（食品科学专业论文）外源葡萄糖、乙烯和脱落酸对采后低糖西瓜成熟衰老的影响.pdf

摘要 果实成熟衰老的机理及调控是近年来采后生理研究的热点，研究表明植物激素，活性氧和糖 参与果实成熟衰老的调控。本试验以一种低糖西瓜( l o ws u g a rw a t e r m e l o n ，l s w ) 为材料，研 究葡萄糖、乙烯利和a b a 处理对l s w 果实成熟衰老的影响，从而对葡萄糖，乙烯和a b a 在l s w 果实成熟衰老中的相互联系进行初步探讨，结果表明； 葡萄糖，乙烯利和a b a 处理促进l s w 果实a b a 台 量峰和乙烯峰提前出现，葡糖糖处理的l s w 果实a b a 含量峰和乙烯峰分别在第5 d 和第1 0 d 出现，乙烯利和a b a 处理的l s w 果实在第1 0 d 出现 a b a 含量高峰，在第1 5 d 出现乙烯高峰。葡萄糖，乙烯利和a b a 处理使果皮和胎座组织中可溶性 糖，可溶性淀粉，可溶性蛋白质和可滴定酸呈现先升后降的趋势，而原果胶和水溶性果胶含量则 分别呈现下降和上升的趋势。 葡萄糖，乙烯利和a b a 处理刺激了果皮和胎座组织中0 2 。- 大量产生，诱导了自由基代谢酶p o d 和s o d 活性升高，l o x 活性先降低后升高，m d a 含量缓慢升高后降低，并r 0 2 - , p o d 和s o d 活性 高峰与乙烯出峰时间基本一致，说明0 2 可能与乙烯合成相关。 p p o ，作为末端氧化酶，在葡萄糖，乙烯利和a b a 处理后活性明显高于对照，并且活性在乙 烯峰前后达到最大值，p p o 与乙烯合成相关。 研究结果表明在l s w 中，葡萄糖，乙烯，a b a 和内源0 2 。可能是通过刺激或参与乙烯合成调控 l s w 果实的成熟衰老。 关键词：西瓜，成熟衰老，葡萄糖，乙烯，a b a a b s t r a c t m e c h a n i s ma n dr e g u l a t i o no ff r u i tr i p e n i n ga n ds e n e s c e n c eh a sb e e nah o t s p o ti np o s t h a r v e s t p h y s i o l o g yr e s e a r c h r e c e n tr e s e a r c h e ss u g g e s tt h a tp h y t o h o r m o n e s ，r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e sa n ds u g a r s p a r t i c i p a t ei nt h er e g u l a t i o no ff r u i tr i p e n i n ga n ds e n e s c e n c e u s i n gal s w ( l o ws u g a rw a t e r m e l o n ) f r u i ta sm a t e r i a l ，t h em a i np u r p o s eo ft h ed i s s e r t a t i o ni st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fe x o g e n o u st r e a t m e n t o fg l u c o s e ，e t h y p h o na n da b s e i s i ea c i d ( a b a ) o nt h er i p e n i n ga n ds e n e s c e n c eo fl s wf r u i t e t h y l e n e ，a b s c i s i ca c i da n da n dg l u c o s ea l lp r o m o t e da b a c o n t e n tp e a ka n de t h y l e n ep r o d u c t i o np e a k a p p e a r i n gb e f o r et h a to ft h ec o n t r 0 1 t h ea b a c o n t e n tp e a ka n de t h y l e n ep r o d u c t i o np c a kr e s p e c t i v e l y e m e r g e do nt h ef i f t ha n dt e n t hd a ya f t e rt h et r e a t m e n to ft h ee x g e n o u sg l u c o s e t h ea b ac o n t e n tp e a k e m e r g e do nt h et e n t hd a ya f t e rt h et r e a t m e n to fe t h e p h o na n da b s c i s i ca c i d t h ee t h y l e n ep r o d u c t i o n p e a ke m e r g e do nt h ef i f t e e n t hd a y , t h ec o n t e n to fs o l