Frontiers for Young Minds
abstrakt
planter står regelmæssigt over for tørre forhold. Ikke at have nok vand udgør en alvorlig trussel mod en plantes evne til at vokse og udvikle sig eller endda bare overleve! Hvis planter dør, har vi ikke nok mad at spise! Hvordan klarer planter at overleve under vandmangel? De skal på en eller anden måde kunne mærke, reagere og tilpasse sig ændringer i vandtilgængelighed. De gør dette gennem en række teknikker, der giver mulighed for en plante til at bekæmpe vandmangel. En plantes strukturelle “rustning” hjælper den med at reducere mængden af vand, den mister for miljøet og øge vandopbevaring. Planter reagerer på vandmangel på meget komplekse måder. Disse reaktioner kan omfatte ændringer i planternes vækst og i deres evne til at beskytte sig mod giftige kemikalier, der akkumuleres i planten i tørre perioder. Alle en plantes reaktioner styres direkte af plantens gener. Hvis vi kan forstå de gener, der er involveret i at beskytte planter mod tørke, kan vi i fremtiden muligvis fremstille genetisk modificerede afgrøder, der tåler global opvarmning og klimaændringer.
har du hørt folk tale om global opvarmning og klimaændringer? Ved du, hvad disse udtryk betyder? Disse udtryk indebærer dybest set, at jorden bliver varmere hvert år. Disse højere temperaturer fører til uventede og usædvanlige vejrmønstre. Et af disse ekstreme vejrmønstre er hyppige og alvorlige tørke. Tørke er meget lange tørre perioder uden regn. Hvad betyder alvorlig tørke for planter? Planter er siddende, hvilket betyder, at de bliver et sted og ikke kan bevæge sig rundt, som vi kan. De kan ikke trække deres rødder op og flytte til et skyggefuldt eller fugtigt sted. Derfor skal planter på en eller anden måde håndtere disse stadigt stigende tørkeforhold, eller de vil simpelthen dø. Husk, planter er vores mad. Vi spiser planter rå eller kogte (de grøntsager, din mor insisterer på, at du spiser!) eller forarbejdet, som din yndlingsboks med morgenmadsprodukter . Så hvis planter dør på grund af tørke, har vi ikke nok mad at spise!
Hvis der ikke er vand omkring, hvad kan planter gøre for at overleve? Forbløffende synes alle planter at have en række gener til tørkeforsvarsstrategier kodet i deres DNA. Gener er små dele af DNA, som kapitler i en bog. Hvordan de bruger disse gener bestemmer deres evne til at overleve tørke.
nogle planter er tørkebestandige. Når vi taler om tørkebestandige planter, mener vi planter, der kan modstå tørre forhold uden at dø. En tørkebestandig plante kan overleve tørke ved hjælp af tre forsvarsstrategier: undslippe, undgå eller tolerere tab af vand . Tørke tolerante planter er ret sjældne i naturen og kan udholde lange perioder uden vand overhovedet. Nogle af de mest spektakulære tørketolerante planter kaldes opstandelsesplanter. Opstandelsesplanter er i stand til at overleve lange perioder (op til 3 år!) uden vand. Giv dem dog lidt vand, så springer de tilbage til livet om en dag eller to. Andre tørkebestandige planter er måske ikke så spektakulære, men de kan også overleve korte perioder med tørke ved hjælp af specielle teknikker og forsvarsstrategier.
