Journal Article A set of plant expression vectors for transcriptional and translational fusions Get access Reinhard Töpfer, Reinhard Töpfer Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung5000 Köln 30, FRG Search for other works by this author on: Oxford Academic PubMed Google Scholar Volker Matzeit, Volker Matzeit Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung5000 Köln 30, FRG Search for other works by this author on: Oxford Academic PubMed Google Scholar Bruno Gronenborn, Bruno Gronenborn Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung5000 Köln 30, FRG Search for other works by this author on: Oxford Academic PubMed Google Scholar Jozef Schell, Jozef Schell Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung5000 Köln 30, FRG Search for other works by this author on: Oxford Academic PubMed Google Scholar Hans-Henning Steinbiss Hans-Henning Steinbiss Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung5000 Köln 30, FRG Search for other works by this author on: Oxford Academic PubMed Google Scholar Nucleic Acids Research, Volume 15, Issue 14, 24 July 1987, Page 5890, https://doi.org/10.1093/nar/15.14.5890 Published: 24 July 1987 Article history Accepted: 17 June 1987 Published: 24 July 1987

Abstract Objective and standardized recording of disease severity in mapping crosses and breeding lines is a crucial step in characterizing resistance traits utilized in breeding programs and to conduct QTL or GWAS studies. Here we report a system for automated high-throughput scoring of disease severity on inoculated leaf discs. As proof of concept, we used leaf discs inoculated with Plasmopara viticola causing grapevine downy mildew (DM). This oomycete is one of the major grapevine pathogens and has the potential to reduce grape yield dramatically if environmental conditions are favorable. Breeding of DM resistant grapevine cultivars is an approach for a novel and more sustainable viticulture. This involves the evaluation of several thousand inoculated leaf discs from mapping crosses and breeding lines every year. Therefore, we trained a shallow convolutional neural-network (SCNN) for efficient detection of leaf disc segments showing P. viticola sporangiophores. We could illustrate a high and significant correlation with manually scored disease severity used as ground truth data for evaluation of the SCNN performance. Combined with an automated imaging system, this leaf disc-scoring pipeline has the potential to reduce the amount of time during leaf disc phenotyping considerably. The pipeline with all necessary documentation for adaptation to other pathogens is freely available.

Abstract Plants display sophisticated mechanisms to tolerate challenging environmental conditions and need to manage their ontogenesis in parallel. Here, we set out to generate an RNA-Seq time series dataset throughout grapevine ( Vitis vinifera ) early bud development. The expression of the developmental regulator VviAP1 served as an indicator for progress of development. We investigated the impact of changing temperatures on gene expression levels during the time series and detected a correlation between increased temperatures and a high expression level of genes encoding heat-shock proteins. The data set also allowed the exemplary investigation of expression patterns of genes from three transcription factor (TF) gene families, namely MADS-box, WRKY, and R2R3-MYB genes. Inspection of the expression profiles from all three TF gene families indicated that a switch in the developmental program takes place in July which coincides with increased expression of the bud dormancy marker gene VviDRM1 .

Abstract The phylloxera resistant rootstock cultivar ‘Börner’ is an interspecific hybrid derived from Vitis riparia and V. cinerea and a valuable resource for Vitis disease resistances. We created a fully phased, high-quality ‘Börner’ genome sequence named BoeRC using long PacBio reads. Comprehensive gene annotation of both ‘Börner’ haplotypes, designated BoeRip and BoeCin, was applied to describe the phylloxera resistance locus Rdv1 . Using a mapping population derived from a susceptible V. vinifera breeding line and ‘Börner’, the Rdv1 locus was further delimited. Rdv1 , which is derived from V. cinerea and included in the haplotype BoeCin, was compared with sequences of phylloxera-susceptible and phylloxera-tolerant cultivars. Between flanking regions that display high synteny, we detected and precisely characterized a diverse sequence region that covers between 202 to 403 kbp in different haplotypes. In BoeCin, five putative disease resistance genes were identified that represent likely candidates for conferring resistance to phylloxera.

