能量虧缺對果蔬采后組織衰老、褐變與病害的影響

王 靜

（1.陜西學前師范學院生命科學與食品工程學院，陜西 西安 710100；2.陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西 西安 710119）

能量是生物體生命活動的基礎，三磷酸腺苷（ATP）是生物體內最重要的能量代謝庫。近年來對采后果蔬衰老與能量代謝關系的研究發現，果蔬的能量狀況影響組織代謝，能量較低可能引起采后果蔬的衰老和褐變。果蔬在采后衰老過程中常伴隨著物質的轉化、呼吸代謝途徑和呼吸鏈組分的改變。在正常情況下，細胞能夠合成足夠的能量以維持果蔬正常的生命活動；但當采后果蔬衰老或遭受不良環境脅迫時，呼吸鏈遭到破壞、ATP合成能力下降，能量虧缺導致果蔬細胞代謝紊亂和功能喪失，最終導致果蔬細胞不可逆死亡[1]。病原菌侵染果蔬等植物組織時，應激反應會消耗大量的能量，當ATP合成不足時，能量虧缺會導致果蔬對病原菌的抗病性降低或喪失，細胞膜的修復能力下降，區室化分布的細胞結構被破壞，最終導致采后果蔬褐變和病害的發生。采后果蔬的能量代謝影響到細胞膜完整性、呼吸代謝途徑以及氧自由基產生和清除的調控方式，在采后果蔬組織衰老、褐變及病害發生中起重要的作用。因此，維持果蔬細胞內ATP和能荷的水平可使組織維持正常生命活動，從而保持果蔬品質，延長采后貯運貨架期。

1 能量虧缺在果蔬采后組織衰老過程中的作用

1.1 果蔬采后衰老過程中呼吸代謝異常與能量虧缺的關系

呼吸代謝是果蔬等植物組織產生能量的基本途徑，植物呼吸代謝強弱受細胞中能荷狀態的調控。采后果蔬果實由于離開母體，礦物質、水分及有機物的供給停止，導致光合作用趨于結束，但生命活動仍在進行。生物大分子的轉換更新、細胞結構的維持和修復所需能量由果蔬采后的呼吸作用提供，而線粒體是果實進行呼吸作用和能量合成的場所[2]。在衰老及外界逆境脅迫下，線粒體功能紊亂引起細胞能量缺乏。而細胞內因能量生成速率下降或能量供給不足又會改變呼吸途徑，從而導致呼吸強度和能量代謝水平發生變化。彭麗桃等[3]用呼吸解偶聯劑（DNP）處理新鮮馬蹄切片后認為，DNP增加呼吸電子流，顯著提高了新鮮馬蹄切片總呼吸速率，同時更顯著提高了電子流分配到交替途徑的比例。呼吸速率及抗氰交替途徑的升高，其結果是細胞內水解過程加強和貯藏蛋白質的消耗增加，進一步加劇組織內能量虧損和衰老進程。同時，呼吸代謝途徑中許多關鍵的調節酶受三磷酸腺苷、二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP）濃度的調節。當ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快；而當ATP/ADP比值升高時，氧化磷酸化速度減慢。陳夢茵等[4]研究認為，采后龍眼果實衰老過程中能量虧缺與細胞中吡啶核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP)、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）、含量發生變化有關，推斷呼吸鏈的成員吡啶核苷酸參與了采后果蔬呼吸代謝能量產生過程，其含量的變化會導致采后果蔬呼吸途徑發生變化。因此，果蔬能量的產生受自身呼吸代謝的影響，反過來其呼吸代謝也受自身細胞能量水平的調節。

