薛耀碧,周雅涵,鄧麗莉,2,曾凱芳,2,*
(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶400715;2.西南大學(xué)食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,重慶400715)
采后果實(shí)病程相關(guān)蛋白研究進(jìn)展
薛耀碧1,周雅涵1,鄧麗莉1,2,曾凱芳1,2,*
(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶400715;2.西南大學(xué)食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,重慶400715)
采后果實(shí)病程相關(guān)蛋白(pathogenesis-related proteins,PRs)是果實(shí)受生物或非生物脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生并積累的一類蛋白質(zhì)總稱,是果實(shí)防衛(wèi)體系的重要組成部分,且可在體外表現(xiàn)出一定的抗菌作用。根據(jù)近年來(lái)對(duì)病程相關(guān)蛋白的研究,可將其分為17個(gè)功能家族。目前,采后果實(shí)病程相關(guān)蛋白的研究工作多以激發(fā)子為主,這些激發(fā)子通常是一些物理、化學(xué)或生物因素,可激發(fā)果實(shí)病程相關(guān)蛋白基因的表達(dá),增強(qiáng)果實(shí)的抗病性。本文綜述了采后果實(shí)中幾種病程相關(guān)蛋白研究進(jìn)展,并對(duì)采后果實(shí)病程相關(guān)蛋白未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望。
采后,果實(shí),病程相關(guān)蛋白(PRs),抗病性,激發(fā)子
果實(shí)病程相關(guān)蛋白(pathogenesis-related proteins,PRs)是果實(shí)受生物或非生物脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生并積累的一類蛋白質(zhì)總稱,是果實(shí)防衛(wèi)體系的重要組成部分,果實(shí)采后病程相關(guān)蛋白的研究可從抗病防衛(wèi)基因調(diào)控及其所編碼的蛋白生物活性等方面揭示果實(shí)采后抗病性的機(jī)制[1-2]。根據(jù)近年來(lái)對(duì)病程相關(guān)蛋白的研究結(jié)果,可依據(jù)其氨基酸序列的同源性、生物活性、來(lái)源、電泳遷移率(分子量)、血清學(xué)關(guān)系等將PRs分為17個(gè)功能家族[3-4]。目前,有關(guān)采后果實(shí)PRs的相關(guān)研究主要集中在具有抗真菌活性的病程相關(guān)蛋白家族1(PR-1)、β-1,3-葡聚糖酶(PR-2)、幾丁質(zhì)酶(PR-3、PR-4、PR-8、PR-11)、類甜蛋白(PR-5)、具有類核酸酶活性的PR-10、非特異性脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白(PR-14)等,研究?jī)?nèi)容多以如何激發(fā)其表達(dá)從而增強(qiáng)寄主抗病性為主,已展開(kāi)相關(guān)研究工作的果實(shí)包括香蕉[5]、葡萄[6]、番茄[7-8]、蘋(píng)果[9-11]、獼猴桃[12-13]、梨[14]、草莓[15-17]、柑橘[18-19]、櫻桃[20-21]、芒果[22]、李子[23]、桃[24-25]等。本文將對(duì)上述幾種病程相關(guān)蛋白在不同果實(shí)采后抗病性中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
PR-1被認(rèn)為是一類具有抗真菌活性的病程相關(guān)蛋白。目前,關(guān)于PR-1的相關(guān)研究已在香蕉[5]、葡萄[6]、番茄[8]、梨[14]、桃[26]、木瓜[27]等果實(shí)上展開(kāi)。研究?jī)?nèi)容主要集中在PR-1激發(fā)子研究、PR-1與果實(shí)成熟度關(guān)系研究、PR-1基因結(jié)構(gòu)研究等方面。
