Μελέτη προ-συλλεκτικών και μετα-συλλεκτικών μεταχειρίσεων ασβεστίου που επηρεάζουν τα ποιοτικά χαρακτηριστικά καρπών κερασιάς (Prunus avium L.)

Abstract

The effect of calcium on the physiology of sweet cherry fruits has been tested in three approaches. Initially (first experimental approach), fruit quality in response to CaCl2, applied via foliar sprays (Ca2+) or/and hydrocooling water (CaHC), was characterized in ‘Lapins’ cherries cultivar at harvest, just after cold storage (20 days at 0 °C) as well as after cold storage followed by 2 days at 20 °C, herein defined as shelf-life period. Data indicated that pre- and post-harvest Ca2+ applications increased total Ca2+ and cell wall bound Ca2+, respectively. Treatment with Ca reduced skin cracking whereas Ca+CaHC condition depressed stem browning. Both skin penetration and stem removal were affected by Ca2+ feeding. Also, several color and antioxidant-related parameters were induced by Ca2+ treatments. Metabolomic analysis revealed significant alterations in primary metabolites among the Ca2+ treatments, including sugars (e.g., glucose, fructose), alcohols (e.g., arabitol, sorbitol), acids (e.g., malic acid, quinic acid) and amino acids (e.g., glycine, beta-alanine). At second approach, we studied the effect of heat and calcium treatments on sweet cherries metabolism. ‘Lapins’ fruits were treated with heat or CaCl2 solutions and their combination and subsequently were exposed at room temperature, for up to 4 days, defined as senescence period. Single and combined heat and calcium treatments partially delayed fruit senescence, as evidenced by changes in fruit colour darkening, skin penetration force and respiration activity. Calcium content was noticeably increased by heat in Ca-treated fruit. Several primary metabolites, including amino acids, organic acids and alcohols were decreased in response to both treatments, while many soluble sugars and secondary metabolites were increased within 1d post-treatment. Changes of several metabolites of heat-treated fruits, especially esculetin, peonidin 3-O-glucoside and peonidin 3-O-galactoside, ribose, pyroglutamic acid and isorhamnetin-3-O-rutinoside were detected. The metabolome of fruit exposed to calcium also displayed substantial modulations, particularly in the levels of galactose, glyceric acid, aspartic acid, tryptophan, phosphoric acid, rutin and peonidin 3-O-glucoside. The expression of several genes involved in TCA cycle (MDH1, IDH1, OGDH, SUCLA2 & SDH1-1), pectin degradation (ADPG1) as well as secondary (SK1, 4CL1, HCT & BAN), amino acids (ALDH18A1, ALDH4A1, GS, GAD, GOT2, OPLAH, HSDH & SDS) and sugar (PDHA1 & DLAT) metabolism were affected by both treatments. Pathway-specific analysis further revealed the regulation of fruit metabolic programming by heat and calcium. At third approach, we characterize the impact of calcium on sweet cherries metabolism. ‘Tsolakeika’ fruits were treated via foliar spray at 15, 27 and 37 days after full blossom (DAFB) with 0.5 % CaCl2*2H2O solution. Physiological traits were recorded, and fruit samples were collected 2 days later (17, 29 and 39 DAFB) from calcium foliar application and at 44 DAFB (full red color), 55 DAFB (commercial harvest). Metabolic levels at 5 developmental stages are defined. In addition, molecular regulations of transcripts and proteins triggering by calcium in post-application fruit stages (44 and 55 DAFB) are also determined. Calcium treatment has a reduction on respiration rate and cracking index mainly at harvest. Changes of several metabolites in calcium-treated sweet cherries, especially malic acid, glucose, cysteine, epicatechin and neochlorogenic acid were increased. The expression of several genes and the regulation of several proteins involved in oxidative phosphorylation, endocytosis, repair DNA, hypersensitive response, amino acid metabolism and sugars accumulation were affected by calcium pre-application at harvest.

