Повреждения растений при действии мороза

Морозостойкость зимующих растений основана главным образом на образовании льда в межклетниках. Некоторые ткани при этом остаются переохлажденными, сохраняя воду в клетках в незамерзшем состоянии, и могут переносить морозы до -(30—40) °C. В случае же образования внеклеточного льда при температуре ниже 0 °C начинается его гетерогенная нуклеация. Она происходит только при снижении температуры ниже 0 °C и при наличии нуклеаторов любой природы, включая даже некоторые сапрофитные бактерии. Нуклеаторами льда, в частности в листьях озимой ржи, является комплекс фосфолипида, углевода и белка, характеризующийся наличием дисульфидных связей и отсутствием сульфгидрильных групп. Лед может образоваться внутри клеток, что летально даже для морозостойких растений. Как правило, такой тип льдообразования при отрицательных температурах происходит в клетках теплолюбивых и холодостойких растений, и причиной гибели при этом является механическое разрушение клеток под влиянием кристаллов льда (рис. 5.1).

Внеклеточное же льдообразование, несмотря на все его отрицательные последствия, оказалось единственно возможным и наиболее распространенным путем выживания растений после длительного зимнего периода.

Внеорганный тип образования льда присущ, в частности, почкам зимующих растений, находящимся в состоянии покоя.

При падении температуры ниже 0 °C морозостойкому растению прежде всего необходимо избежать внутриклеточного льдообразования. Для этого нужно постепенное снижение температуры и, следовательно, медленный выход воды из клеток и замерзание ее в межклетниках, как это происходит в естественных условиях. Из внутренних факторов этому способствуют уменьшение наполовину объема вакуоли и увеличение (более чем в 2 раза) размеров объема цитоплазмы, приобретаемые во время адаптации. Большое значение имеет также увеличение водной проводимости мембран, облегчающее выход воды наружу, за пределы клетки. В хлоропласте закаленных растений исчезают крахмальные зерна и одновременно увеличиваются пластоглобулы (рис. 5.2).

Так, у озимой пшеницы доля стромы хлоропласта, занятая крахмальными зернами, уменьшилась с 14 до 2% в течение I фазы закаливания (2 °C), а в течение II фазы закаливания (от -3 °C) — до 0%. У чувствительных к холоду овощных растений после закаливания наблюдали противоположную картину: соответствующая доля увеличилась с 4 до 5% у томата и с 15 до 26% у огурца. Количество гранальных и межгранных тилакоидов и число хлоропластов также увеличивается. При Холодовой адаптации зимующих злаков (ржи и пшеницы) и теплолюбивых овощных растений (томата и огурца) у первых размеры пластидома и хлоропластов (в % от поперечного сечения клетки) увеличились в 1,2-1,9 раза, а у вторых (не способных адаптироваться к холоду в данном эксперименте) уменьшились в 1,5—2 раза. В клетках северных экотипов число митохондрий увеличено: у мятлика лугового с о. Врангеля содержалось 4 митохондрии на 100 мкм2 площади клетки, а у того же вида из Ленинградской области — лишь 2 митохондрии.

Благодаря формированию такой структуры клетка закаливается, в результате предотвращается внутриклеточная нуклеация льда и повышается устойчивость к обезвоживающему и деформирующему действию внеклеточного льдообразования (рис. 5.3).

Известно, что у морозоустойчивых растений инициация образования льда контролируется осмотическим потенциалом клетки. Его снижение за счет увеличения содержания осморегулирующих веществ, среди которых важную роль играют накапливающиеся к зиме в больших количествах сахара, позитивно коррелирует с морозоустойчивостью. Растворимые углеводы и соли снижают точку замерзания растворов прямо пропорционально числу молекул, содержащихся в данном растворе. Эти вещества не включаются в состав льда, но могут влиять на его форму.

Наряду с осмотическим потенциалом весьма важную роль в механизмах морозоустойчивости играют антифризные белки, относящиеся к углевод-связывающим белкам и обладающие двумя уникальными особенностями. Во-первых, как и сахара, они взаимодействуют с кристаллами льда, влияя на их морфологию и размер. Во-вторых, они обладают свойством термального гистерезиса, при котором температура замерзания и таяния льда не совпадают примерно на 0,1-0,7 °C. Даже в небольших количествах, адсорбируясь на поверхности мелких кристаллов льда, они могут препятствовать их рекристаллизации в более крупные кристаллы и снижать точку замерзания растворов путем связывания нуклеаторов льда. Так, в листьях озимой ржи содержание большинства белков, в том числе антифризных, в период длительной адаптации при 5 °C увеличивалось до 0,3 мг/г сырой массы и быстро уменьшалось при 20 °C. Хотя благодаря вышеперечисленным средствам защиты нуклеация льда происходит вне клеток, растения испытывают стресс от сильного обезвоживания, достигающего в частности у озимых злаков 50%. При дальнейшем увеличении потерь воды растения могут погибнуть.

Низкая температура, а также сопутствующие факторы, включая обезвоживание, сказываются на структурной организации мембранной системы клетки. В процессе охлаждения вязкость липидного бислоя мембраны постепенно повышается, а при достижении критической низкой температуры резко возрастает вследствие фазового перехода состояния липидного бислоя из жидкокристаллического в гель. В таких мембранах нарушаются прежде всего гидрофобные липид-белковые взаимодействия, которые из всех слабых связей являются наиболее чувствительными к пониженным температурам. В результате мембраносвязанные белки утрачивают свою функциональную активность, и пограничные мембраны теряют контроль за активным транспортом ионов, что приводит к повышению пассивной проницаемости и утечке ионов, среди которых ионы калия составляют около 60%. По выходу ионов из клетки можно судить о степени повреждения и даже гибели тканей.

Плазмалемма является главной мишенью действия внешних повреждающих факторов. Поверхность плазмалеммы без существенных структурных нарушений может изменяться лишь на 2—3%, при более высоких значениях наступает лизис клеток в результате действия стрессоров.

Наряду с плазмалеммой и тонопластом, цитоплазматический матрикс относится к субклеточным структурам, наиболее чувствительным к отрицательным температурам и обезвоживающему действию внеклеточного льда. Менее чувствительными к морозу являются митохондрии и хлоропласты, окруженные двойными мембранами.

Таким образом, под действием отрицательных температур и обезвоживания внеклеточным льдом окисление липидных компонентов мембран и изменения в их структуре могут достичь критических величин, которые приведут к необратимым последствиям (инфильтрации межклетников водой, потери тургора клеток и в конечном счете к их гибели), что и наблюдается у незакаленных растений. У растений, зимующих в закаленном состоянии, эти изменения не только не достигают критических значений, но и обратимы. В процессе длительной адаптации морозостойкие растения приобретают устойчивость к неблагоприятным последствиям образования внеклеточного льда, а при наступлении оптимальных для роста условий переходят к вегетации.