1.2 果蔬采后衰老過程中活性氧代謝失調與細胞能量虧缺

線粒體是采后果蔬呼吸代謝、活性氧和能量產生的主要場所。正常情況下，果蔬體內的活性氧清除系統能夠及時清除正常代謝產生的活性氧；而當果蔬遭受逆境脅迫或衰老時，果實需要消耗大量的能量以抵御不良環境脅迫，此時線粒體加速運轉以產生足夠的能量物質ATP，這一過程中呼吸代謝電子傳遞途徑中的電子漏增加，導致大量產生，細胞內活性氧積累；而活性氧清除系統清除能力的降低致使采后果蔬體內活性氧不能及時清除，大量活性氧導致果蔬組織發生氧化損傷，線粒體功能性障礙，能量產生進程受阻，不能滿足細胞正常生命活動的能量需求，進一步加劇采后果蔬的生理代謝失調[5]。前人的研究認為，ATP一方面在細胞內作為信號因子參與細胞對外界脅迫的信號傳遞，誘導植物體內抗氧化體系的活性間接參與體內活性氧的清除；另一方面，ATP可以直接參與體內活性氧的清除。Veltman等[6]研究發現，梨果實在采后貯藏期間，細胞線粒體中ATP生成減少，而自由基產生增加。Kumar等[7]在研究馬鈴薯塊莖貯藏過程中發現，伴隨著能量生成，由谷胱苷肽介導的自由基清除系統和質膜ATPase活性明顯升高。重要的抗氧化物質谷胱甘肽(GSH）的合成必須消耗大量的ATP[8]。Saquet等[9]也發現ATP在抗氧化物質“抗壞血酸-谷胱甘肽”循環中自由基清除劑（如還原型抗壞血酸、谷胱甘肽和VE）的合成中起重要作用。Song等[10]研究認為ATP可能是活性氧信號的靶器官，對清除自由基起作用。

1.3 果蔬采后衰老過程中細胞膜系統的傷害與細胞能量虧缺

細胞膜是生物體的重要組成部分，果蔬衰老常常被認為與膜脂過氧化對生物膜造成傷害有關。膜完整性和細胞膜內外滲透壓維持、膜上功能蛋白合成、跨膜K+和Na+的轉運均需要能量。正常的果蔬細胞可合成足夠的能量以維持細胞內膜代謝等的平衡；而當果蔬衰老或處于逆境脅迫環境下時，ATP合成能力下降，果蔬細胞代謝異常、功能紊亂，致使細胞膜區室化功能喪失，完整性遭到破壞，細胞內區室化分布的酶和底物不可控制的接觸、作用，最終導致細胞死亡[11]。Yi等[12]用外源能量物質ATP處理采后鮮荔枝果實時發現，細胞膜系統的傷害可能與細胞內能量虧缺有關：當ATP合成速率低于一定閾值時，自由脂肪酸等膜脂水解產物含量顯著增加。

1.3.1 果蔬組織衰老過程中細胞膜水解程度的加劇與能量虧缺

當果實衰老時，細胞組織出現能量虧損，組成細胞膜主要骨架的磷脂發生降解，細胞內游離脂肪酸含量上升，同時伴隨著膜透性增大。前人的研究表明，磷脂酶D、脂氧合酶、磷脂酸磷酸酶、脂解酰基水解酶是破壞細胞膜磷脂雙分子層，加速膜脂代謝的脂降解酶。其中磷脂酶D是植物衰老膜脂類代謝的關鍵酶，它在加速磷脂降解的第一步反應中起重要的調節作用[13]。近年來的研究同時指出，Ca2+是磷脂酶的重要調控因子，磷脂酶D可被Ca2+激活[14-15]。Ca2+在細胞質中的運出主要由Ca2+-ATPase和Ca2+/H+反向轉運蛋白完成，同時需要消耗ATP提供能量或質子梯度驅動，當細胞內能量不足或Ca2+-ATPase活性受抑制時，Ca2+在細胞內的跨膜運輸受阻[16-17]，這樣細胞溶質中的Ca2+可能就激活了磷脂酶D，進而加速磷脂代謝[18]。

1.3.2 果蔬組織衰老過程中細胞內外滲透壓的破壞與能量虧缺

能量虧缺可能加速細胞膜滲漏。離子的吸收和離子的保留都是依賴能量的過程，任何對能量產生的干擾都能成為滲漏和呼吸改變的原因。細胞膜內外離子的轉運是由ATPase來完成的，ATPase活性的上升可能是維持細胞內的離子平衡和修復電化學梯度的重要生理響應，是修復膜完整性的結果。當細胞受外界環境脅迫或內部指令需調節滲透度維持細胞內外滲透勢平衡時，必然需要膜ATPase的跨膜運輸作用。ATPase變性失活，導致細胞膜內外滲透壓平衡被破壞，加速細胞膜選擇性和區室化功能的喪失，加劇細胞衰老死亡。簡令成等[19]的觀察指出，低溫傷害后，質膜的主動運輸功能降低可能是由于ATP酶的活性下降，細胞內能量水平降低，胞質中大量的Ca2+不能運轉，細胞對物質的主動吸收和運輸功能均降低，物質的運輸和滲漏增加，細胞內外滲透平衡被破壞，導致植物細胞與周圍環境的物質交換的平衡遭到破壞。

