Grape berry color variation: genomic and metabolomic analysis
Data
2018-12-19
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Resumo
Grapevine (Vitis vinifera L.) is one of the oldest perennial domesticated fruit crops in the world and has been widely cultivated and appreciated both for its fruit and wine. During the domestication process of the wild Vitis vinifera subsp. sylvestris to Vitis vinifera subsp. sativa, a complex and long-term evolutionary process led to dramatic changes on grape biology. Since early, vine growers selected the grapevine phenotypes capable of ensuring a greater and regular fruit production and quality, maintaining them through vegetative propagation, thus multiplying highly desirable genotypes. However, natural crossings between newly introduced cultivars and the local germplasm also occurred, alongside with the emergence of somatic events. One of the major contributors for the existing diversity in cultivated grapevine has been the appearance of somatic mutations that affect berry skin color leading to various phenotypes. Indeed, this feature has been used as basis for selection on breeding programs due to its influence on vine growers, winemakers and consumers, representing an important economic factor on this crop. Grapes are not obviously only red or white, instead they provide a huge assortment of colors ranging from whitish, yellow, green, to pink, grey, and to darker red, purple and black berries. This broad range of color cannot be explained by the simple presence of a specific group of molecules, thus, the present study intended to deepen the current knowledge about how grape berry skin color variation is affected by the synthesis of phenolic compounds and their underlying genetic factors. Primarily, the identification of grape berry skin color mutants was performed by genotyping a germplasm set of twenty-five grapevine accessions with twelve microsatellite loci. Among the eleven groups of putative berry skin color mutants genotyped, nine accessions, which were grouped in four different families, were identified as true color mutants, including related black, grey or red and white-skinned variants derived from a single variety. The phenolic profile of the confirmed berry skin color mutants revealed that they could be distinguished according to their non-colored compounds and anthocyanins composition. Moreover, this work benefits from the complementary use of molecular and chemical approaches for the correct identification of the berry skin color mutants studied. The change of berry skin color, from green to white/yellow in non-colored cultivars or from green to pink-red/blue-black in colored cultivars due to anthocyanin synthesis and accumulation occurs during the onset of ripening (veraison). Based on these facts, a first attempt to characterize these changes by means of an integrative approach combining colorimetric (CIELab measurement), metabolic (phenolic profile by HPLC-DAD) and genotypic (allelic composition of MYBA1 and MYBA2 genes) data was performed. This study was focused on the changes that occur during berry development, to improve the knowledge regarding grape berry skin color diversity using somatic variants for berry skin color. Overall, the process of anthocyanin biosynthesis/ accumulation showed a correlation with the colorimetric parameters analysed. Despite the berry skin color variability observed among the somatic variants analyzed was not fully explained by the berry color locus genotype, the phenolic profiles allowed to infer about specific interferences, namely some possible dysfunctions at different levels of the biosynthetic pathway, which could be behind the color variation observed. Additionally, a case study focused on an extremely skin-pigmented Portuguese cultivar (cv. ‘Vinhão’) was conducted throughout berry development, providing the first insights into the genetic and transcriptomic background that may be responsible for the skin color properties of this cultivar. Several types of mutations have been identified at the berry color locus as being responsible for color reversions in grapevine. Through a layer-specific approach, the molecular mechanisms responsible for berry skin color reversion were determined on a subset of somatic variants for berry skin color never investigated before, by the genetic characterization of the berry color locus and its surrounding genomic region. In addition to the observation and description of the most well-known models and mechanisms behind berry skin color reversions, a novel mechanism for the genetic make-up of less-pigmented variants evolving from an unpigmented ancestor was also proposed, in which color gain seems to result from the recovery of the functional G allele on MYBA2. Moreover, it was observed that the mutational events responsible for color gain/ recovery are less understood and different from those described for color loss. On this way, a case study of a white-to-red berry skin color reversion was also performed, in order to better understand its transcriptomic and metabolic consequences in grapevine, specifically in the cv. ‘Moscatel Galego’. The results obtained showed that the coloration of the red-skinned variant was recovered from the white-skinned phenotype of cv. ‘Moscatel Galego Branco’ by the partial activation of the berry color locus. The red-skinned coloration in cv. ‘Moscatel Galego Roxo’ was also associated with the reduced activity of the flavonoid trihydroxylated sub-branch and decreased anthocyanins methylation/acylation.