Tο ασβέστιο (Ca2+) διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη φυσιολογία και στη θρεπτική κατάσταση των καρπών, παρόλα αυτά η γνώση του μηχανισμού δράσης του παραμένει ελλιπής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή η επίδραση του ασβεστίου στη φυσιολογία των καρπών κερασιάς διερευνήθηκε χρησιμοποιώντας τρεις πειραματικές προσεγγίσεις. Στην 1η πειραματική προσέγγιση, χαρακτηρίστηκε η ποιότητα των κερασιών ως απόκριση στο CaCl2, που εφαρμόστηκε με διαφυλλικό ψεκασμό ασβεστίου (Ca2+) ή / και με νερό υδρόψυξης (CaΥΨ), καρπών της ποικιλίας ‘Lapins’ κατά (α) τη συγκομιδή, και (β) μετά από την ψυχρή συντήρησή τους (20 ημέρες στους 0 °C) και την επακόλουθη διατήρησή τους για 2 ημέρες στους 20 °C (περίοδος διατήρησης). Τα δεδομένα έδειξαν ότι οι εφαρμογές ασβεστίου πριν και μετά τη συγκομιδή αύξησαν το συνολικό ασβέστιο και το δεσμευμένο στο κυτταρικό τοίχωμα ασβέστιο, αντίστοιχα. Η μεταχείριση με ασβέστιο μείωσε το σχίσιμο της επιδερμίδας του καρπού, ενώ η μεταχείριση Ca+CaΥΨ ανέστειλε το καφέ αποχρωματισμό του ποδίσκου. Τόσο η διάτρηση της επιδερμίδας όσο και η δύναμη αφαίρεσης του ποδίσκου επηρεάστηκαν από την εφαρμογή ασβεστίου. Επίσης, αρκετές χρωστικές και σχετικές με τα αντιοξειδωτικά παράμετροι επάγονται από τις μεταχειρίσεις με Ca2+. Μεταξύ των μεταχειρίσεων ασβεστίου διαπιστώθηκαν σημαντικές μεταβολές στους πρωτογενείς μεταβολίτες, συμπεριλαμβανομένων των σακχάρων (π.χ. γλυκόζη, φρουκτόζη), αλκοολών (π.χ., αραβιτόλη, σορβιτόλη), οξέων (π.χ., μηλικό οξύ, κινοϊκό οξύ) και αμινοξέων (π.χ., γλυσίνη, β-αλανίνη). Στη 2η πειραματική προσέγγιση μελετήθηκε η επίδραση των μεταχειρίσεων θερμότητας και ασβεστίου στον μεταβολισμό των κερασιών. Συγκεκριμένα, καρποί της ποικιλίας ‘Lapins’ υποβλήθηκαν σε μεταχείριση με θέρμανση ή/και με διαλύματα CaCl2 και ακολούθως εκτέθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου για διάστημα έως 4 ημερών (περίοδος γήρανσης). Οι μεμονωμένες μεταχειρίσεις καθώς και ο συνδυασμός θερμότητας και ασβεστίου καθυστέρησαν μερικώς τη γήρανση των καρπών, όπως αποδεικνύεται από τις αλλαγές στο χρώμα των κερασιών (σκούρο), τη δύναμη διάτρησης της επιδερμίδας και το ρυθμό αναπνοής. Η περιεκτικότητα των καρπών σε ασβέστιο αυξήθηκε ιδιαίτερα όταν η θερμική μεταχείριση συνδυάστηκε με την εφαρμογή ασβεστίου. Αρκετοί πρωτογενείς μεταβολίτες, όπως αμινοξέα, οξέα και αλκοόλες, μειώθηκαν εξαιτίας των δύο μεταχειρίσεων, ενώ πολλά σάκχαρα και δευτερογενείς μεταβολίτες αυξήθηκαν