Kasvien lämpötilastressi

Kasvien stressillä tarkoitetaan kasvin olotilaa, kun ympäristö ei ole suotuisa kasville. Eli, kun mikä tahansa ympäristön ominaisuus ei ole kasville sopiva alkaa kasvi kokea stressiä. Yleisimpiä kasvien stressitiloja ovat kuivuus- kosteus-, kylmyys- kuumuus- ja suolastressi. Kasvien stressi ilmenee stressivasteena, joka tarkoittaa niin biokemiallista kuin esimerkiksi morfologista, tai geeniekspressioon liittyvää ilmiötä, joka tapahtuu, kun kasvi kärsii tietystä stressistä. Hyvin yleinen stressivaste on tiettyjen proteiinien esimerkiksi heat shock –proteiinien syntetoiminen. Näiden proteiinien tehtävänä on usein suojella kasvia stressin aiheuttamilta vahingoilta.

Kylmästressin proteiinit

Kasvien täytyy kylmäkaraistua säilyäkseen hengissä esimerkiksi Suomen talven aikana, siis kasvien täytyy tavalla tahi toisella osata aistia ympäristön muutoksista, että talvi on tulossa. Tärkein talven tulonmerkki kasveilla on valojakson pituuden muutokset. Kylmänkestävyyden saavuttamiseen proteiineilla ja geeniekspressiolla on todella keskeinen rooli. Asiaa onkin tutkittu paljon ja on havaittu, että tiettyjä geenejä ekspressoidaan, kun ympäristön lämpötila laskee tietyn rajan alapuolelle. Millaisia rooleja näillä kylmästä indusoivilla geenien tuotteilla sitten on? Roolit ovat monialaisia, tietyt proteiinit toimivat saperoneina ja estävät esimerkiksi entsyymien kylmästä johtuvaa denaturaatiota. Toiset proteiinit puolestaan vaikuttavat erityisesti solun plasmamembraaniin ja lisäksi on tavattu geenejä, joiden koodaamat proteiinit liittyvät signaalitransduktion ja aineenvaihduntareittien säätelyyn. Lisäksi on proteiineja, joiden selvää funktiota tai aktiivisuutta ei tunneta (Thomashow 1999).

Lipid transfer proteiinit ovat pieniä proteiineja (9 kd), joita tavataan kasvien lisäksi myös, nisäkkäissä, hiivoissa ja bakteereissa. Ltp-proteiineilla on hydrofobinen tunnelintapainen ontelo, jonka oletetaan toimivan lipidien transferaatiossa. On havaittu, että LTP:t tehostavat erillisten kalvojen keskinäistä lipidien vaihtoa in vitro. Lipid tranfer protein (LTP) proteiinin geenin geeniekpressiota ja funktioitakin on tutkittu (Thomashow 1999). Tutkimuksissa on havaittu, että LTP:a alkoi kertyä soluun Bromus inermiksen kylmäkaraistumisen aikana. Näiden tietojen valossa voidaan varmaankin olettaa, että LTP muokkaa solukalvojen lipidien saturaatioastetta kylmäkaraistumisen aikana niin, että tyydyttymättömien rasvahappojen osuus kasvaa.

Solukalvon kylmänkestävyys ei aiheudu pelkästään solukalvon lipidikoostumuksen muutoksista, eihän solukalvo yleisesti ottaenkaan ole pelkästään erilaisten lipidityyppien sekoitus, vaan koostuu pikemminkin erilaisista lipideistä ja kalvoproteiineista. Siis voisivatko myös kalvoproteiinit vaikuttaa solukalvon kylmänkestävyyteen ja jos niin, niin miten? Tätä on tutkittu ja on havaittu, että monet proteiinit stabiloivat solukalvoa ja estävät erilaisten jäätymis- ja sulamisvaurioiden syntyä. Seuraavaksi esittelen tiettyjä proteiineja, joiden oletetaan stabiloivan solukalvoja.

Arabidopsiksen COR15a geenin on havaittu parantavan kasvin kylmänsietoa Artus et al. (1996). COR15a koodaa 15 kd polypeptidiä, joka on targetoitu kloroplastiin, siellä siitä modifioidaan 9,4 kd proteiini. Artus (1996) on tutkimuksissaan havainnut, että COR15a:n tuottama proteiini stabiloi kloroplastin kalvoa vähentämällä kalvon taipumusta muodostaa HexII-faasia. Steponkus et al. (1998) on esittänyt hypoteesin, kuinka COR15a proteiini vähentää kalvon taipumusta muodostaa HexII-faasirakenteita, hypoteesin mukaan proteiini muuttaa kloroplastin kalvon luontaista kaarevuutta ja tämä vähentää HexII-faasin muodostusta. Weiqi et al. (2004) tutki solukalvoon sidonnaisen fosfolipaasi Dδ vaikutusta kasvin kylmänkestävyyteen. fosfolipaasi Dδ hydrolysoi solukalvon fosfolipidejä muodostaen fasfatidiini happoa, ja havaitsi että kun ko. entsyymin tuottoa lisätään geeniteknisesti Arabidopsiksessa saavutetaan parempi kylmänkestävyys ja toisaalta, kun ko. entsyymin tuotto estetään geeniteknisesti Arabidopsiksen kylmänkestävyys heikkenee. Weiqi et al. (2004) toteaa myös, että fosfolipaasi Dδ päärooli on jäätymisen jälkeisten kalvovaurioiden korjaus.

