Понижение водного потенциала растительных клеток как стратегия избежания обезвоживания

ВОДНЫЙ ДЕФИЦИТ

Растения испытывают водный дефицит, когда скорость транспирации пре­восходит скорость поглощения воды корневой системой. Такая ситуация воз­никает не только при засухе, но и в условиях почвенного засоления, а также при низких температурах. В двух последних случаях дегидратация является ком­понентом стрессов «неводной» природы и развивается в растениях, когда ко­личество воды в почве чаще всего не ограничено, однако эта вода недоступна для растения. Например, при почвенном засолении вода не поглощается корневой системой из-за высокого осмотического давления (низкого водного по­тенциала) почвенного раствора.

Снижение содержания воды в клетках при водном дефиците и сопутствую­щее обезвоживанию увеличение концентрации ионов в цитоплазме вызывают различного рода нарушения в структуре и функциях биополимеров, в частно­сти происходит денатурация белков и подавляется их ферментативная актив­ность, изменяется структура липидного бислоя мембран и нарушается их це­лостность. Деструктивные изменения в мембранах в свою очередь приводят к нарушению внутриклеточной компартментации веществ и подавлению электрогенеза. На клеточном уровне водный дефицит выражается в потере тургора. На уровне целого растения водный дефицит часто проявляется в обращении градиента водного потенциала в системе почва —корень — побег и ингибировании роста. Способность растения адекватно отвечать на водный дефицит и выживать в условиях водного дефицита зависит от эффективности защитных механизмов растения. Некоторые ответные реакции растения на водный дефи­цит могут наблюдаться уже через несколько секунд после начала действия стрес­сора. К ним относятся, например, изменения в фосфорилировании белков. Другие ответы требуют более длительного времени — от нескольких минут до нескольких часов, как в случае изменений в экспрессии генов.

В результате индукции механизмов устойчивости к водному дефициту рас­тение становится способным пережить действие стрессора. Развитие устойчи­вости может быть результатом индукции как механизмов избежания, так и механизмов резистентности. Обе категории реакций, вовлеченные в процесс акклимации растений к водному дефициту, более детально рассмотрены ниже.

ПОНИЖЕНИЕ ВОДНОГО ПОТЕНЦИАЛА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК КАК СТРАТЕГИЯ ИЗБЕЖАНИЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

Вода движется пассивно по градиенту водного потенциала ∆ψ из области, где водный потенциал выше, в прилегающую область, где он ниже (см. подразд. 5.7 и 5.8).

Растение не может извлекать воду из почвы, если водный потенциал кле­ток корня ψ выше водного потенциала почвы ψ . Для того чтобы вода пере­двигалась из почвы в клетки корня, ψ должен быть доведен до более низкого уровня, чем ψ . Некоторые растения высокочувствительны к водному дефи­циту и завядают (теряют тур гор), когда ψ^ср становится слишком низким. Дру­гие могут переносить засуху или высокие концентрации соли в почвенном растворе без очевидной потери тургора. Клетки засухоустойчивых и солеустойчивых растений способны снижать свой водный потенциал за счет повышения внутриклеточного осмотического давления π — процесса, получившего на­звание осморегуляции. Повышение π осуществляется за счет увеличения сум­марной концентрации осмотически активных веществ в клетках (рис. 8.1). Дос­тигаемые при этом внутриклеточные осмолярности превосходят те, которые получаются в результате пассивного концентрирования веществ при дегидра­тации. Благодаря повышению π вода поступает в корни по градиенту водного потенциала. Процесс осморегуляции играет важнейшую роль в акклимации растений к засухе и почвенному засолению.

Так как осмотическое давление является функцией общего числа частиц, растворенных в данном объеме, в повышении π участвуют как низкомолеку­лярные органические соединения, так и неорганические ионы. Регуляция ос­мотического давления в цитоплазме клеток при водном и солевом стрессах осуществляется преимущественно за счет биосинтеза низкомолекулярных орга­нических соединений, которые получили название осмолитов, тогда как в вакуолярном компартменте главную роль в регуляции осмотического давления играет аккумуляция неорганических ионов.

Рис. 8.1. Осморегуляция при водном дефиците (Е. Bray et al., 2000).

В условиях водного дефицита осморегуляция осуществляется за счет накопления в клетках низко­молекулярных веществ. В цитоплазме синтезируются осмолиты, а в вакуолях аккумулируются ионы. Внутриклеточное осмотическое давление при этом повышается (снижается водный потенциал), что приводит к току воды, направленному в клетки. В клетках растений с низкоэффективным механизмом осморегуляции вещества при дегидратации концентрируются пассивно, однако овод-ненность клетки и тургор не восстанавливаются, так как низкомолекулярные соединения не накапливаются. Р — тургорное давление; % — осмотическое давление; ЧР — водный потенциал