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夏黑葡萄一次果和延后果果实香气及关键基因表达分析

2024-11-05雷舒敏王荣杨国顺王美军陈文婷谭君戴述雄许延帅

南方农业学报 2024年8期

摘要:【目的】分析夏黑葡萄常规栽培一次果和延后果果实香气及关键基因表达,为提高湖南地区葡萄果实品质,延长葡萄上市时间及葡萄延后栽培技术提升提供参考依据。【方法】以9年生夏黑葡萄为试验材料,设常规一次果栽培为对照组(T1),分别于2022年5月26日(T2)、6月5日(T3)和6月15日(T4)3个时期对主梢第4节位短截,记录不同处理各阶段物候期,测定葡萄成熟期果实生理指标,包括果实单粒重、明度值(L*)、颜色指数、纵径、横径、硬度、可溶性固形物(TSS)和总酸(TA)含量等指标;利用气相色谱—质谱联用法测定不同处理夏黑葡萄果实挥发性香气成分,分析香气物质差异及化合物气味活性值(OAV),并绘制香气特征轮廓;通过对4个处理果实进行转录组测序(RNA-Seq),以|log2 Fold Change|≥1且P<0.05为筛选标准,采用DEGSeq筛选组间差异表达基因(DEG),并分析调控夏黑葡萄花香和玫瑰香的磷酸甲基赤藓醇(MEP)途径和类胡萝卜素代谢途径的关键基因表达量。【结果】T1夏黑葡萄从萌芽至成熟期所需天数较T2、T3和T4多30~39 d,T1成熟期果实单粒重(8.57 g)显著高于T2、T3和T4(P<0.05,下同),T1果实TSS含量最高,显著高于T2和T4,与T3无显著差异(P>0.05),T3果实中TA含量最低,固酸比排序为T3>T1>T4>T2。T1、T2、T3、T4果实中检测出的香气物质种类分别有25、25、24和24种,其中乙酸乙酯、己醛、反式-2-己烯基醛、丙酸酐和苯乙醇为优势化合物,含量占化合物总量95%以上,T3果实中萜烯类化合物的含量相对较高。乙酸异戊酯仅在T1和T3果实中被检测出;T3果实中橙花醇(16.30μg/kg)、香叶醇(8.74μg/kg)和柠檬烯(7.31μg/kg)含量在4个处理中最高。香气物质OAV与香气特征轮廓分析结果显示,T1、T2、T3、T4葡萄果实中分别检出OAV≥1的化合物种类为9、10、10和9种,果香和甜香气味强度最大的为T 其次为T3,最小的为T4。RNA-Seq结果显示,T1 vs T3、T3 vs T2、T3 vs T4分别有2532、781和1113个上调DEGs,1397、703和426个下调DEGs。与萜类化合物合成有关的GPPS基因和与类胡萝卜素合成有关的PSY和CCD1基因在T3果实中的表达量最高。【结论】于6月5日左右对葡萄主梢第4节位进行短截的葡萄果实高糖低酸,果香和花香风味浓郁,果实品质较好。

关键词:夏黑葡萄;延后栽培;果实品质;香气;转录组

中图分类号:S663.1文献标志码:A文章编号:2095-1191(2024)08-2295-15

Analysis of berry aroma and key gene expression in normal and delayed cultivation of Summer Black grapes

LEI Shu-min WANG Rong YANG Guo-shun WANG Mei-jun CHEN Wen-ting TAN Jun DAI Shu-xiong XU Yan-shuai1*

(1College of Horticulture,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan 410014,China;2Lixian AgriculturalTechnology Extension Center,Changde,Hunan 415000,China)

