Морозоусто́йчивость, свойство растений выживать при температурах ниже 0 °С (в период кратковременных заморозков или длительных морозов); одна из форм зимостойкости. Обусловлена протекающими в клетках физико-химическими процессами, которые затрудняют замерзание внутриклеточной воды, повышают устойчивость клеток к обезвоживанию. У растений существует ряд приспособлений к действию мороза. Один из наиболее эффективных приёмов повышения морозоустойчивости культурных растений в сельском хозяйстве – выведение морозоустойчивых сортов. 

Сезонному снижению температуры ниже 0 °С подвергается примерно 64 % территории нашей планеты, поэтому растениям, произрастающим в таких условиях, приходится регулировать процессы образования льда в тканях. Устойчивость растений к заморозкам и длительным морозам зависит от генотипа. Например, деревья лимона (Cítrus límon) гибнут при температуре от –5 до –12 °C, деревья в Восточной Сибири, в особенности лиственница и берёза, могут выживать при –70 °C. Неодинаковой морозоустойчивостью обладают даже разные сорта одного и того же вида растений: например, одни сорта озимой пшеницы погибают при температуре ниже –15 °C, другие – лишь при –23 °C. Узлы кущения озимых злаков более морозоустойчивы, чем листья. Высокой морозоустойчивостью обладают зимующие почки лиственных растений и хвоя елей и сосен.

Озимая пшеница в период заморозков.Озимая пшеница в период заморозков.Морозоустойчивость – не постоянное свойство растений, оно изменяется в течение года. У озимых растений, деревьев и кустарников морозоустойчивость формируется поздней осенью при низких положительных температурах и при первых слабых морозах в ответ на сокращение продолжительности светового дня (фотопериода) и связана с прекращением роста и переходом в состояние покоя. Этот процесс называется закаливанием. Переход растений в состояние покоя всегда сопровождается повышением морозоустойчивости, тогда как выход из него весной и начало активного роста влекут за собой резкое снижение морозоустойчивости, поэтому весенние заморозки более губительны, чем зимние морозы. Например, ветви яблонь в зимний период выдерживают температуру –30 °C и ниже, тогда как летом погибают при температурах от –3 до –6 °C.  Наиболее чувствительны к морозу репродуктивные органы растений, наименее – побеги. Растения, имеющие тропическое и субтропическое происхождение (теплолюбивые растения), не способны к закаливанию и перенесению заморозков и морозов.

История исследований

Большой вклад в изучение физиологических основ морозоустойчивости растений внесли советские учёные – академик АН СССР Н. А. Максимов и член-корреспондент АН СССР И. И. Туманов.

Согласно теории механического давления льда, разработанной Н. А. Максимовым, гибель клеток растений происходит в результате обезвоживания протоплазмы и её механического разрушения под давлением льда. И. И. Туманов поддержал и развил эту теорию. В своих исследованиях он пришёл к выводу, что гибель клеток происходит либо в результате перехода в кристаллическое состояние как свободной, так и связанной воды в протопласте (внутриклеточное льдообразование), либо при быстром оттаивании растений. Он установил, что характер образования кристаллов льда зависит от скорости охлаждения и физиологического состояния растений, а закаливание защищает растения от внутриклеточного льдообразования.

В 1940 г. по инициативе И. И. Туманова в Институте физиологии растений имени К. А. Тимирязева была основана лаборатория зимостойкости, которую он возглавлял на протяжении 42 лет. Под его руководством сотрудниками лаборатории (Г. А. Самыгиным, Г. С. Карасёвым, О. А. Красавцевым, Т. И. Труновой и др.) были разработаны способы закаливания растений, лабораторные методы определения морозоустойчивости озимых и плодовых культур, изучены роль внеклеточного и внутриклеточного льда в гибели клеток при разных условиях охлаждения, физиологические и ультраструктурные изменения клеток при действии мороза, влияние различных химических соединений на морозоустойчивость растений; доказана возможность получения невымерзающих растений (выдерживающих сверхнизкую температуру –196 °С) путём закаливания и очень быстрого охлаждения.

Основные причины гибели клеток растений под действием мороза

Определены 2 основные причины гибели клеток растений в холодный период: чрезмерное обезвоживание (дегидратация) клеток; гибель клеток вследствие сжатия кристаллами льда. Оба фактора могут действовать одновременно.

