Действие отрицательных температур и морозоустойчивость

В умеренном и даже субтропическом климате растения могут подвергаться действию температур ниже 0 °C градусов, при которых замерзает вода. Например, для многих районов возделывания сахарного тростника характерны заморозки, при которых температура понижается в интервале от -2 до -6°С. Растения, не обладающие достаточной устойчивостью, сильно повреждаются и даже погибают. Поэтом}' сама возможность существования растений, особенно в умеренном климате, тесно связана с их морозоустойчивостью.

Морозоустойчивость — способность растений переносить охлаждение ниже 0 °C без нарушения онтогенетического развития.

Влияние отрицательных температур на физиологические процессы

Когда в 1800 г. Ж. Сенебье опубликовал фундаментальный труд под названием «Физиология растений», он написал, что причиной гибели растений от действия мороза является образование льда, который разрывает сосуды и клеточные стенки. Немецкий ботаник И. Гсппсрт (1830) просмотрел под микроскопом 220 видов растений и не обнаружил разорванных сосудов и клеток. В убитых морозом растениях клеточные стенки остаются неповрежденными.

Почему клетки гибнут от мороза? Непосредственное действие отрицательных температур не может быть причиной смерти. Семена пшеницы, кукурузы, ячменя, редиса, лука, салата прорастают после пребывания в жидком азоте (-196°С) и не погибают при выдерживании их в течение длительного времени при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С). У семян клевера всхожесть даже увеличивается после их хранения в течение 175 дней при температуре -196°С. Почки березы распускаются после действия на них температуры -196°С, если она понижается медленно (на 10 °C в сутки). Споры папоротника, ветви ивы и тополя не погибают при помещении их на несколько часов в жидкий гелий (-267°С). Листья капусты выдерживают температуру до -5 … -6°С. На рис. 9.7 представлены соплодия клубники, полученные на растениях, регенерированных из клеток, находившихся 25 лет при температуре -196°С в криобанке.

Рис. 9.7. Соплодия клубники, полученные на растениях, регенерированных из клеток, находившихся 25 лет при температуре -196°С (из криоколлекции Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН) Клетка погибает, если лед образуется в протопласте. Место образования льда зависит от скорости охлаждения. При быстром понижении температуры, например со скоростью 20°С/мин, в протопласте образуются очень мелкие ледяные кристаллики. Они являются центрами кристаллизации и называются микронуклеусами. Сами микронуклеусы не способны разрушить внутриклеточные структуры, но они быстро растут, присоединяя молекулы воды из протопласта. Образующиеся крупные кристаллы снособны механически повредить клетки. Однако в природных условиях столь быстрого понижения температуры не происходит.

При медленном же замораживании лед образуется прежде всего в межклетниках и сосудах ксилемы. Образование льда в межклетниках чаще неопасно для растения.

Еще Г. Мюллер-Тургау (1880, 1886) и Г. Молит (1897) предположили, что гибель растений при низких температурах наступает в результате обезвоживания протопласта, вызванного образованием льда в межклетниках. Это подтвердил и Н. А. Максимов в результате исследований, проведенных им в 1908—1917 гг. (Россия). Лед образуется прежде всего в межклетниках, так как менее концентрированные растворы, находящиеся в них, замерзают быстрее. Хотя крупные кристаллы льда могут оказывать механическое давление на клеточные стенки и протопласт, однако именно дегидратация является главной причиной гибели клетки. Чем ниже температура, тем большее количество воды переходит в твердое состояние и тем сильнее обезвоживается цитоплазма. Так, например, в молодых растениях озимой пшеницы при -13°С превратилось в лед 62% воды, при -14 — 64, при -17 — 67, а при -19°С — 70%. Возникшие в апопласте кристаллы льда быстро растут за счет воды, которая поступает из протопласта по градиенту водного потенциала. Это вызывает постепенное обезвоживание протопласта и приводит к денатурации белков, нарушению функционирования мембран и клеточных органелл. В результате дегидратации в клетках сильно увеличиваются концентрации растворенных веществ, и прежде всего неорганических ионов, которые обладают токсичным действием. Н. А. Максимов показал, что в условиях низких температур нарушается водный статус растений, листья после оттаивания теряют тургор, побеги увядают и погибают.

