司雅靜劉嬌嬌王愛德袁 暉

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院/遼寧省果品采后生物學(xué)重點實驗室,遼寧 沈陽 110161)

植物蠟質(zhì)是覆蓋在表皮細胞外由脂類物質(zhì)構(gòu)成的疏水層,其易溶于有機溶劑,許多植物的葉、莖、花、果實等器官和組織表面均有蠟質(zhì)覆蓋[1]。果實蠟質(zhì)的含量及組成在不同種類果實中表現(xiàn)不同,目前研究者們已經(jīng)克隆出了一些蠟質(zhì)合成相關(guān)基因,并且發(fā)現(xiàn)許多轉(zhuǎn)錄因子參與了蠟質(zhì)合成中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。果實蠟質(zhì)作為最外側(cè)的“防護層”,可以減少果實水分流失,抑制果實軟化,阻止微生物侵染,控制活性氧產(chǎn)生等。近年來,許多研究者們圍繞果實蠟質(zhì)含量與作用之間展開了研究,并且證實了果實蠟質(zhì)對貯藏品質(zhì)的影響。

1 果實蠟質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)

1.1 果實蠟質(zhì)成分

果實蠟質(zhì)多呈灰白色覆蓋在果實表面,成分較為復(fù)雜,是眾多有機物混合而成的物質(zhì),主要為脂肪族化合物、環(huán)狀化合物以及甾醇類化合物,脂肪族化合物包括長鏈脂肪酸,以及衍生而來的烷烴、醇、醛、酮、酯等[2～5]。不同作物的果實蠟質(zhì)成分存在很大的差異,利用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)技術(shù),發(fā)現(xiàn)蘋果表皮蠟質(zhì)主要是由碳原子數(shù)目超過 18 的超長鏈的脂肪族化合物組成,包括烷烴、初級醇、次級醇、醛類、酮類和酯類以及萜類化合物;梨表皮蠟質(zhì)的主要成分是脂肪酸和烷烴;柑橘果皮表層蠟質(zhì)主要由烷烴、醛、初級醇、脂肪酸和萜類物質(zhì)組成;設(shè)施番茄果實表皮蠟質(zhì)組分主要有脂肪酸、脂肪醛、烷烴等[6～11]。柴亦豐通過對比‘金冠’等10個蘋果品種發(fā)現(xiàn),與新鮮水果相比,貯藏后蘋果的表皮蠟質(zhì)總量顯著降低,不同品種下降的百分比從17.4%到61.6%不等,各組分所占比例及含量也發(fā)生了變化,烷烴類物質(zhì)和醇類物質(zhì)含量下降,脂肪酸、醛類以及萜類物質(zhì)增加[12]。

1.2 果實蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)

蠟質(zhì)分為由蠟質(zhì)晶體構(gòu)成的外蠟和由表皮蠟?zāi)じ采w、鑲嵌在外部角質(zhì)層的無定形內(nèi)蠟[13]。我們用肉眼可以觀察到蘋果、黃瓜、藍莓等果實的外表面覆蓋著白色蠟霜,研究者們通過掃描電子顯微鏡,將蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)分為片狀、膜狀、顆粒狀、桿狀等多種類型[14～15]。不同品種的果實蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)會存在不同,李宏建等研究發(fā)現(xiàn),在18個不同蘋果品種中,富士、國光等較耐貯藏品種的角質(zhì)層和蠟質(zhì)層較厚,紅玉、金冠等耐貯性較差的品種角質(zhì)層和蠟質(zhì)層較薄,其中‘金冠’角質(zhì)層和蠟質(zhì)層與表皮細胞相互嵌合,表面存在明顯的裂痕,由此研究人員分析‘金冠’蘋果容易失水皺皮可能與這種結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系[16]。果實的不同發(fā)育時期也會對蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,旁程等對黃果梨研究發(fā)現(xiàn),隨著果實發(fā)育蠟質(zhì)的積累,表面蠟質(zhì)片層起層現(xiàn)象越明顯,出現(xiàn)了裂縫愈大的現(xiàn)象,并且周圍有少量的顆粒狀物質(zhì)生成[17]。

