乙烯与园艺产品的成熟衰老

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1、第三章 乙烯与园艺产品的成熟衰老,乙烯（ethylene）是影响呼吸作用的重要因素。通过抑制或促进乙烯的产生，可调节果蔬的成熟进程，影响贮藏寿命。因此，了解乙烯对果品蔬菜成熟衰老的影响、乙烯的生物合成过程及其调节机理，对于做好果蔬的贮运工作有重要的意义。,一、乙烯的发现、研究历史与结构特点,早在19世纪中叶(1864)就有关于燃气街灯漏气会促进附近的树落叶的报道，但到1901年，俄国植物生理学家D.N.Neljubov 报道，照明气中的乙烯会引起黑暗中生长的豌豆幼苗产生“三种反应”，认为乙烯是植物生长调节剂。 第一个发现植物材料能产生一种气体并对邻近植物材料的生长产生影响的人是卡曾斯(Cous

2、ins,1910)，他发现橘子产生的气体能催熟同船混装的香蕉。 虽然1930年以前人们就已认识到乙烯对植物具有多方面的影响，但直到1934年甘恩(Gane)才获得植物组织确实能产生乙烯的化学证据。但当时认为乙烯是通过IAA起作用的。,1959年，由于气相色谱的应用，伯格(S.P.Burg)等测出了未成熟果实中有极少量的乙烯产生，随着果实的成熟，产生的乙烯量不断增加。1965年在伯格的提议下，乙烯才被公认为是植物的天然激素。,乙烯的特性,Very simple molecule ,C2H4:乙烯(ethylene,ET，ETH)是一种不饱和烃，其化学结构为CH2=CH2。带有甜香味，易溶于油脂，

3、难溶于水，化学性质活跃。 A gas(乙烯在常温下是气体，分子量为28.05，轻于空气) An important chemical feedstock(是一种非常重要的化工原料) A natural plant hormone（是各种植物激素中分子结构最简单的一种。 乙烯在极低浓度(0.010.1lL-1)时就对植物产生生理效应） 爆炸浓度在3.1%-32.0%（31000-310000PPm）。,爆炸,乙烯从哪里来？,成熟的果实 燃烧产生的烟雾 车辆排放尾气 催熟间,乙烯的作用,有（益）用的方面加速成熟促进脱落有（害）问题的方面促进成熟加速衰老引起脱落,乙烯的作用,抑制（实生苗）生长 引起

4、（植物）花和叶的脱落 引起（植物）叶片黄花和死亡 诱导叶片偏上性生长 促进花的衰老 加速果实成熟 促进果实、叶片或枝条的脱落,二、乙烯的分布、生物合成和代谢,（一）分布：高等植物各器官都能产生乙烯，但不同组织、器官和发育期，乙烯的释放量是不同的。如成熟组织释放乙烯较少，一般为0.01-10nl/g鲜重.h-1,分生组织、种子萌发、花凋谢和果实成熟时产生乙烯较多，某些真菌（青霉、镰刀菌、酵母菌、毛酶）和细菌（大肠杆菌）也产生较多的乙烯。,园艺产品乙烯产生量,（二）乙烯生物合成途径系统乙烯和系统乙烯的合成途径都是相同的，只是启动因子不同。乙烯生物合成的前体是什么，大家还记得吧？1、乙烯生物合成（1

5、）前体：甲硫氨酸（Lieberman & Mapson et al, 1964)。生物合成前体：蛋氨酸(甲硫氨酸，Met) ；直接前体：ACC（1-氨基环丙烷-1-羧酸）（2）合成部位：在植物的所有活细胞中都能合成乙烯，在细胞膜的内表面合成的。Yang Cycle （3）合成途径：（1977年，由杨祥发、亚当斯阐明），基本途径是：Met SAM ACC ETH。蛋氨酸经过蛋氨酸循环，形成5-甲硫基腺苷(5-methylthioribose，MTA)和ACC，前者通过循环再生成蛋氨酸，而ACC则在ACC氧化酶(ACC oxidase)的催化下氧化生成乙烯。实验用14C-蛋氨酸作底物，发现:在AT

6、P参与下，形成S-腺苷蛋氨酸，接着SAM在ACC合成酶（ACS）作用下，分解为甲硫腺苷（MTA）和ACC（1-氨基-环丙烷-1-羧酸）。见图。,ACS是乙烯合成的限速酶，存在于细胞质中。ACO、ACS这些酶现已分离出来,它们的基因已被克隆,并运用基因工程技术,在农业生产上应用。我们来看一下这两种酶的性质及特点(见下面)。ACC除形成乙烯外，也会转变成N-乙酰-ACC，这是不可逆的反应，使ACC失活，这是植物体自身调节乙烯产生的一个重要形式。 ACC也可转变为N-丙二酰ACC(MACC)，此反应是不可逆反应。当ACC大量转向MACC时，乙烯的生成量则减少，因此MACC的形成有调节乙烯生物合成的作

