第四讲-果实成熟.ppt

.果实成熟是指果实在发育后期阶段果实成熟是指果实在发育后期阶段生理生化变化的总和生理生化变化的总和,并通过果实并通过果实从外观到内部发生了一系列变化使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果实达到可食状态成为有价值的农业商品业商品.vv呼吸跃变与乙烯释放呼吸跃变与乙烯释放呼吸跃变与乙烯释放呼吸跃变与乙烯释放vv果实成熟过程的时色、香、味变化果实成熟过程的时色、香、味变化果实成熟过程的时色、香、味变化果实成熟过程的时色、香、味变化vv细胞壁水解酶与果实软化细胞壁水解酶与果实软化细胞壁水解酶与果实软化细胞壁水解酶与果实软化vv遗传工程在果实成熟中的应用遗传工程在果实成熟中的应用遗传工程在果实成熟中的应用遗传工程在果实成熟中的应用.一、呼吸跃变一、呼吸跃变(respiratoryclimacteric)果实在成熟过程中果实在成熟过程中,部分果实的呼部分果实的呼吸速率最初较低吸速率最初较低,至成熟末期突然至成熟末期突然升高而后下降的现象升高而后下降的现象.果实成熟过程中的呼吸速率变化果实成熟过程中的呼吸速率变化.1.呼吸跃变类型呼吸跃变类型：根据果实在成熟前是否出现根据果实在成熟前是否出现呼吸高峰将果实分为跃变型呼吸高峰将果实分为跃变型与非跃变型果实两种与非跃变型果实两种.(1)呼吸跃变型果实：呼吸跃变型果实：.v果实呼吸跃变是果实成熟与衰老之间不可逆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变化的分界线.v一般果实在达到呼吸跃变高峰时其鲜食品质一般果实在达到呼吸跃变高峰时其鲜食品质最佳最佳,其后迅速下降其后迅速下降.跃变型果实跃变型果实.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：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。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：呼吸渐减型：指果实在成熟期，呼吸强度一直指果实在成熟期，呼吸强度一直在稳定地下降着，其间没有明显的上升阶段，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。包括柑桔、葡萄、樱桃等。呼吸后期上升型呼吸后期上升型:在果实成熟后期有一个小的在果实成熟后期有一个小的呼吸高峰呼吸高峰,包括包括草莓、柠檬、柑橘、凤梨等草莓、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呼吸跃变与乙烯跃变的关系n对于跃变型果实而言对于跃变型果实而言,呼吸跃呼吸跃变常常伴随着乙烯跃变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几种果实内源乙烯含量-果实乙烯(l/L)果实 乙烯(l/L)-高峰型 西番莲果 466530 苹 果 252500 李 0.140.23 梨 80 番 茄 3.629.8 桃 0.920.7 油 桃 3.6602 柠 檬 0.110.17 鳄 梨 28.974.2 酸 橙 0.301.96 香 蕉 0.052.1 橙 0.130.32 芒 果 0.043.0 菠 萝 0.160.40-摘自Burg,S.P.,等,The role of ethylene in fruit ripening.Plantphysiol.跃变型果实和非跃变型果实的重要区别跃变型果实和非跃变型果实的重要区别主要区别主要区别:呼吸变化趋势呼吸变化趋势 乙烯生成的特性和对乙烯的反应有区乙烯生成的特性和对乙烯的反应有区别。别。.跃变型果实中乙烯生成有两个调节跃变型果实中乙烯生成有两个调节系统系统系统系统:负责呼吸跃变前果实中低速率的基础负责呼吸跃变前果实中低速率的基础乙烯生成；乙烯生成；系统系统:负责呼吸跃变时乙烯的自我催化释放，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。其乙烯释放效率很高。非跃变型果实成熟过程中只有非跃变型果实成熟过程中只有系统系统，缺乏，缺乏系统系统，乙烯生成速率低而平衡。，乙烯生成速率低而平衡。.