褪黑素调控角质层蜡质、细胞壁和酚类代谢提升采后葡萄品质的新机制

本研究针对葡萄采后易软化褐变、品质劣变问题，探讨了外源褪黑素(MT)处理对‘红地球’葡萄冷藏期间品质维持的生理机制。研究发现100 μmol·L?1 MT处理通过调控角质层蜡质代谢相关基因表达、抑制细胞壁降解酶活性及激活酚类物质生物合成通路，显著保持了果实硬度、可溶性固形物和有机酸含量，延缓了品质劣变进程，为采后保鲜技术提供了新策略。

　　

葡萄作为全球重要的经济作物，以其独特风味和丰富的功能性成分备受青睐。然而由于其皮薄汁多、采后生理活动旺盛，在贮藏过程中极易出现软化、褐变、品质下降等问题，给产业发展带来巨大挑战。特别是"红地球"等鲜食葡萄品种，采后品质维持更是行业难题。传统的低温贮藏虽然能延缓衰老，但无法完全抑制品质劣变过程，迫切需要寻找安全有效的保鲜技术。

以往研究表明，褪黑素（Melatonin, MT）作为一种天然植物生长调节剂，在调控果实采后生理过程方面表现出巨大潜力。它能够抑制呼吸速率和乙烯生成，延缓果实衰老，同时激活抗氧化系统减轻氧化损伤。然而，关于MT对葡萄采后品质影响的研究多集中于抗氧化系统和风味成分维持，对其如何调控角质层蜡质代谢、细胞壁降解和酚类物质合成等关键过程的机制尚不明确。

为此，中国研究人员在《LWT》期刊发表了创新性研究，系统探讨了外源MT处理对"红地球"葡萄采后品质的维持机制。研究团队采用100 μmol·L^?1 MT溶液浸泡处理葡萄5分钟后，于4°C条件下贮藏56天，定期取样分析。研究通过整合生理指标测定、扫描电镜观察、气相色谱-质谱联用(GC-MS)、高效液相色谱(HPLC)和实时定量PCR(qPCR)等技术手段，从多角度揭示了MT的作用机制。

关键技术方法包括：使用扫描电子显微镜(SEM)观察果实表面蜡质晶体形态变化；通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析角质层蜡质成分组成；采用高效液相色谱(HPLC)测定可溶性糖、有机酸、单体花青素和非花青素酚类物质含量；应用实时荧光定量PCR(qPCR)技术检测蜡质、细胞壁和酚类代谢相关基因表达水平；使用分光光度法测定细胞壁降解酶（PME、PG、β-Gal）活性变化。

3.1. Effects of MT on TSS, TA, and firmness

研究发现MT处理显著维持了葡萄果实的采后品质。与对照组相比，MT处理组在贮藏14、28、42和56天时，可溶性固形物(TSS)含量分别提高了3%、6%、4%和4%，可滴定酸(TA)含量分别提高了6%、14%、13%和11%。同时，MT处理有效延缓了果实硬度下降，在贮藏28、42和56天时，对照组硬度损失分别为16%、33%和37%，而MT处理组仅损失11%、21%和27%。

3.2. Effects of MT on soluble sugar and organic acid contents

MT处理减缓了果糖和葡萄糖含量的下降趋势。贮藏结束时，MT处理组的果糖和葡萄糖含量分别为94.19 g·L^?1和76.31 g·L^?1，比对照组高5%和3%。同时，MT处理显著提高了酒石酸、苹果酸、柠檬酸和琥珀酸的含量，表明MT能够减少有机酸作为呼吸底物的消耗。

3.3. Effects of MT on cuticular morphology

扫描电镜观察发现，新鲜葡萄果实表面覆盖着丰富的不规则片状蜡质晶体。贮藏28天后，对照组蜡质晶体密度降低，出现融化和聚集现象，而MT处理组蜡质晶体的模糊和降解程度较轻，表明MT能够保护蜡质晶体的完整性。

3.4. Effects of MT on cuticular wax metabolism

3.4.1. Cuticular wax components

研究鉴定出25种角质层蜡质成分，包括8种三萜类、4种脂肪酸、4种醇类、3种醛类、2种酯类、2种烃类和其他2种物质。三萜类是"红地球"葡萄蜡质的主要成分，占总蜡质的58-64%。对照组总蜡质含量从0天的413.34 mg·m^?2降至56天的158.42 mg·m^?2，而MT处理延缓了这一下降趋势，在28天和56天时分别比对照组高8%和26%。MT处理还提高了三萜类、醇类、烃类、脂肪酸和醛类的含量。

