hranice pro mladé mysli
Abstrakt
rostliny pravidelně čelí suchým podmínkám. Nedostatek vody představuje vážnou hrozbu pro schopnost rostliny růst a rozvíjet se nebo dokonce jen přežít! Pokud rostliny zemřou, nebudeme mít dostatek jídla k jídlu! Jak se rostlinám podaří přežít během nedostatku vody? Musí být nějak schopni vnímat, reagovat a přizpůsobit se změnám v dostupnosti vody. Dělají to prostřednictvím řady technik, které umožňují rostlině bojovat proti nedostatku vody. Strukturální „brnění“ rostliny jí pomáhá snížit množství vody, kterou ztrácí na životní prostředí, a zvýšit skladování vody. Rostliny reagují na nedostatek vody velmi složitým způsobem. Tyto reakce mohou zahrnovat změny v růstu rostlin a jejich schopnosti chránit se před toxickými chemikáliemi, které se v rostlině hromadí během suchých období. Všechny reakce rostliny jsou přímo řízeny geny rostliny. Pokud dokážeme porozumět genům, které se podílejí na ochraně rostlin před suchem, v budoucnu bychom mohli být schopni vyrobit geneticky modifikované plodiny, které mohou tolerovat globální oteplování a změny klimatu.
slyšeli jste lidi mluvit o globálním oteplování a změně klimatu? Víte, co tyto pojmy znamenají? Tyto pojmy v podstatě znamenají, že země se každým rokem zahřívá. Tyto vyšší teploty vedou k neočekávaným a neobvyklým vzorcům počasí. Jedním z těchto extrémních vzorců počasí jsou častá a silná sucha. Sucha jsou velmi dlouhá suchá období bez deště. Co znamenají těžká sucha pro rostliny? Rostliny jsou přisedlé, což znamená, že zůstávají na jednom místě a nemohou se pohybovat jako my. Nemohou vytáhnout své kořeny a přemístit se na stinné nebo vlhké místo. Rostliny se proto musí nějak vypořádat s těmito stále se zvyšujícími podmínkami sucha, nebo prostě zemřou. Pamatujte, že rostliny jsou naše jídlo. Jíme rostliny syrové nebo vařené (ta zelenina, kterou vaše máma trvá na tom, že jíte!) nebo zpracované, jako vaše oblíbená krabička snídaňových cereálií . Takže pokud rostliny zemřou kvůli suchu, nebudeme mít dostatek jídla k jídlu!
Pokud v okolí není voda, co mohou rostliny udělat, aby přežily? Úžasně, zdá se, že všechny rostliny mají ve své DNA kódovanou řadu genů pro Strategie obrany proti suchu. Geny jsou malé části DNA, jako kapitoly v knize. Jak tyto geny používají, určuje jejich schopnost přežít sucho.
některé rostliny jsou odolné vůči suchu. Když mluvíme o rostlinách odolných proti suchu, máme na mysli rostliny, které vydrží suché podmínky bez umírání. Rostlina odolná vůči suchu může přežít sucho pomocí tří obranných strategií: únik, vyhýbání se nebo tolerování ztráty vody . Rostliny odolné vůči suchu jsou v přírodě poměrně vzácné a mohou vydržet dlouhá období bez vody. Některé z nejpozoruhodnějších rostlin odolných vůči suchu se nazývají rostliny vzkříšení. Vzkříšení rostliny jsou schopny přežít dlouhou dobu (až 3 roky!) bez vody. Dejte jim však trochu vody a za den nebo dva se vrátí k životu. Jiné rostliny odolné vůči suchu nemusí být tak velkolepé, ale i oni mohou přežít krátká období sucha pomocí speciálních technik a obranných strategií.
