Identification of Grapevine Varieties by HRM Technique and Different Uses

Abstract

The grapevine is an important plant species that can be economically cultivated on almost all continents worldwide. Vitis vinifera L., the most widely distributed grapevine species, is estimated to have more than 12.000 varieties. Viticulture, which has a long history in Anatolia, has adapted to different ecological conditions and allowed the formation of a large grapevine genetic pool with various characteristics. While accurate identification of grape varieties is of great importance, especially in countries that rank high in wine production, research on local varieties is limited in Turkey. Since morphological methods are sometimes inadequate in the identification of grape varieties, it is important to use molecular methods to obtain more precise results, especially in distinguishing homonymous and synonymous varieties. High resolution melting (HRM) analysis is a powerful technique used to identify genetic variation in DNA sequences. Therefore, the use of HRM method for grape variety identification is an effective and economical option. In this review, we summarize how the HRM method can be used in grape variety identification and other areas of viticulture.

Keywords

• Vitis vinifera L.
• SSR
• genetic diversity
• High resolution melting analysis

HRM Tekniği ile Asma Çeşitlerinin Belirlenmesi ve Farklı Kullanım Alanları

Abstract

Asma, dünya genelinde neredeyse tüm kıtalarda ekonomik olarak yetiştirilebilen önemli bir bitki türüdür. Günümüzde en geniş yayılıma sahip asma türü olan Vitis vinifera L.’nin 12.000’den fazla çeşidinin olduğu tahmin edilmektedir. Anadolu coğrafyasında uzun bir geçmişe sahip olan bağcılık, farklı ekolojik koşullara adaptasyon sağlamış ve çeşitli özelliklere sahip geniş bir asma genetik havuzunun oluşmasına olanak tanımıştır. Ancak bu geniş genetik havuz içinde birçok homonim ve sinonim üzüm çeşidinin ve genotipinin yer aldığı da gözlemlenmektedir. Özellikle şarap üretiminde üst sıralarda yer alan ülkelerde, üzüm çeşitlerinin doğru bir şekilde tanımlanması büyük önem taşırken, Türkiye’de yerel çeşitler üzerine yapılan araştırmalar sınırlı sayıdadır. Üzüm çeşitlerinin tanımlanmasında morfolojik yöntemler bazen yetersiz kaldığından, özellikle homonim ve sinonim çeşitlerin ayırt edilmesinde moleküler yöntemler kullanılması daha kabul edilebilir sonuçların elde edilmesi açısından önem arz etmektedir. Son yıllarda öne çıkan Yüksek çözünürlüklü erime (HRM) analizi, DNA dizilerindeki genetik varyasyonları tanımlamak için kullanılan güçlü bir tekniktir. Bu nedenle, HRM yönteminin üzüm çeşitlerinin tanımlanmasında kullanılması, etkili ve ekonomik bir seçenek olarak öne çıkmaktadır. Bu derlemede, HRM yönteminin üzüm çeşitlerinin tanımlanmasında ve bağcılığın diğer alanlarında nasıl kullanılabileceği özetlenerek sunulmuştur.

Keywords

• Vitis vinifera L.
• SSR
• genetik çeşitlilik
• Yüksek çözünürlüklü erime analizi

