Etude de l’impact d’une élévation du niveau de CO2 atmosphérique sur la physiologie foliaire de la vigne, la maturation et la composition des baies à la récolte, à l’aide un système FACE (Free Air Carbon dioxide Enrichment)

Study of the impact of atmospheric CO2 level on grapevine leaf physiology, berry maturation and composition at harvest, using a FACE (Free Air Carbon dioxide Enrichment) system.

• Auteur / Autrice : Cécile Kahn
• Direction : Eric Gomes, Manfred Stoll
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 07/03/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Hochschule Geisenheim University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écophysiologie et génomique fonctionnelle de la vigne (Villenave d'Ornon, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Coutos-Thévenot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Coutos-Thévenot, Markus Rienth, Nathalie Vaillant-Gaveau, Michaela Griesser
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Markus Rienth, Nathalie Vaillant-Gaveau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Croissance

Viticulture

Plantes -- Effets du dioxyde de carbone atmosphérique

Plantes -- Effets des conditions météorologiques

Changements climatiques

Mots clés libres

Métabolisme des baies

Changement climatique

Niveau de CO2 ambiant

Vigne

CO2 levels

Climate change

Berry ripening

Grapevine

Résumé

Le changement climatique ne peut plus être ignoré à l’heure actuelle, et impacte tous les domaines de l’agriculture. L’élévation de la température moyenne globale, la réduction des précipitations dans certaines parties du globe ainsi que l’augmentation du taux de dioxyde de de carbone sont autant de facteurs qui modifient l’environnement des espèces végétales. La vigne, connue pour son importance économique et culturelle, est très sensible aux modifications du climat. Une grande partie de la littérature scientifique existante concerne l’impact d’une hausse de température, et/ou d’un stress hydrique sur les plants de vignes, les effets de l’élévation du niveau de dioxyde de carbone atmosphérique restant assez peu étudiés, de par le challenge technologique que les dispositifs de plein champ représentent. Dans ce contexte, nous avons étudié l’effet de l’élévation de la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique sur des vignes établies, étant traitées par fumigation depuis six ans au début de notre étude, et sur deux cépages (Cabernet Sauvignon et Riesling) en utilisant le dispositif VineyardFACE de l’Université de Geisenheim. L’impact du traitement CO2 élevé sur la physiologie foliaire et sur la croissance végétative ayant déjà été démontré dans de récents travaux, notre but a été de déterminer les effets du traitement CO2 sur les métabolites primaires (sucres, acides organiques, acides aminés) et secondaires (anthocyanes) de la baie de raisin, en étudiant des vignes déjà acclimatées au traitement CO2. De plus, les données agronomiques du suivi du développement des baies de raisin ainsi que leur dynamique de maturation ont permis de compléter les analyses métaboliques. L’étude des intermédiaires du métabolisme primaire (intervenant dans la glycolyse ou le cycle de Krebs) ont permis de vérifier l’impact du taux de CO2 atmosphérique sur la plasticité métabolique de la baie de raisin en 2020 et 2021. Enfin, les composés aromatiques du moût de Riesling 2021 ont également fait l’objet d’analyses particulières.Les résultats montrent peu d’effets du traitement CO2 sur les métabolites primaires ainsi que sur les dynamiques de maturation, pour les deux cépages (Riesling et Cabernet Sauvignon), bien que le taux de photosynthèse soit toujours stimulé par le traitement CO2. Cependant, il a été mis en évidence une tendance montrant la réduction des anthocyanes totales pour le Cabernet Sauvignon, principalement en 2020 et en 2021, tandis que la composition en anthocyanes restait similaire. La plasticité de la baie a également été étudiée, via l’investigation de composés impliqués dans le cycle de Krebs ainsi que d’intermédiaires du métabolisme des sucres. Ainsi des différences pour quelques composés ont été mises en évidence, l’effet année restant prédominant. Les composés aromatiques (terpènes libres et liés) ont également été analysés pour le moût du Riesling en 2021, leur composition étant peu impactée par le traitement CO2.

Climate change cannot currently be ignored and impacts all fields of agriculture. IPCC reports forecast an increase of up to 700 ppm of atmospheric carbon dioxide concentration at the end of the 21st century (IPCC, 2021). Parameters such as elevated global temperature, reduced precipitations in certain areas of the world and increase of atmospheric carbon dioxide concentration are modifying plants’ environment. Grapevine, which is a crop of economic and cultural importance, is very sensitive to climate modifications. The effects of temperature or water stress on grapevine have been widely investigated, and elevated carbon dioxide has been mainly studied in enclosed systems such as greenhouses. However, the impact of increased concentration of carbon dioxide on plants in open-field experiments remains scarcely studied because of the technical challenge that it represents. In this context, the aim of this PhD work was to investigate the impact of elevated carbon dioxide concentration using the set-up VineyardFACE located at Hochschule Geisenheim University. This open field set-up enables to apply a moderate and gradual increase (+20%) of ambient carbon dioxide concentration, for 6 years at the beginning of our study, on two grapevine cultivars, Riesling, and Cabernet Sauvignon. While knowing the impact of elevated carbon dioxide treatment on leaf physiology and vegetative growth from previous studies, as well as on berry composition during the early years of fumigation, the goal of the present work was to determine the effects of elevated carbon dioxide treatment on agronomical traits, primary metabolites (sugars, organic acids, amino acids) and secondary metabolites (anthocyanins) on vines undergoing six years of fumigation, as well as monitoring berry development and following berry ripening for successive seasons. Intermediates from central metabolism implied in glycolysis or TCA cycle were also studied for two years (2020 and 2021), and the aroma profile between ambient and elevated CO2 was investigated by the analysis of aroma compounds on the must of Riesling 2021.Our results showed that although photosynthesis was still enhanced, little effects were found of elevated carbon dioxide treatment on primary metabolites as well as on berry ripening rates, for successive seasons for both Riesling and Cabernet Sauvignon. However, a trend of reduced total anthocyanins concentration in Cabernet Sauvignon was demonstrated by elevated carbon dioxide treatment mainly in 2020, while anthocyanins composition remained unchanged. The investigation of berry plasticity demonstrated slight differences for specific compounds, but the year effect was predominant. Terpenes (both bound and free) composition in Riesling in 2021 was not impacted by elevated carbon dioxide treatment.