根域限制下葡萄果实后筛分子糖运输变化及其机理研究

After unloading from phloem, Sugar is imported into flesh cells; this transport event is called post-sieve element transport, which is the last station of sugar accumulation in fruit and the major determinant of fruit quality. The applicant found that root restriction increased the speed of sugar unloading from phloem in grape berry, this also implies the efficiency of sugar transport and accumulation in flesh cells should make response to the changes, but no relevant research have been reported. Based on our former research on root restriction, we will carry out this research by investigating the structural and functional changes of grape fruit flesh cells under root restriction during different developmental stages of grape berry, including the dynamic of sugar transport and accumulation in flesh cells, the changes of ultrastructure of flesh cells, the physiological energy metabolism of flesh cells, the distribution and express of sucrose transporter protein in flesh cell, and subcellular localization of ATPase activity in the flesh cells. The studies in this project will explain the mechanism of sugar accumulation in grape fruit under root restriction from a new perspective on this issue, provide important theories in regulation of sugar accumulation and fruit quality in viticulture practice, and also have important academic values to study fruit quality and viticulture practice.

糖分在库果实端经韧皮部卸载后进入果肉细胞，这一运输过程被称作“后筛分子运输”，它是果实内糖运转的“最后一站”，也是决定果实品质的关键环节。申请人在以往的研究中发现根域限制栽培模式下，葡萄库端果实韧皮部糖卸载量和卸载速率增加，而果肉细胞糖运转与积累效率是制约韧皮部糖卸载效率的关键因素，但相关研究未见报道。本项目是在前期研究的基础上，基于果肉细胞结构与功能分析，对根域限制下葡萄果实发育过程中果肉细胞可溶性糖运转细胞学途径与积累动态变化、果肉细胞超微结构变化、果肉细胞能量代谢变化、果肉细胞糖转运蛋白亚细胞定位和表达、果实ATP酶的亚细胞化学定位等内容进行系统研究，从一个新的角度更加明确地阐述葡萄果实糖积累的细胞学途径与机制以及糖积累与根域限制胁迫的响应关系，弄清根域限制提升果实品质的生理机理，为人们在调控葡萄品质方面的应用技术研究提供理论依据，同时对果树栽培生理学发展具有一定学术价值。

本项目围绕根域限制对葡萄果实糖分积累的影响机理进行了系统研究，取得的主要结果为：（1）不同根域容积对葡萄树体各器官生长都产生了影响，尤其是对地上部分营养生长起到了明显的抑制作用，随着根域容积的下降，叶面积下降，新梢长度和粗度生长减少，根系构型发生了变化，细根数量增多，粗根数量下降。（2）根域限制下葡萄果实中ABA含量增加，同时糖含量积累增加，通过施用外源ABA实验发现，ABA显著提升了葡萄果实外观品质，促进糖含量增加，通过对蔗糖代谢酶活性测定发现，ABA处理通过影响糖代谢相关的酶活性促进果实糖分的积累。转录组比较分析表明，3个采样点分别有582、560、1446个差异表达基因(DEGs)。KEGG功能富集共筛选出20个与果实糖分转运和代谢相关的差异基因，同时发现DEGs相对表达水平表达趋势与转录组数据相似，ABA处理促进葡萄果实糖转运和代谢相关基因的表达。（3）葡萄果实维管束是为果实运输水分和营养物质的通道，但是由于果实中的维管束组织较细，采用传统的离析方法不能够获得维管束完整的单细胞，本项目结合根域限制处理，开发了离析葡萄果实维管束细胞的实验方法，能够观察到木质部导管、韧皮部筛管、薄壁细胞、果肉细胞等单细胞，结果表明根域限制增加了木质部导管的粗度，梯形导管比例增加，提高了果实第一次快速生长期水分运输效率。（4）在根域限制下叶片光合速率下降，光合产物输出减少，从叶片的整个生长周期来看，随着叶龄的增加，根域限制下叶片衰老加快。通过对不同叶龄叶片衰老机制进行研究表明，对未展开叶，生长中叶，成熟叶进行转录组分析，共得到58.57GB的有效数据。未展开叶，生长中叶，成熟叶进行转录组分析，共得到58.57GB的有效数据。三个对比组合中差异表达基因总计10856个。GO富集分析发现，差异表达基因主要富集在光合作用、多糖代谢、类囊体合成、叶绿体合成、叶绿素结合蛋白等过程中。因此在源叶中光合效率的下降与根域限制诱导的叶片衰老有一定关系。