138 蓝光处理通过抑制乙烯生物合成、淀粉降解和细胞壁代谢延缓猕猴桃采后成熟
文摘
科学
2024-08-10 17:00
陕西
Xu Yunhe; Yang Caining
Gan Zengyu*; Chen Jinyin**; Huang Zhenyu***
江西农业大学、郑州果树研究所
Blue light treatment delays postharvest ripening of kiwifruit by suppressing ethylene biosynthesis, starch degradation, and cell wall metabolism
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本文研究了蓝光（blue light, BL）对‘金艳’猕猴桃采后成熟和软化的影响。BL对猕猴桃采后成熟有明显的抑制作用，以100 μmol m−2•s−1的光照强度效果最好。BL延缓猕猴桃采后成熟与抑制可溶性固形物积累、降低呼吸速率和乙烯产生以及抑制1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶和1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶活性有关。此外，它还抑制淀粉降解和相关酶活性（α-淀粉酶和β-淀粉酶），阻止原果胶、纤维素和半纤维素的降解，同时促进水溶性果胶的积累。此外，它还抑制多聚半乳糖醛酸酶、果胶裂解酶、果胶甲酯酶和纤维素酶的活性。转录组和基因表达分析表明，与黑暗对照相比，BL处理的猕猴桃中参与乙烯生物合成、淀粉降解和细胞壁代谢的基因表达水平较低。BL还改变了转录因子对光的反应，如v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog (MYB) and basic helix-loop-helix (bHLH)家族。综上所述，本研究分析了BL延缓猕猴桃采后成熟的生理和分子机制，为猕猴桃采后品质的保持提供了一种新的保鲜方法。
猕猴桃（Actinidia chinensis）是一种典型的跃变型水果，采后迅速成熟和软化，在室温下贮藏时货架期短。猕猴桃采后成熟软化过程可分为初期、快速软化、可食和过熟4个阶段。在初期，果实不产生乙烯，对乙烯高度敏感，硬度和淀粉含量高。第二阶段，果实的淀粉和细胞壁开始降解，产生少量乙烯，果实进入快速软化阶段。可食用阶段是从低浓度乙烯（乙烯系统I）到开始自催化乙烯产生（乙烯系统II）的过渡，在此期间，水果进入最佳食用期。过熟阶段，果实继续产生乙烯，达到过熟状态，开始腐烂发臭。
蓝光（blue light, BL）照射对园艺产品的形成和维持起着重要作用。BL辐照鲜切芒果，木瓜和菠萝可以抑制沙门氏菌和大肠杆菌的生长，而不影响果肉质量。BL诱导杨梅和樱桃果实花青苷合成，改善果实贮藏品质。此外，BL辐照抑制番茄、苹果和梨中乙烯的产生，并延长其保质期。猕猴桃对乙烯敏感，采后成熟过程中乙烯含量急剧增加。1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase, ACS）和1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid oxidase, ACO）是乙烯生物合成中的重要酶，均由多个基因编码。众所周知，ACS2/4在番茄成熟中发挥着重要作用。虽然ACS1a的表达水平低于ACS2/4，但ACS1a的转录积累在番茄转色期达到峰值，表明ACS1a可能参与果实成熟过程中乙烯的产生。在成熟绿色期，ACO1/4的表达水平较低，而在转红期，其转录本随着乙烯产生的增加而积累。在番茄成熟过程中，ACO4持续表达，表明ACO1/4是番茄乙烯产生的主要ACO基因。已从猕猴桃中分离出13个ACS和54个ACO基因。此外，ACS1/2和ACO1/2与猕猴桃采后成熟过程中乙烯的生物合成密切相关。猕猴桃采收后成熟最直观的变化是果实硬度下降。这一高度有序的复杂过程是由果实细胞的胞间和内部支持决定的，包括淀粉代谢和细胞壁成分降解。淀粉是植物体内重要的碳水化合物，是维持果实膨压的细胞内含物，因此保持果实的硬度至关重要。猕猴桃是典型的淀粉积累型植物。随着果实成熟，淀粉酶的活性增加，不溶性淀粉逐渐水解并转化为可溶性糖（例如，葡萄糖、果糖和蔗糖）。对猕猴桃淀粉降解相关的24个基因的表达分析表明，乙烯显著诱导了5个基因的表达。