乙烯在鲜切花中的致衰机理与调控研究进展

林青青

(海南大学农学院,海南 儋州 571737)

1 引言

鲜花切离母体后,就意味着开始走向衰老,引起鲜切花衰老的主要因素包括环境因子和内部的水分代谢、呼吸代谢、细胞内含物降解、酶活性变化和内源激素变化等诸多方面,鲜切花衰老过程与内源激素的种类及其平衡状态密切相关[1]。在影响鲜切花品质的众多因素中,植物激素作为一个重要因素越来越受到人们的重视,切花体内五大激素的含量和变化对切花的品质有着极大影响。大量研究表明,乙烯作为切花体内重要的激素之一,在切花衰老过程中起着关键性的调节作用,是导致鲜切花衰败的主要因素。

2 乙烯的生物合成途径

1964年 Lieberman等首先指出乙烯来源于植物体内的蛋氨酸(Met)[2]。1979年 Adams和Yang[3]的研究表明,乙烯的合成途径为:蛋氨酸(Met)→S-腺苷蛋氨酸(SAM)→氨基环丙烷羧酸(ACC)→乙烯(Eth)。最后两步分别由ACC合成酶(ACS)和乙烯形成酶(EFE)催化。这个途径现已证实存在于所有研究过的组织中,是植物体合成乙烯的主要途径。

ACC是乙烯合成的直接前体,由乙烯形成酶(EFE)催化形成乙烯。乙烯合成的限速步骤是由SAM合成ACC,ACC合成酶(ACS)是乙烯生物合成途径的限速酶。ACC可被丙二酰转移酶催化产生结合态ACC即丙二酰ACC(MACC)。幼嫩的花瓣比衰老的花瓣具有更高的丙二酰转移酶活性,说明ACC的结合态可能用来限制自由态ACC形成乙烯[4]。

3 乙烯的致衰机理

3.1 乙烯的信号转导和切花的乙烯敏感性

乙烯的信号转导也是乙烯研究中的热点,人们推测乙烯的信号转导是乙烯发生生理作用的关键步骤。经过对模式植物拟南芥以及一系列园艺作物的研究,发现乙烯信号转导是沿着ETR1→CTR1→EIN2→EIN3→EIL方向传导[5]。乙烯信号转导的初始成分是乙烯受体(ETR),能跟乙烯结合,自身结构发生变化后启动或抑制相关基因的表达,是乙烯生物合成和信号转导途径中一个关键因子,决定植物对乙烯的敏感性,控制着植物成熟和衰老的进程以及对乙烯的应答[6]。

不同衰老时期的组织对乙烯的敏感性不同,通常,花瓣对乙烯的敏感性随着花瓣的衰老而上升,较老的花瓣在低浓度乙烯下就开始衰老[7]。Woltering和VanDoorn[8]对23科93种花的花瓣衰老过程中乙烯的作用进行研究,发现以花瓣脱落为最初衰老表型的花大多对乙烯敏感,而除了石竹科(如康乃馨)、桔梗科、锦葵科和大多数兰科的花对乙烯高度敏感外,其他以花瓣萎蔫为最初衰老表型的花(如菊花和唐菖蒲等),其衰老与乙烯没有明显相关性。蔡蕾等[9]以14个生产用月季切花品种为试材,研究了乙烯对不同切花月季品种开花和衰老的影响。结果表明,在月季开花和衰老进程中不同乙烯变化类型的品种对乙烯的反应差别很大,同一类型中的不同品种对乙烯的反应也有很大差别,说明了这一问题的复杂性。

3.2 乙烯的作用机制

由于切花的种类、品种不同,遗传背景有较大差异,其作用机理也不尽相同。许多研究认为,花衰老时呼吸速率增强与乙烯生成量有关,减少内源乙烯生成量能推迟呼吸跃变的出现[10]。Reid认为,乙烯促使细胞膜组分及透性的改变,引起细胞内含物外渗,水分丢失,花瓣凋萎[11]。有研究结果表明,乙烯敏感型切花与跃变果实一样,花朵的开放和衰老是由产品身产生的乙烯所诱导[12],即当产品的微量乙烯生成量达到或超过阈值时,会诱导大量乙烯的生成,进而启动切花的呼吸跃变和整个成熟衰老过程[13]。乙烯非敏感型切花不具备这一特征,其衰老期仅有微量乙烯生成,而且未出现乙烯高峰[14],切花的成熟和衰老与乙烯之间的关系更为复杂。