u b l es u g a r s ，s o l u b l es t a r c h ，s o l u b l ep r o t e i na n d t i t r a t a b l ea c i di np e r i c a r pa n dp l a c e n t at i s s u eb a s i c a l l yd e c l i n e da f t e ra ni n c r e a s eu n t i lt h ee m e r g e n c eo f t h ee t h y l e n ep r o d u c t i o np e a ka r o u n d t h ec o n t e n to fp r o t o p e c t i ni np e r i c a r pa n dp l a c e n t ad e s c e n d e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t b u tt h ew a t e r - s o l u b l ep e c t i nc o n t e n ts h o w e da ni n c r e a s e t h es u p e r o x i d e ( 0 2 ) p r o d u c t i o nr a t ew a si n c r e a s e da f t e rt h et r e a t m e n to fg l u c o s e ，e t h y l e n ea n d a b s c i s i ca c i d ，w h i c hi n d u c e dt h ei n c r e a s eo ft h ep e r o x i d a s e ( p o d ) a n dp o l y p h e n o lo x i d a s e ( p p o ) a c t i v i t y t h el i p o x y g e n a s e ( t a g x 9a c t i v i t yi n c r e a s e da f t e rd e s c e n d i n g b u tm d ac o n t e n ti n c r e a s e d f o l l o w i n gb ya nd r o pb a c k i na d d i t i o n ，t h ep e a k so f0 2 p r o d u c t i o nr a t e ，p o da n ds o da c t i v i t y a p p e a r e da tt h es a m et i m ew i t he t h y l e n ep r o d u c t i o np e a k t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t0 2 m a yh a sac l o s e r e l a t i o n s h i po ft h ee t h y l e n eb i o s y n t h e s i s a f t e rt h et r e a t m e n to fg l u c o s e ，e t h y l e n ea n da b s c i s i ca c i d ，t h ea c t i v i t yo fp o l y p h e n o lo x i d a s ef e v o ) ， a so n eo ft e r m i n a lo x i d a s e s ，w a sc l e a r l yh i g h e rt h a nt h ec o n t r o l ，w h i c hm a d ei tc l e a rt h a tp p oh a d r e l a t i o n s h i pt ot h ee t h y l e n eb i o s y n t h e s i s t h et h e s i si n d i c a t e st h a te x o g e n o u sg l u c o s e ，e t h y l e n e ，a b s c i s i ca c i da n de n d o g e n o u s0 2 m a y r e g u l a t et h er i p e n i n ga n d s e n e s c e n c eo fl s wf r u i t b ys t i m u l a t i n g o rp a r t i c i p a t i n gi n e t h y l e n e b i o s y n t h e s i s k e yw o r d s ：c i t r u l l u sl a n a t u s ，r i p e n i n g ，g l u c o s e ，e t h y l e n e ，a b s c i s i ca c i d 图表清单 图1 - 1 乙烯生物合成4 图1 2 拟南芥中葡萄糖和植物激素相互联系模式1 1 图1 3 技术路线1 2 图2 - 1 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮硬度的变化1 