桃果實冷害與能量代謝關(guān)系研究進展

白 歡，李岳樺，魏 征，祝美云

（1.河南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，河南 鄭州 450002；2.國家糧油及肉制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，河南 漯河 462001）

桃果實汁多味美，芳香誘人，色澤艷麗，營養(yǎng)豐富[1]。桃屬于典型的呼吸躍變型水果[2]，采后常溫不耐貯藏，極易軟化腐爛變質(zhì)，低溫貯藏可有效延長貯藏期，但低溫會導(dǎo)致桃果實發(fā)生冷害癥狀，國內(nèi)外對此已有不少報道[3-6]。筆者在現(xiàn)有研究冷害機理的基礎(chǔ)上，從能量代謝出發(fā)，進一步揭示冷害產(chǎn)生的原因，為桃果實貯藏保鮮技術(shù)的完善提供理論依據(jù)。

1 冷害概念與冷害癥狀

冷害（chilling injury）是指一些生長在熱帶、亞熱帶（包括某些溫帶）高溫環(huán)境中的植物或其器官由于形成了對低溫的敏感性，在不適當?shù)牡蜏叵庐a(chǎn)生的代謝失調(diào)和細胞傷害，是冷敏感性植物或植物器官對低溫脅迫的不良反應(yīng)[7]。

低溫下貯藏的冷敏感果蔬都會產(chǎn)生冷害。冷害因種類、冷敏性及冷害程度而異，最常見的冷害癥狀是表面呈現(xiàn)水漬狀或凹陷斑點，果肉、果心組織變褐至黑色，表皮下細胞干縮至海綿狀，未成熟果實不能正常后熟等。桃在低溫貯藏過程中很容易發(fā)生冷害。蔡琰等[8]研究表明，水蜜桃“霞暉5號”在0℃下冷藏28 d的果實出現(xiàn)了明顯的質(zhì)地絮敗，在4℃分別貯存 2、4、6、8、10 d 后繼而轉(zhuǎn) 0℃貯存的果實出現(xiàn)了明顯的木質(zhì)化敗壞（leatheriness）癥狀，Crisosto 等[9]研究表明，“Elegant lady”桃在 0℃下貯藏時，小果的貨架期比大果長，但小果在氣調(diào)貯藏時卻容易發(fā)生褐變，影響果實品質(zhì)。趙迎麗[10]發(fā)現(xiàn)石榴在0℃下貯藏8周時表面凹陷連成大面積褐色斑塊，貯藏后期，冷害發(fā)展嚴重時，內(nèi)部癥狀表現(xiàn)為，籽粒發(fā)白，白色隔膜褐變，并且冷害部位果皮組織開始壞死并滋生病菌。此外，桃、杏果實在0～4℃溫度中貯藏時間過長，果肉中出現(xiàn)的海綿狀變化也是一種冷害現(xiàn)象。

2 冷害發(fā)生機理

目前，國內(nèi)外對冷害產(chǎn)生的機理有以下幾種。（1）細胞壁物質(zhì)代謝異常。發(fā)生冷害果實的細胞壁組分與正常果實有著很大的差異，冷害果的果膠質(zhì)代謝明顯異常，其果實中含有較多的共價結(jié)合果膠質(zhì)和離子結(jié)合果膠質(zhì)，水溶性果膠質(zhì)較少，不溶性果膠質(zhì)形成凝膠而束縛了大量的水分，這與楊虎清等[11]在1-MCP對不同成熟度白鳳桃冷害發(fā)生的影響中的研究相一致。（2）細胞壁中相關(guān)酶類。絮敗實際上是果肉質(zhì)地的異變，這與果肉細胞壁中果膠物質(zhì)的代謝有密切的關(guān)系。茅林春等[12]在研究“白鳳”桃時還發(fā)現(xiàn)，纖維素酶與果實軟化的啟動可能有著更為密切的關(guān)系。（3）細胞膜系相變。早在1970年就有人提出植物的低溫傷害來自膜脂相變的假說。冷處理導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)損傷，果肉細胞電解質(zhì)大量外滲，細胞膜透性增大。（4）膜質(zhì)過氧化。植物在逆境脅迫下體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和消除的代謝平衡受到破壞，過剩的活性氧會對植物造成毒害，它能引發(fā)和加劇膜脂過氧化作用，從而破壞膜的結(jié)構(gòu)與功能，最終導(dǎo)致膜的損傷和冷害發(fā)生[13]。（5）呼吸和乙烯釋放。果實采后仍然進行呼吸作用，許多熱帶亞熱帶植物受到冷害后呼吸強度異常升高，隨著冷害的發(fā)展，呼吸強度又顯著下降，是不可逆生理傷害的開端。乙烯作為一種植物內(nèi)源激素，對果實成熟衰老具有重要調(diào)節(jié)作用，當受冷害的果實轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境時，會激發(fā)產(chǎn)生大量乙烯，從而對果蔬后熟產(chǎn)生不正常的影響。（6）果肉褐變。水果貯藏期間的組織褐變是酚類物質(zhì)酶促氧化的結(jié)果，產(chǎn)生褐變的三大條件是組織中酚類物質(zhì)、多酚氧化酶（PPO）和活性氧代謝。葉梅[14]認為在未受損果中，酚類物質(zhì)是與PPO存在于不同部位，這種區(qū)域性的分布阻止了底物和酶的相互接觸，一旦膜系統(tǒng)受損，使物質(zhì)的區(qū)域化分布破壞，底物與PPO接觸，進行一系列的脫水、聚合反應(yīng)，從而產(chǎn)生褐變。

