桃果实后熟软化机理分子生物学研究进展

张瑞明

摘要 桃果实的成熟软化是一个非常复杂的发育过程，其间经历了一系列生理生化的变化，包括细胞壁的降解、乙烯的释放以及其他的代谢变化。对桃果实成熟软化方面的分子生物学研究进展进行了综述，介绍与桃果实成熟软化过程相关的细胞壁酶以及乙烯在果实成熟软化过程中的作用，并对软化机理进行了探讨。综合表明，果实的成熟软化过程受多种基因调控作用的影响。对果实成熟软化机理的探讨可为果实的贮藏及加工提供理论依据。

关键词 桃；果实；后熟软化；研究进展

中图分类号 S662.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）13-04043-03

Abstract In the peach， fruit ripening and softening is a complex process concerning growth and regulation which is accompanied by a series of changes in physiological and biochemical attributes， including the degradation of cell wall， ethylene evolution and other metabolic change. Research advances on fruit ripening and softening in molecular biology was discussed. The related enzyme of cell wall and ethylene in fruit ripening and softening were reviewed. The results showed that the courses of fruit ripening and softening are influenced by many genes. The discussion on the mechanism of fruit ripening and softening will provide the theoretical foundation for the storage and freshness and processing of fruit.

Key words Peach； Fruit； Ripening and softening； Research process

桃[Prunus persica （L.） Batsch]属于蔷薇科 （Rosaceae）李属（Prunus L.）。我国是桃起源中心，拥有4 000多年的栽培历史和古老的文化底蕴，长期以来的自然变异和人工选育积累了丰富的品种或品系。果实品质对果树产业的构成和发展起着十分重要的作用，其中，果实硬度是果实品质的一个重要指标，对果实的运输、贮藏具有重要的意义，越来越受到生产者和育种者的重视。然而，桃果实成熟软化是一个非常复杂的过程，其间经历了一系列生理生化的变化，包括细胞壁的降解、乙烯的生物合成以及其他代谢变化。随着分子生物学研究的深入，目前研究结果表明，果实的成熟软化受多种基因调控。因此，加强果实成熟软化分子的基础研究，对于揭示果实成熟软化的生理机制方面具有重要意义。

1 细胞壁降解对果实成熟软化的影响

果实成熟软化过程伴随着细胞壁组分的变化。在果实成熟发育过程中，通过细胞壁修饰酶作用的降解在果实软化中起着重要作用。

内切多聚半乳糖醛酸酶（EC 3.2.1.15）主要作用于果胶，并对多聚半乳糖醛酸中的半乳糖醛酸残基间的α（14） 糖苷键进行水解。目前，已经在番茄[1]、桃[2]、苹果[3]等多种果实中检测到 endoPG 的活性，且其表达量与果实软化存在着密切的关系。Callahan等认为，endoPG 对桃果实质地起决定性作用，可能决定桃果实的溶质和非溶质[4]。另有报道表明，在溶质性桃的溶质阶段，endoPG 酶的活性和基因的表达量均出现大幅度上调[5-6]；但在成熟的非溶质性桃的果实中，也可以检测到 endoPG 酶的活性和基因的表达，但活性和表达均较低[2，7]。此外，Ghiani等研究发现，由于endoPG 在溶质性桃果实中的大量表达，导致了细胞粘着力的降低，造成了细胞间空隙增大；而在非溶质性桃果实中没有观察到这些现象，因此认为endoPG 在桃果实中的作用主要是通过增大细胞间空隙和中果皮细胞的皱缩来实现溶质，对硬度的降低无显著影响[7]。对桃果实endoPG 基因进一步分析发现：软溶质果实和硬溶质果实的PG等位基因间仅存在1个SNP位点，其附近存在果实软化相关的性状标记[8]；同样在溶质桃和非溶质桃的endoPG 基因开放阅读框之间仅存在5个SNP 位点，其中只有1个是非同义突变[2]，这些SNP可用于桃果实果肉质地的分子标记辅助育种。

