2.2. Холодоустойчивость растений (действие низких положительных температур)

Холодоустойчивость - способность термофильных, теплолюбивых и умеренно теплолюбивых растений кратковременно или длительно переносить действие низких положительных температур.

Холодостойкими растениями называются такие растения, у которых при температурах, близких к нулю (от 0 до +10°С), не обнаруживается признаков повреждения и не снижается продуктивность. Нехолодостойкими являются растения, повреждающиеся, а иногда и отмирающие при низких положительных температурах.

Низкая температура для растений (по А. И. Коровину) - это температура на 3 - 4°С выше температуры начала их роста.

Наиболее чувствительны к холоду растения тропического происхождения, так как условия их существования не обеспечивали формирования адаптивных приспособительных реакций к действию низких положительных температур. В мягком субтропическом и тропическом климате при кратковременном снижении температуры (до +2 +3°С) обнаруживаются существенные повреждения растений. Примером может служить заболевание ценного растения сизали (Agava sisalana). Его родина - тропическая Мексика. Мясистые листья содержат грубое волокно, которое почти не гниет в воде и является одним из ценных материалов для изготовления рыбачьих сетей и корабельных снастей. По данным Тропического института Китая, повреждения растений обнаруживаются после резкого падения температуры с +25+350 до +2+3°С (иногда в течение нескольких часов) и последующего быстрого ее повышения. Через несколько дней после действия низкой положительной температуры на листьях появляются бледно-зеленые пятна, которые в дальнейшем при сильном поражении буреют и отмирают. Такие листья уже не годятся для переработки, так как волокно теряет свое качество. Изменение окраски листьев свидетельствует об уменьшении содержания в них хлорофилла.

Холодостойкость свойственна растениям умеренной полосы. Для большинства сельскохозяйственных растений низкие положительные температуры почти безвредны. Наиболее холодоустойчивыми являются растения раннего сева - яровая пшеница, ячмень, овес.

Сибирь и Дальний Восток - основные районы по возделыванию ведущей зерновой культуры - яровой пшеницы. Для Западной Сибири характерно четкое повторение ранних летних засух с периодически или постоянно действующими похолоданиями. При севе яровой пшеницы в ранние сроки (1-я декада мая) наклюнувшиеся семена, всходы, молодые растения испытывают на себе влияние низких положительных температур. Если исходить из наличия сопряженной устойчивости, то в данных районах при применении методов, которые повышают холодостойкость яровых пшениц, повышается и устойчивость к засухе и высоким температурам. В этих районах широко районирован сорт яровой пшеницы "Новосибирка", который отличается высокой холодо- и жароустойчивостью и в этих условиях дает урожай 30 - 40 ц/га.

Все растения по их отношению к температуре можно разделить на три группы:

1. Растения первой группы не погибают от образования льда в межклетниках и переносят заморозки до - 8÷-10°С. Это холодоустойчивые растения, у которых семена прорастают при 0÷+4°С, всходы появляются при +5÷+6°С. К ним относятся конопля, горчица, яровая пшеница, яровой ячмень, овес, горох, вика, чина, люпин, лен, подсолнечник, рапс, свекла, капуста.

2. Растения второй группы повреждаются, но не погибают при легких, кратковременных заморозках (0÷-3°С), переносят понижение температуры ниже +5°С без значительных повреждений. Всходы появляются при +8÷+12°С. Это умеренно теплолюбивые растения: картофель, томаты, гречиха, просо, кукуруза, соя и др. В районах, где они произрастают, возможны кратковременные понижения температуры.

3. Растения третьей группы погибают уже при положительных температурах ниже 10°С. Особенно губительны для них температуры до +4÷+5°С, при которых наблюдается самое плотное состояние воды, ведущее к нарушению обмена. Это теплолюбивые растения. Минимальная температура их прорастания +10÷+14°С и выше, появление всходов при +12÷+15°С. Представители этой группы - фасоль, сорго, клещевина, хлопчатник, арахис, рис, арбуз, дыня, тыква, огурцы, кабачки, патиссоны, перец.

Завядание и подсыхание листьев - наиболее общий внешний признак повреждения теплолюбивых растений. Наименее холодостойкие огурцы погибают после 3-х суток охлаждения, наиболее устойчивая гречиха - через 15 суток. Обнаруживают различную устойчивость к холоду образцы гречихи одного и того же сорта, но разного географического происхождения. Гречиха из семян саратовской репродукции менее устойчива, чем из семян японского происхождения.

