Prof. Kalaji: Zrozumieć stres niskich temperatur. Jak rośliny reagują na przymrozki?

prof. Hazem M. Kalaji, SGGW w Warszawie

Niskie temperatury oddziałują na stan fizjologiczny roślin; Fot. HK Niskie temperatury oddziałują na stan fizjologiczny roślin; Fot. HK

Rośliny uprawne narażone są na różnorodne stresy środowiskowe, które mogą znacząco ograniczać ich plonowanie. Jednym z najbardziej szkodliwych czynników jest stres wywołany niskimi temperaturami, zwłaszcza przymrozkami wiosennymi. Co się dzieje z rośliną pod wpływem takiego stresu?

• Problemy niskich temperatur dotyczy szczególnie takich gatunków uprawnych istotnych dla rolnictwa w Polsce i na świecie, takich jak:  rzepak, zboża, kukurydza, ziemniak czy burak cukrowy. 
• Przymrozki wiosenne występują często w okresach, gdy rośliny są najbardziej wrażliwe – podczas kiełkowania, kwitnienia lub intensywnego wzrostu.
• Zrozumienie mechanizmów reakcji roślin na niskie temperatury jest niezbędne do opracowywania metod ochrony upraw przed uszkodzeniami powodowanymi przez mróz i przymrozki.

Reakcje roślin na niskie temperatury

Rośliny reagują na niskie temperatury na kilku poziomach organizacji: od pojedynczych komórek przez tkanki, organy, aż po całą roślinę. Każdy z tych poziomów reaguje na stres niskich temperatur w sposób specyficzny, co pozwala na minimalizowanie uszkodzeń i zwiększenie szans na przeżycie.

Reakcje komórkowe i molekularne

W momencie wystawienia roślin na niskie temperatury pierwszym problemem jest zmniejszenie płynności błon komórkowych. Błony stają się bardziej sztywne, co zaburza funkcjonowanie białek błonowych odpowiedzialnych za transport i sygnalizację. Rośliny reagują na to zjawisko poprzez zmianę składu lipidów błonowych, co pozwala na utrzymanie odpowiedniej płynności nawet w niskich temperaturach.

Dodatkowo rośliny uruchamiają szereg mechanizmów obronnych na poziomie molekularnym. Dochodzi do aktywacji genów kodujących białka krioprotekcyjne, które zapobiegają formowaniu się szkodliwych kryształków lodu w komórkach. Wzmożona jest także produkcja związków osmoregulacyjnych, takich jak prolina, cukry rozpuszczalne czy trehaloza, które stabilizują struktury komórkowe i chronią białka przed denaturacją.

Reakcje na poziomie całej rośliny

Na poziomie całej rośliny stres niskich temperatur wpływa na fotosyntezę, transpirację i transport wody. Rośliny zmniejszają intensywność fotosyntezy, co jest wynikiem zarówno zahamowania aktywności enzymów fotosyntetycznych, jak i uszkodzeń chloroplastów. Zmniejszenie transportu wody i składników odżywczych również przyczynia się do zahamowania wzrostu. Jednak niektóre gatunki roślin, takie jak rzepak czy zboża ozime, mają zdolność do hartowania – stopniowej adaptacji do niskich temperatur poprzez zmiany fizjologiczne i biochemiczne.

Zespół badawczy prof. Hazem Kalaji podczas wykonywania pomiarów – rzepak ozimy. (Fot. prof. H. Kalaji)

Reakcje różnych gatunków roślin na stresy niskich temperatur i mróz w różnych fazach wzrostu i wegetacji

Rzepak (Brassica napus L.)

Rzepak jest rośliną dwuliścienną, uprawianą głównie w formie ozimej, która posiada zdolność do hartowania, co zwiększa jego odporność na niskie temperatury.

- Faza kiełkowania i wschodów:

uszkodzenia młodych siewek mogą być nieodwracalne, zwłaszcza przy temperaturach poniżej -2°C, a niska temperatura spowalnia kiełkowanie i wschody, wpływając na tempo wzrostu korzenia zarodkowego i liścieni.

- Faza rozwoju liści i rozkrzewiania:

w tej fazie rośliny przechodzą proces hartowania, co pozwala na akumulację białek krioprotekcyjnych i osmoregulantów (prolina, cukry rozpuszczalne). Mrozy o temperaturze -10°C mogą być tolerowane przez w pełni zahartowane rośliny.

- Faza kwitnienia:

jest to najwrażliwsza faza, przymrozki nawet do -2°C mogą zniszczyć kwiaty, prowadząc do obniżenia plonu.

- Faza dojrzewania:

mniejsze ryzyko uszkodzeń, jednak niskie temperatury mogą spowolnić proces dojrzewania nasion.

Zboża (pszenica, jęczmień, żyto)

Zboża uprawiane są zarówno w formie ozimej, jak i jarej. Tolerancja na niskie temperatury zależy głównie od fazy wzrostu oraz stopnia zahartowania.

