Berry transcriptome comparison of ten Italian grapevine varieties

Lo sviluppo della bacca di vite può essere descritto come una successione di cambiamenti fisiologici e biochimici che riflettono la modulazione trascrizionale di molti geni. Nello scorso decennio molti studi trascrittomici sono stati eseguiti per descrivere in modo più approfondito questo processo di sviluppo dinamico e complesso. Tuttavia, la maggior parte di questi studi trascrittomici si sono focalizzati solo su un’unica varietà per volta e quindi vi è ancora una mancanza di risorse per poter effettuare comparazioni sullo sviluppo della bacca in differenti varietà di vite. Questa tesi riguarda la prima comparazione del trascrittoma della bacca di vite effettuato attraverso RNA sequencing di 120 campioni di RNA, corrispondenti alle bacche di dieci varietà raccolte a quattro stadi fenologici, due precedenti e due successivi all’invaiatura, in triplicato biologico. Quest’analisi RNA-seq ha mostrato un’evidente e profonda transizione del trascrittoma dalla fase verde alla maturazione che avviene all’invaiatura indipendentemente da colore della buccia e varietà, che coinvolge la soppressione di diversi processi metabolici relativi alla crescita vegetativa, e l’induzione di solo poche vie, come processi di metabolismo secondario e di risposta a stimoli biotici. Questo importante riprogramma del trascrittoma durante la maturazione è stato evidenziato da diversi approcci: correlazione con distanza di Pearson, analisi a componenti principali (PCA), O2PLS-DA, ricerca di biomarcatori, analisi clustering e network di correlazione. La creazione della prima via trascrittomica di sviluppo della bacca di vite, corrispondente a geni aventi un profilo di espressione simile durante tutto lo sviluppo indipendentemente dalla varietà, ha permesso di identificare geni coinvolti nei maggiori processi biologici che avvengono durante la maturazione del frutto. Infine, l’espressione dei geni appartenenti alla via biosintetica dei fenilpropanoidi/flavonoidi si sono mostrati insufficienti da soli nello spiegare le differenze trascrittomiche tra varietà rosse e bianche; tuttavia si presuppone che questi – probabilmente per effetto dell’accumulo di antociani nella buccia della bacca dall’inizio della maturazione – influenzino comunque il programma della fase di maturazione, determinando il coinvolgimento e reclutamento di geni appartenenti ad altri processi biologici.

Grape berry development can be described as a succession of physiological and biochemical changes reflecting the transcriptional modulation of many genes. In the last decade, many transcriptomic studies have been carried out to deeper describe this dynamic and complex development. Nonetheless, most of those transcriptomic studies focused on one single variety at a time and then there is still a lack of resources for comparing berry development in different grape varieties. This thesis describes the first berry transcriptome comparison carried out by RNA sequencing of 120 RNA samples, corresponding to 10-variety berries collected at four phenological growth stages, two pre- and two post-véraison, in biological triplication. This RNA-Seq analysis showed an evident deep green-to-maturation transcriptome shift occurring at véraison independently on skin colour and variety, which involves the suppression of diverse metabolic processes related to vegetative growth, and the induction of only a few pathways, such as secondary metabolic processes and responses to biotic stimuli. This fundamental transcriptome reprogramming during ripening was highlighted by distinct approaches: Pearson’s correlation distance, PCA, O2PLS-DA, biomarker discovery, clustering analysis and correlation network method. The establishment of the first grape berry development transcriptomic route, corresponding to the genes having similar patterns of expression during whole development independently on the variety, allowed identifying genes involved in the main biological processes occurring during berry development. Finally, the expression of phenylpropanoid/flavonoid biosynthetic pathway-related genes was found to be insufficient by itself to explain the differences between red- and white-grape transcriptomes, however it was supposed to influence – supposedly by the effect of anthocyanins accumulation in berry skin since the onset of ripening – maturation-phase transcriptional program, determining the recruitment of genes belonging to other biological processes.