In de zomer worden planten blootgesteld aan diverse stressfactoren, zoals hoge temperaturen, fel zonlicht, droogte (waterstress) en oxidatieve stress. Betaïne speelt als belangrijke osmotische regulator en beschermende compatibele oplosstof een cruciale rol in de weerstand van planten tegen deze zomerse stressfactoren. De belangrijkste functies zijn onder andere:

1. Permeatieregulering:
Handhaaf de turgordruk van de cellen:

Hoge temperaturen en droogte zorgen ervoor dat planten water verliezen, wat leidt tot een verhoogde osmotische potentiaal van het cytoplasma (het wordt dichter), waardoor cellen gemakkelijk uitdrogen en verwelken vanuit de omliggende vacuolen of celwanden met een sterker waterabsorberend vermogen. Betaïne hoopt zich in grote hoeveelheden op in het cytoplasma, waardoor de osmotische potentiaal van het cytoplasma effectief wordt verlaagd. Dit helpt cellen een hoge turgordruk te behouden, waardoor uitdroging wordt tegengegaan en de integriteit van de celstructuur en -functie behouden blijft.

Evenwichtige osmotische druk in de vacuole:

Een grote hoeveelheid anorganische ionen (zoals K⁺, Cl⁻, enz.) hoopt zich op in de vacuole om de osmotische druk te handhaven. Betaine bevindt zich voornamelijk in het cytoplasma en de ophoping ervan helpt het osmotische drukverschil tussen het cytoplasma en de vacuole in evenwicht te brengen, waardoor schade aan het cytoplasma door overmatige uitdroging wordt voorkomen.

2. Bescherming van biomoleculen:
Stabiele eiwitstructuur:

Hoge temperaturen kunnen gemakkelijk leiden tot denaturatie en inactivatie van eiwitten. Betaïnemoleculen dragen positieve en negatieve ladingen (zwitterionisch) en kunnen de natuurlijke conformatie van eiwitten stabiliseren door middel van waterstofbruggen en hydratatie, waardoor verkeerde vouwing, aggregatie of denaturatie bij hoge temperaturen wordt voorkomen. Dit is cruciaal voor het behoud van enzymactiviteit, belangrijke eiwitten in de fotosynthese en de functies van andere metabolische eiwitten.

Beschermfoliesysteem:

Hoge temperaturen en reactieve zuurstofsoorten kunnen de lipide dubbellaagstructuur van celmembranen (zoals thylakoïdmembranen en plasmamembranen) beschadigen, wat leidt tot abnormale membraanvloeibaarheid, lekkage en zelfs desintegratie. Betaine kan de membraanstructuur stabiliseren, de normale vloeibaarheid en selectieve permeabiliteit behouden en de integriteit van fotosynthetische organen en organellen beschermen.

3. Bescherming door antioxidanten:
Behoud het osmotisch evenwicht en verminder secundaire schade veroorzaakt door stress.

Stabiliseer de structuur en activiteit van antioxidantenzymen (zoals superoxide dismutase, catalase, ascorbaatperoxidase, enz.), verbeter de efficiëntie van het eigen antioxidantafweersysteem van de plant en help indirect bij het opruimen van reactieve zuurstofsoorten.
Indirecte verwijdering van reactieve zuurstofsoorten:

Sterk zonlicht en hoge temperaturen in de zomer kunnen de productie van grote hoeveelheden reactieve zuurstofsoorten in planten stimuleren, wat oxidatieve schade veroorzaakt. Hoewel betaïne zelf geen sterke antioxidant is, kan dit wel bereikt worden door:

4. Bescherming van de fotosynthese:
Hoge temperaturen en sterke lichtstress veroorzaken aanzienlijke schade aan het kernmechanisme van fotosynthese, fotosysteem II. Betaine kan het thylakoïdmembraan beschermen, de stabiliteit van het fotosysteem II-complex behouden, de vlotte werking van de elektronentransportketen garanderen en foto-inhibitie van de fotosynthese verminderen.

5. Als methyldonor:

Betaïne is een van de belangrijke methyldonoren in levende organismen en speelt een rol in de methioninecyclus. Onder stressomstandigheden kan het deelnemen aan de synthese of metabolische regulatie van bepaalde stressgevoelige stoffen door methylgroepen te leveren.

Samenvattend is de belangrijkste functie van betaïne op planten tijdens de hete zomermaanden:

Waterretentie en droogtebestendigheid:Het bestrijden van uitdroging door middel van osmotische regulatie.
Hittebestendigheidsbescherming:Beschermt eiwitten, enzymen en celmembranen tegen schade door hoge temperaturen.

Weerstand tegen oxidatie:Het verbetert de antioxidantwerking en vermindert fotooxidatieve schade.
Fotosynthese in stand houden:Beschermt de fotosynthetische organen en zorgt voor de basisenergievoorziening.

Wanneer planten stresssignalen waarnemen, zoals hoge temperaturen en droogte, activeren ze daarom de betaïnesyntheseroute (voornamelijk via een tweestapsoxidatie van choline in chloroplasten). Ze slaan actief betaïne op om hun stressbestendigheid te verhogen en hun overlevingskansen in barre zomeromstandigheden te verbeteren. Sommige droogte- en zouttolerante gewassen (zoals suikerbieten, spinazie, tarwe, gerst, enz.) hebben een sterk vermogen om betaïne op te slaan.

In de landbouw wordt betaïne ook exogeen gespoten als biostimulant om de weerstand van gewassen (zoals maïs, tomaat, chilipeper, enz.) tegen hoge zomertemperaturen en droogte te verhogen.