草莓维生素C合成机制及其含量影响因素研究进展

孙灵敏，刘艳芬，魏灵芝，高用顺**

（1.河北工程大学 园林与生态工程学院，河北 邯郸 056038； 2.北京市农林科学院 林业果树研究所，北京 100093；3.北京市农林科学院 农业农村部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，北京 100093；4.北京市农林科学院 北京市草莓工程技术研究中心，北京 100093）

维生素C（Vitamin C，Vc）又称抗坏血酸（Ascorbic acid），是植物体内一种天然抗氧化剂，可以参与光合作用，增加植物抗性，在植株生长发育过程中起到重要作用。此外，Vc对人体健康也至关重要，可以有效提高免疫力、预防感冒及病毒和细菌的感染、降低心血管疾病风险、预防坏血病和癌症等。虽然在进化过程中人类失去了合成Vc的能力，但可以通过食用富含Vc的新鲜果蔬进行有效补充。与人工合成Vc相比，天然Vc功效好，更有利于人体吸收。

草莓（Fragaria × ananassaDuch.）是蔷薇科（Rosaceae）草莓属（FragariaL.）多年生草本植物，因果实酸甜可口，且富含Vc等多种营养成分，备受人们喜爱。如何提高草莓果实中Vc含量和培育高Vc草莓品种成为目前关注热点。本文对草莓果实Vc合成关键基因挖掘、QTL（Quantitative Trait Locus）群体定位及Vc含量影响因素进行综述，以期为草莓Vc相关的基础和应用研究提供参考。

1 草莓果实Vc合成关键基因研究的最新进展

植物中目前有4种已知的Vc合成途径，第1种是Wheeler等［1］最先提出的高等植物Vc合成中被广泛认同的D-甘露糖/L-半乳糖途径，该途径由D-葡萄糖-6-磷酸经酶促反应生成L-半乳糖-1，4-内酯，经L-半乳糖-1，4-内酯脱氢酶（GaILDH）催化生成Vc。第2种是由GDP-D-甘露糖生成L-半乳糖醛酸，经醛内酯酶催化生成L-半乳糖-1，4-内酯后，再经GaILDH催化生成Vc的D-半乳糖醛酸途径。第3种是肌醇途径，是由D-葡萄糖-6-磷酸直接生成肌醇，先通过肌醇氧酶及D-葡萄糖醛酸还原酶催化生成L-古洛糖酸，再通过醛内酯酶催化生成L-古洛糖-1，4-内酯，最后生成Vc。最后是古洛糖酸途径，由GDP-D-甘露糖经抗坏血酸合成酶（GME）催化生成GDP-L-古洛糖，进而生成L-古洛糖-1，4-内酯，在GaILDH催化下生成Vc。从上述已知途径中可以看出，GaILDH是生成Vc的关键酶。

在草莓中，半乳糖醛酸通路中的醛酮还原酶（Aldo-keto reductase，AKR）家族成员半乳糖醛酸还原酶（FaGalUR）可以将果实中的D-半乳糖醛酸还原为L-半乳糖酸，为合成Vc提供前体［2］。Liu等［3］对二倍体森林草莓以及八倍体草莓卡姆罗莎进行Vc代谢相关基因的基因组学分析，并对AKR家族基因进行了系统鉴定，筛选到在草莓果实发育及成熟过程中显著上调的AKR家族成员FaAKR23。Wei等［4］在八倍体栽培草莓甜查理中瞬时沉默了FaAKR23，发现与对照相比，草莓果实中Vc含量显著降低，并通过RNA-seq及qRT-PCR分析发现果实中Vc合成相关基因的表达显著低于对照组，验证了FaAKR23基因参与调控草莓果实Vc积累。

GaILDH是合成Vc的关键酶，顿宛宛［5］研究发现草莓中FaGaILDH过量表达，可以提高GaILDH活性与Vc含量，且红颜草莓果实中Vc含量与FaGaILDH基因表达高于章姬、圣诞红和京郊小白。

2 草莓果实Vc相关的QTL定位研究

QTL定位基于遗传连锁图谱并结合表型性状分析与分子标记基因分型，不仅可以为选育新品种提供有用性状的遗传信息，还可以揭示影响性状基因之间的关系。近年来草莓中定位的性状主要是抗性、开花（四季性）及品质相关性状［6］。

