摘要:【目的】分析夏黑葡萄常規(guī)栽培一次果和延后果果實香氣及關鍵基因表達,為提高湖南地區(qū)葡萄果實品質(zhì),延長葡萄上市時間及葡萄延后栽培技術提升提供參考依據(jù)。【方法】以9年生夏黑葡萄為試驗材料,設常規(guī)一次果栽培為對照組(T1),分別于2022年5月26日(T2)、6月5日(T3)和6月15日(T4)3個時期對主梢第4節(jié)位短截,記錄不同處理各階段物候期,測定葡萄成熟期果實生理指標,包括果實單粒重、明度值(L*)、顏色指數(shù)、縱徑、橫徑、硬度、可溶性固形物(TSS)和總酸(TA)含量等指標;利用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用法測定不同處理夏黑葡萄果實揮發(fā)性香氣成分,分析香氣物質(zhì)差異及化合物氣味活性值(OAV),并繪制香氣特征輪廓;通過對4個處理果實進行轉(zhuǎn)錄組測序(RNA-Seq),以|log2 Fold Change|≥1且P<0.05為篩選標準,采用DEGSeq篩選組間差異表達基因(DEG),并分析調(diào)控夏黑葡萄花香和玫瑰香的磷酸甲基赤蘚醇(MEP)途徑和類胡蘿卜素代謝途徑的關鍵基因表達量?!窘Y果】T1夏黑葡萄從萌芽至成熟期所需天數(shù)較T2、T3和T4多30~39 d,T1成熟期果實單粒重(8.57 g)顯著高于T2、T3和T4(P<0.05,下同),T1果實TSS含量最高,顯著高于T2和T4,與T3無顯著差異(P>0.05),T3果實中TA含量最低,固酸比排序為T3>T1>T4>T2。T1、T2、T3、T4果實中檢測出的香氣物質(zhì)種類分別有25、25、24和24種,其中乙酸乙酯、己醛、反式-2-己烯基醛、丙酸酐和苯乙醇為優(yōu)勢化合物,含量占化合物總量95%以上,T3果實中萜烯類化合物的含量相對較高。乙酸異戊酯僅在T1和T3果實中被檢測出;T3果實中橙花醇(16.30μg/kg)、香葉醇(8.74μg/kg)和檸檬烯(7.31μg/kg)含量在4個處理中最高。香氣物質(zhì)OAV與香氣特征輪廓分析結果顯示,T1、T2、T3、T4葡萄果實中分別檢出OAV≥1的化合物種類為9、10、10和9種,果香和甜香氣味強度最大的為T 其次為T3,最小的為T4。RNA-Seq結果顯示,T1 vs T3、T3 vs T2、T3 vs T4分別有2532、781和1113個上調(diào)DEGs,1397、703和426個下調(diào)DEGs。與萜類化合物合成有關的GPPS基因和與類胡蘿卜素合成有關的PSY和CCD1基因在T3果實中的表達量最高?!窘Y論】于6月5日左右對葡萄主梢第4節(jié)位進行短截的葡萄果實高糖低酸,果香和花香風味濃郁,果實品質(zhì)較好。
關鍵詞:夏黑葡萄;延后栽培;果實品質(zhì);香氣;轉(zhuǎn)錄組
中圖分類號:S663.1文獻標志碼:A文章編號: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
【研究意義】夏黑(Summer Black)葡萄為巨峰和無核白的后代,由于其早熟無核特性,逐漸成為我國主栽鮮食葡萄品種,是近年來我國葡萄產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展階段中最為成功的品種之一(張克坤等,2017)。南方地區(qū)鮮食葡萄成熟期大多在7—8月,存在葡萄成熟期相對集中、季節(jié)性過剩的問題,且南方地區(qū)在葡萄成熟季高溫多雨易導致葡萄感染病害降低果實品質(zhì)(黃鳳珠等,2008)。近年來,南方熱區(qū)(主要包括云南、廣東、廣西、海南、福建等地)利用冬季光熱資源,開展了夏黑不同時期延后成熟錯峰上市技術研究,河北、遼寧、山西、浙江等地利用日光溫室和“三膜促早”技術開展了夏黑促早栽培,可將葡萄成熟期提前至4—6月(王華新等,2010;王海波等,2014;黃秋鳳等,2021)。目前,獲得延后成熟果實主要通過3種方式:(1)去除1次花主梢短截,利用冬芽或夏芽副梢上冬芽萌發(fā)開花結果;(2)兩代同堂的第二代果;(3)利用“一年兩收”或“兩年三收”技術,可將果實成熟期延后到9月—翌年1月(曹婷等,2016;林玲等,2017;時曉芳等,2021;盤豐平等,2022;周晴等,2023)。湖南地區(qū)因春季陰雨天較多,不適合進行促早栽培,通常采取去除一次花后對主梢先長放后短截促冬芽或夏芽副梢上冬芽萌發(fā)產(chǎn)生延后果的技術。延后果較一次果果實常有更濃郁的花香風味,熊榆等(2021)研究發(fā)現(xiàn)夏黑延后果的苯甲醛和異戊醇含量明顯高于對照,可溶性固形物(TSS)和可溶性糖含量顯著高于對照。因此,分析夏黑葡萄一次果和延后果果實香氣及關鍵基因表達,對提高葡萄果實品質(zhì),延長葡萄上市時間及葡萄延后栽培技術提升均具有重要意義。