王樂樂,劉春燕,陳鵬飛,李志慧,王靈哲,周龍*
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院/新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)特色果樹研究重點實驗室,新疆烏魯木齊 830052)
葡萄是多年生落葉果樹且品種繁多,生殖繁育系統(tǒng)較為復(fù)雜,品種間漿果形色各異,而果實大小是進行鮮食葡萄選育和衡量其經(jīng)濟價值的重要指標(biāo)之一。了解漿果大小形成機理對改善葡萄漿果品質(zhì)具有重要意義。細胞膨大和增殖是植物果實生長發(fā)育的基礎(chǔ),決定細胞的體積和數(shù)目,從而影響植物果實大小[1]。葡萄在發(fā)育前期細胞分裂和生長與漿果最終大小密切相關(guān),此階段是決定漿果大小的關(guān)鍵時期,而從轉(zhuǎn)色開始主要以積累內(nèi)含物質(zhì)為主[2]。前人通過對梨[3]和甜櫻桃[4]果實大小與細胞學(xué)方面的研究發(fā)現(xiàn),細胞數(shù)量是導(dǎo)致果實大小差異的主導(dǎo)因子;而在菠蘿、海棠等果樹上的研究發(fā)現(xiàn),除了細胞數(shù)量外,導(dǎo)致果實大小差異的主要因素還有細胞體積[5-7]。
糖是植物生命活動的基礎(chǔ)物質(zhì),具有為果實細胞膨大提供滲透動力的生理功能[8]。研究表明,糖積累與果實大小存在密切關(guān)系。吳瑞霞等[9]研究發(fā)現(xiàn),促進糖積累的同時可以提高‘翠冠’梨的果實質(zhì)量。在南豐蜜梧[10]和溫嶺高橙[11]果實大小的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn),果實大小與糖度呈負相關(guān)關(guān)系。而果實中糖積累主要受到蔗糖相關(guān)酶活性的調(diào)控[12]。漿果作為一個強大的代謝庫,在發(fā)育過程中需要從源組織獲得大量同化物,而獲得同化物的能力由庫強決定。葡萄是糖直接積累型果樹,漿果發(fā)育過程中主要以積累蔗糖、果糖和葡萄糖為主[13-14],高濃度己糖在漿果果肉細胞中積累,能夠通過轉(zhuǎn)錄和翻譯直接或間接調(diào)控細胞的活性[15],從而影響植物器官生長。目前,關(guān)于果實大小的研究在多種果樹上已有報道,葡萄領(lǐng)域多集中在激素水平的研究,而在細胞水平上的研究較少,影響漿果大小的因子相關(guān)性鮮有報道。
本研究以大果型‘戶太八號’和小果型‘赤霞珠’葡萄為試材,兩品種成熟時平均粒質(zhì)量分別為7.50~8.50 g和0.70~1.50 g,花期時間相近,且都為有核品種,但漿果質(zhì)量和體積差異較大。‘戶太八號’為‘奧林匹亞’的芽變,于1996年通過審定,口感風(fēng)味較好,可鮮食也可釀酒;‘赤霞珠’為國際釀酒葡萄品種。通過對決定漿果大小的關(guān)鍵階段即漿果發(fā)育前期細胞水平和生理活性的研究,探討與漿果大小形成相關(guān)的主要因子,從而為漿果大小影響機制的研究提供參考。
試驗于2021年和2022年在烏魯木齊市頭屯河農(nóng)場新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪基地(87.32°E、43.89°N)進行。供試材料為6年生‘戶太八號’和‘赤霞珠’品種。采用籬架栽培模式,水肥一體化滴灌管理方式,南北行向定植,株行距為1.0 m×3.5 m。
根據(jù)對葡萄漿果形態(tài)變化的觀測,漿果生長進入停滯期前的快速生長階段是決定漿果最終大小的關(guān)鍵階段,以此確定采樣時期。2021年采樣時期為花后10、20、30、40、50 d,測定漿果橫徑和縱徑;2022年除上述采樣時期外增加花后15 d采樣,之后漿果進入轉(zhuǎn)色期。選取長勢基本一致的健康樹體不同著生方向的果穗,在果穗上、中、下部位摘取果粒共100粒,所采樣品中30粒浸泡在FAA固定液中,30粒用于形態(tài)、果實庫活性和庫強測定,其余漿果樣品采后迅速分離果肉用液氮速凍,置于-80 ℃保存,用于漿果主要糖含量和相關(guān)酶活性指標(biāo)的測定。
