張樂樂，常璐璐，王小佳，于有偉，張少穎，張嘉芮

（山西師范大學食品科學學院，山西臨汾 041004）

褪黑素（melatonin，MT）化學名稱為N-乙?；?5-甲氧基色胺，首次在松果體中被發(fā)現(xiàn)，不僅是5-羥色胺的衍生化合物，而且具有淡化黑色素的功能，故取名褪黑素[1]。藥理研究表明，MT 作為最普遍的一種神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，在治療失眠、調(diào)節(jié)時差、抗氧化、抗炎、抗腫瘤和增強免疫等方面有很好的效果[2]。MT 作為一種微量多效的內(nèi)源性吲哚類激素，1995 年在高等植物中首次被檢測到[3]，后期發(fā)現(xiàn)MT 也存在于植物的根、莖、葉、花、果實及種子中[4]。此后，MT 作為一種多效的植物激素備受關(guān)注。大量研究發(fā)現(xiàn)，MT 在種子萌發(fā)、植物生長、果實成熟和衰老、果蔬保鮮等生物過程中發(fā)揮重要作用，在植物生物和非生物脅迫中也占據(jù)重要地位[5-6]。目前，在植物中，MT 生物合成的研究已經(jīng)比較透徹，然而，MT 的代謝過程及信號轉(zhuǎn)導復雜，存在MT 與多種信號交叉，而且MT 在果蔬中的生物合成、采后保鮮、采后抗病方面的應(yīng)用以及與其他抗病信號分子間的關(guān)系缺乏系統(tǒng)的歸納整理。

本文綜述了近幾年MT 在果蔬保鮮上的作用及應(yīng)用，總結(jié)了其對各種生物與非生物脅迫應(yīng)答的生理及分子作用機制，以及MT 抗病信號的轉(zhuǎn)導途徑，以期為進一步解析MT 信號在果蔬生物與非生物脅迫應(yīng)答中的調(diào)控機制提供參考，同時為果蔬的采后病害防治提供新的思路。

1 MT 含量及生物合成

1.1 MT 在果蔬中的含量

研究表明，在不同科、屬、種植物（包括草藥、蔬菜、水果）中存在不同濃度水平的MT。在不同種類的果蔬中MT 含量也不同，一般以ng 級存在，廣泛存在于蘋果、草莓、番茄、櫻桃、黃瓜、木薯和葡萄等果蔬中。MT 在枸杞中的含量很高（530 ng/g），由于MT 具有促進睡眠、安神、鎮(zhèn)靜的作用，因此枸杞可作為良好的助眠食品[7]。MT 在各種植物的器官和組織中廣泛存在，如葉、根、莖、花、果實和種子，在種子中的含量最為突出[8]。

1.2 MT 在果蔬中的生物合成途徑

植物中合成MT 的研究表明，色氨酸是MT 合成的前體，有6 個酶參與了MT 的四步連續(xù)酶促反應(yīng)，這6 個酶分別是色氨酸脫氫酶（TDC）、色氨酸羥化酶（TPH）、色胺-5-羥化酶（T5H）、5-羥色胺-N-乙酰基轉(zhuǎn)移酶（SNAT）、N-乙?；?5-羥色胺-甲基轉(zhuǎn)移酶（ASMT）和咖啡酸-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（COMT）[7]。褪黑素生物合成的四種途徑如圖1 所示。

圖1 褪黑素生物合成的四種途徑Fig.1 Four pathways of melatonin biosynthesis

由圖1 知，MT 的生物合成有四條途徑，其中色氨酸由TPH 催化形成5-羥色氨酸途徑的相關(guān)基因在植物中還未鑒定到。在擬南芥中已經(jīng)分離出1 個AtSNAT、1 個AtCOMT和1 個AtASMT基因參與了MT 的合成。水稻中也發(fā)現(xiàn)了TDC、T5H、SNAT 和ASMT 等MT 催化酶的合成基因。5-羥色胺是MT 生物合成的重要交叉點。從圖中可以看出，5-羥色胺的形成途徑有兩條；第一條是色氨酸被TDC 催化生成色胺，色胺經(jīng)過T5H 催化生成5-羥色胺；第二條是色氨酸通過TPH 形成5-羥色氨酸，5-羥色氨酸再由TDC 催化形成5-羥色胺。5-羥色胺形成MT也有兩條途徑：第一條路徑為經(jīng)SNAT 催化形成N-乙?；?5-羥色胺，再由ASMT 或COMT 催化形成MT；第二條通路為5-羥色胺先被ASMT 或COMT 催化形成5-甲氧基色胺，5-甲氧基色胺經(jīng)SNAT 催化形成MT。其中，基于色氨酸對TDC 酶有較高底物親和能力，所以，色氨酸脫羧酶是主要的限速酶，這四種酶的合成基因都已經(jīng)在部分植物中被克隆出來。TDC 酶在植物中克隆最多，但是TDC 基因的表達量很低，因此更證實TDC 是MT 合成中主要的限速酶。

