菠蘿黑心病機(jī)理研究進(jìn)展

賀 涵，劉傳和，匡石滋，肖維強(qiáng)，賴 多，邵雪花

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南亞熱帶果樹生物學(xué)與基因資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省熱帶亞熱帶果樹研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

菠蘿（Ananas comosus L.）又稱鳳梨、黃梨，是僅次于香蕉、芒果的第三大熱帶果樹[1]。菠蘿原產(chǎn)于南美洲的巴西、巴拉圭一帶，隨后由西班牙殖民者擴(kuò)散至其位于加勒比海、東南亞的殖民地 ,并于 16～17世紀(jì)傳入我國[2]，是 “嶺南四大佳果”之一。菠蘿因其獨(dú)特的口感、豐富的營養(yǎng)成為許多熱帶、亞熱帶國家出口創(chuàng)匯的重要產(chǎn)品[3]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，2017年世界菠蘿總產(chǎn)量已達(dá)27.4 Mt。哥斯達(dá)黎加、菲律賓與巴西是目前菠蘿年產(chǎn)量最高的國家，2017年菠蘿年產(chǎn)量分別為3.1 Mt、2.7 Mt與2.3 Mt。我國大陸地區(qū)菠蘿年產(chǎn)量約為1.6 Mt（FAO官網(wǎng)數(shù)據(jù)）。與季節(jié)性水果不同，菠蘿通過調(diào)節(jié)催花時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)全年上市銷售，但菠蘿夏季果一般更受消費(fèi)者歡迎，主要是由于菠蘿秋、冬季果具有機(jī)酸含量高、糖份低、易患黑心病等缺陷。

菠蘿黑心?。˙lack heart）亦被稱為菠蘿內(nèi)部褐化?。↖nternal Browning）、小果心腐病、小果褐腐病等，是菠蘿主要的采后病害之一[4]。黑心病常導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，主要是因?yàn)椴」麩o明顯的外部特征，只有將果實(shí)切開后才能觀察到褐變的組織。當(dāng)前，研究者們普遍認(rèn)為菠蘿黑心病是一種主要由低溫脅迫誘發(fā)的菠蘿生理性病害[5-6]。采前生長過程（寒潮等）與采后貯運(yùn)（低溫船運(yùn)、倉儲(chǔ)等）中的低溫均可能導(dǎo)致菠蘿黑心病的發(fā)生[7]。采后低溫貯運(yùn)能推遲果實(shí)衰老、降低呼吸作用損耗，已在包括菠蘿在內(nèi)的多種果蔬采后生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用[8]。然而，菠蘿等熱帶水果對(duì)低溫脅迫的耐受性較差，低溫貯運(yùn)會(huì)導(dǎo)致菠蘿黑心病等生理性病害的產(chǎn)生。因此，如何在減少細(xì)胞呼吸損耗與防止低溫應(yīng)激損傷之間尋找最佳平衡點(diǎn)，是果蔬采后研究的重要課題。

菠蘿黑心病過去常見于菠蘿秋、冬季果，然而近年來由于濫用赤霉素壯果等原因，菠蘿夏季果中也常有黑心病的報(bào)道，黑心病對(duì)菠蘿產(chǎn)業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)損失日益嚴(yán)重。近幾十年來，研究者們已嘗試了多種方法防治菠蘿黑心病，包括熱處理、打蠟、水楊酸處理等[6，9]。總結(jié)現(xiàn)有的菠蘿黑心病研究進(jìn)展，對(duì)于研究菠蘿黑心病的內(nèi)在機(jī)理，培育抗黑心病菠蘿品種以及提高菠蘿產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率均具有積極作用。本文總結(jié)了影響菠蘿黑心病發(fā)生的采前與采后因素以及可能的應(yīng)對(duì)策略，回顧菠蘿黑心病發(fā)生的生理生化背景，并結(jié)合相關(guān)激素信號(hào)通路的研究進(jìn)展提出菠蘿黑心病發(fā)生過程的可能模型。

