Tolerancja na zimno u roślin

Jeśli jesteś ogrodnikiem w rejonie z mroźnymi zimami, wiesz, że większość roślin nie rośnie przez zimę i przetrwa te warunki w stanie uśpienia. Pierwsze uderzenie zimna zabija kwitnące rośliny jednoroczne, które następnie zimują w postaci nasion. Wczesny wzrost na wiosnę zostanie zniszczony przez późny mróz, dlatego ostrożni ogrodnicy przykrywają ziemią pojawiające się pędy wczesnych ziemniaków, aby je chronić.

Rośliny są narażone na stres chłodzenia w temperaturach w zakresie 0-15°C oraz na stres zamarzania (mróz) w temperaturach poniżej 0°C. Reakcje roślin na niskie temperatury są być może trudniejsze do sklasyfikowania niż reakcje zwierząt. Części rośliny są chronione pod ziemią, a rośliny mogą tracić duże części swojej struktury, ale przeżywają i odzyskują siły. Rośliny cierpią nie tylko z powodu samych niskich temperatur, ale także z powodu związanych z nimi problemów z dostępnością wody, składników odżywczych i tlenu. Zdolność roślin do tolerowania niskich temperatur jest bardzo zróżnicowana, co odzwierciedla temperaturę panującą w ich naturalnym środowisku. Rośliny tropikalne i subtropikalne, w tym uprawy takie jak kukurydza, soja, pomidory i ogórki, odczuwają stres zimna w temperaturze poniżej 15 °C. Mimo że mam szklarnię, moje pomidory nie poradziły sobie w tym roku z powodu stosunkowo chłodnego lata. Wiele roślin rośnie jednak z powodzeniem w zimnych warunkach północnej strefy umiarkowanej oraz w alpejskiej i arktycznej tundrze. Jak przetrwać zimę, gdy temperatura powietrza może spaść nawet do -60°C?

Korzenie i części rośliny znajdujące się pod ziemią lub przykryte śniegiem czy ściółką z liści są w dużym stopniu izolowane od mrozu. Roślina może mieć własną izolację w postaci puchowego lub wełnistego poszycia, gęstej masy obumarłych liści lub grubej kory. Duża masa niektórych roślin pozwala im magazynować ciepło pochłaniane w ciągu dnia i zapobiegać zamarzaniu w nocy. Roślina może mieć sposoby na zwiększenie absorpcji ciepła z otoczenia, takie jak forma rozetowa w liściach i kwiatach. Niektóre rośliny chronią swoje wrażliwe części poprzez gromadzenie wody, której zamarzanie trwa długo, dzięki czemu temperatura utrzymuje się na poziomie zbliżonym do 0 °C przez większą część krótkiego okresu zamarzania. Podczas zimy roślina może utracić lub nie wyrosnąć z bardziej wrażliwych tkanek (młode pędy, liście i kwiaty), może też prawie całkowicie obumrzeć i przezimować w postaci uśpionych nasion, cebul, bulw, bulw lub kłączy. Niektóre rośliny wykazują nawet pewien stopień endotermii, wytwarzając ciepło w wyniku aktywności metabolicznej. Na przykład, kapusta skunksa (Symplocarpus foetidus) z Ameryki Północnej może utrzymać temperaturę swoich kwiatów na poziomie 10°C, nawet jeśli temperatura powietrza wynosi -15°C, poprzez zwiększenie tempa oddychania. Roślina ta jest najwcześniej kwitnącą na środkowym zachodzie i północnym wschodzie USA, często wypychając swoje duże i cuchnące kwiaty ponad śnieg. Podwyższona temperatura pomaga jej przyciągnąć owadzie zapylacze.

Mimo tych różnych strategii, wiele roślin spędza zimę z częściami swojej struktury nad ziemią i narażonych na temperatury, które mogą spaść do wielu stopni poniżej 0°C. Mechanizmy przetrwania roślin są podobne do tych, które stosują zwierzęta. Są one albo odporne na zamarzanie, albo unikają zamarzania poprzez przechłodzenie. Jednak, ponieważ zwykle zawierają duże ilości wody i są w bezpośrednim kontakcie z zamarzniętą glebą lub mrozem, który powoduje inokulacyjne zamarzanie, rozległe przechłodzenie jest rzadkie u roślin i większość z nich przeżywa tolerując tworzący się w nich lód.

