Effects of Gaseous Chlorine Dioxide on Reactive Nitrogen species metabolism of postharvest ‘Daw’ longan fruit in relation to pericarp browning

ผลของก๊าซคลอรีนไดออกไซด์ต่อเมแทบอลิซึมของอนุมูลไนโตรเจน ที่ว่องไวของผลลำไยพันธุ์ดอหลังเก็บเกี่ยวที่สัมพันธ์กับการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาล

Name: Sitthisak Intarasit

ThaSH: Nitrogen

ThaSH: Metabolism

ThaSH: Longan

Abstract: Reactive nitrogen species (RNS) are generated in plant cells either in healthy or senescent cell. Various environmental stresses lead to excessive production of RNS causing progressive nitrosative damage to cellular constituents (nitrosative stress) and senescence or physiological disorders in the higher plant. Pericarp browning, the major postharvest problem of longan (Dimocarpus longan Lour.), have been attributed to excessive production of reactive oxygen species (ROS) causing oxidative damage and ultimately cell death, leading to the reduction in storage life and market value. Previous studies demonstrated that application of gaseous chlorine dioxide (ClO2) inhibit ROS and oxidative stress which reduce pericarp browning of longan after harvesting. However, there was no investigation on the role of ClO2 on RNS metabolism and nitrosative stress associated with the longan pericarp browning. This research demonstrates the effectiveness of ClO2 on RNS generation and nitrosative damage as well as the protective role of ClO2 against pericarp browning of harvested ‘Daw’ longan through antinitrosative defense mechanism during storage at 25±1 °C and 82±5% RH for 7 d. The effects of gaseous ClO2 on RNS generation and the nitrosative stress of ‘Daw’ longan fruit during storage were first examined. Longan fruits were fumigated with ClO2 (0 and 10 mg L-1) for 10 min before being kept in cardboard boxes and stored at 25±1 °C and 82±5 % RH for 7 d. It was revealed that continuously pericarp browning was evident in the control at 6 h and the intensity increased steadily during storage. Browning developed in tandem with a significant rise in RNS levels (nitric oxide, nitrogen dioxide, peroxynitrite and S-nitrosoglutathione) and nitrosative stress (S-nitrosothiol, 3-nitrotyrosine, 8-nitroguanine and nitro fatty acid). Moreover, nitric oxide producing enzyme activities, including nitric oxide synthase and nitrate reductase, increased with a decline in their substrate contents (L-arginine and nitrate) while their products (L-citrulline and nitrite) and pH were also raised during severe pericarp browning. However, ClO2 fumigation reduced the activities of RNS producing enzymes and maintained their substrates for up to 5-6 d of storage. The reduction of these enzyme activities correlated with lower RNS levels, nitrosative stress and pericarp browning, indicating that ClO2 treatment could diminish postharvest browning of ‘Daw' longan pericarp by lowering the activity of the RNS-producing enzyme and causes a reduction in RNS to counteract nitrosative stress. The next experiment was to study the involvement of RNS on ROS, oxidative stress, antioxidant potential and pericarp browning development of harvested ‘Daw’ longan fruit during storage with the aid of exogenous sodium nitroprusside (SNP ; nitric oxide donor) or 2-(4-carboxyphenyl)-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide (cPTIO ; nitric oxide scavenger). Longan fruit were dipped in distilled water (control), SNP (50 and 100 mM) or cPTIO (100 and 500 µM) for 10 min, then stored at 25±1 °C and 82±5 % RH for 7 d. SNP-treated fruit exhibited higher ROS contents (superoxide radical, hydrogen peroxide and hydroxyl radical), oxidative membrane damage (malondialdehyde, protein carbonyl and electrolyte leakage) and pericarp browning (browning index and polyphenol oxidase activity), compared with control fruits. In contrast, exposure to cPTIO attenuated ROS content, oxidative membrane damage and pericarp browning. In addition, the activity of antioxidant enzymes (superoxide dismutase, catalase, ascorbate peroxidase and glutathione peroxidase) and the total antioxidant capacity were reduced after SNP treatment but were increased after treatment with cPTIO, corresponding to the reduction in pericarp browning. The severity of pericarp browning, ROS production, oxidative damage and antioxidant potential depended on SNP or cPTIO concentrations. The experiment clearly demonstrated that exposure to excessive RNS (nitric oxide) resulted in the reduction of antioxidant potential and the increment of ROS accumulation, oxidative damage and pericarp browning of harvested ‘Daw' longan fruit. The effects of ClO2 on antinitrosative defense system of ‘Daw’ longan fruit during storage were then investigated. Longan fruit were fumigated with ClO2 (0 and 10 mg L-1) for 10 min and then stored in cardboard boxes as previously described. The glutathione and thioredoxin pathways were activated in ClO2 treated fruit within 6-24 h of storage, illustrated by the increasing activities and gene expression of thioredoxin reductase, thioredoxin and glutathione reductase, glutathione content and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate redox state 6-24 h after fumigation. The activity of enzymatic RNS scavenger (glutathione peroxidase, S-nitrosoglutathione reductase, glutaredoxin and peroxiredoxin) and accumulation of non-enzymatic RNS scavenger (ascorbic acid, melatonin, phenolic compounds and α-tocopherol) also increased after the fumigation. Moreover, ClO2 fumigation stimulated the activity of nitric oxide and peroxynitrite scavenging. ClO2-induced alteration in the antinitrosative system was highly correlated with pericarp browning reduction. This experiment indicated that ClO2 fumigation triggers antinitrosative systems, with consequent lessening of the pericarp browning of longan fruit. These results indicated that fumigation with ClO2 can regulate RNS metabolism by alleviating RNS production as well as enhancing antinitrosative defense system which leads to a reduction in oxido-nitrosative stress and delay pericarp browning of postharvest ‘Daw' longan fruit during storage at 25±1 °C and 82±5 % RH for 7 d.

