草莓維生素C合成機制及其含量影響因素研究進展

孫靈敏，劉艷芬，魏靈芝，高用順**

（1.河北工程大學(xué) 園林與生態(tài)工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院 林業(yè)果樹研究所，北京 100093；3.北京市農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，北京 100093；4.北京市農(nóng)林科學(xué)院 北京市草莓工程技術(shù)研究中心，北京 100093）

維生素C（Vitamin C，Vc）又稱抗壞血酸（Ascorbic acid），是植物體內(nèi)一種天然抗氧化劑，可以參與光合作用，增加植物抗性，在植株生長發(fā)育過程中起到重要作用。此外，Vc對人體健康也至關(guān)重要，可以有效提高免疫力、預(yù)防感冒及病毒和細菌的感染、降低心血管疾病風(fēng)險、預(yù)防壞血病和癌癥等。雖然在進化過程中人類失去了合成Vc的能力，但可以通過食用富含Vc的新鮮果蔬進行有效補充。與人工合成Vc相比，天然Vc功效好，更有利于人體吸收。

草莓（Fragaria × ananassaDuch.）是薔薇科（Rosaceae）草莓屬（FragariaL.）多年生草本植物，因果實酸甜可口，且富含Vc等多種營養(yǎng)成分，備受人們喜愛。如何提高草莓果實中Vc含量和培育高Vc草莓品種成為目前關(guān)注熱點。本文對草莓果實Vc合成關(guān)鍵基因挖掘、QTL（Quantitative Trait Locus）群體定位及Vc含量影響因素進行綜述，以期為草莓Vc相關(guān)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究提供參考。

1 草莓果實Vc合成關(guān)鍵基因研究的最新進展

植物中目前有4種已知的Vc合成途徑，第1種是Wheeler等［1］最先提出的高等植物Vc合成中被廣泛認同的D-甘露糖/L-半乳糖途徑，該途徑由D-葡萄糖-6-磷酸經(jīng)酶促反應(yīng)生成L-半乳糖-1，4-內(nèi)酯，經(jīng)L-半乳糖-1，4-內(nèi)酯脫氫酶（GaILDH）催化生成Vc。第2種是由GDP-D-甘露糖生成L-半乳糖醛酸，經(jīng)醛內(nèi)酯酶催化生成L-半乳糖-1，4-內(nèi)酯后，再經(jīng)GaILDH催化生成Vc的D-半乳糖醛酸途徑。第3種是肌醇途徑，是由D-葡萄糖-6-磷酸直接生成肌醇，先通過肌醇氧酶及D-葡萄糖醛酸還原酶催化生成L-古洛糖酸，再通過醛內(nèi)酯酶催化生成L-古洛糖-1，4-內(nèi)酯，最后生成Vc。最后是古洛糖酸途徑，由GDP-D-甘露糖經(jīng)抗壞血酸合成酶（GME）催化生成GDP-L-古洛糖，進而生成L-古洛糖-1，4-內(nèi)酯，在GaILDH催化下生成Vc。從上述已知途徑中可以看出，GaILDH是生成Vc的關(guān)鍵酶。

在草莓中，半乳糖醛酸通路中的醛酮還原酶（Aldo-keto reductase，AKR）家族成員半乳糖醛酸還原酶（FaGalUR）可以將果實中的D-半乳糖醛酸還原為L-半乳糖酸，為合成Vc提供前體［2］。Liu等［3］對二倍體森林草莓以及八倍體草莓卡姆羅莎進行Vc代謝相關(guān)基因的基因組學(xué)分析，并對AKR家族基因進行了系統(tǒng)鑒定，篩選到在草莓果實發(fā)育及成熟過程中顯著上調(diào)的AKR家族成員FaAKR23。Wei等［4］在八倍體栽培草莓甜查理中瞬時沉默了FaAKR23，發(fā)現(xiàn)與對照相比，草莓果實中Vc含量顯著降低，并通過RNA-seq及qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn)果實中Vc合成相關(guān)基因的表達顯著低于對照組，驗證了FaAKR23基因參與調(diào)控草莓果實Vc積累。