1.2.1 漿果質(zhì)量、體積測定和果肉密度計算
用電子天平(0.0001 g)稱重得到粒質(zhì)量,排水法測漿果體積(V)。將10粒新鮮漿果對半切開去除種子,稱量果肉質(zhì)量W0,計算果肉密度ρ為:ρ=W0/V。每個指標(biāo)重復(fù)3次。
1.2.2 漿果細胞數(shù)目和體積的測定
參照王艷芳等[16]的方法制作果實石蠟切片,先將FAA中固定好的去除種子的漿果組織置于70%的乙醇溶液中過夜,然后在不同濃度乙醇溶液(依次為80%、90%、95%、100%、100%)中脫水2 h,再依次于體積比分別為2∶1、1∶1、1∶2的乙醇和二甲苯混合溶液中各靜置1 h,最后經(jīng)純二甲苯浸泡0.5 h(重復(fù)2次)進行透明。將透明的樣品浸入體積比為1∶1的二甲苯和石蠟混合溶液,于37 ℃恒溫箱中過夜,再轉(zhuǎn)入熔解的純石蠟中,每6 h換一次石蠟溶液,重復(fù)5次。接著進行包埋,蠟?zāi)毯蟪上瀴K,進行適當(dāng)修理后切成10 μm厚度的切片,將切片貼在載玻片上,使用番紅固綠染色后用中性樹膠封片,最后用尼康顯微成像系統(tǒng)鏡檢拍照,參考田嘉等[17]的方法計算漿果細胞數(shù)目和體積。
1.2.3 可溶性固形物和糖含量及相關(guān)酶活性的測定
利用糖度計(Atago PAL-1)測定不同發(fā)育時期漿果中可溶性固形物含量。稱取1.0 g新鮮果肉和果皮混合組織,加蒸餾水研磨成勻漿,沸水煮沸30 min提取漿果組織中的糖,冷卻后過濾,殘渣再次煮沸10 min后過濾,將濾液全部裝入100 mL容量瓶中定容,作為糖提取液備用。漿果中葡萄糖采用GOPOD氧化酶法測定,果糖含量采用間苯二酚法測定,蔗糖含量采用蒽酮比色法測定。總糖為果糖、葡萄糖和蔗糖三者的總和。
蔗糖合成酶(Sucrose synthase,SS)和蔗糖磷酸合成酶(Sucrose phosphate synthase,SPS)的酶液提取和活性測定參照賀琰等[18]的方法,繪制出酶標(biāo)準(zhǔn)曲線分別為:y=0.0015x+0.0265,r2=0.9938;y=0.0012x-0.0021,r2=0.9903。
1.2.4 漿果庫活性和庫強計算
將新鮮漿果在60~70 ℃烘至恒重,3個生物學(xué)重復(fù)(每重復(fù)10粒果)。參照張樹軍[19]的方法計算庫活性和庫強。庫活性以果實相對生長率(Relative growth rate,RGR)表示,RGR=(lnw2-lnw1)/(t2-t1),w2和w1分別是在時間t2和t1采樣時的平均果實干質(zhì)量(g)。
庫強以果實的絕對生長率(Absolute growth rate,AGR)表示,AGR=RGR·w,w為始、末期的干質(zhì)量w1和w2的平均數(shù)。
2021年只檢測了漿果縱橫徑,其他指標(biāo)均為2022年測定所得。運用SPSS 26.0進行顯著性差異及相關(guān)性分析,用Excel繪制圖,Origin 2021繪制相關(guān)性熱圖。
由表1發(fā)現(xiàn),‘戶太八號’漿果在花后40~50 d縱橫徑無顯著差異,‘赤霞珠’縱徑在花后30~50 d無顯著差異,而橫徑在花后40~50d無顯著差異,說明兩品種分別在花后40 d和30 d進入緩慢生長期,花后50 d漿果開始轉(zhuǎn)色。花后10~20 d漿果表型變化較大,因此2022年增加在花后15 d的取樣。

