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破解果实衰老腐败的秘密

2017-07-28 08:27 来源:科技日报 申 明

  番茄液泡转化酶抑制子调控果实成熟。(a) 番茄中蔗糖代谢相关基因示意图。(b) 沉默或超表达番茄液泡转化酶抑制子SlVIF影响果实成熟。(c) 沉默SlVIF影响果实中相关基因的表达。

  泛素结合酶E2调控了番茄果实成熟

  “离本枝一日而色变,二日而香变,三日而味变。”唐朝时杨贵妃想吃上一口新鲜的荔枝,需要官方驿站快马加鞭。而如今荔枝、香蕉、猕猴桃,这些容易“烂”的水果经过科学的保鲜方式,从千里之外可以活色生香地出现在我们的餐桌上。

  当你在大快朵颐鲜美的水果时,有没有想过为什么有的水果采摘之后,很快会变质呢?为什么有些水果采摘后越早吃味道越好?而有些水果却要放一放,才好吃呢?水果衰老与品质劣变的秘密到底是什么?我们能否延长水果保鲜时间呢?

  这些生活的常识问题,看似有些“钻牛角尖”,但背后却蕴藏着巨大的科学意义和经济价值。

  据了解,我国是世界水果生产和销售的第一大国,水果产值达到5000亿元/年,占种植业的20%,在农业中具有举足轻重的作用。但是,我国每年有20%—40%新鲜水果因采后品质劣变而失去商品价值,直接经济损失超过1000亿元。

  果实品质保持受制于自身成熟衰老的调控,也与病原菌引起的腐烂密切相关。因此,深入系统研究果实成熟衰老调控机理与病原菌致病机制,不仅对丰富果实采后生物学知识具有重要意义,而且为研制防病保鲜新技术、减少果实采后损失和确保果实优质安全品质奠定了理论基础。

  对此,中国科学院植物研究所田世平研究组通过二十年的不懈研究,终于破解了果实成熟的节点基因RIN的作用机制,阐明了RIN通过直接控制果实芳香物质代谢及泛素/蛋白酶体途径调控果实成熟,为认识RIN调控果实成熟与品质的分子网络提供了新证据。这对于揭示果实成熟调控网络,研制新型果实贮藏保鲜技术具有重要意义。在2016年北京市科学技术奖评选中,该项目荣获二等奖。

  采摘下来的水果依然有呼吸

  想了解水果为何会腐败,首先得知道,与人一样,水果也会“呼吸”。

  其实水果被采摘下来后并没有死,它内部的生理活动并不会马上停止,它们还有呼吸,还“活着”。研究发现,不同种类的果实,其呼吸具有不同的特点。根据呼吸模式的不同,可以将果实分为“跃变型”和“非跃变型”两类。

  “跃变型的果实,从成熟到衰老的过程中,有一个呼吸强度快速增加、内源乙烯大量产生的阶段,称为呼吸高峰,经过呼吸高峰后,果实就会很快衰老。”中国科学院植物研究所研究员田世平告诉记者,呼吸跃变是指某些肉质果实从成熟到后熟的一种生理过程,之后果实将进入衰老。

  苹果、香蕉、芒果、猕猴桃、西红柿等,都属于跃变型果实。跃变型果实有一个“后熟”的过程。当内源乙烯大量产生时,由于乙烯是一个调控果实成熟启动的重要因子,果实内部就会发生一系列变化:淀粉转变成糖,有机酸分解,果实酸度下降,果胶酶活性提高使果胶分化、果肉变软,这样果实就变得很好吃了。

  “我们都知道,从树上采下的柿子要放一段时间再吃就没有涩味了,就是这个道理。”田世平说。

  与跃变型果实不同,另一类果实在其发育过程中没有呼吸高峰的出现,呼吸强度在其成熟过程中缓慢下降或基本保持不变,此类果实称为非跃变型果实,贮运这类果实时,采收成熟度可适当晚些。“葡萄、柑橘和草莓就是非呼吸跃变型果实。”田世平说。

  在呼吸跃变期间,果实体内的生理代谢发生了根本性的转变,是果实由成熟向衰老转化的转折点,所以,跃变型果实贮运时,一定要在呼吸跃变出现以前进行采收。

  果实成熟调控机制研究对提高果实品质、优化贮藏保鲜技术具有很大的指导意义。近年来,有关果实成熟的转录调控已有较多报道,鉴定到多个重要的转录因子,对它们的作用机制也进行了较多研究。然而,人们对果实成熟的转录后调控却知之甚少。

  首次阐释控制果实成熟的机制

  “以前大家都认为果实衰老与乙烯相关,但其中的调控机制并不完全清楚,可谓知其然,不知其所以然。”田世平告诉记者。

  近年来,随着调控果实成熟的多个转录因子的鉴定,成熟转录调控已成为国际研究热点。其中RIN是MADS-box转录因子家族成员之一,位于乙烯信号的上游。RIN突变后,果实不能正常成熟,说明RIN是调控果实成熟的节点基因。然而关于RIN调控的分子网络和作用机制并不完全清楚。

