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Abstract
Le piante affrontano regolarmente condizioni asciutte. Non avere abbastanza acqua rappresenta una seria minaccia per la capacità di una pianta di crescere e svilupparsi o anche solo sopravvivere! Se le piante muoiono, non avremo abbastanza cibo da mangiare! In che modo le piante riescono a sopravvivere durante la scarsità d’acqua? Devono in qualche modo essere in grado di percepire, rispondere e adattarsi ai cambiamenti nella disponibilità di acqua. Lo fanno attraverso una serie di tecniche che consentono a una pianta di combattere la carenza d’acqua. L’armatura strutturale di una pianta aiuta a diminuire la quantità di acqua che perde nell’ambiente e ad aumentare lo stoccaggio dell’acqua. Le piante rispondono alle carenze idriche in modi molto complessi. Queste risposte possono includere cambiamenti nella crescita delle piante e nella loro capacità di proteggersi dalle sostanze chimiche tossiche che si accumulano nella pianta durante i periodi di siccità. Tutte le risposte di una pianta sono controllate direttamente dai geni della pianta. Se riusciamo a capire i geni che sono coinvolti nella protezione delle piante contro la siccità, in futuro potremmo essere in grado di produrre colture geneticamente modificate in grado di tollerare il riscaldamento globale e i cambiamenti climatici.
Hai sentito parlare di riscaldamento globale e cambiamento climatico? Sai cosa significano questi termini? Questi termini implicano fondamentalmente che la terra sta diventando più calda ogni anno. Queste temperature più elevate portano a modelli meteorologici inaspettati e insoliti. Uno di questi modelli meteorologici estremi è la siccità frequente e grave. Le siccità sono periodi di siccità molto lunghi senza alcuna pioggia. Cosa significano gravi siccità per le piante? Beh, le piante sono sessili, il che significa che rimangono in un posto e non possono muoversi come noi. Non possono tirare su le loro radici e trasferirsi in un luogo ombreggiato o umido. Pertanto, le piante in qualche modo devono affrontare queste condizioni di siccità sempre crescenti, o semplicemente moriranno. Ricorda, le piante sono il nostro cibo. Mangiamo piante crude o cotte (quelle verdure che tua madre insiste che mangi!) o trasformati, come la tua scatola preferita di cereali per la colazione . Quindi, se le piante muoiono a causa della siccità, non avremo abbastanza cibo da mangiare!
Se non c’è acqua intorno, cosa possono fare le piante per sopravvivere? Sorprendentemente, tutte le piante sembrano avere un numero di geni per le strategie di difesa dalla siccità codificati nel loro DNA. I geni sono piccole sezioni di DNA, come i capitoli di un libro. Il modo in cui usano questi geni determina la loro capacità di sopravvivere alla siccità.
Alcune piante sono resistenti alla siccità. Quando parliamo di piante resistenti alla siccità, intendiamo piante che possono resistere a condizioni asciutte senza morire. Una pianta resistente alla siccità può sopravvivere alla siccità utilizzando tre strategie di difesa: fuggire, evitare o tollerare la perdita di acqua . Le piante tolleranti alla siccità sono piuttosto rare in natura e possono sopportare lunghi periodi senza acqua. Alcune delle più spettacolari piante tolleranti alla siccità sono chiamate piante di resurrezione. Le piante di resurrezione sono in grado di sopravvivere a lunghi periodi (fino a 3 anni!) senza acqua. Tuttavia, date loro un po ‘ d’acqua e torneranno in vita in un giorno o due. Altre piante resistenti alla siccità potrebbero non essere così spettacolari, ma anche loro possono sopravvivere a brevi periodi di siccità usando tecniche speciali e strategie di difesa.
