Вопрос 35: Цикл Кребса (трикарбоновых кислот, лимонной кислоты)

Цикл Кребса представлен на рисунке, где Ф1 – цитратсинтаза (конденсирующий фермент); Ф2 – аконитаза; Ф3 – изоцитратдегидрогеназа; Ф4 – a- кетоглутаратдегидрогеназа; Ф5 – сукцинилтиокиназа; Ф6 – сукцинатдегидрогеназа; Ф7 – фумараза; Ф8 – малатдегидрогеназа; Ф9 – изоцитратлиаза; Ф10 – малатсинтетаза. Включение углеродных атомов ацетильного остатка в молекулу лимонной кислоты помечено «звездочками». Пунктирными линиями изображены реакции глиоксилатного шунта. Собственно ЦТК начинается с конденсации ацетил-КоА с молекулой щавелевоуксусной кислоты, катализируемой цитратсинтазой. Продуктами реакции являются лимонная кислота и свободный кофермент А. Лимонная кислота с помощью фермента аконитазы последовательно превращается в цис-аконитовую и изолимонную кислоты. При этом за счет перемещения гидроксила и протона при присоединении воды в молекуле изолимонной кислоты появляется группировка, -НСОН-, которой не было в молекуле лимонной кислоты и которую способна окислить НАД-зависимая дегидрогеназа. Изолимонная кислота превращается в α-кетоглутаровую кислоту в реакции, катализируемой изоцитратдегидрогеназой. На первом этапе реакции имеет место дегидрирование изолимонной кислоты, в результате которого образуются щавелевоянтарная кислота и НАД-H +Н+. На втором этапе щавелевоянтарная кислота, все еще, вероятно, связанная с ферментом, подвергается декарбоксилированию. Продукты реакции – α -кетоглутаровая кислота, освобождающаяся от фермента, и CO2. Далее α-кетоглутаровая кислота подвергается далее окислительному декарбоксилированию, катализируемому α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, в результате чего образуется сукцинил-КоА. Эта реакция – единственная необратимая реакция из десяти, составляющих ЦТК. Один из продуктов реакции – сукцинил-КоА – представляет собой соединение, содержащее высокоэнергетическую тиоэфирную связь. Следующий этап – образование янтарной кислоты из сукцинил-КоА, катализируемое сукцинилтиокиназой, в результате которого энергия, освобождающаяся при разрыве тиоэфирной связи, запасается в фосфатной связи ГТФ. ГТФ затем отдает свою фосфатную группу молекуле АДФ, что приводит к образованию АТФ. Следовательно, на данном этапе ЦТК идет субстратное фосфорилирование. Янтарная кислота окисляется в фумаровую с помощью фермента сукцинатдегидрогеназы. Кофактором фермента является ФАД. Далее фумаровая кислота гидратируется под действием фумаразы, в результате чего образуется яблочная кислота. Яблочная кислота подвергается окислению, приводящему к образованию ЩУК. Реакция катализируется НАД-зависимой малатдегидрогеназой. Этой реакцией завершается ЦТК, так как вновь регенерируется молекула-акцептор (ЩУК), запускающая следующий оборот цикла. Энергетическим «топливом», перерабатываемым в ЦТК, служат не только углеводы, но и жирные кислоты (после предварительной деградации до ацетил-КоА), а также многие аминокислоты (после удаления аминогруппы в реакциях дезаминирования или переаминирования). В результате одного оборота цикла Кребса происходят два декарбоксилирования, четыре дегидрирования и одно фосфорилирование. Итогом 2-х декарбоксилирований является выведение из цикла 2-х атомов углерода (2 молекулы CO2), т. е. их выводится ровно столько, сколько поступило в виде ацетильной группы. В результате 4-х дегидрирований образуются 3 молекулы НАД-H2 и 1 молекула ФАД-H2. Как видно, в процессе этих превращений весь водород оказывается на определенных переносчиках, а потому встает задача передать его через другие переносчики на молекулярный кислород. При окислении одной молекулы пировиноградной кислоты образуются 3 молекулы НАДН, 1 молекула НАДФН и 1 молекула ФАДН2, при окислении которых в дыхательной электрон-транспортной цепи синтезируются 1 4 молекул АТФ. Кроме того, 1 молекула АТФ образуется в результате субстратного фосфорилирования. ЦТК можно рассматривать как выработанный клеткой механизм, имеющий двоякое назначение. Основная функция его заключается в том, что это совершенный клеточный «котел», в котором осуществляются полное окисление вовлекаемого в него органического субстрата и отщепление водорода. Другая функция цикла – снабжение клетки рядом предшественников для биосинтетических процессов. Обычно ЦТК является дальнейшей «надстройкой» над анаэробными энергетическими механизмами клетки. (рисунок посмотрите сами)

41. Растения как элемент ремедиации окружающей среды. Для обезвреживания ядовитых органических веществ, попадающих в окружающую среду с отходами химических предприятий, уже давно и довольно успешно используют различные микроорганизмы. Однако они не способны удалять из почвы и воды вредные для здоровья тяжелые металлы – например, мышьяк, кадмий, медь, ртуть, селен, свинец, а также радиоактивные изотопы стронция, цезия, урана и другие радионуклиды. Иное дело зеленые растения, которые извлекают из окружающей среды и концентрируют в своих тканях различные элементы. Растительную массу не составляет особого труда собрать и сжечь, а образовавшийся пепел или захоронить, или использовать как вторичное сырье.
Этот метод очистки окружающей среды был назван фиторемедиацией – от греческого "фитон" (растение) и латинского "ремедиум" (восстанавливать).
Фиторемедиация стала эффективным и экономически выгодным методом очистки окружающей среды только после того, как обнаружили растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов, способные накапливать в своих листьях до 5% никеля, цинка или меди в пересчете на сухой вес - то есть в десятки раз больше, чем обычные растения. Биологическое значение этого феномена еще до конца не раскрыто: можно, например, предположить, что высокое содержание токсичных элементов защищает растения от вредителей и делает их более устойчивыми к болезням. Использовать гипераккумуляторы для очистки почвы и воды предложили еще в начале 80-х годов. Однако до практики было еще далеко – во-первых, потому, что биомасса этих растений была невелика, а во-вторых, потому, что не была разработана технология их выращивания. Большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных – близких родственников капусты и горчицы; один из видов горчицы, называемой индийской, или сарептской, оказался весьма эффективным накопителем свинца, меди и никеля. Свинец способны накапливать также кукуруза и известный сорняк амброзия. Растения слабо усваивают многие тяжелые металлы – например, тот же свинец – даже при их высоком содержании в почве из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений. Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загрязненной этим элементом. Проблему удалось решить, когда обнаружили, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, стоило внести подобное вещество в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, как концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг! Успешные эксперименты с этилендиаминтетрауксусной кислотой позволяют предположить, что растения усваивают малорастворимые соединения тяжелых металлов в результате того, что их корни выделяют в почву какие-то природные вещества-комплексообразователи. Например, известно, что при недостатке в растениях железа их корни выделяют в почву так называемые фитосидерофоры, которые переводят в растворимое состояние содержащиеся в почве железосодержащие минералы. Однако было замечено, что фитосидерофоры способствуют и накоплению в растениях меди, цинка, марганца. Лучше всего изучены фитосидерофоры ячменя и кукурузы – мугеиновая и дезоксимугеиновая кислоты, а также выделяемая овсом авениковая кислота; роль фитосидерофоров, возможно, играют и некоторые белки, обладающие способностью связывать тяжелые металлы и делать их более доступными для растений. Доступность для растений тяжелых металлов, связанных с частицами почвы, повышают и находящиеся в мембранах корневых клеток ферменты редуктазы. Так, установлено, что у гороха, испытывающего недостаток железа или меди, повышается способность восстанавливать ионы этих элементов. Корни некоторых растений (например, фасоли и других двудольных) могут при недостатке железа повышать кислотность почвы, в результате чего его соединения переходят в растворимое состояние. В повышении биологической доступности тяжелых металлов немалую роль может играть и корневая микрофлора.

