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Ciencia y Tecnología Otros artículos científicos  

Diversidad y complejidad de la uva y del vino: qué puede aportar el desciframiento del genoma de la vid

José Miguel Martínez Zapater
Instituto de Ciencias de la Vid y del Vino (ICVV) (CSIC, Universidad de La Rioja, Gobierno de La Rioja)

El vino es un alimento complejo en cuya composición entran a formar parte más de 1000 compuestos distintos, la mayor parte de los cuales procede directamente de la uva.1 Como consecuencia, la elaboración de un vino de calidad requiere una uva en óptimo estado de maduración. La uva es una baya que la vid produce en racimos de maduración heterogénea. En cada baya se pueden diferenciar pulpa, hollejo y semillas con contribuciones muy diferentes para el vino. La pulpa aporta al vino componentes mayoritarios como el agua, los azúcares glucosa y fructosa, que serán transformados en su mayor parte en etanol por las levaduras, y los ácidos orgánicos, fundamentalmente málico y tartárico. El hollejo contribuye con un gran número de compuestos que en su conjunto aportan al vino importantes características varietales. Entre ellos se encuentran compuestos fenólicos como los ácidos hidroxicinámicos, los antocianos o los taninos, y compuestos aromáticos de distintos grupos como los isoprenoides, los tioles o las metoxipirazinas que también pueden encontrarse en la pulpa. Finalmente, las semillas contribuyen fundamentalmente a la composición de taninos de los vinos tintos.2

El desarrollo de la baya presenta dos períodos de crecimiento sigmoidal separados por una fase de latencia en la que no cambia de tamaño.3 La primera fase de crecimiento se basa en una gran actividad de división celular generando toda la estructura de la baya y las semillas. Al final de esta fase, el número de células del fruto está prácticamente establecido y éste entra en una fase de latencia que se romperá con el inicio del envero. Los solutos más importantes que se acumulan durante esta fase de crecimiento son los ácidos orgánicos málico y tartárico. La segunda fase de crecimiento corresponde al proceso de maduración y se inicia con el envero, caracterizado por un ablandamiento y un cambio de color (en las uvas tintas). El crecimiento de la baya durante esta fase puede duplicar su tamaño y se debe a la expansión celular asociada con la acumulación de agua y azucares solubles.3

Factores que determinan la complejidad de la composición de la uva

La concentración de cada una de las moléculas que se acumulan en la baya depende en primer lugar del genotipo de la variedad. El genotipo determina, por ejemplo, que el hollejo de la baya acumule o no antocianos y por lo tanto sea tinta o blanca o que acumule altos niveles de monoterpenos y desarrolle un pronunciado sabor moscatel. Las variedades de vid presentan una gran diversidad genética y pueden ser portadoras de variantes génicas no funcionales que provocan la pérdida de determinadas características. Por ejemplo, en el caso de los antocianos, la mayor parte de las variedades blancas son homocigotas para un alelo de pérdida de función en el gen VvMybA1 que codifica un factor de regulación transcripcional necesario para activar la ruta de síntesis de estos pigmentos (figura 1).4 Desgraciadamente, la relación entre el genotipo varietal y la composición de la baya sólo se ha demostrado en contadas ocasiones hasta el momento.

Figura 1. Racimos de tempranillo tinto y tempranillo blanco. La variedad tinta es heterocigótica para un alelo funcional de VvMybA1 y un alelo nulo portador de una inserción de un retrotransposón que impide su expresión. La variedad blanca apareció como resultado de una mutación espontánea que eliminó el alelo funcional de VvMybA1. [Fotos cortesía de Juana Martínez, del ICVV, Logroño.]

El ambiente y las condiciones de cultivo tienen efectos cuantitativos sobre los procesos de desarrollo y maduración de la baya y sobre la actividad del metabolismo secundario. Así, por ejemplo, la temperatura puede acelerar o ralentizar la síntesis o la degradación de distintas moléculas mediante su efecto en la actividad de reacciones enzimáticas y químicas. También la intensidad y tipo de luz, la disponibilidad de agua o la presencia de patógenos o plagas pueden desencadenar o provocar efectos cuantitativos en distintas rutas del metabolismo secundario. Algunos ejemplos son bien conocidos, como el efecto de la temperatura alta en la metabolización del ácido málico que provoca una reducción de la acidez en climas cálidos o el efecto de la radiación solar en la reducción de los niveles de metoxipirazinas.5 Estos efectos son dependientes del genotipo como puede observarse por el hecho de que unas variedades son más sensibles que otras a determinadas condiciones ambientales.

