褪黑素在果蔬采后的应用

张乐乐，常璐璐，王小佳，于有伟，张少颖，张嘉芮

（山西师范大学食品科学学院，山西临汾 041004）

褪黑素（melatonin，MT）化学名称为N-乙酰基-5-甲氧基色胺，首次在松果体中被发现，不仅是5-羟色胺的衍生化合物，而且具有淡化黑色素的功能，故取名褪黑素[1]。药理研究表明，MT 作为最普遍的一种神经调节物质，在治疗失眠、调节时差、抗氧化、抗炎、抗肿瘤和增强免疫等方面有很好的效果[2]。MT 作为一种微量多效的内源性吲哚类激素，1995 年在高等植物中首次被检测到[3]，后期发现MT 也存在于植物的根、茎、叶、花、果实及种子中[4]。此后，MT 作为一种多效的植物激素备受关注。大量研究发现，MT 在种子萌发、植物生长、果实成熟和衰老、果蔬保鲜等生物过程中发挥重要作用，在植物生物和非生物胁迫中也占据重要地位[5-6]。目前，在植物中，MT 生物合成的研究已经比较透彻，然而，MT 的代谢过程及信号转导复杂，存在MT 与多种信号交叉，而且MT 在果蔬中的生物合成、采后保鲜、采后抗病方面的应用以及与其他抗病信号分子间的关系缺乏系统的归纳整理。

本文综述了近几年MT 在果蔬保鲜上的作用及应用，总结了其对各种生物与非生物胁迫应答的生理及分子作用机制，以及MT 抗病信号的转导途径，以期为进一步解析MT 信号在果蔬生物与非生物胁迫应答中的调控机制提供参考，同时为果蔬的采后病害防治提供新的思路。

1 MT 含量及生物合成

1.1 MT 在果蔬中的含量

研究表明，在不同科、属、种植物（包括草药、蔬菜、水果）中存在不同浓度水平的MT。在不同种类的果蔬中MT 含量也不同，一般以ng 级存在，广泛存在于苹果、草莓、番茄、樱桃、黄瓜、木薯和葡萄等果蔬中。MT 在枸杞中的含量很高（530 ng/g），由于MT 具有促进睡眠、安神、镇静的作用，因此枸杞可作为良好的助眠食品[7]。MT 在各种植物的器官和组织中广泛存在，如叶、根、茎、花、果实和种子，在种子中的含量最为突出[8]。

1.2 MT 在果蔬中的生物合成途径

植物中合成MT 的研究表明，色氨酸是MT 合成的前体，有6 个酶参与了MT 的四步连续酶促反应，这6 个酶分别是色氨酸脱氢酶（TDC）、色氨酸羟化酶（TPH）、色胺-5-羟化酶（T5H）、5-羟色胺-N-乙酰基转移酶（SNAT）、N-乙酰基-5-羟色胺-甲基转移酶（ASMT）和咖啡酸-O-甲基转移酶（COMT）[7]。褪黑素生物合成的四种途径如图1 所示。

图1 褪黑素生物合成的四种途径Fig.1 Four pathways of melatonin biosynthesis

由图1 知，MT 的生物合成有四条途径，其中色氨酸由TPH 催化形成5-羟色氨酸途径的相关基因在植物中还未鉴定到。在拟南芥中已经分离出1 个AtSNAT、1 个AtCOMT和1 个AtASMT基因参与了MT 的合成。水稻中也发现了TDC、T5H、SNAT 和ASMT 等MT 催化酶的合成基因。5-羟色胺是MT 生物合成的重要交叉点。从图中可以看出，5-羟色胺的形成途径有两条；第一条是色氨酸被TDC 催化生成色胺，色胺经过T5H 催化生成5-羟色胺；第二条是色氨酸通过TPH 形成5-羟色氨酸，5-羟色氨酸再由TDC 催化形成5-羟色胺。5-羟色胺形成MT也有两条途径：第一条路径为经SNAT 催化形成N-乙酰基-5-羟色胺，再由ASMT 或COMT 催化形成MT；第二条通路为5-羟色胺先被ASMT 或COMT 催化形成5-甲氧基色胺，5-甲氧基色胺经SNAT 催化形成MT。其中，基于色氨酸对TDC 酶有较高底物亲和能力，所以，色氨酸脱羧酶是主要的限速酶，这四种酶的合成基因都已经在部分植物中被克隆出来。TDC 酶在植物中克隆最多，但是TDC 基因的表达量很低，因此更证实TDC 是MT 合成中主要的限速酶。

