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Developmental regulation of primary carbohydrate metabolism in grape berry (Vitis vinifera L.) cv. Cabernet Sauvignon

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Academic year: 2022

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HAL Id: hal-02804263

https://hal.inrae.fr/hal-02804263

Submitted on 5 Jun 2020

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Developmental regulation of primary carbohydrate metabolism in grape berry (Vitis vinifera L.) cv.

Cabernet Sauvignon

Zhanwu Dai, Céline Léon, Regina Feil, John Lunn, Serge Delrot, Eric Gomes

To cite this version:

Zhanwu Dai, Céline Léon, Regina Feil, John Lunn, Serge Delrot, et al.. Developmental regulation of primary carbohydrate metabolism in grape berry (Vitis vinifera L.) cv. Cabernet Sauvignon. 5.

Journées Scientifiques du Réseau Français de Métabolomique et Fluxomique, May 2011, Paris, France.

1 p., 2011. �hal-02804263�

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Similar metabolite concentration in vineyard and greenhouse

Most metabolites showed similar levels of concentration for berries grown in vineyardand  greenhouse(Fig. 2), although the temperatures during the late berry development stages  were quite different between the two growth conditions (Fig. 1). In contrast, the profile of  sugar phosphate (including F6P, G1P, G6P, and T6P) showed different pattern during the late  development stages between greenhouse and vineyard (Fig. 2). In vineyard, sugar phosphate  gradually decreased with berry development, while they slightly increased after veraison in  greenhouse. This difference might be resulted from  the higher temperature in greenhouse  than in vineyardduring the corresponding period.

Developmental regulation of primary carbohydrate metabolism in grape  berry (Vitis vinifera L.) cv. Cabernet Sauvignon

1INRA, Univ. Bordeaux, ISVV, UMR 1287 Ecophysiologie et Génomique Fonctionnelle de la Vigne (EGFV), 210 Chemin de Leysotte, 33882 Villenave d'Ornon, France. 

2Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, Am Mühlenberg 1, 14476 Potsdam‐Golm, Germany.

*Corresponding author. E‐mail: eric.gomes@bordeaux.inra.fr

Zhan Wu Dai

1

, Céline Leon

1

, Regina Feil

2

, John Lunn

2

, Serge Delrot

1

, Eric Gomès

1

*

Introduction

Carbohydrate metabolism in grape plays a central role in shaping final grape quality, not only because it  produces the sugars that determine sweetness and alcohol content after fermentation, but also because it  provides precursors for synthesis of organic acids, anthocyanins and aroma compounds etc. It is well known  that carbohydrate metabolism is under developmental regulation, however, the underlying mechanisms are  not yet clear. This experiment aims to identify metabolic coordination switches during grape development,  to provide insights into the timing of developmental regulation of carbohydrate metabolism. 

Mitochondrion

Oxaloacetate Citrate

Isocitrate Aconitate

2-ketoglutarate Succinyl-CoA

Succinate Fumarate Malate

Acetyl CoA Pyruvate

CO2

CO2

CO2

Erythrose-4P

3-Dehydroshikimate Pyruvate

Oxaloacetate PEP

Malate

2-PGA 3-PGA Glycerate-1,3-BP Glycerinaldehyde-3-P F1,6BP

F6P G6P

G1P

UDP-G

T6P

TRE Glucose

Fructose Sucrose

S6P ADPG

Shikimate

Materials and methods

Grape berries (cv. Cabernet Sauvignon) were sampled at 10 different developmental stages  (from flowering to maturity), from either vineyard grown vines or fruit‐bearing cuttings  grown in the greenhouse. The ten developmental stages include P1:10 days after flowering  (DAF), P2:20DAF, P3:30DAF, P4:40DAF, and P5:veraison; and after veraison, berries were  harvested according to their potential alcohol levels (%TVA), P6: 7%TVA, P7:8%TVA,  P8:9%TVA, P9:10%TVA  and P10:  maturity. Temperatures  were  recorded  for each  experimental site and were used to calculate sum of temperature from flowering  (oCday)(Fig.1). The concentrations of 27 metabolites from central carbon metabolism were  measured using LC‐MS and enzymatic assays (Fig.2). 

Figure 1. Daily temperature and sum of temperature (oCday) from flowering to maturity in  vineyard and greenhouse. Greenhouse has similar temperature as in vineyard during the  early development stages, but has higher temperature than those of vineyard during the final  development stages (from 80 to 110 DAF).

Figure 2. Metabolite profiles of berries grown in vineyard or greenhouse. Metabolites are assigned to their metabolism  pathways (sugar metabolism, glycolysis, and TCA cycle) and their evolutions in concentration (μnom g‐1FW for sucrose,  glucose, and fructose; and nmol g‐1FW for the rest metabolites) are presented beside the corresponding metabolites. To  facilitate comparing between the results of vineyard and greenhouse, the sum of temperature (oCday) was normalized to  be 0 at veraison (indicated by the dashed line) for both conditions. 

Vineyard Greenhouse

Glycolysis TCA cycle Sugar metabolism Veraison

Figure 3. Principle component analysis (PCA) of metabolite profiling during berry development. (A)The trajectories  during development period for berries grown in vineyard (colored points) and greenhouse (black points). Arrows indicate  the order of development, color for the berry skin color, point size for berry size.(B) correlation plots of metabolites for the first two PCs. 

A B

Principle component analysis (PCA) readily discriminates the various stages of berry  development, with similar trajectories for field grown and greenhouse samples. The first  two principal components (PC1and PC2) explain about 86% of the total variance. PC1 separates the pre‐and post‐veraison stages, based largely on changes in sugars and glycolytic intermediates. PC2resolves the individual stages of development within the pre‐

and post‐veraison phases, related mainly to differences in TCA cycle intermediates, such as  citrate, isocitrate and malate. 

Figure 4. Heatmap and clustering of metabolistes during  berry development for berries grown in vineyard. Each row  represents metabolite and each column represents  development stage. Values were centered and scaled in the  row direction to form virtual color as presented in the color  key.

The measured metabolites can be  clustered into three main groups: 

sugars  and  sugar‐phosphate  metabolism, glycolysis and the TCA  cycle.   Sugars (including sucrose,  fructose and glucose) stay at very  low level before version and show  dramatic  increase  from  version. 

Organic  acids  increase  gradually  with development, reach a peak at veraison, and thereafter decrease  gradually.  Interestingly, glycolytic intermediates  and  sugar  phosphates  declined  during  the  early stages of development, but  then remain relatively stable post‐

veraison.

Figure 5 Correlation matrix of all metabolites of berries  grown in vineyard. Pearson correlation coefficient  (positive or negative) between a pair of metabolites is  represented by virtual color.

Metabolites  within  a  given  pathway  were  often  positively  correlated,  however,  negative  correlations  were  observed  between  metabolites  from  different  pathways.  The  main  exception  is  the  negative  correlation  between sugars  and  sugar phosphates.

Summary and overlook

Over all, it is clear that glycolytic and the TCA cycle intermediates are tightly coordinated  with other metabolites within their respective pathways during development. In addition,  there is a pronounced shift in metabolism around veraison, characterised by rapidly  increasing sugar levels and decreasing organic acids. In contrast, glycolytic intermediates  and sugar phosphates declined during the early stages of development, but then remain  relatively stable post‐veraison. These results provide a rather detailed picture of the metabolite profiling of primary carbohydrate metabolism in grape berry. Integration with  enzyme activity measurements and kinetic model analysis will be developed in the future.

Metabolite profiles characterize development stages

Metabolite profiles switch coordinately

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