Abstract:【Objective】The study analyzed the berry aroma and key gene expression in normal and delayed cultivation of Summer Black grapes,which provided reference for improving the quality of grape berries in Hunan,extending the grape market time,and enhancing the techniques of grape delayed cultivation.【Method】Using nine-year-old Summer Black grape as experimental materials,a normal cultivation was set as the control group(T1).The main shoot was pruned at the fourth node in three separate periods:May 26,2022(T2),June 5,2022(T3),and June 15,2022(T4)respec-tively.Phenological stages of different treatments were recorded,and physiological indexes of grape berries at ripeningstage were measured,including single berry weight,lightness value(L*),color index,vertical diameter,transverse dia-meter,hardness,total soluble solids(TSS),and total acidity(TA)contents.Gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS)analysis was employed to detect the volatile aroma substances in the Summer Black grapes subjected to diffe-rent treatments.Differences in aroma substances were analyzed,odor activity values(OAV)of the compounds were cal-culated,and aroma profiles were depicted.In addition,transcriptome sequencing(RNA-Seq)technology was applied tothe berries from the four different delayed cultivation treatments.Differentially expressed genes(DEGs)between groups were screened using DEGSeq with the criteria of|log2 Fold Change|≥1 and P<0.05.Expression levels of key genes in-volved in the methylerythritol phosphate(MEP)pathway and carotenes metabolism pathway,which regulated floral aroma and rosey aroma in Summer Black grapes,were analyzed.【Result】The results showed that,the number of daysrequired for the T1 Summer Black grapes from budding stage to ripening stage was 30-39 d longer compared to T T3,and T4.The single berry weight of T1 at ripening stage(8.57 g)was significantly higher than that of T T3,and T4(P<0.05,the same below).Moreover,berries in T1 exhibited the highest TSS content,significantly higher than T2 and T4,while had no significant difference compared to T3(P>0.05).Among the four treatments,T3 had the lowest TA con-tent,resulting in a solid-acid ratio ranking as T3>T1>T4>T2.A total of 25,25,24,and 24 aroma substances were de-tected in the berries of T T T3,and T4 respectively.Ethyl acetate,hexanal,(E)-2-hexen-1-al,propionic anhydride and phenylethyl alcohol were identified as the dominant compounds,whose contents accounting for over 95%of the total compounds.Notably,terpenes content in berries in T3 were relatively abundant.Isopentyl acetate was only detected in berries in T1 and T3.Furthermore,T3 had the highest contents of nerol(16.30μg/kg),geraniol(8.74μg/kg)and limo-nene(7.31μg/kg)among four treatments.Analysis of OAV and aroma profiles revealed that 9,10,10,and 9 compounds with OAVs≥1 were detected in T T T3,and T4 respectively.T1 exhibited the strongest intensity of fruity aroma andsweet aroma,followed by T3,with T4 having the weakest aroma intensity.RNA-Seq results revealed that 253 781 and1113 DEGs were up-regulated,and 1397,703 and 426 DEGs were down-regulated in T1 vs T3,T3 vs T and T3 vs T4respectively.Notably,the expression levels of GPPS genes associated with terpene biosynthesis and PSY gene and CCD1 gene involved in carotene synthesis were the highest in T3 berries.【Conclusion】Summer Black whose main shoots are pruned at the fourth node on June 5 produce berries that are characterized by high sugar content and low acidity,accompa-nied by intense fruity aroma and floral aroma,leading to fine berry quality.

Key words:Summer Black grape;delayed cultivation;berry quality;aroma;transcriptome

Foundation items:National Natural Science Foundation of China(32172519);Regional Joint Fund of Hunan(2023JJ50063)

0引言

【研究意义】夏黑(Summer Black)葡萄为巨峰和无核白的后代,由于其早熟无核特性,逐渐成为我国主栽鲜食葡萄品种,是近年来我国葡萄产业快速发展阶段中最为成功的品种之一(张克坤等,2017)。南方地区鲜食葡萄成熟期大多在7—8月,存在葡萄成熟期相对集中、季节性过剩的问题,且南方地区在葡萄成熟季高温多雨易导致葡萄感染病害降低果实品质(黄凤珠等,2008)。近年来,南方热区(主要包括云南、广东、广西、海南、福建等地)利用冬季光热资源,开展了夏黑不同时期延后成熟错峰上市技术研究,河北、辽宁、山西、浙江等地利用日光温室和“三膜促早”技术开展了夏黑促早栽培,可将葡萄成熟期提前至4—6月(王华新等,2010;王海波等,2014;黄秋凤等,2021)。目前,获得延后成熟果实主要通过3种方式:(1)去除1次花主梢短截,利用冬芽或夏芽副梢上冬芽萌发开花结果;(2)两代同堂的第二代果;(3)利用“一年两收”或“两年三收”技术,可将果实成熟期延后到9月—翌年1月(曹婷等,2016;林玲等,2017;时晓芳等,2021;盘丰平等,2022;周晴等,2023)。湖南地区因春季阴雨天较多,不适合进行促早栽培,通常采取去除一次花后对主梢先长放后短截促冬芽或夏芽副梢上冬芽萌发产生延后果的技术。延后果较一次果果实常有更浓郁的花香风味,熊榆等(2021)研究发现夏黑延后果的苯甲醛和异戊醇含量明显高于对照,可溶性固形物(TSS)和可溶性糖含量显著高于对照。因此,分析夏黑葡萄一次果和延后果果实香气及关键基因表达,对提高葡萄果实品质,延长葡萄上市时间及葡萄延后栽培技术提升均具有重要意义。【前人研究进展】葡萄的香气品质逐渐成为一种重要的果实品质指标(Wu et al.,2016;王剑功等,2023;张燕平等,2023)。根据感官香气和组成成分,葡萄香气类型共分为3种:草莓香型、中性香型和玫瑰香型(Yang et al.,2009)。果实中的香气按化合物结构分为酯类、醛类、醇类、萜烯类和降异戊二烯类,根据呈香风味香气又分为果香型、清香型、甜香型、花香和玫瑰香型等(成明,2014)。夏黑葡萄属于草莓香型,其特征香气化合物主要包括酯类、醇类和萜烯类物质,如乙酸乙酯、丁酸乙酯、橙花醇和香叶醇等(张海宁等,2014),其中酯类物质为果实提供果香风味,萜烯类化合物使果实呈现花香和玫瑰香(张文文等,2018)。香气易受温度和湿度等环境因子的影响,相对湿度过高会降低葡萄果实品质和香气。刘孟龙等(2021)研究表明果实成熟期的空气湿度与霞多丽果实中可滴定酸、单宁和总酚呈负相关,7—9月环境中相对湿度越高,越不利于赤霞珠果实中乙酸乙酯合成。土壤水分也影响果实中香气含量,田间持水量控制在60%~70%可显著提高果实中萜烯类化合物(柠檬烯和芳樟醇等)及酯类化合物(乙酸乙酯和水杨酸甲酯等)的含量(张克坤等,2023)。光会影响葡萄中香气物质代谢,花后日照时数越长越有利于果实内单萜化合物、C6醇类和C6酯类合成(刘孟龙等,2021),果实开始转色至采收期采用减少果际光照50%的遮光网处理能显著提高果实聚异戊二烯总含量,特别是β-大马士酮含量,从而促进果实花香和果香风味形成(乔丹等,2018)。温度对葡萄果实香气影响较大,花后至成熟阶段的日平均昼夜温差与赤霞珠果实中肉桂醛和苯甲酸乙酯等化合物的含量呈极显著正相关(Xu et al.,2015);许泽华等(2023)研究发现在生长季影响酿酒葡萄品质差异的主要气象因子为日照时数、有效积温、3—10月平均温度和月均最低温度;张乐等(2023)研究发现昼夜温差保持在12.0~15.1℃时可有效增强果实中的果香和花香,昼夜温差为9℃左右时,可提高果实中的烟草香;单萜类化合物数量与年平均温度呈正相关,绝对低温能一定程度上增加单萜类化合物和C6醛含量,但极端高温会抑制香气合成(Orduña,2010;Xu etal.,2015;秦欢,2019;刘孟龙等,2021)。目前南方地区对葡萄成熟期调控的研究多集中在一年两收栽培和延后栽培模式方面(王庆莲等,2013;郭荣荣等,2016;熊榆等,2021;周晴等,2023)。一年两收栽培模式下,优株玫瑰、赤霞珠、雷司令和维多利亚葡萄冬季果中类黄酮、己醛和苯乙醛等化合物含量显著高于夏季果(陈为凯,2018)。一年两收栽培的夏黑葡萄冬季果醇类物质总含量在转色前期显著高于夏季果,在成熟期显著低于夏季果,冬季果其他萜烯类化合物和酯类物质含量均显著高于夏季果(陈彦蓓等,2021)。此外,延后栽培对葡萄果实品质的影响也较大,相较于对照,延后栽培夏黑葡萄果实香气种类更为丰富,醇类化合物含量也较高,但酯类和醛酮类化合物总量较低(熊榆等,2021)。【本研究切入点】目前,有关葡萄果实品质和香气含量研究主要集中在对葡萄一年两收栽培夏季果和冬季果研究等方面,而有关葡萄延后果和常规一次果的果实品质和香气物质含量差异的研究较少,对于延后栽培对夏黑葡萄果实品质和香气组分差异比较研究尚未见文献报道。【拟解决的关键问题】本研究以常规一次果栽培和延后栽培模式下的夏黑葡萄为试验材料,比较4个不同延后处理夏黑葡萄各阶段物候期、成熟期果实生理指标、果实挥发性香气成分及调控夏黑花香和玫瑰香关键基因表达量,筛选果实风味和香气品质最好的延后果及最佳延后果的主梢短截时期,为提高湖南地区葡萄果实品质,延长葡萄上市时间及提升葡萄延后栽培技术提供参考依据。

