水杨酸处理减轻果蔬冷害机制的研究进展

2016-04-08 15:48侯梦阳胡文忠修志龙萨仁高娃王馨
食品与发酵工业 2016年10期
关键词:冷性水杨酸谷胱甘肽

侯梦阳,胡文忠,修志龙,萨仁高娃,王馨

1(大连理工大学生命科学与技术学院,辽宁 大连,116024) 2(大连民族大学生命科学学院,辽宁 大连,116600)



水杨酸处理减轻果蔬冷害机制的研究进展

侯梦阳1,胡文忠2*,修志龙1,萨仁高娃1,王馨2

1(大连理工大学生命科学与技术学院,辽宁 大连,116024) 2(大连民族大学生命科学学院,辽宁 大连,116600)

冷害导致果蔬代谢失调,严重影响果蔬的品质和耐藏性。水杨酸(salicylic acid,SA)作为一种诱导果蔬产生抗生物胁迫和非生物胁迫反应的内源信号分子,在调节果蔬的生理生化过程中发挥着重要作用。该文简单介绍了冷害对果蔬生理特性的影响,综述了水杨酸处理提高果蔬采后耐冷性的生理生化机制,为减轻果蔬冷害提供了一定的理论依据。

水杨酸;果蔬;冷害

低温可抑制采后果蔬的呼吸作用和内源乙烯的释放,有利于保持果蔬正常的生理代谢及营养物质的稳定,因此低温贮藏已成为延长果蔬货架期主要的方法之一[1]。然而,热带与亚热带的果蔬大多对低温比较敏感,在贮藏温度低于10~12 ℃时就有可能遭受冷害,冷害导致果蔬生理代谢失调,致使果蔬的抗病性和耐藏性下降,从而影响果蔬的食用价值与商品价值[2]。由于新鲜果蔬消费量的增加及限制使用人工合成的化学物质来减轻果蔬冷害,这就促使利用一些安全的天然物质,如水杨酸,乙酰水杨酸,水杨酸甲酯,茉莉酸甲酯[3]。水杨酸即邻羟基苯甲酸,作为一种新型的植物激素,参与植物的多种代谢过程[4];同时又作为一种重要的内源性信号分子,可以局部或系统性地调节植物的抗逆性反应[5]。水杨酸在植物抵抗严寒、高温、干旱、重金属毒性、渗透胁迫等非生物胁迫方面发挥着重要作用[6]。水杨酸在无毒的浓度下可显著减轻桃子、李子、枇杷、菠萝、石榴、哈密瓜、番茄、甜椒、竹笋等果蔬的冷害,并且能够方便有效地保证果蔬的卫生质量及营养品质。本文就外源水杨酸在提高采后果蔬采后耐冷性中的作用,综述了水杨酸处理提高果蔬采后耐冷性的生理生化机制的研究进展,可为减轻果蔬冷害的技术研究提供参考。

1 冷害对果蔬生理特性的影响

1.1 冷害对果蔬细胞结构的影响

受到低温胁迫的果蔬,细胞壁遭到破坏,叶绿体、细胞膜、液泡膜及核膜也发生不同程度的损伤,从而导致质壁分离、细胞崩溃、果实软化和失去固有的风味等。冷害对细胞结构的影响主要是细胞膜的完整性受到破坏[7]。低温可导致细胞膜发生“膜脂相变”,即构成细胞膜的脂类由液晶态结构变为凝胶态,细胞膜流动性降低、半透性增大[8]。构成膜的脂类是由不同含量及饱和度的脂肪酸构成,不饱和脂肪酸成分越高,膜的流动性越强,果蔬就是通过调节膜脂不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸的比例来维持膜的流动性,以适应低温条件。在冷害温度下,膜脂肪酸被氧化,脂肪酸的饱和度增加,磷脂质和半乳糖脂发生降解,固醇和磷脂的比例增加,细胞膜的流动性和性能下降,导致溶质运输出入细胞、能量转换、酶代谢等生理过程受到抑制。完整果蔬或组织长时间受到低温伤害,会导致细胞膜破裂,胞内液、离子、代谢物等发生泄漏[9]。电解质渗透率和丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量分别是膜半渗透性功能损失和膜质过氧化的生理指标,通常可用来间接评估细胞膜的完整性[10]。ZHANG 等[11]利用氮氧自由基自旋标记物与膜脂结合后得到的顺磁波谱特征表明,没有发生冷害的桃子细胞膜的流动性显著高于发生冷害的桃子细胞膜的流动性,并认为膜的流动性与膜脂中不饱和脂肪酸的含量呈正相关。

