核心提示(shi)：中國科學(xue)院植物研(yan)究(jiu)所田世平(ping)研(yan)究(jiu)組(zu)通過二十年的(de)不懈研(yan)究(jiu)，終于破解了(le)果實成熟的(de)節(jie)點基因RIN的(de)作(zuo)用機(ji)制，闡明了(le)RIN通過直接控(kong)制果實芳香物質代謝及(ji)泛素/蛋白酶體途徑調(diao)控(kong)果實成熟，為認識RIN調(diao)控(kong)果實成熟與品質的(de)分子網絡(luo)提供(gong)了(le)新(xin)(xin)證(zheng)據。這(zhe)對于揭示(shi)果實成熟調(diao)控(kong)網絡(luo)，研(yan)制新(xin)(xin)型果實貯(zhu)藏保鮮技(ji)術具有重要意(yi)義。
“離本枝一日而色變，二日而香變，三日而味變。”唐朝時楊貴妃想吃上一口新鮮的荔枝，需要官方(fang)驛站快馬加鞭。而(er)如今荔枝、香蕉、獼(mi)猴桃，這些容易“爛(lan)”的水果經(jing)過科學的保鮮方(fang)式(shi)，從千里之外可以(yi)活色生香地出(chu)現在我們(men)的餐桌上。
當(dang)你在大快(kuai)朵頤鮮(xian)美(mei)的(de)水(shui)果(guo)時，有(you)(you)(you)(you)沒(mei)有(you)(you)(you)(you)想(xiang)過(guo)為(wei)什么有(you)(you)(you)(you)的(de)水(shui)果(guo)采摘(zhai)之后，很快(kuai)會變(bian)質(zhi)(zhi)呢(ni)？為(wei)什么有(you)(you)(you)(you)些水(shui)果(guo)采摘(zhai)后越早吃味道越好？而(er)有(you)(you)(you)(you)些水(shui)果(guo)卻(que)要放(fang)一放(fang)，才好吃呢(ni)？水(shui)果(guo)衰老(lao)與(yu)品質(zhi)(zhi)劣變(bian)的(de)秘密到(dao)底是什么？我們能否延長水(shui)果(guo)保鮮(xian)時間呢(ni)？
這些(xie)生活(huo)的(de)常(chang)識問題，看(kan)似有些(xie)“鉆牛角尖(jian)”，但(dan)背后卻蘊(yun)藏著巨大(da)的(de)科學意義(yi)和經濟價(jia)值(zhi)。
據了解，我國是世界(jie)水果生產和銷(xiao)售的(de)大國，水果產值達到5000億元/年，占(zhan)種植業的(de)20%，在農(nong)業中具(ju)有舉足輕(qing)重的(de)作用。但是，我國每年有20%—40%新鮮水果因采后品質劣變而(er)失(shi)去商品價值，直接(jie)經濟損失(shi)超過1000億元。
果(guo)實(shi)品(pin)(pin)質保(bao)持(chi)受(shou)制(zhi)(zhi)于自身成(cheng)熟(shu)衰老的(de)調(diao)控(kong)，也與病(bing)(bing)原菌引(yin)起的(de)腐爛密切相(xiang)關。因此，深入系統研究(jiu)果(guo)實(shi)成(cheng)熟(shu)衰老調(diao)控(kong)機(ji)理與病(bing)(bing)原菌致(zhi)病(bing)(bing)機(ji)制(zhi)(zhi)，不僅對豐富(fu)果(guo)實(shi)采(cai)后(hou)生物(wu)學知識具有重要意(yi)義(yi)，而且為研制(zhi)(zhi)防病(bing)(bing)保(bao)鮮新技術(shu)、減少(shao)果(guo)實(shi)采(cai)后(hou)損失和確保(bao)果(guo)實(shi)優質安(an)全品(pin)(pin)質奠定了理論基礎。
