2. Omawiajc to zagadnienie musimy posugiwa si trzema pojciami, kt坦re s bardzo czsto przeciwstawnie interpretowane. 纏eby si rozumie zdefiniujmy je i przyjmijmy t interpretacj za jedyn suszn. Adaptacja dostosowanie organizmu do funkcjonowania w rodowisku wyksztacone na drodze ewolucji, majce oczywicie swoje podo甜e genetyczne. Cechy adaptacyjne mog podlega ekspresji konstytutywnej, mog by te甜 indukowane przez zmiany w rodowisku (ale geny s obecne cay czas). Aklimacja (hartowanie) (1) ekspresja indukowalnych cech adaptacyjnych pod wpywem okrelonych czynnik坦w rodowiska lub (2) dziaanie tymi czynnikami w celu indukcji cech adaptacyjnych. Aklimatyzacja (1) ekspozycja organizmu na okrelone czynniki rodowiska powodujca zmiany w jego stanie fizjologicznym ale nie powodujca indukcji cech adaptacyjnych, np. zacienianie lici wyczajce aparat fotosyntetyczny, powolne wyciganie pomidor坦w z inspektu do warunk坦w polowych w celu zapobie甜enia uszkodzeniom chodowym unikanie szoku lub (2) proces prowadzcy do wyksztacenia si lub uruchomienia adaptacji (wg. Klasycznej genetyki niemo甜liwe, ale biorc pod uwag epigenetyczne wyciszanie czy uruchamianie gen坦w) (3) w hodowli rolin prace prowadzce do introdukcji nowego gatunku poprzez selekcj genotyp坦w, kt坦re mog lepiej funkcjonowa w nowym rodowisku (wykorzystywanie naturalnej zmiennoci) lub tworzenie zmiennoci na drodze mutacji, transgenezy, czy wymuszania zmian epigenetycznych (np. w wyciszaniu gen坦w).
3. Zimotrwao ( Levitt 1980) M rozoodporno O dporno na susz fizjologiczn wysmalanie Odporno na stres wietlny Odporno na uszkodzenia mechaniczne odporno na ruchy gleby ( zamarzanie-rozmarzanie; system korzeniowy ) odporno na ciskanie sk o rup - lodow (cz nadziemna) Odporno na warunki beztlenowe odporno na dugo zalegajcy nieg odporno na wymakanie O dporno na choroby i szkodniki
4. Mrozoodporno (Anderssson, Olsson 1961 ) mrozoodporno waciwa ( po zahartowaniu ) mrozoodporno w stanie niezahartowanym mrozoodporno zwizana z pokrojem rolin
5. W warunkach nietypowego przebiegu zimy O dporno na suboptymalne warunki prehartowania Z dolno do utrzymania zahamowania wzrostu nabytego podczas prehartowania W ysokie wymagania wernalizacyjne N iska wczesno N iska wra甜liwo na rozhartowywanie
6. Strategie przetrwania zimy Unikanie (przetrwanie w formie nasion, stratyfikacja) Mechanizmy aklimacyjne Strategia indukowanego unikania stres坦w zimowych w tym zamarzania Strategia indukowanej tolerancji stres坦w zimowych, w tym zamarzania Cech charakterystyczn zimotrwaoci jest to, i甜 zmienia si ona sezonowo: ronie jesieni (hartowanie na mr坦z) a spada w okresie wiosennym (rozhartowywanie). Hartowanie rolin na mr坦z zwiksza STOPIE MROZOODPORNOCI oraz odporno na: STRES WIETLNY i STRESY DEHYDRATACYJNE
7. Morfologia i cechy anato m iczne rolin a zimotrwao W wielu pracach stwierdzano zale甜no zimotrwaoci rolin od cech anatomicznych i morfologicznych rolin (dugo i szeroko blaszki liciowej, wielko kom坦rek, ilo lici, zawarto wody w czci nadziemnej, stopie rozwoju systemu korzeniowego). Istniejce tu zale甜noci s podobne do tych omawianych w przypadku roli zahamowania wzrostu wydu甜eniowego w procesie hartowania na mr坦z.
