Podcast o Fizjologia roślin: Stres i adaptacja

Přepis

Barbora: Większość ludzi myśli, że rośliny to takie pasywne zielone rzeczy, które po prostu... są. Że tylko siedzą i przyjmują, co natura im da.

Filip: To jest właśnie ten błąd! W rzeczywistości jest zupełnie na odwrót. Rośliny są niezwykle aktywne i mają rozbudowane systemy obronne. Reagują na stres prawie jak my, tylko bez tego narzekania.

Barbora: Bez narzekania, to mi się podoba. Czyli żadnego pasywnego czekania na deszcz?

Filip: Wcale nie. I właśnie o tym będziemy dziś rozmawiać. Słuchacie Studyfi Podcast.

Barbora: Dobrze, Filipie, to od czego zaczniemy? Jak nauka patrzy na to ich tajne, aktywne życie?

Filip: Zasadniczo mamy dwa główne spojrzenia. Pierwsze to fizjologia ekologiczna. Ona patrzy na roślinę jako na część większej całości – ekosystemu. Bada, dlaczego na przykład jednemu gatunkowi dobrze się wiedzie w lesie, a innemu na łące.

Barbora: Czyli to pomaga wyjaśnić na przykład rozprzestrzenianie się gatunków inwazyjnych albo dlaczego lasy giną?

Filip: Dokładnie tak. A także pomaga nam przewidywać, co stanie się z naturą, gdy zmienią się warunki. Na przykład więcej promieniowania UV albo CO₂.

Barbora: A drugie spojrzenie?

Filip: To jest fizjologia stresu. Tam wchodzimy bardziej w szczegóły. Badamy, jak roślina broni się przed konkretnymi problemami – suszy, mrozowi, szkodnikom...

Barbora: Kiedy mówisz o stresie, co mam sobie pod tym u rośliny wyobrazić? Przecież nie ma terminów w pracy.

Filip: Tego co prawda nie ma, ale ma inne „terminy” – przetrwać! Czynnik stresowy, czyli stresor, to cokolwiek ze środowiska, co jej zagraża. Może to być czynnik fizyczny, jak upał albo wiatr.

Barbora: Jasne. Albo chemiczny?

Filip: Dokładnie. Na przykład niedobór wody albo jakaś toksyczna substancja w glebie. I nie możemy zapomnieć o czynnikach biotycznych – to są inne organizmy, od pleśni po gąsienice.

Barbora: A stres to zatem ta wewnętrzna reakcja rośliny na ten... atak?

Filip: Tak, to stan, kiedy roślina jest poważnie wytrącona ze swojej normy. To w zasadzie alarm.

Barbora: Więc co się dzieje, gdy ten roślinny alarm się uruchomi? Jaka jest pierwsza reakcja?

Filip: To fascynująca kaskada wydarzeń. Roślina zaczyna produkować specjalne białka stresowe, a także hormony „stresowe”, takie jak na przykład kwas abscysynowy.

Barbora: Czyli ma własną apteczkę?

Filip: Można tak powiedzieć! Tworzy też substancje, które pomagają jej regulować wodę w komórkach, żeby nie wyschła. To kompleksowy system obronny.

Barbora: I wspomniałeś o białkach stresowych. Brzmią jak jacyś superbohaterowie komórek.

Filip: I w zasadzie tak jest! Są takimi komórkowymi ochroniarzami. Ich główną funkcją jest ochrona tego, co najważniejsze – białek, błon, a nawet DNA. A kiedy już dojdzie do uszkodzenia, pomagają w naprawie.

Barbora: Podsumowując: rośliny nie są żadnymi flegmatycznymi biedactwami, ale aktywnymi wojownikami, którzy mają własny system alarmowy i ekipę naprawczą.

Filip: Dokładnie tak to ujęłaś. Są znacznie bardziej odporne i sprytniejsze, niż się na pierwszy rzut oka wydaje.

Barbora: Filipie, mówiliśmy o systemach alarmowych. Ale kim są ci „łotrzy”, przed którymi rośliny ostrzegają? Co dokładnie ten stres w komórkach powoduje?

Filip: Świetne pytanie! Często są to tak zwane reaktywne formy tlenu, w skrócie ROS. Brzmi dość naukowo, prawda?

Barbora: Trochę. Jak coś z laboratorium chemicznego, co powinno zostać bezpiecznie zamknięte w probówce.