- Faza kiełkowania i wschodów:

zboża jare są wrażliwe na przymrozki (-2°C może powodować uszkodzenia młodych siewek). Zboża ozime, po wysianiu jesienią, zaczynają proces hartowania, który zwiększa ich odporność na mróz.

- Faza krzewienia:

rośliny zahartowane potrafią wytrzymać temperatury nawet do -15°C (pszenica ozima, żyto), gdzie np. wysokie stężenie cukrów w komórkach chroni struktury komórkowe przed zamarzaniem.

- Faza strzelania w źdźbło i kwitnienia:

w tej fazie zboża są szczególnie wrażliwe na przymrozki. Temperatura poniżej -3°C może prowadzić do uszkodzeń kłosów, co skutkuje zmniejszeniem liczby ziaren, a także do uszkodzeń chloroplastów i zahamowania procesu fotosyntezy.

- Faza dojrzewania:

niskie temperatury mogą opóźniać dojrzewanie i wpływać na jakość ziarna, jednak są mniej szkodliwe niż w fazie kwitnienia.

Kukurydza (Zea mays L.)

Kukurydza jest rośliną ciepłolubną i wyjątkowo wrażliwą na przymrozki, zwłaszcza we wczesnych fazach wzrostu.

- Faza kiełkowania i wschodów:

bardzo wrażliwa na temperatury poniżej 0°C. Przymrozki, szczególnie jeśli są długotrwałe, mogą zniszczyć młode rośliny. Natomiast temperatura poniżej 10°C spowalnia kiełkowanie i wzrost siewek.

- Faza wzrostu wegetatywnego:

kukurydza wykazuje umiarkowaną odporność na krótkotrwałe chłody, ale przymrozki o temperaturze -1°C mogą uszkodzić liście, a procesy fotosyntezy są ograniczone przez spadek aktywności enzymów.

- Faza kwitnienia i dojrzewania:

bardzo wrażliwa na przymrozki, szczególnie podczas zapylania. Niskie temperatury mogą wpływać na niedorozwój ziarna i obniżenie plonu.

Ziemniak (Solanum tuberosum L.)

Ziemniak jest rośliną umiarkowanie wrażliwą na niskie temperatury, ale różne jego części reagują odmiennie.

- Faza kiełkowania i wschodów:

ziemniak jest bardzo wrażliwy na przymrozki. Temperatury -1°C mogą powodować uszkodzenia liści i łodyg. Zmniejszenie aktywności enzymów odpowiedzialnych za podziały komórkowe opóźnia wzrost.

- Faza wzrostu wegetatywnego:

przymrozki mogą niszczyć liście i zahamować wzrost bulw. Uszkodzenia prowadzą do zmniejszenia powierzchni asymilacyjnej i zahamowania fotosyntezy.

- Faza kwitnienia i dojrzewania:

przymrozki mogą wpływać na rozwój bulw i obniżyć plon. Niskie temperatury powodują deformację bulw i zmiany w ich strukturze.

Burak (Beta vulgaris L.)

Burak, szczególnie burak cukrowy, wykazuje zróżnicowaną odporność na niskie temperatury w zależności od fazy wzrostu.

- Faza kiełkowania i wschodów:

bardzo wrażliwy na przymrozki. Temperatury -2°C mogą całkowicie zniszczyć siewki. Niska temperatura spawalnia również wzrost wschodów i zmniejsza efektywność fotosyntezy.

- Faza wzrostu wegetatywnego:

burak ma umiarkowaną tolerancję na krótkotrwałe przymrozki. Roślina uruchamia mechanizmy akumulacji cukrów w komórkach jako środek ochrony przed uszkodzeniami.

- Faza dojrzewania:

chłodne warunki mogą wpływać na wydajność produkcji cukru i deformację korzeni. Spadek aktywności fotosyntezy ogranicza przyrost biomasy.

Stres przymrozkowy i kumulacja stresów

Przymrozki wiosenne mogą prowadzić do poważnych strat plonów, zwłaszcza jeśli towarzyszą im inne stresy, takie jak susza, uszkodzenia mechaniczne czy niewłaściwie przeprowadzona ochrona chemiczna. Na przykład herbicydy stosowane w warunkach niskich temperatur mogą dodatkowo obciążać metabolizm roślin, zwiększając ich podatność na przymrozki (tabela 1).

Tabela 1. Typy stresów wpływających na rośliny podczas przymrozków

Stresy mogą się na siebie nakładać i jedne drugim towarzyszyć. Praktycznie w każdym sezonie następuje kumulacja stresów o różnym nasileniu. 

Mechanizmy obronne roślin

Ogólnie rośliny stosują różnorodne strategie obronne, aby przeciwdziałać skutkom stresu niskich temperatur (tabela 2). Jedną z najważniejszych jest aklimatyzacja do zimna, która umożliwia stopniowe dostosowanie się rośliny do chłodniejszych warunków. W procesie tym biorą udział specjalne białka ochronne oraz zmiany w metabolizmie roślin, które pozwalają na lepsze znoszenie zimna.

