果实蜡质的研究进展

司雅静刘娇娇王爱德袁 晖

(沈阳农业大学园艺学院/辽宁省果品采后生物学重点实验室,辽宁 沈阳 110161)

植物蜡质是覆盖在表皮细胞外由脂类物质构成的疏水层,其易溶于有机溶剂,许多植物的叶、茎、花、果实等器官和组织表面均有蜡质覆盖[1]。果实蜡质的含量及组成在不同种类果实中表现不同,目前研究者们已经克隆出了一些蜡质合成相关基因,并且发现许多转录因子参与了蜡质合成中的转录调控。果实蜡质作为最外侧的“防护层”,可以减少果实水分流失,抑制果实软化,阻止微生物侵染,控制活性氧产生等。近年来,许多研究者们围绕果实蜡质含量与作用之间展开了研究,并且证实了果实蜡质对贮藏品质的影响。

1 果实蜡质成分与结构

1.1 果实蜡质成分

果实蜡质多呈灰白色覆盖在果实表面,成分较为复杂,是众多有机物混合而成的物质,主要为脂肪族化合物、环状化合物以及甾醇类化合物,脂肪族化合物包括长链脂肪酸,以及衍生而来的烷烃、醇、醛、酮、酯等[2～5]。不同作物的果实蜡质成分存在很大的差异,利用气相色谱—质谱联用(GC-MS)技术,发现苹果表皮蜡质主要是由碳原子数目超过 18 的超长链的脂肪族化合物组成,包括烷烃、初级醇、次级醇、醛类、酮类和酯类以及萜类化合物;梨表皮蜡质的主要成分是脂肪酸和烷烃;柑橘果皮表层蜡质主要由烷烃、醛、初级醇、脂肪酸和萜类物质组成;设施番茄果实表皮蜡质组分主要有脂肪酸、脂肪醛、烷烃等[6～11]。柴亦丰通过对比‘金冠’等10个苹果品种发现,与新鲜水果相比,贮藏后苹果的表皮蜡质总量显著降低,不同品种下降的百分比从17.4%到61.6%不等,各组分所占比例及含量也发生了变化,烷烃类物质和醇类物质含量下降,脂肪酸、醛类以及萜类物质增加[12]。

1.2 果实蜡质结构

蜡质分为由蜡质晶体构成的外蜡和由表皮蜡膜覆盖、镶嵌在外部角质层的无定形内蜡[13]。我们用肉眼可以观察到苹果、黄瓜、蓝莓等果实的外表面覆盖着白色蜡霜,研究者们通过扫描电子显微镜,将蜡质晶体结构分为片状、膜状、颗粒状、杆状等多种类型[14～15]。不同品种的果实蜡质结构会存在不同,李宏建等研究发现,在18个不同苹果品种中,富士、国光等较耐贮藏品种的角质层和蜡质层较厚,红玉、金冠等耐贮性较差的品种角质层和蜡质层较薄,其中‘金冠’角质层和蜡质层与表皮细胞相互嵌合,表面存在明显的裂痕,由此研究人员分析‘金冠’苹果容易失水皱皮可能与这种结构有一定关系[16]。果实的不同发育时期也会对蜡质结构产生影响,旁程等对黄果梨研究发现,随着果实发育蜡质的积累,表面蜡质片层起层现象越明显,出现了裂缝愈大的现象,并且周围有少量的颗粒状物质生成[17]。

果实蜡质可以保护植物免受环境胁迫,还可以保持生理完整性,延长果实贮藏期[18]。在当前先进的科学技术下,研究者们对果实蜡质的研究越来越深入,但是其内涵丰富,还有许多未被发现的问题等着人们去探索。

2 蜡质的合成与调控

2.1 合成

蜡质的合成是一个非常复杂的过程,需要多种酶的参与,对模式植物拟南芥的蜡质合成已有了较为深入的研究,大致分为3个阶段:(1)质体内C16和C18脂肪酸的从头合成;(2)C16和C18脂肪酸在内质网中延伸为C20-C34的超长链脂肪酸(VLCFAs);(3)内质网中以VLCFAs为前体,通过酰基还原途径(也称初级醇合成途径)和脱羰途径(也称烷烃合成途径)形成各种蜡质产物,包括醇类,酯类,醛类,烷烃和酮类等物质[19～20]。

