Koudetolerantie bij planten

Als je een tuinier bent in een gebied met koude winters, dan weet je dat de meeste planten niet groeien tijdens de winter en de omstandigheden overleven in een slapende toestand. De eerste koudegolf zal bloeiende eenjarigen doden, die dan als zaden overwinteren. De vroege groei in het voorjaar wordt door een late vorst vernietigd en daarom bedekken voorzichtige tuiniers de opkomende scheuten van hun vroege aardappelen met aarde om ze te beschermen.

Planten staan bloot aan afkoelingsstress bij temperaturen tussen 0-15 °C en aan bevriezingsstress (vorst) bij temperaturen onder 0 °C. De reacties van planten op lage temperaturen zijn misschien moeilijker te categoriseren dan die van dieren. Delen van de plant worden onder de grond beschermd en planten kunnen grote delen van hun structuur verliezen, maar overleven en herstellen. Planten lijden niet alleen onder de lage temperaturen zelf, maar ook onder de daarmee samenhangende problemen met de beschikbaarheid van water, voedingsstoffen en zuurstof. Het vermogen van planten om lage temperaturen te verdragen, varieert sterk en weerspiegelt het temperatuurmilieu van hun natuurlijke habitat. Tropische en subtropische planten, waaronder gewassen zoals maïs, sojabonen, tomaten en komkommers, lijden onder koude stress bij temperaturen van minder dan 15 °C. Hoewel ik een kas heb, hebben mijn tomaten het dit jaar niet goed gedaan vanwege een relatief koele zomer. Veel planten groeien echter met succes in koude noordelijke gematigde omstandigheden en in alpiene en arctische toendra’s. Hoe overleven ze de winter wanneer de luchttemperatuur soms tot -60°C kan dalen?

De wortels en delen van de plant onder de grond, of bedekt door sneeuw of bladstrooisel, zijn in hoge mate tegen bevriezing geïsoleerd. De plant kan zijn eigen isolatie hebben in de vorm van een donzige of wollige bedekking, een dichte massa van afgestorven aanhangende bladeren of een dikke schors. Door de grote massa van sommige planten kunnen zij de overdag opgenomen warmte opslaan en bevriezing ’s nachts voorkomen. De plant kan manieren hebben om de warmteabsorptie uit de omgeving te vergroten, zoals een rozetvorm in de bladeren en bloemen. Sommige planten beschermen hun gevoelige delen door water op te hopen, dat er lang over doet om te bevriezen, zodat de temperatuur gedurende een groot deel van een korte vriesperiode dicht bij 0 °C wordt gehouden. De plant kan zijn gevoeligste weefsels (jonge scheuten, bladeren en bloemen) tijdens de winter verliezen of niet groeien, of hij kan bijna volledig afsterven en overwinteren als een slapend zaad, bol, knol, wortelstok of wortelstok. Sommige planten vertonen zelfs een zekere mate van endothermie, waarbij warmte wordt opgewekt door metabolische activiteit. Zo kan de Noord-Amerikaanse stinkkool (Symplocarpus foetidus) de temperatuur van haar bloemen op 10 °C houden, ook al is de luchttemperatuur -15 °C, door haar ademhalingssnelheid te verhogen. Deze plant is de vroegste bloeier in het middenwesten en noordoosten van de VS, en laat zijn grote en stinkende bloemen vaak boven de sneeuw uitkomen. Ondanks deze verschillende strategieën overwinteren veel planten met delen van hun structuur boven de grond en blootgesteld aan temperaturen die tot vele graden onder 0 °C kunnen dalen. De overlevingsmechanismen van planten zijn vergelijkbaar met die van dieren. Ze zijn óf vorsttolerant óf ze vermijden bevriezing door onderkoeling. Maar omdat ze gewoonlijk een grote hoeveelheid water bevatten en in direct contact staan met bevroren grond of vorst, die inoculatieve bevriezing veroorzaakt, komt uitgebreide onderkoeling bij planten zelden voor en overleven de meeste door ijsvorming in hen te tolereren.

