葡萄貯藏過程中落粒調(diào)控研究進(jìn)展

宋雅慧 吳志蒙 余 俊 朱明濤

（1.湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院 婁底417000；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 長沙410128）

近年來，我國葡萄種植面積和產(chǎn)量均居于世界前列，其中鮮食葡萄的面積和產(chǎn)量更是穩(wěn)居世界第一。但鮮食葡萄在貯藏運(yùn)輸過程中會出現(xiàn)腐爛、萎蔫和落粒等現(xiàn)象，特別是果實(shí)落粒問題，嚴(yán)重影響葡萄果實(shí)的商品品質(zhì)，限制了葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此研究葡萄果實(shí)落粒機(jī)理，探索防止葡萄落粒方法，對于延長葡萄果實(shí)貨架期具有重要的意義。

1 葡萄果實(shí)落粒概述

落粒是指葡萄果實(shí)與果柄分離，在貯藏運(yùn)輸中普遍發(fā)生。一般分為濕落和干落，濕落是因?yàn)楣⒗w細(xì)，容易從果實(shí)中拉出, 落粒后果柄端能看到明顯的果刷； 干落是因?yàn)楣c果粒間離區(qū)細(xì)胞分化、分離，在受到震動和機(jī)械損傷的情況下引起落粒[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中，葡萄落粒方式以干落為主，干落又分為3 個(gè)步驟：①離區(qū)形成；②離區(qū)內(nèi)的離層細(xì)胞感受脫落信號；③離層細(xì)胞分離，開始脫落[2]。

2 離區(qū)發(fā)育的分子機(jī)制

植物脫落的離區(qū)一般由5～50 層細(xì)胞構(gòu)成，這些細(xì)胞體積不大，胞質(zhì)緊密，緊密排列成方形。這些離區(qū)細(xì)胞發(fā)育成熟后能夠感受脫落信號，進(jìn)一步發(fā)育，完成脫落。近代分子生物學(xué)研究表明，離區(qū)的形成受多基因遺傳調(diào)控，并在番茄上首先發(fā)現(xiàn)了與果柄離區(qū)形成相關(guān)的一些關(guān)鍵基因。MAO 等研究發(fā)現(xiàn)番茄的一個(gè)基因JOINTLESS，與花柄離區(qū)關(guān)系密切，當(dāng)該基因發(fā)生突變時(shí)不能發(fā)育形成離區(qū)。近一步研究發(fā)現(xiàn)，JOINTLESS基因受上游轉(zhuǎn)錄因子LeSPL3的調(diào)控，當(dāng)該轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生突變功能喪失后，JOINTLESS的表達(dá)受到抑制，花柄離區(qū)的形成也受到影響[3]。他們還發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)基因的表達(dá)還與番茄花序的結(jié)構(gòu)、果實(shí)外觀、種子發(fā)育等相關(guān)[4]。JOINTLESS-2與JOINTLESS的功能類似，番茄突變體基因jointless-2也能夠推遲離層的形成與發(fā)育，進(jìn)而抑制番茄花器官的脫落[5]。在擬南芥中也發(fā)現(xiàn)了與脫落離區(qū)形成有關(guān)的兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子BOP1與BOP2，這兩個(gè)基因是一對功能冗余的基因，共同調(diào)節(jié)離區(qū)細(xì)胞的發(fā)育，在兩個(gè)基因的雙突變體中，花器官離區(qū)不能形成，葉柄發(fā)育也受到一定程度的影響。這主要可能是BOP基因能夠調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因KNOX和KNAT，而這兩個(gè)基因是擬南芥分生組織特異性關(guān)鍵基因[6]。最新研究發(fā)現(xiàn)，AtHAESA、AtZFP2、AtDOF4.7、AGL15/AGL18等基因與離區(qū)細(xì)胞的發(fā)育分離有關(guān)[7]。

