gränser för unga sinnen
Abstrakt
växter möter regelbundet torra förhållanden. Att inte ha tillräckligt med vatten utgör ett allvarligt hot mot en växts förmåga att växa och utvecklas eller till och med bara överleva! Om växter dör, kommer vi inte ha tillräckligt med mat att äta! Hur lyckas växter överleva under vattenbrist? De måste på något sätt kunna känna, svara och anpassa sig till förändringar i vattentillgängligheten. De gör detta genom en rad tekniker som gör det möjligt för en anläggning att bekämpa vattenbrist. En anläggnings strukturella” Rustning ” hjälper den att minska mängden vatten som den förlorar för miljön och öka vattenlagringen. Växter svarar på vattenbrist på mycket komplexa sätt. Dessa svar kan inkludera förändringar i växternas tillväxt och i deras förmåga att skydda sig mot giftiga kemikalier som ackumuleras i växten under torra perioder. Alla en växts svar styrs direkt av växtens gener. Om vi kan förstå de gener som är involverade i att skydda växter mot torka, kan vi i framtiden kunna göra genetiskt modifierade grödor som tål global uppvärmning och klimatförändringar.
har du hört folk tala om global uppvärmning och klimatförändringar? Vet du vad dessa termer betyder? Dessa termer innebär i princip att jorden blir varmare varje år. Dessa högre temperaturer leder till oväntade och ovanliga vädermönster. Ett av dessa extrema vädermönster är frekventa och svåra torka. Torka är mycket långa torra perioder utan regn. Vad betyder allvarliga torka för växter? Tja, växter är sessila, vilket innebär att de stannar på ett ställe och inte kan röra sig som vi kan. De kan inte dra upp sina rötter och flytta till en skuggig eller fuktig plats. Därför måste växter på något sätt hantera dessa ständigt ökande torkförhållanden, eller de kommer helt enkelt att dö. Kom ihåg att växter är vår mat. Vi äter växter råa eller kokta (de grönsaker som din mamma insisterar på att du äter!) eller bearbetas, som din favoritlåda med frukostflingor . Så, om växter dör på grund av torka, kommer vi inte ha tillräckligt med mat att äta!
om det inte finns något vatten runt, vad kan växter göra för att överleva? Otroligt nog verkar alla växter ha ett antal gener för torkförsvarsstrategier kodade i deras DNA. Gener är små delar av DNA, som kapitel i en bok. Hur de använder dessa gener bestämmer deras förmåga att överleva torka.
vissa växter är torktåliga. När vi pratar om torka resistenta växter menar vi växter som tål torra förhållanden utan att dö. En torktålig växt kan överleva torka genom att använda tre försvarsstrategier: fly, undvika eller tolerera förlust av vatten . Torka toleranta växter är ganska sällsynta i naturen och kan uthärda långa perioder utan vatten alls. Några av de mest spektakulära torktoleranta växterna kallas resurrection plants. Resurrection växter kan överleva långa perioder (upp till 3 år!) utan vatten. Men ge dem lite vatten och de kommer tillbaka till livet om en dag eller två. Andra torktåliga växter kanske inte är lika spektakulära, men de kan också överleva korta perioder av torka med hjälp av speciella tekniker och försvarsstrategier.
vissa växter har speciella strukturer som hjälper dem att överleva i torkförhållanden
vissa växter kan överleva torka på grund av deras unika strukturer. Dessa strukturella egenskaper inkluderar växternas yttre rustning som skyddar dem mot vattenförlust, samt verktyg för att hjälpa växterna att absorbera och lagra vatten. Torka resistenta växter kan anpassas speciellt för att leva och överleva i mycket torra miljöer. Dessa växter ser ofta ganska annorlunda ut än växter som bor i områden där vatten är lättillgängligt. De torktåliga växterna har normalt speciell” undvikande ” (en av försvarsanpassningarna!) funktioner för att se till att mindre vatten förloras för miljön eller att mer vatten absorberas och lagras i växten. Växter som kallas ökensuckulenter är ett bra exempel på växter som har strategier för att undvika torka . Ökensuckulenter har tjocka köttiga blad, som ofta inte liknar löv alls, och de har ett tjockt vaxartat lager för att förhindra vattenförlust. Ökensuckulenter har också omfattande rotsystem som söker efter vatten under den torra ökenjorden (Figur 1). Vissa Suckulenter har specialiserade rötter som bildar stora lökstrukturer, som faktiskt är underjordiska vattenreservoarer för växten. Dessa växter kan överleva år av torka med hjälp av vattnet som lagras i sina lökar.
