El ratio isotópico del carbono (δ13c) como método de integración a posteriori del estado hídrico del viñedo

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1 El ratio isotópico del carbono (δ13c) como método de integración a posteriori del estado hídrico del viñedo L.G. Santesteban*, C. Miranda, I. Urretavizcaya y J.B. Royo. Departamento de Producción Agraria, Universidad Pública de Navarra, Campus Arrosadia, 31006, Pamplona (Navarra). * gonzaga.santesteban@unavarra.es Resumen La proporción relativa que existe en un tejido vegetal de los dos isótopos estables del carbono ( 12 C y 13 C) está relacionada con las condiciones bajo las que ocurría la fotosíntesis durante su formación. Desde su introducción en la experimentación vitivinícola a principios de la década pasada, el estudio de esta proporción (expresada como ratio isotópico, δ 13 C) ha experimentado un creciente interés. En el caso del δ 13 C de las bayas, se ha demostrado que está estrechamente relacionado con las condiciones de estrés hídrico que se producen durante el verano y, particularmente, con las del periodo envero-vendimia. El objetivo de este trabajo es presentar los resultados obtenidos para este parámetro en la variedad Tempranillo, a partir de la información obtenida en distintos ensayos a cuatro escalas: (i) un ensayo en el que se valoraban tres dosis de riego, (ii) una parcela de secano en la que existían diferencias de estado hídrico como consecuencia de la variabilidad del suelo; (iii) 26 parcelas de una explotación vitícola (>90 ha de Tempranillo); y (iv) puntos de muestreo ubicados en más de 300 viñedos distribuidos por La Rioja y Navarra pertenecientes a la red de parcelas VitMod. En todos los casos quedó claro el potencial integrador del δ 13 C, lo que hace muy recomendable su introducción en trabajos relacionados con la fisiología del cultivo, con la gestión hídrica, la modelización y la viticultura de precisión. Palabras clave: potencial hídrico, metodología, variabilidad intra- e inter-parcelar. INTRODUCCIÓN La variación en el ratio entre dos isótopos de un elemento en un material determinado respecto al valor medio del mismo en el conjunto del planeta, es consecuencia de la ocurrencia de una discriminación isotópica a favor de uno de ellos. La mayor parte del carbono se encuentra en la naturaleza en forma de 12 C (98,93%), mientras que el 13 C representa un 1,07%. Sin embargo, en los tejidos vegetales, se observa que la proporción de 13 C es menor que en el CO 2 atmosférico, lo que indica que en la fotosíntesis, cuando se incorpora el CO 2 atmosférico en la planta, se produce una discriminación de carbono. Las causas de esta discriminación a nivel fisiológico son dos: (i) la mayor afinidad de la enzima encargada de la fijación de CO 2 (RuBisCO) por el 12 CO 2 que por el 13 CO 2 y, (ii) que la velocidad de difusión del 13 CO 2 en el interior de las hojas (mesófilo) es menor que la del 12 CO 2 (Farquhar et al., 1989). Dado que el δ 13 C del CO 2 atmosférico es relativamente estable, la huella isotópica de un tejido vegetal es un buen indicador de las condiciones en las que se ha desarrollado la actividad fotosintética durante su formación. Así, se ha comprobado que cuando las plantas experimentan un déficit hídrico, se produce un cierre estomático y la discriminación isotópica se reduce dado que (i) la proporción relativa de 13 CO 2 en el 146