3 離區(qū)酶活性變化與葡萄果實(shí)落粒關(guān)系的研究

研究發(fā)現(xiàn)，植物器官脫落之前，離區(qū)部位細(xì)胞壁水解酶大量合成，活性顯著增加，中膠層逐漸降解，離層初生壁松動，器官開始脫落。其中果膠酶、過氧化物酶、纖維素酶等是植物器官脫落的主要功能酶類，他們的活性變化與器官脫落的關(guān)系在很多植物上都得到了證明。果膠酶是一種多酶復(fù)合物，主要包括3 種，果膠酸酶、多聚半乳糖醛酸酶（PG）和果膠酸酶和果膠甲酯酶（PME）[8-9]。在番茄rin 和NR 兩個(gè)突變體中，Tucker 等人首先發(fā)現(xiàn)PG 的活性與番茄花器官的脫落具有重要關(guān)系，在番茄成熟期，果柄PME的活性的增加能夠加速果實(shí)的脫落[10-11]。在化橘紅果實(shí)的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，離區(qū)PG 和PME活性的增加能夠顯著促進(jìn)果實(shí)的脫落[12]。在葡萄采后果實(shí)落粒的研究中，陳發(fā)河等發(fā)現(xiàn)伴隨漿果落粒的增加，無核白葡萄離區(qū)PG 和PME 活性逐漸增加，并且他們的活性與葡萄落粒關(guān)系呈顯著正相關(guān)。他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抑制離區(qū)的PG 和PME 活性降低時(shí)，能夠顯著減少無核白葡萄果實(shí)的落粒[13]。

纖維素酶（Cx）也與植物器官脫落具有重要的關(guān)系。陳紅蓮發(fā)現(xiàn)葡萄果柄和漿果連接處的離層細(xì)胞是逐步形成的，果實(shí)脫落與離層細(xì)胞的形成顯著相關(guān)。另外她還發(fā)現(xiàn)隨著葡萄果實(shí)貯藏期的延長，Cx 活性顯著提高，漿果落粒率增加，而抑制Cx 活性與對照相比，則能夠延緩果實(shí)的落粒[14]。β-葡萄糖苷酶（β-glu）是纖維素酶的一種，研究發(fā)現(xiàn)番茄果柄離區(qū)中的TomCel2基因在果實(shí)脫落過程中表達(dá)量顯著增加，而其編碼的β-glu 活性也顯著升高，如果抑制TomCel2基因的表達(dá)，則能夠減緩花器官的脫落速率[15-16]。在菜豆中也發(fā)現(xiàn)提高β-葡萄糖苷酶含量能夠促進(jìn)器官的脫落[17]。婁爽發(fā)現(xiàn)PG、PME 和β-glu 酶活性與藍(lán)果忍冬落果相關(guān)，是影響藍(lán)果忍冬落果的主要因素之一[18]。在甘蔗上發(fā)現(xiàn)過氧化物酶活性受乙烯的調(diào)控，它能夠通過降低離區(qū)生長素的含量而加速植物器官的脫落[19,20]。

4 激素對葡萄落粒的調(diào)控

激素對植物器官脫落具有重要的調(diào)控作用，目前已經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)的激素主要有乙烯、脫落酸、生長素、赤霉素、茉莉酸甲酯等。不同激素在植物器官脫落中的作用不同，有的起促進(jìn)作用，有的起抑制作用，其中具有促進(jìn)作用的主要是乙烯、脫落酸。乙烯能夠加速植物器官衰老和脫落，在許多植物上都得到了證實(shí)，油梨幼果脫落時(shí)，其乙烯含量顯著高于正常果[21]。Yuan 也發(fā)現(xiàn)乙烯釋放量與蘋果幼果脫落密切相關(guān)[22]。外施乙烯也能夠起到相同的作用，斛蘭在開花后用乙烯處理，花瓣脫落顯著增加[23]，而抑制乙烯的合成，則可以顯著延緩器官的脫落，Yildiz 等在蘋果采前4 周分別用150 mg/L、300 mg/L 和600 mg/L的AVG （aminoethoxyvinylglycine，一種乙烯抑制劑）溶液處理，均可以顯著降低果實(shí)乙烯含量并減少落果率[24]。乙烯促進(jìn)植物器官脫落的機(jī)制可能是它作為一種信號物質(zhì)促進(jìn)離層的形成，誘導(dǎo)離層果膠酶、過氧化物酶、纖維素酶等水解酶活性，加速細(xì)胞壁降解。馬亞茹在探究乙烯與葡萄果粒脫落的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分高乙烯釋放品種葡萄的果梗耐拉力與乙烯釋放速率呈顯著負(fù)相關(guān)[25]。利用乙烯抑制劑處理葡萄后，貯藏期間果實(shí)耐拉力顯著高于對照[26]。但葡萄是非躍變型果實(shí)，果實(shí)乙烯產(chǎn)生量很少，在成熟期間會產(chǎn)生較多的脫落酸，脫落酸在葡萄落粒中的作用也引起了學(xué)者的重視，他們發(fā)現(xiàn)“無核白”葡萄在低溫貯藏過程中，隨著貯藏期的延長，ABA 含量上升，果柄和離區(qū)的變化趨勢較果粒明顯[14]。生長素和赤霉素都具有抑制植物器官脫落的作用，這在棉花、蘋果、柑橘、芒果等植物中得到了證實(shí)[27]。在葡萄上，采收前分別用IAA 和GA 可以有效控制葡萄果實(shí)的落粒率[13,28]。茉莉酸甲酯在預(yù)防葡萄落粒的研究中也有報(bào)道，汪開拓和鄭永華在巨峰葡萄果貯藏前用10 μmol/L 茉莉酸甲酯熏蒸處理6 h，發(fā)現(xiàn)該方法可以降低自由基的生產(chǎn)，減緩離區(qū)膜脂過氧化進(jìn)程，維持離區(qū)細(xì)胞的完整性，有效的降低了冷藏期間葡萄果實(shí)的腐爛率、落粒率和褐變指數(shù)[29]。但激素在葡萄落粒中的作用是復(fù)雜的，可能并不是單一的激素起作用，它們作為信號物質(zhì)的傳導(dǎo)，它們之間的互相拮抗作用等，需要進(jìn)一步深入的研究。