Wiele roślin jest w stanie przechłodzić się i przetrwać krótkie narażenie na temperatury zaledwie kilka stopni poniżej temperatury topnienia ich tkanek. Bardziej rozległe superchłodzenie jest jednak rzadkie. Liście niektórych roślin wiecznie zielonych mają stosunkowo mało przestrzeni między komórkami, zawierają małe objętości wody, które są odizolowane od siebie przez żyłki liściowe. Dzięki temu mogą się one przechłodzić do temperatury poniżej -20 °C. Zimą najbardziej wrażliwe tkanki gałązek jabłoni, komórki parenchymalne ksylemu (tkanka przewodząca wodę), mogą przechłodzić się do temperatury – 40 °C, ale zamarzają. Tkanki łodygowe okrytozalążkowych roślin liściastych strefy umiarkowanej (takich jak gałązki jabłoni) zawierają niewiele przestrzeni między komórkami, więc jeśli dojdzie do zamrożenia, to nastąpi ono wewnątrz komórek, co spowoduje ich śmierć. Dlatego muszą się przechłodzić, aby przeżyć.

Rośliny tolerują tworzenie się lodu w częściach swoich struktur tak długo, jak ich komórki nie zamarzają. Lód może tworzyć się w przestrzeniach pozakomórkowych między komórkami. Podnosi to stężenie osmotyczne niezamarzniętej części poprzez efekt stężenia zamarzania (patrz rysunek 5.1), co z kolei powoduje pobieranie wody z komórek rośliny, częściowo je odwadniając i zapobiegając zamarzaniu. Dzieje się tak, ponieważ błona i ściana komórki roślinnej uniemożliwiają zamarzanie zawartości komórki przez lód znajdujący się na zewnątrz. Niektóre tkanki roślinne, takie jak pąki liści i kwiatów, zamykają znaczne przestrzenie, które znajdują się poza właściwą tkanką roślinną. Tworzący się w tych przestrzeniach lód (zamarzanie pozatkankowe lub pozanarządowe) powoduje pobieranie wody z samych tkanek roślinnych. Dochodzi do odwodnienia tkanki roślinnej, ponieważ ciśnienie pary wodnej w tkance jest wyższe niż w przylegającym do niej lodzie. Ta częściowa dehydratacja zapobiega zamarzaniu tkanki roślinnej. Proces ten zachodzi w zimujących pąkach kwiatowych rododendronów, które pochodzą z zimnych, górskich regionów Ameryki Północnej i Azji, takich jak na przykład Himalaje. Jest on nieco podobny do „ochronnego mechanizmu odwodnienia” zimnej odporności, który występuje w kokonach dżdżownic i niektórych springtaili. Duża masa roślin oznacza, że zamarzanie zajmuje im dużo czasu, a powolne tempo zamarzania jest ważną częścią ich zdolności do przetrwania.

Nasiona i niektóre inne tkanki wielu roślin mają bardzo niską zawartość wody w stanie spoczynku. Mogą być anhydrobiotyczne lub mała ilość wody, która jest obecna nie może zamarznąć. Mogą więc przetrwać do bardzo niskich temperatur, ponieważ nie ma w nich wody, która mogłaby zamarznąć. Przy niskiej zawartości wody, a szczególnie przy wysokim stężeniu cukrów, komórki mogą być w stanie przetrwać bardzo niskie temperatury dzięki wewnątrzkomórkowej witryfikacji wody. W tym stanie woda tworzy szkliste ciało stałe bez tworzenia kryształków lodu.

Tolerancja na zimno i mróz u wielu roślin zmienia się wraz z porą roku w wyniku zmian biochemicznych i fizjologicznych wywołanych nadejściem zimy. Jednak zima to także okres spoczynku dla roślin i może być trudno oddzielić zmiany związane ze spoczynkiem od tych, które są bezpośrednio odpowiedzialne za przetrwanie niskich temperatur. Roślina magazynuje pożywienie, aby przetrwać zimę i wznowić wzrost na wiosnę. Niektóre z tych zapasów, takie jak cukry, mogą również działać jako krioprotektanty. Stan spoczynku jest wywoływany przez zmiany długości dnia, ponieważ jesienią dni się skracają, ale niskie temperatury mogą również wywoływać zimnotrwałość w sposób bardziej bezpośredni. Zmiany zachodzące podczas zimnego hartowania są wywoływane przez produkcję kwasu abscysynowego. Ten hormon roślinny bierze udział w reakcji na inne stresy środowiskowe, takie jak wysychanie.