2 interior de la hoja aumenta conforme la del sustrato preferido por la RuBisCO ( 12 CO 2 ) disminuye, y (ii) que el efecto de difusión pierde importancia al no haber renovación de aire en la cavidad subestomática. Como consecuencia, es habitual observar que las bayas de las cepas que han sido sometidas a un déficit hídrico mayor, presenten valores de δ 13 C mayores que las plantas no estresadas (Gaudillere et al., 2002; De Souza et al., 2003; De Souza et al., 2005; Van Leeuwen et al., 2009; Santesteban et al., 2011; Santesteban et al., 2012). El objetivo de este trabajo es presentar los resultados obtenidos en distintos ensayos a cuatro escalas para este parámetro en la variedad Tempranillo. RESPUESTA DEL δ 13 C ANTE MODIFICACIONES DE LA DOSIS DE RIEGO La respuesta del δ 13 C ante cambios en la dosis de riego se valoró a partir de información tomada en el periodo en una explotación vitícola localizada en Traibuenas (Navarra, 42º22 N; 1º37 W; 340 m s.n.m.). Para ello, se consideraron tres viñedos de Tempranillo/110 Richter que diferían en las propiedades del suelo. El sistema de conducción en los tres viñedos es cordón Royat bilateral, y su marco de plantación 3 x 1 m. Las diferencias mesoclimáticas entre los mencionados viñedos pueden considerarse despreciables. En cada uno de los tres viñedos, se aplicaron tres estrategias de riego: NI (sin riego), SI (riego estándar, siguiendo las pautas de riego de la propiedad, que consistían en aproximadamente 32 L por cepa a la semana) y riego doble (DI, el doble de la aportación realizada en SI). Además de realizar una valoración completa de los efectos de las dosis de riego sobre el crecimiento, el rendimiento y la calidad, se realizó un seguimiento del estado hídrico de las cepas mediante la medida del potencial hídrico xilemático a media mañana (Ψs-m) y a mediodía (Ψs-n) dos veces por semana mediante una cámara de Scholander. En vendimia, se determinó el δ 13 C en muestras de 100 bayas tomadas al azar, molidas tras ser secadas en estufa. En la Figura 1 se representa la relación entre los valores de δ 13 C y los valores medios de potencial hídrico (Ψs-m y Ψs-n) y se comprueba que dicha relación es muy buena, sobre todo sí se considera únicamente el estado hídrico medio durante el periodo comprendido entre envero y vendimia e indica que, efectivamente, el valor de δ 13 C medido en bayas de Tempranillo en vendimia, integra muy bien cuál ha sido el estado hídrico del cultivo a lo largo de la campaña, y se confirma que dicho valor puede utilizarse como un indicador de estrés a posteriori. VARIABILIDAD INTRA-PARCELAR EN UN VIÑEDO DE SECANO En un viñedo de secano de 4,2 ha, ubicado en Leza (Rioja alavesa, 42º33 22 N, 2º W, 572 m s.n.m.). La variedad es Tempranillo, se plantó en 1993 y las cepas están formadas en vaso a un marco de 2,4 x 1,2 m. Para el estudio se estableció una red de muestreo formada por 60 puntos siguiendo una retícula regular de, aproximadamente, 30 x 30 m. En cada uno de los puntos de la red se marcaron 15 cepas (cinco cepas en tres filas contiguas), y durante las campañas 2010 y 2011, se realizó un seguimiento estándar del crecimiento vegetativo y se valoró la producción y la calidad de la cosecha. Además, en vendimia, se determinó también el δ 13 C en los 60 puntos de la red siguiendo la metodología descrita en el apartado anterior. La información de δ 13 C se georreferenció, y se elaboraron mapas (Figura 2) que permitieron valorar la variabilidad y la distribución espacial de este parámetro. Además, en 2010, en 9 de los puntos de muestreo se midió una vez por semana el potencial hídrico xilemático a media mañana (Ψs-m) y a mediodía (Ψs-n). Los mapas de variabilidad (Figura 2) muestran que ésta es relativamente alta 147

3 dentro de la parcela los dos años de estudio, y que las diferencias intra-parcelares para este parámetro rondaron alrededor del 6, lo que de acuerdo a la relación observada entre δ 13 C y Ψs-n en esta misma parcela (Figura 3) se corresponde con una diferencia al mediodía de más de 0,8 MPa. Por otra parte, también se observa que los valores de δ 13 C del año 2011, en el que las precipitaciones fueron menores, fueron menos negativos que en el VARIABILIDAD ENTRE PARCELAS DE UNA EXPLOTACIÓN VITÍCOLA El cambio de escala que supone pasar de un solo viñedo a una explotación vitícola se estudió en una finca de 140 ha ubicada en Olite (Navarra, 42º25 4 N, 1º40 48 W, 340 m s.n.m.). El estudio se centró en la variedad Tempranillo que estaba implantada en 26 de las parcelas, todas ellas adyacentes y que, en conjunto, representaban alrededor de 90 ha. Dichas parcelas se habían clasificado previamente considerando la altitud, la conductividad eléctrica aparente del suelo (ECa), y el índice vegetativo NDVI (Normalized Differential Vegetation Index) adquirido mediante un sensor multiespectral aerotransportado y, mediante análisis clúster, se habían distinguido tres clases. Durante la campaña 2008, se localizaron 64 puntos constituidos por 15 cepas repartidos de forma regular por todo el viñedo y, en cada uno, en el momento de vendimia, se determinó la producción, la calidad de la cosecha y el δ 13 C. En la Figura 4 se muestra la relación entre el peso medio de la baya de cada punto y el valor de δ 13 C. Se observa que este último parámetro explica más del 38% (P<0.001) de la variabilidad del peso de la baya, lo cual es muy de destacar si se tiene en cuenta que entre los puntos que se reparten en las 90 ha existen muchas diferencias en lo concerniente a la profundidad del suelo, a la pendiente, a la orientación, al marco de plantación, a la edad e, incluso, al portainjerto utilizado. Estos resultados confirman la validez del parámetro δ 13 C como estimador de la variabilidad a nivel de toda una explotación. VARIABILIDAD A NIVEL REGIONAL Nuestro equipo de investigación también ha estudiado la variabilidad que puede encontrarse en el parámetro δ 13 C a nivel regional. Para ello se utilizó la información recopilada en el conjunto de más de 300 viñedos de la variedad Tempranillo integrados dentro de la red de parcelas VitMod, que se repartían por toda las subzonas de La Rioja Alta y de Navarra, y en las que durante el periodo , se realizó un seguimiento intensivo con el objeto de modelizar el comportamiento del viñedo de esa zona. Desde el punto vista climático, se diferenciaron 5 zonas (la zona 1 es la más fresca y la 5ª la más cálida). En la Figura 5a se representan los valores medios de δ 13 C en cada zona climática y se observa que hay una buena correspondencia entre dichos valores y las características climáticas. Las uvas procedentes de las zonas más frescas (1ª y 2 ª), muestran valores más altos que las de las más cálidas (3ª-5ª). Es destacable que el valor medio de δ 13 C es más negativo en la zona 4ª que en la 5ª lo cual se explica por el hecho de que la totalidad de los viñedos analizados en esta zona están en regadío y se compensa el déficit hídrico mediante aportaciones de agua en verano, mientras que muchos de los viñedos de la zona 4ª estaban en secano y por tanto, a pesar de que el clima era más fresco, estaban sometidas a un estrés mayor. En la Figura 5b se representan los valores medios de δ 13 C de cada año del estudio y, como en el caso anterior, se comprueba una buena correspondencia con las circunstancias climáticas de manera que el valor mayor, se 148