张徽等提出乙烯释放能力与花的寿命有关,如蝴蝶兰等长寿花和玫瑰等中寿花,盛开时乙烯大量生成,而凋萎时均减少;蜀葵、黄花菜等短寿花则恰恰相反[15]。

郭维明等[14]初步证实,切花菊为ACC欠缺导致乙烯生成障碍的乙烯不敏感类型,但对高浓度乙烯也产生响应,菊花长期贮运应对外源乙烯源加于防范。杨秋生等研究认为,常温下百合切花内源乙烯释放量的变化与跃变型果实成熟过程类似;低温下内源乙烯释放量始终未出现明显的高峰,这说明乙烯不是衰老的启动因子,而只是在一定程度上加快衰老的进程[16]。近年来,大多数研究认为,乙烯仅有加速切花衰老的作用,而并非衰老的启动因素。内源乙烯释放能力的强弱与切花的自然寿命密切关系[15,17]。

4 切花衰老过程中乙烯的调控

乙烯对切花的伤害程度取决于大气中乙烯的浓度、暴露时间长短、温度、CO2浓度、切花的发育阶段、质量和不同季节等因素。可采取措施防止乙烯的污染,清除已经产生的乙烯和抑制切花产生乙烯,从而达到保鲜目的。

4.1 乙烯的清除剂

当产生乙烯后,一些物质能吸收乙烯气体从而降低环境中乙烯的浓度,但不能减少乙烯的产生。如高猛酸钾、降冰片二烯、活性碳、硅胶、浮石等[18]。

4.2 乙烯的合成抑制剂

乙烯合成抑制剂是利用乙烯生物合成过程S-腺苷蛋氨酸(SAM)→氨基环丙烷羧酸(ACC)→乙烯(Eth)中的两个关键步骤来抑制乙烯合成。通过合成抑制剂来降低ACC合成酶(ACS)和乙烯形成酶(EFE)的活性或含量来达到抑制乙烯生成的目的。ACS需要磷酸吡哆醛作为辅助因子,所以能被A0A(氧基乙基乙烯基甘氨酸)和AVG(氨基氧乙酸)等物质能抑制,极大地减少了观赏植物内源乙烯的释放。但乙烯合成抑制剂对外源乙烯的影响却无能为例,还需及时出去环境中的乙烯,所以其生产上的运用还存在一定的局限性,今年来AOA、AVG等乙烯合成抑制剂在观赏植物的研究和应用已较少。

4.3 乙烯的作用抑制剂及拮抗剂

乙烯作用抑制剂竞争植物体内的乙烯受体,可逆或不可逆地与受体结合,阻碍乙烯的正常结合,进而抑制其所诱导的生理生化过程[19]。目前,对乙烯受体抑制剂的研究进展较快。Ag+(AgNO3或STS)为早期发现的一种乙烯受体抑制剂,STS已在生产上获得了广泛应用,Ag+是重金属离子,会对环境产生强烈的污染,高浓度STS对机体具毒害作用[20]。DACP是不稳定气体,在高浓度下易爆炸,而其在黑暗条件下的作用不显著。2,5-NBN需持续处理才能抑制乙烯作用,气味难闻,且可能有致癌作用。1-MPC(1-甲基环丙烯)是近来发现的一种新型乙烯受体抑制剂,与传统的抑制剂相比,具有无毒无味、低量、高效等优点,不仅能强烈抑制内源乙烯的生理效应,还能抑制外源乙烯对内源乙烯产生的诱导作用并且效果持久。2003年在美国50个州获准应用与苹果的采后处理和储存。在世界上越来越多的国家里,1-MPC都被用来作为STS的替代品而大规模使用[21]。此外,NO、乙醇、CO2、PPOH、DPSS等物质也可能通过影响乙烯的生物合成或其他途径来阻碍乙烯的作用,作用机理有待进一步研究。

4.4 利用生物技术调控

利用反义基因技术可以降低 ACC合成酶与ACC氧化酶水平,丙延长康乃馨等切花的瓶插寿命;使ACC脱氨酶过表达或调节乙烯受体活性也可影响鲜花寿命。随着现代生物技术手段的发展,特别是反义RNA技术的介入,利用转基因技术可以培育出抑制乙烯合成的切花品种。从基因水平上阻断花的衰老,将从根本上解决切花保鲜的重大技术难题[22]。美国科学家已分离获得香石竹编码ACC合成酶和乙烯形成酶基因的互补DNA,利用反义RNA就能有效地阻碍内源乙烯的生物合成,从而抑制花瓣衰老[23]。

