Stres wysokotemperaturowy

• Stres wysokotemperaturowy zmniejsza plon oraz jego jakość. W świecie istnieje zapotrzebowanie na rozszerzenie upraw niektórych gatunków roślin w rejonach klimatu ciepłego.

Wiele roślin uprawnych w różnych stadiach rozwojowych jest wystawionych na działanie stresu cieplnego.

Spadek plonów

•Z tym wiąże się konieczność podniesienia poziomu tolerancji na wysoką temperaturę i na jakość plonu uzyskiwanego w danym klimacie.

• Sam proces aklimatyzacji jest niewystarczający, należy ingerować w podstawy molekularne komórki, co pozwoliłoby przenieść korzystne cechy do nowych odmian roślin.

Stres cieplny

• mniejsze rozmiary organów wegetatywnych

• mniejszą ilość liści

• zmniejszoną percepcję światła

• krótszy cykl wegetatywny

• zaburzenia związane z asymilacją CO2 (transpiracji, fotosyntezy, oddychania)

Każdy proces przebiegający w żywej komórce wymaga swoistego optimum temperaturowego. Jest ono zależne od typu reakcji, gatunku rośliny, przystosowania do środowiska, typu tkanki i etapu rozwojowego. Temperatura zbyt wysoka lub zbyt niska może spowodować uszkodzenie o charakterze strukturalnym oraz zakłócenia metaboliczne, osłabia wzrost i żywotność roślin, zamieranie komórek, organów lub całego osobnika.

Wzrost temperatury

• przyspiesza ruch cząsteczek

• osłabia wiązania wodorowe w obrębie makromolekuł

• zwiększa płynność warstw lipidowych (temperatura modyfikuje stan uporządkowania reszt kwasowych, wchodzących w skład fosfolipidów i galaktolipidów, zmienia właściwości błon, co wpływa na zmiany w gospodarce wodnej)

Ruch cząsteczek

Wiązania wodorowe

Błona komórkowa

• powoduje denaturację białek (destrukcja protoplazmy)

• zakłóca procesy metaboliczne

• zakłóca działanie pomp protonowych

Oraz pomp jonowych

Zakłóca transport metabolitów

zwłaszcza wrażliwe są błony tylakoidów – fotoukład II

bardzo termolabilny układ

NADH : oksydoreduktaza

ubichinonu

Stres cieplny

• zakłóca procesy generowania energii

• hamuje procesy fotosyntezy i oddychania (temperatura krytyczna dla fotosyntezy wynosi 43C)

• następują zaburzenia we wzroście wegetatywnym roślin – następuje zakłócenie homeostazy hormonalnej włączając w to stabilność hormonów, ich zawartość i biosyntezę

Hamuje aktywność hormonów

Syntezę i akumulację

Kwas abscysynowy jest głównym hormonem biorącym udział w reakcji roślin na stres osmotyczny. Wzrostowi temperatury towarzyszy zazwyczaj susza, to inicjuje syntezę ABA.

Heat shock proteins

• Białka szoku cieplnego (HSP – ang. heat shock proteins) występują u wielu organizmów zarówno zwierzęcych, jak i roślinnych i u mikroorganizmów. W temperaturze nieco mniejszej niż letalna następuje zahamowanie syntezy „normalnego” zestawu białek, natomiast zostaje uruchomiona synteza innych 30-50 rodzajów białek. Masa tych białek waha się w granicach 15-110 kDa.

HSPs

• Białka HSP 110 i HSP90 grupują białka o masie cząsteczkowej 94-80 kDa, HSP70, HSP60 – niskocząsteczkowe HSP 30-16 kDa, ubikwityna 8,5 kDa.

• Białka HSP są kodowane w jądrze komórkowym, syntetyzowane w cytoplazmie, po czym przenoszone do retikulum, chloroplastów, mitochondriów lub jądra.

