ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΟΙΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΑΜΠΕΛΟΥΡΓΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΟΙΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΑΜΠΕΛΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΜΕΡΙΚΕΣ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΥΣ ΚΑΙ ΣΤΑ ΠΟΙΟΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΗΣ ΠΟΙΚΙΛΙΑΣ SYRAH METAΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Τσινίδης Κ. Γεώργιος Γεωπόνος ΑΠΘ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Κουνδουράς Στέφανος, Επίκουρος Καθηγητής ΑΠΘ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2013

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά: Τον κ ο Κουνδουρά Στέφανο, Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ, o οποίος ως επιβλέπων καθηγητής με στήριξε προσφέροντάς μου πολύτιμη βοήθεια για την εκτέλεση και την συγγραφή της διατριβής μου. Για τις πολύτιμες γνώσεις και τη βοήθεια που μου προσέφεραν κατά την διάρκεια του μεταπτυχιακού προγράμματος «Οινολογίας-Αμπελουργίας» και τη συγγραφή της μεταπτυχιακής διατριβής θα ήθελα να ευχαριστήσω: Τον κ ο Νικολάου Νικόλαο, Καθηγητή του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ Την κ α Ζιώζου Ελευθερία, Καθηγήτρια του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ Τον κ ο Σουφλερό Ευάγγελο, Καθηγητή του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ Τον κ ο Σταύρακα Δημήτριο, Ομότιμο Καθηγητή του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ Τέλος θέλω να ευχαριστήσω θερμά τον συνάδελφο γεωπόνο και φίλο, υποψήφιο διδάκτορα του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ κ ο Θεοδώρου Νικόλαο, για την πολύτιμη βοήθεια του στην ολοκλήρωση του πειράματος κατά το έτος 2011, καθώς και για την εξίσου πολύτιμη βοήθεια που μου προσέφερε στην ανάλυση των δεδομένων του πειράματος. i

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στα πλαίσια αυτής της εργασίας μελετήθηκε, κατά το έτος 2011, η επίδραση της άρδευσης στην φυσιολογία, την αύξηση των βλαστικών και αναπαραγωγικών οργάνων και στην ωρίμανση της ράγας της ερυθρής οινοποιήσιμης ποικιλίας Syrah (Vitis vinifera L.). Το πείραμα διεξήχθη σε γραμμικό αμπελώνα στην περιοχή της Επανομής Θεσσαλονίκης, εμβολιασμένο στο υποκείμενο 1103P και σε αποστάσεις φύτευσης 1,2 x 2 m. Μελετήθηκαν τρεις διαφορετικές υδατικές δίαιτες σε πειραματικό σχέδιο τυχαιοποιημένων πλήρων ομάδων με 4 επαναλήψεις: α) άρδευση 100% της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας ET C (F), β) άρδευση 50% της ET C (D), γ) απουσία άρδευσης (N). Η παρακολούθηση της υδατικής κατάστασης της αμπέλου έγινε με μετρήσεις του πρωινού (Ψ D ) και του μεσημβρινού υδατικού δυναμικού του βλαστού και του φύλλου (Ψ S και Ψ L ) με θάλαμο πίεσης, ενώ μετρήθηκαν και οι ανταλλαγές αερίων και παράμετροι του μικροκλίματος στις ίδιες χρονικές στιγμές. Στον τρυγητό και στο κλάδεμα αξιολογήθηκαν οι παράμετροι αύξησης των αναπαραγωγικών και βλαστικών οργάνων ενώ τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των σταφυλιών καταγράφηκαν με εβδομαδιαίες μετρήσεις από τον περκασμό ως την πλήρη ωρίμανση. Το Ψ D μειώθηκε με την αύξηση της υδατικής καταπόνησης, με σημαντικές διαφορές μεταξύ των επεμβάσεων ενώ παρόμοια τάση παρατηρήθηκε για τις τιμές του Ψ S. Αντίθετα, το Ψ L δεν διέφερε μεταξύ των επεμβάσεων και έπαιρνε τιμές μικρότερες από -2,00 MPa σε όλη τη διάρκεια της περιόδου μετρήσεων, υποδεικνύοντας μία μειωμένη ρύθμιση της υδατικής κατάστασης του φύλλου από τα στόματα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης των υδατικών σχέσεων στην ποικιλία Syrah, το Ψ D (κυρίως) και δευτερευόντως το Ψ S, αποτέλεσαν τους πιο αξιόπιστους δείκτες εκτίμησης της υδατικής κατάστασης της αμπέλου και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση προγραμμάτων ελλειμματικής άρδευσης. Ο ρυθμός διαπνοής (Ε) ήταν παρόμοιος μεταξύ των επεμβάσεων ενώ η στοματική αγωγιμότητα (gs) και ο ρυθμός καθαρής φωτοσύνθεσης (A) ήταν χαμηλότερος στα φυτά N σε σχέση με τα D και F. Από τις μετρήσεις των ανταλλαγών αερίων υπολογίστηκαν η εγγενής (ΑΧΝ Ε =A/gs) και η στιγμιαία αποτελεσματικότητα χρήσης νερού (ΑΧΝ Σ =A/E) οι οποίες έδειξαν αντίθετη απόκριση υπό την επίδραση υδατικής καταπόνησης υποδεικνύοντας ότι η χρήση της εγγενούς ΑΧΝ για την αξιολόγηση πρακτικών και γενοτύπων δεν αποδίδει πάντοτε με ακρίβεια το ισοζύγιο άνθρακα και ii

4 νερού και ότι σε ξηροθερμικά κλίματα με αυξημένη διαφορά των μερικών πιέσεων των υδρατμών (VPD) κατά τις μεσημβρινές ώρες, είναι πιθανό οι αρδευόμενες επεμβάσεις να παρουσιάζουν πιο αποτελεσματική αξιοποίηση των υδατικών πόρων. Η άρδευση επηρέασε θετικά την αύξηση των βλαστών και της ράγας στην ποικιλία Syrah, καθώς στα πλήρως αρδευόμενα φυτά καταγράφηκαν οι υψηλότερες τιμές φυλλικής επιφάνειας, βάρος ξύλου κλαδέματος καθώς και οι υψηλότερες τιμές βάρους ράγας. Σε ό,τι αφορά τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των σταφυλιών, παρατηρήθηκαν υψηλότερα επίπεδα σακχάρων στο γλεύκος καθώς και υψηλότερο ph στα σταφύλια προερχόμενα από τα μη αρδευόμενα φυτά. Ωστόσο, οι ανθοκυάνες καθώς και οι ολικές φαινόλες της ράγας ήταν υψηλότερες στις ράγες προερχόμενες από τα σταφύλια των φυτών της μεταχείρισης D, δείχνοντας ότι η υψηλότερη συγκέντρωση των φαινολικών ενώσεων στη συγκεκριμένη ποικιλία και περιοχή επιτυγχάνεται σε συνθήκες ήπιας υδατικής έλλειψης, πιθανώς λόγω βελτίωσης της ισορροπίας μεταξύ βλαστικής και αναπαραγωγικής αύξησης αλλά και του φωτεινού και θερμικού μικροκλίματος στο περιβάλλον των σταφυλιών. iii

5 ABSTRACT Drought-induced changes in vine water relations and water use efficiency as well as vine growth and berry ripening were investigated in field-grown Syrah grapevines (Vitis vinifera L.) in Epanomi, Greece, during the 2011 season. Three irrigation regimes, replicated 3 times, were applied from berry set through harvest: full irrigation (F: 100% of crop evapotranspiration), deficit irrigation (D: 30% of crop evapotranspiration) and non-irrigated (N). Predawn (Ψ D ), stem (Ψ S ) and leaf (Ψ L ) water potentials and gas exchange parameters were measured on fully expanded, intact leaves per plot on differnet occasions during the growth period starting at berry set. Vine physiology and grape microclimate parameters were simultaneously measured as well. Vegetative and reproductive growth parameters were assessed at harvest and pruning respectively and berry ripening was monitored from veraison through harvest at weekly intervals. Ψ D decreased with increasing drought, with significant differences among treatments. A similar trend was observed for midday Ψ S, while midday Ψ L did not differ among treatments and was inferior to MPa throughout the study period. The results on water relations showed that Ψ D (followed by Ψ S ) was the most reliable indicator of vine water status and should be preferably used for irrigation monitoring purposes. Transpiration rate was similar among treatments while stomatal conductance and net photosynthetic rate were lower in N than in irrigated vines. From the leaf gas exchange measurements, intrinsic (A/gs) and instantaneous (A/E) water-use efficiency (WUE) were calculated, showing an opposite trend with water restriction. This obervation showed that intrinsic WUE does not always provide accurate information on carbon and water balance and that, under semiarid conditions, instantaneous WUE is maximaized in irrigated vines. Ιrrigation levels affacted vine vegetative and reproductive growth, with higher leaf area, winter pruning weight and average berry weight in the fully irrigated (F) plants. Irrigation water levels also influenced grape ripening with highest juice brix and ph for the non-irrigated (N) vines. However, the deficit irrigated vines (D) presented the highst levels of phenolic compounds, compared to N and F, showing that a moderated deficit promoted secondary metabolism, possibly as a result of better vine balance and canopy microclimate. iv

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ A. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1. Ο ΡΟΛΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ ΚΑΙ ΣΤΟ ΦΥΤΟ 1.1. Οι ιδιότητες του νερού Το νερό στο φυτό και η σημασία του Υδατικές σχέσεις φυτών Το νερό στο κύτταρο Το νερό στο έδαφος Η πορεία του νερού από το έδαφος μέχρι την ατμόσφαιρα Η φυσιολογία της υδατική καταπόνησης φυτών ΑΜΠΕΛΟΣ ΚΑΙ ΝΕΡΟ 2.1 Απαιτήσεις αμπέλου σε νερό Υδατική καταπόνηση αμπέλου Επίδραση της υδατικής καταπόνησης στην φυσιολογία της φωτοσύνθεσης Επίδραση υδατικής καταπόνησης στα βλαστικά και αναπαραγωγικά όργανα Επίδραση στην ωρίμανση της ράγας 19 Β. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 1. Ο πειραματικός αμπελώνας Κλιματικές συνθήκες Μετρήσεις φυσιολογίας Παράμετροι αύξησης Ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά παραγωγής Στατιστική επεξεργασία 31 Γ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 1 Επίδραση της υδατικής καταπόνησης στην φυσιολογία της ποικιλίας Syrah Υδατικό δυναμικό Ανταλλαγές αερίων Επίδραση υδατικής καταπόνησης στην αποτελεσματικότητα χρήσης νερού (ΑΧΝ Σ, ΑΧΝ Ε ) Επίδραση υδατικής καταπόνησης στη βλάστηση και το μικροκλίμα της αμπέλου 3 Επίδραση της υδατικής καταπόνησης στα ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά 46 της παραγωγής Ποσοτικές παράμετροι παραγωγής Ποιοτικές παράμετροι παραγωγής 53 Δ. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 59 Βιβλιογραφία 61 i

