Streszczenie
rośliny regularnie borykają się z suchymi warunkami. Brak wystarczającej ilości wody stanowi poważne zagrożenie dla zdolności rośliny do wzrostu i rozwoju, a nawet po prostu przetrwać! Jeśli rośliny umrą, nie będziemy mieli wystarczająco dużo jedzenia! Jak roślinom udaje się przetrwać podczas niedoborów wody? Muszą w jakiś sposób być w stanie wyczuć, reagować i dostosowywać się do zmian w dostępności wody. Robią to za pomocą szeregu technik, które pozwalają roślinie zwalczać niedobory wody. Strukturalny „pancerz” rośliny pomaga zmniejszyć ilość wody, którą traci do środowiska i zwiększyć magazynowanie wody. Rośliny reagują na niedobory wody w bardzo złożony sposób. Reakcje te mogą obejmować zmiany w wzroście roślin i ich zdolności do ochrony przed toksycznymi chemikaliami, które gromadzą się w roślinie podczas okresów suchych. Wszystkie reakcje rośliny są bezpośrednio kontrolowane przez geny rośliny. Jeśli zrozumiemy geny, które są zaangażowane w ochronę roślin przed suszą, w przyszłości możemy być w stanie stworzyć genetycznie zmodyfikowane uprawy, które będą tolerować globalne ocieplenie i zmiany klimatyczne.
czy słyszałeś ludzi mówiących o globalnym ociepleniu i zmianie klimatu? Wiesz, co oznaczają te terminy? Te terminy zasadniczo sugerują, że ziemia staje się coraz gorętsza każdego roku. Te wyższe temperatury prowadzą do nieoczekiwanych i nietypowych wzorców pogodowych. Jednym z tych ekstremalnych zjawisk pogodowych są częste i ciężkie susze. Susze są bardzo długimi okresami suchymi bez deszczu. Co oznaczają ciężkie susze dla roślin? Cóż, rośliny są siedzące, co oznacza, że pozostają w jednym miejscu i nie mogą poruszać się tak jak my. Nie mogą podciągnąć korzeni i przenieść się w zacienione lub wilgotne miejsce. Dlatego rośliny muszą jakoś radzić sobie z tymi stale rosnącymi warunkami suszy, w przeciwnym razie po prostu umrą. Pamiętaj, rośliny są naszym pokarmem. Jemy rośliny na surowo lub gotowane(te warzywa twoja mama nalega jeść!) lub przetworzone, jak Twoje ulubione pudełko płatków śniadaniowych . Tak więc, jeśli rośliny obumierają z powodu suszy, nie będziemy mieli wystarczającej ilości jedzenia!
jeśli wokół nie ma wody, co mogą zrobić rośliny, aby przetrwać? Co zadziwiające, wszystkie rośliny wydają się mieć wiele genów dla strategii obrony przed suszą zakodowanych w ich DNA. Geny to małe fragmenty DNA, jak rozdziały w książce. Sposób wykorzystania tych genów determinuje ich zdolność do przetrwania suszy.
niektóre rośliny są odporne na suszę. Kiedy mówimy o roślinach odpornych na suszę, mamy na myśli rośliny, które mogą wytrzymać suche warunki bez obumierania. Roślina odporna na suszę może przetrwać suszę, stosując trzy strategie obrony: Ucieczka, unikanie lub tolerowanie utraty wody . Rośliny odporne na suszę są dość rzadkie w przyrodzie i mogą przetrwać długie okresy bez wody w ogóle. Niektóre z najbardziej spektakularnych roślin odpornych na suszę nazywane są roślinami zmartwychwstałymi. Rośliny rezurekcyjne są w stanie przetrwać długie okresy (do 3 lat!) bez wody. Jednak daj im trochę wody, a wrócą do życia za dzień lub dwa. Inne odporne na suszę rośliny mogą nie być tak spektakularne, ale też mogą przetrwać krótkie okresy suszy przy użyciu specjalnych technik i strategii obronnych.
