中國科學院植物研究所破解果實衰老腐敗的秘密

　　 “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，需要官方驛站快馬加鞭。而如今荔枝、香蕉、獼猴桃，這些容易“爛”的水果經過科學的保鮮方式，從千里之外可以活色生香地出現在我們的餐桌上。

　　 當你在大快朵頤鮮美的水果時，有沒有想過為什么有的水果采摘之后，很快會變質呢？為什么有些水果采摘后越早吃味道越好？而有些水果卻要放一放，才好吃呢？水果衰老與品質劣變的秘密到底是什么？我們能否延長水果保鮮時間呢？

　　 這些生活的常識問題，看似有些“鉆牛角尖”，但背后卻蘊藏著巨大的科學意義和經濟價值。

　　 據了解，我國是世界水果生產和銷售的第一大國，水果產值達到5000億元/年，占種植業的20%，在農業中具有舉足輕重的作用。但是，我國每年有20%—40%新鮮水果因采后品質劣變而失去商品價值，直接經濟損失超過1000億元。

　　 果實品質保持受制于自身成熟衰老的調控，也與病原菌引起的腐爛密切相關。因此，深入系統研究果實成熟衰老調控機理與病原菌致病機制，不僅對豐富果實采后生物學知識具有重要意義，而且為研制防病保鮮新技術、減少果實采后損失和確保果實優質安全品質奠定了理論基礎。

　　 對此，中國科學院植物研究所田世平研究組通過二十年的不懈研究，終于破解了果實成熟的節點基因RIN的作用機制，闡明了RIN通過直接控制果實芳香物質代謝及泛素/蛋白酶體途徑調控果實成熟，為認識RIN調控果實成熟與品質的分子網絡提供了新證據。這對于揭示果實成熟調控網絡，研制新型果實貯藏保鮮技術具有重要意義。在2016年北京市科學技術獎評選中，該項目榮獲二等獎。

　　 采摘下來的水果依然有呼吸

　　 想了解水果為何會腐敗，首先得知道，與人一樣，水果也會“呼吸”。

　　 其實水果被采摘下來后并沒有死，它內部的生理活動并不會馬上停止，它們還有呼吸，還“活著”。研究發現，不同種類的果實，其呼吸具有不同的特點。根據呼吸模式的不同，可以將果實分為“躍變型”和“非躍變型”兩類。

　　 “躍變型的果實，從成熟到衰老的過程中，有一個呼吸強度快速增加、內源乙烯大量產生的階段，稱為呼吸高峰，經過呼吸高峰后，果實就會很快衰老。”中國科學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果實從成熟到后熟的一種生理過程，之后果實將進入衰老。

　　 蘋果、香蕉、芒果、獼猴桃、西紅柿等，都屬于躍變型果實。躍變型果實有一個“后熟”的過程。當內源乙烯大量產生時，由于乙烯是一個調控果實成熟啟動的重要因子，果實內部就會發生一系列變化：淀粉轉變成糖，有機酸分解，果實酸度下降，果膠酶活性提高使果膠分化、果肉變軟，這樣果實就變得很好吃了。

　　 “我們都知道，從樹上采下的柿子要放一段時間再吃就沒有澀味了，就是這個道理。”田世平說。

　　 與躍變型果實不同，另一類果實在其發育過程中沒有呼吸高峰的出現，呼吸強度在其成熟過程中緩慢下降或基本保持不變，此類果實稱為非躍變型果實，貯運這類果實時，采收成熟度可適當晚些。“葡萄、柑橘和草莓就是非呼吸躍變型果實。”田世平說。

　　 在呼吸躍變期間，果實體內的生理代謝發生了根本性的轉變，是果實由成熟向衰老轉化的轉折點，所以，躍變型果實貯運時，一定要在呼吸躍變出現以前進行采收。

　　 果實成熟調控機制研究對提高果實品質、優化貯藏保鮮技術具有很大的指導意義。近年來，有關果實成熟的轉錄調控已有較多報道，鑒定到多個重要的轉錄因子，對它們的作用機制也進行了較多研究。然而，人們對果實成熟的轉錄后調控卻知之甚少。

　　 首次闡釋控制果實成熟的機制

　　 “以前大家都認為果實衰老與乙烯相關，但其中的調控機制并不完全清楚，可謂知其然，不知其所以然。”田世平告訴記者。

　　 近年來，隨著調控果實成熟的多個轉錄因子的鑒定，成熟轉錄調控已成為國際研究熱點。其中RIN是MADS-box轉錄因子家族成員之一，位于乙烯信號的上游。RIN突變后，果實不能正常成熟，說明RIN是調控果實成熟的節點基因。然而關于RIN調控的分子網絡和作用機制并不完全清楚。

　　 課題組通過比較野生型和RIN突變體中差異表達的蛋白，鑒定到126個潛在的RIN作用靶標。利用染色質免疫共沉淀技術（ChIP）和凝膠阻滯（EMSA）實驗揭示其中6個基因的啟動子區與RIN發生特異性結合，其中3個芳香物質代謝（LOX）途徑的關鍵酶基因是被首次報道。

