在葡萄嫁接苗诱导的干旱胁迫下，内源性氨基酸水平的短暂变化

《ACS Agricultural Science & Technology》：Transient Modulation of Endogenous Amino Acid Levels under Induced Drought Stress in Grapevine Grafts

葡萄嫁接组合在干旱条件下的氨基酸代谢研究显示， Ramsey 根砧与 Thompson 和 Crimson 果砧组合（V2、V4）在50%土壤水分时脯氨酸显著升高（130-140 pmol/μL），表明 Ramsey 通过调控氨基酸代谢增强抗旱性。灌溉量优化（53,40,26 L/株）与根砧-果砧互作显著影响氨基酸组成，其中 V2 和 V4 在干旱胁迫下通过积累脯氨酸、甲硫氨酸等氨基酸维持细胞渗透压和膜稳定性。该研究为 UAE 干旱区葡萄种植提供理论依据：选择 Ramsey 等耐旱根砧可提升水分利用效率，并通过氨基酸代谢网络增强光合作用和抗氧化能力。

　　在干旱地区进行葡萄种植一直是一项极具挑战性的任务，由于极端高温和缺水，这些条件对葡萄的生长发育和果实品质产生显著影响。为了应对这种压力，研究人员探索了使用耐旱砧木嫁接的葡萄品种，以期改善其在干旱环境下的适应能力。本研究通过分析不同嫁接组合在三种灌溉水平下的氨基酸组成变化，揭示了砧木与接穗之间复杂的相互作用机制，为干旱地区的葡萄种植提供了重要的理论依据和实践指导。

### 1. 葡萄种植的挑战与研究意义

葡萄作为一种重要的经济作物，因其丰富的营养价值、广泛的市场接受度和高经济价值而受到全球重视。然而，在干旱地区如阿联酋（UAE），葡萄种植面临诸如水资源短缺、高温和土壤盐碱化等多重挑战，这不仅影响了葡萄的产量，还对其品质产生了不利影响。干旱胁迫对葡萄植株的生理过程产生深远影响，特别是在氨基酸代谢、水分平衡和光合作用方面。氨基酸在植物应对干旱胁迫中扮演着重要角色，它们能够调节渗透平衡、稳定蛋白质和细胞膜结构，并通过清除活性氧（ROS）以及作为次生代谢产物的前体，增强植物的抗旱能力。

此外，干旱条件下某些特定的氨基酸，如γ-氨基丁酸（GABA）、丙氨酸、支链氨基酸（如缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸）等，被发现与干旱信号传导和植物的保护机制密切相关。因此，深入研究葡萄植株在干旱条件下的氨基酸代谢，不仅有助于理解其耐旱机制，还能为干旱地区葡萄种植提供科学依据。

尽管在其他作物中，如番茄和小麦，已经发现了氨基酸在抗旱中的重要作用，但关于葡萄品种在干旱胁迫下的氨基酸代谢研究仍较为有限。已有研究表明，脯氨酸在维持细胞膨压和保护细胞结构方面具有显著作用，而谷氨酸和天冬氨酸则在氮素同化和转氨反应中发挥关键作用，帮助植物在干旱胁迫下维持代谢稳态。例如，研究表明P5CS（脯氨酸-5-羧基合成酶）在转基因植物中被过表达，从而积累更高的脯氨酸水平，提高植物的抗旱能力。因此，氨基酸代谢被认为是植物抗旱性的重要调节机制。

然而，尽管已有大量研究关注植物的抗氧化酶、酚类化合物、丙二醛（MDA）含量、多胺和激素调节等抗旱相关因素，但对砧木如何影响接穗中氨基酸代谢的研究仍然不足。这种研究空白尤其在干旱和半干旱地区的葡萄种植中显得尤为重要，因为优化砧木-接穗组合是实现可持续葡萄种植的关键。因此，本研究旨在探讨在干旱胁迫下，耐旱砧木如何通过调节接穗的氨基酸代谢来提高葡萄的抗旱能力，并为干旱地区的葡萄种植提供新的策略。

