采后果蔬冷害与能量关系研究进展

袁梦麒++潘永贵

摘 要 就冷害与果蔬的线粒体、能荷水平及代谢过程三者之间的关系，结合目前国内外相关的研究进行综述，从果蔬冷害与能量的角度，探讨果蔬冷害与抗冷性机制。

关键词 果蔬 ；冷害 ；能量代谢

分类号 S426

Research Advances on Relationship between Chilling Injury and

Energy Metabolism of Postharvest Fruits and Vegetables

YUAN Mengqi PAN Yonggui

（Faculty of Food Science and Technology， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China）

Abstract To the tropical-subtropical fruit and vegetables， the inappropriate low temperature will cause Chilling injury， which will damage the postharvest fruits and vegetables during storage at low temperature. This paper first discusses the relationship among Chilling injury， the mitochondria of fruits and vegetables， the level of energy charge and metabolic processes . Then it summarizes the correlated researches at home and abroad from the view of the chilling injury of fruits and vegetables and energy， explores the mechanism of chilling injury and cold resistance of the fruits and vegetables.

Keywords postharvest ； chilling injury ； energy metabolism

低温会降低植物细胞代谢速率，低温贮运是降低采后果蔬产品损失，保持果蔬采后品质的主要措施。但对于热带、亚热带果蔬而言，贮藏温度过低，会造成果蔬发生冷害，造成贮运上的损失。对于冷害发生的原因，传统上，国内外研究一般认为主要有以下几个观点：第一种认为，冷害与植物细胞膜成分的改变有关。低温会使果实细胞的膜成分受到损伤，如生物膜相改变、电导率上升和膜脂成分改变。冷害果实细胞会出现磷脂和糖脂降解，膜脂过氧化反应降低，以及膜脂不饱和度的下降[1-2]。这些都会对膜流动性产生不良影响并随之造成膜蛋白功能的下降[3]。第二种认为，冷害会导致氧化胁迫。除了直接破坏植物果实细胞内的生物膜构成外，低温还会诱导氧化胁迫，进而损害膜的完整性。当果蔬置于不适的低温环境时，活性氧的产生与消除体系受破坏，活性氧会首先攻击膜系统，导致生物膜中脂质过氧化，通透性增加，导致果实腐败、植物死亡[4]。第三种认为，低温胁迫会损坏植物细胞的超微结构从而导致冷害现象的发生。除细胞膜外，细胞内各细胞器的结构也受低温环境影响。当冷敏植物受到低温胁迫时，细胞内的叶绿体形态首先发生改变，被膜转变为小囊泡，基粒片层减少，当温度进一步降低时，叶绿体被膜甚至会破裂，并导致细胞死亡[5]。其次还有研究显示，低温逆境会诱导植物果实细胞内相应的基因表达，并导致不同部位细胞的抗冷性表达或死亡[6-7]。通过冷驯化（cold acclimation，CA）可以激发某些膜蛋白的活性，进而可以使植物获得抗冷性[8]。近年来又有研究发现，以上的冷害发生机理都和能量代谢有着密切的关系，因此，本文主要从能量的角度出发，就目前这方面的研究做一综述，以进一步揭示冷害更深层次的原因。

1 冷害与线粒体

线粒体是生物细胞进行呼吸作用与能量合成的部位，是细胞能量代谢的基础[9]。正常植物细胞内可以清晰地观察到线粒体，且数量多，均靠细胞壁分布，线粒体结构完整，双层膜完整，含有大型的淀粉颗粒，双层膜间有跨膜通道[10]。但在冷害的植物细胞内，线粒体则会受到不同程度的破坏。齐灵等[11]通过电镜观察冷害桃果实发现，其线粒体的电子透明度增加；郑国华等[12]发现，冷害下的枇杷幼果内线粒体没有明显的内嵴，内部呈小泡化，膜边界模糊，双层膜破坏严重。低温贮藏条件（0℃）下的甘薯块茎随着贮藏天数的增加，其线粒体膜上的膜蛋白对磷脂的结合力下降，使 PC（磷脂酰胆碱）和 LPC（脱酰磷脂酰胆碱）从膜上游离下来，进而破坏线粒体膜，并导致组织坏死。

