酶促褐变对鲜切苹果的可接受性和市场性有很大的负面影响。然而，硒（Se）对鲜切苹果产生积极影响的分子机制尚不清楚。在本研究中，在幼果期（M5，5月25日）、早期果实膨大期（M6，6月25日）和果实膨大期（M7，7月25日），我们分别向“富士”苹果树施用0.75 kg plant-1的富硒有机肥，以施用相同量的无硒有机肥作为对照。Transcriptomics and metabolomics provide insight into the anti-browning mechanism of selenium in freshly cut apples一文研究了外源硒在鲜切苹果中发挥抗褐变作用的调控机制。结果表明，苹果鲜切1小时后，M7处理下的苹果具有显著的抗褐变作用。此外，与对照相比，外源硒处理后的苹果多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（POD）相关基因的表达显著降低。然而，在对照中，参与膜脂过氧化的脂肪氧化酶（LOX）和磷脂酶D（PLD）基因的表达水平较高。在不同的外源硒处理下，苹果的抗氧化酶，如过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽转移酶（GST）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）基因的表达水平均上调。在褐变过程中，我们检测到的主要代谢物是酚类和脂类；可以推测，外源硒产生抗褐变作用的机制可能是降低酚酶活性，提高果实抗氧化能力，减轻膜脂过氧化。总之，本研究为外源硒在鲜切苹果中发挥抗褐变的响应机制提供了证据和见解。

论文
原名：Transcriptomics and metabolomics provide insight into the anti-browning mechanism of selenium in freshly cut apples
译名：转录组和代谢组揭示了硒在鲜切苹果中的抗褐变机制
期刊：Frontiers in Plant Science
IF：6.627
发表时间：2023.05

实验设计、讨论：

长期以来，鲜切苹果褐变一直是影响风味、营养、保质期和适销性的主要负面因素。表面褐变是由于PPO催化多酚氧化形成醌类，然后缩合成深褐色物质。POD也是一种酚氧化酶，可以与H2O2结合，催化酚类氧化为自由基。据报道，抑制PPO基因表达是降低马铃薯块茎和双孢菇褐变程度的有效方法。同样，He等人（2020）发现，辛弗林盐酸盐（Syn-HCl）通过调节POD和PPO活性来抑制荔枝果皮褐变。Liu等人（2021）对鲜切茄子进行了转录分析（褐变敏感和抗褐变品种），结果表明，与抗褐变品种相比，褐变敏感品种鲜切15分钟后的PPO和POD基因表达水平显著上调。在本研究中，与外源硒处理组相比，对照组中POD和PPO基因表达水平显著上调（图4A；补充表7）。图5A、B表明，与外源硒处理组相比，对照组的PPO和POD活性更高。因此，PPO和POD可能在鲜切苹果褐变过程中发挥协同作用。

酚类物质在酶促褐变过程中充当底物。另一方面，多酚的抗氧化活性有助于清除细胞中过量的氧自由基，维持细胞氧化还原平衡。代谢组结果表明，外源硒处理诱导了几种常见酚类物质的合成和积累，如迷迭香酸、绿原酸、根皮苷、儿茶素、莽草酸和M-香豆素酸，与对照组相比，外源硒处理组的这些代谢物显著更高（图8A）。转录分析表明，参与苯丙烷和类黄酮生物合成途径的PAL、4CL、C4H、FLS和CHI基因表达水平上调（图4A）。在鲜切红薯中的研究发现，PAL的表达与较高的总酚含量呈现正相关关系，增强了鲜切红薯的抗氧化能力和抗褐变能力。也有报道，80%的氧气处理可以提高鲜切土豆的总酚含量，有效提高其抗氧化能力。

