Researches on berry composition in red grape: agronomical, biochemical and molecular approaches

It is well known that the best grape quality can occur only through the achievement of optimal source/sink ratio. Vine balance is in fact a key parameter in controlling berry sugar, acidity and secondary metabolites content (Howell, 2001; Vanden Heuvel et al., 2004). Despite yield reduction and quality improvement are not always strictly related, cluster thinning is considered a technique which could lead to improvement in grape sugar and anthocyanin composition (Dokoozlian and Hirschfelt, 1995; Guidoni et al., 2002). Among several microclimatic variables which may impact grape composition, the effect of cluster light exposure and temperature, which probably act in synergistic and complex way, has been widely explored showing positive even sometimes contradictory results (Spayd et al., 2001; Tarara et al., 2008). Pre-bloom and véraison defoliation are very efficient techniques in inducing cluster microclimatic modification. Furthermore pre-bloom defoliation inducing a lower berry set percentage On these basis the aim of the first experiment of the thesis was to verify in cv Sangiovese the effects on ripening and berry composition of management techniques which may increase source/sink ratio and /or promote light incidence on berries throughout grape ripening. An integrated agronomic, biochemical and microarray approach, aims to understand which mechanisms are involved in berry composition and may be conditioned in the berries during ripening in vines submitted to three treatments. In particular the treatments compared were: a) cluster thinning (increasing in source/sink ratio) b) leaf removal at véraison (increasing cluster light exposure) c) pre-bloom defoliation (increasing source sink ratio and cluster light exposure). Vine response to leaf removal at véraison was further evaluated in the second experiment on three different varieties (Cabernet Sauvignon, Nero d’Avola, Raboso Piave) chosen for their different genetic traits in terms of anthocyanin amount and composition. The integrated agronomic, biochemical and microarray approach, employed in order to understand those mechanisms involved in berry composition of Sangiovese vines submitted to management techniques which may increase source/sink ratio and induce microclimatic changes, bring to interesting results. This research confirmed the main role of source/sink ratio in conditioning sugars metabolism and revealed also that carbohydrates availability is a crucial issue in triggering anthocyanin biosynthesis. More complex is the situation of pre-bloom defoliation, where source/sink and cluster light increase effects are associated to determine final berry composition. It results that the application of pre-bloom defoliation may be risky, as too much dependent on seasonal conditions (rain and temperature) and physiological vine response (leaf area recovery, photosynthetic compensation, laterals regrowth). Early induced stress conditions could bring cluster at véraison in disadvantage to trigger optimal berry ripening processes compared to untreated vines. This conditions could be maintained until harvest, if no previously described physiological recovery occurs. Certainly, light exposure increase linked to defoliation treatments, showed a positive and solid effect on flavonol biosynthesis, as in our conditions temperature was not so different among treatments. Except the last aspects, that could be confirmed also for véraison defoliation, microclimatic changes by themselves seemed not able to induce any modification in berry composition. Further studies are necessary to understand if the peculiar anthocyanic and flavonols composition detected in véraison defoliation could play important role in both color intensity and stability of wines.

Functional and molecular characterization of ethylene responsive factor genes involved in grape ripening

