In estate, le piante sono sottoposte a molteplici pressioni, come alte temperature, forte illuminazione, siccità (stress idrico) e stress ossidativo. La betaina, in quanto importante regolatore osmotico e soluto compatibile protettivo, svolge un ruolo cruciale nella resistenza delle piante a questi stress estivi. Le sue principali funzioni includono:

1. Regolazione della permeazione:
Mantenere la pressione del turgore cellulare:

Le alte temperature e la siccità causano la perdita di acqua delle piante, con conseguente aumento del potenziale osmotico citoplasmatico (aumento della densità), che causa facilmente disidratazione e avvizzimento delle cellule dai vacuoli circostanti o dalle pareti cellulari con maggiore capacità di assorbimento dell'acqua. La betaina si accumula in grandi quantità nel citoplasma, riducendo efficacemente il potenziale osmotico del citoplasma e aiutando le cellule a mantenere un'elevata pressione di turgore, resistendo così alla disidratazione e preservando l'integrità della struttura e della funzione cellulare.

Pressione osmotica vacuolare bilanciata:

Una grande quantità di ioni inorganici (come K⁺, Cl⁻, ecc.) si accumula nel vacuolo per mantenere la pressione osmotica. La betaina è presente principalmente nel citoplasma e il suo accumulo aiuta a bilanciare la differenza di pressione osmotica tra citoplasma e vacuoli, prevenendo danni al citoplasma dovuti a un'eccessiva disidratazione.

2. Protezione delle biomolecole:
Struttura proteica stabile:

Le alte temperature possono facilmente causare la denaturazione e l'inattivazione delle proteine. Le molecole di betaina hanno cariche positive e negative (zwitterioniche) e possono stabilizzare la conformazione naturale delle proteine ​​attraverso legami a idrogeno e idratazione, prevenendo ripiegamenti anomali, aggregazioni o denaturazione ad alte temperature. Questo è fondamentale per il mantenimento dell'attività enzimatica, delle proteine ​​chiave nella fotosintesi e delle funzioni di altre proteine ​​metaboliche.

Sistema di pellicola protettiva:

Le alte temperature e le specie reattive dell'ossigeno possono danneggiare la struttura del doppio strato lipidico delle membrane cellulari (come le membrane tilacoidi e le membrane plasmatiche), causando una fluidità anomala della membrana, perdite e persino disintegrazione. La betaina può stabilizzare la struttura della membrana, mantenerne la normale fluidità e permeabilità selettiva e proteggere l'integrità degli organi e degli organelli fotosintetici.

3. Protezione antiossidante:
Mantiene l'equilibrio osmotico e riduce i danni secondari causati dallo stress.

Stabilizzano la struttura e l'attività degli enzimi antiossidanti (come la superossido dismutasi, la catalasi, l'ascorbato perossidasi, ecc.), migliorano l'efficienza del sistema di difesa antiossidante della pianta e contribuiscono indirettamente a eliminare le specie reattive dell'ossigeno.
Rimozione indiretta delle specie reattive dell'ossigeno:

La forte luce solare e le alte temperature estive possono indurre la produzione di grandi quantità di specie reattive dell'ossigeno nelle piante, causando danni ossidativi. Sebbene la betaina di per sé non sia un potente antiossidante, può essere ottenuta attraverso:

4. Proteggere la fotosintesi:
Le alte temperature e il forte stress luminoso causano danni significativi al meccanismo centrale della fotosintesi, il fotosistema II. La betaina può proteggere la membrana dei tilacoidi, mantenere la stabilità del complesso del fotosistema II, garantire il regolare funzionamento della catena di trasporto degli elettroni e alleviare la fotoinibizione della fotosintesi.

5. Come donatore di metile:

La betaina è uno dei principali donatori di metile negli organismi viventi, coinvolto nel ciclo della metionina. In condizioni di stress, può partecipare alla sintesi o alla regolazione metabolica di alcune sostanze sensibili allo stress fornendo gruppi metilici.

In sintesi, durante la torrida estate, la funzione principale della betaina sulle piante è:

Ritenzione idrica e resistenza alla siccità:combattere la disidratazione attraverso la regolazione osmotica.
Protezione contro il calore:protegge le proteine, gli enzimi e le membrane cellulari dai danni causati dalle alte temperature.

Resistenza all'ossidazione:migliora la capacità antiossidante e riduce il danno fotoossidativo.
Mantenere la fotosintesi:proteggere gli organi fotosintetici e mantenere l'approvvigionamento energetico di base.

Pertanto, quando le piante percepiscono segnali di stress come alte temperature e siccità, attivano il percorso di sintesi della betaina (principalmente attraverso l'ossidazione in due fasi della colina nei cloroplasti), accumulando attivamente betaina per migliorare la loro resistenza allo stress e la loro capacità di sopravvivenza in ambienti estivi difficili. Alcune colture tolleranti alla siccità e alla salinità (come le barbabietole da zucchero, gli spinaci, il grano, l'orzo, ecc.) hanno una forte capacità di accumulare betaina.

Nella produzione agricola, la spruzzatura esogena di betaina viene utilizzata anche come biostimolante per aumentare la resistenza delle colture (come mais, pomodoro, peperoncino, ecc.) alle alte temperature estive e allo stress da siccità.