李秋雨，曾凱芳，姚世響*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(西南大學(xué) 食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

1 活性氧在植物生長發(fā)育和抗逆中的作用

ROS在植物抗逆過程中具有重要調(diào)控功能[2]。植物激素脫落酸(abscisic acid, ABA)是誘導(dǎo)植物抗旱的主要激素，通過誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉、減少水分散失實(shí)現(xiàn)抗旱。ROS是ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉過程中激活Ca2+通道的關(guān)鍵分子，當(dāng)擬南芥谷胱甘肽過氧化物酶編碼基因AtGPX3突變后，ABA不能激活Ca2+通道，也無法誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉[9]。鹽脅迫是作物面臨的主要非生物脅迫之一，研究發(fā)現(xiàn)ROS激活的絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)級聯(lián)途徑參與了水稻對鹽脅迫的早期響應(yīng)，其中轉(zhuǎn)錄因子SERF1起關(guān)鍵功能[9]；乙烯應(yīng)答關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子EIN3通過抑制ROS積累介導(dǎo)乙烯對植物耐鹽性的誘導(dǎo)[11]。低溫是植物經(jīng)常面臨的逆境，研究證實(shí)ROS信號也參與了植物響應(yīng)低溫的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[12]。細(xì)胞在面臨逆境時(shí)，細(xì)胞器通常是最敏感的部位，易受逆境傷害；因此細(xì)胞器感應(yīng)逆境信號并快速啟動(dòng)應(yīng)答，對植物適應(yīng)逆境至關(guān)重要[13]；近期研究揭示,ROS參與了葉綠體逆向信號通路，葉綠體在逆境積累的過量ROS特異性激活蛋白激酶GCN2，磷酸化定位于細(xì)胞質(zhì)的翻譯起始因子eIF2，在翻譯水平調(diào)控細(xì)胞核基因的表達(dá)[14]。證據(jù)目前已經(jīng)充分證實(shí),ROS不僅參與多種逆境的信號通路，還可能是生長發(fā)育和抗逆兩大類信號通路對話的關(guān)鍵信號分子，在植物整合生長發(fā)育和逆境脅迫，適應(yīng)不同生長發(fā)育階段和復(fù)雜環(huán)境過程中起重要作用[2]。

2 活性氧在果實(shí)成熟及衰老過程中的動(dòng)態(tài)變化

ROS含量在果實(shí)成熟和衰老階段呈總體升高的動(dòng)態(tài)變化特征，通常在成熟啟動(dòng)時(shí)急劇上升，達(dá)到第1個(gè)峰值并在成熟后期開始回落，果實(shí)衰老階段又逐漸升高，出現(xiàn)第2個(gè)峰值后再下降[13, 15]。

綜上，ROS含量在果實(shí)成熟和衰老過程中先后出現(xiàn)2個(gè)高峰；第1個(gè)高峰與ROS生成系統(tǒng)活性提高密切相關(guān)，可能在果實(shí)成熟調(diào)控過程扮演重要功能；第2個(gè)高峰可能是ROS生成系統(tǒng)活性提高和抗氧化系統(tǒng)活性降低共同作用所致，參與誘導(dǎo)了果實(shí)衰老。

