Study the influence of leaf removal in the accumulation of carbohydrate reserves in grapevine woody tissues

Abstract

Grapevine (Vitis vinifera L.) is one of the world's most widely cultivated fruit species. The source/sink ratio is an important agronomical parameter that influences the sensory properties of the berries and plant productivity. Also, it may alter starch reserves accumulated in the amyloplast of sink tissues, like the woody canes, trunk, and roots, that are necessary to sustain rapid seasonal growth phases typical of the grapevine. Thus, in this study, we took advantage of the ability to precisely control the number of leaves to fruits in grapevine fruiting-cuttings to study the effect of source/sink ratio (2L, two leaves per cluster; 6L, six leaves per cluster, and 12L, twelve leaves per cluster) on the metabolism and accumulation of starch in canes. Cabernet Sauvignon fruiting-cuttings were selected and the work was carried out in collaboration with the Institut des Sciences de la Vigne et du Vin (ISVV) from Bordeaux - France. The total amount of starch was significantly higher in canes from 6L (42.13 ± 1.44 mg g DW-1) and 12L (43.50 ± 2.85 mg g DW-1) than in 2L (22.72 ± 3.10 mg g DW-1) fruiting-cuttings. Moreover, carbon limitation promoted a transcriptional adjustment of genes involved in starch metabolism in grapevine woody tissues. For instance, the expression of VvGPT1 and VvNTT, that code for plastidic glucose-6-phosphate/phosphate and ATP/ADP translocators, respectively, were upregulated in one-year canes from 12L plants. Contrarily, the transcript levels of the gene coding the catalytic subunit VvAGPB1 of the VvAGPase complex were higher in canes from 2L plants than in 6L and 12L, which positively correlated with the biochemical activity of this enzyme measured in tissue protein extracts. Soluble sugars were analyzed in one-year canes, and it was found that sucrose concentration increased significantly from 2L to 6L and 12L plants, and the amount of total phenolics followed the same trend. In agreement, qRT-PCR showed that the expression of VvSusy (Vitis vinifera Sucrose synthase) decreased from 2L plants to 6L and 12L, which correlated with the biochemical activity of insoluble invertase measured in tissue protein extracts. Contrarily, the expression of the sugar transporters VvSUC11 and VvSUC12, together with VvSPS1, which codes an enzyme involved in sucrose synthesis, increased from 2L plants to 6L and 12L. Overall, the results obtained in this work suggested that a mechanism regulating starch accumulation involving sucrose as a signal molecule is occurring in grapevine woody tissues in response to source/sink modulation, and that severe leaf removal may have short- and medium-term negative effects in plant productivity.

A videira (Vitis vinifera L.) é uma das espécies frutícolas mais cultivada a nível mundial. O rácio entre os tecidos produtores e de armazenamento (“source/sink”) é um parâmetro agronómico importante que influencia as características sensoriais do bago, bem como a produtividade da planta. Além disso, o rácio “source/sink” pode alterar a acumulação de amido nos amiloplastos de tecidos de armazenamento, como as varas lenhosas, troncos e raízes, que são necessários para o crescimento sazonal rápido típico da videira. Assim, no presente estudo, utilizámos o modelo de estacas enraizadas de videira que permite controlar com precisão o rácio “source/sink” (2L, duas folhas por cacho; 6L, seis folhas por cacho e 12L, doze folhas por cacho) e estudar o seu efeito no metabolismo e acumulação de amido nas varas. Foram utilizadas videiras da variedade Cabernet Sauvignon e o trabalho decorreu em colaboração como o Institut des Sciences de la Vigne et du Vin (ISVV) de Bordéus – França. Os níveis de amido medidos foram significativamente superiores em varas de plantas 6L (42,13 ± 1,44 mg/g peso seco) e 12L (43,50 ± 2,85 mg/g peso seco) do que de plantas 2L (22,72 ± 3,10 mg/g peso seco). Em paralelo, observou-se que a remoção das folhas promoveu uma reprogramação ao nível transcricional de genes envolvidos no metabolismo do amido nos tecidos lenhosos. Por exemplo, a expressão dos genes VvGPT1 e VvNTT, que codificam os trocadores plastidiais glucose-6-fosfato/fosfato e ATP/ADP, respetivamente, foi estimulada em varas de um ano de plantas 12L. Contrariamente, os níveis de transcrição do gene que codifica a subunidade catalítica VvAGPB1 do complexo VvAGPase foram mais elevados em varas de plantas 2L do que em varas de plantas 6L e 12L, tendo-se verificado uma correlação com a atividade bioquímica da enzima medida em extratos proteicos dos tecidos. Os açúcares solúveis nas varas de um ano foram analisados e os resultados demostraram que a concentração de sacarose aumentou significativamente em varas de plantas 2L para 6L e 12L, e que a quantidade de compostos fenólicos totais seguiu a mesma tendência. Em paralelo, estudos de expressão por qRT-PCR revelaram que os níveis de transcritos do gene VvSusy (Vitis vinifera Sucrose synthase) diminuíram em varas de plantas 2L para 6L e 12L, tendo-se identificado uma correlação com a atividade bioquímica da invertase insolúvel medida em extratos proteicos. Contrariamente, a expressão dos transportadores de açúcar VvSUC11 e VvSUC12, bem como a expressão do gene VvSPS1, que codifica uma enzima envolvida na síntese de sacarose, aumentou em varas de plantas 2L para 6L e 12L. No seu conjunto, os resultados sugeriram que a sinalização pelos níveis de sacarose está envolvida na regulação da acumulação do amido nos tecidos lenhosos da videira em resposta a modificações nas relações “source/sink” e que a desfolha severa pode ter efeitos negativos a curto e a médio prazo na produtividade da planta e na qualidade do fruto.