蘋果水心病的發病機理研究進展*

姜云斌，王志華，賈朝爽

（1 中國農業科學院果樹研究所，遼寧省果品貯藏加工重點實驗室，興城 125100）（2 天津捷盛東輝保鮮科技有限公司）

蘋果水心病（watercore），又稱蜜果病，早在1886 年Sorauer 首次把蘋果水心病描述為“蘋果的透明”，之后其他研究人員陸續也有過相關報道[1]。Carne 等[2]研究認為，蘋果水心病可分為2 種類型，早期和晚期。后期有研究認為，蘋果水心病是一種果實內部生理性失調現象，主要癥狀表現為果實果肉組織細胞間隙內充滿液體，使果肉呈水漬狀，該癥狀多發生在果實心室周圍的維管束附近[3-5]。人們通常認為，有水心癥狀的蘋果果實味道會變差，在貯藏后期容易發生果肉褐變[6-8]，會給生產和經濟上帶來重大損失。也有人認為有水心病的果實更甜，品質更好，更受廣大消費者的青睞[9-10]。有大量的研究表明，蘋果水心病組織中的山梨醇含量比無癥狀組織中的山梨醇含量高很多[11-15]。水心病蘋果采收后或貯藏期間，水心癥狀會逐漸減輕或消失[16]。關于蘋果水心癥狀產生機理的研究一直是國內外專家的研究熱點，本文以蘋果水心病組織中的主要成分山梨醇為關注點，通過分析果實中的山梨醇來源、運輸途徑以及在果實中的代謝路徑等相關研究成果，總結提出蘋果水心病產生及消失機理，并探討其可能的影響因素，以期為蘋果水心病的認知提供參考。

1 蘋果中山梨醇的來源—光合作用的主要產物

Web 等[17]在蘋果莖表皮中發現山梨醇，并用14C飼喂蘋果葉片發現，樹皮中放射性物質主要是山梨醇，證明山梨醇是蘋果葉片光合產物的主要運輸形式。進而研究人員發現，蘋果中山梨醇和蔗糖是果樹葉片的主要光合同化物，二者分別約各占80%和20%，它們同時也是果樹中光同化物的主要轉運形式[18-20]。Wallaart[21]調查表明，蘋果亞科的木本植物中有山梨醇的存在，其含量（以占葉片干重的百分比來表示）為2.0%～8.7%。有人觀察到，蘋果葉片中山梨醇含量晚上會有所下降而白天又會迅速上升，這說明樹體中的山梨醇是蘋果光合作用的主要產物[22]。山梨醇主要產生于成熟葉片中，然后轉移到植株的其他部位，山梨醇在蘋果葉片中的生物合成由多種不同的酶催化進行，在成熟葉片的細胞質中，葉綠體在經過光合作用后生成的磷酸丙糖經過幾種酶解后生成果糖-1,6-二磷酸，其釋放出磷酸形成6-磷酸果糖。6-磷酸果糖一方面是合成6-磷酸蔗糖的底物，進而生成蔗糖；另一方面生成6-磷酸葡萄糖，并在6-磷酸山梨醇脫氫酶的催化下生成6-磷酸山梨醇，而后經6-磷酸山梨醇磷酸酯酶脫磷生成山梨醇[23-24]。

2 山梨醇從葉片到果實的運輸

高等植物體中的物質運輸主要在維管束中進行，維管束主要由木質部和韌皮部構成，木質部是負責將水分和礦質從根向地上部運輸的組織，韌皮部則是負責將光合產物從葉向根及其他部分運輸的組織，并且韌皮部是有機物在植物體內運輸的主要途徑。韌皮部都是由篩管、伴胞和薄壁細胞組成的，篩管通常與伴胞配對共同組成篩管分子-伴胞（SE-CC）復合體。篩管是果樹中同化物的直接運輸者；而伴胞不僅保證供應其需要的代謝物和能量，同時在篩管和其他細胞的交換中起到媒介功能；薄壁細胞則維持著遠距離運輸通道中的濃度梯度[25]。在植物生理學上把源定義為生產或輸出同化物的組織或器官，蘋果成熟葉片就是主要的光合源；把接收或貯藏同化物的器官或組織定義為庫，對于果實膨大期的蘋果樹，庫主要指的是果實[26]。山梨醇在蘋果葉片中合成后，在樹體內必須經過韌皮部裝載、韌皮部長距離運輸和韌皮部卸載3 個步驟才能到達最終的作用或貯藏位點[27-28]。

