热线：021-66110819,13564362870
Email：info@vizai.cn
讨论
已播种的酿酒葡萄浆果的中果皮通常显示出一种与成熟后期脱水和风味发展相关的程序性CD（Tilbrook和Tyerman，2008年；Fuentes等人，2010年；Bonada等人，2013年b）。在这里，我们展示了浆果中果皮和[O的CD模式之间的密切相似性，其中中果皮2]剖面的中心区域具有最高的CD和最低的[O 2]。在设拉子和霞多丽中，中果皮中心的缺氧量随着成熟和CD的进展而增加，在我们的实验条件下，开花后约100天基本上变得缺氧。这与无籽鲜食葡萄品种形成对比，后者的[O 2]保持在~15µmol l-1在中果皮中部(1.1 kPa)以上，仍被认为是缺氧的（Saglio等人，1988年），其中CD不太明显。然而，在我们的实验系统中，仅测试了三个品种，并且在具有不同水和糖动态的品种类型（葡萄酒与餐桌）存在混杂效应（Sadras等，2008之间以及种子和无种子类型之间）。分离这些影响需要对有种子和无种子等基因系进行比较。尽管如此，CD和[O之间的强相关性2]剖面、皮孔的作用、种子呼吸、乙醇发酵和CT图像都汇聚在一起，支持我们的工作假设，即中果皮中的缺氧有助于葡萄浆果中的CD。
的最小值[O 2我们在霞多丽和设拉子浆果的果皮中测得]（接近于零）可能等于或低于的K m细胞色素c氧化酶(0.14μM)（Millar等人，1994年），并且很可能导致氧化磷酸化受限并转向发酵，如在霞多丽浆果中检测到乙醇所证明的那样；测试其他品种的乙醇生产会很有趣。所有需氧生物都需要O 2才能通过氧化磷酸化有效地产生ATP。当细胞从氧化磷酸化转变为发酵时，在缺氧条件下产生较低的ATP（Ricard等，1994；Drew，1997；Geigenberger，2003）。ATP的消耗对细胞生理学产生深远的影响，包括能量消耗和细胞代谢的变化（Drew，1997年；Bailey-Serres和Chang，2005年）。导致梨褐变障碍的膜完整性丧失也与内部缺氧和低ATP水平有关（Saquet等人，2003年；Franck等人，2007年）。
葡萄浆果线粒体在强加厌氧条件下的存活（基于琥珀酸氧化率）取决于品种，存活时间为1天到10天（Romieu等，1992）。这项工作基于碳浸渍过程，这是一种酿酒过程，其中整个浆果在压碎前在厌氧气氛中发酵。乙醇会改变葡萄线粒体的呼吸商并解耦氧化磷酸化（Romieu等人，1992年）。这些影响发生在>1%（体积）的乙醇中，远高于我们在霞多丽浆果中测量的浓度（0.015%）；然而，在我们的案例中，浆果中可能存在局部高浓度的乙醇。在后来的一项研究中，发现在厌氧处理前田间种植的霞多丽浆果中的ADH活性和ADH RNA已经很高，这表明由于田间的一些压力条件，葡萄中已经存在缺氧情况（Tesnière等人。，1993）。我们的结果表明，这可能是浆果中果皮内某些区域的常态，并且可能会因高温而加剧（见下文）。
的内部[O 2水果]取决于呼吸需求，以及的O 2皮肤和内部组织扩散特性。这些可以显示基因型差异，就像苹果果实的情况一样（Ho等人，2010年）。在梨果实中，皮层的孔隙率、细胞间隙的连通性和细胞分布的差异可能解释了栽培品种之间的差异（Ho et al.,2009）。对于梨，可以使用气体扩散的微观模型将观察到的气体扩散变化与组织的不规则微观结构相协调。通过显微CT评估的不同苹果栽培品种似乎也是这种情况（Mendoza等人，2007年）。对于葡萄浆果，的[O 2我们研究中]分布表明O非常低2皮肤的扩散率，因为整个皮肤发生了陡峭的梯度。苹果皮也表现出非常低的O 2扩散率，同样在整个皮肤上有一个陡峭的浓度梯度（Ho et al.,2010）。由于亚表皮[O 2所有三个葡萄品种在成熟过程中葡萄浆果的]急剧下降，这表明中O下降，2成熟过程扩散率这可能是由于相同的表皮和角质层结构变化导致浆果蒸腾作用下降(Rogiers et al.,2004)。
