能量虧缺對(duì)果蔬采后組織衰老、褐變與病害的影響

王 靜

（1.陜西學(xué)前師范學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，陜西 西安 710100；2.陜西師范大學(xué)食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119）

能量是生物體生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，三磷酸腺苷（ATP）是生物體內(nèi)最重要的能量代謝庫(kù)。近年來(lái)對(duì)采后果蔬衰老與能量代謝關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，果蔬的能量狀況影響組織代謝，能量較低可能引起采后果蔬的衰老和褐變。果蔬在采后衰老過(guò)程中常伴隨著物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、呼吸代謝途徑和呼吸鏈組分的改變。在正常情況下，細(xì)胞能夠合成足夠的能量以維持果蔬正常的生命活動(dòng)；但當(dāng)采后果蔬衰老或遭受不良環(huán)境脅迫時(shí)，呼吸鏈遭到破壞、ATP合成能力下降，能量虧缺導(dǎo)致果蔬細(xì)胞代謝紊亂和功能喪失，最終導(dǎo)致果蔬細(xì)胞不可逆死亡[1]。病原菌侵染果蔬等植物組織時(shí)，應(yīng)激反應(yīng)會(huì)消耗大量的能量，當(dāng)ATP合成不足時(shí)，能量虧缺會(huì)導(dǎo)致果蔬對(duì)病原菌的抗病性降低或喪失，細(xì)胞膜的修復(fù)能力下降，區(qū)室化分布的細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，最終導(dǎo)致采后果蔬褐變和病害的發(fā)生。采后果蔬的能量代謝影響到細(xì)胞膜完整性、呼吸代謝途徑以及氧自由基產(chǎn)生和清除的調(diào)控方式，在采后果蔬組織衰老、褐變及病害發(fā)生中起重要的作用。因此，維持果蔬細(xì)胞內(nèi)ATP和能荷的水平可使組織維持正常生命活動(dòng)，從而保持果蔬品質(zhì)，延長(zhǎng)采后貯運(yùn)貨架期。

1 能量虧缺在果蔬采后組織衰老過(guò)程中的作用

1.1 果蔬采后衰老過(guò)程中呼吸代謝異常與能量虧缺的關(guān)系

呼吸代謝是果蔬等植物組織產(chǎn)生能量的基本途徑，植物呼吸代謝強(qiáng)弱受細(xì)胞中能荷狀態(tài)的調(diào)控。采后果蔬果實(shí)由于離開(kāi)母體，礦物質(zhì)、水分及有機(jī)物的供給停止，導(dǎo)致光合作用趨于結(jié)束，但生命活動(dòng)仍在進(jìn)行。生物大分子的轉(zhuǎn)換更新、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的維持和修復(fù)所需能量由果蔬采后的呼吸作用提供，而線粒體是果實(shí)進(jìn)行呼吸作用和能量合成的場(chǎng)所[2]。在衰老及外界逆境脅迫下，線粒體功能紊亂引起細(xì)胞能量缺乏。而細(xì)胞內(nèi)因能量生成速率下降或能量供給不足又會(huì)改變呼吸途徑，從而導(dǎo)致呼吸強(qiáng)度和能量代謝水平發(fā)生變化。彭麗桃等[3]用呼吸解偶聯(lián)劑（DNP）處理新鮮馬蹄切片后認(rèn)為，DNP增加呼吸電子流，顯著提高了新鮮馬蹄切片總呼吸速率，同時(shí)更顯著提高了電子流分配到交替途徑的比例。呼吸速率及抗氰交替途徑的升高，其結(jié)果是細(xì)胞內(nèi)水解過(guò)程加強(qiáng)和貯藏蛋白質(zhì)的消耗增加，進(jìn)一步加劇組織內(nèi)能量虧損和衰老進(jìn)程。同時(shí)，呼吸代謝途徑中許多關(guān)鍵的調(diào)節(jié)酶受三磷酸腺苷、二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP）濃度的調(diào)節(jié)。當(dāng)ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快；而當(dāng)ATP/ADP比值升高時(shí)，氧化磷酸化速度減慢。陳夢(mèng)茵等[4]研究認(rèn)為，采后龍眼果實(shí)衰老過(guò)程中能量虧缺與細(xì)胞中吡啶核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP)、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）、含量發(fā)生變化有關(guān)，推斷呼吸鏈的成員吡啶核苷酸參與了采后果蔬呼吸代謝能量產(chǎn)生過(guò)程，其含量的變化會(huì)導(dǎo)致采后果蔬呼吸途徑發(fā)生變化。因此，果蔬能量的產(chǎn)生受自身呼吸代謝的影響，反過(guò)來(lái)其呼吸代謝也受自身細(xì)胞能量水平的調(diào)節(jié)。

