《Scientia Horticulturae》：Transcriptome-based analysis of the differences in sunburn sensitivity between grape varieties and developmental stages
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葡萄浆果日灼敏感性因品种和物候期而异。阳光玫瑰葡萄在E-L 33期日灼敏感性最高；夏黑葡萄在E-L 31-32期日灼敏感性最高。日灼不敏感的浆果具有更厚的角质层和更大的表皮细胞。细胞壁和海藻糖相关基因在日灼不敏感浆果中上调表达。NAC、WRKY、
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葡萄浆果日灼敏感性因品种和物候期而异。阳光玫瑰葡萄在E-L 33期日灼敏感性最高；夏黑葡萄在E-L 31-32期日灼敏感性最高。日灼不敏感的浆果具有更厚的角质层和更大的表皮细胞。细胞壁和海藻糖相关基因在日灼不敏感浆果中上调表达。NAC、WRKY、ERF、bHLH、MYB和Trihelix转录因子协同调控细胞壁加固。研究人员通过对两个葡萄品种在不同发育阶段的比较，结合人工辐照诱导日灼、石蜡切片观察、转录组测序（RNA-seq）、细胞壁组分测定及相关酶活检测等方法，系统揭示了日灼敏感性差异的解剖学、生理学和转录组学机制。结果表明，浆果表面阈值温度随果实发育逐渐升高，日灼发生率则逐渐降低；日灼敏感期浆果的角质层较薄、表皮细胞较小；细胞壁合成相关基因和转录因子的差异表达是决定日灼敏感性的关键分子基础。
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一、研究背景与科学问题
全球气候变暖背景下，极端天气事件日益频繁，葡萄生产面临越来越严重的非生物胁迫挑战。其中，浆果日灼已成为影响果实品质和产量的重要生理病害。日灼是由强太阳辐射（特别是光合有效辐射PAR和紫外线UV）与高温协同诱导的非生物生理失调症，表现为日灼褐变、日灼坏死和日灼漂白等表型异质性症状。其病理机制涉及光合系统损伤、质膜完整性丧失、活性氧爆发、组织过早衰老甚至程序性细胞死亡。
已有研究表明，葡萄日灼敏感性存在显著的品种依赖性和发育阶段依赖性差异。然而，关于哪个发育阶段最为敏感，学界仍存在争议：多数研究认为转色期及转色后最易感，但也有研究发现转色前豌豆大小浆果期对热胁迫更为敏感。此外，调控品种间日灼抗性差异的确切分子机制仍不清楚。因此，本研究旨在系统比较不同葡萄品种在不同发育阶段的日灼反应，并从解剖学、生理学和转录组学层面揭示其内在机制，为培育日灼抗性葡萄品种和优化冠层微环境管理提供理论依据。
二、研究方法与技术路线
研究人员在中国广西南宁的商业葡萄园开展实验，以6年生阳光玫瑰和夏黑葡萄为材料，采用一年两收栽培模式。主要关键技术方法包括：（1）人工高温加热灯诱导日灼，确定触发日灼的浆果表面阈值温度；（2）连续人工辐照10分钟和20分钟后统计日灼发生率；（3）石蜡切片结合光学显微镜观察及ImageJ软件定量分析表皮结构形态参数；（4）Illumina HiSeq 2500双端测序进行转录组测序，以葡萄参考基因组PN40024比对，DESeq2筛选差异表达基因（DEGs），并进行GO和KEGG富集分析；（5）PlantCARE数据库扫描启动子顺式作用元件，Cytoscape构建转录因子-靶基因调控网络；（6）蒽酮-硫酸比色法测定纤维素含量，盐酸水解-DNS比色法测定半纤维素含量，咔唑比色法测定果胶组分含量；（7）商品化试剂盒测定果胶甲酯酶（PME）、果胶裂解酶（PEL）、多聚半乳糖醛酸酶（PG）、内切-β-1,4-葡聚糖酶（EG）、木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶（XTH）、纤维素合酶（CesA）和果胶乙酰酯酶（PAE）等细胞壁相关酶活性。
