Dormancy in temperate fruit trees - Perspectives for farming in a changing climate

Abstract

Deciduous fruit trees, which originated in temperate climates, exhibit an inactive period (i.e. dormancy) between late autumn and early spring. This period allows trees to endure the severe winter temperatures usually observed in their native habitat. During dormancy, trees require exposure to chilling and subsequent warm conditions to resume growth (i.e. chill and heat requirement). The exposure to chill triggers physiological modifications inside the buds, restoring the growth mechanisms that were suspended at the beginning of winter. After trees experience enough cold, warm temperatures trigger growth resumption and bloom. To quantify effective accumulation of chill and heat, scientists have developed a number of mathematical models. However, none of these approaches include up-to-date knowledge about the biology of dormancy progression. A process-based model is likely to better represent the entire dormancy phase and to help the temperate fruit industry in preparing for the impacts of climate change. In this thesis, I report on a set of field experiments and assessments of historic weather records. I studied the dormancy phase in temperate fruit trees with a view towards renewed modeling approaches, and I assessed the possible impacts of climate change on the cultivation of temperate fruit trees in a three-year project.A description of these experiments as well as the key results from each study are summarized as follows:<br/> 1. In chapter 2, I report on the relationship between chill accumulation and the concentration of non-structural carbohydrates (CHOs) in sweet cherry branches. Results show that the dynamics of starch and hexoses are closely related to dormancy progression. However, our modeling approach using CHOs as predictors of budburst moment performed differently among cherry cultivars, suggesting that other co-occurring processes (e.g. hormonal signaling, genetic expression) must be considered in future dormancy modeling.<br/> 2. In chapter 3, I present the calculation of climate-related metrics (i.e. chill availability and spring frost risk) for major agricultural zones of Chile for historic and future climate scenarios using up-to-date methods. Projections suggest that the cultivation of temperate fruit trees in northern-central Chile may face severe obstacles in the near future regarding chill accumulation. In central and southern-central Chile, strategies to ensure dormancy release and budburst may become critical for adequately cultivating deciduous fruit trees.<br/> 3. In chapter 4, I report on the comparison of outputs from 13 chill models for historic and future scenarios for nine sites around the globe. In this comparison, we found that chill model selection is the main source of variation in the assessment, more important than the site or future climate scenario. Among all the available approaches, the Dynamic model appears to be the best option for chill estimation due its more credible biological structure. Dormancy researchers, geneticists and other stakeholders should be wary of the high variability between models when working with temperate trees.<br/> 4. In chapter 5, I report on the impacts of an unusual drought period during the summer of 2018 on bud dormancy and flowering in an apple orchard in Germany. Results show that under low-chill conditions, buds on non-irrigated trees developed faster than those on irrigated trees. This suggests an impact of summer drought on bud dormancy. We conclude that accounting for the effects of summer drought and warm winters may be necessary for accurately predicting the future phenology of deciduous trees.<br/> Overall, the results of this thesis may be useful for scientists studying the dormancy phase, plant breeders developing new cultivars, stakeholders and authorities making decisions in the fruit industry, and most importantly farmers and orchard managers cultivating deciduous fruit trees.

