何近剛,馮云霄,程玉豆,關(guān)軍鋒,*
(1.河北省農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)與食品科學(xué)研究所,河北 石家莊 050051;2.河北省植物轉(zhuǎn)基因中心,河北 石家莊 050051)
‘黃冠’梨(Pyrus bretschneideriRehd.cv.Huangguan)是我國主栽的中早熟梨品種之一,因其果形端正、果肉細(xì)嫩多汁、品質(zhì)上乘而深受消費(fèi)者喜愛,市場上銷售期可達(dá)12 個月[1]。黃冠梨成熟期一般在每年的7月底至8月上旬,由于采收時氣溫較高,果實(shí)呼吸旺盛,而因市場需求貯藏期較長,因此該品種在低溫冷藏過程中易發(fā)生果面褐斑和果心褐變現(xiàn)象,極大降低了其商品價值,造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。
乙烯是啟動和加速果實(shí)成熟衰老的重要植物激素[3-4]。氨基乙氧基乙烯甘氨酸(aminoethoxyvinylglycine,AVG)為乙烯抑制劑,能夠通過阻斷S-腺苷甲硫氨酸向氨基環(huán)丙烷羧酸的轉(zhuǎn)化過程而減少乙烯的生成[5]。研究證明,采前噴施AVG可延緩果實(shí)成熟衰老[6-7],延長果實(shí)的貯藏時間和貨架期。梨采前噴施AVG,可抑制乙烯生成,延長果實(shí)貯藏期[8-9],提高果實(shí)品質(zhì)[10]。采前使用250 mg/L的AVG噴施‘Jersey Mac’蘋果,可有效降低果實(shí)采后內(nèi)源乙烯生成、延緩果實(shí)軟化,并且AVG處理蘋果含有更高的可滴定酸含量、總酚含量和抗氧化能力[11];‘McIntosh’蘋果采前噴施AVG,可顯著降低落果率,推遲呼吸躍變,延長果實(shí)采收期[12];采前AVG處理‘Cripps Pink’蘋果相對于1-甲基環(huán)丙烯處理來說,延遲乙烯產(chǎn)生和果實(shí)轉(zhuǎn)色效果更為明顯[13];采前AVG處理可使‘金冠’蘋果推遲轉(zhuǎn)色,并降低果實(shí)貯藏時酯類和醛類揮發(fā)性物質(zhì)含量[14]。桃[6]、油桃[15]采前噴施AVG均可有效降低落果率,降低乙烯生成速率和延緩果實(shí)軟化。李子采前噴施AVG,可有效維持果實(shí)硬度,減少果實(shí)乙烯生成,維持果實(shí)色澤[16-17]。研究發(fā)現(xiàn),AVG采前處理的獼猴桃果實(shí)較對照含有更高的總酚含量和抗氧化能力[18],而AVG采前處理的蘋果[7]和李子在貯藏期總酚含量下降[17]。
果實(shí)褐變與組織內(nèi)酚代謝和多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)密切相關(guān)[19-21]。綠原酸是梨中的一種初級酚類化合物,被普遍認(rèn)為是導(dǎo)致PPO催化酶促褐變的關(guān)鍵底物[22-23],苯丙氨酸解氨酶(phenylalnine ammonialyase,PAL)是綠原酸生物合成途徑的主要酶[23]。此外,果實(shí)褐變還與細(xì)胞膜的破裂密切相關(guān),磷脂酶D(phospholipase D,PLD)和脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)的活性影響著脂膜的完整與正常功能[24-28]。
然而,近年來關(guān)于AVG調(diào)節(jié)梨果貯藏性能,尤其是對于果實(shí)內(nèi)部組織褐變的影響研究較少,關(guān)于AVG調(diào)節(jié)組織褐變的機(jī)制尚不清楚。本研究采用采前AVG噴施處理方法,研究了‘黃冠’梨果實(shí)長期貯藏后品質(zhì)變化,并采用實(shí)時聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(real-time polymerase chain reaction,real-time PCR)技術(shù)研究果心褐變相關(guān)基因表達(dá)規(guī)律,以闡明AVG調(diào)控‘黃冠’梨果心褐變的作用機(jī)理。
