陳華峰 唐玉情 潘亞婕 郭曉瑞*

（1. 東北林業(yè)大學(xué)化學(xué)化工與資源利用學(xué)院，哈爾濱 150040；2. 東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，哈爾濱 150040）

果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)是果品的重要質(zhì)量和調(diào)控因子之一，從廣義上講，風(fēng)味物質(zhì)包括味感物質(zhì)和嗅感物質(zhì)。兩者區(qū)別在于味感物質(zhì)主要為甜酸味，主要影響因子是糖和酸；嗅感物質(zhì)是一種嗅覺(jué)基礎(chǔ)上的感覺(jué)，主要影響因子為揮發(fā)性芳香物質(zhì)。果實(shí)形成不同風(fēng)味的原因主要是構(gòu)成風(fēng)味物質(zhì)的不同，如草莓的品質(zhì)由100 多種風(fēng)味物質(zhì)構(gòu)成，但起主要作用的僅有幾種［1］；葡萄的風(fēng)味主要由C6 化合物、醇、萜醇、羰基化合物、酯、含氮化合物構(gòu)成。果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)的形成不僅受內(nèi)在組成成分的合成代謝影響，還受到激素的調(diào)控催化。乙烯是研究最廣、使用最多的一類激素信號(hào)分子，在調(diào)控風(fēng)味物質(zhì)有其獨(dú)特的作用。目前針對(duì)果品風(fēng)味物質(zhì)研究的技術(shù)手段主要有基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白組學(xué)等。研究的主要內(nèi)容集中在不同種和品種的物質(zhì)組成和含量差異方面，在其主要成分合成代謝和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)上仍缺乏較為系統(tǒng)的研究。

本文在近年來(lái)國(guó)內(nèi)外果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，闡述了果實(shí)生長(zhǎng)過(guò)程中主要風(fēng)味物質(zhì)的代謝調(diào)控機(jī)制，分析了外源乙烯與風(fēng)味物質(zhì)之間的調(diào)控機(jī)制以及對(duì)內(nèi)源乙烯代謝障礙的調(diào)節(jié)作用和對(duì)果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)“喚醒”的機(jī)理，以期為果實(shí)風(fēng)味營(yíng)養(yǎng)的提高和目的性的果品調(diào)控提供一定的理論參考。

1 果實(shí)風(fēng)味形成的代謝基礎(chǔ)及其代謝調(diào)控機(jī)制

果實(shí)風(fēng)味的代謝物質(zhì)基礎(chǔ)分為芳香物質(zhì)、呈味物質(zhì)和質(zhì)地三個(gè)方面，三者之間相互作用，共同影響著果實(shí)的品質(zhì)，三者的基礎(chǔ)代謝也貫穿果實(shí)的整個(gè)發(fā)育階段。

1.1 芳香物質(zhì)的代謝

芳香物質(zhì)是人所能感覺(jué)到物質(zhì)的外部特征，如香氣、味道、口感等，在果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)中起決定性作用。芳香物質(zhì)具有較高的感官和生理價(jià)值［2］，是目前果品開(kāi)發(fā)最具前景的調(diào)控方向之一。果實(shí)揮發(fā)性芳香物質(zhì)的合成在果實(shí)發(fā)育階段內(nèi)不間斷的進(jìn)行，但主要在果實(shí)完熟階段中，以促進(jìn)植物抵御衰老所帶來(lái)的生物和非生物脅迫［3～4］。果實(shí)揮發(fā)性芳香物質(zhì)主要由萜烯、碳?xì)浠衔?、醛類、酯類、醇類、酮類和硫這幾類化合物家族構(gòu)成。大多數(shù)揮發(fā)性芳香物質(zhì)的合成前體均來(lái)自于一系列非揮發(fā)性的物質(zhì)，如氨基酸、脂肪酸、碳水化合物和類胡蘿卜素等。由于合成前體物質(zhì)的不同，芳香物質(zhì)的代謝途徑也就不同，主要可分為以下5 種，具體見(jiàn)表1。

表1 不同芳香物質(zhì)代謝合成途徑Table 1 Metabolic and synthetic pathways of different aromatic substances

其次，不同種和品種果實(shí)的芳香物質(zhì)在成分組成和含量上存在一定的差異，據(jù)前人研究可知，芳香成分并非都對(duì)植物特征風(fēng)味的形成起決定性作用，只有部分成分或某一化合物才是關(guān)鍵物質(zhì)，而這類化合物被稱為特征效應(yīng)化合物。故在對(duì)果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)的目的性調(diào)控中主要是需要找到影響果品的特征效應(yīng)化合物，以便準(zhǔn)確、快速實(shí)現(xiàn)果品調(diào)控。