表1 2021年‘戶太八號’和‘赤霞珠’葡萄品種的漿果生長變化Table 1 Changes of berries growth of grape varieties with 'Hutai No.8' and'Cabernet Sauvignon' in 2021 mm
‘戶太八號’和‘赤霞珠’葡萄品種在漿果快速生長階段隨著漿果生長期的延長,粒質(zhì)量和體積均呈顯著增長,但增加幅度在品種間有較大差異(圖1、2)。在花后15 d前,兩品種葡萄粒質(zhì)量和體積差異較小,之后變大;至花后50 d,‘戶太八號’和‘赤霞珠’的粒質(zhì)量分別為7.17、0.81 g,體積分別為7.0、0.8 mL,此時,‘戶太八號’的粒質(zhì)量和體積分別是‘赤霞珠’的8.85倍和8.75倍;且在花后15~50 d期間,‘戶太八號’漿果的生長速率為0.18,顯著大于‘赤霞珠’。兩品種粒質(zhì)量均在40 d和50 d時期無顯著差異,這階段漿果生長緩慢,進入生長停滯期。兩品種的漿果果肉密度(圖2)相近均呈較為平穩(wěn)的變化趨勢,僅在花后10 d有較大差異,表現(xiàn)為‘赤霞珠’的果肉密度大于‘戶太八號’。

圖1 ‘戶太八號’和‘赤霞珠’葡萄果實粒質(zhì)量變化Figure 1 Dynamic map of berry weight of 'Hutai No.8' and'Cabernet Sauvignon' varieties

圖2 ‘戶太八號’和‘赤霞珠’果實體積和果肉密度動態(tài)變化Figure 2 Dynamic changes of single fruit volume and flesh density of 'Hutai No.8' and 'Cabernet Sauvignon'
對漿果細胞顯微結(jié)構(gòu)觀測(圖3)發(fā)現(xiàn),不同品種隨著漿果發(fā)育,果肉細胞表現(xiàn)為持續(xù)膨大,但‘戶太八號’漿果細胞的橫截面積(CS)和縱截面積(LS)均大于‘赤霞珠’。兩品種漿果單位面積細胞數(shù)目和細胞體積在漿果發(fā)育各時期差異均顯著。在細胞數(shù)目方面,‘戶太八號’的細胞數(shù)目增長過程主要在花后10~30 d,隨后細胞數(shù)目逐漸平穩(wěn);而‘赤霞珠’細胞數(shù)目在10~50 d變化不大(圖4)。從細胞體積變化來看,兩品種細胞膨大呈一致的上升趨勢,而花后10 d兩品種細胞體積基本相同,均為2×10-4mm3,之后各時期‘戶太八號’漿果細胞體積明顯大于‘赤霞珠’,在花后40 d和50 d時差異最大(圖4),推斷‘戶太八號’的細胞膨大能力大于‘赤霞珠’。細胞數(shù)目和體積也是決定庫大小的主要因素,兩品種之間細胞數(shù)目的差異大于細胞體積,說明‘戶太八號’和‘赤霞珠’在庫大小上差異的主要因子是細胞數(shù)目。

圖3 ‘戶太八號’和‘赤霞珠’果實發(fā)育進程中果肉細胞橫切面和縱切面Figure 3 Cross and longitudinal sections of pulp cells of 'Hutai No.8' and 'Cabernet Sauvignon' during berry development

圖4 ‘戶太八號’和‘赤霞珠’果實細胞數(shù)目和體積動態(tài)變化Figure 4 Dynamic changes of cell number and volume of 'Hutai No.8' and 'Cabernet Sauvignon' berries
‘戶太八號’和‘赤霞珠’漿果中可溶性固形物含量均隨著漿果發(fā)育呈上升趨勢,在花后15~30 d‘赤霞珠’高于‘戶太八號’,而花后40 d和50 d‘戶太八號’高于‘赤霞珠’(圖5)。

圖5 ‘戶太八號’和‘赤霞珠’果實中可溶性固形物含量變化Figure 5 Changes of soluble solids content of 'Hutai No.8' and'Cabernet Sauvignon' berries
