Le concept Terroir Interprété par Grape Berry métabolomique et transcriptomique
Summary
Cet article décrit l'application de la métabolomique untargeted, transcriptomique et analyse statistique multivariée à raisin transcriptions de baies et de métabolites, afin de mieux comprendre le concept de terroir, à savoir, l'impact de l'environnement sur les caractéristiques de qualité des baies.
Abstract
Terroir se réfère à la combinaison de facteurs environnementaux qui influent sur les caractéristiques des cultures telles que la vigne (Vitis vinifera) selon des habitats particuliers et les pratiques de gestion. Cet article montre comment certaines signatures du terroir peuvent être détectés dans le métabolome de baies et de transcriptome du Corvina vigne cultivar en utilisant une analyse statistique multivariée. La méthode nécessite d'abord un plan d'échantillonnage approprié. Dans cette étude de cas, un clone spécifique du cultivar Corvina a été choisi pour minimiser les différences génétiques, et des échantillons ont été prélevés dans sept vignobles représentant trois macro-zones différentes au cours de trois saisons de croissance différents. Une LC-MS approche untargeted métabolomique est recommandé en raison de sa sensibilité élevée, accompagnée d'un traitement efficace des données en utilisant un logiciel MZmine et une stratégie d'identification des métabolites basée sur l'analyse de l'arbre de la fragmentation. l'analyse du transcriptome global peut être réalisé en utilisant microarraysLes sondes contenant couvrant ~ 99% de tous les gènes de la vigne prédites, ce qui permet l'analyse simultanée de tous les gènes exprimés de manière différentielle dans le contexte des différents terroirs. Enfin, l'analyse des données multidimensionnelles sur la base de méthodes de projection peut être utilisé pour surmonter l'effet fort spécifiques vintage, permettant aux métabolomique et les données de transcriptomique à être intégrées et analysées en détail pour identifier les corrélations informatives.
Introduction
l'analyse de données à grande échelle basée sur les génomes, transcriptome, protéome et métabolomes de plantes fournit un aperçu sans précédent dans le comportement de systèmes complexes, tels que les caractéristiques du terroir de vin qui reflètent les interactions entre les plantes de la vigne et de leur environnement. Parce que le terroir d'un vin peut être distinct même lorsque des clones de vigne identiques sont cultivées dans différents vignobles, l'analyse génomique est de peu d'utilité parce que les génomes clonales sont identiques. Au lieu de cela, il est nécessaire d'examiner les corrélations entre l'expression génique et les propriétés métaboliques des baies, qui déterminent les caractéristiques de qualité du vin. L'analyse de l'expression des gènes au niveau des transcriptome bénéficie des propriétés chimiques similaires de tous les relevés de notes, ce qui facilite l'analyse quantitative en exploitant des caractéristiques universelles telles que l'hybridation à des sondes immobilisées sur des microréseaux. En revanche, les méthodes d'analyse universelles en protéomique unend métabolomique sont plus difficiles en raison de la grande diversité physique et chimique des protéines et des métabolites individuels. Dans le cas de la métabolomique cette diversité est encore plus extrême parce que les métabolites individuels diffèrent considérablement en taille, la polarité, l'abondance et la volatilité, donc pas de processus d'extraction unique ou méthode analytique offre une approche holistique.
Parmi les plates-formes d'analyse appropriées pour les métabolites non volatils, ceux basés sur la chromatographie liquide à haute performance couplée à la spectrométrie de masse (HPLC-MS) sont beaucoup plus sensibles que des alternatives telles que HPLC avec ultraviolets ou diodes détecteurs matriciels (HPLC-UV, HPLC-DAD ) ou par résonance magnétique nucléaire (RMN), mais une analyse quantitative par HPLC-MS peut être influencée par des phénomènes tels que l'effet de la matrice et la suppression d'ions / amélioration 1-3. L'enquête de ces effets lors de l'analyse des Corvina baies de raisin par HPLC-MS en utilisant une source d'ionisation électrospray (HPLC-ESI-MS), a montré que les sucres et d'autres molécules avec des temps les plus faibles de rétention ont été fortement sous-déclarées, reflétant probablement aussi le grand nombre de molécules dans cette zone, et que l'abondance d'autres molécules pourrait être sous-estimée, surestimée ou non affecté par l'effet de la matrice , mais la normalisation des données pour l'effet de la matrice semblait avoir un impact limité sur le résultat de 4,5 globale. Le procédé décrit ici est optimisée pour l'analyse des métabolites à moyen polarité qui accumulent à des niveaux élevés dans les baies de raisin pendant la maturation, et qui sont fortement touchée par le terroir. Ils comprennent anthocyanes, flavonols, flavan-3-ols, procyanidines, d'autres flavonoïdes, le resvératrol, les stilbènes, les acides hydroxycinnamiques et les acides hydroxybenzoïques, qui déterminent ensemble la couleur, le goût et les propriétés liées à la santé des vins. D'autres métabolites, tels que les sucres et les acides organiques aliphatiques, sont ignorées parce que la quantification par CLHP-SM est peu fiable en raison de la matrice effect et la suppression d'ions phénomènes 5. Dans la gamme de polarité sélectionnée par cette méthode, l'approche est untargeted en ce qu'il vise à détecter autant de métabolites différents que possible 6.
