據(jù)了解，我國(guó)是世界水果生產(chǎn)和銷售的第一大國(guó)，水果產(chǎn)值達(dá)到5000億元/年，占種植業(yè)的20%，在農(nóng)業(yè)中具有舉足輕重的作用。但是，我國(guó)每年有20%~40%新鮮水果因采后品質(zhì)劣變而失去商品價(jià)值，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)1000億元。
果實(shí)品質(zhì)保持受制于自身成熟衰老的調(diào)控，也與病原菌引起的腐爛密切相關(guān)。因此，深入系統(tǒng)研究果實(shí)成熟衰老調(diào)控機(jī)理與病原菌致病機(jī)制，不僅對(duì)豐富果實(shí)采后生物學(xué)知識(shí)具有重要意義，而且為研制防病保鮮新技術(shù)、減少果實(shí)采后損失和確保果實(shí)優(yōu)質(zhì)安全品質(zhì)奠定了理論基礎(chǔ)。
對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院植物研究所田世平研究組通過(guò)二十年的不懈研究，終于破解了果實(shí)成熟的節(jié)點(diǎn)基因RIN的作用機(jī)制，闡明了RIN通過(guò)直接控制果實(shí)芳香物質(zhì)代謝及泛素/蛋白酶體途徑調(diào)控果實(shí)成熟，為認(rèn)識(shí)RIN調(diào)控果實(shí)成熟與品質(zhì)的分子網(wǎng)絡(luò)提供了新證據(jù)。這對(duì)于揭示果實(shí)成熟調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，研制新型果實(shí)貯藏保鮮技術(shù)具有重要意義。在2016年北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)選中，該項(xiàng)目榮獲二等獎(jiǎng)。
采摘下來(lái)的水果依然有呼吸
想了解水果為何會(huì)腐敗，首先得知道，與人一樣，水果也會(huì)“呼吸”。
其實(shí)水果被采摘下來(lái)后并沒(méi)有死，它內(nèi)部的生理活動(dòng)并不會(huì)馬上停止，它們還有呼吸，還“活著”。研究發(fā)現(xiàn)，不同種類的果實(shí)，其呼吸具有不同的特點(diǎn)。根據(jù)呼吸模式的不同，可以將果實(shí)分為“躍變型”和“非躍變型”兩類。
“躍變型的果實(shí)，從成熟到衰老的過(guò)程中，有一個(gè)呼吸強(qiáng)度快速增加、內(nèi)源乙烯大量產(chǎn)生的階段，稱為呼吸高峰，經(jīng)過(guò)呼吸高峰后，果實(shí)就會(huì)很快衰老?！敝袊?guó)科學(xué)院植物研究所研究員田世平告訴記者，呼吸躍變是指某些肉質(zhì)果實(shí)從成熟到后熟的一種生理過(guò)程，之后果實(shí)將進(jìn)入衰老。
蘋果、香蕉、芒果、獼猴桃、西紅柿等，都屬于躍變型果實(shí)。躍變型果實(shí)有一個(gè)“后熟”的過(guò)程。當(dāng)內(nèi)源乙烯大量產(chǎn)生時(shí)，由于乙烯是一個(gè)調(diào)控果實(shí)成熟啟動(dòng)的重要因子，果實(shí)內(nèi)部就會(huì)發(fā)生一系列變化：淀粉轉(zhuǎn)變成糖，有機(jī)酸分解，果實(shí)酸度下降，果膠酶活性提高使果膠分化、果肉變軟，這樣果實(shí)就變得很好吃了。
“我們都知道，從樹上采下的柿子要放一段時(shí)間再吃就沒(méi)有澀味了，就是這個(gè)道理?！碧锸榔秸f(shuō)。
與躍變型果實(shí)不同，另一類果實(shí)在其發(fā)育過(guò)程中沒(méi)有呼吸高峰的出現(xiàn)，呼吸強(qiáng)度在其成熟過(guò)程中緩慢下降或基本保持不變，此類果實(shí)稱為非躍變型果實(shí)，貯運(yùn)這類果實(shí)時(shí)，采收成熟度可適當(dāng)晚些?！捌咸?、柑橘和草莓就是非呼吸躍變型果實(shí)?！碧锸榔秸f(shuō)。
在呼吸躍變期間，果實(shí)體內(nèi)的生理代謝發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，是果實(shí)由成熟向衰老轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，所以，躍變型果實(shí)貯運(yùn)時(shí)，一定要在呼吸躍變出現(xiàn)以前進(jìn)行采收。