果皮、浆果孔隙度和花梗中皮孔特性的变化都可能导致内部[O的减少2成熟过程中葡萄浆果]。果实薄壁组织可以看作是一种多孔介质，在椭圆形镶嵌的细胞之间分布有空气空间（Gray等，1999；Mebatsion等，2006；Herremans等，2015）。最大[O 2在整个浆果发育过程中，有核浆果和无核浆果的中心轴区域的]表明存在连接O源的通道2摄入和中央维管束。使用不同的方法，包括用硅脂堵塞花梗皮孔或施加N 2在花梗上，我们的实验证明花梗皮孔是O中的主要途径2扩散到葡萄浆果。这对应于从容器到浆果中心轴的显微CT中观察到的主要气道。用于研究水果中空气空间分布的微CT可以揭示影响气体扩散的重要特性（Mendoza等人，2010年；Herremans等人，2015年）以及内部障碍（Lammertyn等人，2003年）。在我们的工作中，连接花梗与种子周围室腔的空气空间的可视化提供了[O测量峰的结构联系2与浆果中央血管区域周围]中。这也证实了的潜在O 2通过花梗皮孔和通过血管网络分布吸收途径。相对较高的[O 2中央和外周维管束周围]可能对于维持浆果中韧皮部的卸载很重要，有趣的是，即使浆果中出现严重的CD，维管束通常仍然具有生命力（Fuentes 2017年等人，）。，2010年）。尽管如此，我们还是观察到在缺氧浆果中的糖浓度更高，这些浆果的皮孔被覆盖，而它们仍在藤蔓上。这种异常可能是由于缺氧导致水流入减少，从而导致糖浓度增加。缺氧与质膜透水性降低有关(Zhang and Tyerman,1991质膜内在蛋白(PIP)家族的水通道关闭引起的)(Tournaire-Roux et al.,2003)。这是由于在缺氧条件下对降低的细胞质pH值敏感。的PIP水通道蛋白基因(预测VvPIP2;1在成熟浆果中高度表达)（Choat等人，2009年）在缺氧条件下会降低水渗透（Tournaire-Roux等人，2003年），这可能解释了对霞多丽和设拉子始终观察到的整个浆果水导率下降（Tilbrook和Tyerman，2009年；Scharwies和Tyerman，2017年）。
皮孔是由产生的多细胞结构，在二次生长后取代气孔（腐生菌Lendzian，2006）。与茎周皮相比，皮孔对气体和水渗透的影响已经对一些物种进行了测量。对于Betula pendula，皮孔的存在使周皮的透水性显着增加了26到53倍（Schönherr和Ziegler，1980）。浆果花梗上的皮孔是沉水分离浆果吸水的优先位置（Becker et al.,2012）。水蒸气和O 2有和无皮孔树皮的渗透率表明，皮孔对O 2渗透率的增加远大于对水的渗透率，一种树种增加了1000倍以上，但对水蒸气的渗透率高于O 2(Groh等人，2002年）。有趣的是，Schönherr和Ziegler(1980)表明，随着水蒸气活度下降（增加蒸气压亏缺），透水性大大降低。如果水蒸气活性下降也降低O 2的了葡萄浆果皮孔中渗透性，这可能会限制O 2在呼吸需求增加的情况下扩散，即在水压力和高温和蒸气压不足的情况下。
[O的减少2在发育过程中，已播种的Chardonnay浆果在近似中心轴处]表明呼吸需求可能增加，吸收的O 2通过花梗皮孔减少，或通过中央近端的孔隙率减少轴。另一方面，红宝石无核浆果没有表现出这种减少。这表明有籽酿酒葡萄品种和无籽鲜食葡萄之间的皮孔结构可能存在差异，或者种子本身成为显着的O 2汇（根据下面提出的论点不太可能）。设拉子较低的皮孔表面积可能表明对O限制更大2与霞多丽相比，扩散的。众所周知，设拉子在温暖条件下更早、更快速地增加CD（Fuentes等人，2010年；Bonada等人，2013年a）。不幸的是，，我们无法探测[O 2由于无法可视化相对于设拉子浆果中传感器的种子位置设拉子浆果中心区域的]以与霞多丽进行比较。花梗皮孔在让葡萄浆果“呼吸”方面的作用以及它们在不同品种之间的差异似乎被忽视了，而且在水果中似乎是独一无二的。簇的紧密度和花梗长度也可能影响通过该通道的气体扩散，最终导致整个成熟过程中浆果内部氧气可用性的差异。