果实软化最初是由细胞壁内部结构的破坏引起的。在果实成熟和软化过程中，果胶，一种半乳糖醛酸（galacturonic acid, GA）聚合物，通过多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase, PG）、果胶裂解酶（pectinlyase, PL）和果胶甲酯酶（pectin methylesterase, PE）转化为可溶性果胶。在纤维素（cellulose, Cx）的催化作用下，纤维素和半纤维素含量逐渐降低。PME、PG、Pl和Cx酶活性及相关基因表达水平与果实软化呈显著正相关。猕猴桃采后呼吸作用强，软化速度快，不耐贮藏。许多保鲜技术，例如壳聚糖涂层和1-MCP、褪黑激素、赤霉素或气调处理，已被证明可以延迟环境储存的猕猴桃的成熟。然而，BL辐照作为一种无公害的绿色保鲜方法，对猕猴桃的保鲜效果尚不清楚。本研究旨在从乙烯生物合成、淀粉降解和细胞壁代谢等方面探讨BL对猕猴桃采后成熟软化的影响。
实验材料：可溶性固形物（total soluble solids, TSS）为7.5-8.0%的金艳猕猴桃（Actinidia chinensis cv. Jinyan）贮藏条件：将所有果实在生长室（温度22±1℃，相对湿度85%）中贮藏15 d，每3 d取样一次。蓝光处理组：将果实定位在蓝光下方40 cm处，并进行每天12小时蓝光暴露然后12小时黑暗的循环。
① 用50 μmol m−2•s−1的BL处理；
② 用100 μmol m−2•s−1的BL处理；
③ 用150 μmol m−2•s−1的BL处理；
对照组：全部处于黑暗中。
测定指标：果实硬度；TSS；呼吸速率；乙烯释放量；ACS和ACO活性；淀粉含量及α/β淀粉酶活性；原果胶、水溶性果胶、纤维素和半纤维素含量；PG、PL、PE和Cx活性；转录组学分析及qRT-PCR验证为了探讨BL对猕猴桃采后成熟的影响，以商业成熟期的‘金艳’猕猴桃为材料进行试验。在室温条件下，用不同光强的BL辐照果实。果肉软化和TSS增加是猕猴桃采后成熟最明显的症状。随着贮藏时间的增加，果肉硬度降低，TSS增加（Fig. 1A-C）。与黑暗对照相比，施用50、100和150 μmol m−2•s−1BL抑制了果实软化速率、TSS积累和呼吸速率（Fig. 1A-D）。所有的BL强度均延迟采后成熟。100 μmol m−2•s−1的BL表现出最低的果肉软化速度。因此，选择100 μmol m−2•s−1BL强度进行后续分析。2 BL抑制猕猴桃采后成熟过程中乙烯释放和淀粉降解
为了探究BL对猕猴桃采后乙烯释放的影响，测定了采后贮藏期间的乙烯释放量。对照组果实在贮藏第9 d检测到乙烯，此后乙烯释放量急剧增加。BL处理显著抑制采后贮藏期间乙烯的产生（P < 0.05）（Fig. 2A）。由于ACS和ACO在乙烯生物合成中的重要性，猕猴桃采后成熟过程中ACS和ACS的酶活性被测定。BL处理显著抑制了ACS和ACO的活性（P < 0.05）（Fig. 2B and C）。淀粉降解为可溶性糖也是猕猴桃采后成熟的重要指标。BL处理抑制了猕猴桃采后成熟过程中的淀粉降解（Fig. 2D），降低了β-淀粉酶（β-amylase, BAM）活性，但在采后早期BL抑制了α-淀粉酶（α-amylase, AMY）活性，在贮藏第12 d和第15 d BL诱导了AMY活性（Fig. 2E and F），表明BAM在BL抑制猕猴桃采后淀粉降解中起重要作用。
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对照组猕猴桃中的原果胶含量在贮藏期间迅速下降，而BL处理的果实保持高水平的原果胶（Fig. 3A）。对照和BL处理的猕猴桃中可溶性果胶（water soluble pectin, WSP）含量在整个贮藏期间逐渐增加，并且BL处理的猕猴桃中WSP含量的增加低于对照组的猕猴桃（Fig. 3B）。随着贮藏时间的延长，对照和BL处理的猕猴桃果实纤维素和半纤维素含量呈显著下降趋势。在整个贮藏过程中，BL处理的猕猴桃中的纤维素含量始终高于对照组。此外，与对照组猕猴桃相比，BL处理的猕猴桃中半纤维素含量在第9-15 d保持缓慢下降趋势（Fig. 3C and D）。对照和BL处理的猕猴桃中PG活性在采后逐渐增加；然而，BL处理降低了PG活性的增加（Fig. 3E）。对照组猕猴桃的PL和PE活性迅速上升，在贮藏第9 d时达到峰值，随后持续下降。BL处理的猕猴桃在贮藏期间PL和PE的活性较低（Fig. 3F and G）。在对照和BL处理的猕猴桃中，Cx活性稳定增加，BL处理显著抑制Cx活性（Fig. 3H）。![]()
