frontiere pentru mințile tinere
rezumat
plantele se confruntă în mod regulat cu condiții uscate. A nu avea suficientă apă reprezintă o amenințare serioasă pentru capacitatea unei plante de a crește și de a se dezvolta sau chiar de a supraviețui! Dacă plantele mor, nu vom avea suficientă mâncare pentru a mânca! Cum reușesc plantele să supraviețuiască în timpul lipsei de apă? Ei trebuie să fie cumva capabili să simtă, să răspundă și să se adapteze la schimbările în disponibilitatea apei. Ei fac acest lucru printr-o serie de tehnici care permit unei plante să combată lipsa apei. „Armura” structurală a unei plante o ajută să scadă cantitatea de apă pe care o pierde în mediu și să crească stocarea apei. Plantele răspund la lipsa apei în moduri foarte complexe. Aceste răspunsuri pot include schimbări în creșterea plantelor și în capacitatea lor de a se proteja împotriva substanțelor chimice toxice care se acumulează în plantă în perioadele uscate. Toate răspunsurile unei plante sunt controlate direct de genele plantei. Dacă putem înțelege genele care sunt implicate în protejarea plantelor împotriva secetei, în viitor am putea fi capabili să producem culturi modificate genetic care pot tolera încălzirea globală și schimbările climatice.
ai auzit oameni vorbind despre încălzirea globală și schimbările climatice? Știți ce înseamnă acești Termeni? Acești Termeni implică practic că Pământul se încălzește în fiecare an. Aceste temperaturi mai ridicate duc la modele meteorologice neașteptate și neobișnuite. Unul dintre aceste modele meteorologice extreme este seceta frecventă și severă. Secetele sunt perioade uscate foarte lungi, fără ploaie. Ce înseamnă secetele severe pentru plante? Ei bine, plantele sunt sesile, ceea ce înseamnă că stau într-un singur loc și nu se pot mișca așa cum putem noi. Nu își pot ridica rădăcinile și se pot muta într-un loc umbros sau umed. Prin urmare, plantele trebuie cumva să facă față acestor condiții de secetă din ce în ce mai mari sau pur și simplu vor muri. Amintiți-vă, plantele sunt hrana noastră. Mâncăm plante crude sau fierte (acele legume pe care mama ta insistă să le mănânci!) sau prelucrate, cum ar fi cutia preferată de cereale pentru micul dejun . Deci, dacă plantele mor din cauza secetei, nu vom avea suficientă mâncare pentru a mânca!
dacă nu există apă în jur, ce pot face plantele pentru a supraviețui? Uimitor, toate plantele par să aibă un număr de gene pentru strategiile de apărare a secetei codificate în ADN-ul lor. Genele sunt secțiuni mici ale ADN-ului, cum ar fi capitolele dintr-o carte. Modul în care folosesc aceste gene determină capacitatea lor de a supraviețui secetei.
unele plante sunt rezistente la secetă. Când vorbim despre plante rezistente la secetă, ne referim la plante care pot rezista condițiilor uscate fără a muri. O plantă rezistentă la secetă poate supraviețui secetei folosind trei strategii de apărare: evadarea, evitarea sau tolerarea pierderii de apă . Plantele tolerante la secetă sunt destul de rare în natură și pot suporta perioade lungi fără apă deloc. Unele dintre cele mai spectaculoase plante tolerante la secetă se numesc plante de Înviere. Plantele de Înviere sunt capabile să supraviețuiască perioade lungi (până la 3 ani!) fără apă. Cu toate acestea, dați-le puțină apă și vor reveni la viață într-o zi sau două. Este posibil ca alte plante rezistente la secetă să nu fie la fel de spectaculoase, dar și ele pot supraviețui perioadelor scurte de secetă folosind tehnici speciale și strategii de apărare.