Innym ważnym mechanizmem jest produkcja antyoksydantów, które neutralizują wolne rodniki powstające w warunkach stresu. Rośliny mogą także regenerować uszkodzone tkanki, co pozwala im na odzyskanie pełnej sprawności po okresie stresu.

Tabela 2. Strategie obronne roślin w odpowiedzi na niskie temperatury

Metody przewidywania, monitorowania i zwalczania stresu niskich temperatur

W ostatnich latach niektóre projekty badawcze koncentrowały się na opracowywaniu nowoczesnych technologii przeznaczonych do monitorowania oraz wczesnego wykrywania uszkodzeń roślin wywołanych niskimi temperaturami, w szczególności przymrozkami wiosennymi. Kluczowe elementy tych metod obejmują:

• Bezinwazyjny pomiar fluorescencji chlorofilu – Technologia ta wykorzystuje teledetekcję i pomiary naziemne, dronowe, lotnicze oraz satelitarne do precyzyjnego określania stopnia uszkodzeń roślin. Pomiar fluorescencji chlorofilu pozwala na wykrycie zmian fizjologicznych zachodzących w roślinach jeszcze przed pojawieniem się widocznych oznak uszkodzeń, co umożliwia szybką i dokładną diagnozę.
• Systemy automatycznej detekcji uszkodzeń – Integracja danych fluorescencyjnych z danymi meteorologicznymi oraz wskaźnikami teledetekcyjnymi pozwala na tworzenie zaawansowanych modeli oceny strat z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. Takie modele umożliwiają precyzyjne i szybkie określanie procentu uszkodzeń uprawy bez konieczności czasochłonnych wizyt terenowych, co znacząco zwiększa efektywność monitoringu.
• Systemy ostrzegawcze i monitorowania pól – Nowoczesne systemy umożliwiają przewidywanie zmian temperatur oraz oceny potencjalnych szkód na podstawie integracji pomiarów fluorescencji chlorofilu z istniejącymi systemami ostrzegania przed przymrozkami. Dzięki temu rolnicy mogą być informowani o nadchodzących zagrożeniach jeszcze przed pojawieniem się uszkodzeń, co pozwala na szybkie wdrożenie odpowiednich działań prewencyjnych.

Kombinacja metod opracowanych przez naukowców, firmy prywatne (np. ubezpieczycieli) oraz rolników z już istniejącymi narzędziami umożliwia kompleksowe podejście do przewidywania, monitorowania oraz przeciwdziałania stresom niskich temperatur w rolnictwie. Równocześnie pozwala na dokładną ocenę strat wynikających z działania niskich temperatur lub mrozu.

Na przykład, w ramach trzyletniego projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBR) dotyczącego oceny różnych metod i technik pomiarowych dla rzepaku (obejmującego tradycyjne pomiary prowadzone przez likwidatorów szkód firm ubezpieczeniowych, pomiary termowizyjne łanu, bezinwazyjne pomiary sygnałów fluorescencji chlorofilu, drony wyposażone w kamery hiperspektralne i multispektralne oraz pomiary satelitarne) profesor Kalaji wraz ze swoim zespołem wykazali, że metoda pomiaru fluorescencji chlorofilu wykazuje najwyższą korelację z faktycznymi stratami plonów spowodowanymi przez niskie temperatury oraz grad.

Wykonanie pomiaru zawartości chlorofilu oraz fluorescencji chlorofilu fluorymetrem (miernikiem stresu). Fot. prof. H.Kalaji

Dokonanie ocenę wpływu niskich temperatur i mróz na roślin rzepaku za pomocą zastosowania różnych metod i technik pomiarowych: tradycyjne pomiary prowadzone przez likwidatorów szkód firm ubezpieczeniowych, pomiary termowizyjne łanu, bezinwazyjne pomiary sygnałów fluorescencji chlorofilu, drony wyposażone w kamery hiperspektralne i multispektralne oraz pomiary satelitarne. Na zdjęciu (z lewej strony): dr hab. Piotr Dąbrowski- SGGW, prof. dr hab. Hazem kalaji- SGGW, inż. Zuzanna Jaszczuk- SGGW, dr Marcin Siłuch- UMCS, dr Piotr Bartmiński- UMCS oraz mgr. Rafał Dąbrowski- Opegieka. Fot. prof. H.Kalaji

Przebieg krzywej indukcji fluorescencji chlorofilu pomierzonej na liściach rzepaku pod wpływem przymrozku (Źródło: prof. H. Kalaji)

Pomiary termowizyjne łanu rzepaku pokazujące temperaturę liści po mrozie (Źródło: prof. H. Kalaji)

Zrozumienie procesów adaptacyjnych roślin do niskich temperatur jest kluczowe dla poprawy ich odporności na przymrozki. Lepsze poznanie mechanizmów ochronnych może prowadzić do tworzenia nowych, odporniejszych odmian oraz precyzyjnych metod ochrony upraw przed negatywnymi skutkami zmian klimatycznych.