Comparative genetic and metabolic characterization between two table grape varieties with contrasted color berry skin : red Globe and Chimenti Globe

par Claudia Santibanez

Thèse de doctorat en Biologie Végétale

Sous la direction de Eric Gomes et de Patricio Arce-Johnson.

Le président du jury était Rodrigo A. Gutiérrez.

Le jury était composé de Patricio Arce-Johnson, Serge Delrot.

Les rapporteurs étaient Michael Handford, Claudio Inostroza.

  • Titre traduit

    Analyse génétique et métabolique comparée de deux variétés de raisins de table présentant des pigmentations contrastées au niveau des pellicules des baies : red Globe et Chimenti Globe


  • Résumé

    Le développement de la baie de raisin est un processus dynamique présentant une courbe de croissance sigmoïde avec deux phases de croissance séparée par une phase de latence. Il se caractérise par une biosynthèse coordonnée de métabolites primaires et secondaires. À la fin de la phase de latence, un phénomène appelé véraison se produit, au cours duquel le fruit commence à prendre de la couleur et le processus de maturation est initié. Les anthocyanes sont responsables de la coloration des baies et la régulation de leur biosynthèse été largement étudiée. Cependant, peu d'études ont porté sur la caractérisation métabolique et génétique de variétés de baies de couleurs fortement contrastées, dans un même fond génétique. En combinant la technologie RNAseq et des analyses métabolomiques, nous avons effectué une caractérisation comparée de deux variétés de raisin de table : Chimenti Globe (CG, rose pâle) et Red Globe (RG, rouge foncé). L'originalité de ce modèle est que CG a été généré à partir d'un événement de mutation spontanée de RG, dans un vignoble de production, permettant ainsi l’étude de la régulation de la biosynthèse des anthocyanes dans un même fond génétique. L'analyse du contenu métabolique des baies a démontré l'importance des stades de développement, de la véraison à la maturation, dans les deux variétés de raisin. En particulier, des différences marquées dans les concentrations de certains métabolites de la voie des phénylpropanoïdes (shikimate, UDP-glucose, phénylalanine) et du tréhalose-6-phosphate ont été mises en évidence en post-véraison. De plus, les différences entre les variétés étaient dues à des changements dans les métabolites liés à la biosynthèse du saccharose et de l'anthocyanine. Les baies de CG ne contenaient que des anthocyanines dihydroxylées (péonidine et cyanidine), et aucune quantité détectable d’anthocyanes trihydroxylées (malvidine, delphinidine et pétunidine), qui sont abondamment présentes dans les pellicules des baies de RG. Ceci explique le phénotype de couleur rose pâle des baies de CG. Une analyse transcriptomique globale par RNAseq montre que 109 gènes sont exprimés de façon différentielle chez CG, en comparaison avec RG, y compris de nombreux gènes liés au métabolisme des flavonoïdes. Notamment, 11 gènes codant pour des 3'5'-hydroxylases flavonoïde, une enzyme-clé pour la biosynthèse des anthocyanes trihydroxylées, sont réprimés dans CG. A partir de cette analyse, un gène candidat pour la régulation de la voie de biosynthèse des anthocyanes a été sélectionné : le gène Cytb5, qui code pour un cytochrome b5, non caractérisé à ce jour chez la Vigne. La surexpression de Cytb5 par transgénèse dans des vignes hybrides V. berlandieri x V. rupestris cv. 110R suggère fortement un rôle clé pour ce gène dans la régulation de la biosynthèse des anthocyanes chez la vigne : les embryons obtenus présentaient une forte coloration rouge, indiquant la présence d’anthocyanes en quantités importantes dans les tissus végétatifs. De plus les embryons transgéniques ont un développement accéléré par rapport aux embryons sauvages. Ces travaux ont permis de mieux comprendre la régulation de l’accumulation des anthocyanes responsables de la coloration des baies de raisin, et plus largement, la régulation du métabolisme des flavonoïdes.


  • Résumé

    El desarrollo de la uva es un proceso dinámico caracterizado por una curva de crecimiento doble sigmoidea, separada por una fase lag, en donde ocurre una biosíntesis coordinada de metabolitos primarios y secundarios. Al final de la fase lag, ocurre un fenómeno llamado pinta correspondiente al comienzo de la coloración de la baya e iniciándose también el proceso de maduración. Las antocianinas son las responsables de la coloración de la piel de las bayas y su regulación ha sido ampliamente estudiada. Sin embargo, pocos estudios se han enfocado en la caracterización genética y metabólica, utilizando variedades contrastantes de color de piel. Utilizando análisis metabólico y la tecnología de RNA-seq, se realizó una nueva caracterización comparativa de dos uvas de mesa, Chimenti Globe (CG) y Red Globe (RG), que poseen un color de piel de la baya contrastante: CG tiene un color rojizo claro y RG posee un color morado. La originalidad de este modelo es que CG fue generada en un evento espontáneo de campo desde una rama de una planta RG. Por lo tanto, el background genético responsable del cambio de color es el mismo. El análisis del contenido metabólico de las pieles de las bayas reveló la importancia de las etapas de desarrollo, pinta y maduración, en ambas variedades en estudio. En particular, la diferencia en la concentración de metabolitos de la ruta fenilpropanoide, tales como shikimato y fenilalanina y otras moléculas como UDP-glucosa y trehalosa-6-fosfato, entre otros. Asimismo, las diferencias entre las variedades estuvieron dadas por cambios relacionados con la biosíntesis de sacarosa y antocianinas. CG solo contenía antocianinas dihidroxiladas, cianidina y peonidina, y no las del tipo trihidroxiladas, malvidina, delfinidina y petunidina, lo cual fue consistente con el fenotipo del color de piel observado. A partir del análisis transcriptómico, generamos un heatmap con 109 genes expresado diferencialmente en CG en comparación con RG, siendo muchos de estos asociados a la ruta biosíntesis de flavonoides. Además, observamos que 11 copias del gen flavonoide 3'5'-hidroxilasa, que codifica una enzima clave para la biosíntesis de antocianinas trihidroxiladas, no estaban inducidas en CG. A partir de este análisis, se seleccionó un gen candidato para contribuir en el estudio de la ruta de biosíntesis de antocianinas: citocromo b5 (Cytb5) que codifica una proteína clave donadora de electrones no caracterizada en vides. La sobreexpresión de Cytb5 en embriones V. berlandieri x V. rupestris cv. 110R sugirió fuertemente la participación en la ruta, ya que los embriones transgénicos exhibieron un color rojizo e incluso, un desarrollo acelerado en comparación con el control. Con estos resultados, hemos sido capaces de proporcionar información sobre la regulación de las antocianinas en vides responsables de la coloración de la piel de las bayas, abriendo nuevos terrenos en la búsqueda de reguladores moleculares de la vía flavonoide.


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