grenzen voor jonge geesten

heb je mensen horen spreken over de opwarming van de aarde en de klimaatverandering? Weet je wat deze termen betekenen? Deze termen impliceren dat de aarde elk jaar warmer wordt. Deze hogere temperaturen leiden tot onverwachte en ongewone weerpatronen. Een van deze extreme weerpatronen is frequente en ernstige droogtes. Droogtes zijn zeer lange droge periodes zonder regen. Wat betekenen strenge droogtes voor planten? Nou, planten zitten vast, wat betekent dat ze op één plek blijven en niet kunnen bewegen zoals wij. Ze kunnen hun wortels niet omhoog trekken en verhuizen naar een schaduwrijke of vochtige plek. Daarom moeten planten op de een of andere manier omgaan met deze steeds toenemende droogte, of ze zullen gewoon sterven. Vergeet niet, planten zijn ons voedsel. We eten planten rauw of gekookt (die groenten je moeder staat erop dat je eet!) of verwerkt, zoals uw favoriete doos ontbijtgranen . Dus, als planten sterven als gevolg van droogte, zullen we niet genoeg voedsel te eten!

als er geen water in de buurt is, wat kunnen planten dan doen om te overleven? Verbazingwekkend, alle planten lijken te hebben een aantal genen voor droogte-verdediging strategieën gecodeerd in hun DNA. Genen zijn kleine delen van DNA, zoals hoofdstukken in een boek. Hoe ze deze genen gebruiken bepaalt hun vermogen om droogte te overleven.

sommige planten zijn droogte-resistent. Als we het hebben over droogte-resistente planten, bedoelen we planten die bestand zijn tegen droge omstandigheden zonder te sterven. Een droogte-resistente plant kan droogte overleven met behulp van drie verdedigingsstrategieën: ontsnappen, vermijden of tolereren van het verlies van water . Droogte tolerante planten zijn vrij zeldzaam in de natuur en kunnen verdragen lange periodes zonder water helemaal. Sommige van de meest spectaculaire droogte tolerante planten worden wederopstanding planten genoemd. Resurrection planten zijn in staat om te overleven lange periodes (tot 3 jaar!) zonder water. Geef ze echter een beetje water en ze zullen over een dag of twee weer tot leven komen. Andere droogte-resistente planten zijn misschien niet zo spectaculair, maar ook zij kunnen korte perioden van droogte overleven met behulp van speciale technieken en defensiestrategieën.

sommige planten hebben speciale structuren die hen helpen om te overleven in droogteomstandigheden

sommige planten zijn in staat om droogtes te overleven vanwege hun unieke structuren. Deze structurele kenmerken omvatten de externe pantser van planten die hen beschermt tegen waterverlies, evenals hulpmiddelen om de planten te helpen absorberen en op te slaan water. Droogte-resistente planten kunnen speciaal worden aangepast om te leven en te overleven in zeer droge omgevingen. Deze planten zien er vaak heel anders uit dan planten die leven in gebieden waar water gemakkelijk beschikbaar is. De droogte-resistente planten hebben normaal gesproken speciale “vermijden” (een van de verdediging aanpassingen!) functies om ervoor te zorgen dat er minder water verloren gaat aan het milieu of dat er meer water wordt opgenomen en opgeslagen in de plant. Planten die woestijnsucculenten worden genoemd, zijn een goed voorbeeld van planten die strategieën hebben om droogte te voorkomen . Woestijn succulenten hebben dikke vlezige bladeren, die vaak helemaal niet lijken op Bladeren, en ze hebben een dikke wasachtige laag om waterverlies te voorkomen. Woestijn succulenten hebben ook uitgebreide wortelsystemen die zoeken naar water onder de droge woestijngrond (figuur 1). Sommige vetplanten hebben gespecialiseerde wortels die grote bolstructuren vormen, die eigenlijk ondergrondse waterreservoirs voor de plant zijn. Deze planten kunnen jaren van droogte overleven met behulp van het water opgeslagen in hun bollen.

Het grootste deel van het water dat een plant verliest gaat verloren door een natuurlijk proces dat transpiratie wordt genoemd. Planten hebben kleine poriën (gaten of openingen) aan de onderzijde van hun bladeren, stomata genoemd. Planten zullen water absorberen via hun wortels en water als damp in de lucht afgeven via deze stomata. Om te overleven in droogte omstandigheden, planten nodig hebben om de transpiratie te verminderen om hun waterverlies te beperken. Sommige planten die in droge omstandigheden leven zijn geëvolueerd om kleinere bladeren en dus minder stomata te hebben. Extreme voorbeelden zijn planten met bladeren die lijken op stekelige doornen. Sommige planten kunnen hun bladeren ook volledig laten vallen in een droogte, om waterverlies te voorkomen. De basisregel is dat minder bladeren minder waterverlies door transpiratie betekenen. Deze extreme bladaanpassingen kunnen de planten ook beschermen tegen hongerige en dorstige vogels en dieren (figuur 1). Je zou zeker niet graag een stekelige maaltijd hebben!