1.2 冷害对果蔬生理代谢的影响

低温胁迫可诱导植物体内的酶系统和代谢途径发生改变,导致果蔬呼吸速率和乙烯释放速率的异常升高,能量产生和代谢物质合成受阻。在正常情况下,需氧生物体内活性氧的生成和清除处于动态平衡,由于内源性或外源性刺激使机体代谢异常而骤然产生大量活性氧自由基,或机体抗氧化物质不足,氧化系统和抗氧化系统失衡,使机体处于氧化应激(eoxidative stress,OS)状态[12]。

果蔬遭受低温胁迫时,果蔬体内抗氧化系统清除活性氧(reactive oxygen,ROS)能力下降,组织细胞内ROS含量提高,促进了细胞膜的脂质过氧化作用[13],而超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、过氧化物酶(peroxidase,POD)等细胞保护酶不能及时清除过剩的自由基,便引发了细胞膜脂质过氧化,并由此导致膜系统结构和功能的破坏,最终导致果蔬变质。

ZHANG等[14]发现桃子冷害的发生与生物膜完整性的破坏及酚类物质含量的增加密切相关,而生物膜完整性的破坏与脂质运载蛋白、过敏蛋白、烯醇化酶的缺失表达以及脱水蛋白的下调表达有关,酚类物质含量的增加与分支酸变位酶的表达、肉桂醇脱氢酶的上调表达有关。

2 水杨酸处理减轻采后果蔬冷害的生理生化机制

外源SA处理提高果蔬的耐冷性,具有处理成本低、低量、无毒、方便等优点。近年来,对SA在果蔬抗生物胁迫和非生物胁迫反应中的重要作用及其机制、信号传导途径等方面的研究已取得了重大进展。

2.1 提高细胞膜的完整性

细胞膜具有重要的生理功能,它既能使细胞维持稳定代谢的胞内环境,又能调节和选择物质进出细胞。细胞膜的流动性影响膜蛋白的排列、膜的通透性、物质跨膜运输作用。研究表明,增加不饱和脂肪酸(如亚麻酸)的含量可提高细胞膜的不饱和度,增强细胞膜的流动性和功能,降低细胞膜的脂类由液晶态变为凝胶态的相变反应,从而提高果蔬的耐冷性[15]。CAO等[16]发现枇杷在冷害温度下,饱和脂肪酸(如软脂酸和硬脂酸)含量增加,而不饱和脂肪酸(如亚麻酸和亚油酸)含量降低,因此,导致饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸含量的比例下降。亚麻酸和亚油酸是脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)的底物,低温胁迫下LOX的活性提高,导致亚麻酸和亚油酸含量下降。AGHDAM等[17]发现在番茄发生冷害时,磷脂酶D(phospholipase D,PLD)和 LOX的活性提高,用SA处理冷害温度下的番茄,可以通过降低助氧化剂PLD和 LOX的活性、脂质过氧化反应、细胞膜半透性的损失,从而提高细胞膜的完整性,增强番茄的耐冷性。

2.2 增强抗氧化系统作用

果蔬对低温氧化应激具有相应的抵御能力,表现在其体内具有一套复杂而精细的抗氧化系统负责对ROS的抵御和清除。抗氧化酶类包括对ROS直接起作用的SOD、CAT、抗坏血酸过氧化物酶(ascorbic peroxidase,APX)以及POD,还包括(如抗坏血酸—谷胱甘肽(ascorbate-glutathione,AsA-GSH)循环酶,谷胱甘肽转移酶(glutathione S-transferase,GST)等保持抗氧化物质的还原性所必要的酶;非酶促清除系统主要指类胡萝卜素(carotenoids,Car)与抗坏血酸(ascorbic acid,AA)以及如还原型谷胱甘肽等,它们可以通过多条途径直接或间接地清除ROS[18-19]。

YANG等[20]报道了用SA(1.0 mmol,10 min)联合超声波(40kHz,10min)对桃子进行采后处理,结果发现会诱导桃子内源性SA的合成,并且提高了SOD,GST,CAT,APX,单脱氢抗坏血酸还原酶(monodehydroascorbate reductase,MDHAR),脱氢抗坏血酸还原酶(dehydroascorbate reductase,DHAR),谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)的活性,显著减轻了桃子的冷害症状。WANG等[21]用SA处理桃子,研究发现抗坏血酸与二十二碳六烯酸的比例、谷胱甘肽(glutathione,GSH)及还原性谷胱甘肽与氧化性谷胱甘肽的比例均提高,并且交替氧化酶(alternative oxidase,AOX)与GR的活性也提高。