1.2 果蔬采后衰老過(guò)程中活性氧代謝失調(diào)與細(xì)胞能量虧缺

線粒體是采后果蔬呼吸代謝、活性氧和能量產(chǎn)生的主要場(chǎng)所。正常情況下，果蔬體內(nèi)的活性氧清除系統(tǒng)能夠及時(shí)清除正常代謝產(chǎn)生的活性氧；而當(dāng)果蔬遭受逆境脅迫或衰老時(shí)，果實(shí)需要消耗大量的能量以抵御不良環(huán)境脅迫，此時(shí)線粒體加速運(yùn)轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的能量物質(zhì)ATP，這一過(guò)程中呼吸代謝電子傳遞途徑中的電子漏增加，導(dǎo)致大量產(chǎn)生，細(xì)胞內(nèi)活性氧積累；而活性氧清除系統(tǒng)清除能力的降低致使采后果蔬體內(nèi)活性氧不能及時(shí)清除，大量活性氧導(dǎo)致果蔬組織發(fā)生氧化損傷，線粒體功能性障礙，能量產(chǎn)生進(jìn)程受阻，不能滿足細(xì)胞正常生命活動(dòng)的能量需求，進(jìn)一步加劇采后果蔬的生理代謝失調(diào)[5]。前人的研究認(rèn)為，ATP一方面在細(xì)胞內(nèi)作為信號(hào)因子參與細(xì)胞對(duì)外界脅迫的信號(hào)傳遞，誘導(dǎo)植物體內(nèi)抗氧化體系的活性間接參與體內(nèi)活性氧的清除；另一方面，ATP可以直接參與體內(nèi)活性氧的清除。Veltman等[6]研究發(fā)現(xiàn)，梨果實(shí)在采后貯藏期間，細(xì)胞線粒體中ATP生成減少，而自由基產(chǎn)生增加。Kumar等[7]在研究馬鈴薯塊莖貯藏過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，伴隨著能量生成，由谷胱苷肽介導(dǎo)的自由基清除系統(tǒng)和質(zhì)膜ATPase活性明顯升高。重要的抗氧化物質(zhì)谷胱甘肽(GSH）的合成必須消耗大量的ATP[8]。Saquet等[9]也發(fā)現(xiàn)ATP在抗氧化物質(zhì)“抗壞血酸-谷胱甘肽”循環(huán)中自由基清除劑（如還原型抗壞血酸、谷胱甘肽和VE）的合成中起重要作用。Song等[10]研究認(rèn)為ATP可能是活性氧信號(hào)的靶器官，對(duì)清除自由基起作用。

1.3 果蔬采后衰老過(guò)程中細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害與細(xì)胞能量虧缺