Alcune piante hanno strutture speciali che le aiutano a sopravvivere in condizioni di siccità
Alcune piante sono in grado di sopravvivere alla siccità a causa delle loro strutture uniche. Queste caratteristiche strutturali includono l’armatura esterna delle piante che le protegge contro la perdita di acqua, così come gli strumenti per aiutare le piante ad assorbire e immagazzinare acqua. Le piante resistenti alla siccità possono essere adattate appositamente per vivere e sopravvivere in ambienti molto secchi. Queste piante spesso sembrano molto diverse dalle piante che vivono in aree in cui l’acqua è facilmente disponibile. Le piante resistenti alla siccità normalmente hanno uno speciale “evitamento” (uno degli adattamenti di difesa!) caratteristiche per assicurarsi meno acqua è persa all’ambiente o che più acqua ottiene assorbita e immagazzinata nella pianta. Le piante chiamate piante grasse del deserto sono un buon esempio di piante che hanno strategie di evitamento della siccità . Le piante grasse del deserto hanno foglie carnose spesse, che spesso non assomigliano affatto alle foglie, e hanno uno spesso strato ceroso per prevenire la perdita di acqua. Le piante grasse del deserto hanno anche ampi sistemi di radici che cercano acqua sotto il terreno desertico secco (Figura 1). Alcune piante grasse hanno radici specializzate che formano grandi strutture a bulbo, che sono in realtà serbatoi d’acqua sotterranei per la pianta. Queste piante possono sopravvivere anni di siccità utilizzando l’acqua immagazzinata nei loro bulbi.
- Figura 1 – Adattamenti strutturali estremi trovati nelle piante per combattere la perdita di acqua e immagazzinare più acqua.
La maggior parte dell’acqua che una pianta perde viene persa a causa di un processo naturale chiamato traspirazione. Le piante hanno piccoli pori (fori o aperture) sul lato inferiore delle loro foglie, chiamati stomi. Le piante assorbono l’acqua attraverso le loro radici e rilasciano acqua come vapore nell’aria attraverso questi stomi. Per sopravvivere in condizioni di siccità, le piante devono diminuire la traspirazione per limitare la loro perdita di acqua. Alcune piante che vivono in condizioni asciutte si sono evolute per avere foglie più piccole e quindi meno stomi. Esempi estremi sono piante con foglie che assomigliano a spine appuntite. Alcune piante possono anche perdere completamente le foglie in caso di siccità, per prevenire la perdita di acqua. La regola di base è che meno foglie significano meno perdita di acqua attraverso la traspirazione. Questi adattamenti fogliari estremi possono anche proteggere le piante da uccelli e animali affamati e assetati (Figura 1). Di certo non ti piacerebbe avere un pasto pungente!
Alcuni adattamenti sono abbastanza intelligenti e coinvolgono le piante che “scappano” dalla siccità come semi (ricorda, la fuga è un’altra strategia di difesa). I semi sopravvivono durante i periodi di siccità e germinano molto rapidamente (germogliano), crescono e producono più semi quando cadono le piogge. Questi semi vengono poi sparsi e possono anche sopravvivere a condizioni estreme per lunghi periodi di tempo. Guardando da vicino i terreni desertici, troverai molti semi in giro, aspettando solo la pioggia prima di germogliare di nuovo.
Alcune piante hanno anche difese interne contro la siccità
Oltre a strutture speciali, le piante hanno difese interne per proteggerle anche contro la carenza d’acqua. Quando una pianta sperimenta condizioni di siccità, alcune reazioni si verificheranno rapidamente all’interno della pianta per aiutare la pianta con lo stress della siccità. Queste reazioni che si verificano nella pianta sono spesso piuttosto complesse e sofisticate. Vi daremo alcuni esempi.
Le piante devono ancora eseguire la fotosintesi durante la siccità
Le piante sono verdi perché contengono una sostanza chimica verde chiamata clorofilla. La clorofilla è confezionata in strutture speciali chiamate cloroplasti, che sono le fabbriche di energia delle piante. Insieme all’acqua e all’anidride carbonica (CO2), la clorofilla utilizza la luce solare per creare zuccheri. Questi zuccheri permettono alla pianta di crescere e prosperare. Questo è il processo di fotosintesi ed è legato alla disponibilità di acqua.