8 图2 2 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织硬度的影响1 9 图2 3 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮原果胶含量的变化2 0 图2 4 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织原果胶含量的变化2 1 图2 5 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮水溶果胶含量的变化2 1 图2 - 6 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织水溶果胶含量的变化2 2 图2 7 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮可滴定酸含量的变化2 3 图2 8 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织可滴定酸含量的变化2 4 图2 9 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮可溶性糖含量的变化2 5 图2 1 0 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织可溶性糖含量的变化2 6 图2 1 1 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮可溶淀粉含量的变化2 7 图2 1 2 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织可溶淀粉含量的变化2 7 图2 1 3 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮可溶性蛋白质含量的变化2 8 图2 1 4 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织可溶性蛋白质含量的变化2 9 图2 1 5 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织a b a 含量的变化3 0 图2 1 6 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 乙烯释放量的变化3 l 图2 1 7 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮a c c 合酶活性的变化3 2 图2 1 8 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织a c c 合酶活性的变化3 3 图3 1 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮脂氧合酶活性的变化3 9 图3 2 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织脂氧合酶活性的变化4 0 图3 3 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮超氧阴离子产生速率的变化4 1 图3 4 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织超氧阴离子产生速率的变化4 1 图3 5 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮丙二醛含量的变化4 2 图3 6 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织丙二醛含量的变化4 3 图3 7 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮超氧化物歧化酶活性的变化4 4 图3 8 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织超氧化物歧化酶活性的变化4 5 图3 - 9 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮过氧化物酶活性的变化4 6 图3 1 0 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织过氧化物酶活性的变化4 6 图3 1 1 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 果皮多酚氧化酶活性的变化4 7 图3 1 2 葡萄糖、乙烯利和a b a 处理后l s w 胎座组织多酚氧化酶活性的变化4 8 a b a a c c a c s c e p a c k f i g f w g l o x l s w o d p o d p p o s o d 缩略词 a b b r e v i a t i o n a b s c i s i ca c i d 脱落酸 1 - a m i n o - c y c l o p r o p a n e - 