能量亏缺对果蔬采后组织衰老、褐变与病害的影响

王 静

（1.陕西学前师范学院生命科学与食品工程学院，陕西 西安 710100；2.陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西 西安 710119）

能量是生物体生命活动的基础，三磷酸腺苷（ATP）是生物体内最重要的能量代谢库。近年来对采后果蔬衰老与能量代谢关系的研究发现，果蔬的能量状况影响组织代谢，能量较低可能引起采后果蔬的衰老和褐变。果蔬在采后衰老过程中常伴随着物质的转化、呼吸代谢途径和呼吸链组分的改变。在正常情况下，细胞能够合成足够的能量以维持果蔬正常的生命活动；但当采后果蔬衰老或遭受不良环境胁迫时，呼吸链遭到破坏、ATP合成能力下降，能量亏缺导致果蔬细胞代谢紊乱和功能丧失，最终导致果蔬细胞不可逆死亡[1]。病原菌侵染果蔬等植物组织时，应激反应会消耗大量的能量，当ATP合成不足时，能量亏缺会导致果蔬对病原菌的抗病性降低或丧失，细胞膜的修复能力下降，区室化分布的细胞结构被破坏，最终导致采后果蔬褐变和病害的发生。采后果蔬的能量代谢影响到细胞膜完整性、呼吸代谢途径以及氧自由基产生和清除的调控方式，在采后果蔬组织衰老、褐变及病害发生中起重要的作用。因此，维持果蔬细胞内ATP和能荷的水平可使组织维持正常生命活动，从而保持果蔬品质，延长采后贮运货架期。

1 能量亏缺在果蔬采后组织衰老过程中的作用

1.1 果蔬采后衰老过程中呼吸代谢异常与能量亏缺的关系

呼吸代谢是果蔬等植物组织产生能量的基本途径，植物呼吸代谢强弱受细胞中能荷状态的调控。采后果蔬果实由于离开母体，矿物质、水分及有机物的供给停止，导致光合作用趋于结束，但生命活动仍在进行。生物大分子的转换更新、细胞结构的维持和修复所需能量由果蔬采后的呼吸作用提供，而线粒体是果实进行呼吸作用和能量合成的场所[2]。在衰老及外界逆境胁迫下，线粒体功能紊乱引起细胞能量缺乏。而细胞内因能量生成速率下降或能量供给不足又会改变呼吸途径，从而导致呼吸强度和能量代谢水平发生变化。彭丽桃等[3]用呼吸解偶联剂（DNP）处理新鲜马蹄切片后认为，DNP增加呼吸电子流，显著提高了新鲜马蹄切片总呼吸速率，同时更显著提高了电子流分配到交替途径的比例。呼吸速率及抗氰交替途径的升高，其结果是细胞内水解过程加强和贮藏蛋白质的消耗增加，进一步加剧组织内能量亏损和衰老进程。同时，呼吸代谢途径中许多关键的调节酶受三磷酸腺苷、二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP）浓度的调节。当ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快；而当ATP/ADP比值升高时，氧化磷酸化速度减慢。陈梦茵等[4]研究认为，采后龙眼果实衰老过程中能量亏缺与细胞中吡啶核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP)、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）、含量发生变化有关，推断呼吸链的成员吡啶核苷酸参与了采后果蔬呼吸代谢能量产生过程，其含量的变化会导致采后果蔬呼吸途径发生变化。因此，果蔬能量的产生受自身呼吸代谢的影响，反过来其呼吸代谢也受自身细胞能量水平的调节。