- Figur 1-extrema strukturella anpassningar som finns i växter för att bekämpa vattenförlust och lagra mer vatten.
det mesta av vattnet som en växt förlorar går förlorat på grund av en naturlig process som kallas transpiration. Växter har små porer (hål eller öppningar) på undersidan av bladen, kallad stomata. Växter absorberar vatten genom sina rötter och släpper ut vatten som ånga i luften genom dessa stomata. För att överleva i torkförhållanden måste växter minska transpirationen för att begränsa deras vattenförlust. Vissa växter som lever under torra förhållanden har utvecklats till att ha mindre löv och därmed färre stomata. Extrema exempel är växter med löv som liknar spikiga taggar. Vissa växter kan också helt kasta sina löv i en torka för att förhindra vattenförlust. Grundregeln är att färre löv betyder mindre vattenförlust genom transpiration. Dessa extrema bladanpassningar kan också skydda växterna från hungriga och törstiga fåglar och djur (figur 1). Du skulle verkligen inte vilja ha en prickig måltid!
vissa anpassningar är ganska smarta och involverar växter som ”flyr” torka som frön (kom ihåg att flykt är en annan försvarsstrategi). Fröna överlever under torra trollformler och mycket snabbt gro (gro), växa och producera fler frön när regn faller. Dessa frön sprids sedan och kan också överleva extrema hårda förhållanden under långa perioder. När du tittar noga på ökenjord hittar du många frön som ligger och väntar bara på regn innan du groddar igen.
vissa växter har också interna försvar mot torka
förutom speciella strukturer har växter interna försvar för att skydda dem mot vattenbrist också. När en växt upplever torkförhållanden kommer vissa reaktioner snabbt att hända inuti växten för att hjälpa växten med torkens stress. Dessa reaktioner som uppstår i växten är ofta ganska komplexa och sofistikerade. Vi kommer att ge dig några exempel.
växter behöver fortfarande utföra fotosyntes under torka
växter är gröna eftersom de innehåller en grön kemikalie som kallas klorofyll. Klorofyll packas i speciella strukturer som kallas kloroplaster, som är växternas energifabriker. Tillsammans med vatten och koldioxid (CO2) använder klorofyll solljus för att skapa sockerarter. Dessa sockerarter tillåter växten att växa och blomstra. Detta är processen för fotosyntes och den är kopplad till tillgången på vatten.
när det inte finns mycket vatten i växtens jord kommer fotosyntesprocessen att ske lite annorlunda och kommer att resultera i uppbyggnad av skadliga kemikalier som kallas fria radikaler. Detta innebär att växter måste noggrant kontrollera hur de använder solens energi. Under fotosyntesen måste CO2 komma in i växten genom sin stomata (de små porerna som nämnts tidigare). Men kom ihåg, öppen stomata betyder att vatten kommer att gå vilse genom transpiration! Så anläggningen står inför det svåra problemet att se till att den har tillräckligt med vatten och också tillräckligt med CO2 för att fotosyntes ska inträffa. För att göra detta använder växter en” chef ” som kallas abscisinsyra (ABA).
När en växt upplever brist på vatten produceras ABA snabbt och transporteras till stomata. I stomata styr ABA hur stomata öppnas och stängs genom att manipulera något som kallas turgortryck (Figur 2) . Turgortryck är det tryck som appliceras på växtcellens vägg av vätskorna inuti cellen. Ju mer vatten är i cellen (Ju fylligare cellen) och desto större är trycket. Hantering av turgortryck ger en balans mellan CO2-intag och vattenförlust, så att fotosyntes kan uppstå. Men om vattnet förblir begränsat under torkförhållanden, kommer anläggningen så småningom inte att klara av torkens stress och hela fotosyntesprocessen kan sluta fungera korrekt. Torka resistenta växter har dock räknat ut ett smart sätt att undvika problemet med att förlora vatten under fotosyntesen. De öppnar bara sin stomata under nattens svala för att ta upp CO2. De lagrar sedan denna CO2 och använder den på dagtid för fotosyntes. På så sätt förlorar de mindre vatten under dagen eftersom de kan hålla stomata stängd, men de kan fortsätta växa—även om de är lite långsammare än normalt.
- Figur 2-inre försvar av växter under vattenstress.
