Al Kovaleski, un doctorant dans le domaine de l'horticulture, visite la cave Anthony Road à Penn Yan, New York. Crédit :Chris Kitchen/University Photography
Des mois avant que les vignobles du nord n'explosent dans leur apogée estivale luxuriante, les délicats bourgeons du raisin qui contiennent le fruit naissant dans son noyau minuscule doivent d'abord résister aux assauts glacials de l'hiver.
Comprendre comment les bourgeons de raisin réagissent à des températures inférieures à zéro est une préoccupation primordiale pour les gestionnaires de vignobles de New York et d'autres États producteurs de raisin du nord. Certaines des variétés les plus populaires utilisées dans les industries du vin et des jus peuvent survivre à des températures bien inférieures au point de congélation de l'eau. Par un processus connu sous le nom de surfusion, les mécanismes cellulaires dans le bourgeon maintiennent l'eau à l'état liquide jusqu'à environ moins 4 à moins 30 degrés Fahrenheit, selon les espèces. Au-delà d'un certain seuil de basse température, de la glace se forme à l'intérieur des cellules, les fonctions cellulaires cessent et le bourgeon meurt.
Les horticulteurs se sont longtemps appuyés sur des méthodes traditionnelles pour étudier la congélation des plantes. Aujourd'hui, un chercheur du Collège d'agriculture et des sciences de la vie utilise des technologies puissantes sur le campus pour explorer de nouvelles façons la mécanique cellulaire qui permet aux bourgeons de raisin de survivre au froid brutal. La recherche a des implications pour l'économie du vignoble, d'autant plus que le changement climatique ouvre des terres plus au nord pour la culture et que les régions de culture actuelles connaissent des conditions météorologiques plus extrêmes.
Al Kovaleski, un doctorant dans le domaine de l'horticulture, utilise la source synchrotron à haute énergie de Cornell (CHESS) pour créer des images 3D de bourgeons de raisin. Les images produites à CHESS offrent une perspective unique alors que Kovaleski dévoile les fondements génétiques de la surfusion dans les bourgeons de raisin.
La surfusion est un processus dynamique :différentes parties du bourgeon gèlent à différentes températures, et ces niveaux et emplacements changent en fonction de la saison. Lorsque les températures saisonnières chutent, le bourgeon de raisin réagit en exprimant des gènes de résistance au froid alors que les cellules rassemblent des ressources pour survivre.
"Les régions au sein du bourgeon ont des comportements différents liés à la résistance au froid. Nous savons qu'il doit y avoir un contrôle génétique de ce qui se passe lorsque le bourgeon répond aux températures glaciales, " a déclaré Kovaleski. " En identifiant quels gènes sont exprimés à différents moments au cours des saisons, nous pouvons isoler ceux qui sont les plus actifs lorsque les températures sont les plus froides et identifier les gènes responsables de la surfusion."
Al Kovaleski inspecte les vignes à Anthony Road Winery. Crédit :Chris Kitchen/University Photography
Les plantes qui hivernent au-dessus du sol ont des bourgeons pour protéger les primordiums floraux et les pointes de croissance végétative. La compréhension actuelle est que lorsque la glace se forme dans les espaces extracellulaires, l'eau quitte la cellule jusqu'à un point où plus rien ne peut être perdu pour que la cellule survive. À ce stade, le processus de surfusion commence.
Maintenant, Les chercheurs de Cornell font équipe avec des physiciens pour visualiser la surfusion. En utilisant les faisceaux parallèles de rayons X à haute énergie produits au CHESS, Kovaleski image les bourgeons de raisin en tirant parti de la diffusion des rayons X lorsqu'ils traversent différentes densités de tissus à l'intérieur du bourgeon. La diffusion donne lieu à des images en contraste de phase, à partir de laquelle Kovaleski construit des images numériques qui lui permettent de visualiser comment l'eau se déplace. Lorsqu'il est combiné avec des données de séquençage génétique, Kovaleski peut créer un portrait robuste de la réaction des têtes aux températures les plus froides.
La poursuite n'est pas anodine. On sait que les gelées hivernales déciment les récoltes de raisin, comme une explosion de froid en 2014 qui a anéanti environ la moitié de nombreuses variétés de vin à New York, obligeant les producteurs à acheter des raisins à l'extérieur de l'État. Des vagues de froid sous zéro ravagent régulièrement les vignobles du nord-est, comme le « massacre de Noël » de 1980. Dans la région des Finger Lakes, les lacs profonds qui restent généralement non gelés pendant l'hiver aident à maintenir des températures légèrement plus chaudes sur les pentes autour des lacs, l'ouverture de ces zones à la viticulture. Mais même ces régions protégées sont sujettes à des gels dévastateurs.
L'approfondissement de la compréhension scientifique de la surfusion fournit aux éleveurs de raisins des informations pour sélectionner les meilleures lignées de sélection. En travaillant avec son conseiller et sélectionneur de raisin Cornell Bruce Reisch, Kovaleski identifie les gènes responsables de la résistance au froid. Les données donnent à Reisch et à d'autres éleveurs les informations nécessaires pour sélectionner des individus capables de survivre à des températures plus froides tout en conservant la saveur et les qualités de croissance exigées par les consommateurs et les propriétaires de vignobles.
"Pour un trait aussi complexe que la survie à basse température, il est peu probable qu'un seul gène confère une tolérance au froid aux semis dans le programme de sélection. Mais plus nous comprenons les complexités du système génétique, les meilleurs éleveurs pourront améliorer la tolérance au froid, " dit Reisch, professeur à la section d'horticulture de l'École des sciences végétales intégratives et responsable de la recherche du programme Cornell-Geneva Grapevine Breeding and Genetics. "Le travail d'Al apporte une clarté bien nécessaire à ce domaine de recherche, avec une applicabilité potentielle à un large éventail de cultures pérennes. »
Selon Kovaleski, les pêches et autres arbres fruitiers qui se refroidissent pour survivre à l'hiver pourraient bénéficier de cette science fondamentale. Si les mêmes gènes à l'œuvre dans les bourgeons sont également actifs dans les tissus verts, les données génétiques pourraient également réduire le risque de gelées printanières.
« En comprenant les gènes de résistance au froid du raisin, il est possible que nous puissions réduire le risque de mortalité hivernale et protéger les cultures fruitières cruciales pour l'économie du Nord-Est, ", a déclaré Kovaleski.
