Porosty antarktyczne - sposoby przetrwania w skrajnie nieprzyjaznym środowisku.

• Authors: Hubert Harańczyk , Piotr Nowak , Maria Olech

Title variants

EN

Antarctic lichens - how to survive in extremely hostile environment.

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

Porosty, czyli grzyby zlichenizowane, znakomicie znoszą ekstremalne warunki środowiska antarktycznego. Dzięki specjalnym adaptacjom rosną najdalej na południu Ziemi, spotkać je można nawet w odległości 300 km od Bieguna Południowego, gdzie stwierdzono cztery gatunki. W Antarktyce Morskiej podawanych jest ponad 400 gatunków i stanowią one główny składnik tundry, podczas gdy rośliny naczyniowe reprezentowane są zaledwie przez dwa rodzime gatunki. Lichenizacja jest bardzo skutecznym wypełnieniem przez grzyba jego zaopatrzenia w glukozę, gdyż ok. 18% gatunków grzybów podjęło tę strategię przetrwania. Przewaga nad roślinami naczyniowymi przy zasiedlaniu środowisk o skrajnie trudnych warunkach klimatycznych wynika z tego, że porosty potrafią przetrwać skrajną dehydratację oraz ekstremalnie niskie temperatury. Wiele gatunków wytrzymuje oziębienie do temperatury ciekłego azotu, a nawet ekspozycję do przestrzeni kosmicznej. Potrafią pobierać wodę wprost ze śniegu do poziomu wystarczającego do uruchomienia reakcji fotosyntezy. Molekularne mechanizmy przetrwania skrajnie niskiej temperatury oraz drastycznego odwodnienia nie zostały dotąd w pełni poznane i stanowią cel intensywnych badań prowadzonych przez nasz zespół łączący zarówno specjalistów z botaniki, biofizyki jak i fizyki. Wykorzystując metody magnetycznego rezonansu jądrowego (MRJ) oraz kalorymetrii różnicowej udało nam się zaobserwować proces przemiany frakcji wody luźno związanej w plesze porostu do frakcji wody ściśle związanej, niezamarzającej. Lepsze zrozumienie molekularnych mechanizmów odporności organizmu/tkanki na przemarzanie może mieć w przyszłości ważne zastosowania praktyczne, jak choćby dla zwiększenia czasu przechowywania organów przeznaczonych do przeszczepów.

EN

Lichens or the lichenized fungi, perfectly well tolerate the extreme conditions of Antarctic environment. The lichens thanks to special adaptations grow southernmost on Earth. They have been encountered only 300 km from the South Pole, where four lichen species were found. From the maritime Antarctica over 400 species are listed, and they comprise the main component of the tundra, whereas the vascular plants are represented only by the two native species. The lichenization for the fungus is a very effective way to accomplish its supplies of glucose, since about 18% of fungi species undertook such survival strategy. The advantage of fungi over the vascular plants in populating the environments with the extremely difficult climate conditions is due to the fact that the lichens can survive the extreme dehydration and extremely low temperatures. Many species resist cooling down to the temperature of liquid nitrogen, and even the exposure to the cosmic space. The lichens can uptake the water directly from the snow up to the level sufficient to start the photosynthesis. Molecular mechanisms of the low temperature and drastic dehydration survival are not, until now, fully understood and are the aim of intensive investigations carried out by our research team including specialists from botany, biophysics and physics. Taking advantage of the nuclear magnetic resonance and the differential calorimetry we were able to observe the transformation process of the water fraction loosely bound in the lichen thallus to the water fraction tightly bound, and not freezing. Better understanding of the molecular mechanisms of the organism/tissue resistance can have in the future a practical application, such as the increased time of keeping the organs for transplantations.

