Frys tolerans

Frystolerans beskriver förmågan hos växter att motstå temperaturer under noll genom bildandet av iskristaller i xylem och intercellulärt utrymme, eller apoplast , i deras celler. Frysningstoleransen förbättras som en gradvis anpassning till låg temperatur genom en process som kallas kall acklimatisering, som initierar övergången till att förbereda sig för minusgrader genom förändringar i metabolism, hormonnivåer och sockerarter. Frysningstoleransen förbättras snabbt under de första dagarna av den kalla acklimatiseringsprocessen när temperaturen sjunker. Beroende på växtart kan maximal frystolerans uppnås efter endast två veckors exponering för låga temperaturer. Förmågan att kontrollera intercellulär isbildning under frysning är avgörande för överlevnaden av frystoleranta växter. Om intracellulär is bildas kan det vara dödligt för växten när vidhäftning mellan cellmembran och väggar uppstår. Processen att frysa tolerans genom kall acklimatisering är en tvåstegsmekanism:

Det första steget inträffar vid relativt höga minusgrader då vattnet som finns i växtvävnader fryser utanför cellen.
Det andra steget inträffar vid lägre temperaturer när intercellulär is fortsätter att bildas.

Inom apoplasten lokaliserar frostskyddsproteiner tillväxten av iskristaller av iskärnor för att förhindra fysisk skada på vävnader och för att främja underkylning i fryskänsliga vävnader och celler . Osmotisk stress , inklusive uttorkning, hög salthalt, samt behandling med abscisinsyra , kan också förbättra frystoleransen.

Frystolerans kan bedömas genom att utföra en enkel växtöverlevnadsanalys eller med den mer tidskrävande men kvantitativa elektrolytläckageanalysen.

Växter är inte de enda organismerna som kan motstå minusgrader. Skoggrodor, juvenila målade sköldpaddor, larver av gyllene fluggall och tidvattensnäcksnäckor har alla visat sig kunna detsamma. De omvandlar upp till 70 % av sitt totala kroppsvatten till is som ackumuleras i extracellulära utrymmen. För att kunna utföra sådana anmärkningsvärda handlingar har flera biokemiska anpassningar identifierats som stödjande faktorer för frystolerans. Dessa inkluderar följande:

Proteiner: Kärnbildande proteiner inducerar och reglerar hela processen med extracellulär frysning. Vissa proteiner, kallade isomstruktureringsproteiner eller frostskyddsproteiner, stoppar små iskristaller från att omkristallisera till större kristaller som kan orsaka fysisk skada på vävnader.
Kryoskyddsmedel: Dessa är flera faktorer som förhindrar intracellulär frysning, förhindrar överdriven minskning av cellvolymen och stabiliserar proteinkonformation. Detta inkluderar oftast höga koncentrationer av polyhidriska alkoholer (glycerol, sorbitol) och sockerarter (glukos) som packas in i cellen. Andra skyddsmedel är trehalos och prolin som förhindrar membrandubbelskiktet från att kollapsa.
Ischemitolerans:: för att celler och organ ska överleva utan blodcirkulation krävs bra antioxidantförsvar och förhöjda chaperoneproteiner. De hjälper till att skydda cellmakromolekyler, medan sänkning av ämnesomsättningen kraftigt minskar cellenergi som behövs när den är frusen.

Nytt arbete inom området fokuserar främst på fyra olika ämnen. Dessa inkluderar:

Identifiering av nya gener och deras proteinprodukter som finns i frystoleranta arter.
Utforskning av ett stort antal andra gener/proteiner som tar itu med många olika problem i cellbevarande och livsduglighet.
Studier av viktiga transkriptionsfaktorer som medierar frystoleranssvaret.
Analys av biokemiska mekanismer som reglerar gen- och proteinuttryck med avseende på mikroRNA, proteinfosforylering och epigenetiska kontroller.