乙烯在鮮切花中的致衰機(jī)理與調(diào)控研究進(jìn)展

林青青

(海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院,海南 儋州 571737)

1 引言

鮮花切離母體后,就意味著開始走向衰老,引起鮮切花衰老的主要因素包括環(huán)境因子和內(nèi)部的水分代謝、呼吸代謝、細(xì)胞內(nèi)含物降解、酶活性變化和內(nèi)源激素變化等諸多方面,鮮切花衰老過程與內(nèi)源激素的種類及其平衡狀態(tài)密切相關(guān)[1]。在影響鮮切花品質(zhì)的眾多因素中,植物激素作為一個(gè)重要因素越來越受到人們的重視,切花體內(nèi)五大激素的含量和變化對(duì)切花的品質(zhì)有著極大影響。大量研究表明,乙烯作為切花體內(nèi)重要的激素之一,在切花衰老過程中起著關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)作用,是導(dǎo)致鮮切花衰敗的主要因素。

2 乙烯的生物合成途徑

1964年 Lieberman等首先指出乙烯來源于植物體內(nèi)的蛋氨酸(Met)[2]。1979年 Adams和Yang[3]的研究表明,乙烯的合成途徑為:蛋氨酸(Met)→S-腺苷蛋氨酸(SAM)→氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)→乙烯(Eth)。最后兩步分別由ACC合成酶(ACS)和乙烯形成酶(EFE)催化。這個(gè)途徑現(xiàn)已證實(shí)存在于所有研究過的組織中,是植物體合成乙烯的主要途徑。

ACC是乙烯合成的直接前體,由乙烯形成酶(EFE)催化形成乙烯。乙烯合成的限速步驟是由SAM合成ACC,ACC合成酶(ACS)是乙烯生物合成途徑的限速酶。ACC可被丙二酰轉(zhuǎn)移酶催化產(chǎn)生結(jié)合態(tài)ACC即丙二酰ACC(MACC)。幼嫩的花瓣比衰老的花瓣具有更高的丙二酰轉(zhuǎn)移酶活性,說明ACC的結(jié)合態(tài)可能用來限制自由態(tài)ACC形成乙烯[4]。

3 乙烯的致衰機(jī)理

3.1 乙烯的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和切花的乙烯敏感性

乙烯的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)也是乙烯研究中的熱點(diǎn),人們推測(cè)乙烯的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是乙烯發(fā)生生理作用的關(guān)鍵步驟。經(jīng)過對(duì)模式植物擬南芥以及一系列園藝作物的研究,發(fā)現(xiàn)乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是沿著ETR1→CTR1→EIN2→EIN3→EIL方向傳導(dǎo)[5]。乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的初始成分是乙烯受體(ETR),能跟乙烯結(jié)合,自身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后啟動(dòng)或抑制相關(guān)基因的表達(dá),是乙烯生物合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中一個(gè)關(guān)鍵因子,決定植物對(duì)乙烯的敏感性,控制著植物成熟和衰老的進(jìn)程以及對(duì)乙烯的應(yīng)答[6]。

不同衰老時(shí)期的組織對(duì)乙烯的敏感性不同,通常,花瓣對(duì)乙烯的敏感性隨著花瓣的衰老而上升,較老的花瓣在低濃度乙烯下就開始衰老[7]。Woltering和VanDoorn[8]對(duì)23科93種花的花瓣衰老過程中乙烯的作用進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)以花瓣脫落為最初衰老表型的花大多對(duì)乙烯敏感,而除了石竹科(如康乃馨)、桔梗科、錦葵科和大多數(shù)蘭科的花對(duì)乙烯高度敏感外,其他以花瓣萎蔫為最初衰老表型的花(如菊花和唐菖蒲等),其衰老與乙烯沒有明顯相關(guān)性。蔡蕾等[9]以14個(gè)生產(chǎn)用月季切花品種為試材,研究了乙烯對(duì)不同切花月季品種開花和衰老的影響。結(jié)果表明,在月季開花和衰老進(jìn)程中不同乙烯變化類型的品種對(duì)乙烯的反應(yīng)差別很大,同一類型中的不同品種對(duì)乙烯的反應(yīng)也有很大差別,說明了這一問題的復(fù)雜性。

