苹果水心病的发病机理研究进展*

姜云斌，王志华，贾朝爽

（1 中国农业科学院果树研究所，辽宁省果品贮藏加工重点实验室，兴城 125100）（2 天津捷盛东辉保鲜科技有限公司）

苹果水心病（watercore），又称蜜果病，早在1886 年Sorauer 首次把苹果水心病描述为“苹果的透明”，之后其他研究人员陆续也有过相关报道[1]。Carne 等[2]研究认为，苹果水心病可分为2 种类型，早期和晚期。后期有研究认为，苹果水心病是一种果实内部生理性失调现象，主要症状表现为果实果肉组织细胞间隙内充满液体，使果肉呈水渍状，该症状多发生在果实心室周围的维管束附近[3-5]。人们通常认为，有水心症状的苹果果实味道会变差，在贮藏后期容易发生果肉褐变[6-8]，会给生产和经济上带来重大损失。也有人认为有水心病的果实更甜，品质更好，更受广大消费者的青睐[9-10]。有大量的研究表明，苹果水心病组织中的山梨醇含量比无症状组织中的山梨醇含量高很多[11-15]。水心病苹果采收后或贮藏期间，水心症状会逐渐减轻或消失[16]。关于苹果水心症状产生机理的研究一直是国内外专家的研究热点，本文以苹果水心病组织中的主要成分山梨醇为关注点，通过分析果实中的山梨醇来源、运输途径以及在果实中的代谢路径等相关研究成果，总结提出苹果水心病产生及消失机理，并探讨其可能的影响因素，以期为苹果水心病的认知提供参考。

1 苹果中山梨醇的来源—光合作用的主要产物

Web 等[17]在苹果茎表皮中发现山梨醇，并用14C饲喂苹果叶片发现，树皮中放射性物质主要是山梨醇，证明山梨醇是苹果叶片光合产物的主要运输形式。进而研究人员发现，苹果中山梨醇和蔗糖是果树叶片的主要光合同化物，二者分别约各占80%和20%，它们同时也是果树中光同化物的主要转运形式[18-20]。Wallaart[21]调查表明，苹果亚科的木本植物中有山梨醇的存在，其含量（以占叶片干重的百分比来表示）为2.0%～8.7%。有人观察到，苹果叶片中山梨醇含量晚上会有所下降而白天又会迅速上升，这说明树体中的山梨醇是苹果光合作用的主要产物[22]。山梨醇主要产生于成熟叶片中，然后转移到植株的其他部位，山梨醇在苹果叶片中的生物合成由多种不同的酶催化进行，在成熟叶片的细胞质中，叶绿体在经过光合作用后生成的磷酸丙糖经过几种酶解后生成果糖-1,6-二磷酸，其释放出磷酸形成6-磷酸果糖。6-磷酸果糖一方面是合成6-磷酸蔗糖的底物，进而生成蔗糖；另一方面生成6-磷酸葡萄糖，并在6-磷酸山梨醇脱氢酶的催化下生成6-磷酸山梨醇，而后经6-磷酸山梨醇磷酸酯酶脱磷生成山梨醇[23-24]。

2 山梨醇从叶片到果实的运输

高等植物体中的物质运输主要在维管束中进行，维管束主要由木质部和韧皮部构成，木质部是负责将水分和矿质从根向地上部运输的组织，韧皮部则是负责将光合产物从叶向根及其他部分运输的组织，并且韧皮部是有机物在植物体内运输的主要途径。韧皮部都是由筛管、伴胞和薄壁细胞组成的，筛管通常与伴胞配对共同组成筛管分子-伴胞（SE-CC）复合体。筛管是果树中同化物的直接运输者；而伴胞不仅保证供应其需要的代谢物和能量，同时在筛管和其他细胞的交换中起到媒介功能；薄壁细胞则维持着远距离运输通道中的浓度梯度[25]。在植物生理学上把源定义为生产或输出同化物的组织或器官，苹果成熟叶片就是主要的光合源；把接收或贮藏同化物的器官或组织定义为库，对于果实膨大期的苹果树，库主要指的是果实[26]。山梨醇在苹果叶片中合成后，在树体内必须经过韧皮部装载、韧皮部长距离运输和韧皮部卸载3 个步骤才能到达最终的作用或贮藏位点[27-28]。