Quando non c’è molta acqua nel terreno della pianta, il processo di fotosintesi avverrà in modo leggermente diverso e si tradurrà nell’accumulo di sostanze chimiche dannose chiamate radicali liberi. Ciò significa che le piante devono controllare attentamente come usano l’energia del sole. Durante la fotosintesi, la CO2 deve entrare nella pianta attraverso i suoi stomi (i piccoli pori menzionati in precedenza). Ma ricorda, gli stomi aperti significano che l’acqua sarà persa attraverso la traspirazione! Quindi, la pianta si trova di fronte al difficile problema di assicurarsi che abbia abbastanza acqua e anche abbastanza CO2 per la fotosintesi. Per fare questo, le piante usano un” manager ” chiamato acido abscisico (ABA).
Quando una pianta sperimenta una carenza di acqua, l’ABA viene rapidamente prodotta e trasportata negli stomi. Negli stomi, ABA controlla come gli stomi si aprono e si chiudono manipolando qualcosa chiamato pressione del turgore (Figura 2) . La pressione del turgore è la pressione applicata sulla parete della cellula vegetale dai fluidi all’interno della cellula. Più acqua è nella cella (più piena è la cella) e maggiore è la pressione. La gestione della pressione del turgore fornisce un equilibrio tra l’assunzione di CO2 e la perdita di acqua, in modo che possa verificarsi la fotosintesi. Ma, se l’acqua rimane limitata in condizioni di siccità, alla fine la pianta non sarà in grado di far fronte allo stress della siccità e l’intero processo fotosintetico può smettere di funzionare correttamente. Tuttavia, le piante resistenti alla siccità hanno trovato un modo intelligente per evitare il problema della perdita di acqua durante la fotosintesi. Aprono i loro stomi solo durante il fresco della notte per assorbire CO2. Quindi immagazzinano questa CO2 e la usano durante il giorno per la fotosintesi. In questo modo, perdono meno acqua durante il giorno perché possono mantenere gli stomi chiusi, ma possono continuare a crescere—anche se un po ‘ più lentamente del normale.
- Figura 2 – Difese interne delle piante sotto stress idrico.
- (A). Quando molta acqua è disponibile nel terreno, le piante assorbiranno l’acqua attraverso le sue radici. Quest’acqua sarà utilizzata dalla pianta o rilasciata attraverso la traspirazione da stomi aperti nelle foglie. La fotosintesi si verifica anche normalmente con CO2 e ossigeno che vengono assorbiti e rilasciati attraverso gli stomi aperti. (B). Ma quando l’acqua limitata è disponibile nel terreno, le piante cercano di prevenire la perdita di acqua. La perdita di acqua attraverso la traspirazione può essere ridotta chiudendo gli stomi nelle foglie usando una sostanza chiamata ABA. Quando gli stomi sono chiusi la fotosintesi diminuirà perché nessuna CO2 può entrare attraverso gli stomi chiusi. Meno fotosintesi significa meno energia viene prodotta dalla pianta e la pianta smette di crescere.
Le piante hanno bisogno di proteggersi dai pericolosi radicali liberi
In condizioni di siccità quando una pianta non riesce a bilanciare correttamente la fotosintesi e la perdita di acqua, la pianta dovrà fare i conti con piccole molecole brutte chiamate radicali liberi. I radicali liberi si verificano naturalmente durante la fotosintesi, ma quando non c’è molta acqua disponibile si formano più radicali liberi. I radicali liberi possono essere molto pericolosi per la cellula, perché possono causare danni al DNA, alle membrane cellulari, alle proteine e agli zuccheri (tutte queste sostanze sono essenziali per la sopravvivenza di una cellula)!
Le piante sono utilizzate per trattare con basse quantità di radicali liberi. Tuttavia, le piante tolleranti alla siccità sono davvero brave a trattare con i radicali liberi, perché accumulano sostanze protettive. Queste sostanze protettive sono chiamate spazzini dei radicali liberi. La presenza di spazzini dei radicali liberi spesso causa un cambiamento nel colore della pianta. Le piante spesso diventano rosse o viola quando questi spazzini si accumulano (vedi le foglie viola della pianta secca in Figura 3B?). Gli spazzini dei radicali liberi si verificano ampiamente in natura e sono molto bravi a pulire i radicali liberi per proteggere le piante dai loro effetti nocivi.
- Figura 3 – La pianta della resurrezione, Craterostigma pumilum.
