Раздел 9 Устойчивость растений (стр. 4 )

Не имея эволюционно сформированных анатомических приспособлений для защиты от действия отрицательных температур, растения повышают свою морозоустойчивость, адаптируясь на физиологическом, биохимическом и молекулярном уровнях. Механизмы устойчивости к действию отрицательных температур отсутствуют в оптимальных условиях роста и образуются лишь в ответ на действие стрессорного фактора.

1. Накопление сахаров и других совместимых осмолитов, прежде всего пролина, обладающих осморегуляторным и стресс-протекторным действием. При низкой температуре крахмал превращается в сахарозу, при потеплении происходит обратное превращение. Это превращение идет в клетках коры зимующих деревьев (дуба, клена, рябины), в клубнях и корневищах. Сахара накапливаются в клеточном соке, органеллах, особенно в хлоропластах. Чем выше концентрация раствора, тем ниже точка его замерзания, поэтому при накоплении сахаров уменьшается количество образующегося льда. Взаимодействуя с белками мембран, сахара стабилизируют их структуру и прежде всего структуру хлоропластов. Когда сахаров много, фотофосфорилирование идет даже при отрицательных температурах.

Сахара также препятствуют образованию или уменьшают количество токсических веществ, образующихся при обезвоживании клеток из-за образования льда. Сахара – главный дыхательный субстрат, являющийся источником энергии для синтезов, происходящих в период закаливания при низких положительных температурах.

Помимо сахарозы в растениях наблюдается активный синтез и ряда других совместимых осмолитов, т. е. таких низкомолекулярных органических соединений, которые в высоких концентрациях не тормозят протекание клеточного метаболизма. Среди этих соединений особая роль принадлежит пролину и некоторым другим аминокислотам. Пролин и сахароза защищают белки от инактивации в условиях обезвоживания, понижают водный потенциал клетки и тем самым препятствуют ее интенсивной дегидратации, снижают температуру замерзания содержимого протопласта, защищают макромолекулы и мембраны от разрушительного воздействия активных форм кислорода, а также являются эффективными энергетическими субстратами.

2. Изменение состава мембранных липидов и увеличение текучести мембран. В процессе охлаждения вязкость липидного бислоя мембран увеличивается. Переход мембранных липидов из жидкокристаллического состояния в кристаллическое снижает проницаемость мембран, что увеличивает опасность образования льда внутри клетки, так как вода будет медленнее двигаться через мембрану к центрам кристаллизации в свободном пространстве и в межклетниках. Одновременно нарушаются транспортные функции мембран, процессы фотосинтеза и образования энергии, а также функционирование мембранных белков.

Для предотвращения таких негативных явлений в ходе адаптации растений к низким температурам увеличивается текучесть мембран, что является результатом увеличения количества ненасыщенных жирных кислот в мембранных фосфолипидах. Замену в липидах насыщенных жирных кислот на ненасыщенные осуществляют десатуразы. Активность этих ферментов, а также экспрессия кодирующих их генов сильно возрастает в ответ на действие закаливающих температур. Десатурация мембранных липидов в условиях низких температур характерна как для морозостойких, так и для менее устойчивых к низким температурам сортов и видов.

3. Глубокое переохлаждение и постепенная дегидратация. При понижении температуры в тканях спонтанно возникают микрокристаллики льда, из которых затем образуются тем более крупные кристаллы, чем больше свободной воды содержат клетки. Многие растения, особенно древесные, в процессе адаптации к отрицательным температурам приобретают способность тормозить внутриклеточное образование кристаллов льда при температурах значительно ниже точки замерзания, т. е. в состоянии глубокого переохлаждения. Это состояние характеризуется наличием в протопластах высоких концентраций антинуклеаторов льда. Состояние глубокого переохлаждения поддерживается при отрицательных температурах не ниже -40 °С, поскольку при более сильных морозах начинается спонтанное образование кристаллов льда. Однако внеклеточное образование льда начинается уже при -3– -5 °С. По мере понижения температуры, кристаллы растут за счет присоединения молекул воды из протопласта, который остается не замерзшим. Превращается в лед только свободная вода. Чем меньше свободной воды в клетке, тем медленнее растут кристаллы льда, тем меньше обезвоживается клетка. Так, вполне созревшая и содержащая мало воды древесина в закончивших рост ветках деревьев гораздо устойчивее к морозу, чем древесина растущих побегов, поскольку в таких уже заранее обезвоженных тканях даже при сильном морозе образуется лишь ничтожное количество льда. Постепенная дегидратация протопласта является одним из необходимых условий выживания растений при низких отрицательных температурах.

