határok a fiatal elmék számára
absztrakt
a növények rendszeresen száraz körülmények között szembesülnek. A víz hiánya 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? Valahogy képesnek kell lenniük arra, hogy érzékeljék, reagáljanak és alkalmazkodjanak a vízkészlet változásaihoz. Ezt egy sor olyan technikával teszik lehetővé, amelyek lehetővé teszik a növény számára a vízhiány leküzdését. A növény szerkezeti “páncélja” segít csökkenteni a környezetbe jutó víz mennyiségét és növeli a víz tárolását. A növények nagyon összetett módon reagálnak a vízhiányra. Ezek a reakciók magukban foglalhatják a növények növekedésében bekövetkező változásokat és azon képességüket, hogy megvédjék magukat a növényben a száraz időszakokban felhalmozódó mérgező vegyi anyagoktól. A növény összes válaszát közvetlenül a növény génjei szabályozzák. Ha megértjük azokat a géneket, amelyek részt vesznek a növények Aszály Elleni védelmében, a jövőben képesek lehetünk olyan géntechnológiával módosított növényeket előállítani, amelyek tolerálják a globális felmelegedést és az éghajlatváltozást.
hallottál már embereket a globális felmelegedésről és az éghajlatváltozásról? 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 ülők, 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 viszonyokkal, vagy egyszerűen meghalnak. Ne feledje, hogy a növények az ételünk. Nyers vagy szakács növényeket eszünk (azok a zöldségek, amelyeket anyád ragaszkodik ahhoz, hogy enni!) 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 növény DNS-ében számos gén van az aszályvédelmi stratégiákhoz kódolva. A gének a DNS kis részei, mint egy könyv fejezetei. Az, hogy ezeket a géneket hogyan használják, meghatározza az aszály túlélésének képességét.
egyes növények szárazságnak ellenállnak. Amikor szárazságtűrő növényekről beszélünk, olyan növényeket értünk, amelyek halál nélkül képesek ellenállni a száraz körülményeknek. Az aszálynak ellenálló növény három Védelmi stratégia alkalmazásával képes túlélni az aszályt: elmenekülni, elkerülni vagy tolerálni a vízveszteséget . Az aszálytűrő növények meglehetősen ritkák a természetben, és hosszú ideig képesek elviselni víz nélkül. A leglátványosabb szárazságtűrő növényeket feltámadási növényeknek nevezzük. A feltámadási növények hosszú ideig képesek túlélni (legfeljebb 3 évig!) víz nélkül. Azonban adj nekik egy kis vizet, és egy-két nap múlva újra életre kelnek. Más szárazságtűrő növények talán nem olyan látványosak, de ők is képesek túlélni a rövid aszályos időszakokat speciális technikák és védelmi stratégiák alkalmazásával.
egyes növények speciális struktúrákkal 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 szárazságnak ellenálló növények speciálisan alkalmazkodhatnak a nagyon száraz környezetben való élethez és túléléshez. Ezek a növények gyakran teljesen különböznek azoktól a növényektől, amelyek olyan területeken élnek, ahol a víz könnyen elérhető. Az aszályálló növények általában speciális “elkerüléssel” rendelkeznek (az egyik védelmi adaptáció!) funkciók, amelyek biztosítják, hogy kevesebb víz vesszen el a környezetbe, vagy hogy több víz szívódjon fel és tárolódjon a növényben. A sivatagi pozsgás növényeknek nevezett növények jó példa azokra a növényekre, amelyek aszály-elkerülési stratégiákkal rendelkeznek . A sivatagi pozsgás növények vastag húsos levelekkel rendelkeznek, amelyek gyakran egyáltalán nem hasonlítanak a levelekre, vastag viaszos rétegük van a vízveszteség megelőzésére. 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 izzószerkezeteket alkotnak, amelyek valójában a növény földalatti víztározói. Ezek a növények az izzókban tárolt víz felhasználásával túlélhetik az aszály éveit.
