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渤海大学曹雪慧教授等：梨石细胞形成的控制因素及对果实质构影响研究

花匠小妙招
2025-09-07 19:28

　　梨风味独特、营养丰富，富含糖类、维生素、矿物质、膳食纤维等有益成分，具有生津止渴、化痰止咳的功效，因此广受消费者喜爱。梨的主要果实品质评价指标包括果肉质地、色泽、糖度、香气、石细胞含量等。梨石细胞含量是评价梨果实品质的重要指标之一，降低梨果实石细胞含量，对改善梨品质至关重要。石细胞是果实中的一种厚壁组织细胞，由薄壁组织细胞经木质素不断沉积形成。单个石细胞不影响口感，但石细胞聚集在一起形成较大的石细胞团时会严重影响梨的品质。因此，减少石细胞的大小和含量对提高梨果实内在品质极为重要。

　　渤海大学食品科学与工程学院的王娅、曹雪慧*、年蕊等针对梨石细胞形成过程，结合内外因素，如酶类、木质素、外源钙、环境等，就其如何影响梨果实石细胞分布、大小、含量以及石细胞对梨感官和营养品质的影响进行归纳探讨，对改善梨果实品质、发展我国梨产业有重要参考意义。

　　1 梨石细胞形成过程及对梨品质的影响

　　1.1 梨石细胞形成过程

　　梨石细胞属于短石细胞，含有大量木质素和纤维素。梨石细胞是由薄壁细胞在发育时营养物质不足导致细胞壁次生加厚，最终发育而成。图1展示了梨石细胞由薄壁细胞发育为石细胞的过程：木质素以苯丙烷途径为主要途径合成，并在积累后沉积在薄壁细胞的细胞壁上，使细胞壁逐渐加厚形成次生壁；此外，在细胞壁加厚的同时，单个细胞聚簇在一起，原生质逐渐消失，最终形成实心石细胞团。在梨的发育过程中，石细胞在梨树开花后20 d左右开始分化，随后伴随花瓣脱落在薄壁细胞中有个别细胞的细胞壁变厚，形成厚壁细胞，即石细胞团的原基细胞。以原基细胞为中心，周围的薄壁细胞细胞壁继续加厚，出现厚壁细胞聚簇现象。然后成团的厚壁细胞木质化，原生质消失，形成石细胞团，通常在落花后15 d开始出现大量石细胞团。石细胞在果肉的深部区域先发生，然后逐渐向外扩散。石细胞团周围果肉细胞呈椭圆形增长，在果实生长发育中后期，石细胞团逐渐解体、体积变小，果肉细胞持续增长直至成熟期。成熟期时，石细胞团持续解体，果肉细胞壁厚度显著降低；在盛花后期阶段，石细胞团趋于变小。田路明等研究发现，石细胞团发育快慢受成熟期影响，早熟品种发育快，中晚熟品种则发育较慢。石细胞含量由于梨品种不同而有些许差异，但在发育时总体上呈现先上升后下降的趋势。此外，有研究发现，使用氯化钙（CaCl2）和硼酸处理后梨石细胞含量也呈现先上升后下降的趋势。

　　1.2 石细胞对梨质构的影响

　　在成熟梨果实中，石细胞主要分布于果心和果皮处，果肉中石细胞含量较少。梨石细胞与梨果实品质密切相关，是判断果实品质的重要指标。有研究表明，石细胞（团）数量对梨果实中果糖、山梨醇和葡萄糖含量影响并不显著，但与蔗糖含量呈显著负相关。此外还有报道推测，梨石细胞的细胞壁会影响压榨果汁成分组成，如会影响糖、酸和VC含量，从而影响果汁质量和耐贮藏性。石细胞含量高会使梨果实相对较小、硬度较大，可溶性固形物含量相比石细胞少的果实也有所降低。由此可见，石细胞含量过高不仅造成鲜梨果实品质劣变，还会对加工的产品产生一定影响。

