張樂樂，常璐璐，王小佳，于有偉，張少穎，張嘉芮

（山西師范大學食品科學學院，山西臨汾 041004）

褪黑素（melatonin，MT）化學名稱為N-乙酰基-5-甲氧基色胺，首次在松果體中被發(fā)現(xiàn)，不僅是5-羥色胺的衍生化合物，而且具有淡化黑色素的功能，故取名褪黑素[1]。藥理研究表明，MT 作為最普遍的一種神經(jīng)調節(jié)物質，在治療失眠、調節(jié)時差、抗氧化、抗炎、抗腫瘤和增強免疫等方面有很好的效果[2]。MT 作為一種微量多效的內源性吲哚類激素，1995 年在高等植物中首次被檢測到[3]，后期發(fā)現(xiàn)MT 也存在于植物的根、莖、葉、花、果實及種子中[4]。此后，MT 作為一種多效的植物激素備受關注。大量研究發(fā)現(xiàn)，MT 在種子萌發(fā)、植物生長、果實成熟和衰老、果蔬保鮮等生物過程中發(fā)揮重要作用，在植物生物和非生物脅迫中也占據(jù)重要地位[5-6]。目前，在植物中，MT 生物合成的研究已經(jīng)比較透徹，然而，MT 的代謝過程及信號轉導復雜，存在MT 與多種信號交叉，而且MT 在果蔬中的生物合成、采后保鮮、采后抗病方面的應用以及與其他抗病信號分子間的關系缺乏系統(tǒng)的歸納整理。

本文綜述了近幾年MT 在果蔬保鮮上的作用及應用，總結了其對各種生物與非生物脅迫應答的生理及分子作用機制，以及MT 抗病信號的轉導途徑，以期為進一步解析MT 信號在果蔬生物與非生物脅迫應答中的調控機制提供參考，同時為果蔬的采后病害防治提供新的思路。

1 MT 含量及生物合成

1.1 MT 在果蔬中的含量

研究表明，在不同科、屬、種植物（包括草藥、蔬菜、水果）中存在不同濃度水平的MT。在不同種類的果蔬中MT 含量也不同，一般以ng 級存在，廣泛存在于蘋果、草莓、番茄、櫻桃、黃瓜、木薯和葡萄等果蔬中。MT 在枸杞中的含量很高（530 ng/g），由于MT 具有促進睡眠、安神、鎮(zhèn)靜的作用，因此枸杞可作為良好的助眠食品[7]。MT 在各種植物的器官和組織中廣泛存在，如葉、根、莖、花、果實和種子，在種子中的含量最為突出[8]。

1.2 MT 在果蔬中的生物合成途徑

植物中合成MT 的研究表明，色氨酸是MT 合成的前體，有6 個酶參與了MT 的四步連續(xù)酶促反應，這6 個酶分別是色氨酸脫氫酶（TDC）、色氨酸羥化酶（TPH）、色胺-5-羥化酶（T5H）、5-羥色胺-N-乙?；D移酶（SNAT）、N-乙?；?5-羥色胺-甲基轉移酶（ASMT）和咖啡酸-O-甲基轉移酶（COMT）[7]。褪黑素生物合成的四種途徑如圖1 所示。

