Maanden voordat de noordelijke wijngaarden hun weelderige zomerpiek uitbarsten, de delicate druivenknoppen die de ontluikende vrucht in zijn kleine kern houden, moeten eerst de ijskoude aanval van de winter doorstaan.

Begrijpen hoe druivenknoppen reageren op temperaturen onder het vriespunt is van het grootste belang voor wijngaardbeheerders in New York en andere noordelijke druivenproducerende staten. Sommige van de meer populaire variëteiten die in de wijn- en sapindustrie worden gebruikt, kunnen temperaturen ver onder het vriespunt van water overleven. Door een proces dat bekend staat als onderkoeling, cellulaire mechanismen in de knop houden water in vloeibare toestand tot ongeveer min 4 tot min 30 graden Fahrenheit, afhankelijk van de soort. Boven een bepaalde lage temperatuurdrempel, ijs vormt zich in de cellen, cellulaire functies stoppen en de knop sterft.

Tuinders vertrouwen al lang op traditionele methoden om bevriezing in planten te bestuderen. Nu gebruikt een onderzoeker van het College of Agriculture and Life Sciences krachtige technologieën op de campus om op nieuwe manieren de cellulaire mechanica te onderzoeken waarmee druivenknoppen de brute kou kunnen overleven. Het onderzoek heeft implicaties voor de wijngaardeconomie, vooral omdat klimaatverandering meer noordelijk land opent voor teelt en huidige teeltregio's extremer weer ervaren.

Al Kovaleski, een doctoraatsstudent in de tuinbouw, gebruikt de Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) om 3D-afbeeldingen van druivenknoppen te maken. De afbeeldingen die bij CHESS zijn gemaakt, bieden een uniek perspectief terwijl Kovaleski de genetische basis van onderkoeling in druivenknoppen ontrafelt.

Onderkoeling is een dynamisch proces:verschillende delen in de knop bevriezen bij verschillende temperaturen, en die niveaus en locaties veranderen op basis van het seizoen. Wanneer de seizoenstemperaturen dalen, de druivenknop reageert door kouderesistentiegenen tot expressie te brengen terwijl de cellen middelen verzamelen om te overleven.

"Regio's in de knop hebben verschillende gedragingen met betrekking tot kouderesistentie. We weten dat er een genetische controle moet zijn over wat er aan de hand is als de knop reageert op vriestemperaturen, "Zei Kovaleski. "Door te identificeren welke genen op verschillende tijdstippen in de seizoenen tot expressie worden gebracht, we kunnen degenen isoleren die het meest actief zijn wanneer de temperaturen het laagst zijn en de genen lokaliseren die verantwoordelijk zijn voor onderkoeling."

Planten die bovengronds overwinteren hebben knoppen ter bescherming van de bloemprimordia en vegetatieve groeipunten. Het huidige inzicht is dat wanneer ijs zich vormt in extracellulaire ruimten, water verlaat de cel tot een punt waarop er niets meer verloren kan gaan zodat de cel kan overleven. Op dat moment begint het onderkoelingsproces.

Nutsvoorzieningen, Cornell-onderzoekers werken samen met natuurkundigen om onderkoeling te visualiseren. Met behulp van de hoogenergetische parallelle röntgenstralen geproduceerd bij CHESS, Kovaleski beeldt druivenknoppen af ​​door gebruik te maken van hoe röntgenstralen zich verspreiden wanneer ze door verschillende weefseldichtheden in de knop gaan. De verstrooiing geeft aanleiding tot fasecontrastbeelden, waaruit Kovaleski digitale beelden construeert waarmee hij kan visualiseren hoe water verschuift. In combinatie met genetische sequentiegegevens, Kovaleski kan een robuust portret maken van hoe toppen reageren bij de koudste temperaturen.

De achtervolging is niet triviaal. Het is bekend dat wintervorst de druivenoogst decimeert, zoals een koudegolf in 2014 die ongeveer de helft van de vele wijnbouwvariëteiten in New York vernietigde, telers dwingen om druiven van buiten de staat te kopen. Koude kiekjes onder het vriespunt verwoesten routinematig wijngaarden in het noordoosten, zoals het "kerstbloedbad" van 1980. In de regio Finger Lakes, diepe meren die in de winter normaal gesproken niet bevroren blijven, helpen de temperaturen op de hellingen rond de meren iets warmer te houden, het openen van deze gebieden voor de druiventeelt. Maar zelfs deze beschermde regio's zijn vatbaar voor verwoestende bevriezingen.

Het verdiepen van het wetenschappelijke begrip van onderkoeling geeft druiventelers inzichten om de beste foklijnen te selecteren. Door samen te werken met zijn adviseur en Cornell-druiventeler Bruce Reisch, Kovaleski identificeert genen die verantwoordelijk zijn voor winterhardheid. De gegevens geven Reisch en andere veredelaars de informatie om individuen te selecteren die in staat zijn om koudere temperaturen te overleven met behoud van de smaak en groeikwaliteiten die worden gevraagd door consumenten en wijngaardeigenaren.

"Voor een eigenschap die zo complex is als overleven bij lage temperaturen, er is waarschijnlijk geen enkel gen dat koude tolerantie zal verlenen aan zaailingen in het kweekprogramma. Maar hoe meer we de complexiteit van het genetische systeem begrijpen, de betere fokkers zullen de koude tolerantie kunnen verbeteren, " zei Reisch, professor in de tuinbouwsectie van de School of Integrative Plant Science en onderzoeksleider van het Cornell-Geneva Grapevine Breeding and Genetics Program. "Al's werk brengt de broodnodige duidelijkheid in dit onderzoeksgebied, met potentiële toepasbaarheid op een breed scala aan meerjarige gewassen."

Volgens Kovaleski, perziken en andere fruitbomen die supercool zijn om de winter te overleven, kunnen baat hebben bij deze fundamentele wetenschap. Als dezelfde genen aan het werk in knoppen ook actief zijn in groene weefsels, de genetische gegevens kunnen ook het risico op voorjaarsvorst verminderen.

"Door de genen te begrijpen die de kouderesistentie in druiven bepalen, het is mogelijk dat we het risico op wintersterfte kunnen verminderen en fruitgewassen kunnen beschermen die cruciaal zijn voor de economie in het noordoosten, ' zei Kovaleski.