此外,胞内游离的Ca2+作为一种很重要的二级信号分子参与各种环境胁迫的信号传导过程。Ca2+与细胞膜组分结合,尤其是与磷脂结合对维持细胞膜的完整性和功能具有重要作用[22]。SA处理果蔬会提高细胞溶质中Ca2+含量提高,从而提高GR和APX活性,提高果蔬的耐冷性。HUANG等[23]用SA处理红肉脐橙,胞内Ca2+浓度提高,增强了谷胱甘肽还原酶与抗坏血酸过氧化物酶系统的性能,从而抗坏血酸与脱氢型抗坏血酸的比例、还原型谷胱甘肽与氧化型谷胱甘肽的比例均提高。

2.3 改变PAL和PPO的活性

在正常状态下,细胞内多酚氧化酶(polyphenol oxidasee[24]。苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonialyase,PAL)与果蔬的非生物胁迫抗性密切相关,并参与多酚、类黄酮等次生代谢产物的合成,低温可以诱导果蔬中PAL的基因表达和活性提高,导致果蔬发生霉心病[25]。

LU等[26]报道了用SA(5 mmoL,15 min)对菠萝进行采后处理,可以显著减轻菠萝受冷害导致的霉心病,同时SOD和APX的活性提高,ROS含量减少,并且发现,在冷藏期间,POX,PPO及PAL的活性高低和霉心病的严重程度正相关,用SA处理菠萝可以降低过氧化物酶(peroxidase,POX)、PPO及PAL的活性,并且抗坏血酸AA的含量也高于未处理的菠萝。LUO等[27]用SA(1.5 mmoL,10 min)处理李子,可以减少电解质渗透率和MDA的含量,降低POD和PPO的活性,显著减轻了冷害对李子的褐变这一主要影响。AGHDAM等[28]发现用SA(1 mmoL,5 min)对番茄进行采后处理,发现可以显著减轻番茄的冷害症状,同时,电解质渗透率和MDA的含量减少,脯氨酸含量增加,对总酚含量并没有显著影响,但是显著降低了PAL的活性。

2.4 热休克蛋白基因的激活和表达

在不利的环境条件下,各种生物体都有对应的分子反应,即正常基因的表达、抑制和热休克基因的激活与表达,导致热休克蛋白(heat shock proteins,HSPs)大量产生。当细胞受到胁迫时,会引起细胞内蛋白质的变性,而HSPs作为分子伴侣,与变性蛋白质相结合,修复错误折叠蛋白或加速其降解,可起到稳定细胞结构、维持细胞正常的生理功能、提高生物体对逆境的耐受性[29]。ZOU等[30]研究表明HSPs具有清除ROS的能力。低温胁迫也会诱导HSPs和抗氧化系统通过协同作用提高果蔬的耐冷性。

小分子热休克蛋白(small heat shock proteins,sHSP)能以独特的方式,即作为细胞膜稳定剂来提高非生物胁迫耐受性[31],sHSP部分控制着膜的流动性和半透性,因此,sHSP的表达有助于维持细胞膜的流动性和完整性,提高内源脯氨酸的含量,从而提高果蔬的耐冷性[32]。

编码HSPs的热休克基因的表达受到热休克转录因子(heat shock transcription factor,HSF)的控制,HSF通过感知热胁迫或冷胁迫,然后激活HSPs基因的表达[33]。HSFs如同分子感受器,感知ROS(如H2O2),从而相应地调节抗OS基因的表达[34]。HSF不仅能够调节抗氧化酶基因的表达,HSPs也能提高抗氧化酶的活性。HSPs也能提高抗氧化分子GSH的含量,增强细胞的抗氧化应激能力。WANG 等[35]报道了用SA处理采后桃子,可以显著提高桃子的耐冷性,并推测是诱导HSP101和HSP73基因的表达,提高了AA 和二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)的比例及还原型谷胱甘肽和 氧化型谷胱甘肽的比例,并且发现,在SA处理的桃子中,HSP101 及HSP73的合成量和GSH的含量呈正相关。