为了进一步研究BL延迟猕猴桃采后成熟的潜在调控分子机制，对样品CK 0，CK 6，CK 9，BL 6和BL 9进行了RNA-seq分析。分别对CK 0 vs. CK 6，CK 0 vs. CK 9，CK 6 vs. BL 6和CK 9 vs. BL 9进行了差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）的鉴定。在CK 0 vs. CK 6，CK 0 vs. CK 9，CK 6 vs. BL 6和CK 9 vs. BL 9中分别鉴定出了3785（1739上调和2046下调）、1814（643上调，1171下调）、3314（1669上调和1645下调）和2010（1120上调和890下调）个DEGs。此外，4组成对比较中共有的DEGs有379个。对DEGs进行Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes（KEGG）分析，以进一步了解导致4组成对比较之间差异的关键代谢途径。如Fig. 4所示，4组成对比较的DEGs富含与果实成熟软化密切相关的“淀粉和蔗糖代谢”和“植物激素信号转导”。![]()
5 猕猴桃采后成熟过程中DEGs的分析
根据KEGG分析，有4个DEGs（ACO1/2/5和ACS1）与乙烯生物合成有关，8个DEGs（AMY1和BAM1.1/1.2/1.3/3.1/3.3/3.5/9）与淀粉降解有关；它们的表达随着成熟的进展而上调，而BL处理降低了它们的表达。几个参与细胞壁代谢的基因在猕猴桃采后成熟过程中表现出剧烈的表达变化。例如，果胶甲基酯酶（pectin methylesterase, PME1/2）、多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase, PG1/2/3/4/5）、木葡聚糖内切转葡糖基酶/水解酶（xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase, XTH2/7/15/16/23/30/B）、β-半乳糖苷酶（β-galactosidase, β-Gal1/3/5/12/16）和果胶酸裂解酶（pectate lyase, PL12/18）基因在采后成熟过程中上调，并被BL处理抑制。转录因子调控着大多数下游靶基因的表达。因此，研究者从属于bHLH和MYB家族的转录组数据中选择了20个差异表达的具有光响应的转录因子基因。如Fig. 5所示，BL处理显著抑制了bHLH33/56/62/69/77/82/121和MYB1/5/308/S1在猕猴桃采后成熟过程中的表达，BL处理后bHLH14/35/130和MYB2/3/4/8/15/23的表达上调（P < 0.05）。![]()
为了进一步了解转录因子和成熟相关基因的潜在调控机制，在鉴定了20个转录因子和32个成熟相关基因的基础上构建了一个相关网络。被BL抑制表达的转录因子大多与成熟相关基因呈正相关。BL诱导表达的转录因子与成熟相关基因呈负相关，表明这些转录因子参与了BL对猕猴桃采后成熟的调控（Fig. 6）。
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检查了从RNA-seq数据中选择的参与乙烯生物合成、淀粉降解和细胞壁代谢的14个DEGs的qRT-PCR结果，以验证RNA-seq结果的可靠性。根据Fig. 7，RNA-seq和qRT-PCR显示出显著的相关性，表明RNA-seq结果被qRT-PCR证实。
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猕猴桃采收后的软化速度快，采收后的软化速度直接决定着猕猴桃的货架期、风味、食用价值。因此，延缓猕猴桃采后软化速度具有重要意义。BL处理已被应用于各种园艺产品的采后保鲜，如芒果、苹果、辣椒和柑橘。本研究中的BL处理有效地延迟了‘金艳’猕猴桃的采后软化，并将其货架期延长至约30 d（数据未显示）。研究者发现BL通过同时抑制乙烯生物合成、淀粉降解和细胞壁代谢来延缓硬度降低。乙烯对跃变型果实的成熟是必不可少的。BL调节果实内源乙烯的产生，加速或延迟乙烯高峰。桃和香蕉经BL处理后，释放的乙烯大大增加，一些与乙烯生物合成相关的基因明显上调，促进果实成熟。