表征黑皮诺葡萄园特异性差异与土壤性质及根际微生物群落的关系

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Characterizing vineyard-specific differences in Pinot Noir grape composition in relation to soil properties and rhizosphere microbial communities

　　

： 背景 葡萄浆果的化学成分与葡萄酒品质密切相关，并为葡萄园管理提供重要信息。然而，浆果成分、葡萄园土壤条件与根际微生物群落之间的关系仍未得到充分理解。本研究在两个相邻的黑皮诺（Vitis vinifera L.）葡萄园中，跨越两个年份（vintage），评估了土壤理化性质、根际细菌和真菌群落与浆果氨基酸及酚类成分之间的关联。 结果 单个浆果氨基酸和酚类化合物表现出明显的葡萄园差异。在这一双葡萄园田间设计下，土壤pH值和阳离子交换量（CEC）较高的葡萄园，其浆果氨基酸浓度较高（如精氨酸和谷氨酰胺），而交换性锰（exchangeable Mn）较高的葡萄园，其酚类化合物浓度较高（如儿茶素、表儿茶素和飞燕草素-3-葡萄糖苷）。综合分析进一步表明，土壤pH值、阳离子交换量、交换性锰和细菌群落结构是与葡萄园浆果成分差异关联最密切的变量。根际细菌群落结构与浆果氨基酸成分相关，而真菌群落与浆果成分的关系较弱。 结论 这项基于田间的案例研究表明，黑皮诺葡萄氨基酸和酚类成分的葡萄园特异性差异与土壤理化性质及根际细菌群落结构共同变化。土壤pH值、阳离子交换量、交换性锰和细菌群落结构被确定为与葡萄成分差异相关的候选变量。研究结果为未来整合土壤养分动态、葡萄植株养分状况、微生物功能性状和葡萄代谢物发育的机制研究提供了基础。? 2026作者。《Journal of the Science of Food and Agriculture》由John Wiley & Sons Ltd代表Society of Chemical Industry出版。

论文解读：黑皮诺葡萄园特异性成分差异与土壤性质及根际微生物群落的关联研究

一、研究背景与意义

葡萄浆果的化学成分是决定葡萄酒品质的核心因素之一，其组成受葡萄园环境条件的综合影响。黑皮诺（Vitis vinifera L.）作为薄皮红葡萄酒品种，对环境条件高度敏感，即使在气候背景相似的条件下，土壤性质的差异也可能反映在浆果成分上。黑皮诺的色泽强度通常低于许多其他红葡萄酒品种，因此浆果酚类化合物是该品种重要的品质指标，其贡献于浆果颜色、酚类结构、苦味、涩感及其他与葡萄酒品质相关的成分属性。此外，浆果氨基酸是发酵过程中酵母营养的主要含氮化合物，其组成可影响发酵性能和挥发性香气化合物的形成。

土壤理化性质通过调控根区水分可利用性、养分保持和微生物活性，进而影响葡萄代谢物谱。土壤pH值是影响必需大量元素和微量元素溶解性与可利用性的主要土壤化学变量，氮、钾和钙的可利用性被认为对代谢组成具有重要贡献，影响氨基酸分配和酚类前体的形成。然而，土壤性质对浆果成分的影响在不同葡萄酒产区常表现不一，例如在波尔多，富含黏土的土壤通过提供稳定均衡的水分供应增强了赤霞珠葡萄的花青素浓度；而在西班牙葡萄园的研究则显示，高黏土含量可促进葡萄植株生长，产生稀释效应而降低浆果酚类成分。