A videira (Vitis vinifera L.) é uma das mais antigas culturas perenes domesticadas no mundo e tem sido extensamente cultivada e apreciada tanto pelos seus frutos como pelo vinho. Ao longo do processo de domesticação de Vitis vinifera subsp. sylvestris para Vitis vinifera subsp. sativa, um processo evolutivo complexo e de longa duração levou a alterações dramáticas na biologia da uva. Desde cedo, os vitivinicultores selecionaram os fenótipos de videira capazes de assegurar uma maior e mais regular produção e qualidade do fruto, mantendo-os através de propagação vegetativa, multiplicando assim, genótipos altamente desejáveis. No entanto, também ocorreram cruzamentos naturais entre as novas cultivares introduzidas e o germoplama local, juntamente com o aparecimento de eventos somáticos. Uma das maiores contribuições para a diversidade existente na videira cultivada foi o aparecimento de mutações somáticas que afetam a cor do bago levando a vários fenótipos. De facto, esta característica tem sido usada como base de seleção em programas de melhoramento devido à sua influência sobre os vitivinicultores, enólogos e consumidores, representando um importante fator económico nesta cultura. As uvas não são obviamente só tintas ou brancas, em vez disso apresentam uma enorme seleção de cores variando desde uvas esbranquiçadas, amarelas, verdes, a rosadas, rosa-pálido, e até vermelhas mais escuras, roxas e pretas. Este grande intervalo de cor não pode ser explicado pela simples presença de um determinado grupo de moléculas, assim, o presente estudo destinou-se a aprofundar o conhecimento atual sobre como a variação da cor do bago é afetada pela síntese de compostos fenólicos e os seus fatores genéticos subjacentes. Primeiramente, foi efetuada a identificação de mutantes para a cor do bago num conjunto de germoplasma contendo vinte e cinco acessos de videira através da genotipagem com doze loci de microssatélites. Entre os onze grupos de putativos mutantes para a cor do bago genotipados, nove acessos, agrupados em quatro famílias diferentes, foram identificados como verdadeiros mutantes para a cor, incluindo variantes com película de cor tinta, roxa ou rosada e branca derivados de uma única variedade. O perfil fenólico dos mutantes para a cor do bago confirmados revelou que estes podem ser distinguidos de acordo com a sua composição em compostos não-corados e antocianinas. Além disso, este trabalho beneficiou do uso complementar de técnicas moleculares e químicas para a correta identificação dos mutantes para a cor do bago estudados. A alteração da cor do bago, de verde para branco/amarelo em cultivares não-corados ou de verde para rosa-avermelhado/preto-azulado em cultivares corados devido à síntese e acumulação de antocianinas ocorre no início do amadurecimento (pintor). Com base nestes factos, foi realizada uma primeira tentativa de caracterizar estas mudanças recorrendo a uma abordagem integrada combinando dados colorimétricos (medição CIELab), metabólicos (perfil fenólico através de HPLC-DAD) e genotípicos (composição alélica dos genes MYBA1 e MYBA2). Este estudo focou-se nas alterações ocorridas durante o desenvolvimento do bago, de forma a melhorar o conhecimento acerca da diversidade da cor do bago em videira utilizando variantes somáticos para a cor do bago. No geral, o processo de biossíntese/ acumulação de antocianinas demonstrou uma correlação com os parâmetros colorimétricos analisados. Apesar da variabilidade da cor do bago observada entre os variantes somáticos analisados não ser totalmente explicada pelo genótipo do locus da cor do bago, os perfis fenólicos permitiram inferir sobre interferências específicas, nomeadamente sobre possíveis disfunções a diversos níveis da via biossintética, que poderão estar por detrás da variação de cor observada. Adicionalmente, um estudo de caso focado num cultivar