sommige aanpassingen zijn vrij slim en betrekken planten” ontsnappen ” droogte als zaden (vergeet niet, escape is een andere verdedigingsstrategie). De zaden overleven tijdens de droge periodes en ontkiemen zeer snel (kiemen), groeien en produceren meer zaden als de regen valt. Deze zaden worden dan verspreid en kunnen ook extreme barre omstandigheden overleven voor lange periodes van tijd. Als je goed kijkt naar woestijngronden, zul je veel zaden vinden die rondslingeren, gewoon wachten op regen voordat ze weer ontkiemen.

sommige planten hebben ook een interne afweer tegen droogte

naast speciale structuren hebben planten ook een interne afweer om hen te beschermen tegen watertekort. Wanneer een plant droogteomstandigheden ervaart, zullen er snel reacties in de plant plaatsvinden om de plant te helpen met de stress van de droogte. Deze reacties die in de plant voorkomen zijn vaak vrij complex en verfijnd. Wij zullen u enkele voorbeelden geven.

planten moeten nog fotosynthese uitvoeren tijdens droogte

planten zijn groen omdat ze een groene chemische stof bevatten die chlorofyl wordt genoemd. Chlorofyl wordt verpakt in speciale structuren genaamd chloroplasten, die de energiefabrieken van planten zijn. Samen met water en kooldioxide (CO2) maakt chlorofyl gebruik van zonlicht om suikers te creëren. Deze suikers laten de plant groeien en bloeien. Dit is het proces van fotosynthese en het is gekoppeld aan de beschikbaarheid van water.

wanneer er niet veel water in de bodem van de plant zit, zal het proces van fotosynthese iets anders verlopen en zal het resulteren in de opbouw van schadelijke chemische stoffen die vrije radicalen worden genoemd. Dit betekent dat planten zorgvuldig moeten controleren hoe ze de energie van de zon gebruiken. Tijdens de fotosynthese moet CO2 de plant binnendringen via de stomata (de eerder genoemde kleine poriën). Maar vergeet niet, open stomata betekent dat water verloren zal gaan door transpiratie! De plant wordt dus geconfronteerd met het moeilijke probleem om er zeker van te zijn dat er voldoende water en ook voldoende CO2 is om fotosynthese te laten plaatsvinden. Om dit te doen, planten gebruiken een “manager” genaamd abscisic acid (ABA).

wanneer een plant een watertekort heeft, wordt ABA snel geproduceerd en naar de stomata getransporteerd. In de stomata, ABA controleert hoe de stomata open en dicht door het manipuleren van iets genaamd turgor druk (Figuur 2) . Turgor druk is de druk uitgeoefend op de wand van de plant cel door de vloeistoffen in de cel. Hoe meer water er in de cel zit (hoe voller de cel) en hoe groter de druk. Beheer van turgor druk zorgt voor een balans tussen CO2-inname en waterverlies, zodat fotosynthese kan plaatsvinden. Maar, als het water blijft beperkt in droogte omstandigheden, uiteindelijk zal de plant niet in staat zijn om te gaan met de stress van de droogte en het hele fotosynthetische proces kan stoppen met goed werken. Echter, droogte-resistente planten hebben bedacht een slimme manier om het probleem van het verliezen van water tijdens fotosynthese te voorkomen. Ze openen hun stomata alleen tijdens de koelte van de nacht om CO2 op te nemen. Ze slaan dit CO2 op en gebruiken het overdag voor fotosynthese. Op deze manier verliezen ze overdag minder water omdat ze de stomata gesloten kunnen houden, maar ze kunnen blijven groeien—hoewel iets langzamer dan normaal.

planten moeten zichzelf beschermen tegen gevaarlijke vrije radicalen

in droogteomstandigheden wanneer een plant fotosynthese en waterverlies niet goed lijkt te balanceren, zal de plant te maken krijgen met vervelende kleine moleculen die vrije radicalen worden genoemd. Vrije radicalen komen van nature voor tijdens fotosynthese, maar als er niet veel water beschikbaar is ontstaan er meer vrije radicalen. Vrije radicalen kunnen zeer gevaarlijk zijn voor de cel, omdat ze schade kunnen veroorzaken aan DNA, celmembranen, eiwitten en suikers (al deze stoffen zijn essentieel voor het overleven van een cel)!

