Meses antes de que los viñedos del norte estallaran en su exuberante pico de verano, los delicados cogollos de uva que sostienen la fruta naciente en su diminuto núcleo deben primero resistir el embate helado del invierno.

Comprender cómo responden los brotes de uva a temperaturas bajo cero es de suma importancia para los administradores de viñedos en Nueva York y otros estados productores de uva del norte. Algunas de las variedades más populares utilizadas en las industrias del vino y el jugo pueden sobrevivir a temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua. Mediante un proceso conocido como sobreenfriamiento, Los mecanismos celulares dentro de la yema mantienen el agua en estado líquido entre menos 4 y menos 30 grados Fahrenheit, dependiendo de la especie. Más allá de un cierto umbral de baja temperatura, se forma hielo dentro de las células, las funciones celulares cesan y la yema muere.

Los horticultores han confiado durante mucho tiempo en los métodos tradicionales para estudiar la congelación en las plantas. Ahora, un investigador de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida está utilizando poderosas tecnologías en el campus para explorar de nuevas formas la mecánica celular que permite que los brotes de uva sobrevivan al frío brutal. La investigación tiene implicaciones para la economía del viñedo, especialmente a medida que el cambio climático abre más tierras al norte para el cultivo y las regiones de cultivo actuales experimentan un clima más extremo.

Al Kovaleski, un estudiante de doctorado en el campo de la horticultura, utiliza la fuente de sincrotrón de alta energía de Cornell (CHESS) para crear imágenes tridimensionales de cogollos de uva. Las imágenes producidas en CHESS brindan una perspectiva única a medida que Kovaleski desentraña los fundamentos genéticos del sobreenfriamiento en los cogollos de uva.

El sobreenfriamiento es un proceso dinámico:diferentes partes dentro del cogollo se congelan a diferentes temperaturas, y esos niveles y ubicaciones cambian según la temporada. Cuando las temperaturas estacionales caen en picado, la yema de la uva responde expresando genes de resistencia al frío a medida que las células reúnen los recursos necesarios para sobrevivir.

"Las regiones dentro del cogollo tienen diferentes comportamientos relacionados con la resistencia al frío. Sabemos que debe haber un control genético de lo que está sucediendo cuando el cogollo responde a las temperaturas bajo cero, "Dijo Kovaleski." Al identificar qué genes se expresan en varios momentos de las estaciones, podemos aislar aquellos que son más activos cuando las temperaturas son más frías y señalar los genes responsables del sobreenfriamiento ".

Las plantas que hibernan en la superficie tienen brotes para proteger los primordios florales y las puntas de crecimiento vegetativo. El conocimiento actual es que a medida que se forma hielo en los espacios extracelulares, el agua sale de la célula hasta un punto en el que no se puede perder más para que la célula sobreviva. En ese momento comienza el proceso de sobreenfriamiento.

Ahora, Los investigadores de Cornell se están asociando con físicos para visualizar el sobreenfriamiento. Usando los haces de rayos X paralelos de alta energía producidos en CHESS, Kovaleski está obteniendo imágenes de los cogollos de uva aprovechando cómo se dispersan los rayos X al pasar a través de densidades de tejido variables dentro del cogollo. La dispersión da lugar a imágenes de contraste de fase, a partir de las cuales Kovaleski construye imágenes digitales que le permiten visualizar cómo se desplaza el agua. Cuando se combina con datos de secuenciación genética, Kovaleski puede crear un retrato sólido de cómo reaccionan los cogollos a las temperaturas más frías.

La búsqueda no es trivial. Se sabe que las heladas invernales diezman los cultivos de uva, como una ráfaga fría en 2014 que acabó con la mitad de muchas variedades de vinificación en Nueva York, obligando a los productores a comprar uvas de fuera del estado. Las olas de frío bajo cero asolan habitualmente los viñedos en todo el noreste, como la "masacre de Navidad" de 1980. En la región de Finger Lakes, los lagos profundos que normalmente permanecen descongelados durante el invierno ayudan a mantener las temperaturas ligeramente más cálidas en las laderas alrededor de los lagos, abriendo estas áreas para el cultivo de la vid. Pero incluso estas regiones protegidas son propensas a heladas devastadoras.

Profundizar en el conocimiento científico del sobreenfriamiento proporciona a los criadores de uvas conocimientos para seleccionar las mejores líneas de mejora. Al trabajar con su asesor y el obtentor de uvas de Cornell Bruce Reisch, Kovaleski está identificando genes responsables de la resistencia al frío. Los datos brindan a Reisch y a otros criadores la información para seleccionar individuos con la capacidad de sobrevivir a temperaturas más frías mientras conservan el sabor y las cualidades de crecimiento que exigen los consumidores y los propietarios de viñedos.

"Para un rasgo tan complejo como la supervivencia a bajas temperaturas, No es probable que haya un solo gen que imparta tolerancia al frío a las plántulas en el programa de mejoramiento. Pero cuanto más comprendemos las complejidades del sistema genético, los mejores criadores podrán mejorar la tolerancia al frío, "dijo Reisch, profesor de la Sección de Horticultura de la Escuela de Ciencia Integral de las Plantas y líder de investigación del Programa de Mejoramiento y Genética de la Vid de Cornell-Ginebra. "El trabajo de Al está aportando la claridad necesaria a este campo de investigación, con aplicabilidad potencial a una amplia gama de cultivos perennes ".

Según Kovaleski, los melocotones y otros árboles frutales que se enfrían demasiado para sobrevivir al invierno podrían beneficiarse de esta ciencia fundamental. Si los mismos genes que actúan en las yemas también están activos en los tejidos verdes, los datos genéticos también podrían reducir el riesgo de heladas primaverales.

"Al comprender los genes que gobiernan la resistencia al frío en las uvas, Es posible que podamos reducir el riesgo de muerte invernal y proteger los cultivos de frutas que son cruciales para la economía del noreste. "Dijo Kovaleski.