některé rostliny mají speciální struktury, které jim pomáhají přežít v podmínkách sucha
některé rostliny jsou schopny přežít sucha díky svým jedinečným strukturám. Mezi tyto strukturální rysy patří vnější pancíř rostlin, který je chrání před ztrátou vody, jakož i nástroje, které rostlinám pomáhají absorbovat a ukládat vodu. Rostliny odolné vůči suchu mohou být speciálně přizpůsobeny k životu a přežití ve velmi suchém prostředí. Tyto rostliny často vypadají zcela odlišně od rostlin žijících v oblastech, kde je voda snadno dostupná. Rostliny odolné vůči suchu mají obvykle speciální“ vyhýbání se “ (jedna z obranných úprav!) funkce, aby se ujistil, méně vody je ztracena k životnímu prostředí, nebo že více vody dostane absorbovány a uloženy v rostlině. Rostliny zvané pouštní sukulenty jsou dobrým příkladem rostlin, které mají strategie vyhýbání se suchu . Pouštní sukulenty mají silné masité listy, které se často vůbec nepodobají listům, a mají silnou voskovou vrstvu, která zabraňuje ztrátě vody. Pouštní sukulenty mají také rozsáhlé kořenové systémy, které hledají vodu pod suchou pouštní půdou (Obrázek 1). Některé sukulenty mají specializované kořeny, které tvoří velké cibulové struktury, které jsou ve skutečnosti podzemními vodními nádržemi pro rostlinu. Tyto rostliny mohou přežít roky sucha pomocí vody uložené v jejich žárovkách.
- obrázek 1-extrémní strukturální úpravy nalezené v rostlinách pro boj proti ztrátě vody a ukládání více vody.
Většina vody rostlina ztrácí ztracen v důsledku přirozeného procesu zvaném transpirace. Rostliny mají na spodní straně listů malé póry (otvory nebo otvory), nazývané stomata. Rostliny absorbují vodu svými kořeny a uvolňují vodu jako páru do vzduchu těmito stomaty. Aby rostliny přežily v podmínkách sucha, musí snížit transpiraci, aby omezily ztrátu vody. Některé rostliny, které žijí v suchých podmínkách, se vyvinuly tak, že mají menší listy, a proto méně stomat. Extrémními příklady jsou rostliny s listy, které připomínají špičaté trny. Některé rostliny mohou také zcela zbavit své listy v suchu, aby se zabránilo ztrátě vody. Základním pravidlem je, že méně listů znamená menší ztrátu vody transpirací. Tyto extrémní úpravy listů mohou také chránit rostliny před hladovými a žíznivými ptáky a zvířaty (Obrázek 1). Určitě byste nechtěli mít pichlavé jídlo!
některé úpravy jsou docela chytré a zahrnují rostliny „unikající“ suchu jako semena (pamatujte, útěk je další obranná strategie). Semena přežívají během suchých kouzel a velmi rychle klíčí (klíčí), rostou a produkují více semen, když prší. Tato semena jsou pak rozptýlena a mohou také přežít extrémní drsné podmínky po dlouhou dobu. Při bližším pohledu na pouštní půdy najdete spoustu semen, které leží kolem, jen čekají na déšť, než znovu vyklíčí.
některé rostliny mají také vnitřní obranu proti suchu
kromě speciálních struktur mají rostliny také vnitřní obranu, která je chrání před nedostatkem vody. Když rostlina zažije sucho, uvnitř rostliny se rychle objeví některé reakce, které rostlině pomohou se stresem sucha. Tyto reakce, které se vyskytují v rostlině, jsou často poměrně složité a sofistikované. Dáme vám několik příkladů.
rostliny stále potřebují provádět fotosyntézu během sucha
rostliny jsou zelené, protože obsahují zelenou chemickou látku zvanou chlorofyl. Chlorofyl je zabalen do speciálních struktur nazývaných chloroplasty, které jsou energetickými továrnami rostlin. Spolu s vodou a oxidem uhličitým (CO2) používá chlorofyl sluneční světlo k tvorbě cukrů. Tyto cukry umožňují rostlině růst a vzkvétat. Jedná se o proces fotosyntézy a souvisí s dostupností vody.
Když tam není hodně vody v rostlině je půda, proces fotosyntézy se stane trochu jinak a bude mít za následek hromadění škodlivých látek zvaných volné radikály. To znamená, že rostliny musí pečlivě kontrolovat, jak využívají energii slunce. Během fotosyntézy musí CO2 vstoupit do rostliny přes stomata (malé póry zmíněné dříve). Ale nezapomeňte, že otevřená stomata znamená, že voda bude ztracena transpirací! Takže, rostlina se potýkají s obtížný problém, ujistěte se, že má dostatek vody a také dostatek CO2 pro fotosyntézu dojít. K tomu rostliny používají „manažera“ zvaného kyselina abscisová (ABA).