有籽和无籽栽培品种之间氧气分布差异的另一个可能解释是，种子是显着的O 2在成熟后期汇。种子的氧气供应对于种子生长以及蛋白质和油的沉积至关重要（Borisjuk和Rolletschek，2009年）。另一方面，低[O 2种子内的]有利于低水平的ROS，从而防止细胞损伤（Simontacchi等人，1995年）。在早熟期间，有籽酿酒葡萄品种雷司令和巴斯塔多的O 2吸收量从<0.45µmol h–1每个浆果增加到每个浆果约3µmol h–1，而无核Sultana的最大O 2吸收量为1.5µmol h–1每个浆果（Harris等人，1971年）。我们观察到，在成熟开始前后，总种子呼吸作用是整个浆果呼吸作用的一半以上。O这种高2的在外层木质化之前，种子对需求（Cadot等人，2006年）可能会产生显着的O 2在浆果内需求，这可能会降低细胞[O 2室中的]，并可能降低[O 2]在中果皮中。然而，霞多丽的种子呼吸在成熟后期急剧下降，这是每克浆果呼吸减少的原因。在晚熟期间，[O 2种子栽培品种的中果皮中的]下降到几乎为零。因此，较低的[O不太可能是2中果皮中]由种子的呼吸需求直接引起的。
温度升高会促进霞多丽和设拉子浆果的CD发生并增加CD的发生率（Bonada等，2013 a）。使用梨果实的建模方法，结果表明，温度升高会大大增加呼吸速率，但不会影响气体扩散特性，从而导致预测的核心[O非常低2]（Ho等人，2009年）。我们对浆果中果皮[O直接测量2]剖面的与这一预测一致。我们还观察到典型的Q 10和呼吸活化能分别为2.47和2.27，在10°C和40°C之间，Chardonnay和Shiraz浆果的整个浆果呼吸速率分别为呼吸。活化能与报道的相似Hertog等人。(1998)对于苹果(52 875 J mol–1)、菊苣(67 139 J mol–1)和番茄(67 338 J mol–1)。与梨果实不同，酿酒葡萄浆果在植物上成熟，并且会变得比周围空气热得多（Smart和Sinclair，1976年；Tarara等人，2008年；Caravia等人，2016年）。瞬态高温会产生大量的呼吸需求和低[O 2正如我们观察到的那样，在中果皮的中心]。然而，随后的在夜间或较温和的天气时的冷却会降低呼吸需求和增加内部〔O 2]如果扩散代表O 2保持相同。这可能会导致产生破坏性的ROS，从而导致不可恢复的细胞损伤（Pfister-Sieber和Braendle，1994年；Ravyler等人，2002年）。
结论
葡萄内部[O 2]在果实发育过程中下降，并且与中果皮细胞死亡的特征相关。花梗上的皮孔为O提供了途径2扩散到浆果中，当被覆盖以限制O 2扩散到浆果中时，会导致浆果[O大量减少2中心的]，乙醇浓度增加，以及细胞死亡。不同内部O 2品种之间浆果可用性的差异可能与种子发育和皮孔表面积的差异有关。这里提供的数据为进一步研究浆果气体交换在浆果质量和栽培品种选择中的作用提供了基础，以适应气候变暖的葡萄栽培。
补充资料
补充数据可在JXB在线获得。
图S1。浆果呼吸速率的温度依赖性。
图S2。呼吸Q 10 Chardonnay和Shiraz浆果的在两个成熟阶段对短期测量温度的响应。
图S3。两个发育阶段霞多丽浆果空气空间的显微CT分析。
致谢
我们感谢Wendy Sullivan的专家技术援助，以及Adelaide Microscopy的设施和技术支持。这项研究由澳大利亚研究委员会(ARC)创新葡萄酒生产培训中心(中心www.adelaide.edu.au/tc-iwp/)进行，该作为ARC工业转型研究计划（项目编号IC130100005）得到澳大利亚葡萄酒协会和行业合作伙伴的支持。
