Pelecyphora vivipara. Zamarzanie i powrót aktywności

Materiał z Mercury Valley

Pelecyphora vivipara (Nutt.) D.Aquino & Dan.Sánchez obejmuje w Plants of the World Online dawną nazwę Coryphantha vivipara var. deserti (Engelm.) W.T.Marshall. Właśnie pod tą nazwą Nobel opisał w 1981 r. rośliny z Mercury Valley w Nevadzie, na wysokości 1110 m. Obecny gatunek ma szerszy zasięg, od południowej Kanady po północny Meksyk. Pomiary pochodzą z wybranego stanowiska i jego materiału. [2-WWW][Nobel 1981, POWO, 11 października 2026; Nobel, s. 194–195]

W terenie autor porównał cztery rośliny podczas mroźnej nocy w lutym 1979 r. Przy minimum temperatury powietrza −9,4°C, mierzonym na wysokości 1 m, powierzchnia dwóch roślin pod czterocentymetrową warstwą śniegu osiągnęła minimum −7,8°C. U dwóch podobnych roślin po usunięciu śniegu minimum powierzchni wyniosło −11,5°C. Wszystkie cztery przeżyły. W tym zestawie czterech roślin temperatura pędu różniła się od temperatury powietrza i zależała od obecności osłony śnieżnej. [Nobel 1981, s. 194–195]

Dziewięć godzin mrozu i kryterium przeżycia

Rośliny do badań laboratoryjnych przesadzono wraz z miejscową glebą. Zwykle utrzymywano je w temperaturze powietrza 10°C przez całą dobę, przy dwunastogodzinnym dniu i około 350 µmol fotonów/m²/s. Powierzchnia pędu ogrzewała się w dzień do około 23°C. Nawadniano raz w tygodniu. [Nobel 1981, s. 194–195, Materials and methods]

Ekspozycja na temperaturę poniżej zera trwała dziewięć godzin podczas nocy. W końcowych czterech godzinach temperatura pędu znajdowała się w granicach 0,6°C od temperatury powietrza. Dla każdego poziomu mrozu oceniano pięć roślin. Po próbie pozwalano im odzyskać dodatni nocny bilans CO₂ przed kolejną ekspozycją na niższą temperaturę. Te same rośliny przechodziły kolejne próby po okresie odzyskiwania aktywności. [Nobel 1981, s. 195, Materials and methods]

Przy −12°C przeżyło pięć z pięciu roślin, przy −15°C trzy z pięciu, a przy −20°C żadna. Przeżycie zdefiniowano jako powrót dodatniego nocnego pobierania CO₂ w ciągu dwóch miesięcy. Takie kryterium łączyło zachowanie rośliny z odzyskaniem jednej z jej funkcji. Mała liczebność i określony czas ekspozycji ograniczają traktowanie tych punktów jako dokładnej granicy tolerancji całego gatunku. [Nobel 1981, s. 195–196, Results]

Ocalały pęd odzyskuje funkcję stopniowo

Krzywa dla pojedynczej rośliny po nocy w −10°C wykazała w następnej nocy około 70% spadku maksymalnej szybkości nocnego pobierania CO₂. Temperatura, przy której osiągano największy strumień, obniżyła się z 10 do 6°C. Drugiej nocy osiągano już około 90% wcześniejszej aktywności, a czwartej odzyskano jej poziom. [Nobel 1981, s. 195–196, ryc. 1]

Po −15°C odzyskiwanie funkcji trwało znacznie dłużej. U roślin, które ostatecznie przeżyły, przez pierwszych dziesięć nocy nie stwierdzano dodatniego pobierania CO₂. Czternastej nocy osiągało ono około 23% wartości początkowej. Po dwóch miesiącach pozostawało na poziomie około połowy wcześniejszej aktywności. Przeżycie było więc zgodne z długotrwałym ograniczeniem bilansu węgla. [Nobel 1981, s. 196, ryc. 2]

Przechłodzenie i tworzenie lodu

Sok komórkowy miał potencjał osmotyczny około −1,05 MPa, co odpowiadało obniżeniu temperatury zamarzania o około 0,9°C. Przeżywanie dziewięciu godzin w −12°C obejmowało dodatkowo reakcje na tworzenie lodu i odwodnienie komórek. Podczas chłodzenia z szybkością około 2°C na godzinę tkanka pozostawała przechłodzona do około −6°C. Następnie jej temperatura wzrastała ku −2°C wskutek uwolnienia ciepła podczas tworzenia lodu. [Nobel 1981, s. 196–197, ryc. 3]

Nobel interpretował tę przemianę jako powstawanie lodu poza protoplastami, czyli żywą zawartością komórek. Z analizy wydzielonego ciepła oszacował, że początkowo zamarzło około 10% wody pędu. Protoplasty traciły wodę na rzecz przestrzeni z lodem i kurczyły się. Przy −10°C skurczenie obserwowano w około 68% protoplastów, a przy −15°C we wszystkich ocenianych. Obserwacje łączyły zatem zamarzanie z odwodnieniem wnętrza komórki. [Nobel 1981, s. 196–197]

Autor przyjął model, w którym kurczący się protoplast zwiększa stężenie własnych substancji osmotycznie czynnych. Na tej podstawie oszacował, że przy −15°C potencjał osmotyczny soku komórkowego musiałby osiągnąć około −17 MPa, co w przyjętym modelu wymagałoby utraty około 94% wody komórkowej. Wielkość utraty wody obliczono z przyjętej zależności między uwodnieniem a potencjałem osmotycznym komórki. Ocena mechanizmu opierała się także na obserwacji plazmolizy i zdolności do przyżyciowego barwienia po ekspozycji. [Nobel 1981, s. 197–198, Discussion]

Hartowanie mierzone na poziomie komórek

Żywotność oceniano przez barwienie czerwienią obojętną i możliwość wywołania plazmolizy, czyli oddzielenia żywej zawartości komórki od ściany pod wpływem roztworu osmotycznego. Po −15°C zdolność do barwienia zmniejszała się o około 70%, a po −20°C zanikała. Dla temperatury oceniano około 450 komórek z jednej rośliny. [Nobel 1981, s. 195–197, ryc. 4]

W próbie hartowania utrzymywano rośliny przez kolejne tygodnie w 30, 20, 10, 0 i −10°C. Temperatura powodująca 50% spadek zdolności komórek do przyżyciowego barwienia przesuwała się z około −10 do −17°C. Stopniowa zmiana warunków zwiększała więc tolerancję mierzoną tym wskaźnikiem. Wartość −17°C odnosi się do komórek i przyjętego progu ich odpowiedzi, odrębnego od przeżycia całego pędu i późniejszego wzrostu. [Nobel 1981, s. 196–198]

Znaczenie miała również długość ekspozycji. Dodatkowe cztery godziny przy −12°C pogarszały barwienie i odpowiedź plazmolityczną o około 12%. Wyniki łączą temperaturę z czasem mrozu, wcześniejszym stanem rośliny i konkretnym sposobem pomiaru. Zmierzono tolerancję komórek i powrót aktywności pędu po laboratoryjnych ekspozycjach. Przebieg chłodzenia, czas mrozu i stan nawodnienia należą do warunków tych wyników. [Nobel 1981, s. 196–198]