1.2 呈味物質(zhì)的代謝

植物的呈味物質(zhì)是影響果品的重要質(zhì)量因子之一，不僅包含具有揮發(fā)性的芳香物質(zhì)，還包含一些非揮發(fā)性物質(zhì)如可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物等。果實(shí)成熟后，呈現(xiàn)不同口感的呈味物質(zhì)主要有糖類和有機(jī)酸兩大類，兩者區(qū)別具體見(jiàn)表2。糖類是果實(shí)呈現(xiàn)甜味的主要原因［5］，常見(jiàn)的糖類有果糖、葡萄糖、蔗糖等。糖類物質(zhì)的積累不僅可以提升果實(shí)的品質(zhì)，也為果實(shí)其他新陳代謝提供了代謝底物，具有非常重要的生態(tài)和生理學(xué)意義。其次，有機(jī)酸對(duì)植物口感的形成也具有重要影響，據(jù)報(bào)道，果實(shí)中有機(jī)酸種類很多，但大多數(shù)還是以1～2 種有機(jī)酸為主，而且成熟果實(shí)中有機(jī)酸含量的調(diào)節(jié)也是果實(shí)液泡貯存［6］和轉(zhuǎn)移［7］代謝平衡的表現(xiàn)。可見(jiàn)，果實(shí)口感的不同主要是由于不同種和品種果實(shí)含糖量、含糖種類、比例以及有機(jī)酸組分、含量的千差萬(wàn)別造成的。

表2 糖類和有機(jī)酸比較Table 2 Comparison of sugars and organic acids

1.3 質(zhì)地

果實(shí)質(zhì)地包括果實(shí)的組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞壁狀況、含水量、汁液量等方面，也是判斷果實(shí)品質(zhì)的重要方面。如質(zhì)地較軟的番茄果實(shí)可能比較硬的果實(shí)更清脆，因?yàn)檩^硬果實(shí)的皮層細(xì)胞排列較為緊密，果皮較厚，導(dǎo)致果實(shí)脆性下降。除此之外，纖維、果膠含量的高低也會(huì)影響果實(shí)的脆性，一般纖維含量高則果實(shí)脆性下降，果膠含量高則果實(shí)脆性提高。劉春香［8］對(duì)黃瓜質(zhì)地品質(zhì)的研究也證明，果實(shí)質(zhì)地與其解剖結(jié)構(gòu)、纖維素和果膠含量密切相關(guān)。

2 風(fēng)味物質(zhì)代謝對(duì)乙烯信號(hào)的響應(yīng)機(jī)制

2.1 乙烯對(duì)果實(shí)中香氣物質(zhì)組成和含量的影響

乙烯（C2H4）是最為簡(jiǎn)單的氣態(tài)成熟衰老激素［9］。研究發(fā)現(xiàn)乙烯對(duì)呼吸躍變果實(shí)的葉綠素分解、糖分、芳香物質(zhì)和有機(jī)酸的積累轉(zhuǎn)化以及果實(shí)組織軟化等方面均有重要作用［10～11］。如在Balbontin［12］等研究中發(fā)現(xiàn)，果實(shí)獨(dú)特風(fēng)味形成過(guò)程中乙烯與酯類物質(zhì)的合成呈正相關(guān)關(guān)系，即乙烯合成能力下降時(shí)也會(huì)導(dǎo)致酯類物質(zhì)的合成下降。甜瓜果實(shí)的研究中也發(fā)現(xiàn)，甜瓜果實(shí)中約有240種香氣物質(zhì)，其中一半為酯類，剩余大部分為含硫化合物以及醇和醛，而這些物質(zhì)與乙烯合成都有密切關(guān)系［13～15］。研究也證實(shí)［16］，外源乙烯能增加躍變型果實(shí)如木瓜、甜瓜和蘋果等特征芳香物質(zhì)的積累。但也有研究表明，外施乙烯不能消除1-MCP 抑制杏、香 蕉 等 果 實(shí) 芳 香 物 質(zhì) 含 量［12，17～18］的 表 達(dá)。Ayub［19］和Dandekar［20］等在轉(zhuǎn)基因植株果實(shí)中也發(fā)現(xiàn)乙烯合成受到抑制時(shí)芳香物質(zhì)的合成也隨之下降；Bauchot［21］進(jìn)一步證實(shí)了乙烯合成受阻時(shí)，芳香物質(zhì)總量會(huì)低于正常植株的60%～85%?？梢?jiàn)，乙烯對(duì)不同種甚至同種果實(shí)芳香物質(zhì)的調(diào)控作用各不相同。