Veel planten kunnen onderkoelen en overleven een korte blootstelling aan temperaturen die slechts een paar graden onder het smeltpunt van hun weefsels liggen. Meer uitgebreide onderkoeling is echter zeldzaam. De bladeren van sommige groenblijvende planten hebben relatief weinig ruimte tussen hun cellen en bevatten kleine watervolumes die van elkaar gescheiden zijn door bladnerven. Hierdoor kunnen ze onderkoelen tot onder – 20 °C. In de winter kan het gevoeligste weefsel van de twijgen van appelbomen, de parenchymcellen van het xyleem (watergeleidend weefsel), onderkoelen tot – 40 °C, maar sterft het wanneer het bevriest. Het stengelweefsel van gematigde loofverliezende houtachtige angiospermen (zoals de appeltwijgen) bevat weinig ruimte tussen de cellen, zodat bevriezing in de cellen zelf plaatsvindt en de cellen dus afsterven. Ze moeten dus onderkoelen om te overleven.

Planten tolereren ijsvorming in delen van hun structuren zolang hun cellen niet bevriezen. Het ijs kan zich vormen in de extracellulaire ruimten tussen de cellen. Hierdoor stijgt de osmotische concentratie van het niet-bevroren deel door het vriesconcentratie-effect (zie figuur 5.1), waardoor water aan de cellen van de plant wordt onttrokken, waardoor deze gedeeltelijk ontdooien en niet meer kunnen bevriezen. Dit kan gebeuren omdat het membraan en de wand van de plantencel voorkomen dat het ijs buiten de cel de bevriezing van de inhoud in de hand werkt. Sommige plantenweefsels, zoals de knoppen van bladeren en bloemen, omsluiten aanzienlijke ruimten die buiten het eigenlijke plantenweefsel liggen. IJsvorming in deze ruimten (extratissue of extraorgan freezing) heeft tot gevolg dat water aan de plantenweefsels zelf wordt onttrokken. Uitdroging van het plantweefsel treedt op omdat de dampspanning van het water in het weefsel hoger is dan die van het aangrenzende ijs. Deze gedeeltelijke dehydratatie voorkomt dat het plantenweefsel bevriest. Dit proces doet zich voor in de overwinterende bloemknoppen van rododendrons, die van nature voorkomen in koude bergstreken in Noord-Amerika en Azië – zoals bijvoorbeeld de Himalaya. Het is enigszins vergelijkbaar met het “beschermende uitdrogingsmechanisme” van koudehardheid dat wordt aangetroffen in regenwormcocons en sommige springstaarten. De grote massa van planten betekent dat ze er lang over doen om te bevriezen, en een langzame vriessnelheid is een belangrijk onderdeel van hun vermogen om te overleven.

De zaden, en sommige andere weefsels, van veel planten hebben een zeer laag watergehalte in hun slapende toestand. Ze kunnen anhydrobiotisch zijn of het weinige water dat aanwezig is kan niet bevriezen. Ze kunnen dus overleven tot zeer lage temperaturen omdat er geen bevriesbaar water is. Bij lage watergehaltes, en vooral wanneer er hoge concentraties suikers zijn, kunnen cellen zeer lage temperaturen overleven door hun intracellulaire water te verglazen. In deze toestand vormt het water een glasachtige vaste stof zonder ijskristallen te vormen.

De koude- en vorsttolerantie van veel planten verandert met het seizoen als gevolg van biochemische en fysiologische veranderingen die worden teweeggebracht door het begin van de winter. De winter is echter ook een periode van rust voor de plant en het kan moeilijk zijn om veranderingen die verband houden met rust te scheiden van veranderingen die rechtstreeks verantwoordelijk zijn voor het overleven bij lage temperaturen. De plant slaat voedsel op om de winter te overleven en de groei in het voorjaar te hervatten. Sommige van de voedselreserves, zoals suikers, kunnen ook fungeren als cryoprotectant. Sluimering wordt in gang gezet door veranderingen in daglengte, omdat de dagen in de herfst korter worden, maar lage temperaturen kunnen ook directer leiden tot koudeharding. De veranderingen die tijdens de koudeharding optreden, worden in gang gezet door de productie van abscisinezuur. Dit plantenhormoon is betrokken bij de reactie op andere omgevingsstress, zoals uitdroging.