• Journal: Kosmos
• Year: 2013
• Volume: 62
• Issue: 3
• Pages: 373-380

Dates

published

2013

Contributors

author

Hubert Harańczyk

• Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński, Reymonta 4, 30-059 Kraków, Polska

author

Piotr Nowak

• Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński, Reymonta 4, 30-059 Kraków, Polska

author

Maria Olech

• Zakład Badań i Dokumentacji Polarnej im. prof. Zdzisława Czeppego, Instytut Botaniki, Uniwersytet Jagielloński, Kopernika 27, 31-501 Kraków, Polska

References

• del la Torre R., Sancho L. G., Horneck G., de los Rios A., Wierzchos J., Olsson-Francis K., Cockell Ch. S., Rettberg P., Berger T., de Vera J. P., Ott S., Frias J. M., Melendi P. G., Lucas M. M., Reina M., Pintado A., Demets R. 2010. Survival of lichens and bacteria exposed to outer space conditions - Results of the Lithopanspermia experiments. Icarus 208, 735-748.
• Hancock R. J., Seppelt R. D., 1988. Habitat specifity and morphological variation in two Antarctic Usnea species. Polarforschung 58, 171-179.
• Harańczyk H., 2003. On water in extremely dry biological systems, WUJ, Kraków.
• Harańczyk H., Gaździński S., Olech M., 2000. Freezing protection mechanism in Cladonia mitis as observed by proton magnetic relaxation. New Asp. Cryptog. Res., Contribution in Honour of Ludger Kappen. Bibl. Lichenol., 75, 265-274.
• Harańczyk H., Grandjean J., Olech M., 2003a. Freezing of water bound in lichen thallus as observed by 1H NMR. I. Freezing of loosely bound water in Cladonia mitis at different hydration levels. Colloids Surfaces B 28, 239-249.
• Harańczyk H., Grandjean J., Olech M., Michalik M., 2003b. Freezing of water bound in lichen thallus as observed by 1H NMR. II. Freezing protection mechanisms in a Cosmopolitan lichen Cladonia mitis and in Antarctic lichen species at different hydration levels. Colloids & Surfaces, B: Biointerfaces 28, 251-260.
• Harańczyk H., Pietrzyk A., Leja A., Olech M. A., 2006. Bound water structure on the surfaces of Usnea antarctica as observed by NMR and sorption isotherm. Acta Phys. Polonica A109, 411-416.
• Harańczyk H., Bacior M., Olech M. A., 2008. Deep dehydration of Umbilicaria aprina thalli observed by proton NMR and sorption isotherm. Antarctic Sci. 20, 527-535.
• Harańczyk H., Bacior M., Jastrzębska P., Olech M. A., 2009. Deep dehydration of Antarctic lichen Leptogium puberulum Hue observed by NMR and sorption isotherm. Acta Phys. Polon. A115, 516-520.
• Harańczyk H., Pater Ł., Nowak P., Bacior M., Olech M. A., 2012a. Initial phases of Antarctic Ramalina terebrata Hook f. & Taylor thalli rehydration observed by proton relaxometry. Acta Phys. Polon. 121, 478-482.
• Harańczyk H., Nowak P., Bacior M., Lisowska M., Marzec M., Florek M., Olech M. A., 2012b. Bound water freezing in Umbilicaria aprina from continental Antarctica. Antarctic Sci. 24, 342-352.
• Kallio P., Heinonen S., 1971. Influence of short-term low temperature on net photosynthesis in some subarctic lichens. Reports on Kevo Subarctic Research Station 8, 63-72.
• Kappen L., 1989. Field measurements of carbon dioxide exchange of the Antarctic lichen Usnea sphacelata in the frozen state. Antarctic Science 1, 31-34.
• Kappen L., 1993. Plant activity under snow and ice, with particular reference to lichens. Arctic 46, 297-302.
• Kappen L., Breuer M., 1991. Ecological and physiological investigations in continental Antarctic cryptogams. II. Moisture relations and photosynthesis of lichens near Casey Station, Wilkes Land. Antarctic Sci. 3, 273-278.