- 1.ábra – Extrém szerkezeti adaptációk találhatók a növényekben a vízveszteség leküzdésére és több víz tárolására.
a növény által elvesztett víz nagy része elvész 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. Néhány növény, amely száraz körülmények között él, kisebb levelekkel, ezért kevesebb sztómával rendelkezik. Szélsőséges példák a tüskés tövisekre emlékeztető levelekkel rendelkező növények. Egyes növények szárazságban is teljesen leválhatják leveleiket, hogy megakadályozzák a vízveszteséget. Az alapszabály az, hogy a kevesebb levél kevesebb vízveszteséget jelent a transzpiráció révén. Ezek a szélsőséges levéladaptációk megvédhetik a növényeket az éhes és szomjas madaraktól és állatoktól (1.ábra). Biztosan nem szeretne egy tüskés ételt!
néhány adaptáció nagyon okos, és magában foglalja a növényeket, amelyek” menekülnek ” az aszályból, mint magvak (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 túlélhetik a szélsőséges zord körülményeket is. A sivatagi talajokat alaposan megnézve sok magot talál, amelyek csak esőre várnak, mielőtt újra csíráznak.
egyes növények belső védekezéssel is rendelkeznek az aszály ellen
a speciális struktúrák mellett 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 fordulnak elő, gyakran meglehetősen összetettek és kifinomultak. Adunk néhány példát.
A növényeknek szárazság idején is fotoszintézist kell végezniük
a növények zöldek, mert klorofill nevű zöld vegyszert tartalmaznak. A klorofill speciális struktúrákba van csomagolva, amelyeket kloroplasztoknak neveznek, amelyek a növények energiagyárai. A vízzel és a szén-dioxiddal (CO2) együtt a klorofill 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, a nyitott sztómák azt jelentik, hogy a víz elvész a transzpiráció révén! Tehát a növény szembesül azzal a nehéz problémával, hogy elegendő vízzel és elegendő CO2-vel rendelkezik a fotoszintézis kialakulásához. Ehhez a növények az abszciszinsav (Aba) nevű “menedzsert” használják.
amikor egy növény vízhiányt tapasztal, az ABA gyorsan termelődik és szállítódik a sztómákba. A sztómákban az ABA szabályozza, hogy a sztómák hogyan nyílnak és záródnak, az úgynevezett turgornyomás manipulálásával (2 .ábra). A turgornyomás az a nyomás, amelyet a sejt belsejében lévő folyadékok a növényi sejt falára gyakorolnak. Minél több víz van a cellában (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 aszályos körülmények között, végül a növény nem lesz képes megbirkózni az aszály okozta stresszel, és az egész fotoszintetikus folyamat leállhat. Az aszályálló növények azonban okos módszert találtak ki a fotoszintézis során a víz elvesztésének problémájának elkerülésére. Csak az éjszaka hűvösében nyitják meg a sztómájukat, hogy felvegyék a CO2-t. Ezután tárolják ezt a CO2-t, és nappal használják a fotoszintézishez. Ily módon 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 vízterhelés 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 transzpirációjával 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 azáltal, hogy a levelekben lévő sztómákat Aba nevű anyag felhasználásával zárják le. Amikor a sztóma zárt, a fotoszintézis csökken, mert a zárt sztómán 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 úgy tűnik, hogy egy növény nem képes megfelelően egyensúlyba hozni a fotoszintézist és a vízveszteséget, a növénynek csúnya kis molekulákkal kell foglalkoznia, 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 gyököknek 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 képen a növény látható, 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 ellenőrizniük kell a sejtjeikben lévő víz mennyiségét
az ozmózis fontos fogalom a biológiában. Alapvetően az ozmózis a víz mozgása egy membránon (mint egy sejtmembránon) egy olyan területre, ahol bizonyos molekulák (például sók, cukrok és szabad gyökök) magasabb koncentrációban fordulnak elő. Ezzel a víz hígítja ezen molekulák koncentrációját úgy, hogy a koncentráció egyenlő legyen a membrán mindkét oldalán. Most gondoljon arra, hogy mi történik egy olyan növényrel, amely a vízveszteségtől szenved. Nincs elegendő víz az ozmózis kialakulásához, így a molekulák szuperkoncentrálódnak a növényi sejtekben. Ez általában nem jó dolog, különösen, ha ezek a molekulák szabad gyökök.
