环境失稳条件下拮抗酵母代谢物介导的采后生物防治功能韧性策略

《Frontiers in Nutrition》：Functional resilience strategies for environmental destabilization of antagonistic yeast metabolite-mediated postharvest biocontrol management

　　

摘要专业翻译 拮抗酵母的生物防治活性通过多种机制实现，其中一种机制为代谢物介导的拮抗作用，涉及挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）、杀伤毒素（killer toxins）、裂解酶（lytic enzymes）、有机酸及其他生物活性化合物。然而，这些酵母在采后病害管理中的有效性受到不利环境条件的影响，如采前气候驱动因子（preharvest climate drivers）、采后贮藏微气候（postharvest storage microclimate）、工程化保鲜条件（engineered preservation conditions）及供应链扰动（supply-chain perturbations）。这些条件可能影响酵母、其代谢物、病原菌及采收产品之间的相互作用。尽管现有部分研究表明环境条件能够影响酵母存活、定殖、代谢活性、病原菌发育及采后营养品质，但同时将环境胁迫、酵母代谢物功能变化、病原菌抑制及营养价值保持直接关联起来的证据仍然有限。因此，本综述综合了来自多项相关研究的证据，旨在建立酵母代谢物介导生物防治的功能韧性框架（functional resilience framework）。该框架将抗性（resistance）、恢复（recovery）、持续性（persistence）、稳定性（stability）及功能冗余（functional redundancy）作为韧性的维度。综述还讨论了胁迫预适应（stress preconditioning）、保护性递送系统（protective delivery systems）、响应性涂膜（responsive coatings）、代谢物联合体（metabolite consortia）、传感技术（sensing technologies）及预测方法（predictive approaches）作为促进功能韧性的潜在策略。此外，综述还强调了综合扰动实验（integrated perturbation experiments）、多组学（multi-omics）、预测验证（predictive validation）以及在采后贮藏和供应链条件下的评估，以供未来研究参考。

论文主体内容总结

1 引言

采后病害管理正进入一个不再仅能在稳定贮藏条件下评估生物防治的时期。随着气候变化，采收产品、腐败真菌和生物防治微生物相互作用的大气与生理环境正在发生变化。生长季温度升高、大气CO₂浓度增加、贮藏期相对湿度和水分活度变化、供应链中断以及工程化保鲜条件，可能通过加速果实衰老、改变伤口生理、增强病原菌胁迫耐受性以及改变真菌病原菌的分布和侵袭力，重塑采后病害生态。这些变化对青霉属（Penicillium）、灰葡萄孢属（Botrytis）、链格孢属（Alternaria）、曲霉属（Aspergillus）和镰刀菌属（Fusarium）等物种尤为重要。

采后损失已构成重大粮食安全挑战，环境相关的采后病害管理体系失稳可能进一步损害果实品质、食品安全、市场价值及可持续供应链韧性。真菌定殖引发采收组织内广泛的代谢重编程，加速氧化胁迫、膜降解、酶促褐变和呼吸作用，通过消耗维生素C、酚类化合物、黄酮类、花青素、类胡萝卜素、可溶性糖及其他生物活性成分，降低果蔬营养价值。

1.1 代谢物介导生物防治的重要性

拮抗酵母是合成杀菌剂最具前景的可持续替代方案之一。这些酵母能够定殖果实伤口、竞争营养和空间，并通过多种机制抵御病原菌。本综述聚焦于代谢物介导机制及其如何受环境失稳影响。表1总结了这些代谢物及其他支持性机制，包括挥发性有机化合物、杀伤毒素、类铁载体铁螯合系统、裂解酶、氧化代谢物、有机酸及胁迫响应代谢物。该机制使酵母生物防治具有生态适应性，但也使其具有脆弱性——即使酵母保持存活，若相关胁迫使代谢物合成、分泌、扩散或持久性失稳，生物防治仍可能失败。

1.2 核心问题：环境胁迫使代谢物介导生物防治系统失稳

拮抗酵母仅存活并不足以实现有效生物防治，还需维持酵母胁迫生理、代谢物生物合成、代谢物稳定性、病原菌敏感性及宿主伤口生态之间的功能连续性。环境相关胁迫可在多个机制层面破坏这种连续性。首先，贮藏期温度升高可能使酵母转录和代谢从抗真菌产物生成转向热激响应、膜修复、抗氧化防御和存活；同时加速代谢物降解、蛋白质变性、VOC消散、氧化修饰和酶失活。其次，相对湿度和水分活度变化可能影响代谢物扩散。最后，暴露于胁迫的病原菌可能发展出增强的毒力和改变的霉菌毒素产生能力。