2 MT 在果蔬采后保鲜中的应用

2.1 保持果蔬采后品质、延缓衰老

果实采后衰老是一个复杂的过程，受内源性和外源性环境的影响，并通过多种信号传递和生理代谢实现。

2.1.1 调控果蔬成熟衰老

果蔬贮藏期的长短与果蔬呼吸速率和乙烯释放量的多少密切相关。有报道表明，MT 可以抑制果蔬中乙烯相关合成酶基因的表达和酶的活性，从而抑制乙烯的产生，延长果蔬的贮藏期[9]。如MT 处理可以使青花菜、苹果中乙烯相关合成酶基因（ACS、ACC、ACO）的表达降低，使贮藏期间青花菜、苹果的乙烯释放得到抑制，减缓衰老，延长贮藏期和货架期，可见MT 可以通过调控乙烯的生物合成来延缓果蔬衰老，保持品质[10-11]。MT 在果蔬保鲜中的应用见表1。

最近的研究发现，MT 在果蔬采后保鲜方面的研究越来越多（见表1）。由表1 可知，应用MT 可以保持果蔬采后品质、延缓衰老、清除自由基、抑制褐变[10-11]。采后梨果相关研究表明，MT 可以延缓乙烯的高峰期，同时激活POD 和SOD 活性，阻止了梨的软化和衰老[12]。同样，在红枣、猕猴桃上的研究也表明，MT 可以明显抑制果实呼吸和乙烯释放[13-14]。然而，也有报道称，外源MT 处理后会上调乙烯受体基因NR和ETR4以及转导元件EIL1、EIL3和ERF2 的表达，增加乙烯含量，促进葡萄果实的成熟[15]。这可能是因为MT 对成熟期和非成熟期水果的影响不同。

表1 MT 在果蔬保鲜中的应用Table 1 Applications of exogenous MT on preservation of fruits and vegetables

2.1.2 保持果蔬品质

果蔬中的酚类物质、花青素对人体有较好的清除自由基的功能，同时适当的甜酸度也是人们关心的重要品质指标。有研究结果表明，外源MT 可以诱导果蔬产生更多的酚类物质、有机酸、脯氨酸和花青素[16]。在MT 对甜樱桃、草莓果实的影响研究中发现，MT 处理可以激活果实中花青素合成基因的表达，提高花青素的水平，从而提高甜樱桃、草莓在冷藏过程中的营养品质[17-18]。采前喷洒MT 能使苹果中的可溶性糖、酚类和有机酸类的含量显著增加[11]（见表1）。外源MT 处理可以使葡萄的落果率和腐烂率降低，显著上调酚类生物合成相关基因的表达，使果实中酚类物质含量提高，提升果实的食用品质[19]。MT在枣、红枣、葡萄、芒果等果实中的研究也发现，外源MT可以提高这些果实的可滴定酸和酚酸含量，从而保持果实良好的口感和营养品质[13,18-20]。MT 还可以通过诱发苯丙烷代谢途径，保持草莓的营养品质[21]。

2.1.3 维持细胞膜结构，抑制褐变

调控果蔬组织中的ROS 水平对于维持膜结构完整性以及缓解采后果实褐变是非常必要的[22]。MT 作为公认的抗氧化性最强的内源性自由基清除剂，可以直接或间接参与果实抗氧化酶系统的调控，使组织中的ROS 保持正常水平[22]。如MT处理可以使甜樱桃果实SOD、CAT、APX、DHAR 酶活性增加，使AsA 和GSH 含量提高，以及抑制H2O2和O2-·的积累，较好地维持膜结构的完整性，从而抑制果实褐变[23]。用MT 处理芒果和石榴，能使果肉中H2O2含量和O2-·的产生速率下降，并降低相对电导率、抑制丙二醛（MDA）积累，同时提高芒果、石榴的抗氧化能力，从而对芒果、石榴表皮褐变达到很好的抑制效果[24-25]。MT 处理对桃、荔枝和黄瓜的影响研究中也有相似的结果，能提高桃和荔枝等果蔬中SOD、CAT 和POD 的活性，维持细胞膜的完整性[26-28]。

2.2 MT 在果蔬采后抗病方面的应用

2.2.1 对采后病原真菌的抑制作用

体外试验证明，MT 对病原菌有很好的抗菌活性[29]。MT 处理可以抑制羽扇豆种子青霉菌发病率的上升；降低番茄晚疫病病原疫霉菌的发病率。MT 还可以减轻疫霉菌的毒性，通过抑制菌丝生长，降低细胞活力，调节IAA 代谢等抗病过程[30]。MT 也能抑制疫霉菌的体外产孢和菌丝生长，从而减缓黄瓜辣椒疫霉菌引发的毒害作用。MT 在抑制黄瓜黑穗病菌、黄瓜霜霉病、番茄灰霉病菌和镰刀菌的体外和体内抗真菌活性方面也有很好的正向效果[29,31-32]。体外试验证明，MT 处理能抑制果蔬采后病原菌链格孢菌的生长[33]。