2.1 韌皮部裝載

韌皮部裝載是指光合同化物從源端葉肉細胞運出，最終進入篩管-伴胞復合體的整個過程。主要步驟包括：光合同化物從葉綠體外運到細胞質，再從葉肉細胞運輸到葉片小葉脈的篩管-伴胞復合體附近，最后進入篩管-伴胞復合體。目前已發現植物體中3 種韌皮部裝載途徑，即質外體途徑、共質體途徑和擴散[29]。質外體途徑是指開放連續的自由空間，有機物移動是物理性的被動過程，速度快。共質體途徑是指胞間連絲把細胞聯系起來形成一個連續體，在該連續體中光合產物通過胞間連絲進入篩管-伴胞復合體。有機物在韌皮部的裝載有質外體途徑，也有共質體途徑，也可交替進行，相互轉換[30]。

2.2 韌皮部運輸

關于光合同化物在韌皮部長距離運輸的機理存在3 個學說，分別是壓力流動學說、細胞質泵動學說和P-蛋白收縮學說。德國人E.Münch 提出同化物在篩管中隨著液體的流動而移動，而篩管的液流是靠源端和庫端滲透勢所引起的膨壓差而建立的壓力梯度來推動的[26]。之后有人提出“新壓力流動學說”，該學說認為源器官同化物的輸出速率與方向均是由庫強來控制，如果增大源庫兩端的壓力勢差，則有助于同化物向庫端轉運[31]。細胞質泵動學說提出篩管分子內腔的細胞質呈幾條長絲，形成胞縱連束，縱跨篩管分子，束內呈環狀的蛋白質絲反復地、有節奏地收縮和張弛，產生一種蠕動，把細胞質長距離泵走，糖分隨之流動。P-蛋白收縮學說認為篩管內存在P-蛋白，成束貫穿于篩孔，P-蛋白的收縮可以推動集流運動[26]。在蘋果中由源（葉片）到庫（果實）的途徑中存在著山梨醇的濃度梯度，從葉片經短枝和果柄到果實，山梨醇的濃度依次下降[32-33]。

2.3 韌皮部卸載

韌皮部卸載是指光合同化物從篩管-伴胞復合體進入庫細胞的過程，包括篩分子卸載和篩分子后運輸2 個密切過程。篩分子卸載有2 條途徑，一條途徑是共質體途徑，指同化物通過胞間連絲從篩管-伴胞復合體進入維管束薄壁細胞的過程，這一過程不涉及跨膜運輸，不依賴能量，同時運輸能力也不會受轉運蛋白的限制[34]，但要求庫組織中的篩管和伴胞之間含有豐富的胞間連絲，由于韌皮部內存在山梨醇或蔗糖濃度梯度，山梨醇或蔗糖通過胞間連絲不斷地進入庫組織；第二條途徑是質外體途徑，指同化物從篩管-伴胞復合體處直接跨過質膜進入質外體的過程，這2 個途徑可單獨起作用，也可同時存在。篩分子后運輸指在細胞間運輸并到達庫組織，同樣可以分為質外體運輸、共質體運輸和涉及質外體運輸的共質體途徑，但是大多數植物都是共質體運輸[35-36]。

傳入蘋果果實中的糖在卸載過程中也一樣同時存在共質體途徑和質外體途徑。呂英民等[37]研究認為，在蘋果果肉細胞的質膜上，存在糖的載體，而糖跨蘋果果肉細胞的質膜和液泡膜的運輸是需要能量的主動過程。他們還認為蘋果的同化物從篩管-伴胞復合體卸出進入質外體后，一部分裝入韌皮部薄壁細胞，通過共質體運輸進入庫組織；另一部分則直接通過質外體擴散到達果肉“靶細胞”，而后跨膜裝入果肉薄壁細胞。此后，在果肉薄壁細胞之間可通過共質體進行同化物的再運轉[38]。經研究表明，山梨醇是蘋果果實質外體空間可溶性糖的主要成分，其濃度遠高于其他種類的可溶性糖。山梨醇可沿共質體運至果實，然后卸載于質外體，或完全通過共質體途徑，沿胞間連絲進入胞質，剩余的山梨醇則被液泡膜上的載體和H+泵泵入液泡[39]。張凌云[40]研究認為，同化物在蘋果果實內從篩分子的卸出主要采取質外體途徑，而酸性轉化酶（AI）負責將蔗糖分解成為單糖，質外空間中的單糖可通過韌皮部共存的質外體和共質體運輸途徑轉運進果肉細胞中。目前，山梨醇和蔗糖轉運子均已被發現。龔晏[41]從皇家嘎拉蘋果葉片中分離得到一種以跨膜蛋白結構形式存在的山梨醇轉運子。Fan 等[42]在蘋果中發現了一種定位于質膜上的蔗糖轉運子（MdSUT1）和一種山梨醇轉運子（MdSOT6）。蘋果中糖的主要成分葡萄糖和果糖幾乎都在液泡中。Yamada 等[43]從蘋果果實中克隆到NAD-SDH 的cDNA 全長基因，接著采用Northern 印跡分析表明該基因在成熟果實中表達，并推測SDH 是在蘋果果實成熟期發揮重要作用。

