Лекция 29 -30 Устойчивость к температурным воздействиям 1

Лекция 29 -30 Устойчивость к температурным воздействиям 1. Действие низких положительных температур и холодостойкость растений. 2. Действие отрицательных температур и морозоустойчивость растений. 3. Действие высоких температур и жароустойчивость растений.

Устойчивость растений к низким температурам холодостойкость морозоустойчивость способность выживать в способность Различие значений температуры растений условиях низких переносить температуру (положительные и отрицательные)о положительных влечет за собой ниже 0 С; температур способность выживать качественно отличающиеся механизмы устойчивости при заморозках

Холодостойкость n n n У теплолюбивых растений при низких положительных температурах: потеря тургора клетками надземной части (нарушается доставка воды) - уменьшение содержания внутриклеточной воды усиление распада белков - накопление в тканях растворимых форм азота. изменяется функциональная активность мембран из-за перехода липидов из жидкокристаллического состояния в состояние геля. изменение состояния мембран при низкой температуре в значительной мере связано с потерей Са 2+

Схема влияния низких температур на мембраны в зависимости от силы воздействия

n n n Основная причина повреждающего действия низких положительных температур на теплолюбивые растения нарушение функционирования клеточных мембран из-за их «затвердевания» , связанного с фазовыми переходами жирных кислот (при достаточно низких температурах липидные бислои ведут себя, как твердые тела) Затвердевание или «плавление» мембранных липидов зависит от состава содержащихся в них жирных кислот. Для насыщенных жирных кислот с длинной цепью характерны более высокие температуры фазовых переходов: насыщенные жирные кислоты из жидкокристалического состояния переходят в состояние геля раньше, чем ненасыщенные. Чем больше в мембране насыщенных жирных кислот, тем она жестче, т. е. менее лабильна, и тем чаще в ней возникают разрушения (фазовые переходы в мембране индуцируются не только изменениями температуры: могут быть вызваны сдвигами р. Н и мембранного потенциала, двухвалентными катионами и гормонами).

n Наиболее холодоустойчивы n яровые пшеница, ячмень, овес. Теплолюбивые растения, погибающие при температуре ниже +10 о. С: фасоль, сорго, клещевина, арахис, рис, арбуз, дыня, тыква, огурцы, кабачки, перец Переносят температуры +5 о. С и ниже: картофель, томаты, гречиха, просо, кукуруза, соя n Различная реакция устойчивых и неустойчивых растений n У холодостойких растений n n n n на низкие температуры - различия в составе жирных кислот, входящих в состав мембранных фосфолипидов содержание ненасыщенных жирных кислот (линоленовая и линолевая) гораздо выше, чем у растений, чувствительных к холоду. Увеличение количества ненасыщенных жирных кислот в составе мембран (десатуразы) приводит к снижению температуры фазового перехода мембранных липидов. У чувствительных к холоду растений в составе мембранных липидов велико содержание насыщенных жирных кислот (пальмитиновой, стеариновой). Мембраны такого типа стремятся к затвердеванию уже при низких положительных температурах - становятся менее текучими - нарушает функционирование многих белков-каналоформеров, переносчиков, рецепторов, ферментов

n n n В ходе холодового воздействия синтезируются стрессовые белки холодового шока. 3 -х часовая гипотермия (+3 о. С) индуцирует в проростках озимой пшеницы синтез большого набора стрессовых низкомолекулярных и гидрофильных белков. К протекторным белкам относятся и десатуразы.

n Способы повышения холодостойкости растений n внесение калийных удобрений предпосевное закаливанием семян: наклюнувшиеся семена теплолюбивых культур (огурцы, томаты, дыня и др. ), а затем и рассаду в течение нескольких суток выдерживают в чередующихся через 12 часов условиях низких (1 -5 о) и более высоких (10 -20 о) температур замачивание семян в 0, 25 % растворах микроэлементов или нитрата аммония обработка растений экзогенными фитогормонами АБК и ЦК n В процессе закаливания изменяется n n n гормональный баланс растения, ростовые процессы затормаживаются, возрастает количество ненасыщенных жирных кислот, включаются механизмы защиты клеток от обезвоживания и замерзания

