果蔬在采后运输、零售、贮藏过程中进行着以呼吸作用为主导的生理代谢活动,导致自身营养物质消耗,果蔬抗病能力下降,外观品质下降,造成经济损失。低温贮藏是当前最常用的果蔬采后保鲜和贮藏方法,可有效降低采后果蔬的呼吸作用,延缓衰老,提高果蔬贮藏品质。然而,冷敏型果蔬对低温极其敏感,若温度控制不当,很容易出现冷害症状,冷害指暴露于冰点以上不适宜温度下对低温敏感的植物器官的生理损伤,如组织损伤、质量劣变及营养物质流失,是低温胁迫下冷敏型果蔬的一种不良反应。我国果蔬种类繁多,冷敏型果蔬约占50%,每年采后经济损失达上千亿元,其中冷害造成的损失约1/3以上[1]。因此,低温贮藏中冷害问题仍是制约我国果蔬产业发展的关键问题,亟需阐明采后果蔬冷害发生的机制及开发有效的冷害调控技术。
近年来,为了减少果蔬采后损失,提高果蔬贮藏品质,国内外学者借助分子生物学技术从分子领域深入研究冷害发生机制,并相应地开发了一系列冷害调控新技术。本文概括了果蔬冷害发生的主要机制,详细阐述了冷害调控技术的前沿进展,包括物理(高湿贮藏、低温预贮、热处理、间歇升温、近冰温贮藏、气调贮藏)、化学(乙烯和1-甲基环丙稀、茉莉酸甲酯和水杨酸、褪黑素、一氧化氮)和生物技术(诱导抗冷基因表达及调节植物激素生物合成来增强低温耐受性),揭示了不同采后调控技术主要通过保护细胞膜结构、增强抗氧化系统、维持能量供给平衡、调节细胞壁物质代谢及激活CBFs基因表达等增强果蔬抗冷性,最后从研究方向和调控技术方面进行了展望,可为低温贮藏中减轻采后果蔬冷害的发生及调控提供理论参考。
1 果蔬采后冷害发生机制
1.1 冷害的发生
冷敏型果蔬在低温贮藏中容易发生冷害,冷害的临界温度及症状因种类而异(表1)。冷害发生在植物生长发育的所有阶段,主要取决于温度、暴露阶段、成熟度和贮藏时间等。冷害症状因种类、品种、栽培条件(土壤、气候、水分等)及贮藏温度等而异。在微观层面下,果蔬冷害的症状一般表现为叶绿体解体、线粒体膜受到破坏、淀粉粒和核糖体的数量减少,使得脂滴在叶绿体中积累。在宏观的层面下,冷害的症状表现为表皮凹陷、颜色不均一及点状蚀斑、内部出现明显的果肉褐变等,另外,受到冷害的果实不能正常后熟且衰老进程加快[2]。
表1 常见采后果蔬的冷害临界温度和明显症状[4-5, 8-11]
Table 1 Critical temperature of chilling injury and obvious symptoms in common postharvest fruits and vegetables[4-5, 8-11]
果蔬种类冷害临界温度/℃冷害明显症状鳄梨(牛油果)13果皮有不规则的棕色,深棕色斑块。柑橘10表面点状斑,组织出现水渍状。桃和油桃8内部果肉褐变,出现粉状口感及汁液减少。菠萝(凤梨)10剥皮变色,果肉水浸状及果心逐步变褐。火龙果8不均匀的棕色斑点,果皮出现枯萎。甜椒7浅表凹陷,水渍以及种子变黄。甘薯10表面凹陷,内部褐变及颜色变暗。西葫芦7表面点蚀,脱水软化和果皮褐变。茄子12表皮凹陷和烫伤,果肉变黄,种子变暗果柄脱落。梅10表面凹陷。香蕉13果皮表面为褐色,不能正常后熟,丧失部分香气。番茄(成熟)12颜色不均匀有斑点,表面点蚀及过度软化。猕猴桃5出现棕色和黑色皮,表皮凹陷,水浸及皮下组织褐化。番石榴13不能正常后熟,表面和肉体变色。李15果肉褐变和透明,风味淡化。芒果10外果皮有明显的棕色斑点和凹陷,中果皮成熟和颜色变化不均匀。哈密瓜10表皮变色,棕色斑点,出现凹坑和表面浸水。番木瓜8表皮的凹坑,肉体浸泡,异常成熟和丧失部分香味。杏15果皮水渍斑,果肉褐变及絮败。秋葵9出现褐色和凹陷,斑点状腐蚀。竹笋5肉棕色和水渍状。黄瓜7～10表面的凹陷和深色的水样斑块,失水萎薦。枇杷5果皮与果肉粘住,果肉内部褐变。红毛丹8果皮褐变,荆棘变成棕色。