Для очистки воды неоднократно пытались использовать растения, способные накапливать тяжелые металлы не только в стеблях и листьях, но и в корневой системе; наиболее подходящими для этой цели оказались некоторые сорта подсолнечника. Выращиваемые в специальной фильтрационной системе, они активно поглощали из воды загрязняющие вещества, производя в месяц до 1,5 кг сухого вещества корней на квадратный метр. Особенность этой установки заключалась в том, что для укоренения растений служил слой искусственной почвы толщиной всего в несколько сантиметров и через него к корням подавались минераль ные соли; основная же часть корней развивалась под слоем искусственной почвы в проточной воде, поглощая из нее тяжелые металлы. Механизмы очистки воды с помощью корней и проростков могут быть разными. При удалении свинца главную роль играет, возможно, образование нерастворимых соединений и ионная сорбция. Так, на корнях индийской горчицы, находящихся в воде, образуется нерастворимый слой, который состоит преимущественно из карбоната свинца; такой же слой образуется и на корнях кукурузы. Вместе с тем свинец может связываться и с пектиновой фракцией клеточных стенок, обладающей ионообменными свойствами.

Дальнейшего развития методов фиторемедиации можно ожидать после того, как методами генной инженерии будут созданы растения, способные более эффективно, чем известные виды, концентрировать тяжелые металлы.

42. Реакция растений на водный дефицит. Факторы, вызывающие стресс у растения, подразделяются на три группы: физические, химические, биологические. Действие одного и того же фактора при одном и том же уровне интенсивности может вызывать или не вызывать стресс у растения, в зависимости от его сопротивляемости.

От водного дефицита и неблагоприятных температурных воздействий растения защищаются тремя главными способами: с помощью механизмов, которые дают возможность избежать неблагоприятных воздействий; с помощью специальных структурных приспособлений; благодаря физиологическим свойствам, позволяющим преодолеть пагубное влияние окружающей среды.

Избежать воздействия неблагоприятных условий растения могут, проведя это время в форме устойчивых семян или в состоянии покоя. У растений пустынь листья сохраняются только в период дождей.

Структурные приспособления растений в экстремальных условиях имеются либо на протяжении всей их жизни, либо на каком-то определенном этапе развития. Назначение приспособлений – ограничить потери воды: листья покрыты толстым слоем воскообразной кутикулы (водонепроницаемый барьер); густое опушение и погруженные устьица (удержание у поверхности листа слоя влажного воздуха); снижение интенсивности транспирации. У некоторых растительных организмов листья очень мелкие или их совсем нет, у них ограничена площадь поверхности, с которой идет испарение. У других организмов – сочные листья и стебли, в них сохраняются запасы воды. Растениям характерна карликовость, что ослабляет иссушающее и охлаждающее действие ветра.

Физиологическое приспособление позволяют растениям выживать в условиях жары, холода, засухи. Многим суккулентам характерен универсальный механизм фотосинтеза, сводящий к минимуму потери воды (САМ-метаболизм). Эти растения открывают устьица и фиксируют углекислый газ в темноте, когда транспирация минимальна, и закрывают устьица на свету.

Эффективный фотосинтез протекает у них при закрытых устьицах благодаря челночному механизму, перекачивающему углекислый газ. Этот механизм важен для выживания растений в пустыне. Растения, переносящие засуху, – засухоустойчивые растения.

Растения – мезофиты менее устойчивы к засухе; они, в отличие от ксерофитов, формируют защитные механизмы лишь в ответ на засуху (онтогенетическая адаптация). Механизмы устойчивости таковы: сокращение потерь воды за счет торможения дальнейшего увеличения листовой поверхности, ингибирование растяжения, деления клеток; сокращение потерь воды за счет уменьшения площади листовой поверхности (сбрасывание листьев, при этом большая роль принадлежит ауксину и этилену; свертывание листьев в трубочку, причем испаряющая поверхность оказывается внутри); стимуляция роста корневой системы; уменьшение потерь воды за счет закрытия устьиц; аккумуляция низкомолекулярных соединений; повышение эффективности использования воды (переключение С3-типа фотосинтеза на САМ-тип). В растениях много генов, регулируемых водным дефицитом и кодирующих различные белки; интенсивность определяется спецификой тканей, органов, зависит от стадии онтогенеза и характера стресса.

На затопляемых территориях растут гидрофиты. Их особенность – наличие аэренхимы, не развивается механическая ткань, нет кутина и суберина. Восходящий ток воды поддерживается за счет корневого давления и выделения воды через гидатоды. У некоторых есть дыхательные корни.

43. Реакция растений на высокое содержание солей в почве. Солеустойчивость (галотолерантность) – это устойчивость растений к повышенной концентрации солей в почве или воде. Галофиты – растения, имеющие специальные приспособления для нормального завершения онтогенеза в условиях высокой засоленности. Галофиты делят на три группы настоящие, солевыделяющие, солепроницаемые. Настоящие галофиты – наиболее солеустойчивые растения. Они накапливают в вакуолях значительное количество солей. Для растений характерна мясистость листьев.

Солевыделяющие галофиты (криногалофиты), поглощая соли, не накапливают их внутри тканей, а выводят из клеток с помощью секреторных железок, расположенных на листьях. Этот процесс осуществляется с помощью ионных насосов и сопровождается транспортом большого объема воды.

Соленепроницаемые галофиты (гликогалофиты) растут на менее засоленных почвах. Их высокое осмотическое давление поддерживается за счет продуктов фотосинтеза. Поскольку галофитам трудно получать воду из засоленной почвы, то у них выработались некоторые признаки ксерофитов (толстая кутикула, погруженные устьица, водозапасающие ткани в листьях. Механизмы солеустойчивочти галофитов таковы: 1) поддержание ионного гомеостаза; 2) снижение водного потенциала клеток; 3) адаптация к условиям засоления.

Влияние засоления. Изменение соотношения ионов в клетке в пользу натрия сопровождается инактивацией ферментов и нарушением метаболизма. Наблюдаются нарушение ионного гомеостаза, замедление синтеза и ускорение распада белков, изменяются работа трансаминаз и протекание реакций переаминирования. В клетках идет накопление токсических веществ.

Торможение роста заключается в снижении интенсивности фотосинтеза из-за дефицита двуокиси углерода, вызванного закрыванием устьиц. Изменяется структура органоидов. Увеличивается проницаемость мембран. Клетки в зоне корневых волосков повреждаются, что приводит к плохому поглощению элементов минерального питания. Длительное засоление приводит к снижению интенсивности дыхания. Избыток солей может вызвать асинхронные деления меристематических клеток, в результате наступает ксероморфность.

44. Реакция растений на температуру. Закаливание растений. Сходные(с водным, челночным) приспособления позволяют организмам избежать повреждений под действием мороза. Повышение концентрации растворенных веществ уменьшает вероятность образования крупных кристаллов льда. В клеточных мембранах происходят изменения, делающие эти мембраны менее хрупкими при низких температурах.

Увеличивается синтез белков, обладающих особо высокой способностью к гидратации. Гидратационная вода практически не замерзает, она удерживается вблизи молекул белка силами, которые предотвращают образование кристаллов льда.