7 A. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.Ο ΡΟΛΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ ΚΑΙ ΣΤΟ ΦΥΤΟ 1.1 Οι ιδιότητες του νερού Το νερό αποτελεί ένα ιδεώδες μέσο απαραίτητο για την ανάπτυξη του φυτού και την διατήρηση της ζωής του. Το μόριο του νερού είναι πολικό. Σχηματίζει ενδομοριακούς ομοιοπολικούς δεσμούς ανάμεσα στο Ο 2 και το Η 2 με γωνία 105 ο. Το φορτίο του ατόμου του Ο 2 είναι πιο ηλεκτροαρνητικό και τείνει να έλκει προς το μέρος του τα ηλεκτρόνια που συμμετέχουν στο ομοιοπολικό δεσμό. Έτσι το τμήμα του μορίου που καταλαμβάνεται από το Ο 2 χαρακτηρίζεται από αρνητικό φορτίο σε σχέση με το τμήμα του Η 2. Ως αποτέλεσμα, το μόριο του νερού καθίσταται διπολικό. Το νερό είναι ένας εξαιρετικός διαλύτης. Δημιουργεί δεσμούς Η 2 και Ο 2 επηρεάζοντας την δομή μεγαλομορίων, όπως οι υδατάνθρακες και οι πρωτεΐνες. Τα μόρια του νερού προσανατολίζονται γύρω από τα ιόντα και με μια σφαίρα ενυδάτωσης τα καλύπτουν, ελαττώνοντας έτσι τις ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Σημαντικές βιοχημικές λειτουργίες όπως η ενυδάτωση των μεμβρανών, πρωτεϊνών, νουκλεϊκών οξέων και άλλων βιολογικά κρίσιμων συστατικών είναι απαραίτητες για την αποκατάσταση της λειτουργικής στερεοδομής τους. Η υψηλή θερμοχωρητικότητα του νερού αποτελεί κύριο παράγοντα διατήρησης σταθερής θερμοκρασίας των φυτών κατά την διάρκεια έντονης ζέστης ή κρύου. Η υψηλή ειδική θερμότητα και η υψηλή λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης αποτελούν δυο από τα κυριότερα χαρακτηριστικά του νερού. Η πρώτη αναφέρεται στο ποσό της θερμικής ενέργειας που απαιτείται για την άνοδο της θερμοκρασίας ενός υλικού κατά μια μονάδα. Η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί ταχύτερη κίνηση των μορίων. Αυτό γίνεται διότι η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική. Οι δεσμοί υδρογόνου ανθίστανται στην κίνηση αυτή και, καθώς η θερμότητα αυξάνεται, σπάνε κάτω υπό πίεση της αύξησης της κινητικής ενέργειας. Το νερό παρουσιάζει μεγάλη θερμοχωρητικότητα και σε σχέση με άλλα υγρά απαιτεί μεγάλες ποσότητες ενέργειας για να θερμανθεί. Η δεύτερη ιδιότητα, είναι η ενέργεια που απαιτείται για να μετατραπεί το νερό από υγρή φάση σε αέρια φάση. Η ιδιότητα αυτή συμβάλει στην διατήρηση της θερμοκρασίας του φύλλου σε ανεκτά επίπεδα μέσω του φαινομένου της διαπνοής. 1

8 To νερό χαρακτηρίζεται από υψηλή επιφανειακή τάση, συνοχή και συνάφεια. Η συνοχή αναπτύσσεται λόγω δυνάμεων έλξης των μορίων του νερού μεταξύ τους, ενώ η συνάφεια λόγω των ελκτικών δυνάμεων μεταξύ των μορίων του νερού και της στερεάς φάσης (π.χ τα κυτταρικά τοιχώματα των αγγείων). Η επιφανειακή τάση χαρακτηρίζεται από την ενέργεια που απαιτείται για να αυξηθεί η ελεύθερη επιφάνεια του νερού και είναι η δύναμη που δίνει την δυνατότητα της δημιουργίας ενιαίας στήλης νερού στους τριχοειδής σωλήνες και τα αγγεία του ξύλου. Το νερό συμπιέζεται δύσκολα. Οι δεσμοί υδρογόνου και οξυγόνου βρίσκονται πολύ κοντά περιορίζοντας τον χώρο για περαιτέρω συμπίεση. Αυτό βοηθά στο να διατηρείται το νερό εντός των αγγείων συνεχές, αποφεύγοντας έτσι την δημιουργία κενών που οδηγεί σε θηλώσεις. Αυτό επίσης το φαινόμενο εξηγεί και το πώς ένα ποώδες φυτό διατηρεί την μορφή του και το σχήμα του χωρίς να έχει ξυλώδεις βλαστούς. Το νερό είναι διαφανές. Η ιδιότητα αυτή είναι πολύ σημαντική καθώς το φυτό θέλει να απορροφά το ορατό φως για να εκτελεί την φωτοσύνθεση. Δεδομένου ότι το μεγαλύτερο μέρος του φυτικού ιστού καταλαμβάνεται από νερό, γίνεται κατανοητή η σημασία αυτής της ιδιότητας. 1.2 Το νερό στο φυτό και η σημασία του Στα φυτά, τόσο οι βλαστοί όσο και τα φύλλα αποτελούνται κατά το μεγαλύτερο ποσοστό από νερό. Σε φύλλα ή σαρκώδεις καρπούς το νερό μπορεί να φτάσει και το 96% του συνολικού βάρους. Το νερό προσλαμβάνεται από το έδαφος με την βοήθεια των ριζών. Μετακινείται προς το φύλλο από όπου και το μεγαλύτερο μέρος του εξατμίζεται προς την ατμόσφαιρα. Η μετακίνηση και η εξάτμιση είναι τόσο έντονη, ειδικά τις καλοκαιρινές περιόδους, με αποτέλεσμα κατά την διάρκεια της ζωής του να απελευθερώνει νερό που ισοδυναμεί σε χιλιάδες φορές το βάρος του. To νερό στο φυτό ειδικότερα: Αποτελεί άριστο διαλύτη ηλεκτρολυτών και μη συστατικών, μικρο- ή μεγαλομορίων των κυττάρων, καθώς και άριστο διαλύτη οργανικών και ανόργανων ουσιών. Χρησιμοποιείται στο κύτταρο ως αντιδραστήριο κατά την φωτοσύνθεση για τον σχηματισμό υδατανθράκων, καθώς και για την αναπνοή με την αποικοδόμηση μονοκαι πολυσακχαριτών ή λιπών. 2

9 Είναι πηγή πρωτονίων. Τα πρωτόνια χρησιμοποιούνται για την αναγωγή του ΝADP + σε NADPH 2, και συγχρόνως τροφοδοτεί ηλεκτρόνια στο φωτοσύστημα ΙΙ. Αποτελεί το μέσο δια του οποίου διακινούνται τα μόρια διαφόρων ουσιών στα ενδοκυτταρικά διαμερίσματα αλλά και μεταξύ των κυττάρων Λόγω της μεγάλης ειδικής του θερμότητας αλλά και μέσω της διαπνοής έχει καθοριστικό ρόλο στη διατήρηση της θερμοκρασίας των φύλλων αλλά και ολόκληρου του φυτικού σώματος σε ευνοϊκά για τις βιοχημικές αντιδράσεις επίπεδα. Με την διαπνοή μεγάλες ποσότητες νερού οδηγούνται από την ρίζα στο φύλλο, δημιουργώντας ένα ρεύμα μετακίνησης εδαφικού διαλύματος προς τις ρίζες με αποτέλεσμα την απορρόφηση ιόντων από αυτό. Είναι καθοριστικός παράγοντας για την λειτουργία των κυττάρων και των ιστών. Μόνο στην κατάσταση της σπαργής εξασφαλίζεται η υπόσταση των κυττάρων. Έλλειψη νερού οδηγεί σε πλασμόλυση με αποτέλεσμα την παροδική ή μόνιμη βλάβη στο φυτό (μάρανση). 1.3 Υδατικές σχέσεις φυτών Το νερό στο κύτταρο Η εξωτερική μεμβράνη που περιβάλει το κύτταρο αποκαλείται κυτταροπλασματική μεμβράνη ή πλασμαλήμμα. Αυτή η μεμβράνη καθορίζει την έκταση του κυττάρου και περικλείει τα οργανίδιά του. Όλες οι εισερχόμενες και εξερχόμενες ουσίες πρέπει να περάσουν από αυτήν την μεμβράνη. Η μεταφορά των ουσιών γίνεται με την ύπαρξη ενός ιδεώδους οσμωτικού συστήματος. Το οσμωτικό δυναμικό δημιουργείται λόγω της διαφοράς πιέσεων μέσα και έξω από αυτό. Η πίεση εντός του κυττάρου καθορίζεται από την συγκέντρωση των διαλυμένων ουσιών εντός αυτού σχηματίζοντας μια πίεση π. Το τοίχωμα του κυττάρου ως ανελαστικό αντιστέκεται στην πίεση αυτή αποτρέποντας έτσι την αύξηση όγκου του κυττάρου. Η αντίσταση αυτή δημιουργεί μια υδροστατική πίεση στο εσωτερικό του, P. Οι δύο τιμές, π και P, καθορίζουν το υδατικό δυναμικό του κυττάρου άρα και την ικανότητα ανταλλαγής νερού με το περιβάλλον ή τα γειτονικά κύτταρα. Για να γίνει αυτό θα πρέπει να υπάρχει διαφορά δυναμικό (ΔΨ). Το υδατικό δυναμικό (Ψ) εκφράζει την ελεύθερη ενέργεια του νερού ή την ικανότητα παραγωγής έργου. Το Ψ είναι ένα σχετικό μέγεθος, εκφράζοντας πάντοτε τη 3

10 διαφορά του δυναμικού του νερού σε δεδομένη κατάσταση σε σχέση με μια άλλη πρότυπη κατάσταση. Ως πρότυπη κατάσταση έχει ορισθεί αυτή του καθαρού (απιονισμένου) νερού όταν αυτό βρίσκεται σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Ως τιμή της πρότυπης κατάστασης ορίζεται αυθαιρέτως το μηδέν. Κατά συνέπεια σε μια δεδομένη στιγμή το υδατικό δυναμικό μπορεί να λάβει αρνητικές τιμές αν μέσα στο καθαρό νερό διαλυθούν ουσίες. Το παραγόμενο έργο είναι η κίνηση του νερού με κατεύθυνση πάντα προς αυτή που μπορεί να παράγει έργο και να απελευθερώσει ενέργεια. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω, αν μέσα στο φυτό υπάρχουν δύο μάζες νερού με διαφορετικό δυναμικό σε διαφορετικές περιοχές, θα λάβει χώρα αυθόρμητη μεταφορά νερού από την περιοχή με υψηλό δυναμικό προς την περιοχή με χαμηλό δυναμικό. Η μεταφορά είναι αυθόρμητη, δηλαδή δεν απαιτείται ενέργεια. Μόνο σε κατάσταση σπαργής, το κύτταρο συνεχίζει να έχει την υπόστασή του. Τα χυμοτόπια αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του εσωτερικού του κυττάρου. Ο υπόλοιπος χώρος καταλαμβάνεται από το κυτόπλασμα. Καθώς το κύτταρο χάνει νερό, συρρικνώνεται και η κυτταρική μεμβράνη αποκολλάται από το κυτόπλασμα και ακολουθεί την μεταβολή του χυμοτοπίου. Οι παράγοντες που επηρεάζουν το υδατικό δυναμικό είναι: Η συγκέντρωση του νερού. Όταν στο καθαρό νερό προστεθεί μια ουσία (π.χ σακχαρόζη) τότε ένα μέρος του όγκου καταλαμβάνεται από αυτήν την ουσία με αποτέλεσμα η συγκέντρωση του νερού να μειώνεται. Συνεπώς και το υδατικό δυναμικό μειώνεται, αφού υπάρχουν λιγότερα μόρια ανά μονάδα όγκου που μπορούν να παράγουν έργο. Η μείωση της πίεσης δίδεται από τον τύπο van t Hoff : π= -mirt Όπου m είναι η γραμμομοριακή συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας κατά βάρος, i είναι ο συντελεστής ιονισμού της διαλυμένης ουσίας, R είναι η σταθερά των αερίων και Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία (K). Το αρνητικό πρόσημο δηλώνει ότι η διαλυμένη ουσία μειώνει το υδατικό δυναμικό. Το μέγεθος π έχει επικρατήσει να ονομάζεται οσμωτική πίεση. Η πίεση σπαργής. Αν σε καθαρό νερό υπό ατμοσφαιρική πίεση εφαρμοσθεί επιπλέον πίεση, το δυναμικό του αυξάνεται ανάλογα με την εφαρμοσθείσα πίεση P. Αν βρίσκεται υπό τάση, το δυναμικό του μειώνεται κατά το ίδιο ποσοστό. Κατά συνέπεια στο καθαρό νερό με πίεση μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής, το δυναμικό θα πάρει θετικές τιμές, ενώ με μικρότερη αρνητικές. Σημειώνεται ότι στο εσωτερικό των φυτικών κυττάρων, λόγω του σχεδόν ανελαστικού κυτταρικού τοιχώματος, 4

