Летом растения подвергаются многочисленным воздействиям, таким как высокая температура, яркий свет, засуха (водная недостаточность) и окислительный стресс. Бетаин, как важный регулятор осмотического давления и совместимое с ним защитное вещество, играет решающую роль в устойчивости растений к этим летним стрессам. Его основные функции включают:

1. Регулирование проницаемости:
Поддержание тургорного давления клеток:

Высокая температура и засуха приводят к потере воды растениями, что приводит к повышению осмотического потенциала цитоплазмы (увеличению её плотности), что легко приводит к обезвоживанию и увяданию клеток, находящихся в окружении вакуолей или клеточных стенок с более высокой водопоглощающей способностью. Бетаин накапливается в больших количествах в цитоплазме, эффективно снижая её осмотический потенциал и помогая клеткам поддерживать высокий тургор, тем самым предотвращая обезвоживание и сохраняя целостность клеточной структуры и функций.

Сбалансированное вакуолярное осмотическое давление:

В вакуоли накапливается большое количество неорганических ионов (таких как K⁺, Cl⁻ и др.), поддерживающих осмотическое давление. Бетаин в основном находится в цитоплазме, и его накопление помогает уравновесить разницу осмотического давления между цитоплазмой и вакуолями, предотвращая повреждение цитоплазмы вследствие чрезмерного обезвоживания.

2. Защита биомолекул:
Стабильная структура белка:

Высокие температуры могут легко вызвать денатурацию и инактивацию белков. Молекулы бетаина несут как положительные, так и отрицательные заряды (цвиттер-ионы) и могут стабилизировать естественную конформацию белков посредством водородных связей и гидратации, предотвращая неправильное сворачивание, агрегацию или денатурацию при высоких температурах. Это критически важно для поддержания активности ферментов, ключевых белков фотосинтеза и функций других метаболических белков.

Система защитной пленки:

Высокая температура и активные формы кислорода могут повреждать липидный бислой клеточных мембран (таких как тилакоидные и плазматические мембраны), что приводит к нарушению текучести мембраны, её проницаемости и даже к её разрушению. Бетаин может стабилизировать структуру мембраны, поддерживать её нормальную текучесть и избирательную проницаемость, а также защищать целостность фотосинтезирующих органов и органелл.

3. Антиоксидантная защита:
Поддержание осмотического баланса и уменьшение вторичных повреждений, вызванных стрессом.

Стабилизируют структуру и активность антиоксидантных ферментов (таких как супероксиддисмутаза, каталаза, аскорбатпероксидаза и др.), повышают эффективность собственной антиоксидантной защиты растений и косвенно способствуют выведению активных форм кислорода.
Косвенное удаление активных форм кислорода:

Интенсивный солнечный свет и высокие температуры летом могут вызывать образование большого количества активных форм кислорода в растениях, вызывая окислительные повреждения. Хотя сам бетаин не является сильным антиоксидантом, его действие может быть достигнуто посредством:

4. Защита фотосинтеза:
Высокая температура и сильный световой стресс наносят значительный ущерб основному механизму фотосинтеза – фотосистеме II. Бетаин может защищать тилакоидную мембрану, поддерживать стабильность комплекса фотосистемы II, обеспечивать бесперебойную работу цепи переноса электронов и снижать фотоингибирование фотосинтеза.

5. В качестве донора метильной группы:

Бетаин — один из важных доноров метильных групп в живых организмах, участвующий в метиониновом цикле. В условиях стресса он может участвовать в синтезе или регуляции метаболизма некоторых стресс-чувствительных веществ, предоставляя метильные группы.

Подводя итог, можно сказать, что в знойное лето основная функция бетаина для растений заключается в следующем:

Удержание воды и устойчивость к засухе:борьба с обезвоживанием посредством осмотической регуляции.
Защита от жары:защищает белки, ферменты и клеточные мембраны от повреждения высокими температурами.

Стойкость к окислению:усиливает антиоксидантную активность и уменьшает фотоокислительное повреждение.
Поддержание фотосинтеза:защищать фотосинтетические органы и поддерживать базовый запас энергии.

Таким образом, когда растения воспринимают стрессовые сигналы, такие как высокая температура и засуха, они активируют путь синтеза бетаина (главным образом, посредством двухстадийного окисления холина в хлоропластах), активно накапливая бетаин для повышения устойчивости к стрессу и улучшения выживаемости в суровых летних условиях. Некоторые засухо- и солеустойчивые культуры (например, сама сахарная свекла, шпинат, пшеница, ячмень и др.) обладают высокой способностью накапливать бетаин.

В сельскохозяйственном производстве экзогенное распыление бетаина также используется в качестве биостимулятора для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур (таких как кукуруза, томаты, перец чили и т. д.) к летним высоким температурам и засухе.