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Ecophysiologie et Génomique Fonctionnelle de la Vigne - UMR 1287 EGVF

UMR 1287 - EGVF

Unité Mixte de Recherche (INRA, ENITAB, Université de Bordeaux)

Ecophysiologie et Génomique Fonctionnelle de la Vigne
I.S.V.V Bordeaux, 210 Chemin de Leysotte

33882 Villenave d’Ornon Cedex, France

Soutenance de thèse

Soutenance de thèse
Le 7 décembre 2020 à 9h Lina WANG a soutenu sa thèse intitulée "Combining leaf-to-fruit ratio manipulations with exogenous abscisic acid applications to adjust sugar and anthocyanin concentrations in grape berry” - résumé et abstract ci-dessous

La soutenance a été présentée devant le jury suivant :

Mme DINANT Sylvie, DR INRAE Versailles, Rapporteur
Mme GAVEAU Nathalie, PR Univ. Reims, Rapporteur
Mme ATANASSOVA Rossitza, PR Univ. Poitiers, Examinateur
Mr. DAI Zhanwu, PR Chinese Academy of Science - Botanical Institute Beijin,  Co-Directeur de thèse
Mr. GOMÈS Eric, PR Univ Bordeaux, Directeur de thèse

RESUME

Le changement climatique en cours entraîne une augmentation de la fréquence et de l'intensité des événements météorologiques extrêmes, affectant la composition des raisins. Les températures élevées pendant la maturation augmentent la teneur en sucre du moût et réduisent les teneurs en acides organiques et en anthocyanes, modifiant qualité et typicité du vin. Les pratiques telles que les manipulations du rapport feuilles/fruits combinées à des applications d'hormones végétales peuvent potentiellement être utilisées pour adapter et maintenir la durabilité de la production viticole. Dans ce but, il est nécessaire de mieux comprendre les liens physiologiques entre accumulation de sucres et synthèse d'anthocyanes au cours de la maturation des baies. Des boutures fructifères de vigne (cv. Cabernet sauvignon) ont été cultivées en serre et différents rapports feuilles/fruits (2 à 12 feuilles par grappe) ont été appliqués et combinés à la pulvérisation d'acide abscissique (ABA) sur les baies au stade de pré-véraison. Pour étudier les mécanismes sous-jacents à l'effet de la manipulation du rapport feuille-fruit et de l'application d'ABA sur la composition des baies, l’expression de gènes liés au métabolisme des sucres, des anthocyanes et de l'ABA a été étudiée sur ce matériel. Afin de réaliser une analyse fine de l'interaction potentielle sucres/signalisation par l’ABA sur la biosynthèse des anthocyanes, des expériences de culture de baies in vitro ont également été menées. Les baies ont été cultivées 2-3 semaines sur un milieu solide supplémenté avec différents niveaux de sucre (0%, 2%, 8%), combinés avec de l'ABA (200 µM), un inhibiteur de biosynthèse d’ABA, ou des inhibiteurs d'hexokinase. Les résultats confirment que la réduction du rapport feuille/fruit a un effet significatif sur la composition des baies: réduction de la teneur en sucres et en anthocyanes, augmentation des concentrations en acides organiques totaux, modification de la composition en acides aminés libres. L'application d'ABA augmente les teneurs en sucres et en anthocyanes, et restaure donc partiellement le couplage entre accumulation de sucre et d'anthocyanes, sous de faibles ratios feuille-fruit, sans affecter les ratios acides aminés/sucres/acides organiques. Plusieurs gènes de la voie de biosynthèse des anthocyanes (CHS2, CHS3, CHI, F3H, DFR, LODX, UFGT, MybA1, MybA2) sont réprimés en situation de faible rapport feuille/fruit ; alors qu’une partie d’entre eux sont au contraire induits (CHI, F3H, F3'5'H, LODX, UFGT, MybA1, MybA2) après un traitement ABA. L'ABA a en revanche peu d'effet sur les gènes liés à l'accumulation des sucres; de même que le rapport feuille/fruit sur les gènes de biosynthèse de l'ABA. Les expériences de culture in vitro de baies ont montré que l'ABA et les concentrations élevées de glucose induisent de manière synergique la biosynthèse des anthocyanes pendant la maturation. L'ABA et le glucose ont diminué la concentration en phénylalanine dans les baies en cours de maturation, très probablement en raison de leur rôle dans l’accroissement de la synthèse des anthocyanes, et une analyse ANOVA croisée à deux facteurs indique une interaction significative entre les niveaux de sucre et d'ABA et l'accumulation d'anthocyanes. En conclusion, nos travaux ont montré que l'ABA et la signalisation par les sucres interagissent pour réguler l'expression des gènes de biosynthèse des anthocyanes et augmenter l'accumulation d'anthocyanes pendant la maturation des baies. L'application d'ABA a conduit à l’augmentation du rapport anthocyanes/sucres à la récolte, en conditions de faible rapport feuilles/fruits. La combinaison de la manipulation du rapport feuille/fruit avec des applications d'ABA permet donc de réduire la concentration en sucres à la récolte, tout en maintenant les concentrations en anthocyanes, offrant ainsi un moyen potentiel d'atténuer partiellement les effets négatifs des températures élevées liées aux modifications climatiques en cours.
Mots clés: Baie de raisin, composition, changement climatique, acide abscissique, sucres, anthocyanes.

