Abstract Premise There is considerable variation in leaf lobing and leaf size, including among grapevines, some of the most well-studied leaves. We examined the relationship between leaf lobing and leaf size across grapevine populations which varied in extent of leaf lobing. Methods We used homologous landmarking techniques to measure 2,632 leaves across two years in 476 unique, genetically distinct grapevines from 5 biparental crosses which vary primarily in the extent of lobing. We determined to what extent leaf area could explain variation in lobing, vein length, and vein to blade ratio. Results Although lobing was the primary source of variation in shape across the leaves we measured, leaf area varied only slightly as a function of lobing. Rather, leaf area increases as a function of total major vein length, total branching vein length, and decreases as a function of vein to blade ratio. These relationships are stronger for more highly lobed leaves, with the residuals for each model differing as a function of distal lobing. Conclusions For a given leaf area, more highly lobed leaves have longer veins and higher vein to blade ratios, allowing them to maintain similar leaf areas despite increased lobing. These findings show how more highly lobed leaves may compensate for what would otherwise result in a reduced leaf area, allowing for increased photosynthetic capacity through similar leaf size.

Abstract Although DNA methylation has largely been shown to be stable in plants, mounting evidence indicates methylation patterns may reflect environmental sensitivity. Perennial plants experience seasonal and inter-annual environmental variation, and clonal replicates of some long-lived plants, including many perennial crops, survive in a broad range of environments. This makes perennial crops a compelling study system to investigate links between the plant epigenome and environmental variation. In this study, we used whole genome bisulfite sequencing and small RNA sequencing to characterize the epigenome in 12 clonal replicates of the winegrape cultivar ‘Chambourcin.’ We asked whether DNA methylation varied in response to a full factorial combination of irrigation and grafting treatments. We found signatures of both irrigation and grafting in the ‘Chambourcin’ epigenome, as well as compelling evidence for a unique interaction effect whereby grafting appeared to override or mitigate epigenomic changes associated with irrigation in ungrafted vines. These findings indicate that the epigenome responds to environmental and agronomic manipulations, suggesting the epigenome might be a mechanism underlying how long-lived, clonal plants respond at the molecular level to their environment. Further research is needed to assess the potential relevance of variation in DNA methylation to plant form and function, and to address the implications of environmentally-inducible patterns of DNA methylation on the adaptive capacity of long-lived woody perennials in nature and under cultivation.

Abstract Plants take up elements through their roots and transport them to their shoot systems for use in numerous biochemical, physiological, and structural functions. Elemental composition of above-ground plant tissues, such as leaves, reflects both above- and below-ground activities of the plant genotype, as well the local environment. Perennial, grafted plants, where the root system of one individual is fused to the shoot system of a genetically distinct individual, offer a powerful experimental system in which to study the role of the root system in the elemental composition of the shoot system. We measured elemental composition of over 7000 leaves in the grapevine cultivar ‘Chambourcin’ growing ungrafted and grafted to three rootstock genotypes. Leaves were collected over multiple years and phenological stages (across the season) and along a developmental time series. Temporal components of this study had the largest effect on leaf elemental composition; and rootstock genotype interacted with year, phenological stage, and leaf age to differentially modulate leaf elemental composition. Further, the local, above-ground environment affected leaf elemental composition, an effect influenced by rootstock genotype. This work highlights the dynamic nature by which root systems interact with shoot systems to respond to temporal and environmental variation.