此外，β半乳糖苷酶可以使细胞壁的一些组分变得不稳定，它可以通过降解具支链的多聚醛酸，从而使其果胶降解或溶解。在桃果实出现软化的前两天，果胶物质的降解主要是β半乳糖苷酶水解果胶分子上的乳糖支链起重要作用，加速了果实的软化[9]。同样，在对硬溶质桃果实的研究中也表明，β半乳糖苷酶活性高峰出现于成熟前期，其作用与桃果实成熟前期果实的软化启动密切相关[10-11]。同时，在桃果实中，αL阿拉伯呋哺糖苷酶基因表达和活性在成熟软化后期较高，且αL阿拉伯呋哺糖苷酶的快速变化滞后于乙烯及其合成相关酶的变化，推测其主要作用于果实成熟中后期的快速软化，且αL阿拉伯呋哺糖苷酶的激活与果实内源乙烯的积累密切相关[11]。

2 乙烯对桃果实软化的影响

桃是典型的呼吸跃变型果实，在果实成熟过程会出现跃变型果实所具有的呼吸峰和乙烯峰。乙烯早已被证实是果实成熟软化和衰老的重要因子，近年来，借助于拟南芥和番茄等模式植物的一些研究成果，植物乙烯信号转导路径已基本建立，与乙烯作用相关的果实成熟软化控制方面取得了很大进展，对揭示果实成熟的生理机制具有重要的理论意义。植物体内 SAM在ACC合成酶作用下转化为ACC，ACC合成酶是果实成熟时乙烯产量增加的关键和限速酶[12-13]。桃成熟软化过程中乙烯生物合成相关酶，如ACC合成酶、ACC氧化酶、ACC脱氨酶、SAM （硫腺苷甲硫氨酸）合成酶、SAM 水解酶等已被克隆并做了相关的功能分析[14-17]。金勇丰等采用PCR和RTPCR技术成功地从桃“玉露”品种中克隆出ACC 氧化酶基因，该基因全长1 288 bp，含4个外显子和3个内含子， 外显子总长为957 bp，共编码319个氨基酸，与番茄、矮牵牛、康乃馨的氨基酸序列同源性分别为83.00%、76.18%、74.00%，表明该基因是高度保守的[18-19]。此外，在乙烯的生物合成过程中ACS 和ACO 是2个关键酶，二者与ACC的积累共同调节果实中乙烯的产量[20]。在果实成熟期，PpACS1和PpACO1基因转录以及蛋白表达水平显著上调，可能参与乙烯合成的各种酶促反应[21-23]。另外，这些酶的活性可被叶片等组织的创伤诱导激活[24-25]，同时也可诱导PpACS2表达水平迅速下调，暗示其可能受到乙烯合成的负调控[2]。

近些年，日本科学家发现了一种新的桃肉质类型Stony hard（SH），又名“石头桃”，果实表现为硬度高、肉质脆、挂果时间长且采后肉质较长时间不会变软，同时可溶性固形物含量较高。Hayama等对具SH基因型的“Manami”桃进行深入的乙烯释放和软化机理研究时，发现果实成熟过程中乙烯释放量极少或几乎没有乙烯产生[26]。Tatsuki等研究发现，SH基因型只释放很少的乙烯，同时伴随着PpACS1低表达；然而应用人工合成的生长素“1萘乙酸”后可诱导PpACS1表达上调，同时果实会释放较多的乙烯并开始软化[27]。由此可见，PpACS1可能是SH基因型桃果实内源乙烯生物合成过程中最为关键的限速因子。

另一方面，鲜食桃属于时鲜水果，常温下只能存放2～5 d，耐贮运性能差，贮藏保鲜的效果也很有限。Begheldo等使用溶质桃品种“Summer Rich”和SH肉质单株“IFF331”经10和20 ℃ 2种温度处理时发现：低温处理对溶质桃延迟成熟的影响效果不明显，2种温度条件下溶质桃几乎同时进入软熟期，仅低温条件下溶质桃的硬度稍高于常温；低温下（10 ℃）SH桃的乙烯产生量比常温时（20 ℃）显著增高，且果实硬度快速降低[28]。这是因为低温条件诱导了SH果实中乙烯合成相关的ACC合成酶基因（PpACS1）的转录，产生的乙烯又诱导了果实中endoPG基因的表达，促使细胞壁降解，表现为果实软化。该现象与冬梨的低温后熟过程类似，但是否是同一生理控制过程还有待进一步研究。SH桃作为一个乙烯释放的突变类型，其贮藏特性研究仅作了10和20 ℃ 2种温度处理，有必要深入开展SH基因型贮藏特性的分子生物学研究，可为深入了解该基因型桃的特性提供理论依据。目前国内对SH基因型桃的鉴定和评价还处于起步阶段，Haji等利用杂种群体对肉质遗传进行分析时发现，桃SH是由隐性单基因控制，该基因独立于溶质、不溶质遗传并且具有上位效应[29-30]。同时发现，应用外源乙烯处理SH桃果实时又可以分离出处理后快速软化和处理后缓慢变软2种表现型，且推断分别由2种基因型控制，属于隐性纯合基因型，若使用2种该基因型的种质作为亲本，杂种群体中理论上可获得大量SH单株，因而能为SH基因型育种提供亲本选择依据。