niektóre rośliny mają specjalne struktury, które pomagają im przetrwać w warunkach suszy
niektóre rośliny są w stanie przetrwać susze ze względu na ich unikalną strukturę. Te cechy konstrukcyjne obejmują zewnętrzny pancerz roślin, który chroni je przed utratą wody, a także narzędzia pomagające roślinom wchłaniać i magazynować wodę. Rośliny odporne na suszę mogą być specjalnie przystosowane do życia i przetrwania w bardzo suchym środowisku. Rośliny te często wyglądają zupełnie inaczej niż rośliny żyjące w obszarach, w których woda jest łatwo dostępna. Rośliny odporne na suszę mają zwykle specjalne „unikanie” (jedno z adaptacji obronnych!) funkcje, aby upewnić się, że mniej wody jest tracone do środowiska lub że więcej wody zostanie wchłonięte i przechowywane w roślinie. Rośliny zwane sukulentami pustynnymi są dobrym przykładem roślin, które mają strategie unikania suszy . Sukulenty pustynne mają grube mięsiste liście, które często w ogóle nie przypominają liści, i mają grubą woskową warstwę, aby zapobiec utracie wody. Sukulenty pustynne mają również rozbudowane systemy korzeniowe, które szukają wody pod suchą glebą pustynną (ryc. 1). Niektóre Sukulenty mają wyspecjalizowane korzenie, które tworzą duże struktury cebulowe, które są w rzeczywistości podziemnymi zbiornikami wody dla rośliny. Rośliny te mogą przetrwać lata suszy, wykorzystując wodę przechowywaną w ich cebulkach.
- Rysunek 1-Ekstremalne adaptacje strukturalne występujące w roślinach w celu zwalczania utraty wody i magazynowania większej ilości wody.
większość wody, którą traci roślina, jest tracona w wyniku naturalnego procesu zwanego transpiracją. Rośliny mają małe pory (otwory lub otwory) na spodniej stronie liści, zwane aparatami szparkowymi. Rośliny absorbują wodę przez korzenie i uwalniają wodę jako parę do powietrza przez te aparaty szparkowe. Aby przetrwać w warunkach suszy, rośliny muszą zmniejszyć transpirację, aby ograniczyć utratę wody. Niektóre rośliny żyjące w suchych warunkach wyewoluowały, aby mieć mniejsze liście, a tym samym mniej aparatów szparkowych. Skrajnymi przykładami są rośliny o liściach przypominających kolczaste ciernie. Niektóre rośliny mogą również całkowicie zrzucić liście w czasie suszy, aby zapobiec utracie wody. Podstawową zasadą jest, że mniej liści oznacza mniejszą utratę wody przez transpirację. Te ekstremalne adaptacje liści mogą również chronić rośliny przed głodnymi i spragnionymi ptakami i zwierzętami (ryc. 1). Na pewno nie chciałbyś mieć kolczastego posiłku!
niektóre adaptacje są dość sprytne i polegają na tym, że rośliny „uciekają” przed suszą jako nasiona (pamiętaj, ucieczka jest kolejną strategią obronną). Nasiona przetrwają w okresie suchym i bardzo szybko kiełkują (kiełkują), rosną i produkują więcej nasion, gdy spadają deszcze. Nasiona te są następnie rozproszone i mogą również przetrwać ekstremalne trudne warunki przez długi czas. Przyglądając się glebom pustynnym, znajdziesz wiele nasion leżących wokół, czekających na deszcz, zanim ponownie wykiełkną.
niektóre rośliny mają również wewnętrzne mechanizmy obronne przed suszą
oprócz specjalnych konstrukcji, rośliny mają wewnętrzne mechanizmy obronne, aby chronić je przed niedoborem wody. Kiedy roślina doświadcza warunków suszy, niektóre reakcje szybko zachodzą wewnątrz rośliny, aby pomóc roślinie w stresie związanym z suszą. Reakcje te, które zachodzą w roślinie, są często dość złożone i wyrafinowane. Podamy kilka przykładów.
rośliny nadal muszą przeprowadzać fotosyntezę podczas suszy
rośliny są zielone, ponieważ zawierają zielony związek chemiczny zwany chlorofilem. Chlorofil jest pakowany w specjalne struktury zwane chloroplastami, które są fabrykami energii roślin. Wraz z wodą i dwutlenkiem węgla (CO2) chlorofil wykorzystuje światło słoneczne do tworzenia cukrów. Cukry te pozwalają roślinie rosnąć i rozkwitać. Jest to proces fotosyntezy i jest związany z dostępnością wody.
gdy w glebie rośliny nie ma zbyt dużo wody, proces fotosyntezy nastąpi nieco inaczej i spowoduje nagromadzenie szkodliwych substancji chemicznych zwanych wolnymi rodnikami. Oznacza to, że rośliny muszą dokładnie kontrolować, w jaki sposób wykorzystują energię słońca. Podczas fotosyntezy CO2 musi przedostawać się do rośliny przez jej aparaty szparkowe (wspomniane wcześniej małe pory). Ale pamiętaj, otwarte aparaty szparkowe oznaczają, że woda zostanie utracona przez transpirację! Tak więc roślina stoi przed trudnym problemem upewnienia się, że ma wystarczającą ilość wody, a także wystarczającą ilość CO2 do fotosyntezy. Aby to zrobić, rośliny używają” Menedżera ” zwanego kwasem abscysynowym (ABA).