圖1 褪黑素生物合成的四種途徑Fig.1 Four pathways of melatonin biosynthesis

由圖1 知，MT 的生物合成有四條途徑，其中色氨酸由TPH 催化形成5-羥色氨酸途徑的相關基因在植物中還未鑒定到。在擬南芥中已經(jīng)分離出1 個AtSNAT、1 個AtCOMT和1 個AtASMT基因參與了MT 的合成。水稻中也發(fā)現(xiàn)了TDC、T5H、SNAT 和ASMT 等MT 催化酶的合成基因。5-羥色胺是MT 生物合成的重要交叉點。從圖中可以看出，5-羥色胺的形成途徑有兩條；第一條是色氨酸被TDC 催化生成色胺，色胺經(jīng)過T5H 催化生成5-羥色胺；第二條是色氨酸通過TPH 形成5-羥色氨酸，5-羥色氨酸再由TDC 催化形成5-羥色胺。5-羥色胺形成MT也有兩條途徑：第一條路徑為經(jīng)SNAT 催化形成N-乙?；?5-羥色胺，再由ASMT 或COMT 催化形成MT；第二條通路為5-羥色胺先被ASMT 或COMT 催化形成5-甲氧基色胺，5-甲氧基色胺經(jīng)SNAT 催化形成MT。其中，基于色氨酸對TDC 酶有較高底物親和能力，所以，色氨酸脫羧酶是主要的限速酶，這四種酶的合成基因都已經(jīng)在部分植物中被克隆出來。TDC 酶在植物中克隆最多，但是TDC 基因的表達量很低，因此更證實TDC 是MT 合成中主要的限速酶。

2 MT 在果蔬采后保鮮中的應用

2.1 保持果蔬采后品質、延緩衰老

果實采后衰老是一個復雜的過程，受內源性和外源性環(huán)境的影響，并通過多種信號傳遞和生理代謝實現(xiàn)。

2.1.1 調控果蔬成熟衰老

果蔬貯藏期的長短與果蔬呼吸速率和乙烯釋放量的多少密切相關。有報道表明，MT 可以抑制果蔬中乙烯相關合成酶基因的表達和酶的活性，從而抑制乙烯的產生，延長果蔬的貯藏期[9]。如MT 處理可以使青花菜、蘋果中乙烯相關合成酶基因（ACS、ACC、ACO）的表達降低，使貯藏期間青花菜、蘋果的乙烯釋放得到抑制，減緩衰老，延長貯藏期和貨架期，可見MT 可以通過調控乙烯的生物合成來延緩果蔬衰老，保持品質[10-11]。MT 在果蔬保鮮中的應用見表1。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，MT 在果蔬采后保鮮方面的研究越來越多（見表1）。由表1 可知，應用MT 可以保持果蔬采后品質、延緩衰老、清除自由基、抑制褐變[10-11]。采后梨果相關研究表明，MT 可以延緩乙烯的高峰期，同時激活POD 和SOD 活性，阻止了梨的軟化和衰老[12]。同樣，在紅棗、獼猴桃上的研究也表明，MT 可以明顯抑制果實呼吸和乙烯釋放[13-14]。然而，也有報道稱，外源MT 處理后會上調乙烯受體基因NR和ETR4以及轉導元件EIL1、EIL3和ERF2 的表達，增加乙烯含量，促進葡萄果實的成熟[15]。這可能是因為MT 對成熟期和非成熟期水果的影響不同。

表1 MT 在果蔬保鮮中的應用Table 1 Applications of exogenous MT on preservation of fruits and vegetables

2.1.2 保持果蔬品質

果蔬中的酚類物質、花青素對人體有較好的清除自由基的功能，同時適當?shù)奶鹚岫纫彩侨藗冴P心的重要品質指標。有研究結果表明，外源MT 可以誘導果蔬產生更多的酚類物質、有機酸、脯氨酸和花青素[16]。在MT 對甜櫻桃、草莓果實的影響研究中發(fā)現(xiàn)，MT 處理可以激活果實中花青素合成基因的表達，提高花青素的水平，從而提高甜櫻桃、草莓在冷藏過程中的營養(yǎng)品質[17-18]。采前噴灑MT 能使蘋果中的可溶性糖、酚類和有機酸類的含量顯著增加[11]（見表1）。外源MT 處理可以使葡萄的落果率和腐爛率降低，顯著上調酚類生物合成相關基因的表達，使果實中酚類物質含量提高，提升果實的食用品質[19]。MT在棗、紅棗、葡萄、芒果等果實中的研究也發(fā)現(xiàn)，外源MT可以提高這些果實的可滴定酸和酚酸含量，從而保持果實良好的口感和營養(yǎng)品質[13,18-20]。MT 還可以通過誘發(fā)苯丙烷代謝途徑，保持草莓的營養(yǎng)品質[21]。