3 小结与展望

目前，对果实成熟软化方面的研究大多以番茄为试材，还不清楚这种调控模式是否适用于其他植物的果实，但至少在桃、梨、苹果和猕猴桃等呼吸跃变型果实中，控制乙烯生物合成的基因表达和调控机制有很大的相似性，但仍需对果实成熟软化调控机制进行进一步研究。

耐贮运桃新品种选育是当前国内外重要的育种目标，鉴于SH桃成熟时果肉硬脆，果实成熟过程中表现出极低水平的乙烯释放且具有较高的可溶性固形物含量，近年来成为桃果实采后生理及其相关分子生物学研究的热点，以其为研究对象进行乙烯释放与成熟生理机制研究，为阐明乙烯在桃果实生理代谢中的作用机制提供难得的试材。该研究为丰富果实软化机理以及解决果品贮藏和加工中的问题提供了重要的理论依据。

参考文献

[1] DELLAPENNA D，LASHBROOK C C，TOENJES K，et al.Polygalacturonase isozymes and pectin depolymerization in transgenic rin tomato fruit[J].Plant Physiology，1990，94（4）：1882-1886.

[2] MORGUTTI S，NEGRINI N，NOCITO F F，et al.Changes in endopolygalacturonase levels and characterization of a putative endoPG gene during fruit softening in peach genotypes with nonmelting and melting flesh fruit phenotypes[J].New Phytologist，2006，171（2）：315-328.

[3] WU Q，SZAKACSDOBOZI M，HEMMAT M，et al.Endopolygalacturonase in apples （Malus domestica） and its expression during fruit ripening[J].Plant physiology，1993，102 （1）：219-225.

[4] CALLAHAN A M，SCORZA R，BASSETT C，et al.Deletions in an endopolygalacturonase gene cluster correlate with nonmelting flesh texture in peach[J].Functional Plant Biology，2004，31（2）：159-168.

[5] BRUMMELL D A，DAL CIN V，CRISOSTO C H，et al.Cell wall metabolism during maturation，ripening and senescence of peach fruit[J].Journal of Experimental Botany，2004，55（405）：2029-2039.

[6] YOSHIOKA H，HAYAMA H，TATSUKI M，et al.Cell wall modifications during softening in melting type peach “Akatsuki” and nonmelting type peach “Mochizuki”[J].Postharvest Biology and Technology，2011，60（2）：100-110.

[7] GHIANI A，ONELLI E，AINA R，et al.A comparative study of melting and nonmelting flesh peach cultivars reveals that during fruit ripening endopolygalacturonase （endoPG） is mainly involved in pericarp textural changes，not in firmness reduction[J].Journal of Experimental Botany，2011，62（11）：4043-4054.

[8] 魏潇，刘威生，刘宁，等.果实软化相关PG基因的进化分析和基因组定位[J].园艺学报，2011，38（9）：1791-1799.

[9] DAWSON D M，MELTON L D，WATKINS C B.Cell wall changes in nectarine （Prunus persica）[J].Plant Physiology，1992，100：1203-1210，102：1062-1063.

[10] 阚娟.不同溶质型桃果实成熟软化机理研究[D].扬州：扬州大学，2011.

[11] 阚娟，刘俊，金昌海.桃果实成熟软化与细胞壁降解相关糖苷酶及乙烯生物合成的关系[J].中国农业科学，2012，45（14）：2931-2938.

[12] WOESTE K E，YE C，KIEBER J J.Two Arabidopsis mutantsthat overproduce ethylene are affected in the posttranscriptional regulation of 1aminocyclopropane1carboxylic synthase[J].Plant Physiology，1999，119：521-529.

