核果类果实成熟软化机理研究进展

沈颖王玉霞张福兴，*李芳东张序李延菊

（1烟台大学生命科学学院，烟台 264005；2山东省烟台市农业科学研究院，烟台 265500）

核果类果实成熟通常伴随着硬度、脆度降低，果实质地变软，甚至腐烂变质情况，不但影响鲜食口感及其商品价值，也给果实的保鲜贮藏及远距离销售等带来了多种不便，在一定程度上限制了核果类果树产业的发展。近年来，国内外学者从细胞壁结构组成和组分降解及其相关酶活性的关系入手，对核果类果实软化机理进行了大量研究，在桃、杏、李、梅等树种上取得了重要进展。

1 果实成熟软化中的质地变化

果实质地不仅是鲜食品质的构成因素，也直接决定了果实的经济价值。果实硬度、脆度等可以评价果实质地，但仅仅用触摸感、外观感、食用感来评价，存在个人主观性不一致、表述不精确的问题。而且不同树种的果实质地存在明显区别，虽然在相关方面做了大量研究工作，但目前没有统一的方法和定论，因此，多用质构仪分析方法确定参数，从而综合评价果实质地。

果实质地的决定因素主要有果肉细胞的大小和密度、细胞壁的厚度、内外层细胞的差异，以及相邻细胞之间的空隙等。果实硬度的大小由果肉细胞的大小及数量、细胞之间连接的紧密程度、细胞壁物质的机械强度等决定。已有大量研究表明，在核果类果实中，通常果肉单个细胞小、数量多、连接紧密、细胞壁厚度大的果实硬度大；果肉细胞大、细胞壁厚度小、细胞之间空隙小的果实果肉质地比较脆；果肉细胞小且多、细胞壁厚度小、并且连接紧密的果实有韧性。果实成熟的一个显著特征就是果实硬度、脆度和韧性降低，而果实质地软化主要是细胞壁结构的变化、组分的降解以及相关酶和基因间的相互作用引起。

2 果实成熟软化中细胞壁的降解

2.1 细胞壁结构的变化

核果类果实的细胞壁由初生壁、次生壁和胞间层三部分组成。初生壁伸缩性强，在旺盛发育的植物细胞中含量较大；次生壁主要存在于特定组织的细胞中，硬度较大，可以维持细胞壁的整体形态；胞间层又称中胶层，具有胶粘柔软的特点，有助于相邻细胞间的连接。在果实成熟软化过程中，由于多糖物质的降解，微纤丝结构被破坏，不能正常维持细胞间连接，细胞变得松散，导致果肉硬度降低。阚娟等在对桃果实观察中发现，成熟过程中果实细胞壁胞间层降解，同时伴随着质壁分离，液泡损坏，细胞壁结构瓦解，细胞器降解消失，细胞间隙显著增大，且硬度较大的桃果实细胞壁结构不易破坏。李萍对新疆杏的研究表明，初生壁和胞间层的降解与果实硬度降低的时期基本重合。陆胜民研究发现，梅果成熟软化过程中，细胞器被破坏，液泡破裂，胞间层溶解，微纤丝结构松弛，硬度降低，最终导致果实软化。

2.2 细胞壁组分的变化

细胞壁主要用来支撑保护植物细胞，主要成分为纤维素和果胶，同时包含其他多糖及少量蛋白质等。但在不同树种、不同部位以及果实发育的不同时期存在明显差别，因而，植物细胞壁组分复杂多变。Jovyn等研究认为，细胞壁组分的降解和细胞壁结构破坏是果实软化的主要原因。

