茉莉酸甲酯介导的葡萄砧木耐旱性增强的整合生理、生化及基因表达分析

《Scientia Horticulturae》：Integrative physiological, biochemical, and gene expression analysis reveals methyl jasmonate–mediated enhancement of drought tolerance in grapevine rootstocks

干旱胁迫是限制许多葡萄栽培区葡萄藤生长、生理性能及产量的主要环境因子之一。砧木在提高耐旱性方面发挥着关键作用，然而其对水分亏缺的生理和分子响应机制仍未被充分阐明。在本研究中，研究人员评估了六种葡萄砧木（SO4、3309 M、Kangzhen 3、5BB、Beida 和 101–14）在对照、干旱以及干旱结合茉莉酸甲酯（MeJA）处理下的形态生理、生化及分子响应。干旱胁迫显著降低了包括株高、茎粗、节间数、叶片数和生物量积累在内的营养生长参数，并降低了光合效率和相对含水量。相反，干旱条件增加了氧化应激标记物，包括过氧化氢（H₂O₂）和丙二醛（MDA），并导致渗透调节物质如脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的积累。作为植物防御反应的一部分，抗氧化酶活性，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和抗坏血酸过氧化物酶（APX），也得到了增强。叶面喷施 MeJA（100 μM）通过改善植株生长、加强渗透调节、保持养分以及增强抗氧化防御系统，有效缓解了干旱诱导的损伤。此外，MeJA 显著上调了干旱响应基因（VvNAC8、VvNAC17 和 VvNIP1.1）和茉莉酸信号传导基因（VvJAZ、VvJMT 和 VvMYC2）的表达，表明激活了与胁迫耐受相关的分子途径。相关性分析、聚类热图和主成分分析揭示了生长性状、生理参数、生化响应、营养状况和基因表达模式之间的强相关性，突出了干旱适应的协调机制。总体而言，结果表明所评估的砧木之间存在明显的耐旱性差异，其中 SO4 和 3309 M 表现出较高的耐受性，Kangzhen 和 5BB 表现出中等耐受性，而 Beida 和 101–14 对干旱胁迫相对敏感。这些发现为选择耐旱砧木以及应用 MeJA 作为改善限水条件下葡萄藤性能的潜在策略提供了有价值的见解。

**研究背景与意义**
随着全球气候变化加剧，干旱已成为制约农业生产的主要非生物胁迫之一，特别是在干旱和半干旱地区，水资源短缺严重限制了灌溉并导致作物减产。葡萄（Vitis spp.）作为重要的经济果树，虽然具有一定的耐旱能力，但 prolonged 的干旱胁迫仍会导致细胞膨压降低、生长受阻、光合作用下降及产量品质受损。目前，关于不同葡萄砧木品种对干旱胁迫的差异化响应及其分子机制尚不完全清楚，且利用外源植物生长调节剂缓解干旱伤害的策略仍需深入探索。因此，筛选耐旱砧木并探究外源激素调控机制对于保障葡萄产业可持续发展具有重要意义。本研究发表于《Scientia Horticulturae》，旨在通过整合生理、生化及分子生物学手段，系统评价六种葡萄砧木的耐旱性，并揭示茉莉酸甲酯（MeJA）介导的耐旱增强机制。

**研究方法概述**
研究人员选取了六种遗传背景不同的葡萄砧木（SO4、3309 M、Kangzhen 3、5BB、Beida 和 101–14）作为试验材料，在南京农业大学的温室中进行盆栽试验。实验采用完全随机设计，设置对照（CK）、干旱胁迫（DT）及干旱加叶面喷施 100 μM MeJA（DT+MeJA）三个处理组。在为期 28 天的胁迫处理后，研究人员测定了植株的形态生长指标（株高、茎粗、生物量等）、气体交换参数、叶绿素含量、相对含水量及电解质渗漏率；分析了渗透调节物质（脯氨酸、可溶性糖、蛋白）、次生代谢产物（酚类、黄酮）及氧化应激指标（MDA、H₂O₂）；检测了关键抗氧化酶（SOD、CAT、APX、GPX）活性及内源激素（ABA、JA）水平；测定了宏微量元素含量；并利用实时荧光定量 PCR（RT-qPCR）技术分析了干旱响应基因（VvNAC8, VvNAC17, VvNIP1.1）和茉莉酸信号通路基因（VvJAZ, VvJMT, VvMYC2）的表达模式。最后通过相关性分析、聚类热图和主成分分析（PCA）综合评估各指标间的关系。

