Стратегии приспособления растений к действию стрессоров

РАСТЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СТРЕССА

Растения часто подвергаются действию стрессоров – неблагоприятных факторов окружающей среды. Состояние, в котором находится растение под действием того или иного стрессора, называется стрессом.

Стресс как реакция организма на неблагоприятное воздействие проходит три фазы: 1) тревоги, 2) адаптации и 3) истощения.

Но у растений нет ни нервной системы, ни тех гормонов, которые участвуют в стрессовых реакциях у животных, поэтому, перенося теорию стресса на растительный мир можно говорить о следующих трех фазах: 1) первичной стрессовой реакции, 2) адаптации, 3) истощения ресурсов надежности.

В первую фазу наблюдаются значительные отклонения в физиолого-биохимических процессах. Если воздействие слишком велико, организм может погибнуть в течение первых часов. Если это не случилось, реакция переходит во вторую фазу.

Во второй фазе организм адаптируется к новым условиям или усиливаются повреждения. При медленном развитии неблагоприятных условий организм легче приспосабливается к ним. Растение нормально вегетирует в данных условиях при общем пониженном уровне процессов.

В фазу истощения усиливаются гидролитические процессы, подавляются энергообразующие и синтетические реакции, нарушается гомеостаз. При сильной напряженности стресса растение гибнет. При прекращении действия стресс – факторов и нормализации условий среды включаются процессы восстановления и ликвидации повреждений.

Стрессоры бывают биотического и абиотического происхождения. К биотическим стрессорам относятся патогены – болезнетворные грибы, бактерии и вирусы, а также растительноядные насекомые. Стрессоры абиотической природы – это недостаток влаги (засуха), экстремальные температуры (высокие и низкие), высокое содержание в почве ионов (почвенное засоление), гипоксия (недостаток кислорода), очень высокая или очень низкая освещенность, ультрафиолетовая pадиация, повышенное содержание токсичных газов (SO₂, NO₂, O₃) в атмосфере и ряд других.

Реакция растений на изменившиеся условия является комплексной, включающей изменения биохимических и физиологических процессов. Эти изменения могут носить как неспецифический, так и специфический характер. Неспецифическими являются одинаковые реакции разных организмов на один и тот же стресс – фактор. К специфическим относят ответные реакции, качественно отличающиеся в зависимости от фактора и генотипа.

Клетка в ответ на возбуждающее воздействие прежде всего прибегает к апробированным при нормальной жизнедеятельности средствам. Первичная реакция на воздействие стрессора направлена на предотвращение повреждений клеток организма, а потому является универсальной (Удовенко, 1979; Кузнецов и др., 1987; Пахомова, 1995), что проявляется в мобилизации неспецифических защитных реакций, стоящих «на страже жизни» и участвующих в формировании адаптивных реакций растений, способствующих повышению их устойчивости к изменяющимся условиям среды. Стереотипная реакция на внешнее воздействие «выгодна», так как в результате повышается устойчивость к различным, даже "незнакомым" для организма факторам (Тарчевский, 1993).

Под устойчивостью понимают способность растений сохранять постоянство внутренней среды (поддерживать гомеостаз) и осуществлять жизненный цикл в условиях действия стрессоров.

 

ВОДНЫЙ ДЕФИЦИТ

Растения испытывают водный дефицит, когда скорость транспирации превосходит скорость поглощения воды корневой системой. Такая ситуация возникает не только при засухе, но и в условиях почвенного засоления, а также при низких температурах. В двух последних случаях дегидратация является компанентом стрессов «неводной» природы и развивается в растениях, когда количество воды в почве чаще всего не ограничено, однако эта вода недостуна или не поглощается корневой системой из-за высокого осмотического давления (низкого водного потенциала) почвенного раствора.