　　石细胞含量越多，果肉越粗糙、口感越差，田路明等分析319 个品种梨石细胞团，发现梨果肉质地的粗糙程度与石细胞团含量总体呈正相关。除石细胞含量，石细胞团直径对质地特性也有较大影响，在对石细胞团直径的研究中发现，直径大于250 μm的石细胞团含量是影响梨果肉质地的重要因素，因此将直径大于250 μm的石细胞团含量作为评价梨果肉质地的指标。不同品种间石细胞的聚合力不同，石细胞团含量也存在差异。Li Na等研究表明，与黄梨、巴特利特梨相比，丹山梨的石细胞密度、直径和径向分布较大，导致丹山梨果肉质地粗糙。

　　石细胞含量和形态除影响果肉质地外，与果皮和果肉的色泽也有一定关联。李含芬等对比硬化症梨果实与正常梨果实颜色差异，发现病果颜色发黄，正常果则偏绿，特别在果顶部差异最为明显。周金鑫通过对比‘二十世纪’和‘金二十世纪’梨果皮色泽差异，发现二者石细胞含量变化趋势相同，但由于‘二十世纪’梨的石细胞含量与木质素含量均高于‘金二十世纪’梨，因此认为除了叶绿素影响外，2 种梨的果皮表面木栓化程度也是影响果皮色泽差异的原因之一。

　　梨的硬化症，即果肉硬化症、果顶硬化症、石梨症等，严重影响梨果实口感、耐贮藏性和商业价值。李文慧发现，库尔勒香梨粗皮果的木质素含量和石细胞含量显著高于正常果，并认为石细胞团裂解程度和裂解时间在一定程度上会影响石细胞含量和果皮厚度；同时，成熟期果肉薄壁细胞壁持续增厚也导致果肉粗糙程度增加。李含芬等也发现，在果肉硬化症‘黄金梨’的果实发病部位，石细胞含量远高于正常果，且发病部位果肉硬度大、糖分含量低，导致果实品质严重下降。而粗皮果石细胞团直径、密度和含量均较正常果高，可溶性固形物含量较低，说明粗皮果的果实品质较差。

　　2 梨石细胞形成影响因素

　　2.1 内部因素对梨石细胞形成的影响

　　2.1.1 基因的影响

　　与梨石细胞形成相关的基因可以正向或反向调控与石细胞形成相关酶类，进而影响梨果实的石细胞含量，因此，对梨石细胞相关基因的研究不仅能够更加深入认识梨石细胞形成机制，还能够启发研究人员有效地探索调节梨果实中石细胞含量与分布的方法。从当前研究趋势来看，对梨石细胞形成发育及木质素合成的相关基因调控的研究已经获得重要进展。

　　不同家族基因对石细胞的影响部分研究结果如表1所示。木质素合成途径以苯丙烷途径为主，但其具有众多其他支路，因此，其内在基因调控的路径复杂，需要进一步探究。Qi Kaijie等结合梨石细胞生理变化结果和转录组数据确定PbrCAD1、PbrCAD20、PbrCAD27和PbrCAD31等基因有可能参与梨果实中木质素合成的调控，但还需要进一步实验确认。

　　影响梨石细胞的基因繁多，需要进一步梳理统计，以便学者们进行研究。2023年，Wang Peng等构建了梨的基因组谱图。他们对花粉管生长等相关农艺性状的关键基因进行探索，并重建木质素合成的调控网络，同时指出此调控网络的核心因子为受体样激酶。此外，在线数据库PearEXP（http://www.peardb.org.cn）的构建可帮助获取梨的蛋白质基因组资源，将为木本植物蛋白质基因组学的深入研究提供范例。

　　2.1.2 酶类的影响

　　梨石细胞是一种短石细胞，由薄壁细胞沉积木质素和纤维素形成次生增厚细胞壁，其形成主要分2个阶段：首先是具有较厚次生细胞壁的短囊状细胞的形成；其次是在木质素、纤维素合成过程有许多关键酶参与调控的木质化。

　　木质素合成途径中的核心酶主要包括CAD、POD、PAL、4-香豆酸:辅酶A连接酶（4CL）等，CAD依赖于还原型辅酶II（NADPH）催化分解还原肉桂醛及其衍生物，将木质素前体和木质素类物质转化成木质素单体。POD是木质素合成过程中的主要酶，会影响组织木质化。PAL是苯丙氨酸途径的初始酶，也是木质素合成代谢的关键酶之一。在木质化前期，为实现木质素大量积累、促进木质素沉积，2 种酶的活性较高。

