Characterization of Interspecific Hybrid Grape Germplasms Derived from Vitis amurensis and Assessment of the Commercial Viability of Superior Hybrid
Vitis amurensis에서 유래한 종간 잡종 포도의 기초 특성 및 우량 개체의 상업성 평가
- 주제(키워드) 도움말 Black Sun , ABA application , gene expression , Vitis amurensis , antioxidant properties , free fatty acids , interspecific hybrids
- 발행기관 강릉원주대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 허재윤
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 원예학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000012016
- UCI I804:42001-000000012016
- 본문언어 영어
초록/요약 도움말
In the initial experiment, we evaluated the commercial potential of hybrid grape genetic resources developed from elite Vitis amurensis and established grape cultivars. Over two consecutive years, we analyzed fruit color, berry and cluster traits, antioxidant properties, and free fatty acid (FFA) profiles. The results showed significant variation in these traits across berry tissues, germplasms, and years. Soluble solid content ranged from 16.53 to 18.75 °Brix, while titratable acidity varied from 0.17% to 1.52%. Antioxidant properties was highest in grape seeds, which consistently exhibited the greatest levels of total flavonoid content, total phenolic content, DPPH scavenging activity, and ferric reducing antioxidant power (FRAP) activity across both years. FFA composition also differed significantly between grape seeds, skin, germplasms, and years. Linoleic acid was the predominant FFA in grape seed oils, whereas γ-linolenic acid and linoleic acid were the main FFAs in grape skin oils. Among the evaluated germplasms, ‘Black Sun’ and ‘MA52’ consistently showed superior fruit traits, antioxidant properties, and fatty acid profiles, highlighting their potential for commercial use. These findings emphasize the value of V. amurensis hybridization in enhancing grape quality, supporting sustainable agriculture, and promoting health benefits. Continued research and breeding efforts are crucial to fully harness the potential of these interspecific hybrids for viticulture and related industries. In the second study, we conducted a comprehensive analysis of the phytochemical and nutritional attributes of grape leaves from V. amurensis hybrids grown in two different climates in South Korea: Gangneung and Chuncheon. The analysis included evaluating phenolic and flavonoid content, antioxidant activity, free fatty acid (FFA) profiles, and pigment composition across various grape germplasms. The results showed that genetic diversity and environmental factors significantly influenced these attributes. Regarding total phenolic content (TPC), samples from Chuncheon ranged from 8.38 to 28.98 mg GAE/g DW, while those from Gangneung ranged from 11.13 to 35.52 mg GAE/g DW. Total flavonoid content (TFC) varied from 4.91 to 13.12 mg QE/g DW in Chuncheon and from 7.79 to 15.98 mg QE/g DW in Gangneung. 