研究發(fā)現(xiàn),果實(shí)中PR-1的激發(fā)子主要包括:低聚糖類,如牛蒡低聚糖(BFO)[6]、殼寡糖(COS)[28];植物信號(hào)分子及其類似物類,如乙烯、水楊酸(SA)、苯并噻二唑(BTH)、茉莉酸甲酯(MeJA)[5,27];微生物類,如病原菌、拮抗酵母菌[14]等。首先,一些低聚糖是果實(shí)PR-1的良好激發(fā)子。以BFO為例,BFO能夠誘導(dǎo)果實(shí)SA途徑產(chǎn)生內(nèi)源性SA,SA能夠作為分子信號(hào)物質(zhì)誘導(dǎo)果實(shí)PR-1基因的表達(dá)。據(jù)報(bào)道,BFO處理葡萄果實(shí)6h后,處理果實(shí)PR-1的表達(dá)量與對(duì)照果實(shí)相比可增加2.9倍[6]。其次,一些植物信號(hào)分子及其類似物也可以激發(fā)水果PR-1表達(dá)。例如,10mmol/L BTH或50μmol/L MeJA分別與500mg/L乙烯混合處理香蕉果實(shí),可增加香蕉果實(shí)PR-1在12h后的表達(dá)量[5]。5mmol/L SA處理綠熟期和破色期的番茄果實(shí),2d后PR-1表達(dá)量顯著增加[8]。最后,一些微生物的入侵也能夠激發(fā)果實(shí)PR-1的表達(dá)。例如,將梨黑星病菌(Venturia nashicola)接種至三種抗病性不同的梨果實(shí)(Kousui、Mamenashi 12、Flemish Beauty),7d后Kousui、Flemish Beauty梨果實(shí)中PR-1的表達(dá)量達(dá)到最大值,與對(duì)照果實(shí)相比可增加2倍和8倍。而Mamenashi 12梨果實(shí)在接種病原菌1~2d后,其PR-1表達(dá)量與對(duì)照果實(shí)相比明顯增加,在接種第7d時(shí)表達(dá)量達(dá)最大,為對(duì)照果實(shí)3倍[14]。果實(shí)中PR-1激發(fā)子的研究可為進(jìn)一步揭示果實(shí)誘導(dǎo)抗病性機(jī)理及培育抗病品種果實(shí)研究提供科學(xué)基礎(chǔ)。
PR-1也被認(rèn)為是果實(shí)成熟的一個(gè)分子標(biāo)記物[29]。研究發(fā)現(xiàn),香蕉果實(shí)MaPR1基因在香蕉的生長(zhǎng)成熟過(guò)程中并無(wú)表達(dá),只有在采后催熟時(shí)才能夠檢測(cè)出其表達(dá)量[5]。商業(yè)中常利用乙烯催熟香蕉,但這一處理會(huì)使香蕉貨架期變短。根據(jù)這一結(jié)果,在解決商業(yè)糾紛時(shí),可通過(guò)檢測(cè)長(zhǎng)途運(yùn)輸中香蕉MaPR1表達(dá)量來(lái)判定香蕉是否經(jīng)過(guò)乙烯處理。
基因結(jié)構(gòu)的研究有利于分析其所編碼的蛋白的結(jié)構(gòu)及活性。Kesari等[29]研究發(fā)現(xiàn),香蕉MaPR1a的cDNA由606bp組成,包括了一個(gè)489核苷酸組成的開(kāi)放閱讀框,能夠編碼162個(gè)氨基酸。預(yù)測(cè)其所編碼的多肽分子量為17.38ku,等電點(diǎn)PI為4.3,為PR-1的一個(gè)酸性亞型。對(duì)MaPR1a蛋白序列全長(zhǎng)進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析,發(fā)現(xiàn)MaPR1a明顯與其他眾多植物PR-1具有一定相關(guān)性。
PR-2是一類在病理相關(guān)條件誘導(dǎo)下產(chǎn)生于細(xì)胞間隙的酸性同工酶或細(xì)胞內(nèi)堿性β-1,3-葡聚糖酶[30]。PR-2能夠水解存在于真菌和卵菌細(xì)胞壁的葡聚糖,從而具有抗真菌的作用[31]。此外,PR-2也被認(rèn)為是一種冰結(jié)構(gòu)蛋白(ISPs)[32],與果實(shí)抗冷性有關(guān)。目前,關(guān)于PR-2的相關(guān)研究已在葡萄[6]、番茄[7]、芒果[22]、柚子[19]、番荔枝[33]等采后水果中展開(kāi)。
