absztrakt
a növények rendszeresen szembesülnek száraz körülmények között. A nem elegendő víz komoly veszélyt jelent a növény növekedési és fejlődési képességére, vagy akár csak a túlélésre! Ha a növények elpusztulnak, nem lesz elég ételünk enni! Hogyan képesek a növények túlélni a vízhiány idején? Képesnek kell lenniük arra, hogy érzékeljék, reagáljanak és alkalmazkodjanak a víz rendelkezésre állásának változásaihoz. Ezt egy sor olyan technikával teszik, amelyek lehetővé teszik egy növény számára a vízhiány leküzdését. A növény szerkezeti “páncélja” segít csökkenteni a környezetbe kerülő víz mennyiségét és növelni a víz tárolását. A növények nagyon összetett módon reagálnak a vízhiányra. Ezek a reakciók magukban foglalhatják a növények növekedésének változásait és azon képességüket, hogy megvédjék magukat a mérgező vegyi anyagoktól, amelyek a növényben felhalmozódnak a száraz időszakokban. A növény összes reakcióját közvetlenül a növény génjei szabályozzák. Ha megértjük azokat a géneket, amelyek részt vesznek a növények szárazság elleni védelmében, akkor a jövőben olyan génmódosított növényeket készíthetünk, amelyek tolerálják a globális felmelegedést és az éghajlatváltozást.
hallottál már embereket a globális felmelegedésről és az éghajlatváltozásról beszélni? Tudja, mit jelentenek ezek a kifejezések? Ezek a kifejezések alapvetően azt jelentik, hogy a föld minden évben forróbb lesz. Ezek a magasabb hőmérsékletek váratlan és szokatlan időjárási mintákat eredményeznek. Az egyik ilyen szélsőséges időjárási minta a gyakori és súlyos aszály. Az aszályok nagyon hosszú száraz időszakok, eső nélkül. Mit jelent a súlyos aszály a növények számára? Nos, a növények kocsánytalanok, ami azt jelenti, hogy egy helyen maradnak, és nem tudnak úgy mozogni, mint mi. Nem tudják felhúzni a gyökereiket, és áthelyezni egy árnyékos vagy nedves helyre. Ezért a növényeknek valahogy foglalkozniuk kell ezekkel az egyre növekvő aszályos körülményekkel, különben egyszerűen meghalnak. Ne feledje, hogy a növények az ételünk. Nyers vagy szakács növényeket eszünk (azok a zöldségek, amelyeket anyád ragaszkodik hozzá, hogy eszel!) vagy feldolgozott, mint a kedvenc doboz reggeli gabona . Tehát, ha a növények az aszály miatt elpusztulnak, akkor nem lesz elég ételünk enni!
ha nincs víz körül, mit tehetnek a növények a túlélésért? Meglepő módon úgy tűnik, hogy minden növénynek számos génje van az aszályvédelmi stratégiákhoz, amelyek a DNS-jükben vannak kódolva. A gének a DNS kis részei, mint egy könyv fejezetei. Az, hogy ezeket a géneket hogyan használják, meghatározza az aszály túlélésének képességét.
néhány növény szárazságálló. Amikor szárazságtűrő növényekről beszélünk, olyan növényekre gondolunk, amelyek halál nélkül képesek ellenállni a száraz körülményeknek. A szárazságtűrő növény három Védelmi stratégia alkalmazásával képes túlélni az aszályt: elmenekülni, elkerülni vagy tolerálni a vízveszteséget . A szárazságtűrő növények meglehetősen ritkák a természetben, és hosszú ideig képesek elviselni víz nélkül. A leglátványosabb szárazságtűrő növényeket feltámadási növényeknek nevezzük. A feltámadási növények hosszú ideig (legfeljebb 3 évig) képesek túlélni!) víz nélkül. Adj nekik egy kis vizet, és egy-két nap múlva újra életre kelnek. Más szárazságtűrő növények talán nem olyan látványosak, de speciális technikák és védelmi stratégiák segítségével képesek túlélni a rövid aszályos időszakokat is.