Снижение содержания воды в клетках при водном дефиците и сопутствующее обезвоживанию увеличение концентрации ионов в цитоплазме вызывают различного рода нарушения в структуре и функциях биополимеров, в частности происходит денатурация белков и подавляется их ферментативная активность, изменяется структура липидного бислоя мембран и нарушается их целостность. Деструктивные изменения в мембранах в свою очередь приводят к нарушению внутриклеточной компартментации веществ и подавлению электрогенеза. На клеточном уровне водный дефицит выражается в потере тургора. На уровне целого растения водный дефицит часто проявляется в обращении градиента водного потенциала в системе почва-корень-побег и ингибировании роста. Способность растения адекватно отвечать на водный дефицит и выживать в условиях водного дефицита зависит от эффективности защитных механизмов растения. Некоторые ответные реакции растения на водный дефицит могут наблюдаться уже через несколько секунд после начала действия стрессора. К ним относятся, например, изменения в фосфорилировании белков. Другие ответы требуют более длительного времени – от нескольких минут до нескольких часов, как в случае изменений в экспрессии генов.

В результате индукции механизмов устойчивости к водному дефициту растение становится способным пережить действие стрессора. Развитие устойчивости может быть результатом индукции как механизмов избежания, так и механизмов резистентности.

 

Осмолиты и полианионы

Осмолиты образуют сравнительно небольшую группу низкомолекулярных органических соединений. Они хорошо растворяются в воде, нетоксичны и в отличие от неорганических ионов не вызывают измнений в метаболизме. У совместимых веществ существует тенденция быть нейтральными при физиологических значениях рН. В цитоплазме они находятся в недиссоциированной форме либо в форме цвиттерионов, т. е. молекул, несущих положительный и отрицательный заряды, которые пространственно разделены. Некоторые осмолиты являются амфифильными соединениями. Молекулы амфифильных веществ несут как неполярные (гидрофобные), так и полярные (гидрофильные) группы. К осмолитам относятся также некоторые полигидроксильные соединения. Примеры осмолитов – пролин (аминокислота); S-диметилсульфониопропионат (третичное соединение сульфония); глицин-бетаин, аланин-бетаин, пролин-бетаин, холин-сульфат (четвертичные соединения аммония); пинитол, маннитол (многоатомные спирты).

Общая функция осмолитов – участие в процессе осморегуляции.Многие неорганические ионы, такие, например, как Na⁺ и Сl^-, в высоких концентрациях токсичны, поэтому не могут быть использованы растительной клеткой в регуляции осмотического давления цитоплазмы. В то же время совместимые с биополимерами осмолиты могут аккумулироваться в цитоплазме до концентраций в несколько сот микромоль на грамм без видимых токсических эффектов. Вследствие этого именно осмолиты, а не неорганические ионы клетка использует для регуляции осмотического давления цитоплазмы. Роль осмолитов особенно важна в условиях засухи и засоления, когда необходимо сконцентрировать в клетках осмотически активные вещества. Различия растений по устойчивости к дегидратации связаны со степенью эффективности у них сисстем биосинтеза осмолитов.

Осмолиты выполняют также и защитную функцию – протекторную.

Например, показано, что глицин-бетаин предотвращает NaCl-индуцирующую инактивацию рибулозобисфосфаткарбоксилазы и дестабилизацию комплекса фотосистемы II, выделяющего О₂. Осмолиты сохраняют гидратные оболочки биополимеров. В отличие от Na⁺ и Сl^- осмолиты, такие, как аланин-бетаин,не проникают через гидратную оболочку и не вступают в контакт с белком, но создают препятствие для разрушения ионами гидратной оболочки белка и его денатурацию.

Некоторые низкомолекулярные органические соединения, синтез которых индуцируется стрессорным воздействием, образуются в клетках в количествах недостаточных для выполнения осморегуляторной функции. Тем неменее они играют важную роль при стрессах как протекторы биополимеров.К таким соединениям относятся диамин путресцини образующиеся из него полиамины спермидин и спермин. Как поликатионы, полиамины обладают высоким сродством к биомолекулам, несущим отрицательные заряды, в частности к ДНК, РНК, фосфолипидам и кислым белкам, а также к анионным группам компонентов мембрани клеточных стенок. В растениях полиамины вовлечены во многие физиологические процессы, включая клеточное деление, формирование цитоскелета, инициацию роста корней, эмбриогенез и созревание плодов. Полиамины предотвращают повреждения биомолекул, вызываемые засухой, засолением, низкими температурами и озоном. Структуры ДНК, РНК, рибосом, а также мембран, находящихся в комплексе с полиаминами, стабилизируются.