1 菠蘿黑心病主要癥狀及影響因素

1.1 主要癥狀

菠蘿黑心病的初期癥狀是果心基部出現(xiàn)半透明的小斑點(diǎn)；隨著病情的發(fā)展，半透明的果肉組織中逐漸出現(xiàn)黑褐色色素沉著；在黑心病發(fā)展末期，黑褐色色素會(huì)擴(kuò)散到全部的菠蘿果肉中，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致菠蘿果肉與果心完全變黑。盡管菠蘿果實(shí)內(nèi)部在黑心病發(fā)生過程中發(fā)生了劇烈變化，但其外部并沒有明顯的特征，只有切開后才能觀察到褐變組織[10]。菠蘿黑心病的嚴(yán)重程度與時(shí)空發(fā)育在不同菠蘿品種間存在差異?；屎箢惒ぬ}（如我國主栽種巴厘等）屬于菠蘿黑心病易感品種，在低溫條件下（10～12 ℃）貯藏1～2周即可觀察到黑心病癥狀的產(chǎn)生；卡因類菠蘿（如無刺卡因）的黑心病抗性強(qiáng)于皇后類品種，且其發(fā)病部位局限于果肉部分。部分菠蘿雜交品種被報(bào)道具有較強(qiáng)的菠蘿黑心病抗性，如Hawaiian Gold 53-116在多種低溫處理?xiàng)l件下均未表現(xiàn)出明顯的黑心病癥狀；雜交品種73-50也具備部分菠蘿黑心病抗性以及較高的抗壞血酸含量[11]。

1.2 采前因素

盡管菠蘿黑心病是一種采后生理性病害，但多種采前因素也對(duì)菠蘿黑心病的發(fā)生率具有重大影響，綜合控制采前生長以及采后儲(chǔ)藏因素是控制菠蘿黑心病發(fā)生率的關(guān)鍵。

1.2.1 季節(jié)性因素 季節(jié)性因素，主要指季節(jié)性低溫，是影響菠蘿黑心病發(fā)生的主要采前因素。菠蘿夏季果一般不發(fā)生黑心病，即使有少數(shù)發(fā)生程度也很輕微，菠蘿黑心病主要發(fā)生在秋冬季，且菠蘿冬季果的發(fā)病率顯著高于秋季果。研究表明，成熟菠蘿在低于15 ℃條件下暴露數(shù)天再返回較高溫度后即可能導(dǎo)致菠蘿黑心病的產(chǎn)生[10]。在我國廣東地區(qū)，菠蘿冬季果發(fā)生黑心病的概率遠(yuǎn)高于夏季果，不但影響了消費(fèi)者的購買欲，而且嚴(yán)重制約了我國菠蘿產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率的提高[12]。同處于亞熱帶的澳大利亞昆士蘭地區(qū)也有類似的報(bào)道[13]。由于菠蘿黑心病與果實(shí)成熟期的低溫脅迫過程直接相關(guān)，適當(dāng)調(diào)整菠蘿的催花時(shí)間，避免使菠蘿果實(shí)成熟期處于容易遭受寒潮侵襲的季節(jié)，可在一定程度上降低菠蘿黑心病的發(fā)病率。

1.2.2 種植條件與栽培措施 菠蘿種植園的土壤條件也是影響菠蘿黑心病發(fā)生率的重要采前因素。充足的礦質(zhì)營養(yǎng)對(duì)于提高菠蘿品質(zhì)與產(chǎn)量至關(guān)重要，其中鈣元素含量被報(bào)道直接與菠蘿的黑心病抗性有關(guān)。鈣元素缺乏的菠蘿果實(shí)更容易發(fā)生黑心病等生理性病害，而具有較高鈣離子含量的菠蘿果實(shí)對(duì)低溫脅迫的敏感性較弱，對(duì)菠蘿黑心病的抗性也更強(qiáng)[14]?？蒲袑?shí)踐也表明在菠蘿果實(shí)膨大期噴施氯化鈣溶液具有一定的抗黑心病作用；采前噴施適宜濃度的氯化鈣溶液能增強(qiáng)菠蘿果實(shí)對(duì)輕微低溫脅迫的抗性，降低菠蘿黑心病發(fā)生率[15]。此外，土壤中適宜濃度的鉀離子對(duì)于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菠蘿也具有一定的積極作用，能促進(jìn)菠蘿果實(shí)中總固形物含量的增加、產(chǎn)生直徑較大的果實(shí)，并能在一定程度上降低菠蘿黑心病的發(fā)生率[3]。

