果实风味的代谢基础及其调控机制研究进展

陈华峰 唐玉情 潘亚婕 郭晓瑞*

（1. 东北林业大学化学化工与资源利用学院，哈尔滨 150040；2. 东北林业大学园林学院，哈尔滨 150040）

果实风味物质是果品的重要质量和调控因子之一，从广义上讲，风味物质包括味感物质和嗅感物质。两者区别在于味感物质主要为甜酸味，主要影响因子是糖和酸；嗅感物质是一种嗅觉基础上的感觉，主要影响因子为挥发性芳香物质。果实形成不同风味的原因主要是构成风味物质的不同，如草莓的品质由100 多种风味物质构成，但起主要作用的仅有几种［1］；葡萄的风味主要由C6 化合物、醇、萜醇、羰基化合物、酯、含氮化合物构成。果实风味物质的形成不仅受内在组成成分的合成代谢影响，还受到激素的调控催化。乙烯是研究最广、使用最多的一类激素信号分子，在调控风味物质有其独特的作用。目前针对果品风味物质研究的技术手段主要有基因组学、转录组学、代谢组学、蛋白组学等。研究的主要内容集中在不同种和品种的物质组成和含量差异方面，在其主要成分合成代谢和调控网络上仍缺乏较为系统的研究。

本文在近年来国内外果实风味物质研究的基础上，阐述了果实生长过程中主要风味物质的代谢调控机制，分析了外源乙烯与风味物质之间的调控机制以及对内源乙烯代谢障碍的调节作用和对果实风味物质“唤醒”的机理，以期为果实风味营养的提高和目的性的果品调控提供一定的理论参考。

1 果实风味形成的代谢基础及其代谢调控机制

果实风味的代谢物质基础分为芳香物质、呈味物质和质地三个方面，三者之间相互作用，共同影响着果实的品质，三者的基础代谢也贯穿果实的整个发育阶段。

1.1 芳香物质的代谢

芳香物质是人所能感觉到物质的外部特征，如香气、味道、口感等，在果实风味物质中起决定性作用。芳香物质具有较高的感官和生理价值［2］，是目前果品开发最具前景的调控方向之一。果实挥发性芳香物质的合成在果实发育阶段内不间断的进行，但主要在果实完熟阶段中，以促进植物抵御衰老所带来的生物和非生物胁迫［3～4］。果实挥发性芳香物质主要由萜烯、碳氢化合物、醛类、酯类、醇类、酮类和硫这几类化合物家族构成。大多数挥发性芳香物质的合成前体均来自于一系列非挥发性的物质，如氨基酸、脂肪酸、碳水化合物和类胡萝卜素等。由于合成前体物质的不同，芳香物质的代谢途径也就不同，主要可分为以下5 种，具体见表1。

表1 不同芳香物质代谢合成途径Table 1 Metabolic and synthetic pathways of different aromatic substances

其次，不同种和品种果实的芳香物质在成分组成和含量上存在一定的差异，据前人研究可知，芳香成分并非都对植物特征风味的形成起决定性作用，只有部分成分或某一化合物才是关键物质，而这类化合物被称为特征效应化合物。故在对果实风味物质的目的性调控中主要是需要找到影响果品的特征效应化合物，以便准确、快速实现果品调控。

1.2 呈味物质的代谢

植物的呈味物质是影响果品的重要质量因子之一，不仅包含具有挥发性的芳香物质，还包含一些非挥发性物质如可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物等。果实成熟后，呈现不同口感的呈味物质主要有糖类和有机酸两大类，两者区别具体见表2。糖类是果实呈现甜味的主要原因［5］，常见的糖类有果糖、葡萄糖、蔗糖等。糖类物质的积累不仅可以提升果实的品质，也为果实其他新陈代谢提供了代谢底物，具有非常重要的生态和生理学意义。其次，有机酸对植物口感的形成也具有重要影响，据报道，果实中有机酸种类很多，但大多数还是以1～2 种有机酸为主，而且成熟果实中有机酸含量的调节也是果实液泡贮存［6］和转移［7］代谢平衡的表现。可见，果实口感的不同主要是由于不同种和品种果实含糖量、含糖种类、比例以及有机酸组分、含量的千差万别造成的。

表2 糖类和有机酸比较Table 2 Comparison of sugars and organic acids

1.3 质地

果实质地包括果实的组织结构、细胞壁状况、含水量、汁液量等方面，也是判断果实品质的重要方面。如质地较软的番茄果实可能比较硬的果实更清脆，因为较硬果实的皮层细胞排列较为紧密，果皮较厚，导致果实脆性下降。除此之外，纤维、果胶含量的高低也会影响果实的脆性，一般纤维含量高则果实脆性下降，果胶含量高则果实脆性提高。刘春香［8］对黄瓜质地品质的研究也证明，果实质地与其解剖结构、纤维素和果胶含量密切相关。

