نقش گلایسین بتائین و پرولین در ارتقای سطح مقاومت گیاهان در برابر تنش های محیطی
گلیسین بتائین (GB) و پرولین دو اسمولیت آلی اصلی هستند که در انواع گونه‌های گیاهی در پاسخ به تنش‌های محیطی مانند خشکی، شوری، دمای شدید، اشعه ماوراء بنفش و فلزات سنگین انباشته می شوند. اگرچه نقش واقعی آنها در تحمل اسمولیت گیاه همچنان جای بحث دارد، اما تصور می‌شود هر دو ترکیب بر یکپارچگی آنزیم و غشا اثرات مثبتی دارند و تنظیمات اسمزی در رشد گیاهان در شرایط تنش زا را متعادل می سازند. در حالی که در بسیاری از مطالعات، بین تجمع GB و پرولین و تحمل گیاه در برابر تنش ها رابطه مثبتی یافت شده است، اما برخی استدلال کرده‌اند که افزایش غلظت آنها به دلیل ایجاد شرایط استرس زا در محصولات است نه اینکه در نتیجه ی پاسخ گیاه به استرس باشد.
عوامل محیطی متعددی بر رشد و نمو گیاه و عملکرد نهایی محصول تأثیر منفی می‌گذارند. خشکسالی، شوری، عدم تعادل مواد مغذی (از جمله سمیت و کمبود مواد معدنی) و دمای شدید از جمله محدودیت‌های محیطی اصلی برای بهره‌وری محصول در سراسر جهان هستند. تخمین زده شده است که کمتر از 10 درصد از زمین های زراعی جهان احتمالا عاری از تنش های زیست محیطی عمده هستند؛ و تنش های خشکی و شوری موثرترین موارد می باشند. به عنوان مثال، تا 45 درصد از زمین های کشاورزی جهان در معرض خشکسالی مداوم یا مکرر هستند، و 38 درصد از جمعیت بشری جهان در این مناطق ساکن می باشند. همچنین 19.5 درصد از اراضی کشاورزی آبی، شور محسوب می شوند. بارش کم، تبخیر سطحی بالا، فرسایش سنگ‌های بومی، آبیاری با آب شور و دیگر موارد، از جمله عوامل اصلی افزایش شوری هستند.
تنش گرمایی بر کیفیت دانه و عملکرد نهایی محصول در 40 درصد از مناطق کشت گندم آبی جهان تأثیر نامطلوب می گذارد. تنش سرما نیز اگرچه فصلی است، اما شباهت هایی به تنش خشکی دارد، زیرا با یخ زدن آب، محلول های غلیظی از املاح ایجاد می شود و در نتیجه گیاهان در معرض کمبود آب مایع قرار می گیرند.
یکی از رایج ترین واکنش های گیاهان در برابر تنش، تولید بیش از حد انواع مختلف املاح آلی سازگار است. املاح سازگار ترکیباتی با وزن مولکولی کم و بسیار محلول هستند که معمولاً در غلظت های سلولی بالا غیر سمی هستند. به طور کلی، این ترکیبات با تنظیم اسمزی سلولی، سم زدایی گونه های انفعالی اکسیژن، محافظت از غشاء و تثبیت آنزیم ها/پروتئین ها، از گیاهان محافظت می کنند. علاوه بر این، از آنجایی که برخی از این املاح از اجزای سلولی در برابر آسیب کم آبی محافظت می کنند، معمولاً به عنوان محافظ اسمزی شناخته می شوند. این املاح شامل پرولین، ساکارز، پلی ال ها، ترهالوز و ترکیبات آمونیوم چهارتایی (QACs) مانند گلیسین بتائین، آلانین بتائین، پرولین بتائین، کولین O-سولفات، هیدروکسی پرولین بتائین و پیپکولاتبتایین می باشد. اگرچه تلاش زیادی برای مهندسی ژنتیک گیاهان برای تولید بیش از حد محافظ‌های اسمزی مختلف انجام شده است، موفقیت های اندکی در دستیابی به سطوح حفاظتی مطلوب از این اسمولیت‌ها در گیاهان حاصل شده است.
در میان بسیاری از ترکیبات آمونیوم چهارتایی شناخته شده در گیاهان، گلیسین بتائین (GB) به وفور در پاسخ به استرس کم آبی ایجاد می شود. گلیسین بتاوین عمدتاً در کلروپلاست فراوان است زیرا در تنظیم و محافظت از غشای تیلاکوئید نقش اساسی دارد و در نتیجه باعث افزایش فتوسنتز می شود.
اسید آمینه پرولین به طور گسترده در گیاهان عالی وجود دارد و معمولاً در پاسخ به تنش های محیطی تجمع می یابد. علاوه بر نقش آن به عنوان اسمولیت برای تنظیم اسمزی، به تثبیت ساختارهای زیر سلولی (مانند غشاها و پروتئین ها)، از بین بردن رادیکال های آزاد و تثبیت پتانسیل اکسیداسیون سلولی نیز کمک می کند.