　　肉桂酰辅酶A还原酶催化肉桂酰辅酶A转化为相应的肉桂醛。作为木质素特异途径的限速酶，参与将松柏醇、香豆醇及芥子醇催化合成3 种对应的木质素，即愈创木基木质素（G木质素）、对-羟基苯基木质素（H木质素）及紫丁香基木质素（S木质素）。

　　CAD在木质素合成的最后一步参与反应，能通过催化羟基肉桂醛还原为相应的醇类，调节木质素单体合成，因此，其活性是影响木质素含量和单体组成的关键因素之一。对砀山酥梨果实愈伤组织使用不同浓度钙处理，发现CAD活性持续下降，经0.50% CaCl2处理的田间果实中的CAD活性被显著抑制。

　　4CL是连接苯丙烷途径各分支的枢纽，催化形成的对-香豆酸辅酶A是一种重要底物，可在多种酶的催化下进入苯丙烷代谢途径。Xie Pengdong等的研究中使用壳聚糖处理激活了4CL和CAD，促进了芥子醛、松柏醇和肉桂醇合成，从而加速木质素积累。在关于拟南芥的研究中发现，4CL1基因缺失会导致木质素含量减少，但无生长缺陷；At4CL1/4CL2和4CL1/4CL2/4CL3的突变体都出现矮化现象，但木质素含量没有发生变化。

　　咖啡酰莽草酸酯酶（CSE）将咖啡酰莽草酸转化为咖啡酸，被认为是木质素产生的重要调节因子之一。CSE可以绕过羟基肉桂酰辅酶A，与4CL协同生成咖啡基辅酶A，从而合成G木质素和S木质素单分子醇。此外，CSE基因在梨及拟南芥中的过表达会增加木质素积累。而CSE表达下调导致木质素含量降低，敲除CSE基因可减弱木质素沉积。

　　咖啡酰辅酶A 氧甲基转移酶（CCoAOMT）是植物木质素合成中的关键酶，Zhang Xiaoshuang等从蕨类植物中分离出2 个编码CCoAOMT的基因，其在拟南芥中的组成性表达提高了植物木质素含量，表明2种基因均参与木质素合成。CCoAOMT能催化咖啡酰辅酶A生成阿魏酰辅酶A，这是合成G木质素和S木质素单体的必要步骤。CCoAOMT基因可使G木质素和S木质素水平降低，同时G木质素较S木质素减少更为显著，因此使S/G木质素有所上升。

　　NADPH 氧化酶又名呼吸爆发氧化酶同源物（RBOH），能够产生ROS，而ROS与木质素沉积及石细胞形成关系密切。然而，RBOH在细胞壁木质化中的作用尚不清楚。Wang Xiaoqian等研究发现，PuRBOHF在石细胞中的时期特异性表达高于其他组织细胞，并且通过诱导胞外氧产生，促进过氧化氢（H2O2）转化，从而诱导PuPOD2和PuLAC2转录，促进木质素产生，是梨果实中单木质素聚合和石细胞形成的必要条件。

　　2.1.3 木质素的影响

　　木质素主要存在于植物细胞壁中，在植物体中起到提供机械支撑、营养运输及抵御病虫害的作用。在梨果实中，木质素是形成石细胞的主要物质，木质素的沉积会促使石细胞形成，不利于果实食用品质及营养价值。

　　木质素是由香豆醇、松柏醇和芥子醇3 种主要的苯丙烷单体（结构式如图2所示）构成的聚合物。植物木质素形成则是一种复杂的植物新陈代谢反应，包括维管束发育和植物胁迫等信号物质形成的反应，由苯丙氨酸起源，先经过各种复杂化学反应得到单一物质，再进行氧化与聚合反应得到植物木质素。