【前人研究進展】葡萄的香氣品質(zhì)逐漸成為一種重要的果實品質(zhì)指標(Wu et al.,2016;王劍功等,2023;張燕平等,2023)。根據(jù)感官香氣和組成成分,葡萄香氣類型共分為3種:草莓香型、中性香型和玫瑰香型(Yang et al.,2009)。果實中的香氣按化合物結構分為酯類、醛類、醇類、萜烯類和降異戊二烯類,根據(jù)呈香風味香氣又分為果香型、清香型、甜香型、花香和玫瑰香型等(成明,2014)。夏黑葡萄屬于草莓香型,其特征香氣化合物主要包括酯類、醇類和萜烯類物質(zhì),如乙酸乙酯、丁酸乙酯、橙花醇和香葉醇等(張海寧等,2014),其中酯類物質(zhì)為果實提供果香風味,萜烯類化合物使果實呈現(xiàn)花香和玫瑰香(張文文等,2018)。香氣易受溫度和濕度等環(huán)境因子的影響,相對濕度過高會降低葡萄果實品質(zhì)和香氣。劉孟龍等(2021)研究表明果實成熟期的空氣濕度與霞多麗果實中可滴定酸、單寧和總酚呈負相關,7—9月環(huán)境中相對濕度越高,越不利于赤霞珠果實中乙酸乙酯合成。土壤水分也影響果實中香氣含量,田間持水量控制在60%~70%可顯著提高果實中萜烯類化合物(檸檬烯和芳樟醇等)及酯類化合物(乙酸乙酯和水楊酸甲酯等)的含量(張克坤等,2023)。光會影響葡萄中香氣物質(zhì)代謝,花后日照時數(shù)越長越有利于果實內(nèi)單萜化合物、C6醇類和C6酯類合成(劉孟龍等,2021),果實開始轉(zhuǎn)色至采收期采用減少果際光照50%的遮光網(wǎng)處理能顯著提高果實聚異戊二烯總含量,特別是β-大馬士酮含量,從而促進果實花香和果香風味形成(喬丹等,2018)。溫度對葡萄果實香氣影響較大,花后至成熟階段的日平均晝夜溫差與赤霞珠果實中肉桂醛和苯甲酸乙酯等化合物的含量呈極顯著正相關(Xu et al.,2015);許澤華等(2023)研究發(fā)現(xiàn)在生長季影響釀酒葡萄品質(zhì)差異的主要氣象因子為日照時數(shù)、有效積溫、3—10月平均溫度和月均最低溫度;張樂等(2023)研究發(fā)現(xiàn)晝夜溫差保持在12.0~15.1℃時可有效增強果實中的果香和花香,晝夜溫差為9℃左右時,可提高果實中的煙草香;單萜類化合物數(shù)量與年平均溫度呈正相關,絕對低溫能一定程度上增加單萜類化合物和C6醛含量,但極端高溫會抑制香氣合成(Ordu?a,2010;Xu etal.,2015;秦歡,2019;劉孟龍等,2021)。目前南方地區(qū)對葡萄成熟期調(diào)控的研究多集中在一年兩收栽培和延后栽培模式方面(王慶蓮等,2013;郭榮榮等,2016;熊榆等,2021;周晴等,2023)。一年兩收栽培模式下,優(yōu)株玫瑰、赤霞珠、雷司令和維多利亞葡萄冬季果中類黃酮、己醛和苯乙醛等化合物含量顯著高于夏季果(陳為凱,2018)。一年兩收栽培的夏黑葡萄冬季果醇類物質(zhì)總含量在轉(zhuǎn)色前期顯著高于夏季果,在成熟期顯著低于夏季果,冬季果其他萜烯類化合物和酯類物質(zhì)含量均顯著高于夏季果(陳彥蓓等,2021)。此外,延后栽培對葡萄果實品質(zhì)的影響也較大,相較于對照,延后栽培夏黑葡萄果實香氣種類更為豐富,醇類化合物含量也較高,但酯類和醛酮類化合物總量較低(熊榆等,2021)?!颈狙芯壳腥朦c】目前,有關葡萄果實品質(zhì)和香氣含量研究主要集中在對葡萄一年兩收栽培夏季果和冬季果研究等方面,而有關葡萄延后果和常規(guī)一次果的果實品質(zhì)和香氣物質(zhì)含量差異的研究較少,對于延后栽培對夏黑葡萄果實品質(zhì)和香氣組分差異比較研究尚未見文獻報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以常規(guī)一次果栽培和延后栽培模式下的夏黑葡萄為試驗材料,比較4個不同延后處理夏黑葡萄各階段物候期、成熟期果實生理指標、果實揮發(fā)性香氣成分及調(diào)控夏黑花香和玫瑰香關鍵基因表達量,篩選果實風味和香氣品質(zhì)最好的延后果及最佳延后果的主梢短截時期,為提高湖南地區(qū)葡萄果實品質(zhì),延長葡萄上市時間及提升葡萄延后栽培技術提供參考依據(jù)。
1材料與方法
1.1試驗材料
試驗于2022年3—10月在湖南農(nóng)業(yè)大學干杉基地(28°19′N,112°98′E)進行。試驗材料為簡易避雨栽培的9年生夏黑葡萄,栽培模式為南北走向,起壟栽培,V形棚架,株行距4 m×3m,主干高60 cm。
1.2試驗方法