一般认为，在低温逆境条件下，线粒体膜脂由液晶态向凝胶态转变使得线粒体内膜完整性受损，从而导致氧化磷酸化解偶联，氧化过程虽然照样进行，但不能形成ATP[13]。另一种观点则认为，线粒体结构的破坏与低温引发的氧化胁迫有关[14-15]。氧化胁迫对采后果蔬的生理、品质等都有着显著的影响，其中线粒体对于氧胁迫尤其敏感。低温逆境会破坏细胞内活性氧产生和清除的平衡体系导致活性氧积累，诱发氧化胁迫。活性氧攻击线粒体的膜系统，导致其膜质的过氧化或脱脂化，从而导致线粒体结构受损，能量产生受到影响，而这又会产生更多的自由基进攻细胞膜产生恶性循环[16]。有研究已经证实，在桃果实的贮藏过程中，随着线粒体结构的损坏和功能的下降，细胞内活性氧迅速增加，细胞膜成分受到损伤[17]。此外，Ca2+-ATPase的活性也会影响线粒体结构的完整性，Ca2+-ATPase能维持细胞线粒体内Ca2+平衡，在正常情况下，线粒体通过Ca2+-ATPase将Ca2+从细胞质运输到线粒体内，同时参与各种调节，当其活性降低时，线粒体内Ca2+浓度降低，细胞质内Ca2+浓度升高，导致线粒体受损[18-19]。endprint

此外，还有研究表明，冷诱导核基因表达受线粒体的控制，线粒体电子传递链中的Complex I（NADH脱氢酶EC 1.6.5.3）与核基因中低温诱导应激反应基因有关，其缺失会影响冷调控基因的表达[20]。对于番茄的研究发现，经热处理的番茄果实大量产生一种新的小分子热休克蛋白（sHSPs），相较于未经处理的果实，处理组对于冷害表现出较好的耐性[21]，这种sHSPs就是刘箭等[22]后来克隆出的LeHsp23.8，因此可以认为线粒体sHSPs可能和果实的抗冷性有关。

2 冷害与能量物质及能荷水平

碳水化合物、蛋白质和脂肪是主要供能物质，因此，它们的变化直接与能量产生密切相关。可溶性碳水化合物代谢对低温胁迫很敏感，在低温胁迫下，果蔬组织内的大分子物质如淀粉等会加速水解，使得细胞内可溶性糖的含量增加，细胞呼吸作用增强。4℃贮藏条件下的茄子细胞内的还原糖呈先上升后下降的趋势，其高峰在出现冷害症状之前，这可能是由于植物在刚受冷害时，呼吸效率升高而加快了蔗糖及其他多糖的分解[23-24]。对桃果实的冷害研究发现，低温逆境下的桃果实内ATP的含量也会先上升后下降，其能荷水平的变化也与ATP含量变化一致[25]。而可溶性糖的增加有助于提高果蔬对于冷害的抵抗能力。Cai等[26]发现，低温预处理能够有效地减少枇杷低温贮藏过程中的冷害发生，期间果实的总糖量增加。经NO熏蒸过的芒果果实在低温贮藏条件下的总糖和果糖含量明显高于未经熏蒸的果实，其冷害程度也较轻[27]。在热处理减轻柑橘果实冷害的过程中，蔗糖也扮演着重要的角色[28]。

有研究表明冷害会降低果蔬组织内的能量水平[29]。在低温贮藏条件下，蓝莓果实内的ATP，ADP含量均明显减少，随着冷害的发生，ATP等的含量和能荷水平达到最低[30]。陈京京等[25]对于冷害发生中的能荷变化规律做了更加详细的研究，并发现5℃贮藏下的桃果实ATP、ADP含量和能荷水平下降最快，细胞膜电导率最高，膜脂过氧化产物MDA的积累也最为迅速，此时冷害褐变最严重。在整个过程中，冷害水平和能量水平成负相关。

高能量水平有助于缓解果实冷害的发生。番茄经草酸处理后，其后熟过程中的ATP和ADP含量得到提高，冷害程度也得到减轻[29]。用ATP处理过的荔枝果实在贮藏过程中过氧化产物的积累、细胞膜流动性的减少，以及细胞膜透性的增加都受到抑制，细胞膜水解相关的酶类如脂氧合酶、酸性磷酸酶、及磷脂酶D等的活性也都小于未经处理的果实[31]。ATP处理还能抑制极性脂的降解和游离脂肪酸的释放，并维持脂肪酸的不饱和度，这些都对冷害有着良好的缓解作用[32]。