　　当前木质素的合成途径主要有3 种，包括苯丙烷途径、羟基肉桂酰辅酶A-硫酯中间体合成途径和木质素特异合成途径。苯丙烷途径是植物生存所必需的，在干旱、重金属、盐碱、极端温度及紫外线辐射等非生物胁迫因子刺激下被激活，主要是将苯丙氨酸转化为对香豆酰辅酶A，作为多种分支途径的前体物质。羟基肉桂酰辅酶A-硫酯中间体合成途径可以将各种羟基肉桂酸通过4CL催化形成对应的羟基肉桂酰辅酶A-硫酯。木质素特异合成途径则可将不同的羟基肉桂酰辅酶A-硫酯转化为相应的羟基肉桂醇，即木质素单体。

　　木质素在生物体内合成受基因和环境调控。木质素合成后在特定的细胞生长完成、细胞次生壁加厚的时期发生沉积，而后木质素在植物组织（主要为导管细胞壁和维管束间的纤维细胞壁）中沉积，这一过程即为木质化过程。随着果实生长发育，石细胞含量、木质素含量、木质素代谢过程中相关酶活性之间存在时序性和一致性，且趋势均为先升高后下降。成熟石细胞含有20%～30%木质素，其形成与木质素合成、转移和氧化过程密切相关。

　　2.1.4 维管束的影响

　　维管束周围能为石细胞形成提供更多糖、蛋白质、维生素等资源，因此，一些草本植物的石细胞主要分布在维管束附近。目前也有研究发现梨石细胞也在维管束附近分布，尤其是在梨果核的维管束周围。Gong Xin等通过多组学分析发现，基因转录、蛋白质丰度和代谢物积累的变化调节果核附近石细胞的形成。果核附近分布着许多维管束，这些维管束可能为木质素和石细胞的形成提供次生代谢产物。

　　任丹丹等研究发现，所有靠近果心的石细胞都和果心外围的维管束相连，单个石细胞有3～8 条维管束相连，而石细胞团周围有数量不同的维管束相连。从解剖结构观察中进一步发现，香梨维管束发育时期维管束结构一直保持完整，且果实石细胞与维管束之间存在一定联系，二者之间产生联系的原因可能是维管束与石细胞存在一定连接，维管束的营养物质运输或生理代谢影响果实石细胞形成。

　　2 外因素梨细胞形成的影响

　　2.2 外源因素对梨石细胞形成的影响

　　2.2.1 外源钙的影响

　　为减少病虫害或预防一些果实病害、改善果实品质，许多研究人员会在采摘前后使用化学药物对果树或果实进行处理。研究表明，钙可以通过调控木质素单体合成影响石细胞产生。张伟等于花后不同时期对南果梨喷施不同含量的CaCl2和糖醇螯合钙溶液，发现不同含量CaCl2处理对南果梨果实品质及石细胞含量均有不同程度调节作用。其中，盛花期后20 d喷施5.0 g/L CaCl2处理可显著增加南果梨单果质量和横纵径、提高果实总钙含量，同时有效降低石细胞含量，综合效果较好。

　　2.2.2 外源激素的影响

　　褪黑素是一类吲哚类化合物，在植物中广泛存在。Li Shenge等使用0.1 mmol/L褪黑素对番茄进行处理，发现褪黑素能诱导ROS爆发，同时提高PAL、4CL和POD活性，通过调控苯丙素途径提高番茄的总酚、黄酮类化合物及木质素含量。张倩发现，在大蕾期喷洒100 mg/L植物TIBA可显著降低库尔勒香梨果实萼洼处石细胞和木质素含量，同时，PAL、POD和CAD酶活性总体呈下降趋势。染色后观察石细胞分布发现，与吲哚乙酸（IAA）处理相比，TIBA处理虽然总体石细胞数量趋势没有变化，但石细胞分布更加分散，同时染色面积随时间延长而减少。

　　2.2.3 环境胁迫的影响

　　ROS主要包括氧的部分还原或活化衍生物，如单线态氧（

O2）、超氧阴离子自由基（O

·）、H2O2、羟自由基、烷氧自由基等，对植物生长发育有双重影响。ROS水平较低时，ROS作为信号分子会参与调节植物生长、发育，并在一定程度上有助于植物抵御非生物胁迫；而当ROS不断积累，到达一定浓度，ROS则会产生毒性，破坏植物细胞。