Abstract Grapevine ( Vitis vinifera ssp. vinifera ) is a major fruit crop with high economic importance. Due to its susceptibility towards fungal pathogens such as Erysiphe necator and Plasmopara viticola, the causal agents of powdery and downy mildew (PM, DM), grapevine growers annually face a major challenge in coping with shortfall of yield caused by these diseases. Here we report the confirmation of a genetic resource for grapevine resistance breeding against PM. During the delimitation process of Ren3 on chromosome 15 from the cultivar ‘Regent’, a second resistance-encoding region on chromosome 15 termed Ren9 was characterized. It mediates a trailing necrosis associated with the appressoria of E. necator and restricts pathogen growth. In this study, we confirm this QTL in a related mapping population of ‘Regent’ x ‘Cabernet Sauvignon’. The data show that this locus is located at the upper arm of chromosome 15 between markers GF15-58 (0.15 Mb) and GF15-53 (4 Mb). The efficiency of the resistance against one of the prominent European PM isolates (EU-B) is demonstrated. Based on fine-mapping and literature knowledge we propose two possible regions of interest and supply genetic markers to follow both regions in marker assisted selection.

Abstract Background Grapevine cultivars of the Pinot family represent clonally propagated mutants with major phenotypic and physiological differences, such as different colour or shifted ripening time, as well as changes in important viticultural traits. Specifically, the cultivars ‘Pinot Noir’ (PN) and ‘Pinot Noir Precoce’ (PNP, early ripening) flower at the same time, but vary in the beginning of berry ripening (veraison) and, consequently, harvest time. In addition to genotype, seasonal climatic conditions (i.e. high temperatures) also affect ripening times. To reveal possible regulatory genes that affect the timing of veraison onset, we investigated differences in gene expression profiles between PN and PNP throughout berry development with a closely meshed time series and over two separate years. Results The difference in the duration of berry formation between PN and PNP was quantified to be approximately two weeks under the growth conditions applied, using plant material with a proven PN and PNP clonal relationship. Clusters of co-expressed genes and differentially expressed genes (DEGs) were detected which reflect the shift in the timing of veraison onset. Functional annotation of these DEGs fit to observed phenotypic and physiological changes during berry development. In total, we observed 3,342 DEGs in 2014 and 2,745 DEGs in 2017 between PN and PNP, with 1,923 DEGs across both years. Among these, 388 DEGs were identified as veraison-specific and 12 were considered as berry ripening time regulatory candidates. The expression profiles revealed two candidate genes for ripening time control which we designated VviRTIC1 and VviRTIC2 (VIT_210s0071g01145 and VIT_200s0366g00020, respectively). These genes likely contribute the phenotypic differences observed between PN and PNP. Conclusions Many of the 1,923 DEGs show highly similar expression profiles in both cultivars if the patterns are aligned according to developmental stage. In our work, putative genes differentially expressed between PNP and PN which could control ripening time as well as veraison-specific genes were identified. We point out connections of these genes to molecular events during berry development and discuss potential candidate genes which may control ripening time. Two of these candidates were observed to be differentially expressed in the early berry development phase. Several down-regulated genes during berry ripening are annotated as auxin response factors / ARFs. Conceivably, general changes in auxin signaling may cause the earlier ripening phenotype of PNP.

Abstract The hairiness of the leaves is an essential morphological feature within the genus Vitis that can serve as a physical barrier. A high leaf hair density present on the abaxial surface of the grapevine leaves influences their wettability by repelling forces, thus preventing pathogen attack such as downy mildew and anthracnose. Moreover, leaf hairs as a favorable habitat may considerably affect the abundance of biological control agents. The unavailability of accurate and efficient objective tools for quantifying leaf hair density makes the study intricate and challenging. Therefore, a validated high-throughput phenotyping tool was developed and established in order to detect and quantify leaf hair using images of single grapevine leaf discs and convolution neural networks (CNN). We trained modified ResNet CNNs with a minimalistic number of images to efficiently classify the area covered by leaf hairs. This approach achieved an overall model prediction accuracy of 95.41%. As final validation, 10,120 input images from a segregating F1 biparental population were used to evaluate the algorithm performance. ResNet CNN-based phenotypic results compared to ground truth data received by two experts revealed a strong correlation with R values of 0.98 and 0.92 and root-mean-square error values of 8.20% and 14.18%, indicating that the model performance is consistent with expert evaluations and outperforms the traditional manual rating. Additional validation between expert vs. non-expert on six varieties showed that non-experts contributed to over- and underestimation of the trait, with an absolute error of 0% to 30% and -5% to -60%, respectively. Furthermore, a panel of 16 novice evaluators produced significant bias on set of varieties. Our results provide clear evidence of the need for an objective and accurate tool to quantify leaf hairiness.

