Как сделать растение более устойчивым к воздействию низких температур

Обновлено: 07.07.2024

Экологические группы растений по отношению к температуре

Жизнедеятельность растений в значительной степени зависит от температуры окружающей среды. По потребности к количеству тепла их разделяют на три основные экологические группы: теплолюбивые, нуждающиеся в умеренных температурах и холодостойкие.

Теплолюбивые растения произрастают в тропической, субтропической зонах и хорошо прогреваемых местообитаниях умеренного пояса. У этих растений выработались адаптации к действию относительно высоких температур (среднегодовая температура около +27 °С). В умеренных широтах к теплолюбивым растениям относятся так называемые широколиственные древесные породы: бук, граб, каштан, а также многочисленные травы из нижних ярусов широколиственных лесов.

Растения, нуждающиеся в умеренных температурах, не требовательны к теплу и произрастают в условиях умеренного климата. Как правило, эти растения не имеют специальных приспособлений к температурному режиму.

Холодостойкие растения, населяющие северные широты, вынуждены адаптироваться преимущественно к низким температурам (среднегодовая температура около 0 °С). К ним относятся тундровые и высокогорные растения.

Типы адаптаций растений к различным температурным условиям среды

Резкие колебания температуры — сильные морозы или жаркая погода — неблагоприятны для растений, так как они относятся к пойкилотермным организмам. Поэтому у них существует ряд приспособлений для борьбы с холодом или перегревом. Все адаптации растений к температурным условиям среды по характеру можно разделить на три типа: биохимические, физиологические и морфологические.

К биохимическим адаптациям относятся изменения химического состава цитоплазмы или клеточного сока в экстремальных температурных условиях. При высокой температуре в цитоплазме клеток теплолюбивых растений увеличивается содержание защитных веществ (органических кислот, солей, слизи). Они препятствуют нарушению цитоплазмы и обезвреживают токсические вещества, образующиеся под действием высокой температуры.

У холодостойких растений при низких температурах происходит накопление углеводов (в основном глюкозы) в клеточном соке, что снижает точку замерзания воды.

Физиологические адаптации заключаются в изменении процессов жизнедеятельности и продолжительности жизненных циклов в зависимости от температурного режима среды. Эффективной защитой растений от перегрева служит усиленная транспирация (испарение воды при отсутствии дефицита), благодаря большому количеству устьиц в листьях.

У растений пустынь и степей короткий цикл развития позволяет избегать действия высоких температур. Вся вегетация происходит ранней весной, а летнюю жару они переживают в состоянии семян или подземных побегов. Экологическую группу травянистых однолетних растений с очень коротким вегетационным периодом называют эфемерами (веснянка). Существуют также подобные эфемерам многолетние растения — эфемероиды, у которых отмирает лишь надземная часть (тюльпан, подснежники). А при наступлении благоприятных условий их жизнь возобновляется за счет питательных веществ, накопленных в подземной части.

Крайней мерой в борьбе с холодом или жарой является переход растений в состояние анабиоза (обратимая приостановка жизненных процессов) вследствие обезвоживания. Например, мхи и лишайники могут длительное время находиться в таком состоянии.

К морфологическим адаптациям относятся особенности строения тканей и органов, а также разнообразие жизненных форм при обитании в разных температурных условиях. Действие высоких температур на растения субтропического и тропического поясов снижается за счет усиления отражения солнечных лучей и уменьшения светопоглощающей поверхности. Повышению отражения солнечного света способствует светлая окраска листьев, их блестящая или опушенная поверхность. Уменьшение поглощения света достигается благодаря видоизменению листовых пластинок. Это могут быть колючки (кактусы), уменьшение размера (саксаул), рассеченность (пальмы), сворачивание (ковыль) листьев. Противодействует перегреву растений вертикальное по отношению к солнечным лучам расположение листьев. Может происходить изменение угла их наклона поворотом листовой пластинки.

Адаптации у растений холодного климата проявляются в виде формирования карликовых (березы, ивы), стелющихся (стланик кедровый, можжевельник туркестанский) и подушковидных (высокогорные и арктические растения-подушки) жизненных форм. Такие растения меньше подвержены воздействию ветра, лучше укрыты снегом зимой, полнее используют тепло почвы летом.

