مقدمه
برای تحمل و زنده ماندن، گیاهانی که در نواحی معتدلِ زمین زندگی میکنند تغییرات سازش را در اواسط تابستان انجام می‌دهند. آشکارترین تغییرات از نوع ریخت شناسی است و شامل کاهش کل اندام‌های هوایی و تشکیل اندام‌های خاصی مثل غنچه‌ها و پاجوش‌ها می‌باشد. با این حال تغییرات پایدارتر در سایر بخش‌های گیاه رخ می‌دهد. که امکان رفتن به حالت مقاوم به سرما را پیدا میکنند. این تحصیل مقاومت به دمای پایین معمولاً مقاومت به سرما نامیده می‌شود.
در نواحی‌ای که دماها برای دوره‌های طولانی منجمد میشوند راهبردهای پرهیز از انجماد نامناسب هستند و گیاهان مقاومت به سرما را توسعه می‌دهند یعنی مکانیزمی که به یخ زدن در داخل موجودات زنده‌ای که نسبت به حضور یخ در داخل بافت‌هایشان مقاوم هستند شامل تشکیل یخ برون سلولی در یک دمای زیر صفر بالا است. در طی انجماد،70 تا 80 درصد از آب مایع در بافت به صورت یخ برون سلولی منجمد می‌شود که منجر به آبگیری سلولی می‌شود.
توانایی‌های موجودات زنده برای تغییر شکل رشد یخ و تحمل آبگیری اضافی اجزای اصلی بقای سلولی هستند. در بعضی موارد، انجماد برون سلولی با یک مکانیزم دوم موسوم به فوق انجماد عمیق همراه می‌شود که در آن آب در حالت مایع باقی می ماند . حتی در دماهای بسیار کم از مقطه جوانه‌زنیِ ناهمگن فوق انجماد عمیق فقط در بعضی از آنژیواسپرم‌ها مشاهده شده‌است و محدود به انواع سلول معین یا اندام‌های معین آنها است مانند زایم پارانشیم .
تعیین کردن کمترین دمایی که یک گیاه مورد نظر بتواند تحمل کند کار دشواری است. این دما معمولاً توسط LT50 از یک جمعیت تعیین می‌شود. یعنی دمایی که در آن 50 درصد از جمعیت در یک آزمایش انجماد شده تحت یک سرعت سرد کردن مفروض می‌میرند ، اکثریت گیاهان غلّه نسبت به انجماد در طی تابستان حساس هستند. گیاهان در تماس با دماهای کم و یا طول روزهای کوتاه کاهش LT50 را در طی چند روز یا چند هفته نشان می‌دهند تا این که گیاهان به تلرانس انجماد حداکثر خودشان می‌رسند. در همان هنگام، آمینو اسیدها، کربوهیدرات‌ها ، اسیدهای نوکلوئیک، لیپیدها و بعضی از فیتوهورمون‌ها در بافت‌های گیاه جمع میشوند . این تغییر شکل‌ها با تغییرات در فعالیت‌های آنزیم، الگوهای ایزوزیمیک و حالت ژن همراه هستند.
در بعضی گونه‌ها، تماس بعدی با دماهای انجماد ملایم برای حصول حالت کاملاً مقاوم شده لازم می‌باشد . البته این مرحله «فوق عملِ سرما» شامل تغییرات اضافی در حالت ژن است. اهمیت این پدیده‌ها در رابطه با توسعه و بهبود تحمل سرما هنوز کاملاً درک نشده‌است. اثبات روابط علت و معلول بین تغییرات متابولیکی و ملکولی در طی مقاوم شدن به سرما و بهبود تحملِ یخ زدن، امری دشوار است. اکثر آزمایش‌‌ها به تغییرات در ترکیب شیمیایی و یا حالت ژن و ارتباط آنها با تغییرات در LT50 از گیاهان می‌پردازند . ولی برای حصول LT50 ، ابتدا گیاهان باید در دماهای پایین زنده بمانند.
گیاهانی که توسط تماس با دماهای بین آسیب می‌بینند موسوم به حساس به سرما می‌باشند. وقتی دما به کمتر از نقطه از نقطه یخ زدن در ( آب ) میرسد، که عموما نزدیکً به است ، قسمت عمده آب مایع در گیاه یخ می‌زند . گیاهانی که توسط این یخ زدنِ اولیه آسیب می‌بینند ، موسوم به حساس به یخ زدن می‌باشند. وقتی که دما باز هم پایین‌تر می‌رود، آب اضافی از سلول‌ها به یخ بین سلولی می‌رود. فقط گیاهانی که نسبت به تشکیل اولیه یخ تحمل دارند، مقاوم به یخ زدن هستند و نقطه از بین رفتن آنها LT50 ممکن است توسط میزان آبگیری‌ای تضمین شود که سلول‌ها می‌توانند تحمل نمایند.
