Frontiers for Young Minds
Abstract
Plants regularly face dry conditions. Não ter água suficiente representa uma séria ameaça para a capacidade de uma planta para crescer e se desenvolver ou mesmo apenas sobreviver! Se as plantas morrerem, não teremos comida suficiente para comer! Como as plantas conseguem sobreviver durante a escassez de água? Eles devem de alguma forma ser capazes de sentir, responder e se adaptar às mudanças na disponibilidade de água. Eles fazem isso através de uma série de técnicas que permitem uma planta para combater a escassez de água. A “armadura” estrutural de uma planta ajuda a diminuir a quantidade de água que perde para o ambiente e aumentar o armazenamento de água. As plantas respondem à escassez de água de formas muito complexas. Estas respostas podem incluir alterações no crescimento das plantas e na sua capacidade de se protegerem contra produtos químicos tóxicos que se acumulam na planta durante os períodos secos. Todas as respostas de uma planta são diretamente controladas pelos genes da planta. Se conseguirmos compreender os genes que estão envolvidos na protecção das plantas contra a seca, no futuro poderemos ser capazes de fazer culturas geneticamente modificadas que possam tolerar o aquecimento global e as alterações climáticas.ouviu pessoas a falar sobre o aquecimento global e as alterações climáticas? Sabes o que significam estes Termos? Estes Termos basicamente implicam que a terra está ficando mais quente a cada ano. Estas temperaturas mais altas levam a padrões climáticos inesperados e incomuns. Um desses padrões climáticos extremos é a seca frequente e severa. Secas são períodos secos muito longos sem chuva. O que significam secas severas para as plantas? As plantas são sésseis, o que significa que ficam num sítio e não se podem mexer como nós. Não podem arrancar as raízes e mudar-se para um local obscuro ou húmido. Portanto, as plantas de alguma forma precisam lidar com essas condições de seca cada vez maiores, ou simplesmente morrerão. Lembrem-se, as plantas são a nossa comida. Comemos plantas crus ou cozinhadas (os vegetais que a tua mãe insiste que comas!) ou processados, como a sua caixa favorita de cereais de pequeno-almoço . Portanto, se as plantas morrerem por causa das Secas, não teremos comida suficiente para comer!se não houver água ao redor, o que as plantas podem fazer para sobreviver? Surpreendentemente, todas as plantas parecem ter uma série de genes para estratégias de defesa contra secas codificadas em seu DNA. Genes são pequenas seções de DNA, como capítulos de um livro. A forma como usam estes genes determina a sua capacidade de sobreviver à seca.algumas plantas são resistentes à seca. Quando falamos de plantas resistentes à seca, referimo-nos a plantas que podem suportar condições secas sem Morrer. Uma planta resistente à seca pode sobreviver à seca usando três estratégias de defesa: escapar, evitar ou tolerar a perda de água . Plantas tolerantes à seca são muito raras na natureza e podem suportar longos períodos sem água em tudo. Algumas das plantas mais espectaculares tolerantes à seca são chamadas plantas da Ressurreição. As plantas de Ressurreição são capazes de sobreviver por longos períodos (até 3 anos!) sem água. No entanto, dê-lhes um pouco de água e eles vão voltar à vida em um dia ou dois. Outras plantas resistentes à seca podem não ser tão espetaculares, mas também podem sobreviver curtos períodos de seca usando técnicas especiais e estratégias de defesa.algumas plantas têm estruturas especiais que as ajudam a sobreviver em condições de seca. Estas características estruturais incluem a armadura externa das plantas que os protege contra a perda de água, bem como ferramentas para ajudar as plantas a absorver e armazenar água. Plantas resistentes à seca podem ser especialmente adaptadas para viver e sobreviver em ambientes muito secos. Estas plantas muitas vezes parecem bastante diferentes das plantas que vivem em áreas onde a água é facilmente disponível. As plantas resistentes à seca normalmente têm “evitar” especial (uma das adaptações de defesa!) características para garantir que menos água é perdida para o meio ambiente ou que mais água é absorvida e armazenada na planta. Plantas chamadas de suculentas do deserto são um bom exemplo de plantas que têm estratégias para evitar secas . As suculentas do deserto têm folhas carnudas espessas, que muitas vezes não se assemelham a folhas, e têm uma camada cerosa espessa para evitar a perda de água. As succulentes do deserto também têm extensos sistemas de raízes que buscam água sob o solo seco do deserto (Figura 1). Alguns suculentos têm raízes especializadas que formam grandes bulbo estruturas, que são na verdade reservatórios subterrâneos de água para a planta. Estas plantas podem sobreviver a anos de seca usando a água armazenada em suas lâmpadas.