三、研究结果
3.1 两个葡萄品种在不同物候期的浆果日灼敏感性
两个品种的浆果表面阈值温度均随果实发育逐渐升高，趋势在夏季果和冬季果中一致。阳光玫瑰的阈值温度在E-L 33期最低（夏季果40.69°C），E-L 38期最高（51.88°C），表明E-L 33期日灼敏感性最高；夏黑的阈值温度从E-L 31-32期开始逐渐升高，且在所有物候期均显著低于阳光玫瑰。相应地，在10分钟和20分钟辐照处理下，阳光玫瑰的日灼发生率在E-L 33期达到峰值，夏黑则在E-L 31-32期达到峰值，之后逐渐下降至E-L 38期最低，且夏黑在所有阶段的日灼发生率均显著低于阳光玫瑰。综合两个评价指标，阳光玫瑰最敏感期为E-L 33，夏黑最敏感期为E-L 31-32，且夏黑整体日灼抗性高于阳光玫瑰。
3.2 日灼敏感性与不敏感浆果的表皮结构差异
选取两个品种各自最敏感期和相对不敏感期进行石蜡切片观察。日灼不敏感的浆果（夏黑E-L 33和两个品种的E-L 36期）具有显著更厚的角质层和更大的表皮细胞（细胞长度和宽度均更大）。这表明较厚的角质层和较大的表皮细胞可能是抵御日灼的重要结构屏障。
3.3 转录组分析揭示日灼敏感性差异的分子机制
设置两组比较：阳光玫瑰最敏感期（YG1，E-L 33）vs 相对不敏感期（YG3，E-L 36），以及同阶段（E-L 33）阳光玫瑰（YG1）vs 夏黑（XH1）。转录组分析鉴定出大量DEGs。GO和KEGG富集分析显示，这些DEGs显著富集于细胞壁生物合成、海藻糖代谢、苯丙烷代谢、激素信号转导和应激响应等通路。具体而言，细胞壁合成相关基因（如纤维素合酶、木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶、果胶酯酶等）和海藻糖代谢相关基因在日灼不敏感浆果中显著上调表达，表明细胞壁加固和海藻糖积累可能增强浆果对日灼的耐受性。
3.4 转录因子调控网络的构建
启动子顺式作用元件分析发现，DEGs上游富含与胁迫响应相关的顺式元件。进一步分析表明，NAC、WRKY、ERF、bHLH、MYB和Trihelix等转录因子家族成员在日灼不敏感浆果中差异表达，它们可能通过协同调控下游细胞壁合成相关基因的表达，参与细胞壁加固过程，从而降低日灼敏感性。
3.5 细胞壁组分和相关酶活性的验证
生化测定结果显示，日灼不敏感浆果的纤维素、半纤维素和原果胶含量显著更高，而水溶性果胶含量更低。同时，细胞壁合成相关酶（CesA、XTH、PAE）活性在日灼不敏感浆果中较高，而降解相关酶（PG、PEL、EG、PME）活性较低。这些结果从生理生化水平验证了转录组发现的细胞壁加固机制。
3.6 qRT-PCR验证
随机选取8个DEGs进行qRT-PCR验证，结果与RNA-seq数据趋势一致，证实了转录组数据的可靠性。
四、总结与结论
本研究系统比较了两个葡萄品种在不同发育阶段的日灼敏感性差异，明确了阳光玫瑰最敏感期为E-L 33期，夏黑最敏感期为E-L 31-32期，且夏黑整体日灼抗性优于阳光玫瑰。研究从解剖学角度发现，日灼不敏感浆果具有更厚的角质层和更大的表皮细胞；从生理生化角度证实，日灼不敏感浆果积累了更多的纤维素、半纤维素和原果胶，细胞壁合成酶活性更高而降解酶活性更低；从转录组学角度揭示，细胞壁和海藻糖相关基因的上调表达以及NAC、WRKY、ERF、bHLH、MYB和Trihelix等转录因子的协同调控是日灼抗性的关键分子基础。这些发现为分子育种培育日灼抗性葡萄品种以及优化果园冠层微环境管理提供了重要的理论参考和实践指导。
