Forskere leder efter genetiske spor for at hjælpe druer med at overleve kulde

Måneder før nordlige vinmarker brød ud i deres frodige sommertop, de sarte drueknopper, der holder den frugtende frugt i sin lille kerne, skal først modstå vinterens frysende angreb.

At forstå, hvordan drueknopper reagerer på temperaturer under nul, er yderst bekymrende for vingårdsledere i New York og andre nordlige drueproducerende stater. Nogle af de mere populære sorter, der bruges i vin- og saftindustrien, kan overleve temperaturer langt under vandets frysepunkt. Ved en proces kendt som superkøling, cellulære mekanismer i knoppen holder vand i flydende tilstand ned til omkring minus 4 til minus 30 grader Fahrenheit, afhængig af arten. Ud over en vis lavtemperatur tærskel, is dannes inde i cellerne, cellulære funktioner ophører, og knoppen dør.

Gartnere har længe stolet på traditionelle metoder til at studere frysning i planter. Nu bruger en forsker ved College of Agriculture and Life Sciences kraftfulde teknologier på campus til på nye måder at undersøge den cellulære mekanik, der gør det muligt for drueknopper at overleve brutal kulde. Forskningen har konsekvenser for vingårdens økonomi, især da klimaændringer åbner mere nordlig jord for dyrkning og nuværende voksende regioner oplever mere ekstremt vejr.

Al Kovaleski, en doktorand inden for havebrug, bruger Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) til at oprette 3D-billeder af drueknopper. Billederne produceret på CHESS giver et unikt perspektiv, da Kovaleski afslører de genetiske underlag for superafkøling i drueknopper.

Superkøling er en dynamisk proces:Forskellige dele inden i knoppen fryser ved forskellige temperaturer, og disse niveauer og placeringer ændres baseret på sæsonen. Når sæsonens temperaturer falder, drueknoppen reagerer ved at udtrykke kolde modstandsgener, da cellerne marcherer ressourcer for at overleve.

"Regioner inden i knoppen har forskellig adfærd relateret til kuldebestandighed. Vi ved, at der skal være en genetisk kontrol af, hvad der foregår, når knoppen reagerer på kuldegrader, "Sagde Kovaleski." Ved at identificere, hvilke gener der udtrykkes på forskellige tidspunkter i sæsonerne, vi kan isolere dem, der er mest aktive, når temperaturerne er de koldeste, og finde de gener, der er ansvarlige for superafkøling. "

Planter, der overvintrer over jorden, har knopper for at beskytte blomsterpriorden og vegetative dyrkningstip. Den nuværende forståelse er, at når der dannes is i ekstracellulære rum, vand forlader cellen indtil et punkt, hvor der ikke kan gå tabt mere for cellen at overleve. På det tidspunkt begynder superkølingsprocessen.

Nu, Cornell -forskere går sammen med fysikere om at visualisere superkøling. Ved hjælp af de højenergiske parallelle røntgenstråler fremstillet ved CHESS, Kovaleski afbilder drueknopper ved at drage fordel af, hvordan røntgenstråler spredes, når de passerer gennem varierende vævstætheder inden i knoppen. Spredningen giver anledning til fasekontrastbilleder, hvorfra Kovaleski konstruerer digitale billeder, der giver ham mulighed for at visualisere, hvordan vandet skifter. Når det kombineres med genetiske sekventeringsdata, Kovaleski kan skabe et robust portræt af, hvordan knopper reagerer ved de koldeste temperaturer.

Forfølgelsen er ikke triviel. Vinterfrysning har været kendt for at decimere drueafgrøder, såsom en kold eksplosion i 2014, der udslettede omkring halvdelen af ​​mange vinfremstillingsvarianter i New York, tvinger avlere til at købe druer uden for staten. Subzero kolde snaps hærger rutinemæssigt vinmarker i hele det nordøstlige, såsom "julemassakren" i 1980. I Finger Lakes -regionen, dybe søer, der typisk forbliver frosne om vinteren, hjælper med at opretholde lidt varmere temperaturer på skråningerne omkring søerne, åbner disse områder for druedyrkning. Men selv disse beskyttede regioner er tilbøjelige til ødelæggende frysninger.

En uddybning af den videnskabelige forståelse af superkøling giver druedyrkere mulighed for at vælge de bedste avlslinjer. Ved at arbejde med sin rådgiver og Cornell drueopdrætter Bruce Reisch, Kovaleski identificerer gener, der er ansvarlige for koldhardhed. Dataene giver Reisch og andre opdrættere oplysningerne til at vælge personer med evnen til at overleve koldere temperaturer, samtidig med at de smag og voksende kvaliteter, der kræves af forbrugere og vingårdsejere, bevares.

"For en egenskab så kompleks som overlevelse ved lav temperatur, der er sandsynligvis ikke et enkelt gen, der vil give kuldetolerance til frøplanter i avlsprogrammet. Men jo mere vi forstår kompleksiteten af ​​det genetiske system, de bedre opdrættere vil kunne forbedre kulde tolerance, sagde Reisch, professor i havebrugssektionen på School of Integrative Plant Science og forskningsleder for Cornell-Geneva Grapevine Breeding and Genetics Program. "Al's arbejde bringer tiltrængt klarhed til dette forskningsområde, med potentiel anvendelse på en lang række flerårige afgrøder. "

Ifølge Kovaleski, ferskner og andre frugttræer, som superkøler for at overleve vinteren, kunne have gavn af denne grundlæggende videnskab. Hvis de samme gener på arbejdet i knopper også er aktive i grønne væv, de genetiske data kan også reducere risikoen for forårsfrost.

"Ved at forstå generne, der styrer kuldebestandighed hos druer, det er muligt, at vi kan reducere risikoen for vinterdrab og beskytte frugtafgrøder, der er afgørende for den nordøstlige økonomi, "Sagde Kovaleski.