香蕉果实采后软化进程中阿拉伯半乳聚糖精确结构解析与降解机制

Banana is an important fruit over the world. It is easy to soften during postharvest storage. Structure degradation of cell wall polysaccharides plays an important role in the postharvest softening of banana. By investigation of structure degradation of polysaccharides, analyses of gene information and catalytic properties of glycosidases involved, the mechanism of polysaccharide degradation will be revealed. However, the precise chemical structure information of banana polysaccharides and the biological degradation mechanism are two important issues remained unknown. In our previous study, abundant arabinogalactans have been found in banana fruit, and its degradation is highly related to softening. In this project, we will purify and identify the precise structure of arabinogalactan. The precise structure change during softening will be investigated to reveal the degradation details. The glycosidase genes involved in arabinogalactan degradation will be identified, and their catalytic functions will be analysed. The results can give the precise structure of arabinogalactan, and can help explaining the softening mechanism of banana during postharvest storage.

香蕉是世界上重要的水果资源，采后短时间内快速软化，严重影响贮运寿命。前人研究表明，细胞壁多糖化学结构降解与香蕉果实采后软化密切相关，因此，解析多糖化学结构降解内在规律与发生机制可揭示香蕉采后软化现象的化学与生物学基础。我们的前期研究工作发现香蕉富含阿拉伯半乳聚糖，其化学结构随软化进程发生显著降解。本项目将以该多糖为研究对象，纯化并鉴定其精确化学结构，包括单糖组成、主支链结构、空间构型、分子量等，绘制化学结构式；研究香蕉采后软化进程中阿拉伯半乳聚糖的精确结构变化，揭示内在降解规律；同时鉴定参与降解的糖苷酶基因，验证催化功能与催化机制，揭示阿拉伯半乳聚糖化学结构的降解机制。本项目研究结果将有助于明确香蕉多糖类物质的化学结构，揭示香蕉多糖的降解机制，同时丰富果蔬采后生物学基础理论。

香蕉采后易发生快速软化变质，严重影响商品品质。阿拉伯半乳聚糖是香蕉中的重要多糖组分，其降解进程与香蕉软化高度相关。揭示香蕉阿拉伯半乳聚糖精确结构、降解机制有助于阐明香蕉采后品质劣变机制。本项目采用柱色谱技术纯化了香蕉阿拉伯半乳聚糖，单糖组成包括Ara、Gal、GlcA。Ara以3种糖苷键形式存在，分别为→3)-Ara-(1→、→5)-Ara-(1→、非还原末端Ara-(1→。Gal以两种糖苷键形式存在，分别为→3,6)-Gal-(1→、非还原末端Gal-(1→。GlcA仅以非还原端GlcA-(1→形式存在。经多重二维核磁共振波谱分析，我们鉴定了阿拉伯半乳聚糖的精确结构，主链由β-D-(1→6)-半乳聚糖构成，分支链由α-D-Galp-(1→3)-α-L-Araf-(1→、α-L-Araf-(1→5)-L-Araf-(1→、β-D-GlcpA-(1→、α-L-Araf-(1→交替构成，连到主链的C3位。具体精确结构请看正文结果部分。由于阿拉伯半乳聚糖的NMR信号强度与香蕉软化参数高度相关，因此阿拉伯半乳聚糖可以作为香蕉果实软化的标志性物质。鉴定了阿拉伯半乳聚糖降解的关键酶基因MaGAL3、MaARA2。MaGAL3能够识别并催化断裂β-（1→6）-D-半乳聚糖主链，实现主链的降解与半乳糖的释放。MaARA2能够识别位于阿拉伯半乳聚糖分支链上的非还原末端阿拉伯糖残基、1,5连接的阿拉伯糖残基，实现阿拉伯二聚糖分支链的降解。MaGAL3以二聚体形式存在，氨基酸A33～S356构成了催化区域，通过α螺旋与β折叠交替组成，形成桶装空间结构，用于结合底物并发生催化反应。E260作为亲核试剂攻击C1，E191作为酸/碱催化剂攻击糖苷键上的O原子，导致糖底物C1-O之间的糖苷键断裂，O结合E191羧基上的H生成游离糖，同时E191呈现为COO-状态，E260的羧基O与C1形成共价键。然后水分子分解，OH连接到糖底物C1上，E260恢复初始结构，H连接到E191羧基恢复初始结构。MaARA2以三聚体形式存在，催化机制与MaGAL3类似。