然而，在梨、苹果和番茄中，BL处理后乙烯的产生受到抑制，成熟延迟。本研究中，BL处理抑制猕猴桃果实的乙烯释放，ACS和ACO活性显著低于对照，且ACS和ACO活性与果实硬度呈负相关。这些结果与苹果和梨的结果相似，与桃的结果相反；因此，已观察到园艺产品采后成熟和衰老的调节因物种而异。ACS和ACO由多个基因编码，在猕猴桃中，这两个基因家族已被分离和鉴定。在猕猴桃的13个ACS和54个ACO基因中，ACS1、ACS2、ACO1和ACO2被认为是乙烯生物合成的关键基因。敲除猕猴桃中的ACO1导致乙烯产生减少、软化障碍、以及较差的香气和风味质量，并且敲除甜瓜中的ACO具有类似的结果。在本研究中，转录组分析表明，BL显著抑制了四种乙烯生物合成基因（ACS1和ACO1/2/5）的表达，表明这些基因参与了蓝光介导的猕猴桃收获后乙烯合成的抑制。梨也有类似的结果。值得注意的是，BL通过调节转录因子PuHY5和负调控乙烯的产生来抑制PuACS1的表达，从而抑制梨的果实成熟。在猕猴桃采后成熟过程中，淀粉水解为可溶性糖，降低细胞张力，促进果实软化。在苹果、菠萝和梨中，淀粉酶活性的增加可以促进淀粉降解，在果实软化中起着重要作用。在本研究中，猕猴桃贮藏期间，α-淀粉酶和β-淀粉酶均呈先升后降的趋势，且β-淀粉酶活性显著高于α-淀粉酶活性，BL辐照对β-淀粉酶活性有抑制作用。这些结果与香蕉的结果相似，表明β-淀粉酶在淀粉降解中起主要作用，α-淀粉酶起辅助作用。对于具有多个家族成员的BAMs（例如，在香蕉和猕猴桃中），外源乙烯和1-MCP可以分别促进和抑制BAM基因的表达，并且在果实成熟期间BAM1和BAM3的表达与果实中的淀粉降解表现出良好的相关性。BAM3.1/3L/9表达与猕猴桃淀粉降解呈正相关。之前的研究还发现，猕猴桃叶片中AdBAM3L的稳定过表达可以有效降低淀粉含量。在本研究中，随着贮藏时间的延长，BAM1.1/1.2/1.3/3.1/3.3/3.5/9的表达逐渐增加，BL抑制其表达，表明BAMs在猕猴桃淀粉降解过程中起关键作用。因此，BL辐照可能通过抑制BAMs的表达，延缓猕猴桃采后成熟过程中淀粉的降解。随着果实成熟，其中所含的淀粉降解，细胞壁逐渐水解，纤维素分散成细丝，果肉软化。结果表明，BL辐照延缓了原果胶和纤维素的水解，表明BL可以通过抑制细胞壁的降解而延缓猕猴桃的成熟和软化。细胞壁代谢相关基因的表达水平与果实软化有关。此外，在猕猴桃中，PG1和β-Gal1被发现是采后成熟和软化的重要候选基因。果实中的XTH基因也已被广泛分离和鉴定，XTH5基因在番茄中的表达与果实成熟软化显著正相关。柿子DkXTH8基因在番茄中的过表达可加速果实软化。从猕猴桃果实中分离到14个XTH基因，其中XTH4/5/7与果实成熟高度相关。本研究从转录组数据库中获得了几个与细胞壁降解相关的基因，其表达量随着果实成熟和软化而增加，而BL辐照对这些基因的表达有抑制作用；这些研究结果表明BL可能通过抑制细胞壁降解相关基因的表达延缓猕猴桃采后成熟过程中细胞壁的降解，从而延缓果实软化的进程。本研究探讨了BL辐照对猕猴桃采后成熟和软化的影响。BL照射延缓了硬度、原果胶、纤维素和半纤维素的降低，抑制了TSS、呼吸速率、乙烯产生和水溶性果胶含量的增加。转录组学分析揭示了33个与乙烯生物合成、淀粉降解和细胞壁代谢相关的DEGs，这些DEGs可能是猕猴桃成熟软化的关键候选基因。这些基因可能直接或间接地响应BL辐射，并进一步调控采后成熟，其具体机制有待进一步研究。总之，这些研究结果为猕猴桃采后贮藏提供了一种新的，天然的，无污染的防腐剂。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.lwt.2024.116105《猕猴桃加》微信公众号所使用的文章和图片属于相关权利人所有，因客观原因，如存在不当使用的情况，敬请相关权利人随时与我们联系及时处理。欢迎转发朋友圈，如需转载，请标明“转载自《猕猴桃加》”。邀稿：【猕猴桃加】诚邀猕猴桃相关领域专家、业内人士及广大师生在我们的平台上发布与猕猴桃相关的科研、资讯等内容。（投稿请联系vx：kiwifruitplus）交流沟通：欢迎所有关心和对祖国猕猴桃事业感兴趣的小伙伴们一起进行沟通交流。可以通过公众号给小编留言或者私戳（vx：kiwifruitplus）。转载合作：可以通过vx:kiwifruitplus或【猕猴桃加】邮箱(mihoutaojia517@163.com)联系我们。