11 αποκαθίσταται η θετική υδροστατική πίεση, που συνήθως ονομάζεται πίεση σπαργής. Αντίθετα έξω από τα κύτταρα το νερό βρίσκεται υπό αρνητική πίεση (τάση). Η πίεση σπαργής πρέπει να είναι θετική προκειμένου να συνεχίσει να αναπτύσσεται το κύτταρο. Αν η πίεση μειωθεί το κύτταρο οδηγείται σε πλασμόλυση. Η πλασμόλυση είναι η κύρια αιτία της όψης μαρασμού. Επομένως η θετική πίεση σπαργής είναι αυτή που κρατά τα φυτά και τα όργανά τους όρθια. Η βαρύτητα. Προκαλεί κίνηση του νερού, εκτός εάν αντισταθμίζεται από ίση δύναμη αντίθετης φοράς. Η επίδραση της βαρύτητας στο υδατικό δυναμικό εξαρτάται από το ύψος της θεωρούμενης υδατικής μάζας (h), την πυκνότητα του νερού (ρ) και την επιτάχυνση της βαρύτητας (g). Δηλαδή: G= h x ρ x g Η επίδραση της βαρύτητας στην Ψ είναι αμελητέα για μικρές υψομετρικές διαφορές. Επομένως για την μετακίνηση νερού από κύτταρο σε κύτταρο οι υψομετρικές διαφορές δεν παίζουν ρόλο. Επειδή όμως η τιμή G είναι αμελητέα για μικρές υψομετρικές διαφορές, ο παραπάνω τύπος απλοποιείται σε: Ψ= -π + P Από το παραπάνω προκύπτει ότι το υδατικό δυναμικό είναι συνάρτηση δύο παραγόντων: Της οσμωτικής πίεσης του νερού (δηλαδή της συγκέντρωσης των διαλυμένων ουσιών μέσα σε αυτό) Της υδροστατικής πίεσης (σπαργή) Το νερό στο έδαφος Ο τύπος του εδάφους, με κύριο παράγοντα την διάμετρο των συστατικών του, καθορίζει την περιεκτικότητα σε νερό και τον τρόπο κίνησης σε αυτό. Εκτός από τα στερεά συστατικά του, περιέχει και νερό με διαλυμένες ουσίες από το μητρικό πέτρωμα, αέρα από την ατμόσφαιρα, οργανικά συστατικά, προϊόντα αποσύνθεσης καθώς και ζωντανούς οργανισμούς. Το χονδρόκοκκο αμμώδες έδαφος με μικρές εκτεθειμένες επιφάνειες, διαθέτει μεγάλες διόδους (πόρους) μετακίνησης του νερού και επομένως παρουσιάζει μικρότερη αντίσταση στην μετακίνησή του. Όμως, για δεδομένο μέγεθος κινούσας δύναμης, η ροή είναι ανάλογη της τέταρτης δύναμης της ακτίνας του πόρου. Επίσης, το νερό που προσροφάται και συγκρατείται στα σωματίδια του εδάφους 5

12 με δυνάμεις συνάφειας είναι αρκετά λιγότερο (κατ όγκον) στην περίπτωση εδαφών με μεγάλη περιεκτικότητα σε άμμο. Μετά από μια δυνατή βροχή ή άρδευση το νερό προσροφάται από το έδαφος και αντικαθιστά τον αέρα στους πόρους, γεμίζει τα διάκενα και συγκρατείται με δυνάμεις συνάφειας στα σωματίδια του εδάφους, που γίνεται κορεσμένο. Στην κατάσταση αυτή όσο πιο αμμώδες είναι το έδαφος τόσο περισσότερο νερό περιέχει. Σύντομα όμως οι δυνάμεις βαρύτητας παρασύρουν το νερό προς τον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα. Εκείνο το οποίο παραμένει είναι το τριχοειδές νερό, δηλαδή αυτό που συγκρατείται με δυνάμεις συνάφειας με τα σωματίδια του εδάφους. Προφανώς περισσότερο νερό συγκρατείται στα αργιλώδη εδάφη παρά στα αμμώδη. Όταν οι δυνάμεις βαρύτητας αντισταθμίζονται με τις δυνάμεις τις συνάφειας και συνοχής τότε λέμε ότι το έδαφος βρίσκεται στην κατάσταση της υδατοϊκανότητας. Όσο αφορά το Ψ του εδάφους είναι συνάρτηση δυο παραγόντων: Του οσμωτικού δυναμικού (π) Του δυναμικού συνάφειας με τις επιφάνειες των σωματιδίων του εδάφους (h) Επειδή η συγκέντρωση διαλυμένων ουσιών στο έδαφος είναι πολύ μικρή, το π είναι μικρό επίσης. Οι δυνάμεις συνάφειας εξαρτώνται από την συγκέντρωση του νερού στις στιβάδες που δημιουργούνται γύρω από τα μόρια του εδάφους. Όσο το νερό λιγοστεύει, οι δυνάμεις συνάφειας γίνονται μεγαλύτερες (το Ψ μειώνεται). Τα ελαφρά εδάφη περιέχουν μεγαλύτερους πόρους, στο οποίους οι δυνάμεις συνάφειας είναι μικρότερες. Συνεπώς τα ελαφρά εδάφη συγκρατούν με μικρότερη δύναμη το νερό, σε σχέση με τα βαριά. Τα φυτά με την απορρόφηση από την ρίζα δημιουργούν διαφορές πίεσης στο εδαφικό διάλυμα, αποκαθιστώντας διαφορές δυναμικού που προκαλούν τη μετακίνηση του νερού. Η απορρόφηση νερού γίνεται από την περιοχή γύρω από την ρίζα, την ριζόσφαιρα. Η ριζόσφαιρα είναι η περιοχή γύρω από την ρίζα, η οποία επηρεάζεται από την δραστηριότητα της ρίζας. Καθώς η ρίζα απορροφά νερό, το Ψ του εδάφους στο σημείο γύρω από την ρίζα μειώνεται. Έτσι ποσότητα νερού από μακρύτερες ζώνες τείνει να αποκαταστήσει τις απώλειες στην ζώνη της ρίζας με μαζική ροή. Νερό από μακρύτερες ζώνες ρέει προς την περιοχή της ριζόσφαιρας με δύναμη ανάλογη της ΔP και αντιστρόφως ανάλογη της υδραυλικής αντίστασης του εδάφους: J= DP/R 6

13 Συνδυάζοντας τα παραπάνω με την εξίσωση του Poiseuille [J V = (Πr 4 /8n) x (ΔP/Δx)], καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η αντίσταση του εδάφους είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μικρότερη είναι η ακτίνα των διάκενων μεταξύ των σωματιδίων. Καθώς το έδαφος χάνει νερό, φυσαλίδες αέρος παρεισφρέουν στα διάκενα και, κατά συνέπεια, το νερό περιορίζεται για την μετακίνησή του σε μια στενή λωρίδα γύρω από τα σωματίδια του εδάφους. Έτσι η ακτίνα των διαθέσιμων καναλιών μειώνεται και η αντίσταση αυξάνεται. Καθώς το έδαφος χάνει νερό, το δυναμικό του μπορεί να κατέλθει κάτω από το σημείο μονίμου μάρανσης, δηλαδή το σημείο που τα φυτά δεν μπορούν να ανακτήσουν θετικές πιέσεις σπαργής, ούτε τη νύχτα, που η διαπνοή σταματά. Στην κατάσταση αυτή, το υδατικό δυναμικό του εδάφους (Ψ ε ) ισούται με την ωσμωτική πίεση του κυτταρικού χυμού, π Ψ ε = -π Η πορεία του νερού από το έδαφος μέχρι την ατμόσφαιρα Η πορεία του νερού από το έδαφος προς την ατμόσφαιρα μέσα από το φυτό, ξεκινά από την ρίζα και πιο συγκεκριμένα από τα ριζικά τριχίδια. Οι προεκτάσεις αυτές αυξάνουν κατά πολύ την εκτεθειμένη επιφάνεια στο εδαφικό διάλυμα, αυξάνοντας παράλληλα την ικανότητα πρόσληψης νερού. Η κίνηση του νερού από το έδαφος, προς την ρίζα και τέλος στην ατμόσφαιρα γίνεται εξαιτίας των διαφορετικών ΔΨ που επικρατούν σε κάθε σημείο της πορείας αυτής. Η κίνηση γίνεται από το υψηλότερο Ψ, δηλαδή αυτό του εδάφους, προς το χαμηλότερο Ψ, δηλαδή αυτό της ατμόσφαιρας. Το νερό πλησιάζει στην ριζόσφαιρα με το φαινόμενο της μαζικής ροής. Από την στιγμή που έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια ενός ριζικού τριχιδίου, μπορεί να ακολουθήσει τις εξής πορείες: Την αποπλαστική κίνηση: Το νερό έρχεται σε επαφή με την ρίζα και εισχωρεί σε αυτήν μέσω του συστήματος των κυτταρικών τοιχωμάτων, δηλαδή τον αποπλάστη. Τα κυτταρικά τοιχώματα διαδέχονται το ένα το άλλο και έτσι το νερό κινείται χωρίς να διασχίσει κυτταρικές μεμβράνες και χωρίς να εισέλθει στο κύτταρο. Την συμπλαστική: Το νερό κινείται μέσω της κυτταρικής μεμβράνης και έπειτα περνάει από κύτταρο σε κύτταρο μέσω των πλασμοδεσμών, χωρίς να ξαναβγεί από το κύτταρο. 7