unele plante au structuri speciale care le ajută să supraviețuiască în condiții de secetă
unele plante sunt capabile să supraviețuiască secetei datorită structurilor lor unice. Aceste caracteristici structurale includ armura exterioară a plantelor care le protejează împotriva pierderilor de apă, precum și instrumente pentru a ajuta plantele să absoarbă și să stocheze apa. Plantele rezistente la secetă pot fi adaptate special pentru a trăi și a supraviețui în medii foarte uscate. Aceste plante arată adesea destul de diferit de plantele care trăiesc în zone în care apa este ușor disponibilă. Plantele rezistente la secetă au în mod normal o „evitare” specială (una dintre adaptările de apărare!) caracteristici pentru a vă asigura că se pierde mai puțină apă în mediul înconjurător sau că mai multă apă este absorbită și depozitată în plantă. Plantele numite suculente de deșert sunt un bun exemplu de plante care au strategii de evitare a secetei . Suculentele din deșert au frunze cărnoase groase, care adesea nu seamănă deloc cu frunzele și au un strat gros de ceară pentru a preveni pierderea apei. Suculentele din deșert au, de asemenea, sisteme radiculare extinse care caută apă sub solul uscat al deșertului (Figura 1). Unele suculente au rădăcini specializate care formează structuri mari de bulbi, care sunt de fapt rezervoare subterane de apă pentru plantă. Aceste plante pot supraviețui ani de secetă folosind apa stocată în bulbii lor.
- Figura 1 – adaptări structurale extreme găsite în plante pentru a combate pierderea de apă și a stoca mai multă apă.
cea mai mare parte a apei pe care o plantă o pierde se pierde din cauza unui proces natural numit transpirație. Plantele au pori mici (găuri sau deschideri) pe partea inferioară a frunzelor lor, numite stomate. Plantele vor absorbi apa prin rădăcinile lor și vor elibera apa sub formă de vapori în aer prin aceste stomate. Pentru a supraviețui în condiții de secetă, plantele trebuie să scadă transpirația pentru a-și limita pierderea de apă. Unele plante care trăiesc în condiții uscate au evoluat pentru a avea frunze mai mici și, prin urmare, mai puține stomate. Exemple Extreme sunt plantele cu frunze care seamănă cu spini țepoși. Unele plante își pot vărsa complet frunzele într-o secetă, pentru a preveni pierderea apei. Regula de bază este că mai puține frunze înseamnă mai puține pierderi de apă prin transpirație. Aceste adaptări extreme ale frunzelor pot proteja, de asemenea, plantele de păsările și animalele înfometate și însetate (Figura 1). Tu cu siguranță nu ar dori să aibă o masă înțepător!
unele adaptări sunt destul de inteligente și implică plante care „scapă” de secetă ca semințe (amintiți-vă, Evadarea este o altă strategie de apărare). Semințele supraviețuiesc în timpul vrăjilor uscate și germinează foarte repede (încolțesc), cresc și produc mai multe semințe atunci când cad ploile. Aceste semințe sunt apoi împrăștiate și pot supraviețui, de asemenea, condiții extreme dure pentru perioade lungi de timp. Privind atent la solurile deșertice, veți găsi o mulțime de semințe situate în jur, așteptând doar ploaia înainte de a germina din nou.
unele plante au, de asemenea, apărare internă împotriva secetei
În plus față de structurile speciale, plantele au apărare internă pentru a le proteja împotriva lipsei de apă, de asemenea. Atunci când o plantă se confruntă cu condiții de secetă, unele reacții se vor întâmpla rapid în interiorul plantei pentru a ajuta planta cu stresul secetei. Aceste reacții care apar în plantă sunt adesea destul de complexe și sofisticate. Vă vom da câteva exemple.
plantele încă trebuie să efectueze fotosinteza în timpul secetei
plantele sunt verzi deoarece conțin o substanță chimică verde numită clorofilă. Clorofila este ambalată în structuri speciale numite cloroplaste, care sunt fabricile de energie ale plantelor. Împreună cu apa și dioxidul de carbon (CO2), clorofila folosește lumina soarelui pentru a crea zaharuri. Aceste zaharuri permit plantei să crească și să înflorească. Acesta este procesul de fotosinteză și este legat de disponibilitatea apei.
când nu există multă apă în solul plantei, procesul de fotosinteză se va întâmpla puțin diferit și va duce la acumularea de substanțe chimice dăunătoare numite radicali liberi. Aceasta înseamnă că plantele trebuie să controleze cu atenție modul în care folosesc energia soarelui. În timpul fotosintezei, CO2 trebuie să intre în plantă prin stomatele sale (porii mici menționați mai devreme). Dar amintiți-vă, stomatele deschise înseamnă că apa se va pierde prin transpirație! Deci, planta se confruntă cu problema dificilă de a se asigura că are suficientă apă și, de asemenea, suficient CO2 pentru ca fotosinteza să apară. Pentru a face acest lucru, plantele folosesc un „manager” numit acid abscisic (ABA).
