Frontiers For Young Minds
Abstract
Planter møter regelmessig tørre forhold. Å ikke ha nok vann utgjør en alvorlig trussel mot plantens evne til å vokse og utvikle seg eller bare overleve! Hvis planter dør, vil vi ikke ha nok mat å spise! Hvordan klarer planter å overleve under vannmangel? De må på en eller annen måte kunne fornemme, reagere og tilpasse seg endringer i vanntilgjengelighet. De gjør dette gjennom en rekke teknikker som tillater en plante for å bekjempe vannmangel. En anleggets strukturelle «rustning» hjelper det å redusere mengden vann det mister for miljøet og øke vannlagringen. Planter reagerer på vannmangel på svært komplekse måter. Disse reaksjonene kan inkludere endringer i plantens vekst og i deres evne til å beskytte seg mot giftige kjemikalier som akkumuleres i anlegget i tørre perioder. Alle plantens reaksjoner styres direkte av plantens gener. Hvis vi kan forstå gener som er involvert i å beskytte planter mot tørke, kan vi i fremtiden kunne lage genmodifiserte avlinger som tåler global oppvarming og klimaendringer.
har du hørt folk snakke om global oppvarming og klimaendringer? Vet du hva disse begrepene betyr? Disse begrepene innebærer i utgangspunktet at jorden blir varmere hvert år. Disse høyere temperaturene fører til uventede og uvanlige værmønstre. Et av disse ekstreme værmønstrene er hyppig og alvorlig tørke. Tørke er lange tørre perioder uten regn. Hva betyr alvorlig tørke for planter? Vel, planter er sessile, noe som betyr at de blir på ett sted og ikke kan bevege seg som vi kan. De kan ikke trekke opp sine røtter og flytte til et skyggefullt eller fuktig sted. Derfor må planter på en eller annen måte håndtere disse stadig økende tørkeforholdene, eller de vil bare dø. Husk at planter er maten vår. Vi spiser planter rå eller kokte (de grønnsakene din mor insisterer på at du spiser!) eller behandlet, som din favoritt boks med frokostblanding . Så, hvis planter dør på grunn av tørke, vil vi ikke ha nok mat å spise!
hvis det ikke er vann rundt, hva kan planter gjøre for å overleve? Utrolig, alle planter synes å ha en rekke gener for tørke-forsvarsstrategier kodet I DERES DNA. Gener er små deler AV DNA, som kapitler i en bok. Hvordan de bruker disse genene bestemmer deres evne til å overleve tørke.
noen planter er tørkebestandige. Når vi snakker om tørkebestandige planter, mener vi planter som tåler tørre forhold uten å dø. En tørkebestandig plante kan overleve tørke ved å bruke tre forsvarsstrategier: rømmer, unngår eller tolererer tap av vann . Tørke tolerante planter er ganske sjeldne i naturen og kan tåle lange perioder uten vann i det hele tatt. Noen av de mest spektakulære tørke tolerante planter kalles oppstandelse planter. Oppstandelsesplanter er i stand til å overleve lange perioder (opptil 3 år!) uten vann. Men gi dem litt vann, og de vil våren tilbake til livet i en dag eller to. Andre tørkebestandige planter kan ikke være like spektakulære, men de kan også overleve korte tørkeperioder ved hjelp av spesielle teknikker og forsvarsstrategier.
