Månader innan norra vingårdar brister ut i sin frodiga sommartopp, de känsliga druvknopparna som håller den begynnande frukten i sin lilla kärna måste först stå emot vinterns iskalla angrepp.

Att förstå hur druvknoppar reagerar på minusgrader är av största vikt för vingårdschefer i New York och andra druvproducerande delstater i norr. Några av de mer populära sorterna som används inom vin- och juiceindustrin kan överleva temperaturer långt under vattnets fryspunkt. Genom en process som kallas underkylning, cellulära mekanismer i knoppen håller vattnet i flytande tillstånd ner till runt minus 4 till minus 30 grader Fahrenheit, beroende på art. Bortom en viss lågtemperaturtröskel, is bildas inuti cellerna, cellulära funktioner upphör och knoppen dör.

Trädgårdsodlare har länge förlitat sig på traditionella metoder för att studera frysning i växter. Nu använder en forskare vid College of Agriculture and Life Sciences kraftfull teknik på campus för att på nya sätt utforska den cellulära mekaniken som tillåter druvknoppar att överleva brutal kyla. Forskningen har implikationer för vingårdsekonomi, särskilt som klimatförändringarna öppnar mer nordliga mark för odling och nuvarande växande regioner upplever mer extremt väder.

Al Kovaleski, doktorand inom trädgårdsområdet, använder Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) för att skapa 3D-bilder av druvknoppar. Bilderna som produceras på CHESS ger ett unikt perspektiv när Kovaleski avslöjar den genetiska grunden för underkylning i druvknoppar.

Underkylning är en dynamisk process:Olika delar i knoppen fryser vid olika temperaturer, och dessa nivåer och platser ändras baserat på säsong. När säsongstemperaturerna sjunker, druvknoppen reagerar genom att uttrycka gener för köldresistens när cellerna samlar resurser för att överleva.

"Regioner inom knoppen har olika beteenden relaterade till kallt motstånd. Vi vet att det måste finnas en genetisk kontroll av vad som händer när knoppen svarar på frysande temperaturer, " sade Kovaleski. "Genom att identifiera vilka gener som uttrycks vid olika tidpunkter under årstiderna, vi kan isolera de som är mest aktiva när temperaturen är som kallast och lokalisera generna som ansvarar för underkylning."

Växter som övervintrar över marken har knoppar för att skydda blommans primordia och vegetativa växttips. Den nuvarande uppfattningen är att när is bildas i extracellulära utrymmen, vatten lämnar cellen till en punkt där det inte går att förlora mer för att cellen ska överleva. Vid den tidpunkten börjar underkylningsprocessen.

Nu, Cornell-forskare samarbetar med fysiker för att visualisera underkylning. Genom att använda de parallella högenergistrålarna som produceras vid CHESS, Kovaleski avbildar druvknoppar genom att dra fördel av hur röntgenstrålar sprids när de passerar genom olika vävnadstätheter i knoppen. Spridningen ger upphov till faskontrastbilder, varifrån Kovaleski konstruerar digitala bilder som gör att han kan visualisera hur vattnet skiftar. När de kombineras med genetiska sekvenseringsdata, Kovaleski kan skapa ett robust porträtt av hur knoppar reagerar vid de kallaste temperaturerna.

Jakten är inte trivial. Vinterfrysningar har varit kända för att decimera druvskördar, som en kall explosion 2014 som utplånade ungefär hälften av många vinframställningsvarianter i New York, tvingar odlare att köpa druvor från utanför staten. Minusgrader härjar rutinmässigt vingårdar över nordost, som "julmassakern" 1980. I Finger Lakes-regionen, djupa sjöar som vanligtvis inte är frusna under vintern hjälper till att hålla temperaturen något varmare på sluttningarna runt sjöarna, öppna dessa områden för druvodling. Men även dessa skyddade regioner är utsatta för förödande frysningar.

En fördjupning av den vetenskapliga förståelsen av underkylning ger druvuppfödare insikter för att välja de bästa avelslinjerna. Genom att arbeta med sin rådgivare och Cornell druvuppfödare Bruce Reisch, Kovaleski identifierar gener som är ansvariga för kall härdighet. Uppgifterna ger Reisch och andra uppfödare informationen för att välja ut individer med förmågan att överleva kallare temperaturer samtidigt som de behåller smaken och odlingsegenskaperna som efterfrågas av konsumenter och vingårdsägare.

"För en egenskap så komplex som lågtemperaturöverlevnad, Det är sannolikt inte att det finns en enda gen som kommer att ge köldtolerans till plantor i avelsprogrammet. Men ju mer vi förstår komplexiteten i det genetiska systemet, desto bättre uppfödare kommer att kunna förbättra kyltoleransen, sa Reisch, professor i trädgårdssektionen vid School of Integrative Plant Science och forskningsledare för Cornell-Geneva Grapevine Breeding and Genetics Program. "Als arbete ger välbehövlig klarhet till detta forskningsfält, med potentiell tillämpbarhet på ett brett spektrum av fleråriga grödor."

Enligt Kovaleski, persikor och andra fruktträd som är supercool för att överleva vintern skulle kunna dra nytta av denna grundläggande vetenskap. Om samma gener som verkar i knoppar också är aktiva i gröna vävnader, genetiska data kan också minska risken för vårfrost.

"Genom att förstå generna som styr kallt motstånd hos druvor, det är möjligt att vi kan minska risken för vinterdöd och skydda fruktgrödor som är avgörande för den nordöstra ekonomin, " sa Kovaleski.