Abstract Background Within an individual plant, different compartments (e.g. roots, leaves, fruits) host distinct communities of microorganisms due to variation in structural characteristics and resource availability. Grafting, which joins the root system of one individual with the shoot system of a second genetically distinct individual, has the potential to bring the microbial communities of different genotypes together. An important question is the extent to which unique root system and shoot system genotypes, when grafted together, influence the microbiota of the graft partner. Our study sought to answer this question by utilizing an experimental vineyard composed of ‘Chambourcin’ vines growing ungrafted and grafted to three different rootstocks, replicated across three irrigation treatments. We characterized bacterial and fungal communities in roots, leaves, and berries, as well as surrounding soil. Our objectives were to (1) characterize the microbiota of compartments within the root system (roots and adjacent soil) and the shoot system (leaves and berries), (2) determine the influence of rootstock genotypes, irrigation, and their interaction on the microbiota of aboveground and belowground compartments, and (3) investigate the distribution of microorganisms implicated in the late-season grapevine bunch rot disease sour rot ( Acetobacterales and Saccharomycetes ). Results Compartments were significantly differentiated in bacterial and fungal richness and composition. Abundance-based machine learning accurately predicted the compartment and differential abundance analysis showed a large portion of taxa differed significantly across compartments. Rootstock genotypes did not differ significantly in microbial community richness or composition; however, individual microbial taxa exhibited significant differences in abundance based on rootstock and irrigation treatment. The relative abundance of Acetobacterales and Saccharomycetes in the berry was influenced by complex interactions among rootstock genotype and irrigation. Conclusion Our results indicate that grapevine compartments retain distinct core microbiota regardless of the rootstock to which they are grafted. While rootstock genotype generally had a subtle impact on global patterns of microbial diversity, we found associations between rootstock genotypes and specific groups of microorganisms. Further experimental validation is needed in order to understand how associations with these microorganisms impacts a vine’s susceptibility to sour rot upon damage and whether the characteristics of wine are impacted.

Grapevine leaves have diverse shapes and sizes which are influenced by many factors including genetics, vine phytosanitary status, environment, leaf and vine age, and node position on the shoot. To determine the relationship between grapevine leaf shape or size and leaf canopy temperature, we examined five seedling populations grown in a vineyard in California, USA. The populations had one parent with compound leaves of the Vitis piasezkii type and a different second parent with non-compound leaves. In previous work, we had measured the shape and size of the leaves collected from these populations using 21 homologous landmarks. Here, we paired these morphological data with canopy temperature measurements made using a handheld infrared thermometer. After recording time of sampling and canopy temperature, we used a linear model between time of sampling and canopy temperature to estimate temperature residuals. Based on these residuals, we determined if the canopy temperature of each vine was cooler or warmer than expected, based on the time of sampling. We established a relationship between leaf size and canopy temperature: vines with larger leaves were cooler than expected. By contrast, leaf shape was not strongly correlated with variation in canopy temperature. Ultimately, these findings indicate that vines with larger leaves may contribute to the reduction of overall canopy temperature; however, further work is needed to determine whether this is due to variation in leaf size, differences in the openness of the canopy or other related traits.

Abstract BACKGROUND Grafting is a horticultural practice used widely across woody perennial crop species to fuse together the root and shoot system of two distinct genotypes, the rootstock and the scion, combining beneficial traits from both. In grapevine, grafting is used in nearly 80% of all commercial vines to optimize fruit quality, regulate vine vigor, and enhance biotic and abiotic stress-tolerance. Rootstocks have been shown to modulate elemental composition, metabolomic profiles, and the shape of leaves in the scion, among other traits. However, it is currently unclear how rootstock genotypes influence shoot system gene expression as previous work has reported complex and often contradictory findings. RESULTS In the present study, we examine the influence of grafting on scion gene expression in leaves and reproductive tissues of grapevines growing under field conditions for three years. We show that the influence from the rootstock genotype is highly tissue and time dependent, manifesting only in leaves, primarily during a single year of our three-year study. Further, the degree of rootstock influence on scion gene expression is driven by interactions with the local environment. CONCLUSIONS Our results demonstrate that the role of rootstock genotype in modulating scion gene expression is not a consistent, unchanging effect, but rather an effect that varies over time in relation to local environmental conditions.

Recent advances in phenomics and transcriptomics have the enhanced capacity for understanding how clonally propagated perennial crops like grapevines respond to their environments seasonally and over the course of multiple years. Because most grapevines are grafted, above-ground grapevine traits reflect scion genotype and its interaction with the local environment. In addition, traits expressed by the scion reflect rootstock genotype and how that rootstock is interacting with its environment seasonally and across years. To investigate rootstock x environment interaction on shoot systems in grafted grapevines we characterized comprehensive phenotypic variation in an experimental vineyard in Mount Vernon, Missouri, USA where the grapevine cultivar 'Chambourcin' is growing on its own roots and is grafted to three different rootstocks ('1103P', '3309C', 'SO4'). This set of four combinations is replicated 72 times in a randomized block experimental design with an irrigation treatment. Over the course of three years we quantified leaf elemental concentration, leaf transcriptome, leaf metabolome and epigenome, among others. Analyses in the 'Chambourcin' vineyard reveal extensive and dynamic phenotypic variation in 'Chambourcin' that reflects complex interactions among rootstock genotype, irrigation, season, and year. Specific effects of rootstock genotype on gene expression and elemental concentration were detected and vary with season and year. Variation in ion concentrations is also influenced by leaf position along the vine. This comprehensive, multi-year project demonstrates the importance of root system variation for shoot system morphology and suggests future exploration of rootstock genotypic diversity might offer a novel source of variation for shoot system phenotypic manipulation.