Membraanlipiden kunnen bij lage temperaturen stollen, waardoor de fysiologische functie van het membraan wordt verstoord. De temperatuur waarbij het membraan overgaat van een vloeibare naar een vaste of gelvormige toestand is afhankelijk van de lipidensamenstelling. Bij koudeharding van planten neemt het aandeel van onverzadigde vetzuren in de membranen toe. Aangezien onverzadigde vetzuren vloeibaarder zijn dan verzadigde vetzuren, kunnen hun membranen daardoor bij veel lagere temperaturen blijven functioneren. Veel planten hopen suikers (vooral sacharose, maar ook glucose en fructose) en suikeralcoholen (zoals sorbitol en mannitol) op tijdens de winter. Deze kunnen fungeren als cryoprotectant, zoals bij dieren, maar ze fungeren ook als voedselvoorraad. Trehalose wordt in het algemeen niet in planten aangetroffen, maar sucrose speelt een soortgelijke rol door zich aan membranen en eiwitten te binden, waardoor deze tegen uitdroging worden beschermd.

Een aantal eiwitten wordt door koudeharde planten gesynthetiseerd als reactie op lage temperaturen. Van sommige daarvan is aangetoond dat ze een rol spelen bij het voorkomen van vriesschade. Verscheidene van de eiwitten die worden geïnduceerd door lage temperaturen zijn verwant aan de dehydrins, die worden geproduceerd als reactie op uitdrogingstress, en aan de laat-embryogenese-abundante eiwitten van zaden (zie hoofdstuk 3). Dit is misschien niet verwonderlijk, aangezien een belangrijke stress als gevolg van extracellulaire bevriezing de uitdroging van cellen en hun membranen is. Van sommige van de eiwitten die worden geïnduceerd door koude stress is aangetoond dat zij cryoprotectieve effecten hebben in tests waarbij wordt getest of zij in staat zijn de membraanfunctie tijdens het invriezen in stand te houden. De productie van moleculaire chaperones, of heat shock-eiwitten, als reactie op koude kan een rol spelen bij het stabiliseren van eiwitten bij lage temperaturen.

Antivrieseiwitten zijn geïsoleerd uit wortelen en winterrogge. Zij blijken de grootte en de vorm van de ijskristallen die zich in de planten vormen te regelen, zodat deze de cellen niet kunnen beschadigen. Zij beïnvloeden ook de stabiliteit van het ijs door herkristallisatie tegen te gaan. Deze eiwitten bevinden zich in de buitenste cellagen en intercellulaire ruimten van de planten. Het is dus waarschijnlijk dat zij in wisselwerking staan met zowel het ijs dat in contact komt met het oppervlak van de plant als met het ijs dat zich in de intercellulaire ruimten vormt. Dit suggereert dat zij een rol kunnen spelen bij het wijzigen van de groei van ijskristallen in de plant.

micro-organismen en lage temperaturen Aangezien zij kleiner en eenvoudiger zijn dan de meeste planten of dieren, zijn micro-organismen meer overgeleverd aan de omstandigheden die hen omringen. Wanneer de temperatuur van hun omgeving daalt, worden zij rechtstreeks blootgesteld aan de spanningen die gepaard gaan met kou en bevriezing. Microbiologen maken een onderscheid tussen micro-organismen die zijn aangepast aan de kou, met een optimale groeitemperatuur van 15 °C of lager (psychrofiel), en micro-organismen die tolerant zijn ten opzichte van de kou, met normale optimale groeitemperaturen (20-40 °C) maar die lage temperaturen verdragen en zelfs langzaam groeien bij 0 °C (psychotolerant). Er zijn natuurlijk veel meer psychrotolerante dan psychrofiele micro-organismen, aangezien de stofwisselingsmechanismen en de structurele componenten van deze laatste moeten worden aangepast om bij lage temperaturen te kunnen werken. Psychrofiele organismen kunnen echter alleen groeien wanneer er vloeibaar water aanwezig is en de groei zal ophouden zodra hun habitat bevriest. Bodemwater bevriest waarschijnlijk net onder 0°C en zeewater bevriest bij ongeveer -1,9°C. Er kunnen echter onbevroren plekken overblijven en daarin kunnen micro-organismen tot veel lagere temperaturen groeien. Hoewel micro-organismen niet kunnen groeien wanneer het hen omringende water bevriest, overleven vele dit en kunnen zij de groei hervatten wanneer het water weer smelt.

