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不同成熟度煙葉采后抗氧化能力和能量代謝研究

2021-01-09 12:08:28牛浩徐辰生王勝雷王廷賢楊占偉李靜超宋朝鵬宋江雨
中國煙草科學 2021年6期

牛浩 徐辰生 王勝雷 王廷賢 楊占偉 李靜超 宋朝鵬 宋江雨

摘 要:為探究抗氧化能力和能量代謝在采后煙葉顏色變化中的作用,準確把握和理解采收成熟度,在自然條件下采用暗箱試驗測定了不同成熟度采后煙葉的變黃程度、變褐程度、變黃指數、變褐指數、丙二醛(MDA)含量、浸出液電導率、抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性、能量相關物質(ATP、ADP和AMP)含量、能荷和呼吸代謝酶(CCO和SDH)活性。結果表明,隨著采收成熟度的提高,采后煙葉變黃變褐發展更快,在試驗期間的抗氧化酶(SOD、POD、CAT)和能量代謝酶(SDH、CCO)高活性時間持續更短。同時,高成熟度采后煙葉在試驗中MDA含量和浸出液電導率更較高,且ATP含量高峰出現較早,ATP含量和能荷在試驗期間保持高水平的持續時間更短。低成熟度采后煙葉變黃變褐發展更緩慢可能與其較高抗氧化能力和能量代謝有關。

關鍵詞:成熟度;能量代謝;采后生理;膜脂過氧化;抗氧化能力

Abstract: for accurately grasping and understanding harvest maturity and explore the role of antioxidant capacity and energy metabolism in postharvest tobacco leaf discoloration, the harvested tobacco leaves were placed in a dark environment. The changes of yellowing, browning, MDA content, conductivity of leaching solution, adenosine triphosphate (ATP) content, adenosine diphosphate (ADP) content, adenosine triphosphate (AMP) content, energy charge (EG) and activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT), succinate dehydrogenase (SDH) and cytochrome oxidase (CCO) of samples were determined during the experiment. With the increase of harvest maturity, the yellowing and browning of postharvest tobacco leaves started earlier and developed faster. During the test, the antioxidant enzymes (SOD, POD, CAT) and energy metabolism enzymes (SDH, CCO) were highly active. At the same time, the high-maturity postharvest tobacco leaves had higher MDA content and leachate conductivity in the experiment, and the ATP content peak appeared earlier, and the ATP content and energy charge remained high during the experiment for a shorter period of time. These results indicated that the slower development of yellowing and browning of tobacco leaves after harvest at low maturity may be related to higher antioxidant capacity and energy metabolism.

Keywords: maturity; energy metabolism; postharvest physiology; membrane lipid peroxidation; antioxidant capacity

采收成熟度是影響煙葉烘烤效果的關鍵因素。在生產實踐中對煙葉成熟度把握不準確是造成烤壞煙現象的重要原因。因此,探討采收成熟度對采后煙葉顏色變化的影響及其背后的生理機制可為準確理解采收成熟度,提高煙葉烘烤質量提供理論依據和參考。近年來,在園藝作物領域的研究指出果蔬的采后衰老褐變與能量代謝及膜脂過氧化作用關系密切[1-4]。在煙草領域的研究也指出膜脂過氧化作用是影響烘烤特性的關鍵[5],過早和過高的膜脂過氧化作用都會對煙葉造成不利影響[6]。韓錦峰等[7]研究發現,隨成熟度的提高葉內抗氧化酶活性下降,細胞膜通透性變大。王傳義等[8]認為成熟度適宜的煙葉烘烤過程中SOD和POD等保護酶活性較高,是其烘烤質量較高的重要原因。以往的研究主要集中在采收成熟度對煙葉烘烤特性及烤后品質的影響上,對于采后煙葉變黃變褐的生理機制知之甚少。基于此,本研究以烤煙品種豫煙13號為研究對象,采用暗箱試驗的方式研究了不同成熟度采后煙葉黃化褐變的發展過程。通過測定試驗期間煙葉的變黃變褐程度、丙二醛(MDA)含量、浸出液電導率、抗氧化酶活性[超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)]、能量相關物質[腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)、腺嘌呤核苷二磷酸(ADP)、腺嘌呤核糖核苷(AMP)]含量、能荷以及細胞色素氧化酶(CCO)、琥珀酸脫氫酶(SDH)等呼吸代謝相關酶的活性,探討不同成熟度采后煙葉顏色變化差異及其生理機制,為準確把握采收成熟度,提高煙葉烘烤質量提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2020年度于河南省洛陽市宜陽縣石村(N112°3′25″,E34°30′24″)進行。供試品種為烤煙豫煙13號[9],試驗田土壤肥力中等,田間管理均按照當地優質煙葉生產方法進行。選取中部葉(10~13葉位)作為試驗材料,按成熟度由低到高設置M1、M2和M3三種成熟度處理(表1),每處理各200片進行暗箱試驗。在暗箱試驗期間,每隔24 h觀察變黃變褐情況;每隔48 h隨機選取3片煙葉,去除主脈后混合第6至第7支脈葉肉用于測定生理指標;各項生理指標均重復測定3次。試驗當天記為第0天,進行至所有煙葉變褐程度達到三成及以上時結束。