Abstract: อนุมูลไนโตรเจนที่ว่องไว (reactive nitrogen species, RNS) ถูกสร้างขึ้นในเซลล์พืชทั้งที่แข็งแรงและเสื่อมตามอายุ การได้รับความเครียดจากสิ่งแวดล้อมต่างๆ ชักนำให้มีการผลิต RNS มากเกินปกติ ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายจากกระบวนการไนโตรเซชันกับองค์ประกอบของเซลล์ (ความเครียดไนโตรเซชัน) เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และเกิดการเสื่อมตามอายุหรือความผิดปกติทางสรีรวิทยาในพืชชั้นสูง การเกิดเปลือกผลสีน้ำตาลเป็นปัญหาหลังการเก็บเกี่ยวที่สำคัญของผลลำไย (Dimocarpus longan Lour.) ที่มีสาเหตุมาจากการผลิตอนุมูลออกซิเจนที่ว่องไว (reactive oxygen species, ROS) มากเกินปกติ จนทำให้เกิดความเครียดออกซิเดชัน และการตายของเซลล์ในที่สุด ส่งผลให้อายุการวางจำหน่ายและมูลค่าการค้าลดลง การศึกษาที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่าการใช้ก๊าซคลอรีนไดออกไซด์ (chlorine dioxide, ClO2) มีผลยับยั้ง ROS และความเครียดออกซิเดชันจนสามารถลดการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาลในผลลำไยหลังการเก็บเกี่ยวได้ อย่างไรก็ตามยังไม่มีการศึกษาผลของ ClO2 ต่อเมแทบอลิซึมของ RNS และความเครียดไนโตรเซชันในแง่ที่เกี่ยวข้องกับการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาลของผลลำไย ในงานศึกษาวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิผลของ ClO2 ต่อ การผลิต RNS และความเสียหายไนโตรเซชัน รวมถึงบาทบาทของ ClO2 ในการป้องกันการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาลของผลลำไยพันธุ์ ดอหลังการเก็บเกี่ยวผ่านกลไกป้องกันด้วยสารต้านไนโตรเซชันระหว่างการเก็บรักษาที่อุณหภูมิ 25±1 °ซ ความชื้นสัมพัทธ์ 82±5 % เป็นเวลา 7 วัน การทดลองแรกเป็นการศึกษาผลของ ClO2 ต่อการผลิต RNS และการเกิดความเครียดไนโตรเซชันของผลลำไยพันธุ์ดอระหว่างการเก็บรักษา โดยผลลำไยมารมด้วย ClO2 (0 และ 10 มิลลิกรัมต่อลิตร) เป็นเวลา 10 นาที แล้วเก็บรักษาในกล่องกระดาษที่อุณหภูมิ 25±1 °ซ ความชื้นสัมพัทธ์ 82±5 % เป็นเวลา 7 วัน พบว่าเปลือกผลสีน้ำตาลของชุดควบคุมเกิดขึ้นภายใน 6 ชั่วโมงของการเก็บรักษา และเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดการเก็บรักษา การพัฒนาการเกิดสีน้ำตาลเกิดขึ้นควบคู่ไปกับการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของปริมาณ RNS (ไนตริกออกไซด์ ไนโตรเจนไดออกไซด์ เปอร์ออกซีไนไทรต์ และเอส-ไนโตรโซกลูตาไธโอน) และความเครียดไนโตรเซชัน (เอส-ไนโตรโซไธออล, 3-ไนโตรไทโรซีน, 8-ไนโตรกวานีน และกรดไขมันไนโตร) นอกจากนี้กิจกรรมของเอนไซม์ในกระบวนการสร้างไนตริกออกไซด์ ได้แก่ ไนตริกออกไซด์ซินเทส และไนเทรตรีดักเทสเพิ่มสูงขึ้นพร้อมกับการลดลงของปริมาณสารตั้งต้น (แอล-อาร์จินีนและไนเตรต) ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ของกระบวนการ (แอล-ซิทรูลีน และไนไทรต์) และค่าพีเอซเพิ่มขึ้นระหว่างการเกิดสีน้ำตาลที่รุนแรงขึ้นของเปลือกผล อย่างไรก็ตามการรมด้วย ClO2 มีผลลดกิจกรรมของเอนไซม์ในกระบวนการสร้าง RNS และรักษาปริมาณสารตั้งต้นไว้ได้นานถึง 5-6 วันของการเก็บรักษา การลดลงของกิจกรรมของเอนไซม์เหล่านี้สัมพันธ์กับการลดลงของปริมาณ RNS ความเครียดไนโตรเซชัน และการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาล ซึ่งชี้ให้เห็นว่าการใช้ ClO2 สามารถลดการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาลของลำไยพันธุ์ดอหลังการเก็บเกี่ยวได้ โดยลดกิจกรรมของเอนไซม์ในกระบวนการสร้าง RNS ทำให้ปริมาณ RNS ลดลง จนขัดขวางการเกิดความเครียดไนโตรเซชันได้ การทดลองถัดมาเป็นการศึกษาผลของ RNS ที่เกี่ยวข้องกับ ROS ความเครียดออกซิเดชัน ศักยภาพต้านออกซิเดชัน และการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาลของลำไยพันธุ์ดอหลังการเก็บเกี่ยวระหว่างการเก็บรักษาโดยใช้โซเดียมไนโตรพลัสไซด์ (SNP ; ตัวให้ไนตริกออกไซด์) หรือ 2-(4-carboxyphenyl)-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide (cPTIO ; ตัวกำจัดไนตริกออกไซด์) จากภายนอก โดยนำผลลำไยมาแช่ในน้ำกลั่น (ชุดควบคุม) SNP (50 และ 100 มิลลิโมลาร์) หรือ cPTIO (100 และ 500 ไมโครโมลาร์) เป็นเวลา 10 นาที แล้วเก็บรักษาที่อุณหภูมิ 25±1 °ซ ความชื้นสัมพัทธ์ 82±5 % เป็นเวลา 7 วัน พบว่าผลลำไยที่แช่ใน SNP มีปริมาณ ROS (อนุมูลซุปเปอร์ออกไซด์ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และอนุมูลไฮดรอกซิล) ความเสียหายออกซิเดชันของเยื่อหุ้ม (มาลอนไดอัลดีไฮด์ โปรตีนคาร์บอนิล และการรั่วไหลของประจุ) และการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาล (ดัชนีการเกิดสีน้ำตาล และกิจกรรมของเอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดส) สูงกว่าชุดควบคุม ในทางตรงกันข้ามการใช้ cPTIO มีผลลดปริมาณ ROS ความเสียหายออกซิเดชันของเยื่อหุ้ม และการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาล นอกจากนี้การใช้ SNP มีผลลดกิจกรรมของเอนไซม์ต้านออกซิเดชัน (ซุปเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเทส คะตะเลส แอสคอร์เบสเปอร์ออกซิเดส และกลูตาโธโอนเปอร์ออกซิเดส) และศักยภาพรวมต้านออกซิเดชัน ในขณะที่การใช้ cPTIO มีผลเพิ่มกิจกรรมของเอนไซม์ต้านออกซิเดชันและประสิทธิภาพในการกำจัด ROS ซึ่งสัมพันธ์กับการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาลที่ลดลง ทั้งนี้ระดับความรุนแรงของการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาล การสร้าง ROS ความเสียหายออกซิเดชัน