能量状态在果蔬采后衰老中的作用及其调控研究进展

李美玲，林育钊，王 慧*，林毅雄，林河通*

（福建农林大学食品科学学院，农产品产后技术研究所，福建 福州 350002）

能量是生物体进行一切生命活动的基础，在维持细胞正常代谢、生物体生长、发育、成熟和抵御胁迫等过程中起着重要作用。在生物体中，能量主要以腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）的形式存储，ATP是细胞代谢活动的主要能量来源[1]。采后果蔬仍是有生命的有机体，仍然可以进行一系列的生理代谢活动。研究表明，组织能量亏缺是引起采后果蔬衰老的关键因素[2-5]。采后果蔬的衰老程度与ATP含量和能荷水平呈负相关[6-7]；而较高的ATP含量和能荷水平有利于采后果蔬在贮藏期间保持良好的品质并延缓采后果蔬衰老的发生[8-10]。因此，通过对采后果蔬能量状态的调控来延缓采后果蔬衰老已经成为近年来果蔬采后生物学和果蔬贮藏保鲜等研究领域的热点之一[4,9,11-13]。本文对能量状态与采后果蔬衰老的关系、采后果蔬能量状态的调控措施以及调控机制等方面进行综述，以期揭示采后衰老发生过程中果蔬能量亏缺与调控的机制，为延缓采后果蔬衰老和延长果蔬采后贮运保鲜期提供参考。

1 能量状态在果蔬采后衰老中的作用

能量状态在采后果蔬的衰老过程中发挥着重要作用[3-4]。近年的研究表明，采后果蔬衰老可能是由于组织能量亏缺所致[4,14-15]。当采后果蔬处于衰老状态时，ATP合成能力下降，细胞因能量供应不足而出现功能紊乱和代谢失调，导致细胞膜结构被破坏、膜系统功能丧失，从而造成不可逆的细胞损伤，进而加速采后果蔬的衰老进程[1,3,16]。研究发现，在葡萄果实采后自溶软化过程中，果实中的ATP含量和能荷水平呈下降趋势，且采后葡萄衰老自溶软化与果肉组织中的ATP含量和能荷水平呈负相关[17]。Saquet等[2]研究发现，在气调贮藏期间梨果实中的ATP含量显著下降，梨果核部位褐变的发生与过多的能量消耗有关。张群等[11-12,18]研究发现，葡萄果实中ATP含量和能荷水平随贮藏时间的延长而下降，葡萄内果皮的超微结构逐渐趋于被破坏；而热处理能够使葡萄内果皮组织维持较高的能量状态，保持致密的内果皮超微结构，延缓因细胞壁降解所致的葡萄果实衰老。氧化磷酸化解偶联剂2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol，DNP）处理可加速采后荔枝、龙眼果实ATP含量和能荷水平的下降，加速荔枝和龙眼果实采后衰老褐变[19-24]。可见，组织能量亏缺是导致采后果蔬衰老和品质劣变的重要因素。

1.1 果蔬采后呼吸代谢与能量状态的关系

采后果蔬细胞内的能量主要由呼吸代谢所产生。ATP主要通过有氧呼吸代谢中的糖酵解途径、三羧酸循环和氧化磷酸化而产生[25-26]。呼吸代谢是影响采后果蔬衰老的重要因素，呼吸代谢的增强可导致采后果蔬营养物质消耗增加，从而加速果蔬衰老和品质劣变。赵云峰等[27]研究发现，采后龙眼果实呼吸速率在贮藏后期随时间的延长呈上升趋势，而低温贮藏能够显著抑制采后龙眼果实呼吸速率，从而延缓采后龙眼果实的衰老。Ge Yonghong等[28]用外源磷酸三钠处理采后苹果，可有效抑制苹果呼吸强度，延缓苹果采后衰老。此外，壳聚糖涂膜可显著降低采后苹果、梨、草莓、樱桃、荔枝等果实呼吸速率，延缓采后果实衰老，延长其贮藏保鲜期[29]。可见，呼吸代谢对采后果蔬衰老的发生起重要作用，较强的呼吸代谢加速采后果蔬衰老。

