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
bądz
ujemny.
Jeśli bilans wodny rośliny jest ujemny, w roślinie
występuje deficyt wody
O stresie wodnym mówimy wtedy, jeśli bilans
wodny rośliny jest ujemny.
Czynniki środowiskowe indukujące deficyt wody (tzw.
stres wodny lub osmotyczny) w roślinie:
1. Wysoka temperatura atmosfery
2. Niski potencjał roztworu glebowego
3. Niska temperatura gleby
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
1. odwodnienie błon komórkowych
Błona uwodniona
Błona odwodniona
 Odwodnienie błon komórkowych prowadzi do:
" zaburzenia selektywności błony (niekontrolowany
ruch substancji przez błony zewnętrzne i
endomembrany)
" zachwiania homeostazy komórkowej (wysokie
stężenia i niewłaściwy stosunek jonów
jednowartościowych do dwuwartościowych)
odwod-
nienie
2. odwodnienie białek cytoplazmy
3. nieodwracalna koagulacja białek, a
następnie struktur subkomórkowych,
zwana także krystalizacją
zniszczenie struktur
wyższorzedowych
białka
 4. spadek natężenia wielu procesów metabolicznych
(fotosyntezy, asymilacji azotu, siarki, syntezy białek)
5. Spadek turgoru komórek
6. Wzrost ilości H2O2
7. Zaburzenia w syntezie fitohormonów (obniżona
synteza cytokinin i jednoczesna wzmożona
synteza ABA i etylenu
8. Ograniczony wzrost
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
1. Synteza ABA  głównie
liście
korzenie
2. Przewaga
2. Przewaga
niezdysocjowanej
zdysocjowanej formy
formy ABA
ABA-
3. Akumulacja ABA(H) w
3. Wysokie stężenie
chloroplastach komórek
ABA- w apoplaście
mezofilowych.
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 (PIP2) błony i
uwalniania IP3, który wiążąc się do wapniowych kanałów
1
wakuoli indukuje ich otwieranie i wypływ Ca2+ do cytoplazmy.
Trzecia droga prowadzi do wzrostu stężenia NO w komórkach
szparkowych, syntezy cADPR, otwierania innej klasy kanałow
3
wapniowych i wypływu wapnia do cytoplazmy.
Wzrost stężenia Ca2+ w cytoplazmie (wtórny przekaz
nik)
indukuje zamykanie wpustowych kanałów potasowych i
2
otwieranie wypustowych kanałów anionowych, co powoduje
DEPOLARYZACJ
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.
Zmiany cytoplazmatycznego stężenia Ca2+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 CO2 w fazie ciemnej fotosyntezy z typu
charakterystycznego dla roślin C3 na typ charakterystyczny dla
roślin kwasowych (CAM)
CAM
C3
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
B. Akumulacja substancji osmotycznie czynnych w
cytoplazmie (równoważenie niskiego potencjału wakuoli)
Biochemistry and Molecular Biology (2000, Buchanan at al.)
Najpopularniejsze osmoregulatory gromadzone w
cytoplaz
mie
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 Właściwości Funkcje
cechy
Em pszenica bogate w glicynę z krótki- Silnie uwodnione " Wiązanie H2O
Grupa 1
mi odcinkami a-helisy,
" Stabilizacja
(D-19)
makromolekuł
DHN kukurydza Bogate w lizynę, serynę i Uwodnione, zloka- " Stabilizacja
Grupa 2
prolinę a-helisa z krótki- lizowane w cytoplaz
- makromolekuł
D-11 bawełna
mi powtarzalnymi, kon- mie i jądrze, kwaśne
(D-11)
" Stabilizacja
serwatywnymi motywami związane z PM
błon
HVA jęczmień Tworzą struktury D-7 -wysokie HVA1 odpowia-
Grupa 3
dimeryczne, bogate w (0,25M) stężenie w da za
D-7 bawełna
aminokwasy polarne nasionach tolerowanie
(D-7)
stresu wodnego
u jęczmienia
D-95 soja Duże białka o Ekspresjonowane
Grupa 4
zróżnicowanej strukturze głównie w nasionach
(D-95)
LE25 pomidor Pojedynczy łańcuch poli- Wiążą się z błonami " Stabilizacja
Grupa 5
peptydowy z a-helisą na błon
D-113 bawełna
N-końcu, bogate w alaninę,
(D-113)
" Sekwestracja
glicynę i treoninę
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 Yw. 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
Droga niezależna od ABA
KANAA
Y 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 CAA
EJ błony. W
konsekwencji dochodzi do aktywacji specyficznych KANAA
ÓW
MECHANOSENSYTYWNYCH (MS) i generowania wtórnych sygnałów, takich
jak depolaryzacja, influks Ca2+ czy wypływ elektrolitów.
KANAA
Y 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 Ca2 z apoplastu do cytoplazmy.
Molekularne podstawy indukcji odporności roślin na
stres wodny
Droga zależna 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
Ca2+ co aktywuje enzymy zależne od
(transcription factor)
wapnia, m.in. specyficzne fosfatazy
(ABI1)
" w wyniku ich działania dochodzi do
defosforylacji białka regulatorowego
(=czynnik transkrypcyjny) i jego
aktywacji
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