2 MT 在果蔬采后保鮮中的應(yīng)用

2.1 保持果蔬采后品質(zhì)、延緩衰老

果實采后衰老是一個復雜的過程，受內(nèi)源性和外源性環(huán)境的影響，并通過多種信號傳遞和生理代謝實現(xiàn)。

2.1.1 調(diào)控果蔬成熟衰老

果蔬貯藏期的長短與果蔬呼吸速率和乙烯釋放量的多少密切相關(guān)。有報道表明，MT 可以抑制果蔬中乙烯相關(guān)合成酶基因的表達和酶的活性，從而抑制乙烯的產(chǎn)生，延長果蔬的貯藏期[9]。如MT 處理可以使青花菜、蘋果中乙烯相關(guān)合成酶基因（ACS、ACC、ACO）的表達降低，使貯藏期間青花菜、蘋果的乙烯釋放得到抑制，減緩衰老，延長貯藏期和貨架期，可見MT 可以通過調(diào)控乙烯的生物合成來延緩果蔬衰老，保持品質(zhì)[10-11]。MT 在果蔬保鮮中的應(yīng)用見表1。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，MT 在果蔬采后保鮮方面的研究越來越多（見表1）。由表1 可知，應(yīng)用MT 可以保持果蔬采后品質(zhì)、延緩衰老、清除自由基、抑制褐變[10-11]。采后梨果相關(guān)研究表明，MT 可以延緩乙烯的高峰期，同時激活POD 和SOD 活性，阻止了梨的軟化和衰老[12]。同樣，在紅棗、獼猴桃上的研究也表明，MT 可以明顯抑制果實呼吸和乙烯釋放[13-14]。然而，也有報道稱，外源MT 處理后會上調(diào)乙烯受體基因NR和ETR4以及轉(zhuǎn)導元件EIL1、EIL3和ERF2 的表達，增加乙烯含量，促進葡萄果實的成熟[15]。這可能是因為MT 對成熟期和非成熟期水果的影響不同。

表1 MT 在果蔬保鮮中的應(yīng)用Table 1 Applications of exogenous MT on preservation of fruits and vegetables

2.1.2 保持果蔬品質(zhì)

果蔬中的酚類物質(zhì)、花青素對人體有較好的清除自由基的功能，同時適當?shù)奶鹚岫纫彩侨藗冴P(guān)心的重要品質(zhì)指標。有研究結(jié)果表明，外源MT 可以誘導果蔬產(chǎn)生更多的酚類物質(zhì)、有機酸、脯氨酸和花青素[16]。在MT 對甜櫻桃、草莓果實的影響研究中發(fā)現(xiàn)，MT 處理可以激活果實中花青素合成基因的表達，提高花青素的水平，從而提高甜櫻桃、草莓在冷藏過程中的營養(yǎng)品質(zhì)[17-18]。采前噴灑MT 能使蘋果中的可溶性糖、酚類和有機酸類的含量顯著增加[11]（見表1）。外源MT 處理可以使葡萄的落果率和腐爛率降低，顯著上調(diào)酚類生物合成相關(guān)基因的表達，使果實中酚類物質(zhì)含量提高，提升果實的食用品質(zhì)[19]。MT在棗、紅棗、葡萄、芒果等果實中的研究也發(fā)現(xiàn)，外源MT可以提高這些果實的可滴定酸和酚酸含量，從而保持果實良好的口感和營養(yǎng)品質(zhì)[13,18-20]。MT 還可以通過誘發(fā)苯丙烷代謝途徑，保持草莓的營養(yǎng)品質(zhì)[21]。