3 活性氧參與調(diào)控了果實(shí)成熟與衰老

活性氧參與了果實(shí)成熟與衰老的調(diào)控過程，主要有以下幾方面證據(jù):首先，如上文所述，果實(shí)成熟衰老與ROS含量呈正相關(guān)；其次，對果實(shí)成熟階段基因表達(dá)豐度進(jìn)行系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，成熟早期活性氧代謝相關(guān)基因表達(dá)量非常高[35]，表明ROS可能參與調(diào)控了果實(shí)成熟；另外，用活性氧處理果實(shí)會(huì)加速衰老，如H2O2處理龍眼果實(shí)加劇了采后衰老和褐變產(chǎn)生，顯示ROS具有誘導(dǎo)果實(shí)衰老的功能[36]；此外，用抗氧化劑處理果實(shí)，能夠有效抑制衰老并延長采后壽命，如AsA處理番茄果實(shí)能夠延長貨架期，進(jìn)一步證實(shí)ROS具有調(diào)控果實(shí)衰老的功能[16]；研究還發(fā)現(xiàn)褪黑素處理可以促進(jìn)葡萄果實(shí)成熟，并且這種誘導(dǎo)作用可能是通過ROS實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)用NADPH氧化酶抑制劑二苯基氯化碘鹽(diphenyleneiodonium chloride, DPI)處理葡萄果實(shí)時(shí)，褪黑素對果實(shí)成熟的誘導(dǎo)作用受到抑制，DPI處理葡萄抑制了果實(shí)內(nèi)源ROS的合成，進(jìn)而阻礙了褪黑素對果實(shí)成熟的誘導(dǎo)作用，這證明褪黑素對果實(shí)成熟的調(diào)控依賴于ROS[37]。氣調(diào)貯藏是果蔬保鮮行業(yè)常用的、延緩果實(shí)采后衰老的有效措施，有學(xué)者對獼猴桃的研究表明，氣調(diào)貯藏可通過抑制ROS的積累延長采后壽命并提高貯藏品質(zhì)[28]。

目前有遺傳證據(jù)支持ROS可能調(diào)控了果實(shí)的成熟與衰老。線粒體抗壞血酸合成關(guān)鍵酶L-半乳糖酸-1,4-內(nèi)酯脫氫酶(L-galactono-1,4-lactone dehydrogenase, GalLDH)編碼基因突變后，線粒體氧化還原狀態(tài)發(fā)生改變，果實(shí)變小[38]；番茄單脫氫抗壞血酸還原酶(monodehydroascorbate reductase, MDHAR)編碼基因沉默后，果實(shí)還原型AsA含量顯著增加，果實(shí)單重變小，采后失重率顯著提高[39]。盡管抗壞血酸狀態(tài)的改變與果實(shí)成熟與衰老的關(guān)系在這2例研究中涉及較少，但可以發(fā)現(xiàn)ROS穩(wěn)態(tài)的改變影響了果實(shí)發(fā)育。番茄果實(shí)中的進(jìn)一步研究顯示,ROS具有調(diào)控果實(shí)成熟與衰老的功能。在番茄果實(shí)中過表達(dá)酵母亞精胺合酶，提高了果實(shí)多胺水平和抗氧化能力，降低了果實(shí)內(nèi)部ROS水平，并有效抑制了果實(shí)衰老和延長了果實(shí)采后壽命[40]；在番茄果實(shí)中特異性表達(dá)花青素合成相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，能夠顯著提高果實(shí)中花青素含量，提高了抗氧化系統(tǒng)活性，降低了內(nèi)源ROS水平，最終有效抑制了果實(shí)采后衰老[41]。對不同品種的番茄果實(shí)進(jìn)行比較分析后，發(fā)現(xiàn)抗氧化能力越強(qiáng)的品種采后壽命越長[42]。

4 活性氧調(diào)控果實(shí)成熟與衰老的分子機(jī)制

TIAN等[15]明確提出ROS是誘導(dǎo)果實(shí)成熟與衰老的因子，并從線粒體角度闡述了其調(diào)控機(jī)制。果實(shí)成熟與衰老過程中，面臨ROS水平升高產(chǎn)生的氧化脅迫，其中包括線粒體和葉綠體在內(nèi)的細(xì)胞器是感受脅迫的第一道防線，對氧化傷害非常敏感[43]。Porin蛋白是線粒體滲透轉(zhuǎn)換氣體復(fù)合體亞基，定位于線粒體外膜，被ROS進(jìn)行羰基化修飾后，會(huì)嚴(yán)重影響線粒體正常功能；同時(shí)ROS誘導(dǎo)的羰基化嚴(yán)重降低了線粒體SOD、順烏頭酸酶和蘋果酸脫氫酶等活性，抑制了三羧酸循環(huán)和呼吸途徑作用，導(dǎo)致細(xì)胞ATP合成能力減弱，改變了細(xì)胞能量狀態(tài)，最終誘發(fā)果實(shí)衰老[15, 44]。