 

Протеазы и убиквитины

При обезвоживании клеток, несмотря на действие протекторных соединений и шаперонов, часть клеточных белков подвергается денатурации. Денатурированные белки должны быть гидролизованы. Эту функцию выполняют протеазы и убиквитины, экспрессия генов которых также индуцируется стрессовыми условиями. Убиквитины представляют собой низкомолекулярные (8,5 кДа) высококонсервативные белки. Присоединяясь к N-концу денатурированного белка, они делают белок доступным для действия протеаз. Таким путем осуществляется селективная деградация денатурированных белков.

 

Аквапорины

Трансмембранное движение воды происходит в основном через водные каналы, образованные белками аквапоринами. За счет изменения числа водных каналов в мембране и их проводимости осуществляется, быстрая регуляция трансмембранных потоков воды, это особенно важно при водном дефиците. В условиях стресса активируются гены, ответственные за синтез подобных белков.

 

СОЛЕВОЙ СТРЕСС

Согласно современным оценкам, одна пятнадцатая часть земной суши, включая территории, используемые в сельскохозяйственном производстве, занята золенными почвами. Приблизительно 5% земель мировых сельскохозяйственных угодий и почти 20% орошаемых земель в той или иной степени засолены.

Если содержание суммы неорганических ионов в почве в расчете на ее сухую массу не превышает 0,2 %, то такие почвы считаются незасоленными, от 0,2 до 0,4% – слабозасоленными, от 0,4 до 0,7% – среднезасоленными и от 0,7 до 1,0% – сильнозасоленными. При содержании неорганических ионов свыше 1,0% почвы называют солончаками. В засоленных почвах из катионов преобладает по массе, как правило, Na⁺, однако встречаются почвы с высоким coдержанием Mg⁺ и Са⁺. Из анионов наибольший вклад в почвенное засоление чаще всего вносят С1^- и SO₄^2-.

Растения, эволюционно сформировавшиеся на засоленных почвах и адаптированные к высоким концентрациям солей в почвенном растворе, называются галофитами (от греч, galos – соль, phyton – растение), а сформировавшие на незасоленных почвах – гликофитами (греч. glycos – сладкий, phyton – растение). Подавляющее большинство видов сельскохозяйственных культур переносит низкую степень засоленности почв, и лишьнекоторые, такие как хлопчатник (Gossipium hirsutum), овес (Ovena cativa), рожь (Secale sereale) и пшеница, – среднюю. При высоком содержании солей в почве снижается продуктивность посевов. Галофиты в отличие от гликофитов способны осуществлять жизненный цикл на сильнозасоленных почвах и со­лончаках. К типичным галофитам относятся растения семейства маревые (Chenopodiaceae), такие, как солерос европейский (Salicornia europaea), кохия распростертая (Kochia prostrata), петросимония трехтычинковая (Petrosimonia triandra)и др. Высокое содержание солей в почве не только не подавляет, но даже стимулирует их рост.

Повреждающее действие солей

При повышенном содержании солей в почве у гликофитов нарушается водный и ионный гомеостаз как на клеточном уровне, так и на уровне целого растения. В свою очередь это ведет к различным токсическим эффектам, которые выражаются в повреждениях биополимеров цитоплазмы. В целом почвенное засоление затормаживает рост и может вызвать гибель растений.

Первым был открыт эффект соли, связанный с дегидратацией клеток. В начале XX в. А. Ф. Шимпер показал, что в условиях засоления растения теряют воду вследствие высокого осмотического давления почвенного раствора. Осмотическое действие соли при этом не зависит от того, какими ионами оно вызвано, важна суммарная концентрация ионов и других осмотически активных веществ в почвенном растворе.

В 50-х гг. XX в. Б. П. Строгонов обратил внимание на различие симптомов поражений, вызванных у растений хлоридным и сульфатным засолениями. На основе этого была выдвинута концепция токсического действия ионов, согласно которой разные ионы вызывают нарушения метаболизма, приводящие к специфическим токсическим эффектам. В настоящее время осмотическое и токсическое действия солейпризнаны главными повреждающими факторами на клеточном уровне.

