Αποκρίσεις ελληνικών ποικιλιών αμπέλου (Vitis vinifera L.) στην αβιοτική καταπόνηση

Abstract

Climate change constitutes one of the most important challenges for viticulture, especially in the Mediterranean region, where the most frequent heat waves and the reduced water availability are expected to intensify, threatening sustainability and productivity. In this context, the evaluation of cultivars’ adaptability to abiotic stressors is essential for the development of effective management strategies. This dissertation investigates the physiological responses and the heat-tolerance of Greek indigenous grapevine cultivars (Savvatiano, Muscat blanc, Assyrtiko, Mavrodafni, Moschofilero and Agiorgitiko) compared with each other and in relation to foreign cultivars (Sauvignon blanc and Merlot) under the effect of abiotic stressors associated with climate change. Cultivars’ exposure to different temperature and CO2 regimes revealed a combined effect on physiological performance. Specifically, CO2 enrichment (from 400ppm to 700 ppm) enhanced photosynthesis by 37–64%, 77–89% and 18–68%, at 23°C, 35°C and 40°C respectively, with the percentage depending on cultivar. CO2 enrichment also improved water use efficiency by 61–122%, 96–138% and 11–63% at the same temperatures respectively, with the thermal optimum occurring at 30–33°C depending on the cultivar. Stomatal traits (density and size) significantly contributed to photosynthetic differentiations among cultivars under ambient CO2. On the contrary, under elevated CO2 the influence of stomata was negligible and the regulation of photosynthesis was mainly attributed to biochemical limitations. Comparative evaluation of cultivars’ performance revealed cultivars (Sauvignon blanc, Savvatiano, Mavrodafni) which presented a more significant improvement in photosynthetic rates and water use efficiency after CO2 enrichment. We highlighted cultivars (Sauvignon blanc, Savvatiano) with better adaptation to heat stress under elevated CO2, while others (Assyrtiko, Moschato) with better adaptation under ambient CO2 conditions. We also evaluated the thermotolerance of cultivars’ photosynthetic apparatus and their responses to changing light intensities. Muscat, Assyrtiko and Mavrodafni exhibited a highly thermotolerant photosynthetic machinery and effective management of excessive light energy. We also found that temperatures above 35°C can increase grapevine’s sensitivity to strong light, intensifying photooxidative stress. Savvatiano and Agiorgitiko proved to be more susceptible to photooxidative stress only at temperatures above 35°C. However, Agiorgitiko maintained a functional photosynthetic apparatus, even at 40°C by adopting a more photoprotective strategy. In contrast, Merlot showed severe PSII suppression under heat stress due to limited photoprotection, while Moschofilero proved to be the most thermosensitive variety. At the same time we revealed cultivar-specific responses to low light intensities, which may reflect different levels of shade adaptation. Leaf morphological traits also contributed to thermotolerance, with smaller and thicker leaves facilitating a better thermoregulation. Overall, this dissertation demonstrates that grapevine adaptation to climate change is not governed by a single trait, but arises from the interaction of multiple mechanisms that differ among cultivars and from the synergistic effect of multiple abiotic factors. Present findings highlight specific cultivars with increased prospects for sustainability and productivity under adverse climatic conditions. This will contribute to the development of targeted strategies for the adaptation of viticulture to climate change.

