破译葡萄浆果热激增强对灰霉病抗性的机制：梅洛与赤霞珠角质层和次生代谢物积累的品种差异

本研究针对气候变暖背景下葡萄灰霉病防控的挑战，探讨了浆果在绿果期经历热激（HS）后对Botrytis cinerea（B. cinerea）抗性的增强机制。通过温室实验对赤霞珠（CS）和梅洛（M）两个品种进行6天局部高温处理，发现仅CS浆果表现出显著的热增强抗性，而M则保持稳定的组成型抗性。研究揭示了HS对两个品种的角质（cutin）含量与组成、以及具有抗真菌活性的皮肤缩合单宁（condensed tannins）积累的差异性调控，并通过非靶向代谢组学筛选出CS中一系列HS调控的潜在抗性相关化合物。该成果为理解温度调控的植物-病原互作机制提供了新见解，对葡萄抗病育种及栽培实践具有重要指导意义。

　　

在全球气候变化的背景下，温度作为关键的环境驱动因子，正深刻地影响着农业生态系统中作物的生长发育及其与病原微生物的相互作用。葡萄（Vitis vinifera L.）作为一种重要的经济作物，其果实采后及生长期间常遭受由灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea，B. cinerea）引起的灰霉病侵袭，导致严重的产量和品质损失。在葡萄园中，管理者常通过诸如除叶等农艺措施来改善果穗微气候，以降低B. cinerea的滋生风险。然而，温度依赖的宿主抗病机制，尤其是热激（Heat Stress, HS）如何调控葡萄浆果对病原菌的抗性，其内在的生理与分子机制尚未被充分阐明。

近期，一篇发表在《Plant Stress》上的研究论文致力于破解这一科学问题。该研究由Erwan Chavonet、Cathleen Mirande-Ney等人合作完成，他们以两个重要的酿酒葡萄品种——赤霞珠（Cabernet Sauvignon, CS）和梅洛（Merlot, M）为研究对象，创新性地设计实验，探究了在浆果绿果阶段施加局部热激处理，对其后期成熟时抵抗B. cinerea侵染能力的影响。

为了开展这项研究，研究人员构建了一套精准的温室实验系统，使用结果枝（fruiting cuttings）作为材料，确保实验条件的高度可控。他们设计了一种热暴露装置，通过风扇加热器对果穗进行为期6天、每天8小时的加热，使浆果果肉温度升高约10°C（对照组则吹送环境温度空气），同时通过隔热装置确保只有果穗经历热激，而植株的其他部分（枝叶和根系）处于正常温度环境。温度、相对湿度以及蒸汽压亏缺（Vapor Pressure Deficit, VPD）等微气候参数被持续监测。在热激处理结束23天后，研究人员采集成熟浆果，进行体外接种病原菌（使用了两种不同表型的B. cinerea分离株：弱产孢的Bc1和强产孢的Bc2），并系统评估了菌丝生长和孢子产生面积的动态变化。此外，研究还综合运用了靶向和非靶向代谢组学技术（基于LC-MS）、角质层化合物（蜡质和角质单体）的提取与气相色谱分析、浆果皮肤缩合单宁的定量检测、以及浆果成熟度相关参数（如可溶性固形物含量、转色期进程）的监测等一系列关键技术方法，对潜在的抗性相关因子进行了多层次、多角度的解析。

植物材料与热激处理

研究采用经严格控制的葡萄结果枝模型，所有植株在温室中生长，仅保留一个果穗和有限数量的叶片，以确保实验材料的均一性。热激处理针对绿果期（开花后约6周）的果穗进行，持续6天。

温度与湿度控制测量

通过插入浆果果肉的热电偶和放置在果穗周围的空气探头，实时监测并记录了热激处理期间及恢复阶段的温度与VPD变化。数据显示，HS处理成功地将果穗微环境的温度提升了约10°C，并伴随着VPD的显著增加。