References

1. Atak, A., Kahraman, K.A., Söylemezoğlu, G. 2014. Ampelographic identification and comparison of some table grape (Vitis vinifera L.) clones. New Zealand Journal of Crop and Horticultural Science 42(2):77-86.
2. Azizi, M.M.F., Lau, H.Y., Abu-Bakar, N. 2021. Integration of advanced technologies for plant variety and cultivar identification. Journal of Biosciences 46:1-20.
3. Barrias, S., Pereira, L., Rocha, S., De Sousa, T.A., Ibáñez, J., Martins-Lopes, P. 2023. Identification of Portuguese Traditional Grapevines Using Molecular Marker-Based Strategies. Scientia Horticulturae 311:111826.
4. Bester, R., Jooste, A.E., Maree, H.J., Burger, J.T. 2012. Real-time RT-PCR high-resolution melting curve analysis and multiplex RT-PCR to detect and differentiate grape-vine leafroll-associated virus 3 variant groups I, II, III and VI. Virology Journal 9:1-12.
5. Binici, T., Gürsöz, S., Odabaşıoğlu, M.İ., Palabıçak, M. 2021. TRC3 bölgesinde bağcılığın geliştirilmesi raporu. Dicle Kalkınma Ajansı, Mardin, 107s.
6. Çelik, H., Ağaoğlu, Y.S., Fidan, Y., Marasalı, B., Söylemezoğlu, G. 1998. Genel Bağcılık. Sunfidan A.Ş. Mesleki Kitaplar Serisi, No:1, Ankara, 253s.
7. Çelik, H., Kunter, B., Söylemezoğlu, G., Ergül, A., Çelik, H., Karataş, H., Özdemir, G., Atak, A. 2010. Bağcılığın geliştirilmesi yöntemleri ve üretim hedefleri. TMMOB Ziraat Mühendisleri Odası Ziraat Mühendisliği 7. Teknik Kongresi Bildiriler Kitabı-1, 11-15 Ocak, Ankara, s:493-513.
8. Dirican, E., Akkiprik, M. 2017. Moleküler tanıda yüksek çözünürlüklü erime yöntemi ve klinik önemi. Clinical and Experimental Health Sciences 7(1):20-26.

9. Distefano, G., Caruso, M., La Malfa, S., Gentile, A., Wu, S.B. 2012. High resolution melting analysis is a more sensitive and effective alternative to gel-based platforms in analysis of SSR-an example in citrus. PLoS ONE 7(8):e44202.
10. Emanuelli, F., Sordo, M., Lorenzi, S., Battilana, J., Grando, M.S. 2014. Development of user-friendly functional molecular markers for VvDXS gene conferring Muscat flavor in grapevine. Molecular Breeding 33:235-241.
11. Gautier, J.F. 2005. Şarabın Tarihi (Çeviri). Dost Kitapevi Yayınları, Ankara, 126s.
12. Goldammer, T. 2013. Grape grower’s handbook, a complete guide to viticulture for wine production (1. edit.). Apex Publishers, Virginia, 555p.
13. Gomes, S., Castro, C., Barrias, S., Pereira, L., Jorge, P., Fernandes, J.R., Martins-Lopes, P. 2018. Alternative SNP detection platforms, HRM and biosensors, for varietal identification in Vitis vinifera L. using F3H and LDOX genes. Scientific Reports 8(1):5850.
14. IPGRI, UPOV, OIV. 1997. Descriptors for grapevine (Vitis spp.). International Union for the Protection of New Varieties of Plants, Geneva, Switzerland/Office International de la Vigne et du Vin, Paris, France/International Plant Genetic Resources Institute, Rome, Italy.
15. Jooste, A.E., Molenaar, N., Maree, H.J., Bester, R., Morey, L., De Koker, W.C., Burger, J.T. 2015. Identification and distribution of multiple virus infections in grapevine leaf-roll diseased vineyards. European Journal of Plant Pathology 142:363-375.
16. Karataş, H., Ağaoğlu, Y.S. 2008. Genetic diversity among Turkish local grape accessions (Vitis vinifera L.) using RAPD markers. Hereditas 145(2):58-63.
17. Kılıç, S. 2008. Küresel iklim değişikliği sürecinde su yönetimi. İstanbul Üniversitesi Siyasal Bilgiler Fakültesi Dergisi 39(Ekim):161-186.
18. Kiracı, M.A., Şenol, M.A. 2017. Türkiye bağcılığında ekonomik durum analizi. Nevşehir Bilim ve Teknoloji Dergisi 6(Kapadokya Ulusal Bağcılık Çalıştayı Özel Sayı):122-131.
19. Mackay, J.F., Wright, C.D., Bonfiglioli, R.G. 2008. A new approach to varietal identification in plants by microsatellite high resolution melting analysis: application to the verification of grapevine and olive cultivars. Plant Methods 4(1):1-10.
20. Ocarez, N., Jiménez, N., Núñez, R., Perniola, R., Marsico, A.D., Cardone, M.F., Bergamini, C., Mejía, N. 2020. Unraveling the deep genetic architecture for seed lessness in grapevine and the development and validation of a new set of markers for Vviagl11-Based gene-assisted selection. Genes 11(2):151.
21. Odabaşıoğlu, M.İ. 2020. Semi-arid koşullarda farklı anaçlar üzerinde yetiştirilen sofralık üzüm çeşitlerinin verim, kalite ve çekirdek özellikleri ile stoma morfolojilerinin incelenmesi. Harran Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Şanlıurfa, 307s.
22. Odabaşıoğlu, M.İ., İşlek, F., Çakır, A. 2021. Küresel iklim değişikliği ve Türkiye bağcılığının geleceğine muhtemel etkileri. In: Tarım Uygulamalarında Yenilikçi Yaklaşımlar (Edit: Kökten, K., İnci, H.) İksad Publishing House, s:257-294.
23. OIV 2014. Descriptor list for grape varieties and vitis species. 2. Edition of the OIV. http://www.oiv.int (Erişim Tarihi: 24.09.2023).
24. Panara, F., Bergamini, C., Palliotti, A., Calderini, O. 2018. Use of molecular markers (SSRS) and public databases in Vitis vinifera L. as the main case of efficient crop cultivar identification. JOJ Hortic. Arboric 2(1):555576.
25. Pereira, L., Gomes, S., Barrias, S., Fernandes, J.R., Martins-Lopes, P. 2018. Applying high-resolution melting (HRM) technology to olive oil and wine authenticity. Food Research International 103:170-181.
26. Sachs, P.J. 1661. Ampelographia sive Vitis viniferae ejusque partium consideratio physico-philologico-historico-medico-chymica. Leipzig, Germany, 670p.
27. Semerci, A., Kızıltuğ, T., Çelik, A.D., Kiracı, M.A. 2015. Türkiye bağcılığının genel durumu. Mustafa Kemal Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi 20(2):42-51.
28. Turan, E.S. 2018. Türkiye’nin iklim değişikliğine bağlı kuraklık durumu. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi 4(1):63-69.
29. Uysal, T., Boz, Y., Yaşasın, A.S., Gündüz, A., Avcı, G.G., Sağlam, M., Öztürk, L., Kıran, T., Solak, E. 2016. Türkiye asma genetik kaynaklarının belirlenmesi, muhafazası ve tanımlanması üzerinde araştırmalar (milli koleksiyon bağı tesisi). Bahçe 45(Özel Sayı):525-529.