Vallarino等［7］利用“232”和“1392”两个对比品系杂交而成的F1定位群体对草莓果实初级代谢相关性状的变异和遗传控制进行研究，在Vc含量中检测到826个差异表达基因，并鉴定出草莓中的Mannose-6-phosphate isomerase（FaM6PI1）基因是控制草莓果实Vc含量的候选基因。Munoz等［8］在连锁组LG 3A、LG 5A、LG 5B、LG 6B、LG 7C中检测到环境稳定的AsA含量QTL。

3 草莓果实Vc含量影响因素研究

3.1 光照条件

3.1.1 光照强度

GaILDH是草莓果实Vc合成过程中的关键酶，其活性会随光照强度增加而显著提高，因此增加光照强度有利于提高草莓果实中Vc含量。不同品种增幅也不相同，例如从自然光增加到1000 lux强光时，水培达赛莱克特草莓果实的Vc含量显著提高约13.2%，而甜查理增幅不显著［9］。此外，有研究表明适当减弱光强也有利于提高草莓Vc含量，彭鑫等［10］发现50%光强下章姬Vc含量较100%光强处理下提高24.5%。

3.1.2 光质

对草莓等多数植物而言，蓝光更有利于提高果实中Vc含量，但品种不同，果实Vc含量对不同光质组合的反应也存在较大差异。张晶等［11］研究发现红颜草莓果实Vc含量随红蓝光配比增大而升高，红光 ∶ 蓝光 = 5 ∶ 1时Vc含量最高，较白光提高约8.99%。史文景［12］研究表明相同光照强度下，隋珠草莓果实Vc含量随LED灯红蓝光配比增大先升高后下降，红蓝光配比2 ∶ 1时果实Vc含量最高。钱舒婷和李建明［13］发现用LED灯对红颜草莓补光时，与红蓝光配比4.9 ∶ 1时相比，红蓝光配比3 ∶ 1条件下红颜草莓Vc含量可显著提高约77.1%，通过研究可以推测蓝光比例较多的LED复合光可以促进Vc合成。刘怡［14］研究表明在白光基础上增加红光会降低转色期红颜草莓果实Vc含量，而增加蓝光则会升高，推测可能与光质影响Vc合成分解酶活性有关。此外，研究还发现单一蓝光处理时红颜Vc含量最高，为92.87 mg/100 g。彭鑫［10］研究表明紫光与蓝光处理均可以显著提高章姬草莓果实Vc含量。紫光处理下章姬草莓Vc含量最高，可达1.49 mg/g，而白光、红光、黄光处理均会不同程度抑制Vc积累。

3.1.3 光周期

草莓品种不同，补光时间长短和时间段也不相同。岳高峰等［15］研究发现章姬草莓果实中Vc含量随补光时长的延长呈先增加后减少的趋势，其中以17 ∶ 00 ～ 23 ∶ 00补光6 h时Vc含量最高，为106.52 mg/100 g。杨振华等［16］对温室栽培草莓章姬和红颜进行补光处理，结果表明在4 ∶ 00 ～ 8 ∶ 00时进行补光，两个品种草莓的Vc含量最高，其中章姬Vc含量为88.32 mg/kg，红颜Vc含量为92.09 mg/kg。

3.2 栽培方法和环节

3.2.1 基质配比

复合基质是用两种及以上有机或无机基质混合而成的，稳定且营养丰富的基质。基质配比不同对Vc含量的影响也不同。研究发现，草炭 ∶ 蛭石 ∶蚯蚓粪 ∶ 椰糠 = 1 ∶ 1 ∶ 1 ∶ 1的基质配比可以提高红颜和章姬草莓果实Vc含量，且在此配比基础上添加6%和9%蚯蚓粪后草莓单株Vc含量均高于添加同比例鸡粪处理［17］。腐熟鸡粪 ∶ 耕作层土壤 ∶ 玉米穗轴粉碎料 ∶ 细河沙 = 1 ∶ 1 ∶ 1 ∶ 1的基质配比可以显著提高甜查理草莓果实Vc含量，较耕作层土壤处理组提高约45.1%［18］。此外，菌渣可以显著提高土壤中氮磷钾含量，促进植物吸收，进而影响植物光合，提高作物品质。菌渣 ∶ 园土 = 1 ∶ 2的基质配比可以显著提高红颜草莓果实Vc含量，较园土对照组提高约21.5%。而菌渣 ∶ 园土 = 1 ∶ 1时，黔莓1号草莓果实Vc含量较对照组提高约31.3%［19］。