1材料与方法

1.1试验材料

试验于2022年3—10月在湖南农业大学干杉基地(28°19′N,112°98′E)进行。试验材料为简易避雨栽培的9年生夏黑葡萄,栽培模式为南北走向,起垄栽培,V形棚架,株行距4 m×3m,主干高60 cm。

1.2试验方法

设常规一次果栽培对照组(T1)和3个不同时期短截主梢处理(T2、T3和T4)(表1)。每处理5株葡萄,共计20株。T1常规一次果栽培管理:于4月15日对主梢第6节位摘心,除顶端副梢外,其余副梢均留1叶绝后摘除,顶端副梢留2叶反复摘心。摘心时,摘心部位叶叶宽约2 cm;T2、T3和T4主梢管理方法:4月8日(约开花前3周)去除一次花序,主梢长放,于4月15日对主梢第6节位摘心,副梢管理同常规栽培管理一致。分别于5月26日、6月5日和6月15日对主梢第4节位进行短截,短截后立刻对主梢顶端2个冬芽涂抹1%单氰胺(有效成分含量50%,宁夏大荣化工冶金有限公司)促顶端冬芽萌发。肥水、病虫害管理等同常规,记录不同处理葡萄发育各阶段物候期。T1、T2、T3、T4分别于7月23日、8月28日、9月15日和9月23日采收。采收时,从果穗上、中、下各收集成熟果粒60粒,3次生物学重复,每处理180粒,用于测定果实生理指标。按上述方法每处理采摘90粒成熟果实,将果粒混匀,用液氮冷冻后迅速带回实验室并置于-80℃冰箱保存备用,用于挥发性香气化合物测定。

1.3夏黑葡萄成熟期果实生理指标测定

使用电子天平测定果实的10粒重的平均值为单粒重,游标卡尺测定果实纵、横径,NR-110色差仪(深圳市三恩时科技有限公司)测定果实色泽和明度值(L*)。表现葡萄果实红色程度的颜色指数(CIRG)值参考秦欢(2019)的方法计算。采用ZP-50型数显推拉力计(深圳市艾力固仪器有限公司)测定果实硬度。对葡萄果粒进行榨汁过滤离心后获得果汁,使用PAL-1手持糖度计(日本ATAGO公司)测定果汁中TSS含量;采用NaOH滴定法测定果汁中总酸(TA)含量(周晴等,2023),计算固酸比值(TSS/TA)。每个指标设3个技术重复和3个生物学重复。