Méthodes de transcriptomique permettant des milliers de transcriptions de la vigne à surveiller simultanément sont facilitées par la disponibilité de la séquence du génome de la vigne complète 7,8. méthodes de transcriptomique précoces basées sur séquençage à haut débit d'ADNc ont évolué avec l'avènement du séquençage de nouvelle génération dans une collection de procédures collectivement décrites comme la technologie de l'ARN-Seq. Cette approche est en train de devenir la méthode de choix pour les études de transcriptomique. Cependant, un grand corps de la littérature sur la base de microréseaux, qui permettent à des milliers de transcriptions à quantifier en parallèle par hybridation, a accumulé pour la vigne. En effet, avant l'ARN-Seq est devenue une technologie grand public, de nombreuses plates-formes dédiées microarray commerciales avaient étédéveloppé permettant la vigne transcriptome à inspecter en détail. Parmi la grande variété de plates – formes, deux seulement permis l' analyse du transcriptome génome entier 9. La gamme la plus évolué a permis à l'hybridation de jusqu'à 12 échantillons indépendants sur un seul appareil, réduisant ainsi les coûts de chaque expérience. Les 12 sous-réseaux constitués chacun 135.000 sondes 60-mères représentant 29,549 transcrits de la vigne. Ce dispositif a été utilisé dans un grand nombre d'études 10-24. Ces deux plates – formes ont été abandonnées , mais un nouveau microréseau personnalisé a été récemment conçu et représente un développement plus récent , car il contient un plus grand nombre de sondes représentant des gènes de la vigne nouvellement découverts supplémentaires 25.
Les ensembles de données de grande vente produites par la transcriptomique et la métabolomique analyse nécessitent des méthodes statistiques appropriées pour l'analyse des données, y compris des techniques multivariées pour déterminer les corrélations entre forme différentes de données. Les techniques multivariées les plus utilisées sont celles basées sur la projection, et ceux – ci peuvent être sans surveillance, comme analyse en composantes principales (ACP), ou supervisé, comme projection orthogonale bidirectionnel à des structures latentes analyse discriminante (O2PLS-DA) 26. Le protocole présenté dans cet article utilise PCA pour l'analyse exploratoire des données et O2PLS-DA pour identifier les différences entre les groupes d'échantillons.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cet article décrit les métabolomique, de la transcriptomique et des protocoles d'analyse statistiques utilisées pour interpréter la notion de terroir baie de raisin. Analyse métabolomique par HPLC-ESI-SM est suffisamment sensible pour détecter un grand nombre de métabolites simultanément, mais la quantification relative est affectée par l'effet de la matrice et la suppression d'ions / amélioration. Cependant, une approche similaire a déjà été utilisé pour décrire la maturation et de dépéris…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work benefited from the networking activities coordinated within the EU-funded COST ACTION FA1106 “An integrated systems approach to determine the developmental mechanisms controlling fleshy fruit quality in tomato and grapevine”. This work was supported by the ‘Completamento del Centro di Genomica Funzionale Vegetale’ project funded by the CARIVERONA Bank Foundation and by the ‘Valorizzazione dei Principali Vitigni Autoctoni Italiani e dei loro Terroir (Vigneto)’ project funded by the Italian Ministry of Agricultural and Forestry Policies. SDS was financed by the Italian Ministry of University and Research FIRB RBFR13GHC5 project “The Epigenomic Plasticity of Grapevine in Genotype per Environment Interactions”.