3.2.2 栽培模式

不同栽培模式下，不同品种果实Vc含量变化趋势也不相同，杜俊瑶等［20］研究表明地面栽培模式下阿尔巴、越秀、白玉、宁玉、隋珠5个品种的草莓果实Vc含量最高，爱沙草莓最低。而立体栽培模式下隋珠、圣诞红、宁玉草莓果实Vc含量最高，爱沙和甜查理草莓最低。

3.2.3 肥料

肥料的种类及浓度也是影响草莓果实品质的重要因素，施用适宜适量的肥料可以在一定程度上改善草莓果实品质。

3.2.3.1 沼肥

沼肥是目前广泛应用于生产中的新型有机肥，刘晓荣等［21］研究发现，施用沼肥有利于提高红颜草莓果实Vc含量，施用后Vc含量比对照提高了18.57%。王东明［22］对全明星草莓施用沼肥后Vc含量上升，这与刘晓荣等［21］结果一致，其中基施沼渣60000 kg/hm2，追肥沼液36000 kg/hm2时果实Vc含量最高，比不施肥组提高约18.4%。

3.2.3.2 氨基酸水溶肥

氨基酸水溶肥富含多种营养，见效快且无化肥残留问题，是一种新型功能性肥料。唐光木等［23］推测覆膜滴灌氨基酸水溶肥通过提高达赛莱克特草莓根系吸收能力，促进光合作用和自身物质合成转化，进而显著提高草莓果实Vc含量。魏启舜等［24］研究表明随羽毛生物降解氨基酸肥中游离氨基酸含量降低，宁玉草莓Vc含量降低，当含量为0.364 g/L时果实Vc含量最高。任洪建等［25］发现在常规施肥基础上每公顷施加1500 mL含腐殖酸水溶肥（兑水450 kg）可以提高妙香7号草莓果实Vc含量，比对照组提高约10.8%。

3.2.3.3 大量元素

郭晓雨［26］研究表明从红颜草莓现蕾期开始每15天施用1次硫酸钾可以提高果实Vc含量，且随硫酸钾浓度升高，果实Vc含量提高，当浓度为3.2 g/L时还原性Vc含量最高，达7.71 mg/kg。秦燕等［27］对红颜草莓施用不同配比的磷肥、钾肥均可以提高果实Vc含量，其中0.4% P2O5、0.7% KCl、0.3% CaCl2配比下红颜草莓果实Vc含量最高，为0.737 mg/g。王春玲等［28］研究表明适度降低肥料中磷的配比不会影响红颜草莓果实中Vc含量，但是当无磷时则会显著降低，与高磷（N ∶ P2O5∶ K2O = 16 ∶ 8 ∶ 32）处理相比，降低约22.7%。

3.2.3.4 微量元素

鞠明岫［29］研究表明硒肥可以显著提升草莓中Vc含量，红颜、蒙特瑞、章姬草莓Vc含量随硒肥浓度提高也先上升后下降，当叶面喷施0.33 mL/L硒肥时，红颜、章姬草莓果实中Vc含量最高，分别为1.73 mg/g和1.75 mg/g。叶面喷施0.5 mL/L时，蒙特瑞Vc含量最高，为1.7 mg/g。高尚等［30］发现对转色期甜查理外源喷施30 mg/L Na2SeO3，Vc含量较对照提高约70.4%，并且外源Na2SeO3可以提升果实中的GaILDH活性，进而从源头上促进果实中Vc积累。在此基础上，晋莹莹等［31］发现10 mg/L La（NO3）3+30 mg/L Na2SeO3处理下甜查理果实Vc含量显著高于镧和硒溶液单独处理，比同等质量浓度的镧单独处理高30.5%，比硒单独处理高16.8%，此外研究表明草莓果实中Vc含量提高可能与硒提升光合作用的能力有关。张妍妍等［32］发现甜查理草莓果实Vc含量随叶面喷施硒代氨基酸（SeMet）浓度升高先上升后下降，当浓度为60 mg/L时最高。硒代氨基酸（SeMet）可能通过提升光合作用效率，积累光合产物，进而显著提升Vc合成途径中GaILDH的活性，从而提高甜查理草莓果实中总Vc含量，这与高尚等［30］研究结果相一致。此外，赵世宇等［33］推测叶面喷施中低浓度的新型红色零价态纳米硒（Se0NPs）溶液会提升草莓酶活性，进而提高Vc含量，而高浓度则会降低Vc含量，如当浓度为40 mg/L时，Vc含量比浓度为20 mg/L时下降约25%。

