Genomic characterization of Portuguese grapevine varieties

Abstract

Grapevine (Vitis vinifera ssp. sativa) is the most cultivated fruit crop in the world. However, extensive breeding programs and vegetative propagation of Vitis vinifera have lead to a reduction in the existing genetic diversity. Its wild ancestor, Vitis vinifera ssp. sylvestris, represents an invaluable genetic resource for the improvement of cultivated grapevines, and can be the key for the discovery of its domestication history. It is commonly assumed that grapevine was first domesticated in the Near East and gradually moved towards the Eastern Mediterranean Basin and Western Europe. However, recent data suggest multi-local domestication of grapevine, and the Iberian Peninsula stands as a plausible local where a grapevine domestication event occurred. Here, we present the first genome-wide approach to address whether the Iberian Peninsula was also a center of grapevine domestication. Genomic DNA extraction of 22 grapevine samples – Portuguese and international (non-Iberian), Portuguese sylvestris and non-vinifera Vitis sp. – was performed, culminating in an optimized protocol to extract genomic DNA from grapevine leaves for high throughput sequencing. CIBIO’s Illumina HiSeq sequencer was used to sequence all the samples. Reads were mapped to a reference genome, and genotype likelihood calling was performed for population structure analysis. Results indicate that three Portuguese varieties – Alvarinho, Melhorio and Espadeiro – may have introgression of wild genomic DNA, suggesting that these varieties may have suffered crossing with local wild populations during their domestication. Traditionally, genome wide studies require the sequencing of several genotypes with each of the phenotypes for the trait in study, which can be expensive and labour intensive. Pool-Seq emerges as a cost-effective alternative, where the genomic DNA of the genotypes is bulked and sequenced using the same library. To investigate which genes were responsible for the grapevine berry color by detection of selective sweep presence, we conducted an analysis of the Pool-Seq data of four different grapevine varieties, and subsequent di statistics for red versus white-skinned berry grapevines. Custom scripts in Python were written to analyze and simplify most of the generated data, and Circos was employed to graphically visualize the data. During this analysis, one COP1 ortholog in grapevine emerged as candidate gene for anthocyanin biosynthesis signaling in this species. Preliminary in silico phylogenetic and protein structure analysis were carried out as an attempt to extrapolate whether its function remains conserved in relation to its Arabidopsis ortholog.

A videira (Vitis vinifera ssp. sativa) é a planta de fruto mais cultivada no mundo. No entanto, os programas de reprodução extensiva e a propagação vegetativa de Vitis vinifera levaram à redução da diversidade genética existente. O seu ancestral selvagem, Vitis vinifera ssp. sylvestris, representa um recurso genético de grande valor para o melhoramento de videiras cultivadas, e pode ser a chave para a descoberta da sua história de domesticação. Assume-se que a videira foi primeiramente domesticada no Próximo-Oriente e gradualmente transmitida para a Bacia do Mediterrâneo Oriental e para a Europa Ocidental. No entanto, estudos recentes sugerem uma domesticação multi-local desta espécie, e a Península Ibérica destaca-se como um local plausível onde eventos de domesticação da videira ocorreram. Neste estudo apresentamos a primeira abordagem com resolução ao nível do genoma todo, para averiguar se a Península Ibérica foi também um centro de domesticação da videira. Procedeu-se à extração de DNA genómico de 22 amostras de videira – portuguesa e internacional (não ibérica), sylvestris portuguesa e Vitis sp. não-vinifera – culminando num protocolo otimizado para extrair DNA genómico de folhas de videira para sequenciação de nova geração (next-generation sequencing). O sequenciador Illumina HiSeq do CIBIO foi utilizado para sequenciar todas as amostras. As sequenciações resultantes foram mapeadas contra o genoma de referência, e a genotipagem efetuada foi utilizada na análise da estrutura da população. Os resultados indicam que três variedades portuguesas – Alvarinho, Melhorio e Espadeiro – poderão ter sofrido introgressão com DNA genómico selvagem, pelo que se sugere que estas variedades possam ter sofrido cruzamentos com populações de videira selvagem locais durante a sua domesticação. Tradicionalmente, estudos ao nível do genoma completo necessitam da sequenciação individual de vários genótipos apresentando os fenótipos da característica em estudo, o que se pode tornar dispendioso e trabalhoso. O Pool-Seq emerge como uma alternativa economicamente mais viável, em que o DNA genómico dos diferentes genótipos é misturado e sequenciado na mesma biblioteca. Para investigar quais os genes responsáveis pela cor da uva por deteção da presença de eventos de seleção, conduzimos uma análise dos dados de Pool-Seq de quatro variedades de videira diferentes, e subsequente estatística di para a cor tinta versus branca da uva. Código em linguagem Python foi escrito para analisar e simplificar grande parte dos dados gerados, e o programa Circos foi utilizado para visualizar graficamente os dados. Durante a análise, um ortólogo de COP1 em videira surgiu como um gene candidato para a sinalização da biossíntese de antocianinas nesta espécie. Foram realizados estudos preliminares in silico sobre a filogenia e estrutura da proteína, no sentido de extrapolar se a sua função permanece conservada em relação ao ortólogo em Arabidopsis.