Есть морфологические адаптации, которые защищают растения как от высоких, так и от низких температур. Ими являются: развитие мощной корки (наружной части коры) у деревьев, перидермы у молодых побегов, защитных чешуй у почек, прочной кожуры у семян.

Повторим главное. По потребности к количеству тепла растения разделяют на три экологические группы: теплолюбивые, нуждающиеся в умеренных температурах и холодостойкие. К разным температурным условиям среды у растений выработались различные биохимические, физиологические и морфологические адаптации.

Проверим знания

Ключевые вопросы

1. Какие вы знаете экологические группы растений по отношению к температуре?
2. Приведите примеры морфологических адаптаций холодостойких растений к низким температурам.
3. Какие физиологические адаптации позволяют растениям степей и пустынь избегать действия высоких температур?

Сложные вопросы

1. Укажите, какие из перечисленных растений являются теплолюбивыми, а какие — холодостойкими: стланик кедровый, пальма, мандарин, сосна, можжевельник туркестанский, береза карликовая, гранат.
2. Охарактеризуйте биохимические изменения в клетках теплолюбивых и холодостойких растений при экстремальных температурах. В чем заключается их различие?
3. Почему растения тундры менее разнообразны по размерам, чем растения тропических областей?

Индивидуальное домашнее задание. Используя в качестве объектов наблюдения любые травянистые и древесные растения, произрастающие в вашей местности, определите у них все температурные адаптации и распределите их на типы.

Устойчивость растений к низким температурам подразделяют на холодостойкость - устойчивость теплолюбивых растений к низким положительным температурам, и морозоустойчивость – способность растений переносить отрицательные температуры.

Холодостойкость. При помещении теплолюбивого растения в условия низкой положительной температуры отмечается:

- постепенная потеря тургора клетками надземной части;

- у ряда видов наблюдается усиление распада белков и накопление в тканях растворимых форм азота;

- нарушается функциональная активность мембран из-за перехода насыщенных жирных кислот, входящих в их состав, из жидко-кристаллического состояния в состояние геля.

Холодостойкость теплолюбивых растений можно усилить предпосевным закаливанием проклюнувшихся семян и рассады путем выдерживания их в чередующихся условиях положительных низких температур и более высоких. Холодостойкость повышается также при замачивании семян в 0,25% растворах микроэлементов или нитрата аммония.

Быстрое понижение температуры в экспериментальных условиях сопровождается образованием льда внутри клеток и, как правило, их гибелью. Постепенное снижение температуры, что обычно в естественных условиях, приводит к образованию льда в межклетниках. При этом образующиеся кристаллы льда вытесняют из межклетников воздух, и замерзшая ткань выглядит прозрачной.

Основные причины гибели клеток при низких температурах:

- обезвоживание клеток из-за оттягивания воды кристаллами льда, образующимися в межклетниках;

- механическое сжатие льдом, повреждающее клеточные структуры;

- выход ионов и сахаров из клеток, из-за нарушения их активного транспорта (повреждаются переносчики).

Приспособления растений к перенесению низких температур.

Морозоустойчивые растения способны предотвращать или уменьшать действие отрицательных низких температур. Такие растения обладают приспособлениями, уменьшающими обезвоживание клетки:

- высокая проницаемость мембран в этих условиях. Это необходимо для транспорта воды из клетки и предотвращения образования внутриклеточного льда. Проницаемость мембран в условиях низких температур сохраняется дольше, если в их составе повышается содержание ненасыщенных жирных кислот;

- усиление синтеза криопретекторов – веществ, защищающих ткани от воздействия низких температур. К ним относятся полимеры, способные связывать значительные количества воды – гидрофильные белки, моно и олигосахариды. Вода, связываемая в виде гидратных оболочек этими молекулами, не замерзает и не транспортируется, оставаясь в клетке. Другой тип полимеров-криопротекторов – молекулы гемицеллюлоз, выделяемые в клеточную стенку. Они обволакивают кристаллы льда и тормозят их рост.

- накопление запасных веществ, которые могут использоваться при возобновлении роста.

Морозоустойчивость растений можно повысить с помощью закалки. Закаливание подготавливает весь комплекс защитных механизмов. Морозоустойчивость повышают также микроэлементы. Так, цинк повышает содержание связанной воды и усиливает накопление сахаров, молибден способствует увеличению содержания общего и белкового азота. Сходный эффект оказывают кобальт, медь, ванадий и др.