1 - c a r b o x y l i ca c i d 1 - 氨基环丙烷1 - 羧酸 a c cs y n t h a s e a c c 合酶 e t h e p h o n乙烯利 c o n a o l 对照 f i g u r e 图 f r e s hw e i 【g h t 鲜重 g l u c o s e 葡萄糖 l i p o x y g e n a s e脂氧合酶 l o ws u g a rw a t e r m e l o n 低糖西瓜 o p t i c a ld e n s i t y 光密度 p e r o x i d a s e过氧化物酶 p o l y p h e n o lo x i d a s e多酚氧化酶 s u p e r o x i d ed i s m u t a s e超氧化物岐化酶 v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 马 时间：功岛0年f 月。日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 如书本 l 时间：州年月知日 导师签名：峰七掺 时间：曲。6 年月如且 峄 、j _ r 弓 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 西瓜( c i t r u l l u sl a n a t u s ) 属于葫芦科( c u c u r b i t a c e a e ) 西瓜属，一年生蔓性草本植物。原产于非 洲，我国在五代时，西瓜从西域沿丝绸之路传人，因来自西方，故得名“西瓜”。因其性寒，叉名 “寒瓜”，又因含水分含量高，故又名“水瓜”。 西瓜属瓠果类水果，果实有圆形、卵形、椭圆形、圆桶形等。果面平滑或具棱沟，表皮绿白、 墨绿至黑色，间有细网纹或条带，果实由子房和花托一起发育而成，花托和外果皮结合为坚硬的 果壁。中果皮和内果皮，即一般所说的西瓜皮肉质白色，基本无甜味。果内为红色，黄色或乳 白色的胎座即瓜瓤，汁多，味甜，是食用的主要部分。根据瓜瓤肉质不同，分紧肉瓜和沙瓤瓜， 根据瓜瓤色泽不同，可以分为红瓤瓜瓜、黄瓤瓜和白瓤瓜。瓜瓤色泽不同与瓜内所含色素不同有 关，红瓤含茄红素和胡萝h 素。且主要由茄红素含量多少决定，由此形成淡红、大红等不同色泽； 黄瓤则含各种胡萝h 素；白瓤含黄素酮类，与各种糖结合成糖苷形式而存在于细胞液中( 郑高飞， 2 0 0 4 ) 。 食用西瓜的成熟果实，由于富含水分( 8 6 5 9 2 0 9 ) 和糖分( 7 3 1 3 0 9 ) ，不耐贮藏， 常温下一般贮藏1 5 3 0 天( 李梅等，1 9 9 6 ) 。目前我们获得了一种低糖耐贮西瓜，常温下能储藏4 7 个月，以此种西瓜为材料研究果实的成熟衰老是非常有意义的。 果实的成熟衰老是一个复杂的生理生化过程，在成熟过程中果实从外观和内部都发生了一系 列的变化，如呼吸速率的变化、乙烯生成，贮藏物质的转化，色泽和风味的变化等。多年以来， 众多专家从植物化学、植物生理生化、遗传学、分子生物学等领域对果实成熟衰老进行了深入细 致的研究，并取得了一系列丰硕的成果。近年来，随着生物技术的快速发展以及检测技术水平的 提高，人们对果实完熟生理的研究逐步深入，越来越认识到果实成熟衰老是一个复杂的基因调控 过程。可能是由某种信号传递到细胞后，调控与衰老相关基因的表达，影响酶的水平( 如蛋白水 解酶、参与激素代谢的酶、参与自由基产生与清除的酶等) ，进而引起蛋白质降解，激素和自由 基平衡的失调，代谢失调，最终导致衰老。目前研究较清楚的衰老调节物质是植物激素和活性氧。 近年来，糖也作为信号分子，与激素、n 等信号联成网络，通过复杂的信号转导机制调节植物生 长发育和果实成熟衰老。 1 1 植物激素调控果实成熟衰老 植物激素( p l a n th o r m o n e s 或p h y t o h o r m o n e s ) 是植物生长物质的一种，是指在植物体内合成 的，可以从合成部位运往作用部位并对植物的生长发育产生显著调节作用的微量生物活性物质。 至今为止，已发现多种植物激素，其中被公认的激素有五大类：生艮素( a u x i n ) 类、细胞分裂素 ( c y t o k i n i n ，c t k ) 类、赤霉素( g i b b e r e l l i n ，g a ) 、乙烯( e t h y l e n e ，e t h ) 和脱落酸( a b s c i s i c a c i d ，a b a ) 。另外有一些功能类似这五大类激素的植物生长物质尚未被公认未植物激素，如茉 莉酸和茉莉酸甲酯等。一般认为，c i k ，g a 和生跃素类是促进生长发育的物质，而脱落酸是一 种抑制生长发育的物质，乙烯主要是促进器官成熟的物质。乙烯和a b a 是两类被公认的促衰老 激素。 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 1 脱落酸( a b a ) 与果实的成熟衰老 1 1 1 1a b a 的生物合成 a b a 是植物体内自我合成的内源植物激素，于6 0 年代被发现和鉴定( m i l b o r r o w ，1 9 7 4 ) 。具 有以下生理效应，促进休眠，促进气孔关闭，促进脱落和增加抗逆性。