PR-2激發(fā)子能夠激發(fā)PR-2基因的表達(dá),或通過(guò)其他途徑使PR-2酶活力增加。目前研究認(rèn)為PR-2激發(fā)子主要可包括以下幾種:低聚糖類,如BFO能夠抑制葡萄總酚含量降低,增強(qiáng)β-1,3-葡聚糖酶活性[6];植物信號(hào)分子及其類似物,如SA[21]、MeJA、BTH[18]、水楊酸甲酯(MeSA)[34]等。例如0.01mmol/L MeJA和0.01mmol/L MeSA分別處理番茄果實(shí)可大幅促進(jìn)PR-2b基因編碼胞內(nèi)β-1,3-葡聚糖酶,而前者還可以促進(jìn)PR-2a基因產(chǎn)生胞外β-1,3-葡聚糖酶[34]。另外,0.025g/L BTH處理沙糖橘能夠誘導(dǎo)果實(shí)中β-1,3-葡聚糖酶基因的表達(dá),處理后12h表達(dá)量達(dá)最大[18];物理因子,如UV-C[7]、高CO2濃度、溫度等[33]。有研究發(fā)現(xiàn),3.7k J/m2的UV-C處理番茄可激發(fā)一種分子量為33.1ku的堿性β-1,3-葡聚糖酶,并且處理后30d仍可檢測(cè)到β-1,3-葡聚糖酶的表達(dá)[7];高CO2(20%)和低溫(6℃)也能夠激發(fā)番荔枝果實(shí)組織中PR-2的表達(dá)[33];利用62℃熱水沖刷柚子20s也能夠激發(fā)柚子表達(dá)兩種分子量分別為38、43ku的β-1,3葡聚糖酶,并使柚子果實(shí)對(duì)青霉菌的抗性增強(qiáng)[34];微生物類,研究發(fā)現(xiàn),番茄果實(shí)接種灰霉菌處理可激發(fā)番茄產(chǎn)生一種分子量為33.1ku的堿性β-1,3-葡聚糖酶[7]。
幾丁質(zhì)酶共有I-VII 7種類型,其中IV、VI、VII及部分I、II型幾丁質(zhì)酶屬于PR-3,I、II幾丁質(zhì)酶屬于PR-4,III型幾丁質(zhì)酶屬于PR-8,部分I型幾丁質(zhì)酶屬于PR-11[3]。上述幾種PRs均具有幾丁質(zhì)酶活性,能夠水解真菌細(xì)胞壁中的幾丁質(zhì),具有抗真菌作用。此外,PR-8因具有溶菌酶活性還具有抗細(xì)菌作用。幾丁質(zhì)酶除了具有抗真菌、抗細(xì)菌作用外,還有與其水解活性無(wú)直接關(guān)系的生理作用,例如,一些幾丁質(zhì)酶具有冰結(jié)構(gòu)蛋白(ISPs)活性。ISPs是一種可與冰晶結(jié)合,影響冰晶成長(zhǎng)及結(jié)構(gòu)的蛋白,能夠提高組織對(duì)冷、凍的抵抗力[32],因此,這類具有ISPs活性的幾丁質(zhì)酶可提高果實(shí)貯藏過(guò)程中對(duì)冷害的抵抗力。
目前,已在香蕉[5]、番茄[7-8]、蘋(píng)果[9]、沙糖橘[18]、柚子[19]等采后果實(shí)中開(kāi)展了幾丁質(zhì)酶的相關(guān)研究。幾丁質(zhì)酶激發(fā)子主要包括:植物信號(hào)分子及其類似物,如乙烯、SA、BTH、MeJA[8,18];物理因子類,如UV-C、熱水等[7,19];微生物類,如病原菌、拮抗酵母菌[9]等。首先,一些植物信號(hào)分子及其類似物是幾丁質(zhì)酶良好的激發(fā)子,例如,0.5mmol/L乙烯處理綠熟期和破色期的番茄果實(shí)能夠激發(fā)其PR-3基因表達(dá)[8];0.025g/L BTH處理沙糖橘12h后,與對(duì)照果實(shí)相比顯著誘導(dǎo)了其幾丁質(zhì)酶基因的表達(dá),雖然沙糖橘在BTH處理1~3d后幾丁質(zhì)酶基因表達(dá)強(qiáng)度較弱,但在處理7d和10d時(shí)沙糖橘CR-CT1基因(沙糖橘幾丁質(zhì)酶3’末端cDNA序列的克隆,命名為CR-CT1)仍維持一定的表達(dá)量[18]。此外,一些物理激發(fā)子也能夠激發(fā)果實(shí)中幾丁質(zhì)酶基因的表達(dá)。