'Black Sun' had the highest TPC, while 'Wangmoru' had the highest TFC. Antioxidant capacity, assessed using DPPH and FRAP assays, was found to be superior in 'Black Sun' and 'Cheongsan' at both locations. FFA analysis showed that palmitic acid and alpha-linolenic acid were the main saturated and unsaturated fatty acids, respectively. Palmitic acid ranged from 11.96 to 105.92 and 15.95 to 141.22, while alpha-linolenic acid ranged from 43.97 to 200.82 and 58.62 to 267.76 µg/g DW in Chuncheon and Gangneung, respectively. In this investigation, 'Black Sun' and 'MA63' had higher levels of polyunsaturated fatty acids (PUFAs). In terms of pigment analysis, 'MA55', 'Cheongsan', and 'Black Sun' had the highest levels of chlorophyll a, chlorophyll b, and carotenoids. These findings highlight the potential of V. amurensis hybrids, many of which exceeded traditional grape cultivar in terms of antioxidant and nutritional quality. This study provides valuable insights for choosing grape germplasms with improved biochemical traits that can adapt to different climatic conditions, thus creating opportunities for future agricultural advancements. In the first two chapters of this study, the grape germplasm 'Black Sun' showed a promising characteristic. Additionally, in the previous study, initial wine trials using 'Black Sun' received positive feedback from wine experts, highlighting its potential for high quality wine. However, wine quality can vary significantly depending on the yeast strains used during fermentation. This study evaluated the effects of three yeast strains such as 'Lalvin,' 'Fermivin,' and 'Turbo' on the quality of wine produced from 'Black Sun' grapes. Key parameters assessed included color characteristics, oenological parameters, antioxidant properties, and free fatty acid composition. The results revealed significant differences among the yeast strains. Wine fermented with 'Turbo' exhibited the highest levels of soluble solid content (SSC), color intensity (L*, a*, b*, C*ab), and pH. Conversely, 'Fermivin' fermentation produced wine with the highest alcohol content, free fatty acid levels, antioxidant activity, and hue angles. The 'Lalvin' strain showed intermediate values across most parameters. Principal Component Analysis (PCA) confirmed these patterns, with 'Turbo' primarily associated with SSC, color characteristics, and pH, while 'Fermivin' was linked to alcohol content, free fatty acids, antioxidant properties, and hue angles. 'Lalvin' separated from the other strains due to its influence on titratable acidity, hue angle, and certain free fatty acids. These findings provide valuable insights for winemakers, emphasizing the critical role of yeast strain selection in shaping the chemical characteristics and functional qualities of 'Black Sun' wine. Although 'Black Sun' has demonstrated promising characteristics in our previous chapters, certain quality traits require improvement to enhance its competitiveness in high-value markets. Abscisic acid (ABA), a key plant hormone, is known to influence berry ripening by promoting sugar accumulation, reducing acidity, and increasing anthocyanin levels. Its effects, however, vary depending on the concentration and grape variety. This chapter investigates the impact of ABA on the berry and wine quality of 'Black Sun' grapes. ABA treatments at concentrations of 0, 150, and 300 mg/L were applied to grapes 20 days prior to veraison. Berries were harvested at two developmental stages: veraison and full maturity. The quality parameters, including soluble solid content (SSC), titratable acidity (TA), anthocyanin concentration, antioxidant capacity, and berry colour, were subjected to analysis. Moreover, the expression of anthocyanin biosynthesis genes, including CHS1, DFR, UFGT, F3'5'H, MYBA1, F3'H, and LDOX, was examined to gain insight into the regulatory influence of ABA. The results demonstrated that the 300 mg/L ABA treatment markedly enhanced berry quality, notably by reducing TA, increasing SSC, enhancing antioxidant properties, and elevating both individual and total anthocyanin levels in both grape berries and wine, in comparison to the 0 mg/L and 150 mg/L treatments. Gene expression analysis revealed a concentration-dependent increase in anthocyanin biosynthetic gene activity, with F3'5'H and LDOX showing significantly increased expression in response to 300 mg/L ABA treatment, confirming the marked deepening of grape pigmentation at maturity. The findings of this study demonstrate that the application of ABA represents a viable viticultural strategy for enhancing the quality of 'Black Sun' grapes and, subsequently, the quality of the resulting wine.
more초록/요약 도움말
초기 실험에서는 엘리트 Vitis amurensis와 기존 포도 품종을 교배하여 개발된 하이브리드 포도 유전자 자원의 상업적 잠재력을 평가했습니다. 두 해에 걸쳐 과일 색상, 열매 및 송이 특성, 항산화 성질, 자유 지방산(FFA) 프로파일을 분석했습니다. 그 결과, 이러한 특성들이 열매 조직, 자원, 그리고 연도에 따라 상당한 차이를 보였습니다. 용해 고형물 함량은 16.53°Brix에서 18.75°Brix 사이였으며, 적정 산도는 0.17%에서 1.52% 사이로 변동했습니다. 항산화 성질은 포도씨에서 가장 높았으며, 이 포도씨는 두 해에 걸쳐 총 플라보노이드 함량, 총 페놀 함량, DPPH 라디칼 소거 활성, 철 이온 환원 항산화력(FRAP) 활성에서 가장 높은 수준을 지속적으로 보였습니다. FFA 성분은 포도씨, 껍질, 자원, 그리고 연도에 따라 상당히 달랐습니다. 리놀레산은 포도씨 오일에서 주된 FFA였으며, γ-리놀렌산과 리놀레산은 포도 껍질 오일에서 주요 FFA였습니다. 평가된 자원 중 ‘Black Sun’과 ‘MA52’는 지속적으로 뛰어난 과일 특성, 항산화 성질, 지방산 프로파일을 보였으며, 상업적 사용 가능성을 강조했습니다. 이러한 결과는 V. amurensis의 하이브리드화가 포도 품질 향상, 지속 가능한 농업 지원 및 건강 효능 증진에 중요한 가치를 지니고 있음을 강조합니다. 이들 교잡종의 잠재력을 완전히 활용하기 위해서는 지속적인 연구와 육성 노력이 필요합니다. 두 번째 연구에서는 강릉과 춘천 두 가지 다른 기후에서 재배된 V. amurensis 하이브리드 포도잎의 식물화학적 및 영양적 특성을 종합적으로 분석했습니다. 분석 항목에는 페놀 및 플라보노이드 함량, 항산화 활성, 자유 지방산(FFA) 프로파일, 색소 성분 등이 포함되었습니다. 결과는 유전적 다양성과 환경적 요인이 이러한 특성에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 총 페놀 함량(TPC)은 춘천에서 8.38에서 28.98 mg GAE/g DW, 강릉에서 11.13에서 35.52 mg GAE/g DW로 나타났습니다. 총 플라보노이드 함량(TFC)은 춘천에서 4.91에서 13.12 mg QE/g DW, 강릉에서 7.79에서 15.98 mg QE/g DW로 나타났습니다. ‘Black Sun’은 가장 높은 TPC를 보였으며, ‘Wangmoru’는 가장 높은 TFC를 보였습니다. DPPH와 FRAP 분석을 통한 항산화 능력은 ‘Black Sun’과 ‘Cheongsan’이 두 지역 모두에서 우수한 것으로 나타났습니다. FFA 분석에서는 팔미트산과 알파-리놀렌산이 주요 포화 지방산과 불포화 지방산으로 나타났습니다. 팔미트산은 춘천에서 11.96에서 105.92, 강릉에서 15.95에서 141.22 µg/g DW로, 알파-리놀렌산은 춘천에서 43.97에서 200.82, 강릉에서 58.62에서 267.76 µg/g DW로 나타났습니다. 이 연구에서는 ‘Black Sun’과 ‘MA63’이 다가운 지방산인 다가불포화지방산(PUFAs) 수치가 높았습니다. 색소 분석에서는 ‘MA55’, ‘Cheongsan’, ‘Black Sun’이 가장 높은 엽록소 a, 엽록소 b 및 카로티노이드 수치를 보였습니다. 이러한 결과는 V. amurensis 하이브리드가 전통적인 포도 품종에 비해 항산화 및 영양 품질 면에서 우수한 잠재력을 가지고 있음을 강조합니다. 이 연구는 다양한 기후 조건에 적응할 수 있는 향상된 생화학적 특성을 가진 포도 자원을 선택하는 데 중요한 통찰을 제공합니다. 이 연구의 첫 두 장에서 ‘Black Sun’ 포도 자원은 유망한 특성을 보였습니다. 또한 이전 연구에서 ‘Black Sun’ 포도로 만든 초기 와인 시음에서 와인 전문가들로부터 긍정적인 평가를 받았으며, 이는 고품질 와인 생산 가능성을 강조했습니다. 그러나 와인 품질은 발효에 사용되는 효모 균주에 따라 상당히 달라질 수 있습니다. 본 연구에서는 ‘Black Sun’ 포도로 만든 와인의 품질에 대한 ‘Lalvin’, ‘Fermivin’, ‘Turbo’ 세 가지 효모 균주의 영향을 평가했습니다. 평가한 주요 매개변수에는 색상 특성, 와인학적 파라미터, 항산화 성질, 자유 지방산 성분 등이 포함되었습니다. 