桃果实冷害与能量代谢关系研究进展

白 欢，李岳桦，魏 征，祝美云

（1.河南农业大学食品科学技术学院，河南 郑州 450002；2.国家粮油及肉制品质量监督检验中心，河南 漯河 462001）

桃果实汁多味美，芳香诱人，色泽艳丽，营养丰富[1]。桃属于典型的呼吸跃变型水果[2]，采后常温不耐贮藏，极易软化腐烂变质，低温贮藏可有效延长贮藏期，但低温会导致桃果实发生冷害症状，国内外对此已有不少报道[3-6]。笔者在现有研究冷害机理的基础上，从能量代谢出发，进一步揭示冷害产生的原因，为桃果实贮藏保鲜技术的完善提供理论依据。

1 冷害概念与冷害症状

冷害（chilling injury）是指一些生长在热带、亚热带（包括某些温带）高温环境中的植物或其器官由于形成了对低温的敏感性，在不适当的低温下产生的代谢失调和细胞伤害，是冷敏感性植物或植物器官对低温胁迫的不良反应[7]。

低温下贮藏的冷敏感果蔬都会产生冷害。冷害因种类、冷敏性及冷害程度而异，最常见的冷害症状是表面呈现水渍状或凹陷斑点，果肉、果心组织变褐至黑色，表皮下细胞干缩至海绵状，未成熟果实不能正常后熟等。桃在低温贮藏过程中很容易发生冷害。蔡琰等[8]研究表明，水蜜桃“霞晖5号”在0℃下冷藏28 d的果实出现了明显的质地絮败，在4℃分别贮存 2、4、6、8、10 d 后继而转 0℃贮存的果实出现了明显的木质化败坏（leatheriness）症状，Crisosto 等[9]研究表明，“Elegant lady”桃在 0℃下贮藏时，小果的货架期比大果长，但小果在气调贮藏时却容易发生褐变，影响果实品质。赵迎丽[10]发现石榴在0℃下贮藏8周时表面凹陷连成大面积褐色斑块，贮藏后期，冷害发展严重时，内部症状表现为，籽粒发白，白色隔膜褐变，并且冷害部位果皮组织开始坏死并滋生病菌。此外，桃、杏果实在0～4℃温度中贮藏时间过长，果肉中出现的海绵状变化也是一种冷害现象。

2 冷害发生机理

目前，国内外对冷害产生的机理有以下几种。（1）细胞壁物质代谢异常。发生冷害果实的细胞壁组分与正常果实有着很大的差异，冷害果的果胶质代谢明显异常，其果实中含有较多的共价结合果胶质和离子结合果胶质，水溶性果胶质较少，不溶性果胶质形成凝胶而束缚了大量的水分，这与杨虎清等[11]在1-MCP对不同成熟度白凤桃冷害发生的影响中的研究相一致。（2）细胞壁中相关酶类。絮败实际上是果肉质地的异变，这与果肉细胞壁中果胶物质的代谢有密切的关系。茅林春等[12]在研究“白凤”桃时还发现，纤维素酶与果实软化的启动可能有着更为密切的关系。（3）细胞膜系相变。早在1970年就有人提出植物的低温伤害来自膜脂相变的假说。冷处理导致膜结构损伤，果肉细胞电解质大量外渗，细胞膜透性增大。（4）膜质过氧化。植物在逆境胁迫下体内活性氧的产生和消除的代谢平衡受到破坏，过剩的活性氧会对植物造成毒害，它能引发和加剧膜脂过氧化作用，从而破坏膜的结构与功能，最终导致膜的损伤和冷害发生[13]。（5）呼吸和乙烯释放。果实采后仍然进行呼吸作用，许多热带亚热带植物受到冷害后呼吸强度异常升高，随着冷害的发展，呼吸强度又显著下降，是不可逆生理伤害的开端。乙烯作为一种植物内源激素，对果实成熟衰老具有重要调节作用，当受冷害的果实转移到高温环境时，会激发产生大量乙烯，从而对果蔬后熟产生不正常的影响。（6）果肉褐变。水果贮藏期间的组织褐变是酚类物质酶促氧化的结果，产生褐变的三大条件是组织中酚类物质、多酚氧化酶（PPO）和活性氧代谢。叶梅[14]认为在未受损果中，酚类物质是与PPO存在于不同部位，这种区域性的分布阻止了底物和酶的相互接触，一旦膜系统受损，使物质的区域化分布破坏，底物与PPO接触，进行一系列的脱水、聚合反应，从而产生褐变。

