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(xì)胞死亡的可能聯(lián)系

來(lái)源：Journal of Experimental Botany, volume 69, number 8, pages 2071-2083, year 2018

《實(shí)驗(yàn)植物學(xué)雜志》，第69卷第8期，第2071-2083頁(yè)，2018年

 

摘要

本研究探討了葡萄漿果中缺氧是否與中果皮細(xì)胞死亡相關(guān)。使用氧氣微傳感器測(cè)量了有籽品種（Chardonnay和Shiraz）和無(wú)籽品種（Ruby Seedless）漿果內(nèi)部的氧氣濃度，發(fā)現(xiàn)氧氣濃度從皮膚向中果皮內(nèi)部遞減，最低濃度接近零，與細(xì)胞死亡剖面相關(guān)。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(nèi)部存在氣室連接梗部，梗部皮孔是氧氣吸收的關(guān)鍵途徑，阻塞皮孔導(dǎo)致缺氧、乙醇積累和細(xì)胞死亡。研究表明缺氧在漿果細(xì)胞死亡、成熟和水關(guān)系中起重要作用。

 

研究目的

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

 

研究思路

研究通過(guò)比較有籽和無(wú)籽葡萄品種，使用氧氣微傳感器測(cè)量漿果內(nèi)部氧氣濃度剖面，結(jié)合細(xì)胞活力染色、呼吸速率測(cè)量、微CT成像和皮孔阻塞實(shí)驗(yàn)，分析氧氣梯度與細(xì)胞死亡的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)在不同成熟階段進(jìn)行，并考察溫度對(duì)呼吸的影響，以驗(yàn)證缺氧假設(shè)。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 漿果內(nèi)部氧氣濃度剖面數(shù)據(jù)：測(cè)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(nèi)部遞減，最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)細(xì)胞死亡區(qū)域。來(lái)自圖1、圖2和圖4。研究意義是直接證實(shí)漿果內(nèi)部存在缺氧區(qū)域，并與細(xì)胞死亡空間分布一致，支持缺氧導(dǎo)致細(xì)胞死亡的觀點(diǎn)。

 

 

 

2 細(xì)胞活力數(shù)據(jù)：通過(guò)FDA染色評(píng)估漿果細(xì)胞活力，顯示氧氣濃度與細(xì)胞活力正相關(guān)。來(lái)自圖2和圖3。研究意義是量化細(xì)胞死亡程度，驗(yàn)證氧氣濃度與細(xì)胞存活的關(guān)系，增強(qiáng)缺氧生理影響的證據(jù)。

 

3 呼吸速率數(shù)據(jù)：測(cè)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(dǎo)但后期下降。來(lái)自圖5和圖7。研究意義是揭示種子呼吸對(duì)漿果氧氣需求的貢獻(xiàn)，解釋成熟后期缺氧加劇的原因。

 

 

4 皮孔作用數(shù)據(jù)：通過(guò)阻塞梗部皮孔或施用氮?dú)猓瑴y(cè)量氧氣濃度變化，顯示皮孔是氧氣擴(kuò)散主要途徑。來(lái)自圖6、圖7和圖8。研究意義是確認(rèn)皮孔在漿果氣體交換中的關(guān)鍵角色，為改善漿果質(zhì)量提供干預(yù)靶點(diǎn)。

 

 

5 微CT空氣空間數(shù)據(jù)：顯示漿果內(nèi)部氣室分布，連接梗部與中央維管束。來(lái)自圖10。研究意義是提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，解釋氧氣擴(kuò)散路徑，支持生理測(cè)量結(jié)果。

 

 

結(jié)論

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

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

3 種子呼吸在成熟早期貢獻(xiàn)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(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氧氣微電極測(cè)量的數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵研究意義。這些電極用于精確測(cè)量漿果內(nèi)部氧氣濃度剖面（如來(lái)自圖1、圖2），提供了高空間分辨率的缺氧證據(jù)。通過(guò)直接插入漿果組織，微電極避免了傳統(tǒng)方法的干擾，可靠地顯示了氧氣梯度從皮膚向內(nèi)部的遞減，最低點(diǎn)接近零，這與細(xì)胞死亡區(qū)域吻合。測(cè)量還驗(yàn)證了皮孔作為氧氣擴(kuò)散途徑的作用，當(dāng)施用氮?dú)鈺r(shí)氧氣濃度迅速下降（圖8）。此外，微電極數(shù)據(jù)與細(xì)胞活力染色結(jié)合（圖3），建立了氧氣濃度與細(xì)胞存活的相關(guān)性，強(qiáng)化了缺氧導(dǎo)致細(xì)胞死亡的生理機(jī)制。這些高精度測(cè)量為理解漿果成熟過(guò)程中的氣體交換和缺氧應(yīng)激提供了直接證據(jù)，支持了農(nóng)業(yè)實(shí)踐中改善漿果質(zhì)量的策略。