W niskich temperaturach lipidy błonowe mogą się zestalać, zaburzając fizjologiczną funkcję błony. Temperatura, w której błona przechodzi ze stanu płynnego do stałego lub żelowego, zależy od składu lipidów. Hartowanie roślin na zimno polega na zwiększeniu udziału nienasyconych kwasów tłuszczowych w błonach. Ponieważ nienasycone kwasy tłuszczowe są bardziej płynne niż nasycone kwasy tłuszczowe, umożliwia to ich błonom zachowanie funkcjonalności do znacznie niższych temperatur. Wiele roślin gromadzi podczas zimy cukry (szczególnie sacharozę, ale także glukozę i fruktozę) oraz alkohole cukrowe (takie jak sorbitol i mannitol). Mogą one działać jako krioprotektanty, tak jak u zwierząt, ale pełnią też rolę magazynów żywności. Trehaloza nie występuje na ogół u roślin, ale sacharoza odgrywa podobną rolę, wiążąc się z błonami i białkami, chroniąc je przed odwodnieniem.

W odpowiedzi na niskie temperatury rośliny zimnolubne syntetyzują wiele białek. Wykazano, że niektóre z nich odgrywają rolę w zapobieganiu uszkodzeniom spowodowanym mrozem. Kilka z białek indukowanych przez niskie temperatury jest związanych z dehydrynami, produkowanymi w odpowiedzi na stres suszenia, oraz z białkami nasion występującymi w późnej embriogenezie (patrz rozdział 3). Nie jest to może zaskakuj±ce, gdyż głównym stresem wynikaj±cym z zamrażania pozakomórkowego jest odwodnienie komórek i ich błon. Wykazano, że niektóre z białek indukowanych przez stres zimna mają działanie krioprotekcyjne w testach sprawdzających ich zdolność do zachowania funkcji błon podczas zamrażania. Produkcja chaperonów molekularnych lub białek szoku cieplnego w odpowiedzi na zimno może być zaangażowana w stabilizację białek w niskich temperaturach.

Białka zapobiegające zamarzaniu zostały wyizolowane z marchwi i żyta ozimego. Wydaje się, że kontrolują one wielkość i kształt kryształów lodu tworzących się w roślinach, zapobiegając ich uszkodzeniu komórek. Wpływają również na stabilność lodu poprzez hamowanie rekrystalizacji. Białka te zlokalizowane są w zewnętrznych warstwach komórek i przestrzeniach międzykomórkowych roślin. Mogą więc oddziaływać zarówno z lodem stykającym się z powierzchnią rośliny, jak i z tym tworzącym się w jej przestrzeniach międzykomórkowych. To sugeruje, że mogą one odgrywać rolę w modyfikowaniu wzrostu kryształów lodu w roślinie.

Mikroorganizmy i niskie temperatury Ponieważ są mniejsze i prostsze niż większość roślin czy zwierząt, mikroorganizmy są bardziej na łasce warunków, które je otaczają. Kiedy temperatura ich środowiska spada, są one bezpośrednio narażone na stres związany z zimnem i zamarzaniem. Mikrobiolodzy rozróżniają mikroorganizmy przystosowane do zimna, z optymalną temperaturą wzrostu 15°C lub niższą (psychrofile), oraz te, które są tolerancyjne na zimno, z normalną optymalną temperaturą wzrostu (20-40°C), ale tolerujące niskie temperatury, a nawet wolno rosnące w temperaturze 0°C (psychrotolerancyjne). Mikroorganizmów psychrotolerancyjnych jest oczywiście znacznie więcej niż psychrofilnych, ponieważ mechanizmy metaboliczne i elementy strukturalne tych ostatnich muszą być przystosowane do pracy w niskich temperaturach. Organizmy psychrofilne mogą jednak rosnąć tylko wtedy, gdy obecna jest ciekła woda, a ich wzrost ustanie, gdy ich środowisko zamarznie. Woda w glebie może zamarzać tuż poniżej 0°C, a woda morska zamarza przy około -1,9°C. Niezamarznięte kieszenie mogą jednak pozostać, a mikroorganizmy są w stanie rozwijać się w nich do znacznie niższych temperatur. Chociaż mikroorganizmy nie mogą rosnąć, kiedy woda wokół nich zamarza, wiele z nich przeżywa i może wznowić wzrost, kiedy woda ponownie się topi.

