rajat nuorille mielille
abstraktit
kasvit kohtaavat säännöllisesti kuivia olosuhteita. Veden puute on vakava uhka kasvin kyvylle kasvaa ja kehittyä tai jopa vain selviytyä! Jos kasvit kuolevat, meillä ei ole tarpeeksi ruokaa syötäväksi! Miten kasvit selviävät vesipulan aikana? Niiden on jotenkin kyettävä aistimaan, reagoimaan ja sopeutumaan veden saatavuuden muutoksiin. He tekevät tämän erilaisilla tekniikoilla, joiden avulla kasvi voi torjua vesipulaa. Kasvin rakenteellinen ”haarniska” auttaa sitä vähentämään ympäristöön menettämänsä veden määrää ja lisäämään veden varastointia. Kasvit reagoivat vesipulaan hyvin monimutkaisilla tavoilla. Näitä vasteita voivat olla muutokset kasvien kasvussa ja niiden kyvyssä suojautua myrkyllisiltä kemikaaleilta, jotka kertyvät kasviin kuivina kausina. Kasvin kaikki vasteet ovat suoraan kasvin geenien säätelemiä. Jos ymmärrämme geenit, jotka liittyvät kasvien suojelemiseen kuivuudelta, voimme tulevaisuudessa ehkä valmistaa geenimuunneltuja kasveja, jotka sietävät ilmaston lämpenemistä ja ilmastonmuutoksia.
Oletko kuullut ihmisten puhuvan ilmaston lämpenemisestä ja ilmastonmuutoksesta? Tiedätkö, mitä nämä termit tarkoittavat? Nämä termit tarkoittavat käytännössä sitä, että maapallo kuumenee vuosi vuodelta. Nämä korkeammat lämpötilat johtavat odottamattomiin ja epätavallisiin sääilmiöihin. Yksi näistä sään ääri-ilmiöistä on usein toistuva ja ankara kuivuus. Kuivuuskaudet ovat hyvin pitkiä kuivia kausia ilman sateita. Mitä ankara kuivuus merkitsee kasveille? Kasvit ovat sessiilejä, eli ne pysyvät yhdessä paikassa eivätkä voi liikkua kuten me. Ne eivät voi vetää juuriaan ylös ja siirtyä varjoisaan tai kosteaan paikkaan. Siksi kasvien on jotenkin käsiteltävä näitä alati lisääntyviä kuivuusolosuhteita, tai ne yksinkertaisesti kuolevat. Muista, että kasvit ovat ruokaamme. Syömme kasveja raakoina tai kypsennettyinä (ne vihannekset, joita äitisi vaatii syömään!) tai jalostettu, kuten lempirasiasi aamiaismuroja . Jos siis kasveja kuolee kuivuuden vuoksi, meillä ei ole tarpeeksi ruokaa syötäväksi!
Jos ympärillä ei ole vettä, mitä kasvit voivat tehdä selviytyäkseen? Hämmästyttävää kyllä, kaikilla kasveilla näyttää olevan useita geenejä kuivuuden varalta-niiden DNA: han on koodattu puolustusstrategioita. Geenit ovat pieniä osia DNA: sta, kuin kirjan lukuja. Se, miten he käyttävät näitä geenejä, määrittää heidän kykynsä selviytyä kuivuudesta.
jotkin kasvit ovat kuivuutta kestäviä. Kun puhumme kuivuutta kestävistä kasveista, tarkoitamme kasveja,jotka kestävät kuivia olosuhteita kuolematta. Kuivuutta kestävä kasvi voi selvitä kuivuudesta käyttämällä kolmea puolustusstrategiaa: veden karkaamista, välttämistä tai sietämistä . Kuivuutta sietävät kasvit ovat luonnossa melko harvinaisia ja kestävät pitkiä aikoja ilman vettä lainkaan. Eräitä näyttävimpiä kuivuutta sietäviä kasveja kutsutaan ylösnousemuskasveiksi. Ylösnousemuskasvit pystyvät selviytymään pitkiä aikoja (jopa 3 vuotta!) ilman vettä. Anna niille kuitenkin hieman vettä, niin ne heräävät eloon parissa päivässä. Muut kuivuutta kestävät kasvit eivät ehkä ole yhtä näyttäviä, mutta nekin selviävät lyhyistä kuivuuskausista erikoistekniikoiden ja puolustusstrategioiden avulla.