В естественных условиях при действии отрицательной температуры в тканях устойчивых к холоду растений происходит отток воды, способной к кристаллизации, в межклетники (апопласт). Благодаря этому предотвращается формирование кристаллов льда внутри клеток, т. к. внутриклеточное льдообразование летально для всех растений. Снижение температуры со скоростью 0,5–1,0 °С/ч приводит к образованию кристаллов льда во внеклеточном пространстве, а не протопласте, который имеет более низкую температуру замерзания в связи с высокой концентрацией осмотически активных веществ. При этом зарождение кристаллов льда в апопласте происходит через устьичные отвестия, гидатоды или трещины на поверхности кутикулы. Для растений характерна гетерогенная нуклеация (образование кристаллических зародышей, или центров кристаллизации), которая происходит обязательно при температуре ниже 0 °С и наличии во внеклеточном пространстве нуклеаторов льда, в качестве которых чаще всего выступают сапрофитные бактерии.

Образующиеся в межклетниках кристаллы льда оказывают не только механическое действие на протопласт, они также вытесняют воздух, а главное – оттягивают воду из клеток. В клетках развивается обезвоживание, следствием которого являются потеря тургора, возрастание концентрации неорганических ионов, денатурация белков, нарушение процессов окислительного и фотосинтетического фосфорилирования, усиление пассивного выхода из клеток ионов калия, кальция, сахаров и других водорастворимых веществ, нарушение гомеостаза и других биохимических процессов. Наиболее сильное обезвоживание достигается у самых морозоустойчивых деревьев, таких как берёза и ива, у которых при –60 °С в клетках сохраняется 7,6–8,9 % незамёрзшей воды, тогда как озимые злаки выдерживают лишь 50%-ную потерю воды. Следовательно, для древесных растений более эффективным механизмом морозоустойчивости является своевременный отток свободной воды из протопласта в межклетники, с последующим развитием сильного обезвоживания клеток.

Для зимующих травянистых злаков морозоустойчивость базируется в значительной степени на водоудерживающей способности клеток. Если обезвоживание очень сильное, происходит коллапс клеточных структур (разрыв клеток), а в случае переноса растения в оптимальные температурные условия – утрата клетками тургора, побурение листьев и их последующее засыхание.

Клетки, выдержавшие влияние мороза, могут погибнуть во время таяния льда при повышении температуры или сразу после оттаивания, т. к. заполнение межклетников водой затрудняет газообмен и усиливает вымывание из клеток ионов. После заморозка растения погибают, если на них действуют прямые солнечные лучи, но могут остаться живыми в условиях затенения.

Приспособления морозоустойчивых растений для выживания в условиях отрицательных температур

Существует ряд приспособлений растений к действию мороза: образование семян у однолетников до наступления осенних холодов; перезимовывание большей части многолетников в виде луковиц, клубней, корневищ или корнеплодов, хорошо защищённых от мороза слоем почвы и снега; повышение выживаемости растений с помощью специальных биохимических механизмов.

Биохимические процессы, направленные на выживание растений в условиях отрицательных температур, связаны с накоплением в клетках низкомолекулярных сахаров (глюкозы, сахарозы, фруктозы, трегалозы и др.), сахарных спиртов (сорбитол, инозитол), гемицеллюлоз, пролина, фруктана, бетаина глицина и других соединений-криопротекторов; синтезом белков холодового ответа [т. н. COR-белков (cold-responsive proteins)] и антифризных белков, таких как белки холодового шока (БХШ) и белки, связывающиеся с кристаллами льда (ice-binding proteins, IBP).

Увеличение в составе биологических мембран количества ненасыщенных жирных кислот является одной из неспецифических реакций морозоустойчивых растений в условиях отрицательных температур, благодаря которой сохраняется текучесть и высокая проницаемость мембран. Это достигается за счёт снижения температуры фазового перехода липидов из жидкокристаллического состояния в гель до величины, лежащей ниже точки замерзания, тогда как у неустойчивых растений она выше 0 °С. Температура фазового перехода и жидкостные свойства мембран, наряду с другими факторами, зависят также от содержания соединений-криопротекторов в окружающем их растворе. Накопление криопротекторов, прежде всего низкомолекулярных сахаров, – не только способ выживания растений в условиях отрицательных температур, но и неспецифическая составляющая их стрессового ответа. Высокое содержание сахаров (до и особенно после закаливания) является характерным признаком морозоустойчивых растений. И наоборот, низкое содержание сахаров у теплолюбивых растений является одной из причин генетической неустойчивости клеток к действию образующихся в них кристаллов льда. Поздней осенью сахароза и фруктоза являются основными сахарами в узлах кущения озимой пшеницы. В этот период количество растворимых сахаров у озимых злаков достигает 50–60 % от массы сухого вещества клеток.

Коллигативные (существенно зависящие от концентрации растворённого вещества) эффекты высококонцентрированных растворов сахаров связаны с повышением водоудерживающей способности клеток, предотвращением их обезвоживания при внеклеточном льдообразовании, снижением величины водного потенциала и температуры замерзания протопласта, нейтрализацией токсичных веществ. Благодаря своей химической структуре (главным образом наличию гидроксильных групп) молекулы сахаров связывают водородными связями молекулы воды, тем самым часть внутриклеточной воды сохраняется в коллоидно-связанной форме. Вода, входящая в состав гидратных оболочек молекул сахаров, не замерзает и не транспортируется, оставаясь в клетке. Связанная вода не может участвовать в химических реакциях, транспортироваться по растению, но благодаря ей снижается точка замерзания протопласта.