Последующие исследования показали, что в условиях отрицательных температур нарушается синтез нормальных клеточных белков, усиливается деградация макромолекул, увеличивается проницаемость мембран, прежде всего плазмалеммы, так как ее структура очень лабильна и чувствительна ко всем изменениям внешних условий.

Медленное замораживание вызывает нарушение работы транспортных систем и усиление пассивного выхода из клеток ионов, прежде всего ионов калия, сахаров и других водорастворимых веществ, что приводит к нарушению гомеостаза, а также к феофитинизации хлорофилла под действием кислот, проникающих из вакуоли в хлоропласты. Увеличивающееся выделение ионов кальция из поврежденных морозом клеток также усиливает степень повреждения мембран. В условиях гипотермии прекращается отток ассимилятов.

Низкие температуры вызывают набухание хлоропластов и митохондрий, что приводит к нарушению окислительного и фотосинтетического фосфорилирования. Уже после 3-часового промораживания синтез АТФ прекращается. Разобщение окисления и фосфорилирования является одной из типичных ответных реакций на действие низких температур.

Из холодной почвы вода поступает так плохо, что растение может увянуть. Низкие температуры почвы настолько сильно влияют на поглощение азота и калия, что нижние листья в результате реутилизации из них этих элементов засыхают и отмирают, а верхние приобретают зеленовато-желтую окраску. Если низкие температуры сопровождаются недостатком кислорода, то растения теряют устойчивость к патогенам.

Клетки, выдержавшие влияние мороза, могут погибнуть во время таяния льда при повышении температуры или сразу после оттаивания. Если лед образовался в межклетниках, то во время его таяния они заполняются водой. Это затрудняет газообмен и усиливает вымывание ионов в межклетники, что нарушает гомеостаз клеток. Во время таяния льда в межклетниках ионы движутся по градиенту концентрации из вакуоли через цитоплазму в апопласт. Следствием оттока из протопласта растворенных соединений является потеря клетками тургора, поскольку в этих условиях активный транспорт ионов и сахаров обратно в вакуоль невозможен.

После заморозка растения погибают, если на них действуют прямые солнечные лучи, однако остаются живыми в условиях затенения. У сильно освещенных растений вода, образовавшаяся в межклетниках в результате таяния льда, очень быстро испаряется, и растения погибают от дегидратации, тогда как в тени они успевают задержать потерю воды и восстановить тургор. Этот пример показывает, что при замораживании нарушаются также осмотические свойства клеток.

Первая попытка объяснить причины смерти клеток на молекулярном уровне при действии отрицательных температур была сделана Дж. Левиттом (1962). В соответствии с его гипотезой, гибель растений в этих условиях зависит от содержания в молекулах мембранных белков сульфгидрильных групп (—БП—, которые при окислении превращаются в дисульфидные (—5—Э—). Эти группы могут находиться как на поверхности, так и внутри белковой молекулы. При нормальной температуре промежутки между молекулами белка заполнены водой. Вода препятствует сближению сульфгидрильных групп молекул белка и образованию между ними дисульфидных мостиков (—Б—Б—). Под действием низких температур наблюдается частичное обезвоживание цитоплазмы, приводящее к сближению белковых глобул, между которыми могут возникнуть эти мостики. При повышении температуры кристаллы льда в межклетниках быстро тают, образовавшаяся при этом вода поступает в клетку, раздвигая белковые глобулы. В результате разрываются более слабые водородные связи, а дисульфидные связи разорваться не могут, в результате происходит денатурация белка. Таким образом, по мнению Дж. Левитта, гибель клеток наступает от повреждений, которые возникают не при понижении, а при последующем повышении температуры. Причем медленное таяние льда неопасно для организма, тогда как быстрое повышение температуры вызывает его немедленную гибель.

Итак, растения погибают в условиях действия отрицательных температур в результате образования больших кристаллов льда в протопласте и вызванных ими механических повреждений клеточных структур, но чаще вследствие образования льда в межклетниках, вызывающего сильную дегидратацию, денатурацию белков, нарушение функционирования мембран и деформацию клеток. Основными видимыми признаками повреждения растений от замерзания являются потеря тургора, инфильтрация воды в межклетники, феофитинизация хлорофилла (образование хлоротических пятен на листьях), а также отмирание верхушечной и боковых почек или всей верхушки побега.