Quantificare lo spettro di resistenza all’embolia xilematica della vite per identificare varietà e regioni a rischio in un futuro clima secco

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7724 (2023) Citare questo articolo

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Il mantenimento della produzione di vino durante il riscaldamento globale dipende in parte dall’ottimizzazione della scelta del materiale vegetale per una data regione viticola e dallo sviluppo di cultivar resistenti alla siccità. Tuttavia, i progressi in queste direzioni sono ostacolati dalla mancata comprensione delle differenze nella resistenza alla siccità tra i genotipi di Vitis. Abbiamo studiato i modelli di vulnerabilità all’embolia xilematica all’interno e tra 30 specie e sottospecie (varietà) di Vitis provenienti da luoghi e climi diversi e valutato il rischio di vulnerabilità alla siccità in 329 regioni viticole in tutto il mondo. All'interno di una varietà, la vulnerabilità all'embolia è diminuita durante l'estate. Tra le varietà, abbiamo riscontrato ampie variazioni nella resistenza alla siccità del sistema vascolare della vite. Questo è particolarmente vero nel caso della Vitis vinifera, con varietà distribuite in quattro gruppi di vulnerabilità all’embolia. Ugni blanc e Chardonnay sono risultati tra i più vulnerabili, mentre Pinot nero, Merlot e Cabernet Sauvignon si sono classificati tra i più resistenti. Le regioni forse maggiormente a rischio di essere vulnerabili alla siccità, come Poitou-Charentes, Francia e Marlborough, Nuova Zelanda, non hanno necessariamente climi aridi, ma piuttosto ospitano una percentuale significativa di varietà vulnerabili. Dimostriamo che le varietà di vite potrebbero non rispondere allo stesso modo a condizioni più calde e più secche e sottolineiamo che le caratteristiche idrauliche sono fondamentali per migliorare l’idoneità alla viticoltura in condizioni di cambiamento climatico.

L’aumento delle temperature e i cambiamenti nei modelli delle precipitazioni pongono gravi minacce alla produzione agricola globale1,2,3, e il mantenimento di rese agricole elevate e costanti in condizioni di siccità e/o politiche di conservazione dell’acqua più rigorose rappresenta una sfida importante per la sostenibilità dei sistemi agricoli. La vite svolge un ruolo culturale significativo ed è la terza coltura orticola più preziosa al mondo4. Le regioni vinicole di tutto il mondo hanno recentemente affrontato siccità e ondate di caldo intense e frequenti, ad esempio nel 2009 in Australia, nel 2015 in California e nel 2019 in Francia, e le conseguenti perdite economiche nella produzione di vino sono state considerevoli5. Comprendere come la vite risponde a condizioni meteorologiche estreme, come siccità sempre più gravi e prolungate, è fondamentale per consigliare l’industria vinicola su quali varietà e pratiche viticole sarebbero più adatte all’aumento del rischio di siccità.

L’adattamento della viticoltura ai cambiamenti climatici è stato affrontato innanzitutto da una prospettiva fenologica6,7,8. Storicamente, varietà di vite specifiche sono state scelte per regioni specifiche in modo che i loro cicli fenologici corrispondessero al clima locale9. Ad esempio, il Pinot Nero e il Riesling, che maturano precocemente, vengono coltivati nelle regioni più fresche, mentre il Grenache e il Mourvedre a maturazione tardiva sono preferiti nei climi più caldi10. La diversità fenologica della Vitis vinifera è elevata8 ed è stato suggerito che una crescente diversità di varietà con diversa fenologia potrebbe mitigare le perdite di aree agricole e gli impatti negativi dei cambiamenti climatici7. Tuttavia, la produttività delle piante dipende dalla disponibilità di acqua e dalla capacità fotosintetica11,12 e pertanto, l’ottimizzazione della fenologia da sola non può aumentare la tolleranza alla siccità nella vite.

Per quanto riguarda la tolleranza alla siccità, la vite si distingue dalle principali colture annuali per due caratteristiche. Innanzitutto, si tratta di una coltura perenne che dovrebbe produrre per molti decenni. Pertanto, deve tollerare periodi di siccità sia a breve che a lungo termine, ovvero essere in grado di produrre annualmente evitando soglie di mortalità indotte dalla siccità nel corso degli anni13. In secondo luogo, il deficit idrico può migliorare la qualità delle bacche e del vino, soprattutto per i vini rossi, attraverso l’aumento della concentrazione di zuccheri, antociani e tannini14,15,16. Di conseguenza, i produttori nelle regioni in cui è consentita l’irrigazione tendono a limitare l’acqua per massimizzare la produzione di uva di alta qualità minimizzando al contempo le riduzioni della resa. Per questi motivi, un ampio corpus di lavori sulla fisiologia della vite si è concentrato sul miglioramento dell’efficienza nell’uso dell’acqua, tentando in particolare di chiarire i meccanismi alla base della regolazione stomatica e della limitazione della fotosintesi17,18,19,20,21. Tuttavia, l’efficienza nell’uso dell’acqua è spesso equiparata alla resistenza alla siccità e al miglioramento dei rendimenti delle colture in condizioni di stress22, il che non è il caso23.

