鸭梨果实二氧化碳伤害与呼吸代谢关系的研究

Carbon dioxide (CO2) injury is a common physiological disorder during the storage of fruits and vegetables and becoming one of the major limiting factors of fruit quality. The main goal of this project is to reveal the mechanism of CO2 injury..In this project, metabolomic technology will be used to investigate the effect of CO2 on respiratory metabolic intermediate products and on respiratory metabolism network of Yali pears. The metabolic fingerprint will be also analyzed. And, all of these will surround the respiratory metabolism as a key point. The influence of CO2 on respiratory metabolism pathway of fruit will be demonstrated by observing and studying the changes of key enzymes of respiratory metabolism. Meanwhile, the effect of CO2 on energy metabolism will be discussed by observing the changes of energy charge. Finally, the production mechanism of active oxygen will be revealed by studying the influence of CO2 on electron transport chain, and the distribution of major active oxygen species will be clarified..The research result will present an important theoretical basis for revealing the mechanism of CO2 injury, and it will lay a foundation for predicting the occurrence of CO2 injury and searching an effective approach to prevent CO2 injury. It will also provide technical base for developing the precise storage techniques of Yali pears.

二氧化碳伤害是果蔬贮藏过程中常见的生理病害，已成为引起果蔬采后损失的重要原因之一。本项目拟采用鸭梨果实为试材，围绕呼吸代谢这一关键环节，利用代谢组学的手段，研究呼吸代谢途径中重要中间产物组成和含量的动态变化规律，分析二氧化碳伤害果实具有的代谢指纹图谱，研究二氧化碳对鸭梨果实呼吸代谢网络的调控机制；通过观察呼吸代谢关键酶的变化规律，阐述二氧化碳对果实呼吸代谢途径的影响；通过观察细胞产生能荷的变化，探讨能量代谢在二氧化碳伤害发生中的作用；通过研究二氧化碳对呼吸链电子转移关键酶的影响，揭示活性氧的产生机制；利用生物显微技术，对活性氧进行亚细胞定位，阐明高浓度二氧化碳下果实主要活性氧物质的组织分布规律。研究结果将为揭示鸭梨果实二氧化碳伤害的发生机制提供重要的理论依据，为二氧化碳伤害的预测和进一步寻找二氧化碳伤害的调控手段奠定基础，为发展鸭梨的精准贮藏技术提供理论支持。

鸭梨果实对二氧化碳敏感，高浓度的二氧化碳都会对鸭梨组织造成伤害，导致其在贮藏时出现果心褐变，引起黑心病，这严重影响了鸭梨的综合品质和商品价值，限制了气调技术在鸭梨采后贮藏中的应用。本项目研究了二氧化碳引起鸭梨黑心病发生的机制，发现二氧化碳处理会抑制果实体内活性氧清除酶和线粒体呼吸链上氧化磷酸化关键酶的活性，引起自由基积累，从活性氧产生端和清除端两个方面解释了二氧化碳处理引起果实活性氧积累的原因。研究发现二氧化碳处理增加了果实丙二醛（MDA）的含量，说明二氧化碳处理导致细胞膜结构破坏，此外通过组织结构的观察可知，二氧化碳处理后果实细胞壁迅速降解，细胞器解体增多，膜系统遭到破坏。研究发现，二氧化碳处理还会提高果实的多酚氧化酶的活性，证实了多酚氧化酶催化的酶促褐变是引起鸭梨果实黑心的原因。同时还研究pH值、温度、抑制剂及激活剂对鸭梨果实多酚氧化酶活性的影响，得到了果实多酚氧化酶的酶学特征。本项目还研究了二氧化碳对不同呼吸途径的影响，利用添加不同抑制剂的方法，首次发现二氧化碳处理提高了糖酵解(EMP)、戊糖磷酸(PPP)和三羧酸循环(TCA)途径呼吸速率，并促进了葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G-6-PDH）活性的提高，但是对果实体内ATP的含量影响不大。二氧化碳胁迫还加速了果实的采后衰老，会导致果实硬度、可溶性固形物和可滴定酸含量下降，影响果实的食用品质。本项目还对鸭梨果实主要中间代谢产物进行组分分析，利用生物信息统计分析，发现对照组和二氧化碳伤害果实可以很好的分开，说明二氧化碳伤害会引起代谢产物的差异。通过S-plot找出差异的峰，通过MPP软件做的火山图，寻找出Fold change>2的代谢差异物质有94个。根据研究结果，本项目还提出了几种阻止果实发生褐变的技术，其中首次发现48h氮气冲击处理和0.025Mpa减压处理有效降低果实贮藏过程中黑心病的发病率，减缓了果实品质劣变，还发现普鲁兰多糖能够延缓果实可溶性固形物和可滴定酸含量的下降，还可以抑制鲜切果实中多酚氧化酶的活性，控制果实褐变的发生。综上，本项目研究了鸭梨果实在二氧化碳环境下的代谢规律，深入探讨了高二氧化碳胁迫对鸭梨果实褐变影响的可能机制，并寻找了3种调控鸭梨果实褐变的有效技术，对积极预防黑心病的发生，建立鸭梨精准贮藏体系具有重要的意义。