2.1.3 維持細胞膜結(jié)構(gòu)，抑制褐變

調(diào)控果蔬組織中的ROS 水平對于維持膜結(jié)構(gòu)完整性以及緩解采后果實褐變是非常必要的[22]。MT 作為公認的抗氧化性最強的內(nèi)源性自由基清除劑，可以直接或間接參與果實抗氧化酶系統(tǒng)的調(diào)控，使組織中的ROS 保持正常水平[22]。如MT處理可以使甜櫻桃果實SOD、CAT、APX、DHAR 酶活性增加，使AsA 和GSH 含量提高，以及抑制H2O2和O2-·的積累，較好地維持膜結(jié)構(gòu)的完整性，從而抑制果實褐變[23]。用MT 處理芒果和石榴，能使果肉中H2O2含量和O2-·的產(chǎn)生速率下降，并降低相對電導率、抑制丙二醛（MDA）積累，同時提高芒果、石榴的抗氧化能力，從而對芒果、石榴表皮褐變達到很好的抑制效果[24-25]。MT 處理對桃、荔枝和黃瓜的影響研究中也有相似的結(jié)果，能提高桃和荔枝等果蔬中SOD、CAT 和POD 的活性，維持細胞膜的完整性[26-28]。

2.2 MT 在果蔬采后抗病方面的應(yīng)用

2.2.1 對采后病原真菌的抑制作用

體外試驗證明，MT 對病原菌有很好的抗菌活性[29]。MT 處理可以抑制羽扇豆種子青霉菌發(fā)病率的上升；降低番茄晚疫病病原疫霉菌的發(fā)病率。MT 還可以減輕疫霉菌的毒性，通過抑制菌絲生長，降低細胞活力，調(diào)節(jié)IAA 代謝等抗病過程[30]。MT 也能抑制疫霉菌的體外產(chǎn)孢和菌絲生長，從而減緩黃瓜辣椒疫霉菌引發(fā)的毒害作用。MT 在抑制黃瓜黑穗病菌、黃瓜霜霉病、番茄灰霉病菌和鐮刀菌的體外和體內(nèi)抗真菌活性方面也有很好的正向效果[29,31-32]。體外試驗證明，MT 處理能抑制果蔬采后病原菌鏈格孢菌的生長[33]。

周慧[34]的研究發(fā)現(xiàn)，MT 處理使鮮切梨中霉菌和酵母菌的菌落總數(shù)減少，使梨對褐腐菌的抑制作用增強。唐琦[35]用MT 處理大棗，在進行菌絲生長和孢子萌發(fā)試驗中發(fā)現(xiàn)，MT 可以很好地抑制P.polonicum的孢子萌發(fā)和菌絲伸長。MT 對蘋果的研究也有相同結(jié)論，MT 處理可以限制菌絲擴展和孢子萌發(fā)，提高蘋果對褐斑病菌的抗性[36]。也有不同研究結(jié)果出現(xiàn)，如曹晶晶等[37]研究發(fā)現(xiàn)，MT 在抑制蘋果體外灰霉菌菌絲生長和分生孢子萌發(fā)方面作用效果不顯著；MT 在香蕉、柑橘多種病原菌的體外抑菌試驗也證明，MT 處理對病原菌的生長和孢子的萌發(fā)沒有直接抑制作用[38-39]。由此證明，對于不同病原菌，MT 的體外抑菌作用有所不同。

2.2.2 提高果蔬抗病力

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用外源MT 可誘導采后果蔬抗病相關(guān)蛋白的活性和其基因的表達，進而提高果蔬對采后病害的抵抗能力（見表2）。