8. Wpyw czynnik坦w zewntrznych na zimotrwao rolin Temperatura (obni甜anie si wywouje hartowanie, wzrost-rozhartowywanie) wiato (dugo dnia, PAR-sygna dla ekspresji gen坦w, PAR-添r坦do energii dla fotosyntezy i uszkodze w przypadku fotoinhibicji) Nawo甜enie (N-przyspiesza wzrost, dziaa indukcyjnie, hamuje proces hartowania na mr坦z, roliny wiksze s bardziej podatne na mr坦z po nie chowaj si pod niegiem, K-sprzyja hartowaniu bo gromadzenie jon坦w K+ obni甜a potencja osmotyczny)
9. Wpyw czynnik坦w zewntrznych na zimotrwao rolin St甜enie CO 2 (wysokie oszukuje PSII, kt坦ry jest wsp坦odpowiedzialny za wykrywanie zmian temperatury rolina myli, 甜e jest cieplej i gorzej si hartuje, obfito asymilat坦w przyspiesza wzrost co te甜 osabia hartowanie) Okrywa niegowa (zapobiega gwatownym spadkom temperatury w godzinach porannych, stanowi bufor cieplny, ogranicza susz i stres wietlny, sprzyja anoksji i stresom biotycznym)
10. PRZYCZYNY USZKODZEN MROZOWYCH Przyczyn mierci kom坦rek w czasie zamarzania jest destrukcja me m bran cyt o plazmatycznych , destrukcja ta mo甜e by destrukcj: Mechaniczn Biochemiczn bd添 fizyczn
11. PRZYCZYNY USZKODZEN MROZOWYCH Mechaniczna: przez krysztay lodu rosnce w obrbie kom坦rki B ioc hemiczna bd添 fizyczna Aktywacja b d添 uwalnianie lipaz - d eestryfikacja lipid坦w (Yoshida 1978, Willemot 1983) Utrata struktury lipidowej bon w czasie indukowan ej m r ozem d esykacji cytoplazmy Wysalani e b ia ek me mbranowych w czasie indukowan ej m r ozem d esykacji cytoplazmy (Thebud, Sa ntarius 1981 ) Przejcie f azowe b o n (Caf f rey 1987) Potencja elektry cz ny p o wstaj cy na skutek ekskluzji substancji ro zp uszczonych na granicy l坦d-roz tw坦r (Steponkus 1985) O becno wolnych rodnik坦w przy jednoczesnej, ograniczonej mo甜 li woci ich neutralizowania (Kendall, McKers:a 1989)
12. Metody oceny zimotrwaoci rolin Polowa - ze wzgldu na du甜 zmienno przebiegu zim ocena taka wymaga wieloletnich (lub/i) wielopunktowych bada. Skala 9属. Poprzez ocen mrozoodpornoci (odporno na mr坦z najczciej decyduje o prze甜yciu zimy i koreluje z zimotrwaoci na poziomie 0,6-0,95 w zale甜noci od dokadnoci oceny zimotrwaoci i sposobu oceny mrozoodpornoci). Poprzez ocen innych cech (wymagania wernalizacyjne, cechy anatomiczne...)
14. Mrozoodporno metody oceny Bezporednie (konieczne zahartowanie rolin i mro甜enie) Porednie (okrelanie zmian biochemicznych lub fizycznych zachodzcych podczas hartowania na mr坦z)
15. Bezporednia ocena mrozoodpornoci Hartowanie rolin w polu. Metoda tasza, ale mniej dokadna, gdy甜 stopie mrozoodpornoci zmienia si w cigu zimy. Dokonywana jednokrotnie koreluje z zimotrwaoci zwykle na poziomie okoo 0,6. Dokonywana kilkukrotnie w czasie zimy daje korelacje rzdu 0,8-0,9. Hartowanie rolin w warunkach laboratoryjnych (najdokadniejsza, ale droga). Hartowanie in vitro kalusa, czy zawiesin kom坦rkowych. Podzia ze wzgldu na 添r坦do materia坦w do oceny
16. Bezporednia ocena mrozoodpornoci Ocena prze甜ycia rolin (jeli materia pochodzi z pola, to stosuje si tzw. skrzynkow metod Kocha roliny wysiewane s w warunkach polowych do skrzynek i pobierane do mro甜e zwykle trzykrotnie w czasie zimy, mro甜one s cae szkrzynki). % prze甜ycia. Wizualna bonitacja stopnia uszkodze lub odrostu rolin. Skala 9属. Podzia ze wzgldu na spos坦b oceny uszkodze
17. Bezporednia ocena mrozoodpornoci Ocena wypywu elektrolit坦w (mo甜na mrozi fragmenty rolin). Ocena stopnia uszkodze aparatu fotosyntetycznego przy u甜yciu pomiar坦w fluorescencji chlorofilu (mo甜na mrozi fragmenty rolin) Test tetrazolinowy (g坦wnie in vitro lub fragmenty rolin) Podzia ze wzgldu na spos坦b oceny uszkodze