Η κλιματική αλλαγή συνιστά μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις για την αμπελοκαλλιέργεια, ιδιαίτερα στις μεσογειακές περιοχές, όπου η εμφάνιση παρατεταμένων καυσώνων και η μειωμένη διαθεσιμότητα νερού τείνουν να ενταθούν απειλώντας τη βιωσιμότητα και την παραγωγικότητα των αμπελώνων. Στο πλαίσιο αυτό, η αξιολόγηση της προσαρμοστικότητας ποικιλιών αμπέλου σε αβιοτικές καταπονήσεις κρίνεται απαραίτητη για τον σχεδιασμό αποτελεσματικών στρατηγικών διαχείρισης. Η παρούσα διατριβή διερευνά τις φυσιολογικές αποκρίσεις καθώς και την ανθεκτικότητα σημαντικών ελληνικών ποικιλιών αμπέλου (Σαββατιανό, Μοσχάτο Σάμου, Ασύρτικο, Μαυροδάφνη, Mοσχοφίλερο και Αγιωργίτικο) συγκριτικά μεταξύ τους αλλά και σε σχέση με ξενικές ποικιλίες (Sauvignon blanc και Merlot) υπό την επίδραση αβιοτικών στρεσογόνων παραγόντων που συνδέονται με την κλιματική αλλαγή. Η έκθεση των ποικιλιών σε διαφορετικά καθεστώτα θερμοκρασιών και CO2 αποκάλυψε μια συνδυαστική επίδραση στην φυσιολογική απόδοση. Συγκεκριμένα, η αύξηση του CO2 (από τα 400ppm στα 700ppm) ενίσχυσε τη φωτοσύνθεση κατά 37–64%, 77–89% και 18–68% στους 23°C, 35°C και 40°C αντίστοιχα, με το ποσοστό να εξαρτάται από την ποικιλία. Ο εμπλουτισμός με CO2 βελτίωσε επίσης την αποδοτικότητα χρήσης νερού κατά 61–122%, 96–138% και 11–63% στις ίδιες θερμοκρασίες αντίστοιχα, με το θερμικό βέλτιστο να εντοπίζεται στους 30-33°C ανάλογα με την ποικιλία. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των στομάτων (πυκνότητα και μέγεθος) συνέβαλλαν σημαντικά στις φωτοσυνθετικές διαφοροποιήσεις μεταξύ των ποικιλιών υπό συγκέντρωση CO2 περιβάλλοντος. Αντιθέτως, υπό αυξημένη συγκέντρωση CO2 η επιρροή των στομάτων ήταν αμελητέα και η ρύθμιση της φωτοσύνθεσης αποδόθηκε κυρίως σε βιοχημικούς περιορισμούς. Η συγκριτική αξιολόγηση των ποικιλιών ανέδειξε ποικιλίες (Sauvignon blanc, Σαββατιανό, Μαυροδάφνη), οι οποίες παρουσίασαν σημαντικότερη βελτίωση στον φωτοσυνθετικό ρυθμό και την αποδοτικότητα χρήσης νερού μετά από τον εμπλουτισμό με CO2. Επιπλέον, αναδείχτηκαν ποικιλίες (Sauvignon blanc, Σαββατιανό) με καλύτερη προσαρμογή στο θερμικό στρες υπό αυξημένη συγκέντρωση CO2 και άλλες, (Ασύρτικο, Μοσχάτο) με καλύτερη προσαρμογή υπό συγκέντρωση CO2 περιβάλλοντος.Περαιτέρω, αξιολογήθηκε η αντοχή της φωτοσυνθετικής συσκευής των ποικιλιών στην θερμική καταπόνηση και η απόκριση τους σε μεταβαλλόμενες εντάσεις φωτός. Το Μοσχάτο, το Ασύρτικο και η Μαυροδάφνη αποδείχθηκαν ότι κατέχουν ισχυρό θερμοανθεκτικό φωτοσυνθετικό μηχανισμό και αποτελεσματική διαχείριση της έντονης φωτεινής ενέργειας. Επιπλέον διαπιστώθηκε, ότι θερμοκρασίες άνω των 35°C αυξάνουν την ευαισθησία του αμπελιού στο ισχυρό φως, εντείνοντας το φωτοοξειδωτικό στρες. Το Σαββατιανό και το Αγιωργίτικο αποδείχτηκαν πιο ευαίσθητες στο φωτοοξειδωτικό στρες, αλλά μόνο σε θερμοκρασίες άνω των 35°C. Παρόλα αυτά, το Αγιωργίτικο διατήρησε μια λειτουργική φωτοσυνθετική συσκευή ακόμη και στους 40°C, υιοθετώντας μια πιο φωτοπροστατευτική στρατηγική. Αντίθετα, το Merlot εμφάνισε σοβαρή καταστολή του PSII υπό θερμικό στρες λόγω περιορισμένης φωτοπροστασίας, ενώ το Μοσχοφίλερο αποδείχτηκε ως η πιο θερμοευαίσθητη ποικιλία. Παράλληλα αποκαλύφθηκαν ποικιλιο-εξαρτώμενες αποκρίσεις σε συνθήκες χαμηλών εντάσεων φωτός που πιθανόν να αντανακλούν διαφορετικά επίπεδα προσαρμογής στην σκιά. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των φύλλων συνέβαλαν επίσης στην αντοχή στο θερμικό στρες, με τα μικρότερα και παχύτερα φύλλα να διευκολύνουν τη θερμορύθμιση. Συνολικά, η διατριβή καταδεικνύει ότι η προσαρμογή του αμπελιού στην κλιματική αλλαγή δεν αφορά σε κάποιο μοναδικό φυσιολογικό ή μορφολογικό χαρακτηριστικό, αλλά προκύπτει τόσο από την αλληλεπίδραση διαφορετικών μηχανισμών που διαφοροποιούνται μεταξύ των ποικιλιών όσο και από την συνεργιστική επίδραση πολλαπλών αβιοτικών παραγόντων. Τα ευρήματα της παρούσας μελέτης αναδεικνύουν ποικιλίες με αυξημένη προοπτική βιωσιμότητας και παραγωγικότητας υπό δυσμενή κλιματικά σενάρια, συμβάλλοντας στη διαμόρφωση στοχευμένων στρατηγικών προσαρμογής της αμπελοκαλλιέργειας στην κλιματική αλλαγή.