草莓果实的成熟软化机理探究

　　果实的成熟和软化是果实发育进程中的两个阶段， 果实的完全成熟即是衰老（软化）的开始。在这两个阶段果实会发生一系列复杂的生理生化变化， 主要是细胞壁和中胶层的降解， 而多聚半乳糖醛酸酶、果胶酯酶、果胶裂解酶等胞壁酶起着相互协调的作用（朱明月等2005）。

　　草莓（Fragaria×ananassa Duch.）从成熟到软化时间短， 不耐运输， 不易储藏， 经济损失严重。同时， 草莓在成熟过程中无特定的呼吸峰和乙烯峰，是研究非跃变型果实成熟软化分子机理的模式植物（蒋天梅等2011; Chai等2011）， 也是继番茄之后把大量有关成熟基因用于基因功能分析和转基因研究的又一重要水果（Mercado等2011; Posé等2011）。

　　本文将总结草莓成熟软化的生理生化、与成熟软化相关的胞壁酶基因以及激素与胞壁酶及其基因相互作用等方面的研究进展， 其目的是进一步明确草莓的成熟软化机理， 为调控草莓及其它非呼吸跃变型果实的成熟软化， 采后生理等提供参考。

　　1 草莓果实成熟软化的生理生化变化

　　1.1 硬度和内含物等的变化

　　果实成熟软化的程度主要用果实的硬度来反映。果实硬度主要取决于构成果实细胞的紧张度及其细胞壁的完整性， 其中构成细胞壁的纤维素和果胶的含量及其存在形态起着关键作用（Huber1983; Trainotti等2001）。研究发现随着草莓果实成熟， 可溶性果胶含量不断增加， 果实硬度降低逐渐软化（赵青华2007）， 采后草莓随着贮藏时间的延长硬度急剧下降（赵秀洁等2014）， .具有不同遗传背景的草莓的硬度变化有所差异， ‘章姬’、‘红颊’、‘申旭二号’、‘枥乙女’和‘鬼怒甘’中， ‘枥乙女’硬度最大， 其次为‘鬼怒甘’和‘红颊', ’章姬‘最软（王天文等2008）。草莓属于极易软化腐烂的非呼吸跃变型果实，在成熟衰老过程中草莓呼吸速率有所不同， 但变化不明显（顾采琴2003）。果实的内含物包括可溶性固形物、糖、酸、维生素、色素、蛋白质、丹宁和芳香物质等。在果实的成熟软化过程中这些成分都发生不同程度的变化， 较显着的是可溶性固形物及糖酸含量。随着草莓果实成熟度的增加， 糖和花青素含量增加， 糖酸比值先降低而后逐渐变大（贾海锋2013; 李莉等2006）。在此期间可溶性固形物和Vc含量均逐渐增加（顾采琴和朱冬雪1998）。同时， 罗娅和汤浩茹（2011）分析草莓成熟衰老过程中物质变化时发现， 在草莓果实发育前期（转红面积为整个果实的1/4之前）， 花青素含量甚微或无法检出， 但随着果实的成熟， 花青素与Vc含量逐渐增加，这可能与果实成熟软化过程中的抗氧化能力相关。

　　1.2 内源激素的变化

　　1.2.1 脱落酸

　　多年来的研究表明， 脱落酸（abscisic acid, ABA）对非呼吸跃变型果实的成熟起关键作用， 它有助于草莓、葡萄等的着色软化， 外源ABA可提高纤维素酶等活性， 导致细胞壁结构解体， 使果实的成熟软化过程加快， 并促进乙烯的生成（尹金华等2001; 曾勤和袁海波2012）。因此， 它可能是非跃变果实成熟的重要启动因子。植物ABA生物合成一般经过C15直接途径和C40间接途径。ABA缺失突变体和同位素示踪等分子生物学实验表明C40间接途径是高等植物ABA合成的主要途径（刘廷旭2012）， 该过程9-顺式-环氧类胡萝卜素双氧合酶（9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase, NCED）是ABA合成的限速酶（Tan等1997; Chernys和Zeevaart2000）。ABA被氧化或被结合物耦联后将失去活性， 而研究表明CYP707A基因编码的ABA 8'-羟化酶是调控ABA氧化途径的关键酶（Saito等2004）。

