Physiology of photosynthetic grape berry tissues: the effects of canopy light microclimate and climate stress mitigation strategies

Abstract

A cultura da videira tem uma elevada relevância económica e cultural. Atualmente, esta espécie enfrenta desafios difíceis pois, num contexto de alterações climáticas, a severidade dos stresses abióticos está a aumentar, causando impactos negativos na fisiologia da videira, em particular na atividade fotossintética e na regulação do estado hídrico. Desta forma, uma gestão adequada da luz/radiação na copa é essencial para garantir uma boa produção de uvas e vinho. Previamente, mostrámos que o exocarpo e os tegumentos das sementes de bagos de uva de uma casta branca (cv. Alvarinho) foram os tecidos mais fotossinteticamente ativos, que essa atividade variou ao longo das fases de desenvolvimento (verde, véraison e madura) e em resposta ao microclima de luz (LL - luz baixa; e HL - luz alta). No entanto, a função da fotossíntese da uva ainda é amplamente desconhecida. Neste trabalho pretendemos estudar os efeitos desses dois microclimas de luz e de duas estratégias de mitigação do stresse climático - aplicação foliar de caulino e irrigação - na atividade fotossintética, perfil de metabolitos e nos transcritos de genes-alvo desses tecidos do bago de uva, colhidos nessas três fases de desenvolvimento. Estudos por fluorometria de pulso de amplitude modulada (PAM) mostraram que HL aumentou a eficiência quântica máxima (Fv/Fm) e a atividade fotossintética (rETR200) de ambos os tecidos da fase verde. Curiosamente, a aplicação foliar de caulino aumentou a atividade fotossintética dos exocarpos LL da fase verde em comparação com o controlo, enquanto que a irrigação diminuiu a atividade fotossintética das sementes HL nas fases véraison e madura, especialmente nas videiras de parcelas pulverizadas com caulino. Espectrometria de massa por cromatografia líquida (LCMS) revelou que apenas a “irrigação” e o “microclima de luz” levaram a diferenças significativas no perfil de metabolitos dos tecidos do bago. Análises transcricionais por reação em cadeia da polimerase (qPCR) mostraram que os níveis de transcrição de genes codificadores de elementos associados à fotossíntese, clorofila sintetase (VvChlSyn) e ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase (VvRuBisCO), foram regulados positivamente pelo microclima HL. Paralelamente, o estudo de lipidómica mostrou que as sementes LL tiveram níveis mais altos de ácidos gordos livres, enquanto que HL levou à regulação positiva de ceramidas na fase verde e triglicerídeos e glicerofosfolípidos na fase madura. Globalmente, este trabalho fornece evidências sobre a contribuição da fotossíntese para a fisiologia do exocarpo e da semente do bago de uva, bem como novos conhecimentos para uma gestão adequada das práticas vitícolas.

Grapevine is an agriculture crop with high economic and cultural relevance. Currently, this plant species faces a difficult challenge, as in the context of climate changes, the severity of abiotic stresses is increasing, causing negative impacts on grapevine physiology, namely on photosynthetic activity and water status regulation. Therefore, an appropriate management of the light/radiation intercepted by the canopy is essential to ensure a proper grape and wine production. Previously, we showed that grape berry exocarp or skins and seed integuments from a white variety (cv. Alvarinho) were photosynthetically active and that this activity varied along grape berry developmental stages (green, véraison and mature) and was responsive to the light microclimate that clusters experienced in the canopy (LL - low light; and HL - high light). However, the function of grape berry photosynthesis is still largely unknown. In this work we intended to study the effects of these two contrasting light microclimates under two short-term climate stress mitigation strategies - foliar kaolin application and irrigation - on the photosynthetic activity, metabolite profile and transcripts of target genes of the same two grape berry tissues, sampled at the same three developmental stages. Pulse amplitude modulation (PAM) fluorometry showed that HL increased the maximum quantum efficiency (Fv/Fm) and photosynthetic activity (rETR200) of both tissues at the green stage. Interestingly, kaolin applied to leaves increased the photosynthetic activity of LL exocarps at green stage as compared with control, while the irrigation decreased the photosynthetic activity of HL seeds at véraison and mature stages, especially in those grapevine parcels sprayed with kaolin. Untargeted liquid chromatography mass spectrometry revealed that only “irrigation” and “light microclimate” led to significant differences in the metabolite composition of the berry tissues. Transcriptional analysis by real-time quantitative polymerase chain reaction showed that the transcript levels of genes encoding photosynthesis-related elements, chlorophyll synthase (VvChlSyn) and ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (VvRuBisCO), were up-regulated by HL microclimate. In parallel, lipidomics analysis showed that LL seeds had higher relative levels of free fatty acids, while HL led to up-regulation of ceramides at green stage and triacylglycerols and glycerophospholipids at mature stage. Overall, this work provides insights for the contribution of tissue-specific photosynthesis to grape berry’s skin and seed physiology and metabolome, as well as new knowledge for a good management of viticultural practices.