細(xì)胞膜是生物體的重要組成部分，果蔬衰老常常被認(rèn)為與膜脂過(guò)氧化對(duì)生物膜造成傷害有關(guān)。膜完整性和細(xì)胞膜內(nèi)外滲透壓維持、膜上功能蛋白合成、跨膜K+和Na+的轉(zhuǎn)運(yùn)均需要能量。正常的果蔬細(xì)胞可合成足夠的能量以維持細(xì)胞內(nèi)膜代謝等的平衡；而當(dāng)果蔬衰老或處于逆境脅迫環(huán)境下時(shí)，ATP合成能力下降，果蔬細(xì)胞代謝異常、功能紊亂，致使細(xì)胞膜區(qū)室化功能喪失，完整性遭到破壞，細(xì)胞內(nèi)區(qū)室化分布的酶和底物不可控制的接觸、作用，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[11]。Yi等[12]用外源能量物質(zhì)ATP處理采后鮮荔枝果實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害可能與細(xì)胞內(nèi)能量虧缺有關(guān)：當(dāng)ATP合成速率低于一定閾值時(shí)，自由脂肪酸等膜脂水解產(chǎn)物含量顯著增加。

1.3.1 果蔬組織衰老過(guò)程中細(xì)胞膜水解程度的加劇與能量虧缺

當(dāng)果實(shí)衰老時(shí)，細(xì)胞組織出現(xiàn)能量虧損，組成細(xì)胞膜主要骨架的磷脂發(fā)生降解，細(xì)胞內(nèi)游離脂肪酸含量上升，同時(shí)伴隨著膜透性增大。前人的研究表明，磷脂酶D、脂氧合酶、磷脂酸磷酸酶、脂解酰基水解酶是破壞細(xì)胞膜磷脂雙分子層，加速膜脂代謝的脂降解酶。其中磷脂酶D是植物衰老膜脂類代謝的關(guān)鍵酶，它在加速磷脂降解的第一步反應(yīng)中起重要的調(diào)節(jié)作用[13]。近年來(lái)的研究同時(shí)指出，Ca2+是磷脂酶的重要調(diào)控因子，磷脂酶D可被Ca2+激活[14-15]。Ca2+在細(xì)胞質(zhì)中的運(yùn)出主要由Ca2+-ATPase和Ca2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完成，同時(shí)需要消耗ATP提供能量或質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)能量不足或Ca2+-ATPase活性受抑制時(shí)，Ca2+在細(xì)胞內(nèi)的跨膜運(yùn)輸受阻[16-17]，這樣細(xì)胞溶質(zhì)中的Ca2+可能就激活了磷脂酶D，進(jìn)而加速磷脂代謝[18]。

1.3.2 果蔬組織衰老過(guò)程中細(xì)胞內(nèi)外滲透壓的破壞與能量虧缺

能量虧缺可能加速細(xì)胞膜滲漏。離子的吸收和離子的保留都是依賴能量的過(guò)程，任何對(duì)能量產(chǎn)生的干擾都能成為滲漏和呼吸改變的原因。細(xì)胞膜內(nèi)外離子的轉(zhuǎn)運(yùn)是由ATPase來(lái)完成的，ATPase活性的上升可能是維持細(xì)胞內(nèi)的離子平衡和修復(fù)電化學(xué)梯度的重要生理響應(yīng)，是修復(fù)膜完整性的結(jié)果。當(dāng)細(xì)胞受外界環(huán)境脅迫或內(nèi)部指令需調(diào)節(jié)滲透度維持細(xì)胞內(nèi)外滲透勢(shì)平衡時(shí)，必然需要膜ATPase的跨膜運(yùn)輸作用。ATPase變性失活，導(dǎo)致細(xì)胞膜內(nèi)外滲透壓平衡被破壞，加速細(xì)胞膜選擇性和區(qū)室化功能的喪失，加劇細(xì)胞衰老死亡。簡(jiǎn)令成等[19]的觀察指出，低溫傷害后，質(zhì)膜的主動(dòng)運(yùn)輸功能降低可能是由于ATP酶的活性下降，細(xì)胞內(nèi)能量水平降低，胞質(zhì)中大量的Ca2+不能運(yùn)轉(zhuǎn)，細(xì)胞對(duì)物質(zhì)的主動(dòng)吸收和運(yùn)輸功能均降低，物質(zhì)的運(yùn)輸和滲漏增加，細(xì)胞內(nèi)外滲透平衡被破壞，導(dǎo)致植物細(xì)胞與周圍環(huán)境的物質(zhì)交換的平衡遭到破壞。

