第四讲果实成熟.

•果实成熟是指果实在发育后期阶段生理生化变化的总和,并通过果实从外观到内部发生了一系列变化使果实达到可食状态成为有价值的农业商品.呼吸跃变与乙烯释放果实成熟过程的时色、香、味变化细胞壁水解酶与果实软化遗传工程在果实成熟中的应用一、呼吸跃变(respiratoryclimacteric)•果实在成熟过程中,部分果实的呼吸速率最初较低,至成熟末期突然升高而后下降的现象.果实成熟过程中的呼吸速率变化1.呼吸跃变类型：※根据果实在成熟前是否出现呼吸高峰将果实分为跃变型与非跃变型果实两种.(1)呼吸跃变型果实：•果实呼吸跃变是果实成熟与衰老之间不可逆变化的分界线.一般果实在达到呼吸跃变高峰时其鲜食品质最佳,其后迅速下降.跃变型果实•跃变型果实生长在到达呼吸高峰时果实生长已处于平稳阶段.(2)非跃变型果实：•这类果实在成熟期不发生呼吸跃变现象；又可将这类果实分为呼吸渐减型和呼吸后期上升型。•呼吸渐减型：指果实在成熟期，呼吸强度一直在稳定地下降着，其间没有明显的上升阶段，包括柑桔、葡萄、樱桃等。•呼吸后期上升型:在果实成熟后期有一个小的呼吸高峰,包括草莓、柠檬、柑橘、凤梨等.成熟过程中非跃变型果实的呼吸速率2呼吸跃变与乙烯跃变的关系对于跃变型果实而言,呼吸跃变常常伴随着乙烯跃变,.呼吸跃变是由于果实中产生乙烯的结果•乙烯高峰的出现可以在呼吸高峰之前,之中或之后几种果实内源乙烯含量-----------------------------------------------------------------------------------------------------果实乙烯(μl/L)果实乙烯(μl/L)-----------------------------------------------------------------------------------------------------高峰型西番莲果466～530苹果25～2500李0.14～0.23梨80番茄3.6～29.8桃0.9～20.7油桃3.6～602柠檬0.11～0.17鳄梨28.9～74.2酸橙0.30～1.96香蕉0.05～2.1橙0.13～0.32芒果0.04～3.0菠萝0.16～0.40-----------------------------------------------------------------------------------------------------摘自Burg,S.P.,等,Theroleofethyleneinfruitripening.Plantphysiol.跃变型果实和非跃变型果实的重要区别主要区别:呼吸变化趋势乙烯生成的特性和对乙烯的反应有区别。跃变型果实中乙烯生成有两个调节系统系统Ⅰ:负责呼吸跃变前果实中低速率的基础乙烯生成；系统Ⅱ:负责呼吸跃变时乙烯的自我催化释放，其乙烯释放效率很高。非跃变型果实成熟过程中只有系统Ⅰ，缺乏系统Ⅱ，乙烯生成速率低而平衡。两种类型果实对乙烯的反应跃变型果实:外源乙烯只在跃变前起作用，诱导呼吸上升；同时启动系统Ⅱ，形成乙烯自我催化，促进乙烯大量释放，但不改变呼吸跃变顶峰的高度，且与处理用乙烯浓度关系不大，其反应是不可逆的。非跃变型果实:外源乙烯在整个成熟期间都能促进呼吸作用增强，且与处理乙烯的浓度密切相关，其反应是可逆的。同时，外源乙烯不能促进内源乙烯增加。3呼吸跃变产生的原因※※果实发育过程中大量物质积累→糖酵解加快→呼吸底物↑→水解酶,呼吸酶活性↑→果皮透性↑→内部氧化速度加快→呼吸作用↑物质分解↑→成熟↑※内源乙烯增加→出现乙烯高峰→乙烯与细胞膜结合→增加膜的透性→加快气体交换→增强氧化作用→诱导呼吸底物mRNA合成→提高呼吸底物活性→并显著诱导抗氰呼吸•产生呼吸跃变的原因：（1）随着果实发育，细胞内线粒体增多，呼吸活性增高；（2）产生了天然的氧化磷酸化解偶联，刺激了呼吸活性的提高：（3）乙烯释放量增加，诱导抗氰呼吸加强。