甜瓜采后生理研究進展

孫浩軒，王露霏，張 沖*，李 巖

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學園藝學院，吉林 長春 130118；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學院，吉林 長春 130000；3.沈陽師范大學生命科學學院，遼寧 沈陽 110000；4.承德市農(nóng)林科學院，河北 承德 067000）

甜瓜（Cucumis melo L.）是葫蘆科黃瓜屬一年生蔓性草本植物[1]。目前關于甜瓜的起源中心尚無定論，一般認為甜瓜起源地位于非洲埃塞俄比亞高原及其毗鄰的熱帶區(qū)域。甜瓜在栽培學上可分為厚皮甜瓜和薄皮甜瓜，厚皮甜瓜被認為是由中亞傳入的甜瓜演化的；而薄皮甜瓜被認為是由印度的甜瓜品種演變出原始薄皮甜瓜的類別，傳入中國后逐漸演化成各種豐富的薄皮甜瓜類別[2]。

薄皮甜瓜別名中國甜瓜、東方甜瓜或香瓜等，是重要的甜瓜品種資源，在全世界各國都有廣大的消費群體。薄皮甜瓜以其豐富的營養(yǎng)、優(yōu)良的口感而廣受我國人民喜愛[3]。近些年薄皮甜瓜在我國的生產(chǎn)面積逐年增加，其主要產(chǎn)區(qū)位于東北地區(qū)。東北地區(qū)由于特殊的氣候條件，日照時數(shù)長，晝夜溫差大，種植出的薄皮甜瓜干物質(zhì)積累多，甜度高，口感、品質(zhì)俱佳。然而其收獲季節(jié)正逢陰雨季，高溫高濕環(huán)境極不利于甜瓜的貯藏運輸，會導致甜瓜果實在貯運過程中加速衰老、腐爛，失去商品價值，造成很大的經(jīng)濟損失[4]。探究甜瓜的采后貯運保鮮技術，有效延長其貨架期有著十分重要的意義。

薄皮甜瓜是典型的呼吸躍變型果實，其采后貯藏期間果實內(nèi)部會發(fā)生一系列生理生化反應，包括色澤、大小、口感、風味、質(zhì)地等品質(zhì)的改變，這些重要指標決定著果實質(zhì)量和商品性。薄皮甜瓜果實采收后雖然不能進行光合作用，但體內(nèi)可以進行以呼吸作用為基礎的各種代謝，并且內(nèi)源乙烯含量也會再次升高[5]，因此可以通過呼吸強度的大小判斷甜瓜的貯藏性，也可以通過測量乙烯釋放量來篩選適合貯藏的薄皮甜瓜品種。

1 呼吸作用

呼吸作用是果實采后生命活動的核心，與其品質(zhì)變化、貯藏過程的生理變化及貯藏保鮮方法都有著密切聯(lián)系。呼吸作用影響果實有機物質(zhì)的分解速率，為細胞結構的維持和修復等生化過程供能。陳雷[6]研究發(fā)現(xiàn)，‘日本甜寶’薄皮甜瓜在采收后表現(xiàn)出較低的呼吸強度且躍變出現(xiàn)的時間較晚，更耐貯藏。李巖[7]以薄皮甜瓜‘彩虹七號’為試驗材料，發(fā)現(xiàn)1-MCP處理可以延緩果實呼吸高峰的出現(xiàn)，抑制呼吸速率，降低果實腐爛率，具有良好的保鮮效果。王志華等[8]通過低溫貯藏‘金紅’蘋果發(fā)現(xiàn)，低溫處理延緩了果實呼吸高峰的出現(xiàn)，在90 d時，低溫處理較其他溫度處理呼吸速率最低，貯藏效果最好。

2 乙烯合成及信號轉導途徑

乙烯啟動呼吸躍變型果實的成熟，果實在成熟前乙烯含量低，隨著果實的成熟，乙烯合成速率迅速增加，產(chǎn)生一個峰值，此時的乙烯含量遠遠多于未成熟時的乙烯含量[9]。乙烯影響著薄皮甜瓜的呼吸強度、色澤、香氣、硬度等方面[10]。有效調(diào)控乙烯的合成和釋放，對于果蔬的運輸及貯藏有著重要的研究意義。目前已經(jīng)明確了呼吸躍變型果實經(jīng)典的乙烯合成途徑：蛋氨酸（Met）→S-腺苷蛋氨酸（SAM）→1-氨基環(huán)丙烷羧酸（ACC）→乙烯，如圖1所示[11]。

