V létě čelí rostliny řadě tlaků, jako jsou vysoké teploty, silné světlo, sucho (vodní stres) a oxidační stres. Betain, jakožto důležitý osmotický regulátor a ochranná kompatibilní rozpuštěná látka, hraje klíčovou roli v odolnosti rostlin vůči těmto letním stresům. Jeho hlavní funkce zahrnují:

1. Regulace permeace:
Udržování turgoru buněk:

Vysoké teploty a sucho způsobují, že rostliny ztrácejí vodu, což vede ke zvýšení cytoplazmatického osmotického potenciálu (zhuštění), což snadno způsobuje dehydrataci a vadnutí buněk z okolních vakuol nebo buněčných stěn se silnější absorpční kapacitou vody. Betain se hromadí ve velkém množství v cytoplazmě, čímž účinně snižuje osmotický potenciál cytoplazmy a pomáhá buňkám udržovat vysoký turgor, čímž odolává dehydrataci a udržuje integritu buněčné struktury a funkce.

Vyvážený vakuolární osmotický tlak:

Ve vakuole se hromadí velké množství anorganických iontů (jako je K⁺, Cl⁻ atd.), aby se udržel osmotický tlak. Betain se nachází hlavně v cytoplazmě a jeho akumulace pomáhá vyrovnávat rozdíl osmotického tlaku mezi cytoplazmou a vakuolami, čímž zabraňuje poškození cytoplazmy v důsledku nadměrné dehydratace.

2. Ochrana biomolekul:
Stabilní struktura proteinu:

Vysoké teploty mohou snadno způsobit denaturaci a inaktivaci proteinů. Molekuly betainu nesou kladné a záporné náboje (zwitterionické) a mohou stabilizovat přirozenou konformaci proteinů prostřednictvím vodíkových vazeb a hydratace, čímž zabraňují jejich nesprávnému skládání, agregaci nebo denaturaci při vysokých teplotách. To je zásadní pro udržení aktivity enzymů, klíčových proteinů ve fotosyntéze a funkcí dalších metabolických proteinů.

Systém ochranných fólií:

Vysoká teplota a reaktivní formy kyslíku mohou poškodit lipidovou dvojvrstvou strukturu buněčných membrán (jako jsou tylakoidní membrány a plazmatické membrány), což vede k abnormální tekutosti membrány, úniku a dokonce i rozpadu. Betain může stabilizovat strukturu membrány, udržovat její normální tekutost a selektivní propustnost a chránit integritu fotosyntetických orgánů a organel.

3. Antioxidační ochrana:
Udržujte osmotickou rovnováhu a snižujte sekundární poškození způsobené stresem.

Stabilizují strukturu a aktivitu antioxidačních enzymů (jako je superoxiddismutáza, kataláza, askorbátperoxidáza atd.), zvyšují účinnost vlastního antioxidačního obranného systému rostliny a nepřímo pomáhají odstraňovat reaktivní formy kyslíku.
Nepřímé odstraňování reaktivních forem kyslíku:

Silné sluneční záření a vysoké teploty v létě mohou v rostlinách vyvolat produkci velkého množství reaktivních forem kyslíku, což způsobuje oxidační poškození. Ačkoli betain sám o sobě není silným antioxidantem, lze ho dosáhnout:

4. Ochrana fotosyntézy:
Vysoká teplota a silný světelný stres způsobují významné poškození základního mechanismu fotosyntézy, fotosystému II. Betain může chránit tylakoidní membránu, udržovat stabilitu komplexu fotosystému II, zajistit hladký chod elektronového transportního řetězce a zmírnit fotoinhibici fotosyntézy.

5. Jako donor methylu:

Betain je jedním z důležitých donorů methylových skupin v živých organismech, který se podílí na methioninovém cyklu. Za stresových podmínek se může podílet na syntéze nebo metabolické regulaci některých látek reagujících na stres tím, že poskytuje methylové skupiny.

Stručně řečeno, během spalujícího léta je hlavní funkcí betainu na rostlinách:

Zadržování vody a odolnost proti suchu:boj s dehydratací prostřednictvím osmotické regulace.
Ochrana proti teplu:chrání proteiny, enzymy a buněčné membrány před poškozením vlivem vysokých teplot.

Odolnost proti oxidaci:zvyšuje antioxidační kapacitu a snižuje fotooxidační poškození.
Udržujte fotosyntézu:chrání fotosyntetické orgány a udržují základní zásobování energií.

Když tedy rostliny vnímají stresové signály, jako je vysoká teplota a sucho, aktivují syntézní dráhu betainu (zejména prostřednictvím dvoustupňové oxidace cholinu v chloroplastech), aktivně akumulují betain, čímž zvyšují svou odolnost vůči stresu a zlepšují svou schopnost přežití v drsném letním prostředí. Některé plodiny odolné vůči suchu a soli (jako je cukrová řepa, špenát, pšenice, ječmen atd.) mají silnou schopnost akumulovat betain.

V zemědělské produkci se exogenní postřik betainem používá také jako biostimulant ke zvýšení odolnosti plodin (jako je kukuřice, rajčata, chilli atd.) vůči letním vysokým teplotám a stresu z sucha.