19. Porednie kryteria mrozoodpornoci zawarto cukr坦w rozpuszczalnych - Lev i tt 1956 - pszenica, 甜yto, lucerna aktywno grup SH (test n i troprusydkowy) Bruckmann, Werthelm 1954 - pszen i ca, j czmie zawarto zwizk坦w reduku j cych (miareczkowanie askorblnlanu) Schmu t z 1969 - zbo甜a lepko plazmy - Muller 1959 zawarto wody zw i zane j - Lev i tt 1956
20. Porednie kryteria mrozoodpornoci przewodnictwo elektryczne soku kom坦rkowego - Wllner 1960 aktywno amonlol i azy-L fenyloalanlny - Parra 1990 rzepak ocena prze甜ycia kalusa na po甜ywkach selekcjonujcych (np. bogatych w hydroksyprolin, D 旦 rffling 1990)
21. Porednie kryteria mrozoodpornoci 纏adne z nich nie znalazo zastosowania w hodowli s zbyt drogie i niepewne. Stopie aklimacji aparatu fotosyntetycznego do chodu (u zb坦甜 i rzepaku ozimego aktywno fotosyntetyczna) quist 1944 akumulacja s.m. jesieni, Rapacz 2005 fluorescencja chlorofilu jesieni (metoda tania i przez to perspektywiczna)
22. Markery molekularne Klasyczne : du甜y problem mrozoodporno ZMIENIA SI SEZONOWO wic nie zale甜y od obecnoci gen坦w lecz stopnia ich ekspresji Ale z tego wynika, 甜e mo甜na u甜ywa do selekcji negatywnej (jak genu nie ma to nie mo甜e podlega ekspresji) Inny problem to poligeniczno: du甜o QTLi Jedyna mo甜liwo: szukanie w regionach sterujcych lub w specyficznych wypadkach (przenosimy mrozoodporno na drodze krzy甜owa jednoczenie wprowadzajc geny markerujce o bliskich QTL lub je甜eli istniej lub s przenoszone geny konstytutywne uatwiajce przebieg hartowania) Ekspresyjne : perspektywiczne, szczeg坦lnie jeli we添mie si pod uwag czynniki transkrypcyjne sterujce hartowaniem
23. Markery mrozoodpornoci u jczmienia (Rapacz, Tyrka, Gut 2006). Polimorfizm DNA dla wybranych oznacze wysoko skorelowanych z reakcj tolerancji na mr坦z (ocena metod polowo-laboratoryjn w 2005 roku). Kolorem biaym oznaczono markery skorelowane r坦wnie甜 z wynikami oceny fluorescencyjnej. Na 甜坦to markery skorelowane ze stopniem aklimacji aparatu fotosyntetycznego.
24. Aby si zahartowa na mr坦z roliny musz zahamowa wzrost wydu甜eniowy Jest to proces w spos坦b konkurencyjny dla hartowania zu甜ywajcy energi Wzrost zwiksza zawarto wody w kom坦rkach (co utrudnia hartowanie) Roliny nie chowaj si pod niegiem Ekspresja gen坦w zwizana ze wzrostem organ坦w generatywnych hamuje ekspresj gen坦w cor Przeczanie 2 strategii: wzrost i rozw坦j przetrwanie zimy
25. Jak hamowany jest wzrost? To zale甜y od przyjtej strategii: hamowanie jest albo cakowite (strategia supercooling zachodzi r坦wnoczenie z hartowaniem) albo czciowe (strategia tolerancji zachodzi w etapie prehartowania)
26. Strategie hartowania na mr坦z Strategia indukowanego unikania stres坦w SUPERCOOLING (tkanki u tych rolin nigdy nie zamarzaj) Strategia indukowanej tolerancji stresu NON-SUPERCOOLING (l坦d powstaje w tkankach ale rolina umie to tolerowa) Oczywicie w wielu przypadkach obydwie strategie wystpuj u tych samych gatunk坦w
27. Strategia indukowanego unikania stres坦w zimowych Jest ona ewolucyjnie starsza, nazywa si j te甜 strategi przechodzenia a towarzyszce zwikszanie odpornoci na stres wietlny i stresy dehydratacyjne polega na typowej ucieczce poprzez pozbycie si aparatu fotosyntetycznego a co za tym idzie powierzchni transpiracyjnej poprzez zrzucanie lici. Strategie t obserwujemy u drzew, krzew坦w i krzewinek klimatu umiarkowanego i zimnego.