根际微生物群落是另一个与葡萄植株表现和浆果成分相关的地下组分。丛枝菌根真菌和植物促生根际细菌是根际微生物组的关键功能群，参与土壤养分循环和植物养分获取。接种实验表明，丛枝菌根真菌混合物可调节浆果初级代谢，特别是氨基酸积累；植物促生根际细菌如Paraburkholderia phytofirmans PsJN已被证明可诱导苯丙烷和类黄酮途径，增加与植物防御相关的酚类化合物积累。然而，这些研究多基于选定的微生物类群或在受控条件下接种菌株，在商业葡萄园中，葡萄植株与整个根际微生物群落相互作用，因此评估整体细菌和真菌群落结构对于理解根际变异与浆果成分的关联至关重要。

新西兰中奥塔哥地区一家优质生物动力法葡萄酒生产商的长期观察表明，其两个相邻的生物动力管理葡萄园出产的黑皮诺葡萄和葡萄酒表现出一致的成分和感官差异。这为在可比管理条件下检验葡萄园特异性浆果成分差异是否伴随土壤理化性质和根际微生物群落差异提供了机会。该研究因此采用两个年份的田间案例研究，表征两个相邻葡萄园系统中黑皮诺葡萄氨基酸和酚类成分，并识别与这些成分差异相关的土壤和根际微生物变量。该论文发表在《Journal of the Science of Food and Agriculture》。

二、关键技术方法

研究在新西兰中奥塔哥Bannockburn子区域的Calvert葡萄园（CV）和Cornish Point葡萄园（CP）进行，两园相距约5公里，分别建于2001年和2000年，均由同一生产商以生物动力法管理。研究人员在2023和2024两个年份，从嫁接于3309C和Riparia Gloire两种砧木的葡萄植株上采集土壤和葡萄样本，形成四个葡萄园-砧木组合：CV-3309、CV-RG、CP-3309和CP-RG，每组合10株重复。主要技术方法包括：采用高效液相色谱（HPLC）系统分析20种游离氨基酸和酚类化合物；采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）定量交换性阳离子；采用Illumina MiSeq平台对根际土壤细菌16S rRNA基因V3-V4区和真菌ITS区进行扩增子测序；使用QIIME2进行生物信息学处理，VSEARCH以97%相似度聚类为操作分类单元（OTU）；采用主坐标分析（PCoA）、置换多元方差分析（PERMANOVA）、冗余分析（RDA）、Mantel检验和分段结构方程模型（SEM）进行统计分析。

三、研究结果

黑皮诺浆果成分的葡萄园差异

2023年，浆果总可溶性固形物（TSS）在葡萄园间存在差异，CP浆果比CV高1.5%；浆果pH在CP显著高于CV，而可滴定酸度（TA）在CV显著高于CP。2024年，浆果重量表现出显著的葡萄园效应，CP浆果比CV重26.7%；浆果pH仍保持CP高于CV的模式。两个葡萄园呈现对比鲜明的浆果成分特征：CP以较高游离氨基酸浓度为特征，CV以较高酚类浓度为特征。2023年CP浆果总氨基酸浓度比CV高68.7%，2024年仍高30.5%。精氨酸、脯氨酸、丙氨酸、苏氨酸和谷氨酰胺是最丰富的氨基酸，占两年总氨基酸的76.5%和80.8%。酚类化合物方面，2023年CV总花青素比CP高25.1%，2024年高49.5%；锦葵素-3-葡萄糖苷是主要花青素，占58.3%。CV的黄酮醇浓度在两年分别比CP高35.9%和52.3%。多数酚类化合物表现出显著的葡萄园效应。

土壤性质和根际微生物群落的葡萄园差异

土壤理化性质在两年中主要表现葡萄园间差异，砧木效应有限。CP土壤以较高pH值、电导率（EC）、Olsen磷、阳离子交换量（CEC）和交换性钙为特征，而CV土壤的交换性钾和锰较高。两年中CP土壤pH值范围为7.41–7.63，CV为6.69–6.75；CP的CEC在两年分别比CV高33.9%和26.5%；交换性锰则呈现与pH和CEC相反的一致模式，CV高于CP。所有土壤均分类为粉砂壤土。测序共获得6,480,364条细菌16S rRNA序列和6,084,397条真菌ITS序列，聚类得到33,854个细菌OTU和7,435个真菌OTU。细菌群落以变形菌门（29.0%–34.6%）和放线菌门（22.2%–25.5%）为主，真菌群落以子囊菌门（68.3%–72.5%）为主。β多样性分析显示，细菌和真菌群落均按葡萄园而非砧木聚类，细菌的分离比真菌更明显；葡萄园解释了细菌群落结构变异的31.1%和真菌的13.7%，而砧木仅分别解释3.7%和3.1%。