近幾十年來，我國菠蘿種植者在果實(shí)膨大期普遍采用赤霉素（商品名“920”）壯果以提高單果重量，然而這也同時(shí)提高了菠蘿黑心病的發(fā)病率以及發(fā)病程度。赤霉素已被報(bào)道在菠蘿黑心病的形成過程中扮演著重要角色[16]。赤霉素能促進(jìn)菠蘿果內(nèi)的氧化反應(yīng)，并能在缺乏低溫脅迫的條件下導(dǎo)致菠蘿黑心病的發(fā)生；此外，與黑心病組織褐變直接相關(guān)的PPO基因的啟動(dòng)子區(qū)域也被報(bào)道具有赤霉素響應(yīng)元件[17]。因此，赤霉素是誘發(fā)菠蘿黑心病的一個(gè)重要因素，在生產(chǎn)上不施或少施‘920’能直接降低菠蘿黑心病的發(fā)生率。

1.3 采后因素

蔬果的采后處理在極大程度上決定了蔬果的貨架期以及菠蘿黑心病等生理性病害的發(fā)生率，適宜的采后處理甚至能在一定程度上延緩由不利采前因素所引起的菠蘿黑心病。

1.3.1 采摘時(shí)間 采摘時(shí)間是影響菠蘿黑心病發(fā)生的重要采后因素之一。采摘時(shí)間決定了菠蘿果實(shí)的成熟度，而菠蘿果實(shí)的成熟度與黑心病的發(fā)病率呈正相關(guān)：成熟度高的菠蘿易于發(fā)生黑心病，未完全成熟的菠蘿不易發(fā)生黑心病，但其風(fēng)味較差而不具有良好的商品性[18]。乙烯在植物果實(shí)成熟的過程中扮演著極為重要的作用，能顯著影響果實(shí)品質(zhì)。這些影響可能是有益的或有害的，主要取決于果實(shí)種類及其成熟階段[19]。研究表明，適宜濃度的1-MCP（乙烯受體拮抗劑）處理能延緩菠蘿成熟，顯著降低菠蘿黑心病的發(fā)生率。1-MCP處理能顯著抑制脂氧合酶途徑，降低菠蘿果實(shí)膜脂過氧化程度，有效延遲過氧化物酶（peroxidase,POD）、過氧化氫酶（catalase,CAT）等酶活性高峰的出現(xiàn)，從而延緩菠蘿的衰老進(jìn)程，延長貨架期，降低菠蘿黑心病發(fā)生率[19]。因此，合適的采摘時(shí)間結(jié)合適當(dāng)?shù)谋ｕr技術(shù)與通暢的銷售渠道能在一定程度上降低菠蘿黑心病帶來的不利影響。

1.3.2 貯藏溫度 貯藏過程中的低溫被認(rèn)為是導(dǎo)致菠蘿黑心病的主要采后因素[5，13]。低溫貯藏能推遲果實(shí)衰老、降低呼吸作用損耗，已在多種果蔬的采后生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。然而，以菠蘿為代表的熱帶、亞熱帶水果對(duì)低溫脅迫的耐受性較差，長期低溫貯藏會(huì)誘發(fā)菠蘿黑心病，且其嚴(yán)重程度與低溫貯藏的溫度及持續(xù)時(shí)間直接相關(guān)。細(xì)胞質(zhì)膜是低溫脅迫的主要作用部位，低溫脅迫作用于細(xì)胞質(zhì)膜會(huì)導(dǎo)致磷脂酸水平升高、磷脂酰肌醇水平降低，降低細(xì)胞質(zhì)膜的不飽和脂肪酸度比例，并最終導(dǎo)致細(xì)胞間隔喪失[8]。多酚氧化酶（PPO,定位于質(zhì)體中）在細(xì)胞間隔喪失的果肉組織中催化多酚類化合物等底物（多位于液泡中）產(chǎn)生黑褐色色素類物質(zhì)，是黑心病病果在宏觀上呈現(xiàn)褐變的直接原因[20]。但也有部分研究認(rèn)為低溫與菠蘿黑心病的嚴(yán)重程度并不呈現(xiàn)線性關(guān)系,隨著冷脅迫溫度由10℃降低至2℃，無刺卡因菠蘿果肉的黑心病癥狀反而有所減輕。Stewart等認(rèn)為這是由于多酚氧化酶（PPO）的相對(duì)活性降低所致[21]。

