纳米二氧化钛通过蜡质生物合成与表皮重塑提升苹果外观品质的机制研究

《Plant Nano Biology》：Nano-titanium Dioxide Enhances Apple Appearance Quality via Wax Biosynthesis and Cuticular Remodelling

本研究针对化学着色剂乙烯利加速果实成熟、缩短贮藏期的问题，探索了纳米二氧化钛(NPs-TiO2)在苹果外观品质改良中的应用。通过两年田间试验发现，NPs-TiO2处理能显著增强苹果红色度、色泽均匀度和光泽度，并提高角质层厚度和蜡质沉积。GC-MS和RNA-seq分析表明，NPs-TiO2通过上调蜡质合成相关基因表达，促进烷烃和脂肪醇积累，为纳米材料在园艺作物高效栽培中的应用提供了新策略。

　　

在全球水果市场中，苹果作为重要的经济作物，其外观品质特别是颜色和光泽度直接决定了商业价值。然而，传统栽培中常使用化学着色剂如乙烯利来促进果实着色，虽然效果显著，但往往会加速果实成熟进程，导致贮藏期缩短，且消费者对化学残留的担忧日益增加。这促使研究人员寻找更安全、高效的替代方案。纳米技术的兴起为这一挑战带来了曙光，其中纳米二氧化钛(NPs-TiO₂)因其低毒性、良好的生物相容性和独特的光学特性，在农业领域的应用展现出巨大潜力。

为了系统评估NPs-TiO₂对苹果外观品质的改善作用及其作用机制，山东果树研究所的研究团队在《Plant Nano Biology》上发表了最新研究成果。他们在2021-2022年连续两年进行了田间试验，以早熟品种‘皇家嘎拉’和中秋熟品种‘红首长’为材料，比较了NPs-TiO₂和乙烯利处理对苹果外观品质、表皮微观结构和蜡质成分的影响。

研究团队运用了多项关键技术方法：通过色差计和光泽度仪量化果实外观参数；利用扫描电子显微镜观察表皮微观结构和蜡质晶体形态；采用气相色谱-质谱联用技术分析表皮蜡质化学成分；结合RNA测序和实时荧光定量PCR技术解析蜡质合成相关基因的表达模式。所有试验均设有多重生物学重复，确保结果的可靠性。

3.1. NPs-TiO₂和乙烯利对‘皇家嘎拉’和‘红首长’苹果品质的影响

研究表明，NPs-TiO₂和乙烯利处理均能显著提高两个品种苹果的红色度和着色均匀度。在果实光泽度方面，NPs-TiO₂处理组在60°和85°测量角度下表现出最优的光泽特性。与乙烯利处理相比，NPs-TiO₂对果实硬度的负面影响更小，保持了更好的果实质地。

3.2. NPs-TiO₂和乙烯利处理对果实表皮细胞形态的影响

通过表皮组织切片分析发现，NPs-TiO₂处理显著增加了果实角质层厚度和表皮细胞层数，改变了表皮细胞形态，使细胞长宽比增大，这种形态变化有助于增强表皮组织的机械强度和屏障功能。

3.3. NPs-TiO₂和乙烯利处理对果实表皮蜡质形态的影响

扫描电镜观察显示，NPs-TiO₂处理后果实表皮粗糙度增加，蜡质颗粒和片层状蜡质晶体更加丰富，形态特征更为明显，这表明NPs-TiO₂促进了表皮蜡质的沉积和结晶过程。

3.4. NPs-TiO₂和乙烯利处理对果实表皮蜡质成分的影响

蜡质成分分析表明，NPs-TiO₂处理显著提高了果实表皮总蜡质含量，特别是烷烃和脂肪醇类物质的积累。在‘皇家嘎拉’苹果中鉴定出50种化合物，在‘红首长’中鉴定出61种化合物，其中NPs-TiO₂处理显著提高了代表性成分二十九烷和10-二十九烷醇的含量。

3.5. 表皮蜡质合成的RNA-Seq分析

对已有RNA-seq数据的重新分析发现，NPs-TiO₂处理显著富集了与蜡质生物合成相关的通路，包括脂肪酸生物合成、脂肪酸降解和α-亚麻酸代谢等途径，为NPs-TiO₂调控蜡质合成提供了转录组水平的证据。

3.6. 蜡质合成相关基因表达分析

实时荧光定量PCR结果显示，NPs-TiO₂处理上调了大多数蜡质合成相关基因的表达，包括MdCER1、MdKCS2、MdLACS2等关键基因，这些基因在烷烃和脂肪醇的生物合成途径中发挥重要作用。

3.7. 表皮蜡质成分与蜡质合成基因表达的相关性分析

相关性分析表明，烷烃含量与MdCAC2、MdCER4等基因表达呈显著正相关，而酯类含量与MdCER1、MdADH1等基因表达呈负相关，这进一步证实了NPs-TiO₂通过调控特定基因表达来影响蜡质成分的合成。

研究结论表明，NPs-TiO₂通过调控蜡质生物合成途径中关键基因的表达，促进表皮蜡质特别是烷烃和脂肪醇的积累，从而改善苹果外观品质。与乙烯利相比，NPs-TiO₂在增强果实色泽和光泽度的同时，对果实贮藏品质的负面影响更小，展现出更好的应用前景。该研究不仅为苹果外观品质改良提供了新技术方案，也为纳米材料在园艺作物安全生产中的应用奠定了理论基础。

值得注意的是，研究人员通过ICP-MS检测发现，经过充分清洗后，NPs-TiO₂处理果实表皮仅残留微量钛元素，这表明在正确使用条件下，该技术具有较好的安全性。然而，研究人员也强调，纳米材料的长期生态效应和安全性仍需进一步评估，未来的研究应关注NPs-TiO₂在果实中的残留动态及其对土壤微生物和生态环境的潜在影响。

这项研究的创新之处在于首次从蜡质生物合成和表皮重塑的角度，揭示了NPs-TiO₂改善苹果外观品质的分子机制，为纳米材料在果树栽培中的合理应用提供了科学依据。随着消费者对食品安全和农产品外观品质要求的不断提高，这种环境友好型的果实品质改良技术有望在未来的果树生产中发挥重要作用。