果實(shí)成熟調(diào)控機(jī)制研究對(duì)提高果實(shí)品質(zhì)、優(yōu)化貯藏保鮮技術(shù)具有很大的指導(dǎo)意義。近年來(lái)，有關(guān)果實(shí)成熟的轉(zhuǎn)錄調(diào)控已有較多報(bào)道，鑒定到多個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)它們的作用機(jī)制也進(jìn)行了較多研究。然而，人們對(duì)果實(shí)成熟的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控卻知之甚少。
首次闡釋控制果實(shí)成熟的機(jī)制
“以前大家都認(rèn)為果實(shí)衰老與乙烯相關(guān)，但其中的調(diào)控機(jī)制并不完全清楚，可謂知其然，不知其所以然。”田世平告訴記者。
近年來(lái)，隨著調(diào)控果實(shí)成熟的多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的鑒定，成熟轉(zhuǎn)錄調(diào)控已成為國(guó)際研究熱點(diǎn)。其中RIN是MADS-box轉(zhuǎn)錄因子家族成員之一，位于乙烯信號(hào)的上游。RIN突變后，果實(shí)不能正常成熟，說(shuō)明RIN是調(diào)控果實(shí)成熟的節(jié)點(diǎn)基因。然而關(guān)于RIN調(diào)控的分子網(wǎng)絡(luò)和作用機(jī)制并不完全清楚。
課題組通過(guò)比較野生型和RIN突變體中差異表達(dá)的蛋白，鑒定到126個(gè)潛在的RIN作用靶標(biāo)。利用染色質(zhì)免疫共沉淀技術(shù)（ChIP）和凝膠阻滯（EMSA）實(shí)驗(yàn)揭示其中6個(gè)基因的啟動(dòng)子區(qū)與RIN發(fā)生特異性結(jié)合，其中3個(gè)芳香物質(zhì)代謝（LOX）途徑的關(guān)鍵酶基因是被首次報(bào)道。
“這個(gè)研究結(jié)果首次闡明了RIN通過(guò)直接調(diào)控多個(gè)下游靶基因來(lái)控制果實(shí)芳香物質(zhì)的形成和控制果實(shí)成熟?！碧锸榔秸f(shuō)。
RIN既然作為果實(shí)成熟的節(jié)點(diǎn)基因，必然也能調(diào)控眾多靶基因和相關(guān)的代謝途徑。課題組再接再厲，在前期研究的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步通過(guò)細(xì)胞核定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)分析了受RIN調(diào)控的其他靶標(biāo)基因，在差異表達(dá)的127個(gè)蛋白中，證明了泛素/蛋白酶體途徑中2個(gè)重要的泛素結(jié)合酶基因是RIN的直接靶標(biāo)。
“這兩個(gè)基因沉默后，果實(shí)不能著色，成熟延遲?！碧锸榔秸f(shuō)，在植物中，泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑已被證明參與多個(gè)重要的細(xì)胞過(guò)程，包括激素信號(hào)途徑、生長(zhǎng)發(fā)育和抗病反應(yīng)等，而本研究首次報(bào)道泛素/蛋白酶體途徑中的重要成員E2s參與了果實(shí)成熟調(diào)控。
探明誘發(fā)果實(shí)衰老的誘因
衰老是繼成熟之后果實(shí)生命過(guò)程的重要階段，直接影響果實(shí)采后品質(zhì)保持。因此，探明誘發(fā)果實(shí)衰老的誘因?qū)ρ兄朴行У谋ｕr技術(shù)至關(guān)重要。
“我們從人體衰老機(jī)制的研究中得到了啟發(fā)?！碧锸榔礁嬖V記者，“許多研究證明了活性氧（ROS）是誘發(fā)生物體衰老的重要因子，ROS易攻擊蛋白質(zhì)等生物大分子，使其發(fā)生降解或失去生物學(xué)活性，而ROS的作用機(jī)制一直是亟待探明的科學(xué)問(wèn)題。”