• Kappen L., Bölter M., Kühn A., 1987. Photosynthetic activity of lichens in natural habitats in the maritime Antarctic. Progress and Problems in Lichenology in the Eighties. Bibl. Lichenol. 25, 297-312.
• Kappen L., Breuer M., Bölter M., 1991. Ecological and physiological investigations in continental Antarctic cryptogams. III. Photosynthetic production of Usnea sphacelata: Diurnal courses, models, and the effect of photoinhibition. Polar Biol. 11, 393-401.
• Kappen L., Sommerkorn M., Schroeter B., 1995. Carbon acquisition and water relations of lichens in polar regions - potentials and limitations. Lichenologist 27, 531-545.
• Kappen L., Schroeter B., Scheidegger C., Sommerkorn M., Hestmark G., 1996. Cold resistance and metabolic activity of lichens below 0°C. Adv. Space Res. 18, 119-128.
• Kieft T. L., 1988. Ice nucleation activity in lichens. Appl. Environ. Microbiol. 54, 1678-1681
• Kieft T. L., Ahmadjian V., 1989. Biological ice nucleation activity in lichen mycobionts and photobionts. Lichenologist 21, 355-362.
• Kieft T. L., Ruscetti T., 1990. Characterization of biological ice nuclei from a lichen. J. Bacteriol. 172, 3519-3523.
• Kimball S. L., Salisbury F. B., 1974. Plant development under snow. Bot. Gazette 135, 147-149.
• Kukal O., 1991. Behavioral and physiological adaptations to cold in a freeze tolerant Arctic insect. [W:] Insects at low temperatures. Lee R. E., Denlinger D. L. (red.). Chapman and Hall, London, 276-300.
• Lange O. L., 1965. Der CO 2 Gaswechsel von Flechen bei tiefen Temperaturen. Planta 64, 1-19.
• Larson D. W., 1978. Patterns of lichen photosynthesis and respiration following prolonged frozen storage. Canad. J. Bot. 56, 2119-2123.
• Lindow S. E., 1983. The role of bacterial ice nucleation in frost injury to plants. Ann. Rev. Phytopathol. 21, 363-384.
• Phelps P., Giddings T. H., Prochoda M., Fall R., 1986. Release of cell-free ice nuclei by Erwinia herbicola. J. Bacteriol. 167, 496-502.
• Salisbury F. B., Kimball S. L., Bennett B., Rosen P., Weidner M., 1973. Active plant growth at freezing temperatures. Space Life Sci. 4, 124-138.
• Schroeter B., Green T. G. A., Kappen L., Seppelt R. D., 1994. Carbon dioxide exchange at subzero temperatures. Field measurements on Umbilicaria aprina in Antarctica. Crypt. Bot. 4, 233-241.
• Schroeter B., Scheidegger Ch., 1995. Water relations in lichens at subzero temperatures: structural changes and carbon dioxide exchange in the lichen Umbilicaria aprina from continental Antartctica. New Phytol. 131, 273-285.
• Stauffer D., Aharony A., 1991. Introduction to percolation theory. Taylor & Francis, London, Washington DC.
• Tieszen L. L., Lewis M. C., Miller P. C., Mayo J., Chapin III F.S., Oechel W., 1981. An analysis of processes of primary production in tundra growth forms. [W:] Tundra ecosystems: A comparative analysis. Bliss L. C., Heal O. W., Moore I. J. (red.). Cambridge University Press, Cambridge, 285-356.
• Valladares F., Sancho L. G., AsAcaso C., 1998. Water storage in the lichen family Umbilicariacae. Bot. Acta 111, 99-107.
• Worland M. R., Block W., Oldale H., 1996. Ice nucleation activity in biological materials with examples from antarctic plants. Cryo-Letters 17, 31-38.
• Worland M. R., Block W., Rothery P., 1993. Ice nucleation studies of two beetles from sub-antarctic South Georgia. Polar Biol. 13, 105-112.