A maior parte da água que uma planta perde é perdida devido a um processo natural chamado transpiração. As plantas têm pequenos poros (buracos ou aberturas) na parte inferior de suas folhas, chamados stomata. As plantas irão absorver água através das suas raízes e libertar água como vapor para o ar através destes estomas. Para sobreviver em condições de seca, as plantas precisam diminuir a transpiração para limitar a perda de água. Algumas plantas que vivem em condições secas evoluíram para ter folhas menores e, portanto, menos estomas. Exemplos extremos são plantas com folhas que se assemelham a espinhos espinhosos. Algumas plantas também podem perder completamente suas folhas em uma seca, para evitar a perda de água. A regra básica é que menos folhas significa menos perda de água através da transpiração. Estas adaptações extremas de folhas também podem proteger as plantas de aves e animais famintos e sedentos (Figura 1). Você certamente não gostaria de ter uma refeição espinhosa!algumas adaptações são bastante inteligentes e envolvem plantas” escapando ” da seca como sementes (lembre-se, escapar é outra estratégia de defesa). As sementes sobrevivem durante os períodos secos e germinam muito rapidamente (rebentos), crescem e produzem mais sementes quando as chuvas caem. Estas sementes são então espalhadas e também podem sobreviver condições extremas por longos períodos de tempo. Olhando de perto para os solos do deserto, você vai encontrar um monte de sementes espalhadas ao redor, apenas à espera de chuva antes de germinar novamente.
algumas plantas também têm defesas internas contra a seca
além de estruturas especiais, as plantas também têm defesas internas para protegê-las contra a escassez de água. Quando uma planta experimenta condições de seca, algumas reações ocorrerão rapidamente dentro da planta para ajudar a planta com o estresse da seca. Estas reações que ocorrem na planta são muitas vezes bastante complexas e sofisticadas. Vamos dar-lhe alguns exemplos.
as plantas ainda precisam realizar fotossíntese durante a seca
As plantas são verdes porque contêm um produto químico verde chamado Clorofila. A clorofila é embalada em estruturas especiais chamadas cloroplastos, que são as fábricas de energia das plantas. Juntamente com água e dióxido de carbono (CO2), a clorofila usa a luz solar para criar açúcares. Estes açúcares permitem que a planta cresça e floresça. Este é o processo de fotossíntese e está ligado à disponibilidade de água.quando não há muita água no solo da planta, o processo de fotossíntese irá acontecer um pouco diferente e resultará na acumulação de substâncias químicas prejudiciais chamadas radicais livres. Isto significa que as plantas precisam controlar cuidadosamente como elas usam a energia do sol. Durante a fotossíntese, o CO2 deve entrar na planta através do seu estomata (os pequenos poros mencionados anteriormente). Mas lembrem-se, estomata aberta significa que a água se perderá através da transpiração! Assim, a planta é confrontada com o problema difícil de se certificar de que tem água suficiente e também CO2 suficiente para a fotossíntese ocorrer. Para isso, as plantas usam um “manager” chamado ácido abcisico (ABA).quando uma planta sofre de escassez de água, a ABA é rapidamente produzida e transportada para o estômago. No stomata, ABA controla como o stomata se abre e se fecha manipulando algo chamado pressão turgor (Figura 2) . Pressão Turgor é a pressão aplicada na parede da célula da planta pelos fluidos dentro da célula. Quanto mais água está na célula (quanto mais cheia a célula) e maior a pressão. A gestão da pressão turgor proporciona um equilíbrio entre a ingestão de CO2 e a perda de água, para que a fotossíntese possa ocorrer. Mas, se a água permanecer limitada em condições de seca, eventualmente a planta será incapaz de lidar com o estresse da seca e todo o processo fotossintético pode parar de funcionar corretamente. No entanto, plantas resistentes à seca descobriram uma maneira inteligente de evitar o problema de perder água durante a fotossíntese. Só abrem os estômagos durante o frio da noite para absorver CO2. Eles então armazenam este CO2 e o usam durante o dia para a fotossíntese. Desta forma, eles perdem menos água durante o dia porque podem manter o stomata fechado, mas eles podem continuar a crescer—embora um pouco mais lento do que o normal.
- Figura 2-defesas internas das plantas sob stress hídrico.
