Transcript KEBR562_10

Rostlina
a abiotický stres
stresová (eko)fyziologie
Tomáš Hájek
[email protected]
Stresová fyziologie
Klíčové termíny:
• Stres vs. stresový faktor
• Stres: abiotické (+ biotické) faktory
• Adaptace
• Aklima(tiza)ce; otužení (hardening / dehardening)
• Tolerance / Avoidance
Vliv stresu na:
Přežívání, růst (akumulace biomasy – výnosy), primární asimilace CO2,
příjem živin, … všechno
Idealizovaný průběh stresové reakce
1. Poplachová fáze:
2. Restituční fáze:
3. Fáze rezistence:
4. Fáze vyčerpání:
narušení buněčných struktur a funkcí
mobilizace kompenzačních mechanismů
zvýšení odolnosti rostliny
při dlouhodobém a intenzivním působení stresu
Působení stresového faktoru
Stres: Obranné mechanismy
- únik (escape) - nikoli u rostlin
- pasivní ochrana (stress avoidance – např. trichomy, kutikula… adaptace)
- aktivní – interaktivní (stress tolerance)
- programovaná buněčná smrt (apoptóza)
Anatomické a morfologické změny
Buněčný cyklus, dělení, endomembránový systém, vakuolizace buněk,
architektura buněčných stěn
Biochemické změny
Osmoregulační látky – prolin, glycin, glycin-betain, sacharidy (cuk. alkoholy)
Přizpůsobení chem. složení biomembrán (fluidita)
Kombinace stresových faktorů – příklady
Sucho/zasolení (kořen) – snížení transpirace – vysoké teploty(list) + slun. zář.
Nízké teploty (mráz) – snížení aktivity vody, osmotický stres
Vlivy prostředí na rostlinu
abiotické-fyzikální a chemické a biologické
Biotický stres
Populace rostlin a
živočichů
Záření
?
Vysoké teploty
Voda
Sucho
Záplava
Anoxie (hypoxie)
pH
CO 2
zasolení
Nízké teploty,
Chlad, mráz
Vítr
polutanty
Voda v rostlině



97 % výdej transpirací
2% zvětšování objemu a růst buněk
1 % metabolické procesy – fotosyntéza
Sucho: ψW=–1,5 MPa = osmotický stres  vadnutí
Zaplavení kořenů  anoxie = deficit O2  vadnutí
Sucho a desikace („water (drought) stress“)
Dvě základní strategie rostlin ve snaze přežít deficit vody:
(i) vyhnutí se desikaci (schopnost udržovat hydratovanou tkáň i
v období sucha, „desiccation postponement“) – typická
strategie cévnatých rostlin – homoiohydrie;
(ii) tolerance k desikaci („desiccation tolerance“, tj. přežití v
desikovaném stavu) – typicky bezcévné rostl. – poikilohydrie.
Skupina rostlin, které „unikají“ suchu („drought escapers“)
časováním své vegetativní fáze do periody vlhka a přežíváním
suchého období ve fázi semen.
- hydrofyta (vodní rostliny)
- hygrofyta (mokřady)
- mezofyta
- xerofyta (suchá stanoviště)
Nedostatek vody
1) zastavení expanzi listů
Co rostlina udělá?
GR = m (P-Y)
GR: rychlost růstu (expanze) listu
ΨP: tlak turgoru
Y: tlak, kdy dochází k plastické
deformaci buň. stěny
m: roztažnost buněčné stěny
opakovaný stres snižuje m a zvyšuje Y
Transpirace při zavírání průduchů klesá
relativně rychleji než fotosyntéza, proto se i
zvyšuje účinnost využití vody rostlinou
(WUE). V konečné fázi stresu naopak klesá
rychleji fotosyntéza.
Nedostatek vody
2) Uzavření průduchů
Kyselina abscisová (ABA)
- listy
- kořeny
- efekt pH
Nedostatek vody
3) Pokles asimilace CO2
4) Translokace asimilátů
Translokace asimilátů je ještě méně citlivá na snižování vodního potenciálu
rostliny. To dovoluje rostlinám redistribuovat zdroje při akutním stresu
suchem (nebo např. před opadem listů).
