Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Nawigacja Nawigacja

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Jak ze stresem radzą sobie rośliny?

Jak ze stresem radzą sobie rośliny?

Stres towarzyszy ludzkości od zawsze, dlatego też, aby się z nim uporać, człowiek – na przestrzeni dziejów – wypracował sobie różnorodne metody radzenia sobie z nim, jak na przykład medytację. Jednak, jak się okazuje, rośliny także narażone są na rozliczne stresy, wywoływane przez niekorzystne wpływy środowiska (niedobór wody, nadmiar światła czy życie w cieniu innych roślin), które zazwyczaj drastycznie wpływają na funkcjonowanie ich organizmów. W przeciwieństwie do zwierząt, rośliny nie mogą jednak schronić się lub uciec przed zagrożeniem. O tym, jak rozpoznawać oznaki stresu oraz wykorzystać mechanizmy pozwalające roślinom na jego przetrwanie opowiada dziś doktor Paweł Jedynak z Zakładu Fizjologii i Biochemii Roślin UJ.

Trudno oczekiwać, aby roślina położyła się na kozetce i zaczęła się zwierzać. Wszelkie informacje trzeba wydobywać z niej siłą – i to dosłownie. Liście miażdży się w moździerzu i w ten sposób izoluje się różnorodne substancje, z których naukowiec stara się niemal wywróżyć stan rośliny. Cenne są zwłaszcza te, które w zdrowej roślinie prawie nie występują, a których zawartość ulega znacznemu podwyższeniu w niekorzystnych „stresujących” warunkach. Takimi związkami są np. antocyjany, najbardziej znane dzięki temu, że ich barwa zmienia się w zależności od pH otoczenia. Barwniki te gromadzone są w płatkach kwiatów oraz smacznych owocach (borówkach czy śliwkach). Nadmiar światła lub niska temperatura sprawiają, że ich produkcja w roślinie ulega nasileniu i gromadzą się one w liściach. Nie zawsze widać taką zmianę gołym okiem (choć podczas jesiennego spaceru można czasem zobaczyć całkiem fioletowy żywopłot z ligustru). Jednak umiejętna ekstrakcja i użycie czułego sprzętu pomiarowego pozwala wychwycić nawet niewielkie różnice w zawartości tych barwników.

Najzdrowsza chemia

Można sobie zadać także inne pytanie – jeśli procesy utleniania są w roślinie nasilone, to co jest głównym czynnikiem utleniającym? Bardzo często są nimi reaktywne formy tlenu – w tym także wolne rodniki, którymi chętnie straszą producenci kremów przeciwzmarszczkowych. Taki agresywny tlen (albo zaktywowane przez niego związki) dużo łatwiej reaguje z innymi substancjami chemicznymi, niszcząc je w ten sposób. Łatwo domyślić się, co by się stało gdyby doszło do poważnych uszkodzeń DNA – komórki przestałyby prawidłowo wykonywać swoje zadania, a nawet mogłyby umrzeć. W efekcie obserwowalibyśmy więdnięcie rośliny i pojawianie się brunatnych, martwiczych plam na liściach.

Na szczęście istoty żywe (nawet te uważane za beztlenowe) wykształciły w toku ewolucji szereg mechanizmów broniących je przed reaktywnymi formami tlenu. A dla naukowca jest to oczywiście kolejna szansa aby coś zmielić, zamieszać i zmierzyć. Używając odpowiednich reagentów można wydzielić substancje o charakterze antyoksydantów. Są to bohaterskie związki, które poświęcają się dla dobra komórki i biorą na siebie atak agresywnych form tlenu, same ulegając utlenieniu. Chronią tym samym inne, ważne substancje. Taką spektakularną rolę w komórkach (nie tylko zresztą roślinnych) odgrywa askorbinian, który dla nas ludzi jest istotnym składnikiem diety – witaminą C. Dla roślin jednak nie jest to witamina – same potrafią wytwarzać sobie tę cenną substancję. Produkują także glutation oraz rozmaite tokoferole (kolejna znana witamina, tym razem E). Razem związki te stoją na straży ładu w komórce i bardzo ciekawie dzielą się funkcjami. Jeśli przypomnieć sobie poznany jeszcze w szkole podział witamin na rozpuszczalne w wodzie i w tłuszczach łatwo to zrozumieć – askorbinian (jako rozpuszczalny w wodzie) chroni cytoplazmę komórki i zawieszone w niej białka. Tokoferole rozpuszczają się natomiast w tłuszczach – chronią zatem błony komórkowe, tam gdzie askorbinian prawie nie ma dostępu. Wydawałoby się dwa osobne światy – a może nie? Te dwa chemiczne związki są ze sobą w ścisłym… związku. Zdaniem badaczy zużyty (utleniony) tokoferol może bowiem być regenerowany przez askorbinian, który oczywiście sam się przy tym utlenia. Pozwala to jednak zachować błony komórkowe w dobrej kondycji.

W taki sposób tworzy się skomplikowany szlak powiązań. Jednak jeszcze bardziej skomplikowana jest interpretacja tego, co stanie się w warunkach stresowych. Spodziewalibyśmy się, że w szkodliwych warunkach antyoksydantów będzie mniej. A co, jeśli będzie mniej tokoferolu, ale tyle samo askorbinianu? Albo zawartość antyoksydantów będzie podwyższona? Czy to świadczy o stresie, czy o jego braku? Kluczowe stają się  pomiary kontrolne (roślina ma zapewnione komfortowe warunki, bez szansy na stres) i odwoływanie się do obserwacji innych naukowców. Warto zdać sobie sprawę, że stres może mieć rożne nasilenie. Niewielki, lub silny ale krótkotrwały może pobudzać roślinę, która zacznie przygotowywać się na niekorzystne warunki. W efekcie zawartość antyoksydantów będzie podwyższona. Ale przedłużające się niekorzystne warunki mogą prowadzić do zużywania się antyoksydantów. Zauważmy, że tokoferol jest na końcu długiego łańcucha reakcji biochemicznych – jeśli askorbinian jest ustawicznie zużywany do walki z rodnikami, może być go niewystarczająco dla regeneracji tokoferolu. Dlatego czasami warto sprawdzić nie tylko zawartości poszczególnych związków, ale również w jakim stosunku występują formy utlenione i zredukowane.

