二氧化硫保鲜剂对玫瑰香葡萄糖代谢的影响

闫冬梅,仪慧兰

(山西大学 生命科学学院,山西 太原 030006)

0 引言

葡萄(Vitisvinifera)果实可鲜食,因汁多味美而广受消费者喜爱,具有极高的经济价值和营养价值。但葡萄成熟多集中在7-9月份,限制了果实的销售,因此采后保鲜对鲜食葡萄产业非常重要。目前,商业上应用最广泛且最有效的葡萄保鲜剂是SO2类保鲜剂,SO2能够抑制葡萄致病菌的生长,有效提高果实的抗病防御能力,延缓果实衰老[1-3]。

葡萄果实糖含量较高,一般15%～25%。糖类物质的组成和含量是决定果实品质的重要因素,与总糖、总酸、总酚、维生素C、单宁以及呼吸速率等评价果实品质的指标密切相关[4-6]。而果实糖含量的变化受蔗糖代谢相关酶的调控,包括转化酶(invertase,Ivr)、蔗糖合成酶(sucrose synthase,SS)和蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase,SPS)。Ivr因pH的不同又分为酸性转化酶(acid invertase,AI)和中性转化酶(neutral invertase,NI),能够不可逆地将蔗糖分解为葡萄糖和果糖。SS既能催化葡萄糖和果糖合成蔗糖,也能使反应反向进行,根据催化方向的不同可分为蔗糖合成酶分解方向(SSⅠ)和蔗糖合成酶合成方向(SSⅡ),在果实采后SS主要用于分解蔗糖[7]。SPS主要是催化葡萄糖和果糖合成蔗糖。葡萄果实中糖分的积累主要发生在转色期[8],先在叶片中合成有机物,再以蔗糖的形式运输到果实中,随后在分解类酶的作用下蔗糖分解成葡萄糖和果糖，并在果实中大量积累。果实采后无法通过光合作用继续合成蔗糖,但仍会进行一系列的生命活动消耗糖类物质,导致贮藏期间果实中的糖组分和含量变化。因此在采后维持果实中糖组成和含量的稳态,可能与维持果实品质有一定的关系。

关于葡萄果实糖代谢及相关酶的研究多集中在果实生长发育期间[8-10],葡萄采后糖代谢的研究鲜有报道[11]，而葡萄采后糖稳态关系到果实品质和商品价值。因此,本研究以玫瑰香葡萄果实为材料,分析了SO2保鲜期间果实主要糖分含量及代谢调控作用,探讨SO2对葡萄果实的保鲜机制,以期为葡萄的采后保鲜提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料分组与处理

选本地产玫瑰香葡萄(Muscat Hamburg),从葡萄园采摘商业成熟且色度一致的葡萄果穗,立即运至实验室,剔除损伤果粒,按5 kg一箱分装。预冷24 h后,SO2处理组每箱放入1/4张速释保鲜纸(含Na2S2O5约1.2 g)+6包控释保鲜片(含Na2S2O5约5.1 g),扎紧塑料袋口,置于0±1℃冰箱贮藏;对照组不加SO2制剂,其他条件相同。每隔20 d检测果实品质,并选对照组和SO2组完好果粒各10粒,取果肉测定相关参数,每个处理至少设3个重复,测定周期为60 d。

1.2 好果率的统计

采用称重法测定葡萄果实的好果率:

(1)

1.3 果肉自溶评价

参照赵云峰等[12]的方法,将果实自溶程度分为5个等级。

果实自溶指数=Σ(果实自溶级数×该级果数)/总果数。

(2)

1.4 果实硬度测定

用质构仪测定葡萄果实硬度。选用P/2型(φ=2 mm)不锈钢探头,测定速度为3.0 mm/s,穿刺距离为4 mm,第一个峰高即为最大力,用以表示硬度值。各组每次至少测定15粒果实,每颗果实测量3个不同部位,取平均值。

1.5 糖含量测定

蔗糖、果糖和葡萄糖含量测定参照张友杰[13]的方法,稍做改进;可溶性糖含量的测定参照《植物生理学实验指导》[14]。

1.6 蔗糖代谢酶活性测定

酶液制备及AI、NI和SSⅠ活性测定参照Nielsen等[15]的方法,以葡萄糖的生成量表示酶活性,单位为μmol·h-1·g-1FW。

1.7 RNA提取及高通量测序

取贮藏60 d的对照组和SO2组葡萄果皮,采用改良CTAB法提取总RNA。送至华大基因完成文库制备并测序。测序结果与葡萄参考基因组(https:∥www. ncbi. nlm. nih. Gov/genome/? term=Vitis+vinifera)比对,对基因功能进行注释,并以“log2(两样品中基因表达量的比值)”表示该基因在SO2处理组中的变化。

1.8 数据分析

采用SPSS 17.0进行数据处理分析,用邓肯氏多重比较方法进行不同处理组之间的差异显著性检验。图中用不同字母(a、b、c)代表差异显著(P<0.05),相同字母表示差异不显著。

2 结果与分析

2.1 SO2对葡萄果实品质的影响

贮藏20 d内果实品质较好,对照组和SO2组好果率均在95%以上,果实硬度均大于3 N。随着贮藏时间的延长,对照组好果率急剧下降,果实发生自溶软化,硬度降低;SO2组的好果率维持在较高水平,果实自溶指数显著低于同期对照组,硬度也显著大于同期对照组(图1)。结果表明,SO2处理可以有效降低果实脱粒和腐烂的发生,缓解果实自溶现象,维持果实硬度,从而延长果实保质期。