5 结语

近20年来,关于切花的采后生理生化研究与切花保鲜剂的配置取得了不少成果,因而在改善切花品质与寿命方面有了较大进展。但仍有不少问题有待进一步研究,如对乙烯不敏感的切花的衰老机理,乙烯的作用机理和高效、价廉、低污染的新型保鲜剂等。控制乙烯生物合成、乙烯敏感性及乙烯信号转导的原理和方法已在生化水平和分子水平上逐渐被阐明,随着乙烯生物合成与效应的生化调控和基因调控研究的进一步深入,必将为切花保鲜提供新的有效方法,并带来巨大的经济效益。

[1]田 煦.鲜切花衰老机理及保险技术研究进展[J].湖南农业大学学报,1995,21(4):414

[2]高 勇,吴绍锦.乙烯与切花的衰老及保鲜[J].植物生理学通讯,1988(4):5～10.

[3]Adam s Do,Yang S F.Ethylene biosynthesis:dentification of 1-amino cyclopropane-1 carboxylic acid as an intermendiate in the conversion of methionine to ethtlene[J].procnatlacad sci US A,1979(76):170～174.

[4]Wood son W R,Law ton K A,Gold sbrough P B.Ethylence regulated gene exp ression during carnation petal senescence[J].acta hort,1989(261):131～144.

[5]杨迎伍,李正国,张 利,等.乙烯信号的接受与转导[J].植物生理学通讯,2003,39(5):547～552.

[6]贾培义,李春娇,董 丽.乙烯抑制剂在采后观赏植物中的应用研究进展[J].园艺园林科学,2006,22(2):246～251.

[7]徐良雄,李 玲,彭永宏.乙烯在切花衰老中的作用[J].亚热带植物科学,2003,32(4):65～71.

[8]Woltering E J.Role of ethylene in senescence of petals[J].morhologicalan dtaxinomical relationships,1988(39):1605～1616.

[9]蔡 蕾,张晓红,沈红香,等.乙烯对不同切花月季品种开花和衰老的影响[J].园艺学报,2002,29(5):467～472.

[10]史国安,包满珠.植物切花乙烯至衰机理与化学调节[J].河南科技大学学报,2003,23(2):1～4.

[11]Reid M S.T he role of ethylene in flower senescence[J].acta hort,1989(261):157～169.

[12]Gao J,Kubo Y,Nakamu ra R.Induction of ethylene biosynthesis in banana fruit under different ripening conditions[J].hort sci,1990(59):665～671.

[13]Yang S F.Regulation of ethylenebiosy nth esis[J].hortsci,1980(15):238～243.

[14]郭维明,曹武清,陈发槺.乙烯对切花菊花衰老的调节[J].南京农业大学学报,1997,20(4):24～29.

[15]张 徽,张 慧,古祝平,等.几种切花衰老原因的研究[J].植物学报,1991,33(6):429～436.

[16]杨秋声,黄晓书,籍 越,等.不同温度贮藏对百合切花内源激素水平变化的影响[J].河南农业大学学报,1996,30(3):203～206.

[17]何生根.切花品质的生理生化基础[J].植物生理学通讯,1977,33(1):66～69.

[18]郑爱珍,胡金朝.乙烯与切花衰老及其调节机制[J].商丘师范学院学报,2004,20(2):137～139.

[19]夏晶晖,吴中军.乙烯影响切花衰老的机理及调控措施[J].绵阳经济技术高等专科学校学报,1998,15(2):22～24.

[20]Jiang Y M,Fu J R.Ethylene regulation of fruit ripening molecular aspects[J].plant grow reg ul,200(30):193～200.

[21]Cameron A C.Th e use of silver thiosulph ate anionic complex as a foliar spray to prevent flower abscission of Zygocactus[J].hort sci,1981(16):761～762.

[22]苏小军,蒋跃明.乙烯受体抑制剂在园艺作物上的应用研究[J].亚热带植物科学,2001,30(3):69～74.

[23]余义勋,张俊卫,孙振元,等.香石竹ACC氧化酶基因的克隆与植株表达载体构建[J].林业科学研究,2002,15(3):256～260.