2.2 乙烯對(duì)果實(shí)中芳香物質(zhì)合成途徑的影響

呼吸是植物基本的生理代謝過(guò)程之一，植物在呼吸過(guò)程中主要以脂肪酸和氨基酸代謝為主，可為芳香物質(zhì)的合成提供能量和物質(zhì)保證，而乙烯和植物呼吸息息相關(guān)，故可以通過(guò)調(diào)節(jié)植物脂肪酸和氨基酸代謝來(lái)調(diào)控芳香物質(zhì)的合成［22］。脂肪酸代謝主要產(chǎn)生直鏈類化合物成分而氨基酸代謝主要產(chǎn)生支鏈類化合物成分，兩者受乙烯調(diào)控的程度不一，直鏈類受影響較大而支鏈類影響較?。?3］。如1-MCP 處理后，梨果實(shí)中脂肪酸代謝隨著乙烯含量的下降受到了明顯的抑制［22］。Schaffer等［24］在基因組學(xué)研究中也證明，乙烯調(diào)控芳香物質(zhì)合成途徑只在關(guān)鍵酶的第一步或最后一步的特定環(huán)節(jié)中進(jìn)行，故找到芳香物質(zhì)初始和最后的酶是進(jìn)行乙烯調(diào)控的關(guān)鍵點(diǎn)。在黃金梨的研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1-MCP處理后，脂肪酸代謝關(guān)鍵酶為L(zhǎng)OX、HPL、ADH和AAT，通過(guò)調(diào)控這些酶活性可以控制酯類物質(zhì)的合成，從而調(diào)控果品。在魏邵沖［25］、魏建梅［26］和Ortiz［27］等的研究中也發(fā)現(xiàn)經(jīng)乙烯調(diào)控關(guān)鍵酶LOX后，果實(shí)芳香物質(zhì)合成受到明顯的增強(qiáng)和降低。

乙烯調(diào)控酶活性主要可以通過(guò)調(diào)控果實(shí)中LOX基因家族如TomloxA、TomloxB、TomloxC、TomloxD 和TomloxE 等。其 中TomloxA、TomloxB 和TomloxC 編碼參與果實(shí)芳香物質(zhì)的合成［28］，在轉(zhuǎn)錄水平上受乙烯調(diào)控較大［29］。據(jù)Freire［30］研究表明，乙烯可能在翻譯階段進(jìn)行LOX 活性的調(diào)控。除了LOX 酶受乙烯調(diào)控，AAT 活性也受乙烯影響，據(jù)Ortiz［27］和Li［17］對(duì)蘋果和甜瓜的調(diào)控研究中發(fā)現(xiàn)，調(diào)控果實(shí)中AAT 的活性也可促進(jìn)芳香物質(zhì)的合成。除了調(diào)控酶的活性，從甜瓜中也分離出2 種ADH 基因即Cm-ADH1和Cm-ADH2。ADH 指乙醇脫氫酶，影響果實(shí)的直鏈代謝，乙烯通過(guò)調(diào)控Cm-AAT 1 和Cm-AAT2 基因的表達(dá)可影響果實(shí)中酯類物質(zhì)的合成，從而影響果實(shí)的風(fēng)味物質(zhì)。

3 轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)在風(fēng)味物質(zhì)調(diào)控研究方面的進(jìn)展

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是指特定組織或細(xì)胞在某一發(fā)育階段或功能狀態(tài)下轉(zhuǎn)錄出來(lái)的所有編碼RNA（mRNA）和非編碼RNA（ncRNA）的總和［31～33］，是后基因組時(shí)代各種組學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)［34］。代謝組學(xué)以細(xì)胞在特定條件下所有小分子代謝物為研究對(duì)象，定性并定量描述代謝物及其對(duì)內(nèi)因和外因變化的應(yīng)答規(guī)律。代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的持續(xù)發(fā)展為果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)的研究提供了可靠的技術(shù)支持。

