种苗扩繁与生产技术

  摘要：为缓解半干旱地区午后热胁迫并改善香气特性，本研究于2021—2023年连续三个生长季对赤霞珠葡萄实施中度与重度遮荫处理（MD：1.5小时；SD：2.5小时）。通过分析葡萄藤对昼夜光动态的响应，结合气相色谱-质谱法检测果实与葡萄酒挥发性物质，并进行葡萄酒感官评价。结果显示：遮荫处理期间光合作用受抑制，但曝光期叶片面积与光合能力增强；2021年遮荫组果实总体挥发性物质低于对照，后两个年份则显著增加；鉴定出芳樟醇、己醛、β-大马士酮及6-甲基-5-庚烯-2-酮等关键光响应生物标志物。2022与2023年份遮荫葡萄酒的萜烯类与降异戊二烯类物质含量提升，赋予酒体更突出的果香-花香特征及更高的感官评分。该研究为解析半干旱条件下葡萄藤光调控机制及其对果实与葡萄酒挥发性物质的改良作用提供了新见解。

  关键词：人工遮阴，葡萄，光响应，胁迫记忆，网络分析

  葡萄果实中的香气化合物是决定葡萄酒风味特征与感官品质的关键因素。这类物质——如萜烯类、降异戊二烯类、绿叶挥发物等——以游离态和结合态形式存在于果皮与果肉中（Shi et al., 2024）。在酿造与陈化过程中，这些前体物质通过酶促和非酶促反应转化为挥发性呈香化合物，赋予葡萄酒花香、果香及草本香气。已有研究表明，栽培管理措施、气候条件及葡萄品种显著影响这些香气相关代谢物的生物合成与积累（Alem et al., 2019; Gonzalez-Barreiro et al., 2015）。除香气修饰作用外，香气前体物、氮同化产物及其他组分也共同参与构建葡萄酒的最终香气轮廓（Ruiz et al., 2019）。因此，葡萄源代谢物向葡萄酒挥发性成分的转化过程，不仅代表一系列生化反应路径，更是环境因素与葡萄酒品质互作的体现。深入理解该关联机制为通过精准田间管理来提升葡萄酒香气表现创造了可能，既能优化品质控制，也能增强产区风格辨识度。

  光照是影响葡萄香气化合物生物合成最关键的非生物因子之一（Li et al., 2023b; Zhang et al., 2017）。遮荫作为植物遭受的非生物胁迫，会降低光合作用活性并抑制碳同化（Gao et al., 2021）。研究表明，光照减弱还会改变能量代谢并影响信号转导途径，最终影响发育过程中浆果挥发性前体物质的生物合成（Bureau et al., 2000a, 2000b）。虽然区域尺度的自然光照条件难以改变，但在微气候尺度（葡萄植株、果穗区、果穗）调控光照已成为提升葡萄与葡萄酒品质的有效策略（Rustioni et al., 2023）。然而微尺度光照的作用存在地域特异性：在冷凉产区，光照通常能积极促进葡萄香气表现，而遮荫往往导致萜烯类和降异戊二烯类物质减少（Friedel et al., 2016）；相反在暖旱产区，适度遮荫可缓解热旱胁迫，可能通过抑制挥发或降解作用减少香气损失（Lu et al., 2021）。

  当前研究多集中于全日照遮荫、特定发育阶段遮荫或自然遮荫模式（Liu et al., 2024; Tian et al., 2023）。然而，太阳辐射的日变化规律——特别是午后的强光与热胁迫——可能对浆果代谢产生独特的生理影响。在干热地区，这种午后胁迫可能引发植物的光氧化应激，进而对代谢物造成损害（Palliotti et al., 2014）。尽管具有现实意义，但午后遮荫对葡萄香气形成的影响机制至今尚未明晰，其在葡萄栽培中的潜在应用价值也亟待探索。

  研究午后遮荫胁迫对香气形成的影响，不仅能揭示葡萄如何响应逆境信号，更有助于理解胁迫条件下果实品质的调控机制。除遮荫处理本身外，午后遮荫形成的动态光环境为探索葡萄藤是否在恢复光照后产生补偿效应或代谢修复提供了契机，这种类似于"胁迫记忆"的现象（Lukić et al., 2023）虽在模式植物和大田作物中已有深入研究（Cheng et al., 2024），但其对葡萄风味物质的调控作用仍属未知领域。阐明该机制将为通过精细光照调控来管理葡萄与葡萄酒香气开辟新途径。

