---

Niespodziewany atak zimna – jak rośliny sobie z tym radzą?

Nieprzewidywalne wahania temperatury, zwłaszcza jej spadki, są powszechnym zjawiskiem w strefie klimatu umiarkowanego. Stres chłodu, który obejmuje wychłodzenie (0-15 °C) i zamarzanie (poniżej 0 °C), jest jednymi z najbardziej szkodliwych czynników abiotycznych ograniczających wzrost i plonowanie wielu roślin. Szczególnie wrażliwe na takie zmiany temperatury są rośliny ciepłolubne uprawiane w naszej strefie klimatycznej, do których należy ogórek siewny (Cucumis sativus L.).

W ciągu swojego życia rośliny stale narażone są na działanie niekorzystnych czynników środowiska. Ze względu na charakter i sposób życia, rośliny nie mogą się przemieścić, by się schronić lub uciec przed pojawiającym się zagrożeniem. Muszą w plastyczny sposób dostosować się do aktualnych warunków. W tym celu wykorzystują szereg nieorganicznych cząsteczek działających jak sygnały, które uruchamiają w komórkach całe szlaki reakcji umożliwiających roślinom adaptację do zmian środowiska. Jedną z takich cząsteczek jest tlenek azotu (II), czyli NO.

Wcześniejsze badania, prowadzone przez pracowników Zakładu Fizjologii Molekularnej Roślin WNB (ZFMR): dr hab. Małgorzatę Redę prof. UWr, dr hab. Katarzynę Kabałę prof. UWr oraz dr hab. Małgorzatę Janicką prof. UWr, wykazały, że poziom NO u ogórka zwiększa się w odpowiedzi na różne czynniki środowiskowe, w tym zasolenie, metale ciężkie i niską temperaturę. Jednakże wiedza na temat szlaków zaangażowanych w zwiększoną produkcję NO w roślinach w warunkach stresu chłodu jest nadal ograniczona. W związku z tym celem kolejnych badań było określenie udziału poszczególnych endogennych źródeł NO w wytwarzaniu tej cząsteczki w korzeniach siewek ogórka narażonych na chłód.

NO to nieorganiczny gaz o niskiej masie cząsteczkowej, który z łatwością przekracza błony biologiczne i przemieszcza się szybko na duże odległości. NO wykazuje dużą aktywność biologiczną nie tylko u roślin, ale też u zwierząt. Jego biologiczne funkcje odkryto początkowo u człowieka. Miało to miejsce pod koniec lat 70-tych XX w. podczas badań nad działaniem leków nasercowych, a pod koniec lat 80-tych zidentyfikowano NO jako czynnik rozszerzający naczynia krwionośne, produkowany w śródbłonku tych naczyń. Odkrycie to uznano za jedno z największych osiągnięć biologii w XX w., a w 1998 r. badania prowadzące do odkrycia NO i jego funkcji u człowieka uhonorowano Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny (Louis J. Ignarro, Robert Furchgott i Ferid Murad). O zainteresowaniu świata nauki tlenkiem azotu świadczy też fakt, że w 1992 r. magazyn Science uznał NO za „cząsteczkę roku”.

W organizmie człowieka, oprócz działania rozkurczającego i rozszerzającego naczynia krwionośne, NO działa jako neurotransmiter w ośrodkowym układzie nerwowym oraz, co bardzo istotne, jako mediator i wskaźnik w przebiegu wielu chorób i stanów zapalnych organizmu. W tym kontekście funkcje NO u człowieka zbiegają się z funkcjami tego czynnika u roślin, dla których NO, razem z innymi cząsteczkami, jest swego rodzaju czujnikiem stresu wywoływanego przez niekorzystne zmiany zachodzące w środowisku.

Ze względu na role, jaką NO odgrywa u rożnych organizmów, prowadzone są intensywnie badania nad endogenną biosyntezą tego gazu, a także monitoring jego poziomu w warunkach stresowych. Produkcja NO w organizmach żywych może odbywać się różnymi drogami. Jednym ze nich jest tzw. szlak oksydacyjny, w którym pośredniczy enzym syntaza tlenku azotu (NOS). Szlak ten funkcjonuje u człowieka i innych ssaków, u których NO wytwarzany jest w śródbłonku naczyniowym, makrofagach i zakończeniach synaptycznych komórek nerwowych. Pomimo trwających od ponad dwóch dekad poszukiwań, do tej pory nie zidentyfikowano u roślin białka NOS ani genu homologicznego do jego ssaczych odpowiedników. Enzym ten to swego rodzaju Święty Graal w badaniach nad produkcją NO w komórkach roślin. Chociaż brak dowodów na obecność NOS, w roślinach obserwuje się zmiany poziomu NO wrażliwe na specyficznie inhibitory hamujące aktywność ssaczego enzymu, co wskazuje, że aktywność podobna do NOS ma miejsce także w komórkach roślinnych.

Drugi ze szlaków biosyntezy NO to szlak redukcyjny, polegający redukcji azotynów do NO. Reakcja jest katalizowana przez różne enzymy. Spośród nich u roślin najważniejszym jest reduktaza azotanowa (NR), enzym zaangażowany przede wszystkim w redukcję azotanów, czyli pierwszy krok w procesie asymilacji nieorganicznego azotu w związki organiczne. Niedawno w literaturze pojawiły się doniesienia o tym, że produkcja NO u modelowego glonu – zielenicy z rodzaju zawłotnia (Chlamydomonas)  może być też katalizowana przez inne białko, nazwane białkiem ARC. Jego działanie nie zostało dotąd jednoznacznie potwierdzone u roślin wyższych, w tym u ogórka.

Badania przeprowadzone przez badaczki z ZFMR wspólnie z dyplomantami pokazały, że w produkcji NO w korzeniach roślin narażonych na chłód mogą brać udział różne ścieżki biosyntezy tej cząsteczki. Traktowały one tygodniowe siewki ogórka temperaturą 10°C przez krótki (1 dzień) i długi (6 dni) okres. Taka temperatura wywołuje u ogórka objawy stresu. Następnie w korzeniach tych roślin zmierzyły poziom NO, który zwiększył się wyraźnie pod wpływem chłodu. Kiedy do pożywki wprowadzone zostały inhibitory hamujące aktywność enzymów produkujących NO, czyli NR i NOS nie obserwowały zwiększonej produkcji tego gazu podczas chłodu (Ryc.1).