采后果蔬呼吸代谢的强弱受组织能荷水平的影响。当能荷水平较低时，细胞内的ATP合成途径被激发，呼吸代谢增强，从而促进能量的产生以维持正常代谢；而当能荷水平较高时，ATP合成则会减少，呼吸代谢被抑制[30]。Lin Yixiong等[30]研究发现，H2O2处理导致采后‘福眼’龙眼果实能荷水平降低，显著提高果实的呼吸速率，加剧龙眼果皮褐变。6-苄基腺嘌呤处理可显著促进采后西兰花ATP含量的积累并延缓能荷水平的下降，降低呼吸强度，延缓西兰花褪绿黄化[31]。罗淑芬等[32]研究发现，6-苄基腺嘌呤处理可使莲子保持较高的能荷水平，抑制莲蓬的呼吸作用，从而有效延缓鲜莲蓬和莲子的品质下降和衰老。此外，研究表明，采后果蔬在衰老过程中因能荷水平的降低而导致细胞色素c氧化酶（cytochrome c oxidase，CCO）、抗坏血酸氧化酶（ascorbic acid oxidase，AAO）和多酚氧化酶等呼吸末端氧化酶的活性上升，呼吸速率增加，从而加速组织衰老[24,33]。Lin Yifen等[25]研究表明，没食子酸丙酯处理可使龙眼果实维持较高的ATP含量和能荷水平，抑制CCO和AAO活性，降低果实呼吸速率，延缓龙眼果实采后衰老。

因此，采后果蔬组织的能量状态对果蔬的呼吸代谢有着重要影响，当组织能量亏缺时，果蔬呼吸代谢增强，加速营养物质的消耗，进而促进果蔬采后衰老的发生。

1.2 活性氧积累与能量状态的关系

活性氧（reactive oxygen species，ROS）主要在线粒体内产生，是植物在有氧代谢过程中电子传递至氧分子时产生的活跃并具毒害作用的含氧物质的总称，包括过氧化氢（H2O2）、超氧阴离子自由基（O2－·）、羟自由基（·OH）等。ROS是造成植物氧化损伤的主要物质，细胞内ROS的大量积累导致生物膜脂、蛋白质、核酸及其他细胞组分的毒害损伤[34]。ROS的产生会干扰细胞的正常代谢，但植物细胞本身具有防御ROS积累的酶促和非酶促反应机制[35-37]。正常情况下，ROS的产生和清除处于动态平衡，对植物细胞不会产生伤害。当植物衰老或受外界胁迫时，能量物质被大量消耗，呼吸代谢产能速率降低，能量供应不足以供防御系统清除过多的ROS，细胞内的ROS大量积累，从而产生氧化损伤，促进膜脂氧化，破坏细胞膜完整性，导致细胞区室化消失和离子泄露，进而加速细胞衰老。

采后果蔬组织中ROS的积累与较低的能荷水平有关[22]。研究表明，采后莲雾果实中的H2O2含量与能荷呈负相关；而秋水仙碱处理能延缓采后贮藏后期莲雾果实能荷水平的下降，保持较高的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和过氧化物酶等ROS清除酶活性[38]。陈莲等[21]用DNP处理龙眼果实，加速龙眼果实ATP含量下降，提高O2－·产生速率，降低SOD、过氧化氢酶（catalase，CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）等ROS清除酶的活性，降低还原型谷胱甘肽和还原型抗坏血酸等内源抗氧化物质的含量，从而降低ROS清除能力，导致ROS积累，加速龙眼果实衰老。梁爽等[39]采用外源DNP处理草莓果实，发现其可抑制CAT和APX活性，促进H2O2和O2－·积累；而外源ATP处理则显著提高CAT和APX活性，降低H2O2和O2－·积累，进而延缓草莓果实的衰老。此外，水蜜桃果实组织中的ATP含量和能荷在贮藏期间呈下降趋势，SOD活性和CAT活性快速下降，H2O2和O2－·含量显著增加，且水蜜桃果实的能荷与H2O2和O2－·含量呈显著负相关；而采用N2结合自发气调复合处理可使水蜜桃果实保持较高的ATP含量和能荷水平，提高SOD和CAT活性，减少H2O2和O2－·的积累，延缓水蜜桃果实采后衰老[40]。