Природа токсического действия ионов, особенно первичных молекулярных повреждений, изучена мало. Известно, что ионы в высоких концентрациях могут дезинтегрировать клеточные мембраны, подавлять активность ферментов и приводить к нарушениям таких жизненно важных функций, как клеточное деление, ассимиляция углерода, поглощение элементов минерального питания и др. NaCl в концентрациях выше 0,4 М ингибирует многие ферменты вследствие нарушения гидрофобно-электростатического баланса сил, поддерживающих структуру белковых молекул. Однако токсические эффекты проявляются уже при гораздо более низких концентрациях соли (меньше 0,1 М), указывая на специфические мишени действия ионов.

Высокие концентрации солей, как уже отмечалось, подобно многим стрессорам ингибируют рост растений. Ингибирование опосредовано уменьшением синтеза цитокинина и увеличением содержания абсцизовой кислоты и этилена.

Медленный рост позволяет растениям выживать при стрессе, так как освобождает множество ресурсов, необходимых для реализации защитной программы.

Один из главных механизмов ингибирования роста – снижение устьичной проводимости. Низкий водный потенциал почвенного раствора при засолении и водном дефиците приводит к потере воды клетками, в частности замыкающими клетками устьиц, что в свою очередь уменьшает апертуру устьичных щелей и, следовательно, снижает скорость поступления в листья СО₂, а также транспирационного тока воды. Отток К⁺ и Сl^- из замыкающих клеток сопровождается потерей тургора и закрытием устьиц. Последний эффект сберегает воду для растения, но снижает скорость фотосинтеза и ингибирует рост.

Высокие концентрации соли и водный дефицит могут ингибировать рост, влияя на процессы деления и дифференцировки клеток. Подавление роста сопряжено с экспрессией некоторых генов, индуцируемых стрессорным воздействием и не экспрессирующихся в нормальных условиях. Продукты этих генов ингибируют процессы клеточного деления и растяжения и таким путем подавляют рост.

Механизм переохлаждения

Выход воды из клеток и образование внеклеточного льда, стимулируемое гетерогенными нуклеаторами, происходит при относительно высоких отрицательных температурах. Для тканей многих древесных пород пороговые температуры внеклеточного образования льда лежат в диапазоне от -2° до -5 °С. В листьях высокоустойчивой к морозу озимой ржи (Secale cereale)нуклеация льда в межклетниках происходит при -5°...-12"С, тогда как нижний температурный предел выживаемости этого растения составляет -30°...-35"С. Оставшаяся в клетках вода, после образования льда в межклеточной среде, не замерзает при последующем снижении температуры. Такая вода называется переохлажденной. Температура образования льда в клетках, ниже той, при которой вода находится в переохлажденном состоянии, и приблизительно совпадает с нижним температурным пределом выживаемости растения.

В основе способности растений сохранять воду в клетках в жидком состоянии при очень низких отрицательных температурах лежит так называемый механизм переохлаждения. Он чрезвычайно важен в обеспечении резистентности растений к замораживанию.

Для исследования способности клеток к переохлаждению используют термический дифференциальный анализ. Ткань или орган растения постепенно охлаждают и с помощью термопар регистрируют разность температур между охлаждаемым и котрольным образцами. Образование льда – процесс экзотермический, т.е. происходит с выделением тепла, и на термограмме ему соответствует экзотермический пик, который называется низкотемпературной экзомой (НТЭ). Рекордно низкая температура замерзания клеток была установлена для таких растений холодного климата, как черный ясень (Fraxinus niger) (-5 7 °С) и виргинский можжевельник (Juniperus virginiand)(-52 °С).

Чтобы понять, на чем основана способность клеток к переохлаждению необходимо ответить на два вопроса: 1) почему внутриклеточная вода не замерзает до НТЭ, т.е. что препятствует образованию льда в клетках и 2) почему замерзающая до НТЭ вода не выходит из клеток?

