Stres wodny (osmotyczny)

Bilans wodny rośliny jest różnicą pomiędzy ilością

wody pobranej przez roślinę (P) a ilością wody

oddanej podczas transpiracji (T)

B= P-T

Bilans wodny może być zrównoważony, dodatni

bądź ujemny.

O stresie wodnym mówimy wtedy, jeśli bilans

wodny rośliny jest ujemny.

Jeśli bilans wodny rośliny jest ujemny, w roślinie

występuje deficyt wody

Czynniki środowiskowe indukujące deficyt wody (tzw.

stres wodny lub osmotyczny) w roślinie:

1. Wysoka temperatura atmosfery

3. Niska temperatura gleby

2. Niski potencjał roztworu glebowego

4. Wymarzanie wody w glebie

Deficyt wody w komórce wynika z jej odwodnienia i ma

miejsce wtedy gdy potencjał wody w środowisku jest

niższy od potencjału wody w komórce

FUNKCJONALNE ZABURZENIA

OBSERWOWANE PODCZAS STRESU

OSMOTYCZNEGO

Błona odwodniona

Błona uwodniona

1.

odwodnienie błon komórkowych

•

zaburzenia selektywności błony (niekontrolowany

ruch substancji przez błony zewnętrzne i

endomembrany)

•

zachwiania homeostazy komórkowej (wysokie

stężenia i niewłaściwy stosunek jonów

jednowartościowych do dwuwartościowych)

Odwodnienie błon komórkowych prowadzi do:

2. odwodnienie białek cytoplazmy

odwod-

nienie

3. nieodwracalna koagulacja białek, a

następnie struktur subkomórkowych,

zwana także krystalizacją

zniszczenie struktur

wyższorzedowych

białka

6. Wzrost ilości H

2

O

2

7. Zaburzenia w syntezie fitohormonów (obniżona

synteza cytokinin i jednoczesna wzmożona

synteza ABA i etylenu

5. Spadek turgoru komórek

8. Ograniczony wzrost

4. spadek natężenia wielu procesów metabolicznych

(fotosyntezy, asymilacji azotu, siarki, syntezy białek)

Przystosowania anatomiczne umożliwiające retencję względnie

dużych ilości wody w roślinie poprzez:

•

Ograniczenie transpiracji (redukcja powierzchni

liści, ilości aparatów szparkowych i wytwarzanie
tzw. aparatów szparkowych zagłębionych, gruba
nieprzepuszczalna dla wody kutykula i warstwa
wosku pokrywająca części nadziemne rośliny)

•

Usprawnienie pobierania wody poprzez wykształcanie:

a

.

płytkiego, silnie rozgałęzionego systemu korzeniowego (kaktusy, sukulenty)

b. alternatywnie wytworzenie głębokiego korzenia palowego umożliwiajacego pobieranie wody
gruntowej (sosna)

c.

wzrost proporcji systemu korzeniowego w stosunku do części nadziemnych

Metaboliczne przystosowania roślin decydujące o

odporności roślin na stres wodny

1. Synteza i redystrybucja kwasu abscysynowego

OPTYMALNE UWODNIENIE STRES WODNY

1. Synteza ABA – głównie

liście

2. Przewaga

niezdysocjowanej

formy ABA

3. Akumulacja ABA(H) w

chloroplastach komórek

mezofilowych.

1. Synteza ABA – głównie

korzenie

2. Przewaga

zdysocjowanej formy

ABA

-

3. Wysokie stężenie

ABA

-

w apoplaście

4. Indukcja zamykania

aparatów szparkowych

5. Ograniczenie

transpirzacji

Korelacje pomiędzy potencjałem wodnym, przewodnością szparkową i

stężeniem ABA

Mechanizm indukcji zamykania aparatów

szparkowych przez ABA

Wiązanie ABA do specyficznych receptorów (1)

plazmolemowych lub cytoplazmatycznych indukuje

kilka dróg transdukcji sygnału:

Pierwsza

droga transdukcji sygnału obejmuje produkcję

ROS

w

komórkach szparkowych, co w konsekwencji prowadzi do

otwarcia plazmolemowych wpustowych kanałów wapniowych

indukując transport wapnia z apoplastu do cytoplazmy.

Druga

droga obejmuje przemiany fosfatydyloinozytoli (

PIP

2

) błony i

uwalniania

IP

3

, który wiążąc się do wapniowych kanałów

wakuoli indukuje ich otwieranie i wypływ Ca

2+

do cytoplazmy.

