Έλεγχος της προσαρμοστικότητας δυο γηγενών ποικιλιών αμπέλου της Περιφέρειας Ηπείρου, μέσω της μελέτης γενετικών και επιγενετικών μηχανισμών, σε συνθήκες υδατικής καταπόνησης

Abstract

Οι επιδράσεις της κλιματικής μεταβλητότητας, επηρεάζουν ιδιαίτερα τους βιολογικούς κύκλους των φυτών, επιδρώντας στην προσαρμοστικότητα, την ανάπτυξη και την παραγωγικότητα του συνόλου των καλλιεργειών. Μία από τις βασικότερες όψεις της εντεινόμενης αυτής συνθήκης για τα φυτά είναι η υδατική καταπόνηση. Η άμπελος αποτελεί μια από τις σημαντικότερες καλλιέργειες στον ελλαδικό χώρο, και πλήττεται ιδιαίτερα από την υδατική καταπόνηση. Μετά από πειραματική καλλιέργεια και καταπόνηση σειράς γηγενών ποικιλιών της Ηπείρου, επιλέχθηκε η ποικιλία Ντεμπίνα και η ποικιλία Διχάλι. Η ανάλυση των μορφολογικών και φυσιολογικών αποκρίσεων σε συνθήκες υδατικής καταπόνησης, παρουσίασε αξιοσημείωτες διαφορές στη συμπεριφορά των δύο συγκεκριμένων ποικιλιών τόσο σε αυτόριζα όσο και σε εμβολιασμένα φυτά, με την ποικιλία Διχάλι να αποτυπώνει υψηλότερη αντοχή στην καταπόνηση. Οι ποικιλίες επιλέχτηκαν για περαιτέρω μελέτη με στόχο τον προσδιορισμό των γενετικών και επιγενετικών μηχανισμών που πιθανόν εμπλέκονται στην απόκριση σε υδατική καταπόνηση. Συγκεκριμένα, οι ποικιλίες υποβλήθηκαν σε δύο φάσεις καταπόνησης (άρδευση με 50% και 25% της υδατοχωρητικότητας) και μια περίοδο ανάκαμψης μεταξύ των δύο φάσεων με στόχο τον εντοπισμό επιγενετικών μηχανισμών και παραγόντων που ρυθμίζουν την προσαρμοστικότητα. Μέσω qPCR ανάλυσης μελετήθηκαν δύο miRNAs και τα γονίδια στόχοι τους, που περιλαμβάνουν: Α) το miRNA159 και τα γονίδια-στόχους VvMYB101, VvGATA-26 like, VvTOPLESS-4 like, Β) το miRNA156 και το γονίδιο-στόχος VvCONSTANS-5. Τα γονίδια αυτά αποτελούν μεταγραφικούς παράγοντες ρύθμισης διαφόρων βιοχημικών διεργασιών που σχετίζονται με την αύξηση και την ανάπτυξη, και το γονίδιο VvTOPLESS-4 like αποτελεί, μεταγραφικό παράγοντα αναστολής. Η συγκριτική ανάλυση κατέδειξε μεγάλη απόκλιση στην έκφραση των miRNAs αλλά και των γονιδίων στόχων στις δύο ποικιλίες, μεταξύ των εμβολιασμένων και των αυτόριζων φυτών σε όλες τις φάσεις της καταπόνησης. Ειδικότερα, στα εμβολιασμένα φυτά παρατηρείται ένα αρκετά σταθερό προφίλ έκφρασης, τόσο στις δύο φάσεις καταπόνησης όσο και στην περίοδο της ανάκαμψης. Αντίθετα στα αυτόριζα φυτά, η διακύμανση της έκφρασης είναι μεγάλη σε όλα τα στάδια του πειράματος, τόσο στα miRNAs όσο και στα γονίδια στόχους. Τα εμβολιασμένα φυτά δείχνουν να παρουσιάζουν υψηλότερη αντοχή στην καταπόνηση από τα αυτόριζα, πιθανώς λόγο της επίδρασης του υποκειμένου. Η ανάλυση της έκφρασης του VvTOPLESS-4 like, παρουσιάζει αξιοσημείωτα αποτελέσματα, καθώς είναι πολλαπλάσια στην ποικιλία Ντεμπίνα σε σχέση με την ποικιλία Διχάλι, και παρουσιάζει σχετικά αντίστροφο προφίλ από το miRNA159 του οποίου αποτελεί γονίδιο στόχο. Η έκφραση των υπολοίπων γονιδίων αποτυπώνεται υψηλότερη στην ποικιλία Διχάλι. Τα παραπάνω αποτελέσματα πιθανώς να αιτιολογούν την μορφολογική υπεροχή της ποικιλίας Διχάλι ως προς την αντίδραση στην υδατική καταπόνηση. Περαιτέρω μελέτη της έκφρασης του γονιδίου VvTOPLESS-4 like, αλλά και της αντίδρασης της ποικιλίας Διχάλι στην υδατική καταπόνηση, πιθανών να δώσει νέα στοιχεία για την αντιμετώπιση των επιδράσεων της συγκεκριμένης καταπόνησης.

Climate change influences the biological cycles of plants, affecting the adaptability, growth, and productivity of all crops. One of the main aspects of this intensifying condition for plants is drought stress. Grapevine is one of the most important cultivars in Greece and is particularly affected by drought stress. After experimental cultivation and drought exposure of a series of autochthonous grapevine varieties from Epirus, ‘Debina’ and ‘Dichali’ were selected. The analysis of morphological and physiological responses to drought stress, showed remarkable differences in the behavior of the two specific varieties in both self-rooted and grafted plants. ‘Dichali’ displayed higher tolerance to dehydrating conditions. The varieties were further studied with the aim of identifying the genetic and epigenetic mechanisms likely involved in the response to drought stress. In particular, self-rooted and grafted plants underwent two stress phases (irrigation with 50% and 25% of water capacity) and a recovery period between the two phases, aiming at identifying epigenetic mechanisms and factors regulating adaptability. Through qPCR analysis two miRNAs and their target genes were studied, including: A) miRNA159 and target genes VvMYB101, VvGATA-26 like, and VvTOPLESS-4 like, B) miRNA156 and the target gene VvCONSTANS-5. These target genes encode transcription factors regulating the various biochemical processes associated with growth and development, and the VvTOPLESS-4 like gene constitutes a transcriptional corepressor. Comparative analysis showed a large fluctuation in the expression of miRNAs and target genes in the two varieties, between the grafted and self-rooted plants in all phases of stress. In particular, in grafted plants, a fairly stable expression profile is observed, both in the stress phases and in the recovery period. In contrast, in self-rooted plants, the variation in expression is high at all phases of the experiment, both for miRNAs and target genes. Grafted plants appear to show higher resistance to stress than the self-rooted ones, probably due to the influence of the rootstock. The analysis of the expression of VvTOPLESS-4 like, shows remarkable results, as it is much higher in ‘Debina’ as compared to ‘Dichali’, and reveals an expression profile inversely related to that of miRNA159 of which it is a target gene. Analysis of the remaining genes demonstrated higher expression in the ‘Dichali’ variety. The above results may justify the morphological superiority of the ‘Dichali’ variety in terms of drought stress response. Further study of the VvTOPLESS-4 like gene, but also of the ‘Dichali’ response to drought, may provide new evidence to be utilized for efficient management of drought stress in grapevine.