joillakin kasveilla on erityisiä rakenteita, jotka auttavat niitä selviytymään kuivissa olosuhteissa
jotkut kasvit selviävät kuivuudesta ainutlaatuisten rakenteidensa ansiosta. Näitä rakenteellisia ominaisuuksia ovat kasvien ulkoinen panssari, joka suojaa niitä vesihäviöltä, sekä työkalut, joiden avulla kasvit imevät ja varastoivat vettä. Kuivuutta kestävät kasvit voivat olla erityisesti sopeutuneita elämään ja selviytymään hyvin kuivissa ympäristöissä. Nämä kasvit näyttävät usein aivan erilaisilta kuin kasvit, jotka elävät alueilla, joilla vettä on helposti saatavilla. Kuivuutta kestävillä kasveilla on yleensä erityinen ”välttäminen” (yksi puolustus sopeutumista!) ominaisuuksia, joilla varmistetaan, että vähemmän vettä häviää ympäristöön tai että enemmän vettä imeytyy ja varastoituu kasviin. Aavikon mehikasveiksi kutsutut kasvit ovat hyvä esimerkki kasveista, joilla on kuivuuden välttämisstrategiat . Aavikon mehikasveilla on paksut mehevät lehdet, jotka eivät usein muistuta lehtiä lainkaan, ja niissä on paksu vahamainen kerros estämään veden häviämistä. Aavikon mehikasveilla on myös laajat juuristot, jotka etsivät vettä kuivan aavikon maaperän alta (Kuva 1). Joillakin mehikasveilla on erikoistuneet juuret, jotka muodostavat suuria sipulirakenteita, jotka ovat itse asiassa maanalaisia vesivarastoja kasville. Nämä kasvit selviävät vuosia kestäneestä kuivuudesta sipuleihinsa varastoidun veden avulla.
- Kuva 1 – kasveissa tavattuja äärimmäisiä rakennesovituksia, jotka torjuvat vesihävikkiä ja varastoivat enemmän vettä.
suurin osa kasvin menettämästä vedestä menetetään transpiraatioksi kutsutun luonnollisen prosessin vuoksi. Kasveilla on lehtiensä alapinnalla pieniä huokosia (reikiä tai aukkoja), joita kutsutaan ilmarakoiksi. Kasvit imevät vettä juuriensa kautta ja vapauttavat vettä höyrynä ilmaan näiden ilmojen kautta. Selviytyäkseen kuivissa olosuhteissa kasvien on vähennettävä transpiraatiota rajoittaakseen vedenhukkaa. Joillakin kuivissa olosuhteissa elävillä kasveilla on kehittynyt pienemmät lehdet ja siten vähemmän ilmarakoa. Ääriesimerkkejä ovat kasvit, joiden lehdet muistuttavat piikikkäitä piikkejä. Jotkin kasvit voivat myös kokonaan karistaa lehtensä kuivuudessa estääkseen veden häviämisen. Perussääntö on, että vähemmän lehtiä tarkoittaa vähemmän vesihävikkiä transpiraation kautta. Nämä äärimmäiset lehtisovitukset voivat myös suojella kasveja nälkäisiltä ja janoisilta linnuilta ja eläimiltä (Kuva 1). Et varmastikaan haluaisi piikikästä ateriaa!
jotkin sopeutumat ovat varsin nokkelia ja niissä kasvit ”pakenevat” kuivuutta siemeninä (muista, pako on toinen puolustusstrategia). Siemenet selviävät kuivina kausina ja itävät hyvin nopeasti (itävät), kasvavat ja tuottavat lisää siemeniä sateiden laskiessa. Nämä siemenet ovat sitten hajallaan ja voivat myös selviytyä äärimmäisen ankarissa olosuhteissa pitkiä aikoja. Kun katsot tarkkaan autiomaan maaperää, löydät paljon siemeniä lojumassa, vain odottaa sadetta ennen itämistä uudelleen.