周慧[34]的研究发现，MT 处理使鲜切梨中霉菌和酵母菌的菌落总数减少，使梨对褐腐菌的抑制作用增强。唐琦[35]用MT 处理大枣，在进行菌丝生长和孢子萌发试验中发现，MT 可以很好地抑制P.polonicum的孢子萌发和菌丝伸长。MT 对苹果的研究也有相同结论，MT 处理可以限制菌丝扩展和孢子萌发，提高苹果对褐斑病菌的抗性[36]。也有不同研究结果出现，如曹晶晶等[37]研究发现，MT 在抑制苹果体外灰霉菌菌丝生长和分生孢子萌发方面作用效果不显著；MT 在香蕉、柑橘多种病原菌的体外抑菌试验也证明，MT 处理对病原菌的生长和孢子的萌发没有直接抑制作用[38-39]。由此证明，对于不同病原菌，MT 的体外抑菌作用有所不同。

2.2.2 提高果蔬抗病力

近年来的研究发现，应用外源MT 可诱导采后果蔬抗病相关蛋白的活性和其基因的表达，进而提高果蔬对采后病害的抵抗能力（见表2）。

由表2 可知，MT 处理可以增强梨、香蕉、樱桃番茄等果蔬对不同病原菌的抗病性。用MT 喷洒西瓜可以激活免疫介导的防御基因表达，提高西瓜果实对Phytophthora capsici的抗病能力[31]。曹晶晶等[37]也发现，外源MT 可以抑制病斑直径的增大，同时还能促使果实内POD、CAT、SOD、PPO 和PAL 酶活性的提高，说明外源MT 通过诱导防御酶活性上升，可以提高苹果对灰霉病的抵御能力。MT 处理对苹果褐斑病的研究也发现，MT 处理可显著抑制灰霉病病斑直径的扩大，降低苹果对褐斑病的感病性[40]。也有报道提出，MT 处理通过调控生长素、乙烯和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路，以及使挥发性化合物、细胞壁成分和IAA 含量提高，增强香蕉果实对炭疽病的防御能力[38]。MT 还可以提高H2O2的含量、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、几丁质酶（CHI）、β-1,3 葡聚糖酶（GLU）等酶活性以及病原相关蛋白（PRs）的表达，提高这些抗病蛋白使番茄对灰霉病的抗性增强[41-42]。MT 处理在香蕉枯萎病的研究结果表明，MT 通过激活MaHSP90s的表达，促使其他植物激素以及抗病信号开始发挥作用，从而使香蕉枯萎病的发病率降低[43]。但Lin 等[39]发现，MT 处理使H2O2含量和相关酶活性降低，从而导致柑橘绿霉病的抗病性下降，明显提高柑橘绿霉病的发生。MT 对果实采后病害的矛盾效果可能与果实品种、果实成熟度、采样位置以及MT 浓度的不同有关，因此，MT 在控制果蔬采后生理病害方面的作用还有待进一步研究。

2.3 MT 与其他抗病信号分子之间的关系

MT 在延缓采后果实品质劣变以及果实衰老等方面效果显著，而且在采后病害防治中，MT 作为抵抗病原体的信号分子参与防御反应。许多研究指出，外源MT 处理能够上调植物中多种抗病基因的表达。目前，MT 对采后果蔬的抗病机制缺乏细致的解析，因此，进一步探索MT介导的宿主对病原菌的防御信号机制是非常必要的。

在抗病信号传导过程中，SA（水杨酸）、JA（茉莉酸）、NO、H2O2和IAA（生长素）作为重要的信号分子起着重要作用。已有报道表明，MT 作为一种重要的信号分子，通过激活SA、JA、NO、H2O2和IAA 信号依赖途径，上调防御基因的表达，提高果蔬的抗病能力。

2.3.1 MT 与SA

SA 是一种重要的内源性抗病信号，在参与诱导果蔬产生系统获得性抗性（SAR）过程起着重要的调节作用[44-46]。在种子萌发、气孔关闭、幼苗生长、生物和非生物胁迫等方面，MT 和SA 表现出极其相似的作用[47]。在代谢过程中，分支酸是褪黑素和水杨酸共同的前体物质，它可以产生色氨酸（褪黑素的前体物质）和莽草酸（水杨酸前体物质）[48]。已有研究证明，水杨酸和MT 都参与了果蔬对双孢霉、假单胞菌、疫霉菌、葡萄菌、镰刀菌等病原菌的防御。相关研究提出，MT 可以通过诱导SA 生成从而激活抗病相关的苯丙氨酸途径，在该途径中可以产生如酚类、木质素等与抗病有关的中间小分子，参与果蔬组织的物理防御功能，提高抗病能力[49]。MT 可以使SA 的表达上调，进而激活如PR1、PR5和ICS1等防御相关的基因表达，从而提高植物对真菌、病毒等病原体的抗性[50]。MT 也能通过激活SA 和ETH 信号，提高拟南芥和烟草的抗病性[50]。也有报道表明，MT可通过上调SA信号，来调控H2O2水平，诱导苯丙氨酸代谢，提高番茄的抗灰霉病能力[41]。这些报道均可说明SA 位于MT 的下游进行信号传导。