3.4.2. Expression of genes associated with cuticular wax biosynthesis

MT处理显著上调了蜡质生物合成相关基因的表达。VvBAS和VvCYP76A（参与三萜类合成）的表达在MT处理下得到增强。脂肪酸合成相关基因VvCER10、VvKCR1、VvPAS2a、VvPAS2b和VvKCS4的表达也受到MT处理的刺激。此外，负责醇类合成的蜡酯合酶/二酰基甘油酰基转移酶基因VvWSD1-1和VvWSD1-2的转录水平在MT处理下也显著提高。

3.5. Effects of MT on cell wall metabolism

3.5.1. Pectin content

MT处理降低了水溶性果胶(WSP)含量，在14、42和56天时分别比对照组低12%、23%和18%。同时，MT处理维持了较高的螯合溶性果胶(CSP)和碳酸钠溶性果胶(NSP)含量，在28、42和56天时，CSP含量分别比对照组高10%、13%和19%，NSP含量分别高9%、19%和5%。

3.5.2. Activities and gene expression of PME, PG, and β-Gal

MT处理抑制了细胞壁降解酶的活性。在42天时，MT处理组的果胶甲基酯酶(PME)活性为120.00 mg·h^?1·kg^?1，比对照组低13%。在56天时，多聚半乳糖醛酸酶(PG)和β-半乳糖苷酶(β-Gal)活性分别比对照组低24%和13%。相应地，VvPME、VvPG和Vvβ-Gal基因的表达也受到MT处理的抑制。

3.6. Effects of MT on phenolic metabolism

3.6.1. Anthocyanin components

研究检测到9种单体花青素，其中芍药素-3-O-葡萄糖苷(Pn 3-O-Glu)和矢车菊素-3-O-葡萄糖苷(Cy 3-O-Glu)是主要成分，分别占总花青素的55-65%和21-30%。MT处理提高了总花青素含量，在28、42和56天时分别比对照组高11%、44%和27%。贮藏结束时，MT处理组的Pn 3-O-Glu和Cy 3-O-Glu含量分别为1112.50 mg·kg^?1和511.60 mg·kg^?1，比对照组高28%和24%。

3.6.2. Non-anthocyanin components

研究检测到13种非花青素酚类化合物。MT处理维持了较高的总非花青素酚类含量，在14、28、42和56天时分别比对照组高10%、27%、18%和14%。其中，阿魏酸和龙胆酸是主要的酚酸，在28天时MT处理组的含量分别为35.33 mg·kg^?1和35.26 mg·kg^?1，比对照组高23%和19%。表儿茶素、芦丁和白藜芦醇的含量也因MT处理而显著提高。

3.6.3. Expression of genes associated with phenolic compound biosynthesis

MT处理上调了酚类物质生物合成途径中多个关键基因的表达。VvPAL、VvC4H、Vv4CL、VvCHS2、VvCHS3和VvCHI3的表达在贮藏初期上升后下降，VvPAL和VvCHS2在28天时表达最高，VvC4H和VvCHS3分别在42天和14天时表达最高。VvCHI2、VvF3′5′H和VvLDOX在对照组中随贮藏时间下调，而MT处理不同程度地诱导了这些基因的转录。

3.7. Correlation analysis

相关性分析表明，可溶性固形物、可滴定酸、硬度、果糖、葡萄糖、苹果酸和柠檬酸之间呈正相关。硬度和可滴定酸与脂肪酸、三萜类、总蜡质、酯类、花青素、醇类、烃类、NSP活性和CSP活性含量呈正相关，而与WSP含量、PG活性和β-Gal活性呈负相关。可溶性固形物与NSP、CSP、三萜类和醛类含量呈正相关，而与WSP含量和PG、PME、β-Gal活性呈负相关。NSP含量和花青素含量与三萜类、脂肪酸、总蜡质、醇类和酯类含量呈正相关。

研究结论部分指出，外源MT处理通过三种主要机制维持葡萄采后品质：首先，MT通过上调VvBAS、VvCYP76A、VvCER、VvKCS、VvKCR、VvPAS和VvWSD等基因表达，维持蜡质结构，延缓角质层蜡质降解；其次，MT通过下调VvPME、VvPG和Vvβ-Gal表达，抑制细胞壁降解酶活性，从而维持较高的CSP和NSP水平，延缓果实软化；最后，MT通过激活酚类生物合成途径（VvPAL、VvC4H、Vv4CL、VvCHS、VvCHI、VvF3′5′H和VvLDOX），促进酚类化合物积累。

这些发现不仅揭示了MT维持葡萄采后品质的生理机制，也为开发新型保鲜技术提供了理论依据。MT作为一种天然植物生长调节剂，具有安全、高效、环保等优点，在采后保鲜领域具有广阔的应用前景。未来研究应进一步利用多组学技术，深入解析MT调控葡萄采后品质的分子机制，为产业化应用提供更多科学支撑。