Veel verschillende soorten psychotolerante micro-organismen kunnen uit warme gematigde bodems worden geïsoleerd, maar psychrofielen zijn meestal afwezig omdat zij niet kunnen concurreren met microben die bij warmere temperaturen beter kunnen groeien dan zij. Er zijn echter veel omgevingen die vaak of permanent koud zijn, wat de aanwezigheid van psychrofielen bevordert (zie hoofdstuk 2). Bijna driekwart van de aarde is bedekt met diepe oceanen. Micro-organismen die in sedimenten van diepe oceanen leven, ervaren omstandigheden die permanent koud zijn (1-3 °C), en ook bij hoge druk (zie hoofdstuk 6). Bijna constant koude omstandigheden komen ook voor in poolgebieden en op grote hoogten, die samengaan met gletsjers en permanente sneeuw. In minder extreme situaties kunnen de organismen dagelijks of seizoensgebonden aan lage temperaturen worden blootgesteld, met een overeenkomstige verandering in het evenwicht tussen omstandigheden die de groei van psychrofielen bevorderen en omstandigheden die de groei van niet-psychrofielen bevorderen. Ondanks de koude omstandigheden bevatten de Antarctische bodem en aquatische habitats echter meer psychrotolerante dan psychrofiele micro-organismen. Wellicht is het gemakkelijker de kou te verdragen en op warmere omstandigheden te wachten dan zich aan te passen aan het groeien bij lage temperaturen.

In koude omgevingen wordt een grote verscheidenheid van micro-organismen aangetroffen, waaronder bacteriën, archaea, schimmels (en gisten), eencellige algen en protisten. Zij worden aangetroffen in de bodem, de zee, meren, stromen en in associaties met planten en dieren. Psychofiele micro-organismen hebben een aantal aanpassingen waardoor ze bij lage temperaturen kunnen functioneren. Een verhoogd aandeel onverzadigde vetzuren en andere veranderingen in de lipidensamenstelling zorgen ervoor dat hun membranen vloeibaar blijven en hun fysiologische functie behouden. De enzymen van psychrofielen werken het best bij lage temperaturen. Dit lijkt een gevolg te zijn van veranderingen in hun structuur die hen flexibeler maakt in de kou, waardoor zij biologische reacties kunnen blijven katalyseren. De structurele eiwitten van psychrofielen, zoals die waaruit de microtubuli van cellen in eukaryoten bestaan (tubuline), zijn ook stabiel bij lage temperaturen.

Een plotselinge daling van de temperatuur (koude schok) of voortdurende groei bij lage temperaturen (koude acclimatisatie) stimuleert de productie van specifieke eiwitten. De koudeschokreactie gaat gepaard met de productie van stress-eiwitten, op een vergelijkbare manier als de heat shock-eiwitten die worden geproduceerd als reactie op blootstelling aan hoge temperaturen (zie hoofdstuk 4). Cold shock-eiwitten spelen wellicht een soortgelijke rol bij het verwijderen van door koude beschadigde eiwitten en fungeren als moleculaire chaperones, die de correcte vorming van andere eiwitten in de cellen ondersteunen. De functie van eiwitten die worden geproduceerd als reactie op koude acclimatisatie is minder duidelijk, maar het is mogelijk dat zij een cryobeschermende rol spelen.

Micro-organismen kunnen niet alleen tegen de kou zelf, maar moeten ook het bevriezen van hun omgeving tolereren. Dit komt waarschijnlijk voor in polaire habitats op het land, in gematigde bodems in de winter en in zee-ijs, sneeuw en gletsjers. Micro-organismen houden zelfs stand in permanent bevroren bodems (permafrost) en zij zijn geïsoleerd uit Siberische permafrost op een diepte van 400-900 meter, waarvan de bodem dateert uit de tweede helft van het Plioceen (3-5 miljoen jaar geleden). De micro-organismen die in de permafrost zijn aangetroffen, leefden in de bodem, of werden er door de wind naartoe geblazen, voordat deze bevroor en weerspiegelen het klimaat in de regio toen de omstandigheden gematigder waren. Dit verklaart waarom uit permafrost meer psychrotolerante dan psychrofiele micro-organismen kunnen worden geïsoleerd. Zij hebben zo’n lange tijd in een toestand van cryptobiose overleefd.

