活性氧调控果实发育成熟的研究进展

王震光，余义和，郭大龙

(河南科技大学 林学院，河南省园艺植物品质调控工程技术研究中心，河南 洛阳 471023)

为了保持正常的生长发育，植物体内的ROS清除机制通过调控ROS的产生与积累使其保持在一定范围内。研究表明，H2O2在植物细胞中起着双重作用：低浓度时作为信号分子能够正向调控万寿菊和甘薯不定根的生长[6-7]；高浓度时能够引起氧化胁迫，诱导细胞程序性死亡[8]。果实成熟是一个复杂的、高度协同的生长发育过程[9]，一系列生理生化过程发生了明显的变化，例如：果实香气产生、质地变化、颜色变化、糖代谢等[10]，这些在一定程度上影响着果实的品质。近年来，关于ROS在植物抗逆及植物生长发育过程中调节作用的研究已十分深入，但ROS调控果实发育成熟的相关机理尚不明了，本文对近年来ROS与果实生长发育、成熟之间关系的研究进展进行评述。

1 ROS调控果实发育成熟

H2O2作为ROS在过去的几十年中得到了广泛的关注[8]，其具有稳定的化学性质，在应激信号转导过程中起着主要的调节作用[11]。H2O2是通过超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、NADPH氧化酶(NADPH oxidase，NOX)、脂氧合酶(lipoxygenase，LOX)等在叶绿体和线粒体中经电子传递而产生[12]，是最稳定的ROS，在各种生理过程中作为一种与衰老相关的信号分子发挥着重要作用[13-14]。

H2O2也是一种强氧化剂，可以加剧局部氧化损伤，导致代谢功能紊乱并且破坏细胞的完整性[15]。低浓度的H2O2可以作为信号分子，在生物和非生物胁迫应答、激素应答、生长发育调控过程中起重要作用[16]。但是，当植物组织中的H2O2含量积累过多时会对生物大分子产生一定的伤害，对细胞具有毒害作用进而引起细胞死亡[17]。H2O2在桃果实发育中期起信号分子的作用，但在果实成熟后期导致脂质过氧化和氧化应激[18-19]。转色期是葡萄果实成熟的开始，Pilati等[20]指出葡萄在转色期表现出明显的氧化暴发现象，并且H2O2在这一时期快速积累，随着H2O2的积累明显观察到葡萄果皮颜色加深，果实变软。Pandey等[4]研究显示，木瓜果实在成熟过程中也表现出明显的氧化暴发现象，并且在木瓜果实成熟时H2O2含量增加的同时伴随着脂质过氧化作用。H2O2处理会降低采后龙眼果实的ROS清除能力，导致龙眼果实中ROS过量积累，促进膜脂过氧化和膜系统区室化功能的丧失，促进酚类物质和多酚氧化酶的接触，从而导致龙眼果皮褐变[21-22]。

2 ROS与激素共同协作调控果实发育成熟

ROS是植物激素信号网络的组成部分[1]，在植物应对外界胁迫反应中起着重要作用[31]。在植物生长发育过程中各种植物激素也都起着重要作用，许多成熟缺陷型突变体、外源激素施加后转录组分析证明，脱落酸(abscisic acid，ABA)和乙烯是与活性氧相互作用调控果实成熟的主要调节因子，而其他植物激素则起到协调、辅助作用[32-33]。

3 ROS与钙共同协作调控采后果实后熟

目前已有的研究仅仅从生理上探究ROS和钙离子共同协作调控采后果实过熟，但是ROS和钙离子怎样精细调控果实成熟的机理尚不清楚，还需要进一步研究。

4 ROS在果实中的代谢调控

牛磺酸处理能够诱导CuSOD、FeSOD、ZnSOD、POD和CAT基因的表达，清除ROS的积累，从而减轻细胞氧化损伤，延缓桃果实的衰老[73]。Kumar等[25]在对rin突变体和野生型番茄果实相比较时，发现在rin突变体中APX和SOD的转录水平存在差异；而APX和SOD参与ASA和GSH的再生，AsA和GSH在清除ROS的过程中起着重要作用；这表明调控ROS相关的基因在rin突变体和野生型中存在着差异表达。峰早是巨峰的早熟芽变[74]，通过分析峰早和巨峰2个品种的RNA-seq和qPCR，发现SOD基因在峰早中的表达明显低于巨峰[10]；峰早中SOD基因表达量低于巨峰，可能导致ROS在峰早中积累过多从而促进果实早熟。H2O2处理番茄幼苗结果发现，处理后ACO5、ACS6、PG均明显上调表达，这说明H2O2能够调控相关基因的表达从而促进果实的软化与成熟[25]。在大白菜和拟南芥中过量表达APX2和APX3基因能够有效地清除细胞内的H2O2，从而提高种子的发芽率[75]。CAT1和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase 6，GPX6)是缓解长期冷藏诱导桃果实氧化应激的2个关键基因，并且在桃果实成熟后期表达显著上调，增强了果实成熟后期的抗氧化胁迫能力[19]。

总之，ROS不仅能够直接参与调控果实成熟，还能够与激素、相关基因互作调控果实的成熟(图1)，同时还能与钙离子协同作用调控采后果实的后熟。

5 问题与展望

国内外学者对ROS参与调控植物生长发育已经进行了大量的研究，对其调控果实衰老成熟也有了初步的结果；但是仍有许多问题亟待进一步阐释。随着学者对ROS的深入研究，发现无论是呼吸跃变型果实还是非呼吸跃变型果实，ROS均能参与果实内部一系列重要的生理生化过程从而调控果实成熟，但是ROS参与调控果实成熟的机制目前尚不清楚。例如，ROS在调控呼吸跃变型和非呼吸跃变型果实衰老成熟之间有哪些差异？ROS在果实成熟过程中都参与了哪些生化反应，以及ROS在这些生化反应中是如何代谢的？ROS与基因之间是怎样相互作用共同调控果实衰老成熟？ROS和钙离子之间是怎么精细调控果实软化后熟？ROS与基因之间相互作用调控果实衰老成熟研究仍处于探索阶段。虽然ROS与部分基因或者基因家族在调控果实衰老成熟方面已经进行了初步探索，但是具体的信号通路和调控机制尚不明了，这些问题在今后的研究中亟待解决。

CAT1，过氧化氢酶；GPX6，谷胱甘肽过氧化物酶；ACO5，ACC氧化酶；ACS6，1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶；PG，多聚半乳糖醛酸酶。CAT1，Catalase 1;GPX6，Glutathione peroxidase 6;ACO5，ACC oxidase 5;ACS6，1-amino cyclopropane-1-carboxylic acid synthase;PG，Polygalacturonase.图1 ROS和激素、相关基因互作模式图Fig.1 Patterns of interaction of ROS，hormones and corresponding genes