Отдельные органы теплолюбивых культур обладают различной устойчивостью к холоду. У кукурузы и гречихи быстрее всего отмирают стебли. У риса и вигны листья менее устойчивы к холоду, чем стебли и корни. У сои раньше всего повреждаются черешки листьев, затем листовые пластинки. У арахиса наиболее чувствительна к холоду корневая система.

Экспериментальные данные, полученные при изучении устойчивости растений к низким температурам, обобщены в монографиях и обзорных статьях. Следует отметить, что единой теории устойчивости до сих пор не существует, а многие стороны терморезистентности, включая физиологобиохимический аспект, не совсем ясны и требуют дальнейших исследований [11; 25; 17; 4].

Во второй половине XIX в. немецкий физиолог Ю. Сакс установил, что повреждение растений табака, тыквы и фасоли при снижении температуры до +2,5°С или +5°С происходит вследствие нарушения водообмена, так как охлажденные корни неспособны возместить воду, потерянную листьями во время транспирации. Позже появились многочисленные исследования П. А. Генкеля и В. Н. Жолкевича, по результатам экспериментальных данных которых был сделан принципиально важный вывод, что причиной гибели нехолодостойких растений при низких положительных температурах является нарушение обменных процессов в клетках. Лайонс (Lyons) называет три основные причины, приводящие к гибели клеток при холодовом повреждении: а) увеличение проницаемости мембран; б) необратимые нарушения метаболизма; в) аккумуляция токсических веществ.

П. А. Генкель с сотрудниками неоднократно указывал на значение вязкости протоплазмы для устойчивости растений. Под влиянием низкой положительной температуры наблюдается двухфазный характер изменения вязкости протоплазмы: вначале в течение нескольких часов имеет место некоторое падение вязкости, а затем происходит ее подъем. Возрастание вязкости протоплазмы, являющееся следствием агрегации и коагуляции протоплазмы при низких температурах, приводит к замедлению внутриклеточных обменных процессов. "Часто обнаруживается взаимосвязь между холодоустойчивостью и вязкостью: чем выше вязкость протоплазмы в клетках растений, тем ниже их устойчивость, и наоборот.

В настоящее время считают, что холодоустойчивость формируется в процессе онтогенеза на основе генетических особенностей растительного организма." Уровень устойчивости к низким температурам зависит от направленности и интенсивности процессов, определяемых функционированием многих ферментных систем, которое обеспечивается соответствующим энергетическим обменом.

Основным условием обеспечения высокой продуктивности растений при низких температурах является сохранение высокого уровня энергетического обмена. Дыхание как источник энергии имеет важное значение для процессов адаптации растений к условиям внешней среды. Низкие повреждающие температуры (+4°С) вызывают у теплолюбивых растений (огурцы, томаты) уменьшение интенсивности поглощения кислорода и снижение величины дыхательного коэффициента [18]. Установлено также, что в процессе холодового закаливания во всех случаях происходит увеличение температурного коэффициента Q₁₀. Авторы полагают, что низкие температуры, индуцирующие рост холодоустойчивости у теплолюбивых растений, вызывают у них перестройку дыхательной системы. По данным О. П. Родченко, у устойчивых сортов кукурузы происходит снижение интенсивности основного пути дыхания через гликолиз и увеличение доли гексозомонофосфатного пути (ГМФ-пути).

Включение у холодоустойчивых растений альтернативного пути метаболизма (ГМФ-пути) обеспечивает перестройку обменных процессов, что, по-видимому, приводит к расширению адаптивных возможностей данных организмов. У неустойчивых растений при низких положительных температурах не обнаруживается активирования ГМФ-пути.

Несмотря на снижение интенсивности поглощения кислорода, энергетическая эффективность дыхания не утрачивается. При этом у устойчивых форм растений она сохраняется дольше при действии низких температур, чем у неустойчивых. По-видимому, это связано с тем, что митохондрии растений, устойчивых к охлаждению, имеют в своих мембранах больший процент ненасыщенных жирных кислот. Мембраны таких митохондрий сохраняют при охлаждении большую эластичность, чем у неустойчивых к охлаждению растений [67]. Это позволяет митохондриям холодоустойчивых растений сохранять энергетическую эффективность дыхания при более низких температурах.

Позднее в опытах с изолированными митохондриями было обнаружено, что у них имеется порог резкого ослабления дыхания (по O₂) при температуре +10°С. Этот порог определяется, как полагают, изменением фазы мембранного вещества (но-видимому, липидов). При этом у устойчивых форм этот порог резкого ослабления дыхания сдвигается в сторону более низких температур [66].