1.3.3 貯藏條件 蔬果采后貯藏過程中的氣體環(huán)境會(huì)顯著影響菠蘿黑心病等生理性病害的發(fā)生率。在采后對(duì)蔬果進(jìn)行短時(shí)間缺氧預(yù)處理能顯著降低呼吸速率、抑制乙烯產(chǎn)生，從而達(dá)到延緩成熟、降低菠蘿黑心病等生理性病害發(fā)生率的作用。Techavuthiporn等報(bào)道短時(shí)缺氧處理（16 h）能延緩‘Phulae’菠蘿發(fā)生黑心病的時(shí)間，可能是由于缺氧處理抑制了菠蘿果肉中多酚氧化酶的活性[22]。因此，在菠蘿采收后、貯藏前進(jìn)行短時(shí)缺氧處理有望在一定程度上延長菠蘿的貨架期、降低菠蘿黑心病的發(fā)生率。此外，在菠蘿采后應(yīng)用熱水浸泡的形式進(jìn)行預(yù)處理，也能有效增強(qiáng)菠蘿果實(shí)的低溫脅迫抗性，降低菠蘿黑心病發(fā)生率：菠蘿果實(shí)在38℃下處理60 min后，果肉和果心區(qū)域的褐變程度分別比未處理的對(duì)照低70%和45%[9]。而Lu等研究表明，采后水楊酸處理能顯著降低菠蘿黑心病的發(fā)生率：水楊酸處理能降低POD與PPO的活性，降低果實(shí)呼吸速率，并提高APX與SOD等抗氧化酶的活性[6，12]。

2 菠蘿黑心病的生理生化背景

2.1 低溫脅迫是誘發(fā)菠蘿黑心病的主要原因

多酚類化合物是蔬果內(nèi)廣泛存在的一類具有抗氧化性的有機(jī)小分子，其被氧化后產(chǎn)生的黑褐色多聚化合物是黑心病病變組織在宏觀上呈現(xiàn)黑褐色的直接原因。PPO催化多酚類化合物氧化的第一步反應(yīng)，即多酚類化合物轉(zhuǎn)變?yōu)轷惢衔锏倪^程，影響該反應(yīng)的主要因素包括多酚類化合物含量和PPO催化活性。菠蘿果實(shí)內(nèi)的多酚類化合物主要包括綠原酸和單寧鞣質(zhì)。綠原酸亦稱為咖啡?？崴幔瑓⑴c多種水果的褐變過程；單寧鞣質(zhì)也是一種易被氧化的多酚衍生物，多分布于果實(shí)細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)與液泡中。菠蘿中多酚化合物的含量受到低溫脅迫的誘導(dǎo)，但多酚化合物含量并不是黑心病組織褐變的決定性因素，菠蘿黑心病抗性品種與易感品種的多酚化合物含量并無顯著性差別[10]。20世紀(jì)70年代，PPO曾被認(rèn)為是導(dǎo)致菠蘿黑心病病變組織褐變的主要原因[23]，許多研究者都試圖通過抑制PPO催化的多酚氧化反應(yīng)以降低菠蘿黑心病的發(fā)生水平，相關(guān)研究可歸為兩大類：（1）抑制AcPPO的表達(dá)量或降低PPO的催化活力，如Ko等通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)抑制菠蘿AcPPO基因的表達(dá)，獲得了22株AcPPO的基因敲除植株，并進(jìn)一步通過田間試驗(yàn)篩選獲得了5個(gè)黑心病癥狀減輕的AcPPO基因敲除株系[13]；（2）防止PPO與其多酚類底物結(jié)合，如熱處理可以抑制磷脂酶D以及脂氧合酶的活性，改變膜系統(tǒng)中的不飽和脂肪酸比例，增強(qiáng)膜系統(tǒng)在低溫脅迫下的穩(wěn)定性，防止多酚類化合物與PPO結(jié)合，最終降低菠蘿黑心病的發(fā)生率[9]。但上述方案均只能在一定程度上降低菠蘿黑心病的發(fā)生率。進(jìn)一步研究也表明PPO活性與褐變起始間并不存在明顯相關(guān)性，多種植物的褐變過程中其PPO活性并無明顯變化[24]。