- (A). När mycket vatten finns i jorden kommer växter att absorbera vatten genom sina rötter. Detta vatten kommer att användas av växten eller släppas genom transpiration av öppen stomata i bladen. Fotosyntes kommer också att ske normalt med CO2 och syre absorberas och frigörs genom den öppna stomata. (H). Men när begränsat vatten finns tillgängligt i jorden försöker växter förhindra vattenförlust. Vattenförlust genom transpiration kan minskas genom att stänga stomata i bladen med hjälp av ett ämne som kallas ABA. När stomata är stängd kommer fotosyntesen att minska eftersom ingen CO2 kan komma in genom den stängda stomata. Mindre fotosyntes innebär att mindre energi produceras av växten och växten slutar växa.
växter måste skydda sig från farliga fria radikaler
i torka förhållanden när en växt inte verkar balansera fotosyntes och vattenförlust ordentligt, måste växten hantera otäcka små molekyler som kallas fria radikaler. Fria radikaler förekommer naturligt under fotosyntesen, men när det inte finns mycket vatten tillgängligt bildas mer fria radikaler. Fria radikaler kan vara mycket farliga för cellen, eftersom de kan orsaka skador på DNA, cellmembran, proteiner och sockerarter (alla dessa ämnen är väsentliga för en Cells överlevnad)!
växter används för att hantera låga mängder fria radikaler. Torka toleranta växter är dock riktigt bra på att hantera fria radikaler, eftersom de ackumulerar skyddande ämnen. Dessa skyddande ämnen kallas fria radikaler. Närvaron av fria radikaler orsakar ofta en förändring i växtens färg. Växter blir ofta röda eller lila när dessa scavengers ackumuleras (ser du de lila bladen på den torra växten i figur 3b?). De fria radikala rensarna förekommer i stor utsträckning i naturen och är mycket bra på att moppa upp fria radikaler för att skydda växter från deras skadliga effekter.
- Figur 3-Uppståndelsen växt, Craterostigma pumilum.
- (A). Så här ser växten ut när den växer under förhållanden där tillräckligt med vatten finns tillgängligt. (H). De två mellersta bilderna visar växten när inget vatten är tillgängligt, efter 3 veckor utan vatten. Ser det inte dött ut för dig? C). Om samma torra, döda växt vattnas, inom 2 veckor kommer växten att återhämta sig från torkan och börja producera frön.
växter måste kontrollera mängden vatten i sina celler
osmos är ett viktigt begrepp inom biologi. I grund och botten är osmos rörelsen av vatten över ett membran (som ett cellmembran) till ett område där vissa molekyler (som salter, sockerarter och fria radikaler) förekommer i högre koncentrationer. Genom att göra så kommer vattnet att späda koncentrationen av dessa molekyler så att koncentrationen är lika på båda sidor av membranet. Tänk nu på vad som händer med en växt som lider av förlust av vatten. Det finns inte tillräckligt med vatten för att tillåta osmos att inträffa, så molekyler blir superkoncentrerade inuti växtcellerna. Detta är i allmänhet inte bra, särskilt om dessa molekyler är fria radikaler.
återigen har torktoleranta växter några väldigt coola strategier för att bekämpa detta problem. Vid de första tecknen på torka kommer cellerna i dessa växter att ackumulera en massa molekyler som är involverade i det som kallas osmotisk justering (OA) . OA är förändringen är löst koncentration i en cell. Det här är som när du löser upp socker i vatten, där socker är det lösta ämnet. Dessa molekyler (lösta ämnen) kan vara sockerarter, aminosyror eller små proteiner. Syftet med dessa molekyler är att begränsa rörelsen av vatten ut ur cellen. Det som gör dessa oa-molekyler unika i torktolerans är att de tjänar många funktioner. OA-molekylerna kan fysiskt binda till DNA och proteiner för att skydda dem från fria radikaler. De kan också binda vatten i sig och förhindra att det rör sig ut ur växtcellerna. Dessa oa-molekyler binder också till membran, stabiliserar växtens struktur när vatten är begränsat.
Resurrection plants är perfekta exempel på hur torktoleranta växter samlar de begrepp vi har diskuterat hittills. Resurrection växter kan överleva fullständig förlust av vatten. De ackumulerar stora mängder OAs, släpper ut fria radikaler och producerar speciella skyddande proteiner för att överleva långa och svåra torka. De gör allt detta medan de också viker bort sina löv och väntar tills regnet faller (Figur 3). Processen kan jämföras med björnar som går i viloläge.
en växts gener kontrollerar dess svar på torka
tänk på att vi har diskuterat dessa processer som används för att skydda växter från torka på ett mycket förenklat sätt. Att titta noga på dessa processer är faktiskt väldigt komplicerat. På den mycket grundläggande nivån regleras dessa processer av växtens användning av dess genetiska kod—dess gener. Ämnen som är nödvändiga för att överleva torka kommer att produceras genom att komma åt denna kod vid rätt tidpunkt. Denna åtkomst av den genetiska koden för att hjälpa en växt att överleva en torka kallas växtens genetiska svar.
de genetiska svaren hos en växt som upplever stress av en torka är mycket komplexa—massor av gener slås på eller av. Med hjälp av avancerad datateknik kan forskare nu identifiera de flesta gener som spelar en roll för att skydda en växt från torka. Denna teknik har funnit att bokstavligen hundratals gener slås på och av, beroende på var och när de behövs! Vi kan inte lista alla dessa gener, för du kommer att bli helt uttråkad i slutet av första sidan! Vad vi kommer att säga är att dessa gener huvudsakligen faller i tre grupper: (1) gener som styr andra gener som är viktiga för att slå på och stänga av gener; (2) gener som producerar ämnen som hjälper till med torkskydd i växten; och (3) gener som är involverade i vattenupptag och transport.