土壤、根际微生物群落与浆果成分的多变量和综合关联

冗余分析显示，土壤pH与细菌群落结构的关联最强，解释了27.29%的变异，其次为EC（4.31%）；真菌群落结构与土壤变量的关联较弱。放线菌门和芽单胞菌门与较高pH、EC和CEC相关，更接近CP土壤。浆果氨基酸方面，土壤pH（10.80%）和锰（10.20%）关联最强，精氨酸和组氨酸更接近CP土壤，脯氨酸和色氨酸更接近CV土壤。酚类成分方面，锰（12.27%）和pH（8.07%）是最强土壤相关变量，多种花青素和黄烷-3-醇更接近CV土壤。Mantel检验表明，土壤性质与谷氨酰胺（r=0.306）、矢车菊素-3-葡萄糖苷（r=0.122）和锦葵素-3-葡萄糖苷（r=0.136）显著正相关；细菌群落结构与谷氨酸（r=0.273）、谷氨酰胺（r=0.272）及多种花青素显著相关，而真菌群落结构和多样性未检测到显著相关。结构方程模型（SEM）拟合良好（Fisher's C=16.298，df=16，P=0.432），显示土壤pH与细菌群落结构强关联（0.841），细菌群落结构与浆果氨基酸组成显著关联（0.474）；浆果酚类成分与土壤pH（?0.621）和交换性锰（?0.661）更直接相关。模型解释了细菌群落结构76%、浆果酚类成分60%和浆果氨基酸45%的方差。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究的浆果基础酿造参数、氨基酸浓度和酚类成分与已报道的商业黑皮诺数值和组成模式一致，特别是在冷凉气候条件下。两个葡萄园在土壤性质和根际微生物群落上的差异可能部分反映其母质和沉积历史的差异：CV土壤属于Bannockburn土壤系列，发育自湖相沉积物、石英砂和片岩砾石；CP土壤属于Manuherikia土壤系列，由覆盖于阶地河流砾石和古老粉砂之上的黄土物质发育而成。综合多变量分析表明，土壤pH、CEC、交换性锰和细菌群落结构是与浆果氨基酸和酚类成分相关的主要变量。细菌群落结构的差异可能代表具有多种功能细菌类群组成的差异，为与多种浆果氨基酸的关联提供可能背景。花青素和芪类化合物共享共同的苯丙烷起源，为细菌群落结构与浆果酚类成分的关联提供可能基础。SEM总结出两个单独分析中不太明显的协变模式：浆果氨基酸组成与土壤pH和细菌群落结构之间的协变关联更强，而酚类成分与土壤pH和交换性锰的关联更直接。未来研究应纳入葡萄植株养分状况、微生物功能性状、氮转化速率和酚类途径活性的直接测量，并在更广泛的葡萄园地点和季节中验证这些模式。

研究结论为：两个相邻生物动力葡萄园系统在黑皮诺浆果成分上呈现对比模式，CP以较高游离氨基酸浓度为特征，CV以较高酚类化合物（特别是花青素和黄酮醇）浓度为特征。这些差异与土壤性质和根际细菌群落结构的明显葡萄园差异一致。综合分析确定土壤pH、交换性锰和细菌群落结构为与浆果氨基酸和酚类成分相关的候选变量。细菌群落结构为解释氨基酸组成提供比真菌群落结构更强的信息，而酚类成分与土壤化学差异的关联更紧密。