Por último, la interacción entre el genotipo y el ambiente/sistema de cultivo afecta al desarrollo vegetativo y reproductivo de la planta cada año y tiene efectos importantes en la calidad de la baya y en su aportación al vino. Por ejemplo, la relación hollejo/pulpa influye en la complejidad final del vino. Esta relación depende del volumen de la baya siendo más favorable en bayas pequeñas. El volumen de la baya está directamente relacionado con el número de semillas que a su vez depende de la eficacia de la polinización. Por tanto, el estado de desarrollo de la planta durante el período de floración y las condiciones ambientales y de cultivo afectará al tamaño de las uvas y a la composición del vino. Además, el resultado del proceso de floración afecta también al cuajado y consecuentemente al número de bayas por racimo y a la compacidad de éste que a su vez también influirá en su maduración y en su sensibilidad a enfermedades y plagas del racimo.

En resumen, la complejidad del proceso de desarrollo y maduración de la uva es, en gran parte, responsable de la diversidad y complejidad de los vinos. En esta complejidad participa un componente genético o varietal muy importante y componentes ambientales y de interacción genotipo–ambiente nada despreciables que contribuyen a la variación entre añadas. La heterogeneidad en la maduración de las uvas del mismo racimo, de distintos racimos de la misma cepa y de las cepas del viñedo hace muy difícil determinar cuándo un viñedo se encuentra en su mejor momento de maduración. Por ello conocer la anatomía de la baya, su patrón de desarrollo a nivel celular y tisular, su evolución metabólica y la variación existente entre distintas variedades es primordial para el desarrollo de estrategias racionales de selección de variedades y de manejo del viñedo. Esta información también es necesaria para predecir el comportamiento del viñedo en nuevas condiciones ambientales, por ejemplo ante el cambio climático.

Existe mucha información describiendo la variación en la composición de uvas y mostos de distintas variedades y el efecto de factores ambientales y técnicas de cultivo. Sin embargo, los mecanismos responsables del proceso de desarrollo y maduración de la uva todavía se conocen escasamente y el control genético y molecular de la composición de la uva y de la variación, tanto en composición como en la respuesta a las condiciones ambientales, es prácticamente desconocido.

Expectativas derivadas del desciframiento del genoma de la vid

La secuencia del genoma de la variedad pinot noir 6,7 va a aumentar rápidamente la información disponible sobre el desarrollo y maduración de la uva y sus componentes de variación. El rápido desarrollo de tecnologías de secuenciación con mayor capacidad y menor coste que las utilizadas para pinot noir, permite pensar que, utilizando ésta como referencia, pueda conocerse el genoma de otras variedades en poco tiempo y con costes mil veces inferiores a los millones de euros invertidos en la generación de la secuencia original. Dos variedades de vid elegidas al azar pueden diferir en uno de cada 100 nucleótidos de la secuencia de su genoma 8 (aproximadamente diez veces más de lo que se observa en individuos humanos). Existe, por tanto, una gran variación en la secuencia de los genomas de distintas variedades de vid en paralelo con una gran diversidad fenotípica por ejemplo en la forma, tamaño, color o composición de las uvas. Si pudiéramos conocer las secuencias de los genomas de variedades de vid para las que también conociéramos su variación fenotípica, podríamos asociar estadísticamente estos dos niveles de variación. Por ejemplo, comparando la variación a nivel de secuencia entre variedades con o sin metoxipirazinas podríamos determinar qué cambios de secuencia se asocian con la presencia de estos compuestos. Esta estrategia es la misma en poblaciones humanas se utiliza para identificar qué variantes genéticas pueden ser responsables de determinadas enfermedades. Esta aproximación que puede parecer de ciencia ficción en este momento en viticultura puede estar disponible en los próximos años gracias al esfuerzo en re-secuenciación de genomas que se está emprendiendo en proyectos de investigación tanto en Estados Unidos como en Europa.

Por otra parte, el desarrollo de otras tecnologías «ómicas» y las posibilidades de manejo de gran cantidad de información están aumentando y acelerando enormemente las posibilidades de caracterización de fenómenos biológicos complejos. En este sentido, cabe destacar las posibilidades de conocer, en un momento determinado de la vida de la planta, el perfil de expresión génica (transcriptoma) de un determinado tipo celular, tejido u órgano, su perfil de proteínas (proteoma) o su perfil metabólico (metaboloma) y de esta manera poder abordar el análisis de los efectos de distintas variables ambientales en el proceso de desarrollo de la planta. Los primeros análisis de los cambios en la expresión génica que se producen a lo largo de la maduración de la baya se han publicado ya 9,10 y la tecnología está evolucionando rápidamente con el desarrollo de nuevos GeneChips y de nuevas aplicaciones informáticas.11

Como ejemplo, un análisis de expresión con el nuevo GrapeGen GeneChip (figura 2) permite conocer en un solo experimento el estado de actividad de aproximadamente la mitad de los genes que forman parte del genoma de la vid en un órgano de la planta, en un momento de su desarrollo o como respuesta a un estímulo ambiental.