設常規(guī)一次果栽培對照組(T1)和3個不同時期短截主梢處理(T2、T3和T4)(表1)。每處理5株葡萄,共計20株。T1常規(guī)一次果栽培管理:于4月15日對主梢第6節(jié)位摘心,除頂端副梢外,其余副梢均留1葉絕后摘除,頂端副梢留2葉反復摘心。摘心時,摘心部位葉葉寬約2 cm;T2、T3和T4主梢管理方法:4月8日(約開花前3周)去除一次花序,主梢長放,于4月15日對主梢第6節(jié)位摘心,副梢管理同常規(guī)栽培管理一致。分別于5月26日、6月5日和6月15日對主梢第4節(jié)位進行短截,短截后立刻對主梢頂端2個冬芽涂抹1%單氰胺(有效成分含量50%,寧夏大榮化工冶金有限公司)促頂端冬芽萌發(fā)。肥水、病蟲害管理等同常規(guī),記錄不同處理葡萄發(fā)育各階段物候期。T1、T2、T3、T4分別于7月23日、8月28日、9月15日和9月23日采收。采收時,從果穗上、中、下各收集成熟果粒60粒,3次生物學重復,每處理180粒,用于測定果實生理指標。按上述方法每處理采摘90粒成熟果實,將果粒混勻,用液氮冷凍后迅速帶回實驗室并置于-80℃冰箱保存?zhèn)溆?,用于揮發(fā)性香氣化合物測定。
1.3夏黑葡萄成熟期果實生理指標測定
使用電子天平測定果實的10粒重的平均值為單粒重,游標卡尺測定果實縱、橫徑,NR-110色差儀(深圳市三恩時科技有限公司)測定果實色澤和明度值(L*)。表現(xiàn)葡萄果實紅色程度的顏色指數(shù)(CIRG)值參考秦歡(2019)的方法計算。采用ZP-50型數(shù)顯推拉力計(深圳市艾力固儀器有限公司)測定果實硬度。對葡萄果粒進行榨汁過濾離心后獲得果汁,使用PAL-1手持糖度計(日本ATAGO公司)測定果汁中TSS含量;采用NaOH滴定法測定果汁中總酸(TA)含量(周晴等,2023),計算固酸比值(TSS/TA)。每個指標設3個技術重復和3個生物學重復。
1.4揮發(fā)性香氣成分測定
1.4.1樣品前處理參考Chen等(2019)的方法。準確稱取50 g葡萄果實樣品,去梗后放入液氮中速凍。將果粒置入研缽中并加入1 g聚乙烯吡咯烷酮(PVPP)和0.5 g D-葡萄糖酸內(nèi)酯,迅速磨成均質(zhì)粉末狀置于離心管中,于4℃冰箱靜置4h。準確稱取5 g靜置后的果漿混合物,移入干凈萃取瓶中,加入1 g NaCl,用帶有聚四氟乙烯護墊的蓋子擰緊。迅速將萃取瓶置于40℃水浴鍋中平衡35min,水浴鍋液面高度略低于瓶身。平衡結束后迅速將已老化的SPME萃取頭(美國默克公司)通過墊片插入瓶內(nèi),讓萃取頭在瓶內(nèi)距離液面約1 cm,萃取50min后迅速拔出,并插入氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)進樣口,解析20min后拔出。
1.4.2 GC-MS儀器工作條件使用Agilent 7890B-7000C型氣相色譜—三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(美國Agilent公司)對揮發(fā)性化合物進行檢測與分析。色譜柱為DB-WAX熔融石英毛細管氣相色譜柱(30 m×250μm×0.25μm,美國Agilent公司);載氣(He,99.999%)流速1.0 mL/min,分流進樣,分流比為10∶1。GC-MS分析條件和前進樣口、柱溫升溫程序等條件參考張雪楓等(2023)的方法。質(zhì)譜數(shù)據(jù)采69f484dac9cbffca8a7dd6290d4f964c集方式:(1)Scan模式,質(zhì)量掃描范圍33~350;(2)SIM模式。1.4.3定性及定量分析結合質(zhì)譜數(shù)據(jù)對不同成熟期果實揮發(fā)性香氣物質(zhì)進行定性分析,在NIST數(shù)據(jù)庫中檢索質(zhì)譜分析結果比對檢測的化合物并對其定性。利用外標法對目標化合物進行準確定量,繪制不同濃度目標物定量離子峰面積和濃度標準曲線,在各目標物濃度范圍內(nèi),大多數(shù)化合物的相關系數(shù)(r2)在0.99以上。
1.5氣味活性值(OAV)與香氣輪廓特征
由于4個處理夏黑葡萄果實樣本內(nèi)香氣化合物含量組分不同,且各揮發(fā)性香氣物質(zhì)閾值相差較大,因此利用OAV判斷對果實整體香氣有重要貢獻的揮發(fā)性香氣化合物,繪制香氣特征輪廓,對不同成熟期樣本的風味氣味強度進行比較。OAV為化合物在樣本中含量濃度與化合物閾值的比值(陳芝飛等,2018;熊榆等,2021)。一般認為OAV≥1的化合物對果實整體香氣有重要貢獻,且OAV值越高表示該化合物對果實整體香氣貢獻度越高(聶樅寧,2022)。OAV計算公式如下:
OAV=Ci/OTi
式中,Ci為化合物在樣本中的含量濃度,OTi為化合物閾值。