1.3.3 能量虧缺導致組成細胞膜的組分及其結構的改變，膜透性增大

前人研究還發現，能量對膜的作用可能與能量影響膜脂組分組成有關，能量虧缺可能導致組成細胞膜的組分及不飽和程度發生改變，從而引起細胞膜生物化學和生物物理性質的改變，使細胞膜結構完整性加速破壞，最終導致膜系統區室化功能喪失[20]。Saquet等[21]研究也表明，“Conference”梨在氣調貯藏期間，隨貯藏時間的延長組織能量代謝水平增加，多聚不飽和脂肪酸如油酸、亞油酸等含量明顯上升。陳蓮等[20]研究認為，DNP促進采后龍眼果實果皮褐變可能是與脂氧合酶（LOX）活性升高，加速了膜脂脂肪酸組分中的不飽和脂肪酸的降解，從而破壞膜系統完整性，最終導致區室化分布的多酚氧化酶（PPO）與酚類物質接觸發生酶促褐變有關。

1.3.4 能量虧缺導致細胞膜修復功能的失調

Rawyler等[22]研究發現，當ATP合成速率低于一定閾值時，膜脂水解產物如自由脂肪酸、N-乙酰磷脂酰乙醇胺含量明顯增加，推斷ATP可能在果蔬衰老過程中的細胞膜系統損傷修復中起重要作用。

2 能量虧缺在果蔬采后組織褐變中的作用

褐變是果蔬采后貯藏期間品質劣變最為突出的問題之一，極大影響了果蔬的外觀品質、商品價值和貯藏時間，給生產造成很大的經濟損失[23]。采后果蔬組織酶促褐變的直接原因是多酚氧化酶和褐變底物在細胞中區室化分布結構破壞[24]。Su等[25]和Duan等[26]研究認為，果蔬褐變可能與能量代謝異常有關。Veltman 等[27]研究表明，“Conference”梨在貯藏過程中果實褐心病的發生部分原因是由組織能量虧缺引起的。Chen等[28]研究發現，0.8 mmol/L的ATP處理對龍眼果實采后生理和品質效果最佳，能有效降低龍眼果實果皮褐變指數，較好維持細胞膜中酚類物質、多酚氧化酶在細胞中的區室化分布，在控制龍眼果實果皮褐變的發生中起著重要的作用。

3 能量虧缺在果蔬采后組織病害發生中的作用

3.1 果蔬采后侵染性病害的發生與細胞能量虧缺

前人研究認為，果蔬采后病害的發生可能與能量虧缺有關。果蔬采后受病菌侵染之后，表現為呼吸速率增強，主要是呼吸末端氧化酶活性發生變化，能荷水平發生改變等生理生化反應[29-30]。當病原菌侵染果蔬組織時，果蔬組織產生和積累大量活性氧、植保素等物質對病原菌的侵染做出應激反應，同時通過加速線粒體的運轉提供抵御病原菌侵染的ATP，以滿足能量需求。當ATP合成低于一定閾值時果蔬組織能量虧缺，對病原菌的抵御能力降低和喪失，最終導致果蔬采后病害的發生。2,4-二硝基苯酚（DNP）是氧化磷酸化解耦聯劑，能夠通過破壞跨越線粒體內膜質子梯度的形成抑制ATP的合成。Yi等[31]研究報道，經荔枝霜疫霉菌接種的荔枝果實在感染初期能荷值差別較小；隨著貯藏時間的延長，果實的氧化磷酸化解偶聯，其果皮ATP含量下降，細胞受傷害，寄主抗病能力降低，果實病害指數和果皮褐變指數增加；外源DNP處理會引起荔枝霜疫霉菌接種荔枝果實果皮ATP含量的下降，促進病害的發生；而外源ATP處理則能有效延緩荔枝霜疫霉菌接種荔枝果實果皮ATP含量的下降和病害的發生。陳夢茵等[4,32]研究表明，能量虧缺在擬莖點霉侵染所致龍眼果實采后病害的發生中起重要作用。外源DNP處理加劇擬莖點霉侵染所致龍眼果實能量虧缺、增強呼吸末端氧化酶活性，削弱磷酸戊糖呼吸代謝途徑，從而促進病害的發生；而ATP處理能夠維持擬莖點霉侵染的龍眼果實細胞較高的能荷水平，降低呼吸末端氧化酶活性，增強磷酸戊糖呼吸代謝途徑，從而延緩采后病害發生。

