核果類果實成熟軟化機理研究進展

沈穎王玉霞張福興，*李芳東張序李延菊

（1煙臺大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，煙臺 264005；2山東省煙臺市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，煙臺 265500）

核果類果實成熟通常伴隨著硬度、脆度降低，果實質(zhì)地變軟，甚至腐爛變質(zhì)情況，不但影響鮮食口感及其商品價值，也給果實的保鮮貯藏及遠距離銷售等帶來了多種不便，在一定程度上限制了核果類果樹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來，國內(nèi)外學(xué)者從細胞壁結(jié)構(gòu)組成和組分降解及其相關(guān)酶活性的關(guān)系入手，對核果類果實軟化機理進行了大量研究，在桃、杏、李、梅等樹種上取得了重要進展。

1 果實成熟軟化中的質(zhì)地變化

果實質(zhì)地不僅是鮮食品質(zhì)的構(gòu)成因素，也直接決定了果實的經(jīng)濟價值。果實硬度、脆度等可以評價果實質(zhì)地，但僅僅用觸摸感、外觀感、食用感來評價，存在個人主觀性不一致、表述不精確的問題。而且不同樹種的果實質(zhì)地存在明顯區(qū)別，雖然在相關(guān)方面做了大量研究工作，但目前沒有統(tǒng)一的方法和定論，因此，多用質(zhì)構(gòu)儀分析方法確定參數(shù)，從而綜合評價果實質(zhì)地。

果實質(zhì)地的決定因素主要有果肉細胞的大小和密度、細胞壁的厚度、內(nèi)外層細胞的差異，以及相鄰細胞之間的空隙等。果實硬度的大小由果肉細胞的大小及數(shù)量、細胞之間連接的緊密程度、細胞壁物質(zhì)的機械強度等決定。已有大量研究表明，在核果類果實中，通常果肉單個細胞小、數(shù)量多、連接緊密、細胞壁厚度大的果實硬度大；果肉細胞大、細胞壁厚度小、細胞之間空隙小的果實果肉質(zhì)地比較脆；果肉細胞小且多、細胞壁厚度小、并且連接緊密的果實有韌性。果實成熟的一個顯著特征就是果實硬度、脆度和韌性降低，而果實質(zhì)地軟化主要是細胞壁結(jié)構(gòu)的變化、組分的降解以及相關(guān)酶和基因間的相互作用引起。

2 果實成熟軟化中細胞壁的降解

2.1 細胞壁結(jié)構(gòu)的變化

核果類果實的細胞壁由初生壁、次生壁和胞間層三部分組成。初生壁伸縮性強，在旺盛發(fā)育的植物細胞中含量較大；次生壁主要存在于特定組織的細胞中，硬度較大，可以維持細胞壁的整體形態(tài)；胞間層又稱中膠層，具有膠粘柔軟的特點，有助于相鄰細胞間的連接。在果實成熟軟化過程中，由于多糖物質(zhì)的降解，微纖絲結(jié)構(gòu)被破壞，不能正常維持細胞間連接，細胞變得松散，導(dǎo)致果肉硬度降低。闞娟等在對桃果實觀察中發(fā)現(xiàn)，成熟過程中果實細胞壁胞間層降解，同時伴隨著質(zhì)壁分離，液泡損壞，細胞壁結(jié)構(gòu)瓦解，細胞器降解消失，細胞間隙顯著增大，且硬度較大的桃果實細胞壁結(jié)構(gòu)不易破壞。李萍對新疆杏的研究表明，初生壁和胞間層的降解與果實硬度降低的時期基本重合。陸勝民研究發(fā)現(xiàn)，梅果成熟軟化過程中，細胞器被破壞，液泡破裂，胞間層溶解，微纖絲結(jié)構(gòu)松弛，硬度降低，最終導(dǎo)致果實軟化。

2.2 細胞壁組分的變化

細胞壁主要用來支撐保護植物細胞，主要成分為纖維素和果膠，同時包含其他多糖及少量蛋白質(zhì)等。但在不同樹種、不同部位以及果實發(fā)育的不同時期存在明顯差別，因而，植物細胞壁組分復(fù)雜多變。Jovyn等研究認為，細胞壁組分的降解和細胞壁結(jié)構(gòu)破壞是果實軟化的主要原因。

