果實風味的代謝基礎及其調(diào)控機制研究進展

陳華峰 唐玉情 潘亞婕 郭曉瑞*

（1. 東北林業(yè)大學化學化工與資源利用學院，哈爾濱 150040；2. 東北林業(yè)大學園林學院，哈爾濱 150040）

果實風味物質(zhì)是果品的重要質(zhì)量和調(diào)控因子之一，從廣義上講，風味物質(zhì)包括味感物質(zhì)和嗅感物質(zhì)。兩者區(qū)別在于味感物質(zhì)主要為甜酸味，主要影響因子是糖和酸；嗅感物質(zhì)是一種嗅覺基礎上的感覺，主要影響因子為揮發(fā)性芳香物質(zhì)。果實形成不同風味的原因主要是構成風味物質(zhì)的不同，如草莓的品質(zhì)由100 多種風味物質(zhì)構成，但起主要作用的僅有幾種［1］；葡萄的風味主要由C6 化合物、醇、萜醇、羰基化合物、酯、含氮化合物構成。果實風味物質(zhì)的形成不僅受內(nèi)在組成成分的合成代謝影響，還受到激素的調(diào)控催化。乙烯是研究最廣、使用最多的一類激素信號分子，在調(diào)控風味物質(zhì)有其獨特的作用。目前針對果品風味物質(zhì)研究的技術手段主要有基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、代謝組學、蛋白組學等。研究的主要內(nèi)容集中在不同種和品種的物質(zhì)組成和含量差異方面，在其主要成分合成代謝和調(diào)控網(wǎng)絡上仍缺乏較為系統(tǒng)的研究。

本文在近年來國內(nèi)外果實風味物質(zhì)研究的基礎上，闡述了果實生長過程中主要風味物質(zhì)的代謝調(diào)控機制，分析了外源乙烯與風味物質(zhì)之間的調(diào)控機制以及對內(nèi)源乙烯代謝障礙的調(diào)節(jié)作用和對果實風味物質(zhì)“喚醒”的機理，以期為果實風味營養(yǎng)的提高和目的性的果品調(diào)控提供一定的理論參考。

1 果實風味形成的代謝基礎及其代謝調(diào)控機制

果實風味的代謝物質(zhì)基礎分為芳香物質(zhì)、呈味物質(zhì)和質(zhì)地三個方面，三者之間相互作用，共同影響著果實的品質(zhì)，三者的基礎代謝也貫穿果實的整個發(fā)育階段。

1.1 芳香物質(zhì)的代謝

芳香物質(zhì)是人所能感覺到物質(zhì)的外部特征，如香氣、味道、口感等，在果實風味物質(zhì)中起決定性作用。芳香物質(zhì)具有較高的感官和生理價值［2］，是目前果品開發(fā)最具前景的調(diào)控方向之一。果實揮發(fā)性芳香物質(zhì)的合成在果實發(fā)育階段內(nèi)不間斷的進行，但主要在果實完熟階段中，以促進植物抵御衰老所帶來的生物和非生物脅迫［3～4］。果實揮發(fā)性芳香物質(zhì)主要由萜烯、碳氫化合物、醛類、酯類、醇類、酮類和硫這幾類化合物家族構成。大多數(shù)揮發(fā)性芳香物質(zhì)的合成前體均來自于一系列非揮發(fā)性的物質(zhì)，如氨基酸、脂肪酸、碳水化合物和類胡蘿卜素等。由于合成前體物質(zhì)的不同，芳香物質(zhì)的代謝途徑也就不同，主要可分為以下5 種，具體見表1。

表1 不同芳香物質(zhì)代謝合成途徑Table 1 Metabolic and synthetic pathways of different aromatic substances