供試材料‘黃冠’梨種植于河北省趙縣梨果示范基地,樹齡20 a生。
AVG(商品名ReTain?)美國Valent生物科學(xué)有限責(zé)任公司;正己烷(色譜純)美國賽默飛世爾公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒(PrimescriptTMRT reagent Kit)、TB Green? Premix ExTaqII qPCR試劑盒 寶生物工程(大連)有限公司。
GY-4型硬度計 浙江托普儀器有限公司;PAL-1型手持?jǐn)?shù)字糖度儀 日本ATAGO公司;HITACHI L-2000高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)儀 日本日立科學(xué)儀器有限公司;UV-2100型紫外-可見分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司;7500定量PCR儀 美國ABI公司。
1.3.1 處理
‘黃冠’梨于采前2 周與1 周分別噴施50、100 mg/L以及200 mg/L的AVG,以噴施清水作為對照,每個處理3 株果樹。果實(shí)于2016年8月11日采收并當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,過夜放置散去田間熱。選取8~9 成熟,無機(jī)械損傷、無病蟲害、大小一致的AVG和對照果實(shí)置于溫度(0±0.5)℃、相對濕度(90±5)%下冷藏180 d后出庫,貨架(20±1)℃貯藏7 d。于采收當(dāng)天(0 d)、冷藏180 d以及貨架7 d((180+7)d)測定果實(shí)硬度、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(soluble solid content,SSC)以及可滴定酸(titratable acid,TA)質(zhì)量分?jǐn)?shù),統(tǒng)計果皮褐斑及果心褐變情況后,取果心于液氮中速凍、并在液氮中研磨為粉末后放置于-80 ℃,以備后續(xù)分析。
1.3.2 果實(shí)硬度、SSC以及TA質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定
硬度采用GY-4型硬度計,沿果實(shí)赤道部位相對兩點(diǎn)測定果實(shí)去皮硬度,單位為kg/cm2;SSC使用PAL-1型手持?jǐn)?shù)字糖度儀測定,單位為%;采用酸堿滴定法測定TA質(zhì)量分?jǐn)?shù),以蘋果酸計,單位為%。
1.3.3 果皮褐斑指數(shù)及果心褐變指數(shù)統(tǒng)計
按照果皮褐斑面積占果面總面積比率分為4 級:0級,無褐斑;1級,0%<褐斑面積≤25%;2級,25%<褐斑面積≤50%;3級,褐斑面積>50%。果皮褐斑指數(shù)按公式(1)計算[2]:
按照褐變面積占果心總面積比率分為4級:0級,無褐變;1級,0%<褐變面積≤25%;2級,25%<褐變面積≤50%;3級,褐變面積>50%。果心褐變指數(shù)按公式(2)計算[20]:
1.3.4 綠原酸、熊果苷及總酚含量的測定
綠原酸和熊果苷含量采用HPLC法測定[29]。稱取果心1.0 g,加入6 mL 80%甲醇,20 ℃超聲提取15 min,10000×g、20 ℃離心10 min,取上清液過固相C18萃取小柱,以甲醇淋洗,經(jīng)直徑為0.45 μm的濾膜過濾后,進(jìn)行HPLC檢測,單位為mg/g(以鮮質(zhì)量計)。HPLC條件:HITACHI L-2000 HPLC儀自帶的反相Lachrom C18色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),檢測波長280 nm,柱溫30 ℃,洗脫程序?yàn)锳相5%冰醋酸水溶液、B相為水、C相為乙腈(0~6 min,A∶B∶C=19∶76∶5(V/V,下同);7~19 min,A∶B∶C=95∶0∶5;20~24 min,A∶B∶C=85∶0∶15;25 min,A∶B∶C=55∶0∶45;26~30 min,A∶B∶C=15∶0∶85;31 min,A∶B∶C=15∶0∶85;32 min,A∶B∶C=19∶76∶5),流速為1.0 mL/min,進(jìn)樣體積為10 μL。