[13] ARGUESO C T，HANSEN M，KEIBER J J.Regulation of ethylene biosynthesis[J].Plant Growth Regulation，2007，26：92-105.

[14] WOESTE K E，YE C，KIEBER J J.Two Arabidopsis mutantsthat overproduce ethylene are affected in the posttranscriptional regulation of 1aminocyclopropane1carboxylic synthase[J].Plant Physiology，1999，119：521-529.

[15] RODRIGUESPOUSADA R A，DE RYCKE R，DEDONDER A，et al.The Arabidopsislaminocyclopropane1carboxylate synthnse gene 1 expressed during early development[J].Plant Cell，1993，5：897-911.

[16] AVNJ A，BAILEY B A，MATTOO A，et a1.Induction of ethylene biosynthesis in Nicotianatobaccum by a Tfichoderma viride xylanase is correlated to the accumulation of l aminocyclopropane1earboxylic acid （ACC） synthase and ACE oxidase transcripts[J].Plant Physiology，1994，106：1049-1055.

[17] 刘廷旭，罗川，赵彩平，等.脱落酸对桃果实成熟软化和乙烯生物合成的影响[J].北方园艺，2012（20）：134-137.

[18] 金勇丰，张耀洲，陈大明，等.桃ACC氧化酶基因的克隆和植物表达载体的构建[J].园艺学报，1998，25（1）：37-43.

[19] 金勇丰，张耀洲，张上隆.中国“玉露”桃 ACC 氧化酶基因组DNA 的序列测定及其结构分析[J].浙江农业大学学报，1998，24（1）：63-65.

[20] YANG S F，HOFFMAN N E.Ethylene biosynthesis and its regulation in higher plants[J].Plant Physiology，1984，35：155-189.

[21] CALLAHAN A M，MORGENS P H，WRIGHT P，et al.Comparison of Pch313 （pTOM13 homolog） RNA accumulation during fruit softening and wounding of two phenotypically different peach cultivars[J].Plant Physiology，1992，100：482-488.

[22] LESTER D R，SPEIRS J，ORR G，et al.Peach （Prunus persica） Endopolygalacturonase cDNA isolation and mRNA analysis in melting and nonmelting peach cultivers[J].Plant Physiology，1994，105：225-231.

[23] TONUTTI P，BONGHI C，RUPERTI B，et al.Ethylene evolution and 1aminocyclopropane1carboxylate oxidase gene expression during early development and ripening of peach fruit[J].Journal of the American Society for Horticultural Science，1997，122：642-647.

[24] MATHOOKO F M，TSUNASHIMA Y，OWINO W Z O，et al.Regulation of genes encoding ethylene biosynthetic enzyme in peach （Prunus persica L.） fruit by carbon dioxide and 1methylcyclopropene[J].Postharvest Biology and Technology，2001，21：265-281.

[25] TATSUKI M，HAJI T，YAMAGUCHI M.The involvement of 1aminocyclopropane1carboxylic acid synthase isogene，PpACS1，in peach fruit softening[J].Journal of Experimental Botany，2006，57：1281-1289.

[26] HAYAMA H，TATSUKI M，ITO A，et al.Ethylene and fruit softening in the stony hard mutation in peach[J].Postharvest Biology and Technology，2006，41：16-21.

[27] TATSUKI M，NAKAJIMA N，FUJII H，et al.Increased levels of IAA are required for system 2 ethylene synthesis causing fruit softening in peach （Prunus persica L.Batsch）[J].Journal of Experimental Botany，2013，64：1049-1059.

[28] BEGHELDO M，GEORGE A M，CLAUDIO B，et al.Different postharvest conditions modulate ripening and ethylene biosynthetic and signal transduction pathways in Stony Hard peaches[J].Postharvest Biology and Technology，2008，48：84-91.

[29] HAJI T，YAEGAKI H，YAMAGUCHI M.Varietal differences in the relationship between maturation characteristics，storage life and ethylene production in peach fruit[J].Journal of the Japanese Society for Horticultural Science，2004，73：97-104.

[30] HAJI T，YAEGAKI H，YAMAGUCHI M.Inheritance and expression of fruit texture melting， nonmelting and stony hard in peach[J].Scientia Horticulturae，2005，105：241-248.