　　 “這個研究結果首次闡明了RIN通過直接調控多個下游靶基因來控制果實芳香物質的形成和控制果實成熟。”田世平說。

　　 RIN既然作為果實成熟的節點基因，必然也能調控眾多靶基因和相關的代謝途徑。課題組再接再厲，在前期研究的基礎之上，進一步通過細胞核定量蛋白質組學技術分析了受RIN調控的其他靶標基因，在差異表達的127個蛋白中，證明了泛素/蛋白酶體途徑中2個重要的泛素結合酶基因是RIN的直接靶標。

　　 “這兩個基因沉默后，果實不能著色，成熟延遲。”田世平說，在植物中，泛素介導的蛋白質降解途徑已被證明參與多個重要的細胞過程，包括激素信號途徑、生長發育和抗病反應等，而本研究首次報道泛素/蛋白酶體途徑中的重要成員E2s參與了果實成熟調控。

　　 探明誘發果實衰老的誘因

　　 衰老是繼成熟之后果實生命過程的重要階段，直接影響果實采后品質保持。因此，探明誘發果實衰老的誘因對研制有效的保鮮技術至關重要。

　　 “我們從人體衰老機制的研究中得到了啟發。”田世平告訴記者，“許多研究證明了活性氧（ROS）是誘發生物體衰老的重要因子，ROS易攻擊蛋白質等生物大分子，使其發生降解或失去生物學活性，而ROS的作用機制一直是亟待探明的科學問題。”

　　 課題組系統研究了果實衰老過程中線粒體蛋白的表達變化，發現在促發ROS產生的氧化脅迫下，許多重要的線粒體蛋白（線粒體外膜蛋白、三羧酸循環相關蛋白以及抗氧化酶蛋白等）將出現氧化損傷，特別是外膜通道蛋白porin的異常變化導致線粒體膜電位改變、外膜破損，破壞線粒體功能，加速果實衰老進程。

　　 課題組首次揭示了線粒體外膜蛋白porin是ROS攻擊的靶標，并明確了參與果實衰老應答的線粒體蛋白種類、功能及其在線粒體上的分布。

　　 這些結果說明線粒體蛋白的氧化損傷改變了蛋白質原有的生物學功能是促發果實衰老的重要誘因，ROS是通過氧化修飾特定線粒體蛋白，誘發氧化損傷來促發果實衰老。

　　 此外，衰老也降低果實自身的免疫力，使果實容易感染各種病害。為了提高果實自身抗病性和抵御病原菌侵染，課題組還系統研究了水楊酸、茉莉酸甲酯、草酸等外源信號分子對果實衰老抑制和抗病性誘導的效果及其作用機制，發現這些信號分子是通過抑制乙烯合成途徑的關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，還通過誘發PR和抗氧化蛋白和相關基因的表達，提高果實的免疫力，抵御病原菌侵染。

　　 這些結果首次證明植物信號分子對果實抗性誘導的作用，明確了它們的最佳使用濃度，并解析了其誘導果實抗性的作用機制。

　　 找到了果實腐爛衰敗的原因后，對研制防病保鮮新技術、減少果實采后損失提供了理論指導。如今，田世平課題組的研究成果已經在國內多個省市得到應用。

　　 據了解，目前果實保鮮一般有傳統冷庫、氣調保鮮庫以及1-MCP等方法。

　　 與傳統冷藏庫不同，氣調保鮮庫是人為控制貯藏庫中氮氣、氧氣、二氧化碳的比例，通過降低氧濃度和提高二氧化碳濃度來抑制貯藏庫中果蔬產品的呼吸強度，延緩其新陳代謝過程，達到保鮮效果。

　　 氣調庫效果雖好，但對操作技能要求很高，如果貯藏庫中氧氣和二氧化碳比例的調控出現偏差，就會傷害果實，便不能達到保鮮效果。而且，一旦開庫出貨，外界空氣進入倉庫，改變了氣調庫原有的氧和二氧化碳濃度，也會影響貯藏效果。

　　 “水果的貯藏要在一個恒定的環境，如果頻繁的開關門，會影響品質。”田世平說。

　　 1-MCP是近年來發現的一種新型乙烯受體抑制劑，它能與乙烯受體結合，從而阻斷乙烯的生物合成。在國外， 1-MCP做為花卉果蔬保鮮劑已得到廣泛應用。

　　 將1-MCP與低溫貯藏相配合，可以降低貯藏成本，保持果實品質，而且1-MCP具有無毒、低量、高效等優點，在果蔬貯藏保鮮上有著廣闊的發展前景。課題組與陜西華圣果業集團公司合作，將1-MCP保鮮技術應用于蘋果采后貯藏，不僅提高蘋果的保鮮效果，還降低成本。該項技術還推廣應用到國內多個水果基地，大大提高了水果的保鮮效果。

　　 “在保鮮理論的指導下，我們根據不同果實生理特點研發的保鮮技術，已經在多種水果上應用，果實的保鮮延長了，而且風味十分好，你甚至可以看到，在長時間保存后葡萄梗上的綠色依然翠綠。”田世平說。