2.1.3 維持細胞膜結構，抑制褐變

調控果蔬組織中的ROS 水平對于維持膜結構完整性以及緩解采后果實褐變是非常必要的[22]。MT 作為公認的抗氧化性最強的內源性自由基清除劑，可以直接或間接參與果實抗氧化酶系統(tǒng)的調控，使組織中的ROS 保持正常水平[22]。如MT處理可以使甜櫻桃果實SOD、CAT、APX、DHAR 酶活性增加，使AsA 和GSH 含量提高，以及抑制H2O2和O2-·的積累，較好地維持膜結構的完整性，從而抑制果實褐變[23]。用MT 處理芒果和石榴，能使果肉中H2O2含量和O2-·的產生速率下降，并降低相對電導率、抑制丙二醛（MDA）積累，同時提高芒果、石榴的抗氧化能力，從而對芒果、石榴表皮褐變達到很好的抑制效果[24-25]。MT 處理對桃、荔枝和黃瓜的影響研究中也有相似的結果，能提高桃和荔枝等果蔬中SOD、CAT 和POD 的活性，維持細胞膜的完整性[26-28]。

2.2 MT 在果蔬采后抗病方面的應用

2.2.1 對采后病原真菌的抑制作用

體外試驗證明，MT 對病原菌有很好的抗菌活性[29]。MT 處理可以抑制羽扇豆種子青霉菌發(fā)病率的上升；降低番茄晚疫病病原疫霉菌的發(fā)病率。MT 還可以減輕疫霉菌的毒性，通過抑制菌絲生長，降低細胞活力，調節(jié)IAA 代謝等抗病過程[30]。MT 也能抑制疫霉菌的體外產孢和菌絲生長，從而減緩黃瓜辣椒疫霉菌引發(fā)的毒害作用。MT 在抑制黃瓜黑穗病菌、黃瓜霜霉病、番茄灰霉病菌和鐮刀菌的體外和體內抗真菌活性方面也有很好的正向效果[29,31-32]。體外試驗證明，MT 處理能抑制果蔬采后病原菌鏈格孢菌的生長[33]。

周慧[34]的研究發(fā)現(xiàn)，MT 處理使鮮切梨中霉菌和酵母菌的菌落總數(shù)減少，使梨對褐腐菌的抑制作用增強。唐琦[35]用MT 處理大棗，在進行菌絲生長和孢子萌發(fā)試驗中發(fā)現(xiàn)，MT 可以很好地抑制P.polonicum的孢子萌發(fā)和菌絲伸長。MT 對蘋果的研究也有相同結論，MT 處理可以限制菌絲擴展和孢子萌發(fā)，提高蘋果對褐斑病菌的抗性[36]。也有不同研究結果出現(xiàn)，如曹晶晶等[37]研究發(fā)現(xiàn)，MT 在抑制蘋果體外灰霉菌菌絲生長和分生孢子萌發(fā)方面作用效果不顯著；MT 在香蕉、柑橘多種病原菌的體外抑菌試驗也證明，MT 處理對病原菌的生長和孢子的萌發(fā)沒有直接抑制作用[38-39]。由此證明，對于不同病原菌，MT 的體外抑菌作用有所不同。

2.2.2 提高果蔬抗病力

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，應用外源MT 可誘導采后果蔬抗病相關蛋白的活性和其基因的表達，進而提高果蔬對采后病害的抵抗能力（見表2）。