14 Να χρησιμοποιήσει μια μεικτή οδό, εν μέρει συμπλασματική και εν μέρει αποπλασματική. Στην περίπτωση αυτή είναι υποχρεωμένο να διασχίσει κατ επανάληψη κυτταρικές μεμβράνες. Παρόλη την ύπαρξη δυο διαφορετικών τρόπων εισόδου του νερού στην ρίζα, ο τρόπος ο οποίος επικρατεί είναι η συμπλαστική κίνηση. Η ύπαρξη επικλινών τοιχωμάτων της ενδοδερμίδας, κατασκευασμένα από λιπόφιλη ουσία (σουβερίνη), αποτελεί εμπόδιο στην αποπλαστική κίνηση του νερού, οδηγώντας το νερό σε συμπλαστική υποχρεωτική κίνηση στο ύψος της ενδοδερμίδας. Μετά την προσρόφηση του νερού από την ρίζα, το νερό οδηγείται στα αγγεία του ξύλου. Για να ανέβει το νερό προς τα φύλλα, η ριζική πίεση και τα τριχοειδή φαινόμενα δεν επαρκούν. Το νερό βρίσκεται υπο αρνητική πίεση στα αγγεία. Η αιτία σχηματισμού της αρνητικής πίεσης στα αγγεία, είναι η διαπνοή των φύλλων. Το νερό εμποτίζει τα κυτταρικά τοιχώματα, εξέρχεται στους ελεύθερους χώρους του φύλλου και από τα στομάτια εξέρχεται προς την ατμόσφαιρα ως υδρατμός. Η κλιμάκωση της Ψ ανάμεσα σε κυτταρικά τοιχώματα και την ατμόσφαιρα είναι τεράστια, ακόμα και αν η ατμόσφαιρα έχει πολύ υψηλή υγρασία. Ο ευρύτερος αποδεχτός μηχανισμός της κίνησης του νερού στα αγγεία είναι αυτός της συνοχής-επιφανειακής τάσης και συνοψίζεται στα ακόλουθα: Η διαπνοή των φύλλων δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των κυττάρων του μεσόφυλλου προκαλώντας την έξοδο νερού από το ξύλο. Ως αποτέλεσμα, το δυναμικό νερού στο ξύλο των νευρώσεων ελαττώνεται, πράγμα που σημαίνει ότι η υδροστατική πίεση ελαττώνεται (καθότι αποτελεί τη μόνη συνιστώσα του Ψ στο ξύλο). Με αυτό τον τρόπο δημιουργείται μια δύναμη άντλησηςαρνητική πίεση ή τάση- η οποία είναι δύναμη που συντηρεί το διαπνευστικό ρεύμα. Η τάση στο ξύλωμα των φύλλων μεταδίδεται μέχρι τις ρίζες, υπό την προϋπόθεση ότι το νερό βρίσκεται υπό τη μορφή συνεχούς στήλης στο ξύλο. Το τελευταίο συμβαίνει διότι : 1. Τα ισχυρά, κυτταρικά τοιχώματα του ξυλώματος δεν σπάνε κάτω υπό τάση 2. Τα μόρια του νερού προσκολλώνται ισχυρά μέσω δεσμών υδρογόνου στα τοιχώματα των κυττάρων του ξυλώματος 3. Οι δεσμοί υδρογόνου εξασφαλίζουν τη συνοχή μεταξύ των μορίων του νερού, διατηρώντας τη συνέχεια της στήλης και εμποδίζοντας την εξάτμιση του νερού κάτω από τις υφισταμένες χαμηλές πιέσεις. 8

15 Παρά τις δυνάμεις συνοχής, οι στήλες του νερού του ξυλώματος κάτω υπό υψηλή τάση είναι σχετικά ασταθείς. Μέσα στο νερό, υπό ορισμένες συνθήκες, οι οποίες διευκολύνονται από την παρουσία αερίων διαλυμένων στον νερό, η συνέχεια αυτών των στηλών μπορεί και να διακοπεί. Καθώς η τάση στα αγγεία αυξάνεται (έντονη διαπνοή συνοδευόμενη από μικρή περιεκτικότητα σε νερό εδάφους), τα διαλυμένα αέρια μπορούν να δημιουργήσουν φυσαλίδες. Οι φυσαλίδες μπορούν να δημιουργήσουν κενά, που ονομάζονται εμβολές. Συγκεκριμένα: Μεγάλα αγγεία κινδυνεύουν περισσότερο από εμβολές σε σχέση με στενότερα. Η υδατική καταπόνηση προκαλεί δημιουργία φυσαλίδων και φαινόμενα εμβολής, διεγείροντας τον μηχανισμό των στοματίων. Αν ένα αγγείο υποστεί εμβολή, το νερό παρακάμπτει την φραγή μέσα από τις διάτρητες πλάκες των αγγείων, τα βοθρία, και προσπερνά την εμβολή μέσα από γειτονικά αγγεία. Η ύπαρξη ιόντων (κυρίως K + ) αυξάνει την διαπερατότητα των βοθρίων. Ο αέρας μιας φυσαλίδας επανέρχεται σε διάλυση εάν αποκατασταθεί η υδατική κατάσταση του φυτού (μετά από άρδευση). Το νερό από τα αγγεία οδηγείται στα φύλλα. Εκεί ένα μέρος του χρησιμοποιείται για τις βιοχημικές δραστηριότητες, ενώ το μεγαλύτερο μέρος του φεύγει προς την ατμόσφαιρα μέσω της διαπνοής με μορφή υδρατμών. Βασικός παράγοντας της διαπνοής είναι η σχετική υγρασία του εξωτερικού αέρα σε σχέση με τον κορεσμένο αέρα, και είναι ο βασικός παράγοντας που καθορίζει το δυναμικό των υδρατμών. Η διαπνοή περιλαμβάνει την εξάτμιση του νερού, η οποία εμποτίζει τα τοιχώματα των κυττάρων του μεσόφυλλου προς την εσωτερική ατμόσφαιρα του μεσόφυλλου, και την διάχυση των υδρατμών αυτών από τους κενούς χώρους του μεσόφυλλου προς την ατμόσφαιρα, μέσω των στοματίων. Η διάχυση αυτή γίνεται με την διαφορά των μερικών πιέσεων των υδρατμών μεταξύ φύλλου και ατμόσφαιρας(e l -e a ). Η ροή των υδρατμών κατά την διαπνοή (J WV ) εξαρτάται από την κινούσα δύναμη ΔΨ και την ευκολία με την οποία διαχέονται οι υδρατμοί από το φύλλο στην ατμόσφαιρα, η οποία μπορεί να εκφραστεί είτε ως αγωγιμότητα, g, είτε ως το αντίστροφό της, αντίσταση, r, ως εξής: J wv = ΔΨ x g = ΔΨ/r Επειδή η κινούσα δύναμη της διαπνοής είναι μεγάλη και σχετικά σταθερή, ο παράγοντας που συνήθως καθορίζει τις υδατικές απώλειες είναι το g (ή το r). Το υπέργειο μέρος των χερσαίων φυτών καλύπτεται από την κηρώδη και αδιάβροχη εφυμενίδα, η οποία παρουσιάζει εξαιρετικά μεγάλη αντίσταση (χαμηλή αγωγιμότητα) 9

16 στην απώλεια νερού. Έτσι, η κύρια οδός μέσω της οποίας οι υδρατμοί διαχέονται έξω από τα φύλλα είναι οι ανοιχτοί στοματικοί πόροι. Τα ανοιχτά στόματα προσφέρουν μια χαμηλής αντίστασης οδό, αλλά όταν κλείσουν η αντίσταση προσεγγίζει αυτή της εφυμενίδας. Επομένως, η αντίσταση των στομάτων r s ποικίλει ανάλογα με το άνοιγμα του πόρου. Επιπροσθέτως μια δεύτερη αντίσταση στην κίνηση των υδρατμών προκύπτει εξ αιτίας της παρουσίας ενός αδιατάρακτου, σχεδόν κορεσμένου σε υδρατμούς στρώματος αέρα, που καλύπτει την επιφάνεια του φύλλου, το ονομαζόμενο οριακό στρώμα. Η αντίσταση του οριακού στρώματος r b, εξαρτάται από το πάχος του οριακού στρώματος, το οποίο είναι ανάλογο του πλάτους του φύλλου, και αντιστρόφως ανάλογο της ταχύτητας του ανέμου. Επειδή η r s και η r b δρουν σε σειρά, η συνολική αντίσταση στη διάχυση των υδρατμών ισούται με το άθροισμά τους. Γενικά η αντίσταση των στομάτων θεωρείται σημαντικά μεγαλύτερη αυτής του οριακού στρώματος, με αποτέλεσμα να θεωρείται ο καθοριστικός παράγοντας. Επειδή ο αέρας σπανίως παραμένει τελείως ακίνητος, ο καθοριστικός παράγοντας για την απώλεια νερού είναι η λειτουργία των στομάτων Η φυσιολογία της υδατικής καταπόνησης φυτών Η ξηρασία ως κλιματικός παράγων είναι το αποτέλεσμα της περιορισμένης διαθεσιμότητας νερού (από την ατμόσφαιρα ή και από το έδαφος) και της απώλειας του (μέσω της εξατμισοδιαπνοής). Η ξηρασία αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες καταπόνησης και περιορισμού της παγκόσμιας γεωργικής παραγωγής διότι η διαθεσιμότητα του νερού στο περιβάλλον επηρεάζει την ανάπτυξη και την επιβίωση των φυτικών οργανισμών. Η υδατική καταπόνηση εμφανίζεται είτε με τη μορφή της αφυδάτωσης (ως σύμπτωμα της ξηρασίας), είτε της οσμωτικής καταπόνησης (ως σύμπτωμα της αλατότητας). Το κοινό χαρακτηριστικό και των δύο περιπτώσεων είναι η διαμόρφωση χαμηλού δυναμικού του νερού (και επομένως ελλείμματος νερού) στους φυτικούς ιστούς (Καραμπουρνιώτης, 2003). Σήμερα, η συνεχώς αυξανόμενη ανησυχία για τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής οδηγεί την έρευνα σε νέες κατευθύνσεις οι οποίες έχουν ως στόχο την βελτιστοποίηση των καλλιεργητικών και αρδευτικών μεθόδων και την επιλογή γενοτύπων με λιγότερες απαιτήσεις σε νερό. Οι επιπτώσεις της υδατικής καταπόνησης στην παραγωγικότητα ή και επιβίωση των φυτών είναι πολυσύνθετες και διαφέρουν ανάλογα με την ένταση και τη διάρκεια της καταπόνησης (Chaves και Oliveira 2004, 10

17 Lizana κ.α., 2006; Fan κ.α., 2009) ενώ παράλληλα εξαρτώνται από τα κρίσιμα χαρακτηριστικά του φυτικού οργανισμού, όπως η αποτελεσματικότητα χρησιμοποίησης του νερού (ΑΧΝ ή WUE). Ως Αποτελεσματικότητα Χρήσης Νερού ορίζεται ο λόγος του CO2 που αφομοιώνεται ανά μονάδα νερού που χάνεται μέσω της διαπνοής (Smedley et al. 1991). Η ΑΧΝ υπολογίζεται με το σύστημα ανταλλαγής αερίων (Infrared Gas Analysis, IRGA) μέσω του υπολογισμού του λόγου της αφομοίωσης CO2 προς τη διαπνοή του φυτού. Με τη συγκεκριμένη μέθοδο ο υπολογισμός της ΑΧΝ αναφέρεται σε ένα σύντομο χρονικό διάστημα και για το λόγο αυτό αναφέρεται και ως Στιγμιαία Αποτελεσματικότητα Χρήσης Νερού (Α/Ε). Αντιθέτως, με τον υπολογισμό του λόγου της αφομοίωσης CO2 προς τη στοματική αγωγιμότητα, έχουμε μία μέση εκτίμηση της ΑΧΝ για ένα μακρό χρονικό διάστημα κάτω από διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες και μέσω αυτής της εκτίμησης μπορούμε να προσδιορίσουμε την Εγγενή Αποτελεσματικότητα Χρήσης Νερού (Α/gs). Τα φυτά έχουν αναπτύξει τρεις κυρίως στρατηγικές για την αντιμετώπιση της έλλειψης νερού την διαφυγή, ανθεκτικότητα και αποφυγή (Levitt, 1972; Turner, 1986; Chaves κ.α., 2003; Καραμπουρνιώτης, 2003). Η διαφυγή (ή απόδραση - escape) αφορά στην ολοκλήρωση του βιολογικού κύκλου του φυτού εντός της ευνοϊκής υδατικής περιόδου για το φυτό. Η ανθεκτικότητα (ή ανοχή - tolerance) αφορά στη διατήρηση μεταβολικής δραστηριότητας ακόμη και σε πολύ χαμηλά επίπεδα υδατικού δυναμικού. Ανθεκτικότητα έναντι της υδατικής καταπόνησης προσδίδουν ορισμένα μορφολογικά και φυσιολογικά χαρακτηριστικά όπως η οσμωρύθμιση (ρύθμιση του οσμωτικού δυναμικού των ιστών σε χαμηλότερα επίπεδα μέσω συσσώρευσης οσμωτικά ενεργών μεταβολιτών) ή η ανελαστικότητα του κυτταρικού τοιχώματος που επιτρέπει τη διατήρηση θετικής πίεσης σπαργής. Η αποφυγή (avoidance) αφορά την διατήρηση του υδατικού δυναμικού των κυττάρων σε σχετικά υψηλά επίπεδα μειώνοντας την επαφή με το δυσμενή παράγοντα. Οι κύριες παραλλαγές της στρατηγικής αυτής είναι δύο: Αποφυγή με οικονομία νερού: Τα φυτά αυτής της κατηγορίας δίδουν προτεραιότητα στην ικανότητα περιορισμού των διαπνευστικών απωλειών με ταυτόχρονη διατήρηση της ικανότητας αφομοίωσης CO2 από την ατμόσφαιρα (παρουσιάζουν υψηλή ΑΧΝ) με κλείσιμο των στοματίων στη διάρκεια της περιόδου η οποία ευνοεί τις σημαντικές απώλειες νερού, μορφολογικές αλλαγές (ισχυρή και παχιά εφυμενίδα, η κάλυψη των επιφανειών από στρώματα τριχών, η τοποθέτηση στοματίων σε 11

