《Horticulture Research》周五发表的一项研究报告称，研究人员已识别出一条帮助葡萄藤耐受低温的分子通路。这一发现有望为未来育种工作提供支持，因为葡萄园正面临更加不稳定的冬季和春季气温。
这篇论文由中国杨凌西北农林科技大学的科学家领衔，研究对象是 Vitis pseudoreticulata，一种用于抗逆研究的野生葡萄物种。研究团队发现，一种称为 VpCDPK13 的钙依赖性蛋白激酶会在低温下被激活，并提高植株耐寒能力。其作用机制是与另一种蛋白——转录因子 VpCAMTA3——相互作用并对其进行修饰，进而增强葡萄藤的防御反应。
低温仍是葡萄生产面临的主要环境威胁之一。冻害事件会损伤芽体、削弱葡萄藤长势，并在多个季节内压低产量。随着气候波动带来更剧烈的温度起伏，包括暖期之后突然出现霜冻，这一风险对种植者而言变得更加重要。
根据研究，VpCDPK13 在植物的冷响应早期发挥作用。当叶片暴露于 39.2°F 时，其基因活性迅速上升，而在低温条件下，该蛋白在细胞核中的积累也更为明显。研究人员认为，这表明该激酶可能有助于将低温触发的钙信号转化为细胞内部的保护性变化。
为验证其作用，研究团队培育了过表达 VpCDPK13 的葡萄植株，并将其与正常植株以及该基因被沉默的植株进行比较。在低温处理下，VpCDPK13 表达更高的葡萄藤叶片保持更绿，萎蔫更少，光合作用表现也更好。它们的电解质渗漏更低，丙二醛水平也更低；丙二醛是膜损伤的标志物。
这些植株积累的过氧化氢和超氧阴离子也更少，这两种活性氧会在胁迫下升高，若不加控制便会损伤细胞。与此同时，它们的过氧化物酶活性更高，表明抗氧化防御系统更强。当 VpCDPK13 被沉默时，情况则相反：植株对低温更敏感，膜损伤更严重，氧化胁迫更强，光合效率也更弱。
随后，研究人员寻找与 VpCDPK13 相互作用的蛋白，并鉴定出 VpCAMTA3。多项检测证实，这两种蛋白能够彼此发生物理结合。VpCAMTA3 本身也会在叶片和根中受到低温诱导，而其被沉默的植株表现出更差的耐寒性，同样伴随更高的氧化损伤和更低的光系统表现。
这篇论文的核心发现是，VpCDPK13 会磷酸化 VpCAMTA3，也就是向该蛋白的特定位点添加磷酸基团。实验室检测确定了三个主要位点：Thr588、Ser834 和 Ser 1049。当这些位点被改变、从而无法再被磷酸化时，VpCAMTA3 在低温胁迫下失去了大部分保护作用。当这些位点被改造成模拟磷酸化状态时，该蛋白的表现优于未修饰版本。
在葡萄叶片的瞬时表达测试中，VpCAMTA3 的磷酸模拟形式表现出最强的耐寒性。这些叶片保留了更高的 Fv/Fm 值——这是衡量光系统 II 效率的标准指标——并且与表达正常蛋白或磷酸失活版本的叶片相比，离子渗漏更低、丙二醛含量更低、活性氧积累也更少。
作者表示，这一结果确立了一个 VpCDPK13-VpCAMTA3 信号模块，它通过帮助维持膜完整性、保持光合作用功能并提高活性氧清除能力，促进植物适应低温胁迫。
这项工作补充了关于多年生果树如何在分子层面应对非生物胁迫的不断增长的研究。对于葡萄藤而言，耐寒性长期以来一直通过涉及 ABA 信号、CBF 基因和糖积累的通路进行研究。这项研究则指向了以钙信号和蛋白质磷酸化为核心的另一层调控。
它也提示，不同物种中的 CAMTA3 蛋白可能受到不同方式的调控。论文指出，在拟南芥中，其他激酶对 CAMTA3 的磷酸化与该蛋白稳定性降低有关。相比之下，在这一葡萄藤体系中，VpCDPK13 的磷酸化似乎会在低温暴露期间增强 VpCAMTA3 的功能。
这一差异对育种计划可能具有重要意义。尽管该研究没有提出商业应用或田间试验，但它识别出两个分子靶点，可用于培育更能耐受冻结条件的葡萄品种。这类性状不仅在传统寒冷地区越来越重要，在那些天气反复无常、早期萌芽后葡萄藤可能遭受破坏性霜冻的地区也同样如此。
作者表示，他们的发现为葡萄藤中的低温胁迫信号传导提供了新的认识，并可能为提高多年生果树的韧性提供靶点。该研究得到了宁夏回族自治区重点研发计划的支持。