2.2 调控

在分子生物学的快速发展下,研究者们大量克隆了调控果实蜡质合成的相关基因,主要有CER1、CER2、CER3、CER6、KCS1、WIN1、ECR、KCR、LACS2等,它们在蜡质的合成和转运途径中起着重要的作用[21]。CER1是第1个从拟南芥中克隆出的蜡质合成基因,MdCER1可能参与了苹果表皮蜡质的合成[22～23]。Albert Z研究发现蜡质合成相关的结构基因LACS2、KCS7/2、CER4和CER1在苹果果皮中特异性表达[24]。CsWIN1诱导柑橘果实角质和表皮蜡质的沉积[25]。PaLACS2参与甜樱桃果实长链脂肪酸的合成[26]。

有研究者发现,参与了非生物胁迫及发育调控的WRKY基因在野生大豆中促进了蜡质合成途径中的大量关键基因如CER1、CER2、CER3、CER4、LTP、MAH1、WSD1、LACS2、KCS2和KCS7等的表达,使植物合成较厚角质层,减少非依赖于气孔的水分的丧失[27]。

张璟宇通过投射电镜发现超量表达CsMYB44的转基因番茄植株叶片表面蜡质的积累量多于野生型,这表明CsMYB44可能对蜡质生物合成起正向调控,并且通过酵母双杂交筛选到了以CsMYB44为诱饵菌株时的互作的转录因子CsERF3,这为蜡质转录调控提供了新思路[28]。

任春涛等总结了蜡质合成过程中的转录调控因子,包括AP2类、MYB类、HD-Zip类转录因子和MADX-box等[29]。

蜡质合成基因和转录调控因子逐渐被发现,人们可以从基因水平对蜡质合成进行调控,从而调节其与果实的生长发育贮藏之间的关系。

3 果实蜡质与贮藏

3.1 果实蜡质与水分

水分在果实生长中起到了至关重要的作用,它与体内代谢过程的正常运转息息相关[30]。苹果等呼吸跃变型水果在成熟过程中呼吸代谢会不断加剧,果实内水分会流失,导致果皮皱缩,失重失鲜,影响果皮颜色及果实品质,而果皮蜡质由众多疏水有机物组成,通过调控表皮渗透,可以减少非气孔性水分丢失,在果实成熟中减少失水率[31]。研究表明蓝莓外表皮蜡质损伤会导致采后失重率的上升,其推测这可能和果实外表皮蜡质的保水功能密切相关[32]。张海禄等认为表皮蜡质含量的高低与植物水分利用的效率关系密切,蜡质含量越高,水分利用率越高[33],而Oliveira等研究者们发现,蜡质的成分才是具有保水功能的关键所在。‘金冠’苹果果实易失水皱缩,且不耐贮藏[34],Belding等报道了同‘红星’系苹果相比,‘金冠’系苹果果皮角质层蜡质组分中次级醇含量极低,而烷烃组分含量相似,这种组分差异可能导致果皮形态结构不同,从而使得果皮的透水性有显著差异。综合以上,蜡质对果实水分保持有重要的作用[35]。

3.2 果实蜡质与果实软化

果实软化是果实成熟中正常的生理过程,在此过程中,细胞壁的结构和组分发生了明显的变化[36]。细胞壁的主要功能是保持细胞的形状稳定和支撑保护作用,果实软化过程破坏了细胞壁的完整性,细胞壁空间结构与化学组分的巨变使得其支撑保护功能逐渐丧失,果实硬度便会受到影响[37～38]。近几年,有研究者发现,果实蜡质与果实软化之间有着一定的联系。蓝莓外表皮蜡质能够显著降低多种细胞壁降解酶的活性,从而抑制果实细胞壁物质的快速分解,使果实保持较好的硬度,而蓝莓果皮蜡质被破坏时,则会加速果实的成熟衰老进程[39]。有研究表明果实角蜡层厚度与果实失重率和硬度变化率呈负相关性,在30个苹果品种中,采后硬度和失水率变化较小的品种都具有浓厚均匀的蜡质层,对果实软化有一定的抑制作用[40]。

3.3 果实蜡质与病虫害

果实蜡质与果实病虫害也有着一定的联系,随着成熟后贮藏时间的增加,苹果等果实表面蜡质含量会减少,病原菌便会从蜡质裂纹处入侵,果实会被腐蚀,较厚的蜡质层能够阻止微生物侵染苹果果实,并延缓果实的贮藏期[41]。Fan等报道,苹果果实表皮蜡质层厚度和密度与果实贮藏过程中发生褐变有关[42]。