nogle planter har specielle strukturer, der hjælper dem med at overleve under tørkeforhold
nogle planter er i stand til at overleve tørke på grund af deres unikke strukturer. Disse strukturelle træk inkluderer den ydre rustning af planter, der beskytter dem mod vandtab, samt værktøjer til at hjælpe planterne med at absorbere og opbevare vand. Tørkebestandige planter kan specielt tilpasses til at leve og overleve i meget tørre omgivelser. Disse planter ser ofte helt anderledes ud end planter, der bor i områder, hvor vand er let tilgængeligt. De tørkebestandige planter har normalt særlig” undgåelse ” (en af forsvarstilpasningerne!) funktioner for at sikre, at mindre vand går tabt for miljøet, eller at mere vand absorberes og opbevares i planten. Planter kaldet ørkensucculenter er et godt eksempel på planter, der har tørkeundgåelsesstrategier . Ørkensucculenter har tykke kødfulde blade, som ofte slet ikke ligner blade, og de har et tykt voksagtigt lag for at forhindre vandtab. Desert Sukkulenter har også omfattende rodsystemer, der søger efter vand under den tørre ørkenjord (Figur 1). Nogle Sukkulenter har specialiserede rødder, der danner store pærestrukturer, som faktisk er underjordiske vandreservoirer til planten. Disse planter kan overleve år med tørke ved hjælp af det vand, der er opbevaret i deres pærer.
- Figur 1 – ekstreme strukturelle tilpasninger fundet i planter for at bekæmpe vandtab og opbevare mere vand.
det meste af det vand, en plante taber, går tabt på grund af en naturlig proces kaldet transpiration. Planter har små porer (huller eller åbninger) på undersiden af deres blade, kaldet stomata. Planter absorberer vand gennem deres rødder og frigiver vand som damp i luften gennem disse stomata. For at overleve under tørkeforhold skal planter reducere transpiration for at begrænse deres vandtab. Nogle planter, der lever under tørre forhold, har udviklet sig til at have mindre blade og derfor færre stomata. Ekstreme eksempler er planter med blade, der ligner spiky torner. Nogle planter kan også helt kaste deres blade i en tørke for at forhindre vandtab. Den grundlæggende regel er, at færre blade betyder mindre vandtab gennem transpiration. Disse ekstreme bladtilpasninger kan også beskytte planterne mod sultne og tørstige fugle og dyr (figur 1). Du vil bestemt ikke gerne have et stikkende måltid!
nogle tilpasninger er ret kloge og involverer planter, der “undslipper” tørke som frø (husk, flugt er en anden forsvarsstrategi). Frøene overlever under de tørre trylleformularer og spirer meget hurtigt (spirer), vokser og producerer flere frø, når regnen falder. Disse frø spredes derefter og kan også overleve ekstreme barske forhold i lange perioder. Når du ser nøje på ørkenjord, finder du en masse frø, der ligger rundt, bare venter på regn, før du spirer igen.
nogle planter har også interne forsvar mod tørke
ud over specielle strukturer har planter også interne forsvar for at beskytte dem mod vandmangel. Når en plante oplever tørkeforhold, vil nogle reaktioner hurtigt ske inde i planten for at hjælpe planten med Tørkens stress. Disse reaktioner, der forekommer i planten, er ofte ret komplekse og sofistikerede. Vi vil give dig nogle eksempler.
planter skal stadig udføre fotosyntese under tørke
planter er grønne, fordi de indeholder et grønt kemikalie kaldet klorofyl. Klorofyl er pakket i specielle strukturer kaldet kloroplaster, som er planternes energifabrikker. Sammen med vand og CO2 bruger klorofyl sollys til at skabe sukkerarter. Disse sukkerarter gør det muligt for planten at vokse og blomstre. Dette er processen med fotosyntese, og det er knyttet til tilgængeligheden af vand.
når der ikke er meget vand i plantens jord, vil fotosynteseprocessen ske lidt anderledes og vil resultere i opbygning af skadelige kemikalier kaldet frie radikaler. Det betyder, at planter skal omhyggeligt kontrollere, hvordan de bruger solens energi. Under fotosyntese skal CO2 komme ind i planten gennem dens stomata (de små porer, der er nævnt tidligere). Men husk, åben stomata betyder, at vand vil gå tabt gennem transpiration! Så planten står over for det vanskelige problem med at sikre, at den har nok vand og også nok CO2 til, at fotosyntese kan forekomme. For at gøre dette bruger planter en “manager” kaldet abscisinsyre (ABA).