joillakin kasveilla on myös sisäinen puolustuskyky kuivuutta vastaan
erityisten rakenteiden lisäksi kasveilla on sisäinen puolustuskyky, joka suojaa niitä myös vesipulalta. Kun kasvi kokee kuivuutta olosuhteissa, jotkut reaktiot tapahtuu nopeasti kasvin sisällä auttaa kasvi stressiä kuivuuden. Nämä reaktiot, jotka tapahtuvat kasvi ovat usein melko monimutkaisia ja kehittyneitä. Annamme teille muutamia esimerkkejä.
kasvit tarvitsevat vielä yhteyttämistä kuivuuden aikana
kasvit ovat vihreitä, koska ne sisältävät vihreää kemikaalia nimeltä klorofylli. Klorofylli pakataan erityisiin kloroplasteiksi kutsuttuihin rakenteisiin, jotka ovat kasvien energiatehtaita. Yhdessä veden ja hiilidioksidin (CO2) kanssa klorofylli käyttää auringonvaloa sokereiden muodostamiseen. Näiden sokereiden avulla kasvi voi kasvaa ja kukoistaa. Tämä on yhteyttämisprosessi ja se on yhteydessä veden saatavuuteen.
kun kasvin maaperässä ei ole paljon vettä, fotosynteesi tapahtuu hieman eri tavalla ja johtaa haitallisten kemikaalien eli vapaiden radikaalien kertymiseen. Tämä tarkoittaa sitä, että kasvien täytyy huolellisesti valvoa, miten ne käyttävät auringon energiaa. Fotosynteesin aikana hiilidioksidin on tultava kasviin sen ilmaraon (aiemmin mainittujen pienten huokosten) kautta. Mutta muista, että avoin ilmalento tarkoittaa sitä, että vesi katoaa hikoilun kautta! Niinpä kasvilla on edessään vaikea ongelma varmistaa, että sillä on riittävästi vettä ja myös tarpeeksi CO2: ta yhteyttämisen aikaansaamiseksi. Tätä varten kasvit käyttävät” Manageria ” nimeltä abskisiinihappo (ABA).
kun kasvilla on pulaa vedestä, ABA: ta syntyy nopeasti ja kulkeutuu avantoon. Ilmarakossa ABA kontrolloi sitä, miten ilmarako aukeaa ja sulkeutuu, manipuloimalla jotain turgor-painetta (kuva 2) . Turgor-paine on paine, jota solun sisällä olevat nesteet kohdistavat kasvisolun seinään. Mitä enemmän solussa on vettä (mitä täydempi solu) ja sitä suurempi paine. Turgorin paineen hallinta tarjoaa tasapainon CO2: n saannin ja veden häviämisen välillä, jotta fotosynteesi voi tapahtua. Mutta jos vesi pysyy rajallisena kuivuusolosuhteissa, lopulta kasvi ei pysty selviytymään kuivuuden aiheuttamasta stressistä ja koko yhteyttävä prosessi voi lakata toimimasta kunnolla. Kuivuutta kestävät kasvit ovat kuitenkin keksineet näppärän keinon välttää veden katoaminen yhteyttämisen aikana. Ne avaavat vatsansa vain yön viileydessä ja ottavat hiilidioksidia. Sitten ne varastoivat tämän hiilidioksidin ja käyttävät sitä päivällä yhteyttämiseen. Näin ne menettävät vähemmän vettä päivän aikana, koska ne voivat pitää avanteen kiinni, mutta ne voivat jatkaa kasvuaan—tosin hieman normaalia hitaammin.
- kuva 2 – kasvien sisäinen puolustuskyky veden rasituksessa.
- (A). Kun maaperässä on runsaasti vettä, kasvit imevät vettä juuriensa kautta. Kasvi käyttää tätä vettä tai vapauttaa sitä lehtien avoimien ilmojen kautta. Yhteyttäminen tapahtuu myös normaalisti CO2: n ja hapen imeytyessä ja vapautuessa avoimen ilmatilan kautta. B). Mutta kun maaperässä on niukasti vettä, kasvit yrittävät estää veden häviämisen. Transpiraation aiheuttamaa vesihävikkiä voidaan vähentää sulkemalla lehdissä oleva ilmarako ABA-nimisellä aineella. Kun avanne on suljettu, yhteyttäminen vähenee, koska suljetun avanteen läpi ei pääse hiilidioksidia. Vähemmän yhteyttämistä tarkoittaa sitä, että kasvi tuottaa vähemmän energiaa ja kasvi lakkaa kasvamasta.
