Low temperature stress in plants

Presenter: H.Salimi

Why study temperature stress in plants?

1.Temperature is one of the most important factors that limit the geographical distributions of plants on earth.

2. Temperature stresses usually cause severe loss of crop yields.

Sustainability of crop production and food security:

will that still be true tomorrow?

Today• 2 billion people lack reliable access to food.

• 800 million people today are chronically malnourished.

(300 million of these are children)

Today• 2 billion people lack reliable access to food.

• 800 million people today are chronically malnourished.

(300 million of these are children)

Average loses

(kg/Ha)

Abiotic loses/ record of yield

Crop Record yield

(kg/Ha)

Average yield

(kg/Ha)

Biotic

stresses

Abiotic

stresses

Corn 19300 4600 1952 12700 65.8

Wheat 14500 1880 726 11900 82.1

Soybean 7390 1610 666 5120 69.3

Sorghum 20100 2830 1051 16200 80.6

Oat 10600 1720 924 7690 75.1

Barley 11400 2050 765 8590 75.4

Potato 94100 28300 17775 50900 54.1

Sugar beat 121000 42600 17100 61300 50.7

(Buchanan et al.,2000)

Average yields and record yields of eight major crops

% کل زمین های قابل 10طبق آمار، تنها حدود •کشت دنیا ممکن است بدون تنش باشد.

به دلیل تغییرات فصلی، تقریبا تمام گیاهان به •وسیله نوسانات دمایی در چرخه حیاتی شان

تحت تاثیر قرار می گیرند.در زمستان ممکن است سرماهای شدید به گیاه •

صدمه زده وعالوه بر آن سرماهای دیررس بهاره وزودس پاییزه نیز در اکثر موارد خسارات بسیار

شدیدی به گیاهان زراعی وارد می سازند.دمای داخل بافت های گیاهی، دمای ثابتی •

نیست و متاثر از دمای محیط است. از طرفی رشد گیاهان مختلف مستلزم وجود یک دامنه

حرارتی خاص است.

:انواع تنش سرمایی

در دماهای بین )chilling :(سرمازدگی1) درجه سانتی گراد اتفاق 20صفر تا

می افتد و در دماهای غیر کشنده اغلب برگشت پذیرند.

موقعی اتفاق می freezing:(یخ زدگی (2)افتد که دمای محیط خارج از گیاه پایینتر از نقطه انجماد آب باشد.

معموال یک واکنش پالستیک است و برخی از گیاهان که به آسیب

سرمازدگی حساس هستند با بروز یخ زدگی می میرند.

گستره تنش سرما:

در اکثر مناطق مخصوصا در نواحی مدیترانه ای •دماهای پایین زمستان، میزان رشد گیاهان زراعی را

محدود می سازد.در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری تنش سرما •

بعنوان مهم ترین عامل محدود کننده گیاهان معرفی شده است.

میلیون هکتار از مزارع در 2.5در ایران بیش از •مناطق سرد، در معرض آسیب سرمای زمستانه قرار

دارد.خسارت ناشی از سرما و یخبندان در اغلب سال ها •

بر روی محصوالت حساس باغی کشور بخصوص درصد می 40بادام و پسته و زرد الو و ... بیش از

باشد.

طبقه بندی گیاهان از نظر مقاومت به سرما:

گیاهان خیلی حساس به سرما:به دماهای سرد باالی 1.صفر درجه حساس هستند.

گیاهان حساس: به دماهای یخبندان و نزدیک به صفر 2.درجه حساس هستند.مثل ذرت، لوبیا، برنج، خیار

و ....- درجه زنده می 5کمی مقاوم: در دماهای انجماد تا 3.

مانند.- درجه زنده می 10-تا 5نیمه مقاوم: در محدوده 4.

مانند.- درجه زنده می 20-تا10بسیار مقاوم:در محدوده 5.

مانند.خیلی زیاد مقاوم:گونه های با حداکثر مقاومت به یخ 6.

زدگی که توانایی تحمل سرماهای بسیار شدید را دارند.

اثرات سوء تنش سرما

در نتیجه قرار خسارت مستقیم:1.گرفتن بافت یا گیاه به مدت چندین

ساعت در معرض سرما یا چند دقیقه در سرمای ناگهانی ایجاد می

شود.مثل تلفات آب، تجزیه بافت، عدم قدرت جوانه زنی بذر و....

اثرات سوء تنش سرما

گیاه به کندی به خسارت غیر مستقیم:. 2تنش سرما پاسخ می دهد و بعد از قرار

گرفتن در تنش سرما عالیم خسارت بعد از چند روز یا چند هفته بروز می کند.که بعد از

روز نرم و پژمرده می شوند. اثراتی 6تا5مثل کاهش مقدار میوه و دانه، اختالل در

زمان رسیدن، کاهش سرعت فتوسنتز و... از اثرات غیر مستقیم سرما هستند.

