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

番茄果实成熟期间的缺氧：通过三维反应扩散模型进行生物物理学解析  

来源：Plant Physiology  

植物生理学  

 

摘要内容  

 

摘要指出番茄果实成熟过程中，呼吸作用为生理变化提供能量，而氧气通过被动扩散进入果实内部。由于果实体积大且组织致密，氧气梯度可能导致局部缺氧，影响成熟的空间分布。研究通过结合磁共振成像（MRI）和微计算机断层扫描（micro-CT）生成的多尺度几何结构，建立了三维反应扩散模型，预测番茄果实内部的氧气和二氧化碳分布。模型显示，在常压下，柱状组织（locular tissue）处于缺氧状态，缺氧由组织扩散阻力和呼吸速率共同导致。验证实验通过微传感器测量证实了模型的准确性。  

研究目的  

 

研究旨在揭示番茄果实成熟期间内部气体梯度形成的生物物理机制，特别是组织特异性扩散阻力和呼吸速率对氧气分布的影响，验证缺氧的存在及其成因。  

研究思路  

 

通过MRI获取番茄果实不同成熟阶段的三维几何结构；  

 

测定完整果实和不同组织的呼吸速率（基于氧气消耗和二氧化碳生成）；  

 

建立三维反应扩散模型，结合组织特异性扩散系数和呼吸动力学参数；  

 

使用微传感器测量内部氧气分布，验证模型预测结果。  

测量数据及意义  

 

完整果实的呼吸速率（图1）：测量了不同成熟阶段（绿熟、橙熟、红熟）在不同外部氧气浓度下的氧气消耗和二氧化碳生成速率。意义：揭示呼吸速率的阶段性变化及其对缺氧的敏感性。  

 

 

组织特异性呼吸速率（图2）：测定不同组织（中果皮、隔膜、胎盘、柱状组织等）的氧气消耗速率。意义：显示不同组织的代谢活性差异，为模型参数提供依据。  

 

 

MRI和micro-CT成像数据（图3、7）：获取果实三维结构和组织孔隙度。意义：构建几何模型并量化扩散阻力。  

 

 

 

微传感器氧气分布数据（图6）：测量疤痕未阻塞和阻塞后果实内部的氧气浓度梯度。

 

意义：验证模型预测的准确性，确认疤痕作为主要氧气通道的作用。  

结论  

 

番茄果实的柱状组织在常压下处于缺氧状态，缺氧由高扩散阻力和呼吸速率共同导致。  

 

疤痕是氧气进入果实的主要通道，阻塞后内部氧气浓度显著下降（接近0 kPa）。  

 

缺氧可能通过影响乙烯生物合成和能量供应，调控局部成熟过程。  

丹麦Unisense电极测量数据的研究意义  

 

使用Unisense微传感器直接测量了番茄果实内部的氧气浓度分布（图6）。

研究意义包括：  

验证模型预测：测量数据与模型模拟的氧气梯度高度吻合，证实模型能准确描述果实内部气体环境。  

 

定位缺氧区域：发现柱状组织中心氧气浓度低至1 kPa，而周围组织（如隔膜、胎盘）仍保持较高氧气水平（约15 kPa），明确了缺氧的局部性。  

 

疤痕功能解析：通过阻塞疤痕的实验，发现氧气浓度整体降至近零，证明疤痕是氧气输入的主要通道，为采后保鲜技术（如控制疤痕渗透性）提供理论依据。  

 

生理机制关联：缺氧区域的高二氧化碳积累（由发酵呼吸产生）与乙醇合成相关基因表达一致，支持缺氧可能通过调控代谢途径影响成熟进程的假设。