kasvien on suojauduttava vaarallisilta vapailta radikaaleilta
kuivissa olosuhteissa, kun kasvi ei näytä pystyvän tasapainottamaan fotosynteesiä ja veden häviämistä kunnolla, kasvi joutuu käsittelemään ikäviä pieniä molekyylejä, joita kutsutaan vapaiksi radikaaleiksi. Vapaita radikaaleja esiintyy luonnollisesti fotosynteesin aikana, mutta kun vettä ei ole paljon saatavilla, muodostuu enemmän vapaita radikaaleja. Vapaat radikaalit voivat olla hyvin vaarallisia solulle, koska ne voivat vahingoittaa DNA: ta, solukalvoja, proteiineja ja sokereita (kaikki nämä aineet ovat välttämättömiä solun selviytymiselle)!
kasvit ovat tottuneet käsittelemään pieniä määriä vapaita radikaaleja. Kuivuutta sietävät kasvit ovat kuitenkin todella hyviä käsittelemään vapaita radikaaleja, koska niihin kertyy suoja-aineita. Näitä suoja-aineita kutsutaan vapaiden radikaalien raadonsyöjiksi. Vapaiden radikaalien raadonsyöjien läsnäolo aiheuttaa usein kasvin värin muutoksen. Kasvit muuttuvat usein punaisiksi tai violeteiksi, kun nämä raadonsyöjät kerääntyvät (näetkö kuivan kasvin violetit lehdet Kuvassa 3B?). Vapaiden radikaalien raadonsyöjiä esiintyy luonnossa laajalti ja ne ovat erittäin hyviä moppaamaan vapaita radikaaleja suojellakseen kasveja niiden haitallisilta vaikutuksilta.
- kuva 3 – henkiinherätyskasvi, Kraterostigma pumilum.
- (A). Tältä kasvi näyttää, kun se kasvaa olosuhteissa, joissa on riittävästi vettä saatavilla. B). Kahdessa keskimmäisessä kuvassa kasvi näkyy, kun vettä ei ole saatavilla, 3 viikon kuluttua ilman vettä. Eikö se näytä kuolleelta? C). Jos sama kuiva, kuolleen näköinen kasvi kastellaan, 2 viikon kuluessa kasvi toipuu kuivuudesta ja alkaa tuottaa siemeniä.
kasvien täytyy kontrolloida vesimäärää soluissaan
osmoosi on tärkeä käsite biologiassa. Pohjimmiltaan osmoosi on veden liikettä kalvon yli (kuten solukalvo) alueelle, jossa tietyt molekyylit (kuten suolat, sokerit ja vapaat radikaalit) esiintyvät korkeampina pitoisuuksina. Näin vesi laimentaa näiden molekyylien konsentraatiota niin, että pitoisuus on yhtä suuri kalvon molemmilla puolilla. Mieti nyt, mitä tapahtuu vedenhukasta kärsivälle kasville. Vettä ei ole tarpeeksi, jotta osmoosi voisi tapahtua, joten molekyylit tulevat superkonsentroituneiksi kasvisolujen sisälle. Tämä ei yleensä ole hyvä asia, varsinkin jos nämä molekyylit ovat vapaita radikaaleja.
jälleen kerran kuivuutta sietävillä kasveilla on varsin viileitä strategioita tämän ongelman torjumiseksi. Kuivuuden ensimmäisissä merkeissä näiden kasvien soluihin kertyy nippu molekyylejä, jotka osallistuvat niin sanottuun osmoottiseen säätelyyn (OA) . OA on muutos on solukon pitoisuus. Tämä on kuin liuetessasi sokeria veteen, jossa sokeri on liuenneena. Nämä molekyylit (liuokset) voivat olla sokereita, aminohappoja tai pieniä proteiineja. Näiden molekyylien tarkoituksena on rajoittaa veden liikettä ulos solusta. Se, mikä tekee näistä OA-molekyyleistä ainutlaatuisia kuivuuden sietokyvyssä, on se, että ne palvelevat monia toimintoja. OA-molekyylit voivat sitoutua fyysisesti DNA: han ja proteiineihin suojellakseen niitä vapailta radikaaleilta. Ne voivat myös itse sitoa vettä estäen sitä liikkumasta pois kasvisoluista. Nämä OA-molekyylit sitoutuvat myös kalvoihin, mikä stabiloi kasvin rakennetta veden rajoittuessa.