Grapevine breeding becomes highly relevant due to upcoming challenges like climate change, a decrease in the number of available fungicides, increasing public concern about plant protection, and the demand for a sustainable production. Downy mildew caused by Plasmopara viticola is one of the most devastating diseases worldwide of cultivated Vitis vinifera. Therefore, in modern breeding programs genetic marker technologies and genomic data are used to develop new cultivars with defined and stacked resistance loci. Potential sources of resistance are wild species of American or Asian origin. The interspecific hybrid of Vitis riparia Gm 183 x V. cinerea Arnold, available as the rootstock cultivar 'Börner', carries several relevant resistance loci. We applied next generation sequencing to enable the reliable identification of simple sequence repeats (SSR) and also generated a draft genome sequence assembly of 'Börner' to access genome wide sequence variations in a comprehensive and highly reliable way. These data were used to cover the 'Börner' genome with genetic marker positions. A subset of these marker positions was used for targeted mapping of the P. viticola resistance locus, Rpv14, to validate the marker position list. Based on the reference genome sequence PN40024, the position of this resistance locus can be narrowed down to less than 0.5 Mbp on chromosome 5.

Grapevine (Vitis vinifera L.) is an economically important crop that needs to comply with high quality standards for fruit, juice and wine production. Intense plant protection is required to avoid losses caused by fungal infections. Grapevine cultivars with loose cluster architecture enable to reduce protective chemical treatments due to their enhanced resilience against fungal infections such as Botrytis cinerea induced grey mold. A recent study identified transcription factor gene VvGRF4 as determinant of inflorescence structure in exemplary samples of loose and compact quasi-isogenic 'Pinot Noir' clones. Here, we extended the analysis to 12 differently clustered 'Pinot Noir' clones originating from five different clonal selection programs. Differential gene expression of these clones was studied in three different locations over three seasons in demonstrative vineyards. Two phenotypically contrasting clones were grown at all three locations and served for standardization of downstream analyses. Differential gene expression data were correlated to the phenotypic variation of cluster architecture sub-traits. A consistent differential gene expression of VvGRF4 in relation to loose clusters was verified over the different environments and in the extended set of 'Pinot Noir' clones. In addition, 14 more genes with consistent expression differences between loosely and compactly clustered clones independent from season and location were identified. These genes show annotations related to cellular growth, cell wall extension, cell division and auxin metabolism. They include two more transcription factor genes.

Abstract The downy mildew disease caused by the oomycete Plasmopara viticola is a serious threat for grapevine and can cause enormous yield losses in viticulture. The quantitative trait locus Rpv12, mediating resistance against P. viticola , was originally found in Asian Vitis amurensis . This locus and its genes were analyzed here in detail. A haplotype-separated genome sequence of the diploid Rpv12 -carrier Gf.99-03 was created and annotated. The defense response against P. viticola was investigated in an infection time-course RNA-Seq experiment, revealing approximately 600 up-regulated Vitis genes during host-pathogen interaction. The Rpv12 regions of the resistance conferring and the sensitivity encoding Gf.99-03 haplotypes were structurally and functionally compared to each other. Two different clusters of resistance-related genes were identified within the Rpv12 locus. One cluster carries a set of four differentially expressed genes with three ACCELERATED CELL DEATH 6 -like genes. The other cluster carries a set of six resistance gene analogues related to qualitative pathogen resistance. The Rpv12 locus and its candidate genes for P. viticola resistance provide a precious genetic resource for P. viticola resistance breeding. Newly developed co-segregating simple sequence repeat markers in close proximity to the R -genes enable its improved applicability in marker-assisted grapevine breeding.