2.5 提高精氨酸代谢途径

果蔬中的精氨酸不仅具有贮藏氮素营养的功能,还是一些信号分子,如多胺(腐胺、精脒、精胺)、脯氨酸及一氧化氮分子生物合成的前体物质,这些物质对提高果蔬的耐冷性具有重要的作用[36]。精氨酸酶、精氨酸脱羧酶(arginine decarboxylase,ADC)和一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)是精氨酸分解代谢的关键酶[37],精氨酸可经ADC途径形成腐胺,也可经NOS 途径形成NO,精氨酸通过精氨酸酶生成鸟氨酸,鸟氨酸可通过鸟氨酸转氨酶(ornithine aminotransferase,OAT)-吡咯琳-5-羧酸还原酶(pyrrolelin - 5 - carboxylic acid reductase,P5CR)酶转化为脯氨酸,又可经鸟氨酸脱羧酶(ornithine decarboxylase,ODC)转化成腐胺。果蔬在外界环境刺激下,3种酶的活性升高或降低,使精氨酸代谢方向发生改变,从而能够导致果蔬对环境变化做出不同的响应[38]。

多胺在果蔬冷激条件下,具有抗氧化性、清除活性氧、提高细胞膜稳定性和完整性的功能,OAT在果蔬抵抗冷害中也具有重要作用[39]。LUO等[40]用SA(1.0 mmoL,15 min)处理采后竹笋,研究发现可以降低竹笋组织褐变、电解质泄漏、MDA和总酚的含量,并推测可能是内源性多胺含量增加提高了竹笋的耐冷性。CAO等[41]报道分别用热空气处理桃子(30℃,12h),用SA(1 mmoL,5 min)处理桃子,或者将2种方法结合以减轻桃子冷害,研究发现2种方法结合处理的桃子的内源多胺含量明显高于单独使用一种方法处理的桃子,因而具有更强的耐冷性。

3 结论与展望

目前,对冷害发生的机理及冷害对果蔬影响的研究已比较深入,低温胁迫可破坏果蔬细胞结构,尤其对细胞膜造成严重损伤,会导致果蔬生理失调。冷害的发生限制了利用低温来贮藏果蔬,因此,减轻和防止低温对采后果蔬造成冷害,延长果蔬的贮藏期,具有重要意义。SA 作为一种广泛存在于植物中的内源激素,用于提高果蔬的耐冷性,具有绿色安全、处理成本低、过程简单的优点,在果实贮藏保鲜中有广阔的发展空间。近年来,关于外源SA对提高果蔬耐冷性的研究越来越多。综上所述,SA处理采后果蔬,可以通过提高细胞膜的完整性、增强抗氧化系统的作用、降低PAL和PPO的活性、促进热休克蛋白基因的激活和表达、提高精氨酸代谢途径等减轻果蔬的冷害。今后应深入研究SA是如何在抗性反应中交叉起作用的,进一步从生理生化和分子水平上研究SA 的调控途径和作用机制。

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Research progress on mechanisms in reducing chilling injury of postharvest fruits and vegetables by salicylic acid treatment

HOU Meng-yang1,HU Wen-zhong2*,XIU Zhi-long1,SAREN Gao-wa1,WANG xin2

1(College of Life Science and Biotechnology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China) 2(College of Life Science, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Chilling injury greatly reduces quality and storability of fruits and vegetables. Salicylic acid (SA) was used as an endogenous signal for regulating biotic and abiotic stress responses. SA plays a crucial role in the regulation of physiological and biochemical processes in fruits and vegetables. This paper introduced the adverse effects of chilling injury in postharvest fruits and vegetables and the role of SA in fruits and vegetables resistance to low temperature stress. Physiological and biochemical mechanisms of enhancing chilling tolerance in fruits and vegetables under postharvest SA treatment were summarized, the research provides certain theoretical foundations for reducing chilling injury in fruits and vegetables.Chilling injury as a physiological disorder greatly reduces fruits and vegetables quality and storability. Salicylic acid(SA)acts as an endogenous signal for regulating key processes relevant to biotic and abiotic stress responses. SA plays a crucial role in the regulation of physiological and biochemical processes during the entire lifespan of fruits and vegetables. This paper introduced the adverse effects of chilling injury in postharvest fruits and vegetables and the role of SA in fruits and vegetables resistance to low temperature stress. Physiological and biochemical mechanisms of enhancing chilling tolerance in fruits and vegetables under postharvest SA treatment were summarized, which provided certain theoretical foundation for alleviating chilling injury in fruits and vegetables.

salicylic acid(SA);fruits and vegetables;chilling injury

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201610041

硕士研究生(胡文忠教授为通讯作者,E-mail:hwz@dlnu.edu.cn)。

国家科技支撑计划项目(2012BAD38B05);国家自然科学基金项目(31172009);国家自然科学基金项目(31471923);大连市金州新区科技平台项目(2013-PT3-006)

2015-12-03,改回日期:2016-03-10

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