對此，中國科學(xue)院植(zhi)物研(yan)究所田世平研(yan)究組(zu)通(tong)過二十年(nian)(nian)的(de)不懈研(yan)究，終于(yu)破解(jie)了(le)果(guo)實(shi)(shi)(shi)(shi)成熟的(de)節點基因RIN的(de)作用(yong)機制，闡明(ming)了(le)RIN通(tong)過直接控(kong)(kong)制果(guo)實(shi)(shi)(shi)(shi)芳(fang)香物質(zhi)代謝及泛素/蛋白酶體(ti)途徑調(diao)控(kong)(kong)果(guo)實(shi)(shi)(shi)(shi)成熟，為認(ren)識RIN調(diao)控(kong)(kong)果(guo)實(shi)(shi)(shi)(shi)成熟與(yu)品質(zhi)的(de)分子網絡提供了(le)新證據。這對于(yu)揭示果(guo)實(shi)(shi)(shi)(shi)成熟調(diao)控(kong)(kong)網絡，研(yan)制新型果(guo)實(shi)(shi)(shi)(shi)貯藏保(bao)鮮技術具有(you)重要意義。在2016年(nian)(nian)北(bei)京市科學(xue)技術獎評選中，該(gai)項目榮獲二等獎。
采摘下來的水果依然有呼吸
想了解水果為何會腐敗，首先得(de)知道，與人(ren)一樣(yang)，水果也會“呼吸”。
其實(shi)(shi)水(shui)果(guo)被(bei)采摘下來后并沒(mei)有死，它內(nei)部的生理活(huo)動并不(bu)(bu)會馬上停止，它們還有呼(hu)吸(xi)，還“活(huo)著”。研究發(fa)現，不(bu)(bu)同(tong)種類的果(guo)實(shi)(shi)，其呼(hu)吸(xi)具(ju)有不(bu)(bu)同(tong)的特點(dian)。根(gen)據呼(hu)吸(xi)模式的不(bu)(bu)同(tong)，可以將果(guo)實(shi)(shi)分為“躍變型”和(he)“非躍變型”兩類。
“躍變型的(de)果實(shi)(shi)，從成(cheng)熟到(dao)衰老(lao)(lao)的(de)過程(cheng)中，有一個呼(hu)(hu)吸(xi)強度快(kuai)速(su)增加、內源(yuan)乙烯(xi)大(da)量產生的(de)階段，稱為呼(hu)(hu)吸(xi)高(gao)峰(feng)，經(jing)過呼(hu)(hu)吸(xi)高(gao)峰(feng)后，果實(shi)(shi)會很快(kuai)衰老(lao)(lao)。”中國科學院植物研究所研究員田世(shi)平告訴記者，呼(hu)(hu)吸(xi)躍變是指某(mou)些肉(rou)質果實(shi)(shi)從成(cheng)熟到(dao)后熟的(de)一種生理過程(cheng)，之后果實(shi)(shi)將進入衰老(lao)(lao)。
蘋果、香蕉、芒果、獼猴桃(tao)、西紅柿等，都(dou)屬于(yu)(yu)躍(yue)變(bian)型果實(shi)。躍(yue)變(bian)型果實(shi)有(you)一個“后熟”的(de)過程。當內(nei)源乙(yi)(yi)烯(xi)大量產(chan)生時，由于(yu)(yu)乙(yi)(yi)烯(xi)是一個調控果實(shi)成熟啟動的(de)重要因子，果實(shi)內(nei)部會發生一系列變(bian)化：淀(dian)粉轉變(bian)成糖，有(you)機酸分(fen)解，果實(shi)酸度下降，果膠酶活性提高使果膠分(fen)化、果肉變(bian)軟，這樣(yang)果實(shi)變(bian)得很好吃了。
“我們都知道(dao)，從樹上采(cai)下的柿子要放一段時間再吃沒(mei)有澀味了(le)，是這個(ge)道(dao)理。”田世平說。
與躍(yue)變(bian)型果(guo)實不(bu)(bu)同，另(ling)一類(lei)果(guo)實在其(qi)發育過(guo)程中沒有呼吸高峰的出現，呼吸強度(du)在其(qi)成熟過(guo)程中緩慢下(xia)降(jiang)或基本保持(chi)不(bu)(bu)變(bian)，此類(lei)果(guo)實稱(cheng)為非躍(yue)變(bian)型果(guo)實，貯(zhu)運這類(lei)果(guo)實時(shi)，采收成熟度(du)可適當晚些。“葡萄、柑橘和草莓是非呼吸躍(yue)變(bian)型果(guo)實。”田世(shi)平(ping)說。
在呼吸躍變(bian)(bian)期間，果(guo)(guo)實(shi)體內的(de)(de)生(sheng)理代謝發生(sheng)了根(gen)本性的(de)(de)轉變(bian)(bian)，是果(guo)(guo)實(shi)由成熟(shu)向衰(shuai)老轉化的(de)(de)轉折點，所以(yi)，躍變(bian)(bian)型果(guo)(guo)實(shi)貯運(yun)時，一定(ding)要在呼吸躍變(bian)(bian)出現(xian)以(yi)前進(jin)行采收(shou)。