الف) اثرات تنش سرما در سطح :سلولی

کاهش دما با تاثیر بر غشاهای سلولی، آب درون •سلولی، فعالیت آنزیم ها و فرایندهای

بیوشیمیایی، فعالیت های فیزیولوژیکی گیاهان را تحت تاثیر قرار می دهد.

باعث می شود انرژی متابولیکی کمتری در •اختیار گیاه قرار بگیرد.

جذب آب و عناصر غذایی توسط گیاه محدود می •شود.

بیوسنتز کمتری حادث می شود.•آسیمیالسیون کاهش می یابد و رشد متوقف می •

شود.

ب( اثر تنش سرما روی فعالیت های :فیزیولوژیک گیاه

اختالل در فتوسنتز:1. صدمه به تیالکوئیدهای کلروپالست، باعث کاهش فتوسنتز می

شود. توقف جریان سیتوپالسمی، کاهش انرژی حاصل از تنفس و

فراهم نبودن فسفات های غنی از انرژی میزان فتوسنتز را کاهش می دهد.

اختالل در تولید کلروفیل و آسیب های وارده بر عملکلروپالست در کاهش فتوسنتز نقش دارند.

طیف دمائی که باعث ایجاد اختالالت غشایی در گیاهانحساس به تنش سرما می شود بسیار پایینتر از محدوده دمائی

سرد برای کاهش فتوسنتز است. کاهش فعالیتPEP و اختالل در چرخه انتقال الکترون

ب( اثر تنش سرما روی فعالیت های :فیزیولوژیک گیاه

اختالل در تنفس: . 2در زمان وقوع تنش سرما، به دلیل •

تنفس بیشتر گیاه در مقایسه با فتوسنتز در گیاه گرسنگی ایجاد می

شود. درجه سانتی 5تنفس در میوه خیار در •

گراد افزایش می یابد و بعد از رسیدن به یک ماکزیمم کاهش می یابد.

ب( اثر تنش سرما روی فعالیت های فیزیولوژیک گیاه:

اختالل در فعالیت آنزیم ها:. 3آنزیم ها در محدوده دمایی خاصی قادر به فعالیت •

هستند.کاهش دما موجب تغییر غلظت یا فعالیت آنزیم های •

تنظیم کننده فرایند های بیوشیمیایی درون سلول می شود.

کاهش فعالیت آنزیم های غشاء سلولی سبب •اختالل در انتقال یون ها و مواد می شود.

در دمای پایین فعالیت فسفوانول پیروات •کربوکسیالز محدود می شود که باعث کاهش

فتوسنتز می شود.

ب( اثر تنش سرما روی فعالیت های :فیزیولوژیک گیاه

ATPاختالل در سنتز . 4

جذب یون ها توسط گیاه بطور مستقیم و یا •وابسته است و در ATPغیر مستقیم به

قابل استفاده کم می ATP شرایط سرما کهباشد، فرایند جذب آب خود به خود کاهش

پیدا می کند. باعث محدود شدن تنفس هوازی ATPکمبود•

در گیاه و کاهش یا توقف جریان سیتوپالسمی سلول می شود.

ب( اثر تنش سرما روی فعالیت های فیزیولوژیک گیاه:

خسارت ناشی از تشکیل سموم:. 5در نتیجه اختالل در تعادل فرایندهای بیوشیمیایی •

گیاه و در اثر عدم هماهنگی فرایندهای متابولیکی و کاهش انرژی به علت تبدیل تنفس هوازی به

غیر هوازی، مواد سمی تجمع می یابند.افزایش تنفس بی هوازی باعث ایجاد مواد سمی •

می شود. ATPو کاهش تولید مواد سمی شامل آمونیاک، پلی فنل ها، •

استالدئید، اتانول و.. می باشد.

ج( اثر تنش سرما بر فرایندهای مختلف رشد

اثر بر جوانه زنی1.

اثر بر فرایندهای مرحله رویشی گیاه2.

اثر بر فرایندهای مرحله زایشی گیاه3.

اثر بر عملکرد4.

فیزیولوژی مقاومت به تنش سرما:

اجتنابمقاومت به تنش سرما به دو صورت • انجام می شود.تحملو

اجتنابدر زمان بروز سرما گیاهان قادر به •از تنش نمی باشند.

به سرما تحملتنها شکل مقاومت، افزایش•در گیاهان می باشد.

