新鲜水果和蔬菜是人类必需营养素和天然色素的关键来源，对健康至关重要。然而，低温胁迫是影响植物生长发育的主要非生物胁迫因子。在生长阶段暴露于低温会显著降低果实产量和品质。此外，采后处理、包括运输、零售和贮藏，会加速果蔬的衰老和腐败，造成巨大的经济损失。尽管冷藏能有效降低呼吸速率并延长货架期，但若应用不当，会导致冷敏果蔬发生冷害，进一步加剧商业损失。
冷害与耐冷性的生理基础
冷害是采后果蔬暴露在冰点以上、但低于其安全阈值的低温环境中时发生的一种生理失调。其宏观症状因果蔬种类而异，例如李、香蕉和猕猴桃可能表现果皮褐变，而桃、梨和荔枝可能表现果肉褐变。微观变化包括叶绿体解体、线粒体膜损伤以及淀粉粒和核糖体减少。一个被广泛接受的理论是“膜脂相变”理论，该理论认为冷害源于细胞膜的损伤，随后的生理生化变化是次级效应。低温下，膜脂从液晶态转变为凝胶态，导致膜流动性降低、通透性增加、电解质渗漏，并破坏膜结合活性氧（ROS）清除酶的活性。
低温胁迫还会深刻破坏包括叶绿素合成和光合作用在内的生理过程。它会降低光合效率（Fv/Fm），同时植物呼吸速率降低限制了碳供应，进一步抑制光合作用。线粒体作为能量产生和呼吸的关键场所，其膜在低温胁迫下也会发生相变，破坏膜结构和功能，降低维持呼吸和能量代谢平衡的酶活性，导致果蔬组织内能量水平下降，加剧冷害。
“ROS假说”认为，低温通过增加氧化损伤诱导果蔬组织的生理紊乱。ROS的过度积累会触发脂质过氧化，产生丙二醛（MDA）等细胞毒性化合物，破坏膜结构和功能。
果蔬耐冷性的分子机制
在探究了冷害的生理基础后，研究转向了其背后的分子调控机制。低温感知始于植物细胞膜，触发钙离子（Ca2+）等第二信使的快速流入。这些信号通过丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联等途径传导，最终汇聚于ICE1-CBF（Inducer of CBF Expression 1-C-repeat Binding Factor）等核心转录模块。该调控模块协调数百个冷调节（COR）基因的重编程，驱动转录反应，从而在生理和生化水平上建立耐冷性，并受到各种翻译后修饰（PTMs）的精细调控。
在拟南芥中，冷信号传导的分子基础已被深入研究。主要假说认为，植物冷信号的感知和转导始于膜流动性降低和细胞骨架变化。这导致胞质游离Ca2+浓度（[Ca2+]cyt）升高。钙随后通过涉及钙调磷酸酶B样蛋白（CBLs）、Ca2+依赖蛋白激酶（CPKs/CDPKs）和CBL互作蛋白激酶（CIPKs）的途径，经由ICE-CBF/DREB转录因子途径进入细胞核。钙内流还激活质膜上的钙/钙调素调节受体样胞质激酶1和2（CRLK1和CRLK2）。这些激酶启动MEKK1-MKK2-MPK4级联，该级联拮抗MKK4/5-MPK3/6通路并激活ICE1，进而诱导CBF基因表达。此外，低温响应蛋白激酶1（CRPK1）被未知的受体样激酶（RLKs）磷酸化，进而磷酸化14-3-3蛋白，促使其从细胞质易位至细胞核。磷酸化的14-3-3蛋白与CBFs相互作用，通过26S蛋白酶体途径促进其降解。
钙调蛋白（CaM）是一种在真核生物中高度保守的小型酸性蛋白，与Ca2+具有高亲和力。Ca2+的结合诱导CaM构象变化，使其能够激活下游信号组分。在Ca2+结合状态下，CaM与各种转录因子相互作用并调节其活性。其中，钙调蛋白结合转录激活因子（CAMTAs）是关键的一类Ca2+/CaM依赖性转录因子。研究表明，CAMTAs结合拟南芥中CBF启动子内的调控元件，在转导冷诱导的胞质钙信号和启动下游调控反应中发挥直接作用。
ICE-CBF-COR级联是介导植物冷信号转导的特征最明确的通路。ICE蛋白通过靶向其启动子区域的MYC顺式元件激活CBF基因的转录。在冷胁迫下，积累的CBF蛋白直接结合COR启动子中的C-重复/脱水响应元件（CRT/DRE），激活其转录，从而增强植物的耐冷性。尽管ICE-CBF-COR通路是冷信号研究中最为深入的，但CBFs的贡献仅占整个COR基因调控网络的10-20%。除了CBF依赖途径外，CBF非依赖途径在植物冷响应中也起着关键作用。