果實蠟質(zhì)可以保護植物免受環(huán)境脅迫,還可以保持生理完整性,延長果實貯藏期[18]。在當前先進的科學(xué)技術(shù)下,研究者們對果實蠟質(zhì)的研究越來越深入,但是其內(nèi)涵豐富,還有許多未被發(fā)現(xiàn)的問題等著人們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

2 蠟質(zhì)的合成與調(diào)控

2.1 合成

蠟質(zhì)的合成是一個非常復(fù)雜的過程,需要多種酶的參與,對模式植物擬南芥的蠟質(zhì)合成已有了較為深入的研究,大致分為3個階段:(1)質(zhì)體內(nèi)C16和C18脂肪酸的從頭合成;(2)C16和C18脂肪酸在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中延伸為C20-C34的超長鏈脂肪酸(VLCFAs);(3)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中以VLCFAs為前體,通過酰基還原途徑(也稱初級醇合成途徑)和脫羰途徑(也稱烷烴合成途徑)形成各種蠟質(zhì)產(chǎn)物,包括醇類,酯類,醛類,烷烴和酮類等物質(zhì)[19～20]。

2.2 調(diào)控

在分子生物學(xué)的快速發(fā)展下,研究者們大量克隆了調(diào)控果實蠟質(zhì)合成的相關(guān)基因,主要有CER1、CER2、CER3、CER6、KCS1、WIN1、ECR、KCR、LACS2等,它們在蠟質(zhì)的合成和轉(zhuǎn)運途徑中起著重要的作用[21]。CER1是第1個從擬南芥中克隆出的蠟質(zhì)合成基因,MdCER1可能參與了蘋果表皮蠟質(zhì)的合成[22～23]。Albert Z研究發(fā)現(xiàn)蠟質(zhì)合成相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因LACS2、KCS7/2、CER4和CER1在蘋果果皮中特異性表達[24]。CsWIN1誘導(dǎo)柑橘果實角質(zhì)和表皮蠟質(zhì)的沉積[25]。PaLACS2參與甜櫻桃果實長鏈脂肪酸的合成[26]。

有研究者發(fā)現(xiàn),參與了非生物脅迫及發(fā)育調(diào)控的WRKY基因在野生大豆中促進了蠟質(zhì)合成途徑中的大量關(guān)鍵基因如CER1、CER2、CER3、CER4、LTP、MAH1、WSD1、LACS2、KCS2和KCS7等的表達,使植物合成較厚角質(zhì)層,減少非依賴于氣孔的水分的喪失[27]。

張璟宇通過投射電鏡發(fā)現(xiàn)超量表達CsMYB44的轉(zhuǎn)基因番茄植株葉片表面蠟質(zhì)的積累量多于野生型,這表明CsMYB44可能對蠟質(zhì)生物合成起正向調(diào)控,并且通過酵母雙雜交篩選到了以CsMYB44為誘餌菌株時的互作的轉(zhuǎn)錄因子CsERF3,這為蠟質(zhì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控提供了新思路[28]。

任春濤等總結(jié)了蠟質(zhì)合成過程中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,包括AP2類、MYB類、HD-Zip類轉(zhuǎn)錄因子和MADX-box等[29]。

蠟質(zhì)合成基因和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子逐漸被發(fā)現(xiàn),人們可以從基因水平對蠟質(zhì)合成進行調(diào)控,從而調(diào)節(jié)其與果實的生長發(fā)育貯藏之間的關(guān)系。