Растения, способные переносить высокую температуру, называют жароустойчивыми. У них помимо механизмов, характерных для ксерофитов, включается механизм образования белков теплового шока.

По реакции на низкие температуры различают морозо- и холодоустойчивые растения. Зимостойкость – это способность растений переносить целый комплекс неблагоприятных условий, связанных с перезимовкой. В этот период наблюдаются следующие явления: выпревание, вымокание, ледяная корка, выпирание, зимняя засуха, зимне-весенние «ожоги».

Закаливание – процесс повышения устойчивости растительных организмов к низким температурам.

Оно подготавливает весь комплекс защитных средств растения, ускоряется при остановке ростовых процессов и осуществляется при постепенном снижении температуры, а для ряда организмов – и при укороченном фотопериоде. В нашей стране теория закаливания разработана И. И. Тумановым в 1950 г. Согласно ей растения проходят три этапа подготовки: переход в состояние покоя; первая фаза закаливания; вторая фаза закаливания. Переход в состояние покоя без последующих этапов ненамного повышает устойчивость растений к низким температурам.

Процесс перехода в состояние покоя сопровождается смещением баланса фитогормонов в сторону уменьшения содержания ауксинов и гиббереллинов и увеличения содержания абсцизовой кислоты. Обработка ингибиторами роста повышает устойчивость организма к низким температурам, а обработка стимуляторами роста приводит к понижению устойчивости этих растений. У древесных растений покой наступает в начале осени и в первую фазу закаливания лишь углубляется, у травянистых растений переход в состояние покоя сопровождает первую фазу закаливания.

Первую фазу закаливания озимые злаки проходят на свету при низких положительных температурах за 6–9 дней, древесные – за 30 дней. Останавливается рост, в клетках накапливаются соединения, выполняющие защитную функцию (сахара, растворимые белки и т. д.), в мембранах возрастает содержание ненасыщенных жирных кислот, снижается точка замерзания цитоплазмы, уменьшается объем внутриклеточной воды, что тормозит образование внутриклеточного льда.

Вторая фаза закаливания отмечается постепенным понижением температуры. Эта фаза происходит при температурах ненамного ниже нуля градусов и не зависит от света. Постепенно уменьшается объем связанной воды. Изменение структуры белковых молекул приводит к тому, что они лучше связывают воду. Увеличение объема связанной воды снижает возможностьобразования льда. Увеличивается проницаемость плазмалеммы. В межклетниках образуется лед, что предотвращает образование льда в протопласте. Начинают функционировать механизмы защиты от обезвоживания, подготовленные в течение первой фазы закаливания. Однако не все растения способны к закаливанию.

45. Регуляция биосинтеза пигментов. Явление хроматической адаптации.   Большое число продуктовметаболизма растенийи микроорганизмов выделено и идентифицировано задолго до начала экспериментального изучения биосинтезаприродных соединенийэто позволило создать классификацию, основанную на сходстве химическихструктур. Основные классыприродных соединений(терпены, стероиды, алкалоиды, фенолы, углеводы, пигменты и т. д.) формировались по признаку наличия в их молекулах тех или иных характерных группировок.Биосинтез начинается с фотосинтеза. Вся жизнь на Земле зависит отспособности некоторыхорганизмов (зеленых растений, водорослей ифотосинтезирующих бактерий), содержащих характерныефотосинтезирующие пигменты, использовать энергиюсолнечной радиациидля синтеза органических молекулиз неорганических веществ — диоксида углерода, азота и серы. Продукты фотосинтезаслужат затем не толькоисходными веществами, но и источником химической энергиидля всех последующих биосинтетических реакций. Обычно принято описывать фотосинтез только как процесс образования углеводовв некоторых случаяхосновными продуктамифотосинтеза, действительно, являются исключительно крахмал, целлюлоза и сахароза, однако в других организмахна синтез углеводовидет, быть может, всего лишь третья частьуглерода, связываемого и восстанавливаемого в процессе фотосинтеза. При ближайшем рассмотрении оказывается, что нельзя провести четкую границумежду образованиемпродуктов фотосинтезаи другими биосинтетическими реакциямив клетке, в которых могут участвоватьпромежуточные веществафотосинтетического циклавосстановления углерода.

Цветоводы все время стараются создавать растения, цветки которых имеют более привлекательный внешний вид и лучше сохраняются после того, как их срежут. С помощью традиционныхметодов скрещивания за многие годы были выведены тысячи новых сортов, отличающихся друг отдруга цветоми формой цветков. Однако скрещивание растений - это кропотливая процедура, требующая много времени и имеющая свои ограничения, связанные с генным пулом конкретного вида поэтому, например, никому не удалось вывести синюю розу. В качестве альтернативы для выведения цветов с необычной окраской можноиспользовать методы, основанные на манипуляциях с генами ферментов биосинтезаантоцианинов. Антоцианины, соединения классафлавоноидов, являются наиболее распространеннымипигментами цветков.

Производные антрацена синтезируются многими типами живых организмов (растениями, лишайниками, грибами, беспозвоночными) ииграют роль пигментов и регуляторов биохимических и экологических процессов. Их биосинтез достигается двумя основными путями А — из ацетата через поликетидные предшественники, Б — циклизацией алкилированных нафталинов. Путь Б имеет в природе много меньшее распространение, чем поликетидный.

Пигменты фотосинтетического аппарата представляют собой довольносложные соединения, поэтому процесс их биосинтеза включает в себямного реакций. В установлении исходных субстратов и промежуточных соединений, из которых в конечном итоге синтезируются пигменты, большую помош ь оказал метод меченых атомов (радиоактивных изотопов). Вводя в растения различные меченые по углероду С соединения и прослеживая за эффективностью использования этих соединений в синтезе тех или иных пигментов (или промежуточных веществ), удалосьрасшифровать последовательность реакций образования зеленых и желтых пигментов фотосинтетического аппарата.

Ход процессов биосинтеза пигментов определяется влиянием целогокомплекса условий, причем характер зависимости от последних отражает сложившиеся в ходе эволюции особенности, свойственные отдельным биологическим формам и видам растений.

Интересно, что продуктивность использования света для целей синтезахлорофилла значительно повышается, если растения освещаются не постоянным, а прерывистым светом. Это показывает, что биосинтез пигментов включает, наряду с этапами, непосредственно связанными сиспользованием света, и биохимические— темновые процессы.

Из всего изложенного следует, что синтез пигментов представляетсобой не изолированную, самостоятельную систему процессов, а является процессом, связанным со всем комплексом обмена веществ растения.Можно считать установленным, что процесс биосинтеза пигментов тесно связан с жизнедеятельностью корней. Прививая настурцию на корниразных растений, наблюдали, что содержание зеленых и желтых пигментовв листьях привоя значительно изменялось в зависимости от природы подвоя. У настурции, привитой на корни конского боба, содержание хлорофиллов было на 30—50% выше, чем у настурции, привитой на собственные корни. Сильные сдвиги были обнаружены также и в содержании каротиноидов. Важно отметить, что у нормально развивающихся растений конского боба содержание пигментов также значительно выше, чем в листьях нормально развивающейся настурции. Установлено также, что влияние корней на синтез пигментов в листьях хорошо коррелирует со способностью к зеленению самих корней, если они подвергаются действию света. 