2 风味物质代谢对乙烯信号的响应机制

2.1 乙烯对果实中香气物质组成和含量的影响

乙烯（C2H4）是最为简单的气态成熟衰老激素［9］。研究发现乙烯对呼吸跃变果实的叶绿素分解、糖分、芳香物质和有机酸的积累转化以及果实组织软化等方面均有重要作用［10～11］。如在Balbontin［12］等研究中发现，果实独特风味形成过程中乙烯与酯类物质的合成呈正相关关系，即乙烯合成能力下降时也会导致酯类物质的合成下降。甜瓜果实的研究中也发现，甜瓜果实中约有240种香气物质，其中一半为酯类，剩余大部分为含硫化合物以及醇和醛，而这些物质与乙烯合成都有密切关系［13～15］。研究也证实［16］，外源乙烯能增加跃变型果实如木瓜、甜瓜和苹果等特征芳香物质的积累。但也有研究表明，外施乙烯不能消除1-MCP 抑制杏、香 蕉 等 果 实 芳 香 物 质 含 量［12，17～18］的 表 达。Ayub［19］和Dandekar［20］等在转基因植株果实中也发现乙烯合成受到抑制时芳香物质的合成也随之下降；Bauchot［21］进一步证实了乙烯合成受阻时，芳香物质总量会低于正常植株的60%～85%。可见，乙烯对不同种甚至同种果实芳香物质的调控作用各不相同。

2.2 乙烯对果实中芳香物质合成途径的影响

呼吸是植物基本的生理代谢过程之一，植物在呼吸过程中主要以脂肪酸和氨基酸代谢为主，可为芳香物质的合成提供能量和物质保证，而乙烯和植物呼吸息息相关，故可以通过调节植物脂肪酸和氨基酸代谢来调控芳香物质的合成［22］。脂肪酸代谢主要产生直链类化合物成分而氨基酸代谢主要产生支链类化合物成分，两者受乙烯调控的程度不一，直链类受影响较大而支链类影响较小［23］。如1-MCP 处理后，梨果实中脂肪酸代谢随着乙烯含量的下降受到了明显的抑制［22］。Schaffer等［24］在基因组学研究中也证明，乙烯调控芳香物质合成途径只在关键酶的第一步或最后一步的特定环节中进行，故找到芳香物质初始和最后的酶是进行乙烯调控的关键点。在黄金梨的研究中发现，经1-MCP处理后，脂肪酸代谢关键酶为LOX、HPL、ADH和AAT，通过调控这些酶活性可以控制酯类物质的合成，从而调控果品。在魏邵冲［25］、魏建梅［26］和Ortiz［27］等的研究中也发现经乙烯调控关键酶LOX后，果实芳香物质合成受到明显的增强和降低。

乙烯调控酶活性主要可以通过调控果实中LOX基因家族如TomloxA、TomloxB、TomloxC、TomloxD 和TomloxE 等。其 中TomloxA、TomloxB 和TomloxC 编码参与果实芳香物质的合成［28］，在转录水平上受乙烯调控较大［29］。据Freire［30］研究表明，乙烯可能在翻译阶段进行LOX 活性的调控。除了LOX 酶受乙烯调控，AAT 活性也受乙烯影响，据Ortiz［27］和Li［17］对苹果和甜瓜的调控研究中发现，调控果实中AAT 的活性也可促进芳香物质的合成。除了调控酶的活性，从甜瓜中也分离出2 种ADH 基因即Cm-ADH1和Cm-ADH2。ADH 指乙醇脱氢酶，影响果实的直链代谢，乙烯通过调控Cm-AAT 1 和Cm-AAT2 基因的表达可影响果实中酯类物质的合成，从而影响果实的风味物质。

3 转录组学和代谢组学在风味物质调控研究方面的进展

转录组学是指特定组织或细胞在某一发育阶段或功能状态下转录出来的所有编码RNA（mRNA）和非编码RNA（ncRNA）的总和［31～33］，是后基因组时代各种组学中应用最为广泛的技术［34］。代谢组学以细胞在特定条件下所有小分子代谢物为研究对象，定性并定量描述代谢物及其对内因和外因变化的应答规律。代谢组学和转录组学的持续发展为果实风味物质的研究提供了可靠的技术支持。

果实是人类最重要的营养来源之一，果实风味在遗传学、生物学上都表现出一定的特异性。目前针对果实风味的组学研究也在逐年增多，据乔鑫研究报道可知，已有10 种以上果实的全基因组测序有了显著的进展［35］，进一步加深了人们对果实风味调控表现出的器官特异性、发育特异性以及环境因子特异性等分子和代谢机理的认识。

3.1 果实不同器官组织风味物质的转录代谢调控机理

通过对果实风味物质的转录组学和代谢组学研究发现，果实风味调控具有器官差异性。如油棕果皮和种子中均含有风味物质，但果皮中以棕榈酸、油酸等物质为主，胚乳中则以月桂酸等物质为主，而胚却以亚油酸等物质为主。据Dussert等［36］对果皮、胚乳及胚的转录组学研究可知，WRINKLED1（WRI1）转录因子在植物种子脂肪合成途径中扮演关键作用，可见果实脂肪酸合成基因的转录水平和油含量密切相关。除了脂肪酸，糖类和有机酸也具有明显的差异，如丁毓端［37］针对柑橘果实不同组织差异水平的转录组和代谢组分析发现，糖类代谢在果肉中更活跃，有机酸则在果皮中更活跃且在整个代谢网络中有更强的影响力。Monselise 等［38］研究也表明，葡萄柚果皮中以苹果酸等物质为主，在果汁中则以柠檬酸等物质为主。林琼［39］等也发现柑橘果实柠檬酸含量在不同品种、不同发育阶段以及不同组织部位和储藏过程中有较大的差异变化。