1.2 果蔬采后衰老过程中活性氧代谢失调与细胞能量亏缺

线粒体是采后果蔬呼吸代谢、活性氧和能量产生的主要场所。正常情况下，果蔬体内的活性氧清除系统能够及时清除正常代谢产生的活性氧；而当果蔬遭受逆境胁迫或衰老时，果实需要消耗大量的能量以抵御不良环境胁迫，此时线粒体加速运转以产生足够的能量物质ATP，这一过程中呼吸代谢电子传递途径中的电子漏增加，导致大量产生，细胞内活性氧积累；而活性氧清除系统清除能力的降低致使采后果蔬体内活性氧不能及时清除，大量活性氧导致果蔬组织发生氧化损伤，线粒体功能性障碍，能量产生进程受阻，不能满足细胞正常生命活动的能量需求，进一步加剧采后果蔬的生理代谢失调[5]。前人的研究认为，ATP一方面在细胞内作为信号因子参与细胞对外界胁迫的信号传递，诱导植物体内抗氧化体系的活性间接参与体内活性氧的清除；另一方面，ATP可以直接参与体内活性氧的清除。Veltman等[6]研究发现，梨果实在采后贮藏期间，细胞线粒体中ATP生成减少，而自由基产生增加。Kumar等[7]在研究马铃薯块茎贮藏过程中发现，伴随着能量生成，由谷胱苷肽介导的自由基清除系统和质膜ATPase活性明显升高。重要的抗氧化物质谷胱甘肽(GSH）的合成必须消耗大量的ATP[8]。Saquet等[9]也发现ATP在抗氧化物质“抗坏血酸-谷胱甘肽”循环中自由基清除剂（如还原型抗坏血酸、谷胱甘肽和VE）的合成中起重要作用。Song等[10]研究认为ATP可能是活性氧信号的靶器官，对清除自由基起作用。

1.3 果蔬采后衰老过程中细胞膜系统的伤害与细胞能量亏缺

细胞膜是生物体的重要组成部分，果蔬衰老常常被认为与膜脂过氧化对生物膜造成伤害有关。膜完整性和细胞膜内外渗透压维持、膜上功能蛋白合成、跨膜K+和Na+的转运均需要能量。正常的果蔬细胞可合成足够的能量以维持细胞内膜代谢等的平衡；而当果蔬衰老或处于逆境胁迫环境下时，ATP合成能力下降，果蔬细胞代谢异常、功能紊乱，致使细胞膜区室化功能丧失，完整性遭到破坏，细胞内区室化分布的酶和底物不可控制的接触、作用，最终导致细胞死亡[11]。Yi等[12]用外源能量物质ATP处理采后鲜荔枝果实时发现，细胞膜系统的伤害可能与细胞内能量亏缺有关：当ATP合成速率低于一定阈值时，自由脂肪酸等膜脂水解产物含量显著增加。

1.3.1 果蔬组织衰老过程中细胞膜水解程度的加剧与能量亏缺

当果实衰老时，细胞组织出现能量亏损，组成细胞膜主要骨架的磷脂发生降解，细胞内游离脂肪酸含量上升，同时伴随着膜透性增大。前人的研究表明，磷脂酶D、脂氧合酶、磷脂酸磷酸酶、脂解酰基水解酶是破坏细胞膜磷脂双分子层，加速膜脂代谢的脂降解酶。其中磷脂酶D是植物衰老膜脂类代谢的关键酶，它在加速磷脂降解的第一步反应中起重要的调节作用[13]。近年来的研究同时指出，Ca2+是磷脂酶的重要调控因子，磷脂酶D可被Ca2+激活[14-15]。Ca2+在细胞质中的运出主要由Ca2+-ATPase和Ca2+/H+反向转运蛋白完成，同时需要消耗ATP提供能量或质子梯度驱动，当细胞内能量不足或Ca2+-ATPase活性受抑制时，Ca2+在细胞内的跨膜运输受阻[16-17]，这样细胞溶质中的Ca2+可能就激活了磷脂酶D，进而加速磷脂代谢[18]。

1.3.2 果蔬组织衰老过程中细胞内外渗透压的破坏与能量亏缺

能量亏缺可能加速细胞膜渗漏。离子的吸收和离子的保留都是依赖能量的过程，任何对能量产生的干扰都能成为渗漏和呼吸改变的原因。细胞膜内外离子的转运是由ATPase来完成的，ATPase活性的上升可能是维持细胞内的离子平衡和修复电化学梯度的重要生理响应，是修复膜完整性的结果。当细胞受外界环境胁迫或内部指令需调节渗透度维持细胞内外渗透势平衡时，必然需要膜ATPase的跨膜运输作用。ATPase变性失活，导致细胞膜内外渗透压平衡被破坏，加速细胞膜选择性和区室化功能的丧失，加剧细胞衰老死亡。简令成等[19]的观察指出，低温伤害后，质膜的主动运输功能降低可能是由于ATP酶的活性下降，细胞内能量水平降低，胞质中大量的Ca2+不能运转，细胞对物质的主动吸收和运输功能均降低，物质的运输和渗漏增加，细胞内外渗透平衡被破坏，导致植物细胞与周围环境的物质交换的平衡遭到破坏。