Trzecia

droga prowadzi do wzrostu stężenia

NO

w komórkach

szparkowych, syntezy cADPR, otwierania innej klasy kanałow

wapniowych i wypływu wapnia do cytoplazmy.

Wzrost

stężenia

Ca

2+

w cytoplazmie (

wtórny przekaźnik

)

indukuje zamykanie wpustowych kanałów potasowych i

otwieranie wypustowych kanałów anionowych, co powoduje

DEPOLARYZACJĘ PM. Hamowane są także ATPazy PM, co

także sprzyja depolaryzacji PM. Depolaryzacja błony

prowadzi do otwarcia wypustowych kanałów potasowych. W
konsekwencji

spada stężenie jonów K

+

i Cl

-

w

komórkach szparkowych, rośnie potencjał osmotyczny i

wodny, woda wypływa na zewnątrz, spada turgor i szparki

zamykają się.

2

3

1

Zmiany cytoplazmatycznego stężenia Ca

2+

pod wpływem

ABA

ABA ogranicza transpiracje także poprzez indukcję procesów starzenia się liści,

tworzenie warstwy odcinającej w ogonkach i opadanie liści

2. Zmiana sposobu wiązania CO

2

w fazie ciemnej fotosyntezy z typu

charakterystycznego dla roślin C

3

na typ charakterystyczny dla

roślin kwasowych (CAM)

C

3

CAM

3. Adaptacja osmotyczna komórek

Adaptacja osmotyczna

polega na akumulacji w

komórkach substancji

osmotycznie czynnych

(tzw. osmoregulatorów).

Obniżają one potencjał

osmotyczny i wodny

komórki i sprzyjają

retencji wody w komórce

Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)

A. Obniżanie potencjału wodnego komórek poprzez

akumulację substancji osmotycznie czynnych w

wakuoli

1. Jony nieorganiczne (głównie jony K

+

)

2.

Kwasy organiczne (głównie kw. jabłkowy, szczawiooctowy)

3.

Białko osmotyna

Biochemistry and Molecular Biology (2000, Buchanan at al.)

B. Akumulacja substancji osmotycznie czynnych w

cytoplazmie (

równoważenie niskiego potencjału wakuoli

)

Najpopularniejsze osmoregulatory gromadzone w

cytoplaźmie

Carbohydrates:

• sucrose

• trehalose

• maltose

Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)

Niektóre osmoregulatory pełnią

funkcję osmoprotektorów.

Akumulując się w sąsiedztwie

białek zapobiegają ich

odwodnieniu i denaturacji

6. Synteza specyficznych białek (tzw. LEA ang. late

embriogenesis abudant) zwanych także dehydrynami

Grupa

Przykłady Charakterystyczne

cechy

Właściwości

Funkcje

Grupa 1

(D-19)

Em pszenica

bogate w glicynę z krótki-

mi odcinkami a-helisy,

Silnie uwodnione

•Wiązanie H

2

O

•Stabilizacja

makromolekuł

Grupa 2

(D-11)

DHN kukurydza
D-11 bawełna

Bogate w lizynę, serynę i

prolinę a-helisa z krótki-

mi powtarzalnymi, kon-

serwatywnymi motywami

Uwodnione, zloka-

lizowane w cytoplaź-

mie i jądrze, kwaśne

związane z PM

•Stabilizacja

makromolekuł
•Stabilizacja

błon

Grupa 3

(D-7)

HVA jęczmień
D-7 bawełna

Tworzą struktury

dimeryczne, bogate w

aminokwasy polarne

D-7 -wysokie

(0,25M) stężenie w

nasionach

HVA1 odpowia-

da za

tolerowanie

stresu wodnego

u jęczmienia

Grupa 4

(D-95)

D-95 soja

Duże białka o

zróżnicowanej strukturze

Ekspresjonowane

głównie w nasionach

Grupa 5

(D-113)