  因此，本研究对半干旱地区的赤霞珠葡萄植株实施了午后遮荫处理。通过遮阳网进行人工遮荫，从当地时间15:30（太阳正午约在14:00）——即每日最高温临近时开始，直至两个不同时间点解除，处理期从花期持续至采收期。中度遮荫（MD）时长为1.5小时，强度遮荫（SD）为2.5小时。通过此设计，植株在日落前仍有机会接受光照。研究人员通过测定日光合能力、采收时叶面积等指标，解析葡萄藤对日内动态光环境的响应机制；同时结合果实挥发性物质、葡萄酒香气及感官评价，探究午后遮荫对葡萄与葡萄酒品质的影响。我们提出假说：午后遮荫虽会抑制葡萄藤光合作用，但重新光照可促使植株产生胁迫补偿效应，从而改善葡萄与葡萄酒品质。该研究结果不仅阐明了微气候光照管理的生化效应与感官后果，更有助于深化基于胁迫-恢复机制的生产策略，以提升半干旱地区葡萄与葡萄酒品质。

  1. 材料与方法

  1.1 葡萄材料和实验设计

  本研究为期三年（2021-2023），研究对象为2000年种植于新疆天山北麓玛纳斯县（北纬44°24′，东经86°26′，海拔522米）商业葡萄园的自根赤霞珠（Vitis vinifera L. cv.）葡萄树。葡萄树行距为3.0 m × 1.0 m，采用改良垂直枝定位（M-VSP）方法，用三根铁丝分别在距地面50 cm、100 cm、150 cm处进行定植，并进行短枝修剪，每株树约留20个芽。4月至9月每15-20天灌溉一次，灌溉量约为300-400 mm，产量约为12吨/公顷。

  从开花到收获共设置两个处理。每天15:30（中午14:00）用黑色遮光网（宽3米，距地面2.5米，遮光率75%）对赤霞珠葡萄进行人工遮光，并在两个不同时间点移除遮光网恢复光照以抵御一天中的最高温度（图1a、1b）。对照（CK）葡萄自然生长，不进行人工遮光。中度遮光（MD）处理通过人工遮光网每天降低高温约1.5小时，强遮光（SD）处理则在午后高温时为葡萄遮光约2.5小时。采用完全随机区组设计，选取葡萄园中生长均匀的三行葡萄，作为三个生物学重复（图1c）。每个重复中，每个处理（CK、MD和SD）分配六个区组，中间以缓冲区隔开，以最大程度地减少边缘效应。每个区组由八株连续的葡萄藤组成，本研究共使用432株葡萄藤（3个重复×3个处理×6个区组×每区8株葡萄藤）。

  1.2 实验方法

  大气候和微气候的采集，葡萄酒酿造工艺，葡萄果实及葡萄酒香气物质的检测采用实验室统一方法。

  1.3 数据处理

  数据采用SPSS 23.0进行统计学分析，重复3次，方差分析（ANOVA）用于检验样本间差异的显著性，显著性水平为p < 0.05 Duncan’s检验。线图绘制采用GraphPad Prism 8.0.2软件。主成分分析（PCA）采用R（版本4.3.2）进行，偏最小二乘判别分析（PLS-DA）采用Simca 14.1软件进行差异化合物的筛选。

  2. 结果与讨论

  2.1 葡萄树体对遮阴的生理响应

  在昼夜光周期条件下，葡萄叶片的净同化速率（AN）和蒸腾速率（E）于12:30达到峰值后逐渐下降，而气孔导度（gs）则在全日内持续降低（图2）。人工遮荫处理显著降低了所有光合作用参数。值得注意的是，在19:00时，遮荫处理的AN和E均显著高于对照组（CK），表明遮荫移除后可能存在补偿效应。采收期测定葡萄叶面积显示，MD和SD处理的主梢叶面积显著高于CK，而各处理间的副梢叶面积未见显著差异。

  2.2 葡萄来源香气

  本研究综合分析了游离态和结合态挥发物，以评估午后遮荫对葡萄源香气化合物的整体影响。在五大类挥发物中（图3），游离态和结合态形式均被检出，但仅鉴定出游离态吡嗪类化合物。在生长季中，大多数挥发物类别在转色期前后达到峰值，随后在采收前逐渐下降。在所有挥发物中，C6/C9化合物是赤霞珠葡萄中最主要的挥发物类别。在果实发育早期（E-L 33、E-L 35）及首个试验年份，对照（CK）的C6/C9化合物含量较高；但遮荫果实在转色后积累加速，除2021年份外，采收时浓度均反超对照。降异戊二烯类物质呈现相似趋势，且在2021年份差异更为显著。2021与2022年份中，SD处理的萜烯类物质积累较CK延迟约一个物候期，而2023年份萜烯积累最为显著，MD与SD组均在转色期快速上升并持续维持较高水平。挥发性酚类在2021年CK中含量较高，但2022-2023年组间无显著差异。吡嗪类在葡萄挥发物中含量最低且生长期持续下降，SD组在2021和2023年份出现积累时序偏移，但三年间未呈现一致规律。