采用福林-酚法測定總酚含量[30]。稱取0.3 g果心,加入體積分?jǐn)?shù)為50%乙醇溶液5 mL,室溫下超聲30 min,4 ℃、10000×g離心10 min,得上清液。取1 mL樣液加入3.5 mL蒸餾水,加入0.5 mol/L福林-酚試劑0.5 mL,加入70% Na2CO3溶液 1 mL,混勻,30 ℃避光水浴2 h,760 nm處測定吸光度。根據(jù)沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線計算總酚含量,結(jié)果以每克樣品中沒食子酸含量表示(mg/g,以鮮質(zhì)量計)。
1.3.5 PPO活力的測定
PPO活力測定參考Cheng Yudou等[30]方法。稱取果心凍樣1 g,加入3 mL的0.1 mol/L(pH 7.0)磷酸緩沖液(含6%聚乙烯吡咯烷酮),4 ℃、12000×g離心15 min,取上清液用于測定PPO活力。將200 μL酶提取液加入到25 ℃預(yù)熱反應(yīng)液中(含25 mmol/L鄰苯二酚的磷酸鹽緩沖液,pH 6.0),使終體積為4 mL。在420 nm波長下測定OD變化值,以每分鐘吸光度增加0.01時為1 個PPO活力單位(U),單位為U/kg(以鮮質(zhì)量計)。
1.3.6 RNA提取與基因表達(dá)分析
采用改良CTAB法[31]提取果心總RNA??俁NA經(jīng)DNase清除DNA后,用PrimescriptTMRT reagent Kit進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄。real-time PCR使用TB Green? Premix ExTaqII qPCR試劑盒。以PbActin2為內(nèi)參基因[20],其余基因參照GenBank上登記序列,使用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計基因引物,所有引物委托生工生物工程(上海)股份有限公司合成(表1)。通過2-ΔΔCt法計算出待測基因相對表達(dá)量。
表1 real-time PCR特異性引物序列Table 1 Specific primer sequences used for real-time PCR
每個實(shí)驗(yàn)處理設(shè)3 個重復(fù),測定時每個重復(fù)5 個果實(shí)。數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 18.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計和相關(guān)性分析,結(jié)果用3 次重復(fù)的平均值表示,方差分析采用Duncan法。使用GraphPad Prism 9軟件作圖。
如圖1A所示,采前噴施不同質(zhì)量濃度AVG對果實(shí)采收硬度無顯著影響;冷藏180 d后,各處理果實(shí)硬度較采收時顯著下降,其中200 mg/L AVG處理果實(shí)硬度最大,為5.98 kg/cm2,50 mg/L和100 mg/L處理果實(shí)硬度與對照果實(shí)無明顯差別;經(jīng)過貨架7 d((180+7)d),果實(shí)硬度有所下降,不同質(zhì)量濃度AVG處理果實(shí)硬度無明顯差別,其中100 mg/L和200 mg/L AVG處理果實(shí)硬度顯著高于對照果實(shí),說明質(zhì)量濃度為200 mg/L的AVG維持‘黃冠’梨果實(shí)冷藏和貨架硬度效果最好。
圖1 采前AVG處理對‘黃冠’梨果實(shí)冷藏和貨架期硬度(A)、SSC(B)以及TA含量(C)的影響Fig.1 Effect of preharvest AVG treatment on firmness (A),SSC (B) and TA content (C) of ‘Huangguan’ pear during cold storage and shelf-life periods