低温贮藏中果蔬冷害发生受内在因素(种类、品种及采收成熟度等)和外在因素(贮藏温度、相对湿度及持续时间等)影响。内在因素中最重要的一点是原产地,产于热带的果蔬,因生长环境温度及湿度较大,当处于不适宜低温时极易表现出冷害症状。成熟度对冷害发生的影响也非常重要。孔祥佳等[3]研究了低温贮藏期间不同成熟度的橄榄果实,发现成熟度高的果实往往可以保持较低的细胞壁酶活力和冷害指数,延缓后期水溶性果胶和半纤维素的降低,维持果实细胞壁的完整,减轻冷害发生。外界因素中温度和贮藏时间是最重要的调控条件,刘同业等[4]在低温贮藏中发现贮藏温度越低、时间越长,冷害症状越明显。解越等[5]通过降温曲线法证实2 ℃下贮藏的黄瓜,贮藏时间越长,冷害越明显。此外,相对湿度也是影响冷害发生的重要外在因素,它能直接影响果蔬贮藏期间的水分变化情况。ZUO等[6]将西葫芦果实贮藏在不同相对湿度(relative humidity,RH)(近饱和96%～100% RH,72%～76% RH)下进行研究,发现96%～100% RH处理组的果实抗氧化酶活性和自由基清除能力更高,不饱和脂肪酸的下降过程明显延迟,有效抑制了冷害发生。曹婷婷等[7]研究了干雾控湿贮藏对茄子冷藏期品质的影响,发现控湿贮藏抑制了活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生,提高了茄子抗氧化酶活性,显著降低茄子冷害指数。近年大量研究发现高湿冷库贮藏可有效保持叶菜类蔬菜的外观及营养品质,显著抑制贮藏期间冷害的发生,说明湿度是果蔬贮藏保鲜中的关键因素,相应地,控湿技术具有良好的应用潜力。
1.2 冷害对细胞膜的影响
LYONS[12]提出“膜脂相变假说”,认为细胞膜构象和结构改变是果蔬冷害的最初反应,低温胁迫首先导致细胞膜上的磷脂分子发生变化,膜脂不饱和脂肪酸含量下降,随后膜透性增大,膜结构和功能紊乱,如电解质泄露,进而引发一系列次级反应(图1)。细胞膜上的脂类是由不同含量及饱和度的脂肪酸构成,果蔬通过调节膜脂不饱和脂肪酸/饱和脂肪酸维持膜的流动性,来适应低温环境。研究表明,增加不饱和脂肪酸的含量可降低细胞膜脂类发生相变反应,从而避免果蔬遭受低温损伤。脂肪酸去饱和酶是增加膜不饱和度的酶,酶活性通过增加构成细胞膜的脂质双分子层脂肪酸的不饱和程度,使果蔬不饱和脂肪酸/饱和脂肪酸增加,降低冷害发生率[13]。PINHERO等[14]认为,磷脂酶D(phospholipase D,PLD)和脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)活性的增加是导致不饱和脂肪酸降解和细胞膜完整性降低的主要原因。此外,研究还表明膜脂质成分通常与膜结构和稳定性相关,膜脂质中固醇和磷脂的比例增加,细胞膜的流动性下降,导致酶代谢等生理过程受到抑制,出现冷害症状[15]。综上所述,通过降低PLD和LOX酶活性,诱导脂肪酸去饱和酶活性,增加不饱和脂肪酸含量,对于保持细胞膜的流动性和正常功能,降低果蔬冷害的发生具有重要的意义。
图1 低温胁迫下细胞膜的完整性和构象变化的机制
Fig.1 The mechanism of cell membrane integrity and conformational changes under low temperature stress
1.3 冷害对ROS的影响
当冷敏型果蔬遭受低温胁迫后,导致植物体内大量ROS积累,这类物质活性很强,以超氧阴离子
过氧化氢(H2O2)等主要形式存在。如果不及时清除,会加速细胞膜脂质过氧化,产生有毒的丙二醛(malondialdehyde,MDA);同时,引起核酸、蛋白质和脂质的损伤,细胞膜失去原有的功能,使机体处于氧化应激状态,最终导致果蔬发生冷害[16]。而超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)、过氧化物酶(peroxidase, POD)以及抗坏血酸-谷胱甘肽循环(AsA-GSH循环)等是果蔬体内ROS代谢的主要系统。
在SOD、POD和CAT共同作用下被降解成H2O和O2[17],保持了细胞膜结构的稳定性。谷胱甘肽(glutathione, GSH)是细胞内最重要的抗氧化物,其巯基可以接受自由基的电子,在AsA-GSH循环中协助AsA消除
