Stres za studena v rastlinách - biológia
Aké horúce je príliš horúce na život hlboko pod dnom oceánu?
Antibiotiká z baktérií
Migrácia buniek: novoobjavená funkcia známeho proteínu
Molekulárny kompas na zarovnanie buniek
Čo robí listy na jeseň starnúcimi
Demokracia perličiek
Prostredie spoločnosti Ekembo: Ľudia tiež žili v otvorenej krajine
| Genetika | Poľnohospodárstvo, lesníctvo a chov zvierat
Pšeničná odroda vznikla krížením divých tráv
Aké horúce je príliš horúce na život hlboko pod dnom oceánu?
Stres za studena v rastlinách
Stres za studena v rastlinách sa týka stresu, vystavenia vonkajším faktorom, rastlín pri nízkych teplotách. V tropických rastlinách môže smrteľný chladový stres už existovať pri +10 ° C. K stresu z chladu patria aj účinky mrazu, teploty pod bodom mrazu vody. Schopnosť odolávať mrazu je známa ako mrazuvzdornosť.
Geografické rozdelenie
Tretinu rozlohy pevniny nikdy neovplyvní mráz. Ide o tropické oblasti s výnimkou vysokých hôr, v blízkosti pobrežia sa oblasti bez mrazu rozprestierajú aj nad trópmi. Na asi 43% pevniny je silný mráz s priemerným ročným minimom pod -20 ° C. Rastliny sa môžu pripraviť na periodicky sa opakujúce mrazy, škodia im iba v extrémne chladných zimách. Epizodické mrazy, ako sú neskoré mrazy, zvyčajne dosahujú iba –5 až –8 ° C, ale môžu byť pre rastliny nebezpečné, pretože mráz na ne zasahuje v citlivých fázach života. V tropických vysokých horách mráz prichádza každú noc, tieto mrazy dosahujú -10 až −12 ° C, ale trvajú iba pár hodín (mrazy menia podnebie).
Primárne účinky nachladnutia
Pri nižších teplotách prebiehajú chemické procesy pomalšie a rovnovážné reakcie sa posúvajú v smere uvoľňovania energie (Le Chatelierov princíp). Pre rastliny to znamená menej energie z operačného metabolizmu, menej absorpcie živín a vody z pôdy, menej produktívnych biosyntéz a v dôsledku toho zastavenie rastu. Jednotlivé životné procesy sú rôzne citlivé na chlad. Najskôr sa zastaví protoplazmatický tok a veľmi rýchlo sa zastaví aj fotosyntéza. Plazmolýza a vitálne zafarbenie sa zachovajú najdlhšie.
Rastliny citlivé na chlad
Rastliny alebo rastlinné orgány citlivé na chlad zomierajú pri teplotách od +10 do 0 ° C. Patrí sem veľa tropických rastlín a často aj kvety a plody rastlín, ktorých ďalšie orgány sú celkom necitlivé na chlad. Stupeň poškodenia chladom u rastlinného druhu závisí od hĺbky ochladenia, doby trvania a rýchlosti ochladenia alebo opätovného zahrievania. Prvé poškodenie je zvyčajne stále reverzibilné. Najskôr sa lipidy biomembrán zmenia z kvapalno-kryštalického na gélovitý stav. To znižuje selektivitu membrány, výmena látok medzi bunkovými oddeleniami už nie je primerane kontrolovaná a zložky bunky môžu difundovať smerom von. Fotosyntéza je inhibovaná a dýchanie je zvýšené. Metabolizmus sa stáva nevyváženým. Môžu sa hromadiť stresové metabolity a toxické metabolické produkty, čo v konečnom dôsledku vedie k bunkovej smrti a ďalej k smrti orgánov alebo celej rastliny.
Zmraziť
Pri mrazení je nevyhnutné miesto, kde sa formuje ľad. V rastlinách sa najskôr vytvára ľad na miestach, ktoré sa najrýchlejšie ochladia a najľahšie zamrznú. Takže v najexponovanejších rastlinných orgánoch a potom v medzibunkových oblastiach listov, väčšinou v ihličkách, a v periférnych vaskulárnych zväzkoch. Z týchto miest tvorba ľadu rýchlo postupuje pozdĺž cievnych zväzkov a v homogénnom tkanive. Lignifikované/kutinizované bunkové steny bránia šíreniu ľadu.
Nevytvrdené bunky bohaté na vodu intracelulárne zmrazia. Ľadové kryštály, ktoré sa vyvíjajú vo vnútri bunky, zvyčajne ničia životne dôležité štruktúry plazmy. Často sa však ľad vytvára mimo protoplastu v medzibunkových oblastiach alebo medzi bunkovou stenou a protoplastom. Táto extracelulárna tvorba ľadu potom pôsobí ako dehydratácia, voda z protoplastov sa odvádza, dochádza ku koncentrácii rozpustených látok. Bunkové membrány sú osmoticky namáhané a bunky sa zmenšujú. Od určitého stupňa dehydratácie sú bunky nenávratne poškodené.
