摘要
新疆地区凭借独特的光热资源成为我国酿酒葡萄主产区，但干旱、盐碱等逆境条件制约着产业的可持续发展。砧穗组合的选择对酿酒葡萄的生长发育、果实品质及后续加工特性具有显著调控作用，然而其对葡萄果实代谢物谱及相关代谢通路的影响机制尚未明确。本研究采用液相色谱 - 质谱（LC-MS）联用的非靶向代谢组学技术，以赤霞珠（Vitis vinifera L. 'Cabernet Sauvignon'）为接穗，分析其与 5 种不同砧木组合的果皮代谢特征。通过主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）及正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）等多元统计方法，筛选差异代谢物并进行通路富集分析。结果显示，不同砧穗组合显著影响赤霞珠果皮的代谢表型，共鉴定出 32 种显著差异代谢物，主要涉及有机酸、氨基酸、多酚类等物质。代谢通路分析表明，异喹啉生物碱生物合成、黄酮及黄酮醇合成、柠檬酸循环等 21 条通路受到显著扰动。研究揭示了砧木通过调控关键代谢途径影响接穗果实代谢特征的分子机制，为酿酒葡萄优质砧穗组合的筛选及良种选育提供了理论依据。
引言
新疆作为我国酿酒葡萄产业的核心区域，其独特的光热条件为葡萄种植提供了优良基础，种植规模与产量均居全国前列。然而，该地区广袤的地域跨度导致生态条件复杂多样，干旱、盐碱化及低温等逆境因子严重限制了酿酒葡萄的品质提升与产业拓展。砧穗组合作为葡萄栽培中的关键技术措施，不仅能调控植株的生长势、物候进程及产量形成，更对果实品质相关指标（如糖酸代谢、单宁积累、花色苷组成及香气物质合成）具有深远影响，进而作用于葡萄酒的感官品质与商品价值。
目前，关于砧木对接穗的影响研究多集中于生长发育及宏观品质性状层面，而针对果实代谢物组成、代谢网络调控机制的系统性研究尚显匮乏。代谢组学作为系统生物学的重要分支，通过高通量检测与多变量数据分析，能够全面解析生物体内小分子代谢物的动态变化，为揭示生物学过程的分子机制提供了全新视角。其中，非靶向代谢组学以无偏向性的全局分析策略，已在植物生理、品种改良及逆境响应等研究领域广泛应用，为解析栽培措施对植物代谢表型的调控效应提供了强有力的技术支撑。
基于此，本研究以酿酒葡萄主栽品种赤霞珠为材料，采用 LC-MS 非靶向代谢组学技术，系统分析不同砧穗组合下果皮组织的代谢物差异，旨在阐明砧木影响接穗果实代谢特征的潜在机制，为新疆地区酿酒葡萄优质砧穗组合的选择及砧木育种提供理论参考。
材料与方法
试验材料与设计
供试材料为酿酒葡萄品种赤霞珠（CS），分别嫁接于 1103P、140R、5C、SO4、3309C 五种砧木，以自根苗（CS）为对照。试验于新疆石河子大学特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室试验基地进行，采用随机区组设计，3 次重复。
样品采集与处理
从果实完全转色期开始监测成熟指标，于 9 月 25 日（可溶性糖含量稳定在 200 mg/g 以上）采集果实样品。取果皮组织，经液氮速冻后于 - 80℃保存，用于代谢组学分析。
代谢组学分析
样品制备与检测
采用甲醇提取法进行代谢物提取，运用超高效液相色谱 - 串联质谱（UHPLC-MS/MS）系统进行检测。色谱柱为 Waters ACQUITY UPLC HSS T3（100 mm×2.1 mm，1.8 μm），流动相为 0.1% 甲酸水溶液（A）和 0.1% 甲酸乙腈溶液（B），梯度洗脱；质谱采用电喷雾离子源（ESI），正负离子模式下扫描。
数据处理与统计分析
原始数据经 Progenesis QI 软件预处理后，进行主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）及正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）。以变量重要性投影（VIP）＞1、t 检验 P≤0.05 及单因素方差分析（one-way ANOVA）P≤0.05 为标准筛选差异代谢物。通过 KEGG 数据库进行代谢通路富集分析，采用 MetPA 工具进行通路拓扑分析。
结果与分析
不同砧穗组合对赤霞珠果实成熟度的影响
果实成熟指标测定结果显示，各砧穗组合及对照的可溶性糖含量均达到 200 mg/g 以上，且可溶性糖与可滴定酸含量无显著性差异（P＞0.05），表明所有处理果实处于相近的成熟水平，可排除成熟度差异对代谢组分析的干扰。
代谢组学分析的质量控制