Zamiast medytacji

Rośliny mogą też wprowadzać się w odmienny stan… gotowości ochronnej. A wszystko dzięki karotenoidom. Te pomarańczowe barwniki kojarzymy głównie z jesiennymi liśćmi lub barwnymi korzeniami marchewki. Ale pełnią one znacznie ważniejszą rolę, niż atrakcyjne prezentowanie się na talerzu. Wiele z nich jest zaangażowanych bezpośrednio w rozpraszanie nadmiaru zaabsorbowanej energii światła. Roślina jest jak energetyczny wampir – zasysa energię prosto ze słońca. Ale nawet ona może się zadławić, jeśli światło będzie zbyt intensywne. To trochę jakby tłum ludzi zaczął zbierać się przed kasami w hipermarkecie. Jeśli ludzi będzie coraz więcej, w końcu przed każdą kasą ustawi się długa kolejka oczekujących. Problem polega na tym, że wzbudzone cząsteczki chlorofilu, w których uwięziona została dodatkowa energia nie mogą czekać na swoją kolej w nieskończoność. Chcą tę energię czym prędzej przekazać dalej i wykorzystają do tego każdą okazję. Niestety, chętnie przyjmuje ją zwykły tlen, stając się natychmiast niebezpieczną, reaktywną formą. I właśnie temu zapobiegają karotenoidy (w szczególności zeaksantyna). Obecność zeaksantyny wskazuje na nadmiar światła, z którym roślina jeszcze sobie jakoś radzi. Jednak przy słabym oświetleniu zeaksantyna przeszkadzałaby w fotosyntezie, więc wtedy musi być wyłączana. Przekształcana jest wówczas w mniej aktywną formę (wiolaksantynę), zmagazynowaną na czas zagrożenia. Brak zarówno wiolaksantyny jak i zeaksantyny sugeruje bardzo silny stres, który doprowadziłby do zniszczenia procesu jej przemiany (tzw. cyklu ksantofilowego).

Przykładanie magnesów

Spektroskop elektronowego rezonansu paramagnetycznego to nazwa jak z horroru, ale samo urządzenie wygląda niepozornie – jak zwykła mikrofalówka, choć co prawda bez drzwiczek. Porównanie jest jednak tym bardziej trafne, że urządzenie to rzeczywiście produkuje mikrofale, które emitowane są prosto na próbkę, umieszczoną dodatkowo w bardzo silnym polu magnetycznym. Pole to sprawia, że niektóre atomy stają się jakby głodne energii i mogą pochłaniać promieniowanie mikrofalowe. Mierząc ile mikrofal pozostaje po przejściu przez próbkę możemy zatem określić jak wiele głodnych atomów było w badanym materiale. „Zgłodnieć” w polu magnetycznym mogą np. rodniki, ale niestety nie można zmierzyć ich obecności bezpośrednio, ich życie toczy się bowiem w tak małej skali czasowej (rzędu milisekund), że są one dla nas niezauważalne. I to nawet jeśli mamy do dyspozycji bardzo wyrafinowany sprzęt. Konieczne jest zatem zastawienie pułapki. Rodniki mogą przereagować z pułapką chemiczną, która sama staje się wtedy rodnikiem, jednak na tyle trwałym, że możemy mierzyć jego obecność przez długie godziny i wnioskować ile niebezpiecznych rodników pojawia się w materiale roślinnym. Można także zamiast szacować jak wiele powstaje reaktywnych form tlenu dodać do naszej próbki gotowego (trwałego) rodnika i zobaczyć jak usuwają go wszystkie obecne w próbce antyoksydanty. Jeśli rodnika-przynęty pozostanie sporo, można domniemywać, że część antyoksydantów została już wcześniej zużyta do walki z bardziej niebezpiecznymi rodnikami. Krótko mówiąc, roślina przeżywała stres, a my zastajemy krajobraz po bitwie z mizerną resztką sił obronnych.

Zabawa dla dużych dzieci

I na tym pokrótce polega praca części badaczy w Zakładzie Fizjologii i Biochemii Roślin UJ. Przypomina trochę układanie puzzli – niektóre elementy pasują idealnie, z niektórymi na razie nie wiadomo co zrobić, ale są i takie, które chyba pochodzą z innego zestawu i nigdzie nie pasują. Ale stres roślin to bardzo poważna sprawa. Wiedząc, jak pomóc zestresowanym roślinom albo jeszcze lepiej – jak zapobiegać stresom, można wspomóc rozwój rolnictwa, przyczyniając się do wzrostu ilości i jakości plonów. Ale nam, badaczom, satysfakcję daje także zrozumienie fascynującego życia roślin, dociekanie, jak koordynowane są mechanizmy chroniące roślinę, skąd ona „wie” co zrobić w danym momencie i jak unika śmiertelnych dla siebie zagrożeń.

 

 

Dr Paweł Jedynak

 

 

--------------

Ciekawe? Przeczytaj także:

Polecamy również
Mikroplastik w powietrzu - konkurent dla smogu?
Diety roślinne – co jest prawdą, a co mitem?
Łąka pełna kwiatów w środku miasta – co na to pszczoły?
Alicja po drugiej stronie lustra