ismét az aszálytűrő növényeknek nagyon jó stratégiáik vannak a probléma leküzdésére. Az aszály első jeleinél ezeknek a növényeknek a sejtjei felhalmozódnak egy csomó molekulát, amelyek részt vesznek az úgynevezett ozmotikus kiigazításban (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 az aszálytűrésben, az az, hogy sok funkciót töltenek be. 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 az aszálytűrő növények hogyan hozzák össze az eddig tárgyalt fogalmakat. A feltámadó növények képesek túlélni a teljes vízveszteséget. Hatalmas mennyiségű OAs-t halmoznak fel, szabad gyököket szabadítanak fel, és speciális védőfehérjéket termelnek, hogy túléljék a hosszú és súlyos aszályokat. Mindezt úgy teszik, hogy közben 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 a növények aszály elleni védelmére nagyon egyszerűsített módon tárgyaltuk. 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, hogy segítse a növényt az aszály túlélésében, a növény genetikai válaszának nevezzük.
az aszály okozta stresszt átélő növény genetikai válaszai nagyon összetettek—sok gén be-vagy kikapcsol. A fejlett számítógépes technológiák segítségével a tudósok képesek azonosítani a legtöbb olyan gént, amelyek szerepet játszanak a növény szárazság elleni 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, a gének be-és kikapcsolásához fontos géneket irányítanak; (2) olyan gének, amelyek olyan anyagokat termelnek, amelyek segítenek a növény szárazságvédelmében; és (3) a víz felvételében és szállításában részt vevő gének.
miért gondolja, hogy 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 az aszályokkal szemben? Az aszályos körülmények között be-vagy kikapcsolt gének ismeretét kell felhasználnunk az aszálynak jobban ellenálló növények előállításához.
az évek során a növénytudósok némi sikert arattak a szárazságnak ellenálló növények előállításában. Ezeket a szárazságtűrő növényeket elsősorban az aszályos körülmények között jól túlélő egyedi növények kiválasztásával és tenyésztésével állították elő. Az elmúlt néhány évtizedben a géntechnológiával módosított (GM) növényeken dolgozó tudósok szintén szárazságtűrő növények előállítására összpontosítottak .
GM növény előállításához egy új gént (bármilyen forrásból!) a növény DNS-ébe kerül. Az új gén / s beillesztésével a tudós reméli, hogy új, hasznos tulajdonságot vezet be a GM növénybe. Képzeld el, hogy több száz hasznos gén közül választhatsz egy feltámadási növényben, és néhányat bevezethetsz a búzába! Sajnos csak néhány GM szárazságtűrő növényt (például kukoricát/kukoricát és cukornádot) sikerült sikeresen előállítani. 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 hogyan vesznek részt a növény szárazság elleni védelmében, reményt ad az emberiségnek, hogy szárazságálló GM növényeket készítsen.
szószedet
Sessile: 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 (sztómákon) keresztül.
Stomata: kis lyukak a levél alsó felületén, amelyeken keresztül a víz és a gáz be-és kiléphet a növényből.
fotoszintézis: az a folyamat, amikor a növények vizet, fényt és CO2-t használnak saját táplálékuk előállításához (cukrok formájában), és oxigént bocsátanak ki a levegőbe.
szabad gyökök: Olyan molekulák, amelyek reagálnak és károsítanak bármit, amivel érintkezésbe kerülnek.
Aba: az abszciszinsav nevű növényi hormon, amely segít a növények vízmérlegének gondozásában.
Turgornyomás: a sejt belsejében lévő folyadékok által a növényi sejtfalra kifejtett feszültség. Képzelje el, hogy megtölt egy ballont, 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 következő cellába. Miért? Az oldott anyagok egyenlő koncentrációjának biztosítása a membrán mindkét oldalán.
ozmotikus beállítás: az oldott anyagok koncentrációjának megváltoztatása egy növényi sejtben.
oldott anyag: az anyag (mint a cukor) feloldódik egy oldatban (mint a víz).
összeférhetetlenségi nyilatkozat
a szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségnek tekinthetők.
köszönetnyilvánítások
számok jöttek létre az elme a gráf platform (www.mindthegraph.com).
Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A. és Pereira, A. 2016. Növényi alkalmazkodás az aszály stresszhez. F1000Res 5 (F1000 Kar Rev): 1554. doi:10.12688 / f1000research.7678.1
Dimmitt, M. A. 1997. Hogyan növények megbirkózni a sivatagi éghajlat. Sonorensis. Vol. 17. Elérhető a következő címen: http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php
Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K., and Lam-Son, T. 2014. A növények reakciója a víz stresszére. Előre. Növény Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389 / fpls.2014.00086
Blum, A. 2014. Genomika az aszályállóságért – leszállni a földre. Funct. Növényi Biol. 41:1191–8. doi: 10.1071 / FP14018