铁对酿酒葡萄果实风味物质及类黄酮合成相关基因表达的影响

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铁是植物必需的微量元素,铁缺乏会对植物的生长发育及果实品质产生不同程度的影响。我国西北地区是酿酒葡萄栽培的优良产区,但因大面积的碱性土壤而存在缺铁问题。缺铁在一定程度上影响果实糖、酸、酚以及香气物质等风味成分,目前在葡萄上有关铁的研究多集中于植株生长、果实基本理化品质等方面,而对果实酚类物质及香气等的研究较少。本研究在宁夏田间条件下,通过对生长于碱性土壤的酿酒葡萄进行叶片喷铁处理,处理方式为采用50μmol/L和75μmol/L的Fe-EDDHA分别于花后2周+4周和花后4周+6周喷施,以喷清水为对照,初步考察铁对果实主要风味物质的影响;在温室砂培条件下对盆栽酿酒葡萄进行根施Fe-EDDHA处理,根施浓度为0μmol/L、23μmol/L、46μmol/L、92μmol/L和184μmol/L,进一步明晰铁对果实主要风味物质的影响规律。采用RNA-Seq技术对比分析了不同浓度铁处理下转色期果皮在转录水平上的差异,通过生物信息学分析探究铁对果实酚类物质代谢途径的影响,并对各采样时期果皮类黄酮合成相关基因进行了实时荧光定量分析。主要研究结果如下:(1)田间叶片喷铁处理对果实粒重、皮重及皮重/粒重等指标影响不显著,但对果实风味物质有显著影响。铁处理增加了果实可溶性固形物含量及p H值,降低了滴定酸含量。不同铁处理对果皮花色苷、黄烷-3-醇和黄酮醇的影响存在年份差异。2014年50μmol/L的花后2周+4周处理和2015年的75μmol/L的花后2周+4周处理较对照分别使成熟果实单体花色苷总量增加了52.5%和37.0%。2014年50μmol/L和75μmol/L叶面较早时间(花后2周+4周)的喷施分别使果实黄烷-3-醇含量显著提高了45.0%和84.7%,使黄酮醇含量显著提高了112.9%和45.4%,而2015年50μmol/L和75μmol/L的适当推后处理(花后4周+6周)分别使果实黄烷-3-醇含量提高了19.7%和62.6%,使黄酮醇含量显著提高了58.3%和89.7%。2014年叶面喷铁较对照使果实香气物质总量提高了26.5%-279.4%,2015年增加了2.2%-62.1%。(2)在温室砂培盆栽条件下,不同铁浓度处理对果实不同风味物质的影响存在显著差异。较低浓度处理较缺铁处理增加了果实还原糖含量、p H值及糖酸比,降低了含酸量,而高浓度处理则相反,其中46μmol/L处理效果最好。与缺铁处理相比,各施铁处理均增加了成熟果实花色苷和黄烷-3-醇的含量,46μmol/L处理使花色苷含量的增幅最大,达到143.1%,而184μmol/L处理使黄烷-3-醇含量提高的幅度最大,达到170.7%。较低浓度处理较缺铁处理增加了黄酮醇含量,但高浓度处理则相反,其中46μmol/L处理使黄酮醇含量的增幅最大,达到143.3%。缺铁及184μmol/L铁处理有利于葡萄成熟果实萜烯类物质、降异戊二烯类物质、直链脂肪醛类物质、直链脂肪醇类物质、直链脂肪酸类物质及支链脂肪酸类物质的积累,但不利于直链脂肪酯类、芳香族类及直链脂肪酮类物质的积累。(3)通过对温室砂培盆栽条件下缺铁处理(0μmol/L)、中等浓度铁处理(46μmol/L)及高浓度铁处理(184μmol/L)转色期的葡萄果皮进行转录组分析得出,缺铁处理与中浓度处理相比共有418个差异表达基因,上调基因数多于下调基因,差异基因富集的十条主要代谢通路涉及基础物质代谢、次生物质代谢等相关途径;高浓度处理与中浓度处理相比共有3463个差异基因,上调的基因数量多于下调基因,差异基因富集的十条主要代谢通路主要涉及基础物质代谢、次生物质代谢、能量代谢、激素代谢及信号转导等相关途径。缺铁处理较中浓度处理上调了苯丙氨酸合成途径中生成莽草酸的相关基因表达量,也上调了苯丙烷和类黄酮生物合成途径中基因的表达量,但下调了光合途径及碳固定中基因的表达、上调了控制气孔关闭的基因表达。高浓度处理较中浓度处理上调了苯丙烷合成途径中多数基因的表达量,但下调了类黄酮合成途径中多数基因的表达量。(4)通过对各处理不同时期果皮类黄酮合成酶相关基因表达量的验证分析得出,不同浓度铁处理对所选基因表达量的影响存在较大差异。缺铁处理(0μmol/L)较其它处理显著上调了果实转色期酚类物质合成途径VvPAL、VvCHI及VvDFR等基因的表达量,与该时期转录组测序结果和总单体花色苷、总单体黄酮醇等含量高于其它处理一致;而成熟前期及采收期中等浓度铁处理(46μmol/L)的VvCHI、VvF3H、VvDFR、VvLDOX、VvUFGT和VvOMT等主要基因的表达量均较高,这与该处理在成熟前期及采收期花色苷和黄酮醇等酚类物质含量高于其它处理一致。
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