The initiation of bud burst in grapevine features dynamic regulation of the apoplastic pore size  

葡萄芽爆發啟動過程具有胞外連絲孔徑的動態調控特征  

來源: Journal of Experimental Botany, Volume 71, No 2, 2020, Pages 719-729

《實驗植物學雜志》第71卷第2期，2020年，第719-729頁，  

 

摘要  

本研究揭示了葡萄芽爆發過程中胞外連絲孔徑的動態調控機制。研究發現休眠期葡萄芽的胞外連絲孔徑限制為2.1納米，僅允許單糖和植物激素等小分子通過，而較大分子（如酸性品紅和伊紅Y染料）需待芽爆發啟動后才能傳輸。通過微計算機斷層掃描（μCT）技術證實芽內部氧分壓（pO?）分布與組織異質性高度相關，初級芽復合體在爆發過程中優先快速氧合。結果表明胞外連絲孔隙度在芽爆發早期受到嚴格調控，說明維管發育在初級芽復合體的初始快速氧合過程中起關鍵作用。

 

研究目的  

探究：1）葡萄芽爆發過程中胞外連絲孔徑的動態變化規律；2）光照和氧分壓對芽爆發啟動的調控作用；3）芽內部組織結構異質性對氧分布的影響機制。

 

研究思路  

1. 實驗設計：采集休眠期葡萄藤莖段（梅洛品種），使用氫氰酰胺（HC）處理同步化芽爆發進程，設置黑暗（D）和光暗交替（DL）兩種培養條件  

2. 多技術聯用：  

   ? 染料傳輸實驗：使用酸性品紅（0.8 nm）和伊紅Y（1.5 nm）評估胞外連絲通透性  

 

   ? 計算化學建模：B3LYP/6-31G(d,p)方法計算染料分子水合尺寸  

 

   ? μCT掃描：解析芽內部三維結構并與氧分壓數據耦合  

 

   ? 呼吸測量：Li-COR系統測CO?釋放，Unisense微傳感器測O?消耗  

 

3. 數據分析：通過ANOVA和Tukey檢驗統計不同組織孔隙度、濕度及呼吸速率差異  

 

測量的數據及研究意義  

1. 胞外連絲通透性（圖1B-C）：  

   ? 測量數據：休眠芽完全阻隔染料傳輸直至爆發啟動（168 h），DL條件比D條件更早出現傳輸能力  

   ? 研究意義：首次量化芽休眠期的分子排阻尺寸（2.1 nm），證實胞外連絲是調控芽與母體物質交換的關鍵屏障  

 

2. 分子尺寸建模（圖2-3）：  

   ? 測量數據：酸性品紅和伊紅Y的水合直徑分別為1.48 nm和2.12 nm，rhodamine green（陽性對照）為1.32 nm  

   ? 研究意義：通過量子化學計算精確確定染料分子的傳輸門檻值，為胞外連絲孔徑研究提供理論基準  

 

 

3. 內部氧分壓分布（圖4）：  

   ? 測量數據：芽分生組織核心區（2000-2400 μm深度）pO?在爆發啟動后顯著升高，DL條件下外周區pO?比D條件高5 kPa  

   ? 研究意義：μCT重建電極路徑證實pO?空間異質性與組織密度相關，揭示分生組織優先氧合現象  

 

4. 組織孔隙度特征（圖5）：  

   ? 測量數據： trichomes（毛狀體）孔隙度最高（77%），外層鱗片30%，綠色組織12%；基部孔隙度最低（8-10%）  

   ? 研究意義：高孔隙度組織（如trichomes）可能作為氧氣擴散通道，支持分生組織氧合  

 

 

結論  

1. 葡萄芽休眠期通過維持2.1 nm胞外連絲孔徑實現物理隔離，僅允許小分子物質（單糖、植物激素）通過，而阻斷大分子信號物質傳輸  

2. 光照通過促進纖維素酶基因表達（DL條件表達量比D條件高48%）加速胞外連絲孔徑擴大，但非芽爆發的絕對需求因子  

3. 芽爆發啟動后分生組織核心區優先氧合，且氧合過程不依賴原位光合作用（黑暗條件下仍發生），表明維管組織重建是氧合的主要途徑  

4. 組織孔隙度異質性（trichomes > 鱗片 > 分生組織）是導致pO?空間分布差異的結構基礎，證實物理結構與生理過程的耦合調控機制  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

本研究采用丹麥Unisense公司Clark型氧微傳感器（tip diameter: 25 μm）進行關鍵測量：  

 

1. 高空間分辨率測量：  

   ? 傳感器以36 μm步長穿透芽組織（深度2900-3700 μm），實現分生組織核心區的原位pO?測量（圖4），克服了傳統方法的空間限制  

 

2. 精準校準技術：  

   ? 通過N?沖洗（0 kPa校準）和大氣平衡（21 kPa校準）實現兩點校準，確保絕對pO?值的可靠性  

 

   ? 每日測量空白腔室本底值并扣除，消除系統誤差（方法2.3節）  

 

3. 與結構生物學融合：  

   ? 通過μCT掃描碘染色樣品（7.9 μm分辨率）重建電極路徑（圖4A），首次將pO?曲線與組織密度定量關聯（圖4C）  

 

   ? 發現pO?最低值對應高密度苞片組織（圖4B），證實組織結構是氧分布的主要決定因子  

 

4. 揭示生理機制：  

   ? 測量顯示芽爆發初期（48 h）出現pO?低谷，隨后氧合水平顯著上升，匹配缺氧響應基因表達峰值時間點  

 

   ? DL條件中外周區pO?更高（>15 kPa vs <10 kPa），證明光照通過促進外周組織氧合間接影響芽爆發進程  

 

Unisense微傳感器在本研究中發揮了不可替代的作用：其微米級空間分辨率成功解析了芽組織內部的氧梯度異質性，與μCT的結構數據耦合揭示了"分生組織優先氧合"這一關鍵現象，證實了維管發育而非光合作用是芽爆發初期氧合的主要驅動力。這些數據為理解木本植物芽爆發的氧調控機制提供了直接實驗證據。