Дія низької температури на рослини
За більш ніж сторічний період вивчення дії на клітини рослин низьких позитивних і негативних температур знання про викликаються ними зміни в метаболізмі рослинних клітин, а також про властивості клітин рослин, що визначають їх морозостійкість, значно поглибилися та розширилися.
В даний час вважається, що основними причинами, що викликають загибель рослин від холоду, є або безпосередня дія низьких температур на клітини, не пов'язане з утворенням льоду в тканинах, або ж утворення льоду в тканинах зовні клітин або всередині них. З одного боку, було встановлено, що внутрішньоклітинний замерзання води завжди призводить до їх негайно загибелі, у всякому разі, в лабораторних умовах, що імітують природні. З іншого боку, всі рослини, зимуючі в умовах помірного клімату, переносять позаклітинне замерзання значних кількостей води.
Миттєве і необоротне ушкодження клітин при утворенні внутрішньоклітинного льоду вказує на фізичну природу процесу: найімовірніше відбувається руйнування мембран клітини ростуть в протоплазмі кристалами льоду. У той же час, розглядаючи причини вимерзання рослин, Г.А. Самигін відзначає, що в природних умовах дуже рідко має місце внутрішньоклітинне утворення льоду, оскільки воно можливе тільки при дуже швидкому зниженні температури, що досягає 10-12 0 С в годину. У природних же умовах температура повітря знижується зі швидкістю 1-2 0 С в годину або навіть ще повільніше. У цьому випадку відбувається позаклітинне утворення льоду.
Пошкодження при утворенні льоду поза клітинами викликаються двома основними причинами: зневодненням протопластів і механічними ушкодженнями збезводненої протоплазми. У загартованих рослин переважно причиною загибелі є механічні пошкодження, у незагартованих - зневоднення протоплазми.
Зневоднення рослинної клітини має ряд небезпечних для неї наслідків, які можуть привести її до загибелі. Це, по-перше, підвищення концентрації розчинених речовин, і, перш за все, солей, по-друге, зміна рН внутрішньоклітинних розчинів, по-третє, освіта ковалентних зв'язків між макромолекулами; по-четверте, конформаційні зміни структури макромолекул через зниження вмісту стабілізуючих їх молекул води, по-п'яте, порушення структури мембран, і нарешті, в шосте, це пошкодження структури протоплазми при зворотному поглинанні води.
Особливо чутливими структурами клітини, легко пошкоджується під дією гіпотермії, є клітинні мембрани. Функціональна стійкість ліпідосодержащіх протоплазматичними структур, таких як плазмалемма і мембрани хлоропластів і мітохондрій, легко порушується під дією екстремальних температур. Зокрема, поруч авторів було показано, що заморожування викликає необоротне придушення окисного фосфорилювання в мітохондріях. На їхню думку, основною причиною пошкодження клітини морозом є порушення структури мембран і втрата ними осмотичних властивостей. На думку інших авторів, найважливіший чинник пошкодження мембран при заморожуванні - їх зневоднення. Видалення води з мембран при заморожуванні порушує рівновагу між системами білок - ліпід і білок - вода, в результаті чого виникають структурні перебудови молекулярних шарів і змінюються властивості мембран. Відокремлення білків від ліпідів у мембрані призводить до повного її руйнування і надалі мембранні ліпіди можуть стати субстратом для окислення. Наявність лише незначного числа порушень мембранної структури викликає витік протонів і роз'єднання окислення і фосфорилювання. Можливе пошкодження мембран і без утворення льоду, коли низька температура викликає затвердіння ліпідної частини мембрани і порушення її структури і функцій.
Згодом численні дослідження показали сильну залежність складу мембран рослинної клітини від температури росту рослини. Зокрема, показано, що низькі температури індукують в рослинах різних видів накопичення фосфоліпідів та підвищення ненасиченості ліпідів. При цьому були відзначені відмінності у змісті фосфоліпідів у високо-і нізкохолодостойкіх сортів рослин. Зокрема, такі відмінності були відмічені у високо-і нізкохолодостойкіх сортів люцерни, а також розрізняються за холодостійкості сортів озимої пшениці, при цьому найбільші відмінності в фосфоліпідного складу листя високо-і нізкохолодостойкіх сортів озимої пшениці були відзначені після проходження рослиною процесу низькотемпературної адаптації. Найбільш важливим фактором у цьому випадку було зростання частки фосфатидилхоліну у складі мембран. Схожі результати були отримані і при вивченні проростків озимої пшениці. У проростків, вирощених при 2 0 С, було виявлено значно вищий вміст фосфоліпідів, ніж у проростків, вирощених при оптимальних температурах. У рослин озимої пшениці спостерігалися також генотипічну особливості вмісту фосфоліпідів у вузлах кущіння. Вміст як сумарних фосфоліпідів, так і їх окремих фракцій, таких як фосфатидилхоліну і фосфатидилетаноламін, було вище у морозостійкого сорту. Аналогічні результати були отримані і при вивченні ліпідного складу корені озимого жита під час росту при знижених температурах.