2.2.1 果膠物質(zhì) 果膠的溶解與果實成熟軟化特性密切相關(guān)。果實發(fā)育初期的果膠為原果膠，此時果肉硬度大，且細胞壁結(jié)構(gòu)基本完整。在果實成熟過程中，原果膠向可溶性果膠（WSP）轉(zhuǎn)變，同時初生壁溶解，細胞壁結(jié)構(gòu)破壞；胞間層降解，細胞之間膠粘性下降，引起果實軟化。李萍對新疆杏的研究結(jié)果表明，各類果膠含量在果實發(fā)育初期持續(xù)上升，但共價結(jié)合果膠（CSP）在果實到達成熟期后開始下降，且不同品種變化趨勢基本一致。胡留申等研究表明硬度大、貯藏性好的桃品種果實，通常原果膠降解速率低，WSP含量上升慢。闞娟等發(fā)現(xiàn)，桃果實硬度與原果膠含量的變化呈正相關(guān)，且成熟伴隨著原果膠降解為WSP；WSP含量越高，軟化速度越快。閻香言等研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)地較軟的桃果實WSP含量一直保持在較高水平，并且總果膠含量顯著高于質(zhì)地較硬的桃果實。中國櫻桃在果實成熟期間，原果膠逐漸降低，而WSP迅速升高，其中在黃熟期和紅熟期變化最為明顯，與桃果實變化基本一致，推測可溶性果膠的迅速升高是引起果實軟化的主要原因之一。

2.2.2 半纖維素 主要分布在次生壁，是一群復(fù)合聚糖的總稱，能發(fā)生酸性水解。闞娟等研究發(fā)現(xiàn)，硬溶質(zhì)桃果實半乳糖的降解表現(xiàn)不明顯，而軟溶質(zhì)桃只發(fā)生在比較松弛的半纖維素中。楊琴研究發(fā)現(xiàn)，楊梅成熟過程中，松散的半纖維素含量和WSP含量升高，可能是導(dǎo)致細胞壁結(jié)構(gòu)破壞、果實軟化的原因。徐曉波研究發(fā)現(xiàn)，在李果實中，木葡聚糖-纖維素網(wǎng)絡(luò)的松弛變化，直接影響了果實細胞壁結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致果實硬度降低，質(zhì)地變軟。硬度大的‘硬絲安海變’楊梅中半纖維素含量及其相關(guān)酶活性均低于硬度小的‘荸薺種’，說明半纖維素在不同樹種上的作用機理存在很大區(qū)別，甚至完全相反。

2.2.3 纖維素 纖維素通常被認為是不易降解的聚合物，由于纖維長鏈靠大量氫鍵結(jié)合成微纖絲，保證了其穩(wěn)定的特性。焦云等對楊梅細胞壁組分的研究發(fā)現(xiàn)，硬度大的‘硬絲安海變’與硬度小的‘荸薺種’相比，纖維素含量更高。李萍對新疆杏的研究發(fā)現(xiàn)，杏成熟過程中，纖維素含量逐漸降低，并且易軟化的果實降低速率更大。在對核果類果實的研究中發(fā)現(xiàn)，梅、杏等果實的生長發(fā)育過程中，纖維素在積累。因此推斷，纖維素的水解可以促進微纖絲的降解，導(dǎo)致細胞壁結(jié)構(gòu)瓦解。

3 細胞壁降解酶活性變化

研究認為，核果類果實細胞壁組分的降解與多聚半乳糖醛酸酶 （PG）、果膠甲酯酶（PME）、 纖維素酶 （Cx 或 Cl）、β-半乳糖苷酶（β-Gal）、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶 （α-L-Af）等細胞壁水解酶的活性密切相關(guān)。

3.1 多聚半乳糖醛酸酶

多聚半乳糖醛酸酶，以多聚半乳糖醛酸為底物，促進果膠物質(zhì)的降解，最終導(dǎo)致細胞壁結(jié)構(gòu)瓦解，質(zhì)地變軟。金昌海等研究發(fā)現(xiàn)，在桃果實生長發(fā)育中，果實乙烯含量逐漸升高，PG活性變化與其一致，在成熟中后期達到峰值，由此得出，PG在桃果實后期軟化中至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，梅果實的成熟軟化可能是由PG和Cx活性的升高引發(fā)的，并且PG在梅果實的后期軟化中作用顯著。中國櫻桃的果實發(fā)育初期沒有PG的參與，隨著成熟過程的推進，PG活性開始上升，在中后熟時期上升速率顯著提高，所以推測，PG與軟化過程的啟動無必然聯(lián)系，只是在后期軟化中發(fā)揮作用。徐曉波對李果實多糖降解相關(guān)酶的研究發(fā)現(xiàn)，PG活性在李果實發(fā)育初期活性不高，到了后期該酶活性迅速上升，說明PG對促進成熟后期細胞壁多糖水解、降低果實硬度起到關(guān)鍵作用。

3.2 果膠甲酯酶

果膠甲酯酶遍布于植物細胞中，主要功能是催化果膠酯酸轉(zhuǎn)化為果膠酸，為PG的作用提供更多的底物。在一些果實成熟軟化過程中，PME活性上升比較明顯，例如，中國櫻桃和桃等。陸勝民等對梅果實的研究發(fā)現(xiàn)，其果肉質(zhì)地和細胞壁組分變化與PME活性變化趨勢無顯著相關(guān)性，推測PME可能只是對果實軟化有促進作用，而不是果實軟化的必需酶。闞娟等對桃果實成熟過程中酶活性研究發(fā)現(xiàn)，PME活性在成熟度提高的過程中顯著增加，并且同PG活性表現(xiàn)出相同的變化趨勢，且軟溶質(zhì)型桃果實中的PME上升時間更早。表明，PME可能對果實發(fā)育初期PG活性的啟動有影響。但也有研究證實，PME的反義抑制不利于后熟果實的貯藏。因此推測，PME只是促進果實質(zhì)地的穩(wěn)定性，并不能直接促進軟化。