Když rostlina zkušenosti nedostatek vody, ABA je rychle vyrobeny a dopraveny do průduchů. V průduškách ABA řídí, jak se průduchy otevírají a zavírají manipulací s něčím, co se nazývá turgorový tlak (Obrázek 2). Turgorový tlak je tlak působící na stěnu rostlinné buňky tekutinami uvnitř buňky. Čím více vody je v buňce (čím je buňka plnější) a tím větší je tlak. Řízení tlaku turgoru poskytuje rovnováhu mezi příjmem CO2 a ztrátou vody, takže může dojít k fotosyntéze. Pokud však voda zůstane v podmínkách sucha omezená, nakonec se rostlina nebude moci vyrovnat se stresem sucha a celý fotosyntetický proces může přestat správně fungovat. Rostliny odolné vůči suchu však přišly na chytrý způsob, jak se vyhnout problému ztráty vody během fotosyntézy. Otevírají své stomaty pouze během chladné noci, aby zachytili CO2. Pak ukládají tento CO2 a používají jej ve dne pro fotosyntézu. Tímto způsobem během dne ztrácejí méně vody, protože mohou udržovat stomata uzavřená, ale mohou i nadále růst—i když o něco pomaleji než obvykle.
- obrázek 2-vnitřní obrana rostlin pod tlakem vody.
- (A). Když je v půdě k dispozici dostatek vody, rostliny absorbují vodu svými kořeny. Tato voda bude použita rostlinou nebo uvolněna transpirací otevřenými stomaty v listech. Fotosyntéza se také vyskytne normálně, když CO2 a kyslík jsou absorbovány a uvolňovány otevřenými stomaty. (B). Pokud je však v půdě k dispozici omezená voda, rostliny se snaží zabránit ztrátě vody. Ztráta vody transpirací může být snížena uzavřením stomaty v listech pomocí látky zvané ABA. Když je stomata uzavřena, fotosyntéza se sníží, protože přes uzavřenou stomatu nemůže vstoupit Žádný CO2. Méně fotosyntézy znamená, že rostlina produkuje méně energie a rostlina přestane růst.
Rostliny Potřebují, aby se Ochránili před Nebezpečnými volnými Radikály
V podmínkách sucha, kdy rostlina nemůže zdá se, bilance fotosyntézy a ztráty vody správně, rostlina bude muset vypořádat s ošklivé malé molekuly zvané volné radikály. Volné radikály se přirozeně vyskytují během fotosyntézy, ale když není k dispozici mnoho vody, tvoří se více volných radikálů. Volné radikály mohou být pro buňku velmi nebezpečné, protože mohou způsobit poškození DNA, buněčných membrán, bílkovin a cukrů (všechny tyto látky jsou nezbytné pro přežití buňky)!
rostliny se používají k řešení nízkého množství volných radikálů. Rostliny odolné vůči suchu jsou však opravdu dobré při řešení volných radikálů, protože hromadí ochranné látky. Tyto ochranné látky se nazývají vychytávače volných radikálů. Přítomnost vychytávačů volných radikálů často způsobuje změnu barvy rostliny. Rostliny často zčervená nebo fialová, když se tyto mrchožrouti hromadí (vidíte fialové listy suché rostliny na obrázku 3B?). Volné radikály mrchožrouti se vyskytují široce v přírodě a jsou velmi dobré na vytírání volných radikálů chránit rostliny před jejich škodlivými účinky.
- obrázek 3-Rostlina vzkříšení, Craterostigma pumilum.
- (A). Takto vypadá rostlina, když roste v podmínkách, kde je k dispozici dostatek vody. (B). Dva střední obrázky ukazují rostlinu, když není k dispozici žádná voda, po 3 týdnech bez vody. Nepřipadá ti to mrtvé? (D). Pokud je stejná suchá, mrtvá rostlina napojena, do 2 týdnů se rostlina zotaví ze sucha a začne produkovat semena.