Materials
| Mill Grinder | IKA | IKA A11 basic | |
| HPLC Autosampler | Beckman Coulter | - | System Gold 508 Autosampler |
| HPLC System | Beckman Coulter | - | System Gold 127 Solvent Module HPLC |
| C18 Guard Column | Grace | - | Alltima HP C18 (7.5×2.1mm; 5μm) Guard Column |
| C18 Column | Grace | - | Alltima HP C18 (150×2.1mm; 3μm) Column |
| Mass Spectometer | Bruker Daltonics | - | Bruker Esquire 6000; The mass spectometer was equipped with an ESI source and the analyzer was an ion trap. |
| Extraction solvents and HPLC buffers | Sigma | 34966 | Methanol LC-MS grade |
| Sigma | 94318 | Formic acid LC-MS grade | |
| Sigma | 34967 | Acetonitrile LC-MS grade | |
| Sigma | 39253 | Water LC-MS grade | |
| Minisart RC 4 Syringe filters (0.2 μm) | Sartorius | 17764 | |
| Softwares for data collection (a) and processing (b) | Bruker Daltonics | – | Bruker Daltonics Esquire 5.2 Control (a); Esquire 3.2 Data Analysis and MzMine 2.2 softwares (b) |
| Spectrum Plant Total RNA kit | Sigma-Aldrich | STRN250-1KT | For total RNA extractino from grape pericarps |
| Nanodrop 1000 | Thermo Scientific | 1000 | |
| BioAnalyzer 2100 | Agilent Technologies | G2939A | |
| RNA 6000 Nano Reagents | Agilent Technologies | 5067-1511 | |
| RNA Chips | Agilent Technologies | 5067-1511 | |
| Agilent Gene Expression Wash Buffer 1 | Agilent Technologies | 5188-5325 | |
| Agilent Gene Expression Wash Buffer 2 | Agilent Technologies | 5188-5326 | |
| LowInput QuickAmp Labeling kit One-Color | Agilent Technologies | 5190-2305 | |
| Kit RNA Spike In – One-Color | Agilent Technologies | 5188-5282 | |
| Gene Expression Hybridization Kit | Agilent Technologies | 5188-5242 | |
| RNeasy Mini Kit (50) | Qiagen | 74104 | For cRNA Purification |
| Agilent SurePrint HD 4X44K 60-mer Microarray | Agilent Technologies | G2514F-048771 | |
| eArray | Agilent Technologies | – | https://earray.chem.agilent.com/earray/ |
| Gasket slides | Agilent Technologies | G2534-60012 | Enable Agilent SurePrint Microarray 4-array Hybridization |
| Thermostatic bath | Julabo | – | |
| Hybridization Chamber | Agilent Technologies | G2534-60001 | |
| Microarray Hybridization Oven | Agilent Technologies | G2545A | |
| Hybridization Oven Rotator Rack | Agilent Technologies | G2530-60029 | |
| Rotator Rack Conversion Rod | Agilent Technologies | G2530-60030 | |
| Staining kit | Bio-Optica | 10-2000 | Slide-staining dish and Slide rack |
| Magnetic stirrer device | AREX Heating Magnetic Stirrer | F20540163 | |
| Thermostatic Oven | Thermo Scientific | Heraeus – 6030 | |
| Agilent Microarray Scanner | Agilent Technologies | G2565CA | |
| Scanner Carousel, 48-position | Agilent Technologies | G2505-60502 | |
| Slide Holders | Agilent Technologies | G2505-60525 | |
| Feature extraction software v11.5 | Agilent Technologies | – | inside the Agilent Microarray Scanner G2565CA |
| SIMCA + V13 Software | Umetrics |
Riferimenti
- Jessome, L. L., Volmer, D. A. Ion suppression: A major concern in mass spectrometry. Lc Gc N Am. 24 (5), 498-510 (2006).
- Kim, H. K., Choi, Y. H., Verpoorte, R. NMR-based plant metabolomics: where do we stand, where do we go?. Trends Biotech. 29 (6), 267-275 (2011).
- Sumner, L. W., Mendes, P., Dixon, R. A. Plant metabolomics: large-scale phytochemistry in the functional genomics era. Phytochem. 62 (6), 817-836 (2003).
- Bottcher, C., von Roepenack-Lahaye, E., Willscher, E., Scheel, D., Clemens, S. Evaluation of matrix effects in metabolite profiling based on capillary liquid chromatography electrospray ionization quadrupole time-of-flight mass spectrometry. Anal Chem. 79 (4), 1507-1513 (2007).
- Toffali, K., et al. Novel aspects of grape berry ripening and post-harvest withering revealed by untargeted LC-ESI-MS metabolomics analysis. Metabolomics. 7 (3), 424-436 (2011).
- Martin, J. C., et al. Can we trust untargeted metabolomics? Results of the metabo-ring initiative, a large-scale, multi-instrument inter-laboratory study. Metabolomics. 11 (4), 807-821 (2015).
