文献解读
野生葡萄的生长和光合对铜的响应
期刊：Chemosphere（5.）
发表时间：.06
研究背景
葡萄是世界上种植最广泛、经济最重要的水果作物之一。本世纪葡萄栽培的一个主要挑战是在不断变化的环境中保持高质量葡萄的可持续生产。在这方面，未来的葡萄栽培必须考虑其它相关问题，如遗传侵蚀、葡萄园不断变化的物理和化学环境。土壤有机和无机污染的增加对农业生态系统的可持续性产生了负面影响，并已成为近几十年来的一个主要问题。自19世纪末以来，铜基杀真菌剂在欧洲被广泛用于控制葡萄真菌疾病，例如由葡萄霜霉病引起的霜霉病。此外，还引入了其他铜化合物(如氢氧化铜和氧化亚铜)，它们的长期应用和随后从处理过的植物中被洗掉，导致大量铜在葡萄园土壤中积累，达到有毒浓度。这对土壤动植物和人类健康有负面影响，并可能导致植物毒性、产量损失和葡萄酒质量下降。尽管目前葡萄园中铜污染的重要性，但据我们所知，迄今为止，关于铜的毒性作用的数据仅适用于少数几个商业品种的葡萄，葡萄对铜胁迫的植物毒性限制和耐受机制仍不清楚。对葡萄属不同物种对葡萄园不利条件的生理反应进行全面的描述，对于通过整合能很好地适应当前环境和生长条件的性状来改进现有经典栽培品种至关重要。V.vinifera(L.)ssp.sylvestris(Gmelin)Hegi，欧亚葡萄野生亚种是唯一的欧亚本土亚种，是栽培葡萄藤的宝贵遗传资源。野生葡萄群体保持着相当大的遗传多态性，并表现出广泛的变异性。这些种群从其自然栖息地的消失将对环境和繁殖计划造成不可逆转的损失。本研究旨在评价野生葡萄在中高铜环境下的耐性和积累潜力。具体目标是：(1)通过分析植物在0-23mmolL-1的外部铜浓度范围内的生长，确定研究物种的铜植物毒性阈值；(2)根据对光合机构(PSII光化学)、气体交换特性和光合色素的影响，确定铜水平决定植物表现的程度；(3)研究铜对植物生长的影响与植物组织中氮、磷、硫、钙、镁、铁、钠和钾的浓度之间的可能关系。研究方法
植物材料是从位于塞维利亚省(西班牙西南部)阿格里奥河畔的一个未描述的野生葡萄藤种群中收集的。该地点位于奥萨-莫雷纳山脉，流经阿兹纳尔科拉尔矿区的河流含有高含量的重金属。当植株高度培养约为30厘米时，将植株分配到5个不同的铜浓度处理：0、1、2.5、9和23mmolL-1。应用于同一温室内的浅托盘(每个托盘15个罐，每个铜处理一个托盘)。铜处理是通过将20%霍格兰德溶液与硫酸铜混合而制备的。对照，0mmolL-1Cu处理，其实含0.mmolL-1Cu，因为霍格兰德的溶液含有少量的铜作为必需的微量营养素。铜的浓度范围是根据以前的实验选择的，以检测研究物种的植物毒性阈值。之后通过检测植物生长势，植物样品的化学分析，气体交换，叶绿素荧光，光合色素，来分析植物的耐铜性。研究结果
1.生长相对生长率(RGR)显示，随着外部铜浓度增加到9mmolL-1，没有显著差异，但在暴露于23mmolL-1铜时下降，在这一点上发现它明显低于对照组。相对于对照组，RGR的减少量在23mmolL-1铜处理为35%(图1A)。总叶面积和株高也显著低于对照的23mmol·L-1铜处理(图1B和C)。用23mmolL-1铜处理的葡萄在处理的第三周左右出现黄化。图1.Vitisviniferassp.sylvestris的相对生长率和总叶面积，用一定范围的外部铜浓度处理30天。数值代表平均±SE，n=12
2.植物样品的化学分析根中的组织铜含量远高于叶中的组织铜含量(双向方差分析，p0.)，并随外源铜含量的增加而增加(r=0.98，p0.0，r=0.99，p0.0叶与根，图2A)。在所有处理中，叶片铜浓度保持在0.1mgg-1。在较高的外部铜水平下，根铜浓度达到1.3mgg-1。叶片中组织铁、钾和钠浓度(约0.1、20.5和0.2mgg-1)和根(约0.1、28.8和1.3mgg-1)在外部铜浓度范围内相似(p0.05)，氮、磷、钙和镁的叶和根浓度与高达9mmolL-1的外部铜浓度无明显关系，但在暴露于23mmolL-1铜时下降，达到显著低于对照组的值，除了根氮(方差分析，图基检验，p0.05，在所有情况下；图2B，C，E，F)。随着营养液中铜浓度的增加，叶片中硫浓度降低(r=0.93,p0.0)；相比之下，根中硫浓度随着外源铜水平的增加而显著增加(r=0.69，p0.图2D)。图2.Vitisviniferassp.sylvestris叶和根中总铜、氮、磷、硫、钙和镁的含量，对一系列外部铜浓度处理30天的反应，数值代表平均±SE，n=3