果(guo)實成(cheng)(cheng)熟(shu)調控機制研究(jiu)對提高果(guo)實品(pin)質、優化(hua)貯藏保鮮技(ji)術(shu)具(ju)有很大的指導意義。近年來，有關果(guo)實成(cheng)(cheng)熟(shu)的轉(zhuan)錄(lu)調控已有較多(duo)報(bao)道，鑒定到(dao)多(duo)個重要的轉(zhuan)錄(lu)因子(zi)，對它們的作用機制也進行了較多(duo)研究(jiu)。然而，人們對果(guo)實成(cheng)(cheng)熟(shu)的轉(zhuan)錄(lu)后調控卻知之甚少。
首次闡釋控制果實成熟的機制
“以前(qian)大家都(dou)認為果(guo)實衰(shuai)老與乙烯相關，但其中的調控機制并不完全(quan)清(qing)楚，可謂知(zhi)其然，不知(zhi)其所以然。”田世平(ping)告訴記者。
近年來，隨著調控(kong)果實成(cheng)(cheng)熟的多個轉(zhuan)(zhuan)錄(lu)因子(zi)的鑒定，成(cheng)(cheng)熟轉(zhuan)(zhuan)錄(lu)調控(kong)已成(cheng)(cheng)為國際研(yan)究熱(re)點。其中(zhong)RIN是MADS-box轉(zhuan)(zhuan)錄(lu)因子(zi)家(jia)族成(cheng)(cheng)員之一，位于(yu)乙烯信號的上游。RIN突變后，果實不能(neng)正(zheng)常成(cheng)(cheng)熟，說明RIN是調控(kong)果實成(cheng)(cheng)熟的節點基因。然而關于(yu)RIN調控(kong)的分子(zi)網絡和作用機制并不完全(quan)清(qing)楚(chu)。
課題組通過比(bi)較野生型和(he)RIN突(tu)變體(ti)中差異表達的蛋(dan)白(bai)，鑒(jian)定到126個潛在(zai)的RIN作用靶標。利用染色質免疫共沉淀(dian)技(ji)術（ChIP）和(he)凝膠阻滯（EMSA）實驗揭示其中6個基因(yin)的啟動子(zi)區與RIN發(fa)生特異性結合(he)，其中3個芳香物質代謝（LOX）途徑的關鍵酶(mei)基因(yin)是(shi)被首(shou)次(ci)報道。
“這個研(yan)究結果首次(ci)闡明了RIN通過直接(jie)調(diao)控(kong)多(duo)個下游(you)靶基因來控(kong)制果實芳香物質的形成和控(kong)制果實成熟(shu)。”田世(shi)平(ping)說。
RIN既然作為(wei)果實(shi)成(cheng)熟的(de)(de)節點基(ji)因(yin)(yin)，必然也能調控眾多靶基(ji)因(yin)(yin)和相關的(de)(de)代謝途徑。課題組再接再厲，在前期研(yan)究的(de)(de)基(ji)礎之(zhi)上，進一步通過細胞核(he)定量蛋(dan)(dan)白質組學技術分析了受RIN調控的(de)(de)其他靶標基(ji)因(yin)(yin)，在差異表達的(de)(de)127個(ge)(ge)蛋(dan)(dan)白中，證明了泛素(su)/蛋(dan)(dan)白酶(mei)體途徑中2個(ge)(ge)重要的(de)(de)泛素(su)結合酶(mei)基(ji)因(yin)(yin)是RIN的(de)(de)直接靶標。
“這兩個基因沉默后，果實(shi)不能著色，成(cheng)熟(shu)延遲。”田世平(ping)說，在植物中，泛素(su)介導(dao)的(de)蛋白(bai)質降(jiang)解途(tu)徑已被證(zheng)明參(can)與(yu)多個重(zhong)要(yao)的(de)細胞(bao)過程，包括激素(su)信號途(tu)徑、生長發育和(he)抗病(bing)反應等，而本研究首次報道(dao)泛素(su)/蛋白(bai)酶體途(tu)徑中的(de)重(zhong)要(yao)成(cheng)員E2s參(can)與(yu)了(le)果實(shi)成(cheng)熟(shu)調控。
探明誘發果實衰老的誘因