4. Ограничение роста внеклеточного льда и синтез антифризных белков. Растения, подобно полярным рыбам и насекомым, синтезируют антифризные белки (АФБ), которые тормозят рост кристаллов льда, не влияя при этом на температуру замерзания раствора. Синтез АФБ индуцируется низкими температурами, и они связываются с кристаллами льда, предотвращая или замедляя их дальнейший рост. АФБ обнаружены у растений 25-30 видов. Эти белки аккумулируются прежде всего в апопласте во время адаптации к холоду. В чувствительных к морозу растениях АФБ обычно не обнаруживаются. Удивительно, что некоторые из них обладают большим сходством с ферментами, которые защищают растение от биопатогенов. Однако АФБ растений значительно менее эффективно тормозят образование льда. Защитный механизм АФБ растений пока изучен недостаточно.

5. Синтез стрессорных белков холодового ответа. Для развития устойчивости к морозу необходим синтез белка. В настоящее время идентифицировано несколько генов и кодируемых ими белков холодового ответа. Кодируемые этими генами белки крайне гидрофильны и в отличие от подавляющего большинства других клеточных белков сохраняют свою стабильность даже при кипячении. Повышение устойчивости к низким температурам всего растительного организма зависит от одновременной «работы» всех имеющихся генов. Следовательно, морозоустойчивость является признаком, контролируемым многими генами. Ключевое значение для запуска и координации стрессорного ответа имеет стимуляция холодом экспрессии генов, кодирующих компоненты рецепции и трансдукции сигнала, а также регуляторные белки.

Различные части древесных растений по-разному реагируют на низкую отрицательную температуру. Корневые системы деревьев менее морозоустойчивы, чем надземные части. У ряда плодовых древесных растений в суровые зимы наблюдается подмерзание и повреждение корневых систем, а в малоснежные зимы то же самое происходит и с корневой системой такой довольно морозоустойчивой породы, как дуб черешчатый. Цветочные почки более чувствительны к морозам, чем листовые.

Снижают устойчивость к морозам низкая агротехника возделывания растений, например, в садах, лесных питомниках, неблагоприятные условия произрастания (недостаток или избыток воды в почве, бедность почвы элементами минерального питания и т. д.), вредители и болезни, ослабляющие растения. Обильно плодоносящие и семеносящие деревья хуже переносят сильные морозы, чем умеренно плодоносящие.

Наиболее морозоустойчивыми являются береза повислая, осина, ольха серая, дуб черешчатый (поздно распускающаяся форма), сосна обыкновенная, ель обыкновенная, пихта и лиственница сибирские, сосна кедровая сибирская и многие другие древесные породы.

Зимостойкость. Комплексная устойчивость растений ко всем неблагоприятным факторам зимы носит название зимостойкости. В это время года на растения действуют не только морозы, но и оттепели, снижающие степень закалки растений, мощный снеговой покров, затопление почвы талой водой, ледяная корка, которая образуется обычно весной, но может встречаться и осенью, и даже зимой после сильной оттепели, зимнее иссушение побегов древесных пород и т. д. В связи с этим зимой или ранней весной могут наблюдаться такие неблагоприятные явления, как выпревание, вымокание, выпирание, зимняя засуха и др.

Выпревание встречается у озимых культур в местах с мощным снеговым покровом. Под глубоким снегом температура на поверхности почвы держится около 0 °С. Здесь, как под шубой, при отсутствии фотосинтеза растения сравнительно интенсивно дышат и теряют значительное количество углеводов и другого субстратного материала. Эти потери к весне достигают существенных величин, и растения настолько ослабевают, что могут погибнуть. Гибель могут завершить вредители и болезни, поражающие ослабленные растения. Это явление распространено в ряде районов Белоруссии, Сибири. Поэтому в этих районах на полях можно видеть участки с разреженной озимью.

Выпревание наблюдается не только у озимых, но и у плодовых культур (груши, сливы, вишни, абрикоса, облепихи и др.). Особенно ярко проявляется выпревание в зимы, когда мощный снеговой покров ложится на талую землю. Корневая система древесных культур и нижняя часть стволов находятся в условиях с температурой около 0 °С, а надземная часть выше снега – при низкой отрицательной температуре. Создающаяся таким образом обстановка приводит первоначально к обильной трате сахаров и других органических веществ на дыхание нижней части ствола, затем эта область ствола чрезмерно оводняется за счет нагнетающей деятельности корневых систем и начинает испытывать кислородное голодание. Живые элементы коры и камбий нижней части стволов деревьев отмирают от истощения и в результате токсикоза, вызванного действием вредных продуктов бродильных процессов. Ослабленные деревья становятся весной легкой добычей вредителей и различных патогенных микроорганизмов. Чем выше температура под снегом, тем сильнее повреждения растений.