และศักยภาพรวมต้านออกซิเดชันขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของ SNP หรือ cPTIO การทดลองนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าสภาพที่มี RNS (ไนตริกออกไซด์) มากเกินไปมีผลลดศักยภาพภาพต้านออกซิเดชัน และเพิ่มการสะสม ROS ความเสียหายออกซิเดชัน และการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาลในผลลำไยพันธุ์ดอหลังการเกี่ยว การทดลองสุดท้ายเป็นการศึกษาผลของ ClO2 ต่อระบบป้องกันด้วยสารต้านไนโตรเซชันของผลลำไยพันธุ์ดอระหว่างการเก็บรักษา โดยนำผลลำไยมารมด้วย ClO2 (0 และ 10 มิลลิกรัมต่อลิตร) เป็นเวลา 10 นาที แล้วเก็บรักษาในกล่องกระดาษเช่นเดียวกับการทดลองแรก พบว่าวิถีกลูตาไธโอน และไธโอรีดอกซินถูกกระตุ้นในผลลำไยที่รมด้วย ClO2 ภายใน 6-24 ชั่วโมงของการเก็บรักษา โดยมีกิจกรรมของเอนไซม์และการแสดงออกของยีนไธโอรีดอกซิน รีดักเทส ไธโอรีดอกซินและกลูตาไธ-โอน รีดักเทส ปริมาณกลูตาไธโอน และสถานภาพรีดอกซ์ของนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ เพิ่มขึ้นภายใน 6-24 ชั่วโมงหลังการรม นอกจากนี้กิจกรรมของเอนไซม์กำจัด RNS (กลูตาไธโอนเปอร์ออกซิเดส เอส-ไนโตรโซกลูตาไธโอน รีดักเทส กลูตารีดอกซิน และเปอร์ออกซีรีดอกซิน) และการสะสมของสารที่สามารถกำจัด RNS (กรดแอสคอร์บิค เมลาโทนิน สารประกอบฟีนอล และอัลฟาโทโคฟีรอล) ก็เพิ่มขึ้นหลังจากการรม นอกจากนี้การรมด้วย ClO2 ยังสามารถกระตุ้นกิจกรรมในการกำจัดไนตริก ออกไซด์และเพอรอกซีไนไทรต์ได้ด้วย ทั้งนี้การเปลี่ยนแปลงของระบบต้านไนโตรเซชันโดย ClO2 มีความสัมพันธ์อย่างมากกับการลดลงของการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาล การทดลองนี้ชี้ให้เห็นว่าการใช้ ClO2 มีผลกระตุ้นระบบต้านไนโตรเซชัน ส่งผลให้การเกิดสีน้ำตาลของเปลือกผลลำไยพันธุ์ดอลดลง ผลการทดลองเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าการรมผลด้วย ClO2 สามารถควบคุมเมแทบอลิซึมของ RNS โดยลดการผลิต RNS รวมทั้งส่งเสริมระบบป้องกันต้านไนโตรเซชัน ซึ่งนำไปสู่การลดความเครียดออกซิเดชัน-ไนโตรเซชัน และชะลอการเกิดเปลือกผลสีน้ำตาลของผลลำไยพันธุ์ดอหลังการเก็บเกี่ยวระหว่างการเก็บรักษาที่อุณหภูมิ 25±1 °ซ ความชื้นสัมพัทธ์ 82±5 % เป็นเวลา 7 วันลงได้

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Danai Boonyakiat

Role: Chairman

Name: Adisak Joomwong

Role: Member

Name: Kobkiat Saengnil

Role: Member

Name: Jamnong Uthaibutra

Role: Member

Name: Aussara Panya

Role: Member

Created: 2022

Modified: 2565-12-20

Issued: 2022-12-16

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Biology

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	620555918.pdf	8.09 MB	1	2024-10-20 20:38:41

ใช้เวลา

0.024712 วินาที