- Oggetto:
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Secondary metabolites in grapevine
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Secondary metabolites in grapevine
- Oggetto:
Anno accademico 2018/2019
- Codice dell'attività didattica
- SAF0048
- Docente
- Dott. Alessandra Ferrandino (Affidamento interno)
- Corso di studi
- [290511-TRAD] SCIENZE VITICOLE ED ENOLOGICHE - curr. Tradizionale
- Anno
- 2° anno
- Tipologia
- D - A scelta dello studente
- Crediti/Valenza
- 5
- SSD dell'attività didattica
- AGR/03 - arboricoltura generale e coltivazioni arboree
- Modalità di erogazione
- Convenzionale
- Lingua di insegnamento
- Inglese
- Modalità di frequenza
- Facoltativa
- Tipologia d'esame
- Orale
- Prerequisiti
- Nessuno / None
- Oggetto:
Sommario insegnamento
- Oggetto:
Obiettivi formativi
Fornire approfondimenti sul metabolismo secondario della vite e sul conseguente accumulo di metaboliti secondari in chiave di risposta della pianta (e della bacca) all'ambiente, anche in funzione di stress abiotici (= focus sulle caratteristiche tessiturali del suolo, sull'acqua e sulla luce) che biotici (= focus su flavescenza dorata, principali patologie fungine, virus).
Fornire conoscenze sull'interazione tra metabolismo dell'acido abscissico (e altri ormoni) e accumulo dei metaboliti secondari in bacca (effetti di sulla maturazione dell'uva) e in organi vegetativi (foglie in particolare, flavonoli e stress idrico).
Fornire conoscenze sui sesquiterpeni, sui composti volatili C6 e C9, sui caroetenoidi metaboliti meno studiati ma fondamentali dal punto di vista biologico, ecologico, oltre che tecnologico.
Sviluppare la capacità di confrontare i risultati di differenti metodi analitici. Essere in grado di esprimere i risultati analitici nel modo più consono in funzione dell'obiettivo finale del lavoro.
Conoscere nuove tecniche, anche non distruttive, di valutazione della qualità dell'uva (con riferimento alla misura sia di metaboliti primari quali zuccheri ed acidi, sia secondari) basate su applicazioni della spettroscopia (Multiplex e cenni al NIR) e sulla tecnica Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) applicata alla gas-cromatografia con spettrometro di massa (GC/MS).
To provide new insights about grapevine secondary metabolism and metabolites as plant and berry response to the environment, with a particular focus on abiotic (= soil characteristics, water, light, etc...) and biotic (= Flavescence dorée phytoplasma, fungal pathogens, viruses) stressors.
To provide knowledge about abscissic acid-(and other hormone) mediated grapevine responses to stress, focusing on secondary metabolite accumulation in ripening berries and in vegetative organs (leaves in particular).
To provide new insights about the accumulation of sesquiterpenes, C6 and C9 volatiles and carotenoids. Not much is known about these compounds, although they are fundamental for vine biology and ecology, besides their well known technological importance tied to their sensorial impact on wines.
To develop the capability to compare analytical results obtained by different methods. To become able to choose the appropriate way to express analytical results, depending of the final goal.
To develop knowledge on recent techniques (including non-destructive methods) to evaluate berry quality (sugars, acids, secondary metabolites) based on spectroscopy (Multiplex and hints of NIR) and on Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) applied to GC/MS (for volatiles).
- Oggetto:
Risultati dell'apprendimento attesi
Conoscenze sulla biologia di Vitis vinifera, sulla sua interazione con l'ambiente circostante (effetti degli stress biotici ed abiotici) e sul significato biologico ed ecologico dell'accumulo di taluni metaboliti secondari. Particolare attenzione verrà posta sul ruolo di mediazione degli ormoni (dell'acido abscissico - ABA; acido salicilico, SA e acido jasmonico JA) sul metabolismo secondario di organi vegetativi e di bacche di vite. Queste conoscenze sono funzionali alla gestione della pianta in vigna per poter indirizzare l'accumulo di taluni metaboliti ritenuti utili per la qualità dell'uva e/o per incrementare i naturali meccanismi di difesa della pianta.