1.3.3 能量虧缺導(dǎo)致組成細(xì)胞膜的組分及其結(jié)構(gòu)的改變，膜透性增大

前人研究還發(fā)現(xiàn)，能量對(duì)膜的作用可能與能量影響膜脂組分組成有關(guān)，能量虧缺可能導(dǎo)致組成細(xì)胞膜的組分及不飽和程度發(fā)生改變，從而引起細(xì)胞膜生物化學(xué)和生物物理性質(zhì)的改變，使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性加速破壞，最終導(dǎo)致膜系統(tǒng)區(qū)室化功能喪失[20]。Saquet等[21]研究也表明，“Conference”梨在氣調(diào)貯藏期間，隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)組織能量代謝水平增加，多聚不飽和脂肪酸如油酸、亞油酸等含量明顯上升。陳蓮等[20]研究認(rèn)為，DNP促進(jìn)采后龍眼果實(shí)果皮褐變可能是與脂氧合酶（LOX）活性升高，加速了膜脂脂肪酸組分中的不飽和脂肪酸的降解，從而破壞膜系統(tǒng)完整性，最終導(dǎo)致區(qū)室化分布的多酚氧化酶（PPO）與酚類物質(zhì)接觸發(fā)生酶促褐變有關(guān)。

1.3.4 能量虧缺導(dǎo)致細(xì)胞膜修復(fù)功能的失調(diào)

Rawyler等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ATP合成速率低于一定閾值時(shí)，膜脂水解產(chǎn)物如自由脂肪酸、N-乙酰磷脂酰乙醇胺含量明顯增加，推斷ATP可能在果蔬衰老過(guò)程中的細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷修復(fù)中起重要作用。

2 能量虧缺在果蔬采后組織褐變中的作用

褐變是果蔬采后貯藏期間品質(zhì)劣變最為突出的問(wèn)題之一，極大影響了果蔬的外觀品質(zhì)、商品價(jià)值和貯藏時(shí)間，給生產(chǎn)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失[23]。采后果蔬組織酶促褐變的直接原因是多酚氧化酶和褐變底物在細(xì)胞中區(qū)室化分布結(jié)構(gòu)破壞[24]。Su等[25]和Duan等[26]研究認(rèn)為，果蔬褐變可能與能量代謝異常有關(guān)。Veltman 等[27]研究表明，“Conference”梨在貯藏過(guò)程中果實(shí)褐心病的發(fā)生部分原因是由組織能量虧缺引起的。Chen等[28]研究發(fā)現(xiàn)，0.8 mmol/L的ATP處理對(duì)龍眼果實(shí)采后生理和品質(zhì)效果最佳，能有效降低龍眼果實(shí)果皮褐變指數(shù)，較好維持細(xì)胞膜中酚類物質(zhì)、多酚氧化酶在細(xì)胞中的區(qū)室化分布，在控制龍眼果實(shí)果皮褐變的發(fā)生中起著重要的作用。