其次，不同種和品種果實的芳香物質(zhì)在成分組成和含量上存在一定的差異，據(jù)前人研究可知，芳香成分并非都對植物特征風味的形成起決定性作用，只有部分成分或某一化合物才是關鍵物質(zhì)，而這類化合物被稱為特征效應化合物。故在對果實風味物質(zhì)的目的性調(diào)控中主要是需要找到影響果品的特征效應化合物，以便準確、快速實現(xiàn)果品調(diào)控。

1.2 呈味物質(zhì)的代謝

植物的呈味物質(zhì)是影響果品的重要質(zhì)量因子之一，不僅包含具有揮發(fā)性的芳香物質(zhì)，還包含一些非揮發(fā)性物質(zhì)如可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物等。果實成熟后，呈現(xiàn)不同口感的呈味物質(zhì)主要有糖類和有機酸兩大類，兩者區(qū)別具體見表2。糖類是果實呈現(xiàn)甜味的主要原因［5］，常見的糖類有果糖、葡萄糖、蔗糖等。糖類物質(zhì)的積累不僅可以提升果實的品質(zhì)，也為果實其他新陳代謝提供了代謝底物，具有非常重要的生態(tài)和生理學意義。其次，有機酸對植物口感的形成也具有重要影響，據(jù)報道，果實中有機酸種類很多，但大多數(shù)還是以1～2 種有機酸為主，而且成熟果實中有機酸含量的調(diào)節(jié)也是果實液泡貯存［6］和轉(zhuǎn)移［7］代謝平衡的表現(xiàn)?？梢姡麑嵖诟械牟煌饕怯捎诓煌N和品種果實含糖量、含糖種類、比例以及有機酸組分、含量的千差萬別造成的。

表2 糖類和有機酸比較Table 2 Comparison of sugars and organic acids

1.3 質(zhì)地

果實質(zhì)地包括果實的組織結構、細胞壁狀況、含水量、汁液量等方面，也是判斷果實品質(zhì)的重要方面。如質(zhì)地較軟的番茄果實可能比較硬的果實更清脆，因為較硬果實的皮層細胞排列較為緊密，果皮較厚，導致果實脆性下降。除此之外，纖維、果膠含量的高低也會影響果實的脆性，一般纖維含量高則果實脆性下降，果膠含量高則果實脆性提高。劉春香［8］對黃瓜質(zhì)地品質(zhì)的研究也證明，果實質(zhì)地與其解剖結構、纖維素和果膠含量密切相關。

2 風味物質(zhì)代謝對乙烯信號的響應機制

2.1 乙烯對果實中香氣物質(zhì)組成和含量的影響

乙烯（C2H4）是最為簡單的氣態(tài)成熟衰老激素［9］。研究發(fā)現(xiàn)乙烯對呼吸躍變果實的葉綠素分解、糖分、芳香物質(zhì)和有機酸的積累轉(zhuǎn)化以及果實組織軟化等方面均有重要作用［10～11］。如在Balbontin［12］等研究中發(fā)現(xiàn)，果實獨特風味形成過程中乙烯與酯類物質(zhì)的合成呈正相關關系，即乙烯合成能力下降時也會導致酯類物質(zhì)的合成下降。甜瓜果實的研究中也發(fā)現(xiàn)，甜瓜果實中約有240種香氣物質(zhì)，其中一半為酯類，剩余大部分為含硫化合物以及醇和醛，而這些物質(zhì)與乙烯合成都有密切關系［13～15］。研究也證實［16］，外源乙烯能增加躍變型果實如木瓜、甜瓜和蘋果等特征芳香物質(zhì)的積累。但也有研究表明，外施乙烯不能消除1-MCP 抑制杏、香 蕉 等 果 實 芳 香 物 質(zhì) 含 量［12，17～18］的 表 達。Ayub［19］和Dandekar［20］等在轉(zhuǎn)基因植株果實中也發(fā)現(xiàn)乙烯合成受到抑制時芳香物質(zhì)的合成也隨之下降；Bauchot［21］進一步證實了乙烯合成受阻時，芳香物質(zhì)總量會低于正常植株的60%～85%?？梢姡蚁Σ煌N甚至同種果實芳香物質(zhì)的調(diào)控作用各不相同。