防御脂质过氧化,避免ROS对DNA、RNA和膜系统的损伤,有效增强了低温下果蔬对氧化应激的抵抗作用,维持了细胞膜的正常功能。值得注意的是,GSH和AsA不仅能直接与ROS进行还原反应,清除ROS;同时又可与抗氧化酶共同发挥作用,帮助清除ROS。可见,植物处于低温状态时,抗氧化系统的协调作用对于维持ROS代谢平衡,保护膜正常功能及防止细胞膜的伤害起到关键的作用。赵昱瑄等[18]利用短时热处理对黄瓜进行处理,显著提高了贮藏期CAT、POD和SOD等抗氧化酶的活性及ROS清除能力,减轻贮藏期黄瓜冷害。由此表明,保持抗氧化酶的活性及维持AsA等含量,可以清除过量ROS,减轻MDA的积累,有助于缓解采后冷藏期间果蔬的冷害。
1.4 冷害对线粒体的影响
冷胁迫下果蔬组织会消耗更多的能量抵御外界环境,线粒体是细胞能量代谢的基础,采后果蔬的生命主要靠能量维持,当果蔬受低温伤害时会引起线粒体结构受损,使内膜上维持呼吸和能量代谢平衡的相关酶活性下降,抑制ATP合成,而ATP不足诱导膜脂过氧化,产生过多的自由基,加速细胞膜的损伤,导致果蔬冷害现象越严重[19]。H+-ATPase、Ca2+-ATPase、琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase,SDH)和细胞色素氧化酶(cytochrome oxidase,CCO)是线粒体中与呼吸及能量代谢紧密相关的酶,在能量的合成中起重要作用,其活性的下降导致线粒体结构和功能破坏,显著抑制了采后果蔬ATP的生成,降低能荷水平,促使果蔬冷害发生。其中SDH和CCO酶活性受到抑制时,引起线粒体不能正常发挥其功能,H+-ATPase和Ca2+-ATPase位于线粒体内膜中,在维持膜内外离子平衡起关键作用,是线粒体结构和功能变化的指标[20]。ZHANG等[21]用不同形式的1-甲基环丙烯(1-methylcyclopropene,1-MCP)处理油桃,发现保持了SDH、CCO、H+-ATPase和Ca2+-ATPase酶的活性及更高的ATP和ADP含量,有效缓解了冷害的发生,提高了桃果实的品质。综上,通过对线粒体代谢相关酶活性的调节,维持果蔬较高的ATP,有助于降低低温环境对果蔬造成的冷害损伤,从而提高果蔬抗冷害能力,减轻果蔬冷害症状。
1.5 冷害对细胞壁的影响
在低温胁迫下细胞壁物质代谢出现异常,无法正常后熟而汁液减少。细胞壁的主要成分是果胶和纤维素等,果胶在促进细胞间黏附方面发挥重要作用,纤维素对细胞有保护作用,细胞壁物质的含量决定采后果实的质地。解越等[5]在降温曲线法对黄瓜冷害的研究中发现,在低温胁迫下黄瓜细胞组织胞间层增大,细胞壁变薄,次生壁降解并最终消失,引起细胞组织遭到破坏,最终导致果实软化。这主要是低温环境中细胞壁的β-半乳糖苷酶(β-galactosidase,β-Gal)、果胶甲酯酶(pectinmethylesterase,PME)、多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase,PG)和纤维素酶(cellulase,Cx)活力变化异常,加速细胞壁物质降解,造成细胞胞间层结构改变,细胞壁结构被破坏,果蔬出现冷害症状。其中,β-Gal水解细胞壁半乳糖苷键,降解果胶和半纤维素,PME和PG一起协同水解原果胶,Cx使纤维素降解,导致细胞壁解体[3-4]。沈丽雯等[22]认为热处理能抑制黄瓜细胞壁降解酶的活性,从而使细胞壁的组分降解速度变慢,维持细胞壁结构完整性,减轻果实软化及冷害症状。由此可见,调控采后果蔬细胞壁代谢酶活性及维持组成细胞壁物质的含量,有利于细胞壁结构和功能的稳定,减轻采后果蔬的冷害。
2 果蔬冷害调控技术
果蔬冷害的机制和调控技术在采后果蔬贮藏中变得越来越重要。研究人员已经探索了调控冷害的物理方法、化学方法及生物技术,以延长低温下冷敏型果蔬的保质期,提高贮藏期采后果蔬良好的品质(表2)。