3 能量虧缺在果蔬采后組織病害發(fā)生中的作用

3.1 果蔬采后侵染性病害的發(fā)生與細(xì)胞能量虧缺

前人研究認(rèn)為，果蔬采后病害的發(fā)生可能與能量虧缺有關(guān)。果蔬采后受病菌侵染之后，表現(xiàn)為呼吸速率增強(qiáng)，主要是呼吸末端氧化酶活性發(fā)生變化，能荷水平發(fā)生改變等生理生化反應(yīng)[29-30]。當(dāng)病原菌侵染果蔬組織時(shí)，果蔬組織產(chǎn)生和積累大量活性氧、植保素等物質(zhì)對(duì)病原菌的侵染做出應(yīng)激反應(yīng)，同時(shí)通過(guò)加速線粒體的運(yùn)轉(zhuǎn)提供抵御病原菌侵染的ATP，以滿足能量需求。當(dāng)ATP合成低于一定閾值時(shí)果蔬組織能量虧缺，對(duì)病原菌的抵御能力降低和喪失，最終導(dǎo)致果蔬采后病害的發(fā)生。2,4-二硝基苯酚（DNP）是氧化磷酸化解耦聯(lián)劑，能夠通過(guò)破壞跨越線粒體內(nèi)膜質(zhì)子梯度的形成抑制ATP的合成。Yi等[31]研究報(bào)道，經(jīng)荔枝霜疫霉菌接種的荔枝果實(shí)在感染初期能荷值差別較小；隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，果實(shí)的氧化磷酸化解偶聯(lián)，其果皮ATP含量下降，細(xì)胞受傷害，寄主抗病能力降低，果實(shí)病害指數(shù)和果皮褐變指數(shù)增加；外源DNP處理會(huì)引起荔枝霜疫霉菌接種荔枝果實(shí)果皮ATP含量的下降，促進(jìn)病害的發(fā)生；而外源ATP處理則能有效延緩荔枝霜疫霉菌接種荔枝果實(shí)果皮ATP含量的下降和病害的發(fā)生。陳夢(mèng)茵等[4,32]研究表明，能量虧缺在擬莖點(diǎn)霉侵染所致龍眼果實(shí)采后病害的發(fā)生中起重要作用。外源DNP處理加劇擬莖點(diǎn)霉侵染所致龍眼果實(shí)能量虧缺、增強(qiáng)呼吸末端氧化酶活性，削弱磷酸戊糖呼吸代謝途徑，從而促進(jìn)病害的發(fā)生；而ATP處理能夠維持?jǐn)M莖點(diǎn)霉侵染的龍眼果實(shí)細(xì)胞較高的能荷水平，降低呼吸末端氧化酶活性，增強(qiáng)磷酸戊糖呼吸代謝途徑，從而延緩采后病害發(fā)生。

3.2 果蔬采后冷害的發(fā)生與細(xì)胞能量虧缺

低溫貯藏可降低采后果蔬的呼吸作用，抑制微生物的生成，從而延緩采后果蔬品質(zhì)劣變和組織衰老，是維持采后果蔬貯藏品質(zhì)和貨架期的一個(gè)非常有效的保持方法。但一些種植在熱帶、亞熱帶及溫帶中的果蔬對(duì)低溫異常敏感，當(dāng)貯藏于不適宜的低溫時(shí)會(huì)引起代謝紊亂，加速品質(zhì)下降和組織衰老[33]。采后果蔬冷害與能量代謝的關(guān)系研究目前主要集中于ATP代謝和線粒體結(jié)構(gòu)方面。一方面，低溫逆境脅迫時(shí)，線粒體結(jié)構(gòu)受損，線粒體膜脂由液晶態(tài)向凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變，ATP產(chǎn)生受阻；另一方面，ATP代謝相關(guān)酶的活性受低溫影響，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)能量虧缺，細(xì)胞代謝功能紊亂，結(jié)構(gòu)被破壞，從而進(jìn)一步加重冷害反應(yīng)，出現(xiàn)各種冷害癥狀，加速果蔬衰老[34]。桃果實(shí)發(fā)生冷害時(shí)，ATP代謝相關(guān)酶（H+-ATPase、Ca2+-ATPase）、琥珀酸脫氫酶（SDH）和細(xì)胞色素氧化酶(CCO)等線粒體呼吸代謝酶活性下降，ATP、ADP含量降低，能荷水平下降，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞，膜脂過(guò)氧化加劇，冷寒導(dǎo)致的褐變加重[11]。