Основной причиной, лежащей в основе низкотемпературного повреждения теплолюбивых растений, является фазовый переход липидов мембран из жидкокристаллического состояния в твердый гель [65]. Это приводит к утрате мембраной присущей ей эластичности, сжатию молекул липидов и увеличению размера мембранных пор. В результате, с одной стороны, происходит повышение проницаемости мембран для ионов, а с другой - увеличивается энергия активации ферментов, связанных с мембраной. Дж. Лайонс полагает, что скорость реакций, катализируемых мембранными ферментами, снижается после фазового перехода быстрее, чем скорость реакций, связанных с растворимыми энзимами. В результате в клетке нарушается метаболический баланс и резко возрастает количество эндогенных токсикантов (ацетальдегид, этанол и др.).

В литературе неоднократно отмечается двухфазное изменение уровня АТФ в ответ на снижение температуры. В первые часы понижения температуры в среде обитания растений отмечается значительное возрастание содержания АТФ, при длительном и напряженном действии температурного фактора обнаруживается снижение уровня АТФ. При низкой температуре, вероятно, изменяется баланс между притоком и тратой макроэргических соединений. Энергозависимые ростовые процессы в первые часы охлаждения растений снижаются, и содержание АТФ сохраняется на высоком уровне. В последующем макроэргические соединения, по-видимому, используются при адаптации растений к низким температурам.

Первичные процессы преобразования и запасания энергии в фотосинтезе и создаваемый в зеленых растениях высокий энергетический потенциал представляют мощный фактор регуляции основных звеньев метаболизма - активности конструктивных процессов, ассимиляции и транспорта веществ, ростовых и других физиологических процессов. Фотосинтез является основным поставщиком энергии, и от его устойчивости к неблагоприятным факторам среды, от способности фотосинтетического аппарата восстанавливаться после частичного повреждения структуры и функции зависит энергообеспеченность клеток, которая необходима для репарации повреждения внутриклеточных процессов и структур и адаптации растительного организма.

Первые обстоятельные исследования по влиянию температуры на фотосинтетическую функцию растений были проведены еще в начале XX в. Блекманом [53]. В дальнейшем этот вопрос исследовался многими учеными. Показано, что снижение температуры у теплолюбивых растений по отношению к оптимуму приводит к уменьшению скорости ассимиляции углекислоты. Полное ингибирование этого процесса достигается при температуре 0°С. Отрицательное действие низких температур на фотосинтез связано в. первую очередь с нарушением нативного состояния мембранных структур хлоропластов и разобщением процессов фотофосфорилирования. Различают прямое влияние температуры на фотосинтез и ее последействие. Показано, что фотосинтетические реакции растения на одну и ту же температуру могут иметь противоположный характер в момент действия и последействия. Результаты исследований последействия температуры имеют большое значение для понимания механизмов термоадаптации растений, устойчивости ассимиляционного аппарата к температуре и координации отдельных функций клетки. Последействие повреждающего охлаждения активно вегетирующих растений приводит к снижению фотосинтетической функции, и это снижение тем сильнее, чем более глубокому охлаждению подвергаются растения [18].

Состояние пигментной системы и пластидного аппарата является существенным показателем, характеризующим устойчивость растений к холоду. Показано, что низкие температуры (+3°С) не оказывают влияния на состав пигментов и структуру пластид у холодоустойчивых гибридов кукурузы. После действия пониженной температуры (+3°С) в течение 20 часов имеет место дезорганизация структуры и распад хлоропластов, разрушение зеленых и желтых пигментов у нехолодостойких мутантов кукурузы.

Необходимо подчеркнуть, что условия освещения способны значительно модифицировать картину температурных эффектов. Показано, что процесс хлорофиллообразования в листьях огурца в условиях закаливающей температуры (+15°С) подавляется в меньшей степени при низкой (1 клк), чем при более высокой (10 клк), освещенности [18]. Снижение уровня зеленых пигментов в варианте с высокой освещенностью, по-видимому, свидетельствует о фоторедукции хлорофилла в данных условиях.

Поскольку процесс синтеза белка играет важную роль в регуляции клеточного метаболизма, он, по всей вероятности, должен участвовать и в таких процессах, как адаптация растений к низким положительным температурам.