- (A). Ecco come appare la pianta quando cresce in condizioni in cui è disponibile abbastanza acqua. (B). Le due immagini centrali mostrano la pianta quando non è disponibile acqua, dopo 3 settimane senza acqua. Non ti sembra morto? (C). Se la stessa pianta secca e dall’aspetto morto viene annaffiata, entro 2 settimane la pianta si riprenderà dalla siccità e inizierà a produrre semi.
Le piante devono controllare la quantità di acqua all’interno delle loro cellule
L’osmosi è un concetto importante in biologia. Fondamentalmente, l’osmosi è il movimento dell’acqua attraverso una membrana (come una membrana cellulare) in un’area in cui alcune molecole (come sali, zuccheri e radicali liberi) si verificano in concentrazioni più elevate. In tal modo, l’acqua diluirà la concentrazione di queste molecole in modo che la concentrazione sia uguale su entrambi i lati della membrana. Ora pensa a cosa succede a una pianta che soffre della perdita di acqua. Non c’è abbastanza acqua per consentire l’osmosi, quindi le molecole diventano super concentrate all’interno delle cellule vegetali. Questo non è generalmente una buona cosa, soprattutto se queste molecole sono radicali liberi.
Ancora una volta, le piante tolleranti alla siccità hanno alcune strategie molto interessanti per combattere questo problema. Ai primi segni di siccità, le cellule di queste piante accumuleranno un gruppo di molecole coinvolte in quello che viene chiamato aggiustamento osmotico (OA) . OA è il cambiamento è la concentrazione di soluto in una cella. Questo è come quando si scioglie lo zucchero in acqua, dove lo zucchero è il soluto. Queste molecole (soluti) possono essere zuccheri, amminoacidi o piccole proteine. Lo scopo di queste molecole è limitare il movimento dell’acqua fuori dalla cellula. Ciò che rende queste molecole OA uniche nella tolleranza alla siccità è che servono molte funzioni. Le molecole OA possono legarsi fisicamente al DNA e alle proteine per proteggerle dai radicali liberi. Possono anche legare l’acqua stessa, impedendole di uscire dalle cellule vegetali. Queste molecole OA si legano anche alle membrane, stabilizzando la struttura della pianta quando l’acqua è limitata.
Le piante di resurrezione sono esempi perfetti di come le piante tolleranti alla siccità riuniscano i concetti che abbiamo discusso finora. Le piante di resurrezione sono in grado di sopravvivere alla completa perdita di acqua. Accumulano grandi quantità di OAS, rilasciano spazzini dei radicali liberi e producono speciali proteine protettive per sopravvivere a lunghe e gravi siccità. Fanno tutto questo mentre piegano anche le foglie e aspettano che cada la pioggia (Figura 3). Il processo può essere paragonato agli orsi che vanno in letargo.
I geni di una pianta controllano le sue risposte alla siccità
Tenete a mente che abbiamo discusso questi processi utilizzati per proteggere le piante dalla siccità in modo molto semplificato. Guardare da vicino questi processi è in realtà molto complicato. Al livello di base, questi processi sono regolati dall’uso da parte della pianta del suo codice genetico—i suoi geni. Le sostanze necessarie per sopravvivere alla siccità saranno prodotte accedendo a questo codice al momento giusto. Questo accesso al codice genetico per aiutare una pianta a sopravvivere a una siccità è chiamato la risposta genetica della pianta.
Le risposte genetiche di una pianta che vive lo stress di una siccità sono molto complesse—molti geni sono accesi o spenti. Utilizzando tecnologie informatiche avanzate, gli scienziati sono ora in grado di identificare la maggior parte dei geni che svolgono un ruolo nella protezione di una pianta dalla siccità. Questa tecnologia ha scoperto che letteralmente centinaia di geni sono accesi e spenti, a seconda di dove e quando sono necessari! Non possiamo elencare tutti questi geni, perché sarai completamente annoiato alla fine della prima pagina! Quello che diremo è che questi geni rientrano principalmente in tre gruppi: (1) geni che controllano altri geni importanti per accendere e spegnere i geni; (2) geni che producono sostanze che aiutano nella protezione dalla siccità nella pianta; e (3) geni coinvolti nell’assorbimento e nel trasporto dell’acqua.
