Влияние сорта и условий среды на физиологический профиль винограда

Виноград относится к засухоустойчивым культурам. Однако дефицит воды, с одной стороны, оказывает негативное воздействие на рост, развитие, долговечность и устойчивость винограда к болезням и низким температурам, но, с другой стороны, необходим для получения качественного урожая. Высокие температуры могут негативно сказываться на качественных показателях урожая. Степень того или иного направления влияния абиотических факторов на продуктивность винограда определяется его устойчивостью. Реакции растений в целом на воздействие дефицита воды и температурные колебания достаточно консервативны, однако влияние генотипа на метаболические перестройки, которые обеспечивают функционирование растений в неоптимальных условиях, велико. Детальное понимание ключевых факторов, определяющих реакции винограда на внешние воздействия, позволит эффективно делать выбор в сторону той или иной стратегии возделывания культуры, подбора сорта или размещения в подходящих агроэкологических условиях. Целью работы являлось изучение ведущего фактора в метаболических изменениях винограда в стрессовых условиях засухи и высокой температуры. Исследования проведены в контролируемых условиях. Изучено влияние моделируемой засухи, высокой температуры и их комбинации на физиологические реакции сортов винограда ‘Каберне-Совиньон’, ‘Кутузовский’, ‘Морозко’. Ведущим фактором в метаболических изменениях винограда являлся сорт и воздействие температуры. Засуха оказывала влияние на наименьшее количество физиологобиохимических параметров, что может быть связано с достаточно высокой засухоустойчивостью культуры. Невысокий уровень повреждения клеток (изменения относительно контроля составляли около 5 %), пигментного аппарата (индекс стабильности хлорофилла более 90 %), относительно низкое содержание МДА (31 и 33 мкмоль/г сырой массы) позволяет характеризовать сорт ‘Кутузовский’ как более устойчивый в сравнении с ‘Морозко’ и ‘Каберне-Совиньон’. Адаптивные процессы обеспечивались адаптивной деградацией крахмала и увеличением содержания растворимых углеводов, высокой пероксидазной активностью и повышением содержания фенольных соединений. Комбинированное действие засухи и высокой температуры приводило к ингибированию пероксидазной активности, снижению расщепления крахмала, увеличению интенсивности окислительных процессов и повреждению тканей винограда.

1. Петров В. С., Алейникова Г. Ю., Новикова Л. Ю., Наумова Л. Г., Лукьянова А. А. Влияние изменений климата на фенологию винограда, Плодоводство и виноградарство Юга России. 2019;57(3):29-50. DOI : 10.30679/2219-5335-2019-3-57-29-50.

2. Zheng Y., Shen R., Wang Y., Li X., Liu S., Liang S., Chen J. M., Ju W., Zhang L., Yuan W. Improved estimate of global gross primary production for reproducing its long-term variation, 1982- 2017, Earth System Science Data. 2020;12(4):2725-2746. DOI: 10.5194/essd-12-2725-2020.

3. Frame D. J., Rosier S. M., Noy I. Climate change attribution and the economic costs of extreme weather events: a study on damages from extreme rainfall and drought, Climatic Change. 2020;162:781-797. DOI: 10.1007/s10584-020-02729-y.

4. Lloret F., Batllori E. Climate-induced global forest shifts due to heatwave-drought, Ecosystem Collapse and Climate Change. 2021;155-186. DOI: 10.1007/978-3-030-71330-0_7.

5. Lamarque L. J., Delmas C.E. L., Charrier G. et al. Quantifying the grapevine xylem embolism resistance spectrum to identify varieties and regions at risk in a future dry climate, 2023;13:7724. DOI: 10.1038/s41598-023-34224-6.

6. Zhang L., Li X., Pang Y., Cai X., Lu J., Ren X., Kong Q. Phenolics composition and contents, as the key quality parameters of table grapes, may be influenced obviously and differently in response to short-term high temperature, LWT. 2021;149:111791. DOI: 10.1016/j.lwt.2021.111791.