به دلیل این که بهبود توسعه تحمل انجماد شامل مقامت به وقایع‌ای است که در دماهای بالاتر از LT50 رخ می‌دهند ، بسیاری از مؤلفه‌‌های تلرانس انجماد ممکن است با LT50 مستقیماً مرتبط نباشند. و باید دارای یک عمل معین در بقای فرایند انجماد باشند. یک تغییر در سطح ملکولی ممکن است نقش مهمی در افزایش تحمل انجماد بازی نماید. اگر یکی از اعمال زیر را شامل گردد:
کاهش دمای انجماد بافت‌ها
افزایش توانایی فوق انجماد بافت‌ها
افزایش و یا اصلاح تشکیل یخ برون سلولی
محدود کردن مقدار دسیکاسیون سلول
حفظ عملکرد پروتئین و غشاء در پتانسیل آب خیلی کم یا ذخیره کردن آن بر اساس هیدراسیون مجدد
تنظیم متابولیسم سلولی برای شرایط دمای پایین
این فصل به شرح مکانیزم‌های ملکولی مرتبط با سرمازدگی در ارتباط با نقش احتمالی آنها در بهبود راهبردهای بقایی در هنگام انجماد می‌پردازد. در بسیاری موارد، به ویژه در حالت ژن‌های تنظیم سرما، این نقش‌ها هنوز فرضیه‌ای هستند. به دلیل این که نتیجه‌گیری‌ها براساس یک ارتباط متقابل با LT50 است، یکی از مشکلات عمده‌ای که دانشمندان با آن روبرو هستند، حصول شواهد تجربی برای اثبات این که تغییرات ملکولی مشاهده شده در طی سرمازدگی واقعاً به بهبود مقاومت به سرما یا انجماد (یخ‌زدگی) کمک می‌کند یا خیر، می‌باشد. (یا این که آنها از اختلالات سلولی ایجاد شده توسط دماهای کم به وجود می‌آیند.)
کنترل حالت آب
Ashworth در بازنگری‌اش در باره تشکیل یخ در بافت‌های گیاه ، نتیجه گرفت که
توانایی گیاهان برای کنترل فاز و مقدار آب در بافت‌های سرمازده احتمالاً مهمترین عامل بقا در هنگام یخ‌زدگی می‌باشد . حالت آب در داخل بافت‌های گیاه می‌توانند توسط روش‌های مختلف تعیین شوند. وجود آب فوق انجماد شده توسط تحلیل و ارتی افتراقی (DTA) آشکار می‌شود که شامل کاهش تدریجی دما است . تا این که آب فوق انجماد شده یخ بزند و باعث ظهور اگزونرم‌های دمای پایین گردد. توزیع یخ در داخل اندام‌های گیاه توسط بررسی با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در دمای پایین صورت می‌گیرد.
روش‌های جدید و غیر خوب (NDT) برای مشاهده رشد یخ اکنون برای تعیین توزیع فضایی و فاز آب در بافت‌های مختلف امکان‌‌پذیر است. و تعیین محل‌های جوانه‌زنی یخ ، و تعیین کیفی سرعت انتشار یخ ممکن شده‌است. این روش‌ها شامل تصویر برداری رزونانسی مغناطیسی و استفاده از ترموگرافی ویدئویی مادون قرمز است.
انجماد برون سلولی
در گیاهان یا اندام‌های گیاهی که انجماد برون سلولی را نشان می‌دهند، ابتدا یخ در مایع‌های آپوپلاستیک تشکیل می‌شود و آب درون سلولی به تریج از سلول به دلیل فشار بخار کمتر بر روی یخ کشیده می‌شود. بررسی‌های حیوانات اکتوترمیک که در نواحی قطبی زندگی میکنند نشان داد که انجماد برون سلولی تحت کنترل دو نوع پروتئین می‌باشد ( پروتئین‌های جوانه‌زنی یخ و پروتئین‌های ضد یخ) که در جریان خون و همولنف در طی زمستان جمع میشوند . جوانه‌های یخ تشکیل یخ برون سلولی را در دمای بین و آغاز میکنند در حالی که پروتئن‌های ضد یخ سرعت رشد و مورفولوژی کریستال‌های یخ را تغییر می‌دهند.
در بافت‌های گیاه ، فرایند انجماد برون سلولی ابتدا یک پدیده خود بخود در نظر گرفته‌شد. زیرا مایعات آپوپلاستیک عموماً رقیق‌تر هستند و باید ابتدا منجمد شوند. ولی، فعالیت جوانه‌زنی یخ آندوژنوسی اکنون در گیاهان چوبی و غیره دیده می‌شود. گمونه پرونوس چوبی جوانهزاهای ناهمگن فعال در را تولید میکنند که حاوی اجزای غیر لیپید پروتئین‌ای هستند. کاکتوس‌ها مثل اوپونیتا هومیفوزا ، فیکوس ایندتیا و استرپتاکانتا نیز جوانهزاهای یخ فعال در تولید میکنند که ممکن است از پلی‌ساکاریدها تشکیل شده‌باشند.
