Interactive effects of grapevine leafroll associated virus-3 (GLRav-3) and water stress on the gas exchange, water use efficiency, plant hydraulics and metabolism in local grapevine cultivars

Abstract

Worldwide, agriculture production continues to be constrained by a number of abiotic and biotic stresses. In areas with Mediterranean climate, drought events are expected to strengthen in terms of intensity, frequency and duration in the near future. Thus, in this area, soil water deficit is considered the main environmental factor influencing grapevine growth. At the same time, grapevines are highly subjected to different viruses from which Grapevine leafroll associated virus-3 (GLRaV-3) is one of the most widespread ones, provoking considerable economic losses in many vineyards worldwide. The identification of how different stress responses are integrated and how they affects plant growth and physiological traits, is therefore very important to ensure the continuity of vine growing. The first main objective of the present thesis was to study the sanitary status of Majorcan minority grapevines cultivars and to highlight the prevalence of GLRaV-3 in local cultivars. In this sense, the results showed that virus incidence is very high and can rise up (91.75 %) in the local grapevine cultivars conserved in the germplasm collection of the Balearic Islands. Remarkably, GLRaV-3 is the most prevalent virus in this collection (82 %). This situation urges a speedy implementation of the sanitation techniques in order to obtain virus-free certified plants. Hence, two sanitation techniques ―shoot tips culture and thermotherapy in combination with shoot tips culture‖ have been optimized for double and triple viruses‘ eradication from two local cultivars with high enological potential, Argamussa and Gorgollassa. The second main objective was to dissect the effects of virus infection, moderate water stress and its combination on main physiological processes in two local grapevine cultivars, Malvasia de Banyalbufar and Giró Ros. Each of the two studied stresses resulted in a negative effect on leaf gas-exchange parameters. Water stress in non-infected plants (WS-NI) significantly reduced plant growth and net CO2 assimilation (AN) but had only small effect on metabolic changes, indicating that AN changes were mainly constrained by diffusive parameters (stomatal (gs) and mesophyll (gm) conductance‘s). With regard to virus infection under well-watered conditions (WW-VI), the results also revealed that GLRaV-3 impaired AN through diffusional limitations rather than biochemical ones. In this case, stomatal conductance was mainly regulated by changes in hydraulic conductance at leaf level, namely leaf (Kleaf) and petiole (Kpetiole) hydraulic conductance, in which Kpetiole resulted to be the most relevant parameter to be checked when studding the effect of phloemetic viruses in plant hydraulics. Remarkably, the results of this thesis indicate that the combined stress resulted in a detrimental effect on plant growth and physiology; but any additive effect between WS and VI has been highlighted. Moreover, the combination of stresses triggers a specific response at the metabolic level, which was not quantitatively predicted by the sum of each individual stress. The observed changes in primary metabolites were closely associated with respiration metabolisms. Indeed, the specific adjustment of respiratory metabolism (i.e; cysteine, threonine, fumarate and erythronate 1,4-lactone) could potentially explain the maintenance of leaf carbon balance and growth in cultivars studies under combined stress conditions. In the present thesis, we move a step further, by revealing the importance of studding grapevine-virus infection-water stress interactions under field conditions, particularly, in white cultivars where viruses are asymptomatic and difficult to identify. Further research with differents virus concentration and high number of cultivars are needed to confirm if virus effect is concentration dependent and if there is a cultivar-susceptibility difference.