Grape berry is considered a non climacteric fruit, but there are some evidences that ethylene plays a role in the control of berry ripening. This PhD thesis aimed to give insights in the role of ethylene and ethylene-related genes in the regulation of grape berry ripening. During this study a small increase in ethylene concentration one week before véraison has been measured in Vitis vinifera L. ‘Pinot Noir’ grapes confirming previous findings in ‘Cabernet Sauvignon’. In addition, ethylene-related genes have been identified in the grapevine genome sequence. Similarly to other species, biosynthesis and ethylene receptor genes are present in grapevine as multi-gene families and their expression appeared tissue or developmental specific. All the other elements of the ethylene signal transduction cascade were also identified in the grape genome. Among them, there were ethylene response factors (ERF) which modulate the transcription of many effector genes in response to ethylene. In this study seven grapevine ERFs have been characterized and they showed tissue and berry development specific expression profiles. Two sequences, VvERF045 and VvERF063, seemed likely involved in berry ripening control due to their expression profiles and their sequence annotation. VvERF045 was induced before véraison and was specific of the ripe berry, by sequence similarity it was likely a transcription activator. VvERF063 displayed high sequence similarity to repressors of transcription and its expression, very high in green berries, was lowest at véraison and during ripening. To functionally characterize VvERF045 and VvERF063, a stable transformation strategy was chosen. Both sequences were cloned in vectors for over-expression and silencing and transferred in grape by Agrobacterium-mediated or biolistic-mediated gene transfer. In vitro, transgenic VvERF045 over-expressing plants displayed an epinastic phenotype whose extent was correlated to the transgene expression level. Four pathogen stress response genes were significantly induced in the transgenic plants, suggesting a putative function of VvERF045 in biotic stress defense during berry ripening. Further molecular analysis on the transgenic plants will help in identifying the actual VvERF045 target genes and together with the phenotypic characterization of the adult transgenic plants, will allow to extensively define the role of VvERF045 in berry ripening.

Studio e caratterizzazione del colore rosso dell'epicarpo nella pera Max Red Bartlett, mutante della cv William