**研究结果**
**筛选葡萄砧木的耐旱性及 MeJA 的保护作用**
表型观察显示，干旱胁迫导致所有砧木出现不同程度的萎蔫和黄化，其中 SO4 和 3309 M 受害最轻，表现出较高的耐旱性；而 Beida 和 101–14 受害严重，表现为高度敏感。MeJA 处理显著缓解了干旱引起的表型损伤。

**干旱和 MeJA 对形态生长性状的影响**
干旱胁迫显著抑制了植株的株高、茎粗、节间数、叶片数及生物量积累。相比之下，MeJA 处理显著改善了上述生长指标，减轻了干旱造成的生长抑制，其中 SO4 和 3309 M 在 MeJA 处理下保持了较高的生物量。

**干旱和 MeJA 对气体交换及叶绿素动态的交互影响**
干旱导致净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）大幅下降，同时胞间 CO₂浓度（Ci）升高，表明存在气孔和非气孔限制。MeJA 处理显著恢复了光合色素含量（叶绿素 a、b 及类胡萝卜素）和气体交换参数，提高了水分利用效率。

**干旱和 MeJA 对碳水化合物代谢及次生代谢产物的影响**
干旱诱导了可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、总酚和总黄酮的积累，但降低了淀粉含量。MeJA 处理进一步促进了这些渗透调节物质和抗氧化次生代谢产物的合成，增强了细胞的渗透调节能力和抗氧化潜力。

**干旱和 MeJA 对抗氧化防御及激素动态的调节**
干旱胁迫激活了植物的抗氧化防御系统，SOD、CAT、APX 和 GPX 活性显著升高，同时内源脱落酸（ABA）和茉莉酸（JA）水平增加。MeJA 处理进一步强化了抗氧化酶活性，并显著提升了内源 JA 和 ABA 的含量，表明其通过增强抗氧化能力和激素信号网络来应对胁迫。

**干旱和 MeJA 对植株水分关系及氧化应激指标的影响**
干旱导致叶片相对含水量（RWC）下降，电解质渗漏（EL）、MDA 和 H₂O₂含量上升，表明膜系统受损和氧化胁迫加剧。MeJA 处理有效维持了 RWC，显著降低了 EL、MDA 和 H₂O₂水平，减轻了氧化损伤。

**干旱和 MeJA 对营养状况的影响**
干旱胁迫阻碍了氮（N）、磷（P）、钾（K）、镁（Mg）、铁（Fe）和锌（Zn）等营养元素的吸收与积累。MeJA 处理显著提高了胁迫条件下叶片中各种宏量和微量元素的含量，改善了植株的营养状况。

**干旱和 MeJA 对 JA 及胁迫响应基因活性的交互影响**
干旱诱导了 VvNAC8、VvNAC17、VvNIP1.1 以及 VvJAZ、VvJMT、VvMYC2 基因的表达。MeJA 处理进一步显著上调了这些基因的转录水平，表明 MeJA 通过激活茉莉酸信号通路和下游干旱响应基因来增强耐旱性。

**结论与讨论总结**
综上所述，干旱胁迫通过破坏水分平衡、抑制光合作用、扰乱营养代谢及诱导氧化损伤，严重阻碍了葡萄砧木的生长。然而，外源施用 MeJA 能够有效缓解这些不利影响。其机制在于 MeJA 促进了渗透调节物质的积累，增强了抗氧化酶系统的清除能力，维持了细胞膜稳定性，并优化了营养元素的吸收。更重要的是，MeJA 通过上调 VvNAC8、VvNAC17、VvNIP1.1 等干旱响应基因以及 VvJAZ、VvJMT、VvMYC2 等茉莉酸信号通路关键基因的表达，激活了分子层面的防御网络。多变量统计分析证实了形态、生理、生化及分子指标之间的紧密协同关系。研究结果表明，SO4 和 3309 M 是优良的耐旱砧木品种，而叶面喷施 MeJA 是一种极具潜力的农艺措施，可用于提高葡萄在缺水环境下的适应性和生产力，为应对气候变化带来的挑战提供了理论依据和技术支撑。