由圖6看出,兩品種總糖含量變化趨勢在花后10~30 d存在差異,之后變化趨勢一致,僅在花后15 d時‘赤霞珠’漿果中總糖含量高于‘戶太八號’,其他各時期均為‘戶太八號’漿果中總糖含量高于‘赤霞珠’。兩品種果實葡萄糖含量的變化趨勢基本一致,從花后20 d開始上升,且隨著漿果發(fā)育‘戶太八號’漿果中葡萄糖含量高于‘赤霞珠’。圖6顯示,兩品種漿果中果糖含量均呈先降后增再降的趨勢,均在花后10 d果糖含量最高,分別是19.65、11.67 mg·g-1;除花后15 d外,其他各時期‘戶太八號’均高于‘赤霞珠’。漿果中蔗糖含量均在花后10~15 d階段增幅最大,20~40 d階段蔗糖含量變化比較平穩(wěn),隨后又明顯上升,至花后50 d時分別為14.30、12.03 mg·g-1;花后15 d前表現(xiàn)為‘赤霞珠’漿果中蔗糖含量高于‘戶太八號’,之后‘戶太八號’漿果高于‘赤霞珠’。

圖6 ‘戶太八號’和‘赤霞珠’果實中主要糖組分的含量變化Figure 6 Changes of the main sugar components content of 'Hutai No.8' and 'Cabernet Sauvignon' berries
由圖7可知,漿果中蔗糖合成酶(SS)活性隨發(fā)育期呈不同的波動趨勢,‘戶太八號’漿果在花后15~20 d有一個短期的SS活性下降,‘赤霞珠’漿果中SS活性整體變化較小。從花后30 d開始,‘戶太八號’漿果中SS活性均高于‘赤霞珠’,在花后50 d時兩品種漿果中SS活性差異最大,分別是188.22、113.54 U·g-1,此時‘戶太八號’漿果中SS活性是‘赤霞珠’的1.7倍。

圖7 ‘戶太八號’和‘赤霞珠’果實中蔗糖相關(guān)酶活性變化Figure 7 Changes of sucrose-related enzyme activities in 'Hutai No.8' and 'Cabernet Sauvignon' berries
‘戶太八號’和‘赤霞珠’漿果中蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的變化趨勢在花后10~20 d存在明顯差異,之后均呈上升趨勢(圖7),且在此階段‘赤霞珠’漿果中SPS活性增幅大于‘戶太八號’漿果。但總體來看兩品種漿果中SPS活性都有一個明顯降低的時期,‘戶太八號’是花后15~20 d,‘赤霞珠’是花后10~15 d,其它各時期均上升。
圖8表明,‘戶太八號’和‘赤霞珠’漿果的庫活性RGR(以相對生長率表示)相比,在花后15 d時差異最大,‘戶太八號’漿果的RGR是‘赤霞珠’漿果的4倍,其他各時期兩者差異不大。兩品種漿果的RGR分別在花后15 d和20 d開始隨著漿果發(fā)育逐漸下降。從漿果的庫強AGR(以絕對生長率表示)看(圖8),‘戶太八號’總體變化波動較大,而‘赤霞珠’各時期變化不明顯。兩品種漿果的AGR相比較,僅花后10 d時AGR大小基本相同,其他各時期‘戶太八號’漿果的AGR顯著大于‘赤霞珠’,差異最明顯的是在花后40 d時。由此說明,葡萄品種之間對果型大小差異影響較大的為AGR。

圖8 ‘戶太八號’和‘赤霞珠’果實的相對生長率和絕對生長率變化Figure 8 Changes of relative growth rate and absolute growth rate of 'Hutai No.8' and 'Cabernet Sauvignon' berries
