Sposób na stres suszy i chłodu? Betaina ma więcej niż jedno zastosowanie

 W praktyce najlepszy środek przeciwko suszy to odpowiednia ilość wody dostarczona roślinom. Niestety, w ostatnich latach pogoda pokazała nam, że jest to zasób bardzo ograniczony. Niedobory opadów dają się we znaki nie tylko w lecie, ale także wiosną czy jesienią. Nawet zimą niedobory wody potrafią być odczuwalne dla roślin. Dlatego warto wzmocnić same rośliny przed skutkami stresu suszy. Jednym z rozwiązań jest betaina.

Betaina jako środek przeciwko suszy zwiększa odporność roślin głównie poprzez utrzymywanie nawodnienia komórek, ochronę błon komórkowych i procesów fotosyntezy. Ponadto ma zdolności antyoksydacyjne oraz wspiera homeostazę jonową w tkankach. Jednakże efekt stosowania zależy w dużym stopniu od dawki i terminu użycia, a także gatunku rośliny, a nawet odmiany.

Dlaczego susza jest tak groźna dla upraw?

Susza jest powszechnie uznawana za najbardziej niszczycielski stres abiotyczny oddziałujący na światowe rolnictwo, powodując znaczny spadek plonów upraw zbóż. Rosnąca częstotliwość tego zjawiska i jego nasilenie w obliczu zmian klimatu stanowią zagrożenie zarówno dla bezpieczeństwa żywnościowego, jak i równowagi ekosystemowej. W ciągu ostatnich dwóch dekad klęski żywiołowe przyczyniły się do 23% strat w sektorze rolnym, przy czym sama susza była przyczyną ponad 65% tych strat.

Długotrwały deficyt wody prowadzi do zamknięcia aparatów szparkowych, zaburzenia wydajności fotosyntezy, zahamowania wzrostu liści, ograniczenia wysokości roślin, biomasy oraz plonów ziarna u głównych zbóż, takich jak kukurydza, pszenica i jęczmień. W odpowiedzi na warunki środowiskowe komórki roślinne nadmiernie wytwarzają reaktywne formy tlenu (ROS). Są to między innymi nadtlenek wodoru (H₂O₂) i rodniki ponadtlenkowe. Skutkiem ich działania jest peroksydacja lipidów, nieszczelność błon komórkowych oraz uszkodzenia kwasów nukleinowych.

Aby przeciwdziałać uszkodzeniom na poziomie komórkowym, rośliny aktywują złożoną sieć obrony antyoksydacyjnej. W jej skład wchodzą takie enzymy jak: dysmutaza ponadtlenkowa (SOD), katalaza (CAT) i peroksydazy (POD). Ponadto rośliny produkują metabolity nieenzymatyczne, i zmieniają poziom różnych cząsteczek sygnałowych, osmolitów i hormonów w swoich tkankach. W ten sposób zwiększają swoją tolerancję na stres.

Dlatego w ostatnich latach egzogenne stosowanie takich związków stało się alternatywnym podejściem, które ma na celu zwiększenie tolerancji upraw na stres.

Czym jest betaina?

Betaina (określana też jako trimetyloglicyna) to niewielka dwukationowo-dwuanionowa cząsteczka osmolityczna, pochodna glicyny. Jest to substancja wysoce rozpuszczalna w wodzie, stabilna termicznie do około 300°C. W komórkach i tkankach występuje jako neutralna sól zawierająca kation czwartorzędowy amoniowy oraz anion karboksylowy. Ta struktura leży u podstaw jego silnego oddziaływania z wodą oraz zdolności do stabilizowania białek i błon bez zakłócania metabolizmu komórkowego.

Fizycznie jest to biały krystaliczny lub ziarnisty proszek, który ma tendencję do pochłaniania wilgoci z powietrza. Wówczas może się zbrylać. Betaina jest bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie i umiarkowanie rozpuszczalna w polarnych rozpuszczalnikach organicznych, ale słabo rozpuszczalna w rozpuszczalnikach niepolarnych.
W roztworze wodnym glicyna betaina ulega silnemu uwodnieniu. Badania spektroskopowe wskazują na wiązanie około 28 cząsteczek wody w pierwszej powłoce hydratacyjnej cząsteczki. Odzwierciedla to silne oddziaływania jonowo-dipolowe zarówno z kationowym azotem, jak i anionową grupą karboksylową. Nasycone roztwory wodne mają odczyn od prawie obojętnego do lekko zasadowego. Ponadto cząsteczka charakteryzuje się dużą stabilnością termiczną i chemiczną.

Powyższe właściwości powodują, że betaina to efektywny środek przeciw suszy o działaniu osmoprotekcyjnym. Może ona gromadzić się w wysokich stężeniach wewnątrzkomórkowych bez zakłócania funkcji enzymów. Jednocześnie silnie oddziałuje z wodą i stabilizuje białka, błony oraz kompleksy makrocząsteczkowe w warunkach stresu.

