Im Sommer sind Pflanzen vielfältigen Belastungen ausgesetzt, wie hohen Temperaturen, starker Lichtintensität, Trockenheit (Wasserstress) und oxidativem Stress. Betain spielt als wichtiger osmotischer Regulator und schützender kompatibler Solut eine entscheidende Rolle für die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegenüber diesen sommerlichen Stressfaktoren. Zu seinen Hauptfunktionen gehören:

1. Permeationsregulierung:
Aufrechterhaltung des Zelldrucks:

Hohe Temperaturen und Trockenheit führen zu Wasserverlust bei Pflanzen, wodurch das osmotische Potenzial des Zytoplasmas ansteigt (Zelldichte erhöht sich). Dies kann leicht zu Austrocknung und Welken der Zellen durch umgebende Vakuolen oder Zellwände mit höherer Wasseraufnahmekapazität führen. Betain reichert sich in großen Mengen im Zytoplasma an und senkt so effektiv dessen osmotisches Potenzial. Dadurch können die Zellen einen hohen Turgordruck aufrechterhalten, der Austrocknung entgegenwirkt und die Integrität von Zellstruktur und -funktion bewahrt wird.

Ausgeglichener vakuolärer osmotischer Druck:

Eine große Menge anorganischer Ionen (wie K⁺, Cl⁻ usw.) reichert sich in der Vakuole an, um den osmotischen Druck aufrechtzuerhalten. Betain befindet sich hauptsächlich im Zytoplasma, und seine Anreicherung trägt dazu bei, den osmotischen Druckunterschied zwischen Zytoplasma und Vakuolen auszugleichen und so Schäden am Zytoplasma durch übermäßige Austrocknung zu verhindern.

2. Schutz von Biomolekülen:
Stabile Proteinstruktur:

Hohe Temperaturen können leicht zur Denaturierung und Inaktivierung von Proteinen führen. Betainmoleküle tragen positive und negative Ladungen (zwitterionisch) und können die natürliche Konformation von Proteinen durch Wasserstoffbrückenbindungen und Hydratation stabilisieren. Dadurch wird Fehlfaltung, Aggregation oder Denaturierung bei hohen Temperaturen verhindert. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Enzymaktivität, wichtiger Proteine ​​der Photosynthese und die Funktion anderer Stoffwechselproteine.

Schutzfoliensystem:

Hohe Temperaturen und reaktive Sauerstoffspezies können die Lipiddoppelschichtstruktur von Zellmembranen (wie Thylakoid- und Plasmamembranen) schädigen und so zu abnormaler Membranfluidität, Leckagen und sogar zum Zerfall der Membran führen. Betain kann die Membranstruktur stabilisieren, ihre normale Fluidität und selektive Permeabilität erhalten und die Integrität photosynthetischer Organe und Organellen schützen.

3. Antioxidativer Schutz:
Das osmotische Gleichgewicht aufrechterhalten und durch Stress verursachte Sekundärschäden reduzieren.

Stabilisieren die Struktur und Aktivität von antioxidativen Enzymen (wie Superoxiddismutase, Katalase, Ascorbatperoxidase usw.), steigern die Effizienz des pflanzeneigenen antioxidativen Abwehrsystems und helfen indirekt bei der Beseitigung reaktiver Sauerstoffspezies.
Indirekte Entfernung reaktiver Sauerstoffspezies:

Starke Sonneneinstrahlung und hohe Temperaturen im Sommer können in Pflanzen die Bildung großer Mengen reaktiver Sauerstoffspezies auslösen und so oxidative Schäden verursachen. Betain selbst ist zwar kein starkes Antioxidans, kann aber durch folgende Maßnahmen in der Pflanze aufgenommen werden:

4. Schutz der Photosynthese:
Hohe Temperaturen und starker Lichtstress verursachen erhebliche Schäden am Kernmechanismus der Photosynthese, dem Photosystem II. Betain kann die Thylakoidmembran schützen, die Stabilität des Photosystem-II-Komplexes aufrechterhalten, den reibungslosen Ablauf der Elektronentransportkette gewährleisten und die Photoinhibition der Photosynthese verringern.

5. Als Methyldonator:

Betain ist einer der wichtigsten Methylgruppendonatoren in lebenden Organismen und am Methioninzyklus beteiligt. Unter Stressbedingungen kann es durch die Bereitstellung von Methylgruppen an der Synthese oder metabolischen Regulation einiger Stressreaktionsstoffe mitwirken.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hauptfunktion von Betain in Pflanzen während der brütenden Sommerhitze folgende ist:

Wasserspeicherung und Trockenresistenz:Bekämpfung der Dehydration durch osmotische Regulierung.
Hitzebeständigkeitsschutz:Schützt Proteine, Enzyme und Zellmembranen vor Schäden durch hohe Temperaturen.

Oxidationsbeständigkeit:Erhöht die antioxidative Kapazität und reduziert photooxidative Schäden.
Aufrechterhaltung der Photosynthese:schützen die photosynthetischen Organe und erhalten die grundlegende Energieversorgung aufrecht.

Wenn Pflanzen Stresssignale wie hohe Temperaturen und Trockenheit wahrnehmen, aktivieren sie daher den Betain-Syntheseweg (hauptsächlich durch zweistufige Oxidation von Cholin in Chloroplasten) und reichern aktiv Betain an, um ihre Stressresistenz zu erhöhen und ihr Überleben in rauen Sommerumgebungen zu verbessern. Einige trockenheits- und salztolerante Nutzpflanzen (wie Zuckerrüben, Spinat, Weizen, Gerste usw.) besitzen eine hohe Fähigkeit zur Betain-Anreicherung.

In der landwirtschaftlichen Produktion wird Betain auch als Biostimulans zur exogenen Besprühung eingesetzt, um die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen (wie Mais, Tomaten, Chili usw.) gegenüber sommerlichen Hitzewellen und Trockenstress zu erhöhen.