綜上所述，冷害是多種因素影響的復(fù)雜過程，根據(jù)以上的研究結(jié)果，對冷害發(fā)生的機理概括如下（圖1）。

3 冷害桃果實的能量代謝

圖1 冷害的發(fā)生機理

李楊昕[15]在大久保桃果實特征香氣物質(zhì)低溫代謝障礙的基礎(chǔ)研究中發(fā)現(xiàn)，桃果實風味嚴重喪失時與風味濃郁時相比，共檢測出48個差異蛋白質(zhì)，其中19個為已知蛋白質(zhì)，根據(jù)功能分為5類，分別參與能量產(chǎn)生、代謝、抗性、轉(zhuǎn)錄和細胞結(jié)構(gòu)。同時發(fā)現(xiàn)，檢測到有與細胞結(jié)構(gòu)相關(guān)的差異蛋白質(zhì)，生物膜在生物體內(nèi)起著重要的作用，是生物正常生長、發(fā)育的保障[16]，而脂類是生物膜的主要組成部分，其不飽和程度與生物膜的穩(wěn)定性相關(guān)。魏征[17]在研究桃果實特征香氣合成途徑和低溫代謝相關(guān)性中推測，脂肪酸前體物質(zhì)如亞麻酸和亞油酸與脂肪酸代謝生成的香氣己醛，反-2-己烯醛呈現(xiàn)正相關(guān)，同時，脂肪酸代謝過程中產(chǎn)生的另一類桃果實特征香氣，如癸內(nèi)酯，其代謝源于脂肪酸代謝，飽和脂肪酸含量與內(nèi)酯含量增加呈負相關(guān)。以下本文將從能量代謝角度闡述桃果實的冷害問題。

3.1 冷害桃果實線粒體結(jié)構(gòu)的變化

ATP作為生物體的能量來源，是維持生命活動最重要的能量庫，其含量在一定程度上能夠反映植物本身的能量狀況[18]，而線粒體是產(chǎn)生ATP的主要來源，同時也是果實進行呼吸作用的重要場所。果實的成熟衰老與其呼吸代謝密切相關(guān)，桃果實受到冷害后呼吸作用增強，ATP耗量加大，若線粒體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，ATP產(chǎn)量是否有變化呢？段玉權(quán)等[19]認為正常后熟的桃果實線粒體清晰，數(shù)量較多，靠壁分布，且結(jié)構(gòu)完整，雙層膜也完整，而受冷害的桃果實線粒體破裂分解。然而齊靈[20]通過電鏡觀察到成熟桃的細胞明顯液泡化，液泡占細胞體積的90%以上，細胞質(zhì)被擠壓成一薄層緊貼細胞壁，細胞核結(jié)構(gòu)完整，線粒體、葉綠體、細胞壁已出現(xiàn)退化跡象，而在0℃條件下貯藏的冷害桃線粒體電子透明度增加，內(nèi)脊較明顯，且細胞器雙膜結(jié)構(gòu)基本完整，因此他認為冷藏并未使線粒體這一細胞代謝能量轉(zhuǎn)換器喪失功能。鄭國華[21]則發(fā)現(xiàn)，在0℃低溫下貯藏的枇杷幼果線粒體沒有明顯的內(nèi)脊，內(nèi)部呈小泡化，雙層膜破壞嚴重，膜邊界模糊。桃冷害后線粒體結(jié)構(gòu)究竟是否發(fā)生變化及與ATP有無關(guān)系，目前尚不明確，這有待進一步研究。

3.2 冷害桃ATP含量和ATP酶活性的關(guān)系

ATP是光合磷酸化和氧化磷酸化的產(chǎn)物，是活細胞中最活躍的能量通貨，也是活細胞進行新陳代謝最重要的生理指標。在脅迫下能量角度分析，有三個方面：一是呼吸增強，碳同化減少；二是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成和積累是一個耗能的過程；三是ATP作為植物維持生命活動最重要的能量，其含量在一定程度上能夠反映植物本身的能量狀況。冷害果實果肉細胞發(fā)生抵御反應(yīng)如呼吸強度增強，維持細胞滲透勢等生理反應(yīng)，而這些互作過程大量消耗ATP。細胞內(nèi)ATP酶活性的高低，標志著果實活力的高低。ATP酶存在于組織細胞及細胞器的膜上，是生物膜的一種蛋白酶，在物質(zhì)運送、能量轉(zhuǎn)化以及信息傳遞方面具有重要的作用。