Морозоустойчивость n Основными причинами гибели клеток растений при отрицательных температурах: Наиболее чувствительны к морозу 1) обезвоживание возникает из-за оттягивания воды из клеток образующимися в n корни, корневища, клубни и луковицы (повреждаются межклетниках кристаллами льда при температуре ниже – 10 – – 15°С) дегидратация n 2) повреждение клеточных структур из-за n n n Наиболее устойчивы к морозу механического сжатия льдом денатурация белков Видимые признаки при длительном действии мороза кристаллы повреждения от замерзания: льда вырастают до покоящиеся почки древесных растений (способны нарушение значительных размеров и, помимо сжатия клеток, могут повреждать выдерживать морозы до – 25 – – 30 Потеря тургора °С) функционирования плазмалемму мембран 0 С - лед в протопласте (микронуклеусы); быстрое понижение t Инфильтрация воды в деформация медленное замораживание – лед в межклетниках и сосудах клеток межклетники На первых этапах замерзания сильных повреждений растительных клеток не наблюдается - вначале кристаллы Феофитинизация в льда формируются Хл межклетниках и сосудах ксилемы. n Отмирание верхушечной и Заморозки длятся долго - вода переходит из цитоплазмы в апопласт, боковых почек клетки обезвоживаются, кристаллы льда растут, и повреждают их.

n n Для предотвращения замерзания функционирует система антифризов – различные белки, углеводы и гликопротеины Понижение температуры Синтез (прежде всего, в эпидермисе и клетках, окружающих межклеточные полости) криопротекторов (предотвращают или резко замедляют рост кристаллов льда) гидрофильные белки моно- и олигосахариды способны связывать значительные количества воды связанная вода уже не замерзает и не транспортируется белки углеводы способны стабилизировать другие белки и клеточные мембраны при дегидратации клеток, инициированной низкими температурами

n n Роль АБК в адаптации растений к низким температурам Устойчивость многих растений к заморозкам может быть повышена не только закаливанием, но также обработкой их АБК. Мутанты арабидопсиса, нечувствительные к АБК (abi 1) или с нарушенным синтезом АБК (аbа 1), не могут приспособиться к заморозкам и не закаливаются. Активность многих генов и белков, которые экспрессируются при низкой температуре или водном дефиците, может быть индуцирована обработкой АБК белки, появляющиеся при охлаждении тканей, имеют высокую степень гомологии с семейством белков n n n RAB/LEA/DHN (responsive to ABA, late embryo abudant and dehydrin), синтезируются при обработке растений АБК, созревании семян и водном дефиците) очень гидрофильны и обладают необычным свойством: сохраняют свою структуру при резких колебаниях температуры. Продуктами генов LЕА являются гидрофильные белки, способные очень прочно удерживать воду - именно эта группа белков обеспечивает защиту клетки при обезвоживании и заморозках, стабилизируя другие белки и клеточные мембраны.

n n У морозоустойчивых растений повышено содержание ненасыщенных жирных кислот в клеточных мембранах - фазовый переход липидов мембран из жидкокристаллического состояния в гель происходит при отрицательных температурах усиливается гидролиз крахмала и накопление в цитоплазме растворимых cахаров (озимая пшеница - функцию криопротектора выполняет сахароза; в качестве антифризов: рафиноза, фруктозиды, сорбит или маннит - накапливаются в клеточных стенках растений и таким образом предотвращают образование кристаллов льда) активируется синтез криопротекторов – гидрофильных белков, моно- и олигосахаров (вода, входящая в состав гидратных оболочек этих веществ, не замерзает и не выходит из клеток); полимеров-криопротекторов - гемицеллюлоз, выделяемых в клеточную стенку (обволакивают кристаллы льда и тормозят их рост)

Жароустойчивость Тепловой стресс n n n n При высоких температурах способны выживать нерастущие клетки или ткани обезвоженные клетки или ткани (семена и пыльца) Активно вегетирующие ткани редко выживают при температурах более +45 °С Сухие семена и пыльца некоторых видов могут выдерживать температуру +120 и +70° С соответственно. Суккуленты - характерен САМ-тип углеродного метаболизма (устьица днем закрыты - не могут регулировать температуру за счет транспирации, но способны выдерживать перегрев до +60–+65 °С) Тепловой стресс представляет потенциальную угрозу при выращивании растений в теплице, где в условиях высокой влажности и неподвижного воздуха плохо функционирует система естественного охлаждения растений путем транспирации.

n Причина теплового шока при высоких температурах n потеря воды растительными тканями n При перегреве повреждаются n n n n белки мембраны Повышается степень ненасыщенности жирных кислот, входящих в состав мембранных липидов, и их текучесть. Снижается способность к образованию водородных и ионных связей между полярными группами биополимеров. Происходит нарушение системы слабых взаимодействий, обеспечивающих поддержание пространственной структуры в белковых молекулах и мембранных липидах. Интегральные мембранные белки стремятся целиком перейти в гидрофобную фазу мембраны, что сказывается на процессах мембранного транспорта, рецепции, энергетике. В результате нарушения третичной структуры элементов ЭТЦ хлоропластов и митохондрий угнетаются процессы фотосинтеза и дыхания. Наиболее чувствителен к высоким температурам процесс фотосинтеза.

