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樱桃(Cerasus pseudocerasusLindl.)被誉为落叶果树中的“早春第一果”,因其果实营养物质丰富、甘美多汁、外形鲜艳饱满而深受大众的喜爱,近年在中国西南地区亦广泛种植,但从樱桃植株开花直至果实成熟,樱桃的整个发育阶段会面临“倒春寒”、冰雹及暴雨等极端的天气灾害的影响。为了避免传统栽培方式下恶劣气候对樱桃产量造成的严重影响,避雨栽培设施被推荐使用,然而,在西南地区寡日照气候条件下,避雨栽培势必会减弱棚内的光照条件。迄今为止,避雨设施栽培下樱桃对低光照的生理及分子适应机制仍不清楚。本文以贵州省樱桃主栽品种‘玛瑙红’樱桃为试材,对一年避雨(1a-shelter)、连续两年避雨(2a-shelter)及传统露地(shelter-free)栽培条件下,植株的叶片结构、光合特性、抗氧化能力,果实的坐果率、产量及内含物等指标进行观测,利用二代及三代转录组测序,筛选了叶片及果实应对小环境变化的相关代谢通路中的关键基因。本研究结果如下:
1)避雨栽培显著影响叶片特征及枝条生长特性
与露地栽培(shelter-free)‘玛瑙红’樱桃植株相比,避雨栽培对叶片特征及枝条的生长特性有较大影响,在盛花后55天(DAF55),2a-shelter和1a-shelter叶片长宽显著增大,叶面积分别增加26.87%和23.0%,比叶重值变化不显著;2a-shelter和1a-shelter枝条长度增长,节间长度显著缩短,枝条横径无显著变化。与shelter-free植株叶片相比,2a-shelter和1a-shelter的叶片厚度分别减少19.7%和17.67%,栅栏组织分别降低18.17%和15.10%,海绵状组织厚度分别降低21.09%和19.07%;2a-shelter与1a-shelter的叶片面积和叶片厚度没有明显差异。
2)避雨栽培对光合特性的影响
与露地植株相比,避雨栽培可以显著增加单位质量叶片的叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)及类胡萝卜素(Car)含量。DAF55时2a-shelter叶片中Chla、Chlb及Car含量分别增长25.00%、40.35%及33.33%,有利于增强避雨栽培设施下叶片对弱光的利用能力。值得注意的是,2a-shelter和1a-shelter叶片的光合日变化曲线均呈非典型的“单峰”特征,不存在“午休”现象,每日总光合积累量显著增加;避雨栽培下,叶片的表观量子效率(AQY)增大,光补偿点(LCP)降低,表观羧化效率(ACE)增大,CO2补偿点(CCP)降低。避雨栽培条件下叶片通过改变光合日变化特性,增强对弱光及CO2的利用能力,从而增加了光合产物的合成及积累。
3)避雨栽培对果实产量及品质的影响
连续两年观测表明,避雨栽培不会对果实物候期造成影响。与露地植株相比,避雨栽培条件下果实大小和单果重显著增大,2a-shelter果实最大,单果重达6.75g。2a-shelter和1a-shelter下果实可溶性固形物(TSSs)分别为12.61%和12.40%,高于露地栽培;可溶性糖(SSs)上升为10.59%和10.52%,抗坏血酸(AsA)上升为9.69mg/100g和8.21mg/100g,花色苷含量显著升高,可滴定酸(TA)没有显著变化。避雨栽培能够显著降低裂果率,从95%(露地)降低至4%左右(2a-shelter和1a-shelter),显著提高产量。因此,避雨栽培能够显著提高‘玛瑙红’樱桃的产量,但不会对果实品质造成负面影响。
4)叶片在避雨栽培环境下的适应调节机制
利用Illumina HiSeq和SMRT测序技术,对3个果实发育期的样品进行转录组分析,棚内棚外3个比较组中鉴定到6,911个差异表达基因(DEGs);DEGs主要富集到光合特性、光合色素合成和抗氧化能力等代谢通路,光捕获蛋白(photosynthesisantenna proteins,ko00196),光合作用(photosynthesis,ko00195)和碳固定(carbon fixation in photosynthetic organisms,ko00710)代谢通路;与露天栽培植株叶片相比,编码光合天线蛋白(Lhca和Lhcb)和光合电子转运蛋白(PsbP,PsbR,PsbY和PetF)的基因在避雨栽培条件下显著上调,CO2同化相关基因rbcL和rbcS在避雨时也显著上调;参与叶绿素合成(hemA,hemN和chlH)和类胡萝卜素合成(crtB,PDS,crtISO和lcyB)基因的转录水平升高,比棚外栽培叶片中的转录提早到达峰值,增加光利用效率,促进叶片的有机质合成和积累。