2.1 韧皮部装载

韧皮部装载是指光合同化物从源端叶肉细胞运出，最终进入筛管-伴胞复合体的整个过程。主要步骤包括：光合同化物从叶绿体外运到细胞质，再从叶肉细胞运输到叶片小叶脉的筛管-伴胞复合体附近，最后进入筛管-伴胞复合体。目前已发现植物体中3 种韧皮部装载途径，即质外体途径、共质体途径和扩散[29]。质外体途径是指开放连续的自由空间，有机物移动是物理性的被动过程，速度快。共质体途径是指胞间连丝把细胞联系起来形成一个连续体，在该连续体中光合产物通过胞间连丝进入筛管-伴胞复合体。有机物在韧皮部的装载有质外体途径，也有共质体途径，也可交替进行，相互转换[30]。

2.2 韧皮部运输

关于光合同化物在韧皮部长距离运输的机理存在3 个学说，分别是压力流动学说、细胞质泵动学说和P-蛋白收缩学说。德国人E.Münch 提出同化物在筛管中随着液体的流动而移动，而筛管的液流是靠源端和库端渗透势所引起的膨压差而建立的压力梯度来推动的[26]。之后有人提出“新压力流动学说”，该学说认为源器官同化物的输出速率与方向均是由库强来控制，如果增大源库两端的压力势差，则有助于同化物向库端转运[31]。细胞质泵动学说提出筛管分子内腔的细胞质呈几条长丝，形成胞纵连束，纵跨筛管分子，束内呈环状的蛋白质丝反复地、有节奏地收缩和张弛，产生一种蠕动，把细胞质长距离泵走，糖分随之流动。P-蛋白收缩学说认为筛管内存在P-蛋白，成束贯穿于筛孔，P-蛋白的收缩可以推动集流运动[26]。在苹果中由源（叶片）到库（果实）的途径中存在着山梨醇的浓度梯度，从叶片经短枝和果柄到果实，山梨醇的浓度依次下降[32-33]。

2.3 韧皮部卸载

韧皮部卸载是指光合同化物从筛管-伴胞复合体进入库细胞的过程，包括筛分子卸载和筛分子后运输2 个密切过程。筛分子卸载有2 条途径，一条途径是共质体途径，指同化物通过胞间连丝从筛管-伴胞复合体进入维管束薄壁细胞的过程，这一过程不涉及跨膜运输，不依赖能量，同时运输能力也不会受转运蛋白的限制[34]，但要求库组织中的筛管和伴胞之间含有丰富的胞间连丝，由于韧皮部内存在山梨醇或蔗糖浓度梯度，山梨醇或蔗糖通过胞间连丝不断地进入库组织；第二条途径是质外体途径，指同化物从筛管-伴胞复合体处直接跨过质膜进入质外体的过程，这2 个途径可单独起作用，也可同时存在。筛分子后运输指在细胞间运输并到达库组织，同样可以分为质外体运输、共质体运输和涉及质外体运输的共质体途径，但是大多数植物都是共质体运输[35-36]。

传入苹果果实中的糖在卸载过程中也一样同时存在共质体途径和质外体途径。吕英民等[37]研究认为，在苹果果肉细胞的质膜上，存在糖的载体，而糖跨苹果果肉细胞的质膜和液泡膜的运输是需要能量的主动过程。他们还认为苹果的同化物从筛管-伴胞复合体卸出进入质外体后，一部分装入韧皮部薄壁细胞，通过共质体运输进入库组织；另一部分则直接通过质外体扩散到达果肉“靶细胞”，而后跨膜装入果肉薄壁细胞。此后，在果肉薄壁细胞之间可通过共质体进行同化物的再运转[38]。经研究表明，山梨醇是苹果果实质外体空间可溶性糖的主要成分，其浓度远高于其他种类的可溶性糖。山梨醇可沿共质体运至果实，然后卸载于质外体，或完全通过共质体途径，沿胞间连丝进入胞质，剩余的山梨醇则被液泡膜上的载体和H+泵泵入液泡[39]。张凌云[40]研究认为，同化物在苹果果实内从筛分子的卸出主要采取质外体途径，而酸性转化酶（AI）负责将蔗糖分解成为单糖，质外空间中的单糖可通过韧皮部共存的质外体和共质体运输途径转运进果肉细胞中。目前，山梨醇和蔗糖转运子均已被发现。龚晏[41]从皇家嘎拉苹果叶片中分离得到一种以跨膜蛋白结构形式存在的山梨醇转运子。Fan 等[42]在苹果中发现了一种定位于质膜上的蔗糖转运子（MdSUT1）和一种山梨醇转运子（MdSOT6）。苹果中糖的主要成分葡萄糖和果糖几乎都在液泡中。Yamada 等[43]从苹果果实中克隆到NAD-SDH 的cDNA 全长基因，接着采用Northern 印迹分析表明该基因在成熟果实中表达，并推测SDH 是在苹果果实成熟期发挥重要作用。

