Da li se bobice guše do smrti pod visokom temperaturom i vodnim stresom?

Naslov orginala: Are berries suffocating to death under high temperature and water stress? Izvor: https://winetitles.com.au/; Objavljeno: 15.01.2019. Prevod: Dragutin Mijatović. Ključne riječi: vinova loza, bobica, temperatura, voda, stres

Prošle godine, istraživači sa University of Adelaide, Južnoaustralijskog instituta za istraživanje i razvoj (South Australian Research and Development Institute) i Odeljenja za primarnu industriju (Department of Primary Industries NSW) objavili su članak nakon što su njihova istraživanja pokazala kako grožđe ‘diše’ i da ako je bobica izložena manjku kiseonika tokom zrenja (što se može dogoditi povećanjem toplote ili vodnog stresa) dolazi do osipanja i uginuća bobica. U detaljima svojih otkrića, istraživači opisuju da bobice sorte Shiraz ‘udišu’ kisonik različito od bobica sorte Chardonnay, vjerovatno objašnjavajući zašto je prva osjetljivija na visoke temperature i veću učestalost uginuća ćelija. Njihova otkrića otvaraju vrata za daljnja istraživanja sorti grožđa koje se gaje u toplijim klimatima.

Slika 1

Foto: Sondiranje bobice sorte Shiraz za mjerenje profila koncentracije O2 u mesu. Peteljčica bobice (odozgo) može se vidjeti sa lenticelama na površini (desno). Profil kiseonika kod sorte  Chardonnay bobice pokazuje da se koncentracija O2 smanjuje od površine prema središnjem dijelu mesa i povećava prema središnjem vaskularnom tkivu. Vodoravna os je dubina od površine pokožice bobice, vertikalna os je koncentracija kiseonika. Crvena strelica označava približni trag sonde za kiseonik unutar bobice. Slika u pozadini prikazuje vitalno obojeni uzdužni presek bobice. Zeleni fluorescentni signal označava vitalne ćelije. Sličan O2 profil u blizini pokožice primijećen i kod sorte Shiraz. Prilagođeno od Xiao i sar. (2018b).

Uvod. Smrt ćelija bobica je razvojna pojava koja se javlja kasnije u sazrijevanju, povezuje se sa smežuravanjem-sušenjem i ima posljedice kako na prinos tako i na sastav bobica i vina. Ne znamo u kojoj je mjeri ćelijska smrt genetski programirana i u kojoj mjeri je to odgovor na sredinu i fiziološke izazove. To je važno iz najmanje dva razloga. Prvo, ćelijska smrt može uticati na prinos zbog jake povezanosti sa smežuravanjem bobica kod sorti kao što je Shiraz. Na primjer, ćelijska smrt i smežuravanje mogu biti povezani sa gubicima prinosa do 30% kod sorte Shiraz. Kao rezultat toga, šećer se tokom zrenja koncentriše u grožđu i to bi moglo dovesti do visokog sadržaja alkohola u vinu. Drugo, ćelijska smrt može uticati na senzorne atribute bobica i vina zbog miješanja ćelijskih dijelova i promjena u biohemiji unutar bobica.

Smežuravanje u zrelim bobicama sorte Shiraz u toplijim klimatima vjerovatno je posljedica kombinacije nekoliko faktora. Povezanost između ćelijske smrti i smežuravanja bobica može se objasniti dehidracijom bobica posredstvom promjena propusnosti ćelijske membrane (Clarke i sar. 2010, Tilbrook i Tyerman 2008). Transpiracija bobica kasno u zrenju može se nastaviti, ali sa smanjenim vaskularnim prilivom (Rogiers et al. 2004).

