Response of Tempranillo (Vitis vinifera L.) clones to climate change-related factors (elevated temperature, high CO2 and water deficit): plant performance and berry composition

Abstract

SUMMARY Climate change is expected to modify future environmental conditions, therefore affecting agriculture. Tempranillo, a largely cultivated worldwide grapevine (Vitis vinifera L.) red variety, will be affected by the increase of global mean temperature and atmospheric CO2 levels and the decrease of water availability in its cultivation area. The use of the intra-varietal diversity has been proposed as a strategy for keeping wine typicity and regional varieties cultivation under future growing conditions by shifting the ripening phase to more favourable environmental conditions. The aim of the thesis was to determine the response of different clones of Tempranillo to simulated 2100 environmental conditions, focusing on plant growth and development, as well as on berry composition. Fruit-bearing cuttings of Tempranillo clones, which differed in the length of their reproductive cycle, were exposed from fruit set to maturity to different scenarios of climate change in temperature gradient greenhouses (TGG) and growth chamber greenhouses (GCG). The impact of elevated temperature (+4 °C), elevated CO2 (700 ppm) and water deficit, both in combination or independently, were evaluated. The results show an increment of vegetative growth and a reduction of yield due to high temperatures. Elevated CO2 concentration also increased vegetative growth and photosynthetic activity, even though an acclimation process was observed, being stronger when combined with high temperature. Water deficit reduced severely the photosynthetic activity and vegetative growth, overshadowing the temperature and CO2 effects. Elevated temperature, both individually and combined with high CO2 levels, hastened sugar accumulation and advanced maturity, but these effects were mitigated by water deficit. Malic acid degradation was also enhanced by high temperature, especially when combined with elevated CO2 and water deficit. Amino acid concentration and profile were affected by high temperature, elevated atmospheric CO2 and, especially, water deficit. Elevated CO2 reduced the effect of temperature decoupling the anthocyanin and TSS accumulation; however, the combination of elevated temperature, high CO2 and water deficit led to the imbalance between these two grape components. Anthocyanin profile was modified by climate change, high temperature increasing the relative abundance of acylated forms and both elevated CO2 and drought favouring the relative content of malvidin and acylated, methylated and tri-hydroxylated forms. The clones studied showed differences in their phenological development, vegetative and reproductive growth, as well as in their grape composition. In addition, the results reveal the existence of a differential response of Tempranillo clones to the environmental conditions projected for 2100 in relation to plant performance and grape composition. In general, RJ43 was the most affected by the future growing conditions (high temperature, elevated CO2 and water deficit) among the clones studied in terms of phenology and anthocyanin concentration and profile. Conversely, VN31 maintained the highest anthocyanin and anthoycianin:TSS ratio, whereas 1084 had the lowest sugar, malic acid and anthocyanin levels. The differences observed in the response of the clones to climate change not always depended on their reproductive cycle length. Keywords: Climate change; Grapevine; Tempranillo; Clones; Intra-varietal diversity; Vegetative development; Grape composition; Anthocyanin profile.

RESUMEN Se espera que el cambio climático modifique las condiciones ambientales futuras, afectando a la agricultura. Tempranillo, una variedad tinta de vid (Vitis vinifera L.) cultivada en todo el mundo, se verá afectada por el aumento de la temperatura media global y la concentración atmosférica de CO2 así como porla disminución del agua disponible en el área de cultivo de esta variedad. Entre las estrategias para mitigar el impacto del cambio climático sobre las características del vino y mantener en el futuro el cultivo de variedades ligadas a una región determinada, se encuentra el uso de la diversidad intravarietal para trasladar el momento de maduración a épocas con condiciones ambientales más favorables. El objetivo de esta tesis fue determinar la respuesta de distintos clones de Tempranillo a las condiciones ambientales previstas para 2100, centrándonos en el crecimiento y desarrollo de las plantas, así como en la composición de las bayas. Para ello, se utilizaron esquejes fructíferos de clones de Tempranillo caracterizados con distinta duración del ciclo reproductivo, siendo expuestos a distintas condiciones ambientales en túneles de gradiente térmico (Temperature gradient greenhouses, TGG) e invernaderos cámara (Growth chamber greenhouses, GCG) desde cuajado a madurez. Se evaluó el impacto del aumento de la temperatura (+4 °C), del CO2 elevado (700 ppm) y del déficit hídrico, tanto de forma individual como combinada. Los resultados muestran un aumento del crecimiento vegetativo y una reducción de la producción de fruto debido a las altas temperaturas. El CO2 elevado también aumentó el crecimiento vegetativo y la actividad fotosintética, aunque se observó un proceso de aclimatación, siendo más intenso en combinación con altas temperaturas. La sequía redujo drásticamente la actividad fotosintética y el crecimiento vegetativo, anulando los efectos de la temperatura y del CO2. La temperatura elevada, tanto de forma individual como combinada con altos niveles de CO2, aceleró la acumulación de azúcares y adelantó la madurez, siendo estos efectos mitigados por el déficit hídrico. La degradación del ácido málico también se incrementó con el aumento de la temperatura, especialmente en combinación con alto CO2 y sequía. La concentración y el perfil de aminoácidos se vieron afectados por el aumento de la temperatura, por el alto CO2 y, especialmente, por el déficit hídrico. El CO2 elevado disminuyó el desacoplamiento en la acumulación de antocianinas y azúcares inducido por la temperatura elevada; sin embargo, la combinación de temperatura elevada, alto CO2 y sequía provocó el desequilibrio entre estos compuestos. Las condiciones de cambio climático alteraron el perfil de antocianinas; así, la temperatura elevada aumentó la abundancia relativa de formas aciladas y, tanto el CO2 elevado como la sequía, favorecieron la acumulación de malvidina y de formas aciladas, metiladas y trihidroxiladas. Los clones estudiados mostraron diferencias en su desarrollo fenológico, crecimiento vegetativo y reproductivo, así como en la composición de la baya. Además, los resultados revelan la existencia de una respuesta diferente de los clones de Tempranillo estudiados a las condiciones ambientales proyectadas para 2100 en términos de crecimiento y desarrollo de la planta, como de composición de la uva. En términos generales, el clon más afectado por las condiciones ambientales que se esperan para finales del presente siglo (alta temperatura, alto CO2 y déficit hídrico) fue el RJ43 en cuanto a su desarrollo fenológico, la concentración de antocianinas y la relación antocianinas:azúcares. Además, bajo dichas condiciones, VN31 presentó la concentración de antocianinas y la relación antocianinas:azúcares más alta, mientras que las bayas de 1084 presentaron los niveles más bajos de azúcares, ácido málico y antocianinas. Las diferencias en la respuesta de los clones al cambio climático no siempre dependieron de la duración de su ciclo reproductivo.