Низкие температуры – существенный фактор, определяющий распространение разных представителей флоры. Холод ограничивает продвижение видов на север и вверх в горы и отрицательно влияет на растения зимой: при значительном понижении температуры снижаются темпы роста и развития видов, что может привести к их гибели. В чем же секрет морозоустойчивости растений?

Тактика действий

Чтобы освоиться в условиях северных зим, в растениях заложены две основные тактики выживания: избегать охлаждения или адаптироваться к действию холода. Для этого они используют разные способы защиты от низких температур, которые связаны с динамикой биоритмов роста и развития с учетом сезонных изменений погоды и долготы дня

Мы не часто задумываемся над тем, что в наших лесах встречаются такие стойкие к сильным морозам растения, как:

Бузина красная (Sambucus racemosa)

Береза пушистая (Betula pubescens)

Ель обыкновенная (Picea abies)

Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris)

Это неудивительно, так как комплекс процессов подготовки к зиме у них происходит на физиологическом уровне – незаметно для глаз, хотя отдельные признаки мы все же замечаем. Целый ряд важных приспособлений, позволяющих видам шагнуть на север, связан с динамикой биоритмов роста и развития с учетом сезонных изменений погоды и долготы дня.

Смотрите также:

Зимние проблемы деревьев

Сильные морозы (для определенных пород), а также резкая смена температур вызывают нарушение физиологических процессов у растений.

Следует различать свойства растений, характеризующие реакцию растений в холодных условиях:

холодостойкость – реакция на низкие температуры;
морозостойкость – реакция на отрицательные температуры;
зимостойкость – весь комплекс факторов, с которыми растение встречается зимой.

Листопад

Это один из важных механизмов приспособления к холоду. С наступлением осени в основании черешка образуется специальный отделительный слой, и листья опадают. Как правило, к этому времени они уже не способны выполнять свою главную функцию – фотосинтез.

Листопад — один из важных механизмов приспособления к холоду

После разрушения главной фабрики фотосинтеза – хлорофилла – пластиды меняют свой цвет с зеленого на оранжевый, красный, желтый. Растения готовятся к зимнему покою, у них замедляются все физиологические процессы, даже дыхание переходит на экономный режим.

Листопад позволяет деревьям и кустарникам уменьшить испарение и сохранить влагу, которую невозможно добыть из холодной и тем более мерзлой почвы. Именно поэтому лиственные растения, способные сбрасывать листву, дальше продвигаются на север. Самые морозоустойчивые среди хвойных – листопадные лиственница сибирская (Larix sibirica) и лиственница Гмелина (Larix gmelinii). Эти растения составляют основу древостоев северной тайги, растут на вечной мерзлоте.

Одна из самых морозостойких хвойных пород – лиственница сибирская – сбрасывает свою хвою на зиму

Весной растения пробуждаются. Находящиеся в состоянии глубокого покоя – реагируют на увеличение продолжительности светового дня. Для видов с неглубоким покоем достаточно первых теплых дней, чтобы почки тронулись в рост. Поэтому для них опасен возврат весенних заморозков.

У брусники и черники почки укрыты листовым опадом и мхом

Закаливание растений

Одновременно с погружением в состояние покоя идет еще один важный процесс – закаливание. Он происходит в растениях постепенно с наступлением холодов. Закаливание связано с подготовкой к воздействию отрицательных температур: клетки растения обогащаются сахарами и постепенно выводят лишнюю воду из своих протопластов (содержимого растительной клетки).

На высоте 2500 м в Альпах бодяк колючейший принимает розеточную форму роста

Делается это для того, чтобы предотвратить образование кристаллов льда, способных нанести необратимые повреждения клетке. Именно поэтому обезвоженные к зиме деревья так страдают от иссушающего действия мороза и ветра. Получается, что для деревьев страшен не только мороз сам по себе, но и угроза высохнуть на морозе.

Закаливание должно быть постепенным. Именно поэтому резкое понижение температуры осенью губительно для растений. Особенно плохо, если резкие перепады случаются без снежного покрова.

Солнце также вызывает трудности у растения зимой: вынуждает его активнее жить, дышать и терять при этом влагу. Из-за этого появляются солнечные ожоги. Особенно чувствительны к таким процессам вечнозеленые и зимнезеленые виды. Чтобы пережить солнечную активность зимой им нужен снежный покров.