### 2. 实验设计与方法

本研究采用了多种实验方法，以全面评估干旱胁迫对葡萄嫁接组合的影响。首先，研究人员从南非采购了葡萄嫁接材料，并与农业研究委员会（ARC）的Infruitec-Nietvoorbij研究所合作。嫁接过程采用“V形切接法”，以确保接穗与砧木的良好结合。实验中使用了三种耐旱砧木：Ramsey、Paulsen（P1103）和Ritcher（R110），并将其与三种常见的果穗品种（Flame、Thompson seedless和Crimson seedless）进行嫁接，形成五种不同的嫁接组合：Flame/Ramsey（V1）、Thompson seedless/Ramsey（V2）、Crimson seedless/R110（V3）、Crimson seedless/Ramsey（V4）和Thompson seedless/Paulsen（V5）。

实验地点选在阿联酋Al-Ain Al Foah的农业与兽医学院研究农场，采用露天种植方式。在实验开始前，所有嫁接植株在温室中培育了五个月，以确保其适应性。温室环境提供了充足的光照（约600 μmol/m2/s的光合光量子通量）、适度的温度（23–28 °C）和湿度（65–80%），并配有冷却系统以维持适宜的生长条件。在温室中培育后，植株于2022年1月被移至露天，种植在60 × 60 × 60 cm的沟渠中，行距为3 m，株距为2.5 m，采用平铺式Trentina架式系统进行管理。

为了模拟干旱条件，研究人员设置了三种不同的灌溉水平：100% FC（对照组）、75% FC（中度干旱）和50% FC（重度干旱）。每种灌溉水平下有9株嫁接植株，每株为一个重复，总计135株。通过分析不同灌溉水平与嫁接组合之间的相互作用，研究人员旨在评估不同砧木对干旱胁迫下葡萄植株代谢调节的贡献。灌溉量分别设定为53 L、40 L和26 L，以确保土壤含水量逐步降低，从而诱导干旱胁迫。

为了准确测定土壤含水量，研究人员通过土壤采样和实验计算得出各灌溉水平对应的土壤湿度阈值。土壤样本在饱和状态下进行24小时加压处理，然后取出、称重并烘干至恒重。根据土壤湿度计算，灌溉量与蒸散发量的比值（IW/PE）被设定为1、0.75和0.5，分别对应100%、75%和50%的田间持水量（FC）。这种实验设计有助于研究人员准确评估不同嫁接组合在干旱条件下的响应机制。

### 3. 实验结果与分析

在不同干旱胁迫下，各嫁接组合的氨基酸含量呈现出显著的差异。例如，Thompson seedless/Ramsey（V2）和Crimson seedless/Ramsey（V4）在50% FC条件下表现出较高的脯氨酸积累，分别为140 pmol/μL和130 pmol/μL。这表明，这些嫁接组合在应对干旱时能够通过脯氨酸的积累来调节渗透平衡，从而增强细胞的稳定性。相比之下，V5（Thompson seedless/Paulsen）在50% FC条件下脯氨酸含量显著下降，说明该组合可能依赖于其他抗旱机制，而不是脯氨酸的积累。

此外，精氨酸（arginine）的含量在V5中随着干旱胁迫的增加而显著上升，表明其可能通过促进多胺的合成来增强植株的抗旱能力。而谷氨酸（glutamine）和氮素（nitrogen）的含量在V1、V2、V4和V5中随着干旱胁迫的增加而变化，这可能与氮素的吸收和同化有关。例如，V5在50% FC条件下谷氨酸含量增加，表明该组合在干旱条件下能够更有效地同化氮素，从而维持植物的代谢平衡。

在干旱胁迫下，不同嫁接组合的氨基酸代谢呈现出不同的响应模式。例如，V2和V4在50% FC条件下表现出较高的异亮氨酸（isoleucine）和缬氨酸（valine）含量，而V1和V3则表现出下降趋势。这表明，某些砧木与接穗的组合可能更有效地促进碳-氮代谢的协调，从而提高植株的抗旱能力。同时，V5在干旱条件下表现出较低的脯氨酸和谷氨酸含量，但较高的精氨酸和甲硫氨酸（methionine）含量，这可能与其耐旱机制不同，即可能通过增强多胺合成和氮素同化来提高抗旱性。