3.2 乙烯的作用機(jī)制

由于切花的種類、品種不同,遺傳背景有較大差異,其作用機(jī)理也不盡相同。許多研究認(rèn)為,花衰老時(shí)呼吸速率增強(qiáng)與乙烯生成量有關(guān),減少內(nèi)源乙烯生成量能推遲呼吸躍變的出現(xiàn)[10]。Reid認(rèn)為,乙烯促使細(xì)胞膜組分及透性的改變,引起細(xì)胞內(nèi)含物外滲,水分丟失,花瓣凋萎[11]。有研究結(jié)果表明,乙烯敏感型切花與躍變果實(shí)一樣,花朵的開放和衰老是由產(chǎn)品身產(chǎn)生的乙烯所誘導(dǎo)[12],即當(dāng)產(chǎn)品的微量乙烯生成量達(dá)到或超過閾值時(shí),會(huì)誘導(dǎo)大量乙烯的生成,進(jìn)而啟動(dòng)切花的呼吸躍變和整個(gè)成熟衰老過程[13]。乙烯非敏感型切花不具備這一特征,其衰老期僅有微量乙烯生成,而且未出現(xiàn)乙烯高峰[14],切花的成熟和衰老與乙烯之間的關(guān)系更為復(fù)雜。

張徽等提出乙烯釋放能力與花的壽命有關(guān),如蝴蝶蘭等長(zhǎng)壽花和玫瑰等中壽花,盛開時(shí)乙烯大量生成,而凋萎時(shí)均減少;蜀葵、黃花菜等短壽花則恰恰相反[15]。

郭維明等[14]初步證實(shí),切花菊為ACC欠缺導(dǎo)致乙烯生成障礙的乙烯不敏感類型,但對(duì)高濃度乙烯也產(chǎn)生響應(yīng),菊花長(zhǎng)期貯運(yùn)應(yīng)對(duì)外源乙烯源加于防范。楊秋生等研究認(rèn)為,常溫下百合切花內(nèi)源乙烯釋放量的變化與躍變型果實(shí)成熟過程類似;低溫下內(nèi)源乙烯釋放量始終未出現(xiàn)明顯的高峰,這說明乙烯不是衰老的啟動(dòng)因子,而只是在一定程度上加快衰老的進(jìn)程[16]。近年來,大多數(shù)研究認(rèn)為,乙烯僅有加速切花衰老的作用,而并非衰老的啟動(dòng)因素。內(nèi)源乙烯釋放能力的強(qiáng)弱與切花的自然壽命密切關(guān)系[15,17]。

4 切花衰老過程中乙烯的調(diào)控

乙烯對(duì)切花的傷害程度取決于大氣中乙烯的濃度、暴露時(shí)間長(zhǎng)短、溫度、CO2濃度、切花的發(fā)育階段、質(zhì)量和不同季節(jié)等因素。可采取措施防止乙烯的污染,清除已經(jīng)產(chǎn)生的乙烯和抑制切花產(chǎn)生乙烯,從而達(dá)到保鮮目的。

4.1 乙烯的清除劑

當(dāng)產(chǎn)生乙烯后,一些物質(zhì)能吸收乙烯氣體從而降低環(huán)境中乙烯的濃度,但不能減少乙烯的產(chǎn)生。如高猛酸鉀、降冰片二烯、活性碳、硅膠、浮石等[18]。

