Hypoxia in tomato(Solanum lycopersicum) fruit during ripening: Biophysical elucidation by a 3D reaction-diffusion model  

番茄果實(shí)成熟期間的缺氧：通過三維反應(yīng)擴(kuò)散模型進(jìn)行生物物理學(xué)解析  

來源：Plant Physiology  

植物生理學(xué)  

 

摘要內(nèi)容  

 

摘要指出番茄果實(shí)成熟過程中，呼吸作用為生理變化提供能量，而氧氣通過被動擴(kuò)散進(jìn)入果實(shí)內(nèi)部。由于果實(shí)體積大且組織致密，氧氣梯度可能導(dǎo)致局部缺氧，影響成熟的空間分布。研究通過結(jié)合磁共振成像（MRI）和微計算機(jī)斷層掃描（micro-CT）生成的多尺度幾何結(jié)構(gòu)，建立了三維反應(yīng)擴(kuò)散模型，預(yù)測番茄果實(shí)內(nèi)部的氧氣和二氧化碳分布。模型顯示，在常壓下，柱狀組織（locular tissue）處于缺氧狀態(tài)，缺氧由組織擴(kuò)散阻力和呼吸速率共同導(dǎo)致。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)通過微傳感器測量證實(shí)了模型的準(zhǔn)確性。  

研究目的  

 

研究旨在揭示番茄果實(shí)成熟期間內(nèi)部氣體梯度形成的生物物理機(jī)制，特別是組織特異性擴(kuò)散阻力和呼吸速率對氧氣分布的影響，驗(yàn)證缺氧的存在及其成因。  

研究思路  

 

通過MRI獲取番茄果實(shí)不同成熟階段的三維幾何結(jié)構(gòu)；  

 

測定完整果實(shí)和不同組織的呼吸速率（基于氧氣消耗和二氧化碳生成）；  

 

建立三維反應(yīng)擴(kuò)散模型，結(jié)合組織特異性擴(kuò)散系數(shù)和呼吸動力學(xué)參數(shù)；  

 

使用微傳感器測量內(nèi)部氧氣分布，驗(yàn)證模型預(yù)測結(jié)果。  

測量數(shù)據(jù)及意義  

 

完整果實(shí)的呼吸速率（圖1）：測量了不同成熟階段（綠熟、橙熟、紅熟）在不同外部氧氣濃度下的氧氣消耗和二氧化碳生成速率。意義：揭示呼吸速率的階段性變化及其對缺氧的敏感性。  

 

 

組織特異性呼吸速率（圖2）：測定不同組織（中果皮、隔膜、胎盤、柱狀組織等）的氧氣消耗速率。意義：顯示不同組織的代謝活性差異，為模型參數(shù)提供依據(jù)。  

 

 

MRI和micro-CT成像數(shù)據(jù)（圖3、7）：獲取果實(shí)三維結(jié)構(gòu)和組織孔隙度。意義：構(gòu)建幾何模型并量化擴(kuò)散阻力。  

 

 

 

微傳感器氧氣分布數(shù)據(jù)（圖6）：測量疤痕未阻塞和阻塞后果實(shí)內(nèi)部的氧氣濃度梯度。

 

意義：驗(yàn)證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，確認(rèn)疤痕作為主要氧氣通道的作用。  

結(jié)論  

 

番茄果實(shí)的柱狀組織在常壓下處于缺氧狀態(tài)，缺氧由高擴(kuò)散阻力和呼吸速率共同導(dǎo)致。  

 

疤痕是氧氣進(jìn)入果實(shí)的主要通道，阻塞后內(nèi)部氧氣濃度顯著下降（接近0 kPa）。  

 

缺氧可能通過影響乙烯生物合成和能量供應(yīng)，調(diào)控局部成熟過程。  

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

 

使用Unisense微傳感器直接測量了番茄果實(shí)內(nèi)部的氧氣濃度分布（圖6）。

研究意義包括：  

驗(yàn)證模型預(yù)測：測量數(shù)據(jù)與模型模擬的氧氣梯度高度吻合，證實(shí)模型能準(zhǔn)確描述果實(shí)內(nèi)部氣體環(huán)境。  

 

定位缺氧區(qū)域：發(fā)現(xiàn)柱狀組織中心氧氣濃度低至1 kPa，而周圍組織（如隔膜、胎盤）仍保持較高氧氣水平（約15 kPa），明確了缺氧的局部性。  

 

疤痕功能解析：通過阻塞疤痕的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氧氣濃度整體降至近零，證明疤痕是氧氣輸入的主要通道，為采后保鮮技術(shù)（如控制疤痕滲透性）提供理論依據(jù)。  

 

生理機(jī)制關(guān)聯(lián)：缺氧區(qū)域的高二氧化碳積累（由發(fā)酵呼吸產(chǎn)生）與乙醇合成相關(guān)基因表達(dá)一致，支持缺氧可能通過調(diào)控代謝途徑影響成熟進(jìn)程的假設(shè)。