Летом растения сталкиваются с множеством факторов, таких как высокая температура, сильный свет, засуха (водный стресс) и окислительный стресс. Бетаин, как важный осмотический регулятор и защитное совместимое растворенное вещество, играет решающую роль в устойчивости растений к этим летним стрессам. Его основные функции включают:

1. Регулирование проницаемости:
Поддерживайте тургорное давление клеток:

Высокая температура и засуха приводят к потере воды растениями, что вызывает увеличение осмотического потенциала цитоплазмы (ее уплотнение), что легко приводит к обезвоживанию и увяданию клеток из-за окружающих вакуолей или клеточных стенок с более высокой способностью к поглощению воды. Бетаин накапливается в больших количествах в цитоплазме, эффективно снижая осмотический потенциал цитоплазмы, помогая клеткам поддерживать высокое тургорное давление, тем самым противодействуя обезвоживанию и сохраняя целостность клеточной структуры и функций.

Сбалансированное вакуолярное осмотическое давление:

В вакуолях накапливается большое количество неорганических ионов (таких как K⁺, Cl⁻ и др.) для поддержания осмотического давления. Бетаин в основном находится в цитоплазме, и его накопление помогает уравновесить разницу осмотического давления между цитоплазмой и вакуолями, предотвращая повреждение цитоплазмы из-за чрезмерного обезвоживания.

2. Защита биомолекул:
Стабильная структура белка:

Высокие температуры легко могут вызывать денатурацию и инактивацию белков. Молекулы бетаина несут положительные и отрицательные заряды (цвиттерионные) и могут стабилизировать естественную конформацию белков за счет водородных связей и гидратации, предотвращая неправильное сворачивание, агрегацию или денатурацию при высоких температурах. Это имеет решающее значение для поддержания активности ферментов, ключевых белков фотосинтеза и функций других метаболических белков.

Система защитной пленки:

Высокие температуры и активные формы кислорода могут повреждать липидную структуру клеточных мембран (таких как тилакоидные и плазматические мембраны), что приводит к нарушению текучести мембран, их проницаемости и даже разрушению. Бетаин способен стабилизировать структуру мембран, поддерживать их нормальную текучесть и избирательную проницаемость, а также защищать целостность фотосинтезирующих органов и органелл.

3. Антиоксидантная защита:
Поддерживайте осмотический баланс и уменьшайте вторичные повреждения, вызванные стрессом.

Стабилизирует структуру и активность антиоксидантных ферментов (таких как супероксиддисмутаза, каталаза, аскорбатпероксидаза и др.), повышает эффективность собственной антиоксидантной защитной системы растения и косвенно способствует нейтрализации активных форм кислорода.
Косвенное удаление активных форм кислорода:

Интенсивное солнечное излучение и высокие температуры летом могут вызывать образование большого количества активных форм кислорода в растениях, приводя к окислительному повреждению. Хотя сам по себе бетаин не является сильным антиоксидантом, его действие может быть достигнуто следующими способами:

4. Защита фотосинтеза:
Высокая температура и сильный световой стресс вызывают значительные повреждения основного механизма фотосинтеза — фотосистемы II. Бетаин способен защищать тилакоидную мембрану, поддерживать стабильность комплекса фотосистемы II, обеспечивать бесперебойную работу цепи переноса электронов и смягчать фотоингибирование фотосинтеза.

5. В качестве донора метильных групп:

Бетаин — один из важных доноров метильных групп в живых организмах, участвующий в цикле метионина. В условиях стресса он может участвовать в синтезе или метаболической регуляции некоторых веществ, реагирующих на стресс, предоставляя метильные группы.

Вкратце, в знойное лето основная функция бетаина для растений заключается в следующем:

Удержание влаги и засухоустойчивость:Борьба с обезвоживанием посредством осмотической регуляции.
Термозащита:Защищает белки, ферменты и клеточные мембраны от повреждений, вызванных высокими температурами.

Устойчивость к окислению:Повышает антиоксидантную способность и снижает фотоокислительное повреждение.
Поддерживать фотосинтез:защищать органы фотосинтеза и поддерживать основной источник энергии.

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

В сельском хозяйстве экзогенное опрыскивание бетаином также используется в качестве биостимулятора для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур (таких как кукуруза, томаты, перец чили и др.) к высоким летним температурам и засухе.