Filip: I w zasadzie tak jest. Wyobraź sobie je jako małe, hiperaktywne cząsteczki. Powstają, gdy zwykły tlen... powiedzmy... trochę oszaleje. Na przykład podczas oddychania albo fotosyntezy czasami ucieknie elektron i się do niego przyłączy. W ten sposób powstaje superoksyd.

Barbora: Superoksyd? Brzmi jak superbohater, ale chyba to raczej łotr, prawda?

Filip: Dokładnie. On z kolei może przekształcić się w nadtlenek wodoru – tak, ten sam, który stosujemy na rany. A z niego może powstać ten najbardziej agresywny ze wszystkich, rodnik hydroksylowy. To taki komórkowy chuligan.

Barbora: Czyli roślina sama w sobie produkuje nadtlenek? To wydaje mi się dość ryzykowne. I dlaczego miałaby to robić?

Filip: I tu jest cała sztuczka. Z jednej strony te cząsteczki są niebezpieczne. Są niestabilne i chcą reagować ze wszystkim wokół – z białkami, z DNA... i je uszkadzać. Ale rośliny odkryły, że mogą je też wykorzystać.

Barbora: Wykorzystać? Jak można wykorzystać coś, co niszczy ci komórki?

Filip: Służą im jako cząsteczki sygnałowe. Jak takie czerwone flagi, które mówią komórce: „Hej, uwaga, coś się dzieje! Czas włączyć obronę!” Więc to miecz obosieczny. Niskie stężenie działa jak alarm, wysokie stężenie już powoduje szkody.

Barbora: Rozumiem. Więc kiedy tych „chuliganów” jest za dużo, czy roślina ma na nich jakąś ochronę?

Filip: Oczywiście. Ma cały arsenał – swój system antyoksydacyjny. To są specjalne enzymy, które łapią i neutralizują te rodniki. Na przykład dysmutaza ponadtlenkowa albo katalaza.

Barbora: A co dalej? Tylko enzymy?

Filip: Nie, ma też takie mobilne jednostki. To są substancje takie jak witamina C, czyli askorbinian, albo znany glutation. Nawet różne kolorowe pigmenty, takie jak karotenoidy czy antocyjany, działają jako antyoksydanty.

Barbora: Czyli roślina w zasadzie miesza sobie własne antyoksydacyjne smoothie, żeby utrzymać się w kondycji?

Filip: Tak, dokładnie tak! A co więcej, gdy stres narasta, zaczyna nawet produkować więcej tych enzymów i substancji. To dynamiczny i stale adaptujący się system.

Barbora: To niesamowite. Więc rośliny nie są tylko pasywnymi ofiarami, ale aktywnie zarządzają chemią w swoich komórkach. Teraz chciałabym wiedzieć, jakie inne sztuczki mają w zanadrzu, gdy stres jest naprawdę długotrwały, na przykład przy niedoborze wody...

Filip: To świetne pytanie, Barbaro. Długotrwały stres, taki jak susza, to ogromny problem. Ale istnieje też inny, być może jeszcze bardziej podstępny wróg, którego nie widać na pierwszy rzut oka. Mówię o ozonie przygruntowym.

Barbora: Ozon? To nie ten, który chroni nas przed promieniowaniem UV wysoko w atmosferze? Ten dobry ozon?

Filip: Dokładnie ten. Tyle że kiedy tworzy się tutaj na dole, przy ziemi, to zupełnie inna historia. To nie jest ozon, który uciekłby ze stratosfery. My go tu w zasadzie „gotujemy” sami.

Barbora: Gotujemy? Jak to rozumiesz?

Filip: No, wyobraź sobie taki toksyczny przepis. Bierzesz tlenki azotu, na przykład ze spalin samochodowych, dodajesz lotne związki organiczne z przemysłu i wszystko to zostawiasz, żeby się ładnie „upiekło” na słońcu. A wynikiem jest ozon przygruntowy. Dla nas i dla roślin to trucizna.

Barbora: Czyli sytuacje smogowe latem, to jest właśnie to? Te dni, kiedy źle się oddycha i wszędzie jest takie żółte powietrze?

Filip: Tak, dokładnie tak. I podczas gdy my możemy schować się w domu, rośliny są tam na zewnątrz na pastwę losu. U wrażliwych gatunków wystarczy stężenie 100 mikrogramów na metr sześcienny i już jest źle. Podczas smogu może to być nawet sześć razy więcej.

Barbora: A co ten ozon właściwie im robi? Jak je uszkadza?

Filip: To taki cichy napastnik. Przenika do liścia przez aparaty szparkowe – tymi samymi porami, którymi roślina oddycha. Wewnątrz liścia, w wilgotnym środowisku, ozon natychmiast rozpada się na superoksyd i nadtlenek wodoru.