GaILDH是合成Vc的關(guān)鍵酶，頓宛宛［5］研究發(fā)現(xiàn)草莓中FaGaILDH過量表達，可以提高GaILDH活性與Vc含量，且紅顏草莓果實中Vc含量與FaGaILDH基因表達高于章姬、圣誕紅和京郊小白。

2 草莓果實Vc相關(guān)的QTL定位研究

QTL定位基于遺傳連鎖圖譜并結(jié)合表型性狀分析與分子標記基因分型，不僅可以為選育新品種提供有用性狀的遺傳信息，還可以揭示影響性狀基因之間的關(guān)系。近年來草莓中定位的性狀主要是抗性、開花（四季性）及品質(zhì)相關(guān)性狀［6］。

Vallarino等［7］利用“232”和“1392”兩個對比品系雜交而成的F1定位群體對草莓果實初級代謝相關(guān)性狀的變異和遺傳控制進行研究，在Vc含量中檢測到826個差異表達基因，并鑒定出草莓中的Mannose-6-phosphate isomerase（FaM6PI1）基因是控制草莓果實Vc含量的候選基因。Munoz等［8］在連鎖組LG 3A、LG 5A、LG 5B、LG 6B、LG 7C中檢測到環(huán)境穩(wěn)定的AsA含量QTL。

3 草莓果實Vc含量影響因素研究

3.1 光照條件

3.1.1 光照強度

GaILDH是草莓果實Vc合成過程中的關(guān)鍵酶，其活性會隨光照強度增加而顯著提高，因此增加光照強度有利于提高草莓果實中Vc含量。不同品種增幅也不相同，例如從自然光增加到1000 lux強光時，水培達賽萊克特草莓果實的Vc含量顯著提高約13.2%，而甜查理增幅不顯著［9］。此外，有研究表明適當(dāng)減弱光強也有利于提高草莓Vc含量，彭鑫等［10］發(fā)現(xiàn)50%光強下章姬Vc含量較100%光強處理下提高24.5%。

3.1.2 光質(zhì)

對草莓等多數(shù)植物而言，藍光更有利于提高果實中Vc含量，但品種不同，果實Vc含量對不同光質(zhì)組合的反應(yīng)也存在較大差異。張晶等［11］研究發(fā)現(xiàn)紅顏草莓果實Vc含量隨紅藍光配比增大而升高，紅光 ∶ 藍光 = 5 ∶ 1時Vc含量最高，較白光提高約8.99%。史文景［12］研究表明相同光照強度下，隋珠草莓果實Vc含量隨LED燈紅藍光配比增大先升高后下降，紅藍光配比2 ∶ 1時果實Vc含量最高。錢舒婷和李建明［13］發(fā)現(xiàn)用LED燈對紅顏草莓補光時，與紅藍光配比4.9 ∶ 1時相比，紅藍光配比3 ∶ 1條件下紅顏草莓Vc含量可顯著提高約77.1%，通過研究可以推測藍光比例較多的LED復(fù)合光可以促進Vc合成。劉怡［14］研究表明在白光基礎(chǔ)上增加紅光會降低轉(zhuǎn)色期紅顏草莓果實Vc含量，而增加藍光則會升高，推測可能與光質(zhì)影響Vc合成分解酶活性有關(guān)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)單一藍光處理時紅顏Vc含量最高，為92.87 mg/100 g。彭鑫［10］研究表明紫光與藍光處理均可以顯著提高章姬草莓果實Vc含量。紫光處理下章姬草莓Vc含量最高，可達1.49 mg/g，而白光、紅光、黃光處理均會不同程度抑制Vc積累。

3.1.3 光周期

草莓品種不同，補光時間長短和時間段也不相同。岳高峰等［15］研究發(fā)現(xiàn)章姬草莓果實中Vc含量隨補光時長的延長呈先增加后減少的趨勢，其中以17 ∶ 00 ～ 23 ∶ 00補光6 h時Vc含量最高，為106.52 mg/100 g。楊振華等［16］對溫室栽培草莓章姬和紅顏進行補光處理，結(jié)果表明在4 ∶ 00 ～ 8 ∶ 00時進行補光，兩個品種草莓的Vc含量最高，其中章姬Vc含量為88.32 mg/kg，紅顏Vc含量為92.09 mg/kg。