Na podstawie analizy sekwencji i różnej lokalizacji w komórce zgrupowano je w następujące rodziny:I i II są zlokalizowane w cytozolu, III w chloroplastach, IV w mitochondriach, V w retikulum endoplazmatycznym. Istnieje jeszcze VI klasa, ale do tej pory nie wiadomo, gdzie te białka są zlokalizowane.

Funkcje białek opiekuńczych

• Białka szoku cieplnego mają znaczenie ochronne, stabilizują strukturę chromatyny, błon i innych białek, pełnią funkcję białek opiekuńczych, zwanych czaperonami (z ang. chaperones), stymulują mechanizmy naprawcze.

•Jedno z białek w chloroplastach przeciwdziała fotoinhibicji podczas szoku cieplnego na świetle. Inne białka powstają pod wpływem innych czynników np. deficytu wody, ABA, zranienia, zasolenia.

Białka opiekuńcze

• Białko zależne od ATP działające jako białko opiekuńcze kontroluje pofałdowanie innych białek. Rosnące łańcuchy polipeptydowe po przejściu do światła retikulum endoplazmatycznego nie ulegają natychmiastowemu sfałdowaniu, ale wiążą się z białkami opiekuńczymi, które utrzymują je przez parę minut w stanie rozfałdowanym. Koniec N rosnącego białka wyłania się z kanału ER na parę sekund czy minut wcześniej przed przejściem końca C do światła ER. Stężenie białka w ER wynosi 200 mg/ml, natomiast optymalne stężenie do sfałdowania wynosi 1 mg/ml, dlatego też istnieje zagrożenie niekontrolowanych sfałdowań i interakcji pomiędzy grupami funkcyjnymi (splątanie).

Ubikwityna

HSP60

• Białko HSP60 funkcjonuje jako białko wiążące dużą podjednostkę karboksylazy RuDP w chloroplaście.

Heat shock cognate proteins

• Białka opiekuńcze występują też w roślinach w temperaturach optymalnych, ale ich ilość znacznie się zwiększa podczas szoku cieplnego. Dlatego też dla nich powstała nowa nazwa HSCP – ang. heat shock cognate proteins „białka pokrewne białkom szoku cieplnego”

Wpływ wysokiej temperatury na zapylenie

• Wysoka temperatura (powyżej 38C) obniża drastycznie żywotność pyłku oraz jego kiełkowanie. Pyłek nie jest w stanie produkować wszystkich białek typu HSPs. Zapylenie roślin termolabilnych pyłkiem rośliny termotolerancyjnej powoduje wzrost płodności np. u pszenicy.

• Temp. 26C powoduje obniżenie o 10% masy korzeni i pędów u kukurydzy, a u pszenicy temp. powyżej 20C. Białka HSPs tworzą się już podczas kiełkowania, wpływa to na białka warstwy aleuronowej i na białka embrionów.

• Wysoka temp. powoduje spadek wagi nasion, wysychanie nasion, spadek zawartości skrobi, zaburzenia kompozycji lipidów i białek, słabsze kiełkowanie, spadek wigoru nasion, zmienia ich morfologię. Fala upałów przez 3 – 4 dni (35–36C) redukuje wielkość ziarniaków pszenicy. Przyjmuje się, że spadek wagi ziarniaka o 4% przypada na 1C powyżej optimum temperaturowego pszenicy, 3% dla kukurydzy i 1% dla ryżu.

Temperatury letalne• Nasiona, suche zarodniki są

niewrażliwe na zmianę temperatury. Uwodnione tkanki wykazują termiczne limity aktywności a przekroczenie ich powoduje odwracalny spadek szybkości procesów życiowych. Dalsza zmiana temperatury powoduje trwałe uszkodzenia. Wartości tych temperatur nazywamy krytycznymi lub letalnymi.