  课题组通过比较野生型和RIN突变体中差异表达的蛋白,鉴定到126个潜在的RIN作用靶标。利用染色质免疫共沉淀技术(ChIP)和凝胶阻滞(EMSA)实验揭示其中6个基因的启动子区与RIN发生特异性结合,其中3个芳香物质代谢(LOX)途径的关键酶基因是被首次报道。

  “这个研究结果首次阐明了RIN通过直接调控多个下游靶基因来控制果实芳香物质的形成和控制果实成熟。”田世平说。

  RIN既然作为果实成熟的节点基因,必然也能调控众多靶基因和相关的代谢途径。课题组再接再厉,在前期研究的基础之上,进一步通过细胞核定量蛋白质组学技术分析了受RIN调控的其他靶标基因,在差异表达的127个蛋白中,证明了泛素/蛋白酶体途径中2个重要的泛素结合酶基因是RIN的直接靶标。

  “这两个基因沉默后,果实不能着色,成熟延迟。”田世平说,在植物中,泛素介导的蛋白质降解途径已被证明参与多个重要的细胞过程,包括激素信号途径、生长发育和抗病反应等,而本研究首次报道泛素/蛋白酶体途径中的重要成员E2s参与了果实成熟调控。

  探明诱发果实衰老的诱因

  衰老是继成熟之后果实生命过程的重要阶段,直接影响果实采后品质保持。因此,探明诱发果实衰老的诱因对研制有效的保鲜技术至关重要。

  “我们从人体衰老机制的研究中得到了启发。”田世平告诉记者,“许多研究证明了活性氧(ROS)是诱发生物体衰老的重要因子,ROS易攻击蛋白质等生物大分子,使其发生降解或失去生物学活性,而ROS的作用机制一直是亟待探明的科学问题。”

  课题组系统研究了果实衰老过程中线粒体蛋白的表达变化,发现在促发ROS产生的氧化胁迫下,许多重要的线粒体蛋白(线粒体外膜蛋白、三羧酸循环相关蛋白以及抗氧化酶蛋白等)将出现氧化损伤,特别是外膜通道蛋白porin的异常变化导致线粒体膜电位改变、外膜破损,破坏线粒体功能,加速果实衰老进程。

  课题组首次揭示了线粒体外膜蛋白porin是ROS攻击的靶标,并明确了参与果实衰老应答的线粒体蛋白种类、功能及其在线粒体上的分布。

  这些结果说明线粒体蛋白的氧化损伤改变了蛋白质原有的生物学功能是促发果实衰老的重要诱因,ROS是通过氧化修饰特定线粒体蛋白,诱发氧化损伤来促发果实衰老。

  此外,衰老也降低果实自身的免疫力,使果实容易感染各种病害。为了提高果实自身抗病性和抵御病原菌侵染,课题组还系统研究了水杨酸、茉莉酸甲酯、草酸等外源信号分子对果实衰老抑制和抗病性诱导的效果及其作用机制,发现这些信号分子是通过抑制乙烯合成途径的关键酶活性降低乙烯释放量和呼吸速率,抑制叶绿素的降解,从而延缓衰老;此外,还通过诱发PR和抗氧化蛋白和相关基因的表达,提高果实的免疫力,抵御病原菌侵染。

  这些结果首次证明植物信号分子对果实抗性诱导的作用,明确了它们的最佳使用浓度,并解析了其诱导果实抗性的作用机制。

  找到了果实腐烂衰败的原因后,对研制防病保鲜新技术、减少果实采后损失提供了理论指导。如今,田世平课题组的研究成果已经在国内多个省市得到应用。

  据了解,目前果实保鲜一般有传统冷库、气调保鲜库以及1-MCP等方法。

  与传统冷藏库不同,气调保鲜库是人为控制贮藏库中氮气、氧气、二氧化碳的比例,通过降低氧浓度和提高二氧化碳浓度来抑制贮藏库中果蔬产品的呼吸强度,延缓其新陈代谢过程,达到保鲜效果。

  气调库效果虽好,但对操作技能要求很高,如果贮藏库中氧气和二氧化碳比例的调控出现偏差,就会伤害果实,便不能达到保鲜效果。而且,一旦开库出货,外界空气进入仓库,改变了气调库原有的氧和二氧化碳浓度,也会影响贮藏效果。

  “水果的贮藏要在一个恒定的环境,如果频繁的开关门,会影响品质。”田世平说。

  1-MCP是近年来发现的一种新型乙烯受体抑制剂,它能与乙烯受体结合,从而阻断乙烯的生物合成。在国外, 1-MCP做为花卉果蔬保鲜剂已得到广泛应用。

  将1-MCP与低温贮藏相配合,可以降低贮藏成本,保持果实品质,而且1-MCP具有无毒、低量、高效等优点,在果蔬贮藏保鲜上有着广阔的发展前景。课题组与陕西华圣果业集团公司合作,将1-MCP保鲜技术应用于苹果采后贮藏,不仅提高苹果的保鲜效果,还降低成本。该项技术还推广应用到国内多个水果基地,大大提高了水果的保鲜效果。

  “在保鲜理论的指导下,我们根据不同果实生理特点研发的保鲜技术,已经在多种水果上应用,果实的保鲜延长了,而且风味十分好,你甚至可以看到,在长时间保存后葡萄梗上的绿色依然翠绿。”田世平说。

(责任编辑:王蔚)

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