Mesi prima che i vigneti del nord esplodessero nel loro rigoglioso picco estivo, i delicati germogli dell'uva che tengono il frutto nascente nel suo minuscolo nucleo devono prima resistere all'assalto gelido dell'inverno.

Capire come le gemme dell'uva rispondono alle temperature sotto lo zero è di fondamentale importanza per i gestori di vigneti a New York e in altri stati produttori di uva del nord. Alcune delle varietà più popolari utilizzate nell'industria del vino e dei succhi possono sopravvivere a temperature molto al di sotto del punto di congelamento dell'acqua. Con un processo noto come superraffreddamento, i meccanismi cellulari all'interno della gemma mantengono l'acqua allo stato liquido fino a circa meno 4 - meno 30 gradi Fahrenheit, a seconda della specie. Oltre una certa soglia di bassa temperatura, il ghiaccio si forma all'interno delle cellule, le funzioni cellulari cessano e il germoglio muore.

Gli orticoltori si affidano a lungo ai metodi tradizionali per studiare il congelamento delle piante. Ora un ricercatore del College of Agriculture and Life Sciences sta utilizzando potenti tecnologie nel campus per esplorare in nuovi modi i meccanismi cellulari che consentono ai germogli dell'uva di sopravvivere al freddo brutale. La ricerca ha implicazioni per l'economia del vigneto, soprattutto perché il cambiamento climatico apre la terra più settentrionale per la coltivazione e le attuali regioni in crescita sperimentano condizioni meteorologiche più estreme.

Al Kovaleski, uno studente di dottorato nel campo dell'orticoltura, sta utilizzando la sorgente di sincrotrone ad alta energia Cornell (CHESS) per creare immagini 3D di gemme d'uva. Le immagini prodotte a CHESS forniscono una prospettiva unica mentre Kovaleski svela le basi genetiche del superraffreddamento nelle gemme dell'uva.

Il superraffreddamento è un processo dinamico:diverse parti all'interno della gemma si congelano a temperature diverse, e quei livelli e posizioni cambiano in base alla stagione. Quando le temperature stagionali precipitano, il germoglio dell'uva risponde esprimendo geni di resistenza al freddo mentre le cellule mobilitano le risorse per sopravvivere.

"Le regioni all'interno del germoglio hanno comportamenti diversi legati alla resistenza al freddo. Sappiamo che deve esserci un controllo genetico di ciò che sta accadendo mentre il germoglio risponde alle temperature di congelamento, " ha detto Kovaleski. "Identificando quali geni sono espressi in vari momenti delle stagioni, possiamo isolare quelli che sono più attivi quando le temperature sono più fredde e individuare i geni responsabili del superraffreddamento".

Le piante che svernano fuori terra hanno boccioli per proteggere i primordi dei fiori e le punte di crescita vegetativa. L'attuale comprensione è che quando il ghiaccio si forma negli spazi extracellulari, l'acqua lascia la cellula fino a un punto in cui non può più essere perso perché la cellula sopravviva. A quel punto inizia il processo di superraffreddamento.

Ora, I ricercatori della Cornell stanno collaborando con i fisici per visualizzare il superraffreddamento. Utilizzando i fasci di raggi X paralleli ad alta energia prodotti a CHESS, Kovaleski sta visualizzando le gemme dell'uva sfruttando il modo in cui i raggi X si diffondono quando attraversano densità di tessuto variabili all'interno della gemma. La dispersione dà origine a immagini a contrasto di fase, da cui Kovaleski costruisce immagini digitali che gli permettono di visualizzare come l'acqua si sposta. Quando combinato con i dati di sequenziamento genetico, Kovaleski può creare un solido ritratto di come le cime reagiscono alle temperature più fredde.

L'inseguimento non è banale. È noto che i geli invernali decimano i raccolti di uva, come un'ondata di freddo nel 2014 che ha spazzato via circa la metà di molte varietà vinicole a New York, costringendo i coltivatori ad acquistare uve da fuori lo stato. Il freddo sotto lo zero devasta regolarmente i vigneti del nord-est, come il "massacro di Natale" del 1980. Nella regione dei Finger Lakes, laghi profondi che in genere rimangono non ghiacciati durante l'inverno aiutano a mantenere temperature leggermente più calde sui pendii intorno ai laghi, aprendo queste aree alla coltivazione della vite. Ma anche queste regioni protette sono soggette a gelate devastanti.

Approfondire la comprensione scientifica del superraffreddamento fornisce agli allevatori di uva approfondimenti per selezionare le migliori linee di allevamento. Lavorando con il suo consigliere e allevatore di uva Cornell Bruce Reisch, Kovaleski sta identificando i geni responsabili della resistenza al freddo. I dati forniscono a Reisch e ad altri allevatori le informazioni per selezionare individui con la capacità di sopravvivere a temperature più fredde mantenendo il sapore e le qualità di crescita richieste dai consumatori e dai proprietari di vigneti.

"Per un tratto complesso come la sopravvivenza a bassa temperatura, non è probabile che ci sia un singolo gene che impartirà tolleranza al freddo alle piantine nel programma di allevamento. Ma più comprendiamo le complessità del sistema genetico, i migliori allevatori saranno in grado di migliorare la tolleranza al freddo, " disse Reisch, professore nella Sezione di Orticoltura della School of Integrative Plant Science e capo ricerca del Cornell-Ginevra Grapevine Breeding and Genetics Program. "Il lavoro di Al sta portando la necessaria chiarezza in questo campo di ricerca, con potenziale applicabilità a un'ampia gamma di colture perenni".

Secondo Kovaleski, pesche e altri alberi da frutto che si raffreddano per sopravvivere all'inverno potrebbero trarre beneficio da questa scienza fondamentale. Se gli stessi geni che agiscono nelle gemme sono attivi anche nei tessuti verdi, i dati genetici potrebbero anche ridurre il rischio di gelate primaverili.

"Capendo i geni che governano la resistenza al freddo nell'uva, è possibile che possiamo ridurre il rischio di uccisioni invernali e proteggere i raccolti di frutta cruciali per l'economia del nord-est, " ha detto Kovaleski.