Несколько месяцев до начала вегетации почки винограда (глазки) с зачатками соцветий должны противостоять сложным зимним погодным условиям и морозам.
Понимание того, как зимующие глазки на неукрывных виноградниках реагируют на отрицательные зимние температуры, имеет первостепенное значение для виноградарей в штате Нью-Йорк, США и других северных регионах и странах, где выращивают виноград. Некоторые из наиболее популярных сортов, используемых в винодельческой и перерабатывающей промышленности, могут выдержать температуры намного ниже точки замерзания воды. В процессе, называемом нами переохлаждением, клеточные механизмы в зимующем глазке поддерживают клеточную воду в незамерзшем состоянии до примерно от минус 4 до минус 30 градусов по Фаренгейту (прим.* - от минус 20 до минус 35 градусов по Цельсию), в зависимости от происхождения сорта. После определенного низкотемпературного порога вода в клетках превращается в лед, клеточные функции прекращаются и почка погибает.
Виноградари долгое время полагались на традиционные методы изучения замораживания клеточного сока в растениях (прим*. - основной метод – это промораживание черенков винограда в морозильной камере, который имеет больше недостатков, чем преимуществ). Теперь ученые в университетском городке College of Agriculture and Life Sciences используют мощные современные технологии, чтобы по-новому исследовать клеточную механику, позволяющую зимующим глазкам винограда переживать сильный холод. Данное исследование имеет большое значение для экономической эффективности виноградарства, особенно в связи с тем, что изменение климата позволяет выращивать виноград во всё более северных регионах, а традиционные регионы виноградарства в настоящий момент подвержены влиянию несвойственных экстремальных погодных условий.
Ал Ковалески (Al Kovaleski) , аспирант в области технологий выращивания сельскохозяйственных культур, использует Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) для создания трехмерных изображений виноградных почек. Образы, созданные в CHESS, представляют собой уникальную перспективу для дальнейших исследований, так как Ковалески раскрывает генетические основы переохлаждения в зимующих глазках винограда.
Переохлаждение - динамический процесс: различные части глазка замерзают при различных температурах, и эти уровни и местоположения изменяются в зависимости от сезона. Когда сезонные температуры падают, виноградная почка реагирует, используя гены холодостойкости, поскольку клетки мобилизуют ресурсы, чтобы выжить. «Различные части растения (в частности, глазка) имеют разные модели поведения, связанные с холодоустойчивостью. Мы уверены, что у растения должен быть генетический контроль над тем, что происходит, поскольку глазок всегда реагирует на замерзание температуры», - сказал Ковалески. «Определяя, какие гены более выражены в разное время в различные периоды вегетации, мы сможем выделить те, которые наиболее активны в период самых низких температур, и таким образом, точно определить гены, ответственные за сохранение жизнеспособности растения в момент переохлаждения». У растений, которые зимуют над землей (а это все кустарники, деревья, виноград и т.п.), почки выполняют роль кожуха для защиты зачатков соцветий и вегетативных побегов. Нынешнее понимание проблемы морозо- и зимостойкости состоит в том, что, когда во внеклеточных пространствах образуется лед, начинается зимнее иссушение, и вода уходит из почки до тех пор, пока не наступает критическое для выживания почки обезвоживание. В этот момент начинается процесс переохлаждения растения.
Теперь исследователи из Корнелла объединились с физиками для визуализации процесса переохлаждения. Используя высокоэнергетические параллельные рентгеновские лучи, произведенные в CHESS, Ковалески создает изображения виноградных почек, используя рассеивание рентгеновских лучей при прохождении через плотные ткани в почке. Рассеивание дает изображения фазового контраста, из которых Ковалески строит цифровые изображения, позволяющие ему визуализировать изменение содержания и состояния воды в клетках. В сочетании с данными о генетическом секвенировании (прим.* - определение аминокислотной или нуклеотидной последовательности ДНК и РНК) Ковалески может создать точную картину того, как глазки реагируют на самые низкие температуры.
Сложные зимние условия, резкие понижения и скачки температур, зимние оттепели и другие абиотические факторы не статичны и довольно хаотичны по своим проявлениям, что трудно предсказать и предусмотреть. Зимние морозы, как известно, уничтожают виноградники, как это случилось, например, в абсолютный зимний минимум 2014 года, уничтоживший около половины многих технических сортов в штате Нью-Йорк, вынудив производителей покупать виноград за пределами штата. Долго держащиеся температуры ниже нуля в сочетании с обледенением, резкие перепады температур в зимний период регулярно наносят ущерб виноградникам на северо-востоке США. Стоит вспомнить печально известную «Рождественскую бойню» в 1980 году (прим.* “Christmas massacre” - название стихийного бедствия, когда из-за аномального потепления в декабре у виноградных кустов началось сокодвижение, а потом произошел резкий скачок температуры воздуха от минус 2 до минус 29 градусов по Цельсию, - тогда погибли практически 100 % почек в неукрывной культуре и регион полностью остался без урожая). В районе Фингер Лэйкс (Finger Lakes) глубокие озера, которые обычно не замерзают в зимний период, помогают поддерживать несколько более высокую зимнюю температуру на склонах вокруг озер, делая эти районы для пригодными для неукрывного виноградарства. Но даже эти защищенные регионы подвержены разрушительным действиям мороза.
Углубление научного понимания процесса переохлаждения дает виноградарям возможность на генетическом уровне выбирать лучшие сортоклоны для дальнейшего размножения и возделывания. Работая со своим консультантом Брюсом Рейшем (Bruce Reisch) и виноделами Корнелл, Ковалески идентифицирует гены, ответственные за устойчивость к холоду. Эти данные дают Рейшу и другим производителям необходимую информацию, чтобы выбрать клоны, способные выдерживать более холодные температуры, сохраняя при этом урожайность и сортовые качества, требуемые потребителями продукции и владельцами виноградников.
«Для такого сложного свойства, как морозостойкость, вряд ли существует один только ген, ответственный за устойчивость сорта к сложным зимним условиям. Но чем больше мы будем понимать сложность и механизм генетической системы, тем лучше в будущем производители винограда смогут повысить устойчивость сортов к холоду», - сказал Рейш, профессор секции садоводства Школы интегративной науки о растениях и руководитель генетической программы исследовательской группы Cornell-Geneva Grapevine Breeding . «Работа Ала приносит столь необходимую ясность в эту область исследований, и имеет потенциальную возможность применить ее к широкому спектру многолетних сельскохозяйственных культур», - сказал он.
По словам Ковалески, садоводство (персики и другие фруктовые деревья, зимующие без укрытия на зиму) также может извлечь пользу из этих фундаментальных исследований. Если одни и те же гены, работающие в почках, также активны и в зеленых тканях растения (побегах), генетические данные помогут также снизить потери и от весенних заморозков. «Понимая генетическую составляющую, определяющую морозостойкость у винограда, возможно, мы сможем снизить риск вымерзания и защитить многолетние культуры, имеющие решающее значение для экономики северо-востока США», - сказал Ковалески.
Наряду с Рейшем, исследования Ковалески консультируют Роберт Торн (Robert Thorne), профессор кафедры физики и Джейсон Лондо (Jason Londo), научный генетик в отделе генетических исследований в сельском хозяйстве Департамента сельского хозяйства США.