ABSTRACT
Ongoing climate change causes extreme weather events to increase both in frequency and intensity, significantly affecting vine physiology and grape berry composition at harvest. Elevated temperatures during the growing season increase must sugar content, while reducing organic acids and anthocyanins levels, modifying wine quality and typicality. Viticultural practices such as leaf-to-fruit ratio manipulations combined with applications of plant hormones can potentially be used to adapt to climate change and maintain the sustainability of wine production. To optimize adaptation strategies, we need to gain better insights into the links between sugars and anthocyanins accumulation during berry development and ripening.
Fruiting-cuttings made up of one vertical shoot with one grape cluster of cv. Cabernet Sauvignon were grown between 2013 and 2018 in a naturally lighted and semi-controlled greenhouse. Various leaf-to-fruit ratios (2 to12 leaves per cluster) were applied, and combined with spraying abscisic acid (ABA, 400 mg.L-1) on berries at pre-veraison stage. To explore the biological mechanisms underlying of the effect of leaf-to-fruit ratio manipulation and application of exogenous ABA on berry composition, transcript abundance of genes related to sugar, anthocyanins and ABA metabolism were studied in this material. To further analyze the potential interplay between sugar and ABA signaling on anthocyanins biosynthesis, in vitro berry culture experiments were also conducted. Berries were cultured 2-3 weeks on solid medium supplemented with different sugar levels (0%, 2%, 8%) combined with ABA (200 µM), ABA biosynthesis inhibitor (NDGA), or hexokinase inhibitors (NAG, GDH).
The results confirmed that reducing the leaf-to-fruit ratio had a significant effect on berry composition: reduction of sugar and anthocyanin content, slight increase in total organic acids and modification of the free amino acids composition. Exogenous ABA application increased sugars and anthocyanins concentrations, and partially restored the coupling between sugar and anthocyanins accumulation under low leaf-to-fruit ratios, without affecting the amino acids/sugar/organic acids ratios. Transcript abundance analysis revealed that several anthocyanin biosynthetic genes (CHS2, CHS3, CHI, F3H, DFR, LODX, UFGT, MybA1 and MybA2) were decreased under low leaf-to-fruit ratio, whereas some genes (CHI, F3H, F3’5’H, LODX, UFGT, MybA1 and MybA2) were up regulated after exogenous ABA treatment. Exogenous ABA had little effect on the transcript abundance of sugar accumulation related genes, and leaf-to-fruit ratio also had little effect on ABA biosynthetic genes. Berry in vitro culture experiments showed that ABA and elevated concentrations of glucose synergistically induced anthocyanins biosynthesis during ripening. Both ABA and glucose decreased Phenylalanine concentration in ripening berries, most probably due to their role in promoting anthocyanins synthesis, and two-way crossed ANOVA analysis indicate a significant interaction between sugar and ABA levels and anthocyanin accumulation in berries.
In conclusion, our results showed that ABA and sugar signaling synergistically interact to regulate the expression of anthocyanin biosynthetic genes and increase anthocyanins accumulation during berry ripening. Thus, exogenous ABA application was able to increase the ratio of anthocyanins to sugar under low leaf-to-fruit ratio at harvest, and combining leaf-to-fruit ratio manipulation with exogenous ABA applications may offer a fine-tuned way to reduce sugar concentration, while maintaining anthocyanin concentrations in grape berry, potentially offering a way to partially alleviate climate change related high temperature effects.