Stresszfiziológia Stresszfiziológia

(1)

Stresszfiziológia

(2)

A fizikai stresszkoncepció alkalmazása növényekre

J. Lewitt: Responses of Plants to Environmental Stresses (1972.)

A stressz fizikai értelmezése:

- Newton mozgástörvényei alapján Erő-ellenerő, akció-reakció - Stressz (erő/felület)

Strain, hatás egy testre: deformáció (alakváltozás) - Stressz / deformáció= M (elaszticitási modulus)

Elasztikus deformáció: reverzibilis Plasztikus deformáció: irreverzibilis

(3)

A stressz anyagcsere terhelés A stressz anyagcsere terhelés

A stressz biológiai értelmezése a fizikai analógiájaként:

- Külső faktor (stresszor) hatása az organizmusra

(erő, nyomás, pH a saját mértékegységeivel) - Deformáció: bármilyen fizikai vagy kémiai változás

Elasztikus változás : reverzibilis Plasztikus változás: irreverzibilis

- Elaszticitási modulus: intenzitás/mennyiségi változás

Plaszticitási modulus: intenzitás/standard irreverzibilis változás - Növényi rendszerben a plasztikus deformáció reparálható.

- Az élő szervezet adaptálódhat.

- Időfaktor.

- Specifikus és aspecifikus reakciók.

(4)

Az általános adaptációs szindróma

Selye János: The Stress of Life (1956)

Életünk és a stressz (Bp. Akadémiai Kiadó, 1966)

• Stressz:

fajlagos

tünetcsoportban megnyilvánuló állapot, mely magában foglal minden nem- fajlagosan előidézett elváltozást.

• Stresszor:

bármely faktor, amely a

stresszt okozza

(5)

Selye János (1936., 1956.) Selye János (1936., 1956.)

• A stressz a szervezet túlterhelt, túlerőltetett

állapota, a test aspecifikus reakciója mindenfajta igénybevétellel szemben.

• Larcher (1987.) A stressz egy olyan terheléses állapot, amelyben a növénnyel szembeni

fokozott igénybevétel a funkciók kezdeti

destabilizációját követően egy normalizálódáson

át az ellenállóság fokozódásához vezet, majd a

tűréshatár túllépésekor tartós károsodást vagy

akár pusztulást is okoz.

(6)

Az általános adaptációs szindróma Az általános adaptációs szindróma

alkalmazása növényekre

(7)

A növényi stresszorok A növényi stresszorok

Természeti

Természeti Biotikus Biotikus Antropogén Antropogén erős fény baktériumok légszennyezők

szárazság gombák savas esők

hőség vírusok nehézfémek

UV-A, UV-B rovarok herbicidek sebzés, növényevő állatok

alacsony

hőmérséklet

tápanyaghiány

(8)

szignálpercepció szignáltranszdukció

Külső szignál Külső szignál

Anyagcsereválasz

Anyagcsereválasz Génexpresszió Génexpresszió

Anyagcsere fluxusok

újraállítása, új egyensúlyok, stresszhormonok szintézise

Stresszproteinek, kompatibilis ozmotikumok, növényi

antibiotikumok szintézise

(9)

a./ Nagy fenotípusos plaszticitású fajok:

a növény tud

akklimatizálódni az

egyedfejlődés folyamán jelentkező

stresszhatásokhoz b./ Kis fenotípusos plaszticitású fajok:

a növény az erőteljes stresszhatásra

elpusztulhat, és csak egyes (megfelelő

genotípusú) egyedek élik túl a stresszt: szelekció nemzedékek során

Akklimatizáció (a.)

és adaptáció (b.)

(10)

Széles fenotípusos plaszticitású növény: az

Arabidopsis válasza hidegstresszre

(11)

A vízhiány

(12)

A szárazságtűrés mechanizmusai A szárazságtűrés mechanizmusai

1. A vízpotenciál csökkenésének megelőzése ( a szövetek hidratáltságának fenntartása

szárazságstressz alatt)

• A vízvesztés minimálisra csökkentése

• A vízfelvétel fenntartása (vízpazarlók) 2. Az alacsony vízpotenciál tolerálása

3. A száraz időszak elkerülése: rövid tenyészidő

(13)

1. típus: A deszikkációt elkerülő stratégia

A./ Fa alakú kaktusz Galapagoszról; B./ Fű fa Ausztráliából

(14)