Noen Planter Har Spesielle Strukturer som Hjelper dem Å Overleve I Tørkeforhold
noen planter er i stand til å overleve tørke på grunn av deres unike strukturer. Disse strukturelle funksjonene inkluderer den eksterne rustningen av planter som beskytter dem mot vanntap, samt verktøy for å hjelpe plantene til å absorbere og lagre vann. Tørkebestandige planter kan tilpasses spesielt for å leve og overleve i svært tørre miljøer. Disse plantene ser ofte ganske annerledes ut enn planter som bor i områder der vann er lett tilgjengelig. De tørkebestandige plantene har normalt spesiell «unngåelse» (en av forsvarstilpasningene!) funksjoner for å sikre at mindre vann går tapt for miljøet eller at mer vann blir absorbert og lagret i anlegget. Planter kalt ørken sukkulenter er et godt eksempel på planter som har tørke unngåelse strategier . Ørken sukkulenter har tykke kjøttfulle blader, som ofte ikke ligner blader i det hele tatt, og de har et tykt voksagtig lag for å forhindre vanntap. Ørken sukkulenter har også omfattende rotsystemer som søker etter vann under tørr ørkenjord (Figur 1). Noen sukkulenter har spesialiserte røtter som danner store pærekonstruksjoner, som faktisk er underjordiske vannreservoarer for anlegget. Disse plantene kan overleve år med tørke ved hjelp av vannet som er lagret i sine pærer.
Det meste av vannet en plante mister går tapt på grunn av en naturlig prosess som kalles transpirasjon. Planter har små porer (hull eller åpninger) på undersiden av bladene, kalt stomata. Planter vil absorbere vann gjennom sine røtter og slipper vann som damp inn i luften gjennom disse stomata. For å overleve i tørkeforhold, må planter redusere transpirasjon for å begrense deres vanntap. Noen planter som lever i tørre forhold har utviklet seg til å ha mindre blader og derfor færre stomata. Ekstreme eksempler er planter med blader som ligner spiky torner. Noen planter kan også helt kaste sine blader i en tørke, for å hindre vanntap. Den grunnleggende regelen er at færre blader betyr mindre vanntap gjennom transpirasjon. Disse ekstreme bladtilpasningene kan også beskytte plantene mot sultne og tørste fugler og dyr (Figur 1). Du vil absolutt ikke like å ha et stikkende måltid!Noen tilpasninger er ganske smarte og involverer planter som «rømmer» tørke som frø (husk, flukt er en annen forsvarsstrategi). Frøene overlever under tørkeperioder og spiser veldig raskt (spire), vokser og produserer flere frø når regnet faller. Disse frøene er så spredt og kan også overleve ekstreme tøffe forhold i lange perioder. Ser nøye på ørkenjord, vil du finne mange frø som ligger rundt, bare venter på regn før de spiser igjen.
Noen Planter Har Også Interne Forsvar Mot Tørke
i tillegg til spesielle strukturer har planter også interne forsvar for å beskytte dem mot vannmangel. Når en plante opplever tørkeforhold, vil noen reaksjoner raskt skje inne i planten for å hjelpe planten med stresset av tørken. Disse reaksjonene som oppstår i anlegget er ofte ganske komplekse og sofistikerte. Vi vil gi deg noen eksempler.
Planter Trenger Fortsatt Å Utføre Fotosyntese Under Tørke
Planter er grønne fordi de inneholder en grønn kjemisk kalt klorofyll. Klorofyll er pakket inn i spesielle strukturer kalt kloroplaster, som er energi fabrikker av planter. Sammen med vann og karbondioksid (CO2) bruker klorofyll sollys for å skape sukker. Disse sukker tillater planten å vokse og blomstre. Dette er prosessen med fotosyntese og det er knyttet til tilgjengeligheten av vann.Når det ikke er mye vann i plantens jord, vil prosessen med fotosyntese skje litt annerledes og vil resultere i oppbygging av skadelige kjemikalier kalt frie radikaler. Dette betyr at planter må nøye kontrollere hvordan de bruker solens energi. UNDER fotosyntese må CO2 komme inn i planten gjennom stomata (de små porene nevnt tidligere). Men husk, åpen stomata betyr at vann vil gå tapt gjennom transpirasjon! Så, anlegget står overfor det vanskelige problemet med å sørge for at det har nok vann og også NOK CO2 for fotosyntese å skje. For å gjøre dette, bruker planter en «leder» kalt abscisinsyre (ABA).