3.气体交换处理30天后净光合速率（A）显著低于处理10天后(双向方差分析，p0.0图3A和B)。在实验的早期阶段(10d)，随着外源铜浓度增加到9mmolL-1，A变化不大，但在暴露于23mmolL-1铜的营养液中，显著低于对照组(方差分析，图基检验，p0.05图3A)。在处理30d后，暴露于9mmol·L-1铜中，在最高外部铜浓度时达到最小值(图3B)。气孔导度(Gs)在第10天和第30天与A呈显著正相关(r=0.89，p0.0；r=0.70，p0.0，分别用于10和30天测量；图3C和D)。相比之下，在实验的早期，细胞间CO2浓度(Ci)对铜的反应不同于最后阶段。10d后，当外部铜浓度高于2.5mmolL-1时，Ci值降低(图3E)。在实验期结束时，在9mmol·L-1铜没有检测到Ci的变化，但是在最高外部铜水平观察到显著增加(图3F)。图3.从Vitisviniferassp.sylvestris中充分生长，随机挑选的叶片的净光合速率A（A），气孔导度GS（B），细胞间CO2浓度Ci(C)。对超过10天(A，C和E)和30天(B，D和F)的外部铜浓度范围的处理的响应
4.叶绿素荧光PSII的最大量子效率值(Fv/Fm)在中午总是低于黎明，主要是由于Fm的值在中午低于黎明(t检验，p0.0数据未显示)。在实验的早期阶段，Fv/Fm随着外部铜的增加而变化很小(方差分析，图基检验，p0.05)，黎明值持续在0.85左右(图4A)。实验结束时，在9mmolL-1铜时Fv/Fm值，无论是黎明还是正午，均都下降，然后在暴露于最高铜水平时显著下降，这些值明显低于对照组(方差分析，图基检验，p0.05，在两种情况下；图4B)。这种减少也主要是由于Fm值较低(t检验，p0.数据未显示)。PSII的量子效率，在实验最后阶段的中午和黎明时，都显示出与Fv/Fm相似的模式，在23mmolL-1铜时达到最小值。午时的PSII值总是明显低于黎明时(t检验，p0.0图4C和D)。图4.PSII光化学的最大量子效率，Fv/Fm(A)，和PSII的量子效率，UPSII(B)，在中午(d)和黎明(s)在随机选择的，对超过10天(甲和丙)和30天(乙和丁)的外部铜浓度范围的处理的反应。数值代表平均SE，n=20
5.光合色素当营养液的铜浓度高于2.5mmolL-1时，植物色素浓度显著降低(方差分析，图基检验，p0.05图5A–C)。相对于对照，用9和23mmolL-1处理的植物中Chla、Chlb和Cx+c的减少分别为22%和45%左右。图5.随机选择的完全发育的葡萄叶片中叶绿素a(chla)(A)、叶绿素b(chlb)(B)和类胡萝卜素(Cx+c)(C)的浓度。用一定范围的外部铜浓度处理30天。数值代表平均SE，n=12
结论
V.viniferassp.sylvestris能够在高达23mmolL-1的外部铜水平下存活(mgCuL-1)。这可能是由于根具有保留大量铜的能力，有效地防止它们转移到光合组织。尽管铜的浓度超过20mgL-1干重叶组织中的被认为是过量或有毒的，该物种在叶中铜浓度高达80mgKg-1干重的情况下存活，生长参数不受叶片组织浓度35mgkg-1干重的影响。开发葡萄亚种和其他可育葡萄品种的现有自然遗传变异应该是一个优先事项，因为这种遗传变异构成了经典品种遗传改良和新品种开发的基础。在这方面，需要解决的一个主要问题是提高葡萄树对不利土壤条件的适应性。应对这一挑战的策略需要具备包含感兴趣特征的良好起始材料。我们的研究为葡萄对重金属的耐受性提供了新的见解，并证明了葡萄属植物对重金属具有耐受性。来自阿格里奥河种群的V.viniferassp.sylvestris比文献中研究的商业葡萄品种更耐铜。我们的研究结果表明，这一野生葡萄群体可以为今后培育耐土壤铜污染的葡萄新品种提供重要的遗传多样性资源。GrapeResearch
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