高等植物中a b a 存在两条 生物合成途径：( 1 ) 直接途径，即三个异戊烯单位聚合成c 1 5 前体法呢基焦磷酸 ( f a m e s y l p y r o p h o s p h a t e ，f p p ) ，由f p p 经环化和氧化直接形成1 5 碳的a b a 。 ( 2 ) 间接途径，即 先由甲羟戊酸( m e v a l o n i c a c i d ，m v a ) 聚合成c 4 0 前体一类胡萝h 素，再由类胡萝h 素裂解成 c 1 5 的化合物，如黄质醛( x a n t h o x i n ，x a n ) ，最后由x a n 转变成a b ( z e e v a a r t , 1 9 9 8 ；p a r r y ，1 9 9 3 ) 。 该途径主要是通过同位素示踪技术和a 王认缺失突变体的分子生物学分析，再结合无细胞体系等手 段研究进得出。越来越多的证据表明，高等植物主要以间接途径合成a b a 。 1 1 1 2a b a 对果实成熟衰老的调控 近年来人们发现a b a 不论在跃变型果实，还是在非跃变型果实的成熟进程中，均起着重要的 作用( 陈昆松，1 9 9 9 ) 。许多试验表明，a b a 处理能够促进乙烯的生成、呼吸升高进而促进果实 后熟衰老。 a b a 对非跃变型果实的成熟具有十分重要的调控作用( g o l d s c h m i d t ，1 9 7 3 ；r u d n i c k y ，1 9 6 8 ； 张微，1 9 8 9 ；c o o m b e ，1 9 7 3 ，1 9 9 2 ；张大鹏，1 9 9 7 ) 。葡萄是典型的非乙烯跃变型果实，周丽萍等研 究发现，在常温下a b a 处理采后葡萄能刺激葡萄呼吸，并达到呼吸高峰，同时a a a , 对葡萄乙烯释 放率有明显促进作用( 周丽萍1 9 9 7 ) 。此外a b a 处理能促进草莓、柿子、柑桔、无花果和荔枝 等非乙烯跃变型果实提前成熟( c o o m b e ，1 9 7 3 ；吴有梅，1 9 9 2 ；田建文，1 9 9 4 ；b l a n p i e d ，1 9 7 2 ；尹 金华，2 0 0 1 ) ，可见a b a 在促进非跃变果实成熟衰老中起着非常重要的作用。 但是a b a 的作用并不仅限于非跃变型果实，a b a 处理能促进苹果、西红柿、杏等跃变型果实 的成熟并刺激乙烯的产生( l i e b e r m a n ，1 9 7 7 ；g o l d s e h m i d t ，1 9 7 3 ) ，并且可促进乙烯跃变提前， 峰值增加( 陈昆松，1 9 9 7 ) 。a b a 参与苹果果实采前( b u e s a 等，1 9 9 4 ；v e n 2 d r e l l 和b u e s a ，1 9 8 9 ) 与采后f 李杰芬等，1 9 8 7 ) 成熟过程的调控。张大鹏等发现用a b a 处理能有效地触发发育晚期的金 冠和新红星果实系统i i 乙烯的合成，并使组p , a c c 合成酶( a c s ) 与氧化酶( a c o ) 活力与乙烯合成同 步增加，由此认为a b a 可能是苹果果实成熟过程中位于乙烯上游的内源调控因子。李秀菊等发现 适宜浓度的aba 可以促进果实乙烯的生成，但乙烯生成量的变化对呼吸作用没有很大的影响( 李 秀菊，2 0 0 0 ) ，因此，a b a 可能作为果实成熟的“原始启动信息”通过影响果实乙烯合成等中介途 径( l e l i e v r e ，1 9 9 7 ；m i l b o r r o w ，1 9 7 4 ；s h e n 1 h o l ，9 9 7 ；张大鹏等，1 9 9 7 ) 或改变果实对乙烯的 敏感性来调控果实的成熟。但目前只是推测，a b a 调控跃变型果实的成熟衰老的实质还需要进一 步的探讨。 2 1 1 2 乙烯与果实的成熟衰老 1 9 1 0 年，卡曾斯发现植物材料能产生一种能影响邻近植物材料生长的气体，这种气体就是乙 烯，1 9 3 4 年甘恩才获得植物组织能产生乙烯的化学证据。并发现乙烯对果实、蔬菜的成熟衰老具 有强有力的促进作用，从而提出了乙烯是成熟激素的概念。1 9 6 6 年，正式确立乙烯为内源激素的 地位。从乙烯发现到今天，人们对乙烯的研究已经非常的深入 乙烯( c 2 h 4 ) 是植物五大内源激素之一，化学结构简单，通常以气体状态存在。在极低浓度 ( o 叭。0 1 “i l ) 时就能对植物产生生理效应。植物的所有组织都产生乙烯并为其调节，并且这种 调节过程伴随着植物生长发育的全过程，从种子萌发( e s a s h i ，1 9 7 5 ) 、叶片衰老、脱落到果实成 熟衰老( a b e l e s ，1 9 9 2 ) 。但是乙烯的产生量跟植物的生长发育时期密切相关，在植物生长前期， 乙烯产生量较少，到发育后期或衰老时期会产生比较多的乙烯。尤其当植物受到外界刺激时，乙 烯的释放量会显著增加( 余叔文，1 9 9 8 ) ，乙烯增加后就会引起植物机体一系列的成熟衰老的表 观变化或生理变化，如叶绿素降解，硬度下降等，因此，乙烯作为一种信号物质，它的合成、信 号转导途径及与其它信号物质的联系成为人们研究乙烯的热点。 1 1 2 1 乙烯的生物合成及信号转导 1 1 2 1 1 乙烯的生物合成 乙烯生物合成是多途径的，但最主要的途径是蛋氨酸途径( 图1 1 ) 。