Capacità di paragonare i risultati analitici ottenuti con metodi diversi e di scegliere le metodiche più opportune in funzione dello scopo del lavoro.
Conoscenza delle principali tecniche recenti per la misura della qualità in vigna attraverso il ricorso all'uso di strumenti ottici portatili capaci di stimare zuccheri, acidi, principali polifenoli.
Capacità di individuare sviluppi futuri delle applicazioni studiate.
Capacità di sfruttare lo studio dei metaboliti secondari a fini chemiotassonomici (chemiometria), ecologici (interazione con l'ambiente), tecnologici (effetti sulla trasformazione dell'uva in vino).
Comprendere le complesse interazioni tra i diversi metaboliti secondari e tra essi ed il metabolismo primario al fine di ottenere conoscenze strumentali alla gestione della pianta in vigneto (per influenzare la qualità dell'uva, per modulare l'espressione dei meccanismi di difesa, etc...).
To acquire knowledge about the biology of Vitis vinifera, its interaction with the surrounding environment (abiotic and biotic stressors) and about the biological and ecological meaning of specific secondary metabolite accumulation. These aspects will be discussed in the light of the mediation role exerted by hormones such as abscissic acid (ABA), salicilyc acid (SA) and jasmonic acid (JA) on grapevine secondary metabolite accumulation.
To become able to compare results obtained applying different analytical methods and to choose the most appropriate method to reach one's own goal.
To acquire knowledge about the main recent techniques to measure grape berry quality non destructevely through the use of portable instruments able to estimate sugars, acids, polyphenols (Multiplex and hints to NIR technologies) and volatiles (Stir Bar Sorptive Extraction applied to GC/MS or new spetrophotometric methods able to estimate the flavoral potential of grapes).
To become able to identify future perspectives of the described techniques.
To become able to exploit knowledge related to secondary metabolites in chemiometry (chemiotaxonomy of grapevine varieties), in ecology (interactions with the environment) and in technology (transformation of must into wine).
To become aware of the possibility of adreessing in the vineyard the vine secondary metabolite accumulation for one's own final goals in terms of grape quality and modulation of plant-defense mechanisms.
To understand the complex interplays among main secondary metabolites and their interaction with primary metabolism. This, with the final aim to develop skills to manage 'the vine in the vineyard'.
- Oggetto:
Modalità di insegnamento
Lezioni tradizionali in aula. Le lezioni sono organizzate come seminari e, per quanto possibile, riporteranno dati di sperimentazioni effettuate negli anni dal docente in prima persona o in collaborazione con altri ricercatori.
Descrizione degli strumenti e delle tecniche analitiche più recenti (Multiplex e SBSE-GC/MS).
Traditional oral classrrom lessons. Classes will be organoized as seminars and, as much as possible, they will deal with research experiments done and managed by the professor alone or in cooperation with other researchers.
Desciption (and practical use, if possible) of recent instruments (Multiplex) and analytical techniques (SBSE-GC/MS).
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Modalità di verifica dell'apprendimento
Le lezioni saranno interattive e potranno essere modulate in funzione delle conoscenze pregresse degli studenti (che possono variare molto di anno in anno). Ciò consentirà di valutare il livello di approfondimento delle conoscenze degli studenti in itinere.
Esame orale basato sulla discussione di testi scientifici recenti inerenti gli argomenti trattati.
Lessons will be very interactive and modulated in relation to the students' former knowledge (that can largely vary depending on the year). This approach allows to evaluate the students' level of learning, in itinere.
Oral examination based on the critical discussion of recent research papers dealing with the studied subjects.
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Attività di supporto
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Programma
Il filo conduttore del corso sarà la comprensione del ruolo biologico ed ecologico delle principali classi di metaboliti secondari della bacca e degli organi vegetativi. Contestualmente si studieranno la mediazione ormonale e, di conseguenza, le interazioni tra le principali via metaboliche (incluse quelle con il metabolismo primario).