香氣特征輪廓雷達圖繪制參考熊榆等(2021)的方法。揮發(fā)性香氣物質(zhì)閾值參考Gemert(2011)、熊榆等(2021)的方法,香味描述參考IFRA Fragrance Ingredient Glossary(April 2020 edition)網(wǎng)站(https://ifrafragrance.org/priorities/ingredients/glos-sary)。
1.6轉(zhuǎn)錄組測序(RNA-Seq)
采用RNA提取試劑盒提取不同成熟期夏黑葡萄果實中總RNA,所有RNA提取、RNA樣品純度濃度和完整性的檢測及RNA-Seq均委托北京百邁客生物科技有限公司完成。主要流程如下:建立RNA-Seq文庫的,雙鏈合成加接頭,PCR富集獲得cDNA文庫,文庫質(zhì)量檢測,基于Illumina NovaSeq 6000測序平臺進行RNA-Seq;通過SeqPrep(https://github.com/jstjohn/SeqPrep)進行過濾;使用HISAT2(http://ccb.jhu.edu/software/hisat2/index.shtml)與葡萄參考基因組(https://plants.ensembl.org/Vitis_vinifera/Info/Index)進行序列比對;以|log2 Fold Change|≥1且P<0.05為篩選標準,采用DEGSeq(http://www.biocon-ductor.org/packages/release/bioc/html/DESeq.html)篩選組間差異表達基因(DEG),以FPKM值表示基因表達量。
1.7統(tǒng)計分析
使用SPSS 26.0對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One-way ANOVA),采用Duncan’s法進行差異顯著性分析,利用Excel 2016、TBtools和Origin 2019繪制圖表。
2結果與分析
2.1不同延后栽培處理夏黑葡萄物候期差異比較分析結果
T1、T2、T3、T4果實成熟期分別為7月23日、8月28日、9月15日和9月23日,成熟果實表現(xiàn)見圖1。T1從萌芽至成熟期所需天數(shù)為119 d;較T2、T3、T4所需天數(shù)分別多36、30和30 d。T2、T3和T4從萌芽至果實成熟期所需天數(shù)相近,分別需83、89和89 d。T2、T3、T4延后果萌芽時間均在短截處理后第10、13和11 d,且T2與T3從萌芽至開花期所需天數(shù)差異較小,為24和21 d,明顯少于T1萌芽至開花期所需天數(shù)(36 d)。T1與T2、T3、T4從開花至果實著色期所需天數(shù)分別相差16、13和18 d,延后果T2、T3、T4所需天數(shù)分別為32、35和30 d。T1較T2、T3、T4果實著色至成熟期所需的天數(shù)分別多8、2和9 d,T1與T3果實著色所需的時長最接近(表1)。
2.2延后栽培對夏黑葡萄成熟期果實生理指標的影響
由表2可知,T1夏黑葡萄成熟期果實單粒重(8.57 g)顯著高于其他3個延后栽培處理(P<0.05,下同),T2單粒重(2.75 g)最低,顯著低于其他3個處理,T3與T4之間無顯著差異(P>0.05,下同)。T1果實L*顯著小于其他3個處理,T2果實L*最大,說明果皮明度最亮,T1的L*最小,說明果皮明度最暗,T3與T4之間無顯著差異。果實CIRG值排序為T1>T3>T4>T T1果實CIRG(6.07)顯著高于其他3個處理,T2果實CIRG最低(4.84)。T1果實縱徑(24.16 mm)和橫徑(24.40 mm)均顯著高于其他3個處理,T2果實縱徑(16.50 mm)和橫徑(16.05 mm)最小,T3與T4之間無顯著差異。T1果實硬度顯著高于T2、T3和T4,T3的果實硬度最?。?.73 N),顯著小于其他3個處理,T2與T4果實硬度無顯著差異。T1果實TSS含量最高,顯著高于T2和T4,與T3無顯著差異,T4果實中TSS含量最低(17.17%),顯著低于其他3個處理,T3與T1無顯著差異。T2果實中TA含量最高為5.94 g/kg,T3果實TA含量最低,為4.07 g/kg,T3果實中TA含量顯著低于其他3個處理。T3果實中TSS/TA顯著高于T1、T2和T4,排序為T3>T1>T4>T2。
2.3延后栽培夏黑成熟果實香氣物質(zhì)差異分析結果2.3.1香氣化合物聚類分析結果由圖2可知,對4個處理夏黑葡萄成熟期果實中的26種香氣化合物含量繪制熱圖并聚類,香氣化合物明顯分為兩大類,T1和T2、T3和T4的樣本從香氣相對含量上能被明顯區(qū)分。T2、T3和T4被分為兩大類,T3單獨為一類,T2和T4聚為一類。不同處理夏黑葡萄成熟期果實香氣物質(zhì)種類差異不明顯,T1、T2、T3、T4果實中檢測出的香氣物質(zhì)種類分別為25、25、24和24種。T1和T3果實中香氣化合物的整體上相對含量較高,不同處理間的香氣物質(zhì)組成差別較明顯,T1果實中異辛醇、苯乙醇和1-辛烯-3-醇等醇類物質(zhì)相對含量高于T2、T3和T4延后果,T1果實中苯乙醇相對含量(168.80μg/kg)較延后果T3(74.10μg/kg)高127.80%。T3果實中萜烯類化合物的相對含量較高,如橙花醇(16.30μg/kg)、香葉醇(8.74μg/kg)和檸檬烯(7.31μg/kg)的相對含量在4個處理中最高,且T3果實中降異戊二烯類化合物(大馬士酮)含量最高。乙酸異戊酯僅在T1和T3果實中被檢測到。T2果實中酯類化合物的相對含量較高,例如乙酸乙酯、丁酸乙酯、辛酸乙酯等,且丁酸乙酯僅在T2中被檢測到。