3.2 栽培方法和環(huán)節(jié)

3.2.1 基質(zhì)配比

復(fù)合基質(zhì)是用兩種及以上有機或無機基質(zhì)混合而成的，穩(wěn)定且營養(yǎng)豐富的基質(zhì)?；|(zhì)配比不同對Vc含量的影響也不同。研究發(fā)現(xiàn)，草炭 ∶ 蛭石 ∶蚯蚓糞 ∶ 椰糠 = 1 ∶ 1 ∶ 1 ∶ 1的基質(zhì)配比可以提高紅顏和章姬草莓果實Vc含量，且在此配比基礎(chǔ)上添加6%和9%蚯蚓糞后草莓單株Vc含量均高于添加同比例雞糞處理［17］。腐熟雞糞 ∶ 耕作層土壤 ∶ 玉米穗軸粉碎料 ∶ 細河沙 = 1 ∶ 1 ∶ 1 ∶ 1的基質(zhì)配比可以顯著提高甜查理草莓果實Vc含量，較耕作層土壤處理組提高約45.1%［18］。此外，菌渣可以顯著提高土壤中氮磷鉀含量，促進植物吸收，進而影響植物光合，提高作物品質(zhì)。菌渣 ∶ 園土 = 1 ∶ 2的基質(zhì)配比可以顯著提高紅顏草莓果實Vc含量，較園土對照組提高約21.5%。而菌渣 ∶ 園土 = 1 ∶ 1時，黔莓1號草莓果實Vc含量較對照組提高約31.3%［19］。

3.2.2 栽培模式

不同栽培模式下，不同品種果實Vc含量變化趨勢也不相同，杜俊瑤等［20］研究表明地面栽培模式下阿爾巴、越秀、白玉、寧玉、隋珠5個品種的草莓果實Vc含量最高，愛沙草莓最低。而立體栽培模式下隋珠、圣誕紅、寧玉草莓果實Vc含量最高，愛沙和甜查理草莓最低。

3.2.3 肥料

肥料的種類及濃度也是影響草莓果實品質(zhì)的重要因素，施用適宜適量的肥料可以在一定程度上改善草莓果實品質(zhì)。

3.2.3.1 沼肥

沼肥是目前廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中的新型有機肥，劉曉榮等［21］研究發(fā)現(xiàn)，施用沼肥有利于提高紅顏草莓果實Vc含量，施用后Vc含量比對照提高了18.57%。王東明［22］對全明星草莓施用沼肥后Vc含量上升，這與劉曉榮等［21］結(jié)果一致，其中基施沼渣60000 kg/hm2，追肥沼液36000 kg/hm2時果實Vc含量最高，比不施肥組提高約18.4%。

3.2.3.2 氨基酸水溶肥

氨基酸水溶肥富含多種營養(yǎng)，見效快且無化肥殘留問題，是一種新型功能性肥料。唐光木等［23］推測覆膜滴灌氨基酸水溶肥通過提高達賽萊克特草莓根系吸收能力，促進光合作用和自身物質(zhì)合成轉(zhuǎn)化，進而顯著提高草莓果實Vc含量。魏啟舜等［24］研究表明隨羽毛生物降解氨基酸肥中游離氨基酸含量降低，寧玉草莓Vc含量降低，當(dāng)含量為0.364 g/L時果實Vc含量最高。任洪建等［25］發(fā)現(xiàn)在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上每公頃施加1500 mL含腐殖酸水溶肥（兌水450 kg）可以提高妙香7號草莓果實Vc含量，比對照組提高約10.8%。