18 κρύπτες ή η κάλυψη τους από στρώματα κηρών κ.α.), μείωση των οργάνων σε επαφή με την ατμόσφαιρα (μείωση φυλλικής επιφάνειας), περιορισμένος αριθμός στοματίων ανά μονάδα επιφάνειας, περιορισμένος αριθμός και διάμετρος αγγείων κλπ. Αποφυγή με κατανάλωση νερού. Τα φυτά αυτής της κατηγορίας δίδουν προτεραιότητα στην εξεύρεση και αποτελεσματική άντληση του νερού του περιβάλλοντος και φέρουν ορισμένα μορφολογικά και φυσιολογικά χαρακτηριστικά όπως: αποτελεσματικότερη άντληση νερού από το έδαφος, ανάπτυξη εκτεταμένου ριζικού συστήματος, αύξηση της αγωγιμότητας στο σύστημα μεταφοράς νερού κλπ. Οι φυσιολογικές προσαρμογές στην υδατική καταπόνηση, είναι οι πλέον άμεσες. Η υδατική καταπόνηση επιφέρει κλείσιμο των στοματίων με στόχο της μείωση των διαπνευστικών απωλειών. Οπως ήδη αναφέρθηκε, οι αλλαγές στην πίεση σπαργής ρυθμίζουν το εύρος του στοματικού πόρου των καταφρακτικών κυττάρων. Οι αλλαγές αυτές μπορεί να είναι παθητικές (σε ατμοσφαιρικό περιβάλλον με χαμηλή σχετική υγρασία όταν ο ρυθμός των απωλειών νερού των καταφρακτικών κυττάρων είναι υψηλότερος εκείνου με τον οποίον αναπληρώνεται μέσω των γειτονικών επιδερμικών ή παρακαταφρακτικών κυττάρων) ή ενεργητικές που οφείλονται στη μεταβολική δραστηριότητα των καταφρακτικών με την κινητοποίηση του αμπσισικού οξέος από τα φύλλα ή τις ρίζες (Croker et αl. 1998) και τη μεταφορά του μέσω των αγγείων του ξύλου στα φύλλα. Το αμπσισικό οξύ (ΑΒΑ) είναι η κυρίως υπεύθυνη ορμόνη όσον αφορά την ρύθμιση των αντιδράσεων των φυτών στην υδατική καταπόνηση (Seki et al.2007). Επιδρά σε όλα τα επίπεδα λειτουργιών του φυτού όπως η αναλογία ριζών προς κληματίδες, η διαπνοή, η πρωτεινοσύνθεση (Munns και Cramer 1996). Επίσης επιδρά στην ρύθμιση των απωλειών του φυτού σε νερό, μέσω της λειτουργίας των στομάτων των φύλλων. Σε μοριακό επίπεδο το ΑΒΑ επιδρά στην έκφραση των γονιδίων, την μεταφορά ιόντων και άλλων οργανικών μορίων καθώς και την σύνθεση σημαντικών μεταβολιτών που προστατεύουν τα φυτά σε συνθήκες ξηρασίας. Η ύπαρξη της ορμόνης στο ανοδικό ρεύμα του ξύλου είναι η σημαντικότερη απόκριση του φυτού στο υδατικό στρες (Schachtman και Goodger, 2008). Η διαθέσιμη ποσότητα νερού στο φυτό είναι ένας από τους βασικούς παράγοντες που ρυθμίζουν την φωτοσυνθετική απόδοση. Tο νερό αποτελεί την βασικότερη πηγή 12

19 δημιουργίας πρωτονίων (αντίδραση Hill), που χρησιμοποιούνται για την αναγωγή του NADP + σε NADPH 2, ενώ συγχρόνως τροφοδοτεί με ηλεκτρόνια το φωτοσύστημα ΙΙ. Η φωτοσυνθετική λειτουργία διαταράσσεται από την υδατική καταπόνηση σε δύο κυρίως επίπεδα: τη μείωση της διαθεσιμότητας του CO2 στο μεσόφυλλο λόγω του κλεισίματος των στοματίων αλλά με παράλληλη αύξηση της ΑΧΝ διότι η φωτοσύνθεση μειώνεται βραδύτερα από τη στοματική αγωγιμότητα και τη διαπνοή (στοματικοί περιορισμοί στη φωτοσύνθεση) και τη δομική και λειτουργική ακεραιότητα της φωτοσυνθετικής συσκευής από την επικράτηση χαμηλού υδατικού δυναμικού στον πρωτοπλάστη με αποτέλεσμα τη δυσλειτουργία της φωτοφωσφορυλίωσης, της φωτοσυνθετικής ροής των ηλεκτρονίων αλλά και της αναστολής της ενεργότητας των ενζύμων όπως η RUBISCO (μη-στοματικοί περιορισμοί στη φωτοσύνθεση). 2.ΑΜΠΕΛΟΣ ΚΑΙ ΝΕΡΟ 2.1 Απαιτήσεις αμπέλου σε νερό Η άμπελος είναι ένα φυτό το οποίο καλλιεργείται σε πληθώρα οικολογικών συνθηκών με διαφορετικά βροχομετρικά ύψη. Ως όριο της αμπελοκαλλιέργειας μπορεί να θεωρηθεί το ποσοστό βροχόπτωσης της τάξης των 350mm βροχής (Νικολάου, 2006). Η ανάπτυξη ενός πλούσιου και εκτεταμένου ριζικού συστήματος έχει ως αποτέλεσμα την δυνατότητα των φυτών της αμπέλου να εκμεταλλευτούν ακόμα και πολύ μικρές ποσότητες εδαφικής υγρασίας (Chaves et al., 2009). Για μια καλλιέργεια σε βαθειά και γόνιμα εδάφη η κατανάλωση νερού κατά την διάρκεια της βλαστικής περιόδου κυμαίνεται μεταξύ L/φυτό ενώ τον σχηματισμό 1kg ξηράς ουσίας απαιτούνται 250 με 700kg νερού (Σταύρακας, 1999). Η απορρόφηση ύδατος της αμπέλου ανά στρέμμα είναι της τάξεως των 20 έως 160 m 3 νερού (Galet, 1993). Ο ρυθμός απορρόφησης του νερού είναι μέγιστος το καλοκαίρι και φτάνει τα 4 έως 12 L/πρέμνο/μέρα για φυτά μικρής ζωηρότητας, ενώ στα φυτά υψηλής ζωηρότητας φτάνει εως και 20 L. Αν λάβουμε υπόψιν ότι η κατανάλωση ενός μέσου φυτού μικρής ζωηρότητας είναι λίτρα ανά καλλιεργητική περίοδο, τότε ένας αμπελώνας με 400 φυτά και παραγωγή kg ανά στρέμμα απαιτεί τουλάχιστον m 3 ανά έτος 13

20 2.2 Υδατική καταπόνηση της αμπέλου Επίδραση της υδατικής καταπόνησης στην φυσιολογία της φωτοσύνθεσης Η μειωμένη παροχή CO 2 από την ατμόσφαιρα καθώς και η μειωμένη αγωγιμότητα του μεσοφυλλου λόγω των κλειστών στομάτων των φύλλων είναι ο κύριος λόγος της μειωμένης φωτοσυνθετικής δραστηριότητας κάτω από συνθήκες υδατικής καταπόνησης στην άμπελο (Chaves, 1991). Οι Flexas et al., (2002) απέδειξαν πως οι μειώσεις της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας και το είδος τους εξαρτώνται από το επίπεδο υδατικής καταπόνησης και τις αντίστοιχες διακυμάνσεις των τιμών της στοματικής αγωγιμότητας (gs), ως απόκριση στην προοδευτική μείωση της διαθέσιμης για το φυτό εδαφικής υγρασίας. Σύμφωνα με τους Flexas et al. (2002) και Medrano et al. (2002), προσδιορίστηκαν τα εξής στάδια μείωσης της φωτοσύνθεσης (Α) ανάλογα με την προοδευτική μείωση της διαθεσιμότητας του νερού στην άμπελο. Έτσι: 1. Το στάδιο ελαφράς/ήπιας υδατικής έλλειψης. Η gs μειώνεται από την τιμή των 200 έως 500mmol H 2 0/m 2 /s στα 150mmol H 2 0/m 2 /s. Το στάδιο αυτό χαρακτηρίζεται από μια μικρή μείωση της Α, με αποτέλεσμα μια προοδευτική αύξηση της στιγμιαίας αποδοτικότητας χρήσης νερού iwue (A/gs) σε συνδυασμό με μείωση της περιεκτικότητας του CO 2 στον υποστομάτιο θάλαμο του φύλλου, Ci (Flexas et al., 2002a). Ως αποτέλεσμα της μειωμένης περιεκτικότητας του μεσόφυλλου σε CO 2 παρατηρείται αύξηση στους ρυθμούς της φωτοαναπνοής η οποία οδηγεί σε διατήρηση της λειτουργίας της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων στα θυλακοειδή (Flexas, 1999, 2000). Σε αυτό το στάδιο το κλείσιμο των στομάτων των φύλλων αποτελεί τον μόνο περιορισμό της Α μέσω της μείωσης της διαθεσιμότητας του CO Το στάδιο μέτριας υδατικής έλλειψης. Η gs κυμαίνεται μεταξύ 150 και 50mmol H 2 0/m 2 /s. Κατά το στάδιο αυτό παρατηρείται μια περαιτέρω μείωση της Α ενώ η iwue συνήθως αυξάνεται. Η Ci μειώνεται ενώ η μεταφορά ηλεκτρονίων και η ενσωμάτωση του C μειώνονται (Flexas et al., 1999). Η μείωση της ενσωμάτωσης του C στην οργανική ύλη οφείλεται κυρίως στην μειωμένη περιεκτικότητα του μεσόφυλλου σε ατμοσφαιρικό αέρα μιας και σ αυτό το στάδιο η δραστηριότητα των φωτοσυνθετικών ένζυμων όπως η Rubisco παραμένει ακόμα ανεπηρέαστη (Bota κ.α., 2004). Επίσης η μειωμένη Α και σ αυτό τα στάδιο οφείλεται κυρίως σε στοματικούς περιορισμούς και είναι δυνατόν να επανέλθει μετά από άρδευση, στα κανονικά επίπεδα. 14

