赤霉素调节了乙烯的产生、抗坏血酸-谷胱甘肽循环以及脂肪酸代谢，从而减轻了水心病苹果果实的褐变现象——来自转录组学证据的启示

《Postharvest Biology and Technology》：Gibberellic acid modulated ethylene, ascorbate-glutathione cycle, and fatty acid metabolism to attenuate the browning of watercore apple fruit: Insights from transcriptomic evidence

苹果褐变调控机制研究：水心病苹果果实经赤霉素（GA）预处理后，褐变程度显著降低。GA通过抑制乙烯爆发性产生，调控赤霉素生物合成基因（GA3ox、GA20ox等）表达，增强内源GA3水平，同时激活AsA-GSH循环（APX、DHAR、GR、GPX活性及基因表达上调），有效清除活性氧（ROS）并维持膜脂完整性。研究揭示了GA通过多途径协同调控乙烯代谢、抗氧化能力及膜脂稳态，从而抑制褐变的关键分子机制，为苹果采后保鲜提供理论依据。

李亚丽|魏昊|赵媛媛|李佳明|徐传红|宋长浩|任亚梅|任晓琳|丁玉端

西北农林科技大学园艺学院，中国陕西省杨陵市712100

摘要

水心病苹果果实由于抗氧化能力下降和活性氧（ROS）代谢紊乱，更容易出现组织褐变，这最终会破坏膜完整性并引发酶促褐变。本研究探讨了采前施用赤霉素（GA）对储存过程中水心病苹果果实褐变的影响。结果表明，GA处理显著减轻了褐变，提高了内源性GA?水平，并降低了乙烯的产生。转录组和理化分析显示，GA通过调节GA和乙烯的生物合成及信号传导基因来缓解乙烯爆发效应。此外，GA通过增强抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环中的关键酶活性（包括抗坏血酸过氧化物酶、脱氢抗坏血酸还原酶、谷胱甘肽还原酶和谷胱甘肽过氧化物酶）以及上调AsA和GSH的生物合成基因来发挥作用。GA还促进了与AsA和GSH生物合成相关的基因表达。同时，GA增强了过氧化物酶体功能相关基因的表达，并下调了呼吸爆发氧化酶同源物（RBOHs），从而促进了ROS的清除并减轻了膜氧化损伤。GA处理还保持了膜稳定性，这体现在不饱和脂肪酸（油酸和亚油酸）含量的增加上，可能是由于抑制了磷脂酶D、脂肪酶、脂氧合酶、过氧化氢裂解酶和醇脱氢酶的活性，并上调了脂肪酸的生物合成和延长基因。值得注意的是，GA介导的多酚氧化酶活性降低进一步有助于抑制褐变。这些发现阐明了GA在减轻采后苹果果实组织褐变中的调控机制。

引言

水心病是一种影响蔷薇科果实的代谢疾病，表现为果皮靠近维管系统和中心轴区域的半透明、充满液体的组织。这些症状通常与细胞完整性受损有关，主要出现在果实成熟后期。（Algul等人，2021年）。该病害与山梨醇和蔗糖的过量积累密切相关（Argenta等人，2002年；Gao等人，2005年）。在一些亚洲市场，尤其是中国，具有轻微水心病的苹果因其独特的质地和更高的甜度而受到青睐，常被称为“糖心苹果”（Li等人，2024a；Tanaka等人，2020年）。然而，严重的水心病会导致果实品质显著下降，包括营养损失、异味、抗氧化活性降低、能量代谢紊乱、ROS积累、乙烯爆发、膜结构不稳定以及内部褐变和腐烂加速（Kasai和Arakawa，2010年；Li等人，2025a；Tanaka等人，2018年）。在中国广泛种植的品种如‘富士’、‘奥林’和‘金冠’对水心病的敏感性较高，随后会发生组织褐变，从而导致采后损失。因此，开发既能保持水心病苹果品质又能减轻不良影响的策略仍然是农业研究中的持续挑战。

维持完整的细胞质和细胞内膜对于延缓采后果实的褐变和衰老至关重要。这种膜完整性有助于保持细胞区室化，从而抑制酶促变色和生理退化（Wang等人，2018年）。膜的结构和功能紊乱会通过酚类底物和关键氧化酶（多酚氧化酶（PPO）及过氧化物酶（POD）的解区室化来促进酶促褐变，使酚类氧化为邻-醌（Zhang等人，2015年）。脂肪酸（FAs）作为细胞膜的关键成分，通过其含量、组成和不饱和脂肪酸（UFA）/饱和脂肪酸（SFA）比例来决定膜稳定性（Zhang等人，2023a）。膜脂质（磷脂和FAs）的氧化由脂质代谢酶驱动（Wang等人，2020b），这是导致果实品质下降的关键因素，进而破坏细胞膜完整性（Zhang等人，2025年），加剧褐变（Zhang等人，2018年）。