1.2 方法

1.2.1 變黃變褐程度的測定 參考文獻[11]的方法,在黑暗密閉環境中進行暗箱試驗。每隔24 h觀察并記錄煙葉的變黃變褐程度直至所有煙葉的褐變程度均達到30%為止。變黃指數從采后第0天觀測至試驗第7天(共統計8次),變褐指數從采后第4天觀測至采后第10天(共統計7次),按照公式(1)和公式(2)分別計算變黃指數(Yellowing Index,YI)和變褐指數(Browning Index,BI)。

其中n為統計次數,Y為各次觀察時的煙葉變黃比例,B為各次觀察時煙葉的變褐比例。

1.2.2 丙二醛含量及滲出液電導率的測定 參考文獻[12]中的方法,采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量,結果以nmol/g表示。

浸出液電導率的測定參考文獻[13]的方法略有修改。取0.1 g煙葉樣品,用去離子水沖洗5次后吸干表面水分,放入潔凈玻璃試管中加入10 mL蒸餾水浸泡3 h。使用DDS-11A型電導儀測定浸出液的電導率。

1.2.3 抗氧化酶活性的測定 SOD、POD、CAT活性均采用南京建成科技生產的試劑盒進行測定。定義l mL反應體系中NBT(氮藍四唑)還原抑制百分率達到50%所對應的SOD酶活性為一個SOD活性單位U;定義1 g組織在1 mL反應體系中每分鐘470 nm處吸光值變化0.01為一個POD活性單位U;定義1 g組織在1 mL反應體系中每分鐘催化1 μmol H2O2降解為一個CAT活性單位U。

1.2.4 ATP、ADP、AMP含量和能荷的測定 采用高效液相色譜法測定ATP、ADP、AMP含量[14]。根據公式(3)計算能荷(EC):

1.2.5 煙草葉片線粒體的提取 使用差速離心法提取煙草葉片線粒體[15-16],有修改。獲得的線粒體沉淀用1.5 mL 50 mmol/L Tris-HCl緩沖液(pH 7.5,內含0.3 mol/L甘露醇、1mmol/L EDTA-Na2、質量分數為0.1%的聚乙烯吡咯烷酮)溶解后用于后續指標的測定。

1.2.6 線粒體琥珀酸脫氫酶(SDH)活性測定 參考陳京京等[16]的方法測定,以1 g組織在1 mL反應液中600 nm處吸光值每分鐘變化0.1為1個SDH的活性單位U。

1.2.7 線粒體細胞色素C氧化酶(CCO)活性測定 參考KAN等[17]方法測定,以1 g組織在1 mL反應體系中600 nm處吸光值每分鐘變化0.1表示1個CCO的活性單位U。

1.3 數據分析

數據采用Excel進行數據整理分析和作圖;采用SPSS 17.0進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結 果

2.1 不同成熟度采后煙葉黃化褐變的發展

從圖1和圖2A中可以看出,隨著采收成熟度的提高采后煙葉的變黃速度明顯提高;M1,M2,M3處理分別在第7天,第5天和第3天達到了十成黃;在變黃指數方面M3處理分別比M2和M1高出18.33%和69.04%(圖2B)。由圖2A可知,采后煙葉的變褐速度也隨著采收成熟度的增加有明顯提高;M1,M2,M3處理分別在采后第10天、第8天和第6天達到了3成褐;在變褐指數上,M3處理分別比M2和M1處理高出100.00%和500.00%(圖2B)。

2.2 不同成熟度采后煙葉浸出液電導率和MDA含量的變化

如圖3A所示,不同成熟度采后煙葉的滲出液電導率隨采后時間的延長均呈現上升趨勢。在試驗期間,M3處理煙葉的滲出液電導率較高,比M2和M3處理分別高出10.65%和45.15%。同時,M3處理煙葉滲出液電導率上升較快。在采后第4~10天,M1處理的采后煙葉與M2、M3處理煙葉浸出液電導率差異達到了顯著水平(p<0.05)。由圖3B可知,各成熟度處理采后煙葉MDA含量變化與浸出液電導率類似,均呈現上升趨勢。M3處理煙葉的MDA含量始終處于較高水平,比M2處理和M1處理分別高出20.53%和48.98%。M3處理煙葉MDA含量增加較快,在整個試驗期間M3處理煙葉的MDA含量顯著高于M2、M1處理(p<0.05)。