Nedostatek vody
5) Indukce opadu listů
Redukce listové plochy při stresu suchem
6) Růst kořenů do hlubších, vlhčích vrstev půdy
Nedostatek vody
Mechanické přizpůsobení
Změna sklonu listů vůči slunci:
Paraheliotropní – orientace od slunce
(Eucalyptus)
Diaheliotropní – normálně, kolmo
orientované listy
Trichomy-chlupy, tvar a velikost listu,
Kutikula-vosky-kutikulární transpirace
(5–10% celkové transpirace)
Indukce CAM syndromu při stresu
suchem nebo zasolením u CAM
fakultativních druhů (biochemické,
strukturní i fyziologické změny) př.
Mesembryanthemum crystallinum
Homoiohydrické rostliny: úplné poškození
při ztrátě 40–80% vody
Poikilohydrické rostl. přežijí úplné vysušení:
Nedostatek vody
Průduchy a kutikula
borovice
Banksia
Břečťan (Hedera)
Autor snímků: M. Šimková, PřF JU
Nedostatek vody
Kutikula
Brassica
oleracea
Festuca
arundinacea
Cyathodes
colorsol
Picea
sitchensis
Quercus
pubescens
Rosmarinus
officinalis
Nedostatek vody
Trichomy
Rhododendron
callostrotum
Quercus pubescens
Lavandula spicata
Fagus sylvatica
Phaseolus vulgaris
Anigocanthus
flavidus
Nedostatek vody
Osmotické přizpůsobení rostliny
osmotický stres z nedostatku vody, zasolení či působením nízkých teplot
Klesající vodní potenciál půdy:
 hromadění iontů ve vakuole (kde neinhibují enzymy)
 hromadění osmotik a kompatibilních solutů v cytoplasmě (AK prolin, cukry, složitější
alkoholy (alk. cukry – polyoly)), trimethyl glycin „glycin-betain“ = kvarterní amin
 vydrží dny až týdny (jde o aklimaci otužením)
 W =  S+  P
Vodní potenciál
–0,5 MPa: mírný stres
–0,5 až –1,5 MPa: střední
pod –1,5 MPa: velmi silný
Turgor = tlakový potenciál (kladný)
Osmotický potenciál (záporný)
pokles obvykle o 0,2–0,8 MPa, než se ztratí turgor
Nedostatek vody
Turgor buňky
Nedostatek vody
Osmotické přizpůsobení rostlin
Nedostatek vody
Vodní sytostní deficit
WSD = (turgidní hm.– čerstvá hm.)/(turgidní hm.-suchá hm.)
x 100 [%]
Množství vody scházející rostlině k plnému nasycení
Relativní obsah vody
RWC = [(čerstvá hm. – suchá hm.)/ (turgidní hm. – suchá hm.)]
x 100 [%]
RWC = 100% –WSD
Nedostatek vody
6)Regulace genové exprese
ABRE-“ABA
response
element“
Transkripční faktor
DREBs („dehydration
response element
binding factors“);
CBF-C „repeat binding
factor“
Shinozaki a Yamaguchi-Shinozaki,2000
Nedostatek vody
Hodnota vodního
potenciálu (MPa)
Reakce na stres
–0,1 až –0,2
Zpomalení růstu
–0,3 až –0,4
Zastavení růstu, hromadění nevyužitých asimilátů v buňkách
–0,2 až –0,8
Rychlé změny aktivity enzymů (snížení např. nitrátreduktáza nebo zvýšení
např. a-amyláza, ribonukleáza aj.).