（4）糖酵解关键酶被活化，呼吸活性增强。•果实呼吸跃变是果实成熟的一种特征，大多数果实成熟是与呼吸的跃变相伴随的，呼吸跃变结束即意味着果实已达成熟。在果实贮藏或运输中，可以通过降低温度，推迟呼吸跃变发生的时间，另一是增加周围CO2的浓度，降低呼吸跃变发生的强度，这样就可达到延迟成熟，保持鲜果，防止腐烂的目的。二、果实成熟时色、香、味的变化果实变甜：淀粉→糖酸味减少：有机酸转化成糖或分解。涩味消失：单宁分解香味产生：酯类物质、醛类物质果实变软：果肉细胞壁中纤维素、果胶分解颜色变艳：叶绿素分解，花青素合成显红色。三细胞壁水解酶与果实软化细胞壁组成成分,结构•细胞壁合成，生长与功能•细胞壁相关水解酶与果实软化1.细胞壁组成成分,结构与特性(1)细胞壁的组成成分构成细胞壁的成分中，90%左右是多糖，10%左右是蛋白质、酶类以及脂肪酸等.细胞壁中的多糖主要是纤维素、半纤维素和果胶类，它们是由葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸等聚合而成.纤维素是β—(1，4)无分枝多聚葡萄糖。对细胞壁的延展性起主导作用。多条纤维素链靠分子内氢键构成微纤丝，在细胞壁上与半纤维素构成网络结构。果胶是一组多糖类物质，存在于初生细胞壁和细胞间隙中。果胶分子是由α—(1—4)连接的D—半乳糖醛酸组成．分为果胶酸、果胶和原果胶果胶酸(pecticacid)由约100个半乳糖醛酸通过α-1，4-键连接而成的直链。水溶性，很容易与钙起作用生成果胶酸钙。它主要存在于中层中.果胶(pectin)果胶是半乳糖醛酸酯和少量半乳糖醛酸通过α-1，4-糖苷键连接而成的长链高分子化合物，分子量在25000～50000之间，每条链含200个以上的半乳糖醛酸残基。果胶能溶于水，存在于中层和初生壁中，在细胞质或液泡中也有存在。原果胶(protopectin)分子量比果胶酸和果胶大，主要存在于初生壁中，不溶于水，在稀酸和原果胶酶的作用下可转变为可溶性的果胶。细胞壁结构蛋白富烃脯氨酸蛋白（hydroxy-proline-richglycoprotein,HRGP）富脯氨酸蛋白（proline-richprotein,PRP）富甘氨酸蛋白（glycine-rich-protein,GRP）伸展蛋白（extensin）初生壁的“经纬”模型•初生壁是由两个交联在一起的多聚物——纤维素的微纤丝和穿过微纤丝的伸展素网络交织而成，悬在亲水果胶——半纤维素胶体中。•在这个交织结构中，微纤丝是经(warp)，平行于壁的平面排列；而伸展素“纬”(weft)，垂直于壁的平面排列.２,细胞壁合成，生长与功能（１）合成与生长•合成细胞壁的场所在内质网和高尔基体•所合成的壁成分运输:由高尔基体分泌小泡运输，小泡运至质膜并与膜融合，小泡中成壁物质被释放至壁中。•成壁物质的合成过程受核基因控制，并能被IAA等激素诱导.（２）,细胞壁的功能•维持细胞形状，控制细胞生长•物质运输与信息传递•防御与抗性３．细胞壁相关水解酶与果实软化（１）种类•参与果胶与纤维素,半纤维素降解的酶类主要有•多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase,PG),•果胶甲基酯酶(pectinesterase,PE或pectinmethylesterasePME),•木葡聚糖内糖基转移酶(xyloglucanendotransglycosylase,XET),•β-半乳糖苷酶(β-galactosidase),•纤维素酶(cellulase),•扩展蛋白(expansin)等.PG•PG位于细胞壁上,主要负责催化果胶降解可将果实细胞壁中多聚半乳糖醛酸酶降解为半乳糖醛酸，使细胞壁结构解体，导致果实软化.•证据：•果实软化速度与PG活性正相关.•PG可引起细胞壁降解•不能正常软化的番茄果实突变体中PG活性缺失或微量.