Смотрите также:

Уход за деревьями зимой

Неравномерный нагрев ствола дерева с южной и северной стороны, а также внутри и снаружи, еще больше усугубляет действие мороза – в результате на стволе образуются вертикальные трещины. Морозоустойчивые деревья и кустарники часто имеют хорошо развитый защитный слой коры. Он служит изолятором, сглаживающим перепады температур в стволе.

Закаливание может быть недостаточным, если нарушен ритм развития (например, из-за поздней пересадки, обрезки, удобрения) либо были плохие погодные условия: холодная поздняя весна, летняя засуха.

Как растения защищают почки

Чувствительность органов растения зимой уменьшается неравномерно:

максимальное снижение наблюдается в почках (причем цветочные почки более чувствительны, чем вегетативные);
далее идут цветки и листья, корневища и корни, стебли и камбий в стволе.

Вегетативные почки – основа для дальнейшего развития растения – уязвимы в морозный период. По стратегии их защиты растения делятся на несколько групп.

фанерофиты – высокие формы древесных растений (деревья и кустарники), у которых почки находятся высоко над землей. Поэтому часто они покрыты чешуями или опушены, как у рябины, или клейкой смолой, как у многих хвойных или у каштана.

хамефиты – более низкие кустарники и кустарнички прячут почки, расположенные невысоко над землей, в самом снегу. Как, например, брусника ( Vaccinium vitis-idea ), береза карликовая (Betula nana) или кедровый стланик ( Pinus pumila ), у которого к зиме ветки сами прижимаются к почве за счет работы специальных клеток.

гемикриптофиты – травянистые растения и полукустарнички, у которых почки находятся в поверхностном слое почвы, – укрывают их еще слоем лесной подстилки. Высокогорные растения из этой группы так называемые подушковидные полукустарники и розеточные травянистые растения имеют компактную форму роста.

Сообщества подушковидных растений на горе Тейде

геофиты – самые практичные растения. К ним, в частности, относятся луковичные эфемероиды (тюльпаны, нарциссы, подснежники). Они скрывают почки в самой земле. Им не страшны перепады температуры, поэтому многие селятся на горных лугах и в степях, где снежный покров зимой временами бывает скудным.

гидрофиты – водные растения – пережидают стужу, спрятав почки в воде или на дне. Например, как эффектная белая кувшинка ( Nymphea alba ), у которой корневища с почками расположены на дне водоемов.

Корневища с почками возобновления у кувшинки белой зимуют на дне водоема

терофиты – однолетние растения. Отцвели в свое время, как маки-самосейки ( Papaverrhoeas ), покрасовались, сформировали семена – и больше их ничто не волнует до следующего сезона. Семена могут находиться в глубоком покое, пока не будет условий для следующего цикла роста и развития. Стратегия терофитов эффективна не только для спасения от холода, но и для пережидания любого другого неблагоприятного фактора.

Смешение стратегий

Такие кустарники-фанерофиты, как лох серебристый ( Elaeagnus argentea ), роза бедренцоволистная ( Rosa pimpinellifolia ) и роза морщинистая ( R. rugosa ), дерен белый ( Cornus alba ) и дерен отпрысковый ( С. stolonifera ), обладают способностью давать многочисленные столоны в верхнем слое почвы (как у гемикриптофитов) с множеством почек возобновления на них, что обеспечивает долгую жизнь кусту даже при обмерзании отдельных надземных побегов.

Физиологически более морозостойкие виды меньше нуждаются в плотной чешуе у почек или толстой коре (в морфологической защите).

Старые раны от сломанных ветвей. Что с ними делать?

Случаются ситуации, когда раны на дереве, полученные, например, в результате слома крупных ветвей сильным ветром, не удалось обработать сразу после их возникновения. Прошло несколько месяцев. Что же делать?

Кора дерева. Какое покрытие выбрать для защиты

Арбо-Флекс – защита от термических повреждений

Многие проблемы можно решить, если кора дерева будет защищена специальным составом, однако традиционные средства имеют ряд недостатков.

Уход от повреждающего действия низких температур достигается, прежде всего, за счет короткого онтогенеза. Это уход во времени. У однолетних растений жизненный цикл заканчивается до наступления отрицательных температур, и они успевают дать семена. Полностью созревшие семена, содержащие в своих клетках всего 10—12% воды, совершенно нечувствительны к морозу и без вреда выдерживают даже температуру жидкого азота. Намоченные семена погибают уже при температуре от -8 до -10°С, а наклюнувшиеся, содержащие больше свободной воды, оказываются еще чувствительнее.

