Contrasting seasonal dynamics of dormancy, respiratory metabolism and cell cycle state in grapevine buds of a subtropical and Mediterranean climate

亞熱帶和地中海氣候葡萄芽休眠、呼吸代謝和細(xì)胞周期狀態(tài)的季節(jié)動(dòng)態(tài)對比

來源：Food Energy Secur. 2023;12:e431.

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文對比了亞熱帶氣候（卡那封，24°S） 和地中海氣候（天鵝谷，31°S） 下葡萄品種 'Flame Seedless' 芽的休眠動(dòng)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)：

 

亞熱帶氣候：休眠更淺、冷量積累更低（<200 PCU），冬季呼吸代謝（耗氧率）增強(qiáng)5倍，芽內(nèi)氧分壓（pO?）持續(xù)低氧（<5 kPa）。

地中海氣候：休眠更深、冷量積累更高（724 PCU），呼吸代謝僅增強(qiáng)2倍，芽內(nèi)pO?在萌發(fā)前回升（5–10 kPa）。

長期趨勢：2005–2015年，兩地冷量積累均顯著下降（天鵝谷減少23 PCU），預(yù)示氣候變暖對葡萄休眠的負(fù)面影響。

 

2. 研究目的

 

探究不同氣候（亞熱帶 vs. 地中海）對葡萄芽 休眠深度、呼吸代謝、細(xì)胞周期及內(nèi)部氧狀態(tài) 的季節(jié)性動(dòng)態(tài)影響。

為應(yīng)對氣候變化和葡萄種植區(qū)擴(kuò)展提供生理學(xué)依據(jù)。

 

3. 研究思路

 

樣本設(shè)計(jì)：

選取澳大利亞西部兩地：卡那封（亞熱帶） 和 天鵝谷（地中海）。

定期采集葡萄芽（2015年1月至8月，共11次）。

核心對比指標(biāo)：

休眠深度：通過芽萌發(fā)實(shí)驗(yàn)（BB??，50%芽萌發(fā)時(shí)間）量化（圖1）。

 

 

氣候參數(shù)：溫度、光周期、冷量積累（PCU模型，圖2, 3）。

 

 

生理代謝：芽含水量（圖4a）、細(xì)胞周期（G2/G1比例，圖4b）、呼吸速率（耗氧率與CO?釋放，圖5）。

 

 

芽內(nèi)氧狀態(tài)：Unisense微電極測量pO?梯度（圖6）。

 

長期趨勢：分析2005–2015年冷量積累變化（圖3）。

 

4. 測量數(shù)據(jù)及研究意義

測量指標(biāo) 圖表 研究意義

休眠深度（BB??） 圖1 亞熱帶休眠更淺（BB??低），證明氣候?qū)π菝哒{(diào)控的主導(dǎo)作用。

冷量積累（PCU） 圖2b, 3 亞熱帶冷量積累不足（<200 PCU vs. 724 PCU），解釋休眠差異；長期下降趨勢警示氣候變暖風(fēng)險(xiǎn)。

芽含水量 圖4a 亞熱帶芽脫水程度更低（含水量高18%），支持休眠淺、代謝活躍的生理狀態(tài)。

細(xì)胞周期（G2/G1比例） 圖4b 兩地均秋季停滯（G2/G1<0.4），表明細(xì)胞分裂抑制是休眠共性特征。

呼吸代謝（耗氧率/CO?釋放） 圖5 亞熱帶冬季耗氧率激增5倍（vs. 2倍），反映高溫驅(qū)動(dòng)代謝活躍。

芽內(nèi)pO?梯度 圖6 核心發(fā)現(xiàn)：亞熱帶芽核心持續(xù)深度缺氧（pO?<5 kPa），地中海芽萌發(fā)前pO?回升；揭示氧狀態(tài)與休眠深度的關(guān)聯(lián)。

 

5. 核心結(jié)論

 

氣候主導(dǎo)休眠差異：亞熱帶高溫導(dǎo)致休眠淺、冷量需求低，需人工干預(yù)（如氰胺）保障生產(chǎn)；地中海氣候自然滿足休眠需求。

代謝適應(yīng)性：亞熱帶芽通過增強(qiáng)呼吸代謝適應(yīng)高溫，但持續(xù)低氧狀態(tài)（pO?<5 kPa）可能限制能量供應(yīng)。

芽內(nèi)氧狀態(tài)是關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子：深度缺氧（pO?<5 kPa）與休眠維持正相關(guān)，氧回升（pO?>5 kPa）預(yù)示萌發(fā)準(zhǔn)備。

氣候變暖威脅：冷量積累十年下降10–23 PCU，亞熱帶種植區(qū)風(fēng)險(xiǎn)更高。

 

6. Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

技術(shù)優(yōu)勢

 

高空間分辨率：25μm微電極尖端可穿透芽鱗，實(shí)時(shí)測量 0–2000μm深度的pO?梯度（圖6）。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測：揭示芽分生組織（1500–2000μm）的氧微環(huán)境變化，傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義

觀測點(diǎn) 數(shù)據(jù) 科學(xué)意義

休眠期（5月） 兩地芽核心pO?均≤5 kPa（圖6a, b） 證實(shí)休眠期芽內(nèi)普遍缺氧，支持“缺氧維持休眠”理論（Meitha et al. 2018）。

萌發(fā)前期（8月） 亞熱帶芽核心仍≤5 kPa（圖6d）；地中海芽回升至5–10 kPa（圖6c） 氣候依賴性：亞熱帶高溫加速代謝但氧供應(yīng)不足，可能導(dǎo)致萌發(fā)不同步；地中海氧回升促進(jìn)能量代謝，利于有序萌發(fā)。

pO?梯度形態(tài) 外層鱗片pO? >10 kPa，向內(nèi)驟降至≤5 kPa 證實(shí)芽鱗是氧擴(kuò)散屏障，為遺傳改良（降低鱗片緊密度）提供靶點(diǎn)。

 

研究價(jià)值

 

機(jī)制創(chuàng)新：首次將 芽內(nèi)氧分壓 納入氣候-休眠關(guān)聯(lián)模型，提出“氧信號(hào)調(diào)控休眠深度”新假說。

應(yīng)用指導(dǎo)：亞熱帶種植區(qū)需優(yōu)化氧供應(yīng)（如修剪疏松芽鱗），以緩解持續(xù)低氧對萌發(fā)的抑制。

技術(shù)標(biāo)桿：Unisense微電極實(shí)現(xiàn) 活體、原位氧監(jiān)測，為植物休眠研究設(shè)立新標(biāo)準(zhǔn)。

 

總結(jié)

 

本研究通過 多維度生理指標(biāo)對比，揭示氣候通過調(diào)控 冷量積累、呼吸代謝和芽內(nèi)氧狀態(tài) 影響葡萄休眠深度。Unisense電極數(shù)據(jù)的核心價(jià)值在于：

 

量化休眠的氧微環(huán)境：證實(shí)pO?≤5 kPa是休眠標(biāo)志，pO?回升是萌發(fā)前兆。

解析氣候適應(yīng)機(jī)制：亞熱帶芽以“高代謝-持續(xù)缺氧”妥協(xié)適應(yīng)高溫低冷量。

預(yù)警氣候變暖風(fēng)險(xiǎn)：冷量積累十年下降23 PCU，Unisense數(shù)據(jù)為育種/栽培策略提供精準(zhǔn)生理依據(jù)。

論文創(chuàng)新點(diǎn)：首次將芽內(nèi)氧分壓納入氣候-休眠模型，為應(yīng)對全球變暖的葡萄產(chǎn)業(yè)提供新視角。