Приспособленность к определенным условиям освещения находит свое выражение и во влиянии, которое эти условия оказывают на процессы синтеза самих пигментов. В особенности интересны в этом отношениихвойные растения, у которых биосинтез пигментов протекает при пониженных (по сравнению с лиственными) интенсивностях освещения

Одним из примеров может служить хлороз, наблюдающийся у высщих растений в условиях недостаточной обеспеченности железом. Довыяснения деталей химического состава хлорофилла в данном факте пытались найти доказательство того, что железо непосредственно входит всостав молекулы этого пигмента. Лишь впоследствии выяснилось, что вызванный недостатком железа хлороз обусловлен угнетением процессов биосинтеза хлорофилла, которые в тканях растения катализируются содержащими железо ферментными системами.
Таким образом, при недостаточном азотном и фосфорном питаниинарушаются ультра структур а и нормальная функция хлоропластов, биосинтез пигментов, что приводит к снижению-продуктивности растений, т. е. устанавливается прямая зависимость между биосинтезом пигментов,структурой хлоропластов-и продуктивностью растений. 

Основные физиологические адаптации к свету касаются фотосинтеза. Изменение концентрации хлорофилла в листьях связано с приспособлением для улавливания света. При оптимальном содержании хлорофилла световые растения создают больше сухого вещества, чем теневые. При изменении освещенности у гелиофитов количество пигментов нередко падает, причем как при увеличении, так и при уменьшении интенсивности света. В ясные солнечные дни у световых растений содержание хлорофилла снижается, и минимальное его количество отмечается при наиболее сильном дневном освещении.

Классические работы по изучению физиологических адаптаций растений к условиям освещенности проделал В. Н.Любимен- ко еще в начале XX в. Изучив более 600 видов растений, он пришел к выводу, что световые листья лучше работают при более сильном свете, а теневые — при слабом. Причем активный фотосинтез тенелюбов при слабом освещении связан с более высокой концентрацией хлорофилла (у них более темная окраска в тени). Это различие хорошо заметно при сравнении содержания хлорофилла в единице массы листа. Так, у светолюбов листья содержат 1,5- 3 мг хлорофилла в 1 г листа, а у теневых видов — 4—6 мг (до 7 — 8 мг). В.Н.Любименко также показал, что если светолюбивые растения реагируют на затенение снижением содержания хлорофилла, то для теневыносливых типично возрастание его концентрации.

От условий освещенности зависит не только количество, но и состав пигментов. Так, хлорофилл представлен в листе рядом форм, отличающихся структурой и спектром поглощения. Форма а значительно преобладает над формой b в хорошо освещенных местообитаниях, а в затенении доля хлорофилла а падает. Пигменты незеленого цвета тоже содержатся в определенном отношении к хлорофиллу в разных местообитаниях. Так, Т. К. Горышина (1979) отмечает, что у сильно освещенных высокогорных растений отношение зеленых пигментов к желтым обычно выше, чем у растений с более низких высот, и намного выше, чем у растений затененных местообитаний. Особенно ярко адаптивное изменение состава пигментов проявляется у водорослей при изменении спектрального состава света на разных глубинах. Так, у красных водорослей отношение содержания фикоэритрина к хлорофиллу тем больше, чем глубже они обитают. Закономерное изменение состава пигментов водорослей на разной глубине, существенно сдвигающее спектральную кривую поглощения света, называется хроматической адаптацией.

56.57. Теория стресса была сформулирована Гансом Селье, и термин «стресс» (от англ. stress — напряжение) в физиологию растений был заимствован в медицинской науке. В настоящее время в литературе употребляют различные наименования стрессов: климатический, водный, осмотический, температурный и даже экологический. Складывается представление, что существует множество различных стрессов. Правильнее называть внешние факторы, действующие на биологическую систему и вызывающие стресс, стрессорами, а стресс рассматривать как состояние организма, формирующееся в ответ на их воздействие. Например, «температурный стрессор», «осмотический стрессор» и т. д. Реакции на стрессорные воздействия лишь при некоторых условиях являются патологическими, в принципе же они имеют адаптивное значение, и поэтому были названы Селье «общим адаптационным синдромом». В более поздних работах он объединял термины «стресс» и «общий адаптационный синдром» и употреблял как синонимы (Селье) (1982). Обычно выделяют три фазы реакции растения на воздействие неблагоприятных факторов: первичная стрессовая реакции (по Селье: тревоги), адаптации (по Селье: резистентности) и истощения. В первую фазу наблюдаются значительные отклонения в физиолого-биохимических процессах, проявляются как симптомы повреждения, так и защитная реакция. Значение защитных реакций состоит в том, что они направлены на устранение (нейтрализацию) возникающих повреждений. Если воздействие слишком велико, организм погибает еще в стадии тревоги в течение первых часов. Если этого не случилось, реакция переходит во вторую фазу.

Во второй фазе организм либо адаптируется к новым условиям существования, либо повреждения усиливаются. При медленном развитии неблагоприятных условий организм легче приспосабливается к ним. После окончания фазы адаптации растения нормально вегетируют в неблагоприятных условиях уже в адаптированном состоянии при общем пониженном уровне процессов. В фазу повреждения (истощения, гибели) усиливаются гидролитические процессы, подавляются энергообразующие и синтетические реакции, нарушается гомеостаз. При сильной напряженности стресса, превышающей пороговое для организма значение, растение гибнет. При прекращении действия стресс-фактора и нормализации условий среды включаются процессы репарации, т. е. восстановления или ликвидации повреждений. Адаптационный процесс (адаптация в широком смысле) протекает постоянно и осуществляет «настройку» организма изменениям внешней среды в пределах естественных колебаний факторов. При значительных или внезапных отклонениях условий среды возникает необходимость срочной мобилизации приспособительных реакций. Можно полагать, что стресс-реакция играет существенную роль в адаптации организма. В целом реакция растения на изменившиеся условия является комплексной, включающей изменения биохимических и физиологических процессов. Эти изменения могут носить как неспецифический, так и специфический характер. Неспецифическими являются однотипные реакции организма на действие разнородных стрессоров или разных организмов на один и тот же стресс-фактор. К специфическим относят ответные реакции, качественно отличающиеся в зависимости от фактора и генотипа. Понятие специфичности и неспецифичности адаптивных реакций применяют, во-первых, определяя отношение организма (вида, сорта) к различным стрессорам, а во-вторых, характеризуя реакцию различных организмов (видов, сортов) на один и тот же стрессор.