3 果實中山梨醇的代謝途徑

山梨醇在蘋果果實內只有分解過程，卻沒有重新合成的過程[44]。當樹體內的山梨醇進入蘋果果實后，主要在山梨醇脫氫酶（SDH）和山梨醇氧化酶（SOX）的作用下分解，其中大部分的山梨醇轉化為果糖，主要是在NAD+型-山梨醇脫氫酶的催化下轉化完成的，果糖積累量與山梨醇脫氫酶活性呈正相關；還有少部分山梨醇在山梨醇氧化酶和NADP+型-山梨醇脫氫酶的催化下轉化為葡萄糖[45-46]。細胞的液泡是果實積累糖分的主要細胞器，果實中幾乎所有的果糖和葡萄糖都存在于液泡中，而少量的未被轉化的山梨醇則主要存在于質外空間和液泡中，同時也有少量的蔗糖存在于質外空間和胞質中[47]。有研究表明，在蘋果所有組織和器官中，SOX 與SDH 相比其活性較低，果實中SOX 的活性約為NAD+-SDH 活性的1/5[48]。

4 蘋果水心病產生和消失的機理

蘋果果實是由子房、花托和萼片等共同發育而成，果實內的維管束有花托維管束、萼片維管束，還有心皮維管束。其中萼片維管束分為主維管束和分支維管束，萼片主維管束從果柄延伸至果萼處，由10 個原生維管束圍繞心皮分布，萼片分支維管束反復分支呈網狀分布并向果皮延伸[49]。山梨醇主要就是通過萼片維管束運輸到果實內部，幼果期各類維管束的運輸能力較強，但隨著果實的不斷發育成熟，果實維管束的運輸能力逐漸下降，從而變成主要通過細胞間隙擴散運輸；果實發育后期，果實維管束結構將嚴重受損，導致其運輸功能逐漸下降；到了果實成熟期，萼片主維管束嚴重變形，支離破碎，結構松散，使得染液在梗洼處大量積聚[50]。

蘋果水心病的主要特點是果肉細胞間以果心及維管束附近充滿水浸狀、半透明的液體，王艷芳等[50]的研究能夠很好地詮釋蘋果水心病的發生，在蘋果發育前期，山梨糖醇通過花萼維管束運輸到果實內部，由于強光照、大溫差、干旱等環境因素使得光合同化物—山梨醇大量地、源源不斷地在樹葉內生成，并且通過花萼維管束輸送到果實內部，由于果實內山梨醇脫氫酶和山梨醇氧化酶的轉化能力有限，導致果實內部山梨醇積累越來越多，最后山梨醇逐漸從維管束細胞內溢出到細胞間隙，從而在10 個原生維管束周邊形成水漬癥狀，而隨著果實發育，果實內累積的山梨醇越來越多，又逐漸滲透到果肉細胞中去。果實成熟后期花萼維管束通道變形，導致山梨醇又在果柄處大量累積，逐漸滲透到果柄周圍的果肉細胞間隙中。蘋果成熟采收后，果實脫離了樹體營養（源）的供給，山梨醇沒有了來源，而隨著果實內山梨醇脫氫酶和山梨醇氧化酶的持續作用，使得果實細胞間隙的山梨醇又開始向細胞內部轉移，導致細胞間隙的山梨醇含量逐漸減少，水心癥狀逐漸減輕，直至最后水心癥狀完全消失。這也就解釋了收獲后的果實水心癥狀會逐漸減弱或消失，但水心病嚴重的果實癥狀持續時間更長。