Português extremamente pigmentado (cv. ‘Vinhão’) foi conduzido durante o desenvolvimento do bago, fornecendo as primeiras descobertas sobre o fundo genético e transcritómico que poderá ser responsável pelas propriedades colorimétricas deste cultivar. Vários tipos de mutações têm sido identificados no locus da cor do bago como sendo responsáveis por reversões de cor em videira. Através de uma abordagem específica em camadas, os mecanismos moleculares responsáveis por reversões de cor foram determinados num conjunto de variantes somáticos para a cor da película do bago, nunca estudados anteriormente, através da caracterização genética do locus da cor do bago e da região genómica adjacente. Além da observação e descrição dos modelos e mecanismos responsáveis pela reversão de cor mais conhecidos, foi também proposto um novo mecanismo responsável pela composição genética de variantes pouco pigmentados descendentes de um ancestral não pigmentado, no qual o ganho de cor parece resultar da recuperação do alelo funcional G no gene MYBA2. Além disso, foi observado que os eventos mutacionais responsáveis pelo ganho/ recuperação de cor são menos compreendidos e diferentes dos descritos para a perda de cor. Desta forma, foi realizado o estudo de um caso de reversão de cor, de branco para rosado, de forma a melhor compreender as suas consequências a nível transcritómico e metabólico em videira, especificamente no cv. ‘Moscatel Galego’. Os resultados obtidos demonstraram que a coloração do variante roxo foi recuperada a partir do fenótipo branco do cv. ‘Moscatel Galego Branco’ através da ativação parcial do locus da cor do bago. A coloração roxa do cv. ‘Moscatel Galego Roxo’ foi também associada à reduzida atividade da sub-via dos flavonoides tri-hidroxilados e à diminuição da metilação/ acilação das antocianinas
A videira (Vitis vinifera L.) é uma das mais antigas culturas perenes domesticadas no mundo e tem sido extensamente cultivada e apreciada tanto pelos seus frutos como pelo vinho. Ao longo do processo de domesticação de Vitis vinifera subsp. sylvestris para Vitis vinifera subsp. sativa, um processo evolutivo complexo e de longa duração levou a alterações dramáticas na biologia da uva. Desde cedo, os vitivinicultores selecionaram os fenótipos de videira capazes de assegurar uma maior e mais regular produção e qualidade do fruto, mantendo-os através de propagação vegetativa, multiplicando assim, genótipos altamente desejáveis. No entanto, também ocorreram cruzamentos naturais entre as novas cultivares introduzidas e o germoplama local, juntamente com o aparecimento de eventos somáticos. Uma das maiores contribuições para a diversidade existente na videira cultivada foi o aparecimento de mutações somáticas que afetam a cor do bago levando a vários fenótipos. De facto, esta característica tem sido usada como base de seleção em programas de melhoramento devido à sua influência sobre os vitivinicultores, enólogos e consumidores, representando um importante fator económico nesta cultura. As uvas não são obviamente só tintas ou brancas, em vez disso apresentam uma enorme seleção de cores variando desde uvas esbranquiçadas, amarelas, verdes, a rosadas, rosa-pálido, e até vermelhas mais escuras, roxas e pretas. Este grande intervalo de cor não pode ser explicado pela simples presença de um determinado grupo de moléculas, assim, o presente estudo destinou-se a aprofundar o conhecimento atual sobre como a variação da cor do bago é afetada pela síntese de compostos fenólicos e os seus fatores genéticos subjacentes. Primeiramente, foi efetuada a identificação de mutantes para a cor do bago num conjunto de germoplasma contendo vinte e cinco acessos de videira através da genotipagem com doze loci de microssatélites. Entre os onze grupos de putativos mutantes para a cor do bago genotipados, nove acessos, agrupados em quatro famílias