Aclimatizarea plantelor la rece este un număr de mecanisme fiziologice care permit plantelor să reziste la rece și îngheț . În natură , ființele vii se confruntă uneori cu condiții nefavorabile, cum ar fi seceta , salinitatea , frigul sau chiar inundațiile care sunt stresuri abiotice. Consecințele variază de la simpla încetinire a creșterii până la moarte . Acești indivizi au dezvoltat diverse strategii pentru a face față acestui tip de stres.
Temperatura este un factor de mediu care se schimbă sezon de sezon și suferă , de asemenea , fluctuațiile zilnice. Plante , nemiscat, nu poate scăpa de condiții climatice nefavorabile. Frigul este limitarea majoră a distribuției speciilor sălbatice și scăderea productivității culturilor după înghețurile din toamnă, temperaturile bruște sau neobișnuit de scăzute în timpul iernii sunt considerabile. Plantele trebuie să fie capabile să înțeleagă fluctuațiile tranzitorii, precum și modificările sezoniere ale temperaturii și să răspundă la aceste modificări prin ajustarea activă a metabolismului pentru a face față.
Pentru Pearce (1999), plantele sunt împărțite în trei categorii în funcție de răspunsul lor la stresul rece:
Aclimatizarea la rece este un proces complex care implică modificări fiziologice și metabolice sub control genetic . O perioadă de expunere la temperaturi scăzute, dar pozitive duce, la multe specii, la o toleranță crescută la temperaturi negative. În natură, temperaturile scăzute care nu înghețează la sfârșitul toamnei sau la începutul iernii sunt factorii declanșatori principali pentru aclimatizarea la frig, deși calitatea luminii și fotoperioada pot fi implicate și în acest răspuns. Astfel, la mazăre , această adaptare la frig, datorită temperaturilor scăzute, nu are loc atunci când intensitatea luminii este scăzută. Pe de altă parte, când intensitatea luminii este normală, mazărea de iarnă capătă o toleranță mai mare la îngheț decât mazărea de vară (Bourion și colab. 2003). Aclimatizarea este un proces reversibil care dispare odată cu creșterea temperaturilor peste îngheț (vreme caldă în timpul iernii sau revenirea la condițiile de primăvară).
Plantele care rămân active în timpul iernii trebuie să-și mențină metabolismul primar esențial pentru a menține o creștere minimă. Ei trebuie să lupte împotriva frigului care scade viteza reacțiilor enzimatice și modifică conformația lipidelor membranei și a altor macromolecule care are consecințe asupra majorității proceselor biologice (Stitt și Hurry 2002). În plus, când temperatura este sub zero, se formează gheață în spațiile intercelulare unde concentrația solutului este scăzută, ceea ce facilitează stabilirea în gheață. Această formare de gheață determină pierderea apei din celule, de unde și deshidratarea plantei. Acest lucru explică de ce rezistența la stresul rece și stresul pe apă împart mecanisme comune.
Prin urmare, toate metabolismele sunt afectate de frig. În ceea ce privește fotosinteza , rata optimă este obținută atunci când există un echilibru adecvat între rata de carboxilare și sinteza zaharurilor. Öquist și colab. (1993) au arătat că toleranța la îngheț este puternic corelată cu capacitatea de a crește fotosinteza și bazinele de carbohidrați solubili în timpul aclimatizării la rece. Aceste relații sunt deosebit de importante în frunzele nou formate (Hurry și colab. 2000). Într-adevăr, acestea prezintă o creștere a expresiei enzimelor implicate în sinteza zaharurilor. Temperaturile scăzute par, conform acestor autori, inhibă reacțiile întunecate ale fotosintezei mai puternic decât transportul de electroni. Riscul devine apoi un surplus de pigmenți fotoasimilatori activi, a căror relaxare riscă să genereze radicali liberi și să conducă la stres oxidativ.
În timpul aclimatizării la rece, se observă o creștere a nivelului de nesaturare a acizilor grași care constituie lipide membranare și o creștere a raportului fosfolipide la proteine în membrane. Asimetria lipidelor de membrană pare să contribuie la stabilitatea acestora din urmă la temperaturi scăzute (Sung și colab. 2003). Aceste modificări previn scurgerea de electroliți sau alte molecule din celulă în mediul extern și perturbarea funcționării proteinelor de transport care au un rol important în controlul fluxurilor metabolice.