Ripasso dei principali metaboliti secondari delle vite.
Focus più dettagliato su acidi idrossicinnamici legati all'acido tartarico e sui principali prodotti della via biosintetica dei fenilpropanoidi: flavonoli (e, marginalmente, antocianine), flavan 3-oli monomerici e principali flavanonoli (in bacca e organi vegetativi, se noti).
I principali composti volatili prodotti dalla bacca e dalla pianta: focus su terpeni e sesquiterpeni, composti a 6 ed a 9 atomi di carbonio, pirazine, tioli, norisoprenoidi. Differenze compositive tra buccia, polpa e vinaccioli e organi vegetativi (se noti).
I carotenoidi: biosintesi, accumulo in bacca e in organi vegetativi. Loro relazione con i composti volatili e con la biosintesi dell'acido abscissico. Ruolo nella protezione dei tessuti dallo stress (abiotico) e implicazioni sulla qualità dell'uva.
Applicazioni dello studio dei metaboliti secondari a fini chemiotassonomici (per la classificazione di cultivar -e cloni - di Vitis vinifera L.).
La maturazione dell'uva come evento di stress (accumulo di ROS) che attiva la biosintesi dei metaboliti secondari.
Interazione tra metaboliti secondari ed ambiente: la risposta del metabolismo secondario della pianta intera e della bacca allo stress abiotico (con particolare riferimento alla granulometria del terreno, al metabolismo dell'acqua, alla luce) e biotico (effetti dei patogeni, flavescenza dorata, virus, funghi).
Il ruolo di mediazione degli ormoni (acido abscissico, salicilico e jasmonico) sui metaboliti secondari, al qualità dell'uva e le risposte di difesa della pianta.
La misura dei metaboliti secondari: cenni alle metodiche 'tradizionali' (spettrofotometria, HPLC-DAD, GC/MS): elementi di valutazione dei vari metodi e paragone tra di essi. Metodi recenti per la misura della qualità dell'uva: 1) La Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) per la misura della componente volatile dell'uva, vantaggi e svantaggi rispetto alle tecniche analitiche tradizionali (estrazione liquida e SPME). 2) Metodi spettroscopici basati sul metodo di screening di emissione di fluorescenza della clorofilla; uso di un sensore ottico portatile (Multiplex) per la misura di antociani e flavonoli nelle uve. Esempi di applicazioni in vitigni locali ed internazionali. L'uso del Multiplex per la mappatura della qualità in vigna (viticoltura di precisione, attraverso la georeferenziazione del dato spettroscopico). L'uso della spettroscopia per la misura di zuccheri ed acidi delle bacche. L'uso della spettroscopia per la realizzazione di mappe di vigoria della vigna. La spettroscopia come test diagnostico preventivo per individuare condizioni di malattia della pianta (esempio su Plasmopara). Cenni sulla misura dei metaboliti secondari tramite la valutazione della riflettanza nel vicino infrarosso (NIR).
Meccanismi di regolazione genica e applicazioni di tecniche molecolari nella vite (lezione svolta con un esperto dell'argomento).
The common thread of this class is the comprehension of the biological and ecological roles of grapevine main secondary metabolites in berries and in vegetative organs. Simultaneously we will study the hormone mediation role and, consequently the interactions among main metabolic pathways (here included those of the primary metabolism).
Grapevine main secondary metabolites. Overview with a focus on hydroxycinnamates and on products of the phenylpropanoid pathway: flavonols (and, partially, anthocyanins), monomeric flavan 3-ols and flavanonols (in berries and in vegetative organs, if known).
Grapevine volatiles: focus on terpenes and sesquiterpenes, C6 and C9 volatiles, pyrazines, thiols and norisoprenoids. Compositional differences among berry skins, pulps and seeds and vegetative organs (if known).
