Comparative analysis of chilling requirement and cold hardiness in peach (Prunus persica) cultivars

Abstract

Deciduous fruit trees temporarily suspend their growth through dormancy and increase their cold hardiness through cold acclimation to adapt low temperature in winter. Here, physiological changes during dormancy, cold acclimation, and deacclimation were compared among peach cultivars to elucidate different responses to freezing temperatures. Dormancy completion of peach cultivars ranged from early January to late February. Chilling requirements were calculated by using Chill Hours, Utah, Dynamic, North Carolina, and Low Chilling models and ranged from 263 to 2123 chill hour, 377 to 1134 chill unit, and 21.3 to 74.8 chilling portion. Low-chill cultivars might be readily deacclimated when exposed to warm spells and sudden temperature drop during late winter or early spring which might induce freezing damage. Changes in soluble sugar content, related enzyme activity, and gene expression were monitored in the shoots of a cold-hardy Soomee (SM) and a cold-sensitive Odoroki (OD) peach cultivar during cold acclimation (CA) and deacclimation (DA). Although both cultivars had similar seasonal patterns of cold hardiness, SM was cold-hardier than OD from December to March. During this period, total soluble sugar content was higher in SM than in OD, but starch content was significantly lower in SM, along with higher total amylase activity and related gene expression. Of the detected soluble sugars, sucrose was predominant and its content was most significantly correlated with cold hardiness. Fructose and glucose contents in SM, but not in OD, increased during CA and then decreased during DA concurrently with increased acid invertase activity and its gene expression. Raffinose and stachyose were detectable only from November to April. Their contents and the expression of the genes involved in their synthesis were also significantly correlated with cold hardiness. To compare DA resistance and sugar metabolism between the cultivars, changes in sugar content and transcriptome of SM and Kanoiwa Hakuto (KH) were compared after accelerated DA at 15℃ and delayed DA at –5℃ in February. During the accelerated DA for 4 weeks, KH lost cold hardiness more rapidly than SM, and starch content decreased more in SM than KH. The most enriched pathway with differentially expressed genes (DEGs) was carbohydrate metabolism in which starch and sucrose metabolism was also most enriched with 43 DEGs encoding 20 related enzymes. Transcripts encoding catabolic enzymes, including β-galactosidase (LOC18769018 and LOC18783479) and β-glucosidase (LOC18770931, LC18779132, and LOC18779303) were up-regulated in SM relative to KH, while those encoding anabolic enzymes such as galactinol synthase (LOC18789982) and raffinose synthase (LOC18778819) were down-regulated. Changes in gene expression and enzyme activities related to soluble sugar metabolism were different among cultivars which consequently cause different cold hardiness of peach trees.

온대 과수는 휴면을 통해 생장을 일시적으로 멈추고 저온 순화를 통해 내한성을 증가시켜 겨울철 저온에 적응하기 한다. 본 논문에서는 복숭아 품종별로 동해가 다르게 나타나는 원인을 구명하기 위해 휴면과 저온 순화 과정 중의 생리적 변화를 비교하였다. 복숭아 품종의 휴면은 1월과 2월 사이에 타파되었으며, Chill Hours, Utah, Dynamic 모델 등을 적용한 결과, 263-2123 chill hour, 377-1134 chill unit, 21.3-74.8 chilling portion의 저온 요구도를 나타내었다. 저온 요구도가 낮은 품종은 휴면 타파 시기가 빠르기 때문에 쉽게 탈순화되어 늦겨울과 초봄의 저온에 동해를 입을 가능성이 높은 것으로 판단되었다. 내한성이 강한 수미 품종과 약한 오도로끼 품종의 신초를 대상으로 하여 시기별로 유리당 함량의 변화를 조사하고 주요 당과 관련된 효소 활성의 변화, 관련 유전자의 발현양을 조사하였다. 두 품종은 시기별로 내한성이 유사하게 변화하였으나 12월부터 3월까지는 수미가 더 강한 내한성을 나타내었다. 이 시기의 총 유리당 함량은 수미에서 더 높았으며 관련 유전자 발현양도 더 높았다. 복숭아 신초에서는 유리당 중에서 sucrose의 함량이 가장 높은 것으로 조사되었으며 내한성과의 상관관계가 가장 높았다. 또한 fructose와 glucose는 순화 기간 동안 수미에서만 유의하게 증가하였으며 오도로끼에서는 증가하지 않았다. 이는 수미에서 활성이 높았던 acid invertase에 의해 sucrose가 fructose와 glucose로 분해되었기 때문인 것으로 보인다. Raffinose와 stachyose는 11월부터 4월 사이에서만 검출되었으며 이외의 시기에서는 검출되지 않아 내한성과 유의한 상관관계를 보였다. 품종별 탈순화 반응에 따른 대사 변화를 분석하기 위해 수미와 가납암백도 품종을 2월에 촉진 탈순화(15℃)와 지연 탈순화(–5℃) 처리하고 내한성, 전사체, 유리당과 전분 함량 변화를 분석하였다. 4주간의 촉진 탈순화 과정에서 내한성의 소실이 수미에서보다 가납암백도에서 더 빠르게 이루어졌으며 전분 함량의 감소는 수미에서 더 크게 나타났다. 전사체 분석 결과 carbohydrate metabolism에 연관된 차별 발현 유전자가 가장 많이 나타났으며, 그 중에서 starch and sucrose metabolism에 관련된 것이 가장 많았다. 43개의 차별 발현 유전자가 starch and sucrose metabolism에 연관되어 있었고, 이들은 20개의 효소를 암호화하였다. 촉진 탈순화 과정에서 β-galactosidase(LOC18769018, LOC18783479), β-glucosidase(LOC18770931, LC18779132, LOC18779303)와 같은 분해 효소 유전자의 발현이 가납암백도에서보다 수미에서 더 증가하였으며, galactinol synthase(LOC18789982)나 raffinose synthase(LOC18778819)와 같은 합성 효소 유전자의 발현은 수미에서보다 가납암백도에서 더 증가하였다. 본 실험을 통해 유리당 대사에 관련된 유전자 발현과 효소 활성의 변화가 품종별로 차이가 있다는 것을 확인하였으며 이는 품종 간에 내한성이 다르게 나타나는 데 영향을 끼침을 알 수 있었다.