55,66-68]。

近年來研究表明，能量合成、耗散、轉運及感知等相關基因參與調控采后果蔬組織的能量狀態，對采后果蔬的生理品質以及采后衰老的發生有著重要影響[4,14,69-70]。Wang Hui[14]、Liu Ting[55]、Zhang Zhengke[71]等發現，荔枝果實在采后貯藏期間果皮組織中AOX基因的轉錄本豐度顯著上調，交替氧化呼吸比例上升，果實能量耗散增加，從而導致荔枝果皮組織中ATP含量下降，最終加快荔枝果實采后衰老。高兆銀等[69]報道，DNP處理可上調采后荔枝果實AOX基因的轉錄表達，促進能荷水平下降，導致荔枝果實衰老速度加快；而在貯藏后期SnRK基因表達上調，推測其可能參與對荔枝果實能量狀態的調節；此外，在水浸泡脅迫條件下，荔枝LcAAC1基因的表達上調，這可能是對能量虧缺的應激反應。Zhang Zhengke等[71]研究發現，采用茶籽油處理可抑制荔枝果實AOX基因的表達，上調荔枝LcAAC1基因的表達，抑制ATP含量下降，從而延緩荔枝果實衰老褐變。Huang Zihui等[70]報道，N2處理可降低獼猴桃果實AOX和UCP基因的轉錄本豐度，使其保持較高的能荷水平，有效延緩采后獼猴桃果實的衰老；而O2處理可上調獼猴桃果實AOX和UCP基因的轉錄本豐度，加速能荷水平的下降，促進獼猴桃果實衰老；且SnRK1基因在貯藏過程中表達上調，有利于對采后獼猴桃果實能量狀態的調節。此外，AtpB基因轉錄豐度的增加標志著果實衰老，而外源ATP、厭氧或純氧、茶籽油和N2處理均可抑制采后荔枝和獼猴桃等果實中AtpB基因的表達，延緩果實衰老[14,55,70-71]。可見，AOX和UCP基因的表達上調可能導致貯藏后期采后果蔬組織能量耗散加劇，最終導致果蔬組織能荷水平下降；AAC基因可能參與對能量虧缺的應激反應，AAC基因表達上調有利于增加細胞的ATP供應；而SnRK基因在果蔬衰老過程中感知細胞的能荷水平下降，從而進行有利于提高細胞水平的代謝調節。

4 結 語

采后果蔬組織的能量狀態對果蔬的呼吸代謝、ROS積累和細胞膜完整性等方面起著重要影響。組織能量虧缺導致采后果蔬呼吸代謝增強、ROS積累、膜脂降解、細胞膜不飽和度下降、細胞膜結構完整性受損、細胞區室化消失，從而導致采后果蔬衰老和品質劣變的發生。目前已有研究通過適當外源處理影響采后果蔬的能量狀態，進而調控采后果蔬的衰老進程。然而，目前對于采后果蔬的能量調控機制尚不清楚。采后果蔬能量狀態的調控涉及對細胞能量狀態的感知以及能量的合成、耗散和轉運等過程。研究表明，在果蔬采后衰老過程中，能量合成、耗散、轉運和感知等相關基因參與調控果蔬的能量狀態，然而，目前對于影響能量代謝相關基因表達的上游調控機制仍缺乏了解，對于誘發果蔬采后衰老的起始因子有待探究，參與能量合成、耗散、轉運和感知等過程的關鍵基因的具體功能尚不清楚，對于能量虧缺的應激反應尚不明晰。因此，未來可從能量合成、耗散、轉運和感知等相關基因的轉錄調控機制，及其在蛋白水平的表達與修飾、基因功能的驗證、對能量虧缺的應激反應等方面進行進一步研究，探究能量虧缺誘發果蔬采后衰老的機制，并從能量調控角度進行果蔬保鮮新技術的研發。