când o plantă se confruntă cu o lipsă de apă, ABA este rapid produsă și transportată la stomate. În stomate, ABA controlează modul în care stomatele se deschid și se închid prin manipularea a ceva numit presiune turgor (Figura 2) . Presiunea turgorului este presiunea aplicată pe peretele celulei vegetale de către fluidele din interiorul celulei. Cu cât este mai multă apă în celulă (cu cât este mai plină celula) și cu atât este mai mare presiunea. Gestionarea presiunii turgorului asigură un echilibru între aportul de CO2 și pierderea apei, astfel încât să poată apărea fotosinteza. Dar, dacă apa rămâne limitată în condiții de secetă, în cele din urmă planta nu va putea face față stresului secetei și întregul proces fotosintetic poate înceta să funcționeze corect. Cu toate acestea, plantele rezistente la secetă au descoperit o modalitate inteligentă de a evita problema pierderii apei în timpul fotosintezei. Își deschid stomatele doar în timpul răcirii nopții pentru a prelua CO2. Apoi stochează acest CO2 și îl folosesc în timpul zilei pentru fotosinteză. În acest fel, pierd mai puțină apă în timpul zilei, deoarece pot menține stomatele închise, dar pot continua să crească—deși puțin mai lent decât în mod normal.
- Figura 2 – apărarea internă a plantelor sub stres de apă.
- (A). Când este disponibilă multă apă în sol, plantele vor absorbi apa prin rădăcinile sale. Această apă va fi utilizată de plantă sau eliberată prin transpirație prin stomate deschise în frunze. Fotosinteza va avea loc, de asemenea, în mod normal, CO2 și oxigenul fiind absorbite și eliberate prin stomatele deschise. (B). Dar când apa limitată este disponibilă în sol, plantele încearcă să prevină pierderea apei. Pierderea de apă prin transpirație poate fi redusă prin închiderea stomatelor din frunze folosind o substanță numită ABA. Când stomatele sunt închise, fotosinteza va scădea, deoarece niciun CO2 nu poate intra prin stomatele închise. Mai puțină fotosinteză înseamnă că planta produce mai puțină energie și planta încetează să crească.
plantele trebuie să se protejeze de radicalii liberi periculoși
în condiții de secetă, când o plantă nu pare să echilibreze fotosinteza și pierderea de apă în mod corespunzător, planta va trebui să se ocupe de molecule urâte numite radicali liberi. Radicalii liberi apar în mod natural în timpul fotosintezei, dar atunci când nu există multă apă disponibilă, se formează mai mulți radicali liberi. Radicalii liberi pot fi foarte periculoși pentru celulă, deoarece pot provoca daune ADN-ului, membranelor celulare, proteinelor și zaharurilor (toate aceste substanțe sunt esențiale pentru supraviețuirea unei celule)!
plantele sunt folosite pentru a face față unor cantități mici de radicali liberi. Cu toate acestea, plantele tolerante la secetă sunt foarte bune în tratarea radicalilor liberi, deoarece acumulează substanțe protectoare. Aceste substanțe protectoare se numesc agenți de curățare a radicalilor liberi. Prezența necrofagilor radicalilor liberi determină adesea o schimbare a culorii plantei. Plantele devin adesea roșii sau violete atunci când acești scavengers se acumulează (vedeți frunzele violete ale plantei uscate în figura 3b?). Necrofagii radicalilor liberi apar pe scară largă în natură și sunt foarte buni la eliminarea radicalilor liberi pentru a proteja plantele de efectele lor dăunătoare.
- Figura 3 – planta de Înviere, Craterostigma pumilum.