Barbora: Czekaj, nadtlenek wodoru... to ten rodnik, o którym mówiliśmy ostatnio w kontekście obrony antyoksydacyjnej?

Filip: Dokładnie ten! Więc roślina nagle staje w obliczu ogromnego stresu oksydacyjnego z zewnątrz. Ten nadtlenek wodoru potem w komórce czyni szkody. Głównie na błonach, które zaczyna dosłownie rozpuszczać.

Barbora: To brzmi jak z jakiegoś horroru. Komórkowy horror.

Filip: Tak jest. I nie tylko błony. Atakuje też kluczowe enzymy, na przykład Rubisco, który jest kluczowy dla fotosyntezy. Więc roślinie w zasadzie wyłącza silnik. Może to prowadzić nawet do obumierania całych części liścia.

Barbora: Dobrze, więc roślina jest pod chemicznym atakiem. Ale ostatnio mówiłeś, że mają swoje systemy obronne. Czy działają też tutaj?

Filip: Tak, działają, ale to wyścig z czasem. Niektóre rośliny są bardziej odporne, ponieważ mają trwale wyższy poziom enzymów antyoksydacyjnych. Są tak trochę jak sportowcy, którzy są ciągle w treningu i gotowi na wysiłek.

Barbora: Są po prostu w pogotowiu.

Filip: Dokładnie tak. Potrafią też szybciej indukować tworzenie kolejnych antyoksydantów, gdy atak się zacznie. I mają jeszcze jedną sztuczkę – potrafią szybciej naprawiać uszkodzone błony. Mają do tego specjalistyczne enzymy, które działają jak taka komórkowa ekipa naprawcza.

Barbora: A co z tymi mniej odpornymi roślinami? Mają pecha?

Filip: W zasadzie tak. Kolejnym czynnikiem jest tworzenie etylenu, który jest hormonem stresowym. Odporne rośliny produkują go mniej w kontakcie z ozonem. Te wrażliwe natomiast uruchamiają masową produkcję etylenu, co co prawda na chwilę pomaga, ale przy długotrwałym działaniu prowadzi do szybszego starzenia się i obumierania. To tak, jakby w panice wcisnęły gaz i hamulec jednocześnie.

Barbora: Więc odporność to właściwie spokój i rozwaga na poziomie komórkowym. Nie panikować i efektywnie naprawiać.

Filip: To idealne podsumowanie! Dokładnie tak. Spokój, rozwaga i dobra konserwacja.

Barbora: Dobrze, zostawmy teraz chemię i przejdźmy do fizyki. Co się dzieje, gdy roślinę uszkodzi coś tak powszechnego jak... temperatura? Na przykład chłód?

Filip: Świetne przejście. A chłód jest zdradliwy, bo nie musi nawet zamarzać. Mówimy o temperaturach powyżej zera. Na przykład gdy włożysz ogórka do lodówki, a po kilku dniach jest taki wodnisty i ma na sobie zapadnięte plamki.

Barbora: To mi się ciągle zdarza! Myślałam, że to po prostu starość.

Filip: Nie, to klasyczne uszkodzenie przez chłód. Problem znowu leży w błonach. Wyobraź sobie błonę jako warstwę masła. W optymalnej temperaturze jest pięknie półpłynna, elastyczna i wszystko w niej działa tak, jak powinno.

Barbora: Rozumiem, białka i inne cząsteczki mogą w niej swobodnie „pływać” i wykonywać swoją pracę.

Filip: Dokładnie. Ale gdy obniżysz temperaturę, co stanie się z masłem w lodówce?

Barbora: Zastygnie. Jest twarde i kruche.

Filip: I to samo dzieje się z błoną komórkową. Składnik lipidowy zastyga w taki stały żel. Białka w niej skręcają się, przestają działać, a co najważniejsze – błona staje się dziurawa. Zaczyna niekontrolowanie przepuszczać substancje na zewnątrz i do środka.

Barbora: Więc w komórce nastaje totalny chaos. Rozpad metaboliczny.

Filip: Tak, i wyczerpanie energetyczne, bo komórka stara się ten chaos opanować. To uszkodzenie jest odwracalne, jeśli chłód nie trwa zbyt długo. Ale jeśli tak, komórka umiera.

Barbora: Jak przed tym zastygnięciem bronią się rośliny, które żyją w chłodniejszym klimacie?