1.3 综述方法

本综述为基于描述性文献检索的叙述性综述，主要使用Web of Science、Scopus、PubMed和Google Scholar，采用酵母、生物防治、采后病害、气候变化、温度、相对湿度、二氧化碳、氧化胁迫和果实贮藏等关键词组合进行文献识别。

1.4 采后酵母生物防治系统中功能韧性的定义

本综述将采后酵母生物防治功能韧性定义为：酵母–代谢物–宿主系统在环境和贮藏相关胁迫变化下，维持抗真菌代谢物稳定产生、有效抑制病原菌建立和发展、并保持产品营养品质的能力。功能韧性是拮抗菌、其代谢物网络、宿主组织环境、贮藏和供应链条件之间相互作用的系统层面描述。功能韧性的组成维度包括：抗性（扰动期间维持功能的能力）、恢复（胁迫后恢复功能的能力）、稳定性（不利条件下维持一致表现的能力）、持续性（贮藏期间生物防治系统在预定功效阈值以上持续运作的时长）以及冗余（通过替代机制弥补功能损失的能力）。

2 采后酵母介导生物防治系统功能失稳的驱动因子

环境胁迫因子按其来源和作用生物学层面进行区分：采前气候驱动因子可能影响采收前的宿主生理、病原菌压力和现有微生物组；采后贮藏微气候直接影响酵母代谢和病原菌发育；工程化保鲜条件旨在改变贮藏条件；供应链扰动使采收产品在处理和分销过程中经历暂时性环境波动。

2.1 采前气候驱动因子

2.1.1 温度升高与逐渐变暖：与气候变化相关的环境温度逐渐升高可能在贮藏之前就影响采后病害管理。升高的生长温度通过加速成熟、改变角质层发育、影响碳水化合物分配和抗氧化代谢来改变果实生理。变暖还可能通过改变真菌繁殖体的传播、存活和流行病学影响病原菌分布和接种体压力，同时重塑果实表面附生微生物群落组成。

2.1.2 环境大气CO₂富集：作物生长期间环境CO₂升高可能通过改变作物生理、组织组成、病原菌生态和采前微生物互作间接影响采后酵母生物防治。但现有证据未表明大气CO₂富集以与控制气调贮藏中百分比级CO₂浓度相同的方式直接影响伤口定殖的拮抗酵母。

2.2 贮藏微气候与细胞介导因子

2.2.1 贮藏温度：贮藏温度是调控采后微生物生态最重要的环境变量之一。温度胁迫可能影响蛋白质结构、膜相行为、转录调控、分泌、挥发性和降解动力学。蛋白类杀伤毒素和裂解酶尤其面临风险，因其依赖正确的折叠、分泌和胞外稳定性。热胁迫可能通过部分蛋白质去折叠、聚集和加速蛋白水解降低其活性。温度胁迫还可能改变细胞器功能和蛋白质分泌，酵母可能采取脂质重塑、海藻糖积累、热激蛋白诱导、氧化清除、甘油代谢和胁迫响应转录程序等应对措施，但这些响应以碳、ATP和NADPH从拮抗代谢物产生转向修复和存活为代价。

2.2.2 相对湿度、自由水与水分活度：相对湿度是贮藏环境的大气属性，强烈影响表面水分和微生物定殖。高相对湿度环境促进果实表面和伤口部位水分积累，薄水层可能支持胞外酶和铁螯合分子的移动，但也可能有利于病原菌萌发、菌丝延伸和生物膜形成。水分活度代表水的热力学可利用性，其变化可能独立于可见自由水或大气相对湿度。低水分活度下，酵母生长、溶质扩散和胞外分泌可能受限。水分可利用性还可能影响代谢物介导的营养和矿物质竞争，如Metschnikowia属物种通过产红酵母素酸（pulcherriminic acid）螯合三价铁形成不溶性红酵母素（pulcherrimin），降低竞争微生物的铁可利用性。

2.2.3 诱导氧化胁迫的胁迫条件：氧化胁迫并非独立的环境驱动因子，而是由温度波动、气体组成改变、脱水和病原菌侵染等环境扰动诱导的生理响应。过量活性氧（reactive oxygen species, ROS）会损害酵母膜、蛋白质、DNA、线粒体和分泌代谢物。在胁迫下，酵母可能将NADPH、谷胱甘肽、过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶重新分配用于自我保护，导致可用于VOC生物合成、杀伤毒素分泌、裂解酶产生和铁螯合代谢的资源减少。部分分泌蛋白类代谢物可能通过羰基化、硫醇破坏、片段化或聚集发生氧化修饰，VOC也可能被氧化、水解或光化学转化。