在抗旱机制中，脱落酸（ABA）的含量变化也值得关注。ABA作为一种重要的植物激素，能够调节气孔开闭，从而减少水分流失。在本研究中，V3和V4的ABA含量在50% FC条件下显著增加，而V1和V2则表现出较低的ABA变化。这表明，某些嫁接组合可能通过调节ABA的合成和积累来增强抗旱能力，而其他组合则可能依赖于不同的调节机制。

此外，研究还发现，某些氨基酸如谷胱甘肽（cysteine）和甲硫氨酸在干旱条件下表现出显著的增加趋势。这可能与它们在抗氧化防御系统中的作用有关，因为这些氨基酸能够清除活性氧，保护细胞免受氧化损伤。同时，研究还发现，氮素和镁的含量在不同嫁接组合中表现出显著差异，这可能与植株的营养吸收和代谢调节有关。

### 4. 讨论与机制分析

本研究揭示了不同嫁接组合在干旱胁迫下的氨基酸代谢差异，这可能与砧木和接穗之间的基因互作有关。例如，V2和V4在干旱条件下表现出较高的脯氨酸和异亮氨酸含量，而V5则表现出较低的脯氨酸含量，但较高的精氨酸和甲硫氨酸含量。这表明，不同砧木可能通过不同的代谢途径来应对干旱胁迫，从而影响植株的抗旱能力。

脯氨酸作为主要的渗透调节物质，其积累通常被认为是植物抗旱性的标志。然而，本研究发现，某些嫁接组合在干旱条件下脯氨酸含量并未显著增加，而是通过其他机制如增强多胺合成或优化氮素代谢来提高抗旱性。这种现象表明，植物在干旱胁迫下可能采用多种代谢策略，以适应不同的环境条件。

此外，研究还发现，某些氨基酸如精氨酸和甲硫氨酸在干旱条件下表现出显著的增加趋势，这可能与它们在抗氧化防御系统中的作用有关。精氨酸是多胺合成的前体，而多胺能够调节气孔开闭，减少水分流失。甲硫氨酸则作为多胺的前体，其积累可能有助于增强植株的抗氧化能力，从而提高抗旱性。

在蛋白质含量方面，V3和V4在干旱条件下表现出较高的蛋白质积累，而V1和V2则略有下降。这可能与植株在干旱胁迫下优先分配资源用于抗旱相关代谢有关。蛋白质的合成和分解在干旱条件下可能受到调控，以维持植株的生理功能。

### 5. 未来展望与结论

本研究通过分析不同嫁接组合在干旱胁迫下的氨基酸代谢变化，揭示了砧木对葡萄抗旱性的关键影响。研究结果表明，某些嫁接组合如V2和V4在干旱条件下表现出较高的脯氨酸和异亮氨酸含量，这可能与其较强的渗透调节能力和抗氧化防御系统有关。这些发现为干旱地区的葡萄种植提供了重要的理论支持，并有助于优化灌溉策略，以提高水利用效率。

从未来的研究角度来看，本研究为葡萄抗旱性的研究提供了新的方向。例如，可以进一步探讨不同砧木与接穗组合在盐碱胁迫下的代谢响应，以及不同灌溉水平对氨基酸代谢的影响。此外，研究还可以结合代谢组学技术，以更全面地分析干旱胁迫下的代谢变化，并探索如何通过基因工程或栽培管理来提高葡萄的抗旱性。

总之，本研究通过分析干旱胁迫下葡萄嫁接组合的氨基酸代谢变化，揭示了砧木在调节植株抗旱性中的重要作用。这些发现不仅有助于理解葡萄在干旱条件下的生理机制，还为干旱地区的葡萄种植提供了科学依据，从而促进可持续的葡萄生产。在未来，进一步的研究可以结合多地点试验、代谢组学分析和栽培管理实践，以优化干旱地区的葡萄种植策略，提高产量和品质。