本研究探讨了葡萄（Vitis vinifera L.）对遮阳网诱导的遮阴的响应，重点关注生理和代谢变化。通过多学科的方法，葡萄对遮阳网的适应通过生化分析和高光谱数据呈现，然后与系统生物学技术相结合。本研究在葡萄牙杜罗葡萄酒产区的“Moscatel Galego Branco”葡萄园内进行，在转色后进行遮光处理，并测量了黎明前叶片水势（Ψpd）以评估水分胁迫。通过生化分析和高光谱数据的整合，探索了葡萄对遮荫的适应性。结果显示，未遮荫的葡萄中叶绿素含量更高（叶绿素a-b提高了117.39%），活性氧（ROS）水平也有所增加（提高了52.10%）。使用自学习人工智能算法（SL-AI）进行的模拟显示了活性氧（ROS）在应激反应中的作用，并准确预测了叶绿素a（R2：0.92，MAPE：24.39%）、叶绿素b（R2：0.96，MAPE：17.61%）和活性氧水平（R2：0.76，MAPE：52.17%）。利用通量平衡分析（FBA）进行的计算机模拟揭示了有遮荫和无遮荫葡萄在细胞层面的不同代谢表型。整合这些发现为理解葡萄对环境压力的反应提供了一种系统生物学的方法。利用先进的组学技术和精确的代谢模型，在解开葡萄代谢和优化葡萄栽培实践以提高生产力和质量方面具有巨大的潜力。

表1 与光照和遮阴条件相关的葡萄关键代谢途径中的酶和化合物

表格分为两个部分：未遮阴和遮阴；每个部分包含酶或化合物，指示代谢途径、酶的表达（上调或下调）和化合物水平的功能以及相关参考文献。

图1 结合基因组学、代谢组学、和系统生物学方法检测葡萄生理状态的模式图

提出一种整合基因组学、代谢组学和系统生物学方法的方法，旨在建立实验室实验和田间观察之间的联系，此外，还代表了用于检测分子成分和监测植物生理状态的传感器的集成，以满足系统生物学的需要。

图2 在阳光直射和遮阴条件下，葡萄叶子的平均光谱吸收度。

a.u.：任意单位；Shaded：遮荫；Unshaded：阳光直射

图3 在阳光直射和遮荫条件下，葡萄叶片的凌晨叶水势变化

* 根据t检验结果，具有统计学意义（p < 0.05），Shaded：遮荫；Unshaded：阳光直射

表2 叶绿素a(mg/gFM)、叶绿素b(mg/gFM)、叶绿素a+b(mg/gFM)、ROS O2.- (ABS/gFM)遮阴与阳光直射条件的比较。

根据t检验，差异有统计学意义（p < 0.05）。mg/gFM：每克新鲜物质的毫克；ABS/gFM：每克新鲜物质的吸光度。变化的计算考虑了无遮荫处理的初始阶段。

图4 利用叶片光谱数据结合自学习人工智能（SL-AI）建模的结果

（a）叶绿素a（mg/gFM），（b）叶绿素b（mg/gFM）和（c）活性氧（ROS-ABS/gFM）；N =考虑的样本数。决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和平均绝对百分比误差（MAPE）。

图5 （a）遮阴和（b）阳光直射条件下的光呼吸循环

体现了光呼吸III假说与过氧化物酶体过氧化氢酶和过氧化物酶体乙醇酸氧化酶通量平衡分析中的客观反应；红色和蓝色箭头分别代表遮荫和不遮荫条件下所涉及反应的通量平衡分析（FBA），提供了光呼吸代谢对环境光照条件的动态调节；箭头的大小表示各条通路在各自条件下的强度。

图6 （a）显示了在不同光呼吸条件下三个通量平衡分析（FBA）模型的表型空间；（b）展示了由蒙特卡洛（MC）模拟产生的表型空间，说明在实验室实验中测定的叶绿素和活性氧（ROS）水平的变化范围。

在未遮阴的条件下，FBA模型包括FBA_P_CT_U（以过氧化物酶反应为目标）、FBA_P_96_U（过氧化物酸化酶反应）和FBA_B3_U（以过氧化物酶反应和过氧化物酸化酶反应为目标）。类似地，遮阴条件对应的模型是FBA_P_CT_S、FBA_P_96_S和FBA_B3_S。MC模拟包括MC_B3（以过氧化物酶反应和过氧化物酸化酶反应为目标）、MC_P_96（以过氧化物酸化酶反应为目标）和MC_P_CT（以过氧化物酶反应为目标）。在MC_P_96和MC_P_CT的情况下，1表示较高的ROS（未遮阴条件），而10表示较低的ROS（遮阴条件）。MC_B3未能产生有效的MC模拟。

表3 通过PCA载荷排序的前10个反应对叶片在遮荫和阳光直射条件下的表型和通量平衡分析（FBA）在每次模拟中都有贡献。

Chl_FerredoxinReductase：叶绿体铁氧还蛋白还原酶；Chl_G3Pdh：叶绿体甘油醛-3-磷酸脱氢酶；Chl_PGK：叶绿体磷酸甘油酸激酶；Chl_Ru5Pk：叶绿体核酮糖-5-磷酸激酶；Chl_PGlyPase：叶绿体磷酸乙醇酸磷酸酶；Chl_RuBPOxid：叶绿体核酮糖-1,5-二磷酸加氧酶；Chl_TPI：叶绿体三糖磷酸异构酶；Chl_X5Piso：叶绿体木酮糖-5-磷酸异构酶；Mit_Gly_tx：线粒体乙醇酸转运体；Per_Glycolate_tx：过氧化物酶体乙醛酸转运体。

对于无阴影条件下，通量平衡分析（FBA）模型包括FBA_P_CT_U（以过氧化物酶体过氧化氢酶反应为目标）、FBA_P_96_U（过氧化物酶体乙醛酸氧化酶反应）和FBA_B3_U（过氧化物酶体过氧化氢酶反应为目标，以过氧化物酶体乙醛酸氧化酶反应为目标）。同样，阴影条件分别用FBA_P_CT_S、FBA_P_96_S和FBA_B3_S表示。

遮荫葡萄与阳光直射葡萄的生理参数的差异强调了光照利用率、植物水分培养与代谢活性之间有很强的相关性。阳光直射条件下的葡萄显示出增加的水分吸收和蒸腾速率，从而激活防御机制，以保护免受多余的光和热量。这表明其代谢活性增强，光合能力增强。将高光谱数据与系统生物学技术相结合，成功地模拟了植物对不同光照条件的反应，强调了ROS在应对胁迫反应中的作用。与ROS代谢相关的酶促反应强调在环境条件下减轻氧化应激。本研究中引入的“表型代谢组”概念捕捉了葡萄代谢和环境因素之间复杂的相互作用，为理解不同的光照条件如何塑造葡萄的生理和适应性反应提供了一个全面的框架。