1.4挥发性香气成分测定

1.4.1样品前处理参考Chen等(2019)的方法。准确称取50 g葡萄果实样品,去梗后放入液氮中速冻。将果粒置入研钵中并加入1 g聚乙烯吡咯烷酮(PVPP)和0.5 g D-葡萄糖酸内酯,迅速磨成均质粉末状置于离心管中,于4℃冰箱静置4h。准确称取5 g静置后的果浆混合物,移入干净萃取瓶中,加入1 g NaCl,用带有聚四氟乙烯护垫的盖子拧紧。迅速将萃取瓶置于40℃水浴锅中平衡35min,水浴锅液面高度略低于瓶身。平衡结束后迅速将已老化的SPME萃取头(美国默克公司)通过垫片插入瓶内,让萃取头在瓶内距离液面约1 cm,萃取50min后迅速拔出,并插入气相色谱—质谱联用仪(GC-MS)进样口,解析20min后拔出。

1.4.2 GC-MS仪器工作条件使用Agilent 7890B-7000C型气相色谱—三重四级杆串联质谱仪(美国Agilent公司)对挥发性化合物进行检测与分析。色谱柱为DB-WAX熔融石英毛细管气相色谱柱(30 m×250μm×0.25μm,美国Agilent公司);载气(He,99.999%)流速1.0 mL/min,分流进样,分流比为10∶1。GC-MS分析条件和前进样口、柱温升温程序等条件参考张雪枫等(2023)的方法。质谱数据采69f484dac9cbffca8a7dd6290d4f964c集方式:(1)Scan模式,质量扫描范围33~350;(2)SIM模式。1.4.3定性及定量分析结合质谱数据对不同成熟期果实挥发性香气物质进行定性分析,在NIST数据库中检索质谱分析结果比对检测的化合物并对其定性。利用外标法对目标化合物进行准确定量,绘制不同浓度目标物定量离子峰面积和浓度标准曲线,在各目标物浓度范围内,大多数化合物的相关系数(r2)在0.99以上。

1.5气味活性值(OAV)与香气轮廓特征

由于4个处理夏黑葡萄果实样本内香气化合物含量组分不同,且各挥发性香气物质阈值相差较大,因此利用OAV判断对果实整体香气有重要贡献的挥发性香气化合物,绘制香气特征轮廓,对不同成熟期样本的风味气味强度进行比较。OAV为化合物在样本中含量浓度与化合物阈值的比值(陈芝飞等,2018;熊榆等,2021)。一般认为OAV≥1的化合物对果实整体香气有重要贡献,且OAV值越高表示该化合物对果实整体香气贡献度越高(聂枞宁,2022)。OAV计算公式如下:

OAV=Ci/OTi

式中,Ci为化合物在样本中的含量浓度,OTi为化合物阈值。

香气特征轮廓雷达图绘制参考熊榆等(2021)的方法。挥发性香气物质阈值参考Gemert(2011)、熊榆等(2021)的方法,香味描述参考IFRA Fragrance Ingredient Glossary(April 2020 edition)网站(https://ifrafragrance.org/priorities/ingredients/glos-sary)。

1.6转录组测序(RNA-Seq)

采用RNA提取试剂盒提取不同成熟期夏黑葡萄果实中总RNA,所有RNA提取、RNA样品纯度浓度和完整性的检测及RNA-Seq均委托北京百迈客生物科技有限公司完成。主要流程如下:建立RNA-Seq文库的,双链合成加接头,PCR富集获得cDNA文库,文库质量检测,基于Illumina NovaSeq 6000测序平台进行RNA-Seq;通过SeqPrep(https://github.com/jstjohn/SeqPrep)进行过滤;使用HISAT2(http://ccb.jhu.edu/software/hisat2/index.shtml)与葡萄参考基因组(https://plants.ensembl.org/Vitis_vinifera/Info/Index)进行序列比对;以|log2 Fold Change|≥1且P<0.05为筛选标准,采用DEGSeq(http://www.biocon-ductor.org/packages/release/bioc/html/DESeq.html)筛选组间差异表达基因(DEG),以FPKM值表示基因表达量。

1.7统计分析

使用SPSS 26.0对试验数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA),采用Duncan’s法进行差异显著性分析,利用Excel 2016、TBtools和Origin 2019绘制图表。

2结果与分析

2.1不同延后栽培处理夏黑葡萄物候期差异比较分析结果

T1、T2、T3、T4果实成熟期分别为7月23日、8月28日、9月15日和9月23日,成熟果实表现见图1。T1从萌芽至成熟期所需天数为119 d;较T2、T3、T4所需天数分别多36、30和30 d。T2、T3和T4从萌芽至果实成熟期所需天数相近,分别需83、89和89 d。T2、T3、T4延后果萌芽时间均在短截处理后第10、13和11 d,且T2与T3从萌芽至开花期所需天数差异较小,为24和21 d,明显少于T1萌芽至开花期所需天数(36 d)。T1与T2、T3、T4从开花至果实着色期所需天数分别相差16、13和18 d,延后果T2、T3、T4所需天数分别为32、35和30 d。T1较T2、T3、T4果实着色至成熟期所需的天数分别多8、2和9 d,T1与T3果实着色所需的时长最接近(表1)。