由表2 可知，MT 處理可以增強梨、香蕉、櫻桃番茄等果蔬對不同病原菌的抗病性。用MT 噴灑西瓜可以激活免疫介導的防御基因表達，提高西瓜果實對Phytophthora capsici的抗病能力[31]。曹晶晶等[37]也發(fā)現(xiàn)，外源MT 可以抑制病斑直徑的增大，同時還能促使果實內POD、CAT、SOD、PPO 和PAL 酶活性的提高，說明外源MT 通過誘導防御酶活性上升，可以提高蘋果對灰霉病的抵御能力。MT 處理對蘋果褐斑病的研究也發(fā)現(xiàn)，MT 處理可顯著抑制灰霉病病斑直徑的擴大，降低蘋果對褐斑病的感病性[40]。也有報道提出，MT 處理通過調控生長素、乙烯和絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路，以及使揮發(fā)性化合物、細胞壁成分和IAA 含量提高，增強香蕉果實對炭疽病的防御能力[38]。MT 還可以提高H2O2的含量、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、幾丁質酶（CHI）、β-1,3 葡聚糖酶（GLU）等酶活性以及病原相關蛋白（PRs）的表達，提高這些抗病蛋白使番茄對灰霉病的抗性增強[41-42]。MT 處理在香蕉枯萎病的研究結果表明，MT 通過激活MaHSP90s的表達，促使其他植物激素以及抗病信號開始發(fā)揮作用，從而使香蕉枯萎病的發(fā)病率降低[43]。但Lin 等[39]發(fā)現(xiàn)，MT 處理使H2O2含量和相關酶活性降低，從而導致柑橘綠霉病的抗病性下降，明顯提高柑橘綠霉病的發(fā)生。MT 對果實采后病害的矛盾效果可能與果實品種、果實成熟度、采樣位置以及MT 濃度的不同有關，因此，MT 在控制果蔬采后生理病害方面的作用還有待進一步研究。

2.3 MT 與其他抗病信號分子之間的關系

MT 在延緩采后果實品質劣變以及果實衰老等方面效果顯著，而且在采后病害防治中，MT 作為抵抗病原體的信號分子參與防御反應。許多研究指出，外源MT 處理能夠上調植物中多種抗病基因的表達。目前，MT 對采后果蔬的抗病機制缺乏細致的解析，因此，進一步探索MT介導的宿主對病原菌的防御信號機制是非常必要的。

在抗病信號傳導過程中，SA（水楊酸）、JA（茉莉酸）、NO、H2O2和IAA（生長素）作為重要的信號分子起著重要作用。已有報道表明，MT 作為一種重要的信號分子，通過激活SA、JA、NO、H2O2和IAA 信號依賴途徑，上調防御基因的表達，提高果蔬的抗病能力。

2.3.1 MT 與SA

SA 是一種重要的內源性抗病信號，在參與誘導果蔬產生系統(tǒng)獲得性抗性（SAR）過程起著重要的調節(jié)作用[44-46]。在種子萌發(fā)、氣孔關閉、幼苗生長、生物和非生物脅迫等方面，MT 和SA 表現(xiàn)出極其相似的作用[47]。在代謝過程中，分支酸是褪黑素和水楊酸共同的前體物質，它可以產生色氨酸（褪黑素的前體物質）和莽草酸（水楊酸前體物質）[48]。已有研究證明，水楊酸和MT 都參與了果蔬對雙孢霉、假單胞菌、疫霉菌、葡萄菌、鐮刀菌等病原菌的防御。相關研究提出，MT 可以通過誘導SA 生成從而激活抗病相關的苯丙氨酸途徑，在該途徑中可以產生如酚類、木質素等與抗病有關的中間小分子，參與果蔬組織的物理防御功能，提高抗病能力[49]。MT 可以使SA 的表達上調，進而激活如PR1、PR5和ICS1等防御相關的基因表達，從而提高植物對真菌、病毒等病原體的抗性[50]。MT 也能通過激活SA 和ETH 信號，提高擬南芥和煙草的抗病性[50]。也有報道表明，MT可通過上調SA信號，來調控H2O2水平，誘導苯丙氨酸代謝，提高番茄的抗灰霉病能力[41]。這些報道均可說明SA 位于MT 的下游進行信號傳導。

