若い心のためのフロンティア

あなたは人々が地球温暖化と気候変動につい あなたはこれらの用語が何を意味するか知っていますか？ これらの用語は、基本的に地球が毎年熱くなっていることを意味します。 これらのより高い温度は予想外および異常な天候パターンをもたらす。 これらの極端な気象パターンの一つは、頻繁かつ深刻な干ばつです。 干ばつは雨のない非常に長い乾燥期間です。 深刻な干ばつは植物にとって何を意味しますか？ まあ、植物は固着している、つまり、彼らは一つの場所に滞在し、我々ができるように動き回ることができないことを意味します。 彼らは彼らの根をプルアップし、日陰や湿った場所に移動することはできません。 したがって、植物は何とかこれらの増え続ける干ばつ条件に対処する必要があります、または彼らは単に死ぬでしょう。 覚えておいて、植物は私たちの食べ物です。 私たちは植物を生または調理して食べます（あなたのお母さんがあなたが食べると主張する野菜！）または、朝食用シリアルのあなたの好みの箱のように処理される。 だから、干ばつのために植物が死ぬならば、私たちは食べるのに十分な食べ物を持っていません！

周りに水がない場合、植物は生き残るために何ができますか？ 驚くべきことに、すべての植物は、彼らのDNAにコードされた干ばつ防衛戦略のための遺伝子の数を持っているようです。 遺伝子は、本の章のように、DNAの小さなセクションです。 彼らはこれらの遺伝子を使用する方法は、干ばつを生き残るために彼らの能力を決定します。いくつかの植物は干ばつに強いです。

私たちが干ばつに強い植物について話すとき、私たちは死ぬことなく乾燥した条件に耐えることができる植物を意味します。 干ばつに強い植物は、水の損失をエスケープ、回避または許容する3つの防衛戦略を使用して干ばつを生き残ることができます。 干ばつ耐性植物は、自然界では非常にまれであり、全く水で長い期間に耐えることができます。 最も壮大な干ばつ耐性植物のいくつかは復活植物と呼ばれています。 復活の植物は、長期（3年まで！）水なし。 しかし、彼らに少しの水を与えると、彼らは一日か二日で生活に戻って春になります。 他の干ばつに強い植物は壮観ではないかもしれませんが、彼らはあまりにも特別な技術と防衛戦略を使用して干ばつの短い期間を生き残ることが

いくつかの植物は、彼らが干ばつの条件で生き残るために役立つ特別な構造を持っています

いくつかの植物は、そのユニークな構造のた これらの構造的特徴は、水の損失からそれらを保護する植物の外部装甲だけでなく、植物が水を吸収して貯蔵するのを助けるためのツールを含む。 干ばつに強い植物は、非常に乾燥した環境で生きて生き残るために特別に適応することができます。 これらの植物は頻繁に水が容易に利用できる区域に住んでいる植物とかなり異なって見る。 干ばつに強い植物は、通常、特別な”回避”を持っています（防衛適応の一つ！）より少ない水が環境に失われるか、またはより多くの水が植物で吸収され、貯えられて得ることを確かめる特徴。 砂漠の多肉植物と呼ばれる植物は、干ばつ回避戦略を持つ植物の良い例です。 砂漠の多肉植物は、多くの場合、すべての葉に似ていない厚い肉質の葉を持っており、彼らは水の損失を防ぐために厚いろう層を持っています。 砂漠の多肉植物には、乾燥した砂漠の土壌の下で水を探す広範な根系もあります（図1）。 いくつかの多肉植物は、実際には植物のための地下水の貯水池である大きな球根構造を形成する特殊な根を持っています。 これらの植物は球根で貯えられる水を使用して干ばつの年を存続できる。

植物が失う水のほとんどは、蒸散と呼ばれる自然なプロセスのために失われます。 植物は気孔と呼ばれる葉の下側に小さな孔（穴または開口部）を持っています。 植物は根を通して水を吸収し、これらの気孔を通して空気に蒸気として水を解放します。 干ばつ条件で生き残るためには、植物は水分損失を制限するために蒸散を減少させる必要があります。 乾燥した条件に住んでいるいくつかの植物は、より小さな葉としたがってより少ない気孔を持つように進化してきました。 極端な例は、とがった棘に似た葉を持つ植物です。 いくつかの植物はまた、完全に水の損失を防ぐために、干ばつで彼らの葉を流すことができます。 基本的なルールは、葉が少ないことは蒸散による水分損失が少ないことを意味するということです。 これらの極端な葉の適応は、空腹やのどが渇いた鳥や動物から植物を保護することもできます（図1）。 あなたは確かに厄介な食事をしたいとは思わないでしょう！