2.3.2揮發(fā)性物質(zhì)含量占比分析結果由圖3可知,不同延后栽培夏黑葡萄果實香氣化合物百分比組分不同。在檢測出的26種化合物中,乙酸乙酯、己醛、反式-2-己烯基醛、丙酸酐和苯乙醇為優(yōu)勢化合物,該5種化合物含量占化合物總量95%以上。但不同延后栽培處理夏黑葡萄果實中化合物含量占比不同。T1和T2果實中乙酸乙酯含量占比較一致,分別為98.60%和99.00%,T3和T4果實中乙酸乙酯含量占比低于T1和T 分別為95.56%和95.56%。己醛和反式-2-己烯基醛占比也較大,為3.87%和2.22%,T3和T4果實中己醛和反式-2-己烯基醛含量占比高于T1和T 且所有處理中反式-2-己烯基醛占比高于己醛占比。T1和T3果實中丙酸酐含量占比高于T2和T4。不同延后栽培夏黑葡萄果實中苯乙醇含量占比存在明顯差異,T1、T2、T3和T4分別占比0.22%、0.04%、0.26%和0.10%。
2.3.3揮發(fā)性物質(zhì)含量分布差異由圖4-A和圖4-B可知,不同延后栽培處理夏黑葡萄果實不同樣本中分布差異較大的乙酸乙酯、己醛、反式-2-己烯基醛、丙酸酐和苯乙醇為代表差異揮發(fā)性化合物,其中乙酸乙酯含量差異最大,最大值與最小值相差49417.55μg/kg。對揮發(fā)性物質(zhì)含量進行放大處理(圖4-A右上角小圖)發(fā)現(xiàn),除了上述5個關鍵性揮發(fā)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樣品中的分布差異也較為明顯。
2.3.4優(yōu)勢特征化合物含量分析結果對8種優(yōu)勢揮發(fā)性化合物分析,結果(圖5)可知,丁酸乙酯僅在T2果實中被檢測到,含量為29.03μg/kg,T1果實中的苯乙醇含量最高(168.8μg/kg)、T4果實次之(85.17μg/kg);T1果實中反式-2-丁烯酸乙酯含量最高(13.47μg/kg),T3最低為5.77μg/kg,二者相差約2倍;T3果實中苯甲醇含量最高為47.49μg/kg,T2果實含量最低為16.09μg/kg(圖5-A)。由圖5-B可知,反式-2-己烯醛含量排序為T4>T3>T2>T 丙酸酐含量排序為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實間相差明顯,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個處理的夏黑葡萄果實含量差異不明顯,排序為T4>T2>T3>T1。乙酸乙酯是果實中含量最高的化合物,4個處理夏黑葡萄果實中乙酸乙酯含量均在1000.00μg/kg以上,T2果實中含量最高為100061.75μg/kg,T3最低為26724.55μg/kg(圖5-C)。
2.4延后栽培夏黑成熟果實香氣物質(zhì)OAV與香氣特征輪廓分析結果
通過計算定量檢測出的化合物OAV結果(表3)可知,T1、T2、T3、T4葡萄果實中分別檢出OAV≥1的化合物種類為9、10、10和9種,檢出香氣物質(zhì)種類和數(shù)量相近,但延后栽培處理各化合物的OAV存在明顯差異。對夏黑果實香氣風味有重要貢獻的香氣物質(zhì)為乙酸乙酯、檸檬烯、芳樟醇、橙花醇、香葉醇、愈創(chuàng)木酚、己醛、大馬士酮和反式-2-己烯基醛。4個處理中,大馬士酮、乙酸乙酯、檸檬烯、芳樟醇和橙花醇活性強度較高,OAV>5。酯類化合物如乙酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸異戊酯的OAV值之和最大。對不同延后栽培處理夏黑葡萄果實香氣特征輪廓繪制雷達圖,結果(圖6)可知,不同延后栽培處理夏黑葡萄成熟期果實香氣特征輪廓基本一致,分別是果香、青草香和花香。結合表3可知,構成果香氣味的主要物質(zhì)有乙酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸異戊酯;構成青草香氣味的主要物質(zhì)為己醛;橙花醇、香葉醇和大馬士酮對花香和玫瑰香氣味均有重要貢獻,構成花香氣味的還包括芳樟醇和反式-2-己烯基醛。不同延后栽培處理果實風味氣味強度不同,其中果香和甜香氣味強度最大的為T 其次為T3,最小的為T4。青草氣味強度最大為T4,最小為T1。T3果實花香氣味在4個處理果實中最強,T3和T4果實的花香風味均比T1更為濃郁。果實草藥味氣味強度最高的為T3。
