苹果果皮着色的研究进展

迟 馨 王心悦 宋来庆 姜中武 杜晓云*

（1 烟台大学生命科学学院，烟台264005；2 山东省烟台市农业科学研究院，烟台265500）

苹果中含有丰富的矿质元素和维生素，是生活中最常见和主要的水果之一。我国是世界上最大的苹果生产国， 目前， 苹果栽培面积227.23 万hm2，产量4 400 万t，接近世界总水平的50%。 但我国苹果产业整体质量水平不高，优果率较低。苹果果皮的着色和果肉中糖酸含量是影响苹果品质的主要因素，果实大小和颜色是决定苹果收购价格的主要因素。因此，通过育种和栽培措施提高苹果果实着色，是目前生产上亟需的技术措施。提高果实着色技术和色泽调控机制，是目前的研究热点。前人研究结果表明，苹果着色受花青苷、类胡萝卜素等自身生理指标含量，和温度、光照等外界环境多因素影响。本文系统总结了花青苷、叶绿素和类胡萝卜素等生理指标，以及花青苷代谢、调控等相关的MYB 转录调控因子以及甲基化等分子因素对苹果着色的影响，以期为后续苹果果皮着色研究提供参考。

1 影响苹果果皮着色的生理因素

苹果的色泽发育是一项复杂的生理过程，影响苹果果皮色泽的主要生理因素包括花青苷、叶绿色、类黄酮和类胡萝卜素，这些化学物质本身含量以及相互之间的作用， 影响了苹果果皮色泽。根据色泽将苹果分类，可以分为红色、黄色和绿色品种。花青苷使苹果的果皮表现出红色， 叶绿素使苹果果皮表现出绿色，类胡萝卜素使苹果果皮表现出黄色。在这几种影响因子中， 花青苷对苹果果皮色泽的影响作用最大。

1.1 花青苷苹果果皮呈现的红色与花青苷代谢密切相关。花青苷的合成与花青苷合成相关的结构基因及转录因子有关，花青苷的积累受温度、光照、套袋等措施的影响。目前所知花青苷主要通过类黄酮的合成途径生成，在合成过程中主要受2 种基因调控，一种是在编码合成的过程中相关酶的结构，一种是在结构基因的表达过程中起调控作用的转录因子基因。研究结果表明，苹果中的糖分为果皮中的花青苷提供了前体物质，着色期果皮中的花青苷含量和果实中可溶性糖含量呈极显著正相关，和苹果PAL 酶、CHI 酶、淀粉酶活性呈极显著正相关。苹果中淀粉酶、蔗糖酸性转化酶活性的改变可以促进苹果中糖的生成，从而促进花青苷的生成；同时，苹果PAL 酶、CHI 酶含量的增加也可以促进花青苷的进一步累积。 套袋红富士苹果，在解袋后花青苷的生成和果实的内源激素含量关系密切，如乙烯可以控制下游基因MdLDOX 和MdUFGT 的表达， 从而影响苹果成熟期花青苷的含量。脱落酸与S3307 对苹果果皮花青苷含量以及果肉可溶性糖含量有明显的促进作用。 外界环境也能影响花青苷的生物合成，不同的光照强度对苹果果实花青苷的影响不同，当光照强度在40%～85%时，苹果中花青苷的含量会随着光照强度的增加而增加，于洪华等在着色调查的同时测定苹果的花青苷含量也发现，苹果果皮花青苷含量与着色面积的增长趋势一致；紫外光是花青苷合成最佳的光质，蓝光效果次之，白光几乎没有效果，远红光效果最差，甚至会抑制花青苷的合成。在生产实践中，人们采用延长摘袋之后果实的光照时间、摘遮光叶、适当转果以及铺设反光膜等措施， 使苹果果皮中的花青苷在解袋之后迅速积累， 从而促进苹果果皮的全面着色。