综上所述，冷害是多种因素影响的复杂过程，根据以上的研究结果，对冷害发生的机理概括如下（图1）。

3 冷害桃果实的能量代谢

图1 冷害的发生机理

李杨昕[15]在大久保桃果实特征香气物质低温代谢障碍的基础研究中发现，桃果实风味严重丧失时与风味浓郁时相比，共检测出48个差异蛋白质，其中19个为已知蛋白质，根据功能分为5类，分别参与能量产生、代谢、抗性、转录和细胞结构。同时发现，检测到有与细胞结构相关的差异蛋白质，生物膜在生物体内起着重要的作用，是生物正常生长、发育的保障[16]，而脂类是生物膜的主要组成部分，其不饱和程度与生物膜的稳定性相关。魏征[17]在研究桃果实特征香气合成途径和低温代谢相关性中推测，脂肪酸前体物质如亚麻酸和亚油酸与脂肪酸代谢生成的香气己醛，反-2-己烯醛呈现正相关，同时，脂肪酸代谢过程中产生的另一类桃果实特征香气，如癸内酯，其代谢源于脂肪酸代谢，饱和脂肪酸含量与内酯含量增加呈负相关。以下本文将从能量代谢角度阐述桃果实的冷害问题。

3.1 冷害桃果实线粒体结构的变化

ATP作为生物体的能量来源，是维持生命活动最重要的能量库，其含量在一定程度上能够反映植物本身的能量状况[18]，而线粒体是产生ATP的主要来源，同时也是果实进行呼吸作用的重要场所。果实的成熟衰老与其呼吸代谢密切相关，桃果实受到冷害后呼吸作用增强，ATP耗量加大，若线粒体结构发生变化，ATP产量是否有变化呢？段玉权等[19]认为正常后熟的桃果实线粒体清晰，数量较多，靠壁分布，且结构完整，双层膜也完整，而受冷害的桃果实线粒体破裂分解。然而齐灵[20]通过电镜观察到成熟桃的细胞明显液泡化，液泡占细胞体积的90%以上，细胞质被挤压成一薄层紧贴细胞壁，细胞核结构完整，线粒体、叶绿体、细胞壁已出现退化迹象，而在0℃条件下贮藏的冷害桃线粒体电子透明度增加，内脊较明显，且细胞器双膜结构基本完整，因此他认为冷藏并未使线粒体这一细胞代谢能量转换器丧失功能。郑国华[21]则发现，在0℃低温下贮藏的枇杷幼果线粒体没有明显的内脊，内部呈小泡化，双层膜破坏严重，膜边界模糊。桃冷害后线粒体结构究竟是否发生变化及与ATP有无关系，目前尚不明确，这有待进一步研究。

3.2 冷害桃ATP含量和ATP酶活性的关系

ATP是光合磷酸化和氧化磷酸化的产物，是活细胞中最活跃的能量通货，也是活细胞进行新陈代谢最重要的生理指标。在胁迫下能量角度分析，有三个方面：一是呼吸增强，碳同化减少；二是渗透调节物质的合成和积累是一个耗能的过程；三是ATP作为植物维持生命活动最重要的能量，其含量在一定程度上能够反映植物本身的能量状况。冷害果实果肉细胞发生抵御反应如呼吸强度增强，维持细胞渗透势等生理反应，而这些互作过程大量消耗ATP。细胞内ATP酶活性的高低，标志着果实活力的高低。ATP酶存在于组织细胞及细胞器的膜上，是生物膜的一种蛋白酶，在物质运送、能量转化以及信息传递方面具有重要的作用。