28. Strategia indukowanego unikania stres坦w zimowych Jak to byo? Ewolucja okrytonasiennych w klimacie w kt坦rym wystpuj zimy pocztkowo umiecia roliny o du甜ym udziale silnie zdrewniaych, a wic zawierajcych mao wody tkanek mechanicznych w odygach i zrzucajcych licie. Roliny zielne, zimujce, mogy pojawi si dopiero wraz z wyksztaceniem drugiego z wymienionych mechanizm坦w.
29. Strategia indukowanego unikania stres坦w zimowych Przebieg hartowania Bod添cem dla rozpoczcia hartowania jest skracajcy si dzie (ale dziaa te甜 ch坦d i przymrozki). Dugo krytyczna zale甜y od geograficznego pochodzenia ekotypu i jest du甜sza u form p坦nocnych. - Transgeniczna topola (hybrid aspen) z nadekspresj genu fitochromu A nie hartuje si: nie hamuje wzrostu, nie zrzuca lici, nie indukuje spoczynku pk坦w, chocia甜 ma obni甜ony poziom GA i auksyn to nie zmniejsza iloci GA na kr坦tkim dniu. Dziaaniem inhibitora giberelin (paklobutrazolem) mo甜na zahamowa (ale tylko czciowo) negatywne efekty u transgenu.
31. Strategia indukowanego unikania stres坦w zimowych Przebieg hartowania Czyszczenie wody w ksylemie co umo甜liwia jej przechodzenie nawet do okoo -50属C. Akumulacja asymilat坦w wyprowadzanych z lici we floemie Rozmieszczanie w tkankach przewodzcych biaek przeciwzamarzaniowych Indukowanie spoczynku pk坦w, ochrona ich przez odwadnianie, akumulacj asymilat坦w, biaek przeciwzamarzaniowych i okrywanie tkankami martwymi co zabezpiecza przed gwatownymi spadkami temperatury Zrzucanie lici (obrona przed stresami dehydratacyjnymi i stresem wietlnym)
32. Nabywanie i utrata odpornoci na mr坦z u Robinia pseudoaccacia (wg. Guy 1990)
34. Strategie porednie drzewa i krzewy wieczniezielone Szpilkowe Postpuj jak zrzucajce licie, ale: ich aparat fotosyntetyczny aklimuje si do stresu wietlnego nie musz zabezpiecza szpilek przed dehydratacj bo ich kseromorfizm jest wystarczajcy, wizki przewodzce w szpilkach zabezpieczane s jak w pniach, poniewa甜 nie ma przestwor坦w midzykom坦rkowych to woda nie ma gdzie zamarza, kom坦rki mikiszu s napakowane asymilatami. Liciaste Mo甜na u nich zaobserwowa mechanizm supercoolingu (odygi) i mechanizm tolerancji (licie). Taka mieszanka nie jest jednak najszczliwszym rozwizaniem i roliny te nie maj wysokiej mrozoodpornoci.
35. Strategia indukowanej tolerancji Proces hartowania prowadzi w tym przypadku do przesunicia miejsca zamarzania wody z wntrza kom坦rki do przestwor坦w midzykom坦rkowych
36. Pozakom坦rkowe (2) i wewntrzkom坦rkowe (1) zamarzanie wody (wg. Li i Palta 1978, w: Li, Sakai Plant cold hardiness and freezing stress)
37. Zamarzanie wody we wntrzu kom坦rki zawsze prowadzi do jej mierci Zamarzanie poza kom坦rk nie musi (ale mo甜e) kom坦rki zabi Wntrze kom坦rki mo甜na bezpiecznie dla jej 甜ycia zamrozi jedynie przy bardzo szybkim spadku temperatury (100 K/min). Dochodzi wtedy do zeszklenia protoplastu nie tworz si du甜e krysztay lodu (witryfikacja).