據(jù)報(bào)道,3.7kJ/m2的UV-C處理能誘導(dǎo)番茄果實(shí)產(chǎn)生分子量分別為10ku和8.9ku的兩種酸性幾丁質(zhì)酶[7];62℃熱水沖刷柚子20s也能夠激發(fā)柚子果實(shí)表達(dá)分子量分別為21、22、25ku的幾種幾丁質(zhì)酶,并使柚子果實(shí)對(duì)青霉菌的抗性增強(qiáng)[19]。最后,病原菌與拮抗酵母菌也能夠激發(fā)果實(shí)幾丁質(zhì)酶基因的表達(dá)。例如,Charles等[7]研究發(fā)現(xiàn),灰霉菌與UV-C處理番茄果實(shí)能夠激發(fā)果實(shí)中相同的幾丁質(zhì)酶基因的表達(dá);蘋(píng)果果實(shí)的PR-8基因能夠被假絲酵母(Candida oleophila)和灰霉菌(Botrytis cinerea)誘導(dǎo)表達(dá)[9],并且蘋(píng)果PR-8基因?qū)湍妇捻憫?yīng)水平要比對(duì)灰霉菌的響應(yīng)水平高。
果實(shí)在病理?xiàng)l件下誘導(dǎo)產(chǎn)生的類甜蛋白(TLP)被歸為病程相關(guān)蛋白家族5,即PR-5。PR-5具有增強(qiáng)膜透性、水解葡聚糖鏈、促進(jìn)凋亡的作用[35]。此外,一些果實(shí)中的PR-5家族中的蛋白屬于食物過(guò)敏原,例如:蘋(píng)果[10-11]、獼猴桃[12-13]、人心果[40]等。人們對(duì)15種獼猴桃過(guò)敏原物質(zhì)TLP進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn),15種獼猴桃中TLP含量最高的是“海沃德”、“布魯諾”、“秦美”;中華獼猴桃“金峰”、“紅陽(yáng)”及A.eriantha GPA、PPB中TLP含量較低[13]。目前,關(guān)于PR-5的相關(guān)研究已在獼猴桃[13]、柑橘[36]、鱷梨[37]、草莓[38]等采后水果中展開(kāi)。
目前所報(bào)道的PR-5激發(fā)子主要是一些植物信號(hào)分子類似物(MeJA)[36]及微生物類,如病原菌、拮抗酵母[37-38]等。有報(bào)道稱,1×108cells/m L羅倫隱球酵母、100μmol/L MeJA及兩者復(fù)合處理均能夠增加柑橘皮中PR-5表達(dá)[36]。三種處理在12h后,柑橘皮中PR-5 mRNA表達(dá)水平迅速增加,而后48、72h PR-5 mRNA表達(dá)量緩慢下降,并且復(fù)合處理較單一處理PR-5表達(dá)量更多。一些病原菌也能夠激發(fā)果實(shí)PR-5的表達(dá)。例如,接種炭疽菌可以誘導(dǎo)鱷梨果實(shí)PR-5基因的表達(dá)[37]。此外,不同抗病性品種的果實(shí)對(duì)病原菌響應(yīng)情況不同。研究發(fā)現(xiàn),智利草莓果實(shí)在接種灰霉菌后,2d內(nèi)PR-5表達(dá)量迅速增加并達(dá)到最大值,然后降低;而紅顏草莓在接種灰霉菌后PR-5以同樣的速率1d內(nèi)達(dá)到最大并且保持這種水平;智利草莓PR-5的表達(dá)量明顯比紅顏草莓要高[38]。
果實(shí)中PR-5結(jié)構(gòu)研究的最清楚的是番茄TLPNP24-I結(jié)構(gòu)。研究認(rèn)為,番茄TLP-NP24-I的三維結(jié)構(gòu)由三個(gè)結(jié)構(gòu)域組成:結(jié)構(gòu)域I是由11個(gè)β-折疊形成了β夾心,構(gòu)成整個(gè)分子核心結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)域II由1個(gè)β-折疊、1個(gè)α-螺旋、3個(gè)α-螺旋區(qū)段組成,起維持分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作用。結(jié)構(gòu)域Ⅲ只有32個(gè)氨基酸殘基,1個(gè)長(zhǎng)環(huán)結(jié)構(gòu)和1個(gè)β-折疊[39]。