planten worden gebruikt om te gaan met lage hoeveelheden vrije radicalen. Echter, droogte tolerante planten zijn echt goed in het omgaan met vrije radicalen, omdat ze zich ophopen beschermende stoffen. Deze beschermende stoffen worden vrije radicalen aaseters genoemd. De aanwezigheid van vrije radicalen aaseters veroorzaakt vaak een verandering in de kleur van de plant. Planten worden vaak rood of paars wanneer deze aaseters zich ophopen (zie je de paarse bladeren van de droge plant in Figuur 3B?). De vrije radicalen aaseters komen op grote schaal voor in de natuur en zijn zeer goed in het opruimen van vrije radicalen om planten te beschermen tegen hun schadelijke effecten.

planten moeten de hoeveelheid Water in hun cellen controleren

osmose is een belangrijk begrip in de biologie. In principe is osmose de beweging van water over een membraan (zoals een celmembraan) naar een gebied waar bepaalde moleculen (zoals zouten, suikers, en vrije radicalen) in hogere concentraties voorkomen. Door dit te doen, zal het water de concentratie van deze moleculen verdunnen zodat de concentratie aan beide zijden van het membraan gelijk is. Denk nu na over wat er gebeurt met een plant die lijdt aan het verlies van water. Er is niet genoeg water om osmose te laten optreden, dus moleculen worden super geconcentreerd in de plantencellen. Dit is over het algemeen niet een goede zaak, vooral als deze moleculen zijn vrije radicalen.

nogmaals, droogte tolerante planten hebben een aantal zeer coole strategieën om dit probleem te bestrijden. Bij de eerste tekenen van droogte zullen de cellen van deze planten een hoop moleculen ophopen die betrokken zijn bij wat osmotische aanpassing (OA) wordt genoemd . OA is de verandering is opgeloste concentratie in een cel. Dit is als wanneer je suiker oplost in water, waar suiker de opgeloste stof is. Deze moleculen (opgeloste stoffen) kunnen suikers, aminozuren of kleine eiwitten zijn. Het doel van deze moleculen is om de beweging van water uit de cel te beperken. Wat deze oa moleculen uniek maakt in droogte tolerantie is dat ze vele functies dienen. De molecules van OA kunnen fysiek aan DNA en proteã nen binden om hen tegen vrije radicalen te beschermen. Ze kunnen ook water zelf binden, waardoor het niet uit de plantencellen kan bewegen. Deze oa moleculen binden ook aan membranen, waardoor de structuur van de plant wordt gestabiliseerd wanneer het water beperkt is.

Resurrection plants zijn perfecte voorbeelden van hoe droogte tolerante planten samenbrengen de concepten die we tot nu toe hebben besproken. Resurrection planten zijn in staat om volledig verlies van water te overleven. Ze accumuleren grote hoeveelheden OAs, laten vrije radicalen aaseters vrij en produceren speciale beschermende eiwitten om lange en ernstige droogtes te overleven. Ze doen dit allemaal terwijl ze ook hun bladeren wegvouwen en wachten tot de regen valt (Figuur 3). Het proces kan worden vergeleken met beren die in winterslaap gaan.

de genen van een Plant controleren de respons op droogte

houd in gedachten dat we deze processen hebben besproken die worden gebruikt om planten tegen droogte te beschermen op een zeer vereenvoudigde manier. Nauw kijken naar deze processen is eigenlijk erg ingewikkeld. Op basisniveau worden deze processen gereguleerd door het gebruik van de genetische code—de genen van de plant. Stoffen die nodig zijn om de droogte te overleven, worden geproduceerd door deze code op het juiste moment te raadplegen. Deze toegang tot de genetische code om een plant te helpen een droogte te overleven wordt de genetische reactie van de plant genoemd.

de genetische reacties van een plant die last heeft van droogte zijn zeer complex—veel genen worden in-of uitgeschakeld. Met behulp van geavanceerde computertechnologieën zijn wetenschappers nu in staat om de meeste genen te identificeren die een rol spelen bij het beschermen van een plant tegen droogte. Deze technologie heeft ontdekt dat letterlijk honderden genen in-en uitgeschakeld worden, afhankelijk van waar en wanneer ze nodig zijn! We kunnen niet al deze genen opsommen, want je zult je helemaal vervelen aan het einde van de eerste pagina! Wat we zullen zeggen is dat deze genen voornamelijk in drie groepen vallen: (1) genen die andere genen controleren die belangrijk zijn voor het in-en uitschakelen van genen; (2) genen die stoffen produceren die helpen bij de bescherming tegen droogte in de plant; en (3) genen die betrokken zijn bij de opname en het transport van water.