gdy roślina doświadcza niedoboru wody, Aba jest szybko produkowana i transportowana do aparatów szparkowych. W aparatach szparkowych ABA kontroluje sposób otwierania i zamykania aparatów szparkowych, manipulując czymś, co nazywa się ciśnieniem turgora (ryc. 2). Ciśnienie turgora to ciśnienie wywierane na ścianę komórki roślinnej przez płyny wewnątrz komórki. Im więcej wody znajduje się w komórce (tym pełniejsza komórka) i tym większe ciśnienie. Zarządzanie ciśnieniem turgora zapewnia równowagę między pobieraniem CO2 a utratą wody, dzięki czemu może nastąpić fotosynteza. Jeśli jednak woda pozostanie ograniczona w warunkach suszy, ostatecznie roślina nie będzie w stanie poradzić sobie ze stresem związanym z suszą, a cały proces fotosyntetyczny może przestać działać prawidłowo. Jednak rośliny odporne na suszę wymyśliły sprytny sposób na uniknięcie problemu utraty wody podczas fotosyntezy. Otwierają aparaty szparkowe tylko podczas chłodu nocy, aby pochłonąć CO2. Następnie przechowują ten CO2 i używają go w ciągu dnia do fotosyntezy. W ten sposób tracą mniej wody w ciągu dnia, ponieważ mogą utrzymać aparaty szparkowe zamknięte, ale mogą nadal rosnąć—chociaż trochę wolniej niż normalnie.
- Rysunek 2 – wewnętrzne mechanizmy obronne roślin pod wpływem stresu wodnego.
- Gdy w glebie jest dużo wody, rośliny wchłaniają wodę przez korzenie. Woda ta będzie używana przez roślinę lub uwalniana przez transpirację przez otwarte aparaty szparkowe w liściach. Fotosynteza zachodzi również normalnie, gdy CO2 i tlen są absorbowane i uwalniane przez otwarte aparaty szparkowe. B). Jednak gdy w glebie dostępna jest ograniczona ilość wody, rośliny starają się zapobiegać jej utracie. Straty wody w wyniku transpiracji można zmniejszyć poprzez zamknięcie szparek w liściach przy użyciu substancji zwanej ABA. Kiedy aparaty szparkowe są zamknięte fotosynteza zmniejszy się, ponieważ żaden CO2 nie może wejść przez zamknięte aparaty szparkowe. Mniejsza fotosynteza oznacza, że roślina wytwarza mniej energii i roślina przestaje rosnąć.
rośliny muszą chronić się przed niebezpiecznymi wolnymi rodnikami
w warunkach suszy kiedy roślina nie może prawidłowo zrównoważyć fotosyntezy i utraty wody, roślina będzie musiała radzić sobie z nieprzyjemnymi cząsteczkami zwanymi wolnymi rodnikami. Wolne rodniki występują naturalnie podczas fotosyntezy, ale gdy nie ma zbyt dużo dostępnej wody, tworzą się więcej wolnych rodników. Wolne rodniki mogą być bardzo niebezpieczne dla komórki, ponieważ mogą powodować uszkodzenia DNA, błon komórkowych, białek i cukrów (wszystkie te substancje są niezbędne do przetrwania komórki)!
rośliny są używane do radzenia sobie z małymi ilościami wolnych rodników. Jednak rośliny odporne na suszę są naprawdę dobre w radzeniu sobie z wolnymi rodnikami, ponieważ gromadzą substancje ochronne. Te substancje ochronne nazywane są zmiataczami wolnych rodników. Obecność zmiataczy wolnych rodników często powoduje zmianę koloru rośliny. Rośliny często stają się czerwone lub fioletowe, gdy zbierają się te padlinożercy (czy widzisz fioletowe liście suchej rośliny na rysunku 3B?). Zmiatacze wolnych rodników występują szeroko w przyrodzie i są bardzo dobre w usuwaniu wolnych rodników, aby chronić rośliny przed ich szkodliwym działaniem.
- ryc. 3-roślina Zmartwychwstania, Craterostigma pumilum.