3.2 果蔬采后冷害的發生與細胞能量虧缺

低溫貯藏可降低采后果蔬的呼吸作用，抑制微生物的生成，從而延緩采后果蔬品質劣變和組織衰老，是維持采后果蔬貯藏品質和貨架期的一個非常有效的保持方法。但一些種植在熱帶、亞熱帶及溫帶中的果蔬對低溫異常敏感，當貯藏于不適宜的低溫時會引起代謝紊亂，加速品質下降和組織衰老[33]。采后果蔬冷害與能量代謝的關系研究目前主要集中于ATP代謝和線粒體結構方面。一方面，低溫逆境脅迫時，線粒體結構受損，線粒體膜脂由液晶態向凝膠態轉變，ATP產生受阻；另一方面，ATP代謝相關酶的活性受低溫影響，導致細胞內能量虧缺，細胞代謝功能紊亂，結構被破壞，從而進一步加重冷害反應，出現各種冷害癥狀，加速果蔬衰老[34]。桃果實發生冷害時，ATP代謝相關酶（H+-ATPase、Ca2+-ATPase）、琥珀酸脫氫酶（SDH）和細胞色素氧化酶(CCO)等線粒體呼吸代謝酶活性下降，ATP、ADP含量降低，能荷水平下降，細胞膜結構被破壞，膜脂過氧化加劇，冷寒導致的褐變加重[11]。

4 不同貯藏方法對果蔬采后能量代謝的影響及其在延緩組織衰老、褐變和病害發生中的應用

果蔬采后貯藏期間細胞的能荷水平與果實衰老密切相關。延緩果實采后能荷水平的下降，穩定能量的生成速率是延緩果蔬采后衰老和品質劣變的一個重要途徑。采后荔枝[12]、龍眼[4]果實經外源ATP處理能維持果皮組織內較高的ATP含量和能荷水平，抑制膜脂過氧化，從而較好地維持細胞膜系統的完整性，延緩果實衰老進程。李輝等[35]研究認為，1-MCP處理能較好延緩采后“油木奈”果實衰老，可能與1-MCP處理通過改變果實的呼吸途徑從而改變呼吸強度和能量代謝水平，維持貯藏后期較高的ATP含量，保持較高的能荷值有關。陳蓮等[36]研究推測，1-MCP處理可能通過煙酰胺腺嘌呤二核苷酸激酶（NADK）影響細胞內NAD(H)和NADP(H)的含量，從而影響導致磷酸戊糖途徑和細胞中活性氧的產生和清除能力，改變呼吸強度和能量代謝水平，保持細胞膜的完整性，較好保持果實的貯藏品質和商品價值。王靜[37]研究了活性氧清除劑外源抗壞血酸（AsA）處理對采后龍眼果實果皮褐變的影響及其與能量代謝的關系，研究結果表明，AsA處理使龍眼果皮保持了較高的能荷值和ATP含量，維持較高的呼吸鏈中活性氧清除能力，從而延緩了龍眼果實采后果皮褐變和果實衰老。枇杷果實經茉莉酸甲酯處理，在貯藏期間能維持較高的能荷水平和ATP含量，維持較高的能量水平抵御病菌侵染，從而減輕枇杷果實釆后炭疽病害的發生，延緩了果實衰老[38]。草酸處理顯著提高低溫脅迫下芒果果實ATP含量，延緩果實能荷的下降[39]。

5 展望

植物細胞中的活性氧主要通過呼吸鏈產生，采后果蔬在衰老或遭受逆境脅迫時，細胞能量產生速率降低或能量供給不足時，致使呼吸途徑發生改變，呼吸鏈受損，大量活性氧生成，受大量活性氧攻擊，細胞膜透性不斷升高，由于能量虧缺采后果實膜系統自我修復能力降低，細胞膜的完整性逐步降低，最終導致細胞膜結構和靠它維持的區室化狀況的破壞，最終導致果實品質劣變，衰老腐爛[36]。維持細胞內核苷酸和能荷水平，可有效推遲采后果蔬的貯運壽命。能量影響果蔬采后品質劣變和組織衰老是一個復雜的過程，目前對于部分果蔬采后能量代謝與果蔬衰老間的關系已有了較多的進展，但生理生化與分子機制還不十分明確，特別是呼吸途徑和能量代謝的調控方式。深入揭示這些問題，以及如何調控能量代謝，使果蔬采后維持較高的能量狀態，對果蔬保持良好的貯藏品質、延長貯藏時間，有著十分重要的意義[40]。