Genetic determination of aroma in grapevine (Vitis vinifera L.) From QTL to gene expression analysis in aromatic and non-aromatic varieties

L’interesse della ricerca sull’aroma è stato rivolto negli ultimi decenni soprattutto al chiarimento della struttura, della biosintesi, della distribuzione nella pianta e dell’evoluzione durante la maturazione dei composti che ne sono responsabili. Per contro, le conoscenze dei meccanismi molecolari (natura dei geni e degli enzimi coinvolti e loro regolazione) che controllano tale carattere sono ancora limitate. Il percorso di ricerca svolto durante il dottorato è iniziato con l’identificazione, attraverso l’analisi QTL (Quantitative Trait Loci) dei composti di natura terpenica responsabili della sensazione aromatica, quali: linalolo, nerolo e geraniolo, delle regioni genomiche statisticamente coinvolte nella determinazione del carattere aroma Moscato in due popolazioni derivate dall’incrocio tra due varietà di V. vinifera: Italia e Big Perlon (300 piante F1); e dall’incrocio interspecifico di V. vinifera cultivar Moscato Bianco e V. riparia (175 piante F1). Il peso maggiore nella determinazione del contenuto dei monoterpeni è stato attribuito ad una regione genomica di circa 1.3 cM del Cromosoma 5 di vite che arriva a spiegare, in alcune annate, fino al 90% della variazione fenotipica del carattere studiato. Approfondendo lo studio, si è visto che l’enzima 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase (DXS) è codificato da un gene posizionato nell’intervallo di confidenza del QTL nel cromosoma 5. Da qualche anno si sa che questa proteina svolge un ruolo catalitico nel primo e limitante step della biosintesi plastidiale dell’Isopentenil difosfato, il precursore dei terpeni nelle cellule vegetali. Altri studi hanno dimostrato che è un enzima essenziale per i batteri ed è cruciale per la formazione della clorofilla e dei carotenoidi nelle piante. Nel genoma della vite abbiamo identificato diverse forme del gene DXS corrispondenti alle classi 1, 2 e 3 già descritte in altre specie vegetali. Nel corso del dottorato è stata studiata la cinetica di espressione genica durante la maturazione delle uve rispetto all’evoluzione del profilo metabolico di alcune varietà aromatiche (Moscato Bianco e Chardonnay clone 809) e non aromatiche (Chardonnay clone 130), al fine di comprendere a quale livello eventualmente si esplica la funzione di controllo di questo gene sull’accumulo dei composti terpenici. L’analisi chimica e le osservazioni in campo ripetute in tre anni consecutivi (2005, 2006 e 2007), ci ha permesso di caratterizzare in modo accurato le varietà considerate, sia dal punto di vista metabolico che dal punto di vista fisiologico. Interessanti differenze sono state evidenziate, non solo in termini di concentrazioni massime dei singoli composti identificati, ma soprattutto in termini di cinetiche di accumulo, in relazione alla varietà ed all’annata considerata. Alcuni monoterpeni identificati, infatti, mostrano differenze che si possono attribuire ad un effetto stagione, mentre altri composti evolvono in funzione dello stadio di sviluppo delle bacche. L’effetto dell’influenza di fattori ambientali e degli stress sull’espressione di DXS1 e sull’attività dell’enzima che ne deriva sarà dunque un altro obiettivo da affrontare, magari con approcci di ingegneria metabolica. Infine, lo studio di una parte del trascrittoma di vite, attraverso l’analisi Microarray, confrontando due fasi interessanti in termini di accumulo di monoterpeni, della maturazione delle bacche in due cloni della cultivar Chardonnay (aromatico e non), ci ha permesso di identificare alcuni pathway metabolici implicati nel normale sviluppo delle bacche, ma coinvolti anche nella regolazione della trascrizione dell’RNA, nel trasporto, nel metabolismo secondario (in particolare la via di biosintesi di fenilpropanoidi e lignine), nella formazione della parete cellulare ed infine nella risposta agli stress. Questo ci ha permesso di definire un set di geni candidati su cui varrà la pena approfondire gli studi futuri. Dalle informazioni prodotte finora, sono stati generati marcatori del DNA con elevate capacità predittive che possono essere già applicati alla selezione dei semenzali in programmi di miglioramento genetico per le qualità aromatiche di varietà da vino o da tavola. Altre possibili ricadute di questo studio si intravedono per il settore viti-enologico, per esempio, nello sviluppo di test diagnostici dello stato metabolico delle uve in vigneto o in cantina e nel suggerimento di nuove pratiche colturali ed enologiche che garantiscano l’espressione elevata e costante del potenziale aromatico delle uve.