表2 不同调控技术减轻采后果蔬冷害的作用机制[7, 23-46]
Table 2 Mechanism of different regulation technologies in reducing chilling injury of postharvest fruits and vegetables
调控技术主要果蔬作用机制高湿贮藏青椒、黄瓜、茄子、西葫芦提高抗氧化活性,保持高的自由基清除能力,减轻贮藏期冷害指数,降低贮藏期质量损失率,维持较高的营养物质。低温预贮黄瓜、茄子、猕猴桃、枇杷、鳄梨、葡萄柚、柠檬、番木瓜、番茄降低电解质泄漏、MDA含量、LOX活性,增加可溶性固形物含量,保持膜完整性。热处理桃、柑橘、枇杷、番茄、黄花梨、黄瓜、猕猴桃提高抗氧化酶活性,抑制MDA含量、降低腐烂率及细胞膜受损程度。间歇热处理血橙、甘薯、西葫芦提高抗氧化酶的活性,维持果实内ROS代谢平衡,抑制MDA的积累,降低腐烂率。近冰温贮藏杏、苹果、冬枣、黄花梨、樱桃、西兰花、杏、人参果提高抗氧化酶活性,抑制H2O2和·O-2产生,保护膜结构的损伤,抑制膜渗透率和MDA含量。气调贮藏白蘑菇、番茄提高抗氧化酶活性,降低线粒体膜流动性,诱导抗氧化酶相关基因的表达,保护膜的完整性。乙烯和1-甲基环丙烯梨、香蕉、番茄、枇杷、葡萄、李子、猕猴桃、油桃抑制MDA含量、LOX和PLD酶活性的上升,从而降低了膜过氧化,保证细胞膜的流动性。茉莉酸甲酯和水杨酸青圆椒、草莓、黄瓜维持ROS代谢平衡,提高总抗氧化的能力,诱导热休克蛋白基因的表达,抑制营养物质的降低,保护细胞膜完整性。褪黑素石榴、杏、南果梨、甜椒、桃子提高抗氧化酶活性,有效抑制了细胞膜渗透率、·O-2和H2O2的积累,减少了细胞结构损伤,抑制细胞壁降解酶活性。一氧化氮葡萄、桃、西葫芦、枇杷、香蕉降低内部褐变指数,MDA含量,电解质泄漏,脂氧合酶活性及调节细胞壁和脂质代谢。
2.1 物理方法
2.1.1 高湿贮藏
高湿贮藏是将采后果蔬置于相对湿度为95%～99%的高湿环境中,在菠菜、韭菜、草莓、脐橙、番茄、奶白菜、番石榴、黄瓜等果蔬的保鲜中已得到广泛应用,可以明显降低贮藏期质量损失率,维持较高的营养物质,从而减轻采后果蔬冷害发生,高湿贮藏在果蔬低温保鲜中前景广阔。曹婷婷等[7]认为高湿贮藏能提高抗氧化酶活性,抑制H2O2和的积累,保持较高的ROS清除能力,减轻贮藏期茄子的冷害指数。张萌等[23]研究发现高湿贮藏可提高青椒抗氧化活性,抑制相对电导率的上升,降低冷害的发生,保持青椒在贮藏期较高的营养成分。贾雯茹等[24]利用高湿贮藏黄瓜,结果表明,高湿贮藏显著降低了贮藏期黄瓜MDA含量,提高CAT、POD等抗氧化酶活性,维持了ROS代谢平衡,从而减轻冷害发生。上述结果表明,高湿贮藏通过维持ROS代谢平衡,减轻低温贮藏期冷害的发生。
2.1.2 低温预贮
低温预贮是将果蔬在温度略高于冷害临界温度的环境下冷藏一段时间,能够有效增强采后果蔬抗寒能力,减少果蔬贮藏时冷害的发生。其特点是无污染、操作简单且成本低,已在枇杷、鳄梨、葡萄柚、柠檬、番木瓜、木瓜、番茄、西葫芦和水蜜桃等果蔬中得到证实。SHI等[25]研究发现低温预贮提高了POD、CAT的活性及相对基因的表达,抑制了MDA的积累,延缓了冷害发生,保持了低温贮藏期茄子的外观品质。ZHANG等[26]通过低温预贮处理芒果,结果表明,低温预贮处理可降低芒果果实电解质泄漏,MDA含量,增加可溶性固形物含量,保持膜的完整性,有效抑制冷害发生。马秋诗等[10]用低温预贮处理‘红阳’猕猴桃,有效减少MDA的积累,降低LOX活性,提高POD活性,促进CBFs转录因子表达,减轻了果实冷害。由此可见,低温预贮增强耐寒性机制可能是提高了抗氧化酶活性和诱导基因的表达,防止了氧化损伤对低温贮藏期间果蔬冷害的影响。
2.1.3 热处理
