Microclimatic influences on grape quality

Abstract

Ensuring a well-ventilated bunch zone is a key target of canopy management in viticulture, facilitating spray penetration and reducing the spread of fungal diseases. To achieve this aim, the use of mechanical leaf removal systems available since the early 1990s became increasingly widespread under central European conditions. However, apart from positive phytosanitary impacts, leaf removal alters canopy microclimate substantially. While some research has been conducted on the effects of such canopy management techniques on red grape quality, their effects on fruit quality of white varieties have rarely been investigated. The objective of this thesis was to provide a deeper understanding of the microclimatic influence on grape quality at different stages of berry development, with a focus on the white grape cultivar Riesling (Vitis vinifera L.). An optimized protocol for high-throughput FTIR measurements and other state of the art analysis were used to quantify compounds relevant for grape and wine quality. Three different approaches to create samples from variable microclimatic conditions were evaluated: The removal of leaves in the bunch zone to maximize bunch exposure, the complete shading of bunches using opaque boxes and the utilization of the natural variance of the microclimatic conditions within homogenous vineyards. The effect of microclimate manipulation on different classes of phenolic substances was large in the case of flavonols, and rather small in the case of flavanols and hydroxycinnamic acids. The only effects of microclimatic conditions on flavanol and hydroxycinnamic acid concentration were observed when leaf removal or shading were conducted directly after berry set. Radiation exposure at any developmental stage led to a rapid increase of flavonol concentration in the berry skin, whilst without radiation the synthesis of flavonols was inhibited completely. The concentration of amino acids was strongly negatively correlated with the concentration of phenolic substances. Bunches shaded during the ripening phase had barely detectable monoterpene concentrations, and re-illumination during the last weeks of ripening only increased their concentration by 2-fold, representing just 20 % of the concentration of the control treatment. In the same time period, flavonol concentration recovered rapidly to levels comparable to those of the control. Although monoterpenes accumulate only at later stages of ripening, the most important period for their synthesis is around veraison, when the expression of monoterpene biosynthetic genes is at a maximum. Microclimate also influences the optical properties of a berry, mainly because of their effects on chlorophyll and carotenoid synthesis as well as degradation and phenol accumulation. Sorting berries by their VIS-spectra led to subsamples of significantly different composition of aroma compounds organic acids and amino nitrogen. The common factor behind these compositional and optical differences seems to be the berry microclimate, which is in accordance with our other studies. These findings may be technically exploited in targeted berry sorting operations for premium winemaking or to remove undesired fruit prior to fermentation. Die gute Durchlüftung der Traubenzone zur phytosanitären Prävention von Pilzkrankheiten ist ein wichtiges Element der guten fachlichen Praxis im Weinbau. Um diese sicherzustellen, wurden seit Anfang der 90er Jahre Gerätesysteme zur maschinellen Entblätterung der Traubenzone entwickelt. Der technische Fortschritt in den folgenden Dekaden führte zu einer heute flächendeckenden, effizienten Anwendung dieser Maßnahme in der weinbaulichen Praxis. Neben ihren phytosanitären Effekten stellt die Entblätterung der Traubenzone jedoch auch einen massiven Eingriff in das Mikroklima der Rebe dar. Auch wenn bereits seit den 1970er Jahren einige Studien zu den mikroklimatischen Effekten auf die Traubengesundheit und -qualität roter Sorten durchgeführt wurden, ist das Wissen zu den mikroklimatischen Effekten auf die Qualität weißer Trauben begrenzt. Ziel dieser Arbeit war es daher, ein eingehenderes Verständnis der mikroklimatisch bedingten Effekte auf die Traubenqualität von Riesling (Vitis vinifera L.) zu verschiedenen Zeitpunkten der Beerenentwicklung zu gewinnen. Ein erster Teil dieser Arbeit befasste sich zunächst mit der Optimierung der FTIR-Analytik. Hierbei wurden verschiedene FTIR-Spektrometer mit verschiedenen Variablenselektions-Algorithmen kalibriert und verglichen. Um die mikroklimatisch bedingten Effekte auf die Traubenqualität zu untersuchen, wurden drei Methoden angewandt, um Proben aus variablen mikroklimatischen Bedingungen zu erhalten: Die komplette Freistellung aller Trauben in der Traubenzone und die komplette Beschattung von Trauben mittels lichtundurchlässiger Boxen und die Auswahl von Proben aus welche in einem homogenen Bestand unter natürlich bedingter Varianz des Mikroklimas gewachsen waren. Der Effekt des Mikroklimas auf die Akkumulation von phenolischen Inhaltsstoffen war - unabhängig vom Versuchsaufbau - im Fall der Flavonole deutlich und im Fall der Flavanole und Hydroxyzimtsäuren eher gering. Der letztgenannte Effekt konnte nur durch Manipulation des Mikroklimas kurz nach der Blüte induziert werden, während Flavonole als Reaktion auf Belichtung nahezu proportional zur UV-Einstrahlung und ohne zeitliche Verzögerung neu synthetisiert wurden. Die Akkumulation von Aminosäuren in der Traube korrelierte dabei stark negativ mit der Akkumulation der Phenole. Während der gesamten Reifephase vollständig beschattete Rieslingtrauben (Boxen) hatten zur Lese einen kaum nachweisbaren Monoterpengehalt, doch auch ein Entfernen der Boxen vor der eigentlichen Hauptphase der Akkumulation führte lediglich zu einem geringen Anstieg der Monoterpenkonzentration, während der Flavonolgehalt auf das Niveau der Kontrollvariante anstieg. Obwohl sich die Hauptphase der Akkumulation von Monoterpenen im Stadium der Vollreife abspielt, scheint der Zeitpunkt um die Veraison, wenn die Expression der Terpenoidsynthasen ihr Maximum erreicht, für ihre Synthese entscheidender zu sein. Das Mikroklima beeinflusst zudem die Konzentration der Pigmente der Beerenhaut. Mit einer Sortierung im VIS-Spektralbereich konnten Beeren in Klassen mit signifikant unterschiedlicher Ausprägung verschiedener Qualitätsmerkmale sortiert werden. Die Art und Ausprägung dieser Qualitätsunterschiede weist deutlich auf die mikroklimatischen Bedingungen als deren Ursache hin. Diese Tatsache kann in technischen, gezielten Sortierprozessen genutzt werden, um Beeren mit gewünschten Qualitätsmerkmalen für hochpreisige Weine zu selektieren oder unerwünschte Beeren aus großen Partien zu entfernen.