Carotenoids: biosynthesis and accumulation in berries and in vegetative organs. Their relation with volatiles and ABA. Their role in tissue protection against (abiotic) stressors and consequences for berry quality.
Secondary metabolite as a tool for chemiotaxonomy (for grapevine variety -and clone- classification).
Grapevine ripening: a stressfull event starting with the accumulation of ROS (that activates the biosynthesis of secondary metabolites).
Interaction between secondary metabolites and environment: the response of vines and berries to abiotic (= soil characteristics, water, light) and biotic (Flavescence dorée, viruses, fungi, Plasmopara in particular) stress conditions in terms of secondary metabolite accumulation. Exemples related to the phenylpropanoid pathway, to volatile and carotenoid biosynthesis, etc...
Hormonal (abscissic acid, salicilic acid and jasmonic acid) mediation on secondary metabolite accumulation, thus on berry quality and on plant-defense related responses.
Secondary metabolite evaluation: hints about traditional methods (spectrophotometry, HPLC-DAD, GC/MS).
Recent methods for berry quality evaluation 1): the Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) technique to measure grape volatiles: advantages and disadvantages respect to traditional analysis (liquid extraction and SPME).
Innovative methods for berry quality evaluation 2): measurements based on the chlorophyll fluorescence-screening method (Multiplex), theory and practice. Anthocyanin and flavonol estimation in berries. Exemples of application on local and international varieties. Using the Multiplex to map quality in the vineyard: precision viticulture through the georeferercing of the spectroscopic measurement. Spectroscopy to measure berry sugars and acids. Spectroscopy to build vigour maps of the vineyard. Future perspectives: towards the measurement of carotenoids by spectroscopy ot to the development of diagnostic tools to identify early disease states or stress conditions. NIR (Near Infrared Reflectance) measurements: an overview on the berry reflectance spectrum interpretation.
Testi consigliati e bibliografia
- Oggetto:
Keller M., (2010). The science of Grapevines. ISBN-9780123748812, Elsevier Academic Press.
Roubelakis-Angelakis K.A., (2009). Grapevine molecular physiology & biotechnology, 2nd Edition. ISBN-9789048123056, Springer Ed.
Ferrandino A., Lovisolo C., (2014). Abiotic stress effects on grapevine (Vitis vinifera L.): focus on abscissic acid mediated consequences on secondary metabolism and berry quality. Environmental and Experimental Botany, 103: 138-147.
Margaria P., Ferrandino A., Caciagli P., Kedrina O., Schubert A., Palmano S., (2014). Metabolic and transcript analysis of the flavonoid pathway in diseased and recovered Nebbiolo and Barbera grapevines (Vitis vinifera L.) following infection by Flavescence dorée phytoplasma. Plant, Cell and Environment, DOI: 10.1111/pce.12332.
I lavori scientifici del nostro gruppo e di altri ricercatori che sono commentati durante il corso verranno forniti agli studenti in formato pdf, assieme alle slide del corso.
Keller M., (2010). The science of Grapevines. ISBN-9780123748812, Elsevier Academic Press.
Roubelakis-Angelakis K.A., (2009). Grapevine molecular physiology & biotechnology, 2nd Edition. ISBN-9789048123056, Springer Ed.
Ferrandino A., Lovisolo C., (2014). Abiotic stress effects on grapevine (Vitis vinifera L.): focus on abscissic acid mediated consequences on secondary metabolism and berry quality. Environmental and Experimental Botany, 103: 138-147.
Margaria P., Ferrandino A., Caciagli P., Kedrina O., Schubert A., Palmano S., (2014). Metabolic and transcript analysis of the flavonoid pathway in diseased and recovered Nebbiolo and Barbera grapevines (Vitis vinifera L.) following infection by Flavescence dorée phytoplasma. Plant, Cell and Environment, DOI: 10.1111/pce.12332.
Scientific papers from our group and from other researchers discussed during lessons will be given to students in pdf format, together with the slides commented during the lessons.
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Note
Sede di Alba
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