юрин физиология растений

Важная роль в адаптации растений к низким температурам принадлежит фитогормону АБК. Устойчивость многих растений к заморозкам может быть повышена не только закаливанием, но также обработкой их АБК. При воздействии низких положительных температур и (или) при уменьшении светового периода концентрация этого гормона в растительных тканях резко возрастает. Мутанты арабидопсиса, нечувствительные к АБК (abi 1) или с нарушенным синтезом АБК (àbà 1), не могут приспособиться к заморозкам, не закаливаются.

Активность многих генов и белков, которые экспрессируются при низкой температуре или водном дефиците, может быть индуцирована обработкой АБК. При изучении этих генов обнаружилось, что белки, появляющиеся при охлаждении тканей, имеют высокую степень гомологии с семейством белков RAB/ LEA/DHN, синтезируются при созревании семян, водном дефиците и обработке растений АБК. Они очень гидрофильны и обладают необычным свойством: сохраняют свою структуру при резких колебаниях температуры. Продуктами генов LÅÀ являются гидрофильные белки, способные очень прочно удерживать воду. Считается, что именно эта группа белков обеспечивает защиту клетки при обезвоживании и заморозках, стабилизируя другие белки и клеточные мембраны.

У морозостойких растений при действии низких температур усиливается гидролиз крахмала и накопление в цитоплазме растворимых сахаров. У озимых форм пшеницы и многих других видов растений функцию криопротектора выполняет сахароза, накапливающаяся в больших концентрациях. В качестве антифризов могут также выступать и другие растворимые сахара — раффиноза, фруктозиды, сорбит или маннит, которые накапливаются в клеточных стенках растений и таким образом предотвращают образование кристаллов льда.

Наиболее чувствительны к морозу корни, корневища, клубни и луковицы большинства растений, которые повреждаются при температуре ниже –10, –15 С. Покоящиеся почки древесных растений способны выдерживать морозы до –25, –30 С. У многолетних растений, устойчивых к заморозкам, в период подготовки к зиме в клубнях, луковицах и корневищах накапливаются запасные вещества, которые используются с началом вегетационного периода.

432

7.4. Гипертермия

При повышении температуры выше оптимальной, при которой физиологические процессы идут с максимальной скоростью, наблюдается снижение скорости физиологических процессов вплоть до остановки. Способность растений переносить действие высоких температур получила название жароустойчивости. Это генетически обусловленный признак. По жароустойчивости выделяют жаростойкие, жаровыносливые è нежаростойкие

растения.

Только несколько видов высших растений могут постоянно существовать при температуре выше 45 С. При высоких температурах способны выживать лишь нерастущие и обезвоженные клетки или ткани, например семена и пыльца. Активно вегетирующие ткани редко выживают при температурах более 45 С, сухие же семена и пыльца некоторых видов могут выдерживать температуру до 120 С. К высоким температурам хорошо приспособились некоторые суккуленты, для которых характерен САМ-тип углеродного метаболизма. Поскольку у этих растений устьица днем закрыты, они 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.

Изменения физиолого-биохимических показателей

Одной из основных причин теплового шока, вызываемого высокими температурами, является потеря воды растительными тканями. Вероятно, поэтому продуктивность различных сортов сельскохозяйственных культур (например, хлопка и пшеницы) тем выше, чем больше устьичное сопротивление и соответственно меньше потери воды при транспирации.

При перегреве растительных тканей в первую очередь повреждаются белки и 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. Нарушается система слабых взаимодействий, обеспечивающих поддержание пространственной структуры в белковых молекулах и мембранных

433

липидах. Интегральные мембранные белки стремятся целиком перейти в гидрофобную фазу мембраны, что сказывается на процессах мембранного транспорта, рецепции, энергетике.

В результате нарушения элементов электрон-транспортной цепи хлоропластов и митохондрий угнетаются процессы фотосинтеза и дыхания. Наиболее чувствителен к высоким температурам транспорт электронов в фотосистеме II. Различные функции организма нарушаются при разных температурах. Фотосинтез ингибируется при более низкой температуре, чем дыхание. В этом слу- чае наблюдается дефицит субстратов для дыхания. Дисбаланс между фотосинтезом и дыханием — основная причина повреждений при высокотемпературном стрессе, что особенно проявляется у С3-растений в отличие от С4- и САМ-растений.

При продолжительном воздействии или действии высокой температуры (55—65 îС) происходит термоинактивация ферментов, клетки плазмолизируются. Вакуолярный сок поступает в цитоплазму, что приводит к коллапсу клетки. На листьях появляются наркотические пятна — «ожоги».

