Latem rośliny są narażone na wiele czynników, takich jak wysoka temperatura, silne światło, susza (stres wodny) i stres oksydacyjny. Betaina, jako ważny regulator osmotyczny i ochronna, zgodna substancja rozpuszczona, odgrywa kluczową rolę w odporności roślin na te letnie stresy. Jej główne funkcje obejmują:

1. Regulacja przenikania:
Utrzymanie ciśnienia turgorowego komórek:

Wysoka temperatura i susza powodują utratę wody przez rośliny, co prowadzi do wzrostu potencjału osmotycznego cytoplazmy (zwiększenia jej gęstości), co z łatwością prowadzi do odwodnienia i więdnięcia komórek z otaczających je wakuoli lub ścian komórkowych o większej zdolności absorpcji wody. Betaina gromadzi się w dużych ilościach w cytoplazmie, skutecznie obniżając jej potencjał osmotyczny, pomagając komórkom utrzymać wysokie ciśnienie turgorowe, a tym samym przeciwdziałając odwodnieniu i zachowując integralność struktury i funkcji komórkowych.

Zrównoważone ciśnienie osmotyczne wakuolarne:

Duża ilość jonów nieorganicznych (takich jak K⁺, Cl⁻ itp.) gromadzi się w wakuoli, aby utrzymać ciśnienie osmotyczne. Betaina występuje głównie w cytoplazmie, a jej gromadzenie pomaga zrównoważyć różnicę ciśnień osmotycznych między cytoplazmą a wakuolami, zapobiegając uszkodzeniom cytoplazmy spowodowanym nadmiernym odwodnieniem.

2. Ochrona biocząsteczek:
Stabilna struktura białka:

Wysokie temperatury mogą łatwo powodować denaturację i inaktywację białek. Cząsteczki betainy posiadają ładunki dodatnie i ujemne (jonowe) i mogą stabilizować naturalną konformację białek poprzez wiązania wodorowe i hydratację, zapobiegając nieprawidłowemu fałdowaniu, agregacji lub denaturacji w wysokich temperaturach. Ma to kluczowe znaczenie dla utrzymania aktywności enzymów, kluczowych białek w fotosyntezie i funkcji innych białek metabolicznych.

System folii ochronnych:

Wysoka temperatura i reaktywne formy tlenu mogą uszkodzić strukturę dwuwarstwy lipidowej błon komórkowych (takich jak błony tylakoidowe i błony plazmatyczne), prowadząc do nieprawidłowej płynności błon, ich nieszczelności, a nawet rozpadu. Betaina może stabilizować strukturę błon, utrzymywać ich prawidłową płynność i selektywną przepuszczalność oraz chronić integralność organów fotosyntetycznych i organelli.

3. Ochrona antyoksydacyjna:
Utrzymuje równowagę osmotyczną i ogranicza szkody wtórne wywołane stresem.

Stabilizują strukturę i aktywność enzymów antyoksydacyjnych (takich jak dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza, peroksydaza askorbinianowa itp.), zwiększają efektywność własnego systemu obronnego antyoksydacyjnego rośliny i pośrednio pomagają w usuwaniu reaktywnych form tlenu.
Pośrednie usuwanie reaktywnych form tlenu:

Silne światło słoneczne i wysokie temperatury latem mogą powodować produkcję dużych ilości reaktywnych form tlenu w roślinach, powodując uszkodzenia oksydacyjne. Chociaż sama betaina nie jest silnym przeciwutleniaczem, można ją uzyskać poprzez:

4. Ochrona fotosyntezy:
Wysoka temperatura i silny stres świetlny powodują znaczne uszkodzenia podstawowego mechanizmu fotosyntezy, fotosystemu II. Betaina może chronić błonę tylakoidową, utrzymywać stabilność kompleksu fotosystemu II, zapewniać sprawne funkcjonowanie łańcucha transportu elektronów i łagodzić fotoinhibicję fotosyntezy.

5. Jako donor grup metylowych:

Betaina jest jednym z ważnych donorów grup metylowych w organizmach żywych, uczestniczącym w cyklu metioninowym. W warunkach stresowych może uczestniczyć w syntezie lub regulacji metabolicznej niektórych substancji reagujących na stres poprzez dostarczanie grup metylowych.

Podsumowując, w upalne lato podstawową funkcją betainy w roślinach jest:

Retencja wody i odporność na suszę:zwalczanie odwodnienia poprzez regulację osmotyczną.
Ochrona przed ciepłem:chroni białka, enzymy i błony komórkowe przed uszkodzeniami spowodowanymi wysoką temperaturą.

Odporność na utlenianie:zwiększa zdolność antyoksydacyjną i redukuje uszkodzenia fotooksydacyjne.
Utrzymywanie fotosyntezy:chronią organy fotosyntetyzujące i utrzymują podstawowe zaopatrzenie w energię.

Dlatego, gdy rośliny odbierają sygnały stresowe, takie jak wysoka temperatura i susza, aktywują szlak syntezy betainy (głównie poprzez dwuetapowe utlenianie choliny w chloroplastach) i aktywnie akumulują betainę, aby zwiększyć swoją odporność na stres i poprawić zdolność przetrwania w trudnych warunkach letnich. Niektóre uprawy odporne na suszę i zasolenie (takie jak same buraki cukrowe, szpinak, pszenica, jęczmień itp.) wykazują silną zdolność akumulacji betainy.

W produkcji rolnej egzogenne opryski betainą są również stosowane jako biostymulator zwiększający odporność upraw (np. kukurydzy, pomidorów, papryki itp.) na wysokie temperatury występujące latem i stres związany z suszą.