42% of the global winegrape bearing area, (ii) interspecific Vitis hybrid varieties, and (iii) commonly used Vitis rootstocks. Subsequently, these analyses allowed us to assess global wine regions with respect to their varietal diversity and resulting absolute risk of drought vulnerability. As a wide array of grapevine varieties are cultivated by humans, we hypothesized that the range of xylem vulnerability to embolism in grapevine would be relatively large, and thus, the risk of drought vulnerability would vary across vineyards worldwide./p> − 1 MPa)50,51. This strategy is meaningful in two ways: many vineyards worldwide are located in arid and semi-arid regions characterized by frequent drought stress52, and even irrigated during the growing season, the hydraulic system of grapevine remains under tension18,29,53, which makes embolism repair highly unlikely27. Second, comparing our dataset to midday water potentials (Ψmin) monitored in vineyards during rain-fed experiments indicated that grapevine varieties barely reach water potentials associated with critical thresholds of xylem embolism in perennial organs. This is particularly the case for the commonly studied Vitis vinifera cv. Cabernet Sauvignon, for which reported Ψmin in vineyards were not lower than − 1.6 MPa28,53,54 whereas the onset of embolism (c.f. Ψ12) in stem was found at − 2.2 MPa. Other instances include Vitis vinifera cv. Merlot, whose stem Ψ12 of − 1.8 MPa is lower than Ψmin of − 1.5 MPa measured in Israel across the 2011–2012 seasons55, and Vitis vinifera cv. Tempranillo, whose stem Ψ12 = − 1.9 MPa is lower than Ψmin of − 1.4 MPa monitored in Spain across the 2000–2004 seasons56. This result supports previous observations that grapevine tends to operate within a safe margin of water potentials where embolism is rare18. This is possible because during drought grapevine continually adapts its functioning to avoid hydraulic failure, notably through stomatal closure limiting water loss28,30. In other words, grapevine aims at securing continuous water supply even if it is at the expense of carbon assimilation, and therefore, grape yield and quality. However, the scarcity of multi-year Ψmin records under field conditions for the majority of varieties makes extrapolating this strategy to the whole Vitis vinifera taxa difficult. Such information would notably be required for varieties such as Chardonnay and Sauvignon Blanc, which show higher embolism vulnerability than Cabernet Sauvignon and Merlot while being abundantly cultivated in regions like Australia and South Africa where fresh water resources for agriculture are scarce57./p> 0.5). In other words, regions that are at lower risk of large-scale drought vulnerability are not necessarily the ones bearing the highest number of varieties. This illustrates that from a physiological point of view, embolism vulnerability of specific varieties matters more than the diversity of varieties grown regionally. This result softens conclusions of recent studies that have advocated for the use of phenological diversity to mitigate the negative effects of climate change on wine production7,8. A thorough evaluation of possible avenues to adapt viticulture to warmer and drier conditions should certainly account for inter-varietal variation in hydraulic traits related to drought resistance45. This would particularly be necessary in the context of northward expansion of wine growing regions like in England, where the choice of materials has relied on matching variety phenology with local climate8. Second, the regional risk index of drought vulnerability varies independently from climate and shows a spatial heterogeneity around the world. Regions that have a greater risk index of drought vulnerability are not necessarily those from arid and semi-arid zones. For instance, Rheingau in Germany, Spanish Basque Country and Peel in Australia exhibit similar risk indexes even though they are located in continental, oceanic, and Mediterranean zones, respectively. In other words, growers have produced wine according to variety characteristics irrespective of xylem embolism resistance (e.g. timing of ripeness). This result indicates that no traditional wine growing region is immune to impacts of climate change regarding the risk of xylem embolism during prolonged drought. Yet, although the majority of grapevine bearing areas have experienced substantial warming during the last decades73, patterns of increasing temperatures are variable across latitudes and seasons74. In consequence, since ultimately hydraulic failure results from the relationship between the minimum water potentials measured in the field and the innate vulnerability of the varieties grown there, to what extent regions differ in vulnerability to drought in a more general sense remains an open question./p> 42% of the global winegrape bearing area (data from https://www.adelaide.edu.au/press/titles/winegrapes). The study included in particular nine of the top 10 winegrape varieties, namely Cabernet Sauvignon, Merlot, Tempranillo, Chardonnay, Syrah, Grenache, Sauvignon blanc, Ugni blanc and Pinot noir./p> 0.05 in all cases), and we are thus confident that the comparisons among varieties reported in this study are accurate./p>

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