いくつかの適応は非常に巧妙であり、植物が種子として干ばつを”逃げる”ことを伴う（エスケープは別の防衛戦略であることを覚えておいてくださ 種子は乾燥した呪文の間に生き残り、非常に迅速に発芽（発芽）し、雨が降るとより多くの種子を成長させ、生産する。 これらの種子はその後、散乱され、また、長期間の極端な過酷な条件を生き残ることができます。 砂漠の土壌をよく見ると、再び発芽する前に雨を待っているだけで、たくさんの種子が横たわっています。

いくつかの植物はまた、干ばつに対する内部防御を持っています

特別な構造に加えて、植物は水不足からそれらを保護するための内部防 植物が干ばつの条件を経験するとき、いくつかの反応はすぐに干ばつのストレスを持つ植物を助けるために植物の中で起こります。 植物で起こるこれらの反応は、しばしば非常に複雑で洗練されています。 私たちはあなたにいくつかの例を与えます。植物はまだ干ばつの間に光合成を実行する必要があります

彼らはクロロフィルと呼ばれる緑色の化学物質が含まれているため、植物は緑です。 クロロフィルは、植物のエネルギー工場である葉緑体と呼ばれる特別な構造に詰め込まれています。 一緒に水と二酸化炭素（CO2）と、クロロフィルは糖を作成するために日光を使用しています。 これらの糖は、植物が成長し、繁栄することを可能にする。 これは光合成のプロセスであり、それは水の利用可能性にリンクされています。

植物の土壌に多くの水がない場合、光合成のプロセスは少し違って起こり、フリーラジカルと呼ばれる有害な化学物質の蓄積につながります。 これは、植物が太陽のエネルギーをどのように使用するかを慎重に制御する必要があることを意味します。 光合成の間に、CO2は、その気孔（先に述べた小さな孔）を通って植物に入る必要があります。 しかし、覚えておいて、開いた気孔は、水が蒸散によって失われることを意味します！ したがって、植物は、光合成が起こるのに十分な水と十分なCO2を持っていることを確認するという困難な問題に直面しています。 これを行うために、植物はアブシジン酸（ABA）と呼ばれる”マネージャー”を使用します。

植物が水の不足を経験すると、ABAは急速に生産され、気孔に輸送されます。 気孔では、ABAは膨圧と呼ばれるものを操作することによって気孔の開閉を制御します（図2）。 膨圧は、細胞内の流体によって植物細胞の壁に加えられる圧力である。 より多くの水が細胞（より完全な細胞）およびより大きい圧力にあります。 膨圧の管理は、光合成が起こることができるように、CO2の摂取量と水の損失のバランスを提供します。 しかし、干ばつ条件で水が限られたままであれば、最終的に植物は干ばつのストレスに対処することができず、光合成プロセス全体が正常に機能しな しかし、干ばつに強い植物は、光合成中に水を失うという問題を避けるための巧妙な方法を考え出しました。 彼らはCO2を取るために夜の涼しい間に彼らの気孔を開くだけです。 彼らはその後、このCO2を保存し、光合成のために昼間にそれを使用します。 このように、彼らは気孔を閉じたままにすることができますが、彼らは成長し続けることができますので、日中は水を失うことはありません—通常よりも少し遅いですが。

植物は危険なフリーラジカルから身を守る必要があります

植物が適切に光合成と水の損失のバランスをとるように見えることができない干ばつの条件では、植物はフリーラジカルと呼ばれる厄介な小さな分子に対処する必要があります。 フリーラジカルは光合成中に自然に発生しますが、多くの水が利用できない場合は、より多くのフリーラジカルが形成されます。 フリーラジカルは、DNA、細胞膜、タンパク質、および糖に損傷を与える可能性があるため、細胞にとって非常に危険です（これらの物質はすべて細胞の生存に