两种类型果实对乙烯的反应两种类型果实对乙烯的反应n n跃变型果实跃变型果实:外源乙烯只在跃变前起作用，外源乙烯只在跃变前起作用，诱导呼吸上升；同时启动系统诱导呼吸上升；同时启动系统，形成乙，形成乙烯自我催化，促进乙烯大量释放，但不改烯自我催化，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。浓度关系不大，其反应是不可逆的。n n非跃变型果实非跃变型果实:外源乙烯在整个成熟期间都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。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、味的变化二、果实成熟时色、香、味的变化vv果实变甜：果实变甜：果实变甜：果实变甜：淀粉淀粉糖糖vv酸味减少：酸味减少：酸味减少：酸味减少：有机酸转化成糖或分解。有机酸转化成糖或分解。vv涩味消失：涩味消失：涩味消失：涩味消失：单宁分解单宁分解vv香味产生：香味产生：香味产生：香味产生：酯类物质、醛类物质酯类物质、醛类物质vv果实变软：果实变软：果实变软：果实变软：果肉细胞壁中纤维素、果胶分解果肉细胞壁中纤维素、果胶分解vv颜色变艳：颜色变艳：颜色变艳：颜色变艳：叶绿素分解，花青素合成显红色。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，生长与功能细胞壁合成，生长与功能细胞壁相关水解酶与果实软细胞壁相关水解酶与果实软化化.1.细胞壁组成成分细胞壁组成成分,结构与特性结构与特性(1)细胞壁的组成成分细胞壁的组成成分.构成细胞壁的成分中，构成细胞壁的成分中，90%左右是多糖，左右是多糖，10%左右是蛋左右是蛋白质、酶类以及脂肪酸等白质、酶类以及脂肪酸等.细胞壁中的多糖主要是纤维素、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糖醛酸等聚合而成.纤维素纤维素v是是(1，4)无分枝多聚葡萄糖。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。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构成微纤丝，在细胞壁上与半纤维素构成网络结构。素构成网络结构。.果胶果胶v是一组多糖类物质，存在于初生细是一组多糖类物质，存在于初生细胞壁和细胞间隙中。胞壁和细胞间隙中。v果胶分子是由果胶分子是由(14)连接的连接的D半乳糖醛酸组成半乳糖醛酸组成v分为果胶酸、果胶和原果胶分为果胶酸、果胶和原果胶.果胶酸果胶酸(pecticacid)v由约由约100个半乳糖醛酸通过个半乳糖醛酸通过-1，4-键连接而成的直链。键连接而成的直链。v水溶性，很容易与钙起作用生成果水溶性，很容易与钙起作用生成果胶酸钙。它主要存在于中层中胶酸钙。它主要存在于中层中.果胶果胶(pectin)v果胶是半乳糖醛酸酯和少量半乳糖果胶是半乳糖醛酸酯和少量半乳糖醛酸通过醛酸通过-1，4-糖苷键连接而成的糖苷键连接而成的长链高分子化合物，分子量在长链高分子化合物，分子量在2500050000之间，每条链含之间，每条链含200个个以上的半乳糖醛酸残基。以上的半乳糖醛酸残基。v果胶能溶于水，存在于中层和初生果胶能溶于水，存在于中层和初生壁中，在细胞质或液泡中也有存在。壁中，在细胞质或液泡中也有存在。.原果胶原果胶(protopectin)v分子量比果胶酸和果胶大，主要存分子量比果胶酸和果胶大，主要存在于初生壁中，在于初生壁中，v不溶于水，在稀酸和原果胶酶的作不溶于水，在稀酸和原果胶酶的作用下可转变为可溶性的果胶。用下可转变为可溶性的果胶。.细胞壁结构蛋白细胞壁结构蛋白v富烃脯氨酸蛋白（富烃脯氨酸蛋白（hydroxy-proline-richglycoprotein,HRGP）v富脯氨酸蛋白（富脯氨酸蛋白（proline-richprotein,PRP）v富甘氨酸蛋白（富甘氨酸蛋白（glycine-rich-protein,GRP）v伸展蛋白（伸展蛋白（extensin）.初生壁的初生壁的“经纬经纬”模型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.,细胞壁合成，生长与功能细胞壁合成，生长与功能（）合成与生长（）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.（）（）,细胞壁的功能细胞壁的功能维持细胞形状，控制细胞生长维持细胞形状，控制细胞生长物质运输与信息传递物质运输与信息传递防御与抗性防御与抗性.