由表2 可知，MT 處理可以增強梨、香蕉、櫻桃番茄等果蔬對不同病原菌的抗病性。用MT 噴灑西瓜可以激活免疫介導的防御基因表達，提高西瓜果實對Phytophthora capsici的抗病能力[31]。曹晶晶等[37]也發(fā)現(xiàn)，外源MT 可以抑制病斑直徑的增大，同時還能促使果實內(nèi)POD、CAT、SOD、PPO 和PAL 酶活性的提高，說明外源MT 通過誘導防御酶活性上升，可以提高蘋果對灰霉病的抵御能力。MT 處理對蘋果褐斑病的研究也發(fā)現(xiàn)，MT 處理可顯著抑制灰霉病病斑直徑的擴大，降低蘋果對褐斑病的感病性[40]。也有報道提出，MT 處理通過調(diào)控生長素、乙烯和絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路，以及使揮發(fā)性化合物、細胞壁成分和IAA 含量提高，增強香蕉果實對炭疽病的防御能力[38]。MT 還可以提高H2O2的含量、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、幾丁質(zhì)酶（CHI）、β-1,3 葡聚糖酶（GLU）等酶活性以及病原相關(guān)蛋白（PRs）的表達，提高這些抗病蛋白使番茄對灰霉病的抗性增強[41-42]。MT 處理在香蕉枯萎病的研究結(jié)果表明，MT 通過激活MaHSP90s的表達，促使其他植物激素以及抗病信號開始發(fā)揮作用，從而使香蕉枯萎病的發(fā)病率降低[43]。但Lin 等[39]發(fā)現(xiàn)，MT 處理使H2O2含量和相關(guān)酶活性降低，從而導致柑橘綠霉病的抗病性下降，明顯提高柑橘綠霉病的發(fā)生。MT 對果實采后病害的矛盾效果可能與果實品種、果實成熟度、采樣位置以及MT 濃度的不同有關(guān)，因此，MT 在控制果蔬采后生理病害方面的作用還有待進一步研究。

2.3 MT 與其他抗病信號分子之間的關(guān)系

MT 在延緩采后果實品質(zhì)劣變以及果實衰老等方面效果顯著，而且在采后病害防治中，MT 作為抵抗病原體的信號分子參與防御反應(yīng)。許多研究指出，外源MT 處理能夠上調(diào)植物中多種抗病基因的表達。目前，MT 對采后果蔬的抗病機制缺乏細致的解析，因此，進一步探索MT介導的宿主對病原菌的防御信號機制是非常必要的。

在抗病信號傳導過程中，SA（水楊酸）、JA（茉莉酸）、NO、H2O2和IAA（生長素）作為重要的信號分子起著重要作用。已有報道表明，MT 作為一種重要的信號分子，通過激活SA、JA、NO、H2O2和IAA 信號依賴途徑，上調(diào)防御基因的表達，提高果蔬的抗病能力。

2.3.1 MT 與SA

SA 是一種重要的內(nèi)源性抗病信號，在參與誘導果蔬產(chǎn)生系統(tǒng)獲得性抗性（SAR）過程起著重要的調(diào)節(jié)作用[44-46]。在種子萌發(fā)、氣孔關(guān)閉、幼苗生長、生物和非生物脅迫等方面，MT 和SA 表現(xiàn)出極其相似的作用[47]。在代謝過程中，分支酸是褪黑素和水楊酸共同的前體物質(zhì)，它可以產(chǎn)生色氨酸（褪黑素的前體物質(zhì)）和莽草酸（水楊酸前體物質(zhì)）[48]。已有研究證明，水楊酸和MT 都參與了果蔬對雙孢霉、假單胞菌、疫霉菌、葡萄菌、鐮刀菌等病原菌的防御。相關(guān)研究提出，MT 可以通過誘導SA 生成從而激活抗病相關(guān)的苯丙氨酸途徑，在該途徑中可以產(chǎn)生如酚類、木質(zhì)素等與抗病有關(guān)的中間小分子，參與果蔬組織的物理防御功能，提高抗病能力[49]。MT 可以使SA 的表達上調(diào)，進而激活如PR1、PR5和ICS1等防御相關(guān)的基因表達，從而提高植物對真菌、病毒等病原體的抗性[50]。MT 也能通過激活SA 和ETH 信號，提高擬南芥和煙草的抗病性[50]。也有報道表明，MT可通過上調(diào)SA信號，來調(diào)控H2O2水平，誘導苯丙氨酸代謝，提高番茄的抗灰霉病能力[41]。這些報道均可說明SA 位于MT 的下游進行信號傳導。