- Tak wygląda roślina, gdy rośnie w warunkach, w których dostępna jest wystarczająca ilość wody. B). Dwa środkowe zdjęcia pokazują roślinę, gdy nie ma wody, po 3 tygodniach bez wody. Nie wygląda na martwą? C). Jeśli ta sama sucha, Martwa roślina zostanie podlewana, w ciągu 2 tygodni roślina wyzdrowieje z suszy i zacznie produkować nasiona.
rośliny muszą kontrolować ilość wody w swoich komórkach
osmoza jest ważnym pojęciem w biologii. Zasadniczo osmoza to przepływ wody przez błonę (jak błona komórkowa) do obszaru, w którym pewne cząsteczki (takie jak sole, cukry i wolne rodniki) występują w wyższych stężeniach. W ten sposób woda rozcieńczy stężenie tych cząsteczek tak, że stężenie jest równe po obu stronach błony. Pomyślcie teraz, co dzieje się z rośliną, która cierpi z powodu utraty wody. Nie ma wystarczającej ilości wody, aby umożliwić wystąpienie osmozy, więc cząsteczki stają się super skoncentrowane wewnątrz komórek roślinnych. Na ogół nie jest to dobra rzecz, zwłaszcza jeśli te cząsteczki są wolnymi rodnikami.
po raz kolejny rośliny odporne na suszę mają bardzo fajne strategie walki z tym problemem. Przy pierwszych oznakach suszy komórki tych roślin będą gromadzić kilka cząsteczek zaangażowanych w to, co nazywa się adaptacją osmotyczną (OA) . OA to zmiana stężenia substancji rozpuszczonej w komórce. To jest jak rozpuszczanie cukru w wodzie, gdzie cukier jest rozpuszczony. Te cząsteczki (rozpuszczone) mogą być cukrami, aminokwasami lub małymi białkami. Celem tych cząsteczek jest ograniczenie przepływu wody z komórki. To, co sprawia, że te cząsteczki OA są wyjątkowe w tolerancji na suszę, to fakt, że pełnią wiele funkcji. Cząsteczki OA mogą fizycznie wiązać się z DNA i białkami, aby chronić je przed wolnymi rodnikami. Mogą również wiązać wodę, zapobiegając jej wydostawaniu się z komórek roślinnych. Te cząsteczki OA wiążą się również z błonami, stabilizując strukturę rośliny, gdy woda jest ograniczona.
rośliny Resurrection są doskonałym przykładem tego, jak rośliny odporne na suszę łączą koncepcje, które omawialiśmy do tej pory. Rośliny zmartwychwstające są w stanie przetrwać całkowitą utratę wody. Gromadzą ogromne ilości Oa, uwalniają zmiatacze wolnych rodników i wytwarzają specjalne białka ochronne, aby przetrwać długie i ciężkie susze. Robią to wszystko, podczas gdy oni również złożyć swoje liście i czekać, aż spadnie deszcz (Rysunek 3). Proces ten można porównać do hibernacji niedźwiedzi.
geny rośliny kontrolują jej reakcje na suszę
należy pamiętać, że omówiliśmy te procesy stosowane do ochrony roślin przed suszą w bardzo uproszczony sposób. Przyjrzenie się tym procesom jest w rzeczywistości bardzo skomplikowane. Na bardzo podstawowym poziomie procesy te są regulowane przez wykorzystanie przez roślinę kodu genetycznego-genów. Substancje niezbędne do przetrwania suszy będą wytwarzane poprzez dostęp do tego kodeksu we właściwym czasie. Ten dostęp do kodu genetycznego, aby pomóc roślinie przetrwać suszę, nazywa się odpowiedzią genetyczną rośliny.
genetyczne reakcje rośliny doświadczającej stresu suszy są bardzo złożone—wiele genów jest włączanych lub wyłączanych. Wykorzystując zaawansowane technologie komputerowe, naukowcy są obecnie w stanie zidentyfikować większość genów, które odgrywają rolę w ochronie rośliny przed suszą. Technologia ta odkryła, że dosłownie setki genów są włączane i wyłączane, w zależności od tego, gdzie i kiedy są potrzebne! Nie możemy wymienić wszystkich tych genów, ponieważ będziesz całkowicie znudzony na końcu pierwszej strony! Co powiemy jest to, że te geny należą głównie do trzech grup: (1) geny, które kontrolują inne geny ważne dla włączania i wyłączania genów; (2) geny, które wytwarzają substancje, które pomagają w ochronie przed suszą w roślinie; oraz (3) geny zaangażowane w Pobieranie i transport wody.
dlaczego uważasz, że ważne jest, aby wiedzieć, które geny odgrywają rolę w zapobieganiu lub tolerowaniu suszy przez rośliny? Większość naszych upraw nie jest w stanie przetrwać suszy. Jak chronić nasze uprawy lub uczynić je bardziej odpornymi na te susze? Musimy wykorzystać wiedzę o genach włączanych lub wyłączanych podczas suszy, aby produkować rośliny bardziej odporne na suszę.