果實(shí)是人類最重要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源之一，果實(shí)風(fēng)味在遺傳學(xué)、生物學(xué)上都表現(xiàn)出一定的特異性。目前針對(duì)果實(shí)風(fēng)味的組學(xué)研究也在逐年增多，據(jù)喬鑫研究報(bào)道可知，已有10 種以上果實(shí)的全基因組測(cè)序有了顯著的進(jìn)展［35］，進(jìn)一步加深了人們對(duì)果實(shí)風(fēng)味調(diào)控表現(xiàn)出的器官特異性、發(fā)育特異性以及環(huán)境因子特異性等分子和代謝機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

3.1 果實(shí)不同器官組織風(fēng)味物質(zhì)的轉(zhuǎn)錄代謝調(diào)控機(jī)理

通過(guò)對(duì)果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，果實(shí)風(fēng)味調(diào)控具有器官差異性。如油棕果皮和種子中均含有風(fēng)味物質(zhì)，但果皮中以棕櫚酸、油酸等物質(zhì)為主，胚乳中則以月桂酸等物質(zhì)為主，而胚卻以亞油酸等物質(zhì)為主。據(jù)Dussert等［36］對(duì)果皮、胚乳及胚的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究可知，WRINKLED1（WRI1）轉(zhuǎn)錄因子在植物種子脂肪合成途徑中扮演關(guān)鍵作用，可見(jiàn)果實(shí)脂肪酸合成基因的轉(zhuǎn)錄水平和油含量密切相關(guān)。除了脂肪酸，糖類和有機(jī)酸也具有明顯的差異，如丁毓端［37］針對(duì)柑橘果實(shí)不同組織差異水平的轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析發(fā)現(xiàn)，糖類代謝在果肉中更活躍，有機(jī)酸則在果皮中更活躍且在整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)中有更強(qiáng)的影響力。Monselise 等［38］研究也表明，葡萄柚果皮中以蘋果酸等物質(zhì)為主，在果汁中則以檸檬酸等物質(zhì)為主。林瓊［39］等也發(fā)現(xiàn)柑橘果實(shí)檸檬酸含量在不同品種、不同發(fā)育階段以及不同組織部位和儲(chǔ)藏過(guò)程中有較大的差異變化。

3.2 果實(shí)不同發(fā)育階段風(fēng)味物質(zhì)的轉(zhuǎn)錄代謝調(diào)控機(jī)理

果實(shí)成熟是一個(gè)生理生化的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程內(nèi)，可以通過(guò)調(diào)控果實(shí)的品質(zhì)性狀如硬度、味道、氣味、顏色等內(nèi)在基因的表達(dá)，使其發(fā)生漸次變化，達(dá)到調(diào)控的目的。據(jù)Asif 等［40］對(duì)不同時(shí)期香蕉果實(shí)轉(zhuǎn)錄組和GO 分析可知，成熟過(guò)程中關(guān)于乙烯和揮發(fā)性芳香物質(zhì)合成的基因出現(xiàn)了明顯的過(guò)表達(dá)，故可以通過(guò)調(diào)控相關(guān)基因?qū)崿F(xiàn)果品的提高。其次，果實(shí)發(fā)育在同一生長(zhǎng)時(shí)期和不同時(shí)期內(nèi)風(fēng)味物質(zhì)均有特異性的變化，如在Bain［41］對(duì)柑橘果實(shí)的研究中發(fā)現(xiàn)主要的風(fēng)味物質(zhì)檸檬酸在不同的生長(zhǎng)期內(nèi)出現(xiàn)顯著變化，如前期含量較低，快速生長(zhǎng)期內(nèi)迅速上升，在快速生長(zhǎng)后期和成熟期逐漸下降。Albertini 等［42］研究發(fā)現(xiàn)柑橘果實(shí)發(fā)育早期風(fēng)味物質(zhì)主要以奎尼酸為主，發(fā)育后期則以檸檬酸為主。