38. Przebieg hartowania w strategii indukowanej tolerancji Prehartowanie , temperatura <15 属 C w czasie dni sonecznych, <10 属 C w czasie dni pochmurnych, niekiedy wymagany kr坦tki dzie Faza I : 0-8 属 C, wymagane wiato Faza Ib : okresowo dziaajce temperatury ujemne (w nocy) wzmaga indukujce zaburzenia w gospodarce wodnej Faza II temperatury ujemne (cigle dziaajce) fizyczna dehydratacja protoplastu, wiato niewymagane
39. Etapy hartowania i temperatury w okresie jesiennym, zaznaczono termin siewu i wschod坦w rzepaku ozimego
40. Prehartowanie Hamowanie wzrostu wydu甜eniowego Aklimacja aparatu fotosyntetycznego do niskiej temperatury (mechanizm zale甜ny generalnie od strategii gromadzenia asymilat坦w) Stopie mrozoodpornoci nie wzrasta zauwa甜alnie, jednak prehartowanie umo甜liwia pene zahartowanie rolin w kolejnych etapach
42. Prehartowanie rzepaku ozimego w warunkach wzrostu redukujcych PSII Kompaktowa morfologia rolin wzrost zawartoci ABA i spadek iloci giberelin 20/12属C (dzie/noc) 12/20属C (dzie/noc)
43. Potencjalna mo甜liwo uwalniana ABA w warunkach zredukowanego PSII Rysunek przedstawia mechanizm puapkowania ABA w chloroplastach, przy zbyt du甜ym, nierozadowywanym gradiencie proton坦w w poprzek tylakoidu ABA mo甜e by uwalniane z tej swoistej puaki
44. Prehartowanie Geny hamowane przez gibereliny mog zawiera elementy odpowiadajce na ABA (Thomas i Sun 2004). Przy braku GA indukowana jest ekspresja ABA, a gdy si one pojawi jest ona hamowana, wynika to std, 甜e biaka DELLA biorce udzia w przekazywaniu sygnau giberelin (pojawienie si giberelin indukuje ich proteoliz) stymuluj gen XERICO aktywujcy biosyntez ABA. ABA z kolei hamuje aktywno niekt坦rych gen坦w zaanga甜owanych w biosyntez GA ( Zentella et al. Plant Cell. 2007; 19: 3037-3057) .
45. Waciwe hartowanie na mr坦z W odr坦甜nieniu od prehartowania stopie mrozoodpornoci zaczyna tu stopniowo wzrasta
46. Strategia tolerancji zamarzania sezonowe zmiany stopnia aklimacji Zmiany odpornoci rzepaku ozimego (wg. Kacperska-Palacz, 1978)
47. Dugo okresu hartowania Do penego zahartowania rolin wystarczaj zwykle 3-4 tygodnie w temperaturze +2-5 属 C, Do dohartowania do maksymalnego poziomu rolin hartowanych w wy甜szych temperaturach wystarczy ju甜 okoo 5 dni w +2 属 C
49. Hartowanie na mr坦z - zale甜no od temperatury i podatno tkanek Na mr坦z nie s si w stanie hartowa nie tylko g坦wne wierzchoki wzrostu niekt坦rych traw (Lolium), ale te甜 korzenie (nie jest to im potrzebne) U traw hartuj si boczne wierzchoki wzrostu (bo s podczone do lici)
50. Podstawowe kierunki zmian metabolicznych podczas hartowania na mr坦z zmiany s odpowiedzi na zagro甜enia zwizane z dziaaniem niskiej temperatury i zamarzaniem
51. Biaka przeciwzamarzaniowe Zwierzce : AGFP, AFP typ.I., typ.II, typ.III, typ.IV ( http://www.afprotein.com/table.htm ). Izolowane g坦wnie z ryb antarktycznych lub owad坦w.
52. Mechanizm hamowania wzrostu kryszta坦w lodu przez biaka AFP A tak to wyglda pod mikroskopem - wpyw ekstrakt坦w z apoplastu 甜yta w zale甜noci od dugoci hartowania w 2C na ksztat kryszta坦w lodu in vitro .
53. Krysztay lodu tworzce si przy braku (z lewej) i w obecnoci biaek AFP, typ III (z prawej)
54. Biaka przeciwzamarzaniowe Rolinne: wykazuj niewielk aktywno w stosunku do obni甜ania temperatury krystalizacji (o okoo 1,5属C, gdy zwierzce nawet o 6属C). Przypuszcza si, 甜e peni one raczej rol ochronn przed tworzeniem si lodu w specyficznych regionach kom坦rki (w pobli甜u biaek i bon) lub/i zmieniaj ksztat i rozmiar kryszta坦w lodu, tak, 甜eby zminimalizowa uszkodzenia mechaniczne.
57. Rozhartowywanie Jest szybsze od hartowania, Nieodwracalne, jeli rozpocznie si intensywny wzrost wydu甜eniowy (cofnie si spoczynek w strategii supercooling lub efekty prehartowania w strategii tolerancji) Czynniki: temperatura, stan redoks PSII, fotoperiod (wa甜niejszy dla strategii supercooling przerywa spoczynek pk坦w i indukujcy rozw坦j generatywny, np.. U rzepaku)