硼是植物生长发育过程中必不可少的微量元素。高新霞等［34］用不同质量浓度的硼肥喷施红颜和章姬草莓，结果表明，适宜浓度的硼肥有利于改善果实品质，高浓度硼肥反而降低果实品质，质量分数0.05%时章姬和红颜草莓果实中Vc含量最高，分别比对照提高33.2%和34.6%。晋莹莹［35］研究发现叶面喷施质量分数为0.05%八硼酸钠可以显著提高红颜草莓Vc含量，与对照相比提高34.6%，且八硼酸钠可以促进草莓各时期果实AsA合成，增强循环代谢酶活性降低AsA降解酶AAO活性。

3.2.3.5 生物肥

微生物菌剂可以分解土壤中的有机物质供给植物根系吸收，并通过提高叶片中叶绿素含量来增强植物光合作用，促进植物生长，还可以提高作物产量和品质，是代替化肥的可行办法。Flores-Felix等［36］研究发现叶杆菌属（Phyllobacterium）菌株能提高草莓果实中Vc含量，接种PEPV15菌株的草莓果实中Vc含量显著高于未接种草莓近一倍。

3.3 外源物质

3.3.1 外源激素

外源施用茉莉酸甲酯（Methyl Jasmonate， Me-JA）可以提高植物抗逆性和果实品质。近年来，外源喷施MeJA在果蔬采后保鲜贮藏方面应用广泛。闫艳华［37］发现150 µL/L MeJA溶液浸泡的全熟甜宝果实在贮藏4天后Vc含量比对照高3倍，而八成熟果实Vc含量比对照高约46.4%，结果表明150 µL/L MeJA溶液浸泡后可以减少全熟、八成熟草莓中Vc的流失，更有利于草莓贮藏保鲜。脱落酸（Abscisic Acid， ABA）和小分子吲哚胺类物质褪黑素也可以提高草莓Vc含量。Crizel等［38］研究表明外源施用ABA可以增加卡姆罗莎草莓Vc含量，且在盐胁迫条件下更显著。李恭峰等［39］研究发现当香野草莓叶面喷施450 µmol/L褪黑素溶液时，草莓Vc含量最高，比对照高50.65%。

3.3.2 植物生长调节剂

植物生长调节剂可以增加作物产量、改善品质、提高抗逆性等。鞠明岫［29］研究表明钛肥可以显著提升草莓中Vc含量，红颜和蒙特瑞草莓果实Vc含量随钛肥浓度提高先上升后下降，在1.17 mg/L浓度时，Vc含量最高，分别为0.8 mg/g和0.78 mg/g。原乔慧［40］对森林草莓Ruegen喷施激动素（Kinetin，KT）和6-苄氨基嘌呤（6-Benzylaminopurine， 6-BA），结果表明外源KT和6-BA显著提高草莓中Vc含量，且与对照相比分别提升20.8%和19.5%。

3.3.3 稀土元素

GaILDH是Vc生物合成途径中的关键酶，研究发现硝酸镧通过诱导脱落酸的生物合成，参与调节甜查理草莓果实不同时期的GaILDH酶活性，进而提高果实中Vc含量［41］。钙盐常用于果蔬的采后贮藏，可以诱导乙烯生成、呼吸速率和酶活性。草莓在采后贮藏过程中，果实Vc含量会因自身呼吸作用和Vc氧化而下降。赵妍等［42］研究表明5%和10%CaCl2处理可以减缓采后丰香草莓果实Vc流失，贮藏4天后Vc含量分别比对照组高1.47倍和1.64倍，推测这与钙离子稳定细胞壁及细胞膜有关。

4 小结与展望

草莓生长过程中会受到多种外界环境条件影响，包含光照、温度、土壤、养分等，不同的环境条件及处理时间都会影响草莓果实Vc含量。近几年研究主要集中在光照和土壤方面，今后，还需要研究其他环境因素对草莓果实Vc含量的影响。此外，草莓果实Vc含量相关的QTL定位等领域研究较少，亟需进一步加强。在满足现有产量的前提下，随着人民生活水平的提高，将来对培育富含营养的美味草莓的需求日益增加。改善草莓果实品质是目前草莓育种工作中的重要目标。把提高草莓果实的营养成分与提高果实风味相结合，更能吸引消费者，满足消费者对健康的需求，进而提高经济效益。此外，在今后研究中应当加快草莓全基因组序列解析，深入挖掘野生资源的遗传优势，充分利用野生资源为草莓分子育种服务，推动草莓产业高效发展。