因此，采后果蔬中ROS的积累受组织能量状态的影响，能量亏缺可导致ROS清除酶活性和内源抗氧化物质含量下降，使组织中ROS的产生和清除失去平衡，导致ROS积累，进而对生物膜系统和生物大分子造成损伤，促进果蔬采后衰老。

1.3 细胞膜完整性与能量状态的关系

植物细胞存在区室化，而细胞膜和亚细胞膜对细胞区室化起重要作用，从而避免离子泄露和某些酶促反应的发生[41-44]。采后果蔬衰老的最初特征是细胞膜完整性的不可逆损伤，表现为细胞膜渗透性增加。脂质是细胞膜的重要组成部分，膜脂组分的变化可能导致生物物理或生化膜特性的改变、细胞区室化的消失和细胞膜透性的增加[16]。在采后果蔬衰老过程中，膜脂的降解和过氧化会破坏细胞膜系统的结构完整性，表现为不饱和脂肪酸相对含量降低、饱和脂肪酸相对含量增加、膜流动性降低和膜磷脂降解等[45-46]。Lin Yifen等[16]研究表明，采后龙眼果实细胞膜透性与脂肪酸不饱和度呈负相关。Zhang Shen等[46]发现，采后龙眼果实细胞膜透性与褐变指数呈正相关，且细胞膜脂的降解加速采后龙眼果实的褐变。没食子酸丙酯处理采后龙眼可保持较高水平的果皮不饱和脂肪酸，减缓膜脂过氧化，进而延缓果实衰老[47]。此外，较高的能荷水平有利于细胞膜脂的生物合成和细胞膜的损伤修复，减缓膜脂过氧化程度，抑制膜脂降解相关酶的活性，抑制细胞膜透性的增加，从而维持较好的细胞膜结构完整性[13,48]。因此，较高的能荷水平对于减缓膜脂过氧化程度、维持细胞膜结构的完整性具有重要作用。

当采后果蔬细胞内能荷水平较低或ATP合成速率低于一定阈值时，膜脂的生物合成和细胞膜的损伤修复受阻，细胞膜结构完整性被破坏、细胞区室化消失，并导致离子泄露，从而导致酶与底物接触进而发生酶促反应，如酚类物质与多酚氧化酶和过氧化物酶发生反应导致酶促褐变[7,23,49-50]。研究表明，在缺氧胁迫下，当马铃薯ATP的合成量低于阈值时，缺氧马铃薯细胞不能保持细胞膜的完整性[48]。采后龙眼果实果皮中的ATP含量随贮藏时间的延长呈下降趋势，且果皮的细胞膜透性与ATP含量呈负相关[6,16]。林毅雄等[23]发现，DNP处理能够加剧采后龙眼果实细胞能量亏缺，增加细胞膜透性，促进采后龙眼果实果皮褐变的发生。张群等[51]研究发现，采后葡萄果实的ATP含量与膜透性呈负相关，且通过对‘维多利亚’和‘红地球’两个品种的葡萄果实进行比较分析，发现较高的ATP水平可减轻膜脂过氧化程度，降低细胞膜透性，延缓果实品质劣变。Yi Chun等[13]报道，外源ATP处理能够使采后荔枝果实保持较高的ATP含量和能荷水平，降低膜脂过氧化、抑制磷脂酶D，酸性磷酸酶和脂肪氧合酶等膜脂降解相关酶的活性，保持较高的膜脂不饱和度和较完整的细胞膜结构，从而延缓荔枝果实的采后衰老。李辉等[52-53]发现，1-甲基环丙烯（1-methylcyclopropene，1-MCP）处理能够使‘油㮈’果实保持较高的ATP含量和能荷水平，有效降低‘油㮈’果实的细胞膜透性，延缓果实的后熟和衰老。因此，能量亏缺能够加剧果实细胞膜结构损伤，促进采后果实衰老和品质劣变，而较高的能荷水平能够使细胞保持较完整的细胞膜结构，从而有利于采后果蔬品质的保持。