1. típus: A növények egy része állandó vízpotenciál mellett éli át a száraz periódust: a növény mindenáron vízhez jut, vízpazarló stratégia

C./ Statice gmelini (sós talajon), Prosopis (sivatagban)

(15)

Prosopis glandulosa

(16)

Kontroll Szárazságstressznek kitett

2. típus: a növények szárazság hatására elvesztik eredeti vízpotenciáljukat, elviselik az alacsony vízpotenciál értéket, majd akklimatizálódnak hozzá

(17)

3. típus: A stresszor, a szárazság elkerülése: (escape), felgyorsult, vízhez kötött életciklus, efemer sivatagi növények

(18)

A szárazság hatására A szárazság hatására bekövetkező válaszok bekövetkező válaszok

sorozata:

• Korai válasz, első védelmi vonal: a sztómazáródás és a

levélfelület

csökkenése

• Második védelmi vonal: fokozott gyökérnövekedés

•Metabolikus és hormonális változások. Az abszcizinsav szintézisének fokozódását

követően a hormon által indukált és egyéb génexpressziós

változások jelentik a harmadik védelmi vonalat (kompatibilis

ozmotikumok, prolin, glicin betain,

mannitol szintézise, védőfehérjék,

LEA proteinek szintézise).

(19)

Első védelmi vonal: a levélfelület csökkenése

Y tengely: a levélfelület növekedési sebessége

Vízstressz nélkül

Vízstresszelt növény

GR=növekedési sebesség, m=sejtfal extenzibilitás,

ψ

_p

=turgornyomás, Y=küszöbturgor

(20)

A lokális és az általános adaptációs szindróma növényeknél

öntözött

száraz ABS

(21)

Első védelmi vonal: a levélfelület csökkenése és sztómazáródás

1. A fény hatására a sztróma lúgosodik

3. A disszociálatlan ABSH szabadon kidiffundál a plasztiszból a citoszolba 2. Az lúgos kémhatású sztrómában az ABSH disszociál

4. Az ABS^- anionra a membrán impermeábilis

Hidropasszív sztómazáródás: követi a vízvesztést;

Hidroaktív sztómazáródás: hormonok (ABS; indolecetsav) és egyéb tényezők által szabályozott

(22)

Szabályozó faktorok:

Nyit → fény (elsősorban a kék hullámhossz

tartomány), kis széndioxid koncentráció,

átlagos hőmérséklet, elegendő víz,

indolecetsav hormon Zár → sötétség ,

nagy széndioxid koncentráció, szélsőséges hőmérséklet, vízhiány,

abszcizinsav hormon

(23)

Harmadik védelmi vonal, metabolikus és Harmadik védelmi vonal, metabolikus és

génexpressziós változások:

a fotoszintézis a levélfelület csökkenését a fotoszintézis a levélfelület csökkenését

követően jóval később, kisebb vízpotenciálnál követően jóval később, kisebb vízpotenciálnál

csökken

(24)

Harmadik védelmi vonal, metabolikus és Harmadik védelmi vonal, metabolikus és

génexpressziós változások:

a floémtranszport még kevésbé érzékeny a a floémtranszport még kevésbé érzékeny a

vízpotenciál csökkenésre

(25)

A szárazság és az abszcizinsav-indukált A szárazság és az abszcizinsav-indukált

génexpressziós változások génexpressziós változások

•

Kompatibilis ozmotikumok szintézisének kulcsenzimei pl.

prolinbioszintézis, Δ

¹

-pirrolin- 5-karboxilát szintáz

• Aquaporinok, vízcsatorna proteinek

• LEA (late embryogenesis abundant protein) pl. HVA1, chaperonok vagy hidrofil, vízkötő fehérjék)

• (DREB=dehydration

response element binding

factor)

(26)

A sóstressz sóstressz

(27)

A tengervíz és az öntözővíz A tengervíz és az öntözővíz

tulajdonságai

(28)

Definíciók

• Sóstressz: olyan sókoncentrációt jelent, amely egy tipikus termesztett növény optimális

növekedéséhez szükséges koncentrációnál nagyobb (25 mM Na

⁺

< )

• Szodicitás, szalinitás: szodicitásról akkor

beszélünk, ha a Na

⁺

ion a talaj kationcserélő

kapacitásának 15%-ánál nagyobb részét foglalja el

• Óceánok: az óceánok vizében a Na

⁺

koncentrációja ~460 mM, a Cl

^-

540 mM. A talaj

szalinitását Na

₂

SO

₄

és CaCl

₂

is okozhatja.