5 影響蘋果水心病產生的因素

蘋果水心病的發生受許多內在和外在的因素影響，如品種的特性、栽培條件、環境因素、激素和生長調節劑，以及果實的成熟度等。

5.1 遺傳因素

在國內，蘋果品種如元帥系、青香蕉、印度、大國光、赤陽、橘蘋、史密斯等容易發生水心病，而金冠、旭、芹川、花嫁等一般不易患此病[51-52]。孫騰飛等[53]研究認為，蘋果品種不同其水心病發病的敏感程度有所不同，例如富士、王林、新紅星、北斗等品種水心病發病較重，而金冠、國光、元帥等品種則對水心病不敏感，發病較輕。還有研究認為，水心病發生率相對較高的品種有富士、秦冠、王林等，而國光、澳洲青蘋、元帥等品種表現出對水心病有較高的抗性[54-55]。Marlow 等[5]對世界范圍內的100 多個蘋果品種調查發現，不同的品種發病程度各不相同。這與由于遺傳差異導致的果實形態學差異有關，如易感品種比不易感品種維管束附近的細胞更容易分解和增殖，而二者維管束的排列方式不同也與其易感程度直接相關。同樣，不同蘋果品種對山梨醇的轉化能力與方式不同，也是其敏感程度的一個原因。魏建梅等[56]研究表明，富士和國光果實糖積累和淀粉代謝均存在顯著差異，從而直接或間接地影響著果實糖代謝過程。

5.2 環境因素

5.2.1 溫度、光照和水分

在溫度方面，Yamada 等[57]研究認為，成熟前的高溫是導致富士蘋果果實水心病發生的重要原因。有研究證明，高溫下的果實組織較易滲漏，易產生溢流現象。溫度對果樹同化物運輸的影響包括純物理過程，如韌皮部汁液的黏度會隨溫度的升高而顯著下降，所以在同樣的壓力梯度下同化物具有較高的流速[30]。有研究認為，氣溫冷涼環境比溫和環境下的蘋果更容易出現水心病[58]。晝夜溫差大能加劇水心病的發生。

用曝光試驗進行的研究表明，光能使14C 同化物由葉片外運的速度急劇增加。有研究發現，陽光直射的果實水心病發病幾率會明顯增加，比非直接光照的果實多2～4 倍，所以樹冠頂部的果實水心病發生率也高。Yamada 等[59]研究認為，在干旱地區，當果實接近成熟并且在日溫差大、高光強環境條件下，水心病發病幾率會明顯增加。也有研究表明，在高海拔地區蘋果水心病發生率要顯著高于平原地區[60-62]。隨著海拔的增高，這其中溫度與晝夜溫差加大可能是主導因子。因此海拔高的大陸性地區蘋果水心病的發生都較嚴重。

一般情況下，蘋果水心病發生率在25%上下，而在某些干旱以及高溫的生長季節，個別產地蘋果水心病的發生率在80%以上。高原和高溫度的條件下，由于日溫差比較大導致樹體光合作用效率更高，從而果實內的干物質積累更多，再加上高原地區干旱缺水的環境下，蘋果水心病也是比較常見的一種生理性病害。Cui 等[63]研究表明，適度水分脅迫可提高果實含糖量，其機制是水分脅迫下，促進了果實光合產物的積累和增加了光合產物的運轉。

5.2.2 礦質營養

礦質元素的含量與蘋果水心病的發生密切相關。鈣是植物生長發育所必需的營養元素，其生理功能很多，鈣素的缺失可導致很多生理病害發生。目前認為鈣元素缺乏可能導致水心病發生，這是因為Ca2+不僅能調節果實質膜的通透性，即穩定質膜防止物質從胞內滲漏到質外空間，防止組織發生溢流現象[64]，Ca2+還可以影響與細胞壁聯系的鈣依賴性蛋白激酶的活性，實現對胞間連絲通透性的調節[65]，從而影響通過胞間連絲的物質運輸。Ca2+的極度減少，使質膜的胞間連絲通透性增強，從而增加了山梨醇從維管束末端卸出到質外空間的數量。含鈣量正常的蘋果能在花梗中形成一種障礙物，待果實接近成熟時能延緩山梨醇運入果實。在缺鈣的果實里不能形成這種障礙物，從而易積累山梨醇造成水心。馬明等[66]認為，當過量施入氮、鉀、硼等元素后，會打破樹體內元素的平衡，從而造成果樹缺鈣現象產生。