egyes növények speciális szerkezettel rendelkeznek, amelyek segítenek túlélni az aszályos körülmények között
egyes növények egyedülálló szerkezetük miatt képesek túlélni az aszályokat. Ezek a szerkezeti jellemzők közé tartozik a növények külső páncélja, amely megvédi őket a vízveszteségtől, valamint olyan eszközök, amelyek segítik a növényeket a víz felszívásában és tárolásában. A szárazságtűrő növények speciálisan alkalmazkodhatnak a nagyon száraz környezetben való élethez és túléléshez. Ezek a növények gyakran egészen másképp néznek ki, mint azok a növények, amelyek olyan területeken élnek, ahol a víz könnyen elérhető. A szárazságtűrő növények általában különleges “elkerüléssel” rendelkeznek (az egyik védelmi adaptáció!) jellemzők annak biztosítására, hogy kevesebb víz veszjen el a környezetbe, vagy hogy több víz kerüljön felszívódásra és tárolásra a növényben. A sivatagi pozsgás növényeknek nevezett növények jó példa azokra a növényekre, amelyek szárazság-elkerülési stratégiákkal rendelkeznek . A sivatagi pozsgás növények vastag húsos levelekkel rendelkeznek, amelyek gyakran egyáltalán nem hasonlítanak a levelekre, vastag viaszos rétegük van, hogy megakadályozzák a vízveszteséget. A sivatagi pozsgás növények kiterjedt gyökérrendszerekkel is rendelkeznek, amelyek vizet keresnek a száraz sivatagi talaj alatt (1.ábra). Néhány pozsgás növénynek speciális gyökerei vannak, amelyek nagy hagymaszerkezeteket képeznek, amelyek valójában a növény földalatti víztározói. Ezek a növények évekig képesek túlélni az aszályt az izzókban tárolt víz felhasználásával.
- 1. ábra-a növényekben található Extrém szerkezeti adaptációk a vízveszteség leküzdésére és több víz tárolására.
a növény által elvesztett víz nagy része elveszik a transzpirációnak nevezett természetes folyamat miatt. A növényeknek kevés pórusuk van (lyukak vagy nyílások) a levelek alján, úgynevezett sztómák. A növények gyökereiken keresztül felszívják a vizet, és ezeken a sztómákon keresztül gőzként engedik a vizet a levegőbe. Az aszályos körülmények között való túléléshez a növényeknek csökkenteniük kell a transzpirációt, hogy korlátozzák vízveszteségüket. Egyes száraz körülmények között élő növények kisebb levelekkel, ezért kevesebb sztómával fejlődtek ki. Szélsőséges példák a tüskés tövisekre emlékeztető levelekkel rendelkező növények. Egyes növények szárazság esetén is teljesen leválhatják leveleiket, hogy megakadályozzák a vízveszteséget. Az alapszabály az, hogy a kevesebb levél kevesebb vízveszteséget jelent a transzpiráció révén. Ezek a szélsőséges levél adaptációk megvédhetik a növényeket az éhes és szomjas madaraktól és állatoktól (1.ábra). Biztosan nem szeretne egy tüskés ételt!
néhány adaptáció meglehetősen okos, és magában foglalja a növényeket, amelyek magvakként “menekülnek” az aszálytól (ne feledje, a menekülés egy másik védelmi stratégia). A magok túlélik a száraz varázslatokat, és nagyon gyorsan csíráznak (csíráznak), nőnek és több magot termelnek, amikor esik az eső. Ezek a magok szétszóródnak, és hosszú ideig képesek túlélni a szélsőséges zord körülményeket is. A sivatagi talajokat alaposan megvizsgálva sok magot talál, amelyek csak esőre várnak, mielőtt újra csíráznak.