蛋氨酸是所有高等植物 中乙烯生物合成的有效前体，在a t p 的参与下转变成s 腺苷蛋氨酸( s a m ) ，s a m 在1 一氨基一环丙 烷基羧酸( a c c ) 合酶( a c s ) 的催化下，分解成甲硫腺苷酸( m t a ) 和a c c ，a c c 再通过_ a c c 氧化酶( a c o ) 的催化转变成乙烯，而m t a 再通过循环生成蛋氨酸。蛋氨酸中的甲硫基被保留下 来不断地在蛋氨酸循环中反复利用，这也是植物体内只含有少量蛋氨酸却可以大量合成乙烯的原 因( l i u e t a l 1 9 9 3 ：a n t h o n y e t a l ，2 0 0 0 ) 。催化乙烯合成的两个关键酶分别是a c s 和a c o ，因此对 a c s 和a c o 产生作用的因素都会对乙烯的合成产生影响。果实成熟、花的衰老、生长素、多种逆 境条件( 寒冷、干旱、淹涝等) 以及机械伤害均能促进s a m 向a c c 转化。而氨基乙氧基乙烯甘氨 酸( a v g ) 和氨氧乙酸( a o a ) 抑制这个反应的进行。基于a c s 和a c o 在乙烯合成中的重要作用， 科学家已经克隆出了许多植物的a c s 和a c o 基因，其中番茄和康奶馨中的a c s ( o l s o n e t a l ，1 9 9 1 ： p a r ke ta 1 ，1 9 9 2 ) 和a c o 都已经被克隆出来。研究发现这两个酶都是由多基因家族所编码 ( t a n g ，1 9 9 3 ；f l u h ra n dm a t t o o ，1 9 9 6 ) ，外部和内部刺激都能通过诱导不同a c s 和a c o 基因表达 来促成乙烯生成的( k e n d e ，1 9 9 3 ；f 1 u h ra n dm a t t o o ，1 9 9 6 ) 。 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 2 1 2 乙烯的信号转导 。点 图卜1 乙烯生物合成 f i g 1 - 1b i o s y n t h e s i sp a t h w a yo f e t h y l e n e o c o o 乙烯，作为一种重要的植物激素，它的生理效应和合成途径研究的已比较清楚，但是对于乙 烯的合成和乙烯产生生理效应的联系研究不够。乙烯是通过特定的生物合成和信号转导来控制乙 烯生理反应。但是植物组织如何识别乙烯，乙烯信号又是如何转导并引起植物产生乙烯生理反应 都是乙烯研究的焦点。 乙烯对植物的代谢调节贯穿整个植物的生长发育过程，因此选择一个便于研究乙烯信号转导 的时期对于加快研究的进程非常重要，于是科学家们大多选择模式植物的苗期进行探索和研究。 近年来研究发现，通过外界因素改变一些模式植物如拟南芥的生长条件，可以获得突变体，然后 再对突变体进行研究。根据不同用途人们获得了多种乙烯突变体，如e t r l ( b l e e k e r , 1 9 8 8 ) 、e i n 2 ( g u z m a na n d e c k e r ，1 9 9 0 ) 、e i n 3 ( r o t h e n b e r ga n d e c k e r ，1 9 9 3 ) 、a n j ( s t r a e t e na n d d i u d z m a n 。1 9 9 3 ) 、 鲥突变体和e i n 4 ，e i n 5 ，e i n 6 ，e i n 7 ( r o m a na n dl u b a r s k y ，1 9 9 5 ) 乙烯耐受型( 或对乙烯不敏感型) 。 还有组成型乙烯反应突变体如e t o l 、e t 0 2 和e t 0 3 突变体( o u z m a na n d e c k e r ，1 9 9 0 ) ，这类突变体在 缺乏乙烯的条件下也表现乙烯反应。利用乙烯突变体，模式植物拟南芥的乙烯信号转导途径已被 发现。乙烯信号首先被e t r 家族所感受，它们负调控乙烯反应；c t r l 在乙烯信号转导途径中位于 e t r 的下游，蛋白激酶受c t r l 调控，在乙烯信号转导途径中起负调控作用；e i n 2 、e i n 5 和e i n 6 位于乙烯信号转导途径中c t r l 的下游和e i n 3 e i l l 的上游，是乙烯信号传递过程中的正调控因 子。e i n 3 e i l l 将乙烯信号传递给细胞核内的e r e b p s ，e r e b p s 通过与g c c 盒特异结台来调控与 干早、盐胁迫和冷害反应相关基因的转录和表达( g u oe t a l ，2 0 0 4 ) 。 乙烯作为五大类植物激素之一，除了在种子萌发、幼苗生长、叶片脱落等过程中起调节作用， 乙烯可调控呼吸跃变型果实的成熟衰老，从而伴随着一系列的生理生化变化，如多糖水解，有机 4 中国农业大学硕士学位论文第一章文献综述 酸降低，硬度下降，香气增加，涩昧消失以及色泽加深等，乙烯不直接参与植物的生理反应，而 是通过一系列信号转导与放大的作用，引起新的基因表达、发育与代谢的变化，最终导致果实的 成熟。 1 1 2 2 乙烯对果实成熟的调控 果实成熟( m a t u r a t i o n ) 是果实充分长成长以后到衰老之间的一个发育阶段，在成熟的过程中， 果实从外观到内部发生了一系列的变化，如呼吸速率的变化、乙烯的生成、贮藏物质的转化、色 泽和风味等的变化，而果实的完熟( r i p i n g ) 则指成熟果实经历一系列质变达到最佳食用的阶段。 