4.2 乙烯的合成抑制劑

乙烯合成抑制劑是利用乙烯生物合成過程S-腺苷蛋氨酸(SAM)→氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)→乙烯(Eth)中的兩個(gè)關(guān)鍵步驟來抑制乙烯合成。通過合成抑制劑來降低ACC合成酶(ACS)和乙烯形成酶(EFE)的活性或含量來達(dá)到抑制乙烯生成的目的。ACS需要磷酸吡哆醛作為輔助因子,所以能被A0A(氧基乙基乙烯基甘氨酸)和AVG(氨基氧乙酸)等物質(zhì)能抑制,極大地減少了觀賞植物內(nèi)源乙烯的釋放。但乙烯合成抑制劑對(duì)外源乙烯的影響卻無能為例,還需及時(shí)出去環(huán)境中的乙烯,所以其生產(chǎn)上的運(yùn)用還存在一定的局限性,今年來AOA、AVG等乙烯合成抑制劑在觀賞植物的研究和應(yīng)用已較少。

4.3 乙烯的作用抑制劑及拮抗劑

乙烯作用抑制劑競(jìng)爭(zhēng)植物體內(nèi)的乙烯受體,可逆或不可逆地與受體結(jié)合,阻礙乙烯的正常結(jié)合,進(jìn)而抑制其所誘導(dǎo)的生理生化過程[19]。目前,對(duì)乙烯受體抑制劑的研究進(jìn)展較快。Ag+(AgNO3或STS)為早期發(fā)現(xiàn)的一種乙烯受體抑制劑,STS已在生產(chǎn)上獲得了廣泛應(yīng)用,Ag+是重金屬離子,會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈的污染,高濃度STS對(duì)機(jī)體具毒害作用[20]。DACP是不穩(wěn)定氣體,在高濃度下易爆炸,而其在黑暗條件下的作用不顯著。2,5-NBN需持續(xù)處理才能抑制乙烯作用,氣味難聞,且可能有致癌作用。1-MPC(1-甲基環(huán)丙烯)是近來發(fā)現(xiàn)的一種新型乙烯受體抑制劑,與傳統(tǒng)的抑制劑相比,具有無毒無味、低量、高效等優(yōu)點(diǎn),不僅能強(qiáng)烈抑制內(nèi)源乙烯的生理效應(yīng),還能抑制外源乙烯對(duì)內(nèi)源乙烯產(chǎn)生的誘導(dǎo)作用并且效果持久。2003年在美國(guó)50個(gè)州獲準(zhǔn)應(yīng)用與蘋果的采后處理和儲(chǔ)存。在世界上越來越多的國(guó)家里,1-MPC都被用來作為STS的替代品而大規(guī)模使用[21]。此外,NO、乙醇、CO2、PPOH、DPSS等物質(zhì)也可能通過影響乙烯的生物合成或其他途徑來阻礙乙烯的作用,作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

4.4 利用生物技術(shù)調(diào)控

利用反義基因技術(shù)可以降低 ACC合成酶與ACC氧化酶水平,丙延長(zhǎng)康乃馨等切花的瓶插壽命;使ACC脫氨酶過表達(dá)或調(diào)節(jié)乙烯受體活性也可影響鮮花壽命。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)手段的發(fā)展,特別是反義RNA技術(shù)的介入,利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以培育出抑制乙烯合成的切花品種。從基因水平上阻斷花的衰老,將從根本上解決切花保鮮的重大技術(shù)難題[22]。美國(guó)科學(xué)家已分離獲得香石竹編碼ACC合成酶和乙烯形成酶基因的互補(bǔ)DNA,利用反義RNA就能有效地阻礙內(nèi)源乙烯的生物合成,從而抑制花瓣衰老[23]。

5 結(jié)語

近20年來,關(guān)于切花的采后生理生化研究與切花保鮮劑的配置取得了不少成果,因而在改善切花品質(zhì)與壽命方面有了較大進(jìn)展。但仍有不少問題有待進(jìn)一步研究,如對(duì)乙烯不敏感的切花的衰老機(jī)理,乙烯的作用機(jī)理和高效、價(jià)廉、低污染的新型保鮮劑等。控制乙烯生物合成、乙烯敏感性及乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的原理和方法已在生化水平和分子水平上逐漸被闡明,隨著乙烯生物合成與效應(yīng)的生化調(diào)控和基因調(diào)控研究的進(jìn)一步深入,必將為切花保鮮提供新的有效方法,并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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