Rośliny charakteryzujące się różną wrażliwością na wysoką temperaturę

• Rośliny wrażliwe – ulegają uszkodzeniom przy 30-45C, są to eukariotyczne glony, rośliny naczyniowe rosnące pod wodą, porosty w stanie uwodnienia, większość roślin lądowych o delikatnych liściach

Stosunkowo odporne• znoszą temp. 50-60C

przez ½ godziny, absolutny limit wynosi 70C, należą do nich organizmy eukariotyczne, rośliny stanowisk słonecznych i suchych

Odporne • znoszą temp. 70-90C, organizmy

prokariotyczne żyjące w wodzie gejzerów, kominów wulkanicznych, sinice, bakterie hipertermofilne, archebakterie z głębin oceanów np. Pyrobaculum, Pyrococcus, Pyrodictium wytrzymują temp. do 110C, te organizmy charakteryzują się wysoką odpornością błon cytoplazmatycznych, białek oraz kwasów nukleinowych na wysoką temperaturę.

sinice cyjanobakterie

Archeowce i bakterie termofilne

• Zakres temp. letalnej zależy od długości okresu ekspozycji tkanki na wysoką temperaturę. Dla uwodnionych tkanek aktywnych metabolicznie temp. ta wynosi 45-55C podczas parogodzinnej ekspozycji. Rośliny wodne giną w 38-42C, a rośliny pustynne giną w 60-65C po paru godzinach. U lądowych roślin wzrost temp. jest związany z występowaniem stresu wtórnego – ujemnego bilansu wodnego z powodu intensywnej transpiracji.

Mechanizmy odporności na stres cieplny

1. Unikanie przegrzania

• gęsty kutner, wosk odbijający promienie słoneczne

• odwracanie się liści od światła

• zwijanie się blaszek liściowych

• niewielkie rozmiary liści

• duża intensywność transpiracji w warunkach dobrego uwodnienia

• dostosowania anatomiczno-fizjologiczne (np. rośliny CAM)

2. Tolerowanie wysokiej temperatury (trawy i rośliny C4)

• termostabilność enzymów

• większy udział kwasów tłuszczowych bardziej nasyconych

• synteza białek szoku cieplnego

3. Aklimatyzacja• Zachodzi bardzo szybko w

ciągu kilku godzin w temperaturze niższej niż letalna, dla większości roślin jest nieco powyżej od 38C, dla traw 38-40C

• Utrata odporności następuje nieco wolniej w ciągu kilku dni w temperaturze optymalnej

• Wzrost udziału kwasów nasyconych (są usuwane reszty acylowe bardziej nienasycone przy pomocy specyficznych hydrolaz, a następnie wbudowywane reszty nasyconych kwasów 18-węglowych przy udziale acylotransferaz lub białek transportujących lipidy (LTP – ang. lipid transfer proteins)

• Aklimacja do wysokiej temperatury musi obejmować przystosowania kompleksu PSII jako najbardziej wrażliwego na wysoką temperaturę

• Adaptacja to głównie uruchamianie cyklu ksantofilowego

• oraz wytwarzanie związków izoprenowych, które ulatniają się z powierzchni liści i w ten sposób ochładzają tkankę. Te reakcje wpływają na stabilizację membran i funkcjonowanie PSII.

• Wytwarzanie białek HSPs. Białka te towarzyszą membranom tylakoidów (17-30kDa)

• Antyoksydanty spełniają ważną rolę w adaptacji roślin do stresu. Wzrost aktywności katalazy, SOD powoduje wzrost zawartości kwasu askorbinowego, a zarazem mniejsze uszkodzenia oksydacyjne. Podawanie nadtlenku wodoru, SA na siewki gorczycy i ziemniaków powodowało wzrost termotolerancji. Z kolei salicylany i RFT kontrolowały transkrypcję HSPs włącznie z mitochondrialnymi białkami HSP22 i HSP70.

• Jony wapnia jako wtórny przekaźnik informacji w stresie cieplnym, osmotycznym i oksydacyjnym. Gdy zablokuje się kanały Ca 2+ efekt wzrostu termotolerancji niknie.