植物は、フリーラジカルの低量を扱うために使用されています。 しかし、干ばつ耐性植物は、保護物質を蓄積するため、フリーラジカルを扱うのに本当に優れています。 これらの保護物質は、フリーラジカルスカベンジャーと呼ばれています。 フリーラジカルスカベンジャーの存在は、しばしば植物の色の変化を引き起こす。 これらのスカベンジャーが蓄積すると、植物はしばしば赤または紫に変わります（図3Bの乾燥した植物の紫色の葉が見えますか？). 遊離基の清掃剤は実際のところ広く起こり、有害な影響から植物を保護するために遊離基の上で拭くことで非常によいです。

植物は細胞内の水の量を制御する必要があります

浸透は生物学において重要な概念です。 基本的に、浸透はある特定の分子が(塩、砂糖および遊離基のような)より高い濃度で起こる区域への膜を渡る水の動き(細胞膜のような)である。 そうすることによって、水はこれらの分子の濃度を希釈し、濃度が膜の両側で等しくなるようにする。 今、水の損失に苦しんでいる植物に何が起こるかを考えてみてください。 浸透が起こるようにする十分な水がない従って分子は植物の細胞の中で極度に集中されるようになります。 特にこれらの分子がフリーラジカルである場合、これは一般的には良いことではありません。

もう一度、干ばつ耐性植物は、この問題と戦うためにいくつかの非常にクールな戦略を持っています。 干ばつの最初の兆候では、これらの植物の細胞は浸透圧調整（OA）と呼ばれるものに関与する分子の束を蓄積します。 ＯＡは、細胞内の溶質濃度の変化である。 これは、砂糖が溶質である水に砂糖を溶かすときのようなものです。 これらの分子（溶質）は、糖、アミノ酸または小蛋白質であり得る。 これらの分子の目的は、細胞からの水の動きを制限することです。 これらのOA分子を干ばつ耐性において独特にするのは、それらが多くの機能を果たすことである。 OA分子は、フリーラジカルからそれらを保護するために、DNAおよびタンパク質に物理的に結合することができます。 彼らはまた、植物細胞の外に移動することを防止し、水自体を結合することができます。 これらのOA分子は膜にも結合し、水が制限されているときに植物の構造を安定化させる。復活の植物は、干ばつ耐性植物がこれまでに議論した概念をどのようにまとめるかの完璧な例です。

復活の植物は、これまでに議論した概念を 復活の植物は水の完全な損失を生き残ることができます。 それらは膨大な量のOAsを集め、遊離基のスカベンジャーを解放し、そして長く、厳しい干ばつを存続させるために特別な保護蛋白質を作り出します。 彼らはまた、離れて彼らの葉を折り、雨が降るまで待っている間、このすべてを行います（図3）。 このプロセスは、冬眠に入るクマと比較することができます。植物の遺伝子は干ばつに対する応答を制御する

我々は非常に単純化された方法で干ばつから植物を保護するために使用されるこれらのプロセ これらのプロセスをよく見ると、実際には非常に複雑です。 非常に基本的なレベルでは、これらのプロセスは、植物がその遺伝子コード—その遺伝子を使用することによって調節されています。 干ばつを生き残るために必要な物質は、適切な時期にこのコードにアクセスすることによって生成されます。 植物が干ばつから生き残るのを助けるための遺伝コードのこのアクセスは、植物の遺伝的応答と呼ばれています。

干ばつのストレスを経験している植物の遺伝的応答は非常に複雑です—多くの遺伝子がオンまたはオフに切り替えられます。

干ばつのストレスを経験している植物の遺伝的応答は非常に複雑です。 高度なコンピュータ技術を使用して、科学者は現在、干ばつから植物を保護する役割を果たす遺伝子の大部分を同定することができます。 この技術は、文字通り何百もの遺伝子がいつどこで必要とされるかに応じてオンとオフに切り替わることを発見しました！ あなたが最初のページの最後に完全に退屈されるので、私たちは、これらの遺伝子のすべてを一覧表示することはできません！ 私たちが言うことは、これらの遺伝子は主に三つのグループに分類されるということです：（1）遺伝子のオンとオフを切り替えるために重要な他の遺伝子; (2)植物の干ばつの保護と助ける物質を作り出す遺伝子;および(3)水通風管および輸送にかかわる遺伝子。