3.4 果实蜡质与活性氧

活性氧(ROS)是一类具有化学活性的氧分子,包括超氧阴离子(O2-.)、过氧化氢(H2O2)和羟自由基(·OH)等[43]。在果实的成熟和衰老过程中,ROS含量呈现整体升高的动态变化,会先后出现两个高峰,果实成熟衰老与ROS含量呈正相关,对果实成熟阶段基因表达丰度进行系统分析后发现,成熟早期活性氧代谢相关基因表达量非常高,表明ROS可能参与调控了果实成熟[44～45]。用活性氧处理果实会加速衰老,如H2O2处理龙眼果实加剧了采后衰老和褐变产生,显示ROS具有诱导果实衰老的功能[46]。

蜡质作为果实表面的保护层,对活性氧的产生也有着影响。有研究者发现,在冷藏条件下去蜡蓝莓的超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量都要显著高于正常蓝莓,表明去蜡加速了蓝莓果实活性氧的产生,加速了蓝莓在贮藏期的衰老[47]。有研究者将天然产物蜂胶作为蜡质替代物,用其涂抹苹果表面后,发现可以有效的抑制果实内部活性氧的含量[48]。

3.5 果实蜡质与乙烯

乙烯对果实的成熟衰老起着重要的作用,被认为是最重要的促植物衰老激素,影响着果实的采后品质[49]。乙烯利(2-氯乙基膦酸)作为一种人工合成的释放乙烯气体的低毒有机磷植物生长调节剂农药,能促进呼吸跃变型果实成熟过程中内源乙烯的产生[50]。1-甲基环丙烯(1-methylcyclopropene,1-MCP)是一种新型的乙烯抑制剂,通过作用于乙烯受体抑制乙烯的生理作用,进而实现对植物成熟衰老的抑制作用[51]。近年来,有许多研究者发现乙烯利和1-MCP与成熟及贮藏期的果实蜡质变化有着影响关系。

刘剑锋等研究者们对两种秋子梨的果皮结构与耐贮性关系进行研究时发现:蜡质较差的尖把酸梨果实的乙烯释放高峰出现时间早于蜡质较好的花盖梨果实,结合果实硬度与腐烂率的变化情况来看,相对而言,尖把酸梨是不耐贮藏的品种[52]。

苹果在成熟及贮藏期间,果皮蜡质会发生油腻化现象,并且受果实成熟度影响,成熟度越高越易发生[53]。王晓飞等发现在常温贮藏过程中,‘粉红女士’苹果的蜡质含量呈上升趋势,果实表面不断出现新的蜡质,油腻化现象也更严重,用1-MCP处理‘粉红女士’苹果可抑制并延缓果皮蜡质变化和果皮油腻化的发生[54]。

毛惠娟在乙烯利和1-MCP处理对香梨表皮蜡质的影响及与耐贮性关系的研究中发现:乙烯利促进香梨成熟的过程中加速了表皮蜡质提取含量及组分相对含量的变化;1-MCP抑制香梨成熟的过程中延缓了表皮蜡质提取含量及组分相对含量的变化[55]。

有研究者在‘红星’果皮中克隆了MdCER6基因,其控制苹果表皮蜡质中VLCFAs的合成,并且发现在贮藏期进行乙烯利处理会促进MdCER6的表达,并且影响苹果表皮蜡质质量分布密度的变化,1-MCP处理会延缓MdCER6表达出现的时间[56]。

4 总结与展望

果实蜡质是保护果实的角质层,它对果实的贮藏起到了重要的作用。随着现代科学的不断进步,其奥秘正在被研究者们不断揭开,蜡质的复杂成分及结构,蜡质的合成与调控,蜡质对果实保持生理完整性的功能等,都在逐渐被人们发现。

现代生物技术飞速发展,研究者们不再局限于生理水平,转录组代谢组分析技术的普及,为果实蜡质合成及调控途径中一些关键基因的发现奠定了基础,并且在先进显微镜的帮助下,对果实蜡质成分及结构的研究会越来越深入。果实蜡质对果实水分、软化、病虫害、活性氧及乙烯等多个方面会产生影响,但是大多数的研究是针对生理层面,可以在先进的分子技术下进行更深入研究,补充分子机制的空白,为果实蜡质与其作用之间提供有力的理论依据。