diferentes, foram identificados como verdadeiros mutantes para a cor, incluindo variantes com película de cor tinta, roxa ou rosada e branca derivados de uma única variedade. O perfil fenólico dos mutantes para a cor do bago confirmados revelou que estes podem ser distinguidos de acordo com a sua composição em compostos não-corados e antocianinas. Além disso, este trabalho beneficiou do uso complementar de técnicas moleculares e químicas para a correta identificação dos mutantes para a cor do bago estudados. A alteração da cor do bago, de verde para branco/amarelo em cultivares não-corados ou de verde para rosa-avermelhado/preto-azulado em cultivares corados devido à síntese e acumulação de antocianinas ocorre no início do amadurecimento (pintor). Com base nestes factos, foi realizada uma primeira tentativa de caracterizar estas mudanças recorrendo a uma abordagem integrada combinando dados colorimétricos (medição CIELab), metabólicos (perfil fenólico através de HPLC-DAD) e genotípicos (composição alélica dos genes MYBA1 e MYBA2). Este estudo focou-se nas alterações ocorridas durante o desenvolvimento do bago, de forma a melhorar o conhecimento acerca da diversidade da cor do bago em videira utilizando variantes somáticos para a cor do bago. No geral, o processo de biossíntese/ acumulação de antocianinas demonstrou uma correlação com os parâmetros colorimétricos analisados. Apesar da variabilidade da cor do bago observada entre os variantes somáticos analisados não ser totalmente explicada pelo genótipo do locus da cor do bago, os perfis fenólicos permitiram inferir sobre interferências específicas, nomeadamente sobre possíveis disfunções a diversos níveis da via biossintética, que poderão estar por detrás da variação de cor observada. Adicionalmente, um estudo de caso focado num cultivar Português extremamente pigmentado (cv. ‘Vinhão’) foi conduzido durante o desenvolvimento do bago, fornecendo as primeiras descobertas sobre o fundo genético e transcritómico que poderá ser responsável pelas propriedades colorimétricas deste cultivar. Vários tipos de mutações têm sido identificados no locus da cor do bago como sendo responsáveis por reversões de cor em videira. Através de uma abordagem específica em camadas, os mecanismos moleculares responsáveis por reversões de cor foram determinados num conjunto de variantes somáticos para a cor da película do bago, nunca estudados anteriormente, através da caracterização genética do locus da cor do bago e da região genómica adjacente. Além da observação e descrição dos modelos e mecanismos responsáveis pela reversão de cor mais conhecidos, foi também proposto um novo mecanismo responsável pela composição genética de variantes pouco pigmentados descendentes de um ancestral não pigmentado, no qual o ganho de cor parece resultar da recuperação do alelo funcional G no gene MYBA2. Além disso, foi observado que os eventos mutacionais responsáveis pelo ganho/ recuperação de cor são menos compreendidos e diferentes dos descritos para a perda de cor. Desta forma, foi realizado o estudo de um caso de reversão de cor, de branco para rosado, de forma a melhor compreender as suas consequências a nível transcritómico e metabólico em videira, especificamente no cv. ‘Moscatel Galego’. Os resultados obtidos demonstraram que a coloração do variante roxo foi recuperada a partir do fenótipo branco do cv. ‘Moscatel Galego Branco’ através da ativação parcial do locus da cor do bago. A coloração roxa do cv. ‘Moscatel Galego Roxo’ foi também associada à reduzida atividade da sub-via dos flavonoides tri-hidroxilados e à diminuição da metilação/ acilação das antocianinas
Descrição
Tese de Doutoramento em Genética Molecular Comparativa apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Palavras-chave
Vitis vinifera L , Spontaneous variation , Berry color , Phenolic compounds , MYB genes