第四讲 果实成熟

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
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。
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cel 1和cel 2 ,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
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
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。

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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.
• 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（ACC Synthase）
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pectin methylesterase PME), • 木葡聚糖内糖基转移酶(xyloglucan endotransglycosylase, XET), • β-半乳糖苷酶(β-galactosidase), • 纤维素酶(cellulase), • 扩展蛋白(expansin)等.

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（ACC Oxidase）
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%。
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-rich glycoprotein,HRGP） 富脯氨酸蛋白（proline-rich protein,PRP ） 富甘氨酸蛋白（ glycine-rich-protein,GRP ） 伸展蛋白（extensin）
• 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(respiratory climacteric)
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。
• 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.
• 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
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。
• 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。
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(pectic acid)
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.

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
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(hydroxyproline rich glycoprotein,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.
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25 000～50 000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
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

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.
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。
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, The role of ethylene in fruit ripening. Plantphysiol.