•未成熟的绿果中检测不出PG活性.•目前已从桃、猕猴桃、苹果、西洋梨、沙梨、鳄梨、等植物中克隆到PG的编码基因。PE•其存在没有组织特异性.•作用:对细胞壁中高度甲酯化的多聚半乳糖醛酸进行去酯化作用,脱去半乳糖醛酸羧基上的甲氧基,从而使多聚半乳糖醛酸链易于被PG降解.证据：•目前，已从桃、番木瓜、番茄、西瓜等植物中得到其编码基因。•用PE反义基因导入番茄果实中，PE的活性大大降低，仅为对照的10%或更低。转基因果实与普通番茄果实相比，果胶分子量较大，甲酯化程度较高。β-半乳糖苷酶•作用于富含半乳糖的果胶,催化以半乳糖残基为末端的多糖,糖蛋白和半乳糖酯的水解,为代谢和生长释放游离的半乳糖和贮存能量.•可以使细胞壁的一些组分变得不稳定，它可以通过降解具支链的多聚醛酸，从而使其果胶降解或溶解。证据：•β-半乳糖苷酶在猕猴桃、芒果、甜樱桃等果实的成熟软化过程中起作用，•目前已从番茄、苹果和梨等植物中克隆到了β-半乳糖苷酶基因。纤维素酶(cellulase),•主要切断细胞壁中各种基质成分的交联,降低细胞壁强度,使细胞壁膨胀松软.证据：•鳄梨纤维素酶活性随果实成熟度增加而显著增加.•从番茄中已克隆出两种结构不同的纤维素酶基因cel1和cel2,但这两种纤维素酶与果实软化并无明显关联，对果实中乙烯的合成也没有影响。•纤维素酶的不同酶型在果实中的表达特点，各类果实中纤维素酶的同源性，以及对果实软化的作用还不甚了解木葡聚糖内糖基转移酶(XET)•具有催化木葡聚糖聚合体内切和连接的双重作用.•能引起细胞壁膨胀松软，并与果实软化相关.•对猕猴桃果实的后熟软化起促进作用，但XETmRNA水平并非果实软化的关键因子，可能只是一种诱导。扩展蛋白(expansin)•是细胞壁中最早被发现的蛋白质，它是一类富含羟脯氨酸的糖蛋白(hydroxyprolinerichglycoprotein,HRGP)，大约由300个氨基酸残基组成，羟脯氨酸(Hyp)含量特别高，其它含量较高的氨基酸是丝氨酸(Ser)、缬氨酸、苏氨酸、组氨酸和酪氨酸等。•位于细胞壁上的蛋白,可以打断纤维素微纤丝和基质多聚糖之间的氢键引起细胞壁松弛.•细胞壁相关水解酶降解是导致果实软化的原因之一.四基因工程在果实成熟中的应用通过基因工程技术控制有关成熟酶基因的表达,达到人为操纵果实成熟的目的.１．呼吸跃变型果实通过控制乙烯合成速度，就能有效地延长果实的成熟状态和存放期。S-腺苷甲硫氨酸(SAM)→ACC→乙烯ACC合成酶（ACCSynthase）ACC合成酶已从许多植物中被分离，如番茄、苹果、猕猴桃等。已从桃果实cDNA中克隆了4个桃ACC合成酶cDNA片段，约为1200bp，4个ACC合成酶cDNA编队同源性在50%左右。ACC氧化酶（ACCOxidase）ACC氧化酶又叫乙烯形成酶（简称EFE），也是乙烯生物合成途径中的关键酶。目前已从番茄、苹果、猕猴桃、鳄梨等分离出ACC氧化酶基因并进行了鉴定分析。番茄果实应用反RNA技术转移ACC氧化酶基因，转基因番茄植株果实乙烯比对照组下降了90%。2,非跃变型果实的基因工程由于细胞壁变化与果实软化之间存在密切关系,可以通过研究相关细胞壁水解酶基因达到控制果实成熟的目的.伸展蛋白--expansinExpansin在酸性条件下使热失活的细胞壁可恢复伸展活性。Expansin是第一个被鉴定作为细胞壁的松驰蛋白，调控着细胞壁的伸展和细胞的生长Expansin的作用结合在纤维素微纤丝与基质多糖的交界面上，破坏纤维素微纤丝和半纤维素分子间的非共价键,使细胞壁松弛．expansin基因家族即а,β,ν,δ4个亚家族а-EXP的分子量为25～27kD，主要存在于双子叶和非禾本科单子叶植物中；β-EXP是一类糖蛋白，主要存在禾本科单子叶植物中，分子量为30kD。ν-EXP可能编码一个短的expansin蛋白。δ-EXP缺乏编码其他expansin的氨基端部分序列,是最近从β亚类中分离出来谢谢!