Laubabwerfende Obstbäume, die der gemäßigten Klimazone entstammen, weisen zwischen dem Spätherbst und zeitigem Frühjahr eine Periode der Inaktivität auf, die Dormanz genannt wird. Diese Periode erlaubt es den Bäumen, die kalten Temperaturen zu überdauern, welche in ihrem natürlichen Habitat üblicherweise auftreten. Während der Dormanz müssen die Bäume zunächst kalten und anschließend warmen Bedingungen ausgesetzt sein, um das Wachstum fortsetzen zu können (Kälte- und Wärmebedürfnis). Kälte ruft physiologische Veränderungen in den Knospen hervor, sodass die Wachstumsmechanismen, die zu Beginn des Winters ausgesetzt wurden, wieder aktiviert werden. Nachdem das Kältebedürfnis erfüllt ist, lösen warme Temperaturen eine Fortsetzung des Wachstums und das Einsetzen der Blüte aus. Um die tatsächliche Erfüllung von Wärmeund Kältebedürfnis zu quantifizieren, haben Wissenschaftler verschiedene mathematische Modelle entwickelt, jedoch berücksichtigt keiner dieser Ansätze das heutige Wissen über die biologischen Prozesse während der Dormanz. Ein prozessbasiertes Modell bildet die gesamte Dormanzphase wahrscheinlich besser ab und wäre der Obstindustrie der gemäßigten Breiten somit eine große Hilfe bei der Anpassung an die Folgen des Klimawandels. In der vorliegenden Arbeit berichte ich über eine Reihe von Experimenten sowie die Auswertung historischer Wetterdaten. Im Rahmen eines dreijährigen Projektes habe ich mich mit der Dormanz laubabwerfender Obstbäume im Lichte neuer Modellierungsansätze beschäftigt und die möglichen Klimawandelfolgen für den Obstanbau in den gemäßigten Breiten beurteilt. Es folgt eine zusammenfassende Beschreibung der Studien und ihrer Ergebnisse:<br/> 1. In Kapitel 2 berichte ich über den Zusammenhang zwischen der Erfüllung des Kältebedürfnisses und der Konzentration nicht-struktureller Kohlenhydrate (CHOs) in Zweigen von Kirschbäumen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dynamiken von Stärke und Hexosen in engem Zusammenhang mit dem Verlauf der Dormanz stehen. Unser Modellierungsansatz unter Verwendung der CHOs zur Vorhersage des Blühzeitpunktes funktionierte für verschiedene Sorten unterschiedlich gut, woraus die Einschätzung folgt, dass Dormanzmodellierung zukünftig weitere gleichzeitig auftretende Prozesse (z.B. hormonelle Steuerung und Genexpression) einbeziehen sollte.<br/> 2. In Kapitel 3 präsentiere ich Berechnungen klimabedingter Messgrößen (genauer: Verfügbarkeit von Kältewirkung und das Risiko von Spätfrösten) für wichtige landwirtschaftliche Gebiete Chiles in historischen und zukünftigen Klimaszenarien unter Verwendung moderner Methoden. Die Projektionen zeigen, dass der Anbau von Obstbäumen der gemäßigten Breiten im nördlich-zentralen Chile bezüglich der Erfüllung des Kältebedürfnisses in naher Zukunft ernsthaften Schwierigkeiten ausgesetzt sein könnte. Im zentralen und südlich-zentralen Chile könnten Strategien zur Dormanzbrechung und Blühinduktion für den Anbau laubabwerfender Obstbäume unerlässlich werden.<br/> 3. In Kapitel 4 berichte ich über einen Vergleich der Ergebnisse von 13 Chilling-Modellen für historische und zukünftige Klimaszenarien für 9 auf der Erde verteilte Standorte. In diesem Vergleich fanden wir heraus, dass die Wahl des Chilling-Modells hauptursächlich für Unterschiede in den Ergebnissen und wichtiger als der Standort oder das Klimaszenario ist. Von allen verfügbaren Ansätzen erscheint das Dynamische Modell als die beste Option für die Einschätzung von Chilling, da es die biologischen Prozesse am überzeugendsten miteinbezieht. Dormanzwissenschaftler, Genetiker und andere Stakeholder sollten bei der Arbeit mit Bäumen der gemäßigten Breiten die hohe Variabilität zwischen den Modellen beachten.<br/> 4. In Kapitel 5 berichte ich über den Einfluss einer außergewöhnlichen Trockenperiode im Sommer 2018 auf Knospendormanz und Blüte in einem Apfelbestand in Deutschland. Die Ergebnisse zeigen, dass sich nach nur geringem Kältereiz die Knospen unbewässerter Bäume schneller entwickeln als Knospen bewässerter Bäume. Dies impliziert einen Einfluss von Sommertrockenheit auf Knospendormanz. Wir schließen daraus, dass es erforderlich sein könnte, die Einflüsse von Sommertrockenheit und warmen Wintern einzubeziehen, um eine präzise Vorhersage der Phänologie von laubabwerfenden Bäumen treffen zu können.<br/> Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten nützlich sein für Wissenschaftler, die die Dormanz untersuchen, ebenso wie für Pflanzenzüchter, die neue Sorten entwickeln; für Stakeholder und Behörden, die Entscheidungen in der Obstindustrie treffen und vor allem für Landwirte und Plantagenmanager, die Obstbäume anbauen.