细胞壁相关水解酶与果实软化（）种类参与果胶与纤维素参与果胶与纤维素,半纤维素降解的酶类主要有半纤维素降解的酶类主要有多聚半乳糖醛酸酶多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase,PG),果胶甲基酯酶果胶甲基酯酶(pectinesterase,PE或或pectinmethylesterasePME),木葡聚糖内糖基转移酶木葡聚糖内糖基转移酶(xyloglucanendotransglycosylase,XET),-半乳糖苷酶半乳糖苷酶(-galactosidase),纤维素酶纤维素酶(cellulase),扩展蛋白扩展蛋白(expansin)等等.PGPG位于细胞壁上位于细胞壁上,主要负责催化果主要负责催化果胶降解胶降解可将果实细胞壁中多聚半乳糖醛酸可将果实细胞壁中多聚半乳糖醛酸酶降解为半乳糖醛酸，使细胞壁结酶降解为半乳糖醛酸，使细胞壁结构解体，导致果实软化构解体，导致果实软化.证据：证据：果实软化速度与果实软化速度与PG活性正相关活性正相关.PG可引起细胞壁降解可引起细胞壁降解不能正常软化的番茄果实突变体中不能正常软化的番茄果实突变体中PG活性活性缺失或微量缺失或微量.未成熟的绿果中检测不出未成熟的绿果中检测不出PG活性活性.目前已从桃、猕猴桃、苹果、西洋梨、沙目前已从桃、猕猴桃、苹果、西洋梨、沙梨、鳄梨、等植物中克隆到梨、鳄梨、等植物中克隆到PG的编码基因。的编码基因。.PE其存在没有组织特异性其存在没有组织特异性.作用作用:对细胞壁中高度甲酯化的多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聚半乳糖醛酸进行去酯化作用,脱脱去半乳糖醛酸羧基上的甲氧基去半乳糖醛酸羧基上的甲氧基,从从而使多聚半乳糖醛酸链易于被而使多聚半乳糖醛酸链易于被PG降解降解.证据：证据：目前，已从桃、番木瓜、番茄、西瓜等植目前，已从桃、番木瓜、番茄、西瓜等植物中得到其编码基因。物中得到其编码基因。用用PE反义基因导入番茄果实中，反义基因导入番茄果实中，PE的活性的活性大大降低，仅为对照的大大降低，仅为对照的10%或更低。转基或更低。转基因果实与普通番茄果实相比，果胶分子量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。较大，甲酯化程度较高。.-半乳糖苷酶半乳糖苷酶作用于富含半乳糖的果胶作用于富含半乳糖的果胶,催化以半乳催化以半乳糖残基为末端的多糖糖残基为末端的多糖,糖蛋白和半乳糖糖蛋白和半乳糖酯的水解酯的水解,为代谢和生长释放游离的半为代谢和生长释放游离的半乳糖和贮存能量乳糖和贮存能量.可以使细胞壁的一些组分变得不稳定，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，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。从而使其果胶降解或溶解。.证据：证据：-半乳糖苷酶在猕猴桃、芒果、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甜樱桃等果实的成熟软化过程中起作用，作用，目前已从番茄、苹果和梨等植物中目前已从番茄、苹果和梨等植物中克隆到了克隆到了-半乳糖苷酶基因。半乳糖苷酶基因。.纤维素酶纤维素酶(cellulase),主要切断细胞壁中各种基质成分的主要切断细胞壁中各种基质成分的交联交联,降低细胞壁强度降低细胞壁强度,使细胞壁膨使细胞壁膨胀松软胀松软.证据：证据：鳄梨纤维素酶活性随果实成熟度增加而显鳄梨纤维素酶活性随果实成熟度增加而显著增加著增加.从番茄中已克隆出两种结构不同的纤维素从番茄中已克隆出两种结构不同的纤维素酶基因酶基因cel1和和cel2,但这两种纤维素酶与但这两种纤维素酶与果实软化并无明显关联，对果实中乙烯的果实软化并无明显关联，对果实中乙烯的合成也没有影响。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，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实软化的作用还不甚了解.木葡聚糖内糖基转移酶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具有催化木葡聚糖聚合体内切和连接的双重作用作用.