محصولات زمستانی مونوکوت جوانهزاهای متشکل از پروتئن، لیپید، کربوهیرات‌ها را در طی سرمازدگی تولید می‌نمایند. این جوانهزاهای یخ در دماهای کمتر از فعال هستند. کشف دو ژن در آرابیدوپیس که پلی پپتیدهای غنی از آرانین را کدبندی میکنند شبیه به پروتئین‌های ضد یخ در ماهی در طی سرمازدگی عمل می‌نمایند. اخیراً محصولات kin و Cor6-6 عدم فعالیت ضد یخ را نشان داده‌اند. این پروتئین‌ها فعالیت کربوپروتکتیو دارند. پروتئین‌های ضد یخ در مایعات آپوپلاستیک برگ‌های بعضی محصولات یافت شده‌اند. شش پروتئین ضد یخ آپوپلاستیک با جرم‌های ملکولی کیلو دالتون در عصاره‌های برگ محصولات مقاوم به سرما یافت شده‌اند.
این پروتئین‌ها با پادتن‌هایی واکنش نمی‌کنند که در برابر پروتئین‌های ضد یخ حیوانی گوناگون مقاوم هستند. پروتئین‌های ضد یخ شبیه به پروتئین‌های مرتبط با پاتوژن می‌باشند : دو تا از آنها اندوشتیناز، دو تا توماتین‌ای و دو تا از آنها اند و گلوکتاناز هستند. چون هیچ فعالیت ضد یخی از این پروتئین‌های پاتوژنز یافت نشده‌است ، به نظر میرسد که فعالیت ضد یخ ایین پروتئین‌های مرتبط با پاتوژنز ناشی از تحول ساختاری‌ای است که توانایی برای اتصال به یخ را تحت تاثیر قرار می‌دهند. پروتئین‌های ضد یخ در برگها، تاج‌ها ، و ریشه‌ها و به ویژه در اپیدرم و در سلول‌های مجاور با رشته‌های آوندی حضور دارند.
به دلیل وضعیت آپوپلاستیک این پروتئین‌ها، ممکن است آنها موانعی برای انجماد جوانه‌زایی ثانوی از منبع‌های خارجی و از زایلم را فراهم نمایند. و مانع از انجماد سلول‌ها شوند و یا از تبلور مجدد یخ برون سلولی جلوگیری کنند. COR27 اخیراً علف برمودا یافت شد ولی معلوم نیست که آیا این پروتئین دارای فعالیت ضد یخ می‌باشد یا خیر . فعالیت ضد یخ در گیاهان بسیاری یافت شده‌است. اگرچه فقط یک پروتئین ضد یخ اضافی ، یک گلیکو پروتئین ای ، جدا شده‌است .
مایعات آپوپلاستیک حاصل از غلات مقاوم به انجماد ( یخ زدن ) و حساس به انجماد از لحاظ فعالیت ضد یخ و مقدار پروتئین ضد یخ بررسی شده‌اند . فقط غلات مقاوم به انجماد و سرمازدگی فعالیت ضد یخ آشکار نشان دادند و دارای پروتئین‌های ضد یخ بودند. این ملاحظات نشان می‌دهند که تجمع پروتئین های ضد یخ در پاسخ به سرما محدود به بعضی گونه‌ها است و مکانیز‌های ملکولی تحملِ انجماد در مونوکوت ها و دی‌کوت‌ها ممکن است فرق کند. پروتئین‌های ضد یخ دی‌کوت‌ها درون سلولی‌اند و به دیوارهای سلول یا غشاهای پلاسما وصل میشوند، و در عصاره‌های اکوپلاستیک آشکار نمی‌گردند.
فوق سرمایِ عمیق
تمام گیاهانی که می‌خواهند زیر زنده بمانند باید آسیب انجماد توسط انجماد برون سلولی را تحمل کنند. فقط بعضی گونه‌ها فوق انجماد را در بافت‌های معینی نشان می‌دهند. به همین دلیل، اطلاعات کمی درباره مکانیزم‌های ملکولی و سلولی فوق انجماد عمیق وجود دارد . سازگاری‌های بیوشیمیایی و آناتومی دیوارهای سلول و سیستم‌های آوندی، گسترش بافت‌های یخ زده را در داخل نواحی فوق انجماد شده، محدود می‌نمایند. مثلاً، با استفاده از ایمونوسیتولوکالیزاسیون در بافت‌های هلو (peach) ، میزان استری شدنِ پکتین‌ها در طی سرمازدگی در بافت‌هایی که فوق انجماد عمیق را تجربه کرده بودند، تغییر داده شد. چنین اصلاحات و تغییراتی ممکن است اندازه دیوار سلول را تغییر دهد و از نفوذ یخ به داخل اجزای فوق سرما دیده جلوگیری کنند.