　　因此， ABA在植物中的含量是由NCED和ABA 8'-羟化酶（CYP707A）共同决定的， 在GenBank中已经登录FaNCED1、FaNCED2和FaCYP707A1等基因。草莓果实发育过程中ABA含量出现2次高峰，期间有一个下降过程， 但总体呈增加的趋势， ABA含量变化不仅跟FaNCED1表达变化一致， 还与果实色泽变化及蔗糖含量变化相一致（Jia等2011; 朱海生等2012）， Symons等（2012）发现ABA随果实发育成熟含量不断的增高， 没有下降的过程， 这可能是草莓进行时期划分时造成的差异， 但以上结果明显表明ABA对草莓果实成熟和品质形成起重要作用。外源ABA处理能促进内源ABA的合成， 提高果实呼吸强度， 从而促进草莓、葡萄和荔枝等非乙烯跃变型果实软化、着色、糖分积累等（吴有梅等1992; 尹金华等2001; 张大鹏等1997）。ABA信号的细胞内转导起始于ABA信号路径中最上游的组分即ABA受体对ABA信号的感知。近年来， 含有START特征区的PYR/PYL/RCAR （Ma等2009;Nishimura等2009; Park等2009; Fujii等2009）， 位于细胞质膜上G蛋白偶联受体GCR2、GTG1和GTG2,定位于质体/叶绿体的ABAR/CHLH （Shen等2006）等三类ABA受体以及PP2C、SnRK2等核心组分的发现（Hubbard等2010; Santiago等2012; 胡帅等2012）使ABA代谢及信号转导途径的研究取得了突破性进展， 该过程也逐步清晰（图1）。伴随这些重大发现， 在果实中的相关研究虽取得了进步， 但在非跃变型果实中的ABA受体及其信号转导机制的起步较晚， 目前在草莓上鉴定了FaABAR/CHLH和Fa-PYR1等受体（贾海锋等2011; Chai等2011）。

　　1.2.2 乙烯

　　果实在成熟软化过程中会伴有内源激素的变化。一般认为启动跃变型果实成熟衰老的激素是乙烯， 所以关于乙烯与果实成熟衰老研究大多集中在跃变型果实， 而像草莓等非跃变型果实成熟时没有或很少有乙烯生成， 因而认为乙烯在其成熟衰老中的作用有限。近年研究发现， 非跃变型果实诸多与成熟相关的品质如香味、色泽和质地等都可能受到内源或外源乙烯调控（Chervin等2008）， 乙烯处理草莓白果期后， 其花青素合成加速， 苯丙氨酸解氨酶（PAL）和β-Gal活性提高， 使其红色加深， 软化和腐烂加速， 而乙烯受体竞争性抑制剂1-甲基环丙稀（1-methylcyclopropene, 1-MCP）处理同时期的草莓果实则效果完全相反， 尤其显着抑制了果实花青苷及其他酚类物质的合成以及PAL和PG活性， 从而维持采后果实硬度和颜色（Ji-ang等2001; Bower等2003; Villarreal等2010）。同时，乙烯能够使果胶甲酯酶（PME）、β-半乳糖苷酶（β-Gal）和β-木糖苷酶（β-Xyl）的表达下调（Trainotti等2001; Bustamante等2009; Castillejo等2004）。由此表明， 乙烯对非跃变型果实成熟衰老的调控不应忽视。草莓果实中所产生的内源乙烯含量是非常低的（15~80 nL·kg-1·h-1）， 从绿果期到红果期呈现出先降后升的趋势（Abeles和Takeda 1990）。乙烯含量的这种变化趋势在后来的研究中也得已验证（Iannetta等2006; Perkins-Veazie等1996）。目前， 乙烯生物合成途径已经清楚， 相关信号转导模型初步建立（Giovannoni 2007; Yang和Hoffman 1984）。

　　在草莓中， 已经克隆出2个与乙烯合成有关的基因（FaACO1和FaACO2）和3个乙烯受体基因（FaEtr1、FaErs1和FaEtr2）， 它们的表达与草莓果实成熟过程显着相关（Trainotti等2005）。Sun等（2013）研究发现， 在草莓着红色过程中， FaSAMS1和FaCTR1表达量上调并且乙烯含量增加， 并应用烟草脆裂病毒诱导的基因沉默技术抑制了果实着红色和硬度的减低， 而乙烯利的施用能促进草莓果实着红色和软化， 并在一定程度上恢复RNAi果实着色。上述研究结果表明， 少量乙烯的产生能够影响草莓果实的成熟衰老， 可能与它内在高水平的乙烯信号转导元件转录过程有关， 似乎也说明非跃变型果实草莓有较强的乙烯信号转导响应系统。

　　1.2.3 其它激素

　　IAA调节草莓果实的发育可以通过它与瘦果的关系体现， 去掉果实全部花托上的瘦果（种子），肉质花托就停止生长， 再用萘氧乙酸（NOA）处理花托， 花托又能发育成正常大小和形状果实， 这也证实瘦果的存在对草莓花托的膨大是必须的（Nitsch1950）， 发育后期瘦果提供的生长素量的逐渐减低是果实成熟的基础（Given等1988）。Symons等（2012）发现随着草莓果实发育， IAA的含量降低， 白果到红熟期几乎没有IAA含量； 同时， 在白果期NAA处理抑制果实的成熟， 而生长素抑制剂PCIB却促进了果实的着色成熟， 这跟前人的研究结果一致。以上证据显示IAA可能是控制草莓或其他非跃变型果实成熟的又一重要激素。果实中赤霉素和细胞分裂素的含量尽管远低于生长素的含量，人们很少关注它们在果实成熟中作用， 研究表明赤霉素和细胞分裂素在草莓中与生长素的变化大致相似， 瘦果中的含量远高于花托中， 它有助于果实的膨大以及品质的改善（Csukasi等2011; Symons等2012; 单守明等2008; 原牡丹2010）。

　　以上说明， 激素对草莓等果实成熟软化起着至关重要的作用， 有些激素虽然很微量但不能缺少，否则果实就不能顺利完成这一正常的生理过程。