(29)

Sóstressznek kitett rizs növények

(30)

I. Halofiták

I. Halofiták : jól növekednek 200-500 mM NaCl-on : I.A. Euhalofiták

I.A. Euhalofiták – fakultatív halofiták, azok a genotípusok, amelyek sót igényelnek az optimális

növekedéshez; Suaeda maritima, Atriplex nummularia I.B. Miohalofiták

I.B. Miohalofiták – képesek magas

sókoncentráción növekedni, de a só gátolja

növekedésüket; Atriplex hastata, Spartina townsendii, cukorrépa

Az obligát halofiták elsődlegesen a sós vizekben élő cianobaktériumok és algák között találhatók.

II. Halofiták és egyes glikofiták

II. Halofiták és egyes glikofiták – 200 mM NaCl-on

jelentős növekedéscsökkenés, ilyenek a gyapot, árpa, paradicsom, bab, szója.

III. Erősen sószenzitív glikofiták

III. Erősen sószenzitív glikofiták – a sóstressz

hiperozmotikus stresszt és ionegyensúly felbomlást

okoz (avokado, gyümölcsfák)

(31)

1. Halofita növények:

optimális

növekedésükhöz magas

sókoncentráció szükséges

2. Sótoleráns

növények, tolerálják a sót, de

növekedésük gátolt 3. Halofiták és nem-

halofiták, sómirigyek

nincsenek, bizonyos mértékű tolerancia növekedésgátlással 4. Glikofiták,

szenzitívek

(32)

Atriplex nummularia

Salicornia

Suaeda maritima

(33)

• Primér hatások: Primér hatások:

- vízhiány (ozmotikus stressz)

- ionegyensúly felborulása; a Na

⁺

gyorsan belép a sejtbe.

A Na

⁺

citotoxikus, a K

⁺

esszenciális.

A Ca

²⁺

feleslege a karrier K

⁺

/Na

⁺

szelektivitását befolyásolja.

• Másodlagos hatások Másodlagos hatások

– Csökkent sejtmegnyúlás, asszimilátum produkció – az akklimatizáció során csökken a sejtmegnyúlás

sebessége, ami hat a fotoszintetikus termékek produkciójára

– A fotoszintézis hatékonysága csökken – a

szénmetabolizmus és a fotofoszforiláció sóérzékeny

(34)

• Másodlagos hatások, folytatás Másodlagos hatások, folytatás

Csökkent citoszolikus metabolikus

Csökkent citoszolikus metabolikus folyamatok – a halofiták és glikofiták citoszolikus enzimei egyenlő mértékben

érzékenyek a NaCl-ra.

Reaktív oxigénformák (ROS) keletkezése

Reaktív oxigénformák (ROS) keletkezése -az

elektrontranszport folyamatok túl gyorsak az aktuális elektronakceptor visszaoxidálódásához képest

(fotoszintézis, fotorespiráció, mitokondriális elektrontranszport)

Sejthalál

Sejthalál –membrándestrukció, fehérjék oxidációja, enzimek

inaktiválódása és RNS/DNS károsodás

(35)

A Na

⁺

túl magas koncentrációi a

citoplazmában közvetlenül dehidrálják a fehérjéket.

A kompatibilis ozmotikum, a

prolin ezt megakadályozza.

(36)

Distichlis spicata halofita növény sómirigye (a.), és sókristályok megjelenése a levélen (b., c.)

a./

b./

c./

(37)

Az ozmotikus adaptáció és az ionok Az ozmotikus adaptáció és az ionok

kompartmentalizációja kompartmentalizációja

• A Na

⁺

és Cl

^-

ionok a vakuólumba kerülnek

• A kompatibilis ozmotikumok a sejtszervecskékbe

• A sejttérfogat akár 10- 100-szorosára is nőhet a vakuólum méretének a

növekedése következtében

(38)

A sótolerancia biokémiai markerei:

kompatibilis ozmotikumok kompatibilis ozmotikumok

1. Oldható cukrok: a glikofitáknál az ozmotikus adaptáció 50%-áért felelősek. A toleránsak rendszerint többet akkumulálnak.

