Effect of grapevine genotype and environment on grape berry composition : metabolism and metabolome studies in Alvarinho, Arinto and Padeiro de Basto varieties from North and South of Portugal

Abstract

Mature berries of grapevine (V. vinifera L.) have thousands compounds including water, sugars, phenolics, organic acids, amino acids and mineral salts. This complex composition depends on many and diverse factors including the choice of grape variety and rootstock, edaphoclimatic conditions and agricultural practices, like canopy management and irrigation, among others. The present study aimed to evaluate how edaphoclimatic conditions affect the metabolomic profile of the grapes from three Portuguese varieties - Alvarinho, Arinto and Padeiro de Basto – sampled in 2012 season in two distinct ampelographic collections, at North (Estação Vitivinícola Amândio Galhano - EVAG; Arcos de Valdevez) and South (Instituto Nacional de Investigação Agrária e Veterinária – INIAV; Dois-Portos) Portugal. In parallel, it was aimed to study the genotype-dependent metabolomic profile upon comparison the grape metabolome from the three above-mentioned varieties cultivated in the same the region. From October 2011 to October 2012, the air temperature and the evapotranspiration values in the south were consistently higher than in the north where a higher amount of precipitation was associated to higher relative humidity and soil water content. To study the metabolome, lyophilized samples were analysed qualitatively by GC-TOF-MS at the Genome Center (UC Davis - USA) and free amino acids quantification was performed by an Amino acid Analyser system by Ansynth Service B.V. (Netherlands). Results showed that the growing region clearly affected the metabolome profile of the grape berries. For instance, mature grapes from Alvarinho contained much less tartaric and malic acids in the south than in the north, and grape berries from the three varieties cultivated in the north were much richer in amino acids than in the varieties from the south. In addition, several cultivar-dependent traits were identified in the present work. For instance, sorbitol and proline were very abundant in grapes from Padeiro de Basto and Tinto Cão, respectively. In parallel experiments, twenty-one varieties cultivated in Portugal were selected to assess in mature grape berries the varietal dependence of phenolic content and antioxidant capacity, and proline content. Berries from the Tinto Cão red variety showed the highest proline concentration followed by berries from the white variety Airén. The concentration of total phenolics in mature grape berries from red varieties was higher than in white varieties. Borraçal grapes reached values as high as 5.0 μg/mg FW. Additional studies were performed to evaluate how grape berry metabolism is affected in grapevines infected with Leafroll-associated virus-3. In infected Cabernet Sauvignon glucose and fructose in the berry were reduced over the control, by 19% and 17%, respectively, while the concentration of sucrose did not change from clean to infected plants. Contrarily, in grape berries from Touriga Nacional there was a significant reduction in sucrose concentration by 40% in infected plants, while glucose and fructose concentration did not change from clean to infected plants. The expression of the sugar transport genes VvHT1 and VvHT6 was also studied in response to virus infection, together with the activity of metabolic enzymes. The results of the present study are compared with other metabolic studies performed so far in grape berries from other cultivars and discussed in the context of the ongoing climate changes.

Bagos de uva (Vitis vinifera L.) na fase madura possuem milhares de compostos diferentes, incluindo água, açúcares, compostos fenólicos, ácidos orgânicos, aminoácidos e sais minerais. Esta composição complexa depende de diversos factores, incluindo o tipo de cultivar e de porta-enxertos utilizados, as condições edafoclimáticas e as práticas agrícolas, como a poda e o tipo rega, entre outros. No presente estudo pretendemos avaliar o perfil metabólico de bagos de uva de três cultivares portugueses - Alvarinho, Arinto e Padeiro de Basto – amostrados em 2012 de duas coleções ampelográficas localizadas no norte de Portugal (Estação Vitivinícola Amândio Galhano - EVAG; Arcos de Valdevez) e no Sul (Instituto Nacional de Investigação Agrária e Veterinária – INIAV; Dois-Portos). Em paralelo, pretendeu-se estudar a influência do genótipo no perfil metabólico, quando se comparou o metaboloma do bago das três variedades referidas cultivadas na mesma região. Entre outubro de 2011 e outubro de 2012, os valores de temperatura do ar bem como da taxa de evapotranspiração no sul foram consistentemente maiores do que no norte, onde uma maior taxa de precipitação estava associada com valores maiores de humidade relativa e de conteúdo de água no solo. Para estudar o metaboloma, as amostras liofilizadas foram analisadas qualitativamente por GC-TOF-MS (Genome Center; UC Davis - USA) e os aminoácidos livres foram quantificados por um Analisador de Aminoácidos (Ansynth Service; B.V.- Holanda). Os resultados mostraram que o tipo de região afectou significativamente o perfil metabólico dos bagos de uva. Por exemplo, bagos maduros de Alvarinho continham níveis de ácido tartárico e málico muito inferiores no sul do que no norte, e bagos de uva das três castas cultivadas no norte eram muito mais ricos em aminoácidos do que das castas cultivadas no sul. Adicionalmente, no presente trabalho foram identificadas várias características dependentes do cultivar. Por exemplo, os níveis de sorbitol e de prolina foram muito superiores em bagos de Padeiro de Basto e Tinto Cão, respetivamente. Em experiências paralelas foram selecionadas 21 castas cultivadas em Portugal para avaliar em bagos maduros o conteúdo em compostos fenólicos e o potencial antioxidante, bem como os níveis de prolina. Em bagos de uva do cultivar Tinto Cão foi medido o valor mais elevado de prolina, a que se seguiu o valor obtido em bagos da variedade Airén. Em bagos maduros das castas tintas foram medidos níveis mais elevados de fenólicos totais do que nas castas brancas. Em bagos da variedade Borraçal foram medidos valores tão elevados quanto 5,0 μg/mg peso fresco. Foram desenvolvidos estudos adicionais preliminares para avaliar o metabolismo do bago em videiras infectadas pelo vírus do enrolamento. Na casta Cabernet Sauvignon os níveis de glucose e frutose no bago foram inferiores em 19 e 17%, respectivamente, aos medidos em plantas saudáveis, enquanto que os níveis de sacarose não sofreram alteração. Ao contrário, em bagos de uva de plantas infectadas de Touriga Nacional observou-se uma redução significativa da concentração em sacarose de 40% enquanto que as concentrações de glucose e de frutose não variaram. Após infecção com o vírus do enrolamento foram também estudados nos tecidos do bago os níveis de transcritos dos transportadores de açúcares VvHT1 e VvHT6, bem como a atividade de algumas enzimas. Os resultados do presente trabalho são comparados com outros estudos sobre o metabolismo do bago desenvolvidos em outros cultivares e são discutidos no contexto das variações climatéricas em curso.