苹果的褐变是由于切割过程破坏了酚类物质和酶的细胞空间结构。Li等人（2017）发现，细胞膜稳定性对于抑制鲜切梨褐变起重要作用。脂质是细胞膜的重要组成部分；不饱和脂肪酸的减少或膜磷脂的降解，改变了细胞膜通透性并损害细胞膜完整性。LOX和PLD是两种重要的脂质降解酶；前者诱导不饱和脂肪酸氧化产生过氧化产物，后者诱导磷脂降解为游离脂肪酸。这些过氧化物破坏细胞膜，会诱发酶促褐变反应。从本研究可以发现，外源硒处理通过抑制LOX和PLD基因表达水平来降低脂质降解酶活性（图4A），延缓细胞膜脂质降解并保持细胞膜结构的完整性。通过测量生理指标，我们发现，与对照相比，外源硒处理后鲜切苹果的LOX和PLD活性显著降低（图5C，D）。代谢分析表明，与甘油磷脂和脂肪酸代谢相关的DAMs在对照中上调，而外源硒处理降低了这些代谢物（图8A）。有研究表明，增加的CO2处理可以抑制LOX和PLD活性来延缓膜脂过氧化，从而抑制褐变。Song等人（2022）报道，热空气处理可以抑制PLD和LOX基因表达，从而抑制菠萝褐变。在苹果、樱桃和莲子中也有类似报道。

鲜切水果引起的机械损伤增加了ROS，加速了膜脂过氧化并促进褐变。酶促抗氧化系统在抑制ROS和维持细胞氧化还原稳态方面发挥重要作用。抗氧化酶包括SOD、CAT、APX和GST。本研究中，与对照组相比，处理组中编码抗氧化酶活性的基因上调，如SOD、CAT、APX和GST。另一项研究发现，与褐变敏感品种相比，抗褐变品种的鲜切茄子中有18个GST基因和10个APX基因表达水平显著增加。GST的表达增加，导致细胞中还原谷胱甘肽增加；这导致细胞中抗氧化剂增加，从而清除细胞ROS以减少褐变。硒参与谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）的形成，该酶通过参与细胞内氧化还原稳态来保护细胞膜。Li等人（2020）报道，晚收的“鸭梨”更容易发生褐变，这是由于晚收果实的SOD和CAT活性较低。Hou等人（2022）发现，梨具有较高的抗褐变能力，这可能与其较高的CAT活性有关。SOD和CAT活性的增加促进了ROS的清除，减少了细胞氧化损伤，将H2O2转化为水。研究表明，抗氧化能力较高的果实，褐变程度较低，我们的研究结果也支持这个结论。因此，我们认为，外源硒对鲜切苹果的抗褐变作用，可能与果实抗氧化能力增加有关（减少ROS对细胞膜的氧化损伤）。

一些转录因子，如MYB、WRKY和ERF，与氧化应激有关，包括物理损伤。之前的研究表明，WRKY和MYB转录因子在调控苹果褐变中发挥着与PPO相当的作用。在本研究中，我们在对照组中观察到较高的ERF转录因子表达模式，与鲜切莲藕褐变的研究一致。此外，其他转录因子家族，如HB-other、NAC和BHLH，也表现出不同的转录水平，这些转录因子的变化可能与鲜切苹果的褐变过程有关（图4B）。然而，它们的功能特性还需要进一步探索，以阐明它们对鲜切苹果褐变的潜在影响。

结论：

这表明，在苹果种植过程中，外源硒处理是抑制苹果褐变的一种新的有效方法。对照样组中PPO和POD基因表达水平高于外源硒处理组，而酚类含量则相反，表明外源硒通过调节酚酶活性来抑制苹果褐变。此外，外源硒处理样本中参与脂肪酸和脂质生物合成途径的LOX和PLD的基因表达水平显著高于对照，这提供了更多的证据，证明细胞膜稳定性是影响果实褐变的潜在因素。此外，外源硒处理下，与抗氧化酶（SOD、CAT、GST和APX）相关的基因表达水平上调，表明外源硒抑制鲜切苹果褐变的机制可能是多种代谢途径共同作用的结果。

更多关于硒的知识 >>