乾燥高温下で太陽光に曝露されたブドウ果実における揮発性化合物のメタボロームおよびトランスクリプトームの変化

Modulation of volatile compound metabolome and transcriptome in grape berries exposed to sunlight under dry-hot climate.

• Lei He
• Xiao-Qing Xu
• Yu Wang
• Wei-Kai Chen
• Run-Ze Sun
• Guo Cheng
• Bin Liu
• Wu Chen
• Chang-Qing Duan
• Jun Wang
• Qiu-Hong Pan

抄録

背景:

基底葉除去は、果実の腐敗を抑制し、品質を向上させるために、ブドウの房の日照量を増やすために広く行われている。ブドウ果実中の揮発性化合物への影響に関する研究は、主に地中海または海洋性気候の地域で行われてきた。大陸性気候下でブドウの実を栽培した場合に、同様の効果が得られるかどうかは不明である。本研究では、乾燥高温気候地域における太陽光に曝露したブドウ果実の揮発性化合物の生産量とトランスクリプトームの変動を解析し、その変動に関連する主要な遺伝子を提案することを目的とした。

BACKGROUND: Basal leaf removal is widely practiced to increase grape cluster sunlight exposure that controls berry rot and improves quality. Studies on its influence on volatile compounds in grape berries have been performed mostly in Mediterranean or marine climate regions. It is uncertain whether similar efficiency can be achieved when grape berries are grown under continental climate. This study aimed to dissect the variation in volatile compound production and transcriptome in sunlight-exposed grape berries in a dry-hot climate region and to propose the key genes related to the variation.

結果:

中国北西部の天山北麓地域において、ペッパーコーンサイズの段階での基底葉の除去、ヴェレゾンでの葉の除去（LR-V）、ヴェレゾンでの葉の移動（LM-V）、ヴェレゾンでの半葉の除去を含む4つのクラスター日光曝露戦略を実施した。様々なクラスター曝露処理により、成熟したブドウ果実中のノルイソプレノイドとモノテルペンの濃度が低下した。ノルイソプレノイド生合成の基質であるβ-カロテンとルテインの両方がクラスター太陽光照射によって減少した。K-meansクラスター分析の結果、VviTPS55, VviTPS60, VviTPS66, VviCCD4a, VviCCD4bのような生合成に関与する遺伝子のいくつかは、試験した果実の少なくとも1つの段階で、曝露された果実では発現レベルが低下した。フルーティーな属性を有する２つのＣ６由来のエステル、ヘキサノエートエチルおよび酢酸ヘキシルは、顕著に減少した。対照的に、LR-VおよびLM-V処理したブドウ果実では、主要なC6アルコール化合物のレベルが上昇しており、これはオキシリピン経路におけるVviLOXA、VviLOXOおよびVviADH1の発現が上昇していることに対応していた。また、暴露果実と対照果実で発現が異なる遺伝子の多くは、「ストレス応答」の過程に濃縮されており、このトランスクリプトームの違いは果実の成熟に伴って蓄積されていった。また、LR-V処理では、LM-V処理では発現しなかった光合成関連遺伝子の発現が有意に増加した。

RESULTS: Four cluster sunlight exposure strategies, including basal leaf removal at pepper-corn size stage, leaf removal at véraison (LR-V), leaf moving at véraison (LM-V), and half-leaf removal at véraison, were implemented at the north foot of the Mt. Tianshan region of northwestern China. Various cluster exposure treatments resulted in a decline in the concentrations of norisoprenoids and monoterpenes in ripening grape berries. Both β-carotene and lutein, the substrates of norisoprenoid biosynthesis, were reduced by cluster sunlight exposure. K-means cluster analysis showed that some genes involved in biosynthesis such as VviTPS55, VviTPS60, VviTPS66, VviCCD4a and VviCCD4b exhibited lower expression levels in exposed berries at least at one of the tested stages. Two C6-derived esters with fruity attributes, ethyl hexanoate and hexyl acetate, were reduced markedly. In contrast, main C6 alcohol compound levels were elevated in the LR-V- and LM-V-treated grape berries, which corresponded to the up-regulated expression of VviLOXA, VviLOXO and VviADH1 in the oxylipin pathway. Most of the differentially expressed genes in the exposed and control berries were enriched to the "stress response" processes, and this transcriptome difference was accumulated as the berries matured. Besides, LR-V treatment stimulated a significant up-regulation in photosynthesis-related genes in the grape berries, which did not happen with LM-V treatment.

結論:

乾燥高温気候のブドウ栽培においてクラスター日光に曝露すると、温帯地中海や海洋性気候の地域で得られたものとは、揮発性を標的としたトランスクリプトームおよび代謝反応が異なる結果となった。したがって、ブドウ果実の香りを改善するためには、キャノピー管理を変更する必要がある。

CONCLUSIONS: Cluster sunlight exposure in dry-hot climate viticulture resulted in different volatile-targeted transcriptomic and metabolic responses from those obtained in the temperate Mediterranean or marine climate region. Therefore, a modified canopy management should be adopted to improve the aroma of grape berries.