3 果实中山梨醇的代谢途径

山梨醇在苹果果实内只有分解过程，却没有重新合成的过程[44]。当树体内的山梨醇进入苹果果实后，主要在山梨醇脱氢酶（SDH）和山梨醇氧化酶（SOX）的作用下分解，其中大部分的山梨醇转化为果糖，主要是在NAD+型-山梨醇脱氢酶的催化下转化完成的，果糖积累量与山梨醇脱氢酶活性呈正相关；还有少部分山梨醇在山梨醇氧化酶和NADP+型-山梨醇脱氢酶的催化下转化为葡萄糖[45-46]。细胞的液泡是果实积累糖分的主要细胞器，果实中几乎所有的果糖和葡萄糖都存在于液泡中，而少量的未被转化的山梨醇则主要存在于质外空间和液泡中，同时也有少量的蔗糖存在于质外空间和胞质中[47]。有研究表明，在苹果所有组织和器官中，SOX 与SDH 相比其活性较低，果实中SOX 的活性约为NAD+-SDH 活性的1/5[48]。

4 苹果水心病产生和消失的机理

苹果果实是由子房、花托和萼片等共同发育而成，果实内的维管束有花托维管束、萼片维管束，还有心皮维管束。其中萼片维管束分为主维管束和分支维管束，萼片主维管束从果柄延伸至果萼处，由10 个原生维管束围绕心皮分布，萼片分支维管束反复分支呈网状分布并向果皮延伸[49]。山梨醇主要就是通过萼片维管束运输到果实内部，幼果期各类维管束的运输能力较强，但随着果实的不断发育成熟，果实维管束的运输能力逐渐下降，从而变成主要通过细胞间隙扩散运输；果实发育后期，果实维管束结构将严重受损，导致其运输功能逐渐下降；到了果实成熟期，萼片主维管束严重变形，支离破碎，结构松散，使得染液在梗洼处大量积聚[50]。

苹果水心病的主要特点是果肉细胞间以果心及维管束附近充满水浸状、半透明的液体，王艳芳等[50]的研究能够很好地诠释苹果水心病的发生，在苹果发育前期，山梨糖醇通过花萼维管束运输到果实内部，由于强光照、大温差、干旱等环境因素使得光合同化物—山梨醇大量地、源源不断地在树叶内生成，并且通过花萼维管束输送到果实内部，由于果实内山梨醇脱氢酶和山梨醇氧化酶的转化能力有限，导致果实内部山梨醇积累越来越多，最后山梨醇逐渐从维管束细胞内溢出到细胞间隙，从而在10 个原生维管束周边形成水渍症状，而随着果实发育，果实内累积的山梨醇越来越多，又逐渐渗透到果肉细胞中去。果实成熟后期花萼维管束通道变形，导致山梨醇又在果柄处大量累积，逐渐渗透到果柄周围的果肉细胞间隙中。苹果成熟采收后，果实脱离了树体营养（源）的供给，山梨醇没有了来源，而随着果实内山梨醇脱氢酶和山梨醇氧化酶的持续作用，使得果实细胞间隙的山梨醇又开始向细胞内部转移，导致细胞间隙的山梨醇含量逐渐减少，水心症状逐渐减轻，直至最后水心症状完全消失。这也就解释了收获后的果实水心症状会逐渐减弱或消失，但水心病严重的果实症状持续时间更长。