PR-10家族是一類分子量范圍在15~20ku,含有3個(gè)α-螺旋和7個(gè)β-折疊的病程相關(guān)蛋白[41]。PR-10在采后果實(shí)的研究主要集中在果實(shí)抗病性研究、果實(shí)過(guò)敏原研究等方面。在果實(shí)抗病性研究方面,PR-10唯一高度保守區(qū)域P-loop(GxGGxGxxK)結(jié)構(gòu)基元被認(rèn)為是核苷酸結(jié)合位點(diǎn),使PR-10具有核糖核酸酶活性,成為17種病程相關(guān)蛋白中唯一具有抗病毒功能的病程相關(guān)蛋白。一些PR-10能夠被病原菌誘導(dǎo)表達(dá),例如,El-keream等[41]發(fā)現(xiàn)抗病性不同的李子品種在感染褐腐病過(guò)程中PR-10均有表達(dá),但表達(dá)情況略有不同。接種褐腐病菌1d后,易感病品種PR-10轉(zhuǎn)錄量增加,而在抗病品種中,PR-10轉(zhuǎn)錄量保持恒定,2d后抗病品種PR-10轉(zhuǎn)錄量才略有增加。PR-10家族成員也是水果中重要的過(guò)敏源。目前PR-10作為過(guò)敏蛋白在采后果實(shí)過(guò)敏中的研究也很多,如草莓Fraa1結(jié)構(gòu)研究[16]、柑橘過(guò)敏基因研究[42]、蘋(píng)果Mal d 1基因結(jié)構(gòu)的研究[43]。
PR-14非特異性脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白是一類小分子可溶性蛋白,具有同類甜蛋白(TLP)相似、使蛋白分子具有熱穩(wěn)定性并能抵抗酶水解的二硫鍵結(jié)構(gòu)[44]。nsLTP(非特異性脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白,PR-14)可根據(jù)其分子量的大小分為nsLTP1、nsLTP2,其分子量分別為9ku和7ku。nsLTP1具有包含4個(gè)a-螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定球狀體,是美味獼猴桃、中華獼猴桃、蘋(píng)果、桃、杏、歐洲李、甜櫻桃、甜橙等水果中重要的過(guò)敏源[44]。
綜上所述,目前已經(jīng)開(kāi)展了很多有關(guān)采后果實(shí)病程相關(guān)蛋白的研究工作,尤其以不同果實(shí)病程相關(guān)蛋白激發(fā)子的研究為多。然而,果實(shí)病程相關(guān)蛋白研究建立在其基因結(jié)構(gòu)、表達(dá)規(guī)律等基因組學(xué)研究基礎(chǔ)上,屬于基因組學(xué)下游研究?jī)?nèi)容。某種特定的果實(shí)經(jīng)一種激發(fā)子處理,所激發(fā)的病程相關(guān)蛋白可能會(huì)有很多,但由于該種果實(shí)的相應(yīng)病程相關(guān)蛋白基因組學(xué)所研究?jī)?nèi)容還不夠完善,導(dǎo)致在現(xiàn)有研究水平下該激發(fā)子所激發(fā)的所有病程相關(guān)蛋白并不能完全被檢測(cè)。所以,以現(xiàn)有的研究結(jié)果還不能得出某種激發(fā)子能夠激發(fā)相應(yīng)的病程相關(guān)蛋白的種類。另外,本文所列舉的研究結(jié)果表明:同種激發(fā)子處理不同種果實(shí)時(shí),不同果實(shí)對(duì)應(yīng)的同類病程相關(guān)蛋白表達(dá)量最大量不同,例如:梨黑星病菌(Venturia nashicola)處理三種抗病性不同的梨果實(shí)Kousui、Mamenashi 12、Flem ish Beauty,PR-1的表達(dá)量最大值分別為相應(yīng)對(duì)照果實(shí)的2倍、8倍和3倍[14];不同果實(shí)的同一家族病程相關(guān)蛋白被不同激發(fā)子激發(fā)時(shí),表達(dá)量明顯增加時(shí)所需要的時(shí)間不同,例如:葡萄果實(shí)經(jīng)BFO處理、番茄果實(shí)經(jīng)過(guò)5mmol/L SA處理后,PR-1表達(dá)量顯著增加所需時(shí)間分別為6h[6]、2d[8]。