2.3 不同成熟度采后煙葉抗氧化酶活性的變化

如圖4所示,各處理煙葉的SOD、POD和CAT活性表現出相似的變化,均在前期迅速升高,而后逐漸下降。隨著采收成熟度的提高,煙葉的抗氧化酶活性有所下降。試驗期間,M1和M2處理煙葉的SOD活性比M3處理分別高19.18%和29.04%;POD活性分別高17.59%和25.16%;CAT活性分別高55.30%和81.04%。各處理煙葉SOD、CAT活性均在采后第4天達到了高峰(圖4A,圖4C),POD(圖4B)活性則在采后第2天達到了高峰。在采后第4~10天,M1處理煙葉的SOD和POD活性顯著高于M2、M3處理(p<0.05)。CAT活性下降較快,在采后第2~6天表現為M1>M2>M3(p<0.05),其余時間各處理差異不明顯。

2.4 不同成熟度采后煙葉ATP、ADP、AMP含量及能荷的變化

由圖5A可以看出,隨著采后時間的延長,各成熟度煙葉的ATP含量均呈現先上升后下降的趨勢。在剛采收時,M3處理顯著高于M2、M1處理(p<0.05)。隨后,各處理煙葉的ATP含量均出現明顯升高。M1,M2和M3處理采后煙葉的ATP含量分別在采后第6天、第4天和第2天達到高峰。之后,各處理ATP含量均出現下降,但M2、M3處理下降得更為迅速。在采后第6~10天,M1處理采后煙葉的ATP含量顯著高于M2和M3(p<0.05)。各處理采后煙葉ADP含量的變化與ATP類似,均呈現先上升后下降的趨勢(圖5B)。在剛采收時,M3處理煙葉的ADP含量顯著高于M2、M3處理(p<0.05)。隨后各處理煙葉的ADP含量開始下降,M3處理下降最為迅速,M2次之,M1處理曲線最為平緩。如圖5C所示,隨著采后時間的延長,各成熟度采后煙葉的AMP含量總體呈現增加的趨勢。在剛采收時,M1、M2處理采后煙葉的AMP含量顯著高于M3處理(p<0.05)。隨后各處理AMP含量開始緩慢上升,M1、M2處理上升較緩,M3處理上升幅度較大。

由圖5D可以看出,隨采后時間的延長,各處理采后煙葉的能荷值呈現出先增加后下降的趨勢。在剛采收時,M3處理的能荷值顯著高于M2、M3(p<0.05)。M3處理采后煙葉的能荷值在采后第2天達到高峰,而M1和M2處理均在第6天達到高峰。與M2和M3相比,M1處理采后煙葉在試驗中后期保持著相對較高能荷水平。

2.5 不同成熟度采后煙葉SDH活性的變化

由圖6可以看出,采后煙葉的SDH活性基本呈現出先上升后下降的趨勢。在剛采收時,M3處理煙葉的SDH活性最高,M2次之,M1最低。在采后2 d,各處理煙葉的SDH活性明顯上升,此時M2,M3處理的煙葉SDH活性比M1分別高出12.41%和26.37%(p<0.05)。之后各處理采后煙葉SDH活性呈現出緩慢下降的趨勢,且M2、M3處理下降得更為快速。在采后4~10 d,M1處理采后煙葉SDH活性分別比M2處理和M3處理高出10.18%和12.91%。各處理間煙葉SDH活性分別在采后第2天、第10天差異達到了極顯著水平(p<0.01)

2.6 不同成熟度采后煙葉CCO活性的變化

由圖7可以看出,各處理采后煙葉CCO活性均呈現出先上升后下降的趨勢。在剛采收時,M3處理采后煙葉的CCO活性最高,M2次之,M1最低。在采后第2天,3個處理煙葉的CCO活性均達到了峰值,此時M3處理煙葉的CCO活性最高,分別比M2和M1高出20.35%和12.22%(p<0.05)。隨后各處理CCO活性呈現出下降的趨勢,在采后4~10 d表現為M1>M2>M3。各處理間CCO活性分別在采后第2、4、6天差異達到了顯著水平(p<0.05)。