2.5延后栽培夏黑成熟果實RNA-Seq分析結果
2.5.1原始測序數(shù)據(jù)的分析及質(zhì)量評估不同延后栽培處理夏黑葡萄果實RNA-Seq結果(表4)顯示,去除低質(zhì)量Reads,獲得22650435~24063866條Clean reads,GC含量為46.28%~46.72%,樣本中≥Q30堿基為94.13%~94.86%,表明測序結果可靠。
2.5.2不同延后栽培處理夏黑葡萄果實DEGs篩選結果由表5可知,T1 vs T2、T1 vs T3、T1 vs T4、T3 vs T2、T4 vs T2、T3 vs T4分別有1913、2532、2119、781、1611、1113個上調(diào)DEGs和816、1397、1946、703、926、426個下調(diào)DEGs。通過對DEGs分析,發(fā)現(xiàn)共有8個DEGs與萜類骨架生物合成(Terpenoid backbone biosynthesis)途徑中的磷酸甲基赤蘚醇(Methy‐lerythritol phosphate,MEP)途徑有關,17個DEGs與類胡蘿卜素代謝(Carotenoid biosynthesis)途徑有關。
2.6 MEP途徑和類胡蘿卜素代謝途徑關鍵基因分析結果
由圖7可知,與MEP途徑有關的8個基因中有3個1-脫氧-d-木黃糖-5-磷酸合酶基因(DXS)、1個1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸還原異構化酶基因(DXR)、1個香葉基焦磷酸合酶基因(GPPS)、2個萜烯合酶基因(TPS)。DXS2(Vitvi11g01303)和VvDXS4基因(Vitvi11g01307)在T3和T4中的表達量高于T1和T 基因VvDXS1(Vitvi05g00372)在T4中表達量最高?;駾XR(Vitvi17g00816)在T3和T4果實中上調(diào)表達,在T1果實中下調(diào)表達。GPPS基因(Vitvi15g000 79)在T3果實中的表達量最高?;騎PS(Vitvi01g00 793和Vitvi12g00146)在T2果實中表達量最高,T3果實中整體上調(diào)表達,T1和T4果實iKzYjb3NKney9pZXWSzhz0lWaa0q3RD+MV9e0yGJAgk=中下調(diào)表達。
果實中的降異戊二烯類化合物如β-紫羅蘭酮、β-大馬士酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮等源于類胡蘿卜素代謝路徑,它們以類胡蘿卜素為前體,為果實提供花果香氣(高媛等,2023)。本研究中篩選出17個與類胡蘿卜素代謝路徑有關的基因。類胡蘿卜素合成途徑中的異戊二烯來源于MEP途徑,由異戊二烯焦磷酸(Isopentenyl diphosphate,IPP)和二甲基烯丙基焦磷酸(Dimethylallyl diphosphate,DMAPP)在香葉基焦磷酸合酶(Geranyl-geranyl diphosphate synthase,GGPS)作用下合成香葉基焦磷酸,之后在八氫番茄紅素合成酶(Phytoene Synthase,PSY)作用下完成類胡蘿卜素代謝合成途徑中的第一步。本研究中篩選了2個在T3果實中表達量顯著上調(diào),且與GGPS有關的基因(Vitvi19g00506和Vitvi05g00289)。除了Vitvi04g02011在T4中表達量最高,基因PSY(Vitvi13g01557和Vitvi12g00084)在T3中表達量最高。八氫番茄紅素在八氫番茄紅素脫氫酶(Phytoene Dehydrogenase,PDS)、ζ-胡蘿卜素異構酶(ζ-Caroteneisomerase,Z-ISO)、ζ-胡蘿卜素脫氫酶(ζ-Carotene dehydrogenase,ZDS)和胡蘿卜素異構酶(Carotenoidisomerase,CRTISO)的作用下最終合成番茄紅素,基因PDS(Vitvi09g00004和Vitvi03g00170)、ZDS(Vitvi14g00424)、CRTISO(Vitvi04g01293)均在T2和T3果實中上調(diào)表達,基因Z-ISO(Vitvi05g01347)在T3和T4果實中上調(diào),CRTISO基因在T3果實中表達量最高。合成的番茄紅素在番茄紅素ε-環(huán)化酶(Lycopeneε-cyclase,LCYe)作用下合成γ-胡蘿卜素,接著繼續(xù)合成β-胡蘿卜素,本研究中LCYe基因(Vitvi11g00148)在T3果實中表達量最高。