Защитные механизмы

При высоких температурах, как и при других стрессовых воздействиях, работают защитные механизмы двух типов: избежание перегрева и приспособление к произрастанию в условиях высоких температур. Первый механизм достигается анатомо-морфо- логическими приспособлениями (ксероморфность, свертывание листьев, количество и расположение устьиц и др.).

Второй механизм обеспечивается биохимической адаптацией. Жаростойкие растения характеризуются значительным содержанием связанной воды, повышающей вязкость цитоплазмы, наличием осмотически активных веществ (пролина, бетаина, многоатомных спиртов, углеводов и других веществ), способностью поддерживать стабильный уровень дыхания в широком диапазоне температур, обезвреживанием продуктов перекисного окисления липидов с помощью антиоксидантов, стабильностью липидов и белков мембран. Приспособление к высоким температурам определяется возрастанием степени насыщенности жирных кислот мембранных липидов. Структурные белки и ферменты устойчивых к высоким температурам растений характеризуются термостабильностью и выдерживают температуру до 65 îС. У устойчивых к гипертермии растений при перегреве сохраняет-

434

ся высокая скорость ресинтеза белка и синтеза белков теплового шока (БТШ).

Последние представляют один из основных элементов адаптации растительных организмов к перегреву. БТШ помогают растениям выдерживать этот тип стрессового воздействия. Впервые они были выявлены у дрозофилы, позже идентифицированы у животных (включая человека), микроорганизмов и растений.

Если клетки или проростки растений быстро нагреть до температуры 40 С, синтез большинства белков и мРНК будет подавлен. Именно в этих условиях происходит активация синтеза около 30—50 белков, называемых белками теплового шока (БТШ). Новые транскрипты БТШ, т. е. соответствующие мРНК, обнаруживаются уже через 3—5 мин после воздействия высоких температур. Их образование наблюдается также в естественных условиях при повышении температуры (рис. 7.4).

Ðèñ. 7.4. Индукция синтеза белков теплового шока

Тепловой шок вызывает формирование полисом, синтезирующих БТШ. В индукции ответа растений на тепловой шок центральное место занимают процессы фосфорилирования/дефосфорилирования транскрипционного фактора (ТФ), воспринимающего температурный сигнал. В результате последний приобретает

435

способность связываться с промоторными участками генов теплового шока и активировать их работу. Включение генов БТШ при гипертермии определяется регуляторными элементами (РЭ) генов БТШ. Тепловой шок вызывает фосфорилирование трансфакторов, после чего они проникают в ядро, взаимодействуют с РЭ генов БТШ и активируют их.

Для растительных организмов характерно накопление низкомолекулярных БТШ (от 15 до 31 кДа). После их синтеза отдельные клетки и целый растительный организм приобретают устой- чивость к повышенным температурам и даже к таким, которые ранее были летальными. Нарушения в синтезе БТШ лишают растения устойчивости к тепловому шоку. В экспериментах in vitro выявлено, что белковые фракции, обогащенные БТШ с молекулярной массой 15 и 18 кДа, обладают высокой устойчивостью к повышенной температуре и предотвращают денатурацию других белков при нагревании.

После окончания действия повышенных температур синтез БТШ прекращается и возобновляется синтез белков, характерных для клетки в обычных температурных условиях.

Некоторые БТШ не имеют отношения к тепловому шоку, а инициируются другими типами стрессовых воздействий (засухой, низкими температурами, механическими повреждениями, засолением) и обработкой АБК. Таким образом, клетки, подвергшиеся воздействию одного вида стресса, приобретают устойчи- вость (через образование БТШ) к другим повреждающим факторам, т. е. происходит кросс-адаптация. Например, тепловой шок (48 ч при 38 С) стимулирует образование ряда БТШ у томатов, что позволяет им без заметных повреждений выдерживать почти трехнедельное пребывание при температуре 2 С.

Различные виды БТШ и их гомологи обнаружены в ядре, митохондриях, хлоропластах, эндоплазматическом ретикулуме, цитоплазме. Выявлено, что БТШ с молекулярной массой 60, 70, 90 кДа

èдругие работают как молекулярные шапероны, обеспечивая посттрансляционное хранение, созревание (процессинг) и пространственную укладку (фолдинг) единичных белков, а также сборку олигомеров белковых молекул. Некоторые БТШ обеспечивают мембранный транспорт полипептидов в клеточные компартменты

èзащиту от протеазной активности. Ряд БТШ обладает способностью временно связываться с некоторыми ферментами и высвобождать их только на определенной стадии развития клетки, когда необходимо проявление ферментативной активности.

