Meses antes dos vinhedos do norte estourarem em seu exuberante pico de verão, os delicados botões de uva que seguram a fruta nascente em seu minúsculo núcleo devem primeiro resistir ao ataque congelante do inverno.

Entender como os botões das uvas respondem a temperaturas abaixo de zero é uma preocupação primordial para os administradores de vinhedos em Nova York e em outros estados produtores de uvas do norte. Algumas das variedades mais populares usadas nas indústrias de vinho e suco podem sobreviver a temperaturas muito abaixo do ponto de congelamento da água. Por um processo conhecido como superresfriamento, mecanismos celulares dentro do botão mantêm a água em estado líquido até cerca de menos 4 a menos 30 graus Fahrenheit, dependendo da espécie. Além de um certo limite de baixa temperatura, gelo se forma dentro das células, as funções celulares cessam e o botão morre.

Os horticultores há muito confiam nos métodos tradicionais para estudar o congelamento de plantas. Agora, um pesquisador da Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida está usando tecnologias poderosas no campus para explorar de novas maneiras a mecânica celular que permite que os botões de uva sobrevivam ao frio brutal. A pesquisa tem implicações para a economia do vinhedo, especialmente porque a mudança climática abre mais terras ao norte para o cultivo e as regiões de cultivo atuais experimentam condições climáticas mais extremas.

Al Kovaleski, um estudante de doutorado na área de horticultura, está usando a fonte síncrotron de alta energia Cornell (CHESS) para criar imagens 3-D de botões de uva. As imagens produzidas no CHESS fornecem uma perspectiva única enquanto Kovaleski desvenda os fundamentos genéticos do super-resfriamento em botões de uva.

O super-resfriamento é um processo dinâmico:diferentes partes dentro do botão congelam em diferentes temperaturas, e esses níveis e locais mudam com base na temporada. Quando as temperaturas sazonais despencam, o botão da uva responde expressando genes de resistência ao frio à medida que as células organizam recursos para sobreviver.

"As regiões dentro do botão têm comportamentos diferentes relacionados à resistência ao frio. Sabemos que deve haver um controle genético do que está acontecendo quando o botão responde às temperaturas de congelamento, "Kovaleski disse." Ao identificar quais genes são expressos em vários momentos das estações, podemos isolar aqueles que são mais ativos quando as temperaturas são mais baixas e identificar os genes responsáveis ​​pelo super-resfriamento. "

As plantas que hibernam acima do solo têm botões para proteger os primórdios das flores e as pontas do crescimento vegetativo. O entendimento atual é que, à medida que o gelo se forma nos espaços extracelulares, a água sai da célula até um ponto em que não se pode perder mais nada para a célula sobreviver. Nesse ponto, o processo de super-resfriamento começa.

Agora, Os pesquisadores da Cornell estão se unindo aos físicos para visualizar o super-resfriamento. Usando os feixes de raios-X paralelos de alta energia produzidos no CHESS, Kovaleski está fazendo imagens de botões de uva tirando vantagem de como os raios X se espalham ao passar por diferentes densidades de tecido dentro do botão. A dispersão dá origem a imagens de contraste de fase, a partir do qual Kovaleski constrói imagens digitais que lhe permitem visualizar como a água se desloca. Quando combinado com dados de sequenciamento genético, Kovaleski pode criar um retrato robusto de como os botões reagem às temperaturas mais frias.

A busca não é trivial. Sabe-se que os congelamentos de inverno dizimam as plantações de uvas, como uma onda de frio em 2014 que destruiu cerca de metade de muitas variedades de vinificação em Nova York, obrigando os produtores a comprar uvas de fora do estado. Ondas de frio abaixo de zero costumam devastar vinhedos em todo o Nordeste, como o "massacre de Natal" de 1980. Na região de Finger Lakes, lagos profundos que normalmente permanecem descongelados durante o inverno ajudam a manter as temperaturas um pouco mais quentes nas encostas ao redor dos lagos, abrindo essas áreas para o cultivo da uva. Mas mesmo essas regiões protegidas estão sujeitas a congelamentos devastadores.

Aprofundar a compreensão científica do super-resfriamento fornece aos criadores de uvas insights para selecionar as melhores linhagens. Ao trabalhar com seu conselheiro e criador de uvas Cornell, Bruce Reisch, Kovaleski está identificando genes responsáveis ​​pela resistência ao frio. Os dados fornecem ao Reisch e a outros criadores as informações para selecionar indivíduos com a capacidade de sobreviver a temperaturas mais frias, mantendo o sabor e as qualidades de cultivo exigidas pelos consumidores e proprietários de vinhedos.

"Para uma característica tão complexa como a sobrevivência em baixa temperatura, não é provável que haja um único gene que proporcione tolerância ao frio para mudas no programa de melhoramento. Mas quanto mais entendemos as complexidades do sistema genético, os melhores criadores serão capazes de melhorar a tolerância ao frio, "disse Reisch, professor na Seção de Horticultura da School of Integrative Plant Science e líder de pesquisa do Programa de Melhoramento e Genética de Videira Cornell-Genebra. "O trabalho de Al está trazendo a clareza necessária para este campo de pesquisa, com potencial aplicabilidade a uma ampla gama de culturas perenes. "

De acordo com Kovaleski, pêssegos e outras árvores frutíferas que superresfriam para sobreviver ao inverno poderiam se beneficiar dessa ciência fundamental. Se os mesmos genes que atuam nos botões também estão ativos nos tecidos verdes, os dados genéticos também podem reduzir o risco de geadas na primavera.

"Ao compreender os genes que governam a resistência ao frio nas uvas, é possível que possamos reduzir o risco de morte no inverno e proteger as safras de frutas cruciais para a economia do Nordeste, "Kovaleski disse.