A escala mundial, la producción agrícola sigue estando limitada por una serie de estreses abióticos y bióticos. En las zonas de clima mediterráneo, es muy probable que, en un futuro próximo, la duración, la frecuencia y/o la intensidad de la sequía aumenten. De esta forma, en el mediterráneo, el déficit hídrico se considera el principal factor ambiental limitante del crecimiento de la vid. Al mismo tiempo, el cultivo de la vid está expuesto a diferentes enfermedades provocadas por virus, de los cuales el virus del enrollado 3 (GLRaV-3) es uno de los más extendidos, provocando importantes pérdidas económicas en muchos viñedos de grandes regiones vitícolas de todo el mundo. La identificación de cómo se integran las respuestas de diferentes estreses en la viña y también de cómo están afectando el crecimiento y la fisiología de las plantas es, por tanto, de gran interés para garantizar la continuidad del cultivo de la vid. El primer objetivo de esta tesis es estudiar el estado sanitario de las variedades minoritarios de la vid y destacar la incidencia del GLRaV-3 en las variedades locales de vid. Los resultados obtenidos han puesto de manifiesto que la incidencia de los virus es muy alta (91,75%) en las variedades locales de vid conservadas en la colección de germoplasma de las Islas Baleares. Sorprendentemente, en esta colección, GLRaV-3 es el virus que mostró una mayor incidencia (82%). En este sentido, instamos a la rápida aplicación de técnicas adecuadas de saneamiento para obtener plantas certificadas libres de virus. Por ello, se han optimizado dos técnicas de saneamiento " cultivo in vitro de ápices caulinares y la combinación de termoterapia y cultivo in vitro de ápices caulinares‖ para la erradicación de las infecciones víricas dobles y triples de dos cultivares locales de gran potencial enológico, Argamussa y Gorgollassa. El segundo objetivo principal de esta tesis es explorar los efectos del estrés hídrico, la infección vírica y la combinación de ambos sobre los principales procesos fisiológicos de dos variedades locales de vid, Malvasia de Banyalbufar y Giró Ros. Cada uno de los dos estreses estudiados resultó en un efecto negativo sobre los parámetros de intercambio gaseoso foliar. El estrés hídrico in plantas sanas (WS-NI) redujo significativamente el crecimiento de las plantas y la asimilación neta de CO2 (AN), pero solo demostró tener un efecto reducido sobre los niveles metabólicos, indicando en este caso, que los cambios de AN durante el WS se ven limitados por factores difusivos (la conductancia estomática (gs) y del mesofilo (gm)). Respecto a las plants infectadas en condiciones de riego (WW-VI) las correlaciones obtenidas entre los parámetros fisiológicos (AN, gs y gm), la concentración de virus y los metabolitos sugiere firmemente que el GLRaV-3 afecta a la AN mediante limitaciones difusivas más que bioquímicas. En este caso, la conductancia estomática fue regulada principalmente por la conductancia hidráulica a nivel foliar, concretamente conductancia hidráulica de hoja (Kleaf) y pecíolo (Kpetiole). En este trabajo, Kpetiole resultó ser el parámetro más relevante para estudiar el efecto de los virus sistémicos de tipo floemático sobre la hidráulica de la planta. Notablemente, los resultados de esta tesis indican que el estrés combinado tuvo un efecto negativo sobre el crecimiento y la fisiología de la vid; pero no se destacó ninguna interacción entre WS y VI. Por el contrario, la combinación de los dos estreses subrayó una respuesta específica a nivel metabólico, no pudiéndose predecir cuantitativamente este efecto en base a la suma de cada uno de ellos. Los cambios observados en los metabolitos primarios se asociaron estrechamente con el metabolismo respiratorio. De hecho, el ajuste específico del metabolismo respiratorio (-i.e, cisteína, treonina, fumarato y eritronato 1,4-lactona) podría explicar potencialmente el mantenimiento del balance de carbono foliar y el crecimiento de las variedades estudias bajo condiciones de estrés combinado. En la presente tesis, hemos revelado la importancia de estudiar las interacciones vid-virus-estrés hídrico en condiciones de campo, particularmente en las variedades blancas donde las infecciones son asintomáticas y difíciles de identificar. Para completar este trabajo, sería interesante realizar un experimento con diferentes concentraciones de virus en un mayor número de cultivares y así confirmar si el efecto del virus depende de la concentración y/o si hay una diferencia en la susceptibilidad entre los cultivares.