5 影响苹果水心病产生的因素

苹果水心病的发生受许多内在和外在的因素影响，如品种的特性、栽培条件、环境因素、激素和生长调节剂，以及果实的成熟度等。

5.1 遗传因素

在国内，苹果品种如元帅系、青香蕉、印度、大国光、赤阳、橘苹、史密斯等容易发生水心病，而金冠、旭、芹川、花嫁等一般不易患此病[51-52]。孙腾飞等[53]研究认为，苹果品种不同其水心病发病的敏感程度有所不同，例如富士、王林、新红星、北斗等品种水心病发病较重，而金冠、国光、元帅等品种则对水心病不敏感，发病较轻。还有研究认为，水心病发生率相对较高的品种有富士、秦冠、王林等，而国光、澳洲青苹、元帅等品种表现出对水心病有较高的抗性[54-55]。Marlow 等[5]对世界范围内的100 多个苹果品种调查发现，不同的品种发病程度各不相同。这与由于遗传差异导致的果实形态学差异有关，如易感品种比不易感品种维管束附近的细胞更容易分解和增殖，而二者维管束的排列方式不同也与其易感程度直接相关。同样，不同苹果品种对山梨醇的转化能力与方式不同，也是其敏感程度的一个原因。魏建梅等[56]研究表明，富士和国光果实糖积累和淀粉代谢均存在显著差异，从而直接或间接地影响着果实糖代谢过程。

5.2 环境因素

5.2.1 温度、光照和水分

在温度方面，Yamada 等[57]研究认为，成熟前的高温是导致富士苹果果实水心病发生的重要原因。有研究证明，高温下的果实组织较易渗漏，易产生溢流现象。温度对果树同化物运输的影响包括纯物理过程，如韧皮部汁液的黏度会随温度的升高而显著下降，所以在同样的压力梯度下同化物具有较高的流速[30]。有研究认为，气温冷凉环境比温和环境下的苹果更容易出现水心病[58]。昼夜温差大能加剧水心病的发生。

用曝光试验进行的研究表明，光能使14C 同化物由叶片外运的速度急剧增加。有研究发现，阳光直射的果实水心病发病几率会明显增加，比非直接光照的果实多2～4 倍，所以树冠顶部的果实水心病发生率也高。Yamada 等[59]研究认为，在干旱地区，当果实接近成熟并且在日温差大、高光强环境条件下，水心病发病几率会明显增加。也有研究表明，在高海拔地区苹果水心病发生率要显著高于平原地区[60-62]。随着海拔的增高，这其中温度与昼夜温差加大可能是主导因子。因此海拔高的大陆性地区苹果水心病的发生都较严重。

一般情况下，苹果水心病发生率在25%上下，而在某些干旱以及高温的生长季节，个别产地苹果水心病的发生率在80%以上。高原和高温度的条件下，由于日温差比较大导致树体光合作用效率更高，从而果实内的干物质积累更多，再加上高原地区干旱缺水的环境下，苹果水心病也是比较常见的一种生理性病害。Cui 等[63]研究表明，适度水分胁迫可提高果实含糖量，其机制是水分胁迫下，促进了果实光合产物的积累和增加了光合产物的运转。

5.2.2 矿质营养

矿质元素的含量与苹果水心病的发生密切相关。钙是植物生长发育所必需的营养元素，其生理功能很多，钙素的缺失可导致很多生理病害发生。目前认为钙元素缺乏可能导致水心病发生，这是因为Ca2+不仅能调节果实质膜的通透性，即稳定质膜防止物质从胞内渗漏到质外空间，防止组织发生溢流现象[64]，Ca2+还可以影响与细胞壁联系的钙依赖性蛋白激酶的活性，实现对胞间连丝通透性的调节[65]，从而影响通过胞间连丝的物质运输。Ca2+的极度减少，使质膜的胞间连丝通透性增强，从而增加了山梨醇从维管束末端卸出到质外空间的数量。含钙量正常的苹果能在花梗中形成一种障碍物，待果实接近成熟时能延缓山梨醇运入果实。在缺钙的果实里不能形成这种障碍物，从而易积累山梨醇造成水心。马明等[66]认为，当过量施入氮、钾、硼等元素后，会打破树体内元素的平衡，从而造成果树缺钙现象产生。