图1 贮藏期间葡萄果实品质的变化

2.2 SO2对葡萄果实蔗糖、果糖、葡萄糖和可溶性糖含量的影响

糖类物质是葡萄果实的主要成分,与果实品质直接相关。贮藏期间SO2组果实的糖含量整体高于对照组。在60 d贮藏期内,对照组葡萄果实的蔗糖、葡萄糖以及可溶性糖含量均呈下降趋势,果糖含量无显著变化(P>0.05)(图2);SO2组蔗糖含量与对照组无显著差异,但葡萄糖、果糖和可溶性糖含量在贮藏后期均显著高于对照组(P<0.05)。以上结果表明,SO2可维持采后葡萄果实中蔗糖、果糖、葡萄糖、可溶性糖等主要糖分含量相对稳定,从而使葡萄保持较好的口感。

2.3 SO2对葡萄果实蔗糖分解酶活性的影响

贮藏期间,对照组果实AI、NI和SSⅠ的活性均高于SO2组(图3)。其中,AI活性随着贮藏时间的延长而增强,但对照组与SO2组间无显著差异(P>0.05);NI和SSⅠ的活性呈先降后升的趋势,20 d时达到最低值,且SO2组NI和SSⅠ的活性在20 d和60 d时显著低于对照组(P>0.05)。结果表明,SO2可以有效地抑制果实中蔗糖分解类酶的活性,从而抑制蔗糖的降解和糖类物质的代谢,对保持果实糖分稳定起到积极作用。

2.4 SO2对葡萄果实蔗糖代谢相关基因转录的影响

贮藏60 d时，葡萄果皮中检测到12个与蔗糖代谢相关的基因,其中有3个基因在SO2组上调表达,9个下调表达(表1)。注释为转化酶的基因3个上调,6个下调,且基因LOC104882598下调倍数最大;注释为蔗糖合成酶的3个基因均下调表达。结果表明,SO2处理使葡萄果实中编码转化酶和蔗糖合成酶的基因大部分下调表达,能够从转录水平调控葡萄果实的糖代谢。

图2 贮藏期间葡萄果实糖含量的变化

图3 贮藏期间葡萄果实蔗糖分解类酶活性的变化

表1 SO2对葡萄果皮中蔗糖代谢相关基因转录的影响

3 讨论

葡萄果实中主要的糖类包括蔗糖、果糖和葡萄糖等,玫瑰香葡萄果实中蔗糖含量最低,果糖含量略高于葡萄糖[16],这些糖类物质的含量高低影响着果实采后品质。本实验通过测定贮藏期间玫瑰香葡萄果实主要糖分含量及相关代谢酶活性,表明SO2处理可以有效保持贮藏期间葡萄果实糖分稳定,发挥采后保鲜作用。

本研究发现,SO2能够提高贮藏期间玫瑰香葡萄的好果率和硬度,降低果实自溶指数,延长贮藏期,贮藏期间SO2组果实的糖含量整体高于对照组。SO2处理组蔗糖分解类酶活性降低,使蔗糖含量略高于处理组。葡萄糖和果糖等单糖可作为细胞呼吸作用的底物,而SO2能够有效降低葡萄果实的呼吸速率[17],减少对底物的消耗,从而导致果实的糖分含量高于对照组。同时,在贮藏后期(60 d),SO2处理组的葡萄糖、果糖和可溶性糖含量显著高于对照组,这与贮藏期间果实的好果率相一致,说明上述糖类是能够直接表征葡萄品质的指标,这为评价葡萄采后生理提供了新的思路。

AI、NI和SSⅠ都是蔗糖分解类酶,能够将蔗糖分解成果糖和葡萄糖,在葡萄采后共同作用以维持糖代谢的平衡。0～60 d贮藏期间,对照组和SO2组葡萄果实的AI活性无显著差异,而NI和SSⅠ活性出现显著差异,其原因可能是SO2进入植物细胞后快速溶于细胞质水相中产生亚硫酸根和亚硫酸氢根离子,之后亚硫酸根可进入叶绿体参与硫同化,或氧化为硫酸根离子贮藏到液泡中[18],因NI和SSⅠ位于细胞质中可能受其中的亚硫酸根离子直接作用,AI位于液泡中受影响较小[19-21]。贮藏20 d时葡萄果实的NI和SSⅠ活性较低、AI活性较高,可能与不同酶对贮藏环境的敏感度不同有关,此时蔗糖分解可能主要依赖AI活性。贮藏40 d时，NI、SSⅠ、AI的活性较高,促使蔗糖分解加速、含量下降,而产生的葡萄糖和果糖会在同期消耗,最终在贮藏60 d时,蔗糖及葡萄糖的含量下降,果糖维持相对稳定。与对照组相比,SO2组酶活性较低,导致糖含量相对较高。

葡萄果皮转录组测序的结果表明,SO2能够从转录水平调控蔗糖代谢,使相关基因下调表达，这与我们检测到的果皮组织中糖代谢酶活性变化(结果待发)趋势一致,也与葡萄果肉组织中糖代谢酶的活性变化相一致。而关于糖代谢基因的表达是否存在果肉和果皮间的差异,目前尚不清楚。总之,SO2处理抑制了葡萄果实中糖分解相关酶的活性,可使玫瑰香葡萄果实中糖代谢变缓,从而维持一定程度的糖稳态。