Figura 2. GeneChip de GrapeGen para el estudio de la expresión génica en vid

Cuando esta información se procesa estadísticamente es posible derivar conclusiones sobre el estado fisiológico o patológico en el que se encuentra el órgano de la planta analizado. En el ejemplo de la figura 3, cuando se comparan estados iniciales del desarrollo verde de la baya con estados de preenvero, se observa un aumento en la expresión (puntos rojos) de genes asociados a mecanismos de respuesta a estrés hídrico y a estrés oxidativo indicando el aumento de estos tipos de al final del desarrollo verde.

Figura 3. Cambios en la expresión génica durante el desarrollo en verde de la baya. La imagen muestra un ejemplo en el que se compara la expresión de los genes que participan en distintas respuestas celulares en bayas de preenvero con respecto a bayas recién cuajadas. A nivel de grupos génicos funcionales, se observan cambios significativos en la inducción de genes que codifican proteínas de respuesta a estrés hídrico y oxidativo (puntos rojos) y en la represión de genes cuyos productos participan en el ciclo celular (puntos azules). [Imagen cortesía de Diego Lijavetzky, del CNB-CSIC, Madrid]

De igual manera, esta aproximación nos puede indicar si una planta sufre una determinada patología o sufre ante determinadas condiciones ambientales o tratamientos de cultivo. Este análisis global puede realizarse a un nivel mucho más próximo al fenotipo, por ejemplo, analizando el metaboloma o conjunto de metabolitos de un órgano, tejido o tipo celular en un momento determinado del desarrollo.

En contraste con los análisis químicos tradicionales orientados a identificar y cuantificar determinadas familias de metabolitos, los análisis metabolómicos pretenden obtener un panorama no sesgado de la complejidad metabólica y podrían ser particularmente interesantes en la vid para conocer la evolución de perfiles metabólicos de la baya, el efecto de distintas condiciones ambientales o la complejidad metabólica de los vinos varietales o de vinos complejos.12 Estas aproximaciones globales, junto con el desarrollo de herramientas informáticas adecuadas deben permitir el desarrollo de modelos que expliquen el comportamiento de una determinada variedad bajo distintas condiciones ambientales o a lo largo de su desarrollo.

En conjunto, estas nuevas tecnologías de análisis biológico y el manejo de los datos obtenidos con las herramientas informáticas adecuadas generan información sobre procesos biológicos complejos que resultan de la interacción de múltiples factores. Cuando se aplican a un genotipo varietal determinado permiten evaluar el estado en el que se encuentra la planta o el efecto que variables ambientales o de cultivo ejercen en su desarrollo, fisiología o metabolismo de manera global. Cuando introducimos como factor en este análisis la variación genética existente entre distintas variedades de vid podemos identificar los componentes genéticos de distintas características o respuestas de la vid. Esta información constituirá la base del diseño de futuras estrategias de cultivo y también de futuras variedades para mantener una viticultura sostenible y de calidad en un ambiente cambiante.

Bibliografía

  1. Conde, C. et al. «Biochemical changes throughout grape berry development and fruit and wine quality», Food 1007; 1: 1-22.
  2. Kennedy, J.A. et al. «Changes in grape seed polyphenols during fruit ripening», Phytochemistry 2000; 55: 77-85.
  3. Coombe, B.G.; McCarthy, M.G. «Dynamics of grape berry growth and physiology of ripening», Aust J Grape Wine Res 2000; 6: 131-135.
  4. Lijavetzky, D. et al. «Molecular genetics of berry colour variation in table grape»,Mol Genet Genomics 2006; 276: 427-435.
  5. Hashizume, K.; Samuta, T. «Grape maturity and light exposure affect berry methoxypyrazine concentration quality», Am J Enol Vit 1999; 50: 194-198.
  6. Jaillon, O. et al. «The grapevine genome sequence suggests ancestral hexaploidization in major angiosperm phyla», Nature 2007; 449: 463-467.
  7. Velasco, R. et al. «A high quality draft consensus sequence of the genome of a heterozygous grapevine variety», PLoS ONE 2007; 2: e1326.
  8. Lijavetzky, D. et al. «High throughput SNP discovery and genotyping in grapevine (Vitis vinifera L.) by combining a re-sequencing approach and SNPlex technology», BMC Genomics 2007; 8: 424.
  9. Deluc, L.G. et al. «Transcriptomic and metabolite analyses of Cabernet Sauvignon grape berry development», BMC Genomics 2007; 8: 429.
  10. Pilati, S. et al. «Genome-wide transcriptional analysis of grapevine berry ripening reveals a set of genes similarly modulated during three seasons and the occurrence of an oxidative burst at vèraison», BMC Genomics 2007; 8: 428.
  11. Lijavetzky D., et al. «A new GeneChip for grapevine transcriptomic analyses», Eight Symposium on Grapevine Physiology and Biotechnology, Adelaida, Australia, Noviembre 2008.
  12. Lisec J et al. «Gas chromatography mass spectrometry-based metabolite profiling in plants», Nat Protoc 2006; 1: 387-96.

[03.12.08]
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