1.2 叶绿素研究表明，富士苹果套袋与不套袋两种处理后，果皮中的叶绿素含量从6 月20日起呈上升趋势，7 月20 日达到高峰，随后开始下降（不同地区在时间上会有差异），套带苹果比不套袋苹果下降速度快，叶绿素总含量不套袋苹果较套袋高。套袋和不套袋苹果叶绿素含量发生变化，原因在于苹果袋阻挡了光照，从而使果皮中绿素分解黄化，而黄化之后的果皮组织光敏色素会比一般的组织高，果皮组织就会对光照反应更加敏感，从而促进花青苷的合成，当苹果生长发育期花青苷的含量积累到一定水平后，叶绿素含量高时，苹果呈现暗红色，含量低时呈现鲜红色，因此，生产中采用套袋技术，使其中的叶绿素含量显著降低，从而使苹果表现出鲜红色。

1.3 类胡萝卜素是使苹果果皮呈现黄色的主要物质。实验表明，苹果套袋20 d 后类胡萝卜素含量和叶绿素含量会持续下降，当花青苷开始合成时，类胡萝卜素和叶绿素的含量达到最低，在解袋第1 d 到解袋第10 d 的总含量差异不大，未套袋的苹果果皮中类胡萝卜素的含量近乎恒定。同时，套袋与未套袋苹果对比结果表明，套袋会抑制类胡萝卜素的生成，加快果实中已有的叶绿素的分解，当苹果解袋之后，在光照的作用下，花青苷含量增加较快，而类胡萝卜素、叶绿素含量变化不明显，使苹果果皮没有底色的干扰，从而颜色鲜艳。生产中可以根据需求采用不同的技术促进或抑制这几类物质的产生来调节苹果果皮的着色，套袋后的苹果花青素含量是不套袋的1.3 倍。

2 影响苹果果皮着色的分子因素

2.1 MYB 转录调控因子目前，在苹果果皮着色研究中，发现的最多通过调控花青苷的合成从而影响着色的转录因子，主要包括MYB、bHLH(MYC)和WD40 三类，这3 类转录因子通过MYB-bHLH-WD40(MBW)复合体形式，来调控苹果果皮中与花青苷合成相关的结构基因的转录，从而影响苹果果皮的着色。 其中，MYB 转录因子是在植物体内广泛存在的多基因家族，种类众多，在植物中具有多种多样的功能及作用，如植物的抗逆性、抗衰老以及生长发育等；bHLH 主要是充当桥梁的作用，同时还可以和MYB 互相作用。研究者通过全基因组分析确定了229 个与苹果相关的MYB 基因，并将其分成45 个亚群，通过相关的基因组数据库分析后，了解MYB 家族在苹果中的概况。 在MYB 家族数百的种类中，目前被证明在苹果果皮着色中产生作用的有MdMYB1、MdMYB10 和MdMYBA 等少数的几类，在苹果果皮花青苷的合成过程中起重要的调控作用。其中，MdMYB1 主要调控苹果果皮中花青苷合成，MdMYB10 主要调控红肉苹果果肉中花青苷的合成， 且MdMYB1 启动子的甲基化水平在套袋苹果中有一个显著的降低现象，表明对果皮着色具有一定的影响和调控。MdMYB1b与MdMYB1-1 是苹果成熟期控制花青苷合成的主要基因，而MdMYB1a 则在苹果幼果期花青苷的合成中发挥重要的作用。研究者还从苹果中分离出能够调控苹果花青苷合成的关键转录因子MdMYB10， 发现MdMYB10的表达量可以诱导花青素的积累，从而与花青苷的合成密切相关， 同时Myc 家族中bHLH蛋白的研究表明，其也是调控花青素合成的重要转录因子，例如MdMYB10 与MdbHLH3 和MdbHLH33 的协同互在烟草中可促进花青苷的积累。其它转录因子，如NAC 和MADS box等也能够调控花青苷的合成，进而影响果实着色。生产中运用套袋技术，在套袋期间降低了与苹果果皮中花青苷合成相关的MdCHI、MdF3H、MdDFR、ANS、MdUFGT 等结构基因和MdMYB1、MdMYB10、MdbHLH3、MdbHLH33等调控基因的表达水平，来降低了花青苷合成过程中相关酶的活性，从而降低了花青苷的含量， 因而苹果在袋内生长期花青苷的含量极少，苹果几乎不着色，苹果成熟解袋之后，苹果果皮中的花青苷迅速积累，苹果迅速着色。