Таким образом, характер ответа растения на различные факторы включает в себя неспецифические реакции, возникающие при действии любых неблагоприятных условий и специфические реакции, зависящие от особенностей воздействия. Важнейшей неспецифической реакцией клеток на действие стрессоров является синтез особых белков. Ряд подобных белков, связанных со стрессом, был идентифицирован в 80—90-е годы. Установлены гены, кодирующие белки и показано, что стресс индуцирует экспрессию целого ряда генов. Это позволяет судить, какие гены ответственны за устойчивость. Стрессовые белки синтезируются в растениях в ответ на различные воздействия: анаэробиоз, повышенные и пониженные температуры, обезвоживание, высокие концентрации соли, действие тяжелых металлов, вредителей, а также при раневых эффектах и ультрафиолетовой радиации. В настоящее время обнаружено, что при каждом из этих стрессов синтезируются как общие, так и специальные для каждого из них белки. Стрессовые белки разнообразны и образуют группы высокомолекулярных и низкомолекулярных белков. Белки с одинаковой молекулярной массой представлены разными полипептидами. Это обусловлено тем, что каждую группу белков кодирует не один ген, а семейство близких генов. После завершения синтеза белка могут происходить различные модификации, например, обратимое фосфорилирование.(57) Защитная роль стрессовых белков в растении подтверждается фактами гибели клетки при введении ингибиторов синтеза белка в период действия стрессора. С другой стороны изменения в структуре гена, повреждающие синтез белков, приводят к потере устойчивости клеток. В результате изменения действия фактора или факторов происходит переключение жизни клетки на стрессовую программу. Это осуществляется одновременно на многих уровнях регуляции. Тормозится экспрессия генов, активность которых характерна для жизни клетки в нормальных условиях, и активируются гены стрессового ответа. Активирование генов стресса происходит благодаря рецепции сигнала и соответствующей сигнальной цепи. Абиотические стресс-факторы (избыток солей, повышенная температура и др.) по-видимому, активируют рецепторы в плазматической мембране. Там начинается сигнальная цепь, которая через различные интермедиаты, такие как протеинкиназы, фосфатазы приводит к образованию транскрипционного фактора. Эти факторы в ядре активируют гены путем связывания со специфическими промоторами. Последовательность реакций следующая: стресс- сигнал -> рецептор в плазмалемме -> сигнальная цепь в цитозоле —> транскрипционный фактор в ядре —> промотор стресс-индуцированного гена -> мРНК -> белок -> защитная роль в растении. В настоящее время исследованы промоторы различных стресс-индуцируемых генов, и при этом найден целый ряд регуляторных последовательностей для различных стрессоров. Например, обнаружен сегмент из 6 нуклеотидов, который активируется АБК, а также сегмент из 9 нуклеотидов, который активируется осмотическим стрессом. Предполагают, что есть последовательности, которые активируют несколько элементов. В результате изменений на транскрипционном уровне в клетках растений через 5 мин от начала стресса появляются мРНК, кодирующие стрессовые белки. Происходят изменения и в белоксинтезирующем аппарате. Распадаются полисомы, синтезирующие нормальные белки и формируются полисомы, синтезирующие стрессовые белки. Наблюдается ослабление, а затем и прекращение синтеза обычных белков в клетке, и переключение аппарата белкового синтеза на синтез стрессовых белков. Показано, что уже через 15 мин после начала воздействия стресс-фактора (теплового) в клетках обнаруживаются стрессовые белки. Их синтез постепенно нарастает, достигая максимума, а затем ослабевает. После окончания воздействия синтез стрессовых белков прекращается и возобновляется синтез белков, характерных для клетки в нормальных условиях. При этом при нормальной температуре мРНК стрессовых белков быстро разрушаются, тогда как сами белки могут сохраняться существенно дольше, обеспечивая, по-видимому, повышение устойчивости клеток к нагреву.

58. В 1991 г. академиком Тарчевским выдвинута концепция о сигнальных свойствах олигомерных промежуточных продуктов катаболизма, реализуемых путем воздействия на транскрипцию, трансляцию или на активность ранее образованных молекул ферментов. Эти так называемые стрессовые метаболиты, подобно гормонам животных, оказываются способны выполнять регуляторную функцию в последующей перестройке обмена клеток и организма в целом на новый режим в экстремальных условиях существования. Мы рассмотрим эту концепцию более подробно немного позднее. В первую фазу стресса происходят сдвиги в гормональном балансе. Возрастает интенсивность синтеза этилена и ингибиторов роста – абсцизовой и жасмоновой кислот. Количество гормонов, стимулирующих рост и развитие – ауксина, цитокинина, гиббереллинов, значительно уменьшается. Это ведет к торможению деления и роста клеток, а также роста всего растения. Таким образом, на первом этапе триады Селье у растений, в отличие от животных, происходит не активация, а торможение гормонального обмена

59. Важнейшей неспецифической реакцией на неблагоприятные воздействия является изменение свойств мембран, что связано с перестройками в их структуре. Это в значительной мере касается липидов. Наблюдаются сдвиги в соотношении различных групп жирных кислот, изменяется степень их ненасыщенности, возрастает уровень перекисного окисления липидов (ПОЛ), снижается их подвижность. Это влияет на функции мембранных белков. Структурные изменения в мембранах приводят к освобождению из связанного состояния ионов Са2+. Известна роль кальция в поддержании структуры хроматина, в регуляции активности ферментов в митохондриях и хлоропластах. В цитозоле концентрация кальция невысока (10-5—10-8 М), в то время как в апопласте и органеллах его в 103—104 раз выше. В результате стрессового воздействия поток кальция из апопласта в цитоплазму резко возрастает. Вслед за этим кальций выводится из цитоплазмы. Изменение концентрации кальция запускает специфические мембранные каналы и транспортные системы, а также вызывает структурные изменения в клетке. Нарушение структуры мембран приводит к многочисленным изменениям в метаболизме. Повышается проницаемость мембран, происходит деполяризация мембранного потенциала плазмалеммы, значение рН сдвигается в кислую сторону. Возрастает активность Н+ — помпы в плазмалемме и тонопласте. Увеличивается вязкость цитоплазмы, наблюдается торможение деления и роста клеток. Важной особенностью реакции растений на стресс-факторы является изменение напряженности энергетического обмена. Митохондрии являются основными органеллами, снабжающими клетки таким энергетическим эквивалентом как АТФ. В состоянии стресса цитохромный путь дыхания падает и возрастает альтернативный путь с его терминальной оксидазой АО, не сопровождаемой образованием АТФ. Возникает недостаток энергетических ресурсов. Между тем при стрессе необходимы дополнительные энергетические эквиваленты. Возрастают затраты АТФ на поддержание структуры и обменавеществ, что сопровождается временной активацией дыхания. В дальнейшем при усилении действия стрессора дыхание снижается, и соотношение синтеза и расхода АТФ еще больше нарушается. Возрастание активности гидролитических процессов ведет и к накоплению различных протекторных соединений, например такого низкомолекулярного осмотически активного вещества, как пролин. Пролин способен образовывать гидрофильные коллоиды, что удерживает воду и защищает белки от денатурации (при засухе, засолении, низкой или высокой температурах). Из других стрессовых метаболитов необходимо отметить образование редуцирующих Сахаров, полиаминов, бетаинов. Полиамины способны предотвращать повреждения, вызванные морозом, засухой, действием солей. Это вещества основной природы, легко связываются с отрицательно заряженными группами полимеров. Увеличивают стабильность РНК, ДНК, рибосом, стабилизируют мембраны, тормозят лизис клеточных стенок. Бетаины как метилированные производные аминокислот и аминов являются главными донорами метильных групп. Метилирование изменяет функциональную активность ДНК и других внутриклеточных полимеров и повышает их устойчивость к различным стрессовым воздействиям. Следует отметить, что перенос метильных групп на ДНК является самой распространенной модификацией ДНК. Существенную роль в ответе растений на стрессоры играет гормональная система. Показано, что при неблагоприятных условиях возрастает количество абсцизовой кислоты, этилена, жасмоновой кислоты, изменяется соотношение фитогормонов. Высказывается мнение, что у растений в отличие от животных при неблагоприятных условиях ведущую роль играют гормоны, тормозящие их функциональную активность. Это обеспечивает организму торможение роста и вхождение в покоящееся состояние. При действии неблагоприятных факторов важным для растения, является соранение нормальных донорно-акцепторных отношений, поскольку при снижении запроса на ассимиляты, уменьшается фотосинтез. Однако на уровне организма имеется возможность смягчать это явление. В ряде случаев это происходит в результате увеличения объемов запасающих тканей.

