Contrasting seasonal dynamics of dormancy, respiratory metabolism and cell cycle state in grapevine buds of a subtropical and Mediterranean climate

亞熱帶和地中海氣候葡萄芽休眠、呼吸代謝和細胞周期狀態的季節動態對比

來源：Food Energy Secur. 2023;12:e431.

 

1. 摘要核心內容

 

論文對比了亞熱帶氣候（卡那封，24°S） 和地中海氣候（天鵝谷，31°S） 下葡萄品種 'Flame Seedless' 芽的休眠動態。研究發現：

 

亞熱帶氣候：休眠更淺、冷量積累更低（<200 PCU），冬季呼吸代謝（耗氧率）增強5倍，芽內氧分壓（pO?）持續低氧（<5 kPa）。

地中海氣候：休眠更深、冷量積累更高（724 PCU），呼吸代謝僅增強2倍，芽內pO?在萌發前回升（5–10 kPa）。

長期趨勢：2005–2015年，兩地冷量積累均顯著下降（天鵝谷減少23 PCU），預示氣候變暖對葡萄休眠的負面影響。

 

2. 研究目的

 

探究不同氣候（亞熱帶 vs. 地中海）對葡萄芽 休眠深度、呼吸代謝、細胞周期及內部氧狀態 的季節性動態影響。

為應對氣候變化和葡萄種植區擴展提供生理學依據。

 

3. 研究思路

 

樣本設計：

選取澳大利亞西部兩地：卡那封（亞熱帶） 和 天鵝谷（地中海）。

定期采集葡萄芽（2015年1月至8月，共11次）。

核心對比指標：

休眠深度：通過芽萌發實驗（BB??，50%芽萌發時間）量化（圖1）。

 

 

氣候參數：溫度、光周期、冷量積累（PCU模型，圖2, 3）。

 

 

生理代謝：芽含水量（圖4a）、細胞周期（G2/G1比例，圖4b）、呼吸速率（耗氧率與CO?釋放，圖5）。

 

 

芽內氧狀態：Unisense微電極測量pO?梯度（圖6）。

 

長期趨勢：分析2005–2015年冷量積累變化（圖3）。

 

4. 測量數據及研究意義

測量指標 圖表 研究意義

休眠深度（BB??） 圖1 亞熱帶休眠更淺（BB??低），證明氣候對休眠調控的主導作用。

冷量積累（PCU） 圖2b, 3 亞熱帶冷量積累不足（<200 PCU vs. 724 PCU），解釋休眠差異；長期下降趨勢警示氣候變暖風險。

芽含水量 圖4a 亞熱帶芽脫水程度更低（含水量高18%），支持休眠淺、代謝活躍的生理狀態。

細胞周期（G2/G1比例） 圖4b 兩地均秋季停滯（G2/G1<0.4），表明細胞分裂抑制是休眠共性特征。

呼吸代謝（耗氧率/CO?釋放） 圖5 亞熱帶冬季耗氧率激增5倍（vs. 2倍），反映高溫驅動代謝活躍。

芽內pO?梯度 圖6 核心發現：亞熱帶芽核心持續深度缺氧（pO?<5 kPa），地中海芽萌發前pO?回升；揭示氧狀態與休眠深度的關聯。

 

5. 核心結論

 

氣候主導休眠差異：亞熱帶高溫導致休眠淺、冷量需求低，需人工干預（如氰胺）保障生產；地中海氣候自然滿足休眠需求。

代謝適應性：亞熱帶芽通過增強呼吸代謝適應高溫，但持續低氧狀態（pO?<5 kPa）可能限制能量供應。

芽內氧狀態是關鍵調節因子：深度缺氧（pO?<5 kPa）與休眠維持正相關，氧回升（pO?>5 kPa）預示萌發準備。

氣候變暖威脅：冷量積累十年下降10–23 PCU，亞熱帶種植區風險更高。

 

6. Unisense電極數據的詳細解讀

技術優勢

 

高空間分辨率：25μm微電極尖端可穿透芽鱗，實時測量 0–2000μm深度的pO?梯度（圖6）。

動態監測：揭示芽分生組織（1500–2000μm）的氧微環境變化，傳統方法無法實現。

 

關鍵發現與意義

觀測點 數據 科學意義

休眠期（5月） 兩地芽核心pO?均≤5 kPa（圖6a, b） 證實休眠期芽內普遍缺氧，支持“缺氧維持休眠”理論（Meitha et al. 2018）。

萌發前期（8月） 亞熱帶芽核心仍≤5 kPa（圖6d）；地中海芽回升至5–10 kPa（圖6c） 氣候依賴性：亞熱帶高溫加速代謝但氧供應不足，可能導致萌發不同步；地中海氧回升促進能量代謝，利于有序萌發。

pO?梯度形態 外層鱗片pO? >10 kPa，向內驟降至≤5 kPa 證實芽鱗是氧擴散屏障，為遺傳改良（降低鱗片緊密度）提供靶點。

 

研究價值

 

機制創新：首次將 芽內氧分壓 納入氣候-休眠關聯模型，提出“氧信號調控休眠深度”新假說。

應用指導：亞熱帶種植區需優化氧供應（如修剪疏松芽鱗），以緩解持續低氧對萌發的抑制。

技術標桿：Unisense微電極實現 活體、原位氧監測，為植物休眠研究設立新標準。

 

總結

 

本研究通過 多維度生理指標對比，揭示氣候通過調控 冷量積累、呼吸代謝和芽內氧狀態 影響葡萄休眠深度。Unisense電極數據的核心價值在于：

 

量化休眠的氧微環境：證實pO?≤5 kPa是休眠標志，pO?回升是萌發前兆。

解析氣候適應機制：亞熱帶芽以“高代謝-持續缺氧”妥協適應高溫低冷量。

預警氣候變暖風險：冷量積累十年下降23 PCU，Unisense數據為育種/栽培策略提供精準生理依據。

論文創新點：首次將芽內氧分壓納入氣候-休眠模型，為應對全球變暖的葡萄產業提供新視角。