經(jīng)180 d貯藏,‘黃冠’梨果實(shí)采后SSC呈升高趨勢(圖1B)。采收時,200 mg/L AVG處理果實(shí)SSC最高,而50 mg/L和100 mg/L AVG處理果實(shí)與對照SSC無明顯差別;冷藏180 d,200 mg/L AVG處理果實(shí)SSC顯著高于50 mg/L和100 mg/L AVG處理和對照;(180+7)d時,200 mg/L以及100 mg/L AVG處理與對照果實(shí)SSC無明顯差別,而50 mg/LAVG處理果實(shí)SSC最低。
在整個貯藏期間,‘黃冠’梨果實(shí)TA含量降低(圖1C)。采收時,50 mg/L AVG處理果實(shí)TA含量最高,200 mg/L AVG處理和對照果實(shí)無明顯差別,100 mg/L AVG處理果實(shí)TA含量最低;冷藏180 d時,100 mg/L和200 mg/L AVG處理果實(shí)TA含量顯著高于對照和50 mg/L AVG處理果實(shí);(180+7)d,200 mg/L AVG果實(shí)TA含量最高,而50 mg/L和100 mg/L AVG與對照無明顯差別。
采前噴施不同質(zhì)量濃度AVG可有效抑制‘黃冠’梨貯藏期果皮褐斑及果心褐變的發(fā)生(圖2)。冷藏180 d時,對照果皮褐斑指數(shù)最高,不同質(zhì)量濃度AVG處理果皮褐斑指數(shù)均低于對照果實(shí),其中200 mg/L AVG處理的果實(shí)褐斑指數(shù)最低(圖2A)?!S冠’梨冷藏180 d時果心發(fā)生褐變,不同質(zhì)量濃度AVG處理果實(shí)褐變指數(shù)在冷藏180 d和貨架期間((180+7)d)顯著低于對照果實(shí),其中200 mg/L AVG處理下果心褐變指數(shù)最低(圖2B)。
圖2 采前AVG處理對‘黃冠’梨冷藏和貨架期果皮褐斑指數(shù)(A)和果心褐變指數(shù)(B)的影響Fig.2 Effect of preharvest AVG treatment on peel browning index (A)and core browning index (B) of ‘Huangguan’ pear during cold storage and shelf-life periods
‘黃冠’梨果心中含量較高的2 種單酚物質(zhì)為熊果苷和綠原酸,這兩種酚類物質(zhì)以及總酚在貯藏期含量均升高(圖3)。AVG處理對采收時(0 d)和冷藏180 d果心熊果苷和總酚含量無顯著影響,(180+7)d時200 mg/L AVG處理果心熊果苷和總酚含量顯著高于對照(圖3A、C)。然而,從采收時(0 d)到貯藏期(180 d、(180+7)d),200 mg/L AVG處理的果心綠原酸含量均顯著高于對照果實(shí)(圖3B),說明AVG處理對于‘黃冠’梨果心綠原酸含量的影響更為明顯。這也說明采前AVG處理對采后生物體內(nèi)次生代謝物質(zhì)的合成與降解起到了一定的調(diào)控作用。
圖3 采前AVG處理對‘黃冠’梨冷藏和貨架期果心熊果苷(A)、綠原酸(B)和總酚(C)含量的影響Fig.3 Effect of preharvest AVG treatment on contents of arbutin (A),cholorogenic acid (B) and total phenolics (C) in ‘Huangguan’ pear core during cold storage and shelf-life periods
PbPAL1在整個貯藏期間表達(dá)量升高(圖4A),(180+7)d時該基因表達(dá)量達(dá)到峰值,而采前AVG處理顯著抑制了PbPAL1在‘黃冠’梨果心中的表達(dá)。在冷藏180 d時,PbPAL2達(dá)到表達(dá)峰值(圖4B),200 mg/L AVG處理果心中該基因表達(dá)量顯著低于對照果實(shí);采收時(0 d)和貨架期((180+7)d)時,AVG處理果實(shí)PbPAL2相對表達(dá)量與對照無明顯差別。
圖4 采前AVG處理對‘黃冠’梨冷藏和貨架期果心PbPAL1(A)和PbPAL2(B)相對表達(dá)量的影響Fig.4 Effect of preharvest AVG treatment on the relative expression levels of PbPAL1 (A) and PbPAL2 (B) in ‘Huangguan’ pear core during cold storage and shelf-life periods