可见，细胞膜结构的完整性与能量状态密切相关，能量亏缺可引起细胞膜脂降解、细胞膜完整性受损，细胞区室化消失，进而加速采后果蔬的衰老进程；而较高的能荷水平有利于保持较高的膜脂不饱和程度，维持细胞膜结构的完整性，从而维持正常的细胞生理代谢，延缓采后果蔬衰老。

2 采后果蔬能量状态的调控措施

采用适当外源处理可调控采后果蔬的能量状态，进而影响采后果蔬的衰老进程。研究发现，适当的外源处理能够使采后果蔬保持较高的能荷水平，有效抑制采后果蔬衰老。外源施加ATP可使采后龙眼果实保持较高的ATP含量和能荷水平，抑制果皮细胞膜透性的增加，保持较高的叶绿素、类胡萝卜素、花青素等色素物质和类黄酮含量，从而抑制龙眼果皮褐变，并有效抑制总可溶性固形物、总可溶性糖和VC含量的下降及可滴定酸含量的增加，保持较好的果实品质，延缓龙眼果实衰老[9,21]。高兆银等[20]发现，外源ATP处理延缓采后荔枝果实能荷水平下降，抑制荔枝果实失水和果皮细胞膜透性增加，进而延缓采后荔枝果实的衰老。董栓泉等[54]发现，蔗糖处理能够提高采后青花菜中的ATP含量和能荷水平，有效抑制青花菜的黄化。Liu Ting等[55]研究表明，短期厌氧处理可使采后荔枝果实保持较高的ATP含量和能荷水平，有效延缓荔枝果实采后褐变。Li Ling等[10]采用50%O2＋50% CO2处理可使花椰菜保持较高的ATP含量和能荷水平，从而延缓其衰老进程，延长其贮藏保鲜期。王金花等[40]发现，N2结合自发气调复合处理能够使水蜜桃果实维持较高的ATP含量和能荷水平，抑制水蜜桃果实软化，保持较高的可溶性固形物和VC含量，维持较好的营养品质，抑制水蜜桃果实后熟和衰老。采后枇杷果实经适当浓度的NO处理，可维持较高的能荷水平，抑制枇杷果实采后木质化的发生[56]。陈莲等[8]报道，采用1-MCP处理台湾青枣果实，能够使果实保持较高的ATP含量和能荷水平，抑制果实衰老腐烂。李辉等[52,57]发现，1-MCP处理可使‘油㮈’果实保持较高的ATP含量，抑制果实硬度下降，保持较高的果皮叶绿素含量和可滴定酸含量，进而延缓‘油㮈’果实果皮颜色转变，减少‘油㮈’果实的质量损失和衰老腐烂。秋水仙碱处理能够使采后莲雾果实保持较高的ATP含量和能荷水平，有效延缓其采后衰老[38]。钙联合壳聚糖涂膜处理可有效延缓采后葡萄果肉组织能荷水平的下降，保持较高的花色素苷、叶绿素、类黄酮、总酚和单宁含量，从而延缓葡萄果实衰老和品质劣变[58]。青花菜在采后贮藏期间易发生黄化，而褪黑素处理能够使其维持较高的能荷水平，延缓青花菜衰老黄化[59]。因此，通过适当的外源处理可使采后果蔬保持较高的能荷水平，利于采后果蔬保持较好的贮藏品质，有效延缓果蔬采后衰老。

3 采后果蔬能量状态调控机制

细胞内的能量状态与腺苷酸的合成、耗散、转运和感知等密切相关[4,14,60]。ATP合成酶是ATP合成的关键酶，由许多亚基组成，其中ATP合成酶β亚基（ATP synthaseβ，AtpB）参与催化ATP的合成和降解，是ATP合成酶催化结构域的关键组成部分，并且被认为是一种新的程序性细胞死亡蛋白，调节植物细胞死亡[61]。此外，植物中存在两种与能量相关的耗散蛋白，包括交替氧化酶（alternating oxidase，AOX）和线粒体内膜上的解偶联蛋白（uncoupling proteins，UCP）[62-63]。当植物组织受到胁迫时，AOX和UCP可调节植物细胞线粒体内的能量平衡，形成抗氧化系统，维持三羧酸循环的正常运行，减少ATP合成，释放热能，造成能量耗散[62,64]。ADP/ATP载体蛋白（ATP/ADP carrier，AAC）作为高等生物体中线粒体内膜上的腺苷核苷酸转运系统的核心蛋白，能够介导线粒体内高浓度的氧化磷酸化作用的产物——ATP向细胞质运输，同时将同等数量的ADP转运至线粒体[65]。蔗糖非酵解型蛋白激酶（sucrose non-fermenting-related protein kinase，SnRK）能够感知细胞内能荷水平并调节下游代谢途径，维持能量供需动态平衡[55,66-68]。