egyes növények belső védekezéssel is rendelkeznek az aszály ellen
a speciális szerkezeteken kívül a növények belső védekezéssel is rendelkeznek, hogy megvédjék őket a vízhiánytól is. Amikor egy növény aszályos körülményeket tapasztal, néhány reakció gyorsan megtörténik a növény belsejében, hogy segítse a növényt az aszály okozta stresszben. Ezek a reakciók, amelyek a növényben előfordulnak, gyakran meglehetősen összetettek és kifinomultak. Adunk néhány példát.
a növényeknek aszály idején is szükségük van fotoszintézisre
a növények zöldek, mert klorofill nevű zöld vegyszert tartalmaznak. A klorofill speciális struktúrákba van csomagolva, amelyeket kloroplasztoknak neveznek, amelyek a növények energiagyárai. A klorofill a vízzel és a szén-dioxiddal (CO2) együtt a napfényt használja cukrok előállításához. Ezek a cukrok lehetővé teszik a növény növekedését és virágzását. Ez a fotoszintézis folyamata, amely a víz rendelkezésre állásához kapcsolódik.
ha nincs sok víz a növény talajában, a fotoszintézis folyamata egy kicsit másképp fog történni, és a szabad gyököknek nevezett káros vegyi anyagok felhalmozódását eredményezi. Ez azt jelenti, hogy a növényeknek gondosan ellenőrizniük kell, hogyan használják fel a nap energiáját. A fotoszintézis során a CO2-nek a sztómáján (a korábban említett kis pórusokon) keresztül kell bejutnia a növénybe. De ne feledje, hogy a nyitott sztómák azt jelentik, hogy a víz elvész a transzpiráció révén! Tehát a növény azzal a nehéz problémával szembesül, hogy elegendő vízzel és elegendő CO2-vel rendelkezik a fotoszintézishez. Ehhez a növények az abszciz savnak (Aba) nevezett “menedzsert” használják.
amikor egy növény vízhiányt tapasztal, az ABA gyorsan termelődik és a sztómákba kerül. A sztómákban az ABA szabályozza, hogy a sztómák hogyan nyílnak és záródnak, manipulálva az úgynevezett turgornyomást (2 .ábra). A turgornyomás az a nyomás, amelyet a sejt belsejében lévő folyadékok gyakorolnak a növényi sejt falára. Minél több víz van a sejtben (minél teljesebb a sejt), annál nagyobb a nyomás. A turgornyomás kezelése egyensúlyt teremt a CO2 bevitel és a vízveszteség között, így fotoszintézis léphet fel. De ha a víz korlátozott marad az aszályos körülmények között, végül a növény nem lesz képes megbirkózni az aszály okozta stresszel, és az egész fotoszintetikus folyamat leállhat. A szárazságnak ellenálló növények azonban okos módszert találtak ki a fotoszintézis során a vízvesztés problémájának elkerülésére. Csak az éjszaka hűvösében nyitják meg a sztómájukat, hogy felvegyék a CO2-t. Ezután tárolják ezt a CO2-t, és nappal fotoszintézisre használják. Így kevesebb vizet veszítenek a nap folyamán, mert zárva tudják tartani a sztómákat, de tovább növekedhetnek—bár a normálnál kissé lassabban.
- 2. ábra-a növények belső védelme vízfeszültség alatt.