Následkem jsou změny rychlosti mnoha procesů, např. zrychlení hydrolýzy
škrobů nebo zpomalení redukce nitrátů
Snížení tvorby cytokininů
Zpomalení buněčného dělení
Zvýšení koncentrace kyseliny abscisové (ABA) až 40x – zavírání průduchů
–1,0
Tvorba prolinu (až 100x) nebo syntéza jiných metabolitů (cukrů, polyolů –
složitých alkoholů, glycin-betainu)
= osmotické přizpůsobení, které zvyšuje osmotický tlak v buňce
–1,0 až –2,0
Vážné metabolické změny
Zastavení rychlosti fotosyntézy
Zpomalení transportních procesů v buňkách
Zvýšení aktivity hydrolytických procesů a respirace
Tyto změny jsou stále vratné, pokud stav netrvá příliš dlouho
Světelný stres-nadměrná ozářenost






I nízké intenzity ozářenosti jsou potenciálně škodlivé
Nízké pH v lumenu thylakoidu → xantofylový cyklus
( violaxanthin ↔ zeaxanthin+ antheraxanthin)
ROS (reactive oxygen species – singletový kyslík 1O2)
Aktivace superoxiddismutáz (SOD) a askorbát peroxidázy
Mehlerova reakce v PS I: redukovaný ferredoxin přenese elektron na
kyslíkový superoxidový aniont → peroxid vodíku
Avoidance:
např. trichomy – odraz světla
sklápění listů, pohyby chloroplastů
Superoxid
Singlet
Světelný stres
Reaktivní formy kyslíku (ROS) a obranné mechanismy:
Superoxid dismutáza (SOD)
O2- superoxid, H2O2 peroxid, OH• hydroxylový radikál, HO2• hydroperoxidový radikál
↓ROS↓
Světelný stres
Úloha ROS v signalizaci a zvládání stresu (zejm. H2O2)
•
•
•
•
•
Hypersenzitivní reakce při napadení patogenem
→ tvorba stresových proteinů
H2O2 je přenašeč signálu pro expresi některých genů
Přispívají ke zpevnění buň. stěny → odolnost vůči stresorům
H2O2 nutný pro syntézu ligninu z fenylpropanoidních alkoholů
Antimikrobiální účinek samotných ROS
Světelný stres
Fotomorfogentická reakce na modré světlo
tma
střední
vysoká ozářenost
Teplota
CAM (60–65 ˚C),
většinou do 45 ˚C.
Rolování listů, zmenšení
velikosti listové plochy,
zmenšení odporu
hraniční vrstvy
Teplotní stres
Extrémy teplot
Stres vysokou teplotou („heat stress, heat shock“)
Snížení absorbce radiace: optické vlastnosti povrchu listu (vosky, trichomy),
orientace, rolování
Metabolické přizpůsobení:
• saturace mastných kyselin
• produkce ochranných proteinů („heat shock proteins HSP“)
• HSP příklad: když se sazenice sóji přenesou z 25 °C do 40 °C, během minut se
začne syntetizovat skupina desítek nových HSP
• HSP fungují jako molekulární chaperony – chrání správnou prostorovou
organizaci enzymů a jiných proteinů před rozbalením a ztrátou aktivity.
Teplotní stres
Struktura plasmatické membrány
Nasycené mastné kyseliny (bez dvojných vazeb)
= membrány zachovávají svoji funkci při vyšších teplotách, v chladu však tuhnou
Teplotní stres
Chilling: působení nízkých (ale nadnulových) teplot
Fazol, rýže, rajče, okurka, paprika, meruňka, kukuřice, bavlník, mučenka,
„africká kopřiva“… jsou teplomilné a náchylné na chilling:
10°C vydrží týden
8°C vydrží 3 dny
3°C vydrží hodiny
Poškození:
• zpomalení růstu
• nízká respirace, pomalá translokace asimilátů
• změny zbarvení nebo léze na listech
• rychlá degradace a pomalá resyntéza proteinů
• vadnutí v důsledku nízké teploty půdy
• kombinace dalších stresorů, pomalá regenerace
Struktura plasmatických membrán těchto rostlin v chladu:
• mají nasycené mastné kyseliny, tuhnutí při vyšších teplotách
• oslabena vazba lipidů k membr. proteinům
• zvýšení propustnosti membrán pro ionty
(ztráta osmot. procesů, transmebránového potencálu = příjmu živin)
• nejnáchylnější jsou membrány plastidů (chloropl. > mitoch. > peroxiz.)
