钙是植物生长发育必需的大量元素之一,对细胞结构和生理功能有重要作用,钙参与了植物生长发育和新陈代谢的调控。植物主要通过根系从土壤中吸收钙且只能通过木质部移动和运输,由于钙的移动性较低,钙的吸收和分配成为许多植物生理功能的限制因子,土壤肥力不足和环境恶化会影响根系对钙的吸收,缺钙会导致生长发育障碍和生理病害。根域限制是一种新型的果树栽培技术,限制在小范围内的根域土壤得到改良,能促进根系对钙的吸收和运输。本研究以多年生藤本植物葡萄(Vitis vinifera L.)为试材,利用植物组织解剖学和生理学方法,分析探讨了缺钙对葡萄幼苗生长发育和光合作用的影响;通过代谢组学分析,研究了钙胁迫和根域限制对葡萄果实初级代谢与次级代谢变化的影响。以期阐明缺钙对葡萄生长发育和代谢产生障碍的机理,并为促进钙吸收和改良葡萄栽培技术提供理论支持,主要研究结果如下:1、一年生无核白葡萄幼苗在缺钙(Ca2+:0 mM)条件培养24天后,叶片表现出脉间发黄失绿等典型缺钙症状;52天后,叶片边缘焦枯并向下卷曲开始脱落,新梢顶端生长停止和坏死。缺钙条件下叶片光合系统功能下降,尤其是生化过程(Jmax和VCmax)受到抑制,CO2同化能力下降。2、缺钙处理52天时,无核白葡萄幼苗的营养生长受到抑制,导管细胞直径和面积减小,数量增加,细胞壁加厚。同时我们也发现缺钙使侧根的分化受到影响,薄壁细胞内草酸钙晶体解体。茎的超微结构显示,缺钙导致形成层细胞和韧皮部细胞发生质壁分离,细胞液渗漏,细胞器解体。对缺钙时植株各器官的矿质元素分析发现,缺钙使植株体内的N、Ca、Fe和Cu元素含量显著降低,新梢和叶中的Mg含量以及根和叶中的B元素含量显著升高。3、以红亚历山大葡萄为试材,用不同钙浓度(Ca2+:0 mM、0.2 mM和4 mM)培养,研究不同钙浓度对葡萄营养生长以及叶片和果实不同组织中的可溶性糖和有机酸含量变化的影响。结果发现与加钙相比,缺钙和低钙处理使葡萄营养生长受到抑制,果实物候期提前。果皮、果肉、种子和叶片采用不同的糖酸代谢策略应对钙胁迫,表现出组织特异性。其中果皮糖酸变化幅度最大,对钙浓度更敏感;种子需钙量较少,低钙可满足其生长所需;叶片对钙浓度差异响应的时间相对较早。4、应用非靶向代谢组学方法分析不同钙浓度处理条件下无核白葡萄成熟期果实的代谢组学差异,成功地在葡萄果实中鉴定到124种代谢物,并比较了缺钙(Ca2+:0 mM)、加钙(Ca2+:4 mM)和高钙(Ca2+:8 mM)培养条件下成熟期果实中的代谢产物变化。与加钙相比,缺钙和高钙培养对成熟期果实代谢的影响集中在氨基酸的变化上,这些氨基酸分别位于谷氨酸通路、天冬氨酸通路和芳香族氨基酸通路上。缺钙时谷氨酸通路和天冬氨酸通路中的相关氨基酸含量都降低,高钙时它们的含量都升高,但谷氨酸和天冬氨酸以及他们的前体柠檬酸在两种胁迫下均升高。芳香族氨基酸是次级代谢产物合成的前体,它们在缺钙和高钙胁迫下,与加钙相比含量都降低,因此次级代谢通路中的代谢产物大部分含量是下降的,包括黄烷醇和黄酮醇等。5、用根域限制和传统地栽方式(对照)栽培四年生红亚历山大葡萄树,使用非靶向代谢组学的方法在发育的果皮和果肉组织中鉴定到291种代谢物,并比较了根域限制和对照条件下各发育阶段果皮果肉的代谢组学差异变化。主成分分析发现果皮和果肉的代谢产物受果实发育时期的影响大于栽培方式的影响。与对照相比,伴随果实的提前着色,除了关键胁迫响应氨基酸(如2-氨基己二酸,天冬氨酸,谷氨酰胺和丝氨酸)外,根域限制树的其他氨基酸含量都升高;芳香族氨基酸(苯丙氨酸、色氨酸和酪胺)作为次级代谢合成的前体,其含量升高引起次级代谢产物合成显著升高,发现了由初级代谢向次级代谢更早更快过度的直接证据。