- a). Ha sok víz áll rendelkezésre a talajban, a növények gyökerein keresztül felszívják a vizet. Ezt a vizet a növény felhasználja, vagy a levelekben lévő nyitott sztómák transzpirációja révén szabadítja fel. A fotoszintézis normálisan is megtörténik, amikor a CO2 és az oxigén felszívódik és felszabadul a nyitott sztómákon keresztül. B). De ha korlátozott víz áll rendelkezésre a talajban, a növények megpróbálják megakadályozni a vízveszteséget. A transzpiráció révén bekövetkező vízveszteség csökkenthető a sztómák levelekben történő bezárásával az ABA nevű anyag felhasználásával. Amikor a sztóma zárt, a fotoszintézis csökken, mert a zárt sztómákon keresztül nem léphet be CO2. A kevesebb fotoszintézis azt jelenti, hogy a növény kevesebb energiát termel,és a növény leáll.
a növényeknek meg kell védeniük magukat a veszélyes szabad gyököktől
aszályos körülmények között, amikor a növény nem képes megfelelően egyensúlyba hozni a fotoszintézist és a vízveszteséget, a növénynek csúnya kis molekulákkal kell megküzdenie, amelyeket szabad gyököknek neveznek. A szabad gyökök természetesen előfordulnak a fotoszintézis során, de ha nincs sok víz, akkor több szabad gyök képződik. A szabad gyökök nagyon veszélyesek lehetnek a sejtre, mert károsíthatják a DNS-t, a sejtmembránokat, a fehérjéket és a cukrokat (ezek az anyagok nélkülözhetetlenek a sejt túléléséhez)!
a növények kis mennyiségű szabad gyökökkel foglalkoznak. Az aszálytűrő növények azonban nagyon jól kezelik a szabad gyököket, mert védőanyagokat halmoznak fel. Ezeket a védőanyagokat szabad gyökök megsemmisítőinek nevezik. A szabad gyökök jelenléte gyakran megváltoztatja a növény színét. A növények gyakran pirosra vagy lilára válnak, amikor ezek a dögevők felhalmozódnak (látja a száraz növény lila leveleit a 3B. ábrán?). A szabad gyökök elpusztítói széles körben előfordulnak a természetben, és nagyon jók a szabad gyökök felmosásában, hogy megvédjék a növényeket káros hatásaiktól.
- 3. ábra-a Feltámadás növény, Craterostigma pumilum.
- a). Így néz ki a növény, amikor olyan körülmények között növekszik, ahol elegendő víz áll rendelkezésre. B). A két középső kép azt mutatja, hogy a növény, amikor nincs víz, 3 hét után víz nélkül. Nem tűnik halottnak? C). Ha ugyanazt a száraz, halott kinézetű növényt öntözik, 2 héten belül a növény felépül az aszályból, és megkezdi a vetőmagtermelést.
a növényeknek szabályozniuk kell a sejtjeikben lévő víz mennyiségét
az ozmózis fontos fogalom a biológiában. Alapvetően az ozmózis a víz mozgása egy membránon (például egy sejtmembránon) egy olyan területre, ahol bizonyos molekulák (például sók, cukrok és szabad gyökök) nagyobb koncentrációban fordulnak elő. Ezzel a víz hígítja ezen molekulák koncentrációját úgy, hogy a koncentráció egyenlő legyen a membrán mindkét oldalán. Most gondolj arra, hogy mi történik egy olyan növényrel, amely a vízveszteségtől szenved. Nincs elég víz ahhoz, hogy az ozmózis bekövetkezhessen, így a molekulák szuperkoncentrációvá válnak a növényi sejtekben. Ez általában nem jó dolog, különösen, ha ezek a molekulák szabad gyökök.
ismét a szárazságtűrő növényeknek van néhány nagyon jó stratégiájuk a probléma leküzdésére. Az aszály első jeleinél ezeknek a növényeknek a sejtjei egy csomó molekulát halmoznak fel, amelyek részt vesznek az úgynevezett ozmotikus beállításban (OA) . OA a változás az oldott anyag koncentrációja egy sejtben. Ez olyan, mint amikor feloldja a cukrot vízben, ahol a cukor az oldott anyag. Ezek a molekulák (oldott anyagok) lehetnek cukrok, aminosavak vagy kis fehérjék. Ezeknek a molekuláknak az a célja, hogy korlátozzák a víz mozgását a sejtből. Ami ezeket az OA molekulákat egyedülállóvá teszi a szárazságtűrésben, az az, hogy sok funkciót látnak el. Az OA molekulák fizikailag kötődnek a DNS-hez és a fehérjékhez, hogy megvédjék őket a szabad gyököktől. Maguk is megköthetik a vizet, megakadályozva annak kijutását a növényi sejtekből. Ezek az OA molekulák a membránokhoz is kötődnek, stabilizálva a növény szerkezetét, ha a víz korlátozott.