NÅR en plante opplever mangel på vann, produseres ABA raskt og transporteres til stomata. I stomata kontrollerer ABA hvordan stomata åpnes og lukkes ved å manipulere noe som kalles turgor pressure (Figur 2). Turgor trykk er trykket på veggen av plantecellen av væskene inne i cellen. Jo mer vann er i cellen (jo fyldigere cellen) og jo større trykk. Styring av turgor trykk gir en balanse MELLOM CO2 inntak og vanntap, slik at fotosyntese kan oppstå. Men hvis vann forblir begrenset i tørkeforhold, vil anlegget til slutt ikke kunne takle stresset av tørken, og hele fotosyntetisk prosess kan slutte å fungere skikkelig. Tørkebestandige planter har imidlertid funnet ut en smart måte å unngå problemet med å miste vann under fotosyntese. De åpner bare stomata i løpet av natten for Å ta OPP CO2. DE lagrer DERETTER DENNE CO2 og bruker den på dagtid for fotosyntese. På denne måten mister de mindre vann i løpet av dagen fordi de kan holde stomata lukket, men de kan fortsette å vokse—selv om det er litt langsommere enn normalt.
- Figur 2-Interne forsvar av planter under vannspenning.
- (A). Når rikelig med vann er tilgjengelig i jord, vil planter absorbere vann gjennom sine røtter. Dette vannet vil bli brukt av planten eller frigjort gjennom transpirasjon av åpen stomata i bladene. Fotosyntese vil også forekomme normalt MED CO2 og oksygen som absorberes og frigjøres gjennom den åpne stomata. (B). Men når begrenset vann er tilgjengelig i jorda, prøver planter å forhindre vanntap. Vanntap gjennom transpirasjon kan reduseres ved å lukke stomata i bladene ved hjelp AV et stoff som kalles ABA. Når stomata er lukket, reduseres fotosyntesen fordi INGEN CO2 kan komme inn gjennom den lukkede stomata. Mindre fotosyntese betyr at mindre energi produseres av anlegget og planten slutter å vokse.
Planter Må Beskytte Seg mot Farlige Frie Radikaler
i tørkeforhold når en plante ikke ser ut til å balansere fotosyntese og vanntap riktig, må anlegget håndtere ekle små molekyler kalt frie radikaler. Frie radikaler forekommer naturlig under fotosyntese, men når det ikke er mye vann tilgjengelig, dannes flere frie radikaler. Frie radikaler kan være svært farlige for cellen, fordi de kan forårsake skade PÅ DNA, cellemembraner, proteiner og sukker (alle disse stoffene er avgjørende for cellens overlevelse)!
Planter brukes til å håndtere lave mengder frie radikaler. Men tørke tolerante planter er veldig gode til å håndtere frie radikaler, fordi de samler beskyttende stoffer. Disse beskyttende stoffene kalles frie radikale rensemidler. Tilstedeværelsen av frie radikale scavengers forårsaker ofte en endring i plantens farge. Planter blir ofte røde eller lilla når disse scavengers samler seg (ser du de lilla bladene på det tørre anlegget I Figur 3B?). De frie radikale scavengers forekommer mye i naturen og er veldig gode til å moppe opp frie radikaler for å beskytte planter mot deres skadelige effekter.
- Figur 3 – oppstandelsesanlegget, Craterostigma pumilum.
- (A). Slik ser planten ut når den vokser i forhold der det er nok vann tilgjengelig. (B). De to midterste bildene viser anlegget når det ikke er vann tilgjengelig, etter 3 uker uten vann. Ser det ikke dødt ut for deg? (C). Hvis den samme tørre, døde planten blir vannet, vil planten innen 2 uker komme seg fra tørken og begynne å produsere frø.