Rostliny Potřebují Kontrolovat Množství Vody uvnitř Jejich Buněk
Osmóza je důležitým pojmem v biologii. V podstatě, osmóza je pohyb vody přes membránu (například buněčná membrána) do oblasti, kde určité molekuly (jako soli, cukry a volné radikály) se vyskytují ve vyšších koncentracích. Tím voda zředí koncentraci těchto molekul tak, aby koncentrace byla stejná na obou stranách membrány. Nyní přemýšlejte o tom, co se stane s rostlinou, která trpí ztrátou vody. Není dostatek vody, aby se umožnila osmóza, takže molekuly se super koncentrují uvnitř rostlinných buněk. To obecně není dobrá věc, zejména pokud jsou tyto molekuly volnými radikály.
rostliny odolné vůči suchu mají opět několik velmi skvělých strategií k boji proti tomuto problému. Při prvních známkách sucha budou buňky těchto rostlin hromadit spoustu molekul zapojených do tzv. osmotické úpravy (OA) . OA je změna koncentrace rozpuštěné látky v buňce. Je to jako když rozpouštíte cukr ve vodě, kde cukr je rozpuštěná látka. Tyto molekuly (rozpuštěné látky) mohou být cukry, aminokyseliny nebo malé proteiny. Účelem těchto molekul je omezit pohyb vody z buňky. Co dělá tyto molekuly OA jedinečné v toleranci vůči suchu, je to, že slouží mnoha funkcím. Molekuly OA se mohou fyzicky vázat na DNA a proteiny, aby je chránily před volnými radikály. Mohou také vázat vodu samotnou a zabránit jí v pohybu z rostlinných buněk. Tyto molekuly OA se také vážou na membrány a stabilizují strukturu rostliny, když je voda omezena.
Vzkříšení rostliny jsou perfektní příklady, jak sucho tolerantní rostliny dohromady pojmy, které jsme až dosud hovořili. Vzkříšení rostliny jsou schopny přežít úplnou ztrátu vody. Akumulují obrovské množství OAs, uvolňují vychytávače volných radikálů a produkují speciální ochranné proteiny, které přežijí dlouhá a těžká sucha. Dělají to všechno, zatímco také sklopí listy a čekají, až padne déšť (obrázek 3). Tento proces lze přirovnat k medvědům, kteří přecházejí do hibernace.
Rostlinné Geny Kontrolovat své Reakce na Sucho
Mějte na paměti, že jsme diskutovali tyto procesy používané k ochraně rostlin před suchem ve velmi zjednodušeným způsobem. Bližší pohled na tyto procesy je ve skutečnosti velmi komplikovaný. Na základní úrovni jsou tyto procesy regulovány použitím genetického kódu rostliny-jeho genů. Látky nezbytné k přežití sucha budou produkovány přístupem k tomuto kódu ve správný čas. Tento přístup genetického kódu, který pomáhá rostlině přežít sucho, se nazývá genetická reakce rostliny.
genetické reakce rostliny zažívající stres sucha jsou velmi složité—spousta genů se zapíná nebo vypíná. Pomocí pokročilých počítačových technologií jsou vědci nyní schopni identifikovat většinu genů, které hrají roli při ochraně rostliny před suchem. Tato technologie zjistila, že doslova stovky genů se zapínají a vypínají, v závislosti na tom, kde a kdy jsou potřeba! Nemůžeme uvést všechny tyto geny, protože na konci první stránky se budete úplně nudit! Řekneme, že tyto geny spadají hlavně do tří skupin: (1) geny, které řídí jiné geny důležité pro zapnutí a vypnutí genů; (2) geny, které produkují látky, které pomáhají při ochraně před suchem v rostlině; a (3) geny podílející se na příjmu a transportu vody.
proč si myslíte, že by mohlo být důležité vědět, které geny hrají roli při pomoci rostlinám vyhnout se suchu nebo ho tolerovat? Většina našich plodin ve skutečnosti není schopna přežít sucha. Jak budeme chránit naše plodiny nebo je učinit odolnějšími vůči těmto suchům? Musíme využít znalosti genů, které jsou zapnuty nebo vypnuty během sucha, abychom produkovali rostliny, které jsou odolnější vůči suchu.