3 討 論

采后煙葉的變黃變褐過程涉及一系列復雜的生理生化機制[18-21]。由于斷絕了外界的水分和營養供給,采收后煙葉處于一個多重的逆境環境之中,極易引起活性氧的積累[22]。活性氧的積累可以啟動并加速膜脂過氧化鏈式反應,破壞細胞膜完整性,最終導致煙葉黃化褐變的發生[23]。然而,煙葉可以自然產生抗氧化酶以對抗氧化損傷[24]。在本研究中隨著采收成熟度的增加,采后煙葉的SOD、POD和CAT在試驗期間的活性有所降低,導致其MDA含量和滲出液電導率較高,加速了煙葉的變黃變褐過程,這與前人的研究結果相一致[25]。

在果蔬儲藏領域越來越多的研究指出膜脂過氧化程度的發展與能量代謝密切相關[26],認為能量虧缺是引起果蔬腐爛變質的重要原因[27]。在本研究中,采后煙葉的ATP和ADP含量首先呈現出上升的趨勢,可能是因為在采收初期需要更多的能量來應對離體的不利環境[28]。隨著逆境的不斷加深和煙葉內部呼吸底物的不斷減少,新產生的ATP已經不能滿足機體對于ATP需求,因而ATP含量和ADP含量開始下降,AMP含量開始上升。與M3處理相比,M1和M2處理能夠維持較長時間的高能荷水平,同時抗氧化酶的活性更高,膜脂過氧化發展得更慢,這說明較高的能量水平可能強化了機體抗氧化酶系統。同時隨著采收成熟度的提高,ATP高峰出現時間被提前,幾乎是同時煙葉也達到了十成黃,提示變黃的發生可能與能量代謝高峰出現有關,其原因可能是較早出現的能量高峰過多地消耗了煙葉中的能源物質[29],導致后續能量的相對缺乏,加速了采后煙葉變黃的過程。在庫爾勒香梨中的研究也出現了類似的結果[30]。而ATP含量和能荷水平在褐變發生之前就已經出現了下降,說明ATP含量和能荷水平低于一定的閾值時可能引起褐變的發生;反過來,褐變的發生又促進了ATP含量和能荷水平的下降。這種現象在芒果[31]和番木瓜[32]中也有類似報道。有趣的是,盡管M1、M2處理煙葉ATP和ADP含量在試驗末期有所下降,但在試驗結束時的能荷水平仍然高于剛采收時,但此時煙葉均已發生褐變,這似乎與果蔬儲藏中“能量缺乏引起腐爛”的觀點相矛盾。其原因可能是盡管煙葉的能荷水平被提升了,但由于逆境環境所帶來的負擔(如強化抗氧化酶系統),煙葉組織對于能量的需求提升得更多,這造成了在煙葉組織中能量的相對缺乏,造成了煙葉褐變的發生。

已有研究報道,采后果實儲藏過程中腐爛褐變的發生與能量代謝相關酶活性的下降有關[33-34]。琥珀酸脫氫酶(SDH)是參與三羧酸循環的關鍵酶類,可為真核細胞線粒體和多種原核細胞需氧和產能的呼吸鏈傳遞和提供電子,在氧化磷酸化活動中扮演著重要的角色[35]。細胞色素C氧化酶(CCO)是位于線粒體內膜上的末端氧化酶類,其主要功能室將來自于呼吸底物的電子傳遞給分子態氧,是維持氧化磷酸化作用的關鍵酶類[36]。在本研究中,各處理采后煙葉的SDH和CCO活性均出現先上升后下降的趨勢,與ATP含量的變化相一致。與M1,M2處理相比,M3處理采后煙葉的SDH和CCO活性在剛采收時上升得更高,這表明高成熟度煙葉對于采摘做出的響應更為強烈。但相較于M3處理,M1和M2處理采后煙葉SDH和CCO活性在整個試驗期間維持得更高,導致了其高ATP、ADP含量和高能荷水平狀態能夠維持較長時間,同時褐變發生得也更晚。在果實儲藏研究中也報道了施用茉莉酸甲酯提高果實能量代謝酶活性來抑制果實褐變的類似效果[37-38]。究其原因,可能是未熟煙葉中的內含物質積累更豐富[39],為長時間的高能量代謝活動提供了物質保障。

4 結 論

試驗結果表明,隨著采收成熟度的增加,采后煙葉的變黃變褐過程明顯加快。較低成熟度的采后煙葉在試驗期間抗氧化酶和能量代謝酶活性較高,膜脂過氧化發展較慢,ATP含量和能荷能夠維持較長時間高水平狀態,表明采后煙葉的變黃變褐過程與抗氧化能力和能量代謝活動存在著一定的關聯。本研究可為準確理解和把握采收成熟度提供理論依據和參考。

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