To se može kombinovati sa povratnim tokom u bobicu (Keller i sar. 2006., Keller i sar. 2015, Tilbrook i Tyerman 2009, Tyerman i dr. 2004.) putem funkcionalnog ksilema, koji je samo djelomično blokiran u peteljci (drška bobice) (Knipfer i dr. 2015). Stoga smežuravanje bobica zavisno od sorte može biti povezano sa vrlo različitim ponašanjem provodljivosti vode u bobici tokom kasnog sazrijevanje uz povećan učinak smrti ćelija. (Scharwies i Tyerman 2017, Tilbrook i Tyerman 2009). Poslije značajnog otkrića fenomena smrti ćelija u toku kasnog zrenja (Krasnow i sar. 2008, Tilbrook i Tyerman 2008) zavisno od sorte, i korelacije između ćelijskee smrti i smežuravanja bobica (Fuentes et al. 2010), razne studije su istraživale taj odnos prema abiotičkom stresu u vinogradu. Neke studije su pokazale da smrt ćelija bobica sorte Shiraz može biti ubrzan vodenim stresom i povišenom temperaturom (Bonada i sar. 2013a, Bonada i dr. 2013b).

U globalu prisutne su sve veće frekvencije i intenzitet toplotnih valova i suša i u Australiji (Alexander i Arblaster 2009, Perkins i sar. 2012), a predviđa se da će trend zagrijavanja imati štetne učinke na vinovu lozu (Webb et al. 2007) i kvalitet bobica. (Bonada i Sadras 2015, Caravia i dr. 2016).

Jedan od izazova u proučavanju smrti ćelija vinove loze je zahtjev za metodom brze kontrole u vinogradu. Caravia et al. (2015) pokazali su da se pomoću impedance spektroskopije električna svojstva mesa grožđa bobica mogu brzo izmjeriti a i vitalnost mesa se takođe može predvidjeti korištenjem tih svojstava. Ova tehnika je pokazala obećavajuću primjenu za precizno i brzo mjerenje sastava bobica.

Kiseonik i smrt ćelija. Nedavno smo testirali hipotezu da je ćelijska smrt povezana sa gladovanjem za kiseonikom O2 (hipoksija) u tkivu bobica, na osnovu opažanja ćelijska smrt je povećana na višoj temperaturi. Kiseonik je ključan u životu ćelija i njihovog normalnog disanja, a takođe zavisi od temperature. U prvoj dijelu ispitivanja tokom zrenja bobica mjerena je unutarnja koncentracija O2 sorti Chardonnay, Shiraz i Ruby Seedless aparaturom microprobe. Otkriveno je da koncentracija O2 u bobici zavisi od vitalnosti ćelija (Slika 1). Srednje regije mezokarpa imale su najveću smrtnost ćelija i najmanju koncentraciju O2.

Dostupnost kiseonika u mezokarpu može biti ograničena velikom potrebom unutrašnjeg disanja, poput one koja se može pojaviti pri visokoj temperaturi i eventualno doprinosom sjemenki i / ili ograničenim unosom O2. Veliki pad koncentracije O2 preko pokožice (Slika 1) ukazuje na značajno ograničenje difuzije kiseonika. Stoga smo skrenuli pažnju na male za gas propusne pore na peteljci bobica. Te se pore nazivaju lenticelama i zauzimaju veliku gustinu na peteljci bobica. Niža (manja) površina lenticela kod sorte Shiraz mogla bi ukazivati na veće ograničenje unosa O2 u poređenju sa sortom Chardonnay. Koncentracija kiseonika povećala se prema središnjoj osi bobice, što odgovara prisustvu središnjih vazdušnih prostora uočenih pomoću rendgenske mikro-računarske tomografije. Ovi vazdušni prostori povezani su sa peteljkom na kojoj se nalaze lenticele. Direktno mjerenje koncentracije O2 u osi bobice, dok je mijenjala snabdijevanje O2 na peteljci bobice, pokazalo je da se većina difuzije O2 odvijala kroz lenticele peteljke. Povećana je i koncentracija etanola u bobicama sorte Chardonnay nakon što su blokirane lenticele na peteljci što ukazuje da se fermentacija dogodila unutar bobice zbog nedostatka kiseonika. Stoga su lenticele na peteljci važan put za unos kisonika u bobicu, a blokiranje ili ograničavanje ovih gasnopropusnih struktura može dovesti do smanjene snabdijevenosti kiseonikom u mezokarpu bobica.