:راه های اجتناب از سرما

تغییر تاریخ کاشت استفاده از ارقام مقاوم استفاده از ارقام زودرس

عوامل افزایش تحمل سرما

افزایش غلظت مواد اسمزی کاهش آب بافت های گیاهی افزایش تجمع لیپیدها وافزایش

اسیدهای چرب غیر اشباع افزایش پروتئین های محلول افزایشABA و کاهش جیبرلین

Acclimation and adaptation response to low temperatures include an increase in membrane unsaturated fatty acids.Chilling-resistant species have higher unsat’d/sat’d ratio.

Oleic acid is 18:1, Pea shoot is 17.8 not 12.8

تنش یخ زدگی

بروز یخ زدگی عمدتا در مورد گیاهانمناطق معتدله مطرح بوده و وقوع آن در

مناطق گرمسیری نادر می باشد. سرعت انتشار یا تشکیل یخ درآوندهای

متر در 34چوبی بسیار سریع ودر حدود دقیقه است و با کاهش درجه حرارت

افزایش می یابد.

یخ زدگی گیاهان از نقاطی شروع می شود که را دارد.غلظت در آن محل کمترین شیره خام

دارای غلظت آوند چوبیشیره خام موجود در بسیار کمی است، بنابراین آوندهای چوبی

می باشند.اولین محل شروع یخ زدگیمعموال این عمل در گیاهان علفی ممکن است از

ساقه یا برگ ودر گیاهان چوبی از سرشاخه ها شروع شود.

بتدریج یخ در داخل آوندها توسعه می یابد و سپس به داخل فضاهای خارج سلولی بافت

های دیگر نفوذ می کند.

هسته های تشکیل یخ

کاتالیزورهایی که آب را تبدیل به یخ می کنندهسته های تشکیل یخ گفته می شوند.

در صورت نبود هسته های مولد یخ آب درون گیاه- درجه یخ نمی زند که البته این حالت در 38تا

طبیعت نادر است.:منابع تشکیل آن شامل

باکتری های مولد هسته یخ( جنس های سودوموناس و اروینیا)

مولکول ها و ساختمان های بیولوژیک بقایای مواد آلی و غیر آلی

jشکال بروز یخ زدگی ا

درون سلولی1.

برون سلولی2.

یخ زدگی برون سلولی:

در شرایط طبیعی، به محض سرد شدن بافت •گیاهی ، ابتدا در دیواره سلولی یخ تشکیل می

شود.تشکیل چنین یخی معموال مرگ آور نمی باشد و در •

صورت گرم شدن گیاه بافت گیاهی بطور کامل بهبود می یابد.

البته در صورت طوالنی شدن این شرایط گیاه می •میرد.

بیشترین خسارت ناشی از تنش یخ زدگی، در •نتیجه یخ زدگی برون سلولی بروز می کند.

یخ زدگی درون سلولی

تشکیل یخ درون سلولی مستلزم تشکیل •هسته ای یخ در داخل آب فراسرد موجود

در داخل سلول است.گیاهان مقاوم به یخ زدگی قادرند، یخ •

زدگی برون سلولی را بدون پذیرش خسارت تحمل کنند، اما قادر نیستند یخ

زدگی درون سلولی را تحمل کنند.در طبیعت به ندرت در درون سلول ها یخ •

تشکیل می شود.

:مکانیسم های پاسخ به یخ زدگی

:به پدیده ای که آب را در زیر سوپر کولینگنقطه انجماد به شکل مایع یا حداقل در

وضعیت غیر کریستال حفظ و نگهداری نموده و اجازه می دهد بافت های گیاه تا دمای زیر

نقطه انجماد سرد شوند، بدون اینکه یخ زدگی در آنها روی دهد، گفته می شود.

:(سازگار شدن) یک فرایند اقلیمی شدن تدریجی است که طی آن تغییرات ریخت

شناسی، فیزیولوژیک وبیوشیمیایی در گیاه رخ می دهد.

(Xin and Brose,2000)

Cold acclimation induces changes of many genes in various cellular processes of plants

Proposed events occurred in plants under low or high Temperature treatment

Temperature decline below 15℃ raise above 45 oC

Membrane Fluidity changes

Calcium wave

Protein Kinase/Phosphatase cascade

Cold-specific genes response

Development of freezing tolerance

Induction or repression of TFs Expression, such as CBF, HSF

Genotype-Independentevents

Genotype-Dependentevents

Wangxia Wang et al., (2003)

اثرات یخ زدگی بر بافت های گیاهی:

آب کشیدگی یا خشکیدگی:الف( ،وقتی در خارج سلول، یخ در حال کریستاله شدن است

به واسطه کمتر بودن فشار بخار روی یخ در مقایسه با محلول فراسرد شده نوعی اثر خشکی ظاهر می شود.

کریستال های یخ خارج سلولی از طریق مکش آب ازسلول ها تا وقتی که پتانسیل آب یخ وسلول با هم

برابر شود گسترش میابد و در نهایت محتوای آب سلول کشیده می شود.