30. Yeğenoğlu, E.D., Aydın, Ş., Cuma, Arık., Gevrekçi, Y., Aşık, M. 2016. Üzümde çeşitliliğin belirlenmesinde morfolojik farklılıkların kullanılması. Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi 2(22):13-20.
31. Yorgancılar, M., Yakışır, E., Erkoyuncu, M.T. 2015. Moleküler markörlerin bitki ıslahında kullanımı. Bahri Dağdaş Bitkisel Araştırma Dergisi 4(2):1-12.
32. Marasalı, B., Demir, İ., Çelik, H. 1988. Ankara koşullarında yetiştirilen yerli ve yabancı kökenli üzüm çeşitlerinin yaprak ampelografik ölçülerinin belirlenmesi üzerinde araştırmalar. Türkiye 3. Bağcılık Sempozyumu Bildiri Özetleri, 3 Haziran, Bursa, s:30.
33. Kısakürek, H. 1950. Güney-Doğu Anadolu ve bilhassa Gaziantep bağcılığı ve bu bölgede yetişen başlıca üzüm çeşitlerinin morfolojik vasıfları ve iktisadi önemleri üzerinde araştırmalar. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Yayın No:21, Ankara, 206s.
34. Oraman, N. 1937. Ankara vilayeti bağcılığı ve Ankara’da yetişen başlıca üzüm çeşitlerinin ampelografisi. Ankara Yüksek Ziraat Enstitüsü, Ankara, 61:206.
35. IBPGR 1983. Descriptors for Grape. Rome, 93p.
36. Fidan, Y. 1976. Bağ-bahçe kürsüsü araştırma bağında yetiştirilen standart sofralık üzüm çeşitlerinin ampelografik vasıflar üzerinde araştırmalar. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Yayın No:590, Bilimsel Araştırma ve İncelemeler No:338, Ankara, 88s.
37. Oraman, M.N., Ağaoğlu, Y.S. 1969. Türkiye bağcılığının bugünkü durumu, gelişme imkanları ve memleketimizde mevcut başlıca sofralık, kurutmalık ve şaraplık üzüm çeşitleri üzerinde bir araştırma. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Yayın No:348, Bilimsel Araştırma ve İncelemeler No:221, Ankara, 67s.
38. Gürsöz, S. 1993. GAP alanına giren Güneydoğu Anadolu bölgesi bağcılığı ve özellikle Şanlıurfa ilinde yetiştirilen üzüm çeşitlerinin ampelografik nitelikleri ile verim ve kalite unsurlarının belirlenmesi üzerinde bir araştırma. Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Adana, 363s.
39. Kara, Z. 1990. Tokat yöresinde yetiştirilen üzüm çeşitlerinin ampelografik özelliklerinin belirlenmesi üzerinde araştırmalar. Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Ankara, 318s.
40. Boso, S., Gago, P., Alonso-Villaverde, V., Santiago, J.L., Martinez, M.C. 2010. Ampelographic and agronomic variability of two Iberian grapevine cultivars grafted onto 110R and SO4 rootstocks. International Journal of Fruit Science, 10:195-214.
41. Güleryüz, M., Köse, C. 2003. Olur (Erzurum) ilçesinde yetiştirilen üzüm çeşitlerinin ampelografik özellikleri. Atatürk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi 34(3):205-209.
42. Sabır, A. 2008. Bazı üzüm çeşit ve anaçlarının ampelografik ve moleküler karakterizasyonu. Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Adana, 154s.
43. Garcia-Muñoz, S., Muñoz-Organero, G., de Andrés, M. T., Cabello, F. 2011. Ampelography-an old technique with future uses: The case of minor varieties of Vitis vinifera L. from The Balearic Islands. Oeno One 45(3):125-137.
44. Casanova, J., Mozas, P., Marcide, J.M.O. 2011. Ampelography and microsatellite DNA analysis of autochthonous and endangered grapevine cultivars in the province of Huesca (Spain). Spanish Journal of Agricultural Research 9(3):790-800.
45. Carka, F., Maul, E., Sevo, R. 2015. Study and parentage analysis of old Albanian grapevine cultivars by ampelography and microsatellite markers. Vitis 54(Special Issue):127-131.
46. Pamir, T. 1956. Marmara bölgesi ve bilhassa Kocaeli bağcılığı ve bu bölgede yetişen başlıca üzüm çeşitlerinin ampelografik vasıfları ve iktisadi önemleri üzerine araştırmalar. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Yayın No:96; Çalışmalar No:54, Ankara, 113s.
47. Magalhaes, S.C., Castro, L., Rodrigues, L., Padilha, T.C., De Carvalho, F., dos Santos, F.N., Pinho, T., Moreira, G., Cunha, J., Cunha, M., Silva, P., Moreira, A.P. 2023. Toward grapevine digital ampelometry through vision deep learning models. IEEE Sensors Journal 23(9):10132-10139.
48. Fuentes, S., Hernández-Montes, E., Escalona, J.M., Bota, J., Viejo, C.G., Poblete-Echeverría, C., Tongson, E., Medrano, H. 2018. Automated grapevine cultivar classification based on machine learning using leaf morpho-colorimetry, fractal dimension and near-infrared spectroscopy parameters. Computers and Electronics in Agriculture 151:311-318.