n При действии высоких температур n индуцируется синтез n один из основных элементов адаптации Впервые выявлены у дрозофилы, позже идентифицированы у животных (включая человека), микроорганизмов и растений. стрессовых белков теплового шока (БТШ) –

Быстрый нагрев клеток или проростков растений до температуры 40 °С – подавление синтеза большинства белков и м. РНК активация синтеза около 30– 50 БТШ Новые транскрипты БТШ соответствующие м. РНК, обнаруживаются уже через 3– 5 мин после воздействия высоких температур (образование наблюдается также в естественных условиях при постепенном повышении температуры) Индукция синтеза белков теплового шока (БТШ) ТШ - тепловой шок, ТФ - трансфактор генов БТШ, РЭ - регуляторный элемент генов БТШ, включающий их экспрессию при ТШ; спирали - БТШ.

БТШ подразделяют на 5 семейств в соответствии с их молекулярными массами. n БТШ-100 БТШ-90 БТШ-70 БТШ-60 Низкомолекулярные БТШ n

n n Некоторые БТШ не имеют отношения к тепловому шоку, а инициируются другими типами стрессовых воздействий (засухой, низкими температурами, механическими повреждениями, засолением) и обработкой АБК. Клетки, подвергшиеся воздействию одного вида стресса, приобретают устойчивость (через образование БТШ) к другим повреждающим факторам, т. е. происходит кросс-адаптация.

Различные стрессоры, вызывающие водный дефицит

Влияние дефицита воды и засухоустойчивость 1. Водный дефицит и засухоустойчивость растений. 2. Совместное действие на растение недостатка влаги и высокой температуры. 3. Особенности устойчивости у мезофитов и ксерофитов.

Во время неблагоприятное сочетание Засуха – засухи наряду с обезвоживанием происходит перегревусловий, при которых метеорологических растений - засуха является наиболее жестким стрессовым воздействием растения испытывают водный дефицит Засуха атмосферная при недостаточной влажности (10 -20%) и высокой t 0 C воздуха; м. б. вызвана суховеем (сухим и горячим ветром); продолжительная – приводит к почвенной почвенная длительное отсутствие дождей испарение воды с поверхности почвы и интенсивная транспирация сильные ветры при пониженной влажности воздуха – обезвоживание корнеобитаемого слоя почвы мерзлотная в условиях низких температур и низкой влажности почвы и воздуха

Классификация растений по их устойчивости к засухе Растения по способности переносить условия засухи Гомойогидрические способны активно регулировать водный обмен тонкие механизмы регуляции устьичной и кутикулярной транспирации мощная корневая система (обеспечивает поставку воды) Пойкилогидрические водный обмен определяется содержанием воды в окружающей среде при засухе пассивно теряют воду

Растения ксерофиты растения сухих местообитаний: полупустынь, саванн, степей –воды в почве мало, воздух сухой и горячий имеют мощную кутикулу на поверхности листьев и хорошо развитую корневую систему; хорошо прспособлены к атм. и почв. засухе гигрофиты наземные растения, находящиеся обычно в условиях избыточной влажности; плохо переносят почв. и атм. засуху обитатели тропичесих лесов тенистых лесов мезофиты обитатели мест с умеренным содержанием воды ; по способности регулировать водный режим – промеж. положение между ксеро- и гигрофитами; тонкие механизмы устьичной и кутикулярной транспирации гидрофиты обитают в водной среде водные растения с листьями, частично или полностью погруженными в воду или плавающими рис

Ксерофиты

Пути приспособления растений к засухе Уход от воздействия Избегание высыхания (суккуленты) Избегание периода засухи (эфемеры) Толерантность к воздействию Снижение интенсивности обмена веществ (пойкилоксерофиты) Метаболические перестройки (эуксерофиты)

Эволюционные адаптации ксерофитов n n n передаются по наследству, постоянны, проявляются на уровне целого организма поддержание оводненности тканей, необходимой для нормальной жизнедеятельности (запасание воды в стеблях, листьях, корнях; экономное расходование воды за счет низкой транспирации) развитие приспособлений для нормального функционирования в условиях дефицита воды в организме (С 4 -и САМ -пути фотосинтеза) эффективное восстановление (репарация) клеточных структур и функций после сильного обезвоживания быстрое завершение онтогенеза в период достаточного обеспечения водой, до наступления засушливого периода