Wiele różnych typów psychrotolerancyjnych mikroorganizmów może być wyizolowanych z ciepłych gleb umiarkowanych, ale psychrofile zwykle są nieobecne, ponieważ nie mogą konkurować z mikrobami, które mogą rosnąć lepiej od nich w cieplejszych temperaturach. Istnieje jednak wiele środowisk, które są często lub stale zimne, co sprzyja występowaniu psychrofilów (patrz rozdział 2). Prawie trzy czwarte powierzchni Ziemi pokrywają głębokie oceany. Mikroorganizmy żyjące w osadach głębokich oceanów doświadczają warunków stale zimnych (1-3°C), a także wysokiego ciśnienia (patrz Rozdział 6). Prawie stale zimne warunki występują również w rejonach polarnych i na dużych wysokościach, związanych z lodowcami i trwałym śniegiem. W mniej ekstremalnych sytuacjach organizmy mogą być narażone na działanie niskich temperatur codziennie lub sezonowo, co powoduje odpowiednią zmianę równowagi między warunkami sprzyjającymi rozwojowi psychrofilów a warunkami sprzyjającymi rozwojowi niepsychrofilów. Pomimo zimnych warunków, gleba antarktyczna i siedliska wodne zawierają jednak więcej mikroorganizmów psychrotolerancyjnych niż psychrofilnych. Być może łatwiej jest tolerować zimno i czekać na cieplejsze warunki, niż przystosować się do wzrostu w niskich temperaturach.

W zimnych środowiskach występuje wiele różnych mikroorganizmów, w tym bakterie, archaea, grzyby (i drożdże), jednokomórkowe glony i protisty. Występują one w glebie, morzu, jeziorach, strumieniach i są związane z roślinami i zwierzętami. Mikroorganizmy psychrofilne posiadają szereg przystosowań, które umożliwiają im funkcjonowanie w niskich temperaturach. Zwiększona zawartość nienasyconych kwasów tłuszczowych i inne zmiany w składzie lipidów pozwalają ich błonom pozostać płynnymi i zachować fizjologiczne funkcje. Enzymy psychrofilów działają najlepiej w niskich temperaturach. Wydaje się, że jest to wynikiem zmian w ich strukturze, które sprawiają, że są one bardziej elastyczne w zimnie, co pozwala im nadal katalizować reakcje biologiczne. Białka strukturalne psychrofilów, takie jak te, które tworzą rusztowanie mikrotubul w komórkach eukariotów (tubulina), są również stabilne w niskich temperaturach.

Gwałtowny spadek temperatury (szok zimna) lub ciągły wzrost w niskich temperaturach (aklimatyzacja zimna) stymuluje produkcję specyficznych białek. Odpowiedź na szok zimna obejmuje produkcję białek stresu, w sposób podobny do białek szoku cieplnego produkowanych w odpowiedzi na ekspozycję na wysokie temperatury (patrz Rozdział 4). Białka szoku zimna mogą odgrywać podobną rolę w usuwaniu białek uszkodzonych przez zimno oraz działać jako chaperony molekularne, które wspomagają prawidłowe tworzenie innych białek w komórkach. Funkcja białek produkowanych w odpowiedzi na aklimatyzację do zimna jest mniej jasna, ale mogą one odgrywać pewną rolę krioochronną.

As well as coping with the cold itself, microorganisms may have to tolerate the freezing of their surroundings. Jest to prawdopodobne w lądowych siedliskach polarnych, umiarkowanych glebach podczas zimy, a także w lodzie morskim, śniegu i lodowcach. Mikroorganizmy utrzymują się nawet w trwale zamarzniętych glebach (wiecznej zmarzlinie) i zostały wyizolowane z syberyjskiej wiecznej zmarzliny z głębokości 400-900 metrów, której gleba pochodzi z drugiej połowy pliocenu (3-5 milionów lat temu). Mikroorganizmy znalezione w wiecznej zmarzlinie żyły w glebie, lub zostały tam przeniesione przez wiatr, zanim zamarzła i odzwierciedlają klimat regionu, kiedy warunki były bardziej umiarkowane. To wyjaśnia, dlaczego z wiecznej zmarzliny można wyizolować więcej mikroorganizmów psychrotolerancyjnych niż psychrofilnych. Przetrwały one przez tak długi czas w stanie kryptobiozy.