،سلول گیاهی در اثر یخ زدگی آب خود را از دست دادهباعث وقوع آب کشیدگی در بافت ها می گردد.

حرکت آب (به بیرون ) و فرایند یخ زدگی تا زمانی کهبین الیه یخ وشیره سلولی تعادل ترمودینامیک برقرار

شود، ادامه دارد.

اثرات یخ زدگی بر بافت های گیاهی:ب) خفگی

با تشکیل الیه یخ ورود و خروج گازها بامشکل روبرو شده و باعث اختالل شدید

در تبادالت گازی گیاه می شود. تشکیل الیه های یخ اغلب باعث ایجاد

شرایط بی هوازی در گیاهان پوشیده از یخ و کند شدن مسیرهای تنفس می

شود.

اثرات یخ زدگی بر بافت های گیاهی:

اثرات یخ زدگی بر بافت های گیاهی:

یخ زدگی خاک( ج یخ زدن خاک، میزان اکسیژن خاک را کاهش می

دهد و بالفاصله جذب آب توسط ریشه متوقف می شود.این امر نوعی خشکی در گیاه بوجود

معروف است.خشکی پسابیدگیمی آورد که به

سستی و از هم گسیختگی خاک که بوسیلهتکرار انجماد ایجاد می شود

سبب جدا شدن الیه خاک و خسارت به سیستم ریشه می شود.

Christian ,J and etc. Journal of referegration , 2009

تخریب فیزیکید( •باعث تخریب فیزیکی در درون سلول یخ تشکیل شده،•

غشاء پالسمایی یا تشکیل توده بزرگی از یخ در طول دیواره سلولی می شود.

اثرات یخ زدگی بر بافت های گیاهی:

تشکیل توده های یخ بر ساختمان بافت یا •اندام نظیر انسداد در اوند چوبی می شود.

ایجاد ترک در تنه درختان،به دلیل یخ زدگی •آب خارج از دیواره سلولی و گسترش آن به سلول های مرده چوب و سرد شدن سریعتر الیه چوب خارجی در مقایسه با الیه داخلی.

اثرات یخ زدگی بر بافت های گیاهی:

ه) توسعه بیماری فوزاریومپوسیدگی ناشی از کپک برفی قارچ تیفوال که عامل )snow mold(

رنگ خاکستری می شود.

از جنس کپک برفی زردنوعی Fusarium nival در نیمکره شمالی

که حتی بازیدیومیست هابیماری های ناشی از ،- درجه سانتی گراد فعالیت می کنند.5در دماهای

که عامل آن قارچسوختگی برفیبیماری ، Pythiums است وباعث پوسیدگی گیاه مدفون

شده در زیر برف می شود.

اثرات یخ زدگی بر بافت های گیاهی:

:مقاومت به یخ زدگی

به دو صورتتحمل یخ زدگی

اجتناب از یخ زدگی

صفات مربوط به مقاومت به یخ زدگی

افزایش غلظت مواد اسمزی1.

کاهش آب بافت های گیاهی2.

افزایش تجمع لیپیدها وافزایش اسیدهای 3.چرب غیر اشباع

افزایش پروتئین های محلول 4.

و کاهش جیبرلینABAافزایش 5.

روش های فیزیکی روش های فیزیکی مقابله با تنش مقابله با تنش سرما و یخبندانسرما و یخبندان

استفاده از بخاری -1

:غرقاب کردن خاک -2

اساس آن افزایش ظرفیت و هدایتگرمایی خاک و آزادسازی گرمای نهان

آب است. 2 به 3وقتی دمای یک لیتر آب از

کالری انرژی 1000کاهش یابد، گرمایی آزاد می کند.

آبیاری بارانی -3

جوانه ها و آزاد شدن آبیاری بارانی منجر به تشکیل یخ در اطرافانرژی گرمایی می شود.

- ماشین های مولد باد:4- استفاده از ساختمانهای حفاظتی5-کپه کردن خاک در اطراف درخت 6

جوان- پوشاندن گیاه با پوشش مخصوص7-مالچ پاشی8

نتیجه

سرما و یخبندان یکی از مهمترین عواملخسارت زای محصوالت کشاورزی در جهان

و ایران است، که همه ساله اتفاق می افتد.

از آنجا که بروز سرما جزء عوامل طبیعیاست که غیر قابل اجتناب است باید راه های ایجاد مقاومت به آن در گیاهان را توسعه داد و پیش بینی های الزم جهت

کاهش صدمات آن را انجام داد.

سعي كنيد آن چيزي را كه دوست داريد به دست بياوريد وگرنه مجبور ميشويد آن چيزي را

كه به دست مي آوريد دوست داشته باشيد.

“ ” شكسپير

موفق باشيد