Анатомические приспособления к недостатку воды n n n редукция листьев опушенность толстая кутикула заглубление устьиц в ткани листа ксероморфная структура Явление ксероморфизации верхних листьев (анатомическая структура листьев различных ярусов зависит от уровня водоснабжения) – закон В. Р. Заленского (1904). Мезофиты могут приспосабливаться к временной засухе - у них выявляются признаки ксерофитов: верхние листья, которые хуже снабжаются водой - отличаются мелкоклеточностью у них большое количество мелких устьиц на единицу поверхности устьица дольше остаются открытыми (фотосинтез поддерживается на высоком уровне, образуется значительное количество ассимилятов- способствует увеличению концентрации клеточного сока и оттягиванию воды от ниже расположенных листьев) сеть проводящих пучков гуще палисадная паренхима развита лучше

Онтогенетичесике адаптации мезофитов n n n n генетически детерминированы, отсутствуют в условиях нормального увлажнения, образуются в ответ на действие стрессора сокращение потерь воды за счет торможения увеличения листовой поверхности (ингибирование растяжения и деления клеток) уменьшение площади листовой поверхности (сбрасывание листьев) стимуляция роста корневой системы закрытие устьиц ( синтез АБК - одна из самых ранних реакций растительных организмов на водный дефицит - закрывание устьиц - снижение потери воды при транспирации) повышение эффективности использования воды (переключение С 3 -типа фотосинтеза на САМ-тип – 12 -14 дней) аккумуляция низкомолекулярных осмотически активных соединений

Структура основных осмофильных соединений n n n Осморегулирующие вещества: различные моно- и олигосахариды аминокислоты (в первую очередь пролин) производные аминокислот – бетаины многоатомные спирты

n свободный пролин n стрессовый метаболит содержание сильно возрастает при засухе – связывают с распадом хлорофилла, белков. установлена связь пролина и АБК – АБК увеличивает содержание пролина образуется из органических кислот — интермедиатов дыхания, и азота нитратов, которые особенно интенсивно накапливаются в сосудистых пучках и эпидермисе синтезируется из глутамина n бетаин — из аминоспирта холина, n n n входящего в состав фосфолипидов Содержание этих предшественников увеличивается в стрессовых условиях в связи с активацией гидролитических процессов и распадом белков и липидов.

Молекулярные механизмы адаптации n n n активация регулируемых водным дефицитом генов, кодирующих синтез различных белков: Функциональные белки - способствуют повышению устойчивости к засухе (многочисленные гидролазы, в т. ч. ферменты протеолиза; протеазы и их ингибиторы; компоненты убиквитиновой системы; ферменты биосинтеза осмотиков) Регуляторные белки - участвуют в экспрессии генов и сигнальной трансдукции (транс-факторы) Защитные белки (шапероны – защита макромолекул от сильного обезвоживания – LEA-удерживают воду, связывают ионы, заменяют молекулы воды вблизи мембран) аквапоринов осмотина

Протекторные функции белков, индуцируемых водным дефицитом Образующиеся белки поддерживают метаболизм и физиологические процессы в период потери клеткой воды и последующего восстановления оводненности в ходе осморегуляторного процесса

Засухоустойчивость n n n n Засухоустойчивые способность в течение онтогенеза переносить засуху и осуществлять в этих условиях рост и растения – развитие благодаря наличию приспособительных свойств при водном Большинство культурных растений – дефиците меньше мезофиты: бóльшая (кукуруза, фасоль, сорго, просо, морковь) изменяется меньшая (горох, томаты, огурец) засухоустойчивость проницаемость световые (лучше освещены) листья – водный потенциал всегда мембран; ниже - более ксероморфное строение в отличие от теневых не закрывают так (хуже освещенных) быстро устьица – верхние листья-ксероморфная структура перенесение молодые листья благодаря притоку ассимилятов более сильного засухоустойчивы, чем закончившие рост обезвоживания с наиболее чувствительные фазы развития растений: наименьшим заложение цветков, формирование соцветий, интенсивный рост околоплодника и семян снижением урожая

Повышение устойчивости к засухе n n n Закалке, или акклимации к осмотическому стрессу, способствует обработка защитными веществами (сахарами, АТФ, пролином), гормонами (цитокинином) калием закалке к засухе способствует предпосевное намачивание и высушивание семян -полученные из таких семян растения отличаются ксероморфной структурой и повышенной засухоустойчивостью у закаленных растений сохраняется способность к синтезу белка при частичном обезвоживании