圖1 乙烯在植物體內(nèi)的合成途徑

許多酶類在乙烯合成途徑中起著關鍵作用，是研究果實采后生理的重要內(nèi)容。1-氨基環(huán)丙烷羧酸合成酶（ACS）是乙烯生物合成途徑中的關鍵酶和限速酶，經(jīng)過催化SAM合成ACC，ACC是一種以磷酸吡哆醛（PLP）為輔基的酶，對SAM具有專一性，在1-氨基環(huán)丙烷羧酸氧化酶（ACO）的催化作用下生成乙烯。趙薇等[12]從甜瓜基因組數(shù)據(jù)庫中鑒定篩選出11個ACS基因家族成員并將其分為3類，通過qRT-PCR測定甜瓜ACS基因在不同組織部位的表達量，結果顯示ACS基因具有組織表達特異性，其中CmACS1和CmACS11在果實躍變期表達量較高，CmACS10和Cm ACS12在葉中相對表達量較高，CmACS7和CmACS11在子房中相對表達量較高。金烏云[13]發(fā)現(xiàn)ACO是催化乙烯合成的最后一個酶，其酶促反應過程中需要亞鐵離子、二氧化碳和抗壞血酸作為輔助因子，最終生成乙烯。研究發(fā)現(xiàn)ACO基因也屬多基因家族，廣泛存在于植物組織中。在甜瓜果實中克隆獲得了9個ACO基因，其中CmACO7和CmACO8在成熟果實中高度表達，可能與果實內(nèi)源乙烯合成密切相關。

呼吸躍變型果實成熟是通過調(diào)控乙烯信號轉導途徑實現(xiàn)的。目前已在模式植物中建立了乙烯信號轉導途徑相關線性模型，為乙烯-乙烯受體（ETR家族）-CTR家族-EIN2-EIN3、EILs-ERF（EREBPs）-乙烯應答相關基因[14]。5個不同級別元件中乙烯受體、CTR、EIN2位于細胞質(zhì)不同細胞器膜上，EIN3、EILs和ERF位于細胞核內(nèi)。乙烯受體作為乙烯響應的負調(diào)控因子，其位置在信號轉導途徑最上游，甜瓜中共分離出來3個乙烯受體成員（Cm-ETR1、Cm-ETR2和Cm-ERS1），在輔助因子銅離子作用下與乙烯相結合，研究發(fā)現(xiàn)當其中一個受體功能出現(xiàn)問題時不會影響乙烯響應，說明不同受體間雖存在一定的互補作用，但并不能完全被另一個替代[15]。姚遠[16]發(fā)現(xiàn)CTR1位于乙烯受體下游，其N端與乙烯受體成員ETR1和ERS1的組氨酸激酶域發(fā)生相互作用，在甜瓜中分離得到1個Cm-CTR1成員，在果實發(fā)育階段有著不同的表達水平。EIN3、EILs是高等植物基因組中的一個較小轉錄因子家族，EILs為其同源蛋白，位于EIN2下游起到正調(diào)控作用，研究發(fā)現(xiàn)大部分乙烯相關的生物學過程都是通過核心轉錄因子EIN3、EIL1調(diào)控下游靶基因實現(xiàn)的[17]。Huang等[18]目前已經(jīng)證實了4個EIL成員，CmEIL01和CmEIL02可以激活CmACO1活性，進而反饋調(diào)節(jié)乙烯合成。ERF是僅存在于高等植物的一類轉錄因子，屬于AP2家族，位于乙烯信號轉導途徑的最下游，調(diào)控著植物的生長發(fā)育、新陳代謝和抗逆性等方面[19]。馬勇[20]鑒定得到136條AP2、ERF家族蛋白序列，其中包括119個ERF成員，CmERFII-9在甜瓜果實中瞬時超表達和沉默會引起果實局部分別呈現(xiàn)提早成熟和延遲成熟表型，通過進一步分析相關基因表達情況，結果發(fā)現(xiàn)該基因在甜瓜果實發(fā)育成熟過程中通過對ACO基因正調(diào)控發(fā)揮作用，研究ACS、PDS、PFK、XTH和NCED基因的功能，推測該基因由于啟動功能冗余基因表達而導致發(fā)揮負調(diào)控作用。