С помощью методов электрофореза установлено, что 8-дневная обработка холодом (+5°С) растений озимого ранса приводит к появлению новых белковых зон на электрофореграммах с R_f 0,47; 0,51; [58]. Индуцированные холодом изменения в белковом спектре являются следствием синтеза белка de novo, что доказано в опытах с циклогексимидом, блокирующим трансляцию белков в цитоплазме на 80 S рибосомах. Аналитическое изучение этих белков показало их относительно низкую молекулярную массу - 32 и 26 кД. Путем окрашивания гелей, содержащих эти белки, было установлено, что они обнаруживают свойства основных белков и не являются нуклео- и гликопротеидами. Высказано предположение о локализации этих белков в цитозоле [58; 59|.

Проведенные поздней исследования А. Ф. Титова с сотрудникам показали, что процесс термоадаптации как у теплолюбивых (кукуруза, огурцы, томаты), так и у холодоустойчивых (овсяница луговая, озимая пшеница) растений нарушается под влиянием ингибиторов биосинтеза РНК и белка [45; 46; 47].

В работах В. К. Войникова установлено, что при нормальных физиологических температурах (27°С) в клетках сои происходит синтез полипептидов (но включению ¹⁴C-лейцина) с молекулярными массами от 18 до 92 кД. При снижении температуры до 10 - 14°С синтез одних из них усиливается, а других - снижается или прекращается. Понижение температуры инкубации клеток суспензионной культуры сои до 10°С приводит к усилению синтеза ряда полипептидов с молекулярными массами 28, 38, 40, 50, 67, 93 кД. Причем в клетках сои полипептид с молекулярной массой 67 кД обнаруживается как при гипо-, так и при гипертермии [9]. По-видимому, способность растений повышать устойчивость при холодовом закаливании находится в прямой зависимости от функциональной активности транскрипционно-трансляционной системы. Этот вывод находится в соответствии с развиваемой гипотезой о молекулярно-генетическом контроле над термоадаптивными реакциями у высших растений [39].

Одним из способов приспособления растений к пониженным температурам является изменение свойств и состава ферментных систем [4; 55]. В работах Н. Д. Алехиной показано, что в корнях теплолюбивого растения кукурузы, выращенной при неблагоприятной температуре (12°С), обнаруживается снижение активности глутаматдегидрогеназы и возрастание активности другого ассимиляторного фермента - глутаминсинтетазы. В корнях холодоустойчивого растения озимой пшеницы, выращенной при низкой температуре (+12°С), удельная активность глутаматдегидрогеназы, глутаминсинтетазы и глутаматсинтетазы оказалась в 1,5 - 2 раза выше, чем в корнях контрольных растений (выращенных при 25°С). По-видимому, увеличение активности ферментов, участвующих в ассимиляции азота, при пониженной температуре свидетельствует о приспособленности озимого злака усваивать азотистые соединения в осенний и ранний весенний периоды вегетации. В отличие от озимой пшеницы в проростках кукурузы активность глутаматдегидрогеназы в клетках корней при пониженной температуре снижается. Эти данные свидетельствуют об определенной специфичности ответной реакции на температуру ферментных систем холодоустойчивых и теплолюбивых растений.

Способность растений эффективно и пользовать азот среды является одной из составляющих высокой продуктивности. Многочисленными исследованиями установлено, что при пониженной температуре среды поглощение растениями нитрата подавляется сильнее, чем поглощение аммония. Эта закономерность проявляется независимо от характера температурного воздействия (локальное охлаждение только корней или надземных органов, охлаждение целого растения, разная длительность и степень воздействия) как у теплолюбивых растений (кукуруза, земляника, рис), так и у холодоустойчивых культур (пшеница, дикорастущие злаки, салат). В связи с холодоустойчивостью объекта меняется только критический температурный предел, ниже которого поглощение нитрата идет слабее, чем аммония. Проростки пшеницы поглощают меньше NO^-₃, чем NH⁺₄, при температуре ниже 5°С, теплолюбивый рис практически не поглощал нитрат уже при 15°С, однако поглощение аммония шло в этих условиях довольно интенсивно. Многочисленные исследования А. И. Коровина позволили заключить, что при температуре ниже 10°С восстановленная форма азота поглощается яровой пшеницей быстрее, чем окисленная. Эксперименты с разными формами азотных удобрений свидетельствуют, что урожай яровой пшеницы в годы с холодным летом был более высоким на фоне аммонийных удобрений [25]. Однако в литературе имеются сведения, что поступление нитрата при пониженной температуре не ингибируется, а напротив, усиливается или его поглощение снижается так же, как поглощение аммония. В работах Д. Кларксона с сотрудниками показано, что растения ячменя после 2 - 3-дневной акклиматизации при пониженной температуре в зоне корней поглощают нитрат при 10°С с такой же скоростью, как растения, росшие при 20°С, а при.20°С акклиматизированный ячмень поглощал нитраты в 1,5 раза интенсивнее [57]. Однако большинство данных свидетельствуют о том, что в условиях пониженной температуры почвы у растений поглощение нитратов заметно снижается. Физиологический механизм такой ответной реакции растений на действие низких температур до конца неясен. Характер поглощения нитратов и аммония в значительной степени зависит от процессов метаболизации их в корнях, транспорта в надземные органы, усвоения нитратов и обмена азотсодержащих соединений в листьях, запасания азота.