4 observa el año 2008 que, como ya se ha dicho, fue el más fresco y lluvioso durante el ciclo de la vid. CONCLUSIÓN En todos los casos ha quedado claro el potencial integrador del δ 13 C, lo que hace muy recomendable su introducción en trabajos relacionados con la fisiología del cultivo, con la gestión hídrica, la modelización y la viticultura de precisión. Además, desde el punto de vista de aplicación en el sector vitivinícola, el δ 13 C podría utilizarse para estimar el estado hídrico que ha experimentado un viñedo que no se ha visitado, permitiendo discriminar aquéllos en los que haya sido excesivamente alto o bajo. Agradecimientos Los trabajos incluidos en esta publicación han sido financiados por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) mediante el proyecto BACAVID (Ref: AGL C04-03) y por el Departamento de Innovación, Industria y Empleo del Gobierno de Navarra (MODELVID, Ref: IIM11879.RI.1). Referencias De Souza, C.R., Maroco, J.P., Dos Santos, T.P., Rodrigues, M.L., Lopes, C., Pereira, J.S., Chaves, M.M. (2003). Partial rootzone drying: regulation of stomatal aperture and carbon assimilation in field-grown grapevines. Functional Plant Biology, 30, De Souza, C.R., Maroco, J.P., Dos Santos, T.P., Rodrigues, M.L., Lopes, C.M., Pereira, J.S., Chaves, M.M. (2005), Impact of deficit irrigation on water use efficiency and carbon isotope composition of field-grown grapevines. J. Experimental Botany, 56, Farquhar, G.D., Ehleringer, J.R., Hubick, K.T. (1989). Carbon isotope discrimination and photosynthesis. Annual Review of Plant Biology, 40, Gaudillere, J.P., Van Leeuwen, C., Ollat, N. (2002). Carbon isotope composition of sugars in grapevine, an integrate indicator of vineyard water status. J. Experimental Botany, 53, Santesteban, L.G., Miranda, C., Royo, J.B. (2011). Regulated deficit irrigation effects on growth, yield, grape quality and individual anthocyanin composition in Vitis vinifera L. cv. 'Tempranillo'. Agricultural Water Management, 98, Santesteban, L.G., Miranda, C., Urretavizcaya, I., Royo, J.B. (2012). Carbon isotope ratio of whole berries as an estimator of plant water status in grapevine (Vitis vinifera L.) cv. 'Tempranillo'. Scientia Horticulturae, 146, Van Leeuwen, C., Tregoat, O., Chone, X., Bois, B., Pernet, D., Gaudillere, J.P. (2009). Vine water status is a key factor in grape ripening and vintage quality for red Bordeaux wine. How can it be assessed for vineyard management purposes? Journal International des Sciences de la Vigne et du Vin, 43,

5 Figura 1. Relación entre el ratio isotópico de las bayas en vendimia (δ13c) y el potencial hídrico medio en el periodo envero-vendimia. Los datos representados en azul y rojo se corresponden, respectivamente, con los valores medios de potencial hídrico (Ψs) a media mañana y a mediodía; y proceden de cuatro campañas, 2010 (rombos), 2011 (círculos), 2012 (triángulos) y 2013 (cuadrados). (a) (b) Figura 2. Mapas que representan la variabilidad intra-parcelar observada para δ 13 C en el viñedo de secano situado en Leza. (a) 2010, (b)

6 Figura 3. Relación entre el ratio isotópico de las bayas en vendimia (δ 13 C) y el potencial hídrico medio (Ψs) en el periodo cuajado-vendimia para la parcela de secano. Los datos representados en azul y rojo se corresponden, respectivamente, con los valores medios de potencial hídrico a media mañana y a mediodía. Figura 4. Relación entre el ratio isotópico del carbono (δ 13 C) en vendimia y el peso de las bayas en dicha fecha. Los datos se corresponden con 64 puntos de muestreo distribuidos por el conjunto de una explotación de 90 ha de la variedad Tempranillo. 151

7 (a) (b) Figura 5. Correspondencia de (a) la zona climática y (b) del año con los valores medios de δ 13 C observados en vendimia en las parcelas de la variedad Tempranillo de la red VitMod. 152