O tym, jak rośliny zmagają się z upałem i nadmiarem wody opowiada Paweł Jedynak z Zakładu Fizjologii i Biochemii Roślin.

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

1pytanie to rubryka na stronie NAUKA.uj.edu.pl, w której publikujemy odpowiedzi naukowców z UJ na ciekawe, nieraz fundamentalne pytania dotyczące świata, człowieka, natury, historii...

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

Gdy obficie pada lub doskwiera spiekota zwierzęta szukają schronienia. Rośliny muszą cierpliwie wytrzymać drastyczne warunki pogodowe. Monumentalne drzewa wydają się wręcz niewzruszone i trwałe niczym skała. Łatwo zapomnieć, że są to przecież żywe organizmy, które toczą nieustanną walkę o przetrwanie.

Lato skwaru i żaru

Ich walkę trudno obserwować – wymaga to cierpliwości, ale i zupełnie innej perspektywy. Wiele najbardziej interesujących procesów rozgrywa się bowiem na niewidocznym dla nas poziomie molekularnym. Dopiero badania genetyczne, czy biochemiczne pozwalają odkryć, że rośliny dość szybko reagują na bodźce zewnętrzne. Wyspecjalizowały się one w pochłanianiu energii słonecznej, co jest możliwe dzięki chlorofilowi. Zabójczym problemem może być jednak sytuacja, gdy tej energii zostanie pochłonięte więcej niż roślina jest w stanie skonsumować w procesie fotosyntezy. Tę dodatkową energię przejmuje bowiem tlen, przekształcając się w wysoce reaktywną, agresywną formę tego pierwiastka,  atakującą wszystkie struktury w komórce. Ale obecność tlenowych rodników jest bardzo szybko wykrywana i natychmiast uruchamiane są mechanizmy obronne. Produkowane są substancje (karotenoidy, askorbinian, tokoferol), które rozbrajają szkodliwe formy tlenu i odbierają im energię. Nadmiar światła powoduje także, że zawartość chlorofilu oraz liczba anten odpowiedzialnych za wychwytywanie światła słonecznego maleje. Ciekawą strategią jest także stymulacja syntezy antocyjanów, antyoksydantów, które silnie pochłaniają światło oraz promieniowanie UV. Są one dla liści roślin niczym naturalny krem z filtrem, zapobiegający uszkodzeniom komórek.

Osobnym problemem jest dla roślin zbyt wysoka temperatura, która prowadzi do niszczenia białek (proces denaturacji) i utraty ich funkcji. Aby się przed tym chronić rośliny dysponują znacznie liczniejszym niż zwierzęta arsenałem mechanizmów wykrywających nagły wzrost temperatury. Szczególne zadanie ma jedno z białek ochronnych. Odpowiada ono za tzw. biochemiczną pamięć. Wzrost temperatury do około 37°C powoduje pojawienie się w komórkach białka HSP21, które jest dla rośliny sygnałem alarmowym i przez kolejne cztery dni (co potwierdzają eksperymenty na rzodkiewniku pospolitym – popularnej roślinie zielnej) utrzymuje ją w stanie gotowości na kolejny szok termiczny. Skok temperatury, tym razem do 40°C zabiłby nieprzygotowaną roślinę, ale komórki wyposażone w aktywne HSP21 są w stanie przetrwać w tak niesprzyjających warunkach nawet godzinę.

Mordercze upały wywołują suszę. Brak wody silnie hamuje wzrost i produktywność roślin,  zaburza także fotosyntezę. Niewiele osób zdaje sobie sprawę, jak wiele wody potrzeba do wyprodukowania cząsteczki cukru. Ponad pół litra wody zostaje „zamknięte" w każdym kilogramie sacharozy, wypełniającej nasze cukiernice. Koszty te dodatkowo podwyższa unikalny system transportowy roślin, wykorzystujący transpirację – parowanie wody z liści. Podczas upałów duże drzewa są w stanie tracić w ten sposób nawet kilkaset litrów wody w ciągu godziny. Aby ograniczyć te straty rośliny zamykają aparaty szparkowe, maleńkie otworki w liściach, przez które dochodzi do wymiany gazowej. Wtedy okazuje się, że każdy liść jest niemal całkowicie szczelny, dzięki pokrywającym go woskom. Wiodącą rolę w regulacji tych procesów ogrywają korzenie, wydzielając substancję alarmową w postaci kwasu abscysynowego. W komórkach korzeni dochodzi także do wzmożonej syntezy niewielkich białek (dehydryn) i aminokwasów, których wysokie stężenie pomaga korzeniom skuteczniej wysysać resztki wilgoci z gleby. Susza przyspiesza kwitnienie roślin, dając szansę na wydanie potomstwa, a nasiona są znacznie odporniejsze na brak wody. 

Wiosenne burze i deszcze jesieni

Częste deszcze zalewają glebę, sprawiając, że w korzeniach nie pozostaje zbyt wiele tlenu. W zalanych korzeniach prawidłowe oddychanie jest niemożliwe i dochodzi do fermentacji cukru, której produktem jest etanol. Jest to lepsze rozwiązanie ratunkowe, niż produkcja kwasu mlekowego, powstającego w niedotlenionych komórkach mięśni zwierząt. Etanol bowiem nie zakwasza cytoplazmy, a odpowiednie pH (kwasowość) jest ważne dla sprawnego działania enzymów. W przetrwaniu okresu hipoksji (częściowego braku tlenu) pomaga roślinom także hemoglobina, zawarta w ich komórkach.