Помимо сахаров, другие соединения-криопротекторы выступают в роли биогенных коллигативных антифризов – повышают осмотический потенциал клетки, тем самым снижают температуру, при которой происходит зарождение кристаллов льда. При развитии обезвоживания концентрации растворённых веществ (преимущественно неорганических ионов) в клетке многократно возрастают и они начинают оказывать токсическое действие. В этих условиях высокие концентрации низкомолекулярных сахаров в протопласте нейтрализуют токсичные вещества путём их разбавления. При этом сами сахара в высоких концентрациях нетоксичны, поскольку не способны напрямую взаимодействовать с биомолекулами.

Метаболически активные сахара (фруктоза и глюкоза) являются субстратом для реорганизации и формирования устойчивой к низкой температуре структуры клеток, а также используются весной при возобновлении роста растений. Кроме того, сахара выступают в качестве стабилизаторов структурно-функционального состояния мембран за счёт взаимодействия с входящими в их состав липидами и белками. Возможный механизм защитного действия заключается в образовании многочисленных водородных связей между атомами водорода в гидроксильных группах молекул сахаров и кислородными атомами фосфатов в составе молекул фосфолипидов мембран, благодаря чему сохраняется жидкокристаллическое состояние липидов. Способность сахаров замещать молекулы воды, образовывая дополнительные гидрофобные связи, обеспечивает не только стабилизацию клеточных мембран в целом, но также защиту белковых комплексов (например, мембран тилакоидов) от низкотемпературного разрушения (денатурации). Показана способность молекул сахаров перехватывать гидроксильный радикал и тем самым предотвращать вызываемые этими радикалами повреждения биомолекул, а также усиливать экспрессию генов, кодирующих низкомолекулярные антиоксиданты. Влияя на экспрессию генов, сахара избирательно усиливают либо ослабляют пути биосинтеза ключевых метаболитов (белки, липиды и др.), что оказывает непосредственное влияние на процесс формирования морозоустойчивости.

Содержание незаменимой аминокислоты пролина также повышается в клетках при действии низкой температуры. Пролин выполняет осмопротекторную функцию – защищает белки от денатурации, т. е. действует как шаперон.

Поступающие из цитоплазмы в апопласт молекулы гемицеллюлоз (ксиланы, арабиноксиланы) обволакивают кристаллы льда, тем самым предотвращая их рост.

Среди COR-белков особая роль принадлежит дегидринам, количество которых возрастает при обезвоживании клеток. Дегидрины способны встраиваться в мембраны и защищать их структуру во время обезвоживания. Кроме того, они стабилизируют структуру других белков за счёт своей высокой гидрофильности (наличия большого числа гидрофильных аминокислот), а также способности замещать молекулы воды.

Во время закаливания клетки растений синтезируют антифризные белки, которые накапливаются в апопласте. Например, белки, связывающиеся с кристаллами льда, обладают способностью встраиваться в кристаллическую решётку льда и предотвращают дальнейший рост ледяных кристаллов.

Среди БХШ наиболее изучен БХШ 310, выделенный из клеток озимых культур. Основная функция БХШ 310 – участие в защите растений от действия отрицательных температур путём разобщения процессов дыхания и фосфорилирования в митохондриях, в результате чего выделяется тепло (термогенез) и происходит локальное повышение температуры тканей.

Все эти механизмы отсутствуют у морозоустойчивых растений в оптимальных условиях и образуются лишь в ответ на действие низкой температуры.

Приёмы повышения морозоустойчивости растений

На морозоустойчивость влияют почвенно-климатические условия и агротехнические приёмы в течение вегетационного периода. Один из наиболее эффективных приёмов повышения морозоустойчивости культурных растений – выведение морозоустойчивых сортов и правильное их районирование. Попытки получить морозоустойчивые растения путём переноса IBP от рыб и насекомых оказались безуспешными, тогда как экспрессия генов, кодирующих IBP, из морозоустойчивых растений повышала устойчивость к отрицательным температурам у чувствительных к морозам растений.

Для оценки степени морозоустойчивости сортов применяют много методов: метод прямого подсчёта живых и погибших растений весной, метод прямого промораживания растений в лабораторных условиях, метод определения степени проницаемости мембран. Ведётся поиск молекулярных маркеров для крупномасштабного скрининга сортов на морозоустойчивость, особенно среди транскриптов генов, кодирующих дегидрины.