تحمل التجمد

تُشير خاصية تحمل التجمد إلى قدرة النباتات على مقاومة درجات الحرارة تحت الصفر من خلال تكوين بلورات جليدية في نسيج الخشب والفراغات بين الخلايا (أو الأبوبلاست ). وتتحسن هذه الخاصية تدريجيًا مع انخفاض درجات الحرارة عبر عملية تُعرف بالتأقلم مع البرد، والتي تُهيئ النبات لتحمل درجات الحرارة تحت الصفر من خلال تغييرات في معدل الأيض ومستويات الهرمونات والسكريات. ^{[ 1 ]} وتزداد قدرة النبات على تحمل التجمد بسرعة خلال الأيام الأولى من عملية التأقلم مع البرد مع انخفاض درجات الحرارة. وبحسب نوع النبات، يمكن الوصول إلى أقصى قدرة على تحمل التجمد بعد أسبوعين فقط من التعرض لدرجات حرارة منخفضة. ^{[ 2 ]} وتُعد القدرة على التحكم في تكوين الجليد بين الخلايا أثناء التجمد أمرًا بالغ الأهمية لبقاء النباتات المقاومة للتجمد. ^{[ 3 ]} وإذا تشكل الجليد داخل الخلايا، فقد يكون قاتلًا للنبات عند حدوث التصاق بين أغشية الخلايا وجدرانها. وتُعد عملية تحمل التجمد من خلال التأقلم مع البرد آلية ثنائية المراحل: ^{[ 4 ]}

• تحدث المرحلة الأولى عند درجات حرارة منخفضة نسبياً تحت الصفر، حيث يتجمد الماء الموجود في أنسجة النبات خارج الخلية.
• تحدث المرحلة الثانية عند درجات حرارة منخفضة حيث يستمر تشكل الجليد بين الخلايا.

داخل الفراغ الخلوي ، تعمل البروتينات المضادة للتجمد على توجيه نمو بلورات الجليد بواسطة نوى التبلور الجليدية، وذلك لمنع تلف الأنسجة وتعزيز التبريد الفائق داخل الأنسجة والخلايا الحساسة للتجمد. كما يمكن للإجهاد الأسموزي ، بما في ذلك الجفاف والملوحة العالية، بالإضافة إلى المعالجة بحمض الأبسيسيك ، أن يعزز تحمل التجمد.

يمكن تقييم تحمل التجمد عن طريق إجراء اختبار بسيط لبقاء النبات أو عن طريق اختبار تسرب الإلكتروليتات الذي يستغرق وقتًا أطول ولكنه كمي. ^{[ 5 ]}

ليست النباتات الكائنات الحية الوحيدة القادرة على تحمل درجات الحرارة تحت الصفر. فقد ثبت أن ضفادع الخشب، وصغار السلاحف الملونة، ويرقات ذبابة العفص الذهبية، وقواقع البيروينكل في منطقة المد والجزر، جميعها قادرة على فعل الشيء نفسه. إذ تحول هذه الكائنات ما يصل إلى 70% من إجمالي ماء أجسامها إلى جليد يتراكم في الفراغات خارج الخلوية. ^{[ 6 ]} ولأداء هذه القدرات المذهلة، تم تحديد العديد من التكيفات البيوكيميائية كعوامل داعمة لتحمل التجمد. وتشمل هذه التكيفات ما يلي:

• البروتينات: تحفز البروتينات النواة عملية التجميد خارج الخلوي وتنظمها بالكامل. وتمنع بعض البروتينات، التي تُسمى بروتينات إعادة هيكلة الجليد أو البروتينات المضادة للتجمد، بلورات الجليد الصغيرة من إعادة التبلور إلى بلورات أكبر قد تُسبب ضرراً مادياً للأنسجة.
• المواد الواقية من التجمد: هي عدة عوامل تمنع التجمد داخل الخلايا، وتمنع الانخفاض المفرط في حجمها، وتُثبّت بنية البروتينات. تشمل هذه المواد عادةً تركيزات عالية من الكحولات متعددة الهيدروكسيل ( الجلسرين ، السوربيتول ) والسكريات (الجلوكوز) الموجودة داخل الخلية. ومن المواد الواقية الأخرى التريهالوز والبرولين اللذان يمنعان انهيار الغشاء الخلوي.
• تحمل نقص التروية: لكي تتمكن الخلايا والأعضاء من البقاء على قيد الحياة دون دوران الدم، يلزم وجود دفاعات مضادة للأكسدة قوية ومستويات مرتفعة من البروتينات المرافقة. فهي تساعد على حماية جزيئات الخلية الكبيرة، بينما يقلل انخفاض معدل الأيض بشكل كبير من الطاقة التي تحتاجها الخلية أثناء التجميد.

تركز الأعمال الجديدة في هذا المجال بشكل أساسي على أربعة مواضيع مختلفة. ^{[ 7 ]} وتشمل هذه المواضيع ما يلي:

• تحديد الجينات الجديدة ومنتجاتها البروتينية الموجودة في الأنواع المقاومة للتجمد.
• استكشاف مجموعة واسعة من الجينات/البروتينات الأخرى التي تعالج العديد من القضايا المختلفة في الحفاظ على الخلايا وبقائها.
• دراسات حول عوامل النسخ المهمة التي تتوسط استجابة تحمل التجمد.
• تحليل الآليات البيوكيميائية التي تنظم التعبير الجيني والبروتيني فيما يتعلق بالحمض النووي الريبي الميكروي ، وفسفرة البروتين ، والضوابط اللاجينية.