与叶片抗氧化能力相关的代谢通路,过氧化物酶体(peroxisome,ko04146),苯丙烷生物合成(phenylpropanoid biosynthesis,ko00940),谷胱甘肽代谢(glutathione metabolism,ko00053)和类胡萝卜素生物合成(carotenoid biosynthesis,ko00906)途径,各代谢通路中的多个关键基因在避雨栽培的叶片中增强表达,有利于叶片保持清除ROS的能力,从而保持了棚内叶片的光合效率。
5)果实在避雨栽培环境下的适应调节机制
在果实发育的3个阶段中,棚内棚外3个比较组的果实中鉴定到1,755个DEGs,DEGs主要富集到果实糖分合成及花青苷合成等途径,包括淀粉蔗糖代谢(starch and sucrose metabolism,ko00500),果糖和甘露糖代谢(fructose and mannosemetabolism,ko00051),苯丙烷类生物合成(phenylpropanoid biosynthesis,ko00940),类黄酮生物合成(flavonoid biosynthesis,ko00941),精氨酸与脯氨酸代谢(arginine and proline metabolism,ko00330)和半胱氨酸与蛋氨酸代谢(cysteine and methionine metabolism,ko00207);与棚外栽培植株果实相比,避雨栽培果实中参与糖分合成代谢途径关键基因(Inv,HK,SS和SPS)的表达水平被上调;苯丙烷(PAL,C4H和4CL),类黄酮(CHS,CHI,F3H,DFR和ANS)代谢。与棚外栽培的果实相比,这些基因的上调表达在时间上表现更为提前,且能够更早的达到较高水平,有利于增加果实中糖分及花青苷的含量。还有一部分差异基因富集到多胺合成途径中,包括精氨酸与脯氨酸代谢(arginine and proline metabolism,ko00330)和半胱氨酸与蛋氨酸代谢(cysteine and methionine metabolism,ko00207),与棚外栽培植株果实相比,避雨栽培果实中参与多胺合成途径的关键基因(SAMDC,SPDS,SAMS,ADC和ODC)表达水平也在果实发育早期就被上调表达,有助于提高坐果率。
研究结果不仅有利于理解避雨栽培对多雨地区中国樱桃种植的影响,也为避雨栽培下中国樱桃的种植研究提供了新思路。
1)避雨栽培显著影响叶片特征及枝条生长特性
与露地栽培(shelter-free)‘玛瑙红’樱桃植株相比,避雨栽培对叶片特征及枝条的生长特性有较大影响,在盛花后55天(DAF55),2a-shelter和1a-shelter叶片长宽显著增大,叶面积分别增加26.87%和23.0%,比叶重值变化不显著;2a-shelter和1a-shelter枝条长度增长,节间长度显著缩短,枝条横径无显著变化。与shelter-free植株叶片相比,2a-shelter和1a-shelter的叶片厚度分别减少19.7%和17.67%,栅栏组织分别降低18.17%和15.10%,海绵状组织厚度分别降低21.09%和19.07%;2a-shelter与1a-shelter的叶片面积和叶片厚度没有明显差异。
2)避雨栽培对光合特性的影响
与露地植株相比,避雨栽培可以显著增加单位质量叶片的叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)及类胡萝卜素(Car)含量。DAF55时2a-shelter叶片中Chla、Chlb及Car含量分别增长25.00%、40.35%及33.33%,有利于增强避雨栽培设施下叶片对弱光的利用能力。值得注意的是,2a-shelter和1a-shelter叶片的光合日变化曲线均呈非典型的“单峰”特征,不存在“午休”现象,每日总光合积累量显著增加;避雨栽培下,叶片的表观量子效率(AQY)增大,光补偿点(LCP)降低,表观羧化效率(ACE)增大,CO2补偿点(CCP)降低。避雨栽培条件下叶片通过改变光合日变化特性,增强对弱光及CO2的利用能力,从而增加了光合产物的合成及积累。