a Feltámadási növények tökéletes példák arra, hogy a szárazságtűrő növények hogyan hozzák össze az eddig tárgyalt fogalmakat. A feltámadási növények képesek túlélni a teljes vízveszteséget. Hatalmas mennyiségű OAs-t halmoznak fel, szabad gyököket szabadítanak fel, és speciális védőfehérjéket termelnek a hosszú és súlyos aszályok túlélése érdekében. Mindezt úgy teszik, hogy lehajtják a leveleiket, és megvárják, amíg esik az eső (3.ábra). A folyamat összehasonlítható a hibernált medvékkel.
a növény génjei szabályozzák az aszályra adott válaszait
ne feledje, hogy ezeket a folyamatokat nagyon leegyszerűsítve tárgyaltuk a növények szárazságtól való védelmére. Ezeknek a folyamatoknak a szoros vizsgálata valójában nagyon bonyolult. A legalapvetőbb szinten ezeket a folyamatokat a növény genetikai kódjának—génjeinek-használata szabályozza. Az aszály túléléséhez szükséges anyagokat a kód megfelelő időben történő elérésével állítják elő. A genetikai kódnak ezt a hozzáférését, amely segít a növénynek az aszály túlélésében, a növény genetikai válaszának nevezzük.
az aszály okozta stresszt átélő növény genetikai válaszai nagyon összetettek—sok gén be-vagy kikapcsolódik. A fejlett számítógépes technológiák segítségével a tudósok képesek azonosítani a legtöbb olyan gént, amelyek szerepet játszanak a növény szárazságtól való védelmében. Ez a technológia azt találta, hogy szó szerint több száz gén van be – és kikapcsolva, attól függően, hogy hol és mikor van rájuk szükség! Nem tudjuk felsorolni ezeket a géneket, mert az első oldal végén teljesen unatkozni fog! Azt fogjuk mondani, hogy ezek a gének elsősorban három csoportba sorolhatók: (1) olyan gének, amelyek más géneket vezérelnek, amelyek fontosak a gének be-és kikapcsolásához; (2) olyan gének, amelyek olyan anyagokat termelnek, amelyek segítenek a növény szárazságvédelmében; és (3) a vízfelvételben és a szállításban részt vevő gének.
Ön szerint miért fontos tudni, hogy mely gének játszanak szerepet abban, hogy a növények elkerüljék vagy elviseljék az aszályt? A legtöbb növényünk valójában nem képes túlélni az aszályokat. Hogyan védjük meg a növényeinket, vagy tesszük őket ellenállóbbá ezekkel az aszályokkal szemben? Az aszályos körülmények között be-vagy kikapcsolt gének ismereteit fel kell használnunk az aszálynak jobban ellenálló növények előállításához.
az évek során a növénytudósok némi sikert arattak a szárazságnak ellenálló növények előállításában. Ezeket a szárazságtűrő növényeket elsősorban olyan egyedi növények kiválasztásával és tenyésztésével állították elő, amelyek jól túlélték az aszályos körülményeket. Az elmúlt évtizedekben a géntechnológiával módosított (GM) növényeken dolgozó tudósok szintén a szárazságtűrő növények termesztésére összpontosítottak .
