Exploring physiological diversity in vitis genotypes: hydraulic traits in vines for oenological purposes and vines for table grapes

Abstract

To maintain viticulture under global warming conditions, it is important to carefully select the appropriate genotypes for each vine-growing region and develop cultivars that are drought resistant. This ability is highly dependent on hydraulic traits, which are dynamic and vary according to the vine’s developmental stage and climatic conditions. This framework steadily enhances our understanding of the differences in drought resistance among vitis genotypes. However, there is still a need to comprehensively grasp the intra-specific variability, particularly between oenological and table grape cultivars. The present study assessed the physiological response of young irrigated vines in northern Chile, at an experimental vineyard located in the biodiversity study center of the agricultural research institute (inia) (30°02’s, 70°41’w, 630 m above sea level). The evaluations were carried out during the months of february to april 2024. The average temperature and reference evapotranspiration at the study site were 19.2 °c and 4.4 mm/day, respectively. The table grape cultivars, ‘flame seedless’ (fl), ‘INIA-G3’ (G3), ‘INIA-G4’ (G4), and ‘alisson seedless’ (ali), were compared using a completely randomized design against the oenological purpose cultivars ‘Cabernet franc’ (cf), ‘Chardonnay’ (ch), and ‘Sauvignon blanc’ (sb), whose water use behavior has been extensively described. Foundational oenological cultivars in South America, such as ‘moscatel de alejandria’ (m. Ale), and a genotype ‘nn’ (nn), were also evaluated. Statistical differences between cultivar means were calculated using anova, and significant effects were followed up using post hoc multiple comparison tests of tukey (p < 0.05). Our findings show significant differences in leaf turgor loss point (πtlp, mpa), absolute capacitance per leaf area (cft; mol m-2 mpa-1), leaf stomatal density (stoden; n- 1mm-2), stomatal conductance (gs; mol h2o m-2 s-1), net assimilation rate (an; µmol co2 m-2 s-1) and water use efficiency (wuei; µmol mol-1 ). The leaf vulnerability to embolism (p50) showed values ranging from -1.6 and -0.9 mpa, with no variations among cultivars. The relationship between both purposes (oenological and table) was determined by principal component analysis (pca) and the dissimilarity was determined by hierarchical cluster analysis (hca; complete linkage method and euclidean distance). Pc1 (dim1) explained 44.4 % of the data variability and allowed for visualizing different cultivar behaviors. The oenological cultivars such cf, sb, m. Ale, and ch were to the left of the spatial distribution and positively related to a wuei, and negatively related to πtlp, stoden. Instead, mostly table grapes cultivars (G3, G4, and ali) were to the right of the spatial distribution and positively related with cft, gs and osmotic potential at full turgor. Pc2  explaining 30.9% was positively associated with specific leaf area (sla; g cm-2) which in turn, was negatively correlated with an and whole plant hydraulic conductance (kplant; mmol m2 s-1 mpa-1). Curiously, hierarchical cluster analysis (hca) reveals three main clusters, demonstrating a distribution and subclasses that clearly corresponding to the productive purpose. The first and second clusters primarily consisted of table grape cultivars (ali, G4,  G3, nn) and oenological cultivars (ch, m. Ale, sb, cf), respectively, while the third cluster was represented by fl. Finally, the variation within clusters was up to 65.3% while the difference between classes was 34.7%. The importance of further assessment of hydraulic traits between table and oenological grape cultivars is underscored, given the significant phenotypic diversity within the same species, evident in their bunches. It is plausible that specific traits conferring tolerance to drought exist among table grape cultivars, as they have undergone continuous improvement to achieve high productivity, often at the expense of significant water consumption. This could help grape selection programs improve drought resistance with potential sustainability benefits for both winemaking vines and table grapes production.

Exploration de la diversité physiologique des génotypes vitis : caractères hydrauliques des vignes à usage œnologique et des vignes à raisin de table