LE25 pomidor
D-113 bawełna

Pojedynczy łańcuch poli-

peptydowy z a-helisą na

N-końcu, bogate w alaninę,

glicynę i treoninę

Wiążą się z błonami

•Stabilizacja

błon
•Sekwestracja

jonów

7. Indukcja masowego wypływu wody z wakuoli do cytoplazmy poprzez:

A: wzmożoną syntezę

de novo

akwaporyn tonoplastowych

B: indukcje zamykania akwaporyn plazmolemowych

Stan otwarcia akwaporyn plazmolemowych regulowany jest przez fosforylację (otwieranie)/

defosforylację (zamykanie) proteiny. Akwaporyny tonoplastowe nie podlegają takiej regulacji.
W warunkach właściwych stosunków wodnych w środowisku (wysoki potencjał wody) aktywowane są

specyficzne kinazy białkowe zależne od wapnia fosforylujące akwaporyny plazmolemowe. Indukuje

to otwarcie kanałów i przepływ wody zgodny z gradientem

Y

w

. W warunkach deficytu wodnego

(niski potencjał wody w środowisku) dochodzi do defosforylacji akwaporyn plazmolemowych, co

powoduje zamykanie kanałów i uniemożliwia wypływ wody z komórki. Kanały tonoplastowe są w tych

warunkach otwarte dzięki czemu woda z wakuoli przechodzi do cytoplazmy. Taki mechanizm

zapobiega odwodnieniu cytoplazmy w warunkach deficytu wody w środowisku

Relokacja i degradacja akwaporyn plazmolemowych

podczas stresu wodnego

Proteazy

Molekularne podstawy indukcji odporności roślin na

stres wodny

1. Percepcja czynnika

2. Przetwarzanie i wzmacnianie sygnału (tzw. transdukcja sygnału)

3. Reakcja odpornościowa (indukcja ekspresji określonych genów lub modyfikacja

potranslacyjna istniejących białek)

Molekularne podstawy indukcji odporności roślin na

stres wodny

1.

Percepcja czynnika

KANAŁY MECHANOSENSYTYWNE (MS) są potencjalnymi sensorami

czynników fizycznych .

Czynniki mechaniczne, takie jak dotyk czy skręcenie powodują miejscową

deformację fizyczną błony, co zmienia jej naprężenie.

Stres wodny (osmotyczny), poprzez zmiany potencjału turgorowego (ciśnienia

hydrostatycznego w komórce) zmienia naprężenie CAŁEJ błony. W

konsekwencji dochodzi do aktywacji specyficznych KANAŁÓW

MECHANOSENSYTYWNYCH (MS) i generowania wtórnych sygnałów, takich

jak depolaryzacja, influks Ca

2+

czy wypływ elektrolitów.

KANAŁY MECHANOSENSYTYWNE (MS) są białkami szeroko

rozpowszechnionymi u archebakterii i bakterii. Sekwencje kodujące

znaleziono także u roślin. W komórkach zwierzęcych nie występują, także u

grzybów jest ich niewiele.

Do tej pory potwierdzono, że w percepcji stresu osmotycznego uczestniczą

specyficzne mechanosensytywne kanały wapniowe (MSCC ) oraz kanały
AtMSL9 i AtMSL10 przepuszczalne dla

Cl

-

. Ich aktywacja powoduje szybką

depolaryzację błony

i, w konsekwencji najprawdopodobniej aktywację

zależnych od napiecia, specyficznych kanałów wapniowych, czego ostatecznym
efektem jest uwalnianie

Ca

2

z apoplastu do cytoplazmy.

Droga niezależna od ABA

•W warunkach stresu rośnie poziom

ABA w apoplaście

•ABA asocjuje ze niezidentyfiko-

wanymi receptorem i aktywuje

wpustowe kanały wapniowe w

plazmolemie
•

rośnie cytoplazmatyczny poziom

Ca

2+

co aktywuje enzymy zależne od

wapnia, m.in. specyficzne fosfatazy

(ABI1)
•

w wyniku ich działania dochodzi do

defosforylacji białka regulatorowego

(=czynnik transkrypcyjny) i jego

aktywacji

(transcription factor)

Molekularne podstawy indukcji odporności roślin na

stres wodny

Droga zależna od ABA

Molekularne podstawy indukcji odporności roślin na

stres wodny

Geny, których ekspresja aktywowana jest w stresie wodnym

kodują białka regulatorowe i funkcjonalne

Geny kodujące białka funkcjonalne , których ekspresja

aktywowana jest w stresie wodnym:

1.

Dwa geny kodujące enzymy uczestniczące w szlaku

syntezy glicyny-betainy (monooksydazę choliny i

dehydrogenazę aldehydu betainy)

2. Gen kodujący enzym szlaku syntezy pinnitolu (myo-

inositol 6-Omethyltransferase)

3. Geny LEA kodujące dwa białka z grupy 2 i 5,

4. Geny kodujace osmotyny

5. Geny kodujace niektóre akwaporyny

Udział genów w reakcjach odpornościowych na stres wodny potwierdzają

jednoznacznie doświadczenia przeprowadzone na roslinach tranformowanych