质量控制（QC）样品的总离子流图显示出良好的重复性与峰分离度，且 QC 样本在多元统计分析中呈现紧密聚集状态，误差控制在 2 倍标准偏差以内，表明本研究 LC-MS 检测系统稳定性良好，数据可靠。
不同砧穗组合果皮代谢物的多元统计分析
PCA 分析
PCA 得分图显示，CS/1103P 与 CS/140R 组分别独立聚类于第一象限与第三象限，表明其代谢表型与其他组合存在显著差异；CS/5C 与 CS/SO4 组样品点距离较近，CS/3309C 与对照组（CS）样品点部分重叠，提示这些组合间的代谢物组成差异较小（图 1）。
图1不同砧穗组合赤霞珠葡萄皮 PCA 得分图
PLS-DA 与 OPLS-DA 分析
PLS-DA 模型参数 R²Y=0.995、Q²=0.942，表明模型拟合度与预测能力优异；置换检验显示 Q² 截距为 - 0.479，证实模型有效性（图 4）。OPLS-DA 分析进一步揭示各组间的代谢差异，其中 CS/140R 与 CS/5C 组在该模型中实现有效分离，表明 OPLS-DA 较 PCA 具有更强的组间区分能力；而 CS 与 CS/3309C 组在三种模型中均未分离，提示二者代谢模式高度相似（图 2）。
图2 不同砧穗组合赤霞珠葡萄皮 OPLS-DA得分图
差异代谢物的筛选与鉴定
基于筛选标准，共鉴定出 32 种显著差异代谢物，涵盖有机酸、氨基酸、黄酮类、生物碱等多个类别。
差异代谢物的聚类分析
热图聚类分析显示，不同砧穗组合的差异代谢物呈现特征性表达模式，可通过代谢物表达谱明确区分各组处理。其中：
-
- 对照组（CS）中 2 - 酮戊二酸、苹果酸、L - 苏氨酸等代谢物含量显著高于其他组合；
- CS/1103P 组中儿茶素、牛磺酸等含量富集；
- CS/SO4 组中 γ- 氨基丁酸、锦葵色素类衍生物等黄酮类物质含量较高；
- CS/140R 组中没食子酸酯、L - 精氨酸等表现为高表达；
- CS/5C 组以亮氨酸含量突出；
- CS/3309C 组中香豆酸、飞燕草素衍生物等含量较高。
差代异谢物的通路富集分析
MetPA 分析显示，差异代谢物主要富集于 21 条代谢通路，其中异喹啉生物碱生物合成、黄酮及黄酮醇合成、泛酸和辅酶 A 生物合成、柠檬酸循环（TCA 循环）等通路受到显著扰动（图 3）。具体表现为：
-
- 有机酸代谢：嫁接处理显著改变了 2 - 酮戊二酸、苹果酸等 TCA 循环中间产物的含量，提示砧木可能通过调控能量代谢影响果实品质；
- 多酚代谢：CS/SO4、CS/140R 等组合显著提高了黄酮类、花色苷类物质含量，涉及黄酮合成通路的激活；
- 氨基酸代谢：多种氨基酸衍生物的含量变化表明砧穗组合对氮代谢存在调控作用。
图3不同砧穗组合赤霞珠葡萄果皮代谢通路影响因子图
讨论
本研究通过非靶向代谢组学技术，首次系统揭示了不同砧穗组合对赤霞珠果皮代谢组的影响机制。结果表明，尽管各处理果实成熟度相近，但代谢物组成及含量存在显著差异，证实砧木可通过非成熟度依赖的途径调控接穗果实代谢。
在差异代谢物中，有机酸（如苹果酸、柠檬酸）作为果实风味的重要决定因子，其含量变化直接影响果实口感。本研究发现 CS/SO4、CS/5C 等组合显著降低果皮柠檬酸含量，而 CS/3309C 组则提高了特定有机酸水平，这与前人关于砧木影响果实酸度的研究结果一致，但具体调控机制需结合转录组学进一步解析。
多酚类物质（如儿茶素、花色苷）作为葡萄及葡萄酒抗氧化活性与色泽的关键成分，其在 CS/SO4、CS/1103P 等组合中的高积累，暗示这些砧穗组合可能提升果实的营养品质与加工价值。通路分析显示，黄酮及黄酮醇合成通路的激活是其含量增加的重要原因，这为通过砧穗选择改良葡萄功能性成分提供了新思路。
代谢通路层面，TCA 循环的扰动表明砧木可能通过影响能量代谢及碳氮分配调控果实代谢网络。2 - 酮戊二酸作为 TCA 循环与氨基酸代谢的关键节点，其在对照组中的高含量可能与自根苗的碳代谢特征相关，而嫁接处理对其含量的下调则反映了砧穗互作对碳流分配的重塑。
结论
本研究通过 LC-MS 非靶向代谢组学分析，明确了 6 种砧穗组合下赤霞珠果皮的 32 种特征差异代谢物及 6 条核心代谢通路。研究证实，适宜的砧穗组合可通过调控异喹啉生物碱生物合成、黄酮合成、TCA 循环等关键通路，显著改变果皮中有机酸、多酚类等品质相关代谢物的含量。这些发现不仅揭示了砧木 - 接穗互作的代谢调控机制，更为新疆地区酿酒葡萄优质砧穗组合的筛选、良种选育及果实品质改良提供了重要的理论依据与实践指导。未来可结合多组学技术，深入解析关键代谢物的调控网络，为精准改良葡萄品质奠定基础。
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