В последние годы появились сведения о том, что наиболее чувствительным к действию температуры звеном нитратного обмена является отток нитратов из корней в листья [52]. Предполагается, что транспорту нитратов из корней в надземные органы принадлежит определяющая роль в процессах усвоения NO^-₃ среды при пониженной температуре в зоне корней.

Рост растений как интегральный показатель физиологических процессов в значительной степени зависит от температуры. При постоянном и длительном действии низкой температуры на рост корневых клеток обнаруживается существенное замедление ростовых процессов [41]. В частности, происходит увеличение продолжительности всех фаз митотического цикла и снижение скорости роста клеток в фазе растяжения. Длительность фаз митоза меняется по-разному: значительно увеличивается продолжительность профазы и несколько меньше - период прохождения мета- и телофаз. Нарушения в кинетике митотического цикла происходят только в случае быстрой смены температурного режима в пределах толерантной зоны или при действии температур ниже минимальной, при которой еще возможен процесс деления клеток. При низких положительных температурах клетки, как правило, не достигают в процессе растяжения окончательных размеров, как в случае оптимальных температур, переходят в следующую фазу роста - фазу дифференцировки. Кроме того, клетки, закончившие рост при снижении температуры, увеличиваются в радиальном направлении. Этот процесс, по-видимому, связан с тем, что при снижении температуры происходит повышение оводненности клеток, изменение ориентации микрофибрилл целлюлозы и степени сформированности клеточных стенок. Реакция устойчивых растений на низкую температуру проявляется в перемещении зоны дифференцированных клеток ближе к кончику корня. Задолго до полного завершения роста клеток растяжением происходят следующие процессы: накопление лигнина в клеточных стенках; изменение соотношений компонентов углеводной фракции клеточных стенок - целлюлоз, гемицеллюлоз, пектина; увеличение содержания сухого вещества клеточных стенок (за счет гемицеллюлоз и целлюлоз).

В условиях низких положительных температур изменяются характер и темпы роста растений. В частности, у кукурузы при +10÷+12°С всходы появляются на 12-й день, а прирост корней составляет всего 0,4 см в день. При оптимальных условиях роста (+18÷+20°С) всходы появляются уже на 4-й день, а прирост корней у кукурузы увеличивается в несколько раз (2,6 см).

Таким образом, повреждение теплолюбивых растений холодом сопровождается потерей тургора и изменением их окраски (из-за разрушения хлорофилла). Низкие температуры вызывают нарушения структурной организации пластид, в результате чего тормозится фотосинтез.

Для многих видов холодостойких растений характерна адаптация фотосинтеза к низким положительным температурам. Она выражается в изменении липидного состава хлоропластов, а также в увеличении термоустойчивости ферментов цикла Кальвина. Повышение интенсивности фотосинтеза при низких положительных температурах способствует синтезу большого количества защитных веществ, которые помогают холодостойким растениям переносить более низкие температуры. Кроме того, у устойчивых растений происходит возрастание функциональной роли гексозомонофосфатного пути дыхания, изменяются азотный обмен, направленность и продолжительность всех фаз роста клеток.

Разбалансировка метаболизма у теплолюбивых растений при действии низких положительных температур существенно уменьшает устойчивость растений к вредителям и болезням, что часто приводит к снижению качества и количества урожая.

Теплолюбивые культуры, как и холодоустойчивые, способны изменять под влиянием условий среды свою терморезистентность, однако адаптивные возможности их, как правило, невелики. При этом установлено, что устойчивость растений формируется под влиянием не одного, а системы факторов. Значение их различно и пока слабо изучено.