1.3.3 能量亏缺导致组成细胞膜的组分及其结构的改变，膜透性增大

前人研究还发现，能量对膜的作用可能与能量影响膜脂组分组成有关，能量亏缺可能导致组成细胞膜的组分及不饱和程度发生改变，从而引起细胞膜生物化学和生物物理性质的改变，使细胞膜结构完整性加速破坏，最终导致膜系统区室化功能丧失[20]。Saquet等[21]研究也表明，“Conference”梨在气调贮藏期间，随贮藏时间的延长组织能量代谢水平增加，多聚不饱和脂肪酸如油酸、亚油酸等含量明显上升。陈莲等[20]研究认为，DNP促进采后龙眼果实果皮褐变可能是与脂氧合酶（LOX）活性升高，加速了膜脂脂肪酸组分中的不饱和脂肪酸的降解，从而破坏膜系统完整性，最终导致区室化分布的多酚氧化酶（PPO）与酚类物质接触发生酶促褐变有关。

1.3.4 能量亏缺导致细胞膜修复功能的失调

Rawyler等[22]研究发现，当ATP合成速率低于一定阈值时，膜脂水解产物如自由脂肪酸、N-乙酰磷脂酰乙醇胺含量明显增加，推断ATP可能在果蔬衰老过程中的细胞膜系统损伤修复中起重要作用。

2 能量亏缺在果蔬采后组织褐变中的作用

褐变是果蔬采后贮藏期间品质劣变最为突出的问题之一，极大影响了果蔬的外观品质、商品价值和贮藏时间，给生产造成很大的经济损失[23]。采后果蔬组织酶促褐变的直接原因是多酚氧化酶和褐变底物在细胞中区室化分布结构破坏[24]。Su等[25]和Duan等[26]研究认为，果蔬褐变可能与能量代谢异常有关。Veltman 等[27]研究表明，“Conference”梨在贮藏过程中果实褐心病的发生部分原因是由组织能量亏缺引起的。Chen等[28]研究发现，0.8 mmol/L的ATP处理对龙眼果实采后生理和品质效果最佳，能有效降低龙眼果实果皮褐变指数，较好维持细胞膜中酚类物质、多酚氧化酶在细胞中的区室化分布，在控制龙眼果实果皮褐变的发生中起着重要的作用。

3 能量亏缺在果蔬采后组织病害发生中的作用

3.1 果蔬采后侵染性病害的发生与细胞能量亏缺

前人研究认为，果蔬采后病害的发生可能与能量亏缺有关。果蔬采后受病菌侵染之后，表现为呼吸速率增强，主要是呼吸末端氧化酶活性发生变化，能荷水平发生改变等生理生化反应[29-30]。当病原菌侵染果蔬组织时，果蔬组织产生和积累大量活性氧、植保素等物质对病原菌的侵染做出应激反应，同时通过加速线粒体的运转提供抵御病原菌侵染的ATP，以满足能量需求。当ATP合成低于一定阈值时果蔬组织能量亏缺，对病原菌的抵御能力降低和丧失，最终导致果蔬采后病害的发生。2,4-二硝基苯酚（DNP）是氧化磷酸化解耦联剂，能够通过破坏跨越线粒体内膜质子梯度的形成抑制ATP的合成。Yi等[31]研究报道，经荔枝霜疫霉菌接种的荔枝果实在感染初期能荷值差别较小；随着贮藏时间的延长，果实的氧化磷酸化解偶联，其果皮ATP含量下降，细胞受伤害，寄主抗病能力降低，果实病害指数和果皮褐变指数增加；外源DNP处理会引起荔枝霜疫霉菌接种荔枝果实果皮ATP含量的下降，促进病害的发生；而外源ATP处理则能有效延缓荔枝霜疫霉菌接种荔枝果实果皮ATP含量的下降和病害的发生。陈梦茵等[4,32]研究表明，能量亏缺在拟茎点霉侵染所致龙眼果实采后病害的发生中起重要作用。外源DNP处理加剧拟茎点霉侵染所致龙眼果实能量亏缺、增强呼吸末端氧化酶活性，削弱磷酸戊糖呼吸代谢途径，从而促进病害的发生；而ATP处理能够维持拟茎点霉侵染的龙眼果实细胞较高的能荷水平，降低呼吸末端氧化酶活性，增强磷酸戊糖呼吸代谢途径，从而延缓采后病害发生。