热处理是将采后果蔬置于30～60 ℃热水或热蒸汽下进行预先处理一段时间,延缓采后果蔬成熟速度,抑制降解酶活性,从而保持果蔬良好的品质。研究者推荐使用短时热处理,因为短时热处理是一种方便、低成本的方法,可以减少果蔬采后的腐烂,保持果蔬良好的品质属性。研究表明,热处理能提高柑橘、枇杷、番茄、黄皮果实、黄花梨等抗氧化酶体系的活性,减轻冷害的发生。赵昱瑄等[18]利用短时热处理对黄瓜不同部位进行处理,发现热处理通过提高抗氧化酶活性,抑制MDA含量,最终诱导黄瓜果实抗冷性,降低贮藏期的冷害指数,保持果实较好的品质。MA等[27]通过不同温度的热处理处理猕猴桃发现35 ℃和 45 ℃下细胞膜受损程度低,减缓了果蔬的冷害现象,55 ℃处理时反而起到相反的作用,细胞膜受损严重,冷害的指数升高,可能是长时间处理的副作用。这说明热处理的温度过高或时间过长,果蔬的热应力会积累,可能会造成热损伤,出现果皮变色和抗氧化能力降低。因此,利用热处理缓解采后果蔬冷害的关键是找到一个合适的时间和温度。
2.1.4 间歇热处理
间歇热处理是采用多次短时的方法进行处理,使果蔬体内发生多次温度变化,避免热应力的累积,防止果蔬热损伤,此技术已取得良好的应用。闫凯亚等[16]采用间歇热处理鲜切甘薯,甘薯冷害指数低于连续热处理和对照,提高了甘薯贮藏期抗氧化酶的活性,减少了MDA的积累,从而降低了冷害发生。董桂君等[28]发现间歇热处理比连续热处理更利于诱导西葫芦内SOD和CAT等抗氧化酶活性,维持果实内ROS代谢平衡,抑制MDA的积累,降低了冷害指数,减少了果实细胞膜的损伤,防止冷害的发生。程玉娇等[29]使用不同温度对血橙进行回温热处理,结果表明,5 ℃处理组明显降低了腐烂率,保持了较好的色泽,维持了ROS代谢平衡,减轻了冷害的发生。由此表明,适宜的温差变化能促进果蔬应激反应的产生,降低冷害指数。今后应深入研究不同果蔬间歇热处理的回温时间和次数等参数,间歇热处理在果蔬冷害方面有广阔的前景。
2.1.5 近冰温贮藏
生物组织在0 ℃以下和实际冰点以上的温度范围称为近冰温(near-freezing temperature,NFT)区,果蔬的贮藏温度控制在NFT下,果蔬的组织细胞处于非冷冻状态,最大限度的降低了呼吸代谢,抑制微生物的生长。NFT技术已应用于杏、苹果、冬枣、黄花梨、樱桃、西兰花等果蔬的低温保鲜中。ZHAO等[30]用NFT对樱桃进行贮藏,研究表明NFT贮藏可显著提高抗氧化酶的活性,抑制H2O2和的产生,降低LOX酶的活性,维持果实细胞膜的稳定,减轻冷害的发生。LI等[2]发现NFT贮藏显著抑制了杏果实细胞降解酶的活性,延缓了水溶性果胶溶解及纤维素的降解,抑制了膜渗透率和MDA含量,透射电子显微镜成像显示,延迟了细胞壁和叶绿体分解,有效降低冷害指数,提高杏果实的耐寒性。NFT技术在采后果蔬冷害方面受到越来越广泛的关注,但它存在许多不足,如NFT技术对不同果蔬的适用性,NFT技术的使用是建立在果蔬冰点温度已知的情况,同时需精确控制冷链运输中的温度变化,否则将导致果蔬在贮藏过程中发生冻害。
2.1.6 气调贮藏
气调贮藏是在冷藏的基础上,进一步控制环境中的CO2和O2比例来抑制果蔬的生理代谢过程,减弱呼吸作用,具有比冷藏更显著的保鲜效果。大多数研究表明,在低温贮藏过程中提高CO2浓度、降低O2浓度可以降低采后果蔬的冷害。PARK等[9]发现升高CO2浓度和降低O2浓度能够降低果实的腐烂率,增加番茄抗氧化相关基因的表达,减少冷害对番茄的影响,并延长番茄的贮藏期。杜小琴等[31]采用不同浓度的CO2对樱桃进行贮藏,结果表明,高浓度的CO2贮藏提高抗氧化酶的活性,降低呼吸速率和MDA的含量,提高了果实的贮藏品质。然而,高CO2和低O2的贮藏环境并不适合所有的果蔬。最近一项研究报告了相反的情况,LI等[32]发现80% O2和20% CO2贮藏可显著抑制线粒体膜流动性的下降,保持线粒体的完整性合成了较高的ATP,从而降低了采后白蘑菇冷害的发生,提高了低温贮藏期白蘑菇的冷害指数。因此,采用气调贮藏对采后果蔬进行处理时,应充分考虑果蔬的品种。
2.2 化学方法
2.2.1 乙烯和1-MCP