由圖9可知,‘戶太八號’粒質(zhì)量(SFW)與SS活性、蔗糖含量(SC)、葡萄糖含量(GC)、可溶性固形物(SSC)、細胞數(shù)目(CN)、細胞體積(CV)和果肉密度(FD)、單果體積(SFV)極顯著正相關(guān),與總糖含量(TSC)和AGR顯著正相關(guān),與RGR極顯著負相關(guān),而與果糖(FC)含量和SPS活性相關(guān)性不大。其中粒質(zhì)量與SFV、CN、CV和SSC的相關(guān)系數(shù)最高,分別為1.00、0.96、0.97和0.92。‘赤霞珠’粒質(zhì)量與SFV、SSC、CN和CV極顯著正相關(guān),與蔗糖含量顯著正相關(guān),與果糖含量和RGR極顯著負相關(guān),而與果肉密度、葡萄糖含量、TSC、SS活性、SPS活性和AGR相關(guān)性不大。其中與細胞體積和RGR相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)分別為0.99和-0.88。

圖9 ‘戶太八號’和‘赤霞珠’漿果大小與細胞生長、庫活力和糖積累指標(biāo)的相關(guān)性分析Figure 9 Correlation analysis of berry size with cell growth, sink activity and sugar accumulation in 'Hutai No.8' and 'Cabernet Sauvignon'
關(guān)于糖含量和蔗糖代謝相關(guān)酶活性的相關(guān)性,‘戶太八號’中SS活性與葡萄糖、蔗糖含量呈極顯著正相關(guān),與總糖含量顯著正相關(guān),與果糖含量無顯著相關(guān)性,而SPS活性與糖含量指標(biāo)均無顯著相關(guān)性。‘赤霞珠’中糖含量與蔗糖代謝相關(guān)酶活性相關(guān)性都不高(圖9)。
‘戶太八號’的細胞數(shù)目與SS活性、蔗糖含量、SSC和細胞體積極顯著正相關(guān),與AGR和葡萄糖含量顯著正相關(guān);細胞體積與SS活性、總糖、蔗糖、SSC和葡萄糖含量極顯著正相關(guān);細胞數(shù)目和細胞體積與RGR均極顯著負相關(guān);細胞數(shù)目與SS活性、SSC和細胞體積相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)分別為0.84、0.82和0.90;細胞體積與SS活性和SSC相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)分別是0.85和0.95(圖9)。‘赤霞珠’的細胞數(shù)目只與AGR和SSC極顯著正相關(guān),與細胞體積顯著正相關(guān),而與果糖含量極顯著負相關(guān),與總糖含量顯著負相關(guān);細胞體積只與SSC極顯著正相關(guān),與蔗糖顯著正相關(guān),而與RGR極顯著負相關(guān),與果糖顯著負相關(guān)(圖9)。
果實細胞的數(shù)目和體積是影響果實最終大小的關(guān)鍵因子,且不同品種間細胞數(shù)目和體積存在明顯差異。本研究相關(guān)分析結(jié)果表明,兩品種的漿果大小(粒質(zhì)量和體積)與果肉細胞數(shù)目和體積均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,由此可知,細胞數(shù)目和體積共同影響葡萄漿果大小,這與在菠蘿[6]和蘋果[7]上的研究結(jié)果一致,即細胞數(shù)目和體積共同決定果實大小。一般認為細胞數(shù)目是決定果實大小的基礎(chǔ),而細胞體積是影響最終果實大小的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn),‘戶太八號’的細胞數(shù)目和體積均大于‘赤霞珠’,且兩品種間的細胞數(shù)目比細胞體積差異更顯著,這與不同梨品種間和甜櫻桃品種間的研究結(jié)果一致,品種間果實大小的差異主要體現(xiàn)在細胞數(shù)目上[3-4]。這說明‘戶太八號’和‘赤霞珠’之間漿果大小差異主要因子是細胞數(shù)目。