- (a). Quando há muita água disponível no solo, as plantas irão absorver água através das suas raízes. Esta água será utilizada pela planta ou libertada através da transpiração por estomas abertos nas folhas. A fotossíntese também ocorrerá normalmente com CO2 e oxigênio sendo absorvidos e liberados através do estomata aberto. (B). Mas quando há pouca água disponível no solo, as plantas tentam evitar a perda de água. A perda de água através da transpiração pode ser reduzida fechando os estomas nas folhas usando uma substância chamada ABA. Quando a fotossíntese estomata é fechada irá diminuir porque nenhum CO2 pode entrar através do estomata fechado. Menos fotossíntese significa menos energia é produzida pela planta e a planta pára de crescer.
as Plantas Precisam para se Proteger dos Perigosos Radicais Livres
Em condições de seca, quando uma planta não pode parecer para equilibrar a fotossíntese e a perda de água, adequadamente, a planta terá que lidar com um pouco desagradável moléculas chamadas radicais livres. Radicais livres ocorrem naturalmente durante a fotossíntese, mas quando não há muita água disponível mais radicais livres se formam. Os radicais livres podem ser muito perigosos para a célula, porque podem causar danos ao DNA, membranas celulares, proteínas e açúcares (todas estas substâncias são essenciais para a sobrevivência de uma célula)!as plantas são usadas para lidar com pequenas quantidades de radicais livres. No entanto, as plantas tolerantes à seca são realmente boas em lidar com radicais livres, porque acumulam substâncias protectoras. Estas substâncias protectoras são chamadas de catadores radicais livres. A presença de necrófagos radicais livres muitas vezes causa uma mudança na cor da planta. As plantas muitas vezes ficam vermelhas ou roxas quando esses necrófagos se acumulam (você vê as folhas roxas da planta seca na figura 3B?). Os radicais livres ocorrem amplamente na natureza e são muito bons em Limpar radicais livres para proteger as plantas de seus efeitos nocivos.
as Plantas Precisam para Controlar a Quantidade de Água dentro de Suas Células
a Osmose é um conceito importante na biologia. Basicamente, a osmose é o movimento da água através de uma membrana (como uma membrana celular) para uma área onde certas moléculas (como sais, açúcares, e radicais livres) ocorrem em concentrações mais elevadas. Ao fazê-lo, a água diluirá a concentração destas moléculas de modo que a concentração seja igual em ambos os lados da membrana. Agora pense sobre o que acontece a uma planta que está sofrendo da perda da água. Não há água suficiente para permitir a osmose ocorrer, então as moléculas se tornam super concentradas dentro das células da planta. Isto geralmente não é uma coisa boa, especialmente se estas moléculas são radicais livres.mais uma vez, as plantas tolerantes à seca têm algumas estratégias muito frias para combater este problema. Nos primeiros sinais de seca, as células destas plantas irão acumular um monte de moléculas envolvidas no que é chamado ajuste osmótico (OA) . OA é a alteração da concentração de soluto numa célula. Isto é como quando se dissolve açúcar na água, onde o açúcar é o soluto. Estas moléculas (solutos) podem ser açúcares, aminoácidos ou pequenas proteínas. O objetivo destas moléculas é limitar o movimento da água para fora da célula. O que torna estas moléculas OA únicas na tolerância à seca é que servem muitas funções. As moléculas OA podem ligar-se fisicamente ao ADN e às proteínas para as proteger dos radicais livres. Eles também podem ligar a água em si, impedindo-a de se mover para fora das células da planta. Estas moléculas OA também se ligam às membranas, estabilizando a estrutura da planta quando a água é restrita.as plantas de Ressurreição são exemplos perfeitos de como as plantas tolerantes à seca unem os conceitos que discutimos até agora. As plantas da Ressurreição são capazes de sobreviver à perda completa de água. Acumulam grandes quantidades de OAs, libertam radicais livres e produzem proteínas protectoras especiais para sobreviver a secas longas e severas. Eles fazem tudo isso enquanto dobram suas folhas e esperam até que a chuva caia (Figura 3). O processo pode ser comparado a ursos que entram em hibernação.