2.3.2 MT 与NO

近期研究表明，MT 和NO 处理不仅可以提高采后果实的品质，还可以提高植物的抗病原菌能力[51]，但在果蔬抗病上的研究极少。Lee[49]发现MT 诱导的NO 可以诱导植物对细菌病原体紫丁香假单胞菌Pst DC3000 产生抗病性。外源MT 和NO 的处理降低RSV 的发病率，但结合NO 清除剂（cPTIO）的应用能抑制水稻条纹叶枯病毒（RSV）的发病率不降反升，这说明MT 和NO 可以增强水稻对RSV 病菌的抗性[52]。有研究报道，MT 对采后果实品质的积极影响很大程度上依赖NO 信号通路。用MT 浸泡梨果实，促进了梨果实内源NO 的积累和NR、NOS 活性的提高，上调了NO 的合成基因，如PcNR1、PcNR2和PcNi-NOR的相对表达，而MT 和L-NAME 处理对乙烯产量和果实品质没有显著影响[53]。MT 增加了番茄果实内多胺和NO 的积累，提高了番茄的品质[54]。这说明MT 对采后果实品质的积极影响很大程度上依赖NO 信号通路。这些都暗示褪黑素可能作为NO 的上游信号参与保持果蔬的采后品质。在MT 对樱桃番茄灰霉病的研究中，提出MT 通过NO 的积累能提高番茄对灰霉病的抗性[55]。目前，对MT 和NO 之间关系的认识只有少数研究报道，由于褪黑素与NO 相互作用较为复杂，因此了解褪黑素是在NO 信号的上游还是下游还需要进行深入研究。

2.3.3 MT 与IAA

MT 和生长素（IAA）的化学结构类似，具有共同的前体色氨酸。众所周知，SA 和ETH 在植物基础防御特别是真菌侵染中起重要作用。近期有研究提出，IAA 也是植物与病原菌相互作用的重要调节因子。MT 能诱导MaHSP90s激活与防御相关的IAA 信号，提高香蕉对枯萎病的抗病能力[33]。通过比较转录组和代谢组学分析得知，MT 处理能提高香蕉皮中吲哚-3-乙酸-酰胺合成酶基因的编码，上调参与生长素合成蛋白基因，显著增加组织中IAA 和ETH 含量，说明MT 能激活乙烯和IAA 来调节香蕉的衰老和抗病能力[38]。

2.3.4 MT 与H2O2

H2O2在植物组织细胞中的积累有利于提高植物的抗毒能力[56]。H2O2还可以在植物和病原菌的相互作用中扮演信号分子的角色。H2O2不仅能够直接作用破坏病原体，还在促进细胞壁糖蛋白的氧化交联中有着重要作用[43,56]，从而抵制病原菌的入侵。H2O2在MT 介导的植物抗胁迫中发挥重要作用。H2O2位于MT 的下游位置作为信号调控植物对逆境胁迫的响应。MT 可以降低H2O2水平和上调JA 信号通路，在番茄果实对灰霉病中发挥积极正向作用[57]。MT 处理使柑橘绿霉病减少，并且在MT处理的柑橘中H2O2含量显著低于空白组的H2O2含量。MT 还可以维持果实内稳定的H2O2浓度来调节ROS 水平，提高果实防御相关酶和抗病相关蛋白活性，增强苹果对病原菌的抗性[40]。也有报道如MT 能诱导H2O2的积累，使草莓的腐烂率显著降低[21]。有研究还发现，在MT生物合成酶的上调过程中，H2O2可能起着决定性的作用，促进果蔬褪黑素的增加[48]。

3 小结

综上所述，MT 不仅是一种有前景的天然抗氧化物质，还是一种重要的抗病信号分子，参与了果蔬的采后抗病。外源施用MT 或者通过分子育种技术提高内源MT的含量都对提高果蔬的抗病性有益。MT 可以与SA、NO、H2O2、IAA 等信号分子共同作用提高果蔬的抗逆性、保持果蔬的品质，延缓衰老，调控果蔬防御信号的传导，增强果蔬抗病性。但对MT 在果蔬采后的抗病方面的研究较少，其在植物防御中的作用和机制仍未完全了解；MT 在果蔬采后转录组和代谢组学方面的研究需要深入探讨。后期可以采用组学的技术，研究MT 在果蔬采后生理生化和抗病中的作用及其机制，完善MT 在果蔬采后保鲜中的作用及其信号转导的机制。