果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)的代謝是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，除會(huì)引發(fā)自身風(fēng)味物質(zhì)的代謝變化也會(huì)涉及到其他因子如色素積累、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、光合變化、細(xì)胞壁解體、蛋白質(zhì)代謝、糖代謝等方面。如在Freima［43］對(duì)無(wú)花果轉(zhuǎn)錄組分析中發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)育階段果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)參與光合作用、花青素合成、細(xì)胞壁代謝、細(xì)胞膨脹等過(guò)程的基因表達(dá)具有差異性。而且據(jù)Kyung等［44］對(duì)樹莓的轉(zhuǎn)錄組分析也可知，在果實(shí)成熟階段中，影響其色澤的花色苷基因如f39h1、dfr4和ldox1 明顯上調(diào)，從而引發(fā)果皮表觀發(fā)生顏色變化。呂曉蘇［45］通過(guò)對(duì)5 個(gè)不同發(fā)育時(shí)期的草莓果實(shí)進(jìn)行代謝組學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)育時(shí)期果實(shí)內(nèi)的磷酸化蛋白也有所差異，有趣的是，這些磷酸化蛋白多數(shù)集中在植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和糖代謝途徑中。另外核磁共振技術(shù)可以定性分析西紅柿中的特異性糖類、黃酮苷、氨基酸和有機(jī)酸化合物，這些物質(zhì)與西紅柿的口味、香味、成熟階段中顏色變化密切相關(guān)［46］。

3.3 果實(shí)響應(yīng)逆境的分子機(jī)制

逆境是指對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和生存不利的各種環(huán)境因素的總和，又稱為脅迫［47］。果實(shí)長(zhǎng)期處于逆境中，會(huì)降低果實(shí)的產(chǎn)量，造成較大的損失，了解果實(shí)抗逆的分子機(jī)理，對(duì)抗性品種的培育和管護(hù)具有重要的意義。在對(duì)果實(shí)脅迫的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，果樹除了會(huì)受到遺傳與發(fā)育的調(diào)控外，還會(huì)受到環(huán)境中生物或非生物脅迫的影響，如ABA 就可參與與果實(shí)成熟相關(guān)的花青素合成的調(diào)控［48～49］。據(jù)Jia 對(duì)草莓的研究中發(fā)現(xiàn)，沉默ABA 合成途徑中關(guān)鍵酶基因FaNCED1 會(huì)減低ABA 的含量和花青素的含量，從而影響果實(shí)風(fēng)味。Rudell研究也表明果實(shí)成熟階段中乙烯合成也會(huì)影響蘋果和葡萄花青素的合成［50］。其次，季節(jié)也會(huì)顯著影響果品的組成，如在Masetti［51］的研究中發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)內(nèi)櫻桃的酯類化合物組成各不相同，對(duì)Naomi 品種影響最大的是α-生育酚和不飽和脂含量，對(duì)Shiren 品種影響最大的則是葉綠素和磷脂含量。

4 展望

通過(guò)對(duì)果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)調(diào)控機(jī)理的研究可知，目前對(duì)果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)的調(diào)控多是通過(guò)栽培條件的改善和育種改良基因兩個(gè)途徑來(lái)進(jìn)行。果樹新品種培育需要對(duì)果實(shí)特異性關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)的基因進(jìn)行分離、克隆和轉(zhuǎn)化。隨著轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)以及全基因組學(xué)的全面發(fā)展，為果實(shí)調(diào)控開(kāi)辟了不同的技術(shù)通道，極大地促進(jìn)了果實(shí)從更深層次的基因?qū)用嫒フ{(diào)控，但不同種和品種的果實(shí)其關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)在不同器官和不同發(fā)育階段中均存在較大的差異性，如何快速找到果實(shí)關(guān)鍵的風(fēng)味物質(zhì)仍需要進(jìn)一步的深入研究。其次，盡管基因型是樹種和品種風(fēng)味物質(zhì)組分和含量的決定性因素，但植物生長(zhǎng)具有固著性，外界環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)具有重要影響，如果實(shí)中有機(jī)酸的積累尤其受生態(tài)因素溫度和果實(shí)成熟度的影響，因此，提高和改善植物生長(zhǎng)的外界條件也是調(diào)控果品的重要舉措之一。綜上，果實(shí)特異性揮發(fā)性物質(zhì)成分的代謝工程是果實(shí)品質(zhì)調(diào)控的常用手段。果品調(diào)控需要在以下三個(gè)方面重點(diǎn)加強(qiáng)：①風(fēng)味物質(zhì)在不同器官、不同發(fā)育階段內(nèi)的代謝變化的研究，挖掘關(guān)鍵特征效應(yīng)化合物，構(gòu)建代謝網(wǎng)絡(luò)；②運(yùn)用全基因組學(xué)、蛋白組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)深層次挖掘果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)的基因基礎(chǔ)，為基因調(diào)控提供靶向；③全面分析植物生長(zhǎng)與外界環(huán)境之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，如外源激素、溫度、光照等因子，為果品的調(diào)控提供高效方法。