3 果實品質(zhì)變化

呼吸躍變型甜瓜果實成熟后其呼吸作用突然上升，并伴隨著乙烯的大量合成，果實硬度迅速下降。薄皮甜瓜隨著果實的成熟和貯藏時間的延長，果實果肉細胞的細胞壁發(fā)生了結構變化，在多種水解酶的作用下發(fā)生降解[21]。蘇杭[22]使用噻苯隆對薄皮甜瓜進行處理，處理組甜瓜果實硬度下降最慢，增加了甜瓜的耐貯性。李三培[23]通過轉錄組測序對2個質(zhì)地差異顯著的甜瓜進行分析，發(fā)現(xiàn)了許多與果實軟化密切相關的基因及轉錄因子，如編碼多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果膠甲酯酶（PE）和纖維素酶（Cx）等蛋白的基因、ACO1以及MYB、bHLH和WRKY轉錄因子。

劉文偉[24]發(fā)現(xiàn)甜瓜揮發(fā)性風味物質(zhì)變化也是采后研究的熱點之一，酯類、C6和C9醇類和醛類芳香物質(zhì)被認為是薄皮甜瓜果實重要的特征成分之一。伴隨果實采后衰老進程，大多數(shù)6-壬二烯醇、6-壬烯醇、壬醛等芳香物質(zhì)在采后乙醇熏蒸處理、1-MCP處理或低溫處理后明顯高于對照組；而酯類物質(zhì)如乙酸乙酯、乙酸丁酯等物質(zhì)含量顯著低于對照[25-26]。上述結果表明，C6和C9醇類和醛類物質(zhì)含量的較高水平與延緩果實軟化相關，可以作為采后調(diào)控果實衰老的芳香指標。

4 酶促保護系統(tǒng)

在果實采后貯藏期間，酶促保護系統(tǒng)也發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。有很多酶參與果實的衰老過程，如過氧化物酶（POD）、丙二醛（MDA）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）等[27-28]。張少偉等[29]使用1-MCP處理甜瓜，有效地延緩了甜瓜果實SOD、CAT活性的下降，并降低了和H2O2水平，延緩了果實的衰老進程。王良艷等[30]通過1-MCP結合Na2S2O5處理厚皮甜瓜能夠維持果實CAT活性，防止果實軟化、腐爛，保證甜瓜貯藏期品質(zhì)。使用1-MCP處理梨[31]、桃[32]，使得果實中SOD活性在貯藏期間呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。使用1-MCP處理獼猴桃果實后，在采后貯藏期間SOD和POD活性峰值出現(xiàn)的時間被延遲[33]。

除1-MCP外，使用其他保鮮方式同樣會引起采后果實中SOD活性和MDA含量的改變。張敏等[34]使用HCF保鮮劑對桃子進行處理，貯藏在4℃條件下，可以有效保持桃子SOD活性，減少MDA生成量，延緩桃子衰老。采后西番蓮果使用殼聚糖處理，整個貯藏期CAT活性一直處于下降狀態(tài)，處理組活性高于對照組，殼聚糖通過誘導果實ROS清除能力，維持CAT較高的活性，保持了采后西番蓮果實品質(zhì)[35]。王彥景等[36]使用茉莉酸甲酯處理‘紅貴妃’杧果，提高了貯藏期POD活性，降低了體內(nèi)H2O2濃度，減少了活性氧物質(zhì)對果實造成的傷害，延緩了果實衰老。邢世瑤等[37]采用不同降溫方式處理薄皮甜瓜，以延緩POD活性下降，有效地保持了甜瓜貯藏期間的品質(zhì)。

5 小結

甜瓜作為廣大消費者喜愛的果品之一，有效的貯藏手段一直是研究的熱點方向。根據(jù)果實屬于呼吸躍變型果實的特性，采取相應的方式抑制內(nèi)源乙烯的生成，維持果實的貯藏品質(zhì)是采后調(diào)控的核心。目前采用溫度調(diào)控、氣調(diào)、外源物質(zhì)處理以及涂膜等技術取得了一定的進展，如能明確甜瓜采后生理調(diào)控的信號轉導途徑，則可以為更好地維持果實品質(zhì)奠定理論依據(jù)。