Når en plante oplever mangel på vand, produceres ABA hurtigt og transporteres til stomata. I stomata styrer ABA, hvordan stomata åbnes og lukkes ved at manipulere noget, der kaldes turgor-tryk (figur 2) . Turgor tryk er det tryk, der påføres på væggen af plantecellen af væskerne inde i cellen. Jo mere vand der er i cellen (jo fyldigere cellen) og jo større er trykket. Styring af turgor-tryk giver en balance mellem CO2-indtag og vandtab, så fotosyntese kan forekomme. Men hvis vand forbliver begrænset under tørkeforhold, vil planten til sidst ikke være i stand til at klare Tørkens stress, og hele fotosyntetisk proces kan stoppe med at fungere korrekt. Imidlertid har tørkebestandige planter fundet ud af en smart måde at undgå problemet med at miste vand under fotosyntese. De åbner kun deres stomata i løbet af natten for at optage CO2. De gemmer derefter denne CO2 og bruger den om dagen til fotosyntese. På denne måde mister de mindre vand i løbet af dagen, fordi de kan holde stomata lukket, men de kan fortsætte med at vokse—selvom de er lidt langsommere end normalt.
- figur 2 – interne forsvar af planter under vand stress.
- (a). Når der er rigeligt med vand i jorden, absorberer planter vand gennem dets rødder. Dette vand vil blive brugt af planten eller frigivet gennem transpiration af åben stomata i bladene. Fotosyntese vil også forekomme normalt med CO2 og ilt absorberes og frigives gennem den åbne stomata. B). Men når der er begrænset vand i jorden, prøver planter at forhindre vandtab. Vandtab gennem transpiration kan reduceres ved at lukke stomata i bladene ved hjælp af et stof kaldet ABA. Når stomata er lukket, vil fotosyntese falde, fordi ingen CO2 kan komme ind gennem den lukkede stomata. Mindre fotosyntese betyder, at mindre energi produceres af planten, og planten holder op med at vokse.
planter skal beskytte sig mod farlige frie radikaler
under tørkeforhold, når en plante ikke ser ud til at afbalancere fotosyntese og vandtab korrekt, skal planten håndtere grimme små molekyler kaldet frie radikaler. Frie radikaler forekommer naturligt under fotosyntese, men når der ikke er meget vand til rådighed, dannes flere frie radikaler. Frie radikaler kan være meget farlige for cellen, fordi de kan forårsage skade på DNA, cellemembraner, proteiner og sukkerarter (alle disse stoffer er afgørende for en celles overlevelse)!
planter er vant til at håndtere lave mængder af frie radikaler. Imidlertid er tørketolerante planter virkelig gode til at håndtere frie radikaler, fordi de akkumulerer beskyttende stoffer. Disse beskyttende stoffer kaldes frie radikaler. Tilstedeværelsen af frie radikale scavengers forårsager ofte en ændring i plantens farve. Planter bliver ofte røde eller lilla, når disse scavengers ophobes (ser du de lilla blade af den tørre plante i figur 3b?). De frie radikaler opfangere forekommer bredt i naturen og er meget gode til at moppe op frie radikaler for at beskytte planter mod deres skadelige virkninger.
- figur 3 – opstandelsesanlægget, Craterostigma pumilum.
- (a). Sådan ser planten ud, når den vokser under forhold, hvor der er nok vand til rådighed. B). De to midterste billeder viser planten, når der ikke er vand til rådighed, efter 3 uger uden vand. Ser den ikke død ud? C). Hvis den samme tørre, dødt udseende plante vandes, vil planten inden for 2 uger komme sig efter tørken og begynde at producere frø.