2.2 甲基化目前所知，DNA 的甲基化包括两种，一种是从头甲基化，即两条链均被甲基化；另一种是维持甲基化，即DNA 双链中的一条链被甲基化， 另一条未被甲基化。 研究表明，DNA 的甲基化对于维持植物的正常发育十分必要，DNA 的去甲基化容易引起植物的非正常发育， 甲基化在植物逆境胁迫中的作用也相继被证实。 近几年在分子研究领域兴起的热点， 表观遗传研究中最为热衷的甲基化是指胞嘧啶C5 位上的甲基化修饰。苹果基因中启动子区域的甲基化程度能够影响RNA聚合酶以及转录因子的结合， 从而促进转录的进行，影响基因的表达，从而影响花青苷的合成。未套袋苹果和套袋苹果解袋10 d 之后，果皮中MdMYB1 启动子区段-2 026 bp～-1 870 bp都发生明显的甲基化，且甲基化程度套袋低于未套袋， 表明MdMYB1 启动子片段甲基化水平的降低导致了苹果果皮的着色， 该片段在调控MdMYB1 启动子过程中有着重要的作用。 此外， 研究发现对于不同色泽类型的苹果，MdMYB1 启动子上与果皮着色相关的关键甲基化修饰区段存在明显的差异， 绿色品种苹果解袋之后花青苷合成能力最弱，MdMYB10 的甲基化水平也显著降低；黄色品种苹果解袋之后花青苷合成能力较差， 实验组的甲基化水平没有显著变化； 红色苹果解袋之后花青苷合成能力最强， 并且甲基化水平在不同的区段中表现出不同程度的显著降低。钱敏杰也对不同材料上PpMYB10 基因启动子区域的甲基化水平进行了相关数据分析，分析结果表明，红色材料的甲基化水平明显高于绿色材料， 这也证明甲基化水平对果实着色有一定的影响作用。目前，对于甲基化在苹果果皮着色上的研究依然较少， 需要进一步的实验论证。

3 讨论与展望

现有研究结果表明，苹果的着色主要受到花青苷的影响， 在苹果的成熟期解袋之后苹果果皮中的花青苷含量在短期间内迅速上升，大量积累的花青苷与叶绿素、类胡萝卜素共同作用，使苹果果皮呈现鲜红色。而影响苹果果皮中花青苷合成与积累的因素有很多，例如环境的影响，温度、阳光等，生产中的套袋等技术就是利用温度、 阳光等控制苹果果皮中的花青苷含量， 当苹果解袋之后， 在阳光、 温度的影响下花青苷迅速积累， 苹果短期内迅速上色。 叶绿素与类胡萝卜素在使苹果呈现绿色和黄色的过程中发挥同样的作用，苹果成熟期解袋之后，叶绿素和类胡萝卜素的含量都持续下降， 当花青苷含量达到最高时，与花青苷共同作用，使苹果表皮呈现鲜红色。

在分子层次上，本文通过对相关文献的分析总结发现，目前大部分的研究集中在已经发现能够影响花青苷的合成转录因子MYB、bHLH(MYC) 和WD40 三类， 它们通过YBbHLH-WD40(MBW)复合体形式参与苹果果皮中花青苷的合成，MdMYB10 与MdbHLH3 和MdbHLH33 协同表达有利于苹果果皮中花青苷的积累，有利于苹果果皮的着色。

对于近几年的研究热点分子甲基化，在其它物种上的研究已经很多。目前发现甲基化在相关植物抗逆性以及品质提升方面具有重要的作用，但在苹果果皮着色中甲基化的作用及影响研究较少。目前的研究表明，花青苷的合成过程会受到相关调控基因的DNA 甲基化程度的影响，调控因子启动子区域甲基化程度越高，相关的表达水平越低，甲基化在MYB 转录子中的作用机理，通过对转录子的影响来控制花青苷的合成。总之，随着DNA 甲基化在各种植物中的作用以及在不同情况下发生的变化被相继鉴定出来，DNA 甲基化的功能也将会被更多的利用在生产实践中。