衰老是繼成熟之后(hou)果(guo)實(shi)生命過程的(de)重要階段，直接影(ying)響果(guo)實(shi)采后(hou)品質保持。因(yin)此，探(tan)明誘發(fa)果(guo)實(shi)衰老的(de)誘因(yin)對(dui)研制有效(xiao)的(de)保鮮(xian)技術(shu)至(zhi)關重要。
“我們從人體(ti)衰老(lao)機(ji)制的(de)研(yan)究中(zhong)得到了啟發。”田世平告訴記者，“許多研(yan)究證明了活性氧（ROS）是(shi)誘發生(sheng)(sheng)物體(ti)衰老(lao)的(de)重(zhong)要因子(zi)，ROS易攻擊蛋白質等生(sheng)(sheng)物大(da)分子(zi)，使其發生(sheng)(sheng)降(jiang)解(jie)或失(shi)去生(sheng)(sheng)物學活性，而ROS的(de)作用機(ji)制一直是(shi)亟待探明的(de)科學問題(ti)。”
課題組系統研究了(le)果(guo)實衰(shuai)老(lao)過程(cheng)中線(xian)(xian)粒(li)體(ti)蛋(dan)白(bai)的表達變(bian)化(hua)，發(fa)現在促(cu)發(fa)ROS產生的氧(yang)化(hua)脅迫下，許多重(zhong)要的線(xian)(xian)粒(li)體(ti)蛋(dan)白(bai)（線(xian)(xian)粒(li)體(ti)外膜蛋(dan)白(bai)、三羧酸循(xun)環相關蛋(dan)白(bai)以及(ji)抗氧(yang)化(hua)酶蛋(dan)白(bai)等）將出現氧(yang)化(hua)損傷，特(te)別是外膜通道蛋(dan)白(bai)porin的異常(chang)變(bian)化(hua)導(dao)致線(xian)(xian)粒(li)體(ti)膜電位改變(bian)、外膜破(po)損，破(po)壞(huai)線(xian)(xian)粒(li)體(ti)功能，加速果(guo)實衰(shuai)老(lao)進程(cheng)。
課題組(zu)首(shou)次揭示了(le)線粒體外膜蛋白porin是(shi)ROS攻擊(ji)的(de)靶(ba)標(biao)，并明確了(le)參與(yu)果實衰老應(ying)答的(de)線粒體蛋白種類、功能及其(qi)在(zai)線粒體上的(de)分布。
這(zhe)些結果說(shuo)明線粒體蛋白(bai)的(de)氧化損(sun)傷改(gai)變了(le)蛋白(bai)質原有的(de)生(sheng)物學功(gong)能是(shi)促(cu)發果實(shi)衰(shuai)(shuai)老的(de)重要誘(you)因，ROS是(shi)通過氧化修飾特定(ding)線粒體蛋白(bai)，誘(you)發氧化損(sun)傷來(lai)促(cu)發果實(shi)衰(shuai)(shuai)老。
此外(wai)，衰老也降低果(guo)(guo)(guo)實(shi)自(zi)身的(de)(de)免疫(yi)力(li)，使果(guo)(guo)(guo)實(shi)容易感染(ran)各種病(bing)害。為了提高果(guo)(guo)(guo)實(shi)自(zi)身抗(kang)病(bing)性和抵(di)(di)御(yu)病(bing)原(yuan)菌侵染(ran)，課題組(zu)還(huan)系統研究了水楊酸(suan)(suan)、茉莉酸(suan)(suan)甲酯、草酸(suan)(suan)等(deng)外(wai)源信號(hao)分子(zi)對(dui)果(guo)(guo)(guo)實(shi)衰老抑制(zhi)和抗(kang)病(bing)性誘導的(de)(de)效果(guo)(guo)(guo)及其作用機制(zhi)，發(fa)現這(zhe)些信號(hao)分子(zi)是通(tong)(tong)過(guo)抑制(zhi)乙烯合成途徑的(de)(de)關(guan)鍵酶活性降低乙烯釋放量和呼吸速(su)率(lv)，抑制(zhi)葉(xie)綠(lv)素的(de)(de)降解，從而延緩(huan)衰老；此外(wai)，還(huan)通(tong)(tong)過(guo)誘發(fa)PR和抗(kang)氧化蛋白和相關(guan)基因(yin)的(de)(de)表達，提高果(guo)(guo)(guo)實(shi)的(de)(de)免疫(yi)力(li)，抵(di)(di)御(yu)病(bing)原(yuan)菌侵染(ran)。