Planter Må Kontrollere Mengden Vann i Sine Celler
Osmose Er et viktig konsept i biologi. Osmose er bevegelsen av vann over en membran (som en cellemembran) til et område der visse molekyler (som salter, sukker og frie radikaler) forekommer i høyere konsentrasjoner. Ved å gjøre dette vil vannet fortynne konsentrasjonen av disse molekylene slik at konsentrasjonen er lik på begge sider av membranen. Nå tenk på hva som skjer med en plante som lider av tap av vann. Det er ikke nok vann til å tillate osmose å skje, så molekyler blir superkonsentrert inne i plantecellene. Dette er generelt ikke bra, spesielt hvis disse molekylene er frie radikaler.igjen har tørketolerante planter noen veldig kule strategier for å bekjempe dette problemet. Ved de første tegn på tørke vil cellene i disse plantene samle en haug med molekyler involvert i det som kalles osmotisk justering (OA) . Oa er endringen er løselig konsentrasjon i en celle. Dette er som når du oppløser sukker i vann, hvor sukker er løsemiddelet. Disse molekylene (oppløsninger) kan være sukkerarter, aminosyrer eller små proteiner. Formålet med disse molekylene er å begrense bevegelsen av vann ut av cellen. Det som gjør DISSE oa-molekylene unike i tørketoleranse er at de tjener mange funksjoner. OA-molekylene kan fysisk binde SEG TIL DNA og proteiner for å beskytte dem mot frie radikaler. De kan også binde vann selv, slik at det ikke beveger seg ut av plantecellene. DISSE oa-molekylene binder seg også til membraner, og stabiliserer plantens struktur når vann er begrenset.Oppstandelsesplanter Er perfekte eksempler på hvordan tørketolerante planter samler konseptene vi har diskutert så langt. Oppstandelsesplanter er i stand til å overleve fullstendig tap av vann. De samler store mengder OAs, frigjør frie radikaler og produserer spesielle beskyttende proteiner for å overleve lang og alvorlig tørke. De gjør alt dette mens de også bretter bladene sine og venter til regnet faller (Figur 3). Prosessen kan sammenlignes med bjørner som går i dvalemodus.
En Plants Gener Kontrollerer Dens Respons på Tørke
Husk at vi har diskutert disse prosessene som brukes til å beskytte planter mot tørke på en svært forenklet måte. Å se nærmere på disse prosessene er faktisk svært komplisert. På helt grunnleggende nivå reguleres disse prosessene av plantens bruk av sin genetiske kode – dens gener. Stoffer som er nødvendige for å overleve tørke vil bli produsert ved å få tilgang til denne koden til rett tid. Denne tilgangen til den genetiske koden for å hjelpe en plante å overleve en tørke kalles plantens genetiske respons.de genetiske responsene til en plante som opplever stress av tørke er svært komplekse-mange gener er slått på eller av. Ved hjelp av avansert datateknologi kan forskere nå identifisere de fleste gener som spiller en rolle i å beskytte en plante mot tørke. Denne teknologien har funnet ut at bokstavelig talt hundrevis av gener er slått på og av, avhengig av hvor og når de trengs! Vi kan ikke liste alle disse genene, fordi du vil bli helt kjedelig på slutten av første side! Det vi vil si er at disse genene hovedsakelig faller inn i tre grupper: (1) gener som styrer andre gener som er viktige for å slå gener på og av; (2) gener som produserer stoffer som bidrar til tørkebeskyttelse i anlegget; og (3) gener involvert i vannopptak og transport.
Hvorfor tror du det kan være viktig å vite hvilke gener som spiller en rolle i å hjelpe planter å unngå eller tolerere tørke? De fleste av våre avlinger er faktisk ikke i stand til å overleve tørke. Hvordan skal vi beskytte våre avlinger eller gjøre dem mer motstandsdyktige mot disse tørke? Vi må bruke kunnskapen om gener som er slått på eller av under tørkeforhold for å produsere planter som er mer motstandsdyktige mot tørke.