2.3.2 MT 與NO

近期研究表明，MT 和NO 處理不僅可以提高采后果實的品質，還可以提高植物的抗病原菌能力[51]，但在果蔬抗病上的研究極少。Lee[49]發(fā)現(xiàn)MT 誘導的NO 可以誘導植物對細菌病原體紫丁香假單胞菌Pst DC3000 產生抗病性。外源MT 和NO 的處理降低RSV 的發(fā)病率，但結合NO 清除劑（cPTIO）的應用能抑制水稻條紋葉枯病毒（RSV）的發(fā)病率不降反升，這說明MT 和NO 可以增強水稻對RSV 病菌的抗性[52]。有研究報道，MT 對采后果實品質的積極影響很大程度上依賴NO 信號通路。用MT 浸泡梨果實，促進了梨果實內源NO 的積累和NR、NOS 活性的提高，上調了NO 的合成基因，如PcNR1、PcNR2和PcNi-NOR的相對表達，而MT 和L-NAME 處理對乙烯產量和果實品質沒有顯著影響[53]。MT 增加了番茄果實內多胺和NO 的積累，提高了番茄的品質[54]。這說明MT 對采后果實品質的積極影響很大程度上依賴NO 信號通路。這些都暗示褪黑素可能作為NO 的上游信號參與保持果蔬的采后品質。在MT 對櫻桃番茄灰霉病的研究中，提出MT 通過NO 的積累能提高番茄對灰霉病的抗性[55]。目前，對MT 和NO 之間關系的認識只有少數(shù)研究報道，由于褪黑素與NO 相互作用較為復雜，因此了解褪黑素是在NO 信號的上游還是下游還需要進行深入研究。

2.3.3 MT 與IAA

MT 和生長素（IAA）的化學結構類似，具有共同的前體色氨酸。眾所周知，SA 和ETH 在植物基礎防御特別是真菌侵染中起重要作用。近期有研究提出，IAA 也是植物與病原菌相互作用的重要調節(jié)因子。MT 能誘導MaHSP90s激活與防御相關的IAA 信號，提高香蕉對枯萎病的抗病能力[33]。通過比較轉錄組和代謝組學分析得知，MT 處理能提高香蕉皮中吲哚-3-乙酸-酰胺合成酶基因的編碼，上調參與生長素合成蛋白基因，顯著增加組織中IAA 和ETH 含量，說明MT 能激活乙烯和IAA 來調節(jié)香蕉的衰老和抗病能力[38]。

2.3.4 MT 與H2O2

H2O2在植物組織細胞中的積累有利于提高植物的抗毒能力[56]。H2O2還可以在植物和病原菌的相互作用中扮演信號分子的角色。H2O2不僅能夠直接作用破壞病原體，還在促進細胞壁糖蛋白的氧化交聯(lián)中有著重要作用[43,56]，從而抵制病原菌的入侵。H2O2在MT 介導的植物抗脅迫中發(fā)揮重要作用。H2O2位于MT 的下游位置作為信號調控植物對逆境脅迫的響應。MT 可以降低H2O2水平和上調JA 信號通路，在番茄果實對灰霉病中發(fā)揮積極正向作用[57]。MT 處理使柑橘綠霉病減少，并且在MT處理的柑橘中H2O2含量顯著低于空白組的H2O2含量。MT 還可以維持果實內穩(wěn)定的H2O2濃度來調節(jié)ROS 水平，提高果實防御相關酶和抗病相關蛋白活性，增強蘋果對病原菌的抗性[40]。也有報道如MT 能誘導H2O2的積累，使草莓的腐爛率顯著降低[21]。有研究還發(fā)現(xiàn)，在MT生物合成酶的上調過程中，H2O2可能起著決定性的作用，促進果蔬褪黑素的增加[48]。

3 小結

綜上所述，MT 不僅是一種有前景的天然抗氧化物質，還是一種重要的抗病信號分子，參與了果蔬的采后抗病。外源施用MT 或者通過分子育種技術提高內源MT的含量都對提高果蔬的抗病性有益。MT 可以與SA、NO、H2O2、IAA 等信號分子共同作用提高果蔬的抗逆性、保持果蔬的品質，延緩衰老，調控果蔬防御信號的傳導，增強果蔬抗病性。但對MT 在果蔬采后的抗病方面的研究較少，其在植物防御中的作用和機制仍未完全了解；MT 在果蔬采后轉錄組和代謝組學方面的研究需要深入探討。后期可以采用組學的技術，研究MT 在果蔬采后生理生化和抗病中的作用及其機制，完善MT 在果蔬采后保鮮中的作用及其信號轉導的機制。