Большинство же растений умеренного климата являются двухлетними или многолетними и, следовательно, подвергаются всем невзгодам зимнего периода. Большая часть многолетников теряет свои надземные органы и перезимовывает в виде луковиц, клубней или корневищ, хорошо защищенных от мороза слоем почвы и снега. Это уход в пространстве от повреждающего действия низких температур.

Ткани озимых растений, деревьев и кустарников замерзают и даже полностью промерзают. Способность этих растений переносить низкие температуры объясняется достаточно высокой морозоустойчивостью, которая формируется осенью в процессе их длительной адаптации, включающей перестройку метаболизма в ответ на сокращение продолжительности светового дня, действие низких положительных и, наконец, отрицательных (до — 10°С) температур. Этот процесс повышения устойчивости к низким температурам называют закаливанием, или закалкой.

В жизненном цикле этих растений следует выделять вегетирующее состояние и состояние покоя. Причем древесные растения находятся в состоянии как глубокого (органического), так и вынужденного покоя. Например, вечнозеленые пальмы — хамеропс, трахикарпус, — зимующие в Крыму, имеют ксероморфную структуру, блестящую поверхность листьев, стволы деревьев закрыты черешками листьев, что помогает им успешно регулировать свой водный обмен. Фотосинтез, дыхание, транспорт веществ в этот период снижены у них до минимума. Во время адаптации происходит переход растений из вегетирующего состояния в состояние покоя, которое характеризуется высоким уровнем устойчивости к морозу. Полностью закаленные клетки древесных растений могут переносить температуры до -50 и даже до -100°С. На рис. 9.8 показано, что закаленный побег смородины может плодоносить даже после действия на него температуры, равной -196°С.

Закаливание осуществляется поздней осенью при низких положительных температурах и при первых слабых морозах. По теории И. И. Туманова (СССР, 1950), этот процесс проходит в две фазы.

Рис. 9.8. Закаленный побег смородины может плодоносить после пребывания при температуре -19б°С 1

Первая фаза — накопление сахаров. Для ее протекания необходимы пониженные положительные температуры (+10°С днем и 2—3°С ночью), при которых тормозится рост и задерживается расходование углеводов на дыхание, а также ясные осенние дни, благоприятствующие фотосинтезу. Во время первой фазы закалки происходит также уменьшение количества ауксинов, увеличение активности ИУК-оксидазы и увеличение количества АБК, которая изменяет состав липидных компонентов митохондриальных мембран, способствует лучшему обеспечению клеток энергией, индуцирует синтез некоторых стрессорных белков.

Вторая фаза адаптации растений происходит при температурах немного ниже нуля градусов и не зависит от света. В этих условиях постепенно уменьшается количество свободной воды. Изменение структуры белковых молекул приводит к тому, что они лучше связывают воду. Увеличение количества связанной воды уменьшает возможность образования льда. Одновременно увеличивается проницаемость плазмалеммы, в том числе и для воды. В результате вода из протопласта переходит в межклетники. Это предотвращает образование льда в протопласте. Выделение воды приводит к увеличению вязкости цитозоля, снижению скорости внутриклеточных транспортных процессов и торможению метаболизма. Предотвращается накопление вредных продуктов обмена веществ. В конце концов исчезают плазмодесмы, протопласты обособляются, и растение переходит в состояние покоя. Благодаря закалке деревья значительно повышают свою устойчивость. Например, сосна может выдержать суровые зимы с температурами -35°С и ниже.

Однако не все растения способны к закаливанию. Теплолюбивые растения южных широт, например хлопчатник, рис, бахчевые, при длитель- [1]

ном пребывании при температурах чуть выше 0°С не только не становятся устойчивее к морозу, но, наоборот, сильно страдают и могут даже погибнуть. Так, например, пребывание риса и хлопчатника при температурах -5—0°С в течение суток уже оказывается смертельным.

Достижения последующих десятилетий позволили дополнить теорию закаливания растений И. И. Туманова и выделить основные физиологические и молекулярные механизмы адаптации к отрицательным температурам, определяющие выживание в столь экстремальных условиях.

Читайте также: