果实采后品质与安全的研究进展及调控策略.docx

一、引言新鲜果实含有丰富的有机酸、糖、维生素、矿物质和其他有益健康的成分,是人类日常膳食结构中不可缺少的组成部分。随着人民生活水平的不断提高和消费观念的转变，果实产业对世界经济的贡献在过去几十年显著增加。根据中国农业农村部和联合国粮农组织的最新统计，中国果实年产量连续二十多年位居世界首位。但是，在采前和采后阶段，新鲜果实不可避免地会发生品质劣变和病害腐烂。特别是在发展中国家，约有三分之一的新鲜果实损失于采后贮运销过程，不能到达消费者餐桌。诱发果实采后损失的因素很多，而果实自身衰老和病原真菌侵染是最主要的诱因。尽管使用化学农药防病至今仍然是控制采后损失的主要方法，但长期高浓度使用化学农药防病引发的环境污染和食品安全，成为全球关注的热点。此外，有些病原真菌产生的有毒次生代谢物对消费者的健康造成重大威胁。因此，研究果实成熟、衰老机制及病原菌致病产毒的分子基础，对创制有效调控果实衰老和抗病性以及病原菌致病力的精准技术至关重要。本文将重点阐述近年来果实在采后品质维持、抗氧化途径及病原真菌致病产毒的分子基础方面的重要进展及关键调控靶点（图1）。EthyleneII-1-MCPEthylenesignaling()is-Multilevelregulations图1采后果实、病原真菌与外源因子之间的相互作用。I-MCP：1-甲基环丙烯；SA：水杨酸：0A：草酸；NHS：非热激处理；ROS：活性氧；WT：野生型；rin：ripeninginhibitor；Ev：空载对照;VIGS：病毒诱导的基因沉默；IP：免疫沉淀；AQP：水通道蛋白二、果实成熟、衰老和抗性应答（一）果实品质形成与维持果实成熟和衰老是高度复杂而有序的生理过程，直接关系到果实品质的形成和保持。这些过程涉及众多基因在时间和空间尺度上的重编程，最终引发果实色泽、风味、香气、质地及其他品质性状的变化。成熟果实通常比未成熟果实对采后病害更加敏感，这种敏感性往往会影响果实品质，造成巨大损失；当果实成熟度最高时通常具有最高的商品价值，而此时病原菌侵染造成的损失也更加严重。因此，深入理解病原菌致病与果实成熟之间的关联机制，有助于保持果实采后品质，增强果实抗病性，延长货架期，提高果实商品质量。果实有两种类型，即呼吸跃变型和非呼吸跃变型。许多呼吸跃变型果实(如番茄、苹果和香蕉)在成熟启动时几乎同时出现呼吸高峰和乙烯高峰。这类果实采收时成熟度相对较低，便于贮藏，出库时进行催熟处理，促进快速成熟，达到可食用的品质。在此过程中，过量使用乙烯会导致果实快速软化和品质劣变。因此，乙烯生物合成或信号转导过程的精细调控，对于延长果实采后货架期和保持果实品质具有重要意义。I-甲基环丙烯(1-methylcyclopropene,I-MCP)作为乙烯受体的竞争抑制剂，抑制乙烯信号转导反应，因此被广泛用于延缓呼吸跃变型果实的成熟进程。除了在果实成熟进程和病原真菌抗性调控中的作用之外，I-MCP还通过调控有机酸动态平衡来维持果实风味，调节糖和风味挥发物的水平,进而影响果实的感官品质和内在品质。番茄是一种重要的经济作物，也是研究果实成熟和衰老分子机制的模式植物。关于调控番茄果实成熟的关键基因己有很多报道，包括/7力(ripening-inhibitor)、nor(non-ripening)、Cnr(colorlessnon-ripening)、Gr(green-ripe)和/Vr(neverripe)o其中MADS-box转录因子RlPENING-INHIBiTOR(RIN)在成熟相关基因转录激活中的作用已经得到广泛研究。研究者通过染色质免疫沉淀(ChrOmatinimmunoprecipitation,Chip)法分析鉴定了241个可能参与果实品质调控的RIN直接靶标。随后的研究鉴定了一系列与特定香气产生(如7。初OXC和ADH2)、泛素-蛋白酶体途径(如S/U8C32和PSMD2)、细胞壁重构和碳水化合物修饰相关的功能基因，这些基因都是转录因子RlN直接调控的靶基因。然而，近年的研究表明，r力突变是一种功能获得性突变，而不是一种功能缺失突变。DNA片段的部分缺失导致转录因子MADS-RIN和MADS-MacrocaIyx(MC)发生融合，形成融合蛋白RlN-MC,对下游靶基因产生转录抑制作用。因此，RlN的功能还有待于进一步深入分析，需要结合多个等位基因位点的突变进行研究。果实成熟涉及复杂的生物化学过程和生理代谢变化，特别是果实中糖类和有机酸的含量变化。非呼吸跃变型果实在成熟过程中的生理代谢变化远低于呼吸跃变型果实。转录组学分析显示，柑橘果实成熟中后期的碳水化合物代谢水平降低，这可能是由于蔗糖磷酸合酶(sucrosephosphatesynthase,SPS)和柠檬酸合酶上调所致。同时，蔗糖合成酶和SPS直接调控糖的积累，而每种糖所占的比例在不同品种之间和不同成熟阶段存在显著差异。研究证明，蔗糖可以加速非呼吸跃变型果实，如草莓、葡萄、柑橘等的成熟进程。有趣的是，糖类、有机酸和细胞膨压还是促进脱落酸(abscisicacid,ABA)积累的早期信号，而FaABAR/CH1.H和FaPYRl信号通路通过ABRE和Sigma因子等调控糖和花青素的生物合成。此外，蔗糖通过9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶1调控草存果实中ABA积累的启动。值得注意的是，有机酸含量的变化通常与糖含量的变化相反。当淀粉降解导致糖积累时，果实中有机酸显著减少，此过程受其自身遗传因素和环境因子的协同调控。苹果酸和柠檬酸是呼吸跃变型和非呼吸跃变型果实中含量最丰富的有机酸。有些呼吸跃变型果实以苹果酸作为呼吸底物，而非呼吸跃变型果实在整个成熟过程中则持续积累苹果酸。果实成熟也会影响次生代谢产物的水平。黄酮类化合物（如酚酸类和花色昔类）主要通过苯丙烷代谢途径合成，是直接影响果实品质和商品价值的关键次生代谢产物。类黄酮的生物合成与MYB转录因子、MYC-Iike碱性螺旋-环-螺旋（bH1.H）转录因子和WD40-repeat蛋白调控的关键酶密切相关。MYB和bH1.H转录因子的表达模式及其与DNA结合的特异性决定了被激活的基因亚群，而WD40蛋白在MYB-bH1.H-WD40（MBW）复合物中仅作为常见的转录因子发挥作用。有的果实能够在果肉和果皮中同时积累花色昔，而另一些果实只在果皮中积累花色昔。此外，在光、温度、干旱、机械损伤等环境因子刺激下，许多果实在果皮中积累花色甘；而不同的环境条件下，果实花色昔的组成和含量存在显著差异。果实中花色昔的环境特异性积累机制已经引起了人们的广泛关注。然而，目前关于类黄酮合成的关键因子及其在果实和病原菌相互作用中的功能的研究鲜有报道。（二）氧化应激和诱导抗氧化能力活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS）一方面在发育进程和环境刺激响应的多条信号通路中发挥重要作用，另一方面作为氧气消耗产生的副产物产生负面作用。RoS可作为信号分子调节众多细胞过程，但过量ROS积累造成的氧化胁迫将诱发果实品质劣变。线粒体是细胞内ROS产生的主要细胞器，果实中特定的线粒体蛋白，如电压依赖性阴离子选择性通道蛋白（Voltage-dependentanionChanneIzVDAO乌头酸酶和某些抗氧化蛋白（如镒超氧化物歧化酶）容易发生氧化损伤。特别是在果实采后贮藏和运输过程中的不利环境条件下，这种损害会干扰线粒体功能，最终导致果实品质劣变。氧化胁迫将诱发蛋白质皴基化修饰,干扰VDAC功能，影响抗氧化酶活性，进而促进线粒体中超氧阴离子自由基的生成。研究表明，通过降低环境温度减少ROS积累可有效降低线粒体段基化水平，从而延缓果实衰老。在低氧（2%5%）条件下贮藏也能有效降低ROS水平，并延缓果实衰老；而诱导ROS积累的贮藏条件则产生相反的效果。