乙烯是一种重要的植物激素,在采后果蔬的成熟阶段起着重要的调控作用,然而,乙烯在采后果蔬耐寒性的作用中仍存在争议。大多数研究证实,乙烯参与调节收获果蔬的耐寒性,可以缓解果蔬的冷害。LI等[33]用乙烯处理香蕉果实12 h,在6 ℃下进行冷藏,结果表明,乙烯处理显著提高了采后香蕉果实的耐寒性,缓解了冷藏期间果实的冷害。WEI等[34]发现乙烯处理抑制了梨果实
和MDA的产生,维持了较高水平的AsA和GSH,增强了SOD,CAT和APX的活性,提高了SOD1、CAT1和APX1等基因的表达,从而缓解了梨冷害的发生。相反,少数研究证明乙烯处理会增加采后冷藏期间冷害症状。KOUTSOFLINI等[35]采用乙烯处理猕猴桃,发现乙烯促进了猕猴桃的成熟,提高了冷害的发病率。1-MCP作为水果中乙烯作用的抑制剂,已被广泛用于减轻收获后菠萝、桃、鳄梨、荔枝、黄瓜和柿等贮藏期冷害的发生,但也有相关研究表明1-MCP处理可加剧果实冷藏期间的冷害。王玉萍等[36]采用1-MCP处理红阳、华优和徐香3种猕猴桃,在0 ℃下贮藏90 d,结果表明,1-MCP处理减轻了猕猴桃徐香冷害的发生,但加重了猕猴桃红阳冷害的发生,而对猕猴桃华优冷害的影响不显著。ZHANG等[21]用不同形式的1-MCP处理油桃,发现均可通过调节ROS和能量代谢缓解油桃的冷害,但多次高剂量1-MCP处理比传统的单次高剂量1-MCP处理更有效地减轻冷害的发生。以上表明,1-MCP对于果蔬冷害的调控不仅因果蔬种类而异,而且也与果蔬的品种息息有关。这为1-MCP在减轻采后果蔬冷害方面的应用提供了新的视角,并进一步扩大了1-MCP的应用。
2.2.2 茉莉酸甲酯和水杨酸
茉莉酸甲酯和水杨酸通过响应不同种类的压力,对植物的非生物胁迫反应起着至关重要的作用。外源使用会合成对人体有益的物质。近年来,多项研究发现茉莉酸甲酯与其他冷害控制方式共同作用于果蔬,复合处理效果比单一处理的效果更明显。刘瑶等[37]采用茉莉酸甲酯结合低温预贮处理有效抑制了维生素C的降低,减少MDA积累,提高了抗氧化酶活性和基因的表达,减轻了冷害的发生。ASGHARI等[38]发现与茉莉酸甲酯、水杨酸单独处理相比,采用茉莉酸甲酯与水杨酸复合熏蒸方式能更有效地提高草莓果实在低温贮藏后期POD、CAT的活性及总抗氧化能力,保持贮藏期的品质。YANG等[39]用水杨酸联合超声波对桃进行处理,诱导了内源性水杨酸的合成,提高了抗氧化酶活性,保护细胞膜的完整性,减轻果蔬低温贮藏期间冷害的发生。综上,茉莉酸甲酯与低温预贮、水杨酸等复合处理降低冷害的效果更明显,复合处理激活了果蔬体内抗冷过程的多种防御机制,增强了抗性防御机制。
2.2.3 褪黑素
褪黑素被证明是一种信号分子,参与许多生理过程,如植物的分化、生长、成熟和衰老及对低温胁迫下果蔬有保护作用。近年来,褪黑素在果蔬采后处理的应用越来越多,如抑制果实的褐变及增强果实抗冷性。蒋超男[40]发现褪黑素处理抑制了南果梨细胞壁降解酶的活性,提高了SOD、APX等酶的活性,上调了果实Pc SOD、Pc APX等表达,维持了贮藏期果实的品质。JANNATIZADEH[41]研究发现褪黑素处理石榴15 min,提高了抗氧化酶活性,维持了ROS平衡,降低了PLD和LOX酶的活性,保护膜较高的完整性,减轻了石榴果实的冷害。何欢等[17]用不同浓度褪黑素处理杏果实显著提高了抗氧化酶活性,有效抑制了细胞膜渗透率
和H2O2的积累,明显降低了冷害指数。由此可知,褪黑素处理通过提高果蔬抗氧化酶活性,抑制了ROS代谢产物生成速率,减轻贮藏期间冷害的发生,提高果实的品质。
2.2.4 一氧化氮(NO)
NO作为水果中重要的抗逆性调节剂,可以通过拮抗乙烯信号通路来改善水果在低温贮藏过程中的抗逆性。近年来,许多研究表明,NO可有效减轻采后果蔬冷害。ZHANG等[42]发现NO处理葡萄,降低了
和H2O2含量,提高了抗氧化酶的活性,诱导VvSOD、VvCAT、VvPOD2、VvGR相对表达,有效地保持贮藏期葡萄的品质。ZHAO等[43]将桃果实浸入NO供体[硝普钠(sodium nitroprusside,SNP)]溶液中10 min,然后在0 ℃下贮藏,SNP通过降低内部褐变指数、MDA含量、电解质泄漏、LOX活性及调节细胞壁和脂质代谢,减轻收获后桃果实的冷害。JIMÉNEZ-MU