Jak działa betaina jako środek przeciw suszy

Betaina jako środek przeciwko suszy wykazuje szereg mechanizmów działania.

Regulacja osmotyczna

W warunkach suszy lub zasolenia rośliny doświadczają obniżonego potencjału wodnego liści oraz odwodnienia komórek. Betaina gromadzi się w cytoplazmie bez zakłócania normalnych reakcji biochemicznych, pomagając w:

• zatrzymywaniu wody i utrzymaniu turgoru komórek;
• zachowaniu względnej zawartości wody;
• ograniczaniu więdnięcia i zwijania się liści;
• utrzymaniu funkcji aparatów szparkowych i wymiany gazowej;
• poprawie efektywności wykorzystania wody.

W przeciwieństwie do niektórych jonów nieorganicznych betaina jest metabolicznie kompatybilna z białkami i błonami komórkowymi. Dzięki temu przyczynia się do regulacji osmotycznej bez powodowania dodatkowej toksyczności jonowej.

Ochrona mechanizmu fotosyntezy

Stres środowiskowy powoduje uszkodzenia chloroplastów, błon tylakoidów, chlorofilu i fotosystemu II. Betaina pomaga ustabilizować te struktury i chroni białka biorące udział w transporcie elektronów oraz wiązaniu węgla. W rezultacie rośliny poddane działaniu betainy często zachowują:

• wyższą zawartość chlorofilu;
• lepszą wydajność fotochemiczną;
• wyższą szybkość fotosyntezy netto;
• lepsze przewodnictwo szparkowe;
• zmniejszoną fotoinhibicję.

Najnowsze badania nad jęczmieniem wykazały, że dolistne stosowanie betainy jako śodka na suszę poprawiło zawartość barwników, szybkość fotosyntezy, względną zawartość wody oraz wzrost w warunkach niedoboru wody. W doświadczeniach nad jęczmieniem wykazano, że aplikacja betainy ochroniła mechanizm fotosyntetyczny w komórkach roślin poddanych stresowi suszy trwającemu przez dwa tygodnie.

Stabilizacja błon i białek

Ciepło, zamarzanie, odwodnienie i zasolenie zwiększają przepuszczalność błon i denaturację białek. Betaina oddziałuje pośrednio z powłokami otaczającymi makrocząsteczki i pomaga utrzymać strukturę białek oraz kompleksów enzymatycznych. Stabilizuje również lipidy błonowe, ograniczając:

• wyciek elektrolitów;
• peroksydację lipidów;
• utratę kompartmentalizacji;
• uszkodzenia błon chloroplastów i mitochondriów.

Ma to szczególne znaczenie, ponieważ uszkodzenie błon jest wczesną konsekwencją silnego stresu osmotycznego i termicznego.

Ograniczenie uszkodzeń oksydacyjnych

Wywołane stresem zaburzenia fotosyntezy i oddychania powodują wzrost stężenia reaktywnych form tlenu (ROS), w tym nadtlenku wodoru i rodników hydroksylowych. Betaina niekoniecznie działa wyłącznie jako bezpośredni zmiatacz ROS. Jej głównym działaniem jest często wzmocnienie systemu antyoksydacyjnego rośliny.

Może zwiększać aktywność lub ekspresję enzymów, takich jak:

• dysmutaza superoksydowa, SOD;
• katalazy (CAT);
• peroksydazy askorbinianowej (APX);
• peroksydaz (POD);
• transferazy S-glutationowej (GST).

Może również wspomagać działanie nieenzymatycznych przeciwutleniaczy i metabolitów wtórnych, w tym askorbinianu, glutationu, związków fenolowych i flawonoidów.
W przypadku jęczmienia poddanego stresowi suszy GB wiązało się z silniejszą aktywnością przeciwutleniającą, mniejszym gromadzeniem się ROS oraz poprawą integralności błon komórkowych.

Poprawa homeostazy jonowej w warunkach zasolenia

Zasolenie jest przyczyną zarówno stresuosmotycznego, jak i toksyczności jonowej, szczególnie wynikającej z nadmiernego stężenia jonów sodowych i chlorkowych. Betaina może wspomagać tolerancję na sól, pomagając roślinom w utrzymaniu korzystniejszych:

• stosunku jonów potasu do sodu;
• równowagi jonowej w cytozolu;
• selektywności błon;
• rozkładu jonów między korzeniami a nadziemną częścią rośliny.

Aplikowanie egzogennej betainy wiąże się również z regulacją komórkowych pomp protonowych oraz mechanizmów, które przyczyniają się do wydalania sodu z komórek lub jego transportu do wakuoli.

Ponadto odnotowano w doświadczeniu na jęczmieniu, że betaina dzięki swojemu działaniu poprawia także rozwój i masę roślin niepoddawanych wpływom stresu suszy, niezależnie od tego, czy była to odmiana odporna czy wrażliwa na suszę.