그 결과, 효모 균주 간에 상당한 차이가 나타났습니다. ‘Turbo’로 발효한 와인은 가장 높은 용해 고형물 함량(SSC), 색상 강도(L*, a*, b*, C*ab), pH 값을 보였습니다. 반면 ‘Fermivin’ 발효는 가장 높은 알코올 농도, 자유 지방산 수치, 항산화 활성 및 색조 각도를 나타냈습니다. ‘Lalvin’ 균주는 대부분의 파라미터에서 중간 값을 보였습니다. 주성분 분석(PCA)은 이러한 패턴을 확인했으며, ‘Turbo’는 주로 SSC, 색상 특성 및 pH와 연관되었고, ‘Fermivin’은 알코올 농도, 자유 지방산, 항산화 성질 및 색조 각도와 관련이 있었습니다. ‘Lalvin’은 적정 산도, 색조 각도 및 특정 자유 지방산에 미치는 영향을 통해 다른 균주들과 구별되었습니다. 이 연구 결과는 와인 제조자들에게 효모 균주 선택이 ‘Black Sun’ 와인의 화학적 특성과 기능적 품질을 결정하는 데 중요한 역할을 한다는 통찰을 제공합니다. ‘Black Sun’은 이전 장들에서 유망한 특성을 보여주었으나, 고부가가치 시장에서 경쟁력을 높이기 위해서는 특정 품질 특성의 개선이 필요합니다. 주요 식물 호르몬인 아브시시산(ABA)은 포도 열매의 당분 축적 촉진, 산도 감소, 안토시아닌 수준 증가에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 그 효과는 농도와 포도 품종에 따라 달라질 수 있습니다. 이 장에서는 ‘Black Sun’ 포도의 열매와 와인 품질에 대한 ABA의 영향을 조사했습니다. 0, 150, 300 mg/L 농도의 ABA를 포도 전성기 20일 전에 처리했습니다. 포도는 전성기와 완전 성숙 두 가지 발달 단계에서 수확되었습니다. 용해 고형물 함량(SSC), 적정 산도(TA), 안토시아닌 농도, 항산화 능력, 열매 색상 등의 품질 매개변수가 분석되었습니다. 또한, 안토시아닌 생합성 유전자(CHS1, DFR, UFGT, F3'5'H, MYBA1, F3'H, LDOX)의 발현을 분석하여 ABA가 미치는 조절적 영향을 파악했습니다. 그 결과, 300 mg/L ABA 처리에서 포도의 품질이 크게 향상되었으며, 특히 TA 감소, SSC 증가, 항산화 성질 향상, 안토시아닌 농도 및 총 안토시아닌 수준 증가가 나타났습니다. 유전자 발현 분석에서는 안토시아닌 생합성 유전자 활동이 농도에 따라 증가했으며, F3'5'H와 LDOX는 300 mg/L ABA 처리에 반응하여 발현이 현저히 증가하여 포도의 성숙에서 색소가 깊어졌음을 확인했습니다. 이 연구의 결과는 ABA 처리가 ‘Black Sun’ 포도의 품질을 향상시키는 유효한 포도 재배 전략이 될 수 있음을 보여주었습니다.
more목차 도움말
Table of Contents IV
List of Figures VII
List of Tables IX
Acknowledgment X
Abstract XI
Chapter I. General Introduction 1
1.1. Background 1
1.2. Objectives 3
1.2.1. General Objective 3
1.2.2. Specific Objectives 3
Chapter II. Literature Review 4
2.1. The Historical Evolution, Uses and Global Diversity of Grape Cultivation 4
2.2. Introduction to Vitis amurensis 6
2.3. Breeding and Development of Hybrid Grape Germplasms 7
2.4. Morphological and Organoleptic Characteristics Grapes 8
2.5. Antioxidant Capacities of Grapes and Grapevine Leaves 11
2.6. Free Fatty Acid Composition in Grapes and leaves 12
2.7. Nutritive Values and Phytochemical Composition of Grape Leaves 13
2.8. Genetic and Environmental Influences on Grape Composition 14
2.9. Biochemical and Molecular Mechanisms in Grape Development 15
2.10. Improving the Quality of Grape using Abscisic Acid (ABA) 17
Chapter III. Evaluation of commercial potential of interspecific hybrid grape germplasms developed from Vitis amurensis 19
3.1. Introduction 19
3.2. Materials and Methods 20
3.2.1. Plant Materials and Sampling 20
3.2.2. Investigation of Fruit Characteristics 21
3.2.3. Determination of Grape Berry Color 21
3.2.4. Analysis of Antioxidant Properties from Grape Skins and Seeds 21
3.2.5. Determination of Free Fatty Acid Composition of Grape Skins and Seeds 23
3.2.6. Statistical Analysis 24
3.3. Results and Discussion 25
3.3.1. Evaluating CIELAB Color Traits Among Different germplasms 25
3.3.2. Fruit Characteristics of the Examined Grape Germplasms 27
3.3.3. Antioxidant Capacities in the Skins and Seeds of the Examined Germplasms 31
3.3.4. Free Fatty Acid Contents in the Skins and Seeds of the Examined Germplasms 35
3.4. Conclusion 43
Chapter IV. Antioxidant Activities and Nutritive Values in Leaves of Interspecific Hybrid Grape Germplasms Developed from Vitis Amurensis 45
4.1. Introduction 45
4.2. Materials and Methods 46
4.2.1. Plant Materials and Sample Preparation 46