5 其他物質(zhì)對植物器官脫落的調(diào)控

除激素外，其他物質(zhì)對植物器官脫落的調(diào)控也有報(bào)道。李佳寧發(fā)現(xiàn)H2S 處理可以顯著抑制番茄花柄和葉柄中細(xì)胞壁降解酶活性，而施用H2S 合成抑制劑能夠加速番茄葉柄和花柄脫落過程。而脫落被抑制的原因很可能是H2S 減少了離區(qū)生長素的含量，并降低離區(qū)細(xì)胞對乙烯的敏感性。另外他還發(fā)現(xiàn)H2S 處理對玫瑰葉柄和花瓣的脫落也具有較強(qiáng)的抑制作用[2]。相比于H2S，鈣對植物器官脫落的調(diào)控機(jī)理更為復(fù)雜，在自然條件下，外源鈣處理能夠降低離區(qū)PG 和PME 等細(xì)胞壁降解酶活性，保持離區(qū)1AA 含量，降低離區(qū)乙烯釋放，延緩番茄花柄脫落。而在先施乙烯條件下再施用鈣，會促進(jìn)離區(qū)ABA 和乙烯的釋放，并降低離區(qū)GA 含量，加速花柄脫落[31]。這兩種

物質(zhì)在葡萄防落粒中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究。

6 展望

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，人們對于植物器官脫落的研究更加深入，但這些研究主要集中于花瓣和葉柄的脫落，對于果實(shí)脫落的機(jī)理研究較少，特別是在葡萄貯藏過程中，果實(shí)的落粒機(jī)理及其防治技術(shù)的研究更是鮮有報(bào)道。目前的研究主要集中在激素對葡萄落粒的調(diào)控，但葡萄果柄為呼吸躍變型，在貯藏過程中產(chǎn)生大量乙烯，葡萄果實(shí)是非呼吸躍變型，其落粒機(jī)理可能與多種激素互作有關(guān)，但起主要作用的是乙烯還是ABA 需要我們進(jìn)行深入的研究。另外，葡萄果實(shí)在貯藏過程中會產(chǎn)生大量的活性氧，而活性氧對細(xì)胞壁細(xì)胞代謝酶具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用，其是否與落粒有關(guān)需要我們進(jìn)一步的證明。鈣和H2S在防治落花和落果中具有一定的作用，但在葡萄貯藏中是否能起到相同的作用也需要我們進(jìn)行大量的試驗(yàn)。葡萄果實(shí)在貯藏過程中的落粒問題一直存在，如何借助當(dāng)前的分子生物學(xué)手段，找出關(guān)鍵基因、弄清楚其機(jī)理，開發(fā)防落粒技術(shù)具有重要的意義。