3)避雨栽培对果实产量及品质的影响
连续两年观测表明,避雨栽培不会对果实物候期造成影响。与露地植株相比,避雨栽培条件下果实大小和单果重显著增大,2a-shelter果实最大,单果重达6.75g。2a-shelter和1a-shelter下果实可溶性固形物(TSSs)分别为12.61%和12.40%,高于露地栽培;可溶性糖(SSs)上升为10.59%和10.52%,抗坏血酸(AsA)上升为9.69mg/100g和8.21mg/100g,花色苷含量显著升高,可滴定酸(TA)没有显著变化。避雨栽培能够显著降低裂果率,从95%(露地)降低至4%左右(2a-shelter和1a-shelter),显著提高产量。因此,避雨栽培能够显著提高‘玛瑙红’樱桃的产量,但不会对果实品质造成负面影响。
4)叶片在避雨栽培环境下的适应调节机制
利用Illumina HiSeq和SMRT测序技术,对3个果实发育期的样品进行转录组分析,棚内棚外3个比较组中鉴定到6,911个差异表达基因(DEGs);DEGs主要富集到光合特性、光合色素合成和抗氧化能力等代谢通路,光捕获蛋白(photosynthesisantenna proteins,ko00196),光合作用(photosynthesis,ko00195)和碳固定(carbon fixation in photosynthetic organisms,ko00710)代谢通路;与露天栽培植株叶片相比,编码光合天线蛋白(Lhca和Lhcb)和光合电子转运蛋白(PsbP,PsbR,PsbY和PetF)的基因在避雨栽培条件下显著上调,CO2同化相关基因rbcL和rbcS在避雨时也显著上调;参与叶绿素合成(hemA,hemN和chlH)和类胡萝卜素合成(crtB,PDS,crtISO和lcyB)基因的转录水平升高,比棚外栽培叶片中的转录提早到达峰值,增加光利用效率,促进叶片的有机质合成和积累。与叶片抗氧化能力相关的代谢通路,过氧化物酶体(peroxisome,ko04146),苯丙烷生物合成(phenylpropanoid biosynthesis,ko00940),谷胱甘肽代谢(glutathione metabolism,ko00053)和类胡萝卜素生物合成(carotenoid biosynthesis,ko00906)途径,各代谢通路中的多个关键基因在避雨栽培的叶片中增强表达,有利于叶片保持清除ROS的能力,从而保持了棚内叶片的光合效率。
5)果实在避雨栽培环境下的适应调节机制
在果实发育的3个阶段中,棚内棚外3个比较组的果实中鉴定到1,755个DEGs,DEGs主要富集到果实糖分合成及花青苷合成等途径,包括淀粉蔗糖代谢(starch and sucrose metabolism,ko00500),果糖和甘露糖代谢(fructose and mannosemetabolism,ko00051),苯丙烷类生物合成(phenylpropanoid biosynthesis,ko00940),类黄酮生物合成(flavonoid biosynthesis,ko00941),精氨酸与脯氨酸代谢(arginine and proline metabolism,ko00330)和半胱氨酸与蛋氨酸代谢(cysteine and methionine metabolism,ko00207);与棚外栽培植株果实相比,避雨栽培果实中参与糖分合成代谢途径关键基因(Inv,HK,SS和SPS)的表达水平被上调;苯丙烷(PAL,C4H和4CL),类黄酮(CHS,CHI,F3H,DFR和ANS)代谢。与棚外栽培的果实相比,这些基因的上调表达在时间上表现更为提前,且能够更早的达到较高水平,有利于增加果实中糖分及花青苷的含量。还有一部分差异基因富集到多胺合成途径中,包括精氨酸与脯氨酸代谢(arginine and proline metabolism,ko00330)和半胱氨酸与蛋氨酸代谢(cysteine and methionine metabolism,ko00207),与棚外栽培植株果实相比,避雨栽培果实中参与多胺合成途径的关键基因(SAMDC,SPDS,SAMS,ADC和ODC)表达水平也在果实发育早期就被上调表达,有助于提高坐果率。
研究结果不仅有利于理解避雨栽培对多雨地区中国樱桃种植的影响,也为避雨栽培下中国樱桃的种植研究提供了新思路。