Grapevine response to cold - study of starch metabolism in woody tissues

Abstract

Grapevine (Vitis vinifera L.) is one of the most important agronomical species in the world, but in the context of the ongoing climate changes, extreme temperatures, high light intensities and water deficit are becoming important threats in many important viticultural areas worldwide. Among these, stress caused by cold has been shown to influence its productivity, metabolism and gene expression, which prompted us to study some molecular mechanisms involved in grapevine response to low temperature. In this regard, cv. Vinhão canes were harvested and incubated at 4 ºC for 7, 14 and 30 days to unravel physiological changes, identify and characterize key genes involved in response to cold. Results showed that starch levels steadily decreased during the incubation period at 4 ºC, and that the expression of the amylolytic gene VvAMY2 increased along time, while the expression of VvBAM5 decreased. Furthermore, HPLC analysis showed an increase in sucrose, fructose and glucose during the incubation at 4 ºC. Additional expression studies of key-genes involved in sugar metabolism showed that the steady-state transcript levels of VvpGT2 and VvSWEET2b transporters as well as VvSusy and VvSPS enzymes increased along time, while the expression of the transporters VvTMT1 and VvSUC27 was downregulated. The VvpGT2 gene was selected for further studies regarding organ specific expression and function. VvpGT2 steady-state transcript levels were high in mature berries and flowers. Following heterologous expression in a mutant yeast (EBY.VW4000) lacking monosaccharide transporters, no VvpGT2 transport activity of fructose, glucose and sucrose could be detected. Raffinose and stachyose levels in the grapevine canes were quantified by HPLC because the metabolism of raffinose has been linked to cold response. Results showed a steadily increase of raffinose levels along incubation at 4 ºC and transcriptional studies also revealed a noticeable increase of the steady-state levels of the galactinol synthase genes VvGolS1 and VvGOLS3 raffinose synthase VvRafS5.

A videira (Vitis vinifera L.) é uma das espécies agrícolas mais importantes ao nível global, contudo temperaturas extremas, altas intensidades de luminosas e a secura constituem ameaças importantes em muitas regiões vitivinícolas ao nível mundial, no contexto das alterações climáticas em curso. Em particular, o stresse causado pelo frio afeta a sua produtividade, metabolismo e expressão genética, o que nos motivou a estudar alguns mecanismos moleculares de resposta da planta a temperaturas reduzidas. Varas atempadas de videira da variedade Vinhão foram colhidas e incubadas a 4 ºC durante 7, 14 e 30 dias para se estudar as modificações fisiológicas e identificar e caracterizar genes-chave envolvidos na resposta ao frio. Os níveis de amido quantificados nas varas de videira diminuíram durante o tempo de incubação e, em paralelo, observou-se um aumento da expressão do gene VvAMY2 que codifica uma enzima amilolítica. Contudo, os níveis de transcritos do gene VvBAM5 diminuíram. Estudos de HPLC mostraram que ocorreu um aumento de sacarose, frutose e glucose em resposta ao frio. Estudo da expressão de genes-chave envolvidos no metabolismo dos açúcares mostraram um aumento dos níveis de transcritos dos transportadores VvpGT2 e VvSWEET2b e das enzimas VvSusy e VvSPS, no entanto os níveis de transcritos dos transportadores VvTMT1 e VvSUC27 diminuíram. Quando se estudou o perfil de expressão do gene VvpGT2 em diversos órgãos observou-se que os níveis de transcritos são mais elevados em bagos maduros e flores. Estudos de expressão heteróloga do gene VvpGT2 numa levedura mutante. Estudos de expressão heteróloga do gene VvpGT2 numa levedura mutante (EBY.VW4000) incapaz de transportar açúcares, mostraram que a proteína VvpGT2 é incapaz de transportar glucose, frutose e sacarose. No presente trabalho foram ainda avaliados por HPLC os níveis de rafinose e de estaquiose nas varas de videira uma vez que tem sido observado que o metabolismo dos oligossacarídeos da família da rafinose está envolvido na resposta das plantas ao frio.Com efeito, durante a incubação a 4 ºC observou-se um aumento de rafinose durante o período de incubação a 4 ºC bem como dos níveis de transcritos das enzimas galactinol sintetase, VvGolS1 e VvGolS3 ,e da rafinose sintetase, VvRafS5.