2.2延后栽培对夏黑葡萄成熟期果实生理指标的影响

由表2可知,T1夏黑葡萄成熟期果实单粒重(8.57 g)显著高于其他3个延后栽培处理(P<0.05,下同),T2单粒重(2.75 g)最低,显著低于其他3个处理,T3与T4之间无显著差异(P>0.05,下同)。T1果实L*显著小于其他3个处理,T2果实L*最大,说明果皮明度最亮,T1的L*最小,说明果皮明度最暗,T3与T4之间无显著差异。果实CIRG值排序为T1>T3>T4>T T1果实CIRG(6.07)显著高于其他3个处理,T2果实CIRG最低(4.84)。T1果实纵径(24.16 mm)和横径(24.40 mm)均显著高于其他3个处理,T2果实纵径(16.50 mm)和横径(16.05 mm)最小,T3与T4之间无显著差异。T1果实硬度显著高于T2、T3和T4,T3的果实硬度最小(9.73 N),显著小于其他3个处理,T2与T4果实硬度无显著差异。T1果实TSS含量最高,显著高于T2和T4,与T3无显著差异,T4果实中TSS含量最低(17.17%),显著低于其他3个处理,T3与T1无显著差异。T2果实中TA含量最高为5.94 g/kg,T3果实TA含量最低,为4.07 g/kg,T3果实中TA含量显著低于其他3个处理。T3果实中TSS/TA显著高于T1、T2和T4,排序为T3>T1>T4>T2。

2.3延后栽培夏黑成熟果实香气物质差异分析结果2.3.1香气化合物聚类分析结果由图2可知,对4个处理夏黑葡萄成熟期果实中的26种香气化合物含量绘制热图并聚类,香气化合物明显分为两大类,T1和T2、T3和T4的样本从香气相对含量上能被明显区分。T2、T3和T4被分为两大类,T3单独为一类,T2和T4聚为一类。不同处理夏黑葡萄成熟期果实香气物质种类差异不明显,T1、T2、T3、T4果实中检测出的香气物质种类分别为25、25、24和24种。T1和T3果实中香气化合物的整体上相对含量较高,不同处理间的香气物质组成差别较明显,T1果实中异辛醇、苯乙醇和1-辛烯-3-醇等醇类物质相对含量高于T2、T3和T4延后果,T1果实中苯乙醇相对含量(168.80μg/kg)较延后果T3(74.10μg/kg)高127.80%。T3果实中萜烯类化合物的相对含量较高,如橙花醇(16.30μg/kg)、香叶醇(8.74μg/kg)和柠檬烯(7.31μg/kg)的相对含量在4个处理中最高,且T3果实中降异戊二烯类化合物(大马士酮)含量最高。乙酸异戊酯仅在T1和T3果实中被检测到。T2果实中酯类化合物的相对含量较高,例如乙酸乙酯、丁酸乙酯、辛酸乙酯等,且丁酸乙酯仅在T2中被检测到。

2.3.2挥发性物质含量占比分析结果由图3可知,不同延后栽培夏黑葡萄果实香气化合物百分比组分不同。在检测出的26种化合物中,乙酸乙酯、己醛、反式-2-己烯基醛、丙酸酐和苯乙醇为优势化合物,该5种化合物含量占化合物总量95%以上。但不同延后栽培处理夏黑葡萄果实中化合物含量占比不同。T1和T2果实中乙酸乙酯含量占比较一致,分别为98.60%和99.00%,T3和T4果实中乙酸乙酯含量占比低于T1和T 分别为95.56%和95.56%。己醛和反式-2-己烯基醛占比也较大,为3.87%和2.22%,T3和T4果实中己醛和反式-2-己烯基醛含量占比高于T1和T 且所有处理中反式-2-己烯基醛占比高于己醛占比。T1和T3果实中丙酸酐含量占比高于T2和T4。不同延后栽培夏黑葡萄果实中苯乙醇含量占比存在明显差异,T1、T2、T3和T4分别占比0.22%、0.04%、0.26%和0.10%。

2.3.3挥发性物质含量分布差异由图4-A和图4-B可知,不同延后栽培处理夏黑葡萄果实不同样本中分布差异较大的乙酸乙酯、己醛、反式-2-己烯基醛、丙酸酐和苯乙醇为代表差异挥发性化合物,其中乙酸乙酯含量差异最大,最大值与最小值相差49417.55μg/kg。对挥发性物质含量进行放大处理(图4-A右上角小图)发现,除了上述5个关键性挥发性化合物之外,丁酸乙酯、反式-2-丁烯酸乙酯和苯甲醇在不同样品中的分布差异也较为明显。