În timpul fenomenului de întărire, celulele trebuie să fie protejate de îngheț și, în special, să lupte împotriva formării de gheață care retrage apa disponibilă din compartimentele celulei și provoacă daune mecanice sistemelor de membrană. De proteine LEA ( embriogeneză târzie abundentă , abundentă de proteine de embriogeneză târzie) sunt acumulate în țesuturi în timpul perioadelor de aclimatizare a stresului care implică deshidratare ca frig. Sunt proteine foarte hidrofile care rămân stabile chiar și după fierbere. Au o compoziție simplă de aminoacizi și conțin unități de aminoacizi care se repetă, dintre care unele regiuni sunt capabile să formeze spirale amfipatice . Se spune că aceste spirale permit proteinelor să stabilizeze membranele împotriva deteriorării gelului (Thomashow 1999). Toleranța lor față de condițiile de denaturare sugerează că rolul lor ar putea fi stabilizarea structurilor într-un mediu sărac în apă. Grupul 2 al LEA constă din dehidrine, dintre care 1 până la 5 care răspund la frig au fost descoperite pe specie. Dehidrinele prin acțiunea lor asupra celulelor sunt crioprotectoare la fel cum pot fi zaharurile.
Acumularea de zaharuri este capabilă să reducă temperatura de cristalizare a gheții și cantitatea de gheață formată. Într-adevăr, la plantele perene temperate se observă o creștere puternică a zaharurilor solubile și o scădere a conținutului de amidon din țesuturi în toamnă și iarnă (Guy și colab. 1992). Bourion și colab. (2003), în studiile lor despre mazăre, arată că conținutul de zaharuri solubile crește rapid în primele 7 zile de frig și scade ușor în următoarele 7 zile. Depozitarea zaharurilor în mazărea de iarnă poate avea un rol nutrițional în timpul aclimatizării la rece, dar poate participa în mod direct la toleranța la îngheț ca mijloc de a asigura, de asemenea, crioprotecția țesuturilor plantelor, în special a celor ca frunzele, care sunt necesare pentru a aduce energie plantei. .
La diferite plante lemnoase , acumularea de rafinoză este în mod specific corelată cu toleranța la îngheț, deși rolul exact al rafinozei în protecția împotriva înghețului rămâne de elucidat. La plantele erbacee , în general sunt zaharoză și uneori polimeri vacuolari solubili, cum ar fi fructanii ( inulină în Cicoare și phleans pentru Poaceae ), care sunt corelați cu această toleranță la îngheț. Modificările concentrației și distribuției zaharurilor ar putea fi un mecanism de protejare a compartimentelor specifice în timpul deshidratării. Potrivit lui Gerhardt și Heldt (1984), există schimbări considerabile în localizarea zaharurilor între zi ( vacuol ) și noapte ( citoplasmă ) în spanac . Modificări similare au putut fi observate între celulele plantelor, indiferent dacă sunt sau nu aclimatizate la frig.
Alți compuși pot acționa ca osmoprotectori . Acestea sunt proteine solubile, prolină , glicină betaină, sorbitol sau poliamide dar și zaharuri solubile. Acești constituenți sunt foarte solubili și netoxici pentru organism. Osmoprotectorii servesc la creșterea presiunii osmotice în citoplasmă și, de asemenea, pot stabiliza proteinele și membranele atunci când temperaturile sunt nefavorabile (Breton și colab. 2000). Acumularea acestor substanțe dizolvate în citoplasmă contribuie la supraviețuirea celulelor în caz de îngheț, prin reducerea pierderilor de apă în timpul deshidratării induse de cristalizarea apei extracelulare pentru a forma gheață. De asemenea, sechestrează ioni toxici și protejează macromoleculele de denaturarea indusă de deshidratare (Steponkus 1984).
Încă din 1985, Guy et al. observați modificările exprimării genelor în timpul aclimatizării la rece și concluzionați că genele care răspund la frig fac schimbări biochimice și fiziologice necesare pentru creștere și dezvoltare la temperaturi scăzute. Pentru Hugues și colab. (1996), studiile biochimice arată că creșterea la temperatură scăzută este posibilă prin producerea de izoforme de temperaturi scăzute ale enzimelor implicate în funcțiile vitale ale celulelor. Astfel, în Arabidopsis thaliana , FAD8, o acidă grasă desaturază și în orz , BLT4 o proteină de transfer lipidic sunt exprimate în timpul aclimatizării la rece pentru a permite modificări ale compoziției lipidelor membranare. Proteinele Hsp70 chaperone din spanac și Hsp90 din rapiță sunt de asemenea exprimate și stabilizează proteinele împotriva gelului indus de denaturare (Thomashow 1999). Un număr mare de gene induse de frig au fost izolate și caracterizate: desaturaze ale acizilor grași, proteine chaperone, proteine implicate în biosinteza osmoprotectoarelor, proteine antigel și componente ale reglării genelor, cum ar fi factorii de transcripție., Kinaze și fosfataze , dar multe rămân necunoscute .