但是通常说的成熟往往包括了完熟的过程。 多数果蔬在生长的幼嫩阶段呼吸旺盛，呼吸强度较大，随着成熟度的增加，呼吸减弱。但是 部分品种的果实在采后会出现呼吸高峰，如苹果、梨、杏、桃、李、香蕉、猕猴桃、番茄等，而 有的果实品种成熟和衰老时呼吸作用一直缓慢减弱不出现呼吸高峰，如柑橘类、葡萄、枣等。 l b i a l e ( 1 9 8 0 ) 认为，可根据果实采后成熟时有无呼吸跃变现象这一特点，将果实分为跃变型和 非跃变型两大类。m c m u r c h i e ( 1 9 7 9 ) 等提出跃变型果实中乙烯生成有两个调节系统：系统i 负 责跃变前果实中低速率的基础乙烯生成，系统i i 负责跃变时成熟过程中乙烯自我催化大量生成， 有些品种系统i 【在短时间内产生的乙烯比系统i 多几个数量级，而非跃变型果实乙烯生成速率相 对较低，变化平稳，整个过程中只有系统i 活动。两类果实对乙烯反应的不同，对于跃变型果实， 乙烯只在跃变前起作用，并且在诱导呼吸上升的同时促进内源乙烯的大量增加，进而启动系统i i 形成乙烯自我催化作用，这种作用不可逆，且与乙烯的浓度关系不大。 猕猴桃果实属典型的呼吸跃变型果实，陈金印发现，乙烯利和a b a 处理显著地促进了金魁 猕猴桃果实的呼吸和乙烯释放，加速果实硬度的下降，从而加速果实的后熟衰老，相比之下，乙烯利 较a b a 更能促进猕猴桃果实的成熟和软化( 陈金印，2 0 0 5 ) 。史国安和郭香风研究发现乙烯利处 理能有效地促进采后杏果实叶绿素的降解与类胡萝h 素的增加，即乙烯利对杏果实具有明显的催 熟效应( 史国安，1 9 9 7 ；郭香风，2 0 0 1 ) 。这在其它跃变型果实如柿子( 郑国华，1 9 9 1 ) 、芒果 ( 唐友林，1 9 9 6 ) 和猕猴桃( 王贵禧，1 9 9 4 ) 上也有相应报道。焦培娟发现乙烯利处理显著促进 了山楂花青苷含量的增加，并与施用浓度呈正相关( 焦培娟，1 9 9 6 ) 。蒋立平用乙烯利喷洒成熟前 的中国樱桃，促使果实提前3 5 天成熟并且不影响其产量和风味( 蒋立平，1 9 9 4 ) 。王永章用乙烯 利处理成熟期新红星苹果提高了各种果实的淀粉酶、中性转化酶、蔗糖磷酸合酶及蔗糖合酶的活 性，促进了成熟( 王永章，2 0 0 0 ) 。林河通发现乙烯利处理可促进呼吸跃变型果实橄榄呼吸跃变 的提前出现，并提高了橄榄果实过氧化物酶活性和膜脂过氧化产物丙二醛的含量，增大了细胞膜透 性，研究认为乙烯利处理削弱了细胞膜的保护作用，促进膜脂过氧化作用，破坏细胞膜结构的完整 性，进而促进橄榄果实的成熟衰老( 林河通，1 9 9 7 ) 。丁长奎发现在跃变型果实中，系统i i 乙烯未 产生时，果实中的a c s 或a c o 的活性都很低，用乙烯处理这种果实后，a c s 或a c o 的活性会很快 增加，随后产生系统i i 乙烯( t 长奎，1 9 9 0 ) 。可见在对跃变型果实而言，乙烯是公认的促成熟激 素。 对非跃变型果实而言，乙烯的促成熟作用不如跃变型果实明显，甚至有研究者不认为乙烯是非 跃变型果实的成熟激素。非跃变型果实成熟时虽然没有出现呼吸高峰，但是乙烯处理也能促进n | 5 中国农业大学硕士学位论文第一章文献综述 绿素分解、组织软化和多糖水解等变化，但是乙烯的作用是可逆的，并与浓度相关的，即去掉乙 烯后呼吸速率降为原来的水平。尹金华等研究发现乙烯对荔枝果实的成熟具有积极的促进作用 ( 尹金华等，2 0 0 1 ) 。外源乙烯能刺激桔皮色彩变化、呼吸上升和糖分积累，但这种响应是暂时 的，除去乙烯后，响应便消失( m c m u r c h i e ，1 9 7 9 ) 。吴有梅等( 1 9 9 2 ) 发现乙烯利处理对草莓的 呼吸等没有很大影响，说明乙烯对草莓的成熟衰老没有直接的促进作用。以上研究说明乙烯在非 跃变型果实中并不起原初反应的作用。郭守华用不同乙烯利处理巨峰葡萄果实膨大后期发现，果实 的呼吸强度、可溶性圆形物含量、可滴定酸含量增加，说明外源乙烯促进了巨峰葡萄的成熟( 郭 守华等，2 0 0 2 ) 。可见。乙烯虽然也能刺激非跃变型果实的完熟，但对完熟的起始并无明显的作 用。 1 2 活性氧参与果实成熟衰老的调控 活性氧( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ) ，简称r o s ，属于自由基，是植物尤其是高等植物在有氧 代谢过程中产生的一类化学性质活泼，氧化能力极强的含氧物质的总称，它包括含氧自由基和含 氧非自由基，主要有超氧自由基0 2 - 、过氧化氢h 2 0 2 、羟自由基o h 、单线态氧1 0 2 、氢过氧基h o o 、 脂质自由基r 、脂质过氧基r o o 和脂氧基r o 等。它们能氧化生物分子，破坏细胞膜结构与功能， 其中超氧自由基0 2 - 氧化能力特强，它能迅速攻击所有生物分子，包括d n a ，引起细胞死亡。 1 9 5 5 年哈曼( h a r m a n ) 就提出自由基损伤学说，认为衰老过程是细胞和组织中不断进行着的 自由基损伤反应的总和。近年来，衰老的自由基损伤学说受到重视。