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TitleBiochemical and molecular approaches to study the effect of calcium-based supplements on grape berry (Vitis vinifera L.) quality
Other titlesAbordagens bioquímicas e moleculares para o estudo do efeito de suplementos de cálcio na qualidade do bago de uva (Vitis vinifera L.)
Author(s)Garcia, Ana Adelaide Fonseca
Advisor(s)Martins, Viviana Maria Varajão
Gerós, H.
Issue date2018
Abstract(s)Grapevine is one of the most important crops worldwide. The wine sector is of utmost relevance for national economies and the most dynamic of agriculture export in several countries. Grapevines require very specific conditions to grow appropriately; however, a large proportion of vineyards, such as those in the Mediterranean basin, are located in regions where soil and atmospheric water deficits, and high temperatures, may exert large constraints on yield and quality. Calcium-based supplements have been widely used to improve fruit firmness and prevent cracking, being good candidates to ameliorate grape berry mechanical properties and then resistance to abiotic and biotic stresses. However, the effect of calcium (Ca2+) supplementation on grape berry metabolism still requires further investigation. In this study, molecular and biochemical approaches were combined to investigate the effect of Ca2+ in secondary metabolism of grape cells, using cultures of Gamay Fréaux var. Teinturier as model. Cells were elicited with 10 mM CaCl2, alone or in combination with 20 μM MeJA or 20 μM ABA, which are two strong inducers of secondary metabolism in fruits. The expression of genes that encode for key enzymes of secondary metabolism pathways was studied by real-time PCR, including phenylalanine ammonia lyase (PAL), from phenylpropanoid pathway, stilbene synthase (STS) from stilbene pathway and UDP-glucose:flavonoid 3-O-glucosyltransferase (UFGT) that catalyzes a major limiting step in anthocyanin biosynthesis. In addition, genes encoding anthocyanin transporters (AM1 and ABCC1) were also investigated, as well as the expression and activity of the cell wall enzymes pectin methyl esterase (PME) and polygalacturonases (PG1 and PG2). In general, cells elicited with calcium exhibited an increased expression of most of the target genes. In contrast, gene expression was downregulated by Ca2+ in cells elicited with MeJA. Spectrophotometric studies demonstrated that the activity of UFGT and PG was significantly reduced by the presence of Ca2+ in all treatments. Altogether, the results showed that Ca2+ regulates enzyme activity at both gene expression and protein levels. Field experiments were performed in vineyards of cv. Vinhão to test the effect of the exogenous application of Ca2+ on biochemical and physical parameters of the fruit. Results showed that important biochemical parameters, including berry fresh weight, berry water content, °Brix, pH, titratable acidity (TA), were not significantly different between control and Ca2+-treated berries. However, berry firmness was significantly modified in response to Ca2+ because the force needed to compress or perforate the berries was significantly higher when grapevines were treated with CaCl2. Altogether, both in vitro and field experiments showed that Ca2+ plays important roles in fruit development and fruit physical properties, and open good perspectives for its application in the field as an efficient supplement to improve fruit quality and resistance against pathogen attack and abiotic stress.
A videira é uma das plantas perenes com maior importância ao nível mundial. O setor vitivinícola é de extrema relevância para as economias nacionais, com um peso elevado ao nível do setor exportador de muitos países. A videira requer condições muito específicas para crescer adequadamente; no entanto, o rendimento e qualidade do fruto de uma grande proporção de vinhas, como as cultivadas na bacia do Mediterrâneo, são afetados negativamente por condições ambientais adversas, como o stresse hídrico e temperaturas elevadas. Suplementos à base de cálcio (Ca2+) têm sido testados para melhorar a firmeza dos frutos e evitar o rachamento, sendo bons candidatos para melhorar a resistência mecânica do bago de uva e, consequentemente, a resistência aos stresses biótico e abiótico. No entanto, são necessários estudos mais aprofundados para se elucidar o efeito da suplementação de Ca2+ no metabolismo do bago de uva. Neste estudo foram combinadas abordagens bioquímicas e moleculares para se elucidar o efeito do Ca2+ no metabolismo secundário das células do bago, tendo-se recorrido a culturas de células pigmentadas obtidas a partir da variedade Gamay Fréaux var. Teinturier. As células foram tratadas com 10 mM de CaCl2 ou com 10 mM de CaCl2 em combinação com 20 μM de MeJA ou 20 μM de ABA, duas hormonas vegetais que estimulam o metabolismo secundário. Abordagens de PCR em tempo real permitiram estudar a expressão de genes que codificam enzimas-chave de vias do metabolismo secundário, incluindo a fenilalanina amónia liase (PAL), da via dos fenilpropanóides, a estilbeno sintase (STS), da via dos estilbenos, e a UDP-glicose:flavonóide 3-O -glucosiltransferase (UFGT), que catalisa um passo limitante na biossíntese das antocianinas. Foi ainda estudada a expressão dos genes que codificam os transportadores de antocianinas (AM1 e ABCC1), bem como a expressão e atividade das enzimas da parede celular, pectina metil-esterase (PME) e poligalacturonases (PG1 e PG2). Genericamente, os resultados mostraram que o tratamento com Ca2+ estimula a expressão da maioria dos genes alvo. Em contraste, o tratamento com Ca2+ e MeJA reprimiu a expressão da maioria dos genes em estudo. As atividades bioquímicas da UFGT e da PG foram significativamente reduzidas na presença de Ca2+. Os resultados obtidos mostraram que o Ca2+ regulada a atividade enzimática ao nível da expressão genética e ao nível da pós-tradução. Foram realizados estudos de campo em vinhas da casta Vinhão para testar o efeito da aplicação exógena de Ca2+ em parâmetros bioquímicos e físicos do bago. Os resultados mostraram que parâmetros bioquímicos importantes, incluindo o peso fresco e o teor de água do bago, o grau de Brix, o pH, a acidez titulável (TA), não foram significativamente diferentes em vinhas tratadas com Ca2+ relativamente ao controlo. No entanto, a firmeza do bago foi significativamente modificada em resposta ao Ca2+ porque a força necessária para comprimir ou perfurar os bagos foi significativamente maior quando as videiras foram tratadas com CaCl2. No seu conjunto, os estudos in vitro bem como as experiências de campo mostraram que o Ca2+ desempenha papéis importantes no desenvolvimento do fruto e influencia a suas propriedades físicas, abrindo excelentes perspetivas para a sua aplicação no campo como um suplemento eficiente para melhorar a qualidade do fruto e estimular as defesas contra o ataque de agentes patogénicos e condições ambientais adversas.
TypeMaster thesis
DescriptionDissertação de mestrado em Biologia Molecular, Biotecnologia e Bioempreendedorismo em Plantas
URIhttp://hdl.handle.net/1822/55546
AccessEmbargoed access (3 Years)
Appears in Collections:BUM - Dissertações de Mestrado
DBio - Dissertações de Mestrado/Master Theses

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