Jinak je ale chilling signálem pro aklimaci na mráz u mrazuvzdorných rostlin.
Teplotní stres
Mráz („freezing“)
Mráz: mechanické poškození (ledové krystaly v buňkách a orgánech) - integrita buňky,
mrazové sucho
Ochrana: kryoprotektanty: cukry, fruktany, cukerné alkoholy = osmolyty
Mrazu odolné rostliny tvoří krystaly v mimobuněčných prostorách
„Antifreeze“ proteiny (podobné u ryb) THP- „thermal hysteresis protein“
„Supercooling“ – podchlazená kapalina
Dormance (ABA ): –50 až –100 °C
- semena, spory (dehydratace, při –273°C (0 K ) vydrží neomezeně dlouho)
Nukleační centra – bakterie Pseudomonas, Erwinia na povrchu listů (avoidance
intracelulárního mrznutí)
Teplotní stres
Parenchymatické buňky plodu okurky (Cucumis sativus) během mrznutí. Vyneseny změny
teplot v čase. Teplota měřena termočkánkem. Při –5.8°C se uvolnilo skupenské teplo tání vody a
voda v listech zmrzla: (B–C) uvolnění tepla během mrznutí v buněčné stěně a mezibuněčných
prostorách; (D–E) malé teplotní píky během vnitrobuněčného mrznutí jednotlivých protoplastů.
(Podle Brown et al. 1974.)
Zasolení




6 % půd
moře, mořské sedimenty
vnitrozemí-pouště, polopouště – výpar převládá nad srážkami)
člověk – intenzivní zemědělství, hnojiva, zavlažování, solení silnic
Vlivy na rostliny a na půdu
- degradace půdní struktury, snížení pórovitosti a propustnosti, nízký vodní potenciál
- obsah solí v půdní a závlahové vodě zvyšuje její elektrickou vodivost
Rostlinné strategie:
halofyta: přirozeně rostou na zasolených půdách
(u nás vzácně např. slanorožec Salicornia prostrata,
hromadí ve vakuolách Na+ a Cl–)
glykofyta: halofóbní rostliny, pro něž je vysoký obsah iontů
v pletivech toxický
např. citrusy, avokádo, kukuřice, obilniny, cibule,
salát, fazole, bavlník, cukrovka, datlovník
Zasolení
Zasolení
Negativní vlivy vysoké koncentrace soli na rostliny
osmotický efekt: nízký (záporný) osmotický potenciál půdního roztoku, podobný
půdnímu vodnímu deficitu → osmotické přizpůsobení
toxicita iontů: Na+, Cl –, SO42–
• narušení přirozeného poměru K+/ Na+ (100mM/< 10mM)
• inaktivace enzymů, inhibice syntézy proteinů, změna propustnosti plasmatické
membrány: ztráty K+, vliv na metabolismus uhlíku
sekundární vlivy: narušení integrity membrán, produkce toxických molekul jako
ROS, buněčná smrt
Zasolení
Salinita: strategie redukce solného stresu
• odstranění nadbytku iontů (solí) z listů (na povrch listu žlázkami; opad)
• kompartmentace ve vakuole mezofylu
Kyselé půdy
příčiny:
kyselé srážky, hnojení dusíkatými hnojivy v redukované formě (NH4+),
monokultury, odvoz biomasy
půdní CaCO3: hlavní zdroj alkalinity půdu (pufrační shopnost půdy)
nepřímé vlivy: toxicita volných vícemocných iontů Al3+, Fe2+, Mn2+
vymytí Ca 2+ , Mg 2+ (K+) z půdy – deficience
nerozpustné sloučeniny PO43– s Al3+ a Fe
nedostatek N díky inhibici nitrifikačních bakterií v kyselých p.
uvolnění těžkých kovů
Hypoxie a anoxie
Vzduch v půdě do hloubky několika metrů je za běžných
podmínek podobně bohatý na kyslík jako v atmosféře.