2.2 乙烯對果實中芳香物質(zhì)合成途徑的影響

呼吸是植物基本的生理代謝過程之一，植物在呼吸過程中主要以脂肪酸和氨基酸代謝為主，可為芳香物質(zhì)的合成提供能量和物質(zhì)保證，而乙烯和植物呼吸息息相關，故可以通過調(diào)節(jié)植物脂肪酸和氨基酸代謝來調(diào)控芳香物質(zhì)的合成［22］。脂肪酸代謝主要產(chǎn)生直鏈類化合物成分而氨基酸代謝主要產(chǎn)生支鏈類化合物成分，兩者受乙烯調(diào)控的程度不一，直鏈類受影響較大而支鏈類影響較?。?3］。如1-MCP 處理后，梨果實中脂肪酸代謝隨著乙烯含量的下降受到了明顯的抑制［22］。Schaffer等［24］在基因組學研究中也證明，乙烯調(diào)控芳香物質(zhì)合成途徑只在關鍵酶的第一步或最后一步的特定環(huán)節(jié)中進行，故找到芳香物質(zhì)初始和最后的酶是進行乙烯調(diào)控的關鍵點。在黃金梨的研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1-MCP處理后，脂肪酸代謝關鍵酶為LOX、HPL、ADH和AAT，通過調(diào)控這些酶活性可以控制酯類物質(zhì)的合成，從而調(diào)控果品。在魏邵沖［25］、魏建梅［26］和Ortiz［27］等的研究中也發(fā)現(xiàn)經(jīng)乙烯調(diào)控關鍵酶LOX后，果實芳香物質(zhì)合成受到明顯的增強和降低。

乙烯調(diào)控酶活性主要可以通過調(diào)控果實中LOX基因家族如TomloxA、TomloxB、TomloxC、TomloxD 和TomloxE 等。其 中TomloxA、TomloxB 和TomloxC 編碼參與果實芳香物質(zhì)的合成［28］，在轉(zhuǎn)錄水平上受乙烯調(diào)控較大［29］。據(jù)Freire［30］研究表明，乙烯可能在翻譯階段進行LOX 活性的調(diào)控。除了LOX 酶受乙烯調(diào)控，AAT 活性也受乙烯影響，據(jù)Ortiz［27］和Li［17］對蘋果和甜瓜的調(diào)控研究中發(fā)現(xiàn)，調(diào)控果實中AAT 的活性也可促進芳香物質(zhì)的合成。除了調(diào)控酶的活性，從甜瓜中也分離出2 種ADH 基因即Cm-ADH1和Cm-ADH2。ADH 指乙醇脫氫酶，影響果實的直鏈代謝，乙烯通過調(diào)控Cm-AAT 1 和Cm-AAT2 基因的表達可影響果實中酯類物質(zhì)的合成，從而影響果實的風味物質(zhì)。

3 轉(zhuǎn)錄組學和代謝組學在風味物質(zhì)調(diào)控研究方面的進展

轉(zhuǎn)錄組學是指特定組織或細胞在某一發(fā)育階段或功能狀態(tài)下轉(zhuǎn)錄出來的所有編碼RNA（mRNA）和非編碼RNA（ncRNA）的總和［31～33］，是后基因組時代各種組學中應用最為廣泛的技術［34］。代謝組學以細胞在特定條件下所有小分子代謝物為研究對象，定性并定量描述代謝物及其對內(nèi)因和外因變化的應答規(guī)律。代謝組學和轉(zhuǎn)錄組學的持續(xù)發(fā)展為果實風味物質(zhì)的研究提供了可靠的技術支持。

