Modifications of grape berry metabolism in response to Botrytis cinerea infection

Abstract

Botrytis cinerea is a necrotrophic fungus responsible for the grapevine gray mold, a disease that causes great productivity losses. However, in certain microclimate conditions, this fungus can cause noble rot, a type of infection that leads to the production of high-quality sweet wines. During noble rot, several morphological, metabolic, and molecular alterations occur in the grape berry. In infected berries, the concentration of several metabolites, such as sugars and organic acids, suffer great alterations. Additionally, grape berry water content diminishes. These modifications result both from variations in the grape berry metabolism and by the metabolism of Botrytis. In the present work, we studied the effects that noble rot causes in the profile of grape berry sugars and polyols, as well as in the molecular mechanisms involved in polyol transport and metabolism. For this, different biochemical and molecular approaches were used, such as the quantification of solutes by HPLC, transcriptional analyses by qPCR and the determination of polyol metabolism enzyme activities. We observed a slight reduction in the concentration of sucrose, glucose, and fructose in infected grape berries, and also a reduction of the glucose/fructose ratio. Contrarily, the concentration of the polyols mannitol and sorbitol increased in infected grape berries. Moreover, we observed an increase in the transcript abundance of VvMTD1, a gene that encodes for a mannitol dehydrogenase, an enzyme that reversibly catabolizes mannitol, together with a sharp decline in the expression profile of VvPLT1 (that encodes for a plasma membrane mannitol transporter). Furthermore, an increase in the enzymatic activity of VvMTD towards mannitol catabolism was observed. Together, our results indicate an increase in the catabolism of mannitol and a reduction in the uptake capacity of this polyol towards the cell, suggesting a defensive action by VvMTD in the plant-response against the pathogen agent.

Botrytis cinerea é um fungo necrotrófico responsável pela “podridão cinzenta”, uma doença que causa enormes perdas e diminuição na produtividade em culturas de videira. No entanto, em condições microclimáticas particulares, este fungo pode causar “podridão nobre”, um tipo de infeção que leva à produção de vinhos doces de alta qualidade. Durante a podridão nobre, várias alterações morfológicas, metabólicas e moleculares acontecem no bago da uva. Nos bagos infetados, a concentração de vários metabolitos, tais como açúcares e ácidos orgânicos, sofre grandes alterações, diminuindo também o conteúdo em água dos bagos da uva infetados. Estas alterações nos solutos existentes no bago de uva resultam tanto de modificações no metabolismo do bago da uva como da ação do metabolismo da Botrytis. No presente trabalho pretendeu-se estudar os efeitos da podridão nobre no perfil de açúcares e polióis do bago da uva, assim como nos mecanismos moleculares envolvidos no transporte e metabolismo dos polióis. Para tal, várias abordagens bioquímicas e moleculares foram usadas, tais como a quantificação de solutos por HPLC, análises transcricionais por qPCR e a determinação de atividades enzimáticas do metabolismo dos polióis. Observamos uma diminuição na concentração de sacarose, glucose e frutose em bagos de uva infetados por Botrytis, juntamente com uma pequena diminuição no rácio glucose/frutose. Contrariamente, a concentração dos polióis manitol e sorbitol aumentou em bagos infetados. Juntamente, observamos um aumento da abundância dos transcritos do VvMTD1 (gene que codifica para a manitol desidrogenase, enzima que cataboliza, reversivelmente, o manitol) juntamente com uma diminuição muito acentuada do VvPLT1 (gene que codifica para um transportador de manitol da membrana plasmática). Determinamos ainda um aumento da atividade enzimática da VvMTD no sentido do catabolismo do manitol. Conjuntamente, os resultados apontam para um aumento do catabolismo do manitol e para uma diminuição da capacidade de transporte deste para as células, sugerindo uma ação defensiva por parte da VvMTD na resposta da planta ao agente patogénico.