Durante il secolo scorso sono state individuate alcune mutazioni per il colore della buccia della varietà William che invece di essere giallo arriva a maturazione con diverse tonalità di colore rosso. L’intensità e la tipologia del fenotipo dovuto a questa mutazione mostra una variabilità all’interno dei diversi cloni rossi di questa cultivar: Max Red Bartlett, Rosired e Sensation. Questa mutazione è ereditabile e usando come genitore uno dei sopra-citati mutanti per il rosso sono state prodotte altre cultivar caratterizzate da buccia rossa come Cascade. Max Red Bartlett presenta una intensa colorazione rossa nelle prime fasi di maturazione per poi striarsi perdendo di lucentezza e non ricoprendo totalmente la superficie del frutto. Max Red Bartlett ha inoltre il problema di regressione del colore. Questa mutazione infatti non è stabile e dopo qualche anno può regredire e presentare il fenotipo di William. Diverso è invece lo sviluppo per esempio di Rosired che durante le prime fasi di accrescimento del frutto è identica a Williams (di colore verde con la parte del frutto rivolta verso il sole leggermente rossastra) per poi virare e mantenere un vivo colore rosso su tutta la superficie del frutto. Questa tesi si è proposta di caratterizzare questa mutazione che coinvolge in qualche modo la via biosintetica per la sintesi del colore. In particolare si è cercato di investigare sui probabili geni della via degli antociani coinvolti e in quale modo vengono espressi durante la maturazione del frutto, inoltre si è cercato di trovare quali specifiche molecole venissero diversamente sintetizzate. Le cultivar utilizzate sono state William e Max Red Bartlett. Di quest’ultima era già disponibile una mappa molecolare, ottenuta sulla popolazione di’incrocio di Abate Fetel (gialla) x MRB (rossa) con AFLP e SSR, quest’ultimi hanno permesso di denominare i diversi linkage group grazie alla sintenia con le altre mappe di pero e di melo. I semenzali appartenenti a questa popolazione, oltre a dimostrare l’ereditarietà del carattere, erano per il 50% gialli e 50% rossi. Questo ha permesso il mappaggio di questo carattere/mutazione che si è posizionato nel linkage group 4. Una ricerca in banca dati eseguita in parallelo ha permesso di trovare sequenze di melo dei geni coinvolti nella via biosintetica degli antociani (CHS, CHI, F3H, DFR, ANS e UFGT), sulle quali è stato possibile disegnare primer degenerati che amplificassero su DNA genomico di pero. Le amplificazioni hanno dato frammenti di lunghezza diversa. Infatti nel caso di F3H e DFR l’altissima omologia tra melo e pero ha permesso l’amplificazione quasi totale del gene, negli altri casi invece è stato necessario utilizzare primer sempre più vicini in modo da facilitare l’amplificazione. I frammenti ottenuti sono stati clonati sequenziati per confermare la specificità degli amplificati. Non sono stati evidenziati polimorfismi di sequenza in nessuna delle sei sequenze tra William e Max Red Bartlett e nessun polimorfismo con Abate, per questo motivo non è stato possibile mapparli e vedere se qualcuno di questi geni era localizzato nella medesima posizione in cui era stato mappato il “colore/mutazione”. Sulle le sequenze ottenute è stato possibile disegnare altri primer, questa volta specifici, sia per analisi d’espressione. Inizialmente è stato sintetizzato il cDNA dei geni suddetti per retrotrascrizione da RNA estratto sia da bucce sia da foglie appena germogliate (le quali presentano solo in questa fase una colorazione rossastra in MRB ma non in William). Al fine di osservare come varia l’espressione dei geni della via biosintetica delle antocianine durante la fase di maturazione dei frutti, sono stati fatti 4 campionamenti, il primo a 45gg dalla piena fioritura, poi a 60, 90, 120 giorni. Foglie e bucce sono state prelevate in campo e poste immediatamente in azoto liquido. Dai risultati con Real Time è emerso che vi è una maggiore espressione nelle prime fasi di sviluppo in Max Red Bartlett per poi calare enormemente in giugno. Si potrebbe ipotizzare che ci sia una reazione di feed back da parte della piante considerando che in questa fase il frutto non si accresce. I livelli di espressione poi aumentano verso la fase finale della maturazione del frutto. In agosto, con l’ultimo campionamento vi è una espressione assai maggiore in Max Red Bartlett per quei geni posti a valle della via biosintetica per la sintesi delle antocianine. Questo risultato è confermato anche dal livello di espressione che si riscontra nelle foglie. In cui i geni F3H, LDOX e UFGT hanno un livello di espressione nettamente maggiore in Max Red Bartlett rispetto a William. Recentemente Takos et al (2006) hanno pubblicato uno studio su un gene regolatore della famiglia Myb e ciò ha permesso di ampliare i nostri studi anche su questo gene. L’altissima omologia di sequenza, anche a livello di introni, non ha permesso di individuare polimorfismi tra le varietà Abate Fetel e Max Red Bartlett, per nessun gene ad eccezione proprio del gene regolatore Myb. I risultati ottenuti in questa tesi dimostrano che in pero l’espressione relativa del gene Myb codificante per una proteina regolatrice mostra una netta sovra-espressione nel primo stadio di maturazione del frutto, in Max Red Bartlett 25 volte maggiore che in William. All’interno della sequenza del gene un polimorfismo prodotto da un microsatellite ha permesso il mappaggio del gene nel linkage group 9 in Max Red Bartlett e in Abate Fetel. Confrontando questo dato di mappa con quello del carattere morfologico rosso, mappato nel linkage group 4, si deduce che la mutazione non agisce direttamente sulla sequenza di questo gene regolatore, benché sia espresso maggiormente in Max Red Bartlett rispetto a William ma agisca in un altro modo ancora da scoprire. Infine per entrambe le varietà (William e Max Red Bartlett) sono state effettuate analisi fenotipiche in diversi step. Innanzi tutto si è proceduto con una analisi preliminare in HPLC per osservare se vi fossero differenze nella produzione di composti con assorbenza specifica delle antocianine e dei flavonoidi in generale. Si è potuto quindi osservare la presenza di due picchi in Max Red Bartlett ma non in William. La mancanza di standard che coincidessero con i picchi rilevati dallo spettro non ha permesso in questa fase di fare alcuna ipotesi riguardo alla loro natura. Partendo da questo risultato l’investigazione è proceduta attraverso analisi di spettrometria di massa associate ad una cromatografia liquida identificando con una certa precisione due composti: la cianidina-3-0-glucoside e la quercitina-3-o-glucoside. In particolare la cianidina sembra essere la molecola responsabile della colorazione della buccia nei frutti di pero. Successive analisi sono state fatte sempre con lo spettrometro di massa ma collegato ad un gas cromatografo per verificare se vi fossero delle differenze anche nella produzione di zuccheri e più in generale di molecole volatili. L’assenza di variazioni significative ha dimostrato che la mutazione coinvolge solo il colore della buccia e non le caratteristiche gustative e organolettiche di William che restano inalterate nel mutante.