果實是人類最重要的營養(yǎng)來源之一，果實風味在遺傳學、生物學上都表現(xiàn)出一定的特異性。目前針對果實風味的組學研究也在逐年增多，據(jù)喬鑫研究報道可知，已有10 種以上果實的全基因組測序有了顯著的進展［35］，進一步加深了人們對果實風味調(diào)控表現(xiàn)出的器官特異性、發(fā)育特異性以及環(huán)境因子特異性等分子和代謝機理的認識。

3.1 果實不同器官組織風味物質(zhì)的轉(zhuǎn)錄代謝調(diào)控機理

通過對果實風味物質(zhì)的轉(zhuǎn)錄組學和代謝組學研究發(fā)現(xiàn)，果實風味調(diào)控具有器官差異性。如油棕果皮和種子中均含有風味物質(zhì)，但果皮中以棕櫚酸、油酸等物質(zhì)為主，胚乳中則以月桂酸等物質(zhì)為主，而胚卻以亞油酸等物質(zhì)為主。據(jù)Dussert等［36］對果皮、胚乳及胚的轉(zhuǎn)錄組學研究可知，WRINKLED1（WRI1）轉(zhuǎn)錄因子在植物種子脂肪合成途徑中扮演關鍵作用，可見果實脂肪酸合成基因的轉(zhuǎn)錄水平和油含量密切相關。除了脂肪酸，糖類和有機酸也具有明顯的差異，如丁毓端［37］針對柑橘果實不同組織差異水平的轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析發(fā)現(xiàn)，糖類代謝在果肉中更活躍，有機酸則在果皮中更活躍且在整個代謝網(wǎng)絡中有更強的影響力。Monselise 等［38］研究也表明，葡萄柚果皮中以蘋果酸等物質(zhì)為主，在果汁中則以檸檬酸等物質(zhì)為主。林瓊［39］等也發(fā)現(xiàn)柑橘果實檸檬酸含量在不同品種、不同發(fā)育階段以及不同組織部位和儲藏過程中有較大的差異變化。

3.2 果實不同發(fā)育階段風味物質(zhì)的轉(zhuǎn)錄代謝調(diào)控機理

果實成熟是一個生理生化的過程，在這個過程內(nèi)，可以通過調(diào)控果實的品質(zhì)性狀如硬度、味道、氣味、顏色等內(nèi)在基因的表達，使其發(fā)生漸次變化，達到調(diào)控的目的。據(jù)Asif 等［40］對不同時期香蕉果實轉(zhuǎn)錄組和GO 分析可知，成熟過程中關于乙烯和揮發(fā)性芳香物質(zhì)合成的基因出現(xiàn)了明顯的過表達，故可以通過調(diào)控相關基因?qū)崿F(xiàn)果品的提高。其次，果實發(fā)育在同一生長時期和不同時期內(nèi)風味物質(zhì)均有特異性的變化，如在Bain［41］對柑橘果實的研究中發(fā)現(xiàn)主要的風味物質(zhì)檸檬酸在不同的生長期內(nèi)出現(xiàn)顯著變化，如前期含量較低，快速生長期內(nèi)迅速上升，在快速生長后期和成熟期逐漸下降。Albertini 等［42］研究發(fā)現(xiàn)柑橘果實發(fā)育早期風味物質(zhì)主要以奎尼酸為主，發(fā)育后期則以檸檬酸為主。

