Устойчивость растений к замораживанию

Растениям, обитающим в зоне отрицательных температур, приходится не только поддерживать внутриклеточные биополимеры в функционально активном состоянии, но и регулировать процессы образования льда в тканях. Внутриклеточное образование льда неизбежно приводит к гибели растений, так как образующиеся внутри клетки кристаллы льда разрывают мембраны, приводя к нарушениям функций клеточных органелл. Теплолюбивые растения погибают даже тогда, когда лед образуется в межклетниках. Растения холодного климата, а также мезофиты (растения умеренного климата) выдерживают образование льда в межклеточном пространстве. У морозоустойчивых растений выработались механизмы, которые препятствуют образованию льда внутри клеток. Это можно рассматривать как стратегию приспособления растений к отрицательным температура

Дегидратация клеток как механизм, предотвращающий внутриклеточное образование льда

Один из механизмов, предотвращающих внутриклеточное образование льда сопряжен с выходом воды из клеток в экстрацеллюлярное пространство. При падении температуры до отрицательных значений в экстрацеллюлярной пространстве образуются кристаллы льда. Лед формирует градиент водного потенциала, направленный из клеток в межклетники. Выход воды из клеток по градиенту вызывает дальнейшую дегидратацию клеток и рост кристаллов льда в межклетниках, в то же время снижается вероятность образования внутриклеточного льда. Этот процесс может стимулироваться специальными веществами – гетерогенными нуклеаторами. Они могут иметь различную природу – фосфолипиды или полисахариды.

Выход воды наружу при внеклеточном образовании льда хотя и предотвращает образование внутриклеточного льда, тем не менее сопровождается неблагоприятными для клеток эффектами дегидратации. В связи с этим адаптация и акклимация растений к низким температурам включает формирование механизмов, которые повышают резистентность клеток к обезвоживанию. Считается, что морозоустойчивость мезофитов в первую очередь определяется способностью их клеток выдерживать дегидратацию. Защита клеток при дегидратации, вызываемой отрицательными температурами, так же, как при засухе и солевом стрессе, связана с биосинтезом осмопротекторов, прежде всего низкомолекулярных сахаров и полиспиртов. Одна из основных функций этих веществ состоит в защите внутриклеточных биополимеров. Специфической функцией осмопротекторов при дегидратации клеток, вызванной низкими температурами, является понижение температуры замерзания внутриклеточной среды.

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.