Velika respiratorna potražnja u bobicama može stvoriti i nedostatak O2. Sjemenke znatno doprinose disanju bobica u periodu šarka većom potražnjim za kiseonikom, ali se ta potrošnja smanjuje na zanemarljivu potražnju kasnije u zrenju. Obe sorte sa sjemenkama (Shiraz i Chardonnay) pokazala su značajnu ćelijsku smrtnost tokom zrenja, dok je grožđe besjemene sorte Ruby održavalo veću vitalnost ćelija kao i veću unutrašnju koncentraciju kiseonika. Rezultati djelomično objašnjavaju razlike u smrtnosti ćelija zbog prisustva sjemenki i razlike u morfologiji lenticela i njihovoj površini.

Abiotički stresovi i kiseonik unutar bobica. Kako temperatura okoline i vodni stres regulišu smrt ćelija i smežuranost bobica, istražili kako na smrt ćelija bobica sorte Shiraz i unutarnji status O2 utiču vodni stres i povišena temperatura. Korištenjem microprobe i mikro rendgenske CT analize O2, pokazala je da je smrtost ćelija bobica sorte Shiraz povezana sa niskom koncentracijom O2 u mezokarpu i smanjenim vazdušnim prostorima u mesu bobica, možda inducirana stresom, što bi moglo potencijalno ograničiti difuziju O2, što dovodi do hipoksije (nedostatak količine kiseonika koji dopire do tkiva) i smrti ćelija. Unutarnji kisonik se takođe smanjio tokom zrenja bobica, bez obzira na uslove uzgoja. Progresija ćelijske smrti tokom sazrijevanja bobica korelirala je sa prosječnom unutrađnjom koncentracijom O2 bobice u svim uslovima uzgoja. Vodni stres smanjio je unutarnju koncentraciju O2 bobice kod sorte Shiraz i povećao akumulaciju etanola i ćelijsku smrt. Ukupni vazdušni volumen prostora bobice smanjio se tokom perioda zrenja nezavisno od tretmanu, dok se šupljina (prostor) lokusa (šupljina oko sjemenki) povećavala.

Ovo sugeriše da se ranije tokom zrenja, unutarnji vazdušni prostori bobice sorte Shiraz javljaju kao sitne pore, a da kasnije u sazrijevanju, vazdušni prostor lokule postaje veći u odnosu na ukupni volumen bobica. Vazdušni kanali povezivali su unutarnji vazdušni prostor sa peteljkom bobice, gdje se lenticeli pojavljuju pri velikoj gustini, sličnoj onoj koja je primjećena kod bobica sorte Chardonnay. Ovo je dodatno potvrdilo fiziološku važnost lenticela peteljke u razmeni gasa i unosu kisonika.

Zaključak. Smanjena unutarnja koncentracija O2 bobica povezana je sa smanjenjem vazdušnog prostora i procenta živog tkiva. Ćelijska smrt, sa implikacijom smežuravanja bobica, snažno su povezana sa ponudom i potražnjom kiseonika. Potencijalno će svaki stres koji utiče na oksidacione procese, uključujući tretmane koji mogu uzrokovati oksidativni stres u bobicama, disanje bobice ili anatomiju, vjerovatno uticati na ćelijsku smrt. Lenticele na peteljci pružaju glavni put širenja (ulaska) O2 u bobicu.

 Razlike u unutrašnjoj dostupnosti O2 u bobicama između sorti mogu se povezati sa razvojem sjemenki i razlikama u površini lenticela. Veće stope smrti ćelija mezokarpa uzrokovanih vodnim stresom takođe su povezane sa hipoksijom unutar bobica grožđa. Ovo novo znanje o tome kako grožđe prihvata kisonik pruža osnovu za daljnja istraživanja kvaliteta bobica i izbora sorte radi prilagođavanja vinogradarstva zagrijavajućoj klimi.

Ovaj članak je izvorno objavljen u časopisu za vino i vinogradarstvo (Wine & Viticulture Journal. Volume 34, No 1, 2019.) by Zeyu Xiao, Siyang Liao, Suzy Y. Rogiers, Victor O. Sadras and Stephen D. Tyerman