在冷胁迫期间，PTMs在调控ICE-CBF信号级联中起着关键作用。ICE基因经历磷酸化、泛素化和SUMO化，这些修饰影响其稳定性和与下游基因的结合效率。例如，E3泛素连接酶HOS1通过26S蛋白酶体途径介导ICE1的降解。OST1是SNF1相关蛋白激酶家族的成员，它与ICE1相互作用，通过拮抗HOS1介导的ICE1磷酸化来增强其转录活性和稳定性。GSK3样激酶BIN2也与ICE1相互作用，磷酸化ICE1以促进其与HOS1的相互作用，从而促进ICE1降解。MPK3/6对ICE1的磷酸化进一步使其蛋白不稳定。SUMO E3连接酶SIZ1介导ICE1的SUMO化，减少其与HOS1的相互作用，减轻ICE1的泛素化。总之，在冷胁迫下，HOS1、BIN2和MPK3/6促进ICE1降解，而OST1和SIZ1有助于其稳定。此外，CBF也经历磷酸化，例如OST1磷酸化基本转录因子3（BTF3），从而抑制CBF的泛素化和随后的降解。
果蔬冷害研究进展
基于拟南芥的研究为阐明植物耐冷性的分子机制奠定了重要基础。随后的研究扩展到多种果蔬作物，揭示了一个更为复杂和多样的调控格局。植物冷胁迫响应基因大致可分为两类：调节蛋白，如蛋白激酶、磷酸酶和转录因子，它们调节下游信号级联并激活胁迫响应基因；功能蛋白，包括小分子渗透调节物质（如脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖）、保护酶（如超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、过氧化物酶POD）和热激蛋白（HSPs）。这些蛋白通过维持细胞膨压、清除ROS和保护细胞内生物大分子结构来直接减轻冷胁迫。
研究表明，植物对低温胁迫响应的调控机制在不同物种间既存在显著的保守性，也有明显的物种特异性。一个关键的保守元件是CBF转录因子家族，它是耐冷性的核心正调控因子。其他保守的转录因子家族还包括WRKY、NAC、bHLH和MYB。激素信号通路也在冷响应中发挥核心作用，形成复杂的调控网络。例如，茉莉酸（JA）信号通路通过苹果中的MdMYC2、山葡萄中的VaMYC2和番茄中的SlMYC2等转录因子参与获得耐冷性。
相比之下，一些物种也进化出了独特的调控模块，独立于经典的ICE-CBF通路发挥作用，例如萝卜中的RsERF40和番茄中的SlGRAS4。耐冷性基因的表达也表现出组织特异性。例如，番茄中的SlCYP90B3主要在果实中增强耐冷性并减轻采后损伤，而苹果中的MdNAC029则调控整株植物的抗寒性。
果蔬抗冷害的生理机制
为应对低温信号，植物激活了一个涉及多个协调生理过程的复杂防御系统。这些适应性改变包括结构变化（如质膜组成改变和细胞骨架重组）以及分子调整（如冷响应基因的激活和蛋白表达的调控）。为应对胁迫，植物通过产生ROS清除剂来增强其抗氧化防御机制，同时产生如游离氨基酸、脯氨酸和甜菜碱等渗透调节物质以调节渗透压。激素水平的系统性改变进一步协调了这种响应。
关于抗氧化防御系统，在正常条件下，植物细胞中ROS的产生和清除通常处于平衡状态，防止细胞损伤。然而，当低温胁迫破坏这种平衡时，冷敏果蔬中会发生氧化应激和ROS积累。植物已发展出一套复杂的抗氧化防御系统以维持ROS稳态并减轻氧化应激。该系统由酶促和非酶促组分构成。关键的酶促组分包括SOD、CAT、POD、单脱氢抗坏血酸还原酶（MDAR）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）和谷胱甘肽还原酶（GR）。非酶促系统包括谷胱甘肽（GSH）、抗坏血酸（AsA）、生育酚、类黄酮和类胡萝卜素。
渗透溶质（如可溶性糖（蔗糖、海藻糖等）、糖醇和低分子量含氮化合物（如脯氨酸、甜菜碱））的积累是某些植物增强耐冷性的关键策略。
作为关键的信号分子，植物激素在调节生长和介导胁迫适应（包括耐冷性）方面起着至关重要的作用。它们对耐冷性的影响（可以是正面的或负面的）通过CBF依赖和CBF非依赖途径实现。
脱落酸（ABA）是植物在各种胁迫下恢复力的主要植物激素。ABA通过双重机制增强植物抗寒性：低温响应下内源ABA的快速积累，以及外源ABA施用诱导的大量胁迫响应基因的表达。OST1是ABA信号通路中的一种Ser/Thr蛋白激酶，被冷胁迫激活，有助于提高拟南芥的耐冻性。OST1通过磷酸化ICE1并拮抗HOS1的作用来促进ICE1的转录活性和稳定性。此外，OST1磷酸化BTF3，磷酸化的BTF3抑制CBF的泛素化和随后的降解。细胞分裂素受体AHK2和AHK3以及A型拟南芥响应调节因子（ARRs）通过抑制ABA响应来调节冷胁迫信号。ABA也调节其他物种的冷胁迫响应。
茉莉酸（JA）在广泛的植物生理过程中起关键作用，包括根毛形成、叶片衰老、花青素积累以及对各种胁迫的响应。为应对冷胁迫，茉莉酸生物合成基因的上调增强了内源JA的产生。茉莉酸甲酯（MeJA）已被证明能增强多种果蔬物种的耐冷性，包括番茄、桃和辣椒，其机制涉及激活抗氧化防御系统、调节渗透物质积累以及调控关键转录因子如MYC2。