Pour maintenir la viticulture dans des conditions de réchauffement climatique, il est crucial de sélectionner soigneusement les génotypes appropriés pour chaque région viticole et de développer des cultivars résistants à la sécheresse. Cette capacité dépend en grande partie des caractéristiques hydrauliques, qui sont dynamiques et varient en fonction du stade de développement de la vigne et des conditions climatiques. Ce cadre conceptuel améliore constamment notre compréhension des différences de résistance à la sécheresse entre les génotypes de vitis. Cependant, il est encore nécessaire de comprendre de manière globale la variabilité intraspécifique, en particulier entre les cultivars de vinification et de raisin de table. La présente étude a évalué la réponse physiologique de jeunes vignes irriguées dans le nord du chili, dans un vignoble expérimental situé au centre d’études sur la biodiversité de l’institut de recherche agricole (inia) (30°02’s, 70°41’o, 630 m d’altitude). Les évaluations ont été réalisées entre février et avril 2024. La température moyenne et l’évapotranspiration de référence sur le site d’étude étaient respectivement de 19,2 °c et 4,4 mm/jour. Les cultivars de raisin de table ‘flame seedless’ (fl), ‘inia-g3’ (g3), ‘inia-g4’ (g4) et ‘alisson seedless’ (ali) ont été comparés selon un plan complètement randomisé aux cultivars à usage œnologique comme le ‘cabernet franc’ (cf), le ‘chardonnay’ (ch) et le ‘sauvignon blanc’ (sb), dont le comportement dans l’utilisation de l’eau a été largement décrit. Des cultivars œnologiques fondateurs en amérique du sud ont également été évalués, comme le ‘moscatel de alejandría’ (m. Ale) et un génotype ‘nn’ (nn). Les différences statistiques entre les moyennes des cultivars ont été calculées à l’aide de l’anova et les effets significatifs ont été évalués à l’aide des tests de comparaison multiple post hoc de tukey (p < 0,05). Nos résultats montrent des différences significatives dans le point de perte de turgescence (πtlp, mpa), la capacité absolue par surface foliaire (cft ; mol m-2 mpa-1), la densité stomatique des feuilles (stoden ; n- 1 mm- 2), la conductance stomatique (gs ; mol h2o m-2 s-1), taux d’assimilation net (an ; µmol co2 m-2 s-1) et efficacité intrinsèque d’utilisation de l’eau (wuei ; µmol mol -1 ) ; la vulnérabilité des feuilles à l’embolie (p50) a montré des valeurs comprises entre -1,6 et -0,9 mpa, sans variations entre cultivars. La relation entre les deux objectifs (œnologique et de table) a été déterminée par analyse en composantes principales (acp) et la dissimilarité a été déterminée par analyse hiérarchique par grappes (hca ; méthode de liaison complète et distance euclidienne). Pc1 (dim1) a expliqué 44,4% de la variabilité des données et nous a permis de visualiser différents comportements des cultivars. Les cultivars œnologiques tels que cf, sb, m. Ale et ch étaient situés à gauche de la distribution spatiale et étaient positivement liés à un wuei et négativement liés à πtlp, stoden. D’autre part, la plupart des cultivars de raisin de table (G3, G4 et ali) se trouvaient à droite de la distribution spatiale et étaient positivement liés au cft, au gs et au potentiel osmotique à pleine turgescence.pc2 expliquant 30,9 % était positivement associé à la surface foliaire spécifique (sla ; g cm-2) qui, à son tour, était négativement corrélée à an et à la conductance hydraulique de la plante entière (kplant ; mmol m2 s-1 mpa-1). Curieusement, l’analyse hiérarchique des clusters (hca) révèle trois clusters principaux, démontrant une distribution et des sous-classes correspondant clairement à l’objectif productif. Les premier et deuxième groupes étaient principalement constitués respectivement de cultivars de raisin de table (ali, g4, g3, nn) et de cultivars œnologiques (ch, m. Ale, sb, cf), tandis que le troisième groupe était représenté par fl. Enfin, la variation au sein des grappes atteignait 65,3% tandis que la différence entre les classes était de 34%. L’importance d’une évaluation plus approfondie des caractéristiques hydrauliques entre les vignes destinées aux raisins de table et à des fins œnologiques est soulignée, compte tenu de la diversité phénotypique importante au sein d’une même espèce, évidente dans leurs grappes. Il est plausible que des caractères spécifiques conférant une tolérance à la sécheresse existent parmi les cultivars de raisin de table, car ils ont subi une amélioration continue pour atteindre une productivité élevée, souvent au détriment d’une consommation d’eau importante. Cela pourrait aider les programmes de sélection des raisins à améliorer la résistance à la sécheresse, avec des avantages potentiels en termes de durabilité pour la production de vignes viticoles et de raisins de table.