2.3 工程化保鲜条件

2.3.1 控制气调贮藏与气调包装：控制气调（controlled atmosphere, CA）贮藏和气调包装（modified atmosphere packaging, MAP）有意改变氧气和二氧化碳浓度以延缓果实呼吸、减少病原菌发育和延长贮藏期。工程化高CO₂条件可能影响酵母呼吸代谢、氧化还原平衡、挥发性产物产生和代谢物分泌。酵母维持胞内pH需要能量依赖性稳态过程，ATP和还原力可能从次级代谢转向胁迫维持。

2.4 供应链扰动

2.4.1 冷链中断与温度波动：冷链中断和运输、零售展示或临时贮藏期间的短期高温暴露可能增加果实呼吸、氧化胁迫、改变膜完整性，并可能破坏酵母定殖、代谢物产生和病原菌抑制。温度升高可能提高抗真菌VOC的蒸气压和扩散速率，增加顶空浓度但也加速从果实伤口和包装系统的挥发损失。较暖温度可能将持续的VOC抑制转变为短暂不稳定的脉冲，并以化合物和菌株特异性方式重塑VOC生物合成。

2.5 病原菌胁迫驯化与环境变异性下的潜在长期选择

环境胁迫可能诱导病原菌的快速响应变化，包括胁迫响应基因的转录激活、热激蛋白、抗氧化酶和膜重塑途径。这些响应代表生理驯化而非遗传适应。然而，重复的环境扰动可能产生选择压力，有利于预先存在的耐胁迫变异体，可能在多代后改变种群水平韧性。外排泵（efflux pumps）可能在此类适应中起关键作用，ABC和MFS转运蛋白与采后病原菌对多种化学抗真菌剂的抗性相关。但现有观察未建立对活体拮抗酵母或酵母产生的化学多样性代谢物的交叉耐受性。

2.6 果蔬营养和生物活性化合物劣变

环境相关采后系统扰动的后果可能超出腐烂发生率上升和霉菌毒素积累。氧化失衡是病原菌建立向营养劣变转化的主要驱动因素。病原菌入侵导致氧化剂过量产生，代谢消耗碳资源并破坏宿主细胞区室化。当胁迫降低酵母代谢物介导的病原菌抑制时，真菌生物量增加可能间接加剧营养抗氧化剂的消耗。

2.6.1 抗坏血酸降解、可溶性糖耗竭与风味品质改变：抗坏血酸（维生素C）因其强氧化还原活性，是受采后环境不稳定性影响的最重要营养生物标志物之一。温度变化、氧气暴露和加速呼吸可能增加维生素C向脱氢抗坏血酸及随后非活性降解产物的转化。可溶性糖（葡萄糖、果糖、蔗糖）可能被采后真菌病原菌直接用作碳源和能源。酵母介导生物防治系统失效可能导致双重品质下降——腐烂发展加剧和营养碳水化合物及维生素C耗竭。

2.6.2 酚类氧化、多酚氧化酶活化与抗氧化储备耗竭：真菌侵染期间，多酚氧化酶（polyphenol oxidase, PPO）和过氧化物酶（peroxidase, POD）的活化导致酚类底物氧化为醌类，进而聚合成棕色色素导致组织褐变。尽管该响应通过抗菌化合物形成和屏障强化有助于限制病原菌，但在未受控制的侵染期间持续活化可能导致抗氧化酚类耗竭和渐进性品质劣变。

2.6.3 病原菌诱导氧化胁迫下黄酮类和花青素降解：黄酮类和花青素对氧化聚合、酶促降解和环境波动高度敏感。真菌分泌的糖苷酶、氧化还原酶和细胞壁降解酶可破坏细胞完整性和区室化，促进液泡中储存的黄酮类和花青素的降解和转化。花青素的稳定性强烈依赖细胞pH、温度、氧气可利用性和膜完整性。

2.6.4 类胡萝卜素氧化与膜劣变：类胡萝卜素通过抗氧化活性和维生素A原功能提供营养贡献，但其共轭结构使其易受氧化裂解。病原菌侵染期间，宿主防御响应和真菌代谢产生的ROS升高可促进类胡萝卜素氧化降解，尤其在细胞膜被破坏时。温度升高可能通过增加氧化动力学和代谢活性加速类胡萝卜素损失。

3 维持酵母生物防治系统的功能韧性

尽管多种商业化拮抗酵母产品已证明微生物替代合成杀菌剂的可行性，其性能仍强烈受采后环境温度、湿度、大气组成和病原菌压力影响。四种互补方法尤为重要：拮抗酵母的胁迫预适应、包封与保护性递送系统、气候响应型可食涂膜以及代谢物联合体。

3.1 拮抗酵母的胁迫预适应

胁迫预适应涉及在应用前将酵母暴露于确定的亚致死胁迫，诱导保护性转录、代谢和结构响应，建立适应性韧性。温和热激可诱导伴侣蛋白、内源海藻糖积累、膜稳定化、氧化胁迫酶和修复途径。渗透 conditioning 是另一条韧性途径，亚致死盐暴露可诱导抗氧化响应并改善生物防治功效。亚致死氧化胁迫可预适应过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽相关途径、硫氧还蛋白系统和修复机制。转录组记忆可能为胁迫预适应提供机制基础，预胁迫暴露可影响后续胁迫遭遇时基因表达的速度、幅度或持续时间。