Ответ на первый вопрос следует искать в необычных свойствах внутриклеточной воды, в наличии в клетках низкомолекулярных криопротекторов, в отсутствии гетерогенных нуклеаторов. Значительная часть внутриклеточной воды содержится в связанном состоянии. В связывании воды участвуют как биополимеры клетки, так и осмопротекторы, особенно те из них, которые содеру большое число гидроксильных групп. Гидратная оболочка маннитола содержит, например, 200-250 молекул воды. Необычные свойства внутриклеточной воды связаны также с наличием в клетках многочисленных поверхностей раздела фаз. Вода вблизи этих поверхностей может сильно переохлаждатся. Моделью такой системы являются тонкие кварцевые капилляры, вода в них замерзает при -34 °С. В ионообменных смолах ячеистого строения вода переохлаждается, замерзая при -30 °С. Ответ на второй вопрос связан прежде всего с анатомическими особенностями тканей, способных к переохлаждению. Отсутствие оттока воды в межклетники в таких тканях нельзя объяснить низкой водной проницаемостью плазмалеммы. Препятствие для миграции воды из клеток создают анатомические барьеры.

Отсутствие оттока воды изклеток в тканях цветочных почек у древесных растений обусловлено лигнификацией и клеточных стенок. Обычно, жесткие и упругие стенки паренхимных клеток древесины препятствуют сжатию связанных с ними протопластов. За счет этого водоотнимающие силы развивают в клетках отрицательное тургорное давление, понижающее водный потенциал клеток. Важная роль в удержании воды клетками отводится также осмолитам, концентрация которых в клетках морозоустойчивых растений высока и повышается при акклимации к отрицательным температурам. Высокое содержание в клетках осмолитов полигидроксильной природы не только отвечает за повышение внутриклеточного осмотического давления (снижение водного потенциала), но и приводит, как уже отмечалось, к увеличению уровня связанной воды.

Механизм переохлаждения имеет ряд преимуществ по сравнению с механизмом, основанным на внеклеточном образовании льда. При обезвоживании клеток наблюдаются различного рода нарушения структуры макромолекул, биохимических процессов и физиологических функций. При переохлаждении потери воды минимальны, что важно для активно метаболизирующих тканей, например тканей развивающегося из почки побега. Наблюдаемые весной бурный рост и развитие побега из почки при дегидратации потребовали бы предварительной репарации меристематических клеток, на что необходимо время. В случае механизма переохлаждения растения при повышении температуры могут сразу перейти к активной вегетации, так как в этом случае все структуры остаются неповрежденными. Состояние переохлажденных клеток можно охарактеризовать как физиологический покой. В этом состоянии отсутствуют рост и дифференцировка, но идут процессы поддержания. С процессами поддержания связано сохранение дыхания и фотосинтеза. У ели (Picea abies),например, фотосинтез наблюдается при -14 °С. У многих морозоустойчивых растений дыхание сохраняется при -18°...-20 °С. Механизм переохлаждения типичен для жизненно важных тканей и органов, которые переходят в активное состояние сразу при весеннем потеплении. К ним относятся почки, генеративные органы, паренхимные клетки древесины, клетки проводящих пучков. У хвойных механизм переохлаждения типичен для тканей листьев. В этих органах и тканях образование льда крайне нежелательно не только внутри клеток, но и в межклетниках. В то же время процесс образования внеклеточного льда, начавшийся в каком-то одном месте, быстро распространяется по растению и может захватить жизненно важные части растения. Как защита от этого, у зимостойких растений сформировались механизмы, регулирующие образование и распространение льда по межклетникам и сосудам ксилемы.

Биологические антифризы

В клетках некоторых растений синтезируются высокомолекулярные соединения, тормозящие процессы нуклеации и роста кристаллов льда. Эти соединения получили название биологических антифризов. Их биосинтез и экскреция в межклеточную среду являются ткане- и органоспецифическими. Антифризы можно выделить экстракцией из апопласта. Сведения об антифризной активности внутри клеток отсутствуют, поэтому считается, что они препятствуют внеклеточному образованию льда, особенно в тех органах и тканях, чьи клетки должны сохранить максимальное количество воды и находиться в переохлажденном состоянии. У зимующих растений антифризная активность обнаружена в клеточных стенках всех органов. Она меняется в зависимости от сезона и возрастает при акклимации растений к отрицательным температурам. В осенний период при закалке экскреция антифризов в межклеточную среду усиливается.