Устойчивость растений против неблагоприятных условий имеет разный характер. Она может быть основана на том, что организм тем или иным путем избегает их воздействия. Например, одни растения запасают воду (суккуленты) и тем самым избегают обезвоживания при засухе, другие растения, с очень коротким вегетационным периодом (эфемеры), приурочивают жизнедеятельность ко времени выпадения осадков. Значительно большее значение имеет устойчивость, основанная на выносливости клеток растений, т. е. способности в процессе адаптации перестраивать как скорость, так и направление метаболических реакций таким образом, чтобы и в изменившихся условиях среды вырабатывать все необходимые соединения. Разный уровень устойчивости обусловлен биологическими особенностями видов. Растения, различающиеся по устойчивости, на стрессовые воздействия реагируют однотипно, но отличаются по скорости физиологических и структурных перестроек. Для растений, устойчивых к действию стрессоров, показана большая стабильность клеточных мембран по сравнению с неустойчивыми. Сохранению целостности мембран способствует торможение распада липидов и белков, что может быть связано с эффективной работой механизмов антиоксидантной защиты. Важными является сохранение содержания ненасыщенных жирных кислот, регуляция кальциевого обмена в клетках. Это придает мембране большую пластичность и создает лучшие условия для функционирования мембран. Так, показано, что мембраны холодостойких растений отличаются большим содержанием ненасыщенных жирных кислот. Это позволяет сохранять жидкостное состояние при пониженных температурах, при которых они переходят в полужидкое состояние. Значение липидов мембран в устойчивости к низким температурам подтверждается опытами с трансгенными растениями. При изучении процессов устойчивости отмечаются случаи одновременного ее повышения к нескольким факторам после действия какого-либо одного стрессора (по П.А. Генкелю: «сопряженнаяустойчивость»). Так, установлено, что предварительный тепловой шок повышает устойчивость к водному дефициту, засолению, тяжелым металлам. С другой стороны, повышение теплоустойчивости растений отмечено при водном дефиците, действии засоления, холодовой закалке. Из неблагоприятных условий, которые вызывают стресс у растительных организмов, наиболее часто встречающимися стрессорами являются недостаток воды, высокая температура, низкая температура, высокая концентрация солей. В настоящей главе остановимся на рассмотрении физиологических основ засухоустойчивости, жаростойкости, холодоустойчивости, морозоустойчивости, зимостойкости, солеустойчивости, устойчивости к недостатку или отсутствию кислорода

60. Большая часть живых организмов на Земле не может обходиться без кислорода, который играет ключевую роль в энергетике, являясь окислителем питательных веществ. Молекулярный кислород не токсичен для клеток, однако опасность представляют продукты его неполного окисления: перекисные соединения, супероксидные радикалы, синглетный кислород и др. В связи с биологической активностью эти соединения получили название активные формы кислорода (АФК). Появление АФК вызвано тем, что молекулярный кислород (02) может перехватывать электроны у некоторых переносчиков цепи электронного транспорта. В результате одноэлектронного восстановления молекулы кислорода образуется супероксидный радикал или анион-радикал:

02 + е -> 02-.

Образование АФК происходит и при взаимодействии озона с кислородом:

03 + 02 -> 202 + 02-.

Супероксидный радикал — заряженная частица, окруженная молекулами воды. Поэтому 02- не может преодолеть мембрану, оказывается «запертым» в клетке и становится источником других форм АФК, например перекиси водорода:

02- + е + 2Н+ —> Н202.

Перекись водорода, в свою очередь, восстанавливается и дает гидроксил-радикал:

Н202 + е + Н+ -> ОН-.

Реакционная способность последнего чрезвычайно высока, поэтому гидроксил-радикал способен окислить практически любое вещество клетки, включая ДНК. Концентрации АФК в тканях невысоки и составляют 10-8—10-11 М. АФК вызывают образование органических гидропероксидов (ROOH) ДНК, белков, липидов. Этот процесс называют перекисным окислением. Гидропероксиды в ходе метаболизма способны превращаться в различные окисленные соединения — спирты, альдегиды и др. Так, в ходе перекисного окисления липидов (ПОЛ) снижается содержание ненасыщенных жирных кислот, образуются различные производные жирных кислот, а затем такие метаболиты как малоновый диальдегид, этан и др. АФК образуются в различных частях клетки. У животной клетки наибольший вклад вносит дыхательная цепь митохондрий. У растений эти процессы происходят еще и в хлоропластах. Поэтому у растений возможность образования АФК выше, чем в животной клетке. Возникновение АФК в хлоропластах обусловлено работой Rubisco по оксигеназному типу, а также фотосистемами. В ФС I появление супероксидного радикала связано с ферредоксином, а в ФС II — с фотолизом воды. В растительных митохондриях образование супероксидного радикала обусловлено не только функционированием ЭТЦ, но и наличием цианидоустойчивого дыхания. Образование АФК в клетке происходит постоянно и является обычным метаболическим процессом. АФК принимают участие в защитных реакциях, например, при действии патогенов, а также служат вторичными посредниками в передаче сигналов. Однако при неблагоприятных воздействиях (засуха, затопление, повышенная температура, тяжелые металлы, механические повреждения, гербициды и др.) происходит чрезмерное накопление АФК, что может приводить к серьезным функциональным нарушениям, поскольку повреждаются различные компоненты клеток. Примером является инициирование пероксидного окисления липидов (ПОЛ) биологических мембран, что способствует нарушению их структуры и повышению проницаемости. АФК могут вызывать повреждение фотосинтетического аппарата хлоропластов (фотоингибирование). АФК вызывают модификацию нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Ингибируется деление клетки. Особенно АФК влияют на электронтранспортную цепь хлоропластов и митохондрий. Защита клетки обеспечивается благодаря работе антиоксидантной системы (АОС), которая может осуществляться энзиматическим и неэнзиматическим путем. Основным способом защиты от АФК является их инактивация. Это достигается работой специальных ферментов: супероксиддисмутазы, катал азы и пероксидазы. Супероксиддисмутаза (СОД) — фермент, который широко распространен в природе. В активном центре СОД содержатся ионы металлов (меди, железа, марганца, цинка). Так, в митохондриях содержится Мп СОД, в хлоропластах — Fe СОД, в цитоплазме и пероксисомах — Cu-Zn СОД. СОД присутствует во всех аэробных организмах и служит для эффективного удаления супероксидных радикалов. СОД катализирует реакцию превращения двух анион-радикалов в перекись водорода (Н202) и молекулярный кислород:

202- + 2Н+ -> Н202 + 02.

Каталаза расщепляет перекись водорода с образованием воды и молекулярного кислорода, а пероксидазы восстанавливают перекись до воды специальными субстратами, например, глютатионом. Глютатиону принадлежит особая роль, что связано со способностью восстанавливать перекись водорода, гидропероксиды ROOH, а также обезвреживать вторичные метаболиты. Глютатион-зависимые ферменты работают во всех частях клетки, включая ядро, митохондрии и эндоплазматическую сеть. Антиоксидантный эффект селена также в основном опосредован глютатион-зависимыми ферментами. В растительной клетке перекись водорода образуется еще и при окислении гликолата, который является продуктом оксигеназной реакции, катализируемой РБФ-карбоксилазой/оксигеназой. В состав АОС входят низкомолекулярные вещества-антиоксиданты, способные реагировать с АФК без участия ферментов. К таким веществам относятся каротины, витамины (А, Е, С) и др. Так, аскорбиновая кислота (витамин С) способна реагировать с супероксидным и гидроксильным радикалами и тем самым снижать их концентрацию в клетке. Важность работы каротиноидов по обезвреживанию АФК доказывается опытами с мутантами. Мутанты микрооганизмов, лишенные каротиноидов, оказываются нежизнеспособными и погибают на свету в результате фотоокисления. Другим механизмом защиты от АФК является уменьшение внутриклеточной концентрации молекулярного кислорода, а соответственно и АФК в клетке. Это достигается путем усиления фотодыхания, активированием альтернативной оксидазы в ЭТЦ митохондрий, энергетического использования поглощенного кислорода, например дыхательной цепью. Кроме того, в ответ на накопление АФК могут открываться поры на внутренней мембране митохондрий, что, по-види-мому, связано с утечкой протонов. В результате стимулируется дыхание и «утилизируется» 02. При избыточном накоплении АФК клеткой и невозможности избавится от них, клетки уничтожаются апоптозом. Степень повреждений от АФК зависит от эффективности работы АОС и определяется устойчивостью растений. У устойчивых растений выше активность антиоксидантных ферментов, содержание витаминов Е и С. Показано, что введение в ткани СОД подавляет образование избыточных АФК и снижает гибель клеток под действием патогенов. Трансгенные растения с повышенной активностью СОД оказывались более устойчивыми в ряду стресс-факторов, в т. ч. водному дефициту.