低溫是限制植物分布的不利環(huán)境條件之一，許多植物在低溫脅迫下表現(xiàn)出應(yīng)激損傷的癥狀，尤其是那些起源于溫暖區(qū)域的植物[25]。低溫脅迫是導(dǎo)致菠蘿黑心病發(fā)生的重要因素，大多數(shù)菠蘿品種在15 ℃以下的非凍結(jié)低溫（Non-freezing Chilling temperature）環(huán)境中易發(fā)生黑心病[10]。低溫脅迫對(duì)植物的主要危害在于其可導(dǎo)致質(zhì)膜損傷[26-27]：低溫脅迫能改變質(zhì)膜的流動(dòng)性，促使質(zhì)膜由可變的液晶態(tài)向固體凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變（質(zhì)膜相變）；質(zhì)膜相變使得細(xì)胞質(zhì)膜的半通透性消失，致使細(xì)胞間隔喪失、細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)破壞，并最終導(dǎo)致植物細(xì)胞死亡[26，28]。此外，低溫脅迫還能誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生，活性氧（ROS）不僅能直接與膜脂類發(fā)生過氧化反應(yīng)，還能誘導(dǎo)脂氧合酶（LOX）的活性[29]。質(zhì)膜的低溫穩(wěn)定性主要是由其化學(xué)組成，尤其是不飽和脂肪酸的比例所決定[30]。LOX能催化不飽和脂肪酸的降解反應(yīng)，降低不飽和脂肪酸比例，降低質(zhì)膜的穩(wěn)定性，導(dǎo)致質(zhì)膜損傷。由于多酚氧化酶與多酚類化合物分別位于不同的細(xì)胞器中（PPO位于細(xì)胞質(zhì)、質(zhì)體中，多酚類化合物位于液泡中），只有在質(zhì)膜損傷、細(xì)胞間隔喪失的組織中PPO與其多酚類底物才能相互接觸[31-32]。因此，低溫脅迫誘導(dǎo)的質(zhì)膜損傷（而非多酚氧化酶活性）可能是導(dǎo)致菠蘿黑心病的主要原因。

2.2 菠蘿黑心病的實(shí)質(zhì)是一個(gè)細(xì)胞程序性死亡過程

細(xì)胞程序性死亡（Programmed cell death,PCD）是一種生物體必需的生理過程，在生長發(fā)育、逆境脅迫響應(yīng)等過程中均發(fā)揮著重要作用[33]。低溫脅迫能誘導(dǎo)煙草BY-2細(xì)胞的細(xì)胞程序性死亡過程，凋亡細(xì)胞具有梯狀DNA 、染色質(zhì)皺縮等PCD過程的典型特征[34]。Chen等認(rèn)為黃瓜水心?。ㄒ环N與菠蘿黑心病類似的采后生理性病害）是低溫脅迫誘導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡的宏觀表現(xiàn)形式，低溫脅迫處理9d的黃瓜果實(shí)中出現(xiàn)了階梯狀DNA等典型的PCD特征[35]。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)菠蘿黑心病病變組織具有階梯狀DNA等PCD反應(yīng)的典型特征，并且病變組織中PCD相關(guān)基因的表達(dá)水平也發(fā)生了顯著變化（未發(fā)表結(jié)果）。

近年來，有研究表明赤霉素（GA3）參與調(diào)節(jié)谷類糊粉層細(xì)胞的PCD過程，外源赤霉素處理能促進(jìn)糊粉層細(xì)胞PCD的發(fā)生[36]。Fernando等報(bào)道GA3能誘導(dǎo)一種與糊粉層細(xì)胞PCD相關(guān)的核酸酶的表達(dá)[37]。張鶴婷等報(bào)道GA3能顯著提高糊粉層PCD過程關(guān)鍵水解蛋白酶OsVPE3的表達(dá)，并能通過提高VPE 的活性促進(jìn)水稻糊粉層的PCD進(jìn)程[38]。此外，赤霉素還能激活鈣依賴蛋白激酶（CDPK）的表達(dá)[39]。CDPK與動(dòng)物細(xì)胞中的蛋白激酶C（PKC）具有高度同源性，能調(diào)節(jié)線粒體鈣離子的` 轉(zhuǎn)運(yùn)，是PCD調(diào)控過程的一個(gè)重要上游分子[33，40]。由于PCD過程不可避免的伴隨著細(xì)胞膜完整性的喪失，因而赤霉素也有可能通過誘導(dǎo)PCD反應(yīng)造成質(zhì)膜損傷，最終誘發(fā)菠蘿黑心病[40]。因此，菠蘿黑心病的實(shí)質(zhì)是一個(gè)由低溫脅迫或赤霉素誘導(dǎo)的局部細(xì)胞程序性死亡過程，這種植物的局部細(xì)胞凋亡過程可能是植物整體應(yīng)對(duì)脅迫過程的一種生理機(jī)制，起到物理隔離健康與受損組織的作用[41]。