H+-ATPase活性增強有利于加強胞內(nèi)H+外排的能力，以便在質(zhì)膜H+-ATPase活性下降導(dǎo)致胞質(zhì)H+增加的條件下，維持胞質(zhì)pH的穩(wěn)定，保持細胞壁酸化。在鹽脅迫和水分脅迫下植物細胞H+-ATPase活性增強。H+-ATPase為液泡膜上檸檬酸和蘋果酸共有的同一載體，也可以將H+泵入細胞內(nèi)調(diào)節(jié)pH值，在病原菌侵染植物過程中常伴隨不同種類有機酸的變化，有機酸的吸收受內(nèi)外質(zhì)子濃度差（△pH）的驅(qū)動。環(huán)境應(yīng)力刺激可能提高線粒體跨膜電位，為ATP合成提供更多潛在能量，或者對內(nèi)膜H+-ATPase合成酶有激活作用，從而使細胞內(nèi)合成更多的ATP。陽小成[18]證明了這一點，他對中華獼猴桃愈傷組織施用機械震蕩，發(fā)現(xiàn)適度的振蕩刺激將有利于提高植物的能量代謝水平，促進植物的生長發(fā)育。

Ca2＋-ATPase是是細胞器膜上的Ca2+泵，可水解ATP，使細胞內(nèi)Ca2+泵到細胞外，以維持細胞內(nèi)較低的Ca2+濃度，這是維持細胞穩(wěn)態(tài)的重要機制之一[21-22]。一般認為，胞外在維持質(zhì)膜功能的同時抑制乙烯生成，延緩衰老。病原菌侵染寄主后主要破壞細胞膜導(dǎo)致細胞信使系統(tǒng)紊亂，Ca2＋-ATPase活性降低，使Ca2＋胞內(nèi)積累，同時伴隨活性氧自由基的產(chǎn)生與積累，質(zhì)膜過氧化作用增強，加劇了膜脂過氧化物對膜的傷害，因此進一步促進果實衰老和果肉細胞的壞死。

3.3 冷害桃的淀粉代謝

淀粉作為植物細胞內(nèi)積累的一類重要生物大分子，經(jīng)淀粉酶水解成葡萄糖后，參與細胞內(nèi)各種生理、生化反應(yīng)。有研究表明淀粉與能量儲存有關(guān)，它可提供ATP，NADPH及碳架[23]，一般存在于未成熟的果實中，隨著果實的成熟轉(zhuǎn)化為糖類而含量逐漸下降，果實的貯藏環(huán)境不同，貯藏過程中淀粉含量的變化也有差異[24]。孫紅梅[25]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)5℃預(yù)處理的東方百合母鱗片比對照的淀粉含量低，低溫預(yù)處理可促進GA3處理母鱗片淀粉的降解，為小鱗莖的生長發(fā)育提供營養(yǎng)。郭素枝[26]對低溫貯藏下的單、雙瓣茉莉根、莖、葉等器官進行解剖表明，雙瓣茉莉的組織淀粉粒積累數(shù)量多，而單瓣茉莉營養(yǎng)器官的各組織內(nèi)幾乎無淀粉粒積累，植物遭受寒害時淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖，提高細胞液濃度，降低冰點是植物體抗寒的適應(yīng)途徑之一。夏宜平等[27]證實，東方百合“索蚌”內(nèi)、外層鱗片在冷藏開始時的淀粉含量為220～250 mg/gFW，但在8周冷藏期間的淀粉含量持續(xù)下降，總可溶性糖和還原糖的含量均增加，即出現(xiàn)“低溫糖化”（Low Temperature Sweetening）現(xiàn)象。桃果實發(fā)生冷害后，硬度偏硬，回溫后依然如此。這可能是因為淀粉代謝受到抑制，不能轉(zhuǎn)化為可溶性糖而導(dǎo)致的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

冷害是冷敏感果實低溫貯藏過程中造成損失最嚴重的問題之一。由于果實的冷害受到多種內(nèi)在生理因素和外在貯藏環(huán)境條件的影響，因此至今尚無理想的措施來預(yù)防桃的冷害。線粒體內(nèi)除了含有各種酶外，還擁有自身的遺傳物質(zhì)和合成其自身RNA和蛋白質(zhì)的裝置，因此，可以采用分子生物學手段進一步研究線粒體DNA對果實冷害的影響。果實線粒體內(nèi)呼吸代謝牽涉多種酶作用和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，線粒體和活性氧的關(guān)系及它們對果實冷害的影響還有待于進一步研究。

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