Filip: Mają genialne rozwiązanie. W zasadzie „rozcieńczają” swoje masło olejem, żeby nie zastygło tak łatwo. Chemicznie rzecz biorąc, zmieniają skład kwasów tłuszczowych w swoich błonach.

Barbora: Jak to działa?

Filip: Zwiększają udział nienasyconych kwasów tłuszczowych. Mają one w swoim łańcuchu podwójne wiązania, które powodują takie „załamania” lub „zagięcia”. Z powodu tych załamań cząsteczki nie mogą tak ciasno ułożyć się obok siebie, a błona pozostaje bardziej płynna nawet w niższych temperaturach.

Barbora: Więc im więcej „zagiętych” cząsteczek, tym niższa temperatura krzepnięcia. To tak, jakby układać w pudełku proste linijki kontra zgięte druty. Te druty zajmą więcej miejsca i trudniej je ułożysz.

Filip: Idealna analogia! Dokładnie tak. Kwas stearynowy, który jest nasycony, topi się w prawie 70 stopniach. Ale kwas α-linolenowy, który ma trzy podwójne wiązania, topi się już w minus 11 stopniach. To ogromna różnica.

Barbora: Czyli roślina aktywnie przygotowuje się na zimę, przebudowując swoje błony?

Filip: Tak, to proces zwany aklimatyzacją. Oprócz tego tworzy też specjalne białka stresowe i zwiększa poziom antyoksydantów, ponieważ chłód, podobnie jak ozon, powoduje również stres oksydacyjny.

Barbora: Dobrze, to był chłód. Ale co, jeśli temperatura spadnie poniżej zera? Co z mrozem? Tam już nie chodzi tylko o zastyganie błon, prawda? Tam w grę wchodzi lód.

Filip: Dokładnie tak. Mróz to zupełnie inna liga. Tutaj komórka staje w obliczu dwóch głównych niebezpieczeństw. Pierwszym jest uszkodzenie mechaniczne. Kryształy lodu, zwłaszcza te duże i ostre, mogą dosłownie przebić ścianę komórkową i błonę. To tak, jakbyś przebił komórkę tysiącem igiełek.

Barbora: Auć. To brzmi fatalnie.

Filip: Tak też jest. Jeśli lód powstanie wewnątrz komórki, to prawie zawsze jest koniec. Ale drugie niebezpieczeństwo jest być może jeszcze bardziej podstępne – odwodnienie. Woda zaczyna bowiem zamarzać najpierw w przestrzeniach międzykomórkowych, w tak zwanym apoplaście.

Barbora: Dlaczego akurat tam?

Filip: Ponieważ jest tam czystsza i ma wyższą temperaturę zamarzania niż cytozol wewnątrz komórki, który jest pełen rozpuszczonych substancji. Gdy w apoplaście tworzy się lód, stężenie rozpuszczonych substancji poza komórką rośnie i osmotycznie wyciąga z niej coraz więcej wody. Komórka w ten sposób w zasadzie wysusza się żywcem.

Barbora: Więc zamarza, nie mając w sobie ani jednego kryształu lodu. To paradoksalne.

Filip: Tak jest. A rośliny, które są odporne na mróz, są mistrzami w zarządzaniu lodem. Robią wszystko, żeby lód nie powstał wewnątrz komórek.

Barbora: Jak to osiągają?

Filip: Mają do tego cały zestaw narzędzi. Zwiększają stężenie substancji w komórkach – cukrów, aminokwasów – co działa jak płyn niezamarzający i obniża temperaturę zamarzania. Tworzą specjalne białka, które zapobiegają wzrostowi dużych kryształów lodu. Potrafią nawet kontrolowanie odwadniać komórki, zmniejszać wakuole, żeby było tam jak najmniej wody, która mogłaby zamarznąć.

Barbora: Czyli one właściwie same przeprowadzają to odwodnienie, ale kontrolowanie, żeby mróz ich nie zaskoczył.

Filip: Dokładnie tak. To strategia przetrwania. Przejmują kontrolę nad tym, co nieuniknione. Niektóre gatunki arktyczne są w tym tak dobre, że przeżywają nawet temperatury ciekłego azotu.

Barbora: To niesamowite. Więc rośliny potrafią radzić sobie z chemicznym atakiem z atmosfery i ze stresem fizycznym spowodowanym temperaturą. Ale co z kolejnym niewidzialnym wrogiem, o którym dużo się mówi w związku z ozonem... co z takim promieniowaniem UV?