植物體內的氮素營養水平直接或間接地影響著植物的光合作用，一般樹體在充分供應氮素營養時，樹體枝條和根的生長會隨之加強，從而導致果樹的生殖器官和貯存器官得不到充足的光合同化物供應，當缺氮低于某一水平后，則會導致果樹韌皮部細胞的功能或活性減弱，從而影響樹體同化物的運輸與分配[25,67]。有研究認為，氮素營養促進新梢生長，會抑制根系生長，從而減少鈣的吸收，造成水心病的產生[51]。

硼對蘋果水心病的發生至關重要，果實和土壤中硼含量越高，蘋果水心病發病率就越高，硼對鈣的吸收有明顯的抑制作用，硼過量是蘋果水心病發生嚴重的主要因素之一[66]。硼也被證明與山梨醇形成穩定的復合物，可以在蘋果中移動[68]。

5.3 發育和成熟度

Bowen 等[12]研究發現，富士蘋果成熟度與水心病發病比率和程度密切相關。Yamaki 等[69]和Yamada等[70]發現，水心病癥狀一般于蘋果快成熟時在果實中逐漸開始出現，而隨著果實成熟度的不斷增加，蘋果水心病的發病率也隨之增加。Marlow 等[5,71]研究認為，水心病與果實的成熟密切相關，成熟度高乙烯生成多的果實水心病的發生相對比較多。成熟果實細胞對山梨糖醇吸收能力降低，碳水化合物在細胞空間積累并導致水心病的發生。Fukuda[72]研究認為，在果實接近成熟期時，高溫干旱的環境導致果樹的蒸騰作用降低，不僅影響了鈣在樹體內的傳輸，同時也影響了山梨醇在樹體內的正常代謝。

5.4 源庫關系

調控源庫關系手段主要有摘葉、疏花、疏果、剪枝等，目的是改變同化物的轉運和分配，促進同化物向果實轉運。源庫比是影響水心病產生的重要因素，在源庫比高時容易發生水心病，原因是結果少或疏果過重容易形成大果，導致樹體源庫比高，從而流入果中的光合產物—山梨醇較多，流入果實后一時不易被細胞所吸收而積聚在細胞間隙；另一方面，源庫比高還易造成枝葉旺長，同時抑制了根的生長，因而影響了鈣的吸收[5]。果樹的葉果比一樣可以顯著影響光合同化物由葉向果的轉運過程，葉果比過大造成樹體碳素營養過剩，引起營養生長旺盛，造成果實對同化物的競爭力降低，而葉果比過小也會導致光合產物供應不足，從而影響果實的生長發育[73]。孫智廣[74]研究認為，一般樹勢較弱的、掛果量過多的、樹體郁閉的、鈣營養不良的、施肥不當的、環剝與修剪不當等都會導致果實水心病的發生。套袋后蘋果果實可溶性糖含量會降低，主要是降低了山梨醇和蔗糖的含量，同時會減少果實對鈣的吸收，從而加重了水心病這一生理病害的發生[75]。

5.5 植物激素和生長調節劑

植物激素是通過調節基因的表達來實現其對碳水化合物積累與代謝中各個環節的調控，是植物組織間、器官間、胞內信號轉導和胞間信息傳遞系統中最基本的組成物質。果實內激素含量的變化也會對水心病的發生產生影響，乙烯和乙烯利可以增加蘋果水心病的發生[76]。內源乙烯的濃度與水心病的嚴重程度關系不大[58]。研究表明，新紅星蘋果在整個果實發育過程中，果實中的山梨醇氧化酶（SOX）活性與果實中的吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）和脫落酸（ABA）含量呈顯著的負相關，而果實中的山梨醇脫氫酶（SDH）活性卻只與其赤霉素含量呈顯著的負相關[77]。金冠和新紅星蘋果果實的成熟過程受ABA 的調節，ABA 可能是蘋果果實成熟過程中位于乙烯上游的內源調控因子[78]。B9可相對增加果實中的鈣含量，主要是它們對新梢生長有抑制作用，從而降低了果實的呼吸，延遲成熟，可取得很好的防治水心病的效果[79]。