21 3. Το στάδιο έντονης υδατικής έλλειψης. Η gs παίρνει τιμές κάτω από τα 50 mmol H 2 0/m 2 /s. Κατά το στάδιο αυτό παρατηρείται περαιτέρω μείωση των Α, iwue, της μεταφοράς ηλεκτρονίων και της αφομοίωσης του άνθρακα, ενώ η απόδοση του φωτοσυστήματος ΙΙ τελικά μειώνεται, ιδιαιτέρα τις θερμότερες ημέρες (Medrano κ.α., 2002). Ενώ η iwue μειώνεται, η Ci σταδιακά αυξάνεται υποδεικνύοντας έτσι ότι μη στοματικοί παράγοντες δρουν ως περιοριστικοί στην διαδικασία της Α. Ο ρυθμός της φωτοαναπνοής μειώνεται αλλά η αναλογία της σε σχέση με την Α αυξάνεται, διατηρώντας έτσι την μεταφορά ηλεκτρονίων σε υψηλότερα επίπεδα σε σχέση με την Α (During, 1988). Σε αυτό το στάδιο η λειτουργία της Α δεν επανέρχεται ακόμα και μετά από άρδευση (Quick κ.α., 1992) συμπεραίνοντας έτσι ότι η δράση μη στοματικών παραγόντων ευθύνεται για τους παραπάνω περιορισμούς. Περαιτέρω μείωση της Α κατά την φάση αυτή αποδίδεται και στην μειωμένη δραστηριότητα της Rubisco (Bota κ.α., 2002, 2004) ενώ γενικότερα η δραστικότητα των φωτοσυνθετικών ένζυμων παρουσιάζεται μειωμένη (Maroco κ.α., 2002, Flexas κ.α., 2004). Εικόνα 1: Επίδραση της προοδευτικής εγκατάστασης υδατικής καταπόνησης στη φυσιολογία της ποικιλίας Cabernet-Sauvignon (Koundouras κ.α., 2008) 15

22 2.2.2 Επίδραση της υδατικής καταπόνησης στην αύξηση βλαστικών και αναπαραγωγικών οργάνων Είναι γνωστό ότι η αύξηση των βλαστικών οργάνων της αμπέλου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις υδατικές σχέσεις των φυτών (Matthews κ.α., 1987). Μείωση της αύξησης αυτής σχετίζεται με την μειωμένη διαθεσιμότητα νερού στο έδαφος (Stevens κ.α., 1995). H βλαστική αύξηση στην άμπελο φαίνεται να επηρεάζεται από την υδατική καταπόνηση σε μεγαλύτερο βαθμό σε σχέση με την αύξηση των αναπαραγωγικών οργάνων (Williams κ.α., 1994). Για να διατηρηθεί η αύξηση των κληματίδων το ριζικό σύστημα θα πρέπει να προμηθεύει το υπέργειο μέρος με ποσότητες νερού μεγαλύτερες από αυτές που χάνονται κατά την διαπνοή, αφού η αύξηση κυρίως προκαλείται μέσω της κυτταρικής μεγέθυνσης (Boyer, 1985). Υπό συνθήκες υδατικής καταπόνησης κύριος λόγος ανάσχεσης της βλάστησης είναι οι μικρότερες τιμές ΔΨ μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού χώρου του κυττάρου, που οδηγούν σε μειωμένη πρόσληψη νερού από τα κύτταρα και περιορισμένη μεγέθυνση τους (λόγω μειωμένης σπαργής) άρα και επιμήκυνσης των βλαστικών ιστών (Hardie και Martin 1990), Έτσι η ανάσχεση της ανάπτυξης των βλαστών και των φύλλων αποτελεί το πρώτο ορατό αποτέλεσμα της υδατικής καταπόνησης στην άμπελο (Keller, 2005). Ένας ακόμη παράγοντας που επηρεάζει την βλαστική αύξηση υπό συνθήκες υδατικής καταπόνησης είναι το γεγονός της αυξημένης παραγωγής ΑΒΑ στις ρίζες με αποτέλεσμα τον περιορισμό παράγωγης κυτοκινινών και την ανάσχεση της βλάστησης (Stoll κ.α., 2000). Επίσης, υπό το καθεστώς έλλειψης νερού είναι δυνατόν να παρατηρηθεί η δημιουργία φυσαλίδων αέρα στα αγγεία του ξύλου και επομένως να διακοπεί η συνέχεια των στηλών του νερού (εμβολές). Τα ακραία μεριστωματα των βλαστών είναι περισσότερο ευαίσθητα στις εμβολές (Nardini κ.α., 2001) σε σχέση με τα αγγεία των μεγαλύτερων βλαστών με αποτέλεσμα οι κορυφές των βλαστών να επηρεάζονται πιο άμεσα από μία προοδευτική υδατική καταπόνηση. Το ριζικό σύστημα της αμπέλου παρουσιάζεται λιγότερο ευαίσθητο στην υδατική καταπόνηση σε σχέση με τους βλαστούς και έτσι ο λόγος ριζικού συστήματος προς υπέργειο τμήμα αυξάνεται με αποτέλεσμα να υπάρχει επαρκής τροφοδοσία νερού και θρεπτικών συστατικών προς το ανώτερο μέρος του φυτού (Hsiao και Xu, 2000). Η μεγαλύτερη συγκέντρωση ιόντων Κ+ στην ρίζα έχει ως αποτέλεσμα την μείωση του Ψ της ρίζας και επομένως την κίνηση νερού από το έδαφος στην ρίζα. Επίσης η ρύθμιση αυτή του ωσμωτικού δυναμικού της ρίζας επιτυγχάνεται με την συσσώρευση σακχάρων 16

23 και αμινοξέων που οδηγούν στην μείωση του Ψ και στην μιρκότερη εμφάνιση εμβόλων στην ρίζα (Schultz και Matthews, 1998). Η περίοδος του βλαστικού κύκλου της αμπέλου κατά την οποία η βλαστική αύξηση είναι περισσότερο ευαίσθητη στην έλλειψη νερού εντοπίζεται μεταξύ καρπόδεσης και περκασμού (McCarthy, 1997). Οι Stevens κ.α. (1995) παρατήρησαν ευθύγραμμη συσχέτιση μεταξύ της επιβράδυνσης της βλαστικής αύξησης και της μείωσης της διαθεσιμότητας του εδαφικού νερού, αποτέλεσμα που επιβεβαιώνει παλαιότερη έρευνα των Smart κ.α. (1974). Οι Schultz και Matthews (1988) διαπίστωσαν επιπλέον στην άμπελο ένα μηχανισμό απόφραξης των αγγείων του ξύλου ο οποίος τίθεται σε λειτουργία σε συνθήκες περιορισμού της υδατικής διαθεσιμότητας προκαλώντας τη διακοπή της αύξησής τους. Η βλαστική αύξηση είναι περισσότερο ευαίσθητη στην επίδραση της υδατικής καταπόνησης απ ό,τι η αύξηση της ράγας (Stevens κ.α. 1995) και ο εμπλουτισμός της σε διαλυτά συστατικά. Όσον αφορά τα αναπαραγωγικά όργανα της αμπέλου η υδατική καταπόνηση είναι σε θέση να επηρεάσει την ανάπτυξη της ράγας. Ο καρπός της αμπέλου είναι ένας μη κλιμακτηρικός καρπός που παρουσιάζει μια διπλή σιγμοειδή καμπύλη αύξησης που είναι χαρακτηριστική των καρπών (Coombe και McCarthy, 2000) στην οποία παρουσιάζονται δυο περίοδοι ανάπτυξης που διαχωρίζονται από μια φάση καθυστέρησης. Κατά την πρώτη περίοδο αύξησης (πράσινη ράγα) το μέγεθος της ράγας αυξάνεται ως αποτέλεσμα της κυτταρικής διαίρεσης και της κυτταρικής μεγέθυνσης. Η διαίρεση των κυττάρων του φλοιού ολοκληρώνεται σε μερικές εβδομάδες. Περιορισμένες ποσότητες νερού κατά την περίοδο αυτή οδηγούν σε μικρότερο μέγεθος της ράγας πιθανόν λόγο της μειωμένης κυτταροδιαίρεσης. Σε συνδυασμό με τις επιπτώσεις της υδατικής καταπόνησης στα βλαστικά όργανα οι μειωμένες τιμές του Ψ μπορεί να οδηγήσουν σε μειωμένο μέγεθος ράγας, ιδιαίτερα όταν η υδατική καταπόνηση εμφανίζεται πριν τον περκασμό (Keller, 2005). Κατά την ωρίμανση η έλλειψη νερού μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του μεγέθους της ράγας λόγο της μειωμένης κυτταρικής διόγκωσης. Παρόλα αυτά η επίδραση της υδατικής καταπόνησης πριν από τον περκασμό επιδρά στο μέγεθος της ράγας σε μεγαλύτερο βαθμό σε σχέση με την επίδραση της μετά τον περκασμό (Matthews κ.α., 1987, McCarthy, 1997) Επίδραση της υδατικής καταπόνησης στην ωρίμανση της ράγας 17

24 Το νερό αποτελεί έναν σημαντικό παράγοντα για την ποιότητα των καρπών της αμπέλου. Ανάλογα με την ένταση της υδατικής καταπόνησης και την χρονική περίοδο όπου συμβαίνει, υπάρχουν διαφορετικές επιδράσεις όσον αφορά την σύνθεση της ράγας. Επίσης έχει διαπιστωθεί ότι η επίδραση της καταπόνησης εξαρτάται από τον γενότυπο μιας ποικιλίας (Deluc et al., 2009) και διαφέρει ανάλογα με τον φυτικό ιστό που εξετάζεται κάθε φορά (φλοιός, σάρκα, γίγαρτα). Έτσι η εποχή και η ένταση της έλλειψης νερού μπορεί να οδηγήσουν είτε σε αύξηση της συγκέντρωσης των σακχάρων και τον ανθοκυανών (λόγω πρώιμης έναρξης της ωρίμανσης) (McCarthy και Coombe, 1985), είτε σε μείωση της συγκέντρωσης τους (Santesteban και Royo, 2006), είτε σε καμία απολύτως επίδραση (Sivilotti κ.α., 2005, Van Zyl, 1984, Matthews και Anderson, 1988, Stevens κ.α.,1995). Μια πιο ολοκληρωμένη προσέγγιση παρέχουν πρόσφατες έρευνες από πειράματα άρδευσης (McCarthy 1998, Dry κ.α. 1998) σύμφωνα με τις οποίες η έντονη υδατική καταπόνηση μετά τον περκασμό είναι μη επιθυμητή διότι ανακόπτει τη φωτοσύνθεση και μειώνει τη συγκέντρωση σακχάρων στο γλεύκος αλλά και την παραγωγή προϊόντων του μεταβολισμού τους (χρωστικές και αρωματικές ενώσεις). Παρόλα αυτά η επίδραση της έλλειψης νερού μπορεί να οφείλεται σε μεταβολή του μεταβολισμού των σακχάρων ή σε μεταβολή της κατανομής τους στα όργανα της αμπέλου (ράγα). Πράγματι η ανάσχεση της βλαστικής αύξησης και η μείωση του μεγέθους της ράγας επηρεάζουν έμμεσα την αύξηση της συγκέντρωσης των σακχάρων στις ράγες. Ελαφρύ έως μέτριο υδατικό στρες θεωρείται αποτελεσματικότερο στον έλεγχο του μεγέθους της ράγας όταν εφαρμόζεται πριν τον περκασμό, επιδρώντας μέσω του περιορισμού της αύξησης των βλαστών (καλύτερη κατανομή προιόντων φωτοσύνθεσης στα σταφύλια) και της έκτασης του φυλλικού τείχους (βελτίωση φωτεινού μικροκλίματος) (Dry κ.α., 2001). Το υδατικό καθεστώς μετά τον περκασμό θα πρέπει να είναι ελαφρά περιοριστικό ώστε να αποτρέπει επαναδραστηριοποίηση της βλάστησης δίχως όμως να παρεμποδίζει τις φυσιολογικές διεργασίες της αμπέλου. Η μεταφορά των διαλυτών στερεών κάτω από συνθήκες έλλειψης νερού μπορεί να συνεχιστεί σε χαμηλές τιμές του Ψ και έτσι οι ράγες δεν αποκτούν μόνο μικρότερο μέγεθος αλλά και μεγαλύτερη συγκέντρωση σακχάρων. Η συσσώρευση των σακχάρων επηρεάζεται σε μικρότερο βαθμό σε σχέση με το μέγεθος της ράγας κάτω από συνθήκες υδατικής καταπόνησης. 18