2.2.1 果胶物质 果胶的溶解与果实成熟软化特性密切相关。果实发育初期的果胶为原果胶，此时果肉硬度大，且细胞壁结构基本完整。在果实成熟过程中，原果胶向可溶性果胶（WSP）转变，同时初生壁溶解，细胞壁结构破坏；胞间层降解，细胞之间胶粘性下降，引起果实软化。李萍对新疆杏的研究结果表明，各类果胶含量在果实发育初期持续上升，但共价结合果胶（CSP）在果实到达成熟期后开始下降，且不同品种变化趋势基本一致。胡留申等研究表明硬度大、贮藏性好的桃品种果实，通常原果胶降解速率低，WSP含量上升慢。阚娟等发现，桃果实硬度与原果胶含量的变化呈正相关，且成熟伴随着原果胶降解为WSP；WSP含量越高，软化速度越快。阎香言等研究发现，质地较软的桃果实WSP含量一直保持在较高水平，并且总果胶含量显著高于质地较硬的桃果实。中国樱桃在果实成熟期间，原果胶逐渐降低，而WSP迅速升高，其中在黄熟期和红熟期变化最为明显，与桃果实变化基本一致，推测可溶性果胶的迅速升高是引起果实软化的主要原因之一。

2.2.2 半纤维素 主要分布在次生壁，是一群复合聚糖的总称，能发生酸性水解。阚娟等研究发现，硬溶质桃果实半乳糖的降解表现不明显，而软溶质桃只发生在比较松弛的半纤维素中。杨琴研究发现，杨梅成熟过程中，松散的半纤维素含量和WSP含量升高，可能是导致细胞壁结构破坏、果实软化的原因。徐晓波研究发现，在李果实中，木葡聚糖-纤维素网络的松弛变化，直接影响了果实细胞壁结构的完整性，导致果实硬度降低，质地变软。硬度大的‘硬丝安海变’杨梅中半纤维素含量及其相关酶活性均低于硬度小的‘荸荠种’，说明半纤维素在不同树种上的作用机理存在很大区别，甚至完全相反。

2.2.3 纤维素 纤维素通常被认为是不易降解的聚合物，由于纤维长链靠大量氢键结合成微纤丝，保证了其稳定的特性。焦云等对杨梅细胞壁组分的研究发现，硬度大的‘硬丝安海变’与硬度小的‘荸荠种’相比，纤维素含量更高。李萍对新疆杏的研究发现，杏成熟过程中，纤维素含量逐渐降低，并且易软化的果实降低速率更大。在对核果类果实的研究中发现，梅、杏等果实的生长发育过程中，纤维素在积累。因此推断，纤维素的水解可以促进微纤丝的降解，导致细胞壁结构瓦解。

3 细胞壁降解酶活性变化

研究认为，核果类果实细胞壁组分的降解与多聚半乳糖醛酸酶 （PG）、果胶甲酯酶（PME）、 纤维素酶 （Cx 或 Cl）、β-半乳糖苷酶（β-Gal）、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶 （α-L-Af）等细胞壁水解酶的活性密切相关。

3.1 多聚半乳糖醛酸酶

多聚半乳糖醛酸酶，以多聚半乳糖醛酸为底物，促进果胶物质的降解，最终导致细胞壁结构瓦解，质地变软。金昌海等研究发现，在桃果实生长发育中，果实乙烯含量逐渐升高，PG活性变化与其一致，在成熟中后期达到峰值，由此得出，PG在桃果实后期软化中至关重要。研究发现，梅果实的成熟软化可能是由PG和Cx活性的升高引发的，并且PG在梅果实的后期软化中作用显著。中国樱桃的果实发育初期没有PG的参与，随着成熟过程的推进，PG活性开始上升，在中后熟时期上升速率显著提高，所以推测，PG与软化过程的启动无必然联系，只是在后期软化中发挥作用。徐晓波对李果实多糖降解相关酶的研究发现，PG活性在李果实发育初期活性不高，到了后期该酶活性迅速上升，说明PG对促进成熟后期细胞壁多糖水解、降低果实硬度起到关键作用。