4 不同貯藏方法對(duì)果蔬采后能量代謝的影響及其在延緩組織衰老、褐變和病害發(fā)生中的應(yīng)用

果蔬采后貯藏期間細(xì)胞的能荷水平與果實(shí)衰老密切相關(guān)。延緩果實(shí)采后能荷水平的下降，穩(wěn)定能量的生成速率是延緩果蔬采后衰老和品質(zhì)劣變的一個(gè)重要途徑。采后荔枝[12]、龍眼[4]果實(shí)經(jīng)外源ATP處理能維持果皮組織內(nèi)較高的ATP含量和能荷水平，抑制膜脂過(guò)氧化，從而較好地維持細(xì)胞膜系統(tǒng)的完整性，延緩果實(shí)衰老進(jìn)程。李輝等[35]研究認(rèn)為，1-MCP處理能較好延緩采后“油木奈”果實(shí)衰老，可能與1-MCP處理通過(guò)改變果實(shí)的呼吸途徑從而改變呼吸強(qiáng)度和能量代謝水平，維持貯藏后期較高的ATP含量，保持較高的能荷值有關(guān)。陳蓮等[36]研究推測(cè)，1-MCP處理可能通過(guò)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸激酶（NADK）影響細(xì)胞內(nèi)NAD(H)和NADP(H)的含量，從而影響導(dǎo)致磷酸戊糖途徑和細(xì)胞中活性氧的產(chǎn)生和清除能力，改變呼吸強(qiáng)度和能量代謝水平，保持細(xì)胞膜的完整性，較好保持果實(shí)的貯藏品質(zhì)和商品價(jià)值。王靜[37]研究了活性氧清除劑外源抗壞血酸（AsA）處理對(duì)采后龍眼果實(shí)果皮褐變的影響及其與能量代謝的關(guān)系，研究結(jié)果表明，AsA處理使龍眼果皮保持了較高的能荷值和ATP含量，維持較高的呼吸鏈中活性氧清除能力，從而延緩了龍眼果實(shí)采后果皮褐變和果實(shí)衰老。枇杷果實(shí)經(jīng)茉莉酸甲酯處理，在貯藏期間能維持較高的能荷水平和ATP含量，維持較高的能量水平抵御病菌侵染，從而減輕枇杷果實(shí)釆后炭疽病害的發(fā)生，延緩了果實(shí)衰老[38]。草酸處理顯著提高低溫脅迫下芒果果實(shí)ATP含量，延緩果實(shí)能荷的下降[39]。

5 展望

植物細(xì)胞中的活性氧主要通過(guò)呼吸鏈產(chǎn)生，采后果蔬在衰老或遭受逆境脅迫時(shí)，細(xì)胞能量產(chǎn)生速率降低或能量供給不足時(shí)，致使呼吸途徑發(fā)生改變，呼吸鏈?zhǔn)軗p，大量活性氧生成，受大量活性氧攻擊，細(xì)胞膜透性不斷升高，由于能量虧缺采后果實(shí)膜系統(tǒng)自我修復(fù)能力降低，細(xì)胞膜的完整性逐步降低，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和靠它維持的區(qū)室化狀況的破壞，最終導(dǎo)致果實(shí)品質(zhì)劣變，衰老腐爛[36]。維持細(xì)胞內(nèi)核苷酸和能荷水平，可有效推遲采后果蔬的貯運(yùn)壽命。能量影響果蔬采后品質(zhì)劣變和組織衰老是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，目前對(duì)于部分果蔬采后能量代謝與果蔬衰老間的關(guān)系已有了較多的進(jìn)展，但生理生化與分子機(jī)制還不十分明確，特別是呼吸途徑和能量代謝的調(diào)控方式。深入揭示這些問(wèn)題，以及如何調(diào)控能量代謝，使果蔬采后維持較高的能量狀態(tài)，對(duì)果蔬保持良好的貯藏品質(zhì)、延長(zhǎng)貯藏時(shí)間，有著十分重要的意義[40]。