7、用 乙烯的生物合成受到许多因素的调节，这些因素包括发育因素和环境因素。 促进因素： 果实完熟、花衰老 IAA增强ACS活性 逆境、伤害 细胞分裂素、赤霉素 温度25-28充足O2 抑制因素： AVG、AOA、MVG等 缺氧、充氮 Co2+ 解偶联剂(NNP) 温度35或低温,植物组织中的甲硫氨酸水平很低，要维持正常的乙烯代谢产率，硫一定要再循环。实验证明，甲硫氨酸的CH3S-基是保留在植物组织中的。在产生ACC的同时，也形成5-甲硫基腺苷（MTA），接着水解为（MTR），MTR的CHS-基再转变回甲硫氨酸。,丙二酰CoA,丙二酰ACC,甲硫基腺苷,甲硫基核糖,对于具有呼吸跃变的果实，当后熟过程

8、一开始，乙烯就大量产生，这是由于ACC合成酶和ACC氧化酶的活性急剧增加的结果。IAA也可促进乙烯的产生。IAA诱导乙烯产生是通过诱导ACC的产生而发挥作用的，这可能与IAA从转录和翻译水平上诱导了ACC合成酶的合成有关。 影响乙烯生物合成的环境条件有O2、AVG(氨基乙氧基乙烯基甘氨酸，aminoethoxyvinyl glycine)、AOA(氨基氧乙酸，aminooxyacetic acid)、某些无机元素和各种逆境从ACC形成乙烯是一个双底物(O2和ACC)反应的过程，所以缺O2将阻碍乙烯的形成。 AVG和AOA能通过抑制ACC的生成来抑制乙烯的形成。所以在生产实践中，可用AVG和AO

9、A来减少果实脱落，抑制果实后熟，延长果实和切花的保存时间。在无机离子中，Co2+、Ni2+和Ag+都能抑制乙烯的生成.,。,2、乙烯生成中的关键酶 在1979年杨祥发就发现ACC是乙烯生成的直接前体，确定乙烯生物合成的途径，但在乙烯生物合成中的两个关键酶ACS、ACO却直到90年代才取得较大进展。 ACS ACS是植物体内乙烯生物合成途径中的限速酶，最先在成熟番茄中发现的。它有如下几个特点： a.底物为SAM。一般化学反应中底物浓度高会使反应平衡向生成产物的方向移动，反应速度加快，但ACS非常特别，SAM浓度太高反而抑制ACS的活性，因此有人称其为自杀酶。其分子量为55.8万道尔顿。 b.AC

10、S是以磷酸吡哆醛（PLP）为辅基的酶，这类酶有三个专一性抑制剂，AVG（氨氧乙基乙烯基甘氨酸，效果最好，达90以上，但价格最贵，通常实验室都用不起）、AOA（效果很好，达7080，但不如AVG，但价格较便宜，600元/克，还无法用在生产上）、MVG（甲氨基乙烯基甘氨酸，效果是三种中最差的）。 c.ACS是多基因控制，具多种同功酶，如番茄有9个ACS同功酶，6种由生长素诱导，2种由成熟诱导，1种受伤诱导，因此ACS受多种因素诱导。 d.ACS稳定性低，在细胞内也很容易失活，半寿期短约0.51h，。80年代已知道有这种酶，但一直无法进行研究，就是这个原因。 e.ACS是诱导酶（即由于底物的存在、其

11、他激素或环境的刺激而诱导其本身没有的酶的合成），诱导因子：IAA、成熟衰老、胁迫因素(机械伤、极端温度、干旱涝害、电流等),ACO ACO是乙烯生物合成途径中最后一个步骤的酶，它不成为乙烯生成的限速酶，过去对这个酶了解不多，此酶的分离提纯要求膜完整，只能在活体上研究，其活性靠注射ACC，视其转化为乙烯的量，因此一直到90年中期，许多书上称其为EFE（乙烯形成酶），直到前几年，研究技术的发展，在离体上也可分离出ACO，并研究其性质，这才阐明这个酶的特征，它需要抗坏血酸和氧作辅基，Fe2+和CO2作辅因子，催化ACC氧化成乙烯，因此认为把它称为ACO较科学。 ACO的特点： 要求膜的稳定。所以破坏

12、膜的稳定性物质如Co2-、磷酸胆碱（亲脂物质）等能抑制其活性。 氧化还原酶，故在缺O2低O2的嫌气条件下，抑制其活性。 也是诱导酶，诱导因子除IAA外，其它诱导ACS的因子也都能诱导ACO。,目前控制乙烯生物合成，主要是针对上述两种酶，近年的研究发现，在正常乙烯合成途径中存在一种酶对乙烯合成起调节作用。这就是MACC合成酶。大家看上图。如果植物体内ACC过多，或植物没有收到衰老信号，植物就会激活MACCS，将ACC催化生成MACC，这个反应是不可逆的，这样造成ACC失活，降低体内ACC水平，从而降低乙烯的生成量。这个酶的发现为乙烯合成调节提供了一个新思路。另外，研究还发现，自然界中存在ACC脱