3 果實蠟質(zhì)與貯藏

3.1 果實蠟質(zhì)與水分

水分在果實生長中起到了至關(guān)重要的作用,它與體內(nèi)代謝過程的正常運轉(zhuǎn)息息相關(guān)[30]。蘋果等呼吸躍變型水果在成熟過程中呼吸代謝會不斷加劇,果實內(nèi)水分會流失,導(dǎo)致果皮皺縮,失重失鮮,影響果皮顏色及果實品質(zhì),而果皮蠟質(zhì)由眾多疏水有機物組成,通過調(diào)控表皮滲透,可以減少非氣孔性水分丟失,在果實成熟中減少失水率[31]。研究表明藍莓外表皮蠟質(zhì)損傷會導(dǎo)致采后失重率的上升,其推測這可能和果實外表皮蠟質(zhì)的保水功能密切相關(guān)[32]。張海祿等認為表皮蠟質(zhì)含量的高低與植物水分利用的效率關(guān)系密切,蠟質(zhì)含量越高,水分利用率越高[33],而Oliveira等研究者們發(fā)現(xiàn),蠟質(zhì)的成分才是具有保水功能的關(guān)鍵所在?！鸸凇O果果實易失水皺縮,且不耐貯藏[34],Belding等報道了同‘紅星’系蘋果相比,‘金冠’系蘋果果皮角質(zhì)層蠟質(zhì)組分中次級醇含量極低,而烷烴組分含量相似,這種組分差異可能導(dǎo)致果皮形態(tài)結(jié)構(gòu)不同,從而使得果皮的透水性有顯著差異。綜合以上,蠟質(zhì)對果實水分保持有重要的作用[35]。

3.2 果實蠟質(zhì)與果實軟化

果實軟化是果實成熟中正常的生理過程,在此過程中,細胞壁的結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生了明顯的變化[36]。細胞壁的主要功能是保持細胞的形狀穩(wěn)定和支撐保護作用,果實軟化過程破壞了細胞壁的完整性,細胞壁空間結(jié)構(gòu)與化學(xué)組分的巨變使得其支撐保護功能逐漸喪失,果實硬度便會受到影響[37～38]。近幾年,有研究者發(fā)現(xiàn),果實蠟質(zhì)與果實軟化之間有著一定的聯(lián)系。藍莓外表皮蠟質(zhì)能夠顯著降低多種細胞壁降解酶的活性,從而抑制果實細胞壁物質(zhì)的快速分解,使果實保持較好的硬度,而藍莓果皮蠟質(zhì)被破壞時,則會加速果實的成熟衰老進程[39]。有研究表明果實角蠟層厚度與果實失重率和硬度變化率呈負相關(guān)性,在30個蘋果品種中,采后硬度和失水率變化較小的品種都具有濃厚均勻的蠟質(zhì)層,對果實軟化有一定的抑制作用[40]。

3.3 果實蠟質(zhì)與病蟲害

果實蠟質(zhì)與果實病蟲害也有著一定的聯(lián)系,隨著成熟后貯藏時間的增加,蘋果等果實表面蠟質(zhì)含量會減少,病原菌便會從蠟質(zhì)裂紋處入侵,果實會被腐蝕,較厚的蠟質(zhì)層能夠阻止微生物侵染蘋果果實,并延緩果實的貯藏期[41]。Fan等報道,蘋果果實表皮蠟質(zhì)層厚度和密度與果實貯藏過程中發(fā)生褐變有關(guān)[42]。

3.4 果實蠟質(zhì)與活性氧

活性氧(ROS)是一類具有化學(xué)活性的氧分子,包括超氧陰離子(O2-.)、過氧化氫(H2O2)和羥自由基(·OH)等[43]。在果實的成熟和衰老過程中,ROS含量呈現(xiàn)整體升高的動態(tài)變化,會先后出現(xiàn)兩個高峰,果實成熟衰老與ROS含量呈正相關(guān),對果實成熟階段基因表達豐度進行系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn),成熟早期活性氧代謝相關(guān)基因表達量非常高,表明ROS可能參與調(diào)控了果實成熟[44～45]。用活性氧處理果實會加速衰老,如H2O2處理龍眼果實加劇了采后衰老和褐變產(chǎn)生,顯示ROS具有誘導(dǎo)果實衰老的功能[46]。

蠟質(zhì)作為果實表面的保護層,對活性氧的產(chǎn)生也有著影響。有研究者發(fā)現(xiàn),在冷藏條件下去蠟藍莓的超氧陰離子產(chǎn)生速率和過氧化氫含量都要顯著高于正常藍莓,表明去蠟加速了藍莓果實活性氧的產(chǎn)生,加速了藍莓在貯藏期的衰老[47]。有研究者將天然產(chǎn)物蜂膠作為蠟質(zhì)替代物,用其涂抹蘋果表面后,發(fā)現(xiàn)可以有效的抑制果實內(nèi)部活性氧的含量[48]。