planter skal kontrollere mængden af vand i deres celler
osmose er et vigtigt begreb i biologi. Grundlæggende er osmose bevægelse af vand over en membran (som en cellemembran) til et område, hvor visse molekyler (som salte, sukkerarter og frie radikaler) forekommer i højere koncentrationer. Ved at gøre dette vil vandet fortynde koncentrationen af disse molekyler, så koncentrationen er ens på begge sider af membranen. Tænk nu på, hvad der sker med en plante, der lider af tab af vand. Der er ikke nok vand til at tillade osmose at forekomme, så molekyler bliver superkoncentrerede inde i plantecellerne. Dette er generelt ikke en god ting, især hvis disse molekyler er frie radikaler.
endnu en gang har tørketolerante planter nogle meget seje strategier til at bekæmpe dette problem. Ved de første tegn på tørke vil cellerne i disse planter akkumulere en flok molekyler involveret i det, der kaldes osmotisk justering (OA) . OA er ændringen er opløst koncentration i en celle. Dette er som når du opløser sukker i vand, hvor sukker er det opløste stof. Disse molekyler (opløste stoffer) kan være sukkerarter, aminosyrer eller små proteiner. Formålet med disse molekyler er at begrænse bevægelsen af vand ud af cellen. Hvad der gør disse OA-molekyler unikke i tørketolerance er, at de tjener mange funktioner. OA-molekylerne kan fysisk binde til DNA og proteiner for at beskytte dem mod frie radikaler. De kan også binde vand selv og forhindre det i at bevæge sig ud af plantecellerne. Disse OA-molekyler binder også til membraner og stabiliserer plantens struktur, når vand er begrænset.
Opstandelsesplanter er perfekte eksempler på, hvordan tørketolerante planter samler de begreber, vi har diskuteret indtil videre. Opstandelsesplanter er i stand til at overleve fuldstændigt tab af vand. De akkumulerer store mængder OAs, frigiver frie radikaler og producerer specielle beskyttende proteiner for at overleve lange og alvorlige tørke. De gør alt dette, mens de også folder deres blade væk og venter, indtil regn falder (figur 3). Processen kan sammenlignes med bjørne, der går i dvale.
en plantes gener styrer dens reaktioner på tørke
Husk, at vi har diskuteret disse processer, der bruges til at beskytte planter mod tørke på en meget forenklet måde. At se nøje på disse processer er faktisk meget kompliceret. På det meget grundlæggende niveau reguleres disse processer af plantens brug af dens genetiske kode—dens gener. Stoffer, der er nødvendige for at overleve tørke, produceres ved at få adgang til denne kode på det rigtige tidspunkt. Denne adgang til den genetiske kode for at hjælpe en plante med at overleve en tørke kaldes plantens genetiske respons.
de genetiske reaktioner fra en plante, der oplever stress af en tørke, er meget komplekse—mange gener er tændt eller slukket. Ved hjælp af avancerede computerteknologier er forskere nu i stand til at identificere de fleste af de gener, der spiller en rolle i beskyttelsen af en plante mod tørke. Denne teknologi har fundet ud af, at bogstaveligt talt hundreder af gener tændes og slukkes, afhængigt af hvor og hvornår de er nødvendige! Vi kan ikke liste alle disse gener, fordi du vil kede dig helt i slutningen af den første side! Hvad vi vil sige er, at disse gener hovedsageligt falder i tre grupper: (1) gener, der styrer andre gener, der er vigtige for at tænde og slukke gener; (2) gener, der producerer stoffer, der hjælper med tørkebeskyttelse i planten; og (3) gener involveret i vandoptagelse og transport.
hvorfor tror du, det kan være vigtigt at vide, hvilke gener der spiller en rolle i at hjælpe planter med at undgå eller tolerere tørke? De fleste af vores afgrøder er faktisk ikke i stand til at overleve tørke. Hvordan skal vi beskytte vores afgrøder eller gøre dem mere modstandsdygtige over for disse tørke? Vi er nødt til at bruge viden om de gener, der tændes eller slukkes under tørkeforhold, til at producere planter, der er mere modstandsdygtige over for tørke.