436

Повышение устойчивости к высокой температуре можно достичь, как и при низких температурах, закалкой семян или рассады. Опрыскивание 0,05%-ным раствором солей цинка тоже способствует термоустойчивости. Трансформация растений по ферментам синтеза осмотиков и ферментам антиоксидантной защиты также увеличивает их жаростойскость.

7.5. Адаптация к засолению

По степени засоления различают незасоленные, слабо-, среднезасоленные почвы и солончаки. Почва считается засоленной при содержании более 0,25 % легкорастворимых минеральных солей.

В зависимости от типа анионов выделяют хлоридный, сульфатный, хлоридно-сульфатный и карбонатный типы засоления почв. Самое токсичное для растений — хлоридное засоление.

Растения, приспособленные к существованию в условиях избыточного засоления, называют галофитами (от греч. hals — ñîëü è phyton — растение). Галофиты (в отличие от гликофитов — растений незасоленных почв и водоемов) способны противостоять засолению. Галофиты способны нормально развиваться на растворах с содержанием хлорида натрия от 100 до 500 мМ (рис. 7.5).

Ðèñ. 7.5. Зависимость роста различных видов растений

от концентрации хлорида в среде

437

Высокие концентрации ионов Na могут не только повреждать растения, но и нарушать структуру почвы. При засолении у гликофитов подавляются ростовые процессы и фотосинтез. К весьма чувствительным к засолению сельскохозяйственным видам растений относятся кукуруза, фасоль, бобы, салат, цитрусовые. Эти растения повреждаются при незначительном превышении (от нормы) содержания солей в среде выращивания (например, при концентрации хлорида натрия в питательном растворе 50 мМ наблюдается почти 50%-ное угнетение скорости ростовых процессов).

Однако ряд растений-гликофитов обладает повышенной устой- чивостью к избытку солей. К относительно солеустойчивым относятся сахарная свекла, хлопчатник, ячмень, томаты.

Представление о способности культурных растений произрастать на почвах разной степени засоления дает табл. 7.2.

			Таблица 7.2
	Способность культурных растений выдерживать засоление
	Засоление	Содержание солей,	Растения
		в % от сухой массы почвы
	Незначительное	Меньше 0,1	Все культуры
	Слабое	0,1—0,4	Все зерновые, кроме кукуру-
			зы; вика, люцерна
	Среднее	0,4—0,6	Хлопчатник, тимофеевка, ежа
			сборная, донник, пшеница
	Среднесильное	0,6—0,8	Кормовая брюква, кормовая
			капуста, пырей, сорго
			Сахарная свекла, подсолнеч-
	Сильное	0,8—1,0	ник, пырей западный, райграс
			французский, костер безостый

Реакция растений на засоление

Повреждающий эффект избыточной концентрации солей объясняется как нарушением водного потенциала, так и специфическим влиянием отдельных ионов. Засоление вызывает нарушение водного и минерального обмена растения. Повреждения, вызываемые засолением, сходны с теми, что наблюдаются при засухе. Цитоплазма клеток высших растений обычно содержит 100—200 мМ ионов K и 1—10 мМ ионов Nа . При засоле-

438

нии повышается концентрация натрия и других ионов в цитоплазме, что приводит к инактивации многих ферментов и подавлению синтеза белков.

Âрастениях, произрастающих на засоленных почвах, стимулируется активность РНКазы, разрушаются полирибосомы, усиливается протеолиз в цепи «ДНК — РНК — белок». Возрастает соотношение неорганического и органического фосфата, небелкового и белкового азота. Увеличивается концентрация аммиака, особенно при хлоридном засолении. Происходит торможение роста. Накапливается АБК, что ведет к закрыванию устьиц и сниже-

нию транспирации.

Накопление Na и/или Cl– в высоких концентрациях в хлоропластах негативно сказывается на углеродном метаболизме и фотофосфорилировании. Снижается содержание хлорофилла, прекращается синтез крахмала. Увеличивается образование органи- ческих кислот и аминокислот. Происходят качественные перестройки дыхания, в частности увеличивается доля пентозофосфатного пути. Активность терминальных оксидаз падает, а флавиновых дегидрогеназ возрастает. Отмечается ингибирование переноса электронов в ЭТЦ, усиливается активность ПОЛ. Повышенное содержание солей изменяет и транспорт ионов через плазматическую мембрану.