3.2 果胶甲酯酶

果胶甲酯酶遍布于植物细胞中，主要功能是催化果胶酯酸转化为果胶酸，为PG的作用提供更多的底物。在一些果实成熟软化过程中，PME活性上升比较明显，例如，中国樱桃和桃等。陆胜民等对梅果实的研究发现，其果肉质地和细胞壁组分变化与PME活性变化趋势无显著相关性，推测PME可能只是对果实软化有促进作用，而不是果实软化的必需酶。阚娟等对桃果实成熟过程中酶活性研究发现，PME活性在成熟度提高的过程中显著增加，并且同PG活性表现出相同的变化趋势，且软溶质型桃果实中的PME上升时间更早。表明，PME可能对果实发育初期PG活性的启动有影响。但也有研究证实，PME的反义抑制不利于后熟果实的贮藏。因此推测，PME只是促进果实质地的稳定性，并不能直接促进软化。

3.3 纤维素酶

纤维素酶是一族能够降解羧甲基纤维素的相关酶，在不同树种果实，甚至在不同组织上的软化机理都有明显差别。Cx在果实发育初期几乎不存在，但随着果实的成熟，活性随之升高。新疆杏贮藏期间，纤维素酶活性的上升与果实的硬度下降趋势保持同步。纤维素酶在桃果实发育初期的作用不明显，在成熟后期果实硬度下降、质地变得绵软的过程中，活性逐渐升高。陆胜民研究指出，Cx活性对梅果实细胞壁中原果胶向WSP的转变以及半纤维素多糖的降解有突出影响，同时也可一定程度上增加梅果实采后硬度下降的速率。但纤维素酶似乎在李果实成熟中不发挥作用，因为李果实中未能检测到纤维素的降解。所以，目前只是认为纤维素酶对核果类果实软化有一定影响，但作用于树种间的差别、发挥作用的时期、以及与其它降解酶的关系都未作深入研究，可作为未来研究的方向。

3.4 β-半乳糖苷酶

β-半乳糖苷酶主要通过降解果胶多聚醛酸，切除半乳糖苷键，从而促使果胶物质降解，果胶-纤维素网络松动，最终导致果实软化。宣继萍等研究推测，β-Gal可以增加PG等其它果胶酶与底物的接触。也有研究发现，β-Gal在果实成熟软化初期活性较高，推测可能会对果实软化的启动有促进作用，并且切除半乳糖苷键的同时，也可能引发其它反应，比如乙烯产生等。徐晓波的研究中发现，β-Gal活性的上升与果实质地的软化几乎同步进行，基本上证实它可以破坏细胞壁结构，增大其它降解酶与底物的接触面积。但赵胜锦的研究却发现，中国樱桃中β-Gal早期基本不发挥作用，活性明显上升的时期也比PG晚，到后熟期达到最高。所以β-Gal与PG在中国樱桃果实软化后期的作用效果更明显，而与前期启动果实软化无必然联系。

3.5 α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶

α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶能够水解细胞壁中的非还原呋喃阿拉伯糖残基，促进细胞壁多糖降解，导致细胞壁结构松弛，引起果实软化。金昌海等对桃果实的研究发现，α-L-Af活性增加时期与果实硬度下降时期都集中在果实成熟的中后期，并且稍晚于乙烯含量迅速升高的时期，故认为α-L-Af的活性变化与果实成熟过程中乙烯的积累密切相关。但Bremmulle等研究却发现，α-L-Af并不仅仅是在成熟后期，在发育初期、中期的活性并不低于成熟后期。目前，α-L-Af在核果类果实成熟软化中的研究不够深入，α-L-Af的具体作用机理以及与其它细胞壁降解酶的互作关系有待发掘。

4 前景与展望

多年来，人们对果实成熟软化的生理现象进行了广泛的研究，其生理和分子机制一直是研究探讨的热点问题之一。核果类果实的软化机理研究大多侧重于采后生理及贮藏方面，而现在更加注重果实品质形成，对果实发育过程中的细胞壁结构和组分及细胞壁物质降解有关多种酶的变化研究越来越多。已有研究表明，核果类果实成熟软化是一个复杂的生理过程，细胞壁的变化及各种相关酶的相互作用是导致果实软化的直接原因。因此，必须针对果实发育的生理生化基础深入研究，探明果实成熟软化的机理，并对不同树种和品种开展针对性研究，提出抑制果实软化的具体调控措施，从而达到提高鲜食品质、延长果实贮藏保鲜时间、培育耐贮新品种的目的。