3.2 果蔬采后冷害的发生与细胞能量亏缺

低温贮藏可降低采后果蔬的呼吸作用，抑制微生物的生成，从而延缓采后果蔬品质劣变和组织衰老，是维持采后果蔬贮藏品质和货架期的一个非常有效的保持方法。但一些种植在热带、亚热带及温带中的果蔬对低温异常敏感，当贮藏于不适宜的低温时会引起代谢紊乱，加速品质下降和组织衰老[33]。采后果蔬冷害与能量代谢的关系研究目前主要集中于ATP代谢和线粒体结构方面。一方面，低温逆境胁迫时，线粒体结构受损，线粒体膜脂由液晶态向凝胶态转变，ATP产生受阻；另一方面，ATP代谢相关酶的活性受低温影响，导致细胞内能量亏缺，细胞代谢功能紊乱，结构被破坏，从而进一步加重冷害反应，出现各种冷害症状，加速果蔬衰老[34]。桃果实发生冷害时，ATP代谢相关酶（H+-ATPase、Ca2+-ATPase）、琥珀酸脱氢酶（SDH）和细胞色素氧化酶(CCO)等线粒体呼吸代谢酶活性下降，ATP、ADP含量降低，能荷水平下降，细胞膜结构被破坏，膜脂过氧化加剧，冷寒导致的褐变加重[11]。

4 不同贮藏方法对果蔬采后能量代谢的影响及其在延缓组织衰老、褐变和病害发生中的应用

果蔬采后贮藏期间细胞的能荷水平与果实衰老密切相关。延缓果实采后能荷水平的下降，稳定能量的生成速率是延缓果蔬采后衰老和品质劣变的一个重要途径。采后荔枝[12]、龙眼[4]果实经外源ATP处理能维持果皮组织内较高的ATP含量和能荷水平，抑制膜脂过氧化，从而较好地维持细胞膜系统的完整性，延缓果实衰老进程。李辉等[35]研究认为，1-MCP处理能较好延缓采后“油木奈”果实衰老，可能与1-MCP处理通过改变果实的呼吸途径从而改变呼吸强度和能量代谢水平，维持贮藏后期较高的ATP含量，保持较高的能荷值有关。陈莲等[36]研究推测，1-MCP处理可能通过烟酰胺腺嘌呤二核苷酸激酶（NADK）影响细胞内NAD(H)和NADP(H)的含量，从而影响导致磷酸戊糖途径和细胞中活性氧的产生和清除能力，改变呼吸强度和能量代谢水平，保持细胞膜的完整性，较好保持果实的贮藏品质和商品价值。王静[37]研究了活性氧清除剂外源抗坏血酸（AsA）处理对采后龙眼果实果皮褐变的影响及其与能量代谢的关系，研究结果表明，AsA处理使龙眼果皮保持了较高的能荷值和ATP含量，维持较高的呼吸链中活性氧清除能力，从而延缓了龙眼果实采后果皮褐变和果实衰老。枇杷果实经茉莉酸甲酯处理，在贮藏期间能维持较高的能荷水平和ATP含量，维持较高的能量水平抵御病菌侵染，从而减轻枇杷果实釆后炭疽病害的发生，延缓了果实衰老[38]。草酸处理显著提高低温胁迫下芒果果实ATP含量，延缓果实能荷的下降[39]。

5 展望

植物细胞中的活性氧主要通过呼吸链产生，采后果蔬在衰老或遭受逆境胁迫时，细胞能量产生速率降低或能量供给不足时，致使呼吸途径发生改变，呼吸链受损，大量活性氧生成，受大量活性氧攻击，细胞膜透性不断升高，由于能量亏缺采后果实膜系统自我修复能力降低，细胞膜的完整性逐步降低，最终导致细胞膜结构和靠它维持的区室化状况的破坏，最终导致果实品质劣变，衰老腐烂[36]。维持细胞内核苷酸和能荷水平，可有效推迟采后果蔬的贮运寿命。能量影响果蔬采后品质劣变和组织衰老是一个复杂的过程，目前对于部分果蔬采后能量代谢与果蔬衰老间的关系已有了较多的进展，但生理生化与分子机制还不十分明确，特别是呼吸途径和能量代谢的调控方式。深入揭示这些问题，以及如何调控能量代谢，使果蔬采后维持较高的能量状态，对果蔬保持良好的贮藏品质、延长贮藏时间，有着十分重要的意义[40]。