За более чем столетний период изучения действия на клетки растений низких положительных и отрицательных температур знания о вызываемых ими изменениях в метаболизме растительных клеток, а также о свойствах клеток растений, определяющих их морозостойкость, значительно углубились и расширились.

В настоящее время считается, что основными причинами, вызывающими гибель растений от холода, являются или непосредственное действие низких температур на клетки, не связанное с образованием льда в тканях, или же образование льда в тканях снаружи клеток либо внутри них. С одной стороны, было установлено, что внутриклеточное замерзание воды всегда приводит к их немедленно гибели, во всяком случае, в лабораторных условиях, имитирующих природные. С другой стороны, все растения, зимующие в условиях умеренного климата, переносят внеклеточное замерзание значительных количеств воды.

Мгновенное и необратимое повреждение клеток при образовании внутриклеточного льда указывает на физическую природу процесса: вероятнее всего происходит разрушение мембран клетки растущими в протоплазме кристаллами льда. В тоже время, рассматривая причины вымерзания растений, Г.А. Самыгин отмечает, что в природных условиях очень редко имеет место внутриклеточное образование льда, поскольку оно возможно только при очень быстром снижении температуры, достигающим 10–120С в час. В естественных же условиях температура воздуха снижается со скоростью 1–20С в час или даже еще медленнее. В этом случае происходит внеклеточное образование льда.

Повреждения при образовании льда вне клеток вызываются двумя основными причинами: обезвоживанием протопластов и механическими повреждениями обезвоженной протоплазмы. У закаленных растений преимущественно причиной гибели являются механические повреждения, у незакаленных – обезвоживание протоплазмы.

Обезвоживание растительной клетки имеет ряд опасных для нее последствий, которые могут привести ее к гибели. Это, во-первых, повышение концентрации растворенных веществ, и, прежде всего, солей; во-вторых, изменение рН внутриклеточных растворов; в третьих, образование ковалентных связей между макромолекулами; в четвертых, конформационные изменения структуры макромолекул из-за снижения содержания стабилизирующих их молекул воды; в-пятых, нарушение структуры мембран, и наконец, в шестых, это повреждение структуры протоплазмы при обратном поглощении воды.

Особенно чувствительными структурами клетки, легко повреждающимися под действием гипотермии, являются клеточные мембраны. Функциональная устойчивость липидосодержащих протоплазматических структур, таких как плазмалемма и мембраны хлоропластов и митохондрий, легко нарушается под действием экстремальных температур. В частности, рядом авторов было показано, что замораживание вызывает необратимое подавление окислительного фосфорилирования в митохондриях. По их мнению, основной причиной повреждения клетки морозом является нарушение структуры мембран и потеря ими осмотических свойств. По мнению других авторов, важнейший фактор повреждения мембран при замораживании – их обезвоживание. Удаление воды из мембран при замораживании нарушает равновесие между системами белок – липид и белок – вода, в результате чего возникают структурные перестройки молекулярных слоев и изменяются свойства мембран. Обособление белков от липидов в мембране приводит к полному ее разрушению и в дальнейшем мембранные липиды могут стать субстратом для окисления. Наличие лишь незначительного числа нарушений мембранной структуры вызывает утечку протонов и разобщение окисления и фосфорилирования. Возможно повреждение мембран и без образования льда, когда низкая температура вызывает затвердение липидной части мембраны и нарушение ее структуры и функций.

Впоследствии многочисленные исследования показали сильную зависимость состава мембран растительной клетки от температуры роста растения. В частности, показано, что низкие температуры индуцируют в растениях разных видов накопление фосфолипидов и повышение ненасыщенности липидов. При этом были отмечены различия в содержании фосфолипидов у высоко- и низкохолодостойких сортов растений. В частности, такие различия были отмечены у высоко- и низкохолодостойких сортов люцерны, а также различающихся по холодоустойчивости сортов озимой пшеницы, при этом наибольшие отличия в фосфолипидном составе листьев высоко- и низкохолодостойких сортов озимой пшеницы были отмечены после прохождения растением процесса низкотемпературно адаптации. Наиболее важным фактором в этом случае было возрастание доли фосфатидилхолина в составе мембран. Сходные результаты были получены и при изучении проростков озимой пшеницы. У проростков, выращенных при 20С, было обнаружено значительно более высокое содержание фосфолипидов, чем у проростков, выращенных при оптимальных температурах. У растений озимой пшеницы наблюдались также генотипические особенности содержания фосфолипидов в узлах кущения. Содержание как суммарных фосфолипидов, так и их отдельных фракций, таких как фосфатидилхолина и фосфатидилэтаноламина, было выше у морозостойкого сорта. Аналогичные результаты были получены и при изучении липидного состава корне озимой ржи во время роста при пониженных температурах.

Для того, чтобы растения выживали после действия гипотермии, необходимо или предотвращение повреждений от действия внеклеточного или внутриклеточного замерзания, или ликвидация таких повреждений. Это свойство растений, определяемое как морозоустойчивость, должно включать в себя как предотвращение воздействия повреждающих факторов, так и устойчивость к их действию. Предотвращение воздействия повреждающих факторов возможно следующими путями:

– предотвращение воздействия низко температуры;

– предотвращение замерзания путем высушивания;

– предотвращение замерзания нормально гидратированных клеток может осуществляться путем накопления растворимых веществ;

– предотвращение замерзания вследствие переохлаждения обеспечивает выживание определенных тканей у многих древесных культур;

– предотвращение образования льда внутри клеток у растений обеспечивается различными способами и сохраняет жизнеспособность растений лишь в том случае, если они устойчивы к внеклеточному замерзанию;

– уменьшение количества льда при замерзании воды вне клеток идентично предотвращению обезвоживания при замерзании.

В большинстве случаев для выживания растений недостаточно предотвращения повреждений, а необходима еще и устойчивость к замораживанию некоторых тканей и, вследствие этого, их обезвоживанию. Растение может переносить обезвоживание тканей морозом двумя путями: во-первых, путем предотвращения летального обезвоживания при замерзании посредством действия накопленных растворимых веществ и, во-вторых, повышением устойчивости растений к обезвоживанию при замерзании, обусловливающей высокую морозостойкость тех видов, у которых не наблюдается корреляция между степенью морозоустойчивости и накоплением растворимых соединений.

В отличие от древесных растений, травянистые не входят в конце лета в состояние глубокого покоя. Их ткани, несмотря на вынужденную приостановку роста, сохраняют способность к нему на протяжении все зимы. В то же время, несмотря на то, что неблагоприятные температурные условия вызывают в их клетках ряд последовательных изменений: снижение водного потенциала, нарушение метаболизма и др. У видов, способных к закаливанию, надземные ткани переносят температуру до -20…– 25°С после предварительного воздействия закаливающих условий.