Understanding how root systems modulate shoot system phenotypes is a fundamental question in plant biology and will be useful in developing resilient agricultural crops. Grafting is a common horticultural practice that joins the roots (rootstock) of one plant to the shoot (scion) of another, providing an excellent method for investigating how these two organ systems affect each other. In this study, we use the French-American hybrid grapevine 'Chambourcin' (Vitis L.) as a model to explore the rootstock-scion relationship. We examined leaf shape, ion concentrations, and gene expression in 'Chambourcin' grown own-rooted as well as grafted to three different rootstocks ('SO4', '1103P' and '3309C') across two years and three different irrigation treatments. Results described here demonstrate that 1) the largest source of variation in leaf shape stems from the interaction of rootstock by irrigation; 2) leaf position, but also rootstock and rootstock by irrigation interaction, are the primary sources of variation in leaf ion concentrations; and 3) gene expression in scion leaves exhibited significantly different patterns of gene expression from ungrafted vines, and these expression patterns were rootstock-specific. Our work provides an initial description of the subtle and complex effect of grafting on 'Chambourcin' leaf morphology, ionomics and gene expression in grapevine scions. Further work across multiple years, environments and additional phenotypes is required in order to determine how the relationship between the rootstock and the scion can best be leveraged for adapting grapevines to a changing climate.

Summary In many perennial crops, grafting the root system of one individual to the shoot system of another individual has become an integral part of propagation performed at industrial scales to enhance pest, disease, and stress tolerance and to regulate yield and vigor. Grafted plants offer important experimental systems for understanding the extent and seasonality of root system effects on shoot system biology. Using an experimental vineyard where a common scion ‘Chambourcin’ is growing ungrafted and grafted to three different rootstocks, we explore associations between root system genotype and leaf phenotypes in grafted grapevines across a growing season. We quantified five high-dimensional leaf phenotyping modalities: ionomics, metabolomics, transcriptomics, morphometrics, and physiology and show that rootstock influence is subtle but ubiquitous across modalities. We find strong signatures of rootstock influence on the leaf ionome, with unique signatures detected at each phenological stage. Moreover, all phenotypes and patterns of phenotypic covariation were highly dynamic across the season. These findings expand upon previously identified patterns to suggest that the influence of root system on shoot system phenotypes is complex and broad understanding necessitates volumes of high-dimensional, multi-scale data previously unmet.

Summary Annual rings from 30 year old vines in a California rootstock trial were measured to determine the effects of 15 different rootstocks on Chardonnay and Cabernet Sauvignon scions. Viticultural traits measuring vegetative growth, yield, berry quality, and nutrient uptake were collected at the beginning and end of the lifetime of the vineyard. X-ray Computed Tomography (CT) was used to measure ring widths in 103 vines. Ring width was modeled as a function of ring number using a negative exponential model. Early and late wood ring widths, cambium width, and scion trunk radius were correlated with 27 traits. Modeling of annual ring width shows that scions alter the width of the first rings but that rootstocks alter the decay thereafter, consistently shortening ring width throughout the lifetime of the vine. The ratio of yield to vegetative growth, juice pH, photosynthetic assimilation and transpiration rates, and stomatal conductance are correlated with scion trunk radius. Rootstocks modulate secondary growth over years, altering hydraulic conductance, physiology, and agronomic traits. Rootstocks act in similar but distinct ways from climate to modulate ring width, which borrowing techniques from dendrochronology, can be used to monitor both genetic and environmental effects in woody perennial crop species.