植物激素和轉(zhuǎn)錄因子是調(diào)控果實(shí)成熟與衰老的關(guān)鍵因子，ROS可能參與這些關(guān)鍵因子的下游或者與其協(xié)同發(fā)揮功能[15]。研究揭示,ROS平衡參與轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控果實(shí)衰老的信號通路，交替氧化酶(alternative oxidase, AOX)是維持線粒體ROS水平的關(guān)鍵酶，調(diào)控荔枝果實(shí)衰老的重要轉(zhuǎn)錄因子LcNAC1通過與LcWRKY1相互作用，拮抗調(diào)控LcAOX1a轉(zhuǎn)錄水平，最終影響果實(shí)ROS水平，實(shí)現(xiàn)對果實(shí)衰老的調(diào)控[45]。

果實(shí)成熟與衰老時(shí)，線粒體和葉綠體(或有色體)是ROS產(chǎn)生的重要細(xì)胞器，也極易受到氧化傷害[46]。近年模式植物的研究揭示了細(xì)胞器逆向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，如細(xì)胞器ROS通過MAPK3和MAPK6激活MAPK信號級聯(lián)途徑，調(diào)控細(xì)胞核基因轉(zhuǎn)錄[13]。另外，葉綠體產(chǎn)生的ROS可特異性激活蛋白激酶GCN2，通過磷酸化位于細(xì)胞質(zhì)的翻譯起始因子eIF2，進(jìn)而在翻譯水平調(diào)控基因表達(dá)[14]。最后，ROS還可能影響包括乙烯、赤霉素和茉莉素在內(nèi)的植物激素合成[13]，影響果實(shí)的成熟與衰老。迄今為止，尚無直接證據(jù)表明ROS逆向信號通路調(diào)控了果實(shí)成熟與衰老。

果實(shí)ROS含量在成熟與衰老階段呈現(xiàn)規(guī)律性的變化特征，這種ROS穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)變化由ROS生成系統(tǒng)和降解系統(tǒng)維持。果實(shí)成熟與衰老過程中，面臨復(fù)雜的生長和貯藏條件，因此需要感受ROS濃度的受體，能迅速感知細(xì)胞ROS濃度的變化，一方面將信號傳遞給ROS代謝系統(tǒng)以對ROS濃度進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，另一方面啟動(dòng)ROS信號傳導(dǎo)途徑，參與果實(shí)成熟和衰老的調(diào)控。ROS受體在ROS信號通路中有關(guān)鍵地位，科學(xué)家近20年花費(fèi)了大量精力鑒定植物ROS受體[9, 47]，最近終于有了突破性進(jìn)展，裴真明課題組成功鑒定了擬南芥質(zhì)外體ROS受體HPCA1，該蛋白是位于細(xì)胞質(zhì)膜的受體蛋白激酶家族成員，HPCA1突變后，ROS不能誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加，進(jìn)而影響其相應(yīng)調(diào)控功能的發(fā)揮[48]?？紤]到ROS在植物生長發(fā)育和抗逆中扮演保守且廣泛的功能，因此果實(shí)中可能存在HPCA1的功能同源蛋白，在感受ROS并調(diào)控果實(shí)成熟與衰老中發(fā)揮功能。

5 活性氧穩(wěn)態(tài)調(diào)控技術(shù)在延緩果實(shí)成熟及衰老中的應(yīng)用

果實(shí)的活性氧穩(wěn)態(tài)受到ROS生成系統(tǒng)和ROS清除系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)控，保障其發(fā)揮正常的生理調(diào)控功能。果實(shí)采后保鮮產(chǎn)業(yè)希望能夠操控果實(shí)的成熟與衰老進(jìn)程，抑制果實(shí)衰老對延長果實(shí)貯藏壽命、維持采后品質(zhì)十分關(guān)鍵。通過調(diào)控果實(shí)ROS穩(wěn)態(tài)，能夠改變果實(shí)的成熟與衰老進(jìn)程，在果實(shí)采后保鮮領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