3.2.3.3 大量元素

郭曉雨［26］研究表明從紅顏草莓現(xiàn)蕾期開始每15天施用1次硫酸鉀可以提高果實Vc含量，且隨硫酸鉀濃度升高，果實Vc含量提高，當(dāng)濃度為3.2 g/L時還原性Vc含量最高，達7.71 mg/kg。秦燕等［27］對紅顏草莓施用不同配比的磷肥、鉀肥均可以提高果實Vc含量，其中0.4% P2O5、0.7% KCl、0.3% CaCl2配比下紅顏草莓果實Vc含量最高，為0.737 mg/g。王春玲等［28］研究表明適度降低肥料中磷的配比不會影響紅顏草莓果實中Vc含量，但是當(dāng)無磷時則會顯著降低，與高磷（N ∶ P2O5∶ K2O = 16 ∶ 8 ∶ 32）處理相比，降低約22.7%。

3.2.3.4 微量元素

鞠明岫［29］研究表明硒肥可以顯著提升草莓中Vc含量，紅顏、蒙特瑞、章姬草莓Vc含量隨硒肥濃度提高也先上升后下降，當(dāng)葉面噴施0.33 mL/L硒肥時，紅顏、章姬草莓果實中Vc含量最高，分別為1.73 mg/g和1.75 mg/g。葉面噴施0.5 mL/L時，蒙特瑞Vc含量最高，為1.7 mg/g。高尚等［30］發(fā)現(xiàn)對轉(zhuǎn)色期甜查理外源噴施30 mg/L Na2SeO3，Vc含量較對照提高約70.4%，并且外源Na2SeO3可以提升果實中的GaILDH活性，進而從源頭上促進果實中Vc積累。在此基礎(chǔ)上，晉瑩瑩等［31］發(fā)現(xiàn)10 mg/L La（NO3）3+30 mg/L Na2SeO3處理下甜查理果實Vc含量顯著高于鑭和硒溶液單獨處理，比同等質(zhì)量濃度的鑭單獨處理高30.5%，比硒單獨處理高16.8%，此外研究表明草莓果實中Vc含量提高可能與硒提升光合作用的能力有關(guān)。張妍妍等［32］發(fā)現(xiàn)甜查理草莓果實Vc含量隨葉面噴施硒代氨基酸（SeMet）濃度升高先上升后下降，當(dāng)濃度為60 mg/L時最高。硒代氨基酸（SeMet）可能通過提升光合作用效率，積累光合產(chǎn)物，進而顯著提升Vc合成途徑中GaILDH的活性，從而提高甜查理草莓果實中總Vc含量，這與高尚等［30］研究結(jié)果相一致。此外，趙世宇等［33］推測葉面噴施中低濃度的新型紅色零價態(tài)納米硒（Se0NPs）溶液會提升草莓酶活性，進而提高Vc含量，而高濃度則會降低Vc含量，如當(dāng)濃度為40 mg/L時，Vc含量比濃度為20 mg/L時下降約25%。

硼是植物生長發(fā)育過程中必不可少的微量元素。高新霞等［34］用不同質(zhì)量濃度的硼肥噴施紅顏和章姬草莓，結(jié)果表明，適宜濃度的硼肥有利于改善果實品質(zhì)，高濃度硼肥反而降低果實品質(zhì)，質(zhì)量分數(shù)0.05%時章姬和紅顏草莓果實中Vc含量最高，分別比對照提高33.2%和34.6%。晉瑩瑩［35］研究發(fā)現(xiàn)葉面噴施質(zhì)量分數(shù)為0.05%八硼酸鈉可以顯著提高紅顏草莓Vc含量，與對照相比提高34.6%，且八硼酸鈉可以促進草莓各時期果實AsA合成，增強循環(huán)代謝酶活性降低AsA降解酶AAO活性。

3.2.3.5 生物肥

微生物菌劑可以分解土壤中的有機物質(zhì)供給植物根系吸收，并通過提高葉片中葉綠素含量來增強植物光合作用，促進植物生長，還可以提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，是代替化肥的可行辦法。Flores-Felix等［36］研究發(fā)現(xiàn)葉桿菌屬（Phyllobacterium）菌株能提高草莓果實中Vc含量，接種PEPV15菌株的草莓果實中Vc含量顯著高于未接種草莓近一倍。