2.3.4优势特征化合物含量分析结果对8种优势挥发性化合物分析,结果(图5)可知,丁酸乙酯仅在T2果实中被检测到,含量为29.03μg/kg,T1果实中的苯乙醇含量最高(168.8μg/kg)、T4果实次之(85.17μg/kg);T1果实中反式-2-丁烯酸乙酯含量最高(13.47μg/kg),T3最低为5.77μg/kg,二者相差约2倍;T3果实中苯甲醇含量最高为47.49μg/kg,T2果实含量最低为16.09μg/kg(图5-A)。由图5-B可知,反式-2-己烯醛含量排序为T4>T3>T2>T 丙酸酐含量排序为T1>T3>T4>T 反式-2-己烯醛和丙酸酐含量在不同延后栽培夏黑葡萄果实间相差明显,T4的反式-2-己烯醛含量最高(2359.346μg/kg),T1最少(80.37μg/kg),T4是T1的30倍。己醛在4个处理的夏黑葡萄果实含量差异不明显,排序为T4>T2>T3>T1。乙酸乙酯是果实中含量最高的化合物,4个处理夏黑葡萄果实中乙酸乙酯含量均在1000.00μg/kg以上,T2果实中含量最高为100061.75μg/kg,T3最低为26724.55μg/kg(图5-C)。

2.4延后栽培夏黑成熟果实香气物质OAV与香气特征轮廓分析结果

通过计算定量检测出的化合物OAV结果(表3)可知,T1、T2、T3、T4葡萄果实中分别检出OAV≥1的化合物种类为9、10、10和9种,检出香气物质种类和数量相近,但延后栽培处理各化合物的OAV存在明显差异。对夏黑果实香气风味有重要贡献的香气物质为乙酸乙酯、柠檬烯、芳樟醇、橙花醇、香叶醇、愈创木酚、己醛、大马士酮和反式-2-己烯基醛。4个处理中,大马士酮、乙酸乙酯、柠檬烯、芳樟醇和橙花醇活性强度较高,OAV>5。酯类化合物如乙酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸异戊酯的OAV值之和最大。对不同延后栽培处理夏黑葡萄果实香气特征轮廓绘制雷达图,结果(图6)可知,不同延后栽培处理夏黑葡萄成熟期果实香气特征轮廓基本一致,分别是果香、青草香和花香。结合表3可知,构成果香气味的主要物质有乙酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸异戊酯;构成青草香气味的主要物质为己醛;橙花醇、香叶醇和大马士酮对花香和玫瑰香气味均有重要贡献,构成花香气味的还包括芳樟醇和反式-2-己烯基醛。不同延后栽培处理果实风味气味强度不同,其中果香和甜香气味强度最大的为T 其次为T3,最小的为T4。青草气味强度最大为T4,最小为T1。T3果实花香气味在4个处理果实中最强,T3和T4果实的花香风味均比T1更为浓郁。果实草药味气味强度最高的为T3。

2.5延后栽培夏黑成熟果实RNA-Seq分析结果

2.5.1原始测序数据的分析及质量评估不同延后栽培处理夏黑葡萄果实RNA-Seq结果(表4)显示,去除低质量Reads,获得22650435~24063866条Clean reads,GC含量为46.28%~46.72%,样本中≥Q30碱基为94.13%~94.86%,表明测序结果可靠。

2.5.2不同延后栽培处理夏黑葡萄果实DEGs筛选结果由表5可知,T1 vs T2、T1 vs T3、T1 vs T4、T3 vs T2、T4 vs T2、T3 vs T4分别有1913、2532、2119、781、1611、1113个上调DEGs和816、1397、1946、703、926、426个下调DEGs。通过对DEGs分析,发现共有8个DEGs与萜类骨架生物合成(Terpenoid backbone biosynthesis)途径中的磷酸甲基赤藓醇(Methy‐lerythritol phosphate,MEP)途径有关,17个DEGs与类胡萝卜素代谢(Carotenoid biosynthesis)途径有关。

2.6 MEP途径和类胡萝卜素代谢途径关键基因分析结果

由图7可知,与MEP途径有关的8个基因中有3个1-脱氧-d-木黄糖-5-磷酸合酶基因(DXS)、1个1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构化酶基因(DXR)、1个香叶基焦磷酸合酶基因(GPPS)、2个萜烯合酶基因(TPS)。DXS2(Vitvi11g01303)和VvDXS4基因(Vitvi11g01307)在T3和T4中的表达量高于T1和T 基因VvDXS1(Vitvi05g00372)在T4中表达量最高。基因DXR(Vitvi17g00816)在T3和T4果实中上调表达,在T1果实中下调表达。GPPS基因(Vitvi15g000 79)在T3果实中的表达量最高。基因TPS(Vitvi01g00 793和Vitvi12g00146)在T2果实中表达量最高,T3果实中整体上调表达,T1和T4果实iKzYjb3NKney9pZXWSzhz0lWaa0q3RD+MV9e0yGJAgk=中下调表达。