　　冷害、干旱、营养缺乏等环境胁迫因子出现都可促进ROS产生，使植物细胞氧化还原状态紊乱，甚至细胞死亡。ROS会与磷脂、膜受体蛋白发生脂质过氧化反应，严重破坏膜系统的完整性和流动性，导致细胞内含物外渗。Guo Jian等也发现，灌浆期低温导致玉米中丙二醛（MDA）和ROS积累、具有ROS清除作用的酶（过氧化物酶等）活性降低，最终导致玉米减产。

　　ROS在木质素合成及沉积过程中起关键作用，并能触发细胞程序性死亡。艾沙江·买买提等发现，在石细胞形成过程中，香梨果肉ROS含量升高，猜测香梨果实发育早期果肉细胞内ROS的积累导致细胞原有的氧化还原状态失衡，部分果肉细胞生长受限制，提前停止生长，这些细胞通过次生壁加厚分化为厚壁细胞，因此推测石细胞形成过程可能是一个ROS诱导的细胞程序性死亡过程，但其机制尚不清晰。

　　2.2.4 光照的影响

　　光作为重要的环境因子之一，不仅作为能量来源，而且作为信号诱导，影响植物生长发育的许多方面，包括木质素生物合成。此外，PAL是木质素生物合成途径中的第1个酶，在紫外线和蓝光照射下均可促进其表达。Wang Qi等以梨果肉愈伤组织为材料，通过不同波长的光处理，探讨光对石细胞木质素生物合成的可能调控途径，最终发现蓝光对梨愈伤组织木质化有正向调节作用。蓝光诱导木质素合成相关基因的表达，并在梨中鉴定出4 个蓝光受体隐花色素（CRYs）。研究表明，CRYs在石细胞形成中起着至关重要的作用。PbCRY1a可以作为木质素沉积的上游信号，通过调节下游基因的表达促进木质素化。此外，PbMYB103（Pbr038701.2）和PbNAC83（Pbr001259.1）可能是调控蓝光诱导木质素生物合成的关键转录枢纽。将果实进行套袋处理，不同颜色滤光膜会使内部光质组成、光照强度、温度及湿度产生差异，致使果实品质有所不同。赵菁等研究不同种植密度、不同结果部位对库尔勒香梨果实品质的影响。结果发现，由于光照影响，稀植果实可获得更充足光照，而密植果实获得光照不均。二者相比，稀植果实单果质量、可溶性固形物、可溶性糖及石细胞含量均更大。

　　2.2.5 授粉方式的影响

　　除套袋和光照因素对石细胞形成可产生影响，树形、授粉等也可使梨果实中石细胞含量、分布、密度等存在一定差异。梨是一种自交不亲和性果树，大部分梨品种自花授粉不结果或坐果率极低，并存在异花授粉不亲和现象，需人工授粉或配置授粉树。以不同品种为父本对梨授粉，所结果实大小、外形、糖酸含量、石细胞含量存在一定差异。杨君祎使用8 个不同品种梨分别对砀山酥梨授粉，发现其石细胞情况与木质素合成相关酶基因在不同生长时期的表达情况各有不同。

　　3结论

　　梨果肉中的石细胞能够提高果实硬度与耐贮藏性，但当石细胞含量过多、直径较大，会使梨果实硬度过高、口感粗糙、适口性差；同时石细胞不利于梨中糖、酸及维生素等营养物质积累。因此梨石细胞过度积累会造成食用价值降低甚至丧失。

　　梨石细胞的形成和发展过程复杂，影响梨石细胞形成的因素很多。目前研究主要集中于酶、木质素、基因及外源处理等对梨石细胞形成的影响，并且已经取得一定成果。梨石细胞形成过程中不仅有众多中间产物合成并参与调控，还涉及梨细胞内POD、PAL、CSE、CAD、CCoAOMT等多种酶与内源激素的参与。然而，国内外对影响梨石细胞形成因素的研究仍相对较少，仍需要从关键物质的代谢途径、基因表达等多角度多方面结合对石细胞形成及其内、外界影响因素机制进行深入研究，从而实现对果实品质的调控，提高经济效益。

　　本文《梨石细胞形成的控制因素及对果实质构的影响研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷7期340-347页. 作者：王娅，曹雪慧，年蕊，尤开艳，朱丹实. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230816-107.