66. Устойчивость растений к низким температурам.

Устойчивость растений к низким температурам подразделяют на холодостойкость - устойчивость теплолюбивых растений к низким положительным температурам, и морозоустойчивость – способность растений переносить отрицательные температуры.

Холодостойкость. При помещении теплолюбивого растения в условия низкой положительной температуры отмечается:

- постепенная потеря тургора клетками надземной части;

- у ряда видов наблюдается усиление распада белков и накопление в тканях растворимых форм азота;

- нарушается функциональная активность мембран из-за перехода насыщенных жирных кислот, входящих в их состав, из жидко-кристаллического состояния в состояние геля.

Холодостойкость теплолюбивых растений можно усилить предпосевным закаливанием проклюнувшихся семян и рассады путем выдерживания их в чередующихся условиях положительных низких температур и более высоких. Холодостойкость повышается также при замачивании семян в 0,25% растворах микроэлементов или нитрата аммония.

Морозоустойчивость.

Быстрое понижение температуры в экспериментальных условиях сопровождается образованием льда внутри клеток и, как правило, их гибелью. Постепенное снижение температуры, что обычно в естественных условиях, приводит к образованию льда в межклетниках. При этом образующиеся кристаллы льда вытесняют из межклетников воздух, и замерзшая ткань выглядит прозрачной.

Основные причины гибели клеток при низких температурах:

- обезвоживание клеток из-за оттягивания воды кристаллами льда, образующимися в межклетниках;

- механическое сжатие льдом, повреждающее клеточные структуры;

- выход ионов и сахаров из клеток, из-за нарушения их активного транспорта (повреждаются переносчики).

Приспособления растений к перенесению низких температур.

Морозоустойчивые растения способны предотвращать или уменьшать действие отрицательных низких температур. Такие растения обладают приспособлениями, уменьшающими обезвоживание клетки:

- высокая проницаемость мембран в этих условиях. Это необходимо для транспорта воды из клетки и предотвращения образования внутриклеточного льда. Проницаемость мембран в условиях низких температур сохраняется дольше, если в их составе повышается содержание ненасыщенных жирных кислот;

- усиление синтеза криопретекторов – веществ, защищающих ткани от воздействия низких температур. К ним относятся полимеры, способные связывать значительные количества воды – гидрофильные белки, моно и олигосахариды. Вода, связываемая в виде гидратных оболочек этими молекулами, не замерзает и не транспортируется, оставаясь в клетке. Другой тип полимеров-криопротекторов – молекулы гемицеллюлоз, выделяемые в клеточную стенку. Они обволакивают кристаллы льда и тормозят их рост.

- накопление запасных веществ, которые могут использоваться при возобновлении роста.

Морозоустойчивость растений можно повысить с помощью закалки. Закаливание подготавливает весь комплекс защитных механизмов. Морозоустойчивость повышают также микроэлементы. Так, цинк повышает содержание связанной воды и усиливает накопление сахаров, молибден способствует увеличению содержания общего и белкового азота. Сходный эффект оказывают кобальт, медь, ванадий и др.

67. Адаптация теплолюбивых растений к низким положительным температурам. Защитное значение при действии низких положительных температур на теплолюбивые растения имеет ряд приспособлений. Прежде всего, это поддержание стабильности мембран и предотвращение утечки ионов. Устойчивые растения отличаются большей долей ненасыщенных жирных кислот в составе фосфолипидов мембран. Это позволяет поддерживать подвижность мембран и предохраняет от разрушений. В этой связи большую роль выполняют ферменты ацетилтрансферазы и десатуразы. Последние приводят к образованию двойных связей в насыщенных жирных кислотах.

Приспособительные реакции к низким положительным температурам проявляются в способности поддерживать метаболизм при ее снижении. Это достигается более широким температурным диапазоном работы ферментов, синтезом протекторных соединений. У устойчивых растений возрастает роль пентозофосфатного пути дыхания, эффективность работы антиоксидантной системы, синтезируются стрессовые белки. Показано, что при действии низких положительных температур индуцируется синтез низкомолекулярных белков.

Для повышения холодостойкости используется предпосевное замачивание семян. Для этого наклюнувшиеся семена теплолюбивых культур в течение нескольких суток выдерживают в условиях чередующихся температур: 12 ч при 1-5°С, 12ч при 15-22°С. Эффективным является и использование микроэлементов (Zn, Mn, Сu, В, Мо). Так, замачивание семян в растворах борной кислоты, сульфата цинка или сульфата меди повышает холодоустойчивость растений. Есть данные о положительном влиянии АБК, цитокининов, хлорхолинхлорида на холодоустойчивость.

68. Морозоустойчивость растений.

Морозоустойчивость — способность растений переносить температуру ниже 0 °С, низкие отрицательные температуры. Морозоустойчивые растения способны предотвращать или уменьшать действие низких отрицательных температур. Морозы в зимний период с температурой ниже — 20 °С обычны для значительной части территории России. Воздействию морозов подвергаются однолетние, двулетние и многолетние растения. Растения переносят условия зимы в различные периоды онтогенеза. У однолетних культур зимуют семена (яровые растения), раскустившиеся растения (озимые), у двулетних и многолетних — клубни, корнеплоды, луковицы, корневища, взрослые растения. Способность озимых, многолетних травянистых и древесных плодовых культур перезимовывать обусловливается их достаточно высокой морозоустойчивостью. Ткани этих растений могут замерзать, однако растения не погибают. Большой вклад в изучение физиологических основ морозоустойчивости внесли Н. А. Максимов (1952), Г. А. Самыгин (1974), И. И. Туманов (1979) и другие отечественные исследователи.

растений, способность растений выживать в период кратковременных заморозков или длительных морозов. Один из видов зимостойкости растений (См. Зимостойкость растений). У зимующих растений М. развивается каждый год в результате длительной и сложной подготовки их к зиме (см.Закаливание растений). В тёплый период года, когда растения растут, М. их незначительна, в период зимних морозов — она максимальна. Во время оттепелей М. резко падает, а затем, если усиление морозов протекает медленно, — снова повышается. Резкие колебания температуры опасны, т. к. растения не успевают пройти повторное закаливание. М. обусловлена тем, что в клетках протекают физико-химические процессы, во-первых, затрудняющие замерзание внутриклеточной воды, а во-вторых, повышающие устойчивость клеток к обезвоживанию протопластов и к механическим деформациям их внеклеточным льдом. Эти свойства клеток развиваются в процессе закаливания растений низкими температурами в несколько этапов, начиная с периода покоя. Если на каком-либо этапе в растительных клетках не пройдут необходимые процессы, то растения окажутся недостаточно морозостойкими и могут погибнуть.

