A növény első védelmi vonala az abiotikus stressz ellen a gyökereiben található. Ha a növényt tartó talaj egészséges és biológiailag változatos, a növény nagyobb eséllyel éli túl a stresszes körülményeket.
A növény stresszre adott válaszai a stressz által érintett szövettől vagy szervtől függnek. Például a gyökerekben a stresszre adott transzkripciós válaszok szövet- vagy sejtspecifikusak, és az érintett stressztől függően meglehetősen eltérőek.
Az abiotikus stresszre, például a magas sótartalomra adott egyik elsődleges válasz a Na+/K+ arány felborulása a növényi sejt citoplazmájában. A magas Na+-koncentráció például csökkentheti a növény vízfelvételi képességét, valamint megváltoztathatja az enzimek és transzporterek működését. A sejtek ionhomeosztázisának hatékony helyreállítására irányuló evolúciós alkalmazkodás a stressztűrő növények széles skáláját eredményezte.
A facilitáció, vagyis a különböző növényfajok közötti pozitív kölcsönhatások a természetes környezetben bonyolult társulási hálót alkotnak. Így működnek együtt a növények. A nagy stressznek kitett területeken a facilitáció szintje is különösen magas. Ez valószínűleg azért lehet, mert a növényeknek erősebb hálózatra van szükségük ahhoz, hogy túléljenek a zordabb környezetben, így a fajok közötti kölcsönhatásaik, például a keresztbeporzás vagy a mutualista cselekvések gyakoribbá válnak, hogy megbirkózzanak az élőhelyük szigorúságával.
A növények egymástól nagyon eltérően alkalmazkodnak, még egy ugyanazon a területen élő növénytől is. Amikor különböző növényfajok egy csoportját különböző stresszjelzésekkel, például szárazsággal vagy hideggel ösztönözték, minden növény egyedien reagált. Alig volt hasonló válaszreakció, még akkor is, ha a növények pontosan ugyanahhoz az otthoni környezethez szoktak hozzá.
A talajok (alacsony tápanyag- és magas nehézfémkoncentrációjú közegek) abiotikus stressz forrása lehet. Kezdetben a toxikus fémionok felszívódását a sejtmembrán kizárása korlátozza. A szövetekbe felszívódó ionok a sejtvakuolumokba kerülnek. Ezt a szekvenálási mechanizmust a vakuólmembránon lévő fehérjék segítik elő. A szerpentin talajhoz alkalmazkodó növények példája a metallofiták, vagy hiperakkumulátorok, mivel ismertek arról a képességükről, hogy a nehézfémeket a gyökérből a hajtásba történő transzlokáció segítségével szívják fel (amit inkább a hajtásba szív fel, mint magába a növénybe). A nehézfémekből származó toxikus anