果實蠟質的研究進展

司雅靜劉嬌嬌王愛德袁 暉

(沈陽農業大學園藝學院/遼寧省果品采后生物學重點實驗室,遼寧 沈陽 110161)

植物蠟質是覆蓋在表皮細胞外由脂類物質構成的疏水層,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覆蓋[1]。果實蠟質的含量及組成在不同種類果實中表現不同,目前研究者們已經克隆出了一些蠟質合成相關基因,并且發現許多轉錄因子參與了蠟質合成中的轉錄調控。果實蠟質作為最外側的“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,控制活性氧產生等。近年來,許多研究者們圍繞果實蠟質含量與作用之間展開了研究,并且證實了果實蠟質對貯藏品質的影響。

1 果實蠟質成分與結構

1.1 果實蠟質成分

果實蠟質多呈灰白色覆蓋在果實表面,成分較為復雜,是眾多有機物混合而成的物質,主要為脂肪族化合物、環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成分存在很大的差異,利用氣相色譜—質譜聯用(GC-MS)技術,發現蘋果表皮蠟質主要是由碳原子數目超過 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;梨表皮蠟質的主要成分是脂肪酸和烷烴;柑橘果皮表層蠟質主要由烷烴、醛、初級醇、脂肪酸和萜類物質組成;設施番茄果實表皮蠟質組分主要有脂肪酸、脂肪醛、烷烴等[6～11]。柴亦豐通過對比‘金冠’等10個蘋果品種發現,與新鮮水果相比,貯藏后蘋果的表皮蠟質總量顯著降低,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生了變化,烷烴類物質和醇類物質含量下降,脂肪酸、醛類以及萜類物質增加[12]。

1.2 果實蠟質結構

蠟質分為由蠟質晶體構成的外蠟和由表皮蠟膜覆蓋、鑲嵌在外部角質層的無定形內蠟[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,將蠟質晶體結構分為片狀、膜狀、顆粒狀、桿狀等多種類型[14～15]。不同品種的果實蠟質結構會存在不同,李宏建等研究發現,在18個不同蘋果品種中,富士、國光等較耐貯藏品種的角質層和蠟質層較厚,紅玉、金冠等耐貯性較差的品種角質層和蠟質層較薄,其中‘金冠’角質層和蠟質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構有一定關系[16]。果實的不同發育時期也會對蠟質結構產生影響,旁程等對黃果梨研究發現,隨著果實發育蠟質的積累,表面蠟質片層起層現象越明顯,出現了裂縫愈大的現象,并且周圍有少量的顆粒狀物質生成[17]。

果實蠟質可以保護植物免受環境脅迫,還可以保持生理完整性,延長果實貯藏期[18]。在當前先進的科學技術下,研究者們對果實蠟質的研究越來越深入,但是其內涵豐富,還有許多未被發現的問題等著人們去探索。

2 蠟質的合成與調控

2.1 合成

蠟質的合成是一個非常復雜的過程,需要多種酶的參與,對模式植物擬南芥的蠟質合成已有了較為深入的研究,大致分為3個階段:(1)質體內C16和C18脂肪酸的從頭合成;(2)C16和C18脂肪酸在內質網中延伸為C20-C34的超長鏈脂肪酸(VLCFAs);(3)內質網中以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)形成各種蠟質產物,包括醇類,酯類,醛類,烷烴和酮類等物質[19～20]。

2.2 調控

在分子生物學的快速發展下,研究者們大量克隆了調控果實蠟質合成的相關基因,主要有CER1、CER2、CER3、CER6、KCS1、WIN1、ECR、KCR、LACS2等,它們在蠟質的合成和轉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合成基因,MdCER1可能參與了蘋果表皮蠟質的合成[22～23]。Albert Z研究發現蠟質合成相關的結構基因LACS2、KCS7/2、CER4和CER1在蘋果果皮中特異性表達[24]。CsWIN1誘導柑橘果實角質和表皮蠟質的沉積[25]。PaLACS2參與甜櫻桃果實長鏈脂肪酸的合成[26]。

有研究者發現,參與了非生物脅迫及發育調控的WRKY基因在野生大豆中促進了蠟質合成途徑中的大量關鍵基因如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現超量表達CsMYB44的轉基因番茄植株葉片表面蠟質的積累量多于野生型,這表明CsMYB44可能對蠟質生物合成起正向調控,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錄因子CsERF3,這為蠟質轉錄調控提供了新思路[28]。

任春濤等總結了蠟質合成過程中的轉錄調控因子,包括AP2類、MYB類、HD-Zip類轉錄因子和MADX-box等[29]。

蠟質合成基因和轉錄調控因子逐漸被發現,人們可以從基因水平對蠟質合成進行調控,從而調節其與果實的生長發育貯藏之間的關系。

3 果實蠟質與貯藏

3.1 果實蠟質與水分

水分在果實生長中起到了至關重要的作用,它與體內代謝過程的正常運轉息息相關[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,果實內水分會流失,導致果皮皺縮,失重失鮮,影響果皮顏色及果實品質,而果皮蠟質由眾多疏水有機物組成,通過調控表皮滲透,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損傷會導致采后失重率的上升,其推測這可能和果實外表皮蠟質的保水功能密切相關[32]。張海祿等認為表皮蠟質含量的高低與植物水分利用的效率關系密切,蠟質含量越高,水分利用率越高[33],而Oliveira等研究者們發現,蠟質的成分才是具有保水功能的關鍵所在。‘金冠’蘋果果實易失水皺縮,且不耐貯藏[34],Belding等報道了同‘紅星’系蘋果相比,‘金冠’系蘋果果皮角質層蠟質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致果皮形態結構不同,從而使得果皮的透水性有顯著差異。綜合以上,蠟質對果實水分保持有重要的作用[35]。

3.2 果實蠟質與果實軟化

果實軟化是果實成熟中正常的生理過程,在此過程中,細胞壁的結構和組分發生了明顯的變化[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,細胞壁空間結構與化學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,有研究者發現,果實蠟質與果實軟化之間有著一定的聯系。藍莓外表皮蠟質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的快速分解,使果實保持較好的硬度,而藍莓果皮蠟質被破壞時,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層,對果實軟化有一定的抑制作用[40]。

3.3 果實蠟質與病蟲害

果實蠟質與果實病蟲害也有著一定的聯系,隨著成熟后貯藏時間的增加,蘋果等果實表面蠟質含量會減少,病原菌便會從蠟質裂紋處入侵,果實會被腐蝕,較厚的蠟質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,蘋果果實表皮蠟質層厚度和密度與果實貯藏過程中發生褐變有關[42]。

3.4 果實蠟質與活性氧

活性氧(ROS)是一類具有化學活性的氧分子,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含量呈現整體升高的動態變化,會先后出現兩個高峰,果實成熟衰老與ROS含量呈正相關,對果實成熟階段基因表達豐度進行系統分析后發現,成熟早期活性氧代謝相關基因表達量非常高,表明ROS可能參與調控了果實成熟[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生,顯示ROS具有誘導果實衰老的功能[46]。

蠟質作為果實表面的保護層,對活性氧的產生也有著影響。有研究者發現,在冷藏條件下去蠟藍莓的超氧陰離子產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生,加速了藍莓在貯藏期的衰老[47]。有研究者將天然產物蜂膠作為蠟質替代物,用其涂抹蘋果表面后,發現可以有效的抑制果實內部活性氧的含量[48]。

3.5 果實蠟質與乙烯

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[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節劑農藥,能促進呼吸躍變型果實成熟過程中內源乙烯的產生[50]。1-甲基環丙烯(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,進而實現對植物成熟衰老的抑制作用[51]。近年來,有許多研究者發現乙烯利和1-MCP與成熟及貯藏期的果實蠟質變化有著影響關系。

劉劍鋒等研究者們對兩種秋子梨的果皮結構與耐貯性關系進行研究時發現:蠟質較差的尖把酸梨果實的乙烯釋放高峰出現時間早于蠟質較好的花蓋梨果實,結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,果皮蠟質會發生油膩化現象,并且受果實成熟度影響,成熟度越高越易發生[53]。王曉飛等發現在常溫貯藏過程中,‘粉紅女士’蘋果的蠟質含量呈上升趨勢,果實表面不斷出現新的蠟質,油膩化現象也更嚴重,用1-MCP處理‘粉紅女士’蘋果可抑制并延緩果皮蠟質變化和果皮油膩化的發生[54]。

毛惠娟在乙烯利和1-MCP處理對香梨表皮蠟質的影響及與耐貯性關系的研究中發現:乙烯利促進香梨成熟的過程中加速了表皮蠟質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中VLCFAs的合成,并且發現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質量分布密度的變化,1-MCP處理會延緩MdCER6表達出現的時間[56]。

4 總結與展望

果實蠟質是保護果實的角質層,它對果實的貯藏起到了重要的作用。隨著現代科學的不斷進步,其奧秘正在被研究者們不斷揭開,蠟質的復雜成分及結構,蠟質的合成與調控,蠟質對果實保持生理完整性的功能等,都在逐漸被人們發現。

現代生物技術飛速發展,研究者們不再局限于生理水平,轉錄組代謝組分析技術的普及,為果實蠟質合成及調控途徑中一些關鍵基因的發現奠定了基礎,并且在先進顯微鏡的幫助下,對果實蠟質成分及結構的研究會越來越深入。果實蠟質對果實水分、軟化、病蟲害、活性氧及乙烯等多個方面會產生影響,但是大多數的研究是針對生理層面,可以在先進的分子技術下進行更深入研究,補充分子機制的空白,為果實蠟質與其作用之間提供有力的理論依據。