- Jaillon, O., et al. The grapevine genome sequence suggests ancestral hexaploidization in major angiosperm phyla. Nature. 449 (7161), 463-467 (2007).
- Velasco, R., et al. A high quality draft consensus sequence of the genome of a heterozygous grapevine variety. Plos One. 2 (12), (2007).
- Tornielli, G. B., Zamboni, A., Zenoni, S., Delledonne, M., Pezzotti, M., Gerós, H., Chaves, M., Delrot, S. Ch. 11. The Biochemestry of the Grape Berry. 11, (2012).
- Anesi, A., et al. Towards a scientific interpretation of the terroir concept: plasticity of the grape berry metabolome. BMC Plant Biol. 15, 1-17 (2015).
- Berdeja, M., et al. Water limitation and rootstock genotype interact to alter grape berry metabolism through transcriptome reprogramming. Hort Res. 2, 1-13 (2015).
- Carbonell-Bejerano, P., et al. Solar ultraviolet radiation is necessary to enhance grapevine fruit ripening transcriptional and phenolic responses. BMC Plant Biol. 14, 1-16 (2014).
- Carbonell-Bejerano, P., et al. Reducing sampling bias in molecular studies of grapevine fruit ripening: transcriptomic assessment of the density sorting method. Theor Exp Plant Phys. 28 (1), 109-129 (2016).
- Carbonell-Bejerano, P., et al. Circadian oscillatory transcriptional programs in grapevine ripening fruits. BMC Plant Biol. 14, 1-15 (2014).
- Cavallini, E., et al. Functional diversification of grapevine MYB5a and MYB5b in the control of flavonoid biosynthesis in a petunia anthocyanin regulatory mutant. Plant & Cell Physiol. 55 (3), 517-534 (2014).
- Cramer, G. R., et al. Transcriptomic analysis of the late stages of grapevine (Vitis vinifera cv. Cabernet Sauvignon) berry ripening reveals significant induction of ethylene signaling and flavor pathways in the skin. BMC Plant Biol. 14, 1-21 (2014).
- Dal Santo, S., et al. The plasticity of the grapevine berry transcriptome. Genome Biol. 14 (6), 1-17 (2013).
- Fasoli, M., et al. The Grapevine Expression Atlas Reveals a Deep Transcriptome Shift Driving the Entire Plant into a Maturation Program. Plant Cell. 24 (9), 3489-3505 (2012).
- Gambino, G., et al. Co-evolution between Grapevine rupestris stem pitting-associated virus and Vitis vinifera L. leads to decreased defence responses and increased transcription of genes related to photosynthesis. J Exp Bot. 63 (16), 5919-5933 (2012).
- Ghan, R., et al. Five omic technologies are concordant in differentiating the biochemical characteristics of the berries of five grapevine (Vitis vinifera L.) cultivars. BMC Genomics. 16 (1), 1-26 (2015).
- Pastore, C., et al. Selective defoliation affects plant growth, fruit transcriptional ripening program and flavonoid metabolism in grapevine. BMC Plant Biol. 13, 1-13 (2013).
- Pastore, C., et al. Increasing the source/sink ratio in Vitis vinifera (cv Sangiovese) induces extensive transcriptome reprogramming and modifies berry ripening. BMC Genomics. 12, 1-23 (2011).
- Rinaldo, A. R., et al. A Grapevine Anthocyanin Acyltransferase, Transcriptionally Regulated by VvMYBA, Can Produce Most Acylated Anthocyanins Present in Grape Skins. Plant Physiol. 169 (3), 1897-1916 (2015).
- Royo, C., et al. Developmental, transcriptome, and genetic alterations associated with parthenocarpy in the grapevine seedless somatic variant Corinto bianco. J Exp Bot. , 259-273 (2015).
- Venturini, L., et al. De novo transcriptome characterization of Vitis vinifera cv. Corvina unveils varietal diversity. BMC Genomics. 14, 1-13 (2013).
- Commisso, M., Strazzer, P., Toffali, K., Stocchero, M., Guzzo, F. Untargeted metabolomics: an emerging approach to determine the composition of herbal products. Comput Struct Biotechnol J. 4, 1-7 (2013).
- Pluskal, T., Castillo, S., Villar-Briones, A., Oresic, M. MZmine 2: Modular framework for processing, visualizing, and analyzing mass spectrometry-based molecular profile data. BMC Bioinformatics. 11, 1-11 (2010).
- Ashburner, M., et al. Gene Ontology: tool for the unification of biology. Nat Genet. 25 (1), 25-29 (2000).