13、氨酶。这种酶是在细菌中发现的。 ACC脱氨酶,其作用是ACCNH3+ -酮基丁酸，催化ACC脱氨，生成-酮基丁酸。这个酶的发现为生物保鲜提供一个思路。现在要求纯天然，用此细菌脱除乙烯，是无污染的天然措施。符合现代人的要求。,3、乙烯作用机理 目前关于乙烯的作用机理主要有以下几种。 (1)与受体结合。植物激素对植物的作用，往往是先与受体结合。G + S GS 响应 乙烯是附着在细胞某些金属蛋白（受体）位置上，起着调节作用，这种金属可能是一价铜。乙烯作用抑制剂Ag+可抑制乙烯作用，可能是Ag+取代了金属蛋白中金属，使乙烯无法与金属蛋白结合。NBD则是与乙烯竞争与受体的结合部位，使乙烯无法与受体结合

14、，从而抑制乙烯作用。,乙烯与细胞质膜受体ETR1结合后，钝化了其信号传导下游的 CTR1（蛋白激酶家族成员），使类似于离子通道的跨膜蛋白 EIN2活化，发生离子的跨膜运动，它的信号转导下游组分之一 是细胞核中的转录因子EIN3，EIN3能调节基因表达，调节乙烯反应,(2)乙烯改变膜透性。 乙烯的受体蛋白可能在膜上，这种蛋白对热敏感。气体交换加强乙烯膜上受体蛋白膜透性增加 呼吸加强 促进成熟物质交换加强 乙烯之所以能促进果实成熟，是由于乙烯能增加膜透性，尤其是液泡膜透性，使水解酶外渗，导致呼吸上升，提高多聚半乳糖醛酸酶（PG）活性，使果胶物质变可溶，果肉内有机物强烈转化，而达到可食程度。 (3)

15、对生长素的影响 乙烯抑制生长素合成及运输，促进生长素的分解，通过降低IAA水平而促进脱落和衰老。 (4)促进核酸与蛋白质的合成 乙烯引起特定mRNA合成，以此作为模板合成新酶类（如纤维素酶等），这些酶涉及许多生理生化过程。如纤维素酶进入细胞壁，促进离层产生，促进脱落等。乙烯在叶子及花组织中产生，可使叶、花导致衰老、脱落。原因是乙烯能促进离区纤维素酶及果胶酶活性，产生离层。 （5）乙烯在果实内的流动性 乙烯是一种高度流动性物质，Terai用乙烯处理绿熟相交萼端，3小时后在未处理的一端有乙烯释放，8-12小时后两端释放CO2增加，并有后熟症状。,(三) 乙烯的运输,乙烯在植物体内易于移动，是被动的

16、扩散过程，一般情况下，乙烯就在合成部位起作用。乙烯的前体ACC可溶于水溶液，因而推测ACC可能是乙烯在植物体内远距离运输的形式.,三、乙烯生物合成的调节,（一）自身因素的调节 1.发育因素的调节 果实不同发育阶段产生乙烯的能力不同，这主要是由于植物组织中存在两种乙烯生物合成系统。对于非跃变型果实，只存在乙烯生成系统；而在跃变性果实中则存在乙烯生物合成系统和系统。未成熟果实、刚采下的切花乙烯合成能力很低，内源乙烯含量也很低。随果实的成熟，切花的衰老，乙烯合成能力急增，到衰老后期乙烯合成能力又下降。例如油梨、香蕉和番茄果实在跃变前，乙烯生成量仅1nl/L ，进入果实成熟后内源乙烯释放量猛增450倍

17、，果实衰老后期又下降到5nl/l。这是因为未成熟果实ACS被抑制，合成ACC的量很低，若此时加入外源ACC，则乙烯生成量会迅速增加。香石竹切花衰老时乙烯的变化与果实相似。,2.乙烯对乙烯生物合成的调节 乙烯对乙烯生物合成的作用具有两重性：既能自我催化，又能自我抑制。 自我催化：即少量的乙烯（内源或外源）能促进体内乙烯的大量合成。这是由于少量乙烯能促进ACS的表达合成，激活ACO的活性。Peacook认为这是因为果实跃变前有内源抑制剂存在，抑制了ACS的合成，而少量乙烯可破坏这些抑制剂，从而启动了ACS的合成，进一步启动了乙烯的大量合成。对成熟前跃变型果实（如香蕉）施用少量乙烯，可诱发内源乙烯大量生成，因而促进呼吸跃变，加快成熟。但对非跃变型果实（如柠檬和甜橙），施用少量乙烯，虽能促进呼吸，却不能增加内源乙烯的生成。出现此现象是因为跃变型园艺产品体内存在两个乙烯合成系统，系统、系统。系统只产生少量乙烯，而系统才能产生大量乙烯。而非跃变型园艺产品体内仅有系统而无系统，故只能产生少量乙烯。 乙烯的自我抑制：这是由于乙烯能抑制ACS的活性，促进MACCS的形成，从而抑制乙烯合成。这很好理解，产物往往对反应有反馈抑制作用。有人认为非跃变型园艺产品采后实施乙烯，虽然能促进呼吸但不能增加内源乙烯的增加。,