στη 1η ημέρα μετά την εφαρμογή ασβεστίου. Επίσης, σε καρπούς της θερμικής μεταχείρισης παρατηρήθηκαν σημαντικές μεταβολές διαφόρων δευτερογενών μεταβολιτών, όπως εσκουλετίνη, γλυκοζίδιο της πεονιδίνης και γαλακτοζίδιο της πεονιδίνης, ριβόζη, πυρογλουταμικό οξύ και ρουτινοσίδιο της ισοχαρμετίνης. Ο μεταβολισμός των καρπών που εκτέθηκαν σε ασβέστιο παρουσίασε επίσης σημαντικές διακυμάνσεις, ιδιαίτερα στα επίπεδα γαλακτόζης, γλυκερικού οξέος, ασπαρτικού οξέος, τρυπτοφάνης, ρουτίνης, φωσφορικού οξέος και του γλυκοζιδίου της πεονιδίνης. Η έκφραση γονιδίων που εμπλέκονται στον κύκλο των τρικαρβοξιλικών οξέων (MDH1, IDH1, OGDH, SUCLA2 & SDH1-1), στην αποικοδόμηση της πηκτίνης (ADPG1), στο δευτερογενή μεταβολισμό (SK1, 4CL1, HCT & BAN), στο μεταβολισμό των αμινοξέων (ALDH18A1, ALDH4A1, GS , GAD, GOT2, OPLAH, HSDH και SDS) καθώς και στο μεταβολισμό των σακχάρων (PDHA1 & DLAT) επηρεάστηκαν και από τις δύο μεταχειρίσεις. Εν τέλει, η συνολική ανάλυση των μεταβολικών μονοπατιών αποκάλυψε τη ρύθμιση που υφίστανται ο μεταβολισμός των κερασιών ως απόρροια της θερμικής μεταχείρισης και της εφαρμογής του ασβεστίου.Στη 3η πειραματική προσέγγιση, καρποί της εγχώριας ποικιλίας ‘Τσολακέικα’ ψεκάστηκαν διαφυλλικά στις 15, 27 και 37 ημέρες μετά την πλήρη άνθιση (ΗΜΠΑ) με διάλυμα 0,5 % CaCl2*2H2O. Τα φυσιολογικά χαρακτηριστικά καταγράφηκαν κατά την εφαρμογή των μεταχειρίσεων, ενώ δείγματα των καρπών συλλέχθηκαν (α) 2 ημέρες αργότερα (17, 29 και 39 ΗΜΠΑ) από την εφαρμογή του ασβεστίου και (β) στις 44 ΗΜΠΑ (ανάπτυξη πλήρους κόκκινου χρώματος καρπών) και (γ) στις 55 ΗΜΠΑ (εμπορική συγκομιδή καρπών). Επιπρόσθετα, προσδιορίστηκαν οι εκφράσεις των γονιδίων και των πρωτεϊνών που προκάλεσε το ασβέστιο στα αναπτυξιακά στάδια των καρπών μετά την εφαρμογή του (στις 44 και 55 ΗΜΠΑ). Η μεταχείριση με ασβέστιο είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού αναπνοής και του δείκτη σχισίματος της επιδερμίδας κυρίως κατά τη συγκομιδή. Κατά τη διάρκεια των 5 αναπτυξιακών σταδίων των καρπών παρατηρήθηκε μεταβολή σε πληθώρα μεταβολιτών των κερασιών που μεταχειρίστηκαν με ασβέστιο, ενδεικτικά αυξήθηκαν οι μεταβολίτες μηλικό οξύ, γλυκόζη, κυστεΐνη, επικατεχίνη και νεοχλωρογενικό οξύ. Η έκφραση των γονιδίων και τα επίπεδα αρκετών πρωτεϊνών που εμπλέκονται στην οξειδωτική φωσφορυλίωση, την ενδοκυττάρωση, την επιδιόρθωση του DNA, την αντίδραση υπερευαισθησίας, τον μεταβολισμό των αμινοξέων και τη συσσώρευση σακχάρων επηρεάστηκαν από την εφαρμογή ασβεστίου.