Prežitie po vystavení mrazu
Rastliny, ktoré rastú v oblastiach náchylných na mráz, vyvinuli rôzne stratégie na prežitie týchto mrazových udalostí.
Ochrana pred mrazom
Ochrana pred mrazom spočíva v tepelnej izolácii a znížení tepelného žiarenia. Príkladom toho je ústup zimujúcich orgánov pod rúškom lístia alebo pod zemou (geofyty) alebo vylučovanie orgánov citlivých na mráz pred začiatkom mrazových období - napríklad opadávanie listov z drevín. V tropických vysokých horách obrích ružových rastlín na krátke nočné mrazy stačí listy uzavrieť cez citlivé končeky výhonkov, aby sa znížilo ochladenie.
Depresia a bod podchladenia pod bodom mrazu
Zníženie bodu tuhnutia je stratégia, ktorá má zabrániť zamrznutiu vody v protoplazme pri teplotách pod 0 ° C. Rozpustené látky, ktoré sú aktívne obohatené v bunkovej šťave, znižujú bod tuhnutia v priemere na -1 až -5 ° C. Predstavuje miernu, ale bezpečnú ochranu proti mrazu.
Podchladenie je labilné vo veľkobunkovom parenchýme bohatom na vodu a v xyléme (prechodná hypotermia) a je možné ho tu udržiavať iba niekoľko hodín. Mráz praskne, keď nasledujúci mechanizmus nepracuje dostatočne rýchlo.
Treťou formou ochrany je translokovaná tvorba ľadu. Vyskytuje sa vždy v xyléme a v niektorých semenách, púčikoch a tkanivách kôry a spočíva v tom, že voda sa prenáša z tkanív do medzibunkových alebo iných dutín, napríklad do neaktívnych prvkov xylému, a tu zmrzne na ľad. Bunková šťava sa tým koncentruje a tým sa spomaľuje intracelulárne zmrazenie.
U niektorých obzvlášť mrazuvzdorných druhov drevín dochádza v protoplazme k vitrifikácii. To sa dosahuje pomocou vysokých koncentrácií sacharózy a iných cukrov. V tomto stave môžu rastliny odolávať teplotám blízkym absolútnej nule.
Odolnosť proti zamrznutiu
Mrazuvzdorné (mrazuvzdorné) rastliny môžu prežiť zmrazenie svojej protoplazmy. Táto forma mrazuvzdornosti je nevyhnutná v oblastiach so silným mrazom. Za účelom dosiahnutia odolnosti proti zamrznutiu sú do biomembrány zabudované fosfolipidy stabilné za studena a v cytoplazme sa hromadia rozpustné uhľohydráty, polyoly, nízkomolekulárne zlúčeniny dusíka (aminokyseliny, polyamíny) a vo vode rozpustné proteíny. Protimrazové proteíny (AFP), hydrofilné proteíny, ktoré sa ireverzibilne viažu na ľadové kryštály a bránia ich ďalšiemu rastu, hrajú úlohu pri zabránení zamrznutiu. AFP sú známe predovšetkým z odolných plodín (raž, pšenica, jačmeň atď.).
Kalenie
Rastliny nie sú vždy odolné voči mrazu. Prakticky všetky rastliny sú vo fázach rastu citlivé na chlad. Pozemné rastliny v sezónnom podnebí získavajú schopnosť prežiť tvorbu ľadu na jeseň prostredníctvom procesov kalenia. Predpokladom toho je zastavenie rastu. V prípade mnohých drevín sa vytvrdenie dosahuje dlhodobým vystavením nízkym teplotám blízko bodu mrazu. Počas procesu predtvrdnutia sa hromadí cukor a ďalšie látky, bunky strácajú vodu a vakuola sa štiepi do mnohých malých vakuol. V ďalšom kroku sa remodelujú biomembrány a enzýmy, po ktorých bunky tolerujú dehydratáciu prostredníctvom tvorby extracelulárneho ľadu.
Nepriame účinky mrazu
Zimné mrazy sa často vyskytujú spolu s ďalšími vplyvmi prostredia. Medzi ne patrí zamrznutie vody v zemi, sneženie a tvorba snehovej pokrývky. Dlhá snehová pokrývka znižuje vegetačné obdobie kvôli nedostatku svetla. To vedie k 20 až 30, v extrémnych prípadoch až 70% stratám na úrode pri využívaní trávnatých plôch na lyžiarskych svahoch. Vrstvy ľadu bránia výmene plynov medzi rastlinami. Zmrznutie pôdy spolu s malou snehovou pokrývkou spôsobuje mrazové sucho.