2. Oldható proteinek: az ozmotikus adaptációban is szerepet játszhatnak.

3. Aminosavak és amidok: alanin, arginin, glicin, szerin, prolin, citrullin, ornitin, glutamin,

aszparagin.

4. A prolin gyakran akkumulálódik, lehet tünet is.

Kérdéses a szerepe az ozmoregulációban.

5. Poliolok: mannitol, szorbitol, ononitol, pinitol

(39)

A glicin-betain, egy sóstressz hatására szintetizálódó kompatibilis ozmotikum nem a vakuólumban, hanem

a citoplazmában és kloroplasztiszban

kompartmentizálódik

(40)

- fagyáspont fölötti alacsony hőmérséklet -fagyáspont alatti hőmérséklet

-magas hőmérséklet

A hőmérsékleti stressz

(41)

A hideg és meleg éghajlatú területről A hideg és meleg éghajlatú területről származó fajok eltérően reagálnak a származó fajok eltérően reagálnak a

hőmérséklet emelésére hőmérséklet emelésére

A./ Tidestromia oblongifolia, Death Valley, California,

meleg élőhely

B./ Atriplex sabulosa, ÉNY California, hűvös élőhely Genetikailag rögzült

hőtolerancia ill. szenzitivitás A Tidestromia fotoszintézise, légzése és membránjai

(elektrolit kieresztése) is kevésbé érzékeny a

hőmérséklet emelkedésére.

(42)

Néhány faj hőérzékenysége Néhány faj hőérzékenysége

A magas hőmérséklet a membránok

stabilitását szünteti meg (a

folyadékkristályos szerkezet

„megolvad”.

Enzimaktivitásokra hat.

Védekezés: hősokk

proteinek (HSP)

(43)

A hősokk proteinek típusai, hő hatására indukálódnak

Kis molekulasúlyúak: (10-30kDa): az aggregálódott, térszerkezetét elvesztett proteinekhez kötődnek és lehetővé teszik, hogy a nagy

molekulasúlyú HSP-k, mint molekuláris chaperonok (dajka proteinek) helyreállítsák azok térszerkezetét.

Nagy mólsúlyú HSP-k (60-114 kDa) molekuláris chaperonok, ATP hidrolizáló aktivitásuk van, kijavítják a sérült fehérjéket.

(44)

Alacsony hőmérsékleti stressz

• Alacsony hőmérséklet

---fagyáspont fölötti (chilling) érzékenység/károsodás

* a sejtmembrán szerkezetében reverzibilis változások

* függ a membrán lipidek zsírsav telítettségétől

* folyadék-kristályos → gél állapot közötti

átváltozás--- tranzíciós hőmérséklet, T

_t

(45)

Membránalkotó lipidek

(46)

A membránszerkezet folyadékkristályos – gél tranzíciójának következménye a membrán-integráns ATPáz aktivitására termofil

és hidegtűrő növények esetében

Rizs

Kukorica

Búza

(47)

Zsírsavösszetétel alakulása a Zsírsavösszetétel alakulása a

hidegérzékeny és hidegre nem érzékeny hidegérzékeny és hidegre nem érzékeny

fajban

(48)

Fagypont alatti hőmérsékletek

(49)

Elsődleges esemény:

membránkárosodás, dehidráció

• jég keletkezése az apoplasztban: a jég -ja alacsonyabb, mint a vízé;

• a víz a -en „mentén", az apoplasztba vándorol;

(-10 C-on a víz 90%-a a sejten kívül van!)

• fagyás indukált dehidráció, nagyon erős vízhiány

• a membrán lipidek fázisváltozása

(50)

A túlhűlés

A: túlhűlés

B-C: az apoplaszt megfagyása C-D: túlhűlés

D-E: az egyes sejtek megfagyása

(51)

A hidegakklimatizáció folyamata

• Gyors és átmeneti ABS koncentráció növekedés

• lipid összetétel változása

• szaharóz, stb. akkumuláció

• hidrofil, LEA típusú polipeptidek szintézise

• egyéb faktorok: a keletkezett reaktív oxigén gyökök eliminálása

• protein denaturáció helyreállítása

(chaperonok indukciója)

(52)