除了非生物胁迫外，水心病作为一种生理障碍，还可能加剧ROS的产生，加速膜泄漏（Kasai和Arakawa，2010年；Li等人，2025a）。抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环包括抗坏血酸（AsA）、脱氢抗坏血酸（DHA）、谷胱甘肽（GSH）及其氧化形式（GSSH，Foyer和Noctor，2011年；Noctor和Foyer，1998年；Zhang等人，2022年），该循环通过AsA/DHA和GSH/GSSH的氧化还原比例进行调节，在清除ROS和帮助采后园艺产品适应非生物胁迫中起着重要作用（Cao等人，2021年；Zhu等人，2022年）。该循环由抗坏血酸过氧化物酶（APX）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）、谷胱甘肽还原酶（GR）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）等酶催化，这些酶可以转化还原型（AsA、GSH）和氧化型（DHA、GSSH）（Zhang等人，2023b）。通常，随着果实老化，AsA和GSH的含量会逐渐消耗。此外，乙烯和GA等激素也被证实参与果实中AsA的代谢调节（Arabia等人，2024年）。

已知遭受生理紊乱的植物表现出乙烯、GA和ROS水平的显著变化。这些植物激素和信号分子在胁迫响应中起着重要作用（Zhang等人，2016年）。它们之间存在复杂的相互调节关系。例如，乙烯信号主要通过调节ROS生成和清除机制来调节胁迫响应（Haghpanah等人，2025年）。乙烯和GA之间存在拮抗作用。Vandenbussche等人（2007年）发现乙烯通过调节DELLA蛋白与GA产生拮抗作用。Xu等人（2023年）报告称，Spindly（SPY，GA途径的负调节因子）与Ethylene Insensitive 2（EIN2）相互作用以促进乙烯信号传导。此外，GA处理减少了氧化应激并限制了胁迫诱导的乙烯生成（Masood等人，2016年），并拮抗了乙烯介导的衰老，从而延长了果实保鲜期（Ji等人，2023年）。

GA是一种环境友好的植物激素，易于分解且不会留下有毒残留物，使其成为采后处理中的有效保鲜剂（Zhang等人，2023c）。GA处理已被证明是提高果实品质和延长保鲜期的多功能工具。关于采前应用的研究表明，它可以延长储存时间，例如在‘石峡’龙眼中（Luo等人，2024年），同时通过增加硬度来改善葡萄浆果的质地（Hu等人，2025年）。在苹果中，GA通过延缓衰老相关变化来保持外观和营养品质（Liu等人，2022年；Souza，2016年）；在草莓中，它减少了AsA的降解并增强了抗氧化剂的保留（Ta?等人，2021年）。在采后环境中也观察到了类似的结果（Jiang等人，2025年；Wu等人，2025年；Yang等人，2023年）。

然而，GA具体如何调节乙烯代谢和信号传导、AsA-GSH循环以及膜脂肪酸代谢以影响水心病苹果的褐变进程仍不清楚。本研究旨在阐明GA在减轻褐变中的机制作用，重点关注它们之间的组合相互作用及其转录机制，以建立一种经济有效的采后褐变控制策略。

部分摘要

植物材料

本研究于2023年在中国陕西省咸阳市的寻义苹果试验站进行（地理和气候条件见补充表1）。选择的是同龄的苹果树（Malus domestica cv. Yanfu-3；树龄6年，种植间距为6×4米），这些苹果树因对水心病的高度敏感性而被选为研究对象。选择这些树是因为它们具有相似的发育能力和空间分布

GA处理对水心病、褐变、内源性GA?和乙烯产生的影响

为了评估采前GA处理对储存过程中水心病相关褐变的影响，评估了WI、DI、L*和BD。图1A显示了储存期间果实组织对水心病的逐渐吸收，伴随着WI和DI的下降（图1A和1B）。同时，随着水心病的消退，组织褐变在维管束周围呈放射状发展，L*下降（图1C）和BD（图1D）稳步增加。对照组的果实表现出更快的褐变进展

GA通过拮抗乙烯来提高苹果果实的抗氧化能力

具有轻微水心病的苹果具有更高的商业价值（Melado-Herreros等人，2013年），而严重的水心病会破坏细胞完整性和生理代谢（Du等人，2021年），增加ROS和MDA的水平，以及抗氧化能力的下降（Li等人，2025a），从而降低储存性，增加储存后期褐变和组织分解的敏感性（Kasai等人，2019年）。在本研究中，采前GA处理（100 mg·L^?1）有效

结论

采前用100 mg·L^?1 GA处理有效减少了储存过程中水心病苹果的褐变，并降低了ROS、MDA和乙烯的释放。其作用机制可以归纳为三个方面。首先，GA通过拮抗乙烯来提高抗氧化能力。GA处理通过上调KS、KO1、KAO2、GA20ox和GA3ox基因增加了内源性GA?水平。参与GA感知和信号传导的基因也发生了变化，其中GID1C和PKL

CRediT作者贡献声明

徐传红：研究工作。宋长浩：研究工作。任晓琳：验证、资金获取。李亚丽：写作——初稿撰写、软件使用、方法论设计、数据分析、概念化。魏昊：方法论设计、研究工作、数据分析。赵媛媛：方法论设计、研究工作。李佳明：研究工作。任亚梅：写作——审稿与编辑。丁玉端：写作——审稿与编辑、验证、项目监督、资金获取

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了以下支持：（1）陕西省‘双链’整合关键研发计划（2023-LLRH-01）；（2）陕西省农业农村厅2024年省级农业专项项目：苹果优势水果产业发展——智能精准温度控制和冷链技术及设备创新；（3）‘集团’新疆援助团队 - 新疆有机水果深度