3.3 纖維素酶

纖維素酶是一族能夠降解羧甲基纖維素的相關(guān)酶，在不同樹種果實，甚至在不同組織上的軟化機理都有明顯差別。Cx在果實發(fā)育初期幾乎不存在，但隨著果實的成熟，活性隨之升高。新疆杏貯藏期間，纖維素酶活性的上升與果實的硬度下降趨勢保持同步。纖維素酶在桃果實發(fā)育初期的作用不明顯，在成熟后期果實硬度下降、質(zhì)地變得綿軟的過程中，活性逐漸升高。陸勝民研究指出，Cx活性對梅果實細胞壁中原果膠向WSP的轉(zhuǎn)變以及半纖維素多糖的降解有突出影響，同時也可一定程度上增加梅果實采后硬度下降的速率。但纖維素酶似乎在李果實成熟中不發(fā)揮作用，因為李果實中未能檢測到纖維素的降解。所以，目前只是認為纖維素酶對核果類果實軟化有一定影響，但作用于樹種間的差別、發(fā)揮作用的時期、以及與其它降解酶的關(guān)系都未作深入研究，可作為未來研究的方向。

3.4 β-半乳糖苷酶

β-半乳糖苷酶主要通過降解果膠多聚醛酸，切除半乳糖苷鍵，從而促使果膠物質(zhì)降解，果膠-纖維素網(wǎng)絡(luò)松動，最終導(dǎo)致果實軟化。宣繼萍等研究推測，β-Gal可以增加PG等其它果膠酶與底物的接觸。也有研究發(fā)現(xiàn)，β-Gal在果實成熟軟化初期活性較高，推測可能會對果實軟化的啟動有促進作用，并且切除半乳糖苷鍵的同時，也可能引發(fā)其它反應(yīng)，比如乙烯產(chǎn)生等。徐曉波的研究中發(fā)現(xiàn)，β-Gal活性的上升與果實質(zhì)地的軟化幾乎同步進行，基本上證實它可以破壞細胞壁結(jié)構(gòu)，增大其它降解酶與底物的接觸面積。但趙勝錦的研究卻發(fā)現(xiàn)，中國櫻桃中β-Gal早期基本不發(fā)揮作用，活性明顯上升的時期也比PG晚，到后熟期達到最高。所以β-Gal與PG在中國櫻桃果實軟化后期的作用效果更明顯，而與前期啟動果實軟化無必然聯(lián)系。

3.5 α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶

α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶能夠水解細胞壁中的非還原呋喃阿拉伯糖殘基，促進細胞壁多糖降解，導(dǎo)致細胞壁結(jié)構(gòu)松弛，引起果實軟化。金昌海等對桃果實的研究發(fā)現(xiàn)，α-L-Af活性增加時期與果實硬度下降時期都集中在果實成熟的中后期，并且稍晚于乙烯含量迅速升高的時期，故認為α-L-Af的活性變化與果實成熟過程中乙烯的積累密切相關(guān)。但Bremmulle等研究卻發(fā)現(xiàn)，α-L-Af并不僅僅是在成熟后期，在發(fā)育初期、中期的活性并不低于成熟后期。目前，α-L-Af在核果類果實成熟軟化中的研究不夠深入，α-L-Af的具體作用機理以及與其它細胞壁降解酶的互作關(guān)系有待發(fā)掘。

4 前景與展望

多年來，人們對果實成熟軟化的生理現(xiàn)象進行了廣泛的研究，其生理和分子機制一直是研究探討的熱點問題之一。核果類果實的軟化機理研究大多側(cè)重于采后生理及貯藏方面，而現(xiàn)在更加注重果實品質(zhì)形成，對果實發(fā)育過程中的細胞壁結(jié)構(gòu)和組分及細胞壁物質(zhì)降解有關(guān)多種酶的變化研究越來越多。已有研究表明，核果類果實成熟軟化是一個復(fù)雜的生理過程，細胞壁的變化及各種相關(guān)酶的相互作用是導(dǎo)致果實軟化的直接原因。因此，必須針對果實發(fā)育的生理生化基礎(chǔ)深入研究，探明果實成熟軟化的機理，并對不同樹種和品種開展針對性研究，提出抑制果實軟化的具體調(diào)控措施，從而達到提高鮮食品質(zhì)、延長果實貯藏保鮮時間、培育耐貯新品種的目的。