H+-ATPase活性增强有利于加强胞内H+外排的能力，以便在质膜H+-ATPase活性下降导致胞质H+增加的条件下，维持胞质pH的稳定，保持细胞壁酸化。在盐胁迫和水分胁迫下植物细胞H+-ATPase活性增强。H+-ATPase为液泡膜上柠檬酸和苹果酸共有的同一载体，也可以将H+泵入细胞内调节pH值，在病原菌侵染植物过程中常伴随不同种类有机酸的变化，有机酸的吸收受内外质子浓度差（△pH）的驱动。环境应力刺激可能提高线粒体跨膜电位，为ATP合成提供更多潜在能量，或者对内膜H+-ATPase合成酶有激活作用，从而使细胞内合成更多的ATP。阳小成[18]证明了这一点，他对中华猕猴桃愈伤组织施用机械震荡，发现适度的振荡刺激将有利于提高植物的能量代谢水平，促进植物的生长发育。

Ca2＋-ATPase是是细胞器膜上的Ca2+泵，可水解ATP，使细胞内Ca2+泵到细胞外，以维持细胞内较低的Ca2+浓度，这是维持细胞稳态的重要机制之一[21-22]。一般认为，胞外在维持质膜功能的同时抑制乙烯生成，延缓衰老。病原菌侵染寄主后主要破坏细胞膜导致细胞信使系统紊乱，Ca2＋-ATPase活性降低，使Ca2＋胞内积累，同时伴随活性氧自由基的产生与积累，质膜过氧化作用增强，加剧了膜脂过氧化物对膜的伤害，因此进一步促进果实衰老和果肉细胞的坏死。

3.3 冷害桃的淀粉代谢

淀粉作为植物细胞内积累的一类重要生物大分子，经淀粉酶水解成葡萄糖后，参与细胞内各种生理、生化反应。有研究表明淀粉与能量储存有关，它可提供ATP，NADPH及碳架[23]，一般存在于未成熟的果实中，随着果实的成熟转化为糖类而含量逐渐下降，果实的贮藏环境不同，贮藏过程中淀粉含量的变化也有差异[24]。孙红梅[25]研究发现，经5℃预处理的东方百合母鳞片比对照的淀粉含量低，低温预处理可促进GA3处理母鳞片淀粉的降解，为小鳞茎的生长发育提供营养。郭素枝[26]对低温贮藏下的单、双瓣茉莉根、茎、叶等器官进行解剖表明，双瓣茉莉的组织淀粉粒积累数量多，而单瓣茉莉营养器官的各组织内几乎无淀粉粒积累，植物遭受寒害时淀粉转化为可溶性糖，提高细胞液浓度，降低冰点是植物体抗寒的适应途径之一。夏宜平等[27]证实，东方百合“索蚌”内、外层鳞片在冷藏开始时的淀粉含量为220～250 mg/gFW，但在8周冷藏期间的淀粉含量持续下降，总可溶性糖和还原糖的含量均增加，即出现“低温糖化”（Low Temperature Sweetening）现象。桃果实发生冷害后，硬度偏硬，回温后依然如此。这可能是因为淀粉代谢受到抑制，不能转化为可溶性糖而导致的现象。

4 结束语

冷害是冷敏感果实低温贮藏过程中造成损失最严重的问题之一。由于果实的冷害受到多种内在生理因素和外在贮藏环境条件的影响，因此至今尚无理想的措施来预防桃的冷害。线粒体内除了含有各种酶外，还拥有自身的遗传物质和合成其自身RNA和蛋白质的装置，因此，可以采用分子生物学手段进一步研究线粒体DNA对果实冷害的影响。果实线粒体内呼吸代谢牵涉多种酶作用和物质的转化，线粒体和活性氧的关系及它们对果实冷害的影响还有待于进一步研究。

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