- (A). Acesta este modul în care planta arată atunci când crește în condiții în care este disponibilă suficientă apă. (B). Cele două imagini din mijloc arată planta când nu este disponibilă apă, după 3 săptămâni fără apă. Nu ți se pare mort? (C). Dacă aceeași plantă uscată, cu aspect mort, este udată, în decurs de 2 săptămâni planta se va recupera din secetă și va începe să producă semințe.
plantele trebuie să controleze cantitatea de apă din celulele lor
osmoza este un concept important în biologie. Practic, osmoza este mișcarea apei pe o membrană (ca o membrană celulară) într-o zonă în care anumite molecule (cum ar fi sărurile, zaharurile și radicalii liberi) apar în concentrații mai mari. Procedând astfel, apa va dilua concentrația acestor molecule astfel încât concentrația să fie egală pe ambele părți ale membranei. Acum gândiți-vă ce se întâmplă cu o plantă care suferă de pierderea apei. Nu există suficientă apă pentru a permite apariția osmozei, astfel încât moleculele devin super concentrate în interiorul celulelor plantei. Acest lucru nu este, în general, un lucru bun, mai ales dacă aceste molecule sunt radicali liberi.
încă o dată, plantele tolerante la secetă au câteva strategii foarte interesante pentru a combate această problemă. La primele semne de secetă, celulele acestor plante vor acumula o grămadă de molecule implicate în ceea ce se numește ajustare osmotică (OA) . OA este schimbarea este concentrația solutului într-o celulă. Acest lucru este ca atunci când dizolvați zahărul în apă, unde zahărul este solutul. Aceste molecule (substanțe dizolvate) pot fi zaharuri, aminoacizi sau proteine mici. Scopul acestor molecule este de a limita mișcarea apei din celulă. Ceea ce face ca aceste molecule OA să fie unice în toleranța la secetă este că îndeplinesc multe funcții. Moleculele OA se pot lega fizic de ADN și proteine pentru a le proteja de radicalii liberi. De asemenea, pot lega apa în sine, împiedicând-o să se deplaseze din celulele plantei. Aceste molecule OA se leagă, de asemenea, de membrane, stabilizând structura plantei atunci când apa este restricționată.
plantele de Înviere sunt exemple perfecte ale modului în care plantele tolerante la secetă reunesc conceptele pe care le-am discutat până acum. Plantele de Înviere sunt capabile să supraviețuiască pierderii complete de apă. Ei acumulează cantități mari de OEA, eliberează captatori de radicali liberi și produc proteine speciale de protecție pentru a supraviețui secetelor lungi și severe. Ei fac toate acestea în timp ce ei, de asemenea, ori frunzele lor departe și așteptați până când ploaia cade (Figura 3). Procesul poate fi comparat cu urșii care intră în hibernare.
genele unei plante controlează răspunsurile sale la secetă
rețineți că am discutat despre aceste procese utilizate pentru a proteja plantele de secetă într-o manieră foarte simplificată. Privirea atentă la aceste procese este de fapt foarte complicată. La nivelul foarte de bază, aceste procese sunt reglementate de utilizarea de către plantă a codului său genetic—genele sale. Substanțele necesare supraviețuirii secetei vor fi produse prin accesarea acestui cod la momentul potrivit. Această accesare a codului genetic pentru a ajuta o plantă să supraviețuiască unei secete se numește răspunsul genetic al plantei.
răspunsurile genetice ale unei plante care se confruntă cu stresul unei secete sunt foarte complexe—multe gene sunt activate sau dezactivate. Folosind tehnologii informatice avansate, oamenii de știință sunt acum capabili să identifice majoritatea genelor care joacă un rol în protejarea unei plante de secetă. Această tehnologie a descoperit că literalmente sute de gene sunt pornite și oprite, în funcție de locul și momentul în care sunt necesare! Nu putem enumera toate aceste gene, pentru că veți fi complet plictisit la sfârșitul primei pagini! Ceea ce vom spune este că aceste gene se încadrează în principal în trei grupe: (1) gene care controlează alte gene importante pentru pornirea și oprirea genelor; (2) gene care produc substanțe care ajută la protecția împotriva secetei în plantă; și (3) gene implicate în absorbția și transportul apei.
de ce credeți că ar putea fi important să știți care gene joacă un rol în a ajuta plantele să evite sau să tolereze seceta? Majoritatea culturilor noastre nu sunt capabile să supraviețuiască secetei. Cum ne vom proteja culturile sau le vom face mai rezistente la aceste secete? Trebuie să folosim cunoștințele genelor care sunt activate sau dezactivate în condiții de secetă pentru a produce plante mai rezistente la secetă.