Повреждение зимующих растений в ранневесенний период от застоя талой воды на поверхности почвы получило название вымокания. Основная причина гибели растений в данном случае связана с недостатком кислорода. Дыхание растений становится неэффективным, накапливаются вредные продукты собственного метаболизма (этанол, ацетальдегид и др.), и растения гибнут от отравления. При замерзании талой воды образуется ледяная корка, которая усиливает анаэробиоз, а, кроме того, чисто механически повреждает озимые культуры, разрывая отдельные их части, вмерзшиеся в лед.

Выпиранием называют гибель озими или сеянцев древесных растений в лесных питомниках на почвах с тяжелым механическим составом (суглинки, глины). Образующиеся в такой почве прослойки льда приподнимают верхние слои почвы, вызывая обрыв корневых систем, а после оттаивания почва оседает и растения «выпираются» на поверхность почвы. Частично поврежденная и оголенная корневая система растений на солнце и ветру быстро подсыхает, перестает функ­ционировать, и растения погибают.

Ледяная корка. Если после оттепели наступает мороз, талая вода замерзает, образуя над растениями сплошную ледяную корку, которая является причиной гибели растений, так как лед практически непроницаем для кислорода. Однако если часть листьев остается над ледяной коркой, то растение не погибает, так как эти листья снабжают его кислородом. Чем больше листьев вмерзает в ледяную корку, тем больше повреждение. Если все листья вмерзают в лед, то губительна даже температура -3 °С.

Вторая причина гибели растений под ледяной коркой связана с тем, что лед хорошо проводит тепло. Его теплопроводность больше, чем теплопроводность снега, поэтому на растения действует низкая температура, и они вымерзают. И наконец, сильное сдавливающее действие льда на растения тоже приводит к их гибели. Иногда ледяная корка образуется не над растениями, а покрывает их. Это особенно опасно.

Зимняя засуха. Деревья и кустарники, зимующие побеги которых располагаются выше снежного покрова, зимой могут сильно высохнуть. Хотя они теряют листья, наиболее сильно транспирирующие органы, вода, тем не менее, испаряется с поверхности ветвей и стволов через чечевички. Общее количество воды, испаряемой через чечевички стеблей, значительно меньше потерь воды через листья, однако поступление воды в корни из замерзшей почвы прекращается. Поэтому при сильных и продолжительных ветрах, а также при значительном нагревании солнечными лучами, особенно в ясные дни, к концу зимы побеги могут потерять до 50 % имеющейся воды и погибнуть от высыхания. Например, в период с октября по март содержание воды в ветвях дуба падает с 52 до 41 %, ясеня – с 50 до 36 %, а гледичии – с 70 до 36 %.

Осенний листопад у деревьев – это приспособление к зимней засухе. Кроме того, ветви деревьев покрываются толстым слоем пробки, которого нет у однолетних стеблей травянистых растений. Почечные чешуи тоже защищают от зимнего высыхания, которое угрожает надземным органам. У хвойных и других вечнозеленых растений образуется очень толстая кутикула, делающая листья жесткими и защищающая их от потери воды.

Зимне-весенние «ожоги». В районах с солнечной зимой на южной стороне ветвей и молодых стволах появляются ожоги. У неопробковевших частей растений клетки под влиянием солнечных лучей нагреваются, теряют в зимнее время морозостойкость и не выдерживают ночных морозов. В образующиеся раны попадает инфекция.

Таким образом, причины зимних повреждений и даже гибели растений очень разнообразны.

Меры борьбы с неблагоприятными явлениями зимы и пути повышения морозоустойчивости и зимостойкости растений сводятся в основном:

·  К выведению более зимостойких и морозоустойчивых сортов растений, стелящихся форм плодовых культур, совершенствованию агроприемов как в сельском, так и в лесном хозяйстве, плодоводстве.

·  Важную роль при этом выполняет снегозадержание, регулирующее водный режим почвы, внесение удобрений, особенно фосфорных и калийных, а также борных и марганцевых.

·  Нередко спасает растения и непосредственная защита от действия кратковременных заморозков с помощью дымления, повышающего температуру воздуха на 2 – 3 °С, установки между растениями плоских емкостей, заполненных водой, и постоянного в период заморозка опрыскивания растений.