Effects of Global Warming on Berry Composition of cv. Sangiovese: Biochemical and Molecular Aspects and Agronomical Adaptation Approaches

Wine grape must deal with serious problems due to the unfavorable climatic conditions resulted from global warming. High temperatures result in oxidative damages to grape vines. The excessive elevated temperatures are critical for grapevine productivity and survival and contribute to degradation of grape and wine quality and yield. Elevated temperature can negatively affect anthocyanin accumulation in red grape. Particularly, cv. Sangiovese was identified to be very sensitive to such condition. The quantitative real-time PCR analysis showed that flavonoid biosynthetic genes were slightly repressed by high temperature. Also, the heat stress repressed the expression of the transcription factor “VvMYBA1” that activates the expression of UFGT. Moreover, high temperatures had repressing effects on the activity of the flavonoids biosynthetic enzymes “PAL” and “UFGT”.Anthocyanin accumulation in berry skin is due to the balance between its synthesis and oxidation. In grape cv. Sangiovese, the gene transcription and activity of peroxidases enzyme was elevated by heat stress as a defensive mechanism of ROS-scavenging. Among many isoforms of peroxidases genes, one gene (POD 1) was induced in Sangiovese under thermal stress condition. This gene was isolated and evaluated via the technique of genes transformation from grape to Petunia. Reduction in anthocyanins concentration and higher enzymatic activity of peroxidase was observed in POD 1 transformed Petunia after heat shock compared to untrasformed control. Moreover, in wine producing regions, it is inevitable for the grape growers to adopt some adaptive strategies to alleviate grape damages to abiotic stresses. Therefore, in this thesis, the technique of post veraison trimming was done to improve the coupling of phenolic and sugar ripening in Vitis vinifera L. cultivar Sangiovese. Trimming after veraison showed to be executable to slow down the rate of sugar accumulation in grape (to decrease the alcohol potential in wines) without evolution of the main berry flavonoids compounds.

Effects and Modes od Action of Canopy Management Practices on Vine Physiology and Berry Composition in Organically-Cultivated cv. Sangiovese (Vitis Vinifera L.)

In organic and biodynamic vineyards, canopy management practices should be carefully and timely modulated, particularly in a context of climate change, for successfully achieving balanced plants, ventilated and exposed berries, elevated grape and wine quality. In 2013 and 2014, characterized by contrasting climatic conditions, the implications of post-veraison (late) or pea-size trimming, post-veraison or pre-harvest late defoliations and shoot-positioning (post-veraison) were assessed against long-shoots non treated controls, under field conditions on organically-cultivated cv. Sangiovese. The key agronomic and enological relevance of late trimming and defoliations clearly emerged in both seasons. Berry skin phenolics (e.g. anthocyanins, flavonols) increased markedly, without changes in technological parameters. In case of early trimming, such positive effects were observed only in 2013. Maintaining long shoots for shading decreased anthocyanins, flavonols and total phenolics concentrations and promoted the production of compact bunches. Experimental data strongly designated late trimming, a practice proved to contain yield and bunch compactness, as a valuable alternative to cluster thinning. Late trimming, defoliations and shoot positioning reduced the severity of Botrytis cluster rot. The highest levels of berry skins phenolic compounds in late trimmed and defoliated plants could have contributed control the severity of this pathogen. The enological benefits induced by late trimming and defoliations and shoot positioning emerged in both young and aged wines. For the first time, cell cultures from cv. Sangiovese berry tissues were obtained and enabled to investigate, in controlled conditions, the relations between mechanisms regulating secondary metabolism in grapevine cells and changes induced by environmental and agronomic factors. The Doctoral Dissertation strongly highlights the need to consider, for a proper interpretation of the multiple modifications induced by canopy management strategies, physiological mechanisms other than the canonic source-sink relationships, in particular their impact on the vine hormonal status.