3.2 包封与保护性递送系统

包封可通过物理保护酵母及其代谢物免受不利采后条件影响。海藻酸盐包封是最广泛研究的方法之一，海藻酸盐与钙交联形成生物相容性水凝胶，可围绕细胞提供储库，减弱脱水、渗透冲击和温度波动。脂质体和脂质基载体可吸引疏水和膜活性代谢物，其磷脂双层允许掺入疏水化合物，改善在水性涂膜中的分散性，减少氧化或光催化降解暴露。纳米乳剂可实现亲脂性抗真菌化合物和低水溶性代谢物的大规模高分散。

3.3 气候响应型可食涂膜

韧性可食涂膜应能感知或响应微气候胁迫，并在病原菌建立风险增加时快速释放生物或代谢保护。此类涂膜可具有三层韧性：物理缓冲层减少水分损失、调节气体交换和氧化暴露；生物递送层保持酵母存活并增强局部定殖；触发层响应湿度、温度、CO₂、pH或入侵病原菌释放的酶的变化。湿度触发释放值得关注，因为高相对湿度和自由表面水分可诱导真菌萌发，而低湿度可使酵母细胞干燥并减少代谢物扩散。温度响应系统可在温度波动期间释放抗真菌化合物，或在冷贮期间缓慢释放并保存代谢物直至运输或零售处理期间发生温度滥用。

3.4 代谢物联合体与系统层面生物防治

代谢物联合体可通过增加生态冗余帮助维持韧性。克隆酵母通常利用有限的拮抗作用武器库，胁迫下一种或多种功能可能失效。组合互补的抗真菌代谢物或生物防治剂可提供功能冗余。生态冗余不是重复，而是功能保险。在韧性联合体中，不同菌株可能贡献互补功能。合作代谢物是该概念的核心：VOC可抑制早期孢子萌发，为酵母定殖创造时间；裂解酶可削弱病原菌细胞壁，增加对杀伤毒素或氧化胁迫的敏感性；铁载体介导的铁耗竭可降低病原菌呼吸和毒力。

3.4.1 代谢物联合体的挑战：共存酵母菌株可能在果实伤口内竞争碳源、附着位点和微量营养素，导致快速生长但拮抗性较弱的种群占优势。某些菌株可能产生抑制性化合物，对伙伴菌株产生负面影响并改变联合体整体代谢平衡。贮藏期间种群丰度的波动可能因生长动力学、胁迫耐受性、营养利用策略和环境适应性差异导致联合体组成渐进性转变。

4 用于追踪采后品质和功能韧性的智能监测技术

高光谱成像（hyperspectral imaging, HSI）、电子鼻（electronic nose）和生物传感器（biosensors）被视为监测和诊断技术。HSI已成功应用于真菌侵染早期检测、腐烂发展绘图、瘀伤识别、硬度估计、成熟度评估和贮藏相关品质变化预测。电子鼻系统已用于监测与果实成熟、微生物腐败和真菌侵染相关的挥发性指纹。人工智能可提高分类精度、模式识别和品质参数预测建模。

4.1 多模态数据集整合以预测功能韧性的可转移性

当前这些技术各自提供碎片化信息：高光谱成像捕获果实生化组成变化，电子鼻检测挥发性变化，代谢组学识别化学响应，分子工具表征微生物种群，AI模型识别大数据集中的复杂模式。智能采后监测的下一阶段应涉及将上述成熟技术与微生物、代谢组学和环境信息结合，开发拮抗酵母功能韧性的预测指标。

4.1.1 高光谱和多光谱成像：高光谱和多光谱成像有可能通过疾病在视觉显现前早期检测采后酵母病原菌系统中的不稳定性来支持更稳健的生物防治韧性。果实品质和营养特性在真菌侵染中被改变，许多生化变化发生在病原菌入侵和环境胁迫的早期阶段，光谱变化可在窄波段内被高光谱成像捕获。

4.1.2 生物传感器与实时监测：生物传感器和实时监测系统可通过监测决定酵母代谢物是否保持活性的动态贮藏变量，提供与生物防治表现相关的指标。电化学和光学生物传感器在快速、非破坏性监测关键采后品质指标方面显示出相当大的前景，包括抗坏血酸、酚类化合物、抗氧化能力、糖类和病原菌相关挥发性化合物。基于VOC的传感器和电子鼻可通过检测与早期侵染、病原菌种类或腐败阶段相关的挥发性指纹来增强病原菌预测。