Exploración de la diversidad fisiológica en genotipos de vitis: rasgos hidráulicos en vides con fines enológicos y vides para uvas de mesa

Para mantener la viticultura en condiciones de calentamiento global, es importante seleccionar cuidadosamente los genotipos apropiados para cada región vitícola y desarrollar cultivares que sean resistentes a la sequía. Esta capacidad depende en gran medida de las características hidráulicas, que son dinámicas y varían según el estado de desarrollo de la vid y las condiciones climáticas. Este marco conceptual mejora constantemente nuestra comprensión de las diferencias en la resistencia a la sequía entre los genotipos de vitis. Sin embargo, todavía es necesario entender de manera integral la variabilidad intraespecífica, particularmente entre cultivares de propósito enológicos y de uva de mesa. El presente estudio evaluó la respuesta fisiológica de vides jóvenes bajo riego en el norte de chile, en un viñedo experimental ubicado en el centro de estudios de la biodiversidad del instituto de investigaciones agropecuarias (inia) (30°02’s, 70°41’w, 630 m sobre el nivel del mar). Las evaluaciones se realizaron durante los meses de febrero a abril de 2024. La temperatura promedio y la evapotranspiración de referencia en el sitio de estudio fueron 19,2 °c y 4,4 mm/día, respectivamente. Los cultivares de uva de mesa ‘flame seedless’ (fl), ‘inia-g3’ (G3), ‘inia-g4’ (G4) y ‘alisson seedless’ (ali) se compararon mediante un diseño completamente al azar frente los cultivares de propósito enológico tales como, ‘cabernet franc’ (cf), ‘chardonnay’ (ch) y ‘sauvignon blanc’ (sb), cuyo comportamiento en el uso del agua ha sido ampliamente descrito. También se evaluaron cultivares enológicos fundacionales en sudamérica, como ‘moscatel de alejandría’ (m. Ale), y un genotipo ‘nn’ (nn). Las diferencias estadísticas entre las medias de los cultivares se calcularon mediante anova y los efectos significativos se evaluaron mediante pruebas de comparación múltiple post hoc de tukey (p < 0,05). Nuestros hallazgos muestran diferencias significativas en el punto de pérdida de turgor (πtlp, mpa), la capacitancia absoluta por área foliar (cft; mol m-2 mpa-1), la densidad estomática de la hoja (stoden; n- 1 mm-2), la conductancia estomática (gs ; mol h2o m-2 s-1), la tasa de asimilación neta (an; µmol co2 m-2 s-1) y la eficiencia intrínseca en el uso del agua (wuei; µmol mol-1 ); la vulnerabilidad foliar a la embolia (p50) mostró valores que oscilaron entre -1,6 y -0,9 mpa, sin variaciones entre cultivares. La relación entre ambos propósitos (enológico y de mesa) se determinó mediante análisis de componentes principales (pca) y la disimilitud se determinó mediante análisis de conglomerados jerárquicos (hca; método de vinculación completa y distancia euclidiana). Pc1 (dim1) explicó el 44,4 % de la variabilidad de los datos y permitió visualizar diferentes comportamientos de los cultivares. Los cultivares enológicos como cf, sb, m. Ale y ch se ubicaron a la izquierda de la distribución espacial y se relacionaron positivamente con un wuei, y negativamente con πtlp, stoden. En cambio, la mayoría de los cultivares de uva de mesa (g3, g4 y ali) estaban a la derecha de la distribución espacial y se relacionaban positivamente con cft, gs y potencial osmótico en plena full turgor. Pc2, que explica el 30,9%, se asoció positivamente con el área foliar específica (sla; g cm-2) que, a su vez, se correlacionó negativamente con an y la conductancia hidráulica de toda la planta (kplant; mmol m2 s-1 mpa-1). Interesantemente, el análisis jerárquico de conglomerados (hca) reveló tres conglomerados principales, demostrando una distribución y subclases que corresponden claramente al propósito productivo. El primer y segundo grupo estaban formados principalmente por cultivares de uva de mesa (ali, G4, G3, nn) y cultivares enológicos (ch, m. Ale, sb, cf), respectivamente, mientras que el tercer grupo estaba representado por fl. Finalmente, la variación dentro de los conglomerados fue de hasta el 65,3% mientras que la diferencia entre clases fue del 34,7%. Se subraya la importancia de una mayor evaluación de los rasgos hidráulicos entre los cultivares de uva de mesa y enológicos, dada la importante diversidad fenotípica dentro de una misma especie, evidente en sus racimos. Es posible que existan rasgos específicos que confieren tolerancia a la sequía entre los cultivares de uva de mesa, ya que han experimentado mejoras continuas para lograr una alta productividad, a menudo a expensas de un consumo significativo de agua. Esto podría ayudar a los programas de selección de vides a mejorar la resistencia a la sequía con posibles beneficios de sostenibilidad tanto para las vides de propósito enológico como para la producción de uvas de mesa.