植物体内的氮素营养水平直接或间接地影响着植物的光合作用，一般树体在充分供应氮素营养时，树体枝条和根的生长会随之加强，从而导致果树的生殖器官和贮存器官得不到充足的光合同化物供应，当缺氮低于某一水平后，则会导致果树韧皮部细胞的功能或活性减弱，从而影响树体同化物的运输与分配[25,67]。有研究认为，氮素营养促进新梢生长，会抑制根系生长，从而减少钙的吸收，造成水心病的产生[51]。

硼对苹果水心病的发生至关重要，果实和土壤中硼含量越高，苹果水心病发病率就越高，硼对钙的吸收有明显的抑制作用，硼过量是苹果水心病发生严重的主要因素之一[66]。硼也被证明与山梨醇形成稳定的复合物，可以在苹果中移动[68]。

5.3 发育和成熟度

Bowen 等[12]研究发现，富士苹果成熟度与水心病发病比率和程度密切相关。Yamaki 等[69]和Yamada等[70]发现，水心病症状一般于苹果快成熟时在果实中逐渐开始出现，而随着果实成熟度的不断增加，苹果水心病的发病率也随之增加。Marlow 等[5,71]研究认为，水心病与果实的成熟密切相关，成熟度高乙烯生成多的果实水心病的发生相对比较多。成熟果实细胞对山梨糖醇吸收能力降低，碳水化合物在细胞空间积累并导致水心病的发生。Fukuda[72]研究认为，在果实接近成熟期时，高温干旱的环境导致果树的蒸腾作用降低，不仅影响了钙在树体内的传输，同时也影响了山梨醇在树体内的正常代谢。

5.4 源库关系

调控源库关系手段主要有摘叶、疏花、疏果、剪枝等，目的是改变同化物的转运和分配，促进同化物向果实转运。源库比是影响水心病产生的重要因素，在源库比高时容易发生水心病，原因是结果少或疏果过重容易形成大果，导致树体源库比高，从而流入果中的光合产物—山梨醇较多，流入果实后一时不易被细胞所吸收而积聚在细胞间隙；另一方面，源库比高还易造成枝叶旺长，同时抑制了根的生长，因而影响了钙的吸收[5]。果树的叶果比一样可以显著影响光合同化物由叶向果的转运过程，叶果比过大造成树体碳素营养过剩，引起营养生长旺盛，造成果实对同化物的竞争力降低，而叶果比过小也会导致光合产物供应不足，从而影响果实的生长发育[73]。孙智广[74]研究认为，一般树势较弱的、挂果量过多的、树体郁闭的、钙营养不良的、施肥不当的、环剥与修剪不当等都会导致果实水心病的发生。套袋后苹果果实可溶性糖含量会降低，主要是降低了山梨醇和蔗糖的含量，同时会减少果实对钙的吸收，从而加重了水心病这一生理病害的发生[75]。

5.5 植物激素和生长调节剂

植物激素是通过调节基因的表达来实现其对碳水化合物积累与代谢中各个环节的调控，是植物组织间、器官间、胞内信号转导和胞间信息传递系统中最基本的组成物质。果实内激素含量的变化也会对水心病的发生产生影响，乙烯和乙烯利可以增加苹果水心病的发生[76]。内源乙烯的浓度与水心病的严重程度关系不大[58]。研究表明，新红星苹果在整个果实发育过程中，果实中的山梨醇氧化酶（SOX）活性与果实中的吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）和脱落酸（ABA）含量呈显著的负相关，而果实中的山梨醇脱氢酶（SDH）活性却只与其赤霉素含量呈显著的负相关[77]。金冠和新红星苹果果实的成熟过程受ABA 的调节，ABA 可能是苹果果实成熟过程中位于乙烯上游的内源调控因子[78]。B9可相对增加果实中的钙含量，主要是它们对新梢生长有抑制作用，从而降低了果实的呼吸，延迟成熟，可取得很好的防治水心病的效果[79]。