2.3.2 MT 與NO

近期研究表明，MT 和NO 處理不僅可以提高采后果實的品質(zhì)，還可以提高植物的抗病原菌能力[51]，但在果蔬抗病上的研究極少。Lee[49]發(fā)現(xiàn)MT 誘導的NO 可以誘導植物對細菌病原體紫丁香假單胞菌Pst DC3000 產(chǎn)生抗病性。外源MT 和NO 的處理降低RSV 的發(fā)病率，但結(jié)合NO 清除劑（cPTIO）的應(yīng)用能抑制水稻條紋葉枯病毒（RSV）的發(fā)病率不降反升，這說明MT 和NO 可以增強水稻對RSV 病菌的抗性[52]。有研究報道，MT 對采后果實品質(zhì)的積極影響很大程度上依賴NO 信號通路。用MT 浸泡梨果實，促進了梨果實內(nèi)源NO 的積累和NR、NOS 活性的提高，上調(diào)了NO 的合成基因，如PcNR1、PcNR2和PcNi-NOR的相對表達，而MT 和L-NAME 處理對乙烯產(chǎn)量和果實品質(zhì)沒有顯著影響[53]。MT 增加了番茄果實內(nèi)多胺和NO 的積累，提高了番茄的品質(zhì)[54]。這說明MT 對采后果實品質(zhì)的積極影響很大程度上依賴NO 信號通路。這些都暗示褪黑素可能作為NO 的上游信號參與保持果蔬的采后品質(zhì)。在MT 對櫻桃番茄灰霉病的研究中，提出MT 通過NO 的積累能提高番茄對灰霉病的抗性[55]。目前，對MT 和NO 之間關(guān)系的認識只有少數(shù)研究報道，由于褪黑素與NO 相互作用較為復雜，因此了解褪黑素是在NO 信號的上游還是下游還需要進行深入研究。

2.3.3 MT 與IAA

MT 和生長素（IAA）的化學結(jié)構(gòu)類似，具有共同的前體色氨酸。眾所周知，SA 和ETH 在植物基礎(chǔ)防御特別是真菌侵染中起重要作用。近期有研究提出，IAA 也是植物與病原菌相互作用的重要調(diào)節(jié)因子。MT 能誘導MaHSP90s激活與防御相關(guān)的IAA 信號，提高香蕉對枯萎病的抗病能力[33]。通過比較轉(zhuǎn)錄組和代謝組學分析得知，MT 處理能提高香蕉皮中吲哚-3-乙酸-酰胺合成酶基因的編碼，上調(diào)參與生長素合成蛋白基因，顯著增加組織中IAA 和ETH 含量，說明MT 能激活乙烯和IAA 來調(diào)節(jié)香蕉的衰老和抗病能力[38]。

2.3.4 MT 與H2O2

H2O2在植物組織細胞中的積累有利于提高植物的抗毒能力[56]。H2O2還可以在植物和病原菌的相互作用中扮演信號分子的角色。H2O2不僅能夠直接作用破壞病原體，還在促進細胞壁糖蛋白的氧化交聯(lián)中有著重要作用[43,56]，從而抵制病原菌的入侵。H2O2在MT 介導的植物抗脅迫中發(fā)揮重要作用。H2O2位于MT 的下游位置作為信號調(diào)控植物對逆境脅迫的響應(yīng)。MT 可以降低H2O2水平和上調(diào)JA 信號通路，在番茄果實對灰霉病中發(fā)揮積極正向作用[57]。MT 處理使柑橘綠霉病減少，并且在MT處理的柑橘中H2O2含量顯著低于空白組的H2O2含量。MT 還可以維持果實內(nèi)穩(wěn)定的H2O2濃度來調(diào)節(jié)ROS 水平，提高果實防御相關(guān)酶和抗病相關(guān)蛋白活性，增強蘋果對病原菌的抗性[40]。也有報道如MT 能誘導H2O2的積累，使草莓的腐爛率顯著降低[21]。有研究還發(fā)現(xiàn)，在MT生物合成酶的上調(diào)過程中，H2O2可能起著決定性的作用，促進果蔬褪黑素的增加[48]。

3 小結(jié)

綜上所述，MT 不僅是一種有前景的天然抗氧化物質(zhì)，還是一種重要的抗病信號分子，參與了果蔬的采后抗病。外源施用MT 或者通過分子育種技術(shù)提高內(nèi)源MT的含量都對提高果蔬的抗病性有益。MT 可以與SA、NO、H2O2、IAA 等信號分子共同作用提高果蔬的抗逆性、保持果蔬的品質(zhì)，延緩衰老，調(diào)控果蔬防御信號的傳導，增強果蔬抗病性。但對MT 在果蔬采后的抗病方面的研究較少，其在植物防御中的作用和機制仍未完全了解；MT 在果蔬采后轉(zhuǎn)錄組和代謝組學方面的研究需要深入探討。后期可以采用組學的技術(shù)，研究MT 在果蔬采后生理生化和抗病中的作用及其機制，完善MT 在果蔬采后保鮮中的作用及其信號轉(zhuǎn)導的機制。