Metabolic response of vitis vinifera and interspecific vitis sp. varieties to heat stress, water deficit and combined stress, using a metabolomic approach

Abstract

As greenhouse gas emissions continue to rise, climate projections indicate an increased likelihood of heat waves and drier conditions in Canada. These changes pose significant challenges to grapevine cultivation, particularly during critical growth stages such as new plantings. Interspecific hybrid grape varieties, developed through different breeding programs that combine Vitis vinifera with more robust species like V. riparia and V. labrusca varieties, are often touted for their potential resilience to environmental stress. As hybrids are initially bred for harsh climates, assumptions are that they possess a higher capacity to withstand environmental stress compared to V. vinifera varieties. However, many aspects of this assumption remain to be investigated. To address this gap, we compared the metabolic responses of young Vitis vinifera varieties Cabernet franc and Riesling, as well as interspecific Vitis hybrids Vidal and Marquette, under heat stress, mild water deficit, and a combination of both, relative to a control. Leaves were sampled after 21 days, extracted using methyl-tert-butyl-ether, methanol and chloroform and analyzed by LC-MS/MS, using an untargeted metabolomics approach. Data were processed using the Compound Discoverer software. Metabolomics analyses revealed over 200 metabolites, including amino acids, phenolics, and sugars, and 50 to 70 metabolites showed significant increases compared to the control condition. Heat stress elicited the most pronounced response across all varieties. On the other side, the combined stress scenario produced contrasting results. For instance, in Cabernet franc, most metabolites were upregulated by heat stress and further increased under combined stress. In contrast, Marquette displayed a dampening effect, as most metabolites upregulated by heat stress showed a lower response under combined stress. These results suggest that Marquette and Vidal might employ different stress mitigation strategies compared to Cabernet franc when facing combined stress. This could indicate a higher level of resilience in these hybrid varieties, a promising finding for adapting to a future marked by climate change.

Étude de la réponse de variétés vitis vinifera et hybrides interspécifiques au stress thermique, au déficit hydrique et à des stress combinés par une approche métabolomique

Les projections climatiques actuelles en lien avec l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre indiquent une probabilité accrue de vagues de chaleur et de conditions plus sèches au Canada. Ces changements posent des défis importants à la culture de la vigne, en particulier pendant certains stades critiques de croissance, notamment chez les jeunes plants. Les cépages hybrides interspécifiques issus de croisements entre des cépages vitis vinifera et des espèces plus robustes telles que v. Riparia et v. Labrusca sont souvent vantés pour leur résilience accrue aux stress environnementaux. En effet, comme les hybrides sont initialement sélectionnés pour des climats difficiles, on suppose qu’ils possèdent une plus grande capacité à supporter le stress environnemental par rapport aux cépages v. Vinifera. Cependant, de nombreux aspects de cette hypothèse restent à valider. Dans cette optique, nous avons comparé la réponse métabolique de jeunes plants de vitis vinifera (cabernet franc et riesling) et d’hybrides interspécifiques (vidal et marquette) soumis à un stress thermique, à un déficit hydrique modéré et à une combinaison des deux, par rapport à un contrôle. Les feuilles ont été prélevées après 21 jours, extraites à l’aide de méthyl-tert-butyl-éther, de méthanol et de chloroforme, puis analysées par lc-ms/ms, en utilisant une approche métabolomique non ciblée. Les données ont été traitées à l’aide du logiciel compound discoverer.  Les analyses métabolomiques ont révélé plus de 200 métabolites, dont des acides aminés, des phénols et des sucres. De 50 à 70 métabolites ont montré des augmentations significatives par rapport au contrôle. Le stress thermique a provoqué la réponse la plus prononcée chez toutes les variétés. En revanche, le scénario de stress combinés a produit des résultats contrastés. Par exemple, chez le cabernet franc, la plupart des métabolites régulés à la hausse par le stress thermique ont encore augmenté sous l’effet des stress combinés. Au contraire, marquette, vidal et riesling ont montré un effet d’atténuation, car la plupart des métabolites régulés à la hausse par le stress thermique ont montré une réponse plus faible sous l’effet des stress combinés. Ces résultats suggèrent que marquette et vidal pourraient employer des stratégies différentes d’atténuation du stress par rapport au cabernet franc lorsqu’ils sont confrontés à des stress combinés. Cela pourrait aussi indiquer un niveau de résilience plus élevé chez ces variétés hybrides, un résultat prometteur pour l’adaptation de la viticulture aux changements climatiques.

Stoffwechselreaktion von vitis vinifera und interspezifischen vitis sp. Sorten auf hitzestress, wassermangel und kombinierten stress unter verwendung eines metabolomischen ansatzes

Da die treibhausgasemissionen weiter steigen, deuten klimaprojektionen auf eine zunehmende wahrscheinlichkeit von hitzewellen und trockeneren bedingungen in kanada hin. Diese veränderungen stellen erhebliche herausforderungen für den weinbau dar, insbesondere während kritischer wachstumsphasen wie bei neuanpflanzungen. Interspezifische hybrid-rebsorten, die durch verschiedene zuchtprogramme entwickelt wurden und vitis vinifera mit robusteren arten wie v. Riparia und v. Labrusca kombinieren, werden oft wegen ihrer potenziellen widerstandsfähigkeit gegen umweltstress gelobt. Da hybride ursprünglich für raue klimazonen gezüchtet werden, wird angenommen, dass sie eine höhere kapazität besitzen, umweltstress im vergleich zu v. Vinifera-sorten zu überstehen. Viele aspekte dieser annahme müssen jedoch noch untersucht werden. Um diese lücke zu schließen, verglichen wir die stoffwechselantwort junger vitis vinifera cabernet franc und riesling sowie interspezifischer vitis sp. Vidal und marquette, die hitzestress, leichten wassermangel und eine kombination aus beidem ausgesetzt waren, mit einer kontrollgruppe. Blätter wurden nach 21 tagen entnommen, mit methyl-tert-butylether, methanol und chloroform extrahiert und mittels lc-ms/ms analysiert, wobei eine ungerichtete metabolomik-ansatz verwendet wurde. Die daten wurden mit der compound discoverer-software verarbeitet. Metabolomik-analysen zeigten über 200 metabolite, darunter aminosäuren, phenole und zucker, und 50 bis 70 metabolite zeigten signifikante zunahmen im vergleich zur kontrollbedingung. Hitzestress rief die deutlichste reaktion in allen sorten hervor. Auf der anderen seite lieferte das kombinierte stressszenario gegensätzliche ergebnisse. Zum beispiel erhöhten sich in cabernet franc die meisten durch hitzestress hochregulierten metabolite unter kombiniertem wasser- und hitzestress weiter. Im gegensatz dazu zeigten marquette, vidal und riesling eine dämpfende wirkung, da die meisten durch hitzestress hochregulierten metabolite unter kombiniertem stress eine geringere reaktion zeigten. Diese ergebnisse legen nahe, dass marquette und vidal möglicherweise unterschiedliche strategien zur stressminderung im vergleich zu cabernet franc bei kombiniertem stress anwenden könnten. Dies könnte auf ein höheres maß an widerstandsfähigkeit bei diesen hybrid-sorten hindeuten, eine vielversprechende erkenntnis für die anpassung an eine zukunft, die vom klimawandel geprägt ist.