Varför tror du att det kan vara viktigt att veta vilka gener som spelar en roll för att hjälpa växter att undvika eller tolerera torka? De flesta av våra grödor kan faktiskt inte överleva torka. Hur ska vi skydda våra grödor eller göra dem mer motståndskraftiga mot dessa torka? Vi måste använda kunskapen om de gener som slås på eller av under torkförhållanden för att producera växter som är mer resistenta mot torka.
under årens lopp har växtforskare haft viss framgång med att producera torktåliga grödor. Dessa torktåliga grödor producerades huvudsakligen genom att välja och odla enskilda växter som överlevde väl under torkförhållanden. Under de senaste decennierna har forskare som arbetar med genetiskt modifierade (GM) växter också börjat fokusera på att producera torktåliga grödor .
för att producera en GM-växt, en ny gen (från vilken källa som helst!) sätts in i växtens DNA. Genom att införa denna nya gen/s hoppas forskaren att introducera ett nytt, användbart drag i GM-anläggningen. Tänk dig att kunna välja mellan hundratals användbara gener i en uppståndelseväxt och introducera några av dem i vete! Tyvärr har bara en handfull GM-torka resistenta växter (som majs/majs och sockerrör) framgångsrikt producerats. Mycket mer arbete måste göras, inklusive att övertyga allmänheten om att GM-växter inte är farliga!
slutsats
växter är verkligen sårbara när det gäller vattenbrist. Torka kommer att påverka en växts tillväxt, utveckling, produktivitet och i slutändan dess överlevnad. Växter har dock ett inbyggt skydd mot torka. De kan ha vissa strukturella anpassningar för att undvika eller tolerera uttorkning. De har också några interna försvar som aktiveras för att försöka begränsa vattenförlusten när de inser att vatten blir knappt. Alla dessa försvarssystem regleras av växtens gener. Kunskap om dessa gener och hur de är involverade i att skydda växten mot torka ger mänskligheten hopp om att göra torktåliga GM-grödor.
ordlista
Sessile: en organism som inte kan röra sig och stannar på ett ställe, som en växt.
Suckulenter: växter som har förtjockade och köttiga löv och stjälkar, där vatten kan lagras.
Transpiration: processen där växtrötter tar upp vatten och sedan släpper ut vattenånga genom porer (stomata) i bladen.
Stomata: små hål i den nedre ytan av ett blad genom vilket vatten och gas kan röra sig in och ut ur en växt.fotosyntes: processen där växter använder vatten, ljus och CO2 för att producera sin egen mat (i form av sockerarter) och släppa ut syre i luften.
fria radikaler: Molekyler som kommer att reagera med, och skada, allt de kommer i kontakt med.
ABA: ett växthormon som kallas abscisinsyra som hjälper till att ta hand om vattenbalansen i växter.
Turgortryck: spänningen som utövas på en växtcellvägg av vätskorna inuti cellen. Tänk dig att fylla en ballong som du har placerat i en glasburk. När du fyller ballongen mer pressar den upp mot den styva glasburken precis som vätskorna mot den styva växtcellväggen.
osmos: flytta vatten genom ett cellmembran från en cell till nästa cell. Varför? För att säkerställa lika koncentrationer av lösta ämnen på båda sidor av membranet.
osmotisk justering: ändra koncentrationen av lösta ämnen i en växtcell.
löst ämne: ämnet (som socker) du löser upp i en lösning (som vatten).
intressekonflikt uttalande
författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.
bekräftelser
siffror skapades i sinnet Grafplattformen (www.mindthegraph.com).
Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A. och Pereira, A. 2016. Växt anpassning till torka stress. F1000Res 5 (F1000 Fakulteten Rev): 1554. doi: 10.12688 / f1000forskning.7678.1
Dimmitt, ma 1997. Hur växter hanterar ökenklimatet. Sonorensis. Vol. 17. Finns på: http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php
Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K. och Lam-Son, T. 2014. Svar av växter till vattenstress. Front. Växt Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389/fpls.2014.00086
Blum, A. 2014. Genomik för torkmotstånd-att komma ner till jorden. Funct. Växt Biol. 41:1191–8. doi:10.1071 / FP14018