Filip: Świetne pytanie, Barbaro. Promieniowanie UV to ogromny temat, ale skoro już jesteśmy przy tym stresie fizycznym, to cofnijmy się do chłodu? Bo to, jak rośliny przygotowują się na zimę, to prawie jak science fiction.

Filip: Rośliny produkują bowiem całą armię specjalnych białek. Zbiorczo nazywa się je białkami COR, czyli „białkami związanymi z chłodem”.

Barbora: Armia białek? To brzmi ostro. Mają też jakieś specjalne jednostki?

Filip: Dokładnie tak! Są tam na przykład tak zwane dehydryny, które chronią komórki przed wysychaniem podczas mrozu. Ale moimi ulubieńcami są tak zwane białka „antifreeze”.

Barbora: Antifreeze? Jak płyn niezamarzający do samochodu?

Filip: W zasadzie tak, ale działają sprytniej. Zamiast całkowicie zapobiegać powstawaniu lodu, przyłączają się do małych kryształków lodu i nie pozwalają im rosnąć w duże, ostre igły, które rozerwałyby komórkę.

Barbora: Czyli taki ochroniarz dla kryształków lodu, który trzyma je w ryzach.

Filip: Można tak powiedzieć. To genialne zarządzanie sytuacją kryzysową.

Barbora: A kiedy rośliny zaczynają przygotowywać się na tę „sytuację kryzysową”? Dopiero gdy zacznie zamarzać?

Filip: I tu jest największy paradoks. Cały proces, tak zwany „syndrom jesienny”, uruchamia skracający się dzień. Dzieje się to już w sierpniu, kiedy jest jeszcze ciepło!

Barbora: W sierpniu? Czyli nie czekają na pierwsze przymrozki?

Filip: Wcale nie. To dla nich sygnał: „Uwaga, zbliża się zima, zacznij się przygotowywać!” Zmieniają się poziomy hormonów, zatrzymuje się wzrost, a pąki przekształcają się w typ zimowy.

Barbora: To niesamowita przewidywalność. Ale czy same niskie temperatury odgrywają jeszcze jakąś rolę?

Filip: Tak, to druga faza. Pierwsze przygotowania rozpoczyna światło, ale to ostateczne „hartowanie” i maksymalna odporność na mróz wymaga dopiero działania temperatur między zerem a siedmioma stopniami. To takie stopniowe przyzwyczajanie się.

Barbora: Więc to dwufazowy proces – najpierw kalendarz, potem termometr. To ma sens. A co się stanie, gdy roślina jakoś przegapi ten sygnał albo ociepli się w środku zimy?

Filip: Doskonałe pytanie. Właśnie wtedy wkracza błyskawiczna komunikacja komórkowa. Gdy warunki się zmieniają, komórka musi zareagować natychmiast. I do tego służy taka wewnętrzna autostrada sygnałowa.

Barbora: Czyli coś jak wewnętrzna poczta? Jak to działa, żeby wiadomość się nie zgubiła?

Filip: Dokładnie tak. Na powierzchni komórki jest receptor, taka antena. On wychwytuje sygnał i przez pomocnika, białko G, aktywuje enzym zwany fosfolipazą C, w skrócie PLC.

Barbora: PLC... To brzmi jak jakaś firma technologiczna. Co dokładnie robi?

Filip: Prawie. Ta PLC działa jak molekularne nożyczki. Rozcina cząsteczkę PIP₂ na dwie mniejsze – IP₃ i DAG. I właśnie IP₃ jest tym kluczowym posłańcem.

Barbora: A dokąd biegnie ten posłaniec?

Filip: Leci do retikulum endoplazmatycznego, które jest magazynem wapnia. Tam odblokowuje kanały wapniowe, a jony wapnia zalewają komórkę. To jest ten końcowy sygnał, który uruchamia reakcję obronną.

Barbora: Wow. Więc to właściwie taka droga domino – od anteny na powierzchni aż po zalew wapnia w środku. Niewiarygodnie skuteczne.

Filip: Dokładnie tak. To doskonały system, który zapewnia, że roślina potrafi reagować na zmiany w ciągu sekund. Pokazuje to, jak natura jest przemyślana w najdrobniejszych szczegółach.

Barbora: Filipie, bardzo ci dziękuję za wspaniałe i zrozumiałe wyjaśnienie. To było fascynujące.

Filip: Ja też dziękuję za zaproszenie, Barbaro. Było mi miło.

Barbora: A Wam, drodzy słuchacze, dziękujemy za uwagę w kolejnym odcinku Studyfi Podcastu. Trzymajcie się ciepło i do usłyszenia wkrótce!