Omdat micro-organismen hoofdzakelijk uit één cel bestaan, kan er zich in hen geen ijs vormen, tenzij zij intracellulair bevriezen. Er zijn enkele meldingen van micro-organismen die intracellulaire bevriezing overleven, maar algemeen wordt aangenomen dat de celwand en het plasmamembraan verhinderen dat extern ijs hun bevriezing in de hand werkt. De vorming van ijs in de grond, of een ander medium, dat hen omringt, verhoogt de concentratie van zouten, waardoor een osmotische gradiënt ontstaat die de cellen uitdroogt. Het is deze uitdroging die de micro-organismen de grootste stress bezorgt tijdens het bevriezen van hun omgeving. Hun overleving wordt dus bevorderd door een langzame vriessnelheid, zodat zij zich aan de resulterende uitdroging kunnen aanpassen. De thermische inertie van een grote massa grond, of zelfs rots, betekent dat het bevriezen ervan waarschijnlijk lang zal duren. Sommige microben produceren omhulsels of slijmvliezen (extracellulaire polysacchariden), die onmiddellijk contact tussen hun cellen en het ijs in hun omgeving kunnen verhinderen. Antarctische gisten en algen accumuleren polyolen en suikers die als cryoprotectant kunnen fungeren, terwijl sommige bacteriën aminozuren accumuleren als reactie op osmotische stress. Deze kunnen een rol spelen bij vriestolerantie. Uit bacteriën zijn eiwitten met antivriesactiviteit geïsoleerd.

In het begin van de jaren zeventig werd ontdekt dat sommige bacteriën die in contact komen met het oppervlak van rottende vegetatie, een sterke ijsbindende activiteit hebben, waardoor bij temperaturen tot – 1 °C ijsvorming optreedt. De buitenste membranen van deze bacteriën bevatten eiwitten die als sjabloon fungeren voor de vorming van ijskristallen. Er zijn verschillende ijsvormende bacteriën geïsoleerd, met name uit het geslacht Pseudomonas. Er zijn ook enkele schimmels die ijskristallen vormen (Fusarium) en de schimmelcomponent van sommige korstmossen-symbiose is geassocieerd met ijskristalvorming. Over het voordeel van de ijsneucleatie voor deze micro-organismen wordt nog gespeculeerd. Aangezien het om ziekteverwekkers van planten gaat, kan ijsvorming het oppervlak van de plant beschadigen en de organismen in staat stellen de plant binnen te dringen. De nucleerende activiteit kan de condensatie van water op het oppervlak van de in de atmosfeer gebrachte bacteriën bevorderen en hen zo helpen om in de vorm van regen naar de aarde terug te keren. Het vermogen van deze organismen om bevriezing te overleven kan worden bevorderd door ervoor te zorgen dat de plantenweefsels waarmee zij in verband worden gebracht, bevriezen bij een hoge temperatuur onder nul.

Door het bevriezen van planten te bevorderen, zijn ijs-nucleerende micro-organismen verantwoordelijk voor aanzienlijke hoeveelheden vorstgerelateerde gewasschade bij voor bevriezing vatbare planten. Omgekeerd kunnen zij de overleving van vriestolerante planten bevorderen door te zorgen voor bevriezing bij hoge temperaturen onder nul en zo intracellulaire bevriezing te voorkomen. Zowel ijsvormende bacteriën als schimmels zijn geïsoleerd uit de ingewanden van insecten en vriestolerante kikkers. Voor een vriestolerant dier kan de aanwezigheid van deze micro-organismen de overleving bevorderen door bevriezing bij een hoge temperatuur onder nul te veroorzaken, maar voor een vriesmijdend dier zouden zij schadelijk zijn omdat zij onderkoeling zouden verhinderen. Dit zou een deel van de reden kunnen zijn waarom sommige vriesmijdende insecten hun ingewanden in de winter legen.

Volgende lezing vindt u hier: Weerstand en capaciteit aanpassing aan lage temperaturen

Was dit artikel nuttig?