Small heat shock -proteiinit ja kasvien lämmönkestävyys

Small heat shock proteiinit (sHsp) jakaantuvat kuuteen ryhmään CI, CII, CIII, CIV, CV ja CVI ryhmien jako perustuu aminohapposekvenssien samankaltaisuuteen. SHsp:iden koko on välillä 15-42 kDa.. On havaittu että proteiineja ei esiinny kasveissa normaalin kasvun aikana, mutta ne alkavat dominoida kun kasvin ympäristön optimilämpötila ylitetään, sHsp:idewn määrä voi ylittää 1 % lehden ja juurien kokonaisproteiinimäärästä, on myös havaittu, että sHsp:itä syntetoidaan muidenkin kuin kuumuusstressin aikana: esim. raskasmetallistressi, otsonistressi sekä tiettyjen kehityksellisten tilojen aikana esimerkiksi siementen itäminen, hedelmän maturoituminen. Koska sHsp:itä syntetoidaan runsaasti kuumuusstressin aikana on oletettavaa ja loogista ajatella niiden liittyvän jollain tavoin juuri kuumuudesta selviytymiseen. Kaikkien kuuden ryhmän sHsp:illä on hyvin konservoitunut karboksyylipää. Konservoitunut karboksyylipää koostuu 90 aminohappotähteestä ja sitä kutsutaan α-krystalliinidomeiniksi (ACD), aminoterminaalin domeinit ovat melko heterogeenisiä eri ryhmien välillä.

SHsp:iden on havaittu muodostavan kasveilla homo-oligomeereja, näiden rakenteiden muodostumisessa ACD:llä on tärkeä tehtävä, se nimittäin liittyy alayksiköiden kontakteihin ja tertiäärirakenteen säilymiseen. Kasveilla sHsp:t muodostavat myös erikoisia ”Heat shock kranuloita” ne ovat halkaisijaltaan 4 nm. Niitä muodostuu erityisesti pitkäaikaisessa kuumuustressissa. ”Heat shock kranulat” koostuvat siis sHsp:istä ja oikein laskostumattomista proteiineista. Mikä on sHsp:iden funktio? Kuinka sHsp:t suojelevat solua stressin tuhoilta on lähes tuntematonta, on kuitenkin pystytty osoittamaan in vitro ja in vivo, että sHsp:t toimivat saperoneina, niillä on kyky tunnistaa ei-laskostuneita proteiineja, kiinnittyä niihin ja estää niitä muodostamasta aggregaatteja ja toisaalta auttaa niitä laskostumaan. Siis sHsp:t muodostavat homo-oligomeerejä, on havaittu, että jotkut proteiinikompleksit dissosioituvat muun muassa dimeereiksi, kuumuuden tai hapen johdosta. Siis sHsp: muodostavat eistressaavissa oloissa komplekseja, jotka dissosioituvat pienemmiksi komplekseiksi stressitilanteissa ja edelleen muodostavat substraatiproteiiniensa kanssa komplekseja. Lämpötila ei ainoastaan muuta näiden proteiinikompleksien konformaatiota, on havaittu, että happikin vaikuttaa konformaatioon. Konformaatioita muutetaan muun muassa metioniinitähteiden sulfoksidaatiolla. Sulfoksidaation merkityksestä ei vielä osata sanoa paljoakaan. SHsp:illä voi olla myös muitakin tehtäviä kuin stressistä selviytyminen, niitä syntetoidaan, monien kasvin kehityksellistenkin tilojen aikana. On todennäköistä, että sHsp:t aikaansaavat kunnollisen kestävyyden kuumuutta vastaan vasta muiden proteiinien ja erilaisten fysiologisten tilojen yhteydessä. On mielenkiintoista, ettei vielä tunneta yhtäkään todellista sHsp:iden substraattia, tämän selvittäminen varmasti valaisisi proteiinien todellista funktiota kuumuuden kestämisessä.

Lähteet

• Artus, N.N., Uemura, M., Steponkus, P.L., Gilmour, SJ., Lin, C.T. & Thomashow, M.F. 1996: Constitutive expression of the cold regulated Arabidopsis thaliana COR15a gene affects both chloroplast and protoplast freezing tolerance. Proc. Natl. Acad.Sci. USA 93:13404–9.
• Steponkus, P.L., Uemura, M., Joseph, R.A., Gilmour, S.J. & Thomashow, M.F. 1998: Mode of action of the COR15a gene on the freezing tolerance of Arabidopsis thaliana. -Proc. Natl. Acad. Sci. USA (95):14570–75.
• Sun, W., Montagu, M.V. & Verbruggen, N. 2002: Small heat shock proteins and stress tolerance in plants. – Biochimica et Biophysica Acta 1577:1-9.