3.2 果实不同发育阶段风味物质的转录代谢调控机理

果实成熟是一个生理生化的过程，在这个过程内，可以通过调控果实的品质性状如硬度、味道、气味、颜色等内在基因的表达，使其发生渐次变化，达到调控的目的。据Asif 等［40］对不同时期香蕉果实转录组和GO 分析可知，成熟过程中关于乙烯和挥发性芳香物质合成的基因出现了明显的过表达，故可以通过调控相关基因实现果品的提高。其次，果实发育在同一生长时期和不同时期内风味物质均有特异性的变化，如在Bain［41］对柑橘果实的研究中发现主要的风味物质柠檬酸在不同的生长期内出现显著变化，如前期含量较低，快速生长期内迅速上升，在快速生长后期和成熟期逐渐下降。Albertini 等［42］研究发现柑橘果实发育早期风味物质主要以奎尼酸为主，发育后期则以柠檬酸为主。

果实风味物质的代谢是一个动态的过程，除会引发自身风味物质的代谢变化也会涉及到其他因子如色素积累、物质转运、光合变化、细胞壁解体、蛋白质代谢、糖代谢等方面。如在Freima［43］对无花果转录组分析中发现，不同发育阶段果实风味物质参与光合作用、花青素合成、细胞壁代谢、细胞膨胀等过程的基因表达具有差异性。而且据Kyung等［44］对树莓的转录组分析也可知，在果实成熟阶段中，影响其色泽的花色苷基因如f39h1、dfr4和ldox1 明显上调，从而引发果皮表观发生颜色变化。吕晓苏［45］通过对5 个不同发育时期的草莓果实进行代谢组学分析后发现，不同发育时期果实内的磷酸化蛋白也有所差异，有趣的是，这些磷酸化蛋白多数集中在植物信号转导途径和糖代谢途径中。另外核磁共振技术可以定性分析西红柿中的特异性糖类、黄酮苷、氨基酸和有机酸化合物，这些物质与西红柿的口味、香味、成熟阶段中颜色变化密切相关［46］。

3.3 果实响应逆境的分子机制

逆境是指对植物生长发育和生存不利的各种环境因素的总和，又称为胁迫［47］。果实长期处于逆境中，会降低果实的产量，造成较大的损失，了解果实抗逆的分子机理，对抗性品种的培育和管护具有重要的意义。在对果实胁迫的相关研究中发现，果树除了会受到遗传与发育的调控外，还会受到环境中生物或非生物胁迫的影响，如ABA 就可参与与果实成熟相关的花青素合成的调控［48～49］。据Jia 对草莓的研究中发现，沉默ABA 合成途径中关键酶基因FaNCED1 会减低ABA 的含量和花青素的含量，从而影响果实风味。Rudell研究也表明果实成熟阶段中乙烯合成也会影响苹果和葡萄花青素的合成［50］。其次，季节也会显著影响果品的组成，如在Masetti［51］的研究中发现，不同季节内樱桃的酯类化合物组成各不相同，对Naomi 品种影响最大的是α-生育酚和不饱和脂含量，对Shiren 品种影响最大的则是叶绿素和磷脂含量。

4 展望

通过对果实风味品质调控机理的研究可知，目前对果实风味物质的调控多是通过栽培条件的改善和育种改良基因两个途径来进行。果树新品种培育需要对果实特异性关键风味物质的基因进行分离、克隆和转化。随着转录组学、代谢组学以及全基因组学的全面发展，为果实调控开辟了不同的技术通道，极大地促进了果实从更深层次的基因层面去调控，但不同种和品种的果实其关键风味物质在不同器官和不同发育阶段中均存在较大的差异性，如何快速找到果实关键的风味物质仍需要进一步的深入研究。其次，尽管基因型是树种和品种风味物质组分和含量的决定性因素，但植物生长具有固着性，外界环境对植物生长调节具有重要影响，如果实中有机酸的积累尤其受生态因素温度和果实成熟度的影响，因此，提高和改善植物生长的外界条件也是调控果品的重要举措之一。综上，果实特异性挥发性物质成分的代谢工程是果实品质调控的常用手段。果品调控需要在以下三个方面重点加强：①风味物质在不同器官、不同发育阶段内的代谢变化的研究，挖掘关键特征效应化合物，构建代谢网络；②运用全基因组学、蛋白组学和转录组学深层次挖掘果实风味物质的基因基础，为基因调控提供靶向；③全面分析植物生长与外界环境之间的联动关系，如外源激素、温度、光照等因子，为果品的调控提供高效方法。