de-a lungul anilor, oamenii de știință din plante au avut un anumit succes în producerea culturilor rezistente la secetă. Aceste culturi rezistente la secetă au fost produse în principal prin selectarea și reproducerea plantelor individuale care au supraviețuit bine în condiții de secetă. În ultimele decenii, oamenii de știință care lucrează la plante modificate genetic (GM) au început, de asemenea, să se concentreze pe producerea de culturi rezistente la secetă .
pentru a produce o plantă modificată genetic, o nouă genă (din orice sursă!) este introdus în ADN-ul plantei. Prin introducerea acestei noi gene, omul de știință speră să introducă o nouă trăsătură utilă în planta GM. Imaginați-vă că puteți alege dintre sute de gene utile într-o plantă de înviere și introduceți unele dintre ele în grâu! Din păcate, doar o mână de plante rezistente la secetă modificate genetic (cum ar fi porumbul/porumbul și trestia de zahăr) au fost produse cu succes. Trebuie depuse mult mai multe eforturi, inclusiv convingerea publicului larg că plantele modificate genetic nu sunt periculoase!
concluzie
plantele sunt cu adevărat vulnerabile atunci când vine vorba de deficitul de apă. Seceta va influența creșterea, dezvoltarea, productivitatea și, în cele din urmă, supraviețuirea unei plante. Cu toate acestea, plantele au o protecție încorporată împotriva secetei. Ele pot avea unele adaptări structurale pentru a evita sau tolera deshidratarea. De asemenea, au unele apărări interne care sunt activate pentru a încerca să limiteze pierderile de apă atunci când își dau seama că apa devine rară. Toate aceste sisteme de apărare sunt reglementate de genele plantei. Cunoașterea acestor gene și modul în care acestea sunt implicate în protejarea plantei împotriva secetei oferă omenirii speranța de a face culturi modificate genetic rezistente la secetă.
Glosar
sesile: un organism care nu se poate mișca și rămâne într-un singur loc, ca o plantă.
suculente: plante care au frunze și tulpini îngroșate și cărnoase, în care se poate depozita apă.
transpirație: procesul în care rădăcinile plantelor vor prelua apă și apoi vor elibera vapori de apă prin pori (stomate) din frunze.
stomate: mici găuri în suprafața inferioară a unei frunze prin care apa și gazul se pot deplasa în interiorul și în afara unei plante.
fotosinteza: procesul în care plantele folosesc apă, lumină și CO2 pentru a-și produce propriile alimente (sub formă de zaharuri) și eliberează oxigen în aer.
radicalii liberi: Molecule care vor reacționa cu, și daune, tot ce vin în contact cu.
ABA: un hormon vegetal numit acid abscisic care ajută la îngrijirea echilibrului de apă din plante.
presiunea turgorului: tensiunea exercitată asupra peretelui celular al plantei de către fluidele din interiorul celulei. Imaginați-vă că umpleți un balon pe care l-ați plasat într-un borcan de sticlă. Pe măsură ce umpleți balonul mai mult, acesta se apasă pe borcanul rigid de sticlă la fel ca fluidele pe peretele celular rigid al plantei.
osmoza: mutarea apei printr-o membrană celulară de la o celulă la următoarea celulă. De ce? Pentru a asigura concentrații egale de substanțe dizolvate pe ambele părți ale membranei.
ajustare osmotică: modificarea concentrației de substanțe dizolvate într-o celulă vegetală.
solut: substanța (cum ar fi zahărul) pe care o dizolvați într-o soluție (cum ar fi apa).
Declarație privind conflictul de interese
autorii declară că cercetarea a fost realizată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.
mulțumiri
cifrele au fost create în minte platforma Grafic (www.mindthegraph.com).
Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A. și Pereira, A. 2016. Adaptarea plantelor la stresul secetei. F1000Res 5 (F1000 Rev Facultate): 1554. doi: 10.12688/f1000research.7678.1
Dimmitt, M. A. 1997. Cum plantele fac față climatului deșertului. Sonorensis. Vol. 17. Disponibil la:http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php
Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K. și Lam-Son, T. 2014. Răspunsul plantelor la stresul apei. În față. Plante Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389 / fpls.2014.00086
Blum, A. 2014. Genomica pentru rezistența la secetă-coborârea pe pământ. Funct. Plante Biol. 41:1191–8. doi: 10.1071 / FP14018