Известны антифризы белковой, гликопротеиновой и полисахаридной природы. Считается, что действиее антифризов основано на наличии в их молекулах большого числа полярных группировок. В соответствии с гипотезой А. де Фриза, в гликопротеиновых антифризах полярные ОН-группы углеводных остатков образуют сплошной фронт, располагаясь в одной плоскости вдоль линейной молекулы антифриза. Такая геометрия молекулы способствует ее сильному взаимодействию с молекулами Н₂О в кристалле льда. За счет образующихся водородных связей молекула антифриза прочно адсорбируется на кристалле, что создает термодинамический барьер для присоединения к кристаллу новых молекул. Таким образом осуществляется блокада роста кристаллов льда.

Анатомические барьеры

Важная роль в резистентности к замораживанию принадлежит анатомическим барьерам, которые препятствуют распространению процесса образования льда по сосудам ксилемы. Одним из типов анатомических барьеров не распространения образования льда является сегментация сосудов ксилемы. Сосуды прерываются зонами, состоящими из трахеид. Сегментация сосудов обнаружена у многих зимостойких злаков и древесных растений. В почках некоторыхрастений сосуды ксилемы отделены от прилегающих к ним паренхимных клеток слоем аморфного вещества пектиновой природы, создающи непреодолимую преграду для распространения нуклеации льда в меристему.

КИСЛОРОДНЫЙ ДЕФИЦИТ

Растения,как облигатные аэробы, используют молекулярный кислород в качестве терминального акцептора электронов в митохондриальной электронтранспортной цепи (ЭТЦ). При нормальных аэробных условиях окисление 1 моля гексозы в реакциях лимоннокислого цикла приводит к образованию 32 молей АТФ. В отсутствие кислорода окислительный распад гексозы ограничен реакциями гликолиза, а количество образующегося АТФ составляет лишь 2 моля.

Концентрация кислорода в газовой фазе хорошо дренированной почвы почти равна его концентрации в атмосфере и составляет 20,6%, что соответствует парциальномудавлению кислорода 0,0206 МПа. Концентрация кислорода в почве снижается чаще всего из-за избыточного содержания в ней воды, что снижает скорость кислородного обмена между почвой и воздухом, так как коэффициент диффузии О₂ в воде на 4 порядка ниже, чем в воздухе. Снабжение кислородом корней зависит не только от содержания в почве воды, но и от таких факторов, как пористость почвы, температура, густота корней и глубина, на которую они проникают в почву, от метаболической активности корней, а также присутствия в почве конкурирующих за кислород микроорганизмов. Дефицит кислорода испытывают также озимые культуры, которые часто оказываются под ледяной коркой. Такая ситуация возникает, когда период зимней оттепели сменяется морозами. Дефицит О₂ в среде приводит к кислородной недостаточности растений.

В зависимости от степени кислородной недостаточности различают гипоксию и аноксию. Гипоксия наблюдается при неполном удалении О₂ из среды, так что аэробное дыхание сохраняется, хотя и с пониженной скоростью. По мере снижения концентрации О₂ в почве и подавления аэробного дыхания отношение АТФ/АДФ в цитоплазме становится меньше, доля участия окислительного фосфорилирования в синтезе АТФ снижается, а доля участия в этом процессе гликолиза возрастает. При гипоксии процессы, приводящие к акклимации растений к дефициту О₂, стимулируются. Условия аноксии создаются при практически полном отсутствии О₂ в почве. Такая ситуация возникает чаще всего при затоплении почвы и росту растений водой. При аноксии АТФ синтезируется лишь гликолитическим путем, аэробное дыхание полностью выключается. Концентрация АТФ и отношение АТФ/АДФ в цитоплазме снижаются в большей степе­ни, чем при гипоксии. Синтез белка, рост и развитие растений подавляются. Чтобы выжить в условиях дефицита кислорода, растения должны не только поддерживать концентрацию АТФ в клетках на достаточном для жизнеобеспечения уровне, но и регенерировать НАД⁺ и НАДФ⁺, поскольку при кислородной недостаточности равновесия НАД⁺/НАДН₂ и НАДФ⁺/НАДФН₂ смещаются в сторону восстановленных форм. Необходимо устранять также накапливающиеся в клетках токсические соединения.