高能量水平对于冷害的缓解作用，与能量能够维持膜的完整性有主要关系，Rawyler[32]认为，ATP在脂类合成及细胞膜的修复中起重要作用，与膜脂降解也有关，当ATP合成速率低于一定值时，膜脂水解产物明显增加。用ATP处理的荔枝果实表皮细胞内ATP含量及其能荷水平出现明显提高，膜脂降解和过氧化相关的酶如酸性磷酸酶和脂氧合酶等活性降低。研究还发现，ATP处理有助于荔枝果实在贮藏初期维持较高的能量水平，减轻膜氧化，抑制膜脂水解酶活性，这些都有助于维持其膜完整性。另一方面，有研究认为，高水平的ATP能够减轻组织内的自由基积累，防止冷害造成的冷害胁迫[33-34]。

3 冷害与能量代谢过程

冷害对于整个能量代谢的过程都有着重要的影响。在整个能量代谢过程中，冷害首先影响其三羧酸循环。SDH（琥珀酸脱氢酶）是连接氧化磷酸化与电子传递的枢纽之一，其主要作用是在三羧酸循环中催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸，脱下的H+经电子传递最后生成ATP，它的活性可以作为三羧酸循环运行的指标[35]。在研究中发现，SDH的活性与冷害有着密切联系。随着低温下贮藏时间延长，蓝莓果实内的SDH活性逐渐降低，冷害程度也随之加深[36]。草酸处理番茄和芒果果实能显著地提高其组织内SDH的活性，与此对应，果实的冷害也得到降低[37]。这些都说明冷害影响了植物细胞内的三羧酸循环。

其次，冷害与细胞内的氧化磷酸化也有重要关系。冷害可以通过破坏线粒体内膜完整性来使氧化磷酸化过程解耦连，虽然氧化过程照样进行，但细胞不能形成ATP，从而影响细胞正常能量代谢并导致植物死亡[13]。细胞色素氧化酶（CCO）是线粒体呼吸链中氧化磷酸化的关键酶，是植物体内最主要的末端氧化酶，能够将电子传递给O2，为氧化磷酸化过程供能，CCO的活性和ATP的生成密切相关[38]。用NO处理枇杷果实，在延缓其冷害造成的木质化劣变的过程中发现CCO的活性受到了保护，而未经处理的果实中CCO的活性迅速下降，能量水平也迅速降低，果实发生冷害劣变[39]。Peng Jin等[40]在对草酸处理减轻桃果实冷害的研究中也认为，草酸处理提高了CCO活性是其减轻冷害的重要机制之一。

H+-ATP酶同样也是线粒体呼吸代谢关键酶，作为细胞膜的质子泵，通过将H+从线粒体内膜泵至外侧，产生跨膜质子推动力从而合成ATP[41]。研究发现其活性的下降和组织能量损失保持一致，随着冷害温度下贮存时间的增加，冷害程度上升，其酶活性持续降低[42]。对茉莉酮酸甲酯影响桃果实冷害的研究也认为，茉莉酮酸甲酯影响H+-ATP酶的活性是其影响冷害的机制之一[43]。对于低温影响ATPase活性的原因一般有以下几种猜测：第一种观点认为，低温通过影响膜流动性进而影响ATPase的活性。对于玉米根的研究发现其线粒体ATPase活化温度与脂肪酸链的长度和不饱和度有关[44]。因为膜脂一般由亲水性的极性端基和疏水性的脂肪酸末端组成，磷脂的极性端和脂肪酸链的长短和饱和度都通过膜流动性影响着膜结合酶ATPase的活性。另一种观点则认为，低温直接影响了ATPase的活性。ATPase的结构中富含-SH基团，levitt的硫氢基假说认为低温环境下-SH极易向-S-S转变，所以低温很容易引起ATPase的变性，并且低温引起的氧化胁迫也会对ATPase造成损伤。Lindow等[45]研究发现，在低温条件下，ATP合成酶的γ-亚基的35 kD多肽在分子内形成二硫键变成34 kD多肽，但是在经过低温驯化后，其35 kD多肽对于低温的敏感程度降低。endprint

综上所述，果蔬冷害与能量代谢的关系研究目前主要集中于线粒体结构和ATP代谢方面，低温胁迫通过影响线粒体结构和相关酶的活性从而影响ATP的产生，而ATP的缺失则会造成细胞内代谢功能紊乱和细胞结构的破坏，从而进一步加重冷害反应，这种恶性循环导致采后果实在冷藏条件下无法正常后熟，乃至产生各种冷害症状，造成经济损失。研究采后果蔬低温贮藏条件下的冷害产生和调控机制对于开发精密的贮藏保鲜技术有着重要意义，尽管目前对于其冷害机制的研究已经有了可喜的进展，但具体到采后果蔬如何感知外界的低温信号，低温条件下果实细胞能量代谢的自我调节，以及如何调控其能量代谢进而抵抗冷害等问题还有待于进一步研究。

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