69. Адаптация растений к низким температурам. Закаливание растений.

Устойчивость растений к низким температурам подразделяют на холодостойкость и морозоустойчивость.

Под холодостойкостью понимают способность растений переносить положительные температуры несколько выше 0 оС. Для характеристики холодостойкости растений используют понятие «температурный минимум», при котором рост растений прекращается. О холодостойкости растений косвенно можно судить по показателю суммы биологических температур. Чем меньше эта величина, тем быстрее растения созревают и тем выше их устойчивость к холоду.

Показатели суммы биологических температур соответствуют скороспелости растений: очень раннеспелые имеют сумму биологических температур 1200 оС, раннеспелые - 1200-1600, среднераннеспелые – 1600 - 2200, среднеспелые – 2200 - 2800, среднепозднеспелые – 2800 - 3400, позднеспелые – 3400 - 4000 оС.

Холодостойкость теплолюбивых растений можно повысить двумя основными способами:

1) прививкой теплолюбивых растений на более холодоустойчивые подвои,

2) закаливанием.

Морозоустойчивость - способность растений переносить температуру ниже 0 °С.

Морозоустойчивость - не постоянное свойство растений. Она зависит от генетической природы организма, а также от физиологического состояния растения и условий внешней среды. Так, растения, выращенные при относительно низких положительных температурах, более устойчивы, чем выращенные при относительно высоких, в то же время один и тот же растительный организм в разных условиях способен погибнуть при температуре -5°С или перенести температуру до -40°С.

Другими словами, морозоустойчивость формируется в процессе всего развития (онтогенеза) растительного организма под влиянием определенных условий среды в соответствии с генотипом растения.

Морозоустойчивость некоторых растений (в частности, многих сортов роз) можно повысить комплексом мероприятий, и важное место среди них занимает закаливание.

Закаливание — это обратимое физиологическое приспособление растений к неблагоприятным воздействиям, происходящее под влиянием некоторых внешних условий.

Разные органы растений имеют неодинаковую способность к закаливанию, например, листья листопадных растений не обладают способностью к закаливанию; цветочные почки закаливаются хуже, чем листовые.

Процесс закаливания возможен лишь на определенных этапах развития растений. Для приобретения способности к закаливанию растения должны, прежде всего, закончить процессы роста. Сигналом к прекращению роста и стимулом для изменений в гормональной системе для растений является сокращение фотопериода и снижение температуры.

Под воздействием этих условий ослабляется синтез ростовых веществ – индолилуксусной кислоты и гиббереллинов – и усиливается образование абсцизовой кислоты и этилена. Это и приводит к торможению ростовых процессов.

Если в течение лета у многолетников процессы роста не успели закончиться, то это может вызвать массовую гибель растений зимой. Так, зимняя гибель часто вызывается летней засухой. Засуха приостанавливает рост летом, не позволяет многолетним культурам завершить ростовые процессы к осени. В результате растения оказываются неспособными пройти процессы закаливания и гибнут даже при небольших морозах. Аналогичная картина характерна для растений, выращенных при несоответствующем фотопериоде, не успевших завершить летний рост и поэтому неспособных к закаливанию. У вегетирующих растений легко вымерзают растущие и не закончившие рост органы.

Другим условием для приобретения способности к закаливанию является завершение оттока веществ. Всякое нарушение процессов оттока (кольцевание, например) препятствует закаливанию. Роль корней не сводится только к тому, что туда оттекают продукты обмена, гормоны, способствующие ростовым процессам. Важное значение имеет то, что клетки корня вырабатывают и накапливают вещества, повышающие устойчивость организма против мороза (криопротекторы).

Таким образом, процесс закаливания требует комплекса внешних условий и проходит в две фазы.

Первая фаза закаливания. Закаливание проходит на свету при пониженных плюсовых температурах (днем около +10, ночью около +2°С) и умеренной влажности. В этот период продолжается дальнейшее замедление и даже полная остановка ростовых процессов, а также с достаточной интенсивностью идет накопление криопротекторов, в частности образование сахаров.

Чем больше морозостойкость растения, тем большей способностью к накоплению сахаров в процессе фотосинтеза и к накоплению их именно при пониженной температуре оно обладает. Пониженная температура сокращает трату сахаров как в процессе дыхания, так и в процессах роста.

Влияние сахаров на повышение морозоустойчивости растений многосторонне. Накапливаясь в клетках, сахара повышают концентрацию клеточного сока, снижают водный потенциал. Чем выше концентрация раствора, тем ниже его точка замерзания, поэтому накопление сахаров стабилизирует клеточные структуры, в частности хлоропласты, благодаря чему они продолжают функционировать. Процесс запасания солнечной энергии в клетках продолжается даже при отрицательных температурах.

Особенное значение имеет защитное влияние сахара на белки, сосредоточенные в поверхностных мембранах клетки. Защитное действие сахаров проявляется только в том случае, если происходит при понижении температуры. Имеются данные, что сахара повышают устойчивость именно специфических белков, образующихся при пониженной температуре.

В первую фазу закаливания происходит также уменьшение содержания свободной воды. Излишняя влажность почвы (дождливая осень) препятствует прохождению процесса закаливания. Чем меньше в клетках и тканях содержание воды, тем меньше образуется льда и тем меньше опасность повреждения.

Влияние света в первую фазу закаливания не ограничивается увеличением накопления сахаров, помимо этого свет оказывает регуляторное воздействие. Это подтверждается тем, что этиолированные (обесцвеченные) растения не способны к закаливанию даже при обогащении их сахарами.

Среди механизмов адаптации к действию пониженных температур — синтез ряда стрессовых белков. Эти гидрофильные белки синтезируются в цитоплазме под действием низких температур и выделяются в клеточную стенку. Они располагаются на поверхности кристаллов льда, препятствуют их росту, тормозят образование межклеточного льда. Кроме того, образование таких белков позволяет использовать энергию окисления на поддержание температуры органов растений на 4—7 °С выше температуры окружающего воздуха.

К концу первой фазы закаливания клетки растений переходят в покоящееся состояние. Происходит процесс обособления цитоплазмы, что, в свою очередь, снижает возможность ее повреждения образующимися в межклетниках кристаллами льда. Особенно интенсивно перестройка обмена веществ протекает в период второй фазы закаливания.

Вторая фаза закаливания протекает при дальнейшем понижении температуры и не требует света. В связи с этим она может протекать и под снегом.

В эту фазу происходит отток воды из клеток, а также перестройка структуры протопласта. Продолжается новообразование специфических, устойчивых к обезвоживанию белков. Перестройка цитоплазмы способствует увеличению ее проницаемости для воды. Благодаря более быстрому оттоку воды уменьшается опасность внутриклеточного льдообразования.

Не для всех растений необходимо протекание процессов закаливания в две фазы. Например, у древесных растений, обладающих достаточным количеством сахаров, сразу протекают изменения, соответствующие второй.

Таким образом, в процессе закаливания возникает морозоустойчивость, которая определяется рядом изменений. У закаленных растений благодаря высокой концентрации клеточного сока, уменьшению содержания воды кристаллы льда образуются не в клетке, а в межклетниках. Количество образовавшегося льда в межклетниках у закаленных растении также значительно меньше. Изменение свойств белков цитоплазмы приводит к тому, что они становятся более устойчивыми к обезвоживанию. Накопление сахаров оказывает дополнительное защитное влияние. Цитоплазма закаленных растений более устойчива и к механическому давлению.

70. Солеустойчивость растений — это способность растений противосто