OZA等[44]用NO供体(SNP:25、100、500 μmol/L)对西葫芦进行处理,结果表明,SNP处理可降低西葫芦果实重量的损失,电解质泄露,MDA含量的冷害,提高抗氧化酶活性及总抗氧化能力,改善了低温贮藏中西葫芦果实的品质。关于NO处理减轻果蔬冷害的相关研究,多数都是使用NO的供体SNP进行处理。然而,这种化合物释放的氰化物对果蔬是否有害尚不明确,氰化物对采后果蔬品质的影响应受到广泛的关注。
2.3 生物技术
随着分子生物学技术不断进步,近年来,关于植物在低温逆境下转录调控机制受到广泛的关注。低温胁迫下植物会借助相应的分子机制诱导抗冷基因表达,产生抗冷性以适应低温环境。目前研究最多的植物冷信号转导途径是ICE-CBF-COR冷信号途径。低温可以迅速激活CBF/DREB类转录因子基因的表达,CBF/DREB特异识别冷响应CORs基因启动子上的CRT/DRE元件并调控其表达,合成功能蛋白和调节蛋白,其中CBFs在调节冷应激过程中起到重要的作用[44]。此外,植物也可通过调节果蔬相关的抗冷活性物质如茉莉酸甲酯、脱落酸、水杨酸、乙烯、多胺和热激蛋白来应对低温环境。YU等[45]用外源茉莉酸甲酯处理苹果,发现提高了冷胁迫MdHLH1、MdCBF1、MdCBF2和MdCBF3响应基因的表达,增强了低温耐受性。然而,生物技术调控冷害的研究大多数集中在植物的营养器官上,关于采后果实的研究很少。
3 果蔬冷害调控机制
3.1 保护细胞膜膜结构
采后果蔬处理通过保护膜完整性减轻冷害发生,完整的膜使产生ATP的电子传递链系统和氧化磷酸化能够正常进行,提高采后果蔬的耐寒性。研究表明,果蔬处于低温胁迫下PLD和LOX酶活性的增加使得不饱和脂肪酸降解及细胞膜完整性降低,从而引起电解质泄漏,MDA积累导致膜脂肪酸过氧化。KONG等[8]用外源性褪黑素处理甜椒,减少了细胞结构损伤,抑制了膜通透性的增大和MDA含量上升,降低了PLD和LOX酶活性使膜脂不饱和脂肪酸/饱和脂肪酸增加,抑制了Ca PLD基因,减轻了冷害的发生。MA等[27]采用不同的热水对猕猴桃进行处理,发现通过抑制LOX活性,降低MDA含量和乙烯的增加,促进了膜的完整性,增强果实对低温的耐寒性。ZHAO等[43]将桃果实浸入NO供体SNP溶液中10 min,发现SNP通过降低内部褐变指数、MDA含量、电解质泄漏、LOX活性,调节脂质代谢,减轻冷害的发生。由此表明,不同采后调控技术通过降低PLD和LOX酶活性,抑制PLD的基因表达,维持了细胞膜结构完整,减少了MDA的积累和电解质的泄露,防止膜脂过氧化,提高低温采后果蔬的抗寒能力。
3.2 增强抗氧化系统
正常生长发育过程中,细胞防御系统可清除体内多余的ROS,而低温胁迫下,果蔬细胞ROS的相对平衡被打破,导致ROS不断积累,促进膜脂过氧化,加速了冷害的发生。研究表明可通过提高抗氧化系统酶活性,减轻果蔬的冷害。WEI等[34]发现乙烯处理增强了SOD、CAT和APX的活性,维持了较高水平的AsA和GSH,抑制了梨果实和MDA的产生,从而减轻冷害对果实造成的损伤。贾雯茹等[24]认为高湿处理黄瓜,可以显著降低贮藏期MDA含量的产生和H2O2含量,提高SOD、CAT等抗氧化酶活性,保持较高的ROS清除能力,保护了黄瓜的生物膜系统,减轻了冷害的发生。ZHANG等[42]发现NO处理可明显降低贮藏期间葡萄和H2O2含量,提高SOD、APX、GR、CAT活性,诱导VvSOD、VvCAT、VvPOD2、VvGR相对表达,提高果实的贮藏品质。综上,不同采后调控技术可通过提高抗氧化酶活性及诱导相关基因的表达,减轻低温贮藏期冷害的发生,提高果蔬贮藏品质。
3.3 维持能量供应平衡
