Understanding the Genetic Basis of Grapevine Diversity: Implications for Vineyard Resilience in the Face of Climate Change
Authors:   , Rodríguez Izquierdo Alberto 
Published: November 2024

El proceso de domesticación de la vid a lo largo de la Historia ha generado una enorme diversidad de genotipos. Comenzando en la zona asiática y caucásica, tuvo como principal carácter de selección aquellos individuos con hermafroditismo floral, con vistas a asegurar la producción anual de uvas. Además, caracteres como el color de la uva, la forma o la superficie del hollejo han primado a la hora de seleccionar la planta de interés, favoreciendo unos caracteres dependiendo de los usos culinarios de las uvas producidas. Esta selección ha ido asociada a la adaptación de estos genotipos al clima, surgiendo genotipos más tolerantes a estreses abióticos que otros. Además, el avance en genómica de la vid ha evolucionado mucho estos años gracias a las nuevas técnicas de secuenciación masiva (NGS), pudiendo determinar presiones selectivas que han influido a lo largo de la Historia. Además, estas tecnologías se pueden aplicar a diferentes campos de estudio en vid, como pueden ser los estudios sobre la epigenómica de la vid o sobre los cambios en la expresión génica asociados a diferentes condiciones. En la presente tesis se exponen dos capítulos correspondientes a estos campos atendiendo a la domesticación del cultivo y a la exploración de los correspondientes genotipos derivados de este proceso para poder adaptar el viñedo a nuevos escenarios de cambio climático tales como la sequía en el viñedo. Para ello, en estos estudios se utilizan técnicas de secuenciación masiva aplicadas a diferentes objetivos. En el primer caso, se utilizan estas técnicas de secuenciación para explorar la influencia de la epigenómica en la domesticación del cultivo a partir de vides silvestres y cultivadas para encontrar diferencias entre las poblaciones y detectar cambios en la construcción del metiloma. En el segundo capítulo, se aplican estas técnicas de secuenciación masiva para explorar, dentro de la diversidad producida por la domesticación, cuáles son los mecanismos existentes que confieren a algunos genotipos mayor tolerancia a sequía. Se exploran los cambios a nivel fisiológico, metabolómico, hormonal y transcriptómico de dos variedades con distinto grado de tolerancia a sequía bajo tres distintos niveles de estrés hídrico (moderado, intenso y severo): Callet, un cultivar local de las Islas Baleares; y Merlot, un cultivar internacional procedente de Francia; ambos injertados sobre portainjertos 110 Ricther. En el primer capítulo, los resultados muestran una clara influencia de la domesticación en las plantas cultivadas por una mayor acumulación de citosinas metiladas en comparación con las variedades silvestres. Mientras que en las plantas silvestres estas metilaciones aparecen en genes relacionados con la respuesta hormonal y la defensa, en plantas cultivadas aparecen genes relacionados con la reducción del estrés oxidativo y la producción de polifenoles. En el segundo capítulo, se demuestra el importante papel de la sensibilidad al ácido abscísico (ABA) en la respuesta de genotipos con mayor tolerancia a sequía como Callet a todos los niveles. Los resultados a nivel metabolómico y transcriptómico muestran que, a consecuencia de esta sensibilidad al ABA, Callet modula vías de producción de metabolitos secundarios y regula la expresión de genes relacionados con la respuesta a sequía tanto en la parte aérea como en la parte radicular. En cambio, la baja tolerancia a sequía se ve amplificada por una falta de comunicación entre la parte aérea y el portainjertos en Merlot, demostrando que esta comunicación en plantas injertadas con Callet es más efectiva para adaptar la planta a condiciones de estrés hídrico. La investigación desarrollada a partir de estos dos capítulos muestra la importancia de estos estudios basados en esta diversidad producida por la domesticación para poder adaptar el viñedo actual a nuevos escenarios producidos por el cambio climático, demostrando su utilidad en posteriores investigaciones.

ABSTRACT

The domestication process of grapevine throughout history has generated a vast diversity of genotypes. Beginning in the Asian and Caucasian regions, the primary selection criterion was individuals with floral hermaphroditism, aimed at ensuring annual grape production. Additionally, traits such as grape color, shape, and skin surface have been prioritized in selecting the desired plant, favoring certain characteristics depending on the culinary uses of the grapes produced. This selection has been associated with the adaptation of these genotypes to climate, resulting in genotypes more tolerant to abiotic stresses than others. Furthermore, advances in grapevine genomics have evolved significantly in recent years thanks to new sequencing techniques (NGS), enabling the determination of selective pressures that have influenced throughout history. Moreover, these technologies can be applied to various unexplored research areas in grapevine, such as studies on grapevine epigenomics or changes in gene expression associated with different conditions. This thesis presents two chapters corresponding to these fields focusing on crop domestication and exploring the derived genotypes from this process to adapt vineyards to new climate change scenarios such as vineyard drought. For this purpose, these studies utilize massive sequencing techniques applied to different objectives. In the first case, these sequencing techniques are used to explore the influence of epigenomics on crop domestication using wild and cultivated vines to identify differences between populations and detect changes in the methylome construction. In the second chapter, these massive sequencing techniques are applied to explore, within the diversity produced by domestication, the mechanisms that confer greater drought tolerance to some genotypes. Changes at physiological, metabolomic, hormonal, and transcriptomic levels of two varieties with different degrees of drought tolerance are explored under three different levels of water stress (mild, high, and extreme): Callet, a local cultivar from the Balearic Islands (Spain); and Merlot, a commercial cultivar from France; both grafted onto 110 Richter rootstocks. In the first chapter, the results show a clear influence of domestication on cultivated plants due to a higher accumulation of methylated cytosines compared to wild varieties. While in wild plants, these methylations appear in genes related to hormonal response and defense, in cultivated plants, genes related to oxidative stress reduction and polyphenol production appear. In the second chapter, a significant influence of abscisic acid (ABA) sensitivity is demonstrated in the response of genotypes with greater drought tolerance such as Callet at all levels. Metabolomic and transcriptomic results show that, based on this ABA sensitivity, Callet modulates secondary metabolite production pathways and regulates gene expression related to drought response in both the aerial and root parts. The adaptation to drought stress in grafted grapevines is also influenced by a lack of communication between the aerial part and the rootstock in Merlot, demonstrating that this communication in grafted plants with Callet is more effective. The research developed from these two chapters highlights the importance of these studies based on the diversity produced by domestication to adapt current vineyards to new scenarios produced by climate change, showing their powerful utility for use in subsequent research.