waarom denkt u dat het belangrijk zou kunnen zijn om te weten welke genen een rol spelen in het helpen van planten om droogte te voorkomen of te verdragen? De meeste gewassen zijn niet in staat om droogtes te overleven. Hoe gaan we onze gewassen beschermen of ze beter bestand maken tegen deze droogte? We moeten de kennis van de genen die in-of uitgeschakeld worden tijdens droogteomstandigheden gebruiken om planten te produceren die beter bestand zijn tegen droogte.in de loop der jaren hebben plantenwetenschappers enig succes geboekt bij het produceren van droogte-resistente gewassen. Deze droogte-resistente gewassen werden voornamelijk geproduceerd door het selecteren en kweken van individuele planten die goed overleven onder droogte omstandigheden. In de afgelopen decennia begonnen wetenschappers die werken aan genetisch gemodificeerde (GM) planten zich ook te richten op het produceren van droogte-resistente gewassen .

om een genetisch gemodificeerde plant te produceren, een nieuw gen (uit elke bron!) wordt ingebracht in het DNA van de plant. Door het inbrengen van dit nieuwe gen/gen hoopt de wetenschapper een nieuwe, nuttige eigenschap in de genetisch gemodificeerde plant te introduceren. Stel je voor dat je in staat bent om te kiezen uit honderden nuttige genen in een verrijzenisplant en sommige van hen in tarwe te introduceren! Helaas zijn slechts een handvol GM droogte-resistente planten (zoals maïs/maïs en suikerriet) met succes geproduceerd. Er moet nog veel meer worden gedaan, waaronder het grote publiek ervan overtuigen dat genetisch gemodificeerde planten niet gevaarlijk zijn!

conclusie

planten zijn echt kwetsbaar als het gaat om waterschaarste. Droogte zal de groei, ontwikkeling, productiviteit en uiteindelijk het overleven van een plant beïnvloeden. Planten hebben echter wel een ingebouwde bescherming tegen droogte. Ze kunnen een aantal structurele aanpassingen hebben om uitdroging te voorkomen of te tolereren. Ze hebben ook een aantal interne afweersystemen die worden geactiveerd om te proberen om waterverlies te beperken wanneer ze beseffen dat water schaars wordt. Al deze verdedigingssystemen worden gereguleerd door de genen van de plant. Kennis van deze genen en hoe ze betrokken zijn bij de bescherming van de plant tegen droogte geeft de mensheid de hoop om droogte-resistente genetisch gemodificeerde gewassen te maken.

verklarende woordenlijst

zittend: een organisme dat niet kan bewegen en op één plaats blijft, zoals een plant.

Vetplanten: Planten met verdikte en vlezige bladeren en stengels, waarin water kan worden opgeslagen.

transpiratie: het proces waarbij plantenwortels water opnemen en vervolgens waterdamp afgeven via poriën (stomata) in de bladeren.

Stomata: kleine gaatjes in het onderoppervlak van een blad waardoor water en gas in en uit een plant kunnen bewegen.

fotosynthese: het proces waarbij planten water, licht en CO2 gebruiken om hun eigen voedsel te produceren (in de vorm van suikers) en zuurstof afgeven in de lucht.

vrije radicalen: Moleculen die reageren met en schade toebrengen aan alles waarmee ze in contact komen.

ABA: een planthormoon genaamd abscisinezuur dat helpt bij het verzorgen van de waterbalans in planten.

Turgor druk: de spanning die door de vloeistoffen in de cel op een plantencelwand wordt uitgeoefend. Stel je voor dat je een ballon vult die je in een glazen pot hebt geplaatst. Als je de ballon meer vult, drukt hij tegen de starre glazen pot, net als de vloeistoffen tegen de starre plantencelwand.

Osmose: Water verplaatsen door een celmembraan van de ene cel naar de volgende cel. Waarom? Om te zorgen voor gelijke concentraties van opgeloste stoffen aan beide zijden van het membraan.

osmotische aanpassing: verandering van de concentratie van opgeloste stoffen in een plantencel.

opgeloste stof: de stof (zoals suiker) die u oplost in een oplossing (zoals water).

belangenconflict verklaring

De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële relatie die als een potentieel belangenconflict kon worden opgevat.

Dankbetuigingen

cijfers werden gemaakt in het Mind the Graph platform (www.mindthegraph.com).

Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A., en Pereira, A. 2016. Aanpassing van planten aan droogte stress. F1000Res 5 (F1000 Faculteit Rev): 1554. doi: 10.12688 / f1000onderzoek.7678.1

Dimmitt, M. A. 1997. Hoe planten omgaan met het woestijnklimaat. Sonorensis. Vol. 17. Beschikbaar op: http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php

Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K., en Lam-Son, T. 2014. Reactie van planten op waterstress. Voorkant. Plant Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389 / fpls.2014.00086

Blum, A. 2014. Genomica voor droogte weerstand-naar beneden naar de aarde. Funct. Plant Biol. 41:1191–8. doi: 10.1071 / FP14018