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).