雖然,現(xiàn)有的研究結(jié)果表明病程相關(guān)蛋白與果實(shí)采后抗病性呈一定關(guān)系,但是,病程相關(guān)蛋白具體如何增強(qiáng)果實(shí)采后抗病性的機(jī)制仍不是很清楚,病程相關(guān)蛋白在采后果實(shí)上的研究仍任重道遠(yuǎn)。后續(xù)研究可從以下幾方面展開(kāi):總結(jié)采后果實(shí)在不同激發(fā)子誘導(dǎo)下所產(chǎn)生的病程相關(guān)蛋白基因的表達(dá)規(guī)律,以期找到通用的果實(shí)采后病害防治方案;研究果實(shí)采后病程相關(guān)蛋白激發(fā)子的結(jié)構(gòu)及其與相關(guān)基因作用位點(diǎn)等問(wèn)題,揭示病程相關(guān)蛋白基因被激發(fā)表達(dá)的整個(gè)過(guò)程;研究病程相關(guān)蛋白結(jié)構(gòu)及其如何作用于果實(shí),增強(qiáng)果實(shí)抗病性等問(wèn)題;利用微生物發(fā)酵工程,生產(chǎn)商品化、具有廣譜抗病原微生物活性的病程相關(guān)蛋白或拮抗微生物來(lái)增強(qiáng)采后果實(shí)的抗病性。
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Advances on pathogenesis-related proteins of postharvest fruits
XUE Yao-bi1,ZHOU Ya-han1,DENG Li-li1,2,ZENG Kai-fang1,2,*
(1.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China;2.National Food Science and Engineering Experimental Teaching Center,Southwest University,Chongqing 400715,China)
Postharvest fruit pathogenesis-related p roteins(PRs)are a kind of p roteins which are p roduced or accumulated by fruits under the biotic and abiotic stress.They are thought to be an im portant part of the defense system of fruits and have a certain degree of antibacterialactivity in vitro.In recent scientific stud ies of PRs,they could be d ivided into 17 function related p rotein fam ilies.The main research about PRs of postharvest fruits was elicitors.This paper reviewed some PRs of postharvest fruits and the d irec tion of the research on postharvest fruit pathogenesis-related p roteins was discussed in the end.
postharvest;fruit;pathogenesis-related p roteins(PRs);d isease-resistance;elicitors
TS667.7
A
1002-0306(2015)04-0391-05
10.13386/j.issn1002-0306.2015.06.076
2014-06-20
薛耀碧(1989-),女,碩士研究生,研究方向:食品生物技術(shù)。
曾凱芳(1972-),女,博士,教授,研究方向:食品貯藏工程。
國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31271958);教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)(45批);農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201203034)。