Ve špatně odvodněné půdě (těžké jílovité půdy) nebo při
vytrvalých deštích se blokuje přístup a transport O2 a
zásobeno je jen několik centimetrů na povrchu. Tehdy a
při vyšší teplotě zvlášť, jsou kořeny rostlin ovlivněny
anoxií. Záplavy v zimě, během dormance kořenů,
většinou rostliny nepoškodí.
Rostliny vydrží v anoxických kořenových podmínkách po několik dní až měsíců
podle druhu. Např. hrách je velmi citlivý na anoxii, po 24 hod zaplavení silně
sníží růst. Rýže je opačným extrémem – při zaplavení vytváří speciální
vzdušná pletiva v kořeni, kterými zásobuje kořen kyslíkem z atmosféry nad
zemí
Rákosiny (mokřadní rostliny): interceluláry – 60% pletiv ve stoncích a
kořenech (hromadný tok vzduchu aerenchymatickými pletivy)
Hypoxie a anoxie
Obsah O2: 2–4%
~30 mol ATP
fermentace
2 mol ATP/mol Glu
Zrychlená glykolýza:
Produkty fermentace:
vyčerpání rostliny
kys. mléčná a etanol
Hypoxie a anoxie
Hypoxie: změny v chemismu půdy
mikroorganismy redukují jiné látky jako akceptory elektronů
• denitrifikace NO3–  N2
• redukce síranů: SO42–  H2S
• Fe2+, Mn2+ toxicita, vyvázání PO43– z nerozpustných solí
• inhibice nitrifikačních bakterií, N ve formě NH4+ či toxický NH3 (při bazickém pH)
Aklimační reakce
•
•
•
•
•
•
•
•
•
fytohormony (ABA-zavírání průduchů-listy, inhibice růstu)
menší syntéza cytokininů a etylénu v kořenech
přesto je etylénu v kořeni více (snížená difúze), zvyšuje se citlivost na etylén
enzymatický rozklad pektinové střední lamely buněčných stěn → aerenchym
= interceluláry v parenchymu kořene a stonku → ztlustlé, málo větvené kořeny
stresové proteiny („anaerobic stress proteins“ ASP)- asi 20
např., pyruvátdekarboxyláza, alkoholdehydrogenáza, laktátdehydrogenáza
transport O2 do kořenů (tlakový rozdíl), únik CO2 z kořenů
detoxikace (oxidace Fe2+ a Mn2+)
řízení rychlosti glykolýzy
vylučování ethanolu, produkce malátu, alaninu
Hypoxie a anoxie
Anoxie- aerenchym
Kořen kukuřice
Normální zásobení kyslíkem
Mass-flow – hromadný tok
Nedostatek kyslíku v půdě
Vzduchem vyplněné prostory v kůře
vzniklé degenerací buněk kůry
Vliv ozonu na rostliny
• Ozon zvyšuje množství
ROS (H2O2)
• Kyselina salicylová,
ligniny, kalóza,
• antioxidanty
(sekundární metabolity):
karotenoidy, askorbát,
vitamin E (tokoferol),
glutathion, polyaminy
Souhrn
Obecné změny v reakci na stres
Tvorba stresových proteinů
(molekulární chaperony, ubikvitin, proteázy – konstitutivní), HSP, cold-induced,
dehydration-induced proteins (dehydriny),LEA-late embryogenesis abundant protein,
anaerobic stress protein-ASP)
Tvorba a odstraňování aktivních forem kyslíku
Singletový kyslík a superoxidový anion O2-, silně oxidační hydroxylový radikál OH*,
peroxid vodíku H2O2 – PSI: Mehlerova reakce.
Peroxidace lipidů, ochrana: karotenoidy, zeaxanthinový (xantofylový) cyklus, tokoferol = vit. E, enzymy SOD (superoxiddismutázy), peroxidázy.
Tvorba "stresových" fytohormonů
(ABA, ethylén, kyselina jasmonová, methyljasmonát, polyaminy, kyselina salicylová).
Tvorba osmoregulačních sloučenin
(cukry, polyalkoholy, jednoduché dusíkaté látky-prolin, glycin, glycin-betain).