能引起细胞壁膨胀松软，并与果实软化相关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，水平并非果实软化的关键因子，可能只是一种诱导。可能只是一种诱导。.扩展蛋白扩展蛋白(expansin)是细胞壁中最早被发现的蛋白质，它是一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类富含羟脯氨酸的糖蛋白(hydroxyprolinerichglycoprotein,HRGP)，大约由，大约由300个氨基个氨基酸残基组成，羟脯氨酸酸残基组成，羟脯氨酸(Hyp)含量特别高，含量特别高，其它含量较高的氨基酸是丝氨酸其它含量较高的氨基酸是丝氨酸(Ser)、缬、缬氨酸、苏氨酸、组氨酸和酪氨酸等。氨酸、苏氨酸、组氨酸和酪氨酸等。位于细胞壁上的蛋白位于细胞壁上的蛋白,可以打断纤维素微纤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丝和基质多聚糖之间的氢键引起细胞壁松弛弛.细胞壁相关水解酶降解是导致细胞壁相关水解酶降解是导致果实软化的原因之一果实软化的原因之一.四四 基因工程基因工程在果实成熟中的应用在果实成熟中的应用v通过基因工程技术控制有关成熟酶通过基因工程技术控制有关成熟酶基因的表达基因的表达,达到人为操纵果实成熟达到人为操纵果实成熟的目的的目的.呼吸跃变型果实呼吸跃变型果实v通过控制乙烯合成速度，就能有效地延长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。的成熟状态和存放期。vS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸(SAM)(SAM)ACC乙烯乙烯.ACC合成酶（合成酶（ACCSynthase）vACC合成酶已从许多植物中被分离，如番合成酶已从许多植物中被分离，如番茄、苹果、猕猴桃等。已从桃果实茄、苹果、猕猴桃等。已从桃果实cDNA中克中克隆了隆了4个桃个桃ACC合成酶合成酶cDNA片段，约为片段，约为1200bp，4个个ACC合成酶合成酶cDNA编队同源性编队同源性在在50%左右。左右。.ACC氧化酶（氧化酶（ACCOxidase）vACC氧化酶又叫乙烯形成酶（简称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），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、鳄梨酶。目前已从番茄、苹果、猕猴桃、鳄梨等分离出等分离出ACC氧化酶基因并进行了鉴定分氧化酶基因并进行了鉴定分析。析。v番茄果实应用反番茄果实应用反RNA技术转移技术转移ACC氧氧化酶基因，转基因番茄植株果实乙烯比对化酶基因，转基因番茄植株果实乙烯比对照组下降了照组下降了90%。.2,非跃变型果实的基因工程非跃变型果实的基因工程v由于细胞壁变化与果实软化之间存由于细胞壁变化与果实软化之间存在密切关系在密切关系,可以通过研究相关细胞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壁水解酶基因达到控制果实成熟的目的目的.伸展蛋白-expansinvExpansin在酸性条件下使热失活的在酸性条件下使热失活的细胞壁可恢复伸展活性。细胞壁可恢复伸展活性。vExpansin是第一个被鉴定作为细胞是第一个被鉴定作为细胞壁的松驰蛋白，调控着细胞壁的伸壁的松驰蛋白，调控着细胞壁的伸展和细胞的生长展和细胞的生长.Expansin的作用的作用v结合在纤维素微纤丝与基质多糖的交界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面上，破坏纤维素微纤丝和半纤维素分子间的非共价键子间的非共价键,使细胞壁松弛使细胞壁松弛.expansin基因家族基因家族v即即,4个亚家族个亚家族v-EXP的分子量为的分子量为2527kD，主要存在于双子叶，主要存在于双子叶和非禾本科单子叶植物中；和非禾本科单子叶植物中；v-EXP是一类糖蛋白，主要存在禾本科单子叶植物是一类糖蛋白，主要存在禾本科单子叶植物中，分子量为中，分子量为30kD。v-EXP可能编码一个短的可能编码一个短的expansin蛋白。蛋白。v-EXP缺乏编码其他缺乏编码其他expansin的氨基端部分序列的氨基端部分序列,是最近从是最近从亚类中分离出来亚类中分离出来.谢谢!.