現(xiàn)代生物技術(shù)備受學(xué)術(shù)界關(guān)注和果蔬采后保鮮產(chǎn)業(yè)青睞，通過基因工程技術(shù)可穩(wěn)定提高果實(shí)內(nèi)源抗氧化系統(tǒng)活性，是延緩果實(shí)衰老、保持果實(shí)采后品質(zhì)的高效技術(shù)。在番茄果實(shí)過表達(dá)酵母亞精胺合酶編碼基因，提高了果實(shí)多胺含量和抗氧化水平，有效抑制了果實(shí)衰老[40]。金魚草轉(zhuǎn)錄因子Delila和Rosea1是控制花青素合成的關(guān)鍵基因，在番茄過表達(dá)后顯著提高了果實(shí)花青素含量和抗氧化活性，抑制了果實(shí)衰老，采后貯藏壽命增加1倍[41]。通過比較不同轉(zhuǎn)基因番茄株系的果實(shí)，發(fā)現(xiàn)具有較強(qiáng)抗氧化活性的黃酮含量越多，果實(shí)采后壽命越長，進(jìn)一步顯示通過基因工程技術(shù)改變果實(shí)ROS穩(wěn)態(tài)，是延緩果實(shí)采后衰老的有效辦法[42]。

除了基因工程技術(shù)，對果實(shí)進(jìn)行可調(diào)控ROS穩(wěn)態(tài)的采后處理，也是延緩果實(shí)衰老的有效策略。對采后果實(shí)進(jìn)行活性氧處理能夠促進(jìn)衰老，進(jìn)行抗氧化劑處理則能延緩果實(shí)衰老，如H2O2處理能促進(jìn)龍眼衰老，AsA處理延緩番茄衰老[16, 36]。另外，褪黑素處理采后荔枝[30]和桃[27]、對獼猴桃氣調(diào)貯藏[28]、1-MCP處理梨[25]、采后硒處理番茄[29]、對木瓜進(jìn)行采后熱處理[49]、對黃瓜進(jìn)行采后冷激處理[32]、沒食子酸丙酯處理采后龍眼[26]、殼聚糖/納米硅復(fù)合涂膜劑處理枇杷[33]等可能主要是通過改變果實(shí)ROS穩(wěn)態(tài)，即激活ROS清除系統(tǒng)，降低組織ROS含量，達(dá)到延緩衰老和改善果實(shí)品質(zhì)目的。另外，水楊酸處理杏果實(shí)可以通過抑制ROS清除系統(tǒng)，提高ROS含量，實(shí)現(xiàn)延緩果實(shí)成熟和采后品質(zhì)劣變的目的[50]。

6 結(jié)論

活性氧是調(diào)控果實(shí)成熟與衰老的重要因子，其含量在果實(shí)成熟與衰老階段呈動(dòng)態(tài)變化特征。基于調(diào)控果實(shí)ROS穩(wěn)態(tài)的包括基因工程技術(shù)和采后處理在內(nèi)的各項(xiàng)技術(shù)在果實(shí)采后保鮮產(chǎn)業(yè)有良好的應(yīng)用前景，可以用于延緩果實(shí)成熟與衰老，改善采后品質(zhì)，延長貯藏壽命。目前ROS調(diào)控果實(shí)成熟與衰老機(jī)制領(lǐng)域還有許多重要問題亟待解決：一是需要摸索合適實(shí)驗(yàn)條件，以番茄等研究水果的模式植物為材料，鑒定果實(shí)ROS穩(wěn)態(tài)發(fā)生改變的突變體，這對明確果實(shí)ROS生成位置、條件和濃度，及其與果實(shí)成熟與衰老的關(guān)系非常重要；二是果實(shí)成熟與衰老過程中ROS穩(wěn)態(tài)如何被精準(zhǔn)調(diào)控，是否存在ROS受體，相應(yīng)分子機(jī)制是什么等重要問題仍處于未知狀態(tài)；三是ROS逆向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)如何調(diào)控果實(shí)成熟與衰老，線粒體和葉綠體等細(xì)胞器產(chǎn)生的ROS如何影響細(xì)胞核基因表達(dá)。通過對這些問題的研究，不僅可以闡明果實(shí)成熟與衰老的分子機(jī)制，同時(shí)也有助于理解生物衰老過程中ROS發(fā)揮作用的普遍機(jī)制。另外，通過對ROS調(diào)控果實(shí)成熟與衰老的基礎(chǔ)研究，也為果實(shí)生物學(xué)和采后生物學(xué)相關(guān)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。