課題組系統(tǒng)研究了果實(shí)衰老過(guò)程中線粒體蛋白的表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)在促發(fā)ROS產(chǎn)生的氧化脅迫下，許多重要的線粒體蛋白（線粒體外膜蛋白、三羧酸循環(huán)相關(guān)蛋白以及抗氧化酶蛋白等）將出現(xiàn)氧化損傷，特別是外膜通道蛋白porin的異常變化導(dǎo)致線粒體膜電位改變、外膜破損，破壞線粒體功能，加速果實(shí)衰老進(jìn)程。
課題組首次揭示了線粒體外膜蛋白porin是ROS攻擊的靶標(biāo)，并明確了參與果實(shí)衰老應(yīng)答的線粒體蛋白種類、功能及其在線粒體上的分布。
這些結(jié)果說(shuō)明線粒體蛋白的氧化損傷改變了蛋白質(zhì)原有的生物學(xué)功能是促發(fā)果實(shí)衰老的重要誘因，ROS是通過(guò)氧化修飾特定線粒體蛋白，誘發(fā)氧化損傷來(lái)促發(fā)果實(shí)衰老。
此外，衰老也降低果實(shí)自身的免疫力，使果實(shí)容易感染各種病害。為了提高果實(shí)自身抗病性和抵御病原菌侵染，課題組還系統(tǒng)研究了水楊酸、茉莉酸甲酯、草酸等外源信號(hào)分子對(duì)果實(shí)衰老抑制和抗病性誘導(dǎo)的效果及其作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)分子是通過(guò)抑制乙烯合成途徑的關(guān)鍵酶活性降低乙烯釋放量和呼吸速率，抑制葉綠素的降解，從而延緩衰老；此外，還通過(guò)誘發(fā)PR和抗氧化蛋白和相關(guān)基因的表達(dá)，提高果實(shí)的免疫力，抵御病原菌侵染。
這些結(jié)果首次證明植物信號(hào)分子對(duì)果實(shí)抗性誘導(dǎo)的作用，明確了它們的最佳使用濃度，并解析了其誘導(dǎo)果實(shí)抗性的作用機(jī)制。
找到了果實(shí)腐爛衰敗的原因后，對(duì)研制防病保鮮新技術(shù)、減少果實(shí)采后損失提供了理論指導(dǎo)。如今，田世平課題組的研究成果已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)省市得到應(yīng)用。
據(jù)了解，目前果實(shí)保鮮一般有傳統(tǒng)冷庫(kù)、氣調(diào)保鮮庫(kù)以及1-MCP等方法。
與傳統(tǒng)冷藏庫(kù)不同，氣調(diào)保鮮庫(kù)是人為控制貯藏庫(kù)中氮?dú)?、氧氣、二氧化碳的比例，?/span>過(guò)降低氧濃度和提高二氧化碳濃度來(lái)抑制貯藏庫(kù)中果蔬產(chǎn)品的呼吸強(qiáng)度，延緩其新陳代謝過(guò)程，達(dá)到保鮮效果。
氣調(diào)庫(kù)效果雖好，但對(duì)操作技能要求很高，如果貯藏庫(kù)中氧氣和二氧化碳比例的調(diào)控出現(xiàn)偏差，就會(huì)傷害果實(shí)，便不能達(dá)到保鮮效果。而且，一旦開庫(kù)出貨，外界空氣進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)，改變了氣調(diào)庫(kù)原有的氧和二氧化碳濃度，也會(huì)影響貯藏效果。
“水果的貯藏要在一個(gè)恒定的環(huán)境，如果頻繁的開關(guān)門，會(huì)影響品質(zhì)?！碧锸榔秸f(shuō)。
1-MCP是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種新型乙烯受體抑制劑，它能與乙烯受體結(jié)合，從而阻斷乙烯的生物合成。在國(guó)外, 1-MCP做為花卉果蔬保鮮劑已得到廣泛應(yīng)用。
將1-MCP與低溫貯藏相配合，可以降低貯藏成本，保持果實(shí)品質(zhì)，而且1-MCP具有無(wú)毒、低量、高效等優(yōu)點(diǎn),在果蔬貯藏保鮮上有著廣闊的發(fā)展前景。課題組與陜西華圣果業(yè)集團(tuán)公司合作，將1-MCP保鮮技術(shù)應(yīng)用于蘋果采后貯藏，不僅提高蘋果的保鮮效果，還降低成本。該項(xiàng)技術(shù)還推廣應(yīng)用到國(guó)內(nèi)多個(gè)水果基地，大大提高了水果的保鮮效果。
“在保鮮理論的指導(dǎo)下，我們根據(jù)不同果實(shí)生理特點(diǎn)研發(fā)的保鮮技術(shù)，已經(jīng)在多種水果上應(yīng)用，果實(shí)的保鮮期延長(zhǎng)了，而且風(fēng)味十分好，你甚至可以看到，在長(zhǎng)時(shí)間保存后葡萄梗上的綠色依然翠綠。”田世平說(shuō)。