Âзависимости от типа засоления изменяется и морфология растений. При хлоридном засолении растения приобретают черты суккулентов, у них развиваются мясистые ткани, при сульфатном — приобретают черты ксероморфности, появляется мелкоклеточность.

Механизмы приспособления растений к засолению

Растения используют различные способы выживания в условиях засоления. Основная стратегия снижения повреждающего эффекта — изолирование меристем (особенно побеговых) и листьев от воздействия солей в высоких концентрациях. Транспорт солей в растение определяется способностью клеток коры корня противостоять засолению. Плазмалемма клеток корней имеет низкую проницаемость для ионов Сl–. Натрий поступает в клетки корней пассивно по градиенту электрохимического потенциала (в отличие от ионов Сl–). Процесс активного выведения ионов Nа из корня обеспечивают транспортные системы, функционирующие с затратой энергии. Транспорт солей в сосуды ксилемы

439

и далее в надземную часть растения ограничивают пояски Каспари. Поглощаемые соли могут концентрироваться в вакуолях клеток.

У ряда растений для вывода избытка солей есть специализированные пузыревидные клетки, солевые железки и т. д., с помощью которых растения пытаются избежать накопления солей или приспосабливаются к их высокой концентрации (рис. 7.6).

Растительные организмы способны корректировать водный потенциал клеток при стрессе путем дополнительного синтеза таких веществ, как глицинбетаин, пролин, сорбит, сахароза. Коли- чество этих веществ может достигать 10 % веса растения.

Ðèñ. 7.6. Способы защиты растений от избытка солей

При засолении начинают экспрессироваться гены, кодирующие ферменты синтеза пролина и бетаина. Осмотический шок активирует гены, кодирующие ферменты САМ-пути углеродного метаболизма и синтеза лигнина, аквапорины, различные АТФазы и протеазы. В геноме арабидопсиса выявлен локус SOS (salt overly sensitive), который отвечает за ионный гомеостаз и устой- чивость к засолению.

Одновременное участие нескольких генов в адаптации к одному стрессовому воздействию свидетельствует о том, что различные гены, отвечающие за устойчивость растений к стрессу, должны иметь общие регуляторные элементы. Изучение промотора стресс-индуцированных генов, экспрессирующихся в ответ на различные стрессовые сигналы, позволило выявить такие нуклеотидные последовательности. Наиболее хорошо изучен ген RD29 (responsive to dehydration), который активируется при ос-

440

мотическом шоке, охлаждении, водном дефиците и обработке АБК. В промоторной области этого гена выявлены нуклеотидные последовательности, которые позволяют отвечать на АБК (АБК-отвечающий элемент, АВRЕ) и осмотический шок (элемент, отвечающий на дегидратацию, DRЕ).

7.6. Растения в условиях недостатка кислорода

Некоторые виды растений способны переносить более или менее длительный период как недостатка, так и полного отсутствия кислорода.

Корневая система растений обычно получает кислород прямо из почвы. В хорошо дренированных почвах О2 способен диффундировать на глубину до нескольких метров. Поэтому содержание кислорода в газовой фазе почвы практически такое же, как во влажном воздухе. Однако при затоплении и заболачивании корни испытывают недостаток кислорода, тем более что скорость его диффузии в водной среде невелика. При этом кислород также необходим для дыхания и других почвенных организмов. Анаэробные условия резко угнетают рост и развитие многих видов растений. Некоторые из них (например, рис, ива) очень устойчивы к дефициту кислорода.

Различают условия гипоксии, т. е. частичного дефицита кислорода, и аноксии — полного отсутствия О2 в среде.

Влияние недостатка кислорода на физиологические процессы

В отсутствие О2 перестает функционировать цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование. Единственный способ получения АТФ в условиях аноксии — гликолиз. В анаэробных условиях для активного функционирования гликолиза наиболее важен процесс окисления НАДН, который происходит в ходе брожения. При молочнокислом брожении в тканях накапливается молочная кислота (лактат), вызывающая повышение кислотности цитоплазмы (ацидоз). При снижении рН происходит переключение процесса на спиртовое брожение. У неповрежденных клеток кислотность вакуолярного содержимого (рН 5,8) выше, чем цитоплазмы (рН 7,4). При анаэробиозе протоны выходят из вакуоли в цитоплазму и повышают ее кислотность. В результате из каж-

441