3.5 果實蠟質(zhì)與乙烯

乙烯對果實的成熟衰老起著重要的作用,被認為是最重要的促植物衰老激素,影響著果實的采后品質(zhì)[49]。乙烯利(2-氯乙基膦酸)作為一種人工合成的釋放乙烯氣體的低毒有機磷植物生長調(diào)節(jié)劑農(nóng)藥,能促進呼吸躍變型果實成熟過程中內(nèi)源乙烯的產(chǎn)生[50]。1-甲基環(huán)丙烯(1-methylcyclopropene,1-MCP)是一種新型的乙烯抑制劑,通過作用于乙烯受體抑制乙烯的生理作用,進而實現(xiàn)對植物成熟衰老的抑制作用[51]。近年來,有許多研究者發(fā)現(xiàn)乙烯利和1-MCP與成熟及貯藏期的果實蠟質(zhì)變化有著影響關(guān)系。

劉劍鋒等研究者們對兩種秋子梨的果皮結(jié)構(gòu)與耐貯性關(guān)系進行研究時發(fā)現(xiàn):蠟質(zhì)較差的尖把酸梨果實的乙烯釋放高峰出現(xiàn)時間早于蠟質(zhì)較好的花蓋梨果實,結(jié)合果實硬度與腐爛率的變化情況來看,相對而言,尖把酸梨是不耐貯藏的品種[52]。

蘋果在成熟及貯藏期間,果皮蠟質(zhì)會發(fā)生油膩化現(xiàn)象,并且受果實成熟度影響,成熟度越高越易發(fā)生[53]。王曉飛等發(fā)現(xiàn)在常溫貯藏過程中,‘粉紅女士’蘋果的蠟質(zhì)含量呈上升趨勢,果實表面不斷出現(xiàn)新的蠟質(zhì),油膩化現(xiàn)象也更嚴重,用1-MCP處理‘粉紅女士’蘋果可抑制并延緩果皮蠟質(zhì)變化和果皮油膩化的發(fā)生[54]。

毛惠娟在乙烯利和1-MCP處理對香梨表皮蠟質(zhì)的影響及與耐貯性關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn):乙烯利促進香梨成熟的過程中加速了表皮蠟質(zhì)提取含量及組分相對含量的變化;1-MCP抑制香梨成熟的過程中延緩了表皮蠟質(zhì)提取含量及組分相對含量的變化[55]。

有研究者在‘紅星’果皮中克隆了MdCER6基因,其控制蘋果表皮蠟質(zhì)中VLCFAs的合成,并且發(fā)現(xiàn)在貯藏期進行乙烯利處理會促進MdCER6的表達,并且影響蘋果表皮蠟質(zhì)質(zhì)量分布密度的變化,1-MCP處理會延緩MdCER6表達出現(xiàn)的時間[56]。

4 總結(jié)與展望

果實蠟質(zhì)是保護果實的角質(zhì)層,它對果實的貯藏起到了重要的作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)的不斷進步,其奧秘正在被研究者們不斷揭開,蠟質(zhì)的復(fù)雜成分及結(jié)構(gòu),蠟質(zhì)的合成與調(diào)控,蠟質(zhì)對果實保持生理完整性的功能等,都在逐漸被人們發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)代生物技術(shù)飛速發(fā)展,研究者們不再局限于生理水平,轉(zhuǎn)錄組代謝組分析技術(shù)的普及,為果實蠟質(zhì)合成及調(diào)控途徑中一些關(guān)鍵基因的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),并且在先進顯微鏡的幫助下,對果實蠟質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)的研究會越來越深入。果實蠟質(zhì)對果實水分、軟化、病蟲害、活性氧及乙烯等多個方面會產(chǎn)生影響,但是大多數(shù)的研究是針對生理層面,可以在先進的分子技術(shù)下進行更深入研究,補充分子機制的空白,為果實蠟質(zhì)與其作用之間提供有力的理論依據(jù)。