25 Η ωρίμανση της ράγας συνδέεται επίσης με μείωση της ολικής οξύτητας του γλεύκους η οποία οφείλεται κυρίως στην αποικοδόμηση του μηλικού οξέος. Η ελάττωση του μηλικού οξέος εξαρτάται από την ένταση της αναπνοής, επομένως σχετίζεται άμεσα με τις θερμοκρασίες που επικρατούν κατά την ωρίμανση των ραγών (Buttrose κ.α. 1971, Hale και Buttrose, 1974, Alleweldt κ.α. 1984) αλλά επιταχύνεται και από τη μείωση της υδατικής διαθεσιμότητας (Seguin 1975, Van Zyl 1984). Οι ανθοκυάνες αποτελούν για μία ερυθρή ποικιλία οινοποιίας ένα σημαντικό ποιοτικό δείκτη. H υδατική καταπόνηση των πρέμνων έχει θετική επίδραση στη συγκέντρωση των ανθοκυανών στους φλοιούς (Bourzeix κ.α. 1977, Williams και Matthews 1990, McCarthy 1997) ιδιαίτερα όταν επέρχεται σε πρώιμο στάδιο (Matthews και Anderson 1988, 1989). 2.3 Άρδευση της αμπέλου Η άμπελος είναι μία καλλιέργεια που παραδοσιακά καλύπτει μεγάλες εκτάσεις σε ξηροθερμικές, μη αρδευόμενες περιοχές της Μεσογειακής ζώνης. Στις συνθήκες αυτές, η διαθεσιμότητα του εδαφικού νερού αποτελεί τον κυριότερο παράγοντα ρύθμισης της βλάστησης και της παραγωγής της αμπέλου (Cifre κ.α., 2003). Επιπλέον, η παγκόσμια κλιματική αλλαγή και η σταδιακή εξάντληση των διαθέσιμων υδατικών αποθεμάτων (ιδιαίτερα στις θερμές οινοπαραγωγικές χώρες) αναμένεται στις προσεχείς δεκαετίες να υποβάλλουν τους αμπελώνες σε συνθήκες εντονότερης υδατικής καταπόνησης (Jones κ.α., 2005). Έτσι, παρά την μεγαλύτερη ικανότητα της αμπέλου σε σχέση με άλλες καλλιέργειες να προσαρμόζεται σε συνθήκες περιορισμένης υδατικής διαθεσιμότητας, η δυνατότητα κάλυψης των υδατικών της αναγκών θα είναι μελλοντικά απαραίτητη προκειμένου να μετριαστούν οι επιπτώσεις της ξηρασίας τόσο για την ποσότητα και ποιότητα της παραγωγής της όσο και για το ίδιο το φυτικό κεφάλαιο. Σήμερα, στις περισσότερες αμπελουργικές περιοχές του κόσμου, η άρδευση αποτελεί πλέον μία καθιερωμένη πρακτική, παρά τους υπάρχοντες ακόμη νομοθετικούς περιορισμούς στη χρήση της (ιδιαίτερα σε ζώνες παραγωγής οίνων προστατευόμενης ονομασίας προέλευσης). Επιπλέον, η αμπελουργική επιστήμη και πρακτική έχουν αποδείξει ότι, μεταξύ των χρησιμοποιούμενων αμπελουργικών πρακτικών, η διαχείριση της άρδευσης έχει την αμεσότερη επίδραση στην ποιότητα των σταφυλιών και του οίνου (McCarthy, 1997). Έτσι, όταν η διαθεσιμότητα του εδαφικού νερού είναι υψηλή, η ζωηρότητα της βλάστησης αυξάνει, δημιουργώντας δυσμενείς συνθήκες για την 19

26 ωρίμανση της παραγωγής εξαιτίας του ανταγωνισμού για τα προϊόντα της φωτοσύνθεσης αλλά και της κακής διευθέτησης του φυλλώματος που οδηγεί σε μείωση της ωφέλιμης φυλλικής επιφάνειας και σε αυξημένη σκίαση στο περιβάλλον των σταφυλιών. Στον αντίποδα, σε συνθήκες έλλειψης νερού, η φυλλική επιφάνεια περιορίζεται σημαντικά, η παραγωγή μειώνεται (την ίδια αλλά και την επόμενη χρονιά) και παρεμποδίζεται η ομαλή ωρίμανση των σταφυλιών αλλά και των βλαστικών οργάνων λόγω της επιβράδυνσης του μεταβολισμού. Η σύγχρονη έρευνα στο πεδίο των υδατικών σχέσεων της αμπέλου έχει αποδείξει ότι το άριστο υδατικό καθεστώς για την ποιότητα των προϊόντων της αμπέλου βρίσκεται συνήθως σε έναν περιορισμό της υδατικής διαθεσιμότητας σε συγκεκριμένα στάδια του ετήσιου κύκλου της αμπέλου (Santesteban κ.α., 2011). Βέβαια, τόσο το επιθυμητό μέγεθος του υδατικού περιορισμού όσο και η χρονική στιγμή εμφάνισής του κατά τη διάρκεια του ετήσιου κύκλου της αμπέλου διαφέρουν ανάλογα με την ποικιλία, τον προορισμό των σταφυλιών (επιτραπέζια ή οινοποιήσιμα) αλλά και τον επιθυμητό τύπο οίνου (λευκός ή ερυθρός, ξηρός ή γλυκός κλπ.). Ωστόσο, η εφαρμογή των ενδεδειγμένων αρδευτικών στρατηγικών προϋποθέτει τη δυνατότητα παρακολούθησης και μέτρησης της υδατικής κατάστασης των πρέμνων κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου, με τη χρήση κατάλληλου εξοπλισμού. Οι μετρήσεις μπορούν να γίνουν με διάφορες τεχνικές όπως, αισθητήρες επι του φυτού (μετρητές ροής ανοδικού ρεύματος, μετρητές διαμέτρου), εξ αποστάσεως αισθητήρες (Θερμόμετρα υπερύθρου, μετρητές ανάκλασης του φυλλώματος), και φορητά όργανα (Θάλαμος πίεσης, πορόμετρο, μετρητής φθορισμού χλωροφύλλης και φωτοσύνθεσης κ.α.). Μεταξύ των χρησιμοποιούμενων τεχνικών για τη μέτρηση της υδατικής κατάστασης της αμπέλου, ο πλέον διαδεδομένος είναι η μέτρηση του υδατικού δυναμικού των φύλλων της αμπέλου με τη χρήση θαλάμου πίεσης (Choné κ.α., 2001). Η μέτρηση του υδατικού δυναμικού γίνεται πριν από την ανατολή του ήλιου, όταν η ενυδάτωση των ιστών είναι μέγιστη και ανάλογη της υγρασίας του εδάφους (πρωινό υδατικό δυναμικό Ψ D ) είτε κατά το ηλιακό μεσημέρι, σε φύλλα που έχουν προηγουμένως τοποθετηθεί σε αδιαφανείς σακούλες προκειμένου να εξισορροπήσουν την υγρασία τους με αυτή του βλαστού (υδατικό δυναμικό βλαστού Ψs). Η συνεχώς αυξανόμενη χρήση αυτής της μεθόδου σε όλο τον κόσμο, τόσο σε αμιγώς ερευνητικό επίπεδο όσο και στη διαχείριση του αμπελώνα, έχει επιτρέψει τον καθορισμό κρίσιμων τιμών για τον προσδιορισμό της υδατικής κατάστασης της αμπέλου (Πίνακας 1). 20

27 Η τιμή του υδατικού δυναμικού είναι το κυριότερο μέσω εκτίμησης της υδατικής κατάστασης του φυτού. Για την αποτύπωση της υδατικής κατάστασης της αμπέλου, μετράται το υδατικό δυναμικό βάσης (Ψ D ), το υδατικό δυναμικό φύλλου (Ψ L ) και το υδατικό δυναμικού βλαστού (Ψ S ). Το Ψ D σχετίζεται πιο άμεσα με την υδατική κατάσταση του εδάφους. Η μέτρησή του γίνεται πριν από την ανατολή του ηλίου, την στιγμή δηλαδή όπου η ενυδάτωση των ιστών είναι η μέγιστη δυνατή και ίση με αυτή του εδάφους στην ζώνη της ριζόσφαιρας. Σε τιμές εως -0,2 MΡa τα φυτά δεν παρουσιάζουν υδατική καταπόνηση. Όταν οι τιμές βρίσκονται μεταξύ -0,2 και -0,5 MΡa τα φυτά χαρακτηρίζονται από ήπια υδατική καταπόνηση, ενώ όταν οι τιμές μειωθούν κάτω από -1 MΡa τα φυτά εμφανίζουν συμπτώματα έντονης υδατικής καταπόνησης (Πίνακας 1). Το Ψ L μετράται κατά την διάρκεια της ημέρας και κυρίως στο ηλιακό μεσημέρι, σε φύλλα πλήρως εκτεθειμένα στο φώς. Η τιμή του αντιπροσωπεύει την επίδραση πολλών παραγόντων, όπως την διαθεσιμότητα του εδαφικού νερού, την υδραυλική αγωγιμότητα των αγγείων του φυτού και την ρύθμιση λειτουργίας των στοματίων. Οι τιμές του Ψ L, εξαρτώνται άμεσα από το μικροκλίμα του φυλλικού τείχους ειδικά σε ανισοϋδρικές ποικιλίες, ενώ σε ισοϋδρικές ποικιλίες έχει μικρότερη διακύμανση τιμών (λόγω του κλεισίματος των στοματίων). Το Ψ S μετράται σε πλήρως ενυδατωμένα φύλλα (Begg και Turner, 1970), κατά την διάρκεια της ημέρας και κυρίως κατά το ηλιακό μεσημέρι. Πριν την μέτρηση τα φύλλα τοποθετούνται σε αδιαφανείς σακούλες για να εξισορροπηθεί η υδατική κατάσταση του φύλλου με αυτή του βλαστού. Το Ψs είναι δείκτης υδραυλικής αγωγιμότητας του κορμού και των κληματίδων της αμπέλου (Chone κ.α., 2001) και είναι ανεξάρτητος της θέσης και της ηλικίας του φύλλου (Van Leeuwen κ.α.,2008). Το Ψ S χρησιμοποιείται σαν δείκτης υδατικής κατάστασης των φυτών (Greenspan et al, 1996) καθώς αντιπροσωπεύει το υδατικό δυναμικό ολόκληρου του φυτού. Πίνακας 1: Κρίσιμες τιμές υδατικού δυναμικού ανάλογα με την ένταση της υδατικής καταπόνησης της αμπέλου (Van Leeuwen κ.α., 2009). 21