В зависимости от способности выдерживать временное затопление водой растения подразделяют на чувствительные и резистентные к О₂-дефициту. К первым относятся, в частности соя, горох и томаты (Licopersicon esculentum), ко вторым – арабидопсис, овес, картофель, пшеница, кукуруза (Zea mays). В третью группу включают самые устойчивые к кислородному дефициту растения водных и влажных (заболоченных) мест обитания. К ним относятся, например, рис, кубышка (Nuphar luteum),стрелолист (Sagittaria sagittifolia)и валлиснерия (Vallisneria spiralis).У растений второй и третьей групп в процессе эволюции сформировались биохимические механизмы, а также разнообразные морфологические и анатомические приспособления, позволяющие противостоять дефициту кислорода в среде.

ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС

Окислительный стресс в растениях возникает в условиях, способствующих формированию активных форм кислорода ( АФК). Напомним, что к АФК относят анион-радикал О₂^-, пероксид водорода Н₂О₂, гидроперекисный радикал НО₂^-, гидроксил-радикал НО^-, а также синглетный кислород ¹О₂ и озон О₃. Высокое содержание АФК в клетках приводит к повреждению биомолекул, что может вызвать гибель растений.

Окислительный стресс в растениях возникает в результате действия практически всех неблагоприятных факторов внешней среды, включая засуху, почвенное засоление, загрязнение воздуха токсическими соединениями, такими, например, как озон, оксиды серы и азота, тяжелые металлы, низкие и высокие температуры, свет высокой интенсивности, ультрафиолетовое излучение, недостаток элементов минерального питания, некоторые гербициды, патогены различной природы и др. Можно сказать, что окислительный стресс как компонент входит в большинство других стрессов. Такая универсальность в индукции окислительного стресса при действии на растения самых разнообразных неблагоприятных факторов внешней среды указывает на принципиально важную роль антиоксидантных систем, снижающих внутриклеточные концентрации АФК, а также систем, ликвидируйщих токсические продукты взаимодействия АФК с биополимерами и повышающих устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды вообще.

Повреждения липидов

АФК приводят к перекисному окислению липидов (ПОЛ), вызывая в остатках полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) цепные реакции с образованием липидных радикалов L', пероксидов LOO', гидропероксидов LOOH и алоксилов LO".

Продукты расщепления, несущие двойную связь, под действием радикалов подвергаются дальнейшему перекисному окислению и распаду. В результате ЖК образуют целый спектр соединений. Многие из них представляют собой альдегиды, которые обладают высокой биологической активностью и часто высокотоксичны. При распаде жирных кислот, сопровождающем ПОЛ, сначала образуются диеновые конъюгаты, а затем такие метаболиты, как малоновый альдегид. Продуктами ПОЛ могут быть и более простые соединения, например такие, как пентан и этан. ПОЛ прежде всего повреждает клеточные мембраны, что в свою очередь приводит к нарушениям функций мембранных белков и нарушению внутриклеточной компартментации веществ. Продукты ОМ липидов вызывают мутации и блокируют клеточное деление.

Прежде ПОЛ считали исключительно спонтанным процессом, протекающим без участия ферментов. Затем было показано, что важную роль в ПОЛ играют и ферментативные реакции, в частности реакции, катализируемые липоксигеназами. Окисление липидов с помощью этих ферментов приводит к образованию специфических веществ – эйкозаноидов, выполняющих функцию сигнальных молекул при экспрессии генов.

Повреждения белков

Белки, так же как липиды и нуклеиновые кислоты, повреждаются активными формами кислорода. При действии АФК происходит окисление аминокислот с образованием пероксильных радикалов. Из пероксильных радикалов образуются гидропероксиды и алкоксильные радикалы. Последние обладают высокой реакционной способностью и могут индуцировать образование высокореактивных соединений радикальной природы. Гидропероксиды также генерируют новые радикалы, если имеются ионы металлов переменной валентности. АФК-индуцированные окислительные модификации аминокислот приводят к нарушению третичной структуры белков, к их денатурации и аггрегации с сопутствующей потерей функциональной активности.

РАСТЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СТРЕССА

Растения часто подвергаются действию стрессоров – неблагоприятных факторов окружающей среды. Состояние, в котором находится растение под действием того или иного стрессора, называется стрессом.

Стресс как реакция организма на неблагоприятное воздействие проходит три фазы: 1) тревоги, 2) адаптации и 3) истощения.