Dintre aceste gene, cele care codifică deshidrinele familiei WCS120 ( specifice grâului la frig ) din grâu sunt în număr de șapte, acestea fiind proteine bogate în glicină și treonină. Numărul copiei și organizarea genelor inductibile în cultivarele de grâu sensibile și tolerante la îngheț sunt aceleași. Dar expresia genelor induse de temperaturi scăzute precum WCS120 la speciile tolerante este menținută la un nivel ridicat în timpul expunerii la temperaturi scăzute în timp ce scade la speciile mai puțin tolerante. Gradul de toleranță la îngheț al unei plante depinde, prin urmare, de capacitatea sa de a menține expresia genelor inductibile la frig la un nivel ridicat în perioada de aclimatizare (Ouellet 2002). Reglarea principală a genelor inductibile la rece este reglarea transcripțională. Această reglementare este în mare măsură modulată de proteinele care se leagă de site-uri specifice din regiunile promotor ale genelor. Modelul CCGAC (sau CRT pentru repetarea C) formează modelul unui LTRE ( element de reacție la temperatură scăzută ) sau DRE ( element de reacție la deshidratare ). Acest motiv sau variante sunt prezente în promotorii COR15A sau COR6.6 din Arabidopsis , BLT4.6 din Orz sau BN115 din Varză . Poate interveni și un alt element numit TCA. Este prezent într-o regiune importantă a promotorului WCS120 și, dacă este trunchiat, răspunsul la stres este mult mai puțin eficient, ceea ce arată implicarea sa în acest răspuns la stres (Ouellet 2002).
Strategiile adaptive în evoluție permit, de asemenea, celulelor vegetale să simtă stimulii de mediu și să activeze răspunsurile pentru supraviețuire. Pentru a răspunde la temperaturi scăzute, plantele trebuie, prin urmare, să perceapă stresul, să transmită semnalul către nucleu și să activeze expresia genelor implicate în mecanismele de adaptare.
Frigul este resimțit mai întâi de membrana plasmatică sau de complexele moleculare citoplasmatice și cloroplastice care transmit semnalul (Breton 2000). Un transmițător cunoscut în celule este calciul. Cu toate acestea, la temperaturi scăzute, Knight și Knight (2001) au observat o creștere rapidă a concentrației citoplasmatice de calciu și, de asemenea, o creștere rapidă dependentă de calciu a activității proteinei fosfatazei IIa. Örvar și colab. (2000), la rândul lor, și-au efectuat studiile asupra culturilor de celule de lucernă în suspensie. Au arătat că rigidizarea membranei induce reorganizarea microfilamentelor de actină și deschiderea canalelor de calciu, ceea ce pare să necesite ca citoscheletul de actină să fie cuplat la membrana plasmatică, precum și la canalele de calciu. Semnalul rece este apoi transmis printr-o cascadă de kinaze și fosfataze conducând la activarea factorilor de transcripție specifici care activează transcrierea genelor cor ( genă reglată la rece ) (Breton 2000). Expresia acestor gene este responsabilă pentru ajustarea metabolică a creșterii la temperaturi scăzute și dezvoltarea toleranței la îngheț. Dar pentru a înțelege componentele semnalului din amonte care duc la activarea genelor specifice, există dificultăți, deoarece genele care răspund la temperaturi scăzute sunt adesea induse și de alți stimuli precum seceta , salinitatea sau acidul abscisic .
Factorii de transcripție care se leagă de CCGAC au fost clonați în Arabidopsis thaliana . Acestea sunt numite CBF ( factorul de legare C-repeat ) sau DREB ( proteina de legare a elementelor sensibile la deshidratare ) și activează expresia genelor COR ( gene reglementate la rece ). Deoarece motivul LTRE CCGAC nu este prezent în regiunea promotoră a genelor CBF / DREB induse de frig, se pare că există alte elemente ( caseta „ICE” : inductor al expresiei CBF și ICE). Deoarece răspunsul la temperaturi scăzute este foarte rapid, se pare că o formă inactivă a factorului ICE ar putea fi prezentă în mod constitutiv în celula cu temperatură controlată și ar fi activată prin expunerea la temperaturi scăzute (Xin și Browse 1998).
