Hypoxia in grape berries: the role of seed respiration and lenticels on the berry pedicel and the possible link to cell death

葡萄漿果中的缺氧：種子呼吸和漿果梗上皮孔的作用及其與細胞死亡的可能聯系

來源：Journal of Experimental Botany, volume 69, number 8, pages 2071-2083, year 2018

《實驗植物學雜志》，第69卷第8期，第2071-2083頁，2018年

 

摘要

本研究探討了葡萄漿果中缺氧是否與中果皮細胞死亡相關。使用氧氣微傳感器測量了有籽品種（Chardonnay和Shiraz）和無籽品種（Ruby Seedless）漿果內部的氧氣濃度，發現氧氣濃度從皮膚向中果皮內部遞減，最低濃度接近零，與細胞死亡剖面相關。種子呼吸在成熟早期占漿果呼吸的大部分，但后期可忽略。X射線微CT顯示漿果內部存在氣室連接梗部，梗部皮孔是氧氣吸收的關鍵途徑，阻塞皮孔導致缺氧、乙醇積累和細胞死亡。研究表明缺氧在漿果細胞死亡、成熟和水關系中起重要作用。

 

研究目的

本研究旨在檢驗葡萄漿果內部缺氧是否與中果皮細胞死亡相關，并探究種子呼吸和梗部皮孔在氧氣供應中的作用，以理解漿果成熟過程中的生理變化。

 

研究思路

研究通過比較有籽和無籽葡萄品種，使用氧氣微傳感器測量漿果內部氧氣濃度剖面，結合細胞活力染色、呼吸速率測量、微CT成像和皮孔阻塞實驗，分析氧氣梯度與細胞死亡的關系。實驗在不同成熟階段進行，并考察溫度對呼吸的影響，以驗證缺氧假設。

 

測量的數據及研究意義

1 漿果內部氧氣濃度剖面數據：測量了Chardonnay、Shiraz和Ruby Seedless漿果在不同成熟階段的氧氣濃度梯度，顯示氧氣從皮膚向內部遞減，最低點對應細胞死亡區域。來自圖1、圖2和圖4。研究意義是直接證實漿果內部存在缺氧區域，并與細胞死亡空間分布一致，支持缺氧導致細胞死亡的觀點。

 

 

 

2 細胞活力數據：通過FDA染色評估漿果細胞活力，顯示氧氣濃度與細胞活力正相關。來自圖2和圖3。研究意義是量化細胞死亡程度，驗證氧氣濃度與細胞存活的關系，增強缺氧生理影響的證據。

 

3 呼吸速率數據：測量了漿果和種子的呼吸速率，顯示種子呼吸在成熟早期占主導但后期下降。來自圖5和圖7。研究意義是揭示種子呼吸對漿果氧氣需求的貢獻，解釋成熟后期缺氧加劇的原因。

 

 

4 皮孔作用數據：通過阻塞梗部皮孔或施用氮氣，測量氧氣濃度變化，顯示皮孔是氧氣擴散主要途徑。來自圖6、圖7和圖8。研究意義是確認皮孔在漿果氣體交換中的關鍵角色，為改善漿果質量提供干預靶點。

 

 

5 微CT空氣空間數據：顯示漿果內部氣室分布，連接梗部與中央維管束。來自圖10。研究意義是提供結構基礎，解釋氧氣擴散路徑，支持生理測量結果。

 

 

結論

1 葡萄漿果內部氧氣濃度隨成熟下降，缺氧區域與中果皮細胞死亡剖面相關，表明缺氧是細胞死亡的重要因素。

2 梗部皮孔是氧氣進入漿果的主要通道，阻塞皮孔導致缺氧、乙醇積累和細胞死亡加速。

3 種子呼吸在成熟早期貢獻大量氧氣需求，但后期下降；溫度升高增加呼吸需求，加劇缺氧。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧氣微電極測量的數據具有關鍵研究意義。這些電極用于精確測量漿果內部氧氣濃度剖面（如來自圖1、圖2），提供了高空間分辨率的缺氧證據。通過直接插入漿果組織，微電極避免了傳統方法的干擾，可靠地顯示了氧氣梯度從皮膚向內部的遞減，最低點接近零，這與細胞死亡區域吻合。測量還驗證了皮孔作為氧氣擴散途徑的作用，當施用氮氣時氧氣濃度迅速下降（圖8）。此外，微電極數據與細胞活力染色結合（圖3），建立了氧氣濃度與細胞存活的相關性，強化了缺氧導致細胞死亡的生理機制。這些高精度測量為理解漿果成熟過程中的氣體交換和缺氧應激提供了直接證據，支持了農業實踐中改善漿果質量的策略。