β-胡蘿卜素被β-胡蘿卜素羥化酶基因(CHYB基因,Vitvi02g00020)羥化合成玉米黃質(zhì)等,CHYB在T2和T3中的表達量較高。玉米黃質(zhì)和紫黃質(zhì)之間可受到紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化酶(Violaxanthin de-epoxidase,VDE)和玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶(Zeaxanthin epoxidase,ZEP)相互轉(zhuǎn)換,本研究中VDE(Vitvi04g01082)和ZEP(Vitvi07g01745)基因整體上在T3果實中表達量較高,其次是T2。番茄紅素合成玉米黃質(zhì)的中間產(chǎn)物均可以被類胡蘿卜素裂解雙加氧酶(Carotenoid cleavage dioxygenase,CCD)裂解成C13-降異戊二烯類化合物如β-紫羅蘭酮、β-大馬士酮等,基因CCD1(Vitvi13g01724)在T2和T3中上調(diào)表達。
3討論
延后栽培技術在南方地區(qū)已經(jīng)開展了相關研究及應用(熊榆等,2021;王玉倩等,2023),對巨玫瑰和夏黑葡萄延后栽培研究發(fā)現(xiàn)延后栽培的果實風味較常規(guī)栽培一次果更濃郁(熊榆等,2021;熊榆,2023;周晴等,2023),不同成熟期可造成同一品種果實的品質(zhì)和香氣物質(zhì)含量產(chǎn)生差異(陳彥蓓等,2021)。反式-2-己烯醛和己醛為葡萄中主要的C6醛,與果實的成熟有關,對果實香氣形式有重要意義(EI Hadi et al.,2013;陳彥蓓等,2021),本研究結果表明,除乙酸乙酯外,己醛和反式-2-己烯醛在4個處理果實中含量占比大,T4含量最高。不同延后栽培處理夏黑葡萄果實與T1果實酯類化合物的含量和活性值之間存在差異,其中T3果實的果香風味是延后果中最強的,即酯類化合物如乙酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸異戊酯的OAV值之和最大。除了酯類化合物外,葡萄果實中的萜醇、醛類等萜烯類化合物是為葡萄果實帶來濃郁花香和果香的香氣物質(zhì),也是麝香葡萄和葡萄酒的典型香氣物質(zhì)(張明霞等,2008;陳彥蓓等,2021)。本研究結果表明,延后果(T2、T3和T4)相較于T1果實有更加濃郁的花香風味,其中T3果實中的檸檬烯、橙花醇、香葉醇和芳樟醇等萜烯類化合物的含量最高,花香風味最為濃郁,與熊榆等(2021)研究發(fā)現(xiàn)的延后果的果香和花香風味略低于一次果的結果不一致,造成差異的原因可能與葡萄成熟的時間及發(fā)育至成熟階段環(huán)境等因素不同有關,本研究中T3和T4延后果的成熟期分別延后至9月15日和9月23日,與熊榆等(2021)研究中8月成熟的延后果的成熟期明顯不同。在同一品種且栽培措施一致的情況下,對果實香氣影響最大的是環(huán)境因素(Mendez-Costabel et al.,2013;Xu etal.,2015),本研究中造成不同延后栽培處理夏黑葡萄果實香氣物質(zhì)含量差異明顯的原因很可能是由生長階段的溫度差異導致,特別是T1和延后果之間。單萜類香氣物質(zhì)的合成與日平均最高溫呈負相關(Lacey et al.,1991),楊洋等(2021)研究發(fā)現(xiàn)適當降低夜間溫度能有效提高醛類和萜烯類化合物的相對含量,有助于提高果實品質(zhì)。本研究中,T1果實中醇類化合物和萜烯類化合物的含量相對較高,猜測與T1果實發(fā)育階段中前期夜間平均溫度較低且平均最高溫偏低有關。本研究中T3果實中萜烯類和大馬士酮含量最高,與梁攀(2018)研究發(fā)現(xiàn)萜烯類和降異戊二烯類化合物與積溫、日平均溫呈顯著相關的研究結果一致。根據(jù)果實整體香氣風味強度,使延后果果實香氣風味最佳的主梢短截的時間在6月5日左右,T2(5月26日短截)果實中乙酸乙酯含量最高且大于T 后續(xù)將調(diào)整短截的時間在5月26日—6月5日,可能一定程度會增強乙酸乙酯的濃度,獲得果香和花香風味強度均大于T1的延后果,因此,最佳短截時間還有待繼續(xù)研究。