i årenes løb har planteforskere haft en vis succes med at producere tørkebestandige afgrøder. Disse tørkebestandige afgrøder blev hovedsageligt produceret ved at vælge og opdrætte individuelle planter, der overlevede godt under tørkeforhold. I løbet af de sidste par årtier begyndte forskere, der arbejder med genetisk modificerede (GM) planter, også at fokusere på at producere tørkebestandige afgrøder .
for at producere en GM-plante, et nyt gen (fra enhver kilde!) indsættes i plantens DNA. Ved at indsætte dette nye gen / s håber forskeren at introducere et nyt, nyttigt træk i GM-anlægget. Forestil dig at kunne vælge mellem hundredvis af nyttige gener i en opstandelsesplante og introducere nogle af dem i hvede! Desværre er kun en håndfuld GM-tørkebestandige planter (såsom majs/majs og sukkerrør) blevet produceret med succes. Der skal gøres meget mere arbejde, herunder at overbevise offentligheden om, at GM-planter ikke er farlige!
konklusion
planter er virkelig sårbare, når det kommer til vandknaphed. Tørke vil påvirke en plantes vækst, udvikling, produktivitet og i sidste ende dens overlevelse. Planter har dog en vis indbygget beskyttelse mod tørke. De kan have nogle strukturelle tilpasninger for at undgå eller tolerere dehydrering. De har også nogle interne forsvar, der aktiveres for at forsøge at begrænse vandtab, når de indser, at vand bliver knappe. Alle disse forsvarssystemer er reguleret af plantens gener. Kendskab til disse gener og hvordan de er involveret i at beskytte planten mod tørke giver menneskeheden et håb om at gøre tørkebestandige GM-afgrøder.
ordliste
Sessile: en organisme, der ikke kan bevæge sig og forbliver et sted, som en plante.
Sukkulenter: planter, der har fortykkede og kødfulde blade og stilke, hvor vand kan opbevares.Transpiration: processen, hvor planterødder optager vand og derefter frigiver vanddamp gennem porer (stomata) i bladene.
Stomata: små huller i den nedre overflade af et blad, gennem hvilket vand og gas kan bevæge sig ind og ud af en plante.
fotosyntese: processen, hvor planter bruger vand, lys og CO2 til at producere deres egen mad (i form af sukker) og frigive ilt i luften.
frie radikaler: Molekyler, der vil reagere med og beskadige alt, hvad de kommer i kontakt med.
ABA: et plantehormon kaldet abscisinsyre, der hjælper med at tage sig af vandbalancen i planter.
Turgor tryk: den spænding, der udøves på en plantecellevæg af væskerne inde i cellen. Forestil dig at fylde en ballon, du har placeret inde i en glasburk. Når du fylder ballonen mere, presser den op mod den stive glaskrukke ligesom væskerne mod den stive plantecellevæg.osmose: flytning af vand gennem en cellemembran fra en celle til den næste celle. Hvorfor? For at sikre lige koncentrationer af opløste stoffer på begge sider af membranen.osmotisk justering: ændring af koncentrationen af opløste stoffer i en plantecelle.
opløst stof: stoffet (som sukker) du opløses i en opløsning (som vand).
interessekonflikt Erklæring
forfatterne erklærer, at forskningen blev udført i mangel af kommercielle eller økonomiske forhold, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.
anerkendelser
tal blev oprettet i sindet Grafplatformen (www.mindthegraph.com).
Basu, S. V., Kumar, A. og Pereira, A. 2016. Plant tilpasning til tørke stress. F1000Res 5 (F1000 Fakultet Rev): 1554. doi:10.12688 / f1000forskning.7678.1
Dimmitt, M. A. 1997. Hvordan planter klare ørkenklimaet. Sonorensis. Vol. 17. Tilgængelig på: http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php
Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinosaki, K. og Lam-Son, T. 2014. Reaktion af planter til vand stress. Front. Plant Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389 / fpls.2014.00086
Blum, A. 2014. Genomik for tørkebestandighed-at komme ned på jorden. Funktion. Plant Biol. 41:1191–8. doi: 10.1071 / FP14018