2.3 赤霉素信號(hào)位于低溫脅迫信號(hào)的下游

既然低溫脅迫與赤霉素均可誘導(dǎo)菠蘿黑心病的產(chǎn)生，那么低溫脅迫與赤霉素信號(hào)之間具有怎樣的關(guān)系呢？首先，低溫脅迫能誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生，而活性氧能促進(jìn)赤霉素的合成。低溫脅迫能誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生，并且ROS的產(chǎn)生量隨著溫度持續(xù)下降或低溫持續(xù)時(shí)間延長而持續(xù)增加；而ROS能通過促進(jìn)KAO1與GA3-ox基因的表達(dá)正向調(diào)節(jié)赤霉素的合成[42]。其次，低溫脅迫信號(hào)能通過影響作用于DELLA蛋白的CBF1轉(zhuǎn)錄因子間接調(diào)控赤霉素信號(hào)途徑。DELLA蛋白是赤霉素信號(hào)途徑中一個(gè)重要的負(fù)調(diào)控因子，擬南芥中共有5種DELLA蛋白（GAI,RGA,RGL1,RGL2,與RGL3），它們的功能各有側(cè)重且具有重疊性，缺失3～5種DELLA基因的擬南芥突變體對(duì)GA誘導(dǎo)不敏感，并具有高而細(xì)長的表型[43]。CBF1則是一類與植物抗寒性有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，在低溫條件下它能與COR以及其他冷脅迫響應(yīng)基因的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合，激活冷響應(yīng)基因的表達(dá)，增強(qiáng)植物的抗寒性。Achard等報(bào)道低溫脅迫能激活CBF1的表達(dá)，并通過CBF1促進(jìn)DELLA蛋白的積累，從而抑制GA信號(hào)傳導(dǎo)。CBF1能通過激活GA2-OX（具有降解GA3的作用）的表達(dá)以降低GA3的含量，進(jìn)而抑制GA3依賴的DELLA蛋白降解，最終抑制GA信號(hào)傳導(dǎo)[43]。CBF1對(duì)GA信號(hào)通路的抑制作用有可能是短期低溫脅迫下果實(shí)黑心病發(fā)生率降低的原因。綜上，低溫脅迫能直接或間接地影響赤霉素信號(hào)通路，赤霉素信號(hào)位于低溫脅迫信號(hào)的下游。

2.4 菠蘿黑心病發(fā)生過程的可能模型

基于現(xiàn)有文獻(xiàn)可將菠蘿黑心病的發(fā)生過程大致分為3個(gè)階段，即起始階段（Initial stage）、細(xì)胞凋亡執(zhí)行階段(Execution stage)與褐變階段(Browning stage)（圖1）。（1）低溫脅迫是引起菠蘿黑心病褐變等一系列事件的重要因素，但我們認(rèn)為低溫脅迫僅在黑心病的起始階段起到損傷質(zhì)膜、誘發(fā)黑心病的作用。首先，菠蘿果實(shí)只有經(jīng)過一段時(shí)間的低溫脅迫處理后才可能發(fā)生菠蘿黑心病，而一直處于室溫條件的對(duì)照組卻不會(huì)發(fā)生菠蘿黑心病，表明菠蘿黑心病需要低溫過程的誘導(dǎo)[16]；其次，當(dāng)質(zhì)膜已發(fā)生損傷后，持續(xù)低溫組的黑心病程度反而低于后續(xù)轉(zhuǎn)入室溫條件的處理組，表明黑心病后續(xù)的細(xì)胞凋亡執(zhí)行階段與低溫脅迫并不直接相關(guān)，而可能與赤霉素信號(hào)途徑有關(guān)[1，44]。這可能是因?yàn)榈蜏孛{迫能誘導(dǎo)CBF1的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)GA2-OX的表達(dá)以降低細(xì)胞中GA3的水平，從而抑制或延緩細(xì)胞程序性死亡與黑心病褐變過程[43]。