除了香氣外,果實生理指標如果粒大小、顏色和TSS及TA含量等均決定著果實的品質(zhì)。不同延后栽培成熟期果實與一次果的果粒大小存在顯著差異(陳為凱,2018;熊榆等,2021),本研究中T1果實單粒重、縱徑和橫徑均顯著高于延后果,與熊榆等(2021)的研究結果一致。葡萄果實大小與果實內(nèi)源激素和環(huán)境因素有關,常規(guī)栽培的葡萄果實在氣溫達30℃以上時幾乎不再膨大,而高于35℃果實可能出現(xiàn)萎縮,不同品種葡萄膨大對溫度的要求不同(Greer and Weedon,2014),本研究中延后果果實膨大期溫度為30℃左右,后期高于35℃,影響了果實的膨大,因此,后續(xù)研究需解決如何保持果實大小的問題,下一步將通過栽培措施將延后果的成熟期調(diào)控至10月底至12月初。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)延后果比常規(guī)栽培果實的總糖和TSS含量更高(熊榆等,2021),本研究中,T3果實中TSS含量與T1無顯著差異,其他2個延后果顯著低于T 該結果與熊榆等(2021)的研究結果一致。葡萄轉(zhuǎn)色后環(huán)境溫度較高會促進果實中酸降解,從而加速果實成熟(陳彥蓓等,2021),本研究中T3果實中TA含量最低,且顯著低于其他3個處理,猜測與T3果實轉(zhuǎn)色后期環(huán)境溫度較高有關,因此主梢短截時期能影響果實轉(zhuǎn)色至成熟期的時間從而影響果實酸降解速度、香氣含量和整體風味氣味強度。
葡萄果實中DXR是第1個催化MEP途徑中單萜合成底物形成的酶,前人研究發(fā)現(xiàn)與VvDXS基因相關的QTL定位可解釋17%~93%橙花醇、香葉醇和芳樟醇的濃度變化(Doligezetal.,2006;Battilana et al.,2009)。本研究中T3果實的橙花醇和香葉醇含量最高,DXS基因在T3和T4果實中上調(diào)表達,在T4果實中表達量最高,與萜類化合物含量在不同處理果實中的規(guī)律不一致,因此VvDXS基因可能不是造成不同延后栽培處理夏黑果實中萜類化合物含量差異的主要原因。GPP是生成單萜的底物,IPP和DMAP在GPPS的作用下生成GPP,GPPS是植物單萜生成過程中的關鍵酶(Tholl et al.,2004),本研究中GPPS基因(Vitvi15g00079)在T1、T2和T3果實中均上調(diào)表達,T3果實中表達量最高,與不同處理果實中萜類化合物含量規(guī)律一致,猜測是造成不同處理果實中萜類化合物含量差異的主要原因。研究表明TPS基因和香葉醇、α-松油醇和芳樟醇的合成有關,TPS-b亞家族的α-萜品醇合酶基因(VviTer)是在葡萄中鑒定并功能表征的首批單萜合酶之一(Mar-tin and Bohlmann,2004),本研究中與α-萜品醇合酶有關的基因TPS在T2和T3果實中整體上調(diào)表達,證實了T2果實中α-松油醇含量最高,T3含量次之的結果。類胡蘿卜素是四萜類化合物,由2分子香葉原基雙香葉基雙磷酸尾—尾連接構成的,含有40個C原子,類胡蘿卜素不僅影響黃綠色品種葡萄的顏色,還參與果實中香氣形成(張克坤,2021)。β-大馬士酮在水溶液中的閾值極低(0.002μg/L),在水果中表現(xiàn)出復雜的花香,是由類胡蘿卜素降解形成(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個無色類胡蘿卜素八氫番茄紅素(高媛等,2023)。本研究中,基因GGPS(Vitvi19g00506和Vitvi05g00289)在T3果實中上調(diào)表達且表達量最高。葡萄中PSY1和PSY2基因能參與葡萄果實中類胡蘿卜素合成,PSY基因的轉(zhuǎn)錄變化與番茄紅素顯著相關,能調(diào)控下游類胡蘿卜素的合成,容易受到光敏色素互作因子(PIF)的負調(diào)控,遮光可提高PIF轉(zhuǎn)錄水平(Llorente et al.,2016;張克坤,2021)。轉(zhuǎn)錄過程中PSY基因容易受到ABA、溫度、干旱光周期等環(huán)境因素的影響(Cazzonelli and Pogson,2010),PSY基因的表達不完全影響類胡蘿卜素變化,高溫會導致PSY1基因表達量降低但類胡蘿卜素含量增加(Li etal.,2008)。本研究中,PSY1基因在T3和T4果實中上調(diào)表達,PSY2基因在T2和T3果實中上調(diào)表達,與不同延后栽培果實大馬士酮含量規(guī)律一致。在類胡蘿卜素代謝途徑中與降異戊二烯類化合物直接相關的是類胡蘿卜素裂解CCD(高媛等,2023),Mathieu等(2006)研究表明VvCCD1基因的上調(diào)表達能誘導較高含量的C13-降異戊二烯化合物,本研究中,VvCCD1基因在T2和T3果實中上調(diào)表達,在T3表達量最高,與T3果實中大馬士酮含量最高密切相關。
4結論
不同延后栽培處理的夏黑葡萄果實單粒重、硬度、可溶性固形物等生理指標和揮發(fā)性香氣成分不同,于6月5日左右對葡萄主梢第4節(jié)位進行短截的葡萄果實高糖低酸,果香和花香風味濃郁,果實品質(zhì)較好。
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(責任編輯李洪艷)