果實風味物質(zhì)的代謝是一個動態(tài)的過程，除會引發(fā)自身風味物質(zhì)的代謝變化也會涉及到其他因子如色素積累、物質(zhì)轉(zhuǎn)運、光合變化、細胞壁解體、蛋白質(zhì)代謝、糖代謝等方面。如在Freima［43］對無花果轉(zhuǎn)錄組分析中發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)育階段果實風味物質(zhì)參與光合作用、花青素合成、細胞壁代謝、細胞膨脹等過程的基因表達具有差異性。而且據(jù)Kyung等［44］對樹莓的轉(zhuǎn)錄組分析也可知，在果實成熟階段中，影響其色澤的花色苷基因如f39h1、dfr4和ldox1 明顯上調(diào)，從而引發(fā)果皮表觀發(fā)生顏色變化。呂曉蘇［45］通過對5 個不同發(fā)育時期的草莓果實進行代謝組學分析后發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)育時期果實內(nèi)的磷酸化蛋白也有所差異，有趣的是，這些磷酸化蛋白多數(shù)集中在植物信號轉(zhuǎn)導途徑和糖代謝途徑中。另外核磁共振技術可以定性分析西紅柿中的特異性糖類、黃酮苷、氨基酸和有機酸化合物，這些物質(zhì)與西紅柿的口味、香味、成熟階段中顏色變化密切相關［46］。

3.3 果實響應逆境的分子機制

逆境是指對植物生長發(fā)育和生存不利的各種環(huán)境因素的總和，又稱為脅迫［47］。果實長期處于逆境中，會降低果實的產(chǎn)量，造成較大的損失，了解果實抗逆的分子機理，對抗性品種的培育和管護具有重要的意義。在對果實脅迫的相關研究中發(fā)現(xiàn)，果樹除了會受到遺傳與發(fā)育的調(diào)控外，還會受到環(huán)境中生物或非生物脅迫的影響，如ABA 就可參與與果實成熟相關的花青素合成的調(diào)控［48～49］。據(jù)Jia 對草莓的研究中發(fā)現(xiàn)，沉默ABA 合成途徑中關鍵酶基因FaNCED1 會減低ABA 的含量和花青素的含量，從而影響果實風味。Rudell研究也表明果實成熟階段中乙烯合成也會影響蘋果和葡萄花青素的合成［50］。其次，季節(jié)也會顯著影響果品的組成，如在Masetti［51］的研究中發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)內(nèi)櫻桃的酯類化合物組成各不相同，對Naomi 品種影響最大的是α-生育酚和不飽和脂含量，對Shiren 品種影響最大的則是葉綠素和磷脂含量。

4 展望

通過對果實風味品質(zhì)調(diào)控機理的研究可知，目前對果實風味物質(zhì)的調(diào)控多是通過栽培條件的改善和育種改良基因兩個途徑來進行。果樹新品種培育需要對果實特異性關鍵風味物質(zhì)的基因進行分離、克隆和轉(zhuǎn)化。隨著轉(zhuǎn)錄組學、代謝組學以及全基因組學的全面發(fā)展，為果實調(diào)控開辟了不同的技術通道，極大地促進了果實從更深層次的基因?qū)用嫒フ{(diào)控，但不同種和品種的果實其關鍵風味物質(zhì)在不同器官和不同發(fā)育階段中均存在較大的差異性，如何快速找到果實關鍵的風味物質(zhì)仍需要進一步的深入研究。其次，盡管基因型是樹種和品種風味物質(zhì)組分和含量的決定性因素，但植物生長具有固著性，外界環(huán)境對植物生長調(diào)節(jié)具有重要影響，如果實中有機酸的積累尤其受生態(tài)因素溫度和果實成熟度的影響，因此，提高和改善植物生長的外界條件也是調(diào)控果品的重要舉措之一。綜上，果實特異性揮發(fā)性物質(zhì)成分的代謝工程是果實品質(zhì)調(diào)控的常用手段。果品調(diào)控需要在以下三個方面重點加強：①風味物質(zhì)在不同器官、不同發(fā)育階段內(nèi)的代謝變化的研究，挖掘關鍵特征效應化合物，構建代謝網(wǎng)絡；②運用全基因組學、蛋白組學和轉(zhuǎn)錄組學深層次挖掘果實風味物質(zhì)的基因基礎，為基因調(diào)控提供靶向；③全面分析植物生長與外界環(huán)境之間的聯(lián)動關系，如外源激素、溫度、光照等因子，為果品的調(diào)控提供高效方法。