3.3 外源物質(zhì)

3.3.1 外源激素

外源施用茉莉酸甲酯（Methyl Jasmonate， Me-JA）可以提高植物抗逆性和果實品質(zhì)。近年來，外源噴施MeJA在果蔬采后保鮮貯藏方面應(yīng)用廣泛。閆艷華［37］發(fā)現(xiàn)150 μL/L MeJA溶液浸泡的全熟甜寶果實在貯藏4天后Vc含量比對照高3倍，而八成熟果實Vc含量比對照高約46.4%，結(jié)果表明150 μL/L MeJA溶液浸泡后可以減少全熟、八成熟草莓中Vc的流失，更有利于草莓貯藏保鮮。脫落酸（Abscisic Acid， ABA）和小分子吲哚胺類物質(zhì)褪黑素也可以提高草莓Vc含量。Crizel等［38］研究表明外源施用ABA可以增加卡姆羅莎草莓Vc含量，且在鹽脅迫條件下更顯著。李恭峰等［39］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)香野草莓葉面噴施450 μmol/L褪黑素溶液時，草莓Vc含量最高，比對照高50.65%。

3.3.2 植物生長調(diào)節(jié)劑

植物生長調(diào)節(jié)劑可以增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、提高抗逆性等。鞠明岫［29］研究表明鈦肥可以顯著提升草莓中Vc含量，紅顏和蒙特瑞草莓果實Vc含量隨鈦肥濃度提高先上升后下降，在1.17 mg/L濃度時，Vc含量最高，分別為0.8 mg/g和0.78 mg/g。原喬慧［40］對森林草莓Ruegen噴施激動素（Kinetin，KT）和6-芐氨基嘌呤（6-Benzylaminopurine， 6-BA），結(jié)果表明外源KT和6-BA顯著提高草莓中Vc含量，且與對照相比分別提升20.8%和19.5%。

3.3.3 稀土元素

GaILDH是Vc生物合成途徑中的關(guān)鍵酶，研究發(fā)現(xiàn)硝酸鑭通過誘導(dǎo)脫落酸的生物合成，參與調(diào)節(jié)甜查理草莓果實不同時期的GaILDH酶活性，進而提高果實中Vc含量［41］。鈣鹽常用于果蔬的采后貯藏，可以誘導(dǎo)乙烯生成、呼吸速率和酶活性。草莓在采后貯藏過程中，果實Vc含量會因自身呼吸作用和Vc氧化而下降。趙妍等［42］研究表明5%和10%CaCl2處理可以減緩采后豐香草莓果實Vc流失，貯藏4天后Vc含量分別比對照組高1.47倍和1.64倍，推測這與鈣離子穩(wěn)定細胞壁及細胞膜有關(guān)。

4 小結(jié)與展望

草莓生長過程中會受到多種外界環(huán)境條件影響，包含光照、溫度、土壤、養(yǎng)分等，不同的環(huán)境條件及處理時間都會影響草莓果實Vc含量。近幾年研究主要集中在光照和土壤方面，今后，還需要研究其他環(huán)境因素對草莓果實Vc含量的影響。此外，草莓果實Vc含量相關(guān)的QTL定位等領(lǐng)域研究較少，亟需進一步加強。在滿足現(xiàn)有產(chǎn)量的前提下，隨著人民生活水平的提高，將來對培育富含營養(yǎng)的美味草莓的需求日益增加。改善草莓果實品質(zhì)是目前草莓育種工作中的重要目標。把提高草莓果實的營養(yǎng)成分與提高果實風(fēng)味相結(jié)合，更能吸引消費者，滿足消費者對健康的需求，進而提高經(jīng)濟效益。此外，在今后研究中應(yīng)當(dāng)加快草莓全基因組序列解析，深入挖掘野生資源的遺傳優(yōu)勢，充分利用野生資源為草莓分子育種服務(wù)，推動草莓產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展。