果实中的降异戊二烯类化合物如β-紫罗兰酮、β-大马士酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮等源于类胡萝卜素代谢路径,它们以类胡萝卜素为前体,为果实提供花果香气(高媛等,2023)。本研究中筛选出17个与类胡萝卜素代谢路径有关的基因。类胡萝卜素合成途径中的异戊二烯来源于MEP途径,由异戊二烯焦磷酸(Isopentenyl diphosphate,IPP)和二甲基烯丙基焦磷酸(Dimethylallyl diphosphate,DMAPP)在香叶基焦磷酸合酶(Geranyl-geranyl diphosphate synthase,GGPS)作用下合成香叶基焦磷酸,之后在八氢番茄红素合成酶(Phytoene Synthase,PSY)作用下完成类胡萝卜素代谢合成途径中的第一步。本研究中筛选了2个在T3果实中表达量显著上调,且与GGPS有关的基因(Vitvi19g00506和Vitvi05g00289)。除了Vitvi04g02011在T4中表达量最高,基因PSY(Vitvi13g01557和Vitvi12g00084)在T3中表达量最高。八氢番茄红素在八氢番茄红素脱氢酶(Phytoene Dehydrogenase,PDS)、ζ-胡萝卜素异构酶(ζ-Caroteneisomerase,Z-ISO)、ζ-胡萝卜素脱氢酶(ζ-Carotene dehydrogenase,ZDS)和胡萝卜素异构酶(Carotenoidisomerase,CRTISO)的作用下最终合成番茄红素,基因PDS(Vitvi09g00004和Vitvi03g00170)、ZDS(Vitvi14g00424)、CRTISO(Vitvi04g01293)均在T2和T3果实中上调表达,基因Z-ISO(Vitvi05g01347)在T3和T4果实中上调,CRTISO基因在T3果实中表达量最高。合成的番茄红素在番茄红素ε-环化酶(Lycopeneε-cyclase,LCYe)作用下合成γ-胡萝卜素,接着继续合成β-胡萝卜素,本研究中LCYe基因(Vitvi11g00148)在T3果实中表达量最高。β-胡萝卜素被β-胡萝卜素羟化酶基因(CHYB基因,Vitvi02g00020)羟化合成玉米黄质等,CHYB在T2和T3中的表达量较高。玉米黄质和紫黄质之间可受到紫黄质脱环氧化酶(Violaxanthin de-epoxidase,VDE)和玉米黄质环氧化酶(Zeaxanthin epoxidase,ZEP)相互转换,本研究中VDE(Vitvi04g01082)和ZEP(Vitvi07g01745)基因整体上在T3果实中表达量较高,其次是T2。番茄红素合成玉米黄质的中间产物均可以被类胡萝卜素裂解双加氧酶(Carotenoid cleavage dioxygenase,CCD)裂解成C13-降异戊二烯类化合物如β-紫罗兰酮、β-大马士酮等,基因CCD1(Vitvi13g01724)在T2和T3中上调表达。

3讨论

延后栽培技术在南方地区已经开展了相关研究及应用(熊榆等,2021;王玉倩等,2023),对巨玫瑰和夏黑葡萄延后栽培研究发现延后栽培的果实风味较常规栽培一次果更浓郁(熊榆等,2021;熊榆,2023;周晴等,2023),不同成熟期可造成同一品种果实的品质和香气物质含量产生差异(陈彦蓓等,2021)。反式-2-己烯醛和己醛为葡萄中主要的C6醛,与果实的成熟有关,对果实香气形式有重要意义(EI Hadi et al.,2013;陈彦蓓等,2021),本研究结果表明,除乙酸乙酯外,己醛和反式-2-己烯醛在4个处理果实中含量占比大,T4含量最高。不同延后栽培处理夏黑葡萄果实与T1果实酯类化合物的含量和活性值之间存在差异,其中T3果实的果香风味是延后果中最强的,即酯类化合物如乙酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸异戊酯的OAV值之和最大。除了酯类化合物外,葡萄果实中的萜醇、醛类等萜烯类化合物是为葡萄果实带来浓郁花香和果香的香气物质,也是麝香葡萄和葡萄酒的典型香气物质(张明霞等,2008;陈彦蓓等,2021)。本研究结果表明,延后果(T2、T3和T4)相较于T1果实有更加浓郁的花香风味,其中T3果实中的柠檬烯、橙花醇、香叶醇和芳樟醇等萜烯类化合物的含量最高,花香风味最为浓郁,与熊榆等(2021)研究发现的延后果的果香和花香风味略低于一次果的结果不一致,造成差异的原因可能与葡萄成熟的时间及发育至成熟阶段环境等因素不同有关,本研究中T3和T4延后果的成熟期分别延后至9月15日和9月23日,与熊榆等(2021)研究中8月成熟的延后果的成熟期明显不同。在同一品种且栽培措施一致的情况下,对果实香气影响最大的是环境因素(Mendez-Costabel et al.,2013;Xu etal.,2015),本研究中造成不同延后栽培处理夏黑葡萄果实香气物质含量差异明显的原因很可能是由生长阶段的温度差异导致,特别是T1和延后果之间。单萜类香气物质的合成与日平均最高温呈负相关(Lacey et al.,1991),杨洋等(2021)研究发现适当降低夜间温度能有效提高醛类和萜烯类化合物的相对含量,有助于提高果实品质。本研究中,T1果实中醇类化合物和萜烯类化合物的含量相对较高,猜测与T1果实发育阶段中前期夜间平均温度较低且平均最高温偏低有关。本研究中T3果实中萜烯类和大马士酮含量最高,与梁攀(2018)研究发现萜烯类和降异戊二烯类化合物与积温、日平均温呈显著相关的研究结果一致。根据果实整体香气风味强度,使延后果果实香气风味最佳的主梢短截的时间在6月5日左右,T2(5月26日短截)果实中乙酸乙酯含量最高且大于T 后续将调整短截的时间在5月26日—6月5日,可能一定程度会增强乙酸乙酯的浓度,获得果香和花香风味强度均大于T1的延后果,因此,最佳短截时间还有待继续研究。