Но у растений нет ни нервной системы, ни тех гормонов, которые участвуют в стрессовых реакциях у животных, поэтому, перенося теорию стресса на растительный мир можно говорить о следующих трех фазах: 1) первичной стрессовой реакции, 2) адаптации, 3) истощения ресурсов надежности.

В первую фазу наблюдаются значительные отклонения в физиолого-биохимических процессах. Если воздействие слишком велико, организм может погибнуть в течение первых часов. Если это не случилось, реакция переходит во вторую фазу.

Во второй фазе организм адаптируется к новым условиям или усиливаются повреждения. При медленном развитии неблагоприятных условий организм легче приспосабливается к ним. Растение нормально вегетирует в данных условиях при общем пониженном уровне процессов.

В фазу истощения усиливаются гидролитические процессы, подавляются энергообразующие и синтетические реакции, нарушается гомеостаз. При сильной напряженности стресса растение гибнет. При прекращении действия стресс – факторов и нормализации условий среды включаются процессы восстановления и ликвидации повреждений.

Стрессоры бывают биотического и абиотического происхождения. К биотическим стрессорам относятся патогены – болезнетворные грибы, бактерии и вирусы, а также растительноядные насекомые. Стрессоры абиотической природы – это недостаток влаги (засуха), экстремальные температуры (высокие и низкие), высокое содержание в почве ионов (почвенное засоление), гипоксия (недостаток кислорода), очень высокая или очень низкая освещенность, ультрафиолетовая pадиация, повышенное содержание токсичных газов (SO₂, NO₂, O₃) в атмосфере и ряд других.

Реакция растений на изменившиеся условия является комплексной, включающей изменения биохимических и физиологических процессов. Эти изменения могут носить как неспецифический, так и специфический характер. Неспецифическими являются одинаковые реакции разных организмов на один и тот же стресс – фактор. К специфическим относят ответные реакции, качественно отличающиеся в зависимости от фактора и генотипа.

Клетка в ответ на возбуждающее воздействие прежде всего прибегает к апробированным при нормальной жизнедеятельности средствам. Первичная реакция на воздействие стрессора направлена на предотвращение повреждений клеток организма, а потому является универсальной (Удовенко, 1979; Кузнецов и др., 1987; Пахомова, 1995), что проявляется в мобилизации неспецифических защитных реакций, стоящих «на страже жизни» и участвующих в формировании адаптивных реакций растений, способствующих повышению их устойчивости к изменяющимся условиям среды. Стереотипная реакция на внешнее воздействие «выгодна», так как в результате повышается устойчивость к различным, даже "незнакомым" для организма факторам (Тарчевский, 1993).

Под устойчивостью понимают способность растений сохранять постоянство внутренней среды (поддерживать гомеостаз) и осуществлять жизненный цикл в условиях действия стрессоров.

 

Стратегии приспособления растений к действию стрессоров

Наиболее общим проявлением действия стрессоров является подавление роста и развития растений, а на уровне фитоценозов – снижение продуктивности. Стрессоры приводят к уменьшению скорости роста до уровня более низкого, чем уровень, обусловленный генетическим потенциалом растения. Силу вредного действия различных стрессоров можно оценить, если сравнить рекордные урожаи сельскохозяйственных культур со средними урожаями, высчитанными за много лет. Если рекордный урожай принять как продуктивность культуры в идеальных условиях (100 %), то потери от стрессоров в среднем составят от 65 до 87 % в зависимости от культуры. Случается, что несколько стрессоров действуют в комбинации друг с другом, и тогда их вредное воздействие усиливается. Например, действие засухи часто сочетается с действием высоких температур.

Явления, которые наблюдаются в растениях при действии стрессоров, могут быть разделены на две категории: 1) повреждения, проявляющиеся на различных уровнях структурной и функциональной организации растения, например денатурация белковых молекул, нарушения метаболизма и торможение роста растяжением при обезвоживании клеток в условиях засухи; 2) изменения, которые позволяют приспосабливатъся растениям к новым стрессовым условиям; они затрагивают изменения в экспрессии генов, метаболизме, физиологических функциях и гомеостазе. Совокупность такого рода реакций называется акклимацией. В процессе акклимации растение приобретает устойчивость к действию стрессора. Акклимация происходит при ж