przez lata naukowcy odnieśli pewne sukcesy w produkcji roślin odpornych na suszę. Te odporne na suszę uprawy były produkowane głównie poprzez selekcję i hodowlę pojedynczych roślin, które przetrwały w warunkach suszy. W ciągu ostatnich kilku dekad naukowcy pracujący nad roślinami zmodyfikowanymi genetycznie (GM) zaczęli również koncentrować się na produkcji roślin odpornych na suszę .
aby wyprodukować roślinę GM, nowy gen (z dowolnego źródła!) wprowadza się do DNA rośliny. Wprowadzając ten nowy Gen / Y, naukowiec ma nadzieję wprowadzić nową, użyteczną cechę do zmodyfikowanej genetycznie rośliny. Wyobraź sobie, że możesz wybierać spośród setek przydatnych genów w roślinie zmartwychwstania i wprowadzać niektóre z nich do pszenicy! Niestety tylko garstka roślin odpornych na suszę (takich jak kukurydza/kukurydza i trzcina cukrowa) została z powodzeniem Wyprodukowana. Dużo więcej pracy musi być zrobione, w tym przekonanie opinii publicznej, że rośliny GM nie są niebezpieczne!
wniosek
rośliny są bardzo wrażliwe, jeśli chodzi o niedobór wody. Susza wpłynie na wzrost, rozwój, produktywność rośliny, a w konsekwencji na jej przetrwanie. Jednak rośliny mają pewne wbudowane zabezpieczenie przed suszą. Mogą mieć pewne dostosowania strukturalne, aby uniknąć lub tolerować odwodnienie. Mają również pewne wewnętrzne mechanizmy obronne, które są aktywowane, aby ograniczyć utratę wody, gdy zdają sobie sprawę, że woda staje się rzadka. Wszystkie te systemy obronne są regulowane przez geny rośliny. Wiedza o tych genach i ich zaangażowaniu w ochronę rośliny przed suszą daje ludzkości nadzieję na stworzenie odpornych na suszę upraw GM.
Słowniczek
siedzący: organizm, który nie może się poruszać i pozostaje w jednym miejscu, jak roślina.
sukulenty: rośliny o zagęszczonych i mięsistych liściach i łodygach, w których można przechowywać wodę.
transpiracja: proces, w którym korzenie roślin pobierają wodę, a następnie uwalniają parę wodną przez pory (aparaty szparkowe) w liściach.
aparaty szparkowe: małe otwory w dolnej powierzchni liścia, przez które woda i gaz mogą poruszać się wewnątrz i na zewnątrz rośliny.
fotosynteza: proces, w którym rośliny wykorzystują wodę, światło i CO2 do produkcji własnej żywności (w postaci cukrów) i uwalniają tlen do powietrza.
wolne rodniki: Cząsteczki, które reagują i niszczą wszystko, z czym się zetkną.
ABA: hormon roślinny zwany kwasem abscysynowym, który pomaga dbać o równowagę wodną w roślinach.
ciśnienie Turgora: napięcie wywierane na ścianę komórki roślinnej przez płyny wewnątrz komórki. Wyobraź sobie napełnianie balonu, który umieściłeś w szklanym słoiku. W miarę wypełniania balonu bardziej, naciska on na sztywny szklany słoik, podobnie jak płyny na sztywnej ścianie komórek roślinnych.
osmoza: przenoszenie wody przez błonę komórkową z jednej komórki do następnej komórki. Dlaczego? Aby zapewnić równe stężenia substancji rozpuszczonych po obu stronach membrany.
Regulacja osmotyczna: zmiana stężenia substancji rozpuszczonych w komórce roślinnej.
rozpuszczony: substancja (jak cukier), którą rozpuszczasz w roztworze (jak woda).
Oświadczenie o konflikcie interesów
autorzy oświadczają, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.
podziękowania
figury zostały stworzone w Mind the Graph platform (www.mindthegraph.com).
Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A., and Pereira, A. 2016. Adaptacja roślin do stresu suszy. F1000Res 5 (F1000 Rev):1554. doi: 10.12688 / f1000research.7678.1
Jak rośliny radzą sobie z klimatem pustynnym. Sonorensis. Vol. 17. Dostępne w: http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php
Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K., and Lam-Son, T. 2014. Reakcja roślin na stres wodny. Przód. Plant Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389 / fpls.2014.00086
Blum, A. 2014. Genomika odporności na suszę-zejście na ziemię. Funct. Plant Biol. 41:1191–8. doi: 10.1071 / FP14018