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 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 szindrómaSelye 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.) • 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 alkalmazása növényekre

7. A növényi stresszorok TermészetiBiotikus 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. Külső szignál szignálpercepció szignáltranszdukció Anyagcsereválasz Génexpresszió Anyagcsere fluxusok újraállítása, új egyensúlyok, stresszhormonok szintézise Stresszproteinek, kompatibilis ozmotikumok, növényi antibiotikumok szintézise

9. Akklimatizáció (a.) és adaptáció (b.) 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

10. Széles fenotípusos plaszticitású növény: az Arabidopsis válasza hidegstresszre

11. A vízhiány

12. A szárazságtűrés mechanizmusai • A vízpotenciál csökkenésének megelőzése ( a szövetek hidratáltságának fenntartása szárazságstressz alatt) • A vízvesztés minimálisra csökkentése • A vízfelvétel fenntartása (vízpazarlók) • Az alacsony vízpotenciál tolerálása • 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 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, ψp=turgornyomás, Y=küszöbturgor

20. A lokális és az általános adaptációs szindróma növényeknél ABS száraz öntözött

21. 1. A fény hatására a sztróma lúgosodik 4. Az ABS- anionra a membrán impermeábilis 2. Az lúgos kémhatású sztrómában az ABSH disszociál 3. A disszociálatlan ABSH szabadon kidiffundál a plasztiszból a citoszolba Első védelmi vonal: a levélfelület csökkenése és sztómazáródás 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 génexpressziós változások: a fotoszintézis a levélfelület csökkenését követően jóval később, kisebb vízpotenciálnál csökken

24. Harmadik védelmi vonal, metabolikus és génexpressziós változások: a floémtranszport még kevésbé érzékeny a vízpotenciál csökkenésre

25. A szárazság és az abszcizinsav-indukált génexpressziós változások • Kompatibilis ozmotikumok szintézisének kulcsenzimei pl. prolinbioszintézis, Δ1-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

27. 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 Na2SO4 és CaCl2 is okozhatja.

29. Sóstressznek kitett rizs növények

30. I. Halofiták: jól növekednek 200-500 mM NaCl-on I.A. Euhalofiták – fakultatív halofiták, azok a genotípusok, amelyek sót igényelnek az optimális növekedéshez; Suaeda maritima, Atriplex nummularia I.B. Miohalofiták – képesek magas sókoncentráción növekedni, de a só gátolja növekedésüket; Atriplex hastata, Spartinatownsendii, cukorrépa Az obligát halofiták elsődlegesen a sós vizekben élő cianobaktériumok és algák között találhatók. II. Halofiták és egyes glikofiták – 200 mM NaCl-on jelentős növekedéscsökkenés, ilyenek a gyapot, árpa, paradicsom, bab, szója. III. Erősen sószenzitív glikofiták – a sóstressz hiperozmotikus stresszt és ionegyensúly felbomlást okoz (avokado, gyümölcsfák)

31. Halofita növények: optimális növekedésükhöz magas sókoncentráció szükséges • Sótoleráns növények, tolerálják a sót, de növekedésük gátolt • Halofiták és nem-halofiták, sómirigyek nincsenek, bizonyos mértékű tolerancia növekedésgátlással • Glikofiták, szenzitívek

32. Atriplex nummularia Salicornia Suaeda maritima

33. Primér hatások: - vízhiány (ozmotikus stressz) - ionegyensúly felborulása; a Na+ gyorsan belép a sejtbe. A Na+ citotoxikus, a K+ esszenciális. A Ca2+ feleslege a karrier K+/Na+ szelektivitását befolyásolja. • 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 Csökkent citoszolikus metabolikus folyamatok – a halofiták és glikofiták citoszolikus enzimei egyenlő mértékben érzékenyek a NaCl-ra. Reaktív oxigénformák (ROS) keletkezése -az elektrontranszport folyamatok túl gyorsak az aktuális elektronakceptor visszaoxidálódásához képest (fotoszintézis, fotorespiráció, mitokondriális elektrontranszport) 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.) b./ c./ a./

37. Az ozmotikus adaptáció és az ionok 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 • Oldható cukrok: a glikofitáknál az ozmotikus adaptáció 50%-áért felelősek. A toleránsak rendszerint többet akkumulálnak. • Oldható proteinek: az ozmotikus adaptációban is szerepet játszhatnak. • Aminosavak és amidok: alanin, arginin, glicin, szerin, prolin, citrullin, ornitin, glutamin, aszparagin. • A prolin gyakran akkumulálódik, lehet tünet is. Kérdéses a szerepe az ozmoregulációban. • 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 származó fajok eltérően reagálnak a 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 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, Tt

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 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