总的来说，ROS稳态介导的果实对不利环境因子的应答反应，主要是通过诱导果实抗氧化能力和植物激素（如水杨酸、茉莉酸和一氧化氮）、启动磷脂信号和其他防御反应，增强细胞壁和其他物理屏障的重塑产生应答。诱导果实内在的抗氧化能力和抗病能力是保持果实品质和延缓品质劣变的有效策略，其机制包括：诱导果实产生与抗性相关的蛋白或次生代谢物（如病程相关蛋白），以及激活其酶（如植保素、几丁质酶、苯丙氨酸解氨酶、B-1.3-葡聚糖酶和酚类物质）活性；减轻蛋白氧化损伤；增强细胞壁屏障。水杨酸作为激活防御反应的重要信号分子，激活系统获得性抗性，进而保护植物（包括采后果实）免受生物和非生物胁迫的影响。外源水杨酸处理可显著诱导桃和甜樱桃果实中抗氧化酶的水平，表明抗氧化蛋白（如过氧化氢酶和谷胱甘肽转移酶)参与果实防御反应。同样，草酸可以抑制枣果实的乙醇产生和乙烯代谢，诱导防御反应蛋白表达，延缓果实衰老和提高抗病能力。()果实采后品质维持研究的新策略近年来关于番茄果实成熟机制的研究表明，现有的自然突变体背景可能比最初预期的情况更加复杂，往往是由显性失活突变(dominant-negativemutation)或功能获得突变(gain-of-functionmutation)造成。因此，利用成簇规则间隔短回文重复序列(clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats,CRISPR)/CRISPR相关内切酶9(Cas9)技术研究果实成熟相关表型时，应设计敲除靶点，并在此基础上产生多个新的等位基因。此外，由于成熟相关基因可能通过上调或下调表达的方式发挥作用，添加或删除启动子区域的转录因子结合基序也是调控不同果实中基因表达的一种策略。全面分析与基因表达谱和果实品质性状相关的表观遗传修饰位点，可能为未来育种研究提供新的候选基因。总之，更全面的实验设计应该涉及多个调控水平(如转录水平、转录后和表观遗传调控)，需借助高通量方法和数据挖掘技术，加深我们对果实品质维持分子机制的理解。三、采后病害发生机制及调控策略病原真菌侵染是威胁全球食物链供应的另一个主要因素，人们一直在努力探索经济、有效、安全的采后病害控制技术。使用方便、成本低廉的化学合成杀菌剂一直是控制采后病害最常用的方法。然而，杀菌剂的频繁使用引起了公众对食品安全和环境风险的广泛担忧，而且杀菌剂的高浓度使用也会诱发耐药菌株产生和农药残毒超标，因此从自然资源中探索高效的抑菌物质来代替/减少化学农药用量是绿色防病的新途径。(一)明确病原菌致病力调控的潜在靶点大多数果实采后病原真菌都是死体营养型病原真菌，最初认为这类病原真菌主要利用细胞壁降解酶(cellwalldegradingenzymes,CWDE)或真菌毒素杀死寄主细胞，而非效应因子。然而，近些年研究表明，事实并非如此。例如，Zhang等报道拟南芥(ArabidoPSiS)中一种受体蛋白RESPoNSlVENESSTOBoTRYTISPO1.YGA1.ACTURC)NASESl能够识别灰霉菌CB.cinerea)分泌的一种内聚半乳糖醛酸酶(BCPg3),表明寄主细胞的细胞膜上的受体蛋白和类受体蛋白将B.Cinerea分泌蛋白识别为微生物相关的分子模式，从而调节寄主的免疫反应。加利福尼亚大学的金海翎团队通过研究小RNA(SmaIIRNAzSRNA),揭示了植物细胞与8.Cimrea之间存在活跃的通信交流，并赋予了SRNA作为效应因子的新功能，表明SRNA在病原菌和寄主植物之间的相互作用中可能也具有致病因子的作用。B.Cioerea细胞中某些SRNA可以转移到植物细胞中，利用植物的RNA干扰系统沉默与其免疫过程相关的特定基因。相反，植物也能利用胞外囊泡将SRNA转入B.Cinereaf进而抑制致病相关基因的表达。虽然一些先进的技术(如表面等离子体共振结合串联质谱、分裂泛素酵母双杂交分析和单分子膜蛋白追踪)已经逐渐应用于分析病原真菌与寄主植物之间的相互作用，采后病原菌复杂的致病机制仍然值得进一步深入探讨。许多研究表明，ROS产生系