4.2.2. Preparation of Grape Leaf Extract for Antioxidant Analysis 47
4.2.3. Total Phenolic Content Analysis 47
4.2.4. Total Flavonoid Content Analysis 47
4.2.5. Antioxidant Activity 48
4.2.5.1. DPPH Assay 48
4.2.5.2. FRAP Assay 48
4.2.6. Analysis of Fatty Acid Composition 48
4.2.7. Determination of Chlorophyll and Carotenoids Content 49
4.2.8. Statistical Analysis 50
4.3. Results and Discussion 51
4.3.1. Analysis of Variance 51
4.3.2. Variability in Total Phenolic and Flavonoid Contents Among Interspecific Hybrid Grape Germplasms 53
4.3.3. Evaluation of Antioxidant Capacities of the Interspecific Hybrid Germplasms Using DPPH and FRAP Assays 55
4.3.4. Assessing the Free Fatty Acid Content in the Leaves of Interspecific Hybrid Grape Germplasms 57
4.3.5. Evaluation of Chlorophyll and Carotenoid Concentrations in the Leaves of Interspecific Hybrid Grape Germplasms 63
4.3.6. Correlation Analysis 66
4.4. Conclusion 69
Chapter V. Exploring the impact of different yeast strains on the quality of wine made from the unique grape cultivar 'Black Sun' (Vitis complex × Vitis amurensis) 70
5.1. Introduction 70
5.2. Materials and Methods 71
5.2.1. Sample Collection and Wine Preparation 71
5.2.2. Determination of Color and Oenological Characteristics 72
5.2.3. Determination of Anthocyanin Content 72
5.2.4. Determination of Antioxidant Properties 72
5.2.5. Total Tannin Content Determination 73
5.2.6. Determination of Free Fatty Acid Content 73
5.2.7. Statistical Analysis 74
5.3. Results and Discussion 75
5.3.1. Evaluation of the Effects of Yeast Strains on Oenological Parameters 75
5.3.2. Effect of yeast strains on antioxidant properties, anthocyanin content, and tannin levels of wine 78
5.3.3. The effects of yeast strains on the free fatty acid compositions of wine 79
5.3.4. Correlation analysis of wine quality parameters 82
5.3.5. Principal component analysis 85
5.4. Conclusion 87
Chapter VI. Improving Berry Quality and Anthocyanin Biosynthesis in Vitis amurensis Hybrid Grape Cultivar through Exogenous Abscisic Acid (ABA) Treatment 88
6.1. Introduction 88
6.2. Materials and methods 89
6.2.1 Plant Material and Treatment Condition 89
6.2.2. Determination of Grape Berry Compositions and Color 89
6.2.3. Extract Preparation and Antioxidant Assays 90
6.2.4. Anthocyanin Extraction and Quantification 90
6.2.5. Wine Preparation 91
6.2.6. Evaluation of the Wine Quality 92
6.2.6.1. Determination Wine Enological Characteristics and Color 92
6.2.6.2. Determination Wine Antioxidant Properties 92
6.2.6.3. Wine anthocyanin analysis 93
6.2.6.4. Wine tannin content analysis 93
6.2.7. Total RNA Extraction and cDNA Synthesis 93
6.2.8. Real time qPCR Analysis 94
6.2.9. Statistical Analysis 95
6.3. Results 96
6.3.1. Effect of Exogenous ABA on Grape Berry and Wine Color Characteristics 96
6.3.2. Effects of Exogenous ABA on Grape Berry and Wine Chemical Characteristics 97
6.3.3. Effects of Exogenous ABA Treatment on the Grape Berry and Wine Antioxidant Properties 99
6.3.4. Effects Exogenous ABA Treatment on the Grape Berry and Wine Anthocyanin contents 101
6.3.5. Effects of Exogenous ABA Treatment on Anthocyanin Biosynthesis Genes in Grape Skins 104
6.4. Discussion 107
6.5. Conclusion 111
Abstract in Korean 112
References 116