Ponieważ mikroorganizmy są głównie jednokomórkowe, nie może powstać w nich lód, chyba że zamarzną wewnątrzkomórkowo. Istnieje kilka doniesień o mikroorganizmach, które przetrwały zamrożenie wewnątrzkomórkowe, ale ogólnie uważa się, że ściana komórkowa i błona plazmatyczna zapobiegają osadzaniu się lodu z zewnątrz. Tworzenie się lodu w glebie lub innym otaczającym je medium powoduje wzrost stężenia soli, tworząc gradient osmotyczny, który odwadnia komórki. To właśnie to odwodnienie jest głównym stresem dla mikroorganizmów podczas zamarzania ich otoczenia. Ich przetrwanie jest więc wspomagane przez powolne tempo zamrażania, pozwalające im na dostosowanie się do powstałego odwodnienia. Bezwładność cieplna dużych brył gleby, a nawet skał, oznacza, że zamarzanie może trwać bardzo długo. Niektóre mikroby wytwarzają powłoki lub płaszcze ze śluzu (polisacharydy pozakomórkowe), które mogą zapobiegać bezpośredniemu kontaktowi ich komórek z lodem w ich środowisku. Antarktyczne drożdże i algi gromadzą poliole i cukry, które mogą działać jako krioprotektanty, podczas gdy niektóre bakterie gromadzą aminokwasy w odpowiedzi na stres osmotyczny. Mogą one odgrywać rolę w tolerancji na zamarzanie. Białka o aktywności przeciw zamarzaniu zostały wyizolowane z bakterii.

W początkach lat 70. odkryto, że niektóre bakterie związane z powierzchnią rozkładającej się roślinności mają silną aktywność zarodnikowania lodu, powodując tworzenie się lodu w temperaturach do – 1 °C. Bakterie te mają białka związane z ich powierzchnią, które mogą być czynnikami chroniącymi przed zamarzaniem. Bakterie te posiadają białka związane z ich zewnętrznymi błonami, które działają jak szablon do tworzenia kryształów lodu. Wyizolowano wiele różnych bakterii wytwarzających jądra lodu, szczególnie z rodzaju Pseudomonas. Istnieją również grzyby wytwarzające jądra lodowe (Fusarium), a aktywność nukleacyjna związana jest z grzybowym komponentem niektórych symbioz porostów. Jaka korzyść z aktywności nukleacyjnej lodu wynika dla tych mikroorganizmów jest przedmiotem spekulacji. Ponieważ są one patogenami roślin, tworzenie się lodu z nasion może uszkodzić powierzchnię rośliny i umożliwić organizmom inwazję na nią. Aktywność nukleacyjna może sprzyjać kondensacji wody na powierzchni bakterii, które zostały przeniesione do atmosfery i w ten sposób pomóc im powrócić na ziemię w postaci deszczu. Zdolność tych organizmów do przetrwania zamarzania może być wspomagana przez zapewnienie, że tkanki roślinne, z którymi są związane, zamarzają w wysokiej temperaturze poniżej zera.

Poprzez zachęcanie do zamarzania roślin, mikroorganizmy wytwarzające jądra lodu są odpowiedzialne za znaczne ilości szkód w uprawach związanych z mrozem w roślinach podatnych na zamarzanie. I odwrotnie, mogą one pomóc w przetrwaniu roślin odpornych na mróz, zapewniając zamarzanie w wysokich temperaturach poniżej zera i zapobiegając w ten sposób zamarzaniu wewnątrzkomórkowemu. Zarówno bakterie, jak i grzyby wytwarzające lód zostały wyizolowane z wnętrzności owadów i żab odpornych na zamarzanie. Dla zwierzęcia tolerującego zamrażanie, obecność tych mikroorganizmów może pomóc w przetrwaniu poprzez wytwarzanie zamrażania w wysokiej temperaturze poniżej zera, ale dla zwierzęcia unikającego zamrażania, byłyby one szkodliwe, ponieważ zapobiegałyby superchłodzeniu. To może być część powodu, dlaczego niektóre owady unikające mrozu opróżniają swoje wnętrzności podczas zimy.

Kontynuuj czytanie tutaj: Odporność i adaptacja zdolności do niskich temperatur

Czy ten artykuł był pomocny?