Henkiinherätyskasvit ovat täydellisiä esimerkkejä siitä, miten kuivuutta sietävät kasvit yhdistävät tähän mennessä käsittelemämme käsitteet. Henkiinherätyskasvit selviävät täydellisestä vedenhukasta. Ne keräävät valtavia määriä OAs: ia, vapauttavat vapaiden radikaalien raadonsyöjiä ja tuottavat erityisiä suojaproteiineja selviytyäkseen pitkistä ja ankarista kuivuuksista. Ne tekevät kaiken tämän samalla, kun ne myös taittavat lehtensä pois ja odottavat sateen tuloa (kuva 3). Prosessia voi verrata siihen, että karhut menevät horrokseen.
kasvin geenit säätelevät sen reagointia kuivuuteen
muista, että olemme keskustelleet näistä prosesseista, joilla kasveja suojellaan kuivuudelta hyvin yksinkertaistetusti. Näiden prosessien lähempi tarkastelu on itse asiassa hyvin monimutkaista. Aivan perustasolla näitä prosesseja säätelee se, että kasvi käyttää geneettistä koodiaan-geenejään. Kuivuudesta selviämiseen tarvittavat aineet tuotetaan käyttämällä tätä koodia oikeaan aikaan. Tätä geneettisen koodin käyttöä, joka auttaa kasvia selviytymään kuivuudesta, kutsutaan kasvin geneettiseksi reaktioksi.
kuivuudesta kärsivän kasvin geneettiset vasteet ovat hyvin monimutkaisia—monet geenit kytkeytyvät päälle tai pois päältä. Kehittyneen tietotekniikan avulla tiedemiehet pystyvät nyt tunnistamaan useimmat geenit, joilla on rooli kasvin suojelemisessa kuivuudelta. Tämä tekniikka on havainnut, että kirjaimellisesti satoja geenejä kytketään päälle ja pois, riippuen siitä, missä ja milloin niitä tarvitaan! Emme voi luetella kaikkia näitä geenejä, koska olet täysin kyllästynyt ensimmäisen sivun lopussa! Toteamme, että nämä geenit jakautuvat pääasiassa kolmeen ryhmään: 1) geenit, jotka ohjaavat muita geenejä, jotka ovat tärkeitä geenien kytkemiseksi päälle ja pois päältä; (2) geenit, jotka tuottavat kasvissa kuivuudelta suojaavia aineita, ja (3) veden ottoon ja kuljetukseen osallistuvat geenit.
miksi mielestäsi olisi tärkeää tietää, mitkä geenit auttavat kasveja välttämään tai sietämään kuivuutta? Suurin osa sadostamme ei itse asiassa selviä kuivuudesta. Miten suojelemme viljelyksiämme tai teemme niistä vastustuskykyisempiä kuivuudelle? Meidän on hyödynnettävä kuivuuden aikana päälle tai pois päältä kytkettyjen geenien tuntemusta tuottaaksemme kasveja, jotka kestävät kuivuutta paremmin.
kasvitutkijat ovat vuosien saatossa onnistuneet tuottamaan kuivuutta kestäviä viljelykasveja. Nämä kuivuutta kestävät viljelykasvit tuotettiin pääasiassa valitsemalla ja jalostamalla yksittäisiä kasveja, jotka selvisivät hyvin kuivissa olosuhteissa. Viime vuosikymmeninä myös geenimuunneltujen kasvien parissa työskentelevät tutkijat alkoivat keskittyä kuivuutta kestävien viljelykasvien tuottamiseen .