egy GM növény, egy új gén (bármilyen forrásból!) a növény DNS-ébe kerül. Az új gén / s beillesztésével a tudós reméli, hogy új, hasznos tulajdonságot vezet be a GM növénybe. Képzeljük el, hogy egy feltámadási növényben több száz hasznos gén közül választhatunk, és néhányat bevezethetünk a búzába! Sajnos, csak egy maroknyi GM szárazságtűrő növények (mint a kukorica/kukorica és cukornád) sikeresen termelt. Sokkal több munkát kell elvégezni, beleértve a nagyközönség meggyőzését arról, hogy a GM növények nem veszélyesek!
következtetés
a növények valóban sebezhetőek a vízhiány miatt. Az aszály befolyásolja a növény növekedését, fejlődését, termelékenységét és végső soron túlélését. A növényeknek azonban van némi beépített védelme az aszály ellen. Bizonyos szerkezeti adaptációkkal rendelkezhetnek a kiszáradás elkerülése vagy tolerálása érdekében. Van néhány belső védekezésük is, amelyek aktiválódnak, hogy megpróbálják korlátozni a vízveszteséget, amikor rájönnek, hogy a víz szűkössé válik. Mindezeket a védelmi rendszereket a növény génjei szabályozzák. Ezeknek a géneknek a ismerete és az, hogy miként vesznek részt a növény szárazság elleni védelmében, reményt ad az emberiségnek arra, hogy szárazságnak ellenálló GM növényeket készítsen.
szószedet
Ületlen: olyan szervezet, amely nem tud mozogni és egy helyen marad, mint egy növény.
pozsgás növények: növények, amelyek megvastagodott és húsos levelek és szárak, amelyben a víz tárolható.
transzpiráció: az a folyamat, amikor a növényi gyökerek vizet vesznek fel, majd vízgőzt szabadítanak fel a levelek pórusain (sztómáin) keresztül.
sztóma: kis lyukak a levél alsó felületén, amelyeken keresztül a víz és a gáz be-és kiléphet a növényből.
fotoszintézis: az a folyamat, amelyben a növények vizet, fényt és CO2-t használnak saját táplálékuk előállításához (cukrok formájában), és oxigént bocsátanak ki a levegőbe.
szabad gyökök: Molekulák, amik reagálnak és károsítanak bármit, amivel érintkeznek.
Aba: az abszciz savnak nevezett növényi hormon, amely segít a növények vízegyensúlyának gondozásában.
Turgornyomás: a sejt belsejében lévő folyadékok által a növényi sejtfalra kifejtett feszültség. Képzelje el, hogy megtölt egy léggömböt, amelyet egy üvegedénybe helyezett. Ahogy jobban kitölti a ballont, az a merev üvegedényhez nyomódik, akárcsak a folyadékok a merev növényi sejtfalhoz.
ozmózis: víz mozgatása egy sejtmembránon keresztül az egyik cellából a másikba. Miért? Az oldott anyagok egyenlő koncentrációjának biztosítása a membrán mindkét oldalán.
ozmotikus beállítás: az oldott anyagok koncentrációjának megváltoztatása egy növényi sejtben.
oldott anyag: az az anyag (mint a cukor), amelyet oldatban oldunk (mint a víz).
összeférhetetlenségi nyilatkozat
a szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségnek tekinthetők.
Köszönetnyilvánítás
számok jöttek létre az elme a grafikon platform (www.mindthegraph.com).
Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A. és Pereira, A. 2016. Növényi alkalmazkodás az aszály stresszéhez. F1000Res 5 (F1000 Kar Rev): 1554. doi: 10.12688/f1000research.7678,1
Dimmitt, Ma 1997. Hogyan kezelik a növények a sivatagi éghajlatot. Sonorensis. Vol. 17. Elérhető itt:: http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php
Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K. és Lam-Son, T. 2014. A növények reakciója a víz stresszére. Elöl. Növényi Sci. 5(86):1–8. doi:10.3389 / fpls.2014.00086
Blum, A. 2014. Az aszályállóság genomikája – a földre jutás. Funct. Növényi Biol. 41:1191–8. doi:10.1071 / FP14018