本研究中,在漿果發(fā)育前期‘戶太八號’漿果中總糖含量高于‘赤霞珠’,其中蔗糖含量相近,葡萄糖和果糖含量相差較大,為‘戶太八號’高于‘赤霞珠’。‘戶太八號’漿果大小與蔗糖和葡萄糖存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。‘赤霞珠’粒質(zhì)量與蔗糖含量呈顯著正相關(guān),與果糖呈極顯著負相關(guān)。沈志軍等[20]對桃果實與主要糖含量關(guān)系的研究表明,桃果實大小與蔗糖含量顯著正相關(guān),這與本研究結(jié)果一致。此外,謝鳴等[21]研究楊梅果實發(fā)育過程中的糖積累及其相關(guān)性的結(jié)果表明,楊梅果實大小與蔗糖、葡萄糖和果糖的積累呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。以上研究說明果實大小與主要糖含量密切相關(guān)。然而,在不同果樹和不同品種之間果實大小與各糖組分的相關(guān)關(guān)系存在差異,可見果實大小與糖積累的關(guān)系較為復(fù)雜,因品種本身果實發(fā)育特性不同,或果樹間生長條件不同,環(huán)境因子又能有效調(diào)控糖的運輸、代謝與積累[22],這導(dǎo)致不同品種果實糖積累的各組分含量不同。關(guān)于糖能夠影響果實大小的研究發(fā)現(xiàn),糖是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)物質(zhì),可作為信號分子聯(lián)合激素信號和N信號等形成網(wǎng)絡(luò),通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控植物生長發(fā)育[23],從而影響果實大小。
果樹產(chǎn)量和果實品質(zhì)依賴其源庫互作關(guān)系,有研究認為,源庫關(guān)系對果實大小的影響大于對果實其他品質(zhì)的影響[24]。庫即消耗或容納光合同化物的器官,果實庫是源庫研究的主要器官,庫器官競爭光合同化物的能力用庫強表示[25]。本研究中,漿果發(fā)育前期‘戶太八號’和‘赤霞珠’間漿果的庫活性和庫強相比,品種間漿果庫強的差異顯著大于庫活性,且‘戶太八號’各時期的庫強一直大于‘赤霞珠’,這與李建國等[26]在大果型‘鵝蛋荔’和小果型‘淮荔’上的研究結(jié)果一致,‘鵝蛋荔’的庫強大于‘淮荔’。研究表明,庫強較大的果實生長速率較快且代謝旺盛,果實(庫器官)競爭同化物的能力強,則得到的光合同化物較多,從而表現(xiàn)為果實大小的差異[19]。因此,說明庫強大小影響品種間漿果大小,也表明漿果發(fā)育前期‘戶太八號’對光合同化物競爭能力比‘赤霞珠’強,漿果生長速率大于‘赤霞珠’,從而導(dǎo)致品種間最終漿果大小差異。
綜上所述,果實的生長發(fā)育是一個較為復(fù)雜的過程,影響最終果實大小的因素很多。本研究在對漿果發(fā)育前期的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),‘戶太八號’的漿果大小與庫強、糖合成酶活性、總糖含量、蔗糖含量、葡萄糖含量、可溶性固形物、細胞數(shù)目、細胞體積和果肉密度顯著正相關(guān),與庫活性顯著負相關(guān),與可溶性固形物、細胞數(shù)目和細胞體積的相關(guān)性最強。‘赤霞珠’的漿果大小與蔗糖含量、可溶性固形物、細胞數(shù)目和細胞體積顯著正相關(guān),與庫活性和果糖含量顯著負相關(guān),與細胞體積的相關(guān)性最強。可見上述因子可能直接或間接影響著漿果大小,且兩品種之間與漿果大小的相關(guān)因子存在顯著差異。同時發(fā)現(xiàn),細胞生長、糖積累和庫強之間同樣存在顯著的相關(guān)關(guān)系,說明細胞水平與果實內(nèi)在品質(zhì)之間通過相互影響與相互作用,形成一個復(fù)雜的漿果大小調(diào)控網(wǎng)絡(luò),但其具體的調(diào)控機理還有待進一步研究。