28 Πρωινό υδατικό δυναμικό Ψp (MPa) Μεσημβρινό υδατικό δυναμικό βλαστού Ψs (MPa) Απουσία υδατικής καταπόνησης > -2 > -5 Έναρξη υδατικής καταπόνησης -2 έως -4-5 έως -8 Ήπια υδατική καταπόνηση -4 έως -6-8 έως -11 Μέτρια υδατική καταπόνηση -6 έως έως -14 Έντονη υδατική καταπόνηση < -8 < -14 Σήμερα, έχει καταστεί πλέον δυνατός σε μεγάλο βαθμό ο καθορισμός του κατάλληλου υδατικού καθεστώτος για κάθε στάδιο του ετήσιου κύκλου της αμπέλου, ανάλογα με τον τελικό προορισμό των σταφυλιών. Έτσι, από την εκβλάστηση ως την ανθοφορία απαιτείται επάρκεια νερού για τη δημιουργία ικανοποιητικής φυλλικής επιφάνειας. Μεταξύ ανθοφορίας και καρπόδεσης, οποιαδήποτε έλλειψη νερού μπορεί να προκαλέσει ανθόρροια και μικρορραγία καθώς και μειωμένη διαφοροποίηση ανθικών καταβολών για την επόμενη χρονιά. Για το σκοπό αυτό, από την έναρξη της καλλιεργητικής περιόδου και μέχρι την καρπόδεση, απαιτείται επάρκεια νερού, ανεξάρτητα από την ποικιλία και το είδος του παραγόμενου προϊόντος (Ψs>-8 MPa). Μετά την καρπόδεση και μέχρι τον περκασμό, το υδατικό καθεστώς επιδρά έντονα στην αύξηση των βλαστών και στο μέγεθος της ράγας. Ο ελεγχόμενος περιορισμός της υδατικής διαθεσιμότητας στη φάση αυτή (έως Ψs=-14 MPa) αναστέλλει την αύξηση των βλαστών (με αποτέλεσμα τη διοχέτευση του πλεονάσματος των προϊόντων της φωτοσύνθεσης στα σταφύλια, Petrie κ.α., 2004), βελτιώνει το μικροκλίμα στο περιβάλλον των σταφυλιών (αύξηση ενεργού φυλλικής επιφάνειας, καλύτερος φωτισμός και αερισμός των σταφυλιών, Romero κ.α., 2010) και περιορίζει το μέγεθος της ράγας (υψηλή σχέση στερεού υπολείμματος/γλεύκους, επιθυμητή κυρίως σε ερυθρές ποικιλίες, McCarthy, 1997). Για τις λευκές ποικιλίες (αλλά και ερυθρές προορισμένες για οίνους άμεσης κατανάλωσης), στόχος θα πρέπει να είναι ένα λιγότερο περιοριστικό υδατικό καθεστώς, για την εξασφάλιση μεγαλύτερης σκίασης των σταφυλιών και οψιμότερης ωρίμανσης (Ψs>-9 MPa), ιδιαίτερα στην περίπτωση πρώιμων αρωματικών οινοποιήσιμων ποικιλιών σε θερμά κλίματα. Το υδατικό καθεστώς της περιόδου ωρίμανσης (περκασμός έως τρύγος) καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τα χαρακτηριστικά του τελικού προϊόντος (Ojeda κ.α., 2002). Παρότι 22

29 στις περισσότερες ποικιλίες κατά την περίοδο αυτή, τα φυτά της αμπέλου έχουν την ικανότητα να ανταπεξέρχονται στη μείωση της υδατικής διαθεσιμότητας, η μεγιστοποίηση της παραγωγής σακχάρων, η διατήρηση της οξύτητας και η συσσώρευση δευτερογενών μεταβολιτών (χρωστικές και αρωματικές ενώσεις) στη ράγα απαιτούν την εξασφάλιση μίας ελάχιστης υδατικής διαθεσιμότητας. Mία συνεχώς εντεινόμενη υδατική καταπόνηση (Ψs<-14 MPa), όπως συχνά συμβαίνει στην περίπτωση ξηρικών αμπελώνων σε θερμά κλίματα και χωρίς δυνατότητα άρδευσης, οδηγεί σε οίνους με πολύ υψηλή αλκοόλη, χαμηλή οξύτητα και στυπτικές τανίνες, αλλά και σε απώλεια του ποικιλιακού αρωματικού χαρακτήρα. Αντίθετα, μία ήπια/μέτρια υδατική καταπόνηση (Ψs μεταξύ -11 και -13 MPa) οδηγεί σε ευνοϊκή αναλογία σακχάρων/οξέων στο γλεύκος, σε αύξηση των φαινολικών ενώσεων στους φλοιούς και σε καλύτερη φαινολική ωρίμανση των τανινών των γιγάρτων, κατάλληλη για ερυθρούς οίνους παλαίωσης. Ένα πιο ευνοϊκό υδατικό καθεστώς (Ψs >-9 MPa) είναι επιθυμητό για τις λευκές ποικιλίες (και ερυθρές προορισμένες για οίνους άμεσης κατανάλωσης) προκειμένου να διατηρηθεί το πρωτογενές άρωμα και η οξύτητα, και να αποφευχθεί η απόκτηση μεγάλου αλκοολικού βαθμού στον οίνο. Τέλος, η επικράτηση ενός μη περιοριστικού υδατικού καθεστώτος κατά την περίοδο της ωρίμανσης θεωρείται γενικά μη επιθυμητή (με εξαίρεση νεαρούς αμπελώνες σε φάση διαμόρφωσης και επιτραπέζιες ποικιλίες με υψηλή παραγωγή) γιατί οδηγεί σε ανεπαρκή ωρίμανση τόσο του γλεύκους όσο και των φλοιών και γιγάρτων, ενώ αυξάνει τον κίνδυνο μυκητολογικών προσβολών. Κατά την περίοδο από τον τρύγο ως τη φυλλόπτωση, είναι απαραίτητη η αποκατάσταση ικανοποιητικής υγρασίας στο έδαφος για την εξασφάλιση της καλής ξυλοποίησης των βλαστών και την παραγωγή νέων ριζών (ιδιαίτερα σημαντικό σε αμπελώνες που εκτέθηκαν σε συνθήκες έντονης καταπόνησης κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου). Σήμερα, ο πλέον διαδεδομένος τρόπος άρδευσης της αμπέλου, ιδιαίτερα για τις οινοποιήσιμες ποικιλίες, είναι η εφαρμογή ελλειμματικής άρδευσης (Regulated Deficit Irrigation ή RDI) που συνίσταται στην εφαρμογή ενός ελεγχόμενου χρονικά και ποσοτικά περιορισμού της υδατικής παροχής (Dry κ.α., 2001). Η εφαρμογή ελλειμματικής άρδευσης συνήθως αφορά στην εφαρμογή μίας περιόδου ήπιας/μέτριας υδατικής καταπόνησης αμέσως μετά την καρπόδεση, και τη σταθερή αλλά ελεγχόμενη παροχή νερού μετά τον περκασμό, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του τελικού προϊόντος. Αυτή η αρδευτική στρατηγική, πέρα από τις ευνοϊκές επιδράσεις στην ποιότητα της 23

30 παραγωγής, επιτυγχάνει οικονομία νερού και περιορισμό των φυτοπροστατευτικών επεμβάσεων. Ιδιαίτερα στις περιοχές με χαμηλή βροχόπτωση και υψηλές καλοκαιρινές θερμοκρασίες, η παρακολούθηση και διαχείριση του υδατικού καθεστώτος της αμπέλου με βάση τις παραπάνω αρχές, είναι απαραίτητη συνθήκη για τον έλεγχο της ποιότητας και της ποσότητας της σταφυλικής παραγωγής και των οίνων, ιδιαίτερα ενόψει των επερχόμενων κλιματικών αλλαγών. 24

31 Ο σκοπός του πειράματος Πολλές από τις έως τώρα έρευνες για την επίδραση της υδατικής διαθεσιμότητας στην άμπελο έχουν πραγματοποιηθεί σε συνθήκες διαφορετικές από αυτές του ελληνικού αμπελώνα. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση της απόκρισης στην υδατική καταπόνηση μιας τυπικής ανισοϋδρικής ποικιλίας όπως η Syrah, κάτω από τις συνθήκες του ξηροθερμικού κλίματος της Β.Ελλάδας. Επίσης έγινε αξιολόγηση της καταλληλότερης μεθόδου για την μέτρηση του υδατικού δυναμικού της αμπέλου και την ακριβή αποτύπωση της υδατικής κατάστασης. Τέλος διερευνήθηκε η επίδραση της υδατικής καταπόνησης στην αύξηση της αμπέλου και στους κυριότερους ποιοτικούς δείκτες της παραγωγής σταφυλιών. 25

32 B. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 1. Ο πειραματικός αμπελώνας Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στον αμπελώνα του κτήματος Γεροβασιλείου. Το κτήμα βρίσκεται στην περιοχή της Επανομής της Θεσσαλονίκης και καταλαμβάνει έκταση 560 στρεμμάτων και το έδαφος χαρακτηρίζεται ως ασβεστολιθικό. To πείραμα πραγματοποιήθηκε στην ποικιλία Syrah εμβολιασμένη στο υποκείμενο 1103P. Το σχήμα διαμόρφωσης ήταν αμφίπλευρο γραμμικό, το κλάδεμα ήταν βραχύ στον 1 οφθαλμό και οι αποστάσεις φύτευσης 1,2 x 2,0 m. Εφαρμόστηκαν τρείς μεταχειρίσεις άρδευσης: άρδευση στο 100% της εξατμισοδιαπνοής (F), άρδευση στο 50% της εξατμισοδιαπνοής (D) και χωρίς άρδευση (Ν). Η άρδευση γινόταν μέσω μόνιμης εγκατάστασης με σταλάκτες παροχής 4 L/ώρα. Για κάθε μεταχείριση υπήρξαν 4 επαναλήψεις επί της γραμμής και η κάθε πειραματική μονάδα περιελάμβανε 8 φυτά (από τα οποία μόνο τα 4 κεντρικά χρησιμοποιούνταν για τη δειγματοληψία). 2. Κλιματικές συνθήκες Κατά την διάρκεια του καλοκαιριού του 2011, οι μήνες Ιούνιος, Αύγουστος και Σεπτέμβριος είχαν βροχοπτώσεις της τάξης των 14,8 mm, 13,4 mm και 15 mm αντιστοίχως. Αντιθέτως ο μήνας Ιούλιος ήταν ξηρός καθώς η συνολική βροχόπτωση δεν ξεπέρασε τα 1.2 mm (Σχήμα 1.1 και 1.2). H μέση θερμοκρασία αέρα για τους μήνες Ιούνιο, Ιούλιο, Αύγουστο και Σεπτέμβριο ήταν της τάξης των 23,13 C, 26,65 C, 25,53 C και 23,35 C αντιστοίχως. 26

33 Σχήμα 1.1: Ημερήσια εποχική μεταβολή θερμοκρασίας αέρα ( C) (Στοιχεία από μετεωρολογικό σταθμό κτήματος Γεροβασιλείου). 1 η Ιουνίου έως 30 η Σεπτεμβρίου 2011 Σχήμα 1.2: Μηνιαία βροχόπτωση κατά την διάρκεια διεξαγωγής του πειράματος (Στοιχεία από μετεωρολογικό σταθμό κτήματος Γεροβασιλείου) 3. Μετρήσεις φυσιολογίας Κατά την διάρκεια του πειράματος μετρήθηκε το υδατικό δυναμικό βάσης (Ψ D ), φύλλου (Ψ L ) και βλαστού (Ψ S ). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με την χρήση θαλάμου πίεσης (Scholander κ.α., 1965) σε 4 ώριμα φύλλα ανά πειραματική μονάδα. 27