os Genes de uma planta controlam as suas respostas à seca
tenha em mente que discutimos estes processos usados para proteger as plantas da seca de uma forma muito simplificada. Olhar de perto para estes processos é realmente muito complicado. A nível muito básico, estes processos são regulados pelo uso da planta de seu código genético—seus genes. As substâncias necessárias para sobreviver à seca serão produzidas acedendo a este código no momento certo. Este acesso ao código genético para ajudar uma planta a sobreviver a uma seca é chamado de resposta genética da planta.as respostas genéticas de uma planta que sofre o stress de uma seca são muito complexas—muitos genes são ligados ou desligados. Usando tecnologias avançadas de computadores, os cientistas são agora capazes de identificar a maioria dos genes que desempenham um papel na proteção de uma planta da seca. Esta tecnologia descobriu que literalmente centenas de genes são ligados e desligados, dependendo de onde e quando eles são necessários! Não podemos listar todos esses genes, porque você vai ficar completamente entediado no final da primeira página! O que vamos dizer é que esses genes caem principalmente em três grupos: (1) genes que controlam outros genes importantes para ligar e desligar genes; (2) genes que produzem substâncias que ajudam a proteger a seca na planta; e (3) genes envolvidos na captação e transporte de água.por que você acha que pode ser importante saber quais genes desempenham um papel em ajudar as plantas a evitar ou tolerar a seca? A maioria das nossas colheitas não são capazes de sobreviver a secas. Como vamos proteger as nossas colheitas ou torná-las mais resistentes a estas secas? Precisamos usar o conhecimento dos genes que são ligados ou desligados durante as condições de seca para produzir plantas que são mais resistentes à seca.ao longo dos anos, os cientistas das plantas tiveram algum sucesso na produção de culturas resistentes à seca. Estas culturas resistentes à seca foram produzidas principalmente através da seleção e reprodução de plantas individuais que sobreviveram bem em condições de seca. Ao longo das últimas décadas, os cientistas que trabalham em plantas geneticamente modificadas (GM) também começaram a se concentrar na produção de culturas resistentes à seca .
para produzir uma planta GM, um novo gene (de qualquer fonte!) é inserido no DNA da planta. Ao inserir este novo gene / s, o cientista espera introduzir uma nova característica útil na planta GM. Imagine ser capaz de escolher entre centenas de genes úteis em uma planta de ressurreição e introduzir alguns deles no trigo! Infelizmente, apenas um punhado de plantas GM resistentes à seca (como milho/milho e cana de açúcar) foram produzidos com sucesso. Há muito mais trabalho a fazer, incluindo convencer o público em geral de que as plantas geneticamente modificadas não são perigosas!
conclusão
As plantas são realmente vulneráveis quando se trata de escassez de água. A seca irá influenciar o crescimento, o desenvolvimento, a produtividade de uma planta e, em última análise, a sua sobrevivência. No entanto, as plantas têm alguma proteção embutida contra a seca. Eles podem ter algumas adaptações estruturais para evitar ou tolerar a desidratação. Eles também têm algumas defesas internas que são ativadas para tentar limitar a perda de água quando eles percebem que a água está se tornando escassa. Todos estes sistemas de defesa são regulados pelos genes da planta. O conhecimento destes genes e a forma como estão envolvidos na protecção da planta contra a seca dão à humanidade a esperança de fazer culturas GM resistentes à seca.
glossário
Sessile: um organismo que não pode se mover e permanece em um lugar, como uma planta.succulentes: plantas com folhas e caules grossos e carnudos, nas quais a água pode ser armazenada.transpiração: o processo em que as raízes das plantas absorvem água e depois libertam vapor de água através de poros (stomas) nas folhas.Stomas: pequenos buracos na superfície inferior de uma folha através dos quais a água e o gás podem entrar e sair de uma planta.fotossíntese: o processo em que as plantas utilizam água, luz e CO2 para produzir os seus próprios alimentos (sob a forma de açúcares) e libertam oxigénio no ar.radicais livres: Moléculas que irão reagir com, e danificar, qualquer coisa com que entrem em contacto.ABA: uma hormona vegetal chamada ácido abcísico que ajuda a cuidar do balanço hídrico nas plantas.pressão Turgor: a tensão exercida na parede celular de uma planta pelos fluidos no interior da célula. Imagine encher um balão que colocou dentro de um frasco de vidro. À medida que você enche mais o balão, ele pressiona contra o frasco de vidro rígido, assim como os fluidos contra a parede celular da planta rígida.osmose: mover água através de uma membrana celular de uma célula para a célula seguinte. Por quê? Assegurar concentrações iguais de solutos em ambos os lados da membrana.ajuste osmótico: alteração da concentração dos solutos numa célula vegetal.soluto: a substância (como o açúcar) que se dissolve numa solução (como a água).
Declaração de conflito de interesses
os autores declaram que a investigação foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.
agradecimentos
figuras foram criadas na mente a plataforma do Gráfico (www.mindthegraph.com).
Basu, S.= = Ligações externas = = * página oficial Adaptação de plantas ao stress da seca. F1000Res 5 (F1000 Faculty Rev): 1554. doi: 10.12688 / f1000research.7678.1
Dimmitt, M. A. 1997. Como as plantas lidam com o clima do deserto. Sonorensis. Volume. 17. Disponível em: http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php
osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K., and Lam-Son, T. 2014. Resposta das plantas ao stress da água. Frente. Plant Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389 / fpls.2014.00086
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