v průběhu let měli vědci rostlin určitý úspěch při produkci plodin odolných vůči suchu. Tyto plodiny odolné vůči suchu byly produkovány hlavně výběrem a chovem jednotlivých rostlin, které dobře přežily v podmínkách sucha. V posledních několika desetiletích se vědci pracující na geneticky modifikovaných (GM) rostlinách také začali soustředit na produkci plodin odolných vůči suchu .
k produkci GM rostliny, nový gen (z jakéhokoli zdroje!) se vkládá do DNA rostliny. Vložením tohoto nového genu / s vědec doufá, že do GM rostliny zavede nový, užitečný rys. Představte si, že si můžete vybrat ze stovek užitečných genů v rostlině vzkříšení a některé z nich zavést do pšenice! Bohužel byla úspěšně vyprodukována pouze hrstka GM rostlin odolných vůči suchu (jako je kukuřice/kukuřice a cukrová třtina). Je třeba udělat mnohem více práce, včetně přesvědčení široké veřejnosti, že GM rostliny nejsou nebezpečné!
závěr
rostliny jsou opravdu zranitelné, pokud jde o nedostatek vody. Sucho ovlivní růst, vývoj, produktivitu rostliny a nakonec její přežití. Rostliny však mají určitou vestavěnou ochranu proti suchu. Mohou mít některé strukturální úpravy, aby se zabránilo dehydrataci nebo ji tolerovaly. Mají také některé vnitřní obrany, které jsou aktivovány, aby se pokusili omezit ztráty vody, když si uvědomí, voda je stále vzácnější. Všechny tyto obranné systémy jsou regulovány geny rostliny. Znalost těchto genů a jejich zapojení do ochrany rostlin před suchem poskytuje lidstvu naději na výrobu geneticky modifikovaných plodin odolných vůči suchu.
Glosář
přisedlý: organismus, který se nemůže pohybovat a zůstává na jednom místě, jako rostlina.
Sukulenty: rostliny, které mají zesílené a masité listy a stonky, ve kterých může být uložena voda.
transpirace: proces, kdy kořeny rostlin zabírají vodu a poté uvolňují vodní páru póry (stomata) v listech.
Stomata: malé otvory ve spodní ploše listu, kterými se voda a plyn mohou pohybovat dovnitř a ven z rostliny.
fotosyntéza: proces, kdy rostliny používají vodu, světlo a CO2 k výrobě vlastních potravin (ve formě cukrů) a uvolňování kyslíku do vzduchu.
volné radikály: Molekuly, které budou reagovat a poškozovat cokoli, s čím přijdou do styku.
ABA: rostlinný hormon zvaný kyselina abscisová, který pomáhá pečovat o vodní bilanci v rostlinách.
Turgorový tlak: napětí vyvíjené tekutinami uvnitř buňky na stěnu rostlinné buňky. Představte si, že naplníte balón, který jste umístili do skleněné nádoby. Jak naplníte balón více, tlačí proti tuhé skleněné nádobě stejně jako tekutiny proti tuhé buněčné stěně rostlin.
osmóza: pohyb vody buněčnou membránou z jedné buňky do další buňky. Proč? Pro zajištění stejných koncentrací rozpuštěných látek na obou stranách membrány.
osmotická ÚPRAVA: Změna koncentrace rozpuštěných látek v rostlinné buňce.
rozpuštěná látka (jako cukr), kterou rozpouštíte v roztoku (jako voda).
Prohlášení o střetu zájmů
autoři prohlašují, že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by mohly být vykládány jako potenciální střet zájmů.
poděkování
obrázky byly vytvořeny v mysli platformy Graph (www.mindthegraph.com).
Basu, s., Ramegowda, v., Kumar, A., and Pereira, a. 2016. Adaptace rostlin na stres ze sucha. F1000Res 5 (F1000 Fakulta Rev): 1554. doi: 10.12688 / f1000výzkum.7678.1
Dimmitt, m.a. 1997. Jak se rostliny vyrovnávají s pouštním podnebím. Sonorensis. Svazek. 17. Dostupné na: http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php
Osakabe, y., Osakabe, k., Shinozaki, K., and Lam-Son, T. 2014. Reakce rostlin na vodní stres. Před. Plant Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389 / fpls.2014.00086
Blum, a.2014. Genomika pro odolnost proti suchu-dostat se na zem. Funct. Rostlina Biol. 41:1191–8. doi: 10.1071 / FP14018