Для того, щоб рослини виживали після дії гіпотермії, необхідно або запобігання пошкоджень від дії позаклітинного або внутрішньоклітинного замерзання, або ліквідація таких ушкоджень. Це властивість рослин, яке визначається як морозостійкість, має включати в себе як запобігання впливу пошкоджуючих факторів, так і стійкість до їх дії. Запобігання впливу пошкоджуючих факторів можливо наступними шляхами:
- Запобігання впливу низько температури;
- Запобігання замерзання шляхом висушування;
- Запобігання замерзання нормально гідратованих клітин може здійснюватися шляхом накопичення розчинних речовин;
- Запобігання замерзання внаслідок переохолодження забезпечує виживання певних тканин у багатьох деревних культур;
- Запобігання утворення льоду всередині клітин у рослин забезпечується різними способами і зберігає життєздатність рослин лише в тому випадку, якщо вони стійкі до позаклітинного замерзанню;
- Зменшення кількості льоду при замерзанні води поза клітинами ідентично запобігання зневоднення при замерзанні.
У більшості випадків для виживання рослин недостатньо запобігання ушкоджень, а необхідна ще й стійкість до заморожування деяких тканин і, внаслідок цього, їх зневоднення. Рослина може переносити зневоднення тканин морозом двома шляхами: по-перше, шляхом запобігання летального зневоднення при замерзанні допомогою дії накопичених розчинних речовин і, по-друге, підвищенням стійкості рослин до обезводнення при замерзанні, що обумовлює високу морозостійкість тих видів, у яких не спостерігається кореляція між ступенем морозостійкості і накопиченням розчинних сполук.
На відміну від деревних рослин, трав'янисті не входять в кінці літа в стан глибокого спокою. Їх тканини, незважаючи на вимушену зупинку зростання, зберігають здатність до нього протягом всі зими. У той же час, незважаючи на те, що несприятливі температурні умови викликають у їхніх клітинах ряд послідовних змін: зниження водного потенціалу, порушення метаболізму та ін У видів, здатних до загартовування, надземні тканини переносять температуру до -20 ... - 25 ° С після попереднього впливу гартують умов.
Загартовування озимих рослин відбувається в три фази, які пов'язані з різними температурними умовами:
- Перша фаза загартовування індукується зниженням температури до 2 - 5 ° С, в результаті чого вихідна морозостійкість підвищується на 4-5 ° С;
- Друга фаза пов'язана з невеликими морозами і в природних умовах проходить тільки в тому випадку, якщо температура повітря знижується нижче 0 ° С;
- Третя фаза загартовування може збігатися з другої і залежить від тривалих морозів, викликають зневоднення клітин.
При вивченні процесів загартовування різними дослідниками було встановлено, що під час першої фази загартовування в рослинах відбуваються зміни метаболічних процесів, таких як гідроліз крохмалю і накопичення редукуючих цукрів і водорозчинних білків. Іншими метаболічними змінами, які теж є специфічною відповіддю рослинних тканин на зниження температури середовища, є перетворення ліпідів і фосфоліпідів. Встановлено, що низькі позитивні температури підвищують ненасиченість жирних кислот. Було також показано, що вміст фосфоліпідів у тканинах рослин пшениці зростала при низькотемпературному загартування.
Існує ряд доказів того, що накопичення в тканинах рослин у результаті впливу низьких позитивних температур деяких речовин відбувається не тільки внаслідок зменшення їх утилізації в ході ростових процесів через їх припинення, але і в результаті посилення їх новоутворення. Збільшення ненасиченості жирних кислот фосфоліпідів в умовах знижених температур, як було показано, теж у значно мірою пов'язане з їх синтезом. Всі ці дані свідчать про те, що на першій фазі загартовування у трав'янистих рослин відбувається переважні синтез деяких метаболітів.
Що стосується негативних температур, які необхідні для проходження другої фази загартовування, то передбачається, що їх роль у процесі загартовування не зводиться тільки до фізичної дії. Мабуть, вона також пов'язана з деякими метаболічними процесами, що протікають при цих температурах.
Оскільки припинення росту рослин є необхідною умовою проходження першої фази загартовування, то метаболічні зміни, що відбуваються в цей час, можуть бути викликані зміною гормонального та енергетичного балансу.
Беручи до уваги той факт, що позаклітинне замерзання запобігає утворенню внутрішньоклітинного льоду, але викликає при цьому зневоднення макромолекулярних структур клітини, передбачається, що процес загартовування включає в себе наступні механізми:
- Посилення відтоку води з клітини через мембрани;
- Захист клітинних компонентів від дії зневоднення. Забезпечення відтоку води через мембрани може забезпечуватися шляхом підвищення ненасиченості ліпідів. Зміни вмісту фосфоліпідів також впливають на властивості мембран і підвищують їх проникність для води, а швидке зниження вмісту фосфоліпідів при заморожуванні викликає усиленни відтік води в межклетники і захищає клітину від внутрішньоклітинного льодоутворення.
При дії морозу ушкодження, викликані зневодненням у загартованих рослин, можуть бути запобігти наступними шляхами:
- Структурними та конформаційними змінами компонентів клітини, які вони зазнають у процесі загартовування;
- Захистом компонентів клітини від зневоднювання взаємодією з низькомолекулярними речовинами.
Хоча і встановлено, що під дією гіпотермії у трав'янистих рослин відбуваються зміни активності деяких ферментів, є відносно небагато експериментальних доказів трансформації білкових макромолекул, які б вели до підвищення їх стійкості до низьких температур. У той же час показано велике значення того, що відбувається під час загартовування рослин гальмування росту для використання білків, синтезованих у процесі загартовування, на структурну і функціональну реорганізацію клітин.
. A . Salzman с соавторами, используя в качестве объекта исследования виноград, создали систему, в которой развитие состояния покоя могло быть индуцировано отдельно от холодовой акклиматизации.