tuottaa GM-kasvi, Uusi geeni (mistä tahansa lähteestä!) lisätään kasvin DNA: han. Lisäämällä tämän uuden geenin / s, tiedemies toivoo tuoda uuden, hyödyllinen ominaisuus GM kasvi. Kuvittele, että voisit valita sadoista ylösnousemuskasvin hyödyllisistä geeneistä ja lisätä joitakin niistä vehnään! Valitettavasti vain kourallinen muuntogeenisiä kuivuutta kestäviä kasveja (kuten maissi/Maissi ja sokeriruoko) on onnistuttu tuottamaan. On tehtävä paljon enemmän työtä, myös vakuutettava yleisölle, etteivät muuntogeeniset kasvit ole vaarallisia!
johtopäätös
kasvit ovat todella haavoittuvia veden niukkuuden suhteen. Kuivuus vaikuttaa kasvin kasvuun, kehitykseen, tuottavuuteen ja lopulta sen selviytymiseen. Kasveilla on kuitenkin jonkinlainen sisäänrakennettu suoja kuivuutta vastaan. Niillä voi olla joitakin rakenteellisia sopeutumia, jotka estävät tai sietävät kuivumista. Heillä on myös joitakin sisäisiä puolustuksia, jotka aktivoituvat yrittämään rajoittaa veden menetystä, kun he tajuavat, että vedestä on tulossa pulaa. Kaikkia näitä puolustusjärjestelmiä säätelevät kasvin geenit. Tieto näistä geeneistä ja siitä, miten ne osallistuvat kasvin suojelemiseen kuivuudelta, antaa ihmiskunnalle toivoa tuottaa kuivuutta kestäviä muuntogeenisiä viljelykasveja.
Sanasto
Sessiili: eliö, joka ei pysty liikkumaan ja pysyy yhdessä paikassa, kuten kasvi.
Mehikasvit: kasvit, joilla on paksunnetut ja mehevät lehdet ja varret, joihin voi varastoida vettä.
transpiraatio: prosessi, jossa kasvien juuret ottavat vettä ja vapauttavat sitten vesihöyryä lehtien huokosten (ilmarakojen) läpi.
avanne: lehden alapinnassa on pieniä reikiä, joiden kautta vesi ja kaasu voivat liikkua kasviin ja siitä ulos.
fotosynteesi: prosessi, jossa kasvit käyttävät vettä, valoa ja CO2: ta Oman ravintonsa (sokerien muodossa) tuottamiseen ja vapauttavat happea ilmaan.
vapaat radikaalit: Molekyylit, jotka reagoivat ja vahingoittavat kaikkea, minkä kanssa ne joutuvat kosketuksiin.
ABA: kasvihormoni abskissihappo, joka auttaa huolehtimaan kasvien vesitasapainosta.
Turgoripaine: solun sisällä olevien nesteiden kasvin soluseinään kohdistama jännitys. Kuvittele, että täyttäisit lasipurkin sisälle asettamasi ilmapallon. Täyttäessäsi ilmapalloa enemmän se painautuu jäykkää lasipurkkia vasten aivan kuten nesteet jäykkää kasvisoluseinää vasten.
osmoosi: veden liikuttaminen solukalvon läpi solusta toiseen. Miksi? Sen varmistamiseksi, että liuosten pitoisuudet kalvon molemmilla puolilla ovat yhtä suuret.
osmoottinen säätö: liuosten pitoisuuden muuttaminen kasvisolussa.
liuote: aine (kuten sokeri), jonka liuotat liuokseen (kuten veteen).
Eturistiriitalausunto
kirjoittajat toteavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, joita voitaisiin pitää mahdollisena eturistiriitana.
kuittaukset
luvut luotiin mielessä Graafialusta (www.mindthegraph.com).
Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A., and Pereira, A. 2016. Kasvien sopeutuminen kuivuusstressiin. F1000Res 5 (F1000 Tiedekunnan Rev): 1554. doi: 10.12688 / f1000tutkimus.7678.1
Dimmitt, M. A. 1997. Miten kasvit selviävät aavikkoilmastosta. Sonorensis. Vol. 17. Saatavilla osoitteessa http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php
Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K. ja Lam-Son, T. 2014. Vaste kasvien veden stressiä. Edessä. Plant Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389 / fpls.2014.00086
Blum, A. 2014. Genomiikka kuivuuden kestävyys-getting alas maahan. Funct. Kasvi Biol. 41:1191–8. doi: 10.1071 / FP14018