Actualment, la producció agrícola mundial es troba limitada per una sèrie d‘estressos abiòtics i biòtics. A les zones de clima Mediterrani, s'espera que en un futur pròxim els esdeveniments de sequera siguin encara de major importància en termes d'intensitat, freqüència i durada. Per tant, en aquestes zones, el dèficit hídric és considerat com el principal factor ambiental capaç d‘afectar el creixement de la vinya. A més, la vinya es troba altament sotmesa a diferents virus, entre els quals, Grapevine leafroll-associated virus-3 (GLRaV-3) és un dels més estesos, provocant pèrdues econòmiques considerables a moltes vinyes d‘arreu del món. La identificació de com les diferents respostes a l‘estrès es troben integrades a la vinya i de com aquestes afecten el creixement i la fisiologia de les plantes és, per tant, de gran interès per a garantir la continuïtat del cultiu de la vinya. El primer objectiu d‘aquesta tesi tracta d‘estudiar l'estat sanitari dels cultivars minoritaris de vinya a Mallorca i destacar la prevalença a la vinya del virus GLRaV-3. Aquest estudi demostra una incidència d'infeccions víriques simples i múltiples (91,75%) molt alta en els cultivars locals de vinya, actualment conservats a la col·lecció de germoplasma de les Illes Balears. Sorprenentment, GLRaV-3 és el virus que més predomina en aquesta col·lecció (82%). Aquest resultat impulsa la necessitat d'una aplicació dràstica de tècniques de sanejament per tal d'obtenir plantes certificades lliures de virus. En aquest treball, s'han optimitzat dues tècniques de sanejament ―shoot tips culture and thermotherapy in combination with shoot tips culture‖ per a l'eradicació de virus dobles i triples a dos cultivars locals amb alt potencial enològic, Argamussa i Gorgollassa. El segon objectiu principal d‘aquesta tesi és estudiar els efectes de la infecció vírica, l'estrès hídric moderat i la seva combinació sobre els principals paràmetres fisiològics a dues varietats locals de vinya, Malvasia de Banyalbufar i Giró Ros. Cada un dels estressos estudiats, va resultar en un efecte negatiu sobre l'intercanvi de gasos a nivell foliar. L'estrès hídric a plantes sanes (WS-NI) va reduir de manera significativa el creixement de les plantes i l'assimilació neta al CO2 (AN), en canvi, sols va afectar lleugerament els canvis metabòlics, el que indicà que canvis sobre la AN durant l‘estrès hídric foren principalment deguts a les limitacions sofertes sobre determinats paràmetres difusius, com son la conductància estomàtica (gs) i la conductància del mesòfil (gm). A les plantes infectades per virus i cultivades sota condicions de reg (WW-VI), s‘obtingueren correlacions significatives entre els paràmetres fisiològics (AN, gs i gm), la concentració de virus i la presència de metabòlits. Aquestes correlacions varen desvelar que la presència de GLRaV-3 afectà la AN a través de limitacions difusives i no bioquímiques. En aquest cas, la conductància estomàtica es regí principalment pels canvis en la conductància hidràulica a nivell de la fulla (Kleaf) i el pecíol (Kpetiole), essent Kpetiole el paràmetre més rellevant alhora d‘estudiar l'efecte de virus floemàtics sobre el sistema hidràulic de la planta. Cal remarcar que els resultats obtinguts en aquest treball indiquen que la presència d‘un estrès combinat tingué un efecte negatiu sobre el creixement i la fisiologia de la vinya; però en cap cas es destacà una interacció entre WS i VI. Per contra, la combinació d‘ambdós estressos desencadenà una resposta específica a nivell metabòlic, que no va ser quantitativament predita per la suma dels dos. Els canvis observats en els metabòlits primaris varen resultar estar estretament associats amb el metabolisme respiratori. De fet, l'ajust específic del metabolisme respiratori (és a dir, cisteïna, treonina, fumarat i eritronat 1,4-lactona) podria explicar el manteniment de l'equilibri entre el balanç de carboni i el creixement en els dos cultivars estudiats. En el present treball, s‘ha avançat en quant a revelar quant d‘important és l‘estudi de les interaccions virus-estrès hídric a la vinya en condicions de camp, en particular, en els cultivars de raïm blancs on els efectes del virus són asimptomàtics i més difícils d'identificar. En un futur, es necessitaria aprofundir en aquest camp mitjançant la realització d‘estudis addicionals amb diferents concentracions víriques i un major nombre de cultivars per a ser capaços de confirmar si l'efecte del virus sobre la vinya depèn de la seva concentració i si cada cultivar presenta diferent susceptibilitat a la presència del virus.