酿酒葡萄越冬枝中蔗糖积累与代谢相关酶功能调控机理研究

Wine grape is an important winemaking crops suitable for cultivation in north of China, where the cold weather leads to damage of wine grape during the buried wintering and unearthed spring. Therefore, study in depth on improving the frost resistance of wine grape becomes more and more important in the agricultural production. The project intends to select two frost resistance rootstocks and two wine grape varieties as materials, the "surcose accumulation - gene activity - gene expression" as the principle, on the basis sucrose is a key substance related to frost resistance that is demonstrated, focus on studying the relationship between the gene of CBFs related frost resistance and gene expression related to sucrose metabolic, and the influence of CBFs gene on the activity of sucrose synthase, sucrose phosphate synthase, invertase and VvSUCs, confirm the enzyme and gene that regulate the sucrose metabolic, reveal the frost resistance difference of sucrose metabolic in wine grape species, seek for the mechanism of sucrose metabolic changes in wintering sticks. The research achievement will provide an important foundation for breed improvement of wine grape by functions genome and transgenic technology.

酿酒葡萄是适宜我国北方干旱地区种植的重要酿酒作物。但北方冬季寒冷，酿酒葡萄在埋土越冬与春季出土过程中常常遭受冷冻天气的危害。因此，改良与提高酿酒葡萄的抗冻性则成为该地区农业生产中需要深入研究的重大问题。本项目拟选择抗冻性差异较大的2个葡萄砧木和2个酿酒葡萄品种为材料，在已试验证明蔗糖为酿酒葡萄抗冻性关键物质的基础上，以越冬枝中"蔗糖积累-相关代谢酶活性-基因表达"代谢链为主线 重点研究植物抗寒/抗旱转录因子CBFs基因与蔗糖相关代谢酶基因表达的关系及其对蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖转化酶（AI）以及蔗糖转运蛋白（VvSUCs）活性的影响，确定蔗糖积累代谢的关键酶与相关基因，揭示抗冻性不同酿酒葡萄中蔗糖代谢的差异，探索越冬枝中蔗糖积累变化的调控机理，为应用葡萄功能基因组和转基因技术进行葡萄抗冻性的改良奠定研究基础。

酿酒葡萄主要种植于我国北方地区，冬季低温引发的冻害制约种植面积和产量提高。利用生物技术手段提高植株体内抗冻物质(可溶性糖)积累可有效防御低温伤害。为了全面揭示植株低温胁迫/适应过程中碳水化合物积累、代谢与转运机理，项目利用抗冻较强“贝达”和抗冻较弱“赤霞珠”品种为材料，对全生育期内枝条中糖和淀粉积累代谢、相关酶活性、关键基因表达、根系差异蛋白质积累、以及外源物质调控等方面进行了深入研究，结果表明：.1. 糖积累与代谢受生育期的显著影响。生长期，“贝达”和“赤霞珠”枝条中蔗糖含量均呈现“高-低-高”的变化趋势。越冬期，枝条内蔗糖、果糖和葡萄糖在温度降至最低时含量均达到最高。全生育期，蔗糖含量与SS和SPS活性呈显著正相关性。越冬期间，“贝达”枝条中可溶性糖代谢活动显著高于“赤霞珠”。.2. 低温胁迫显著影响植株生物学特性，主要表现为：抑制叶片植株光合特性和气孔开度，加速枝条中可溶性糖代谢及其相关酶活性、阻碍淀粉粒积累，减弱根系活力，刺激糖代谢酶基因SPS和NI、抗冻基因CBF1、CBF2、CBF3和CBF4的高效表达。 “贝达”相比“赤霞珠”，以上生物学特性在响应/适应低温胁迫的能力更强。.3. 根系是植株防御低温/越冬的主要功能器官，其差异蛋白质积累受越冬期低温的显著诱导。越冬期-15℃相比-4℃，有53个差异蛋白质(26个正表达，27个负表达)参与17类生物学功能，21个蛋白质直接参与以糖代谢为中心的代谢网络。“贝达”相比“赤霞珠”，有114个差异蛋白质(54正表达，60个负表达)参与20类生物学功能，11个蛋白质直接参与以糖代谢为中心的代谢网络。.4. 利用生物技术手段可调控植株体内糖的积累与代谢。外施适宜浓度ABA和Ca2+可通过调节关键酶AI、NI、SS和SPS活性，显著促进低温及胁迫恢复过程中糖和淀粉的含量。.该研究结果将对酿酒葡萄大面积种植栽培与设施调控、抗冻嫁接、品种选育和分子改良等方面提供理论依据和技术支撑。