（2）赤霉素及其信號(hào)通路在細(xì)胞凋亡執(zhí)行階段發(fā)揮著核心作用。DELLA蛋白是GA信號(hào)途徑重要的負(fù)調(diào)控因子，對(duì)GA信號(hào)下游的細(xì)胞凋亡過程的具有抑制作用。赤霉素與受體GID1結(jié)合能激活DELLA蛋白的降解機(jī)制，解除其對(duì)GA下游信號(hào)途徑的抑制作用。GA-DELLA信號(hào)機(jī)制被認(rèn)為在植物整合外界刺激與內(nèi)源信號(hào)的過程中發(fā)揮著重要作用[45-46]。Jiang等報(bào)道GA-DELLA信號(hào)機(jī)制在缺磷脅迫響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)細(xì)胞感應(yīng)到缺磷脅迫信號(hào)后，會(huì)激活GA2-OX的表達(dá)，降低GA3的含量、積累DELLA蛋白，并抑制GA信號(hào)通路的下游途徑[47]。因此，在低溫導(dǎo)致的菠蘿黑心病過程中，DELLA-GA信號(hào)機(jī)制可能在決定短期低溫耐受以及長期低溫脅迫相關(guān)的PCD過程中扮演著調(diào)節(jié)者的作用。此外， DELLA蛋白同時(shí)受到乙烯信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，這也解釋了為什么成熟菠蘿更容易發(fā)生黑心病[46，48]。

圖1 菠蘿黑心病發(fā)生過程的可能模型Fig.1 A possible model for pineapple blackheart

（3）多酚氧化酶在菠蘿黑心病褐變階段催化的褐變反應(yīng)是一種次級(jí)反應(yīng)。PPO活性及其底物含量與菠蘿黑心病發(fā)生率并無直接關(guān)聯(lián)性[10，16]，AcPPO的表達(dá)也受到赤霉素信號(hào)的調(diào)控[17]。其他物種黑心病(褐心病)的相關(guān)研究也表明，PPO的表達(dá)水平與黑心病的發(fā)生率間并無直接關(guān)聯(lián)性，PPO催化的褐變反應(yīng)可能只是質(zhì)膜損傷后發(fā)生的次級(jí)反應(yīng)[49]。但也有研究表明多酚類化合物氧化產(chǎn)生的多聚化合物在生物脅迫引起的超敏反應(yīng)（HR response）中起到了物理防御屏障的作用[41，50]，因此，黑心病褐變階段中產(chǎn)生的黑褐色聚合物是否在非生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮作用還有待于進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語與展望

總之，菠蘿黑心病是一種主要由采后不利貯藏條件引起的菠蘿生理性病害。但采前因素也對(duì)菠蘿黑心病的發(fā)生具有重要影響，可能是造成不同種植地、不同收獲季節(jié)菠蘿黑心病發(fā)病率不同的直接原因。采前與采后的低溫脅迫過程是自然條件下誘發(fā)菠蘿黑心病的主要原因，低溫脅迫不僅能直接造成質(zhì)膜損傷，還能誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生并對(duì)DNA、蛋白、脂質(zhì)等細(xì)胞組分造成氧化損傷。由于赤霉素信號(hào)位于低溫脅迫的下游，因此菠蘿黑心病的實(shí)質(zhì)是一個(gè)低溫脅迫誘導(dǎo)、赤霉素介導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡過程，這種低溫下局部細(xì)胞的PCD過程有可能是植物整體應(yīng)對(duì)長期低溫脅迫的一種生理機(jī)制。而PPO催化的組織褐變則是細(xì)胞凋亡發(fā)生后的一種次級(jí)反應(yīng)。

盡管目前菠蘿黑心病相關(guān)的機(jī)理研究已取得了一定的進(jìn)展，但由于菠蘿黑心病是一個(gè)受多因素影響的復(fù)雜生理過程，以下幾個(gè)方面仍有待于進(jìn)一步深入研究：（1）未成熟菠蘿不易發(fā)生菠蘿黑心病的相關(guān)機(jī)理；（2）不同菠蘿品種黑心病抗性不同的相關(guān)機(jī)理；（3）果心附近小果易發(fā)生黑心病的相關(guān)機(jī)理。