這些結果(guo)首次證(zheng)明植物信號分(fen)子(zi)對(dui)果(guo)實(shi)抗(kang)性誘導的作(zuo)(zuo)用，明確(que)了它(ta)們的使用濃度，并(bing)解析了其(qi)誘導果(guo)實(shi)抗(kang)性的作(zuo)(zuo)用機制。
找到了(le)果(guo)實腐爛衰(shuai)敗的(de)原因后，對研制防病(bing)保鮮新技術、減(jian)少果(guo)實采后損失提(ti)供(gong)了(le)理(li)論指導。如今，田世(shi)平課(ke)題(ti)組的(de)研究成果(guo)已(yi)經(jing)在國內多個省市得到應(ying)用。
據了解，目前果實保(bao)鮮一般有傳統冷(leng)庫、氣調保(bao)鮮庫以及1-MCP等方(fang)法。
與傳(chuan)統冷藏(zang)庫不同，氣調(diao)保(bao)鮮(xian)(xian)庫是人為控制貯(zhu)藏(zang)庫中(zhong)氮氣、氧氣、二氧化(hua)碳(tan)的比例，通(tong)過降(jiang)低(di)氧濃(nong)度和(he)提高二氧化(hua)碳(tan)濃(nong)度來抑(yi)制貯(zhu)藏(zang)庫中(zhong)果(guo)蔬產品(pin)的呼吸強(qiang)度，延(yan)緩(huan)其(qi)新(xin)陳代謝過程(cheng)，達到(dao)保(bao)鮮(xian)(xian)效果(guo)。
氣調庫(ku)效(xiao)果(guo)雖好，但對操作技(ji)能(neng)要(yao)求很高，如果(guo)貯藏庫(ku)中氧氣和(he)二氧化(hua)碳(tan)比例的調控出(chu)(chu)現(xian)偏差，會(hui)傷害果(guo)實(shi)，便不能(neng)達(da)到保鮮效(xiao)果(guo)。而且(qie)，一(yi)旦(dan)開庫(ku)出(chu)(chu)貨，外界(jie)空氣進入(ru)倉庫(ku)，改變了氣調庫(ku)原有的氧和(he)二氧化(hua)碳(tan)濃度，也會(hui)影響貯藏效(xiao)果(guo)。
“水果的(de)貯(zhu)藏要在一個恒定的(de)環境，如果頻繁的(de)開關門，會(hui)影響品質。”田世平說。
1-MCP是近年(nian)來發現(xian)的(de)一(yi)種新(xin)型(xing)乙(yi)(yi)烯受體抑制劑，它能與乙(yi)(yi)烯受體結合，從而阻斷乙(yi)(yi)烯的(de)生物合成。在國外， 1-MCP做為花卉(hui)果(guo)蔬保鮮劑已得到廣泛應用。
將1-MCP與(yu)低(di)溫(wen)貯藏(zang)相配合(he)(he)，可以降低(di)貯藏(zang)成本(ben)，保(bao)持(chi)果(guo)實品質，而且1-MCP具有無毒、低(di)量(liang)、高(gao)效等優(you)點，在果(guo)蔬貯藏(zang)保(bao)鮮(xian)上有著廣闊的(de)發(fa)展前(qian)景。課(ke)題組與(yu)陜西華圣(sheng)果(guo)業集(ji)團公司合(he)(he)作，將1-MCP保(bao)鮮(xian)技術(shu)(shu)應用(yong)(yong)于(yu)蘋(pin)(pin)果(guo)采后貯藏(zang)，不僅提高(gao)蘋(pin)(pin)果(guo)的(de)保(bao)鮮(xian)效果(guo)，還降低(di)成本(ben)。該項技術(shu)(shu)還推(tui)廣應用(yong)(yong)到國內(nei)多個(ge)水果(guo)基地(di)，大大提高(gao)了水果(guo)的(de)保(bao)鮮(xian)效果(guo)。
“在(zai)保(bao)鮮理(li)論的(de)指導下，我們根據不同(tong)果實(shi)生理(li)特點(dian)研發的(de)保(bao)鮮技術，已經在(zai)多種水果上應用，果實(shi)的(de)保(bao)鮮延長了，而(er)且(qie)風味十分(fen)好，你甚至可以(yi)看到，在(zai)長時間(jian)保(bao)存后葡萄梗上的(de)綠色依然翠綠。”田(tian)世平說(shuo)。（來(lai)源：科技日報）
2024/9/20至2024/9/22
2024/11/8至(zhi)2024/11/10