49. Gutiérrez, S., Fernández-Novales, J., Diago, M.P., Tardaguila, J. 2018. On-the-go hyperspectral imaging under field conditions and machine learning for the classification of grapevine varieties. Frontiers in Plant Science 9:1102.
50. Nasiri, A., Taheri-Garavand, A., Fanourakis, D., Zhang, Y.D., Nikoloudakis, N. 2021. Automated grapevine cultivar identification via leaf imaging and deep convolutional neural networks: a proof-of-concept study employing primary Iranian varieties. Plants 10(8):1628.
51. Franczyk, B., Hernes, M., Kozierkiewicz, A., Kozina, A., Pietranik, M., Roemer, I., Schieck, M. 2020. Deep learning for grape variety recognition. Procedia Computer Science 176:1211-1220.
52. Terzi, İ., Özgüven, M.M., Yağcı, A. 2023. Derin öğrenme teknikleri ile bazı üzüm çeşitlerinin tespiti. Turkish Journal of Agriculture-Food Science and Technology 11(1):125-130.
53. Ünal, M.S. 2000. Malatya ve Elazığ illeri bağcılığı ile Malatya ilinde yetiştirilen üzüm çeşitlerinin ampelografik özelliklerinin belirlenmesi üzerine araştırmalar. Doktora Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Bahçe Bitkileri Anabilim Dalı, 105s.
54. Bioletti, F. 1938. Outline of ampelography for the vinifera grapes in California. Hilgardia 11(6):227-293.
55. Mancuso, S., Pisani, P.L., Bandinelli, R., Rinaldelli, E. 1998. Application of an artificial neural network (ANN) for the identification of grapevine genotypes. Vitis 37(1):27-32.
56. Ecevit, F.M., Kelen, M. 1999. Isparta (Atabey)’de yetiştirilen üzüm çeşitlerinin ampelografik özelliklerinin belirlenmesi üzerine bir araştırma. Tr. J. of Agriculture and Forestry 23:511-518.
57. Moreno, S., Gogorcena, Y., Ortiz, J.M. 1997. Molecular markers for grapevine characterization and breeding. ITEA 93(3):135-155.
58. Boselli, M., Corso, C., Monaco, A. 2000. Ampelographic characterization of white grape varieties in Campania (southern Italy) by multivariate analysis. Acta Horticulturae 528:75-84.
59. Martinez, M.C., Pérez, J.E. 2000. The forgotten vineyard of the Asturias princedom (north of Spain) and ampelographic description of its grapevine cultivars (Vitis vinifera L.). American Journal of Enology and Viticulture 51(4):370-378.
60. Milisic, K., Sivcev, B., Stajner, N., Jakse, J., Matijasevic, S., Nikolic, D., Popovic, T., Rankovic-Vasic, Z. 2021. Ampelographic and molecular characterization of grapevine varieties in the gene bank of the experimental vineyard ‘Radmilovac’ -Serbia. Oeno One, 55(4):129-144.
61. İşçi, B., Dilli, Y. 2015. Characterization of autochthonous grapevine cultivars (Vitis vinifera L.) from the Aegean Region of Turkey using simple sequence repeats (SSRs). Journal of Agricultural Sciences 21(4):538-545.
62. Ağaoğlu, Y.S., Karataş, H., Ergül, A. 2005. Gaziantep ve Şanlıurfa illerinde yaygın olarak yetiştirilen aynı isimli üzüm çeşitlerinin RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA) tekniği ile moleküler özelliklerinin karşılaştırılması. Türkiye 6. Bağcılık Sempozyumu, Tekirdağ, 1:238-244. Ergül, A., Kazan, K., Aras, S., Çevik, V., Çelik, H., Söylemezoğlu, G. 2006. AFLP analysis of genetic variation within the two economically important Anatolian grapevine (Vitis vinifera L.) Varietal Groups. Genome, 49:467-475.
63. Polat, İ., Göçmen, M., Uzun, H.İ. 1998. Bazı melez üzüm çeşitlerinin DNA parmak izlerinin belirlenmesi. 4. Bağcılık Sempozyumu, Yalova, s:132-137.
64. Şelli, F. Bakır, M., İnan, G., Aygün, H., Boz, Y., Yaşasın, A.S., Özer, C., Akman, B., Söylemezoğlu, G., Kazan, K., Ergül, A. 2007. Simple sequence repeat-based assessment of genetic diversity in ‘Dimrit’ and ‘Gemre’ grapevine accessions from Turkey. Vitis 46(4):182-187.
65. Baykul, A., Söylemezoğlu, G. 2023. Eskişehir ilinde yetiştirilen üzüm çeşitlerinin SSR markörler ile tanımlanması. Bahçe 52(Özel Sayı 1):18-23.
66. İmak, A., Doğan, G., Şengür, A., Ergen, B. 2023. Asma yaprağı türünün sınıflandırılması için doğal ve sentetik verilerden derin öznitelikler çıkarma, birleştirme ve seçmeye dayalı yeni bir yöntem. Int. J. Pure Appl. Sci., 9(1):46-55.
67. Erez, M.E., Fidan, M., Pınar, S.M., İnal, B., Kaya, Y., Altıntaş, S. 2017. Siirt ilinde yetiştirilen bazı üzüm çeşitlerinin tanımlanması ve kalite değerlerinin belirlenmesi. Türkiye Tarımsal Araştırmalar Dergisi, 4(1):31-42.