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(zhì)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(zhì)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(xué)意義和經(jīng)濟價值。

    據(jù)了解，我國是世界水果生產(chǎn)和銷售的第一大國，水果產(chǎn)值達到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，我國每年有20%—40%新鮮水果因采后品質(zhì)劣變而失去商品價值，直接經(jīng)濟損失超過1000億元。

    果實品質(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)研究果實成熟衰老調(diào)控機理與病原菌致病機制，不僅對豐富果實采后生物學(xué)知識具有重要意義，而且為研制防病保鮮新技術(shù)、減少果實采后損失和確保果實優(yōu)質(zhì)安全品質(zhì)奠定了理論基礎(chǔ)。

    對此，中國科學(xué)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(jié)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(zhì)代謝及泛素/蛋白酶體途徑調(diào)控果實成熟，為認識RIN調(diào)控果實成熟與品質(zhì)的分子網(wǎng)絡(luò)提供了新證據(jù)。這對于揭示果實成熟調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，研制新型果實貯藏保鮮技術(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(nèi)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(fā)現(xiàn)，不同種類的果實，其呼吸具有不同的特點。根據(jù)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(nèi)源乙烯大量產(chǎn)生的階段，稱為呼吸高峰，經(jīng)過呼吸高峰后，果實就會很快衰老。”中國科學(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(nèi)源乙烯大量產(chǎn)生時，由于乙烯是一個調(diào)控果實成熟啟動的重要因子，果實內(nèi)部就會發(fā)生一系列變化：淀粉轉(zhuǎn)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(fā)育過程中沒有呼吸高峰的出現(xiàn)，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(nèi)的生理代謝發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，是果實由成熟向衰老轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)折點，所以，躍變型果實貯運時，一定要在呼吸躍變出現(xiàn)以前進行采收。

    果實成熟調(diào)控機制研究對提高果實品質(zhì)、優(yōu)化貯藏保鮮技術(shù)具有很大的指導(dǎo)意義。近年來，有關(guān)果實成熟的轉(zhuǎn)錄調(diào)控已有較多報道，鑒定到多個重要的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄后調(diào)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(guān)，但其中的調(diào)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(diào)控果實成熟的多個轉(zhuǎn)錄因子的鑒定，成熟轉(zhuǎn)錄調(diào)控已成為國際研究熱點。其中RIN是MADS-box轉(zhuǎn)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(diào)控果實成熟的節(jié)點基因。然而關(guān)于RIN調(diào)控的分子網(wǎng)絡(luò)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(zhì)免疫共沉淀技術(shù)（ChIP）和凝膠阻滯（EMSA）實驗揭示其中6個基因的啟動子區(qū)與RIN發(fā)生特異性結(jié)合，其中3個芳香物質(zhì)代謝（LOX）途徑的關(guān)鍵酶基因是被首次報道。

    “這個研究結(jié)果首次闡明了RIN通過直接調(diào)控多個下游靶基因來控制果實芳香物質(zhì)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(jié)點基因，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，進一步通過細胞核定量蛋白質(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(jié)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(dǎo)的蛋白質(zhì)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(fā)育和抗病反應(yīng)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(diào)控。

    探明誘發(fā)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(zhì)保持。因此，探明誘發(fā)果實衰老的誘因?qū)ρ兄朴行У谋ｕr技術(shù)至關(guān)重要。

    “我們從人體衰老機制的研究中得到了啟發(fā)。”田世平告訴記者，“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的作用機制一直是亟待探明的科學(xué)問題。”

    課題組系統(tǒng)研究了果實衰老過程中線粒體蛋白的表達變化，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(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)果實衰老的重要誘因，ROS是通過氧化修飾特定線粒體蛋白，誘發(fā)氧化損傷來促發(fā)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(tǒng)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(dǎo)的效果及其作用機制，發(fā)現(xiàn)這些信號分子是通過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，還通過誘發(fā)PR和抗氧化蛋白和相關(guān)基因的表達，提高果實的免疫力，抵御病原菌侵染。

    這些結(jié)果首次證明植物信號分子對果實抗性誘導(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(shù)、減少果實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)在國內(nèi)多個省市得到應(yīng)用。

    據(jù)了解，目前果實保鮮一般有傳統(tǒng)冷庫、氣調(diào)保鮮庫以及1-MCP等方法。

    與傳統(tǒng)冷藏庫不同，氣調(diào)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(chǎn)品的呼吸強度，延緩其新陳代謝過程，達到保鮮效果。

    氣調(diào)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(diào)控出現(xiàn)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(diào)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(huán)境，如果頻繁的開關(guān)門，會影響品質(zhì)。”田世平說。

    1-MCP是近年來發(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，保持果實品質(zhì)，而且1-MCP具有無毒、低量、高效等優(yōu)點，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。該項技術(shù)還推廣應(yīng)用到國內(nèi)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(dǎo)下，我們根據(jù)不同果實生理特點研發(fā)的保鮮技術(shù)，已經(jīng)在多種水果上應(yīng)用，果實的保鮮延長了，而且風(fēng)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。