7. Singh S. K., Pradhan S., Krishna H., Alizadeh M., Kumar C., Singh N., Jadhav A. K., Ramajayam D., Dev R., Singh R. Development of abiotic stress resistant grapevine varieties, Genomic Designing for Abiotic Stress Resistant Fruit Crops. 2022;61-159. DOI: 10.1007/978-3-031-09875-8_4.

8. Gambetta G. A., Herrera J. C., Dayer S., Feng Q., Hochberg U., Castellarin S. D. The physiology of drought stress in grapevine: towards an integrative definition of drought tolerance, Journal of Experimental Botany. 2020;71(16):4658-4676. DOI: 10.1093/jxb/eraa245.

9. Venios X., Korkas E., Nisiotou A., Banilas G. Grapevine Responses to Heat Stress and Global Warming, Plants. 2020;9(12):1754. DOI: 10.3390/plants9121754.

10. Schultz H. R. Differences in hydraulic architecture account for near-isohydric and anisohydric behaviour of two fieldgrown Vitis vinifera L. cultivars during drought, Plant, Cell and Environment.2003;26(8):1393-1405. DOI: 10.1046/j.1365-3040.2003.01064.x.

11. Fernandes de Oliveira A., Rais F., Dettori I., Azzena M., Nieddu G. UV Light acclimation capacity of leaf photosynthetic and photochemical behaviour in near-isohydric and anisohydric grapevines in hot and dry environments, South African Journal of Enology and Viticulture. 2019;40(2):1. DOI: 10.21548/40-2-3235.

12. Medrano H., Tortosa I., Montes E., Pou A., Balda P., Bota J., Escalona J. M. Genetic improvement of grapevine (Vitis vinifera L.) water use efficiency: Variability Among Varieties and Clones, Water scarcity and sustainable agriculture in semiarid environment: tools, strategies, and challenges for woody crops, 2018;377-401. DOI: 10.1016/B978-0-12-813164-0.00016-8.

13. Jambunathan N. Determination and detection of reactive oxygen species (ROS), Lipid peroxidation, and electrolyte leakage in plants, Plant Stress Tolerance. Methods in Molecular Biology. Humana Press. 2010;639:291-297. DOI: 10.1007/978-1-60761-702-0_18.

14. Hodges D. M., DeLong J. M., Forney C. F., Prange R. K. Improving the thiobarbituric acid-reactive-substances assay for estimating lipid peroxidation in plant tissues containing anthocyanin and other interfering compounds, Planta. 1999;207:604-611. DOI: 10.1007/s004250050524.

15. Lichtenthaller H. K., Buschmann C. Extraction of photosynthetic tissues: chlorophylls and carotenoids, Current protocols in food analytical chemistry. 2001;1(1):F4.2.1-F4.2.6.

16. Ngcobo S., Bada S. O., Ukpong A. M. et al. Optimal chlorophyll extraction conditions and postharvest stability in Moringa (M. Oleifera) leaves. Food Measurement and Choracterization. 2024;18:1611-1626. DOI: 10.1007/s11694-023-02271-2.

17. Егоров Е. А. Современные инструментальные и полевые методы исследований плодовых культур и винограда, продуктов их переработки: монография. Под общ. ред. академика РАН Егорова Е. А. – Краснодар: ФГБНУ СКФНЦСВВ, 2024, 447 с.

18. Klisurska D., Dencheva A. Substrate specificity of peroxidase isoenzymes for hydrogen donors, Biologia Plantarum (Praha). 1980;22(6):404-409.

19. Hu S., Ding Y., Zhu C. Sensitivity and responses of chloroplasts to heat stress in plants, Front. Plant Sci. 2020;11:375. DOI: 10.3389/fpls.2020.00375.

20. Liu M., Fang Y. Effects of heat stress on physiological indexes and ultrastructure of grapevines, Sci. Agric. Sin. 2020;53:1444-1458. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.07.013.