植物が干ばつを回避または許容するのを助ける役割を果たす遺伝子を知ることが重要かもしれないのはなぜだと思いますか？

植物が干ばつ 私たちの作物のほとんどは、実際に干ばつを生き残ることができません。 どのようにして作物を保護したり、これらの干ばつに対してより耐性を持たせたりするのでしょうか？ 私たちは、干ばつに対してより耐性のある植物を生産するために、干ばつ条件の間にオンまたはオフにされている遺伝子の知識を使用する必要があ長年にわたり、植物科学者は干ばつに強い作物の生産にある程度の成功を収めてきました。

これらの干ばつに強い作物は、主に干ばつ条件下でよく生き残った個々の植物を選択し、繁殖させることによって生産された。 過去数十年にわたって、遺伝子組み換え（GM）植物に取り組んでいる科学者はまた、干ばつに強い作物の生産に焦点を当て始めました。GM植物を生産するために、新しい遺伝子（任意のソースから！）は、植物のDNAに挿入される。 この新しい遺伝子/sを挿入することによって、科学者はGMの植物に新しい、有用な特性を導入することを望む。 復活の植物の何百もの有用な遺伝子から選び、そのうちのいくつかをムギに導入できることを想像しなさい! 残念なことに、ほんの一握りのGM干ばつ耐性植物（トウモロコシ/トウモロコシやサトウキビなど）のみが成功裏に生産されています。 GM工場は危険ではないことを一般市民に納得させることを含め、はるかに多くの作業を行う必要があります！

結論

植物は水不足になると本当に脆弱です。 干ばつは、植物の成長、開発、生産性、そして最終的にはその生存に影響を与えます。 しかし、植物は干ばつに対するいくつかの組み込みの保護を持っています。 それらは脱水を避けるか、または容認するある構造適応があってもいいです。 彼らはまた、水が不足していることを認識したときに水の損失を制限しようとするために活性化されるいくつかの内部防御を持っています。 これらの防御システムはすべて、植物の遺伝子によって調節されています。 これらの遺伝子の知識と、それらが干ばつから植物を保護することにどのように関与しているかは、人類に干ばつに強いGM作物を作る希望を与え

用語集

Sessile:植物のように動かず、一つの場所にとどまることができない生物。

多肉植物：水を貯蔵することができる肥厚した肉質の葉と茎を持つ植物。蒸散：植物の根が水を吸収し、葉の細孔（気孔）を通って水蒸気を放出するプロセス。

蒸散：植物の根が水を吸収し、その後、水蒸気を放出するプロセス。

蒸散：気孔：水とガスが植物の内外を移動することができる葉の下面にある小さな穴。

気孔：水とガスが植物の内外を移動することができる葉の下面に光合成：植物が水、光、CO2を使用して（糖の形で）自分の食べ物を生産し、空気中に酸素を放出するプロセス。

光合成：植物が水、光、CO2を使用して自

フリーラジカル: それらが接触するものと反応し、損傷する分子。

ABA：植物の水分バランスの世話をするのに役立つアブシジン酸と呼ばれる植物ホルモン。膨圧：細胞内の流体によって植物細胞壁に及ぼされる張力。

膨圧：細胞内の流体によって植物細胞壁に及ぼされる張力。

膨圧：細胞内の流体によっ あなたがガラス瓶の中に置いた気球を満たすことを想像しなさい。 気球をもっと満たすと同時に、堅い植物の細胞壁に対する液体のような堅いガラス瓶に対してちょうど押す。浸透：細胞膜を通ってある細胞から次の細胞に水を移動させる。

浸透：細胞膜を通ってある細胞から次の細胞に水を移動させる。 どうして？ 膜の両側の溶質の等しい集中を保障するため。浸透圧調整：植物細胞中の溶質の濃度を変化させる。

浸透圧調整：植物細胞中の溶質の濃度を変化させる。溶質：あなたが溶液（水のような）に溶解している物質（砂糖のような）。

溶質：あなたが溶液（水のような）に溶解している物質。

利益相反に関する声明

著者らは、この研究は、利益相反の可能性と解釈される可能性のある商業的または財政的関係がない場合に行われたと宣言している。

謝辞

図は、グラフプラットフォームを念頭に置いて作成されました(www.mindthegraph.com）。

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