Stimulul de temperatură scăzută este transmis prin căi ABA independente și căi dependente ABA. ABA este, de fapt, implicat în răspunsul la frig, deoarece se observă o creștere tranzitorie a concentrațiilor endogene de ABA (de trei ori) în Arabidopsis thaliana și o aplicare a ABA exogenă poate induce o creștere a toleranței la îngheț în plantele Arabidopsis care au crescut la 22 ° C (Hughes 1996). Pentru această cale ABA dependentă, elementele cis sunt ABRE ( element de răspuns ABA ) cu secvența consens C / TACGTGGC în promotorul genelor care răspund la ABA și la frig datorită acestei căi. În ceea ce privește elementele trans, acestea sunt AREB1 și AREB2 ( proteina de legare a elementelor responsive ABA ) ale căror gene care codifică pentru ele răspund la secetă, sare și ABA (Pavla 2002).
În timpul toamnei , unele plante își pierd frunzele (copaci de foioase) din cauza scăderii fotoperioadei și a alimentării cu apă. Apoi, aceste plante formează muguri (structuri solzoase care protejează viitori lăstari tineri) foarte rezistenți la frig și cad în repaus . De îndată ce condițiile devin din nou favorabile, aceste plante ies din repausul lor.
De conifere au adaptat de a avea ac ca și foaie . Cei mai mulți dintre ei își păstrează acele în timpul iernii datorită unui echilibru biochimic care le permite să-și desfășoare fotosinteza . În plus, ace dezvoltă un strat gros de ceară care ajută la reducerea pierderilor de apă atunci când apa este puțină și le protejează de îngheț . Unele conifere adoptă ace de formă conică care reduc riscul spargerii ramurilor prin acumularea de zăpadă . Cu toate acestea, creșterea lor este oprită în timpul iernii, deoarece nu pot produce suficientă energie.
Cele mai anuare floare înainte de iarnă și de a produce o cantitate mare de semințe . Mulțumită coajei lor foarte rezistente și rezervelor de energie pe care le conțin, lăstarii tineri supraviețuiesc iarna și cresc atunci când condițiile climatice devin favorabile.
Bec , la rândul său, este folosit de plante perene și le permite să supraviețuiască iernii. Acest organ încărcat cu rezerve de energie rămâne îngropat sub pământ. Ca și în cazul semințelor, planta crește înapoi atunci când condițiile climatice devin din nou favorabile.
Unele plante cresc concentrația de solut în celulele lor , ceea ce va reduce punctul de îngheț și nu va îngheța. Cu cât este mai mare concentrația de dizolvat, cu atât este mai mic punctul de îngheț . Acest lucru este adesea adoptat de plantele care trăiesc la altitudini mari sau la nord, cum ar fi în Siberia .
Unele plante folosesc desicarea pentru a supraviețui temperaturilor extrem de reci. Aceasta constă în expulzarea apei conținute în celule, ceea ce le împiedică să înghețe. Acest mijloc de rezistență la frig este deosebit de frecvent la mușchi , licheni și semințe de plante.
Un alt mecanism pentru a rezista la frig extrem este subrăcire , care permite plantelor să reziste până la -40 ° C . Acest mecanism este acela că lichidele pot rămâne în stare lichidă sub punctul lor de îngheț . Depinde de capacitatea plantei de a putea elimina nucleele responsabile de inițierea formării primelor cristale de gheață .
La altitudini mari, adoptarea unei dimensiuni mici devine una dintre cele mai bune modalități de a rezista frigului. La nivelul solului, temperaturile sunt mai ridicate. În plus, o dimensiune mică limitează acțiunea mecanică a zăpezii și a vântului , care tind să spargă tulpinile și ramurile plantelor. Creșterea pernei este un caz special al plantelor mici. Această plantă a adoptat o formă sferică . Sfera este forma geometrică care expune cea mai mică zonă pentru un anumit volum, astfel încât plantele cu perne pierd mai puțină căldură și apă . Acesta este motivul pentru care multe plante adoptă această formă la altitudini mari. În plus, mai multe specii de plante și animale prosperă în mijlocul acestor perne, evitând astfel frigul și profitând de microclimatul favorabil care domnește acolo.