21. Shirazi F., Gholami M., Sarikhani H. In vitro evaluation of drought tolerance in two grape (Vitis vinifera L.) cultivars, Journal of Plant Physiology and Breeding. 2020;10(2):133-145. DOI: 10.22034/jppb.2020.14302.

22. Parrotta L., Faleri C., Cresti M., Cai G. Heat stress affects the cytoskeleton and the delivery of sucrose synthase in tobacco pollen tubes, Planta. 2016;243(1):43-63. DOI: 10.1007/s00425-015-2394-1.

23. Zhou Z., Yuan Y., Zhou W., Zhang C. Effects of exogenously supplied sucrose on OsSUT s and OsSPS s transcript abundances and rice root ammonium assimilation, Acta Physiologiae Plantarum. 2016;38:274. DOI: 10.1007/s11738-016-2285-5.

24. O’Hara L. E., Paul M. J., Astrid W. How do sugars regulate plant growth and development? New insight into the role of trehalose-6-phosphate, Molecular Plant. 2013;6 (2):261-274. DOI: 10.1093/mp/sss120.

25. Cheng W. H., Chourey P. S. Genetic evidence that invertase-mediated release of hexoses is critical for appropriate carbon partitioning and normal seed development in maize, Theor. Appl. Genet. 1999;98:485-495. DOI: 10.1007/s001220051096

26. Axel T., Hendriks J. H.M., Mark S., Anja B., Yves G., Farré E. M, Peter G. Starch synthesis in potato tubers is regulated by post-translational redox modification of ADP-glucose pyrophosphorylase: a novel regulatory mechanism linking starch synthesis to the sucrose supply, Plant Cell. 2002;14(9):2191-2213. DOI: 10.1105/tpc.003640.

27. Ferreyra M. L. F., Serra P., Casati P. Recent advances on the roles of flavonoids as plant protective molecules after UV and high light exposure, Physiologia Plantarum. 2021;173(3):736-749. DOI: 10.1111/ppl.13543.

28. Tzortzakis N, Chrysargyris A, Aziz A. Adaptive Response of a native mediterranean grapevine cultivar upon shortterm exposure to drought and heat stress in the context of climate change, Agronomy. 2020;10(2):249. DOI: 10.3390/agronomy10020249.

29. Mohamed H., Zrig A., Geuns J. M., Khemira H. Near-lethal heat treatment induced metabolic changes associated with endodormancy release of superior seedless grapevine cv. (’Vitis vinifera’ L.) buds, Australian Journal of Crop Science. 2014;8(4):486-494. DOI: 10.3316/informit.291988476221859.

30. Xiao F., Yang Z. Q., Lee K. W. Photosynthetic and physiological responses to high temperature in grapevine (Vitis vinifera L.) leaves during the seedling stage, The Journal of Horticultural Science and Biotechnology. 2016;92(1):2-10. DOI: 10.1080/14620316.2016.1211493.

31. Azri W., Cosette P., Guillou C. Physiological and proteomic responses to drought stress in leaves of two wild grapevines (Vitis sylvestris): a comparative study, Plant Growth Regul. 2020;91:37-52. DOI: 10.1007/s10725-020-00586-4.

32. Oddo E., Abbate L., Inzerillo S., Carimi F., Motisi A., Sajeva M., Nardini A. Water relations of two Sicilian grapevine cultivars in response to potassium availability and drought stress, Plant Physiology and Biochemistry. 2020;148:282-290. DOI: 10.1016/j.plaphy.2020.01.025.

33. Degu A., Hochberg U., Wong D. C, Alberti G., Lazarovitch N., Peterlunger E., Castellarin S. D., Herrera J. C., Fait A. Swift metabolite changes and leaf shedding are milestones in the acclimation process of grapevine under prolonged water stress, BMC Plant Biology. 2019;19:69. DOI: 10.1186/s12870-019-1652-y.