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
bÄ…dz
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
BÅ‚ona uwodniona
BÅ‚ona 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
Substancją inicjujacą metaboliczne przystosowania rośliny do stresu wodnego jest kwas abscysynowy (ABA), zwany
często hormonem stresu
W warunkach normalnych jest on syntetyzowany głównie w liściach i gromadzony w chloroplastach komórek
mezofilowych.
Podczas stresu wodnego wzrasta tempo syntezy ABA w korzeniach i transport hormonu do części nadziemnych
(obniżenie ¨W roztworu glebowego podnosi stężenie ABA w soku ksylemowym z 1,5 nM do 3,0 µM)
Podczas stresu wodnego dochodzi do alkalizacji soku ksylemowego (z pH 6,3 rośnie 7.2), co zwiększa stopień
dysocjacji kwasu abscysynowego,
spada stężenie ABA w komórkach mezofilowych, rośnie
stężenie w apoplaście
ABA dociera do komórek szparkowych i indukuje
zamykanie aparatów
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
indukujÄ…c transport wapnia z apoplastu do cytoplazmy.
Druga droga obejmuje przemiany fosfatydyloinozytoli (PIP2) błony i
uwalniania IP3, który wiążąc się do wapniowych kanałów
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
wapniowych i wypływu wapnia do cytoplazmy.
Wzrost stężenia Ca2+ w cytoplazmie (wtórny przekaz
nik)
indukuje zamykanie wpustowych kanałów potasowych i
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
zamykajÄ… siÄ™.
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 wiÄ…zania 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.)
4. Obniżanie potencjału wodnego komórek poprzez
akumulacjÄ™ substancji osmotycznie czynnych w
wakuoli
1. Jony nieorganiczne (głównie jony K+)
2. Kwasy organiczne (głównie kw. jabłkowy, szczawiooctowy)
3. Białko osmotyna
Niski potencjał osmotyczny
soku komórkowego
wynikajÄ…cy z nagromadzenia
dużych ilości jonów w
wakuoli jest równoważony
wysokimi stężeniami
osmoregulatorów (np.
glicyny-betainy) w
cytoplaz
mie. Dzięki temu
przytrzymywane są duże
ilości H2O i nie dochodzi do
odwodnienia cytoplazmy
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.
AkumulujÄ…c siÄ™ w sÄ…siedztwie
konkretnych 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 lizynÄ™, serynÄ™ 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 zwiÄ…zane 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
glicynÄ™ i treoninÄ™
jonów
7. Indukcja masowego wypływu wodyz wakuoli do cytoplazmy poprzez:
A: wzmożoną syntezę akwaporyn tonoplastowych
Ilość specyficznych transkryptów akwapory-
nowych spada podczas stresu wodnego wraz
ze spadkiem turgoru. W miarę jak komórki
odzyskują turgor, ilość transkryptów rośnie.
B: regulacjÄ™ stanu otwarcia akwaporyn
plazmolemowych
Stan otwarcia akwaporyn plazmolemowych regulowany jest przez fosforylacjÄ™ (otwieranie)/
defosforylacjÄ™ (zamykanie) proteiny. Akwaporyny tonoplastowe nie podlegajÄ… 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 przepÅ‚yw wody zgodny z gradientem ¨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)
Percepcja i transdukcja
sygnału w stresie wodnym
1. Percepcja czynnika stresu wodnego
nie jest znana.
2. Zmiany syntezy, transportu i
redystrybucja komórkowa prowadzą
do wzrostu poziomu ABA w
apoplaście
3. ABA asocjuje ze specyficznymi re-
ceptorami, aktywuje różne drogi
transdukcji sygnału prowadzące do
zmiany otwarcia błonowych kanałów
wapniowych
(transcription factor)
4. Rośnie cytoplazmatyczny poziom
Ca2+ co aktywuje enzymy zależne od
wapnia, m.in. specyficzne fosfatazy
(ABI1)
5. W wyniku ich działania dochodzi do
defosforylacji i aktywacji białka
regulatorowego będącego czynnikiem
transkrypcyjnym
Biochemistry and Molecular Biology (2000, Buchanan at al.)
Czynnik transkrypcyjny aktywowany
przez ABA wiąże się ze specyficzną
konformacjÄ… nukleotydowÄ… DNA,
zwanÄ… ABRE lub G-box
Czynnik transkrypcyjny aktywowany przez ABA należy do grupy tzw. czynników
leucynowych
Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)
Geny indukowane stresem wodnym i ABA
BIAA
KO
mRNA
Biochemistry and Molecular Biology (2000,
bZIP trancription factor
Buchanan at al.)
ABA, którego poziom rośnie w odpowiedzi na stres wodny, indukuje zmiany konformacyjne
specyficznego czynnika transkrypcyjnego (bZIP), który wiąże się do specyficznej
promotorowej sekwencji nukleotydowej (ABRE=G-box), aktywujÄ…c ekspresjÄ™ sekwencji
kodującej. Powstaje specyficzny mRNA a póz
niej specyficzne białko.
Geny aktywowane stresem wodnym i ABA: geny LEA kodujace białka grupy 2 i 5, geny kodujące
osmotynę i niektóre akwaporyny, geny kodujące enzymy zaangażowane w przemiany cukrów i ich
pochodnych oraz geny kodujace enzymy układów antyoksydacyjnych.