除了香气外,果实生理指标如果粒大小、颜色和TSS及TA含量等均决定着果实的品质。不同延后栽培成熟期果实与一次果的果粒大小存在显著差异(陈为凯,2018;熊榆等,2021),本研究中T1果实单粒重、纵径和横径均显著高于延后果,与熊榆等(2021)的研究结果一致。葡萄果实大小与果实内源激素和环境因素有关,常规栽培的葡萄果实在气温达30℃以上时几乎不再膨大,而高于35℃果实可能出现萎缩,不同品种葡萄膨大对温度的要求不同(Greer and Weedon,2014),本研究中延后果果实膨大期温度为30℃左右,后期高于35℃,影响了果实的膨大,因此,后续研究需解决如何保持果实大小的问题,下一步将通过栽培措施将延后果的成熟期调控至10月底至12月初。本课题组前期研究发现延后果比常规栽培果实的总糖和TSS含量更高(熊榆等,2021),本研究中,T3果实中TSS含量与T1无显著差异,其他2个延后果显著低于T 该结果与熊榆等(2021)的研究结果一致。葡萄转色后环境温度较高会促进果实中酸降解,从而加速果实成熟(陈彦蓓等,2021),本研究中T3果实中TA含量最低,且显著低于其他3个处理,猜测与T3果实转色后期环境温度较高有关,因此主梢短截时期能影响果实转色至成熟期的时间从而影响果实酸降解速度、香气含量和整体风味气味强度。

葡萄果实中DXR是第1个催化MEP途径中单萜合成底物形成的酶,前人研究发现与VvDXS基因相关的QTL定位可解释17%~93%橙花醇、香叶醇和芳樟醇的浓度变化(Doligezetal.,2006;Battilana et al.,2009)。本研究中T3果实的橙花醇和香叶醇含量最高,DXS基因在T3和T4果实中上调表达,在T4果实中表达量最高,与萜类化合物含量在不同处理果实中的规律不一致,因此VvDXS基因可能不是造成不同延后栽培处理夏黑果实中萜类化合物含量差异的主要原因。GPP是生成单萜的底物,IPP和DMAP在GPPS的作用下生成GPP,GPPS是植物单萜生成过程中的关键酶(Tholl et al.,2004),本研究中GPPS基因(Vitvi15g00079)在T1、T2和T3果实中均上调表达,T3果实中表达量最高,与不同处理果实中萜类化合物含量规律一致,猜测是造成不同处理果实中萜类化合物含量差异的主要原因。研究表明TPS基因和香叶醇、α-松油醇和芳樟醇的合成有关,TPS-b亚家族的α-萜品醇合酶基因(VviTer)是在葡萄中鉴定并功能表征的首批单萜合酶之一(Mar-tin and Bohlmann,2004),本研究中与α-萜品醇合酶有关的基因TPS在T2和T3果实中整体上调表达,证实了T2果实中α-松油醇含量最高,T3含量次之的结果。类胡萝卜素是四萜类化合物,由2分子香叶原基双香叶基双磷酸尾—尾连接构成的,含有40个C原子,类胡萝卜素不仅影响黄绿色品种葡萄的颜色,还参与果实中香气形成(张克坤,2021)。β-大马士酮在水溶液中的阈值极低(0.002μg/L),在水果中表现出复杂的花香,是由类胡萝卜素降解形成(Longo et al.,2021)。IPP和DMAPP在GGPPS相互作用下合成GGPP,GGPP在PSY作用下合成第1个无色类胡萝卜素八氢番茄红素(高媛等,2023)。本研究中,基因GGPS(Vitvi19g00506和Vitvi05g00289)在T3果实中上调表达且表达量最高。葡萄中PSY1和PSY2基因能参与葡萄果实中类胡萝卜素合成,PSY基因的转录变化与番茄红素显著相关,能调控下游类胡萝卜素的合成,容易受到光敏色素互作因子(PIF)的负调控,遮光可提高PIF转录水平(Llorente et al.,2016;张克坤,2021)。转录过程中PSY基因容易受到ABA、温度、干旱光周期等环境因素的影响(Cazzonelli and Pogson,2010),PSY基因的表达不完全影响类胡萝卜素变化,高温会导致PSY1基因表达量降低但类胡萝卜素含量增加(Li etal.,2008)。本研究中,PSY1基因在T3和T4果实中上调表达,PSY2基因在T2和T3果实中上调表达,与不同延后栽培果实大马士酮含量规律一致。在类胡萝卜素代谢途径中与降异戊二烯类化合物直接相关的是类胡萝卜素裂解CCD(高媛等,2023),Mathieu等(2006)研究表明VvCCD1基因的上调表达能诱导较高含量的C13-降异戊二烯化合物,本研究中,VvCCD1基因在T2和T3果实中上调表达,在T3表达量最高,与T3果实中大马士酮含量最高密切相关。

4结论

不同延后栽培处理的夏黑葡萄果实单粒重、硬度、可溶性固形物等生理指标和挥发性香气成分不同,于6月5日左右对葡萄主梢第4节位进行短截的葡萄果实高糖低酸,果香和花香风味浓郁,果实品质较好。

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(责任编辑李洪艳)