果蔬受低温伤害时会引起线粒体结构和功能破坏,影响ATP的产生,低ATP和能荷加剧采后果蔬冷害的发生。ZHANG等[21]发现多次高剂量使用1-MCP处理油桃,通过维持更高能量代谢酶的活力及较高的ATP,减少贮藏期果实的冷害。WANG等[47]用0.05 mmol/L的NO供体(SNP)处理香蕉,保持了较高的ATP、ADP含量,诱导了能量代谢相关酶的活性,增强了果实的耐寒性。LI等[32]采用气调贮藏对白蘑菇进行处理,发现显著抑制线粒体膜流动性的下降,保持了线粒体的完整性合成较高的ATP,从而降低白蘑菇的冷害指数。因而,不同采后调控技术通过提高ATP含量、能荷和能量代谢相关酶的活性,使能量供应系统稳定,减轻了果蔬的冷害症状。
3.4 调节细胞壁物质代谢
低温逆境下果蔬冷害现象及质地软化等与细胞壁代谢相关。李佳乐等[48]发现梯度热水处理可有效抑制黄瓜细胞壁水解酶活性及细胞壁组分的降解,减轻贮藏期冷害的发生,保持黄瓜较高的硬度。沈丽雯等[22]认为热激处理通过降低细胞降解酶活性,抑制原果胶的降解,保持细胞壁结构的完整性,提高贮藏期黄瓜果实抗冷性。ZHAO等[43]将桃果实浸入NO供体SNP溶液中,SNP保持了果实硬度,降低了细胞壁水解酶活性,减轻了冷害对桃果实损伤。蒋超男[40]发现MT处理抑制了南果梨细胞壁降解酶的活性,提高了SOD、APX的活性,上调了Pc SOD、Pc APX等表达,降低了贮藏期梨果实的冷害指数。由此可知,不同采后调控技术通过降低细胞壁降解酶活性,减少细胞壁组分的降解,抑制原果胶的降解,从而降低贮藏期间果蔬冷害的发生。
3.5 激活CBFs基因
最初CBFs从拟南芥中分离出来,CBFs的过表达增强了拟南芥在冷藏期间的耐寒性。CBFs作为转录激活剂在植物低温胁迫下发挥重要作用。胡美斯[49]采用茉莉酸甲酯处理青椒,结果表明,CaDREB2E和CaCOR413基因表达量高于对照,增强了贮藏后期DREB/CBF冷应答通路相关基因的表达,提高了青椒的抗冷性,降低了冷害症状。李璐[50]用热处理对香蕉进行处理,发现MaHSP70和MaHSP70基因表达在贮藏期一直高于对照,热处理诱导香蕉抗冷性的提高与ICE-CBF-COR抗冷通路相关。WANG等[46]用外源茉莉酸甲酯处理苹果,发现提高了冷胁迫MdHLH1、MdCBF1、MdCBF2和MdCBF3响应基因的表达,增强了低温耐受性。以上研究表明,不同采后调控技术通过诱导CBFs抗冷基因表达,激活果蔬组织对低温的响应,减轻果蔬的冷害症状。
4 结论与展望
温度是影响果实采后贮藏品质的重要因素,低温贮藏作为果蔬保鲜最有效的方法之一,但容易引起冷敏型果蔬细胞组织发生不可逆的冷害损伤,导致果蔬品质下降,缩短果蔬贮藏期,冷害限制了低温对果蔬的保鲜效果。因此,减轻采后果蔬冷害的发生及探索调控技术,对于保持果蔬的品质及延长贮藏期具有重要的意义。目前,冷害对贮藏期果蔬品质的影响、冷害发生的机制及调控技术的研究已比较深入,但多数集中于果蔬生理层面的研究,分子层面的机理研究很少。此外,关于冷害的调控技术很多,但这些调控技术存在一些不足,如大多数都是进行单一处理,相比单一处理,复合处理可激活果蔬体内抗冷过程中多种防御机制,增强抗冷效果;热处理温度过高或时间过长,会导致果蔬热应力积累,造成热损伤使果皮出现变色现象;NO供体SNP释放的氰化物是否对果蔬有害尚不明确等。未来建议从以下几方面进行研究:(1)国内外学者可从转录组学、蛋白质组学和细胞生物学等方面进行研究,特别是果蔬在低温下的应答机制及信号传导途径,深入揭示冷害发生机理。(2)着重考虑从物理和化学复合处理(如茉莉酸甲酯结合LTC、茉莉酸甲酯结合水杨酸、1-MCP结合热处理、1-MCP结合间歇升温等)调控方面进行研究,进一步从生理生化和分子水平上研究复合处理的潜在调控作用机理;(3)随着现代生物技术的发展,可借助基因工程培育低温抗冷性强的新品种,从而保持贮藏期果蔬的品质及延长贮藏期。(4)加强低温贮藏设备的配套使用及冷链物流基础设施的建设。(5)研究新的调控技术,如低温等离子、交变磁场和脉冲强光等。
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