衰老过程往往伴随着超氧化 物歧化酶( s u p e m x i d ed i s m u t a s e ，s o d ) 活性的降低和脂氧合酶( 1 i p o x y g e n a s e ，l d x l 活性的升高， 催化膜脂中不饱和脂肪酸加氧，产生自由基，导致生物体内自由基产生与消除的平衡被破坏，以 致积累过量的自由基，对细胞膜及许多生物大分子产生破坏作用( 如加强酶蛋白质的降解、促进 脂质过氧化反应、加速乙烯产生、引起d n a ：损t 伤、改变酶的性质等) ，进而引发衰老。 1 2 1 植物体内活性氧的产生及清除 在植物细胞正常代谢过程中，活性氧可由多种途径产生，如叶绿体、线粒体和质膜上的电 子传递产生了一个不可避免的后果：即电子传递至分子氧上，随之产生活跃的、具有毒性的活性 氧。生物和非生物胁迫的介入都可使活性氧的水平升高。有氧代谢是高等植物生存的必须过程， 植物将氧气还原成水，为植物的生长和发育提供能量，但还原过程不完全时，就会产生一类化学 性质活泼，氧化能力极强的含氧物质活性氧( ( r e a c t i v e o x y g e n ) s p e c i e s ，r o s ) 。所有的r o s 能够与植物体内的d n a ，蛋白质和脂类反应，从而造成对植物体的伤害。但在正常的情况下由 于植物体内存在着活性氧清除系统，细胞内活性氧水平很低，不会引起伤害。但是对于几乎不存 在光合作用的采后果实来说，o ：主要产生于呼吸作用过程中。 一般来说，活性氧主要是通过细胞保护酶和一些抗氧化物质来清除。细胞的保护酶主要有超 氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化物酶( p e r o x i d a s e ，p o d ) 、过氧化氢酶( c a t a l a s e ，c a t ) 、谷胱甘肽 过氧化物酶( g l u t a t h i o n ep e r o x i d a s e ，g p x ) 、谷胱甘肽还原酶( g l u t a t h i o n er e d u c t a s e 。g r ) 等( 曾 j “文，1 9 9 8 ) ，其中以s o d 最为重要。对水稻、烟草、菜豆、燕麦等叶片衰老的研究表明叶片中 s o d 活性随衰老而呈下降趋势，随着衰老的增加，脂类过氧化产物丙二醛( m d a ) 迅速积累。因此， s o d 活性的下降与植物体的衰老是呈正相关的。活性氧的另外一清除体系即非酶促清除系统包括 细胞色素f ( c y t f ) 、g s h 、a s a ( v c ) 、v e 、甘露醇、类胡萝h 素( c a r ) 等( 曾广文，1 9 9 8 ) 。 1 2 2 活性氧对果实成熟衰老的调控 1 9 6 9 年m c c o r d 和f r i d o v i c h 发现超氧化物歧化酶并提出氧毒性学说后。活性氧才真正被人们所 重视。从氧毒性学说来看，植物体是一个由活性氧和活性氧清除剂相互协调的平衡体，当平衡被 打破时，机体就会出现异常，如植物体受到外界因素的影响而清除剂来不及将活性氧有效地清除， 衰老将被加速，造成灾难性后果( 陆定志，1 9 9 1 ) 。 氧毒性学说提出后，活性氧与成熟衰老的关系研究很快成为研究的热点并取得了一定的进 展。前人以荔枝、苹果等果实为材料，研究果实衰老时s o d 活性、m d a 台 量和过氧化物酶( p o d ) 活性等变化及关系( b a k e r , 1 9 7 6 ；e v a ，1 9 7 7 ；席玛芳，1 9 9 4 ；林植芳，1 9 9 8 ) ，有人通过分析黄瓜、 辣椒( r a b i n o w i t c h ，1 9 8 1 ) 及苹果、油梨( b a k e r ，1 9 7 6 ) 后熟时果皮s o d 活性的变化来研究果实的 后熟衰老与活性氧对膜的伤害关系。牛广财等( 2 0 0 4 ) 以苹果梨为材料，研究了采后果实衰老与 膜脂过氧化作用的关系，结果表明，苹果梨后熟衰老时，膜透性增加，丙二醛( m d a ) 含量上升， 并且呼吸速率和p o d 活性第二次出现高峰。林植芳等( 1 9 9 8 ) 研究采后荔枝果实在室温下贮藏过 程中，膜脂过氧化产物丙二醛( m d a ) 与内源清除酶及非酶抗氧化性物质的变化情况，证明荔枝 果实后熟衰老与膜脂过氧化的加剧有关。史国安等( 1 9 9 7 ) 证实，g a 3 抑制杏果实活性氧的产生， 提高s o d 、p o d 活性，使果实贮藏期延长。李英丽等( 2 0 0 5 ) 研究高温胁迫对红富士苹果苹果果 皮组织中0 2 和m d a 含量及s o d 和p o d 活性的影响发现，高温处理增加了果皮组织中和m d a 含 量从而刺激诱导了细胞内过氧化保护系统功能的增强，致使s o d 和p o d 活性明显增加。黄建昌 ( 2 0 0 4 ) 研究水分胁迫对番木瓜膜脂过氧化的影响发现，随着水分胁迫的增加，膜脂过氧化程度 增加。l u r l e 等( 1 9 9 1 ) 指出，果实后熟的根本原因在于活性氧代谢加强，对细胞产生毒害，导致 细胞膜结构的破坏，促进果实软化腐烂。但是目前对果实成熟衰老过程中活性氧的时空间分布及 动态变化研究较少，活性氧是如何引起衰老的机理仍然不是很确定。 l i b e r m a n 在1 9 7 9 年提出自由基参与乙烯形成，0 2 与o h 直接参与乙烯的形成，单线态氧则 通过启动类囊体膜上不饱和脂肪酸的过氧化作用，产生0 2 一等，从而间接地促进了乙烯的生成。 0 2 - 在激活乙烯合成酶( e f e ) 和促进a c c 生成乙烯中起