Jakie są ograniczenia w stosowaniu betainy jako środka na suszę?

Reakcja roślin na betainę nie jest uniwersalna. Wiele ważnych upraw, w tym niektóre zboża i rośliny oleiste, wytwarza naturalnie stosunkowo mało betainy. Tymczasem inne — takie jak szpinak czy burak cukrowy — mogą gromadzić znaczne ilości tej substancji. Dlatego skuteczność zewnętrznego stosowania betainy zależy od:

• gatunku i odmiany;
• nasilenia i czasu trwania stresu;
• stosowania dolistnego lub korzeniowego;
• stężenia i postaci preparatu;
• stosowania przed lub po wystąpieniu stresu;
• etapu rozwoju rośliny;
• wzajemnego oddziaływania z nawożeniem, hormonami i innymi biostymulatorami.

Betainę należy zatem postrzegać przede wszystkim jako biostymulator chroniący przed stresem, a nie jako substytut nawadniania, zarządzania zasoleniem, zrównoważonego nawożenia czy odpowiedniej struktury gleby. Nadmierne stężenia produktów zawierających betainę mogą być nieskuteczne lub wręcz hamujące. W skrajnych przypadkach potrafią spowodować uszkodzenie liści w okresach wymagających wysokiej respiracji z liści, m.in. w czasie suszy towarzyszącej upałom. Dlatego niezbędne jest odpowiednie i staranne wyliczenie dawki.

Niskie temperatury i mróz stanowią zagrożenie dla upraw ozimych. Stwierdzono, że betaina może wspierać naturalne mechanizmy tolerancji roślin na stres związany z chłodem

fot. agrofoto.pl karat7

Betaina przed zimą — jakie przynosi korzyści?

Betaina nie jest cudownym środkiem przeciwko skutkom działania mrozu, jednakże potrafi zwiększyć odporność roślin na to zjawisko czy długotrwały wpływ niskich temperatur. Jej działanie w okresie chłodów opiera się przede wszystkim na następujących mechanizmach:

• stabilizacji błon komórkowych i białek podczas zamrażania i rozmrażania,
• ograniczaniu uszkodzeń osmotycznych spowodowanych tworzeniem się lodu pozakomórkowego,
• ochronie chloroplastów i fotosystemu II,
• zwiększaniu aktywności przeciwutleniającej i ograniczaniu ilość reaktywnych form tlenu,
• pomocy w utrzymaniu równowagi wodnej komórek,
• przyspieszeniu regeneracji tkanek i organów po działaniu.

Efekt ma głównie charakter fizjologiczny, ponieważ rośliny poddane działaniu tego związku mogą wykazywać mniejsze wycieki z błon komórkowych, mniejszą utratę chlorofilu oraz mniejsze upośledzenie fotosyntezy. Na przykład pomidory opryskiwane roztworem betainy wykazywały większą odporność na chłody.

W uprawach ozimych: zbóż i rzepaku, betaina będzie mogła pomóc roślinom w szybkim zahartowaniu się do stresu zimna przez pełną, naturalną aklimatyzacją. Ponadto może ona pomóc w ochronie przed wiosennymi przymrozkami oddziałującymi na aktywnie rosnące tkanki lub regeneracji tkanek po cyklu zamarzania i rozmrażania roślin.

Efektywność działania przeciwchłodowego i przeciwmrozowego betainy zależy przede wszystkim od tego, czy zaaplikowany produkt został wchłonięty przez rośliny przed nadejściem chłodów lub mrozu. Dlatego zaleca się jej stosowanie na 24 do 72 godzin przed spodziewanym mrozem lub gwałtownym ochłodzeniem. Ponadto istotny jest czas trwania mrozów i tego, jaka minimalna temperatura wystąpiła w jego czasie. Nie zapobiega on jednak w sposób niezawodny zamarzaniu tkanek w określonej temperaturze.

Mimo to betaina to nie jest cudowny środek przeciw stresom suszy czy chłodu. Duże znaczenie mają jednak:

• odmiana i genetyczna odporność na mróz,
• naturalne hartowanie jesienią,
• gęstość uprawy i faza wzrostu,
• odpowiednie zaopatrzenie w fosfor, potas i siarkę,
• dobra struktura gleby i drenaż,
• unikanie nadmiernego nawożenia azotem jesienią,
• długość i nasilnie mrozów,
• pokrywa śnieżna i czas jej trwania,

Dlatego betainę należy zatem traktować jako uzupełniający biostymulator, a nie jako substytut genetycznej odporności roślin na zimę i właściwego zarządzania uprawami.

Obserwuj nas w Google News. Bądź na bieżąco!

Newsletter

Bądź na bieżąco z informacjami z rynku rolnego

Zapisz się