RESUMÉ Le changement climatique devrait modifier les conditions environnementales dans le future, affectant ainsi l'agriculture. Le Tempranillo, une variété de vigne rouge (Vitis vinifera L .) largement cultivée au niveau international, pourrait être affecté par l’augmentation des températures moyennes mondiales et des niveaux de CO2 dans l’atmosphère, ainsi que par la diminution de la disponibilité en eau sur sa zone traditionnelle de culture. L'utilisation de la diversité intra-variétale a été proposée comme une stratégie pour essayer de conserver la typicité du vin et les variétés régionales dans les conditions de culture futures, en déplaçant la phase de maturation vers des périodes aux conditions environnementales plus favorables. L’objectif de cette thèse était donc de déterminer la réponse de différents clones de Tempranillo aux conditions environnementales simulées de 2100, en se concentrant sur la croissance et le développement des plantes, ainsi que sur la composition des baies. Des boutures fructifères de clones de Tempranillo, dont la longueur du cycle de reproduction était différente, ont été exposées à différents scénarios climatiques dans des serres à gradient de température (TGG) et des serres de chambre de croissance (GCG) depuis la fructification jusqu’à la maturité. Les impacts de la température élevée (+4 ° C), du CO2 élevé (700 ppm) et du déficit en eau, combinés ou non, ont été évalués. Les résultats montrent une augmentation de la croissance végétative et une réduction de la production dues aux températures élevées. La concentration élevée de CO2 a également augmenté la croissance végétative et l'activité photosynthétique. Néanmoins, un processus d'acclimatation a été observé, celui-ci étant plus fort lorsqu’un haut niveau de CO2 est combiné à une température élevée. Le déficit en eau a fortement réduit l'activité photosynthétique et la croissance végétative, occultant les effets de la température et du CO2. La température élevée, que ce soit individuellement ou associée à des niveaux élevés de CO2, a accéléré l'accumulation de sucres et la date de maturité a été avancée, mais ces effets ont été atténués par le déficit en eau. La dégradation de l’acide malique a également été favorisée par l’augmentation de la température, en particulier lorsque cette dernière est associée à une concentration élevée de CO2 et à un déficit en eau. La concentration et le profil des acides aminés ont été influencés par les températures élevées, un niveau de CO2 élevé et, en particulier, par un déficit en eau. L'augmentation de CO2 a réduit l'effet de la température sur le découplage de l’accumulation des anthocyanes par rapport à celle des sucres ; cependant, la combinaison d’une température élevée, d’un haut niveau de CO2 et d’un déficit en eau a conduit à un déséquilibre entre ces deux composés du raisin. Le profil des anthocyanes a été modifié par le changement climatique, une température élevée augmentant la proportion des formes acylées tandis qu’un haut niveau de CO2 et un déficit hydrique ont favorisé quant à eux l'abondance relative de la malvidine, et des formes acylées, méthylées et trihydroxylées. Les clones étudiés ont montré des différences dans leur développement phénologique, leur croissance végétative et reproductive, ainsi que dans la composition de leurs raisins. En outre, les résultats révèlent l’existence d’une réponse différentielle des clones de Tempranillo aux conditions environnementales prévues pour 2100 en termes de performance de la plante et de composition du raisin. De façon générale, parmi les clones étudiés, RJ43 fut le plus affecté par les conditions de croissance futures (températures élevées, haut niveau de CO2 et déficit en eau) aussi bien en termes de développement phénologique qu’en termes de concentration en anthocyanes et de leur profil. A l’inverse, VN31 a maintenu la plus haute teneur en anthocyanes et le ratio anthoycyanes sur TSS les plus élevé tandis que 1084 a montré les teneurs les plus faibles en sucres, acide malique et en anthocyanes et le ratio anthocyanes sur TSS le plus bas. Les différences observées dans la réponse des clones au changement climatique ne dépendent pas toujours de la longueur du cycle de reproduction.