Exogenous application of abscisic acid (ABA) as a strategy to simultaneously improve quality and abiotic stress tolerance of grape berry cells in vitro

Abstract

Grapevine (Vitis vinifera L.) is a plant species with a great socioeconomic importance worldwide. The intense climate changes around the globe have negatively impacted renowned viticultural regions putting at risk the development/productivity of vines and the wine quality. The development of mitigation strategies to ameliorate the stress resilience of the vines is imperative. The exogenous application of compounds has been tested as a strategy to increase abiotic-stress tolerance in grapevine, and in this context, abscisic acid (ABA) has the potential to become a protective compound to be applied in such stress mitigation strategies. In grapevines under a controlled environment, ABA is a hormone that stimulates secondary metabolism pathways and several mechanisms involved in drought resistance. However, the effect of the application of ABA in grape cells/plants under osmotic stress was so far unknown. Thus, the main scientific question posed in this study was if the exogenous application of ABA induced both grape berry cell tolerance to osmotic stress (10% (w/v) PEG 6000) and stimulation of secondary metabolic pathways associated with berry quality and known to be regulated by this phytohormone, such as flavonoids, stilbenes and phenylpropanoids. Indeed, 150 µM ABA had a remarkable protective role in grape berry cell (Gamay cv.) viability under osmotic stress. Its exogenous application led to a significantly higher concentration of intracellular ABA and potentiated some defensive mechanisms such as galactinol and raffinose synthesis capacity and stimulation of VvMTD1 and VvSDH1 involved in mannitol and sorbitol synthesis. Several genes encoding for enzymes of ABA signaling and secondary metabolism were stimulated in ABA-treated osmotically stressed cells, such as VvABF2, VvNAC17, VvPAL1, VvCHS3, VvDFR, VvLDOX, VvLAR1, VvUFGT1, VvGST4 and VvABCC1, which resulted in increased accumulation of anthocyanins in this condition, suggesting a cumulative role of ABA and osmotic stress. Norisoprenoids synthesis capacity was also enhanced as transcripts of VvCCDs were upregulated by ABA and cells subjected to this hormone displayed a much more pleasant and fruity aroma. In sum, the application of ABA in osmotically stressed cells not only reduces its harmful effects but also stimulates key molecular mechanisms underlying higher fruit quality that can be reflected in the organoleptic properties of the wines.

A videira (Vitis vinifera L.) tem uma enorme importância socioeconómica a nível mundial. As intensas alterações climáticas sentidas em todo o mundo têm impactado negativamente regiões vinícolas de renome, colocando em risco o desenvolvimento/produtividade da vinha e qualidade do vinho. Existe a necessidade imperativa de desenvolver estratégias de mitigação para melhorar a resistência das vinhas ao stress provocado pelo aquecimento global. A aplicação exógena de compostos tem sido testada como estratégia para aumentar a tolerância ao stress abiótico na videira e, neste contexto, o ácido abscísico (ABA) tem potencial para se tornar um composto protetor e ser aplicado como estratégia de mitigação do stress. Em videiras em ambiente controlado, esta hormona estimula vias metabólicas secundárias e vários mecanismos envolvidos na resistência à seca. No entanto, o efeito da aplicação de ABA em células/plantas de uva sob stress osmótico era até então desconhecido. Assim, o principal desafio científico colocado neste estudo foi se a aplicação exógena de ABA induziu tanto a tolerância das células do bago de uva ao stress osmótico (10% (p/v) PEG 6000) como a estimulação de vias metabólicas secundárias associadas à qualidade do bago de uva e conhecidas por ser reguladas por esta fito-hormona, como a biossíntese de flavonoides, stilbenos e fenilpropanoides. Como era espectável, o ABA numa concentração extracelular de 150 µM mostrou um papel protetor notável na viabilidade de células de baga de uva (Gamay cv.) sob stress osmótico. A sua aplicação exógena levou a uma concentração intracelular de ABA significativamente maior e potencializou alguns mecanismos de defesa, como a capacidade de síntese de galactinol e rafinose e ainda a estimulação dos genes VvMTD1 e VvSDH1 envolvidos na síntese de manitol e sorbitol. Vários genes que codificam para enzimas de sinalização e envolvidas no metabolismo secundário do ABA foram estimulados em células stressadas tratadas com ABA, como VvABF2, VvNAC17, VvPAL1, VvCHS3, VvDFR, VvLDOX, VvLAR1, VvUFGT1, VvGST4 e VvABCC1, o que resultou em um aumento do conteúdo de antocianinas nesta condição, sugerindo um papel cumulativo do ABA e do stress osmótico. A capacidade de síntese de norisoprenóides também foi aumentada, os transcritos dos genes VvCCDs foram regulados positivamente pelo ABA e as células submetidas a este tratamento apresentaram um aroma muito mais agradável e frutado. Em suma, a aplicação de ABA em células sob stress osmótico não apenas reduz os seus efeitos nocivos, mas também potencia os principais mecanismos moleculares subjacentes à maior qualidade da fruta, que se podem refletir nas propriedades organoléticas dos vinhos.