角质层化合物提取与分析

研究人员在不同时间点（热激前、中、后）取样，系统分析了浆果表皮蜡质和角质单体的含量与组成。研究发现，HS对蜡质总量的影响甚微，但显著改变了两个品种的角质含量，尤其是在CS中，其角质组成发生了更为显著的变化。具体而言，C16:0和C18:2 ω-羟基化脂肪酸等几种角质单体在HS处理后含量增加，且在CS中更为明显。

浆果成熟度监测

通过跟踪果穗转色进程和测量浆果可溶性固形物（TSS）含量，研究证实HS处理并未显著影响两个品种浆果的成熟动态，排除了成熟度差异对抗病性表型的潜在干扰。

Botrytis种群与病害评估

体外接种实验表明，HS处理显著增强了CS浆果对B. cinerea的抗性，表现为菌丝生长和孢子产生面积的显著减少（AUDPC降低）。而M浆果则表现出稳定的、组成型的高抗性，HS处理并未使其抗性进一步显著提升。

浆果代谢物提取与靶向生化表型分析

对浆果的整体代谢物分析显示，两个品种在基础代谢状态上存在显著差异。HS处理导致了CS和M中部分代谢物含量的变化，例如CS中葡萄糖含量增加而氨基酸含量减少，M中多个芪类（stilbenes）和黄烷-3-醇（flavan-3-ols）化合物含量降低。

皮肤缩合单宁提取与测定

研究发现，HS处理诱导了CS和M浆果皮肤中缩合单宁（condensed tannins）的积累，但这种积累效应依赖于浆果的成熟阶段。CS的缩合单宁基础含量高于M，且HS进一步提升了其含量。

非靶向代谢组学分析

非靶向代谢组学揭示了HS对两个品种代谢组的广泛影响，M的代谢组对HS的响应更为剧烈。通过建模分析，筛选出多个与抗病表型密切相关的代谢物标志物。

数据与统计分析

研究采用了全面的统计学方法，包括参数和非参数检验、方差分析（ANOVA）、以及Ridge、LASSO和Elastic-net等广义线性模型（GLM），以鉴定与抗病性显著相关的代谢物特征。

讨论与结论

本研究的主要结论在于揭示了早期热激处理能够诱导葡萄浆果产生对B. cinerea的增强抗性，但这种效应具有品种特异性，仅在CS中表现明显。这种热增强抗性与HS调控的预形成屏障密切相关，主要包括：

1. 1.

   角质层的强化： HS促进了特定角质单体（如C16:0 dicarboxylic acid, C18:2 ω-hydroxylated fatty acid）的积累，尤其是在CS中，这可能增强了果实表皮的物理屏障功能，阻碍病原菌的初始穿透。

2. 2.

   抗真菌化合物的积累： 皮肤中的缩合单宁在HS后过量积累，这些化合物已知能够抑制B. cinerea的关键毒力因子（如漆酶laccase和果胶酶pectinases），从而减缓病原菌的侵染进程。

3. 3.

   代谢重编程： 非靶向代谢组学发现了一系列受HS调控的潜在抗性相关化合物，例如在CS中含量上升的D-果糖-6-磷酸（D-fructose-6-phosphate）和一些尚未完全鉴定的代谢物，它们可能与抗氧化或防御信号传导有关。

值得注意的是，梅洛（M）品种本身就具有较高的基础抗性，这与其组成型高水平的预防御物质（如某些角质单体、芪类化合物和黄烷-3-醇）有关。HS虽然也引起了M代谢物的变化（如部分芪类化合物减少），但其高基础抗性水平并未被HS进一步显著提升，且其缩合单宁含量即使在HS后也仍低于CS。

该研究的重要意义在于：首先，它强调了在气候变化背景下，理解温度波动对植物-病原互作结局的影响至关重要。其次，研究结果表明，农艺措施（如除叶）带来的微气候变化（包括温度升高）可能通过诱导某些葡萄品种（如CS）的防御机制，从而意外地增强其对灰霉病的抗性，这为制定针对性的病害防控策略提供了新的理论依据。最后，研究鉴定出的关键代谢物（如特定角质单体和缩合单宁）可作为潜在的生物标志物，用于筛选和培育具有广谱或温度适应性抗性的葡萄新品种，这对于农业的可持续发展和应对未来气候挑战具有深远的影响。