與采收時(0 d)相比,‘黃冠’梨冷藏180 d時果心PPO活性變化不大,而貨架期PPO活性顯著升高(圖5)。與對照相比,AVG處理顯著降低了‘黃冠’梨果心PPO活性。
圖5 采前AVG處理對‘黃冠’梨冷藏和貨架期果心PPO活性的影響Fig.5 Effect of preharvest AVG treatment on PPO activity of‘Huangguan’ pear core during cold storage and shelf-life periods
兩個PbPPO基因在‘黃冠’梨冷藏期間(180 d)表達(dá)量明顯升高,而貨架期((180+7)d)表達(dá)量降低,采前AVG處理對于這兩個基因采收時表達(dá)量無明顯影響不大,但可有效抑制它們在貯藏期的表達(dá)(圖6)。
圖6 采前AVG處理對‘黃冠’梨冷藏和貨架期果心PbPPO1(A)和PbPPO5(B)相對表達(dá)量的影響Fig.6 Effect of preharvest AVG treatment on relative expression levels of PbPPO1 (A) and PbPPO5 (B) in ‘Huangguan’ pear core during cold storage and shelf-life periods
180 d時,‘黃冠’梨果心中PbLOX1和PbLOX5表達(dá)量達(dá)到峰值,貨架期表達(dá)量隨之下降(圖7)。采前AVG處理對PbLOX1的表達(dá)無明顯影響,但可有效抑制PbLOX5在180 d和(180+7)d時的表達(dá)。PbPLD4在貯藏期表達(dá)量降低,AVG處理顯著抑制了采收時(0 d)和冷藏期(180 d)‘黃冠’梨果心PbPLD4的表達(dá),但對貨架期((180+7)d)該基因的表達(dá)無明顯作用(圖8)。
圖7 采前AVG處理對‘黃冠’梨冷藏和貨架期果心PbLOX1(A)和PbLOX5(B)相對表達(dá)量的影響Fig.7 Effect of preharvest AVG treatment on relative expression levels of PbLOX1 (A) and PbLOX5 (B) in ‘Huangguan’ pear core during cold storage and shelf-life periods
圖8 采前AVG處理對‘黃冠’梨冷藏和貨架期果心PbPLD4相對表達(dá)量的影響Fig.8 Effect of preharvest AVG treatment on relative expression level of PbPLD4 in ‘Huangguan’ pear core during cold storage and shelf-life periods
相關(guān)性分析結(jié)果顯示(表2),‘黃冠’梨果心褐變指數(shù)與綠原酸含量顯著正相關(guān)(r=0.475)、與熊果苷(r=0.650)以及總酚(r=0.714)含量極顯著正相關(guān);與PPO活性顯著正相關(guān)(r=0.502),與PbPAL1(r=0.775)、PbPAL2(r=0.786)、PbPPO1(r=0.827)、PbPPO5(r=0.806)、PbLOX1(r=0.655)和PbLOX5(r=0.813)表達(dá)量極顯著正相關(guān);與PbPLD4(r=-0.590)表達(dá)量極顯著負(fù)相關(guān)。
表2 ‘黃冠’梨果心褐變指數(shù)與酚類物質(zhì)以及相關(guān)基因表達(dá)量的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of core browning index with phenol contents and related gene expression