  通过计算单个挥发物的log2倍数变化（MD/CK、SD/CK）发现（图4a），三年数据均显示绿果期MD与SD处理的C6/C9化合物浓度持续偏低，但采收期（尤其后两年）遮荫组反而更高。萜烯与降异戊二烯类在2021年绿果期呈显著低值，而2022-2023年遮荫果实的降异戊二烯浓度反超对照。基于OPLS-DA模型的S-plot分析（图4b）表明，2021年绿果期（E-L 33）几乎所有挥发物在CK中更丰富，但采收期遮荫果实中高含量化合物增多，提示遮荫果实成熟阶段部分挥发物加速积累。其余年份也观察到类似现象。逐年对比显示：采收期CK中高表达差异化合物（VIP>1）数量后两年较2021年减少，而遮荫果实中此类化合物数量逐年递增。此外，己醛、芳樟醇、β-大马士酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮等生物标志物在多数发育阶段VIP值最高，被确定为关键差异物。

  3.3 葡萄酒香气和香气活性值

  根据结构特征，葡萄酒挥发性物质可分为九大类（图5a）。2022与2023年份的新酒中，高级醇含量呈现显著差异：CK酒样浓度最高，SD酒样最低。乙酸酯类虽在某些年份未达显著水平（p < 0.05），但呈现相似趋势。在各类挥发物中，高级醇受处理影响最为显著，连续三年至少有四种高级醇存在显著差异，其中3-甲基-1-戊醇在CK中的浓度较MD与SD酒样高出40%以上。本研究鉴定出3-甲基-1-丁醇为高级醇主要组分，其在CK中浓度最高，促使CK酒样高级醇总量居首。1-己醇则呈现独特变化模式，其浓度随遮荫时长增加而上升。酯类物质以乙酸乙酯和乳酸乙酯为主要组分，这两种酯在CK酒样中至少有两年保持最高浓度，且SD酒样的乳酸乙酯含量连续三年均为最低，但其余酯类多数未显显著差异。

  降异戊二烯类与萜烯类作为提升葡萄酒果香-花香特征的关键组分，主要源自葡萄果实的浸提或酿造过程的水解反应。三年数据显示，MD与SD酒样的降异戊二烯类总量持续偏高（图5a）。2021与2023年份遮荫酒样的香茅醇浓度显著更高，β-大马士酮在SD酒样中连续三年保持最高水平。芳樟醇作为本研究鉴定的唯一萜烯类物质，前两年在MD酒样中含量最高，末年在SD酒样中最为丰富。而总酸类、醛类与芳香族化合物浓度普遍较低或组间无差异。

  基于OPLS-DA模型的挥发物分析可有效区分对照组与遮荫处理酒样（图5b）。载荷图显示高级醇与乙酸酯类是CK酒样的生物标志物，包括3-甲基-1-戊醇、4-甲基-1-戊醇、3-甲基-1-丁醇、1-丁醇、2-甲基-1-丙醇及乳酸乙酯。而MD与SD酒样中VIP值超1.0的标志物较少，仅鉴定出壬酸乙酯、3-己烯-1-醇和辛酸。通过回归分析评估葡萄果实至葡萄酒的挥发物传递规律（图5c），发现萜烯类在果实与酒样间呈良好正相关，降异戊二烯类因酒样中变异较小而未显关联，但其中β-大马士酮呈现预期回归关系。

  基于已发表阈值和描述符计算气味活性值（OAV）与香气系列，将OAV高于0.1的挥发物认定为香气贡献组分，归纳出果香、花香、青草香、醇香、脂肪味与烘烤香六类香气指标并进行标准化处理（图6a）。在果香与花香等愉悦香气方面，SD酒样连续三年均展现最突出的花香特征。果香虽在三年中波动较大，但除2022年外MD与SD酒样普遍优于CK。青草香与脂肪味则呈现一致性规律，遮荫酒样始终高于对照组，而烘烤香与醇香未发现稳定规律。

  3. 结论

  本研究证实，在半干旱葡萄酒产区实施午后遮荫措施不仅能缓解葡萄植株的热胁迫，还能动态调控葡萄果实与葡萄酒中的挥发性物质积累。尽管遮荫会暂时抑制光合作用，但植株在恢复光照阶段表现出光合能力的补偿性提升及叶面积的增加，这表明其对日间光动态产生了适应性响应。通过三个年份的持续观测，发现遮荫处理可调节光响应型挥发物（如芳樟醇、己醛、β-大马士酮和香茅醇）的积累模式，揭示了香气物质形成的阶段特异性与年份依赖性可塑性。尤为重要的是，在高辐射胁迫环境下，遮荫处理促进了关键香气成分（如萜烯类与降异戊二烯类）的合成，最终赋予葡萄酒更浓郁的果香与花香特质，并提升感官品质——这一效应在最后试验年份尤为显著。这些发现突显了午后遮荫作为葡萄栽培策略的潜力，可在气候变暖的干旱区域有效调控葡萄与葡萄酒的香气特征，为光诱导代谢调控及胁迫适应性风味提升机制提供了新认知。