gjennom årene har planteforskere hatt en viss suksess i å produsere tørkebestandige avlinger. Disse tørkebestandige avlingene ble produsert hovedsakelig ved å velge og avle individuelle planter som overlevde godt under tørkeforhold. I løpet av de siste tiårene har forskere som arbeider med genmodifiserte (GM) planter også begynt å fokusere på å produsere tørkebestandige avlinger .
for å produsere EN GM-plante, et nytt gen (fra hvilken som helst kilde!) er satt INN I DNA av anlegget. Ved å sette inn dette nye genet / s, håper forskeren å introdusere et nytt, nyttig trekk i GM-anlegget. Tenk deg å kunne velge mellom hundrevis av nyttige gener i en oppstandelsesplante og introdusere noen av dem i hvete! Dessverre har bare en håndfull GM tørkebestandige planter (som mais/mais og sukkerrør) blitt produsert. Mye mer arbeid må gjøres, inkludert å overbevise allmennheten om AT GM-planter ikke er farlige!
Konklusjon
Planter er veldig sårbare når det gjelder vannknaphet. Tørke vil påvirke plantens vekst, utvikling, produktivitet og til slutt overlevelse. Planter har imidlertid noen innebygd beskyttelse mot tørke. De kan ha noen strukturelle tilpasninger for å unngå eller tolerere dehydrering. De har også noen interne forsvar som aktiveres for å prøve å begrense vanntap når de innser at vann blir knappe. Alle disse forsvarssystemene er regulert av plantens gener. Kunnskap om disse genene og hvordan de er involvert i å beskytte anlegget mot tørke, gir menneskeheten et håp om å lage tørkebestandige GM-avlinger.
Ordliste
Sessil: en organisme som ikke kan bevege seg og forblir på ett sted, som en plante.
Sukkulenter: Planter som har fortykkede og kjøttfulle blader og stengler, der vann kan lagres.
Transpirasjon: prosessen der planterøtter vil ta opp vann og deretter slippe vanndamp gjennom porene (stomata) i bladene.Stomata: Små hull i den nedre overflaten av et blad gjennom hvilket vann og gass kan bevege seg inn og ut av en plante.Fotosyntese: Prosessen der planter bruker vann, lys og CO2 til å produsere sin egen mat (i form av sukker) og frigjøre oksygen i luften.
frie radikaler: Molekyler som vil reagere med, og skade, alt de kommer i kontakt med.ABA: et plantehormon kalt abscisinsyre som bidrar til å ta vare på vannbalansen i planter.Turgor press: spenningen utøves på en plante cellevegg av væsker inne i cellen. Tenk deg å fylle en ballong du har plassert inne i en glassburk. Når du fyller ballongen mer, presser den opp mot den stive glassburken, akkurat som væskene mot den stive plantecelleveggen.Osmose: Flytte vann gjennom en cellemembran fra en celle til den neste cellen. Hvorfor? For å sikre like konsentrasjoner av oppløsninger på begge sider av membranen.Osmotisk justering: Endring av konsentrasjonen av oppløsninger i en plantecelle.
Løsemiddel: stoffet (som sukker) du oppløses i en løsning (som vann).
Interessekonflikt
forfatterne erklærer at forskningen ble utført i fravær av kommersielle eller økonomiske forhold som kan tolkes som en potensiell interessekonflikt.
Bekreftelser
Tallene ble opprettet I Sinnet Grafen plattform (www.mindthegraph.com).
Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A., Og Pereira, a. 2016. Plant tilpasning til tørke stress. F1000Res 5 (F1000 Fakultet Rev): 1554. doi:10.12688 / f1000research.7678.1
Dimmitt, M. a. 1997. Hvordan planter takler ørkenklimaet. Sonorensis. Vol. 17. Tilgjengelig på:http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php
Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K., Og Lam-Son, T. 2014. Respons av planter til vannspenning. Front. Plante Sci. 5(86):1–8. doi:10.3389 / fpls.2014.00086
Blum, A. 2014. Genomikk for tørkebestandighet-komme ned til jorden. Funct. Plante Biol. 41:1191–8. doi:10.1071 / FP14018