Perché pensi che potrebbe essere importante sapere quali geni svolgono un ruolo nell’aiutare le piante a evitare o tollerare la siccità? La maggior parte delle nostre colture non sono in grado di sopravvivere alla siccità. Come possiamo proteggere le nostre colture o renderle più resistenti a queste siccità? Abbiamo bisogno di utilizzare la conoscenza dei geni che vengono accesi o spenti durante le condizioni di siccità per produrre piante che sono più resistenti alla siccità.
Nel corso degli anni, gli scienziati delle piante hanno avuto un certo successo nella produzione di colture resistenti alla siccità. Queste colture resistenti alla siccità sono state prodotte principalmente selezionando e allevando singole piante che sono sopravvissute bene in condizioni di siccità. Negli ultimi decenni, gli scienziati che lavorano su piante geneticamente modificate (GM) hanno anche iniziato a concentrarsi sulla produzione di colture resistenti alla siccità .
Per produrre una pianta GM, un nuovo gene (da qualsiasi fonte!) viene inserito nel DNA della pianta. Inserendo questo nuovo gene/i, lo scienziato spera di introdurre un nuovo tratto utile nella pianta GM. Immaginate di essere in grado di scegliere tra centinaia di geni utili in una pianta resurrezione e introdurre alcuni di loro nel grano! Sfortunatamente, solo una manciata di piante GM resistenti alla siccità (come mais/mais e canna da zucchero) sono state prodotte con successo. Molto altro lavoro deve essere fatto, compreso convincere il grande pubblico che le piante GM non sono pericolose!
Conclusione
Le piante sono davvero vulnerabili quando si tratta di scarsità d’acqua. La siccità influenzerà la crescita, lo sviluppo, la produttività e infine la sopravvivenza di una pianta. Tuttavia, le piante hanno una certa protezione incorporata contro la siccità. Possono avere alcuni adattamenti strutturali per evitare o tollerare la disidratazione. Hanno anche alcune difese interne che vengono attivate per cercare di limitare la perdita di acqua quando si rendono conto che l’acqua sta diventando scarsa. Tutti questi sistemi di difesa sono regolati dai geni della pianta. La conoscenza di questi geni e di come sono coinvolti nella protezione della pianta dalla siccità fornisce all’umanità la speranza di produrre colture GM resistenti alla siccità.
Glossario
Sessile: Un organismo che non può muoversi e rimane in un posto, come una pianta.
Succulente: piante che hanno foglie e steli ispessiti e carnosi, in cui è possibile conservare l’acqua.
Traspirazione: il processo in cui le radici delle piante assorbono acqua e quindi rilasciano vapore acqueo attraverso i pori (stomi) nelle foglie.
Stomi: piccoli fori nella superficie inferiore di una foglia attraverso i quali acqua e gas possono muoversi dentro e fuori di una pianta.
Fotosintesi: il processo in cui le piante utilizzano acqua, luce e CO2 per produrre il proprio cibo (sotto forma di zuccheri) e rilasciare ossigeno nell’aria.
Radicali liberi: Molecole che reagiranno e danneggeranno qualsiasi cosa con cui entreranno in contatto.
ABA: Un ormone vegetale chiamato acido abscissico che aiuta a prendersi cura del bilancio idrico nelle piante.
Pressione di turgore: La tensione esercitata su una parete cellulare vegetale dai fluidi all’interno della cellula. Immagina di riempire un palloncino che hai inserito all’interno di un barattolo di vetro. Mentre riempi di più il palloncino, preme contro il barattolo di vetro rigido proprio come i fluidi contro la parete rigida delle cellule vegetali.
Osmosi: spostare l’acqua attraverso una membrana cellulare da una cella alla cella successiva. Perché? Per garantire concentrazioni uguali di soluti su entrambi i lati della membrana.
Regolazione osmotica: modifica della concentrazione di soluti in una cellula vegetale.
Soluto: la sostanza (come lo zucchero) che si sta sciogliendo in una soluzione (come l’acqua).
Dichiarazione sul conflitto di interessi
Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.
Riconoscimenti
Le figure sono state create nella mente della piattaforma Graph (www.mindthegraph.com).
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