近年来研究表明，能量合成、耗散、转运及感知等相关基因参与调控采后果蔬组织的能量状态，对采后果蔬的生理品质以及采后衰老的发生有着重要影响[4,14,69-70]。Wang Hui[14]、Liu Ting[55]、Zhang Zhengke[71]等发现，荔枝果实在采后贮藏期间果皮组织中AOX基因的转录本丰度显著上调，交替氧化呼吸比例上升，果实能量耗散增加，从而导致荔枝果皮组织中ATP含量下降，最终加快荔枝果实采后衰老。高兆银等[69]报道，DNP处理可上调采后荔枝果实AOX基因的转录表达，促进能荷水平下降，导致荔枝果实衰老速度加快；而在贮藏后期SnRK基因表达上调，推测其可能参与对荔枝果实能量状态的调节；此外，在水浸泡胁迫条件下，荔枝LcAAC1基因的表达上调，这可能是对能量亏缺的应激反应。Zhang Zhengke等[71]研究发现，采用茶籽油处理可抑制荔枝果实AOX基因的表达，上调荔枝LcAAC1基因的表达，抑制ATP含量下降，从而延缓荔枝果实衰老褐变。Huang Zihui等[70]报道，N2处理可降低猕猴桃果实AOX和UCP基因的转录本丰度，使其保持较高的能荷水平，有效延缓采后猕猴桃果实的衰老；而O2处理可上调猕猴桃果实AOX和UCP基因的转录本丰度，加速能荷水平的下降，促进猕猴桃果实衰老；且SnRK1基因在贮藏过程中表达上调，有利于对采后猕猴桃果实能量状态的调节。此外，AtpB基因转录丰度的增加标志着果实衰老，而外源ATP、厌氧或纯氧、茶籽油和N2处理均可抑制采后荔枝和猕猴桃等果实中AtpB基因的表达，延缓果实衰老[14,55,70-71]。可见，AOX和UCP基因的表达上调可能导致贮藏后期采后果蔬组织能量耗散加剧，最终导致果蔬组织能荷水平下降；AAC基因可能参与对能量亏缺的应激反应，AAC基因表达上调有利于增加细胞的ATP供应；而SnRK基因在果蔬衰老过程中感知细胞的能荷水平下降，从而进行有利于提高细胞水平的代谢调节。

4 结 语

采后果蔬组织的能量状态对果蔬的呼吸代谢、ROS积累和细胞膜完整性等方面起着重要影响。组织能量亏缺导致采后果蔬呼吸代谢增强、ROS积累、膜脂降解、细胞膜不饱和度下降、细胞膜结构完整性受损、细胞区室化消失，从而导致采后果蔬衰老和品质劣变的发生。目前已有研究通过适当外源处理影响采后果蔬的能量状态，进而调控采后果蔬的衰老进程。然而，目前对于采后果蔬的能量调控机制尚不清楚。采后果蔬能量状态的调控涉及对细胞能量状态的感知以及能量的合成、耗散和转运等过程。研究表明，在果蔬采后衰老过程中，能量合成、耗散、转运和感知等相关基因参与调控果蔬的能量状态，然而，目前对于影响能量代谢相关基因表达的上游调控机制仍缺乏了解，对于诱发果蔬采后衰老的起始因子有待探究，参与能量合成、耗散、转运和感知等过程的关键基因的具体功能尚不清楚，对于能量亏缺的应激反应尚不明晰。因此，未来可从能量合成、耗散、转运和感知等相关基因的转录调控机制，及其在蛋白水平的表达与修饰、基因功能的验证、对能量亏缺的应激反应等方面进行进一步研究，探究能量亏缺诱发果蔬采后衰老的机制，并从能量调控角度进行果蔬保鲜新技术的研发。