乙烯在促進(jìn)果實(shí)的成熟、形成特有的色澤和風(fēng)味具有重要的作用,但同時又引起果實(shí)衰老和品質(zhì)劣變[3-4]。AVG作為一種乙烯生成抑制劑,采前處理果實(shí)不僅可以減少落果、延長采收期,還可維持果實(shí)貯藏期品質(zhì)[6-18]。本實(shí)驗(yàn)通過在‘黃冠’梨采前噴施不同濃度AVG,延緩了‘黃冠’梨在長期貯藏后硬度的下降、保持了較高的SSC以及TA含量,并可有效抑制果皮褐斑和果心褐變的發(fā)生(圖2),其中以200 mg/L AVG處理效果最為明顯。說明采前噴施AVG對于維持‘黃冠’梨貯藏品質(zhì)、延緩果實(shí)衰老具有良好作用。
研究認(rèn)為,果實(shí)組織酶促褐變的原因之一是細(xì)胞的膜系統(tǒng)受到損傷,細(xì)胞區(qū)隔化被打破,細(xì)胞中的酚類物質(zhì)被PPO氧化為褐色的醌類物質(zhì)[32-34]。梨果實(shí)中綠原酸被認(rèn)為是PPO酶促褐變的底物之一[19,32],而‘黃冠’梨果心中含量最高的兩種酚類物質(zhì)為熊果苷和綠原酸[35]。本研究中,200 mg/L AVG處理的‘黃冠’梨果心熊果苷和總酚含量在貨架期((180+7)d)顯著高于對照果實(shí)(圖3A、C);200 mg/L AVG處理下果心綠原酸含量在整個貯藏期都顯著高于對照果實(shí)(圖3B)。說明酚類物質(zhì)在‘黃冠’梨果心褐變時作為底物被消耗,而AVG處理在一定程度上減少了酚類物質(zhì)被氧化。PAL是苯丙氨酸途徑的限速酶,也是催化苯丙烷類代謝途徑第一步反應(yīng)的酶[36-37]。本研究中發(fā)現(xiàn)PbPAL1、PbPAL2基因相對表達(dá)量與果心褐變指數(shù)極顯著相關(guān)(表2),這與Cheng Yudou[20]以及韓艷文[38]等在鴨梨果心褐變中的研究結(jié)果一致。
PPO廣泛存在于生物體內(nèi),能夠催化酚類物質(zhì)氧化形成醌,醌再進(jìn)一步聚合成黑色素[19]。PPO活性的升高以及PPO基因表達(dá)的上調(diào)與梨果心褐變密切相關(guān)[20-21,30]。在本研究中,AVG顯著降低了PPO活性(圖5)以及PbPPO1與PbPPO5的轉(zhuǎn)錄水平(圖6)。特別是PbPPO1和PbPPO5表達(dá)量的變化與果心褐變的發(fā)生同步(圖2B、圖6),表明這兩個基因可能在‘黃冠’梨果心褐變的引發(fā)中起著相對重要的作用。此外,AVG處理果實(shí)熊果苷、綠原酸以及總酚含量僅在(180+7)d時均顯著高于對照果心(圖3);而果心褐變更加嚴(yán)重的對照果實(shí)PPO活性在整個貯藏期間均高于AVG處理果實(shí)(圖5)。這一結(jié)果可能與酚類物質(zhì)的生物合成和氧化過程的整體效應(yīng)有關(guān),進(jìn)一步表明在梨果心褐變過程中PPO可能具有更為重要的作用。
LOX和PLD是兩種與細(xì)胞膜損傷有關(guān)的重要酶,可通過氧化游離的二烯和三烯脂肪酸,導(dǎo)致活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生[24-28]。ROS啟動脂質(zhì)分解以及果實(shí)衰老和褐變過程[39-41]。有研究發(fā)現(xiàn),AVG可以通過抑制PLD活性進(jìn)而減少細(xì)胞編程性凋亡[42]。在蘋果[43]和桃[44]中發(fā)現(xiàn)采前AVG處理可抑制LOX活性。但AVG對于細(xì)胞膜損傷在基因水平的調(diào)控鮮有報道。在本研究中,采前AVG處理下調(diào)了PbLOX5和PbPLD4的表達(dá)(圖7B、圖8),說明AVG處理可以避免膜功能的喪失,并有可能保護(hù)膜脂免受氧化損傷。PbLOX5在‘黃冠’梨冷藏時表達(dá)量顯著升高,與果心褐變變化趨勢一致;而PbPLD4在貯藏期表達(dá)量下降,說明了PbLOX5是‘黃冠’梨果心褐變過程中與膜損傷相關(guān)的關(guān)鍵基因。
總之,采前噴施AVG可維持‘黃冠’梨長期貯藏品質(zhì),有效抑制果面褐斑和果心褐變的發(fā)生,其中以200 mg/L AVG效果最好?!S冠’梨果實(shí)在長期貯藏時果心發(fā)生褐變,同時熊果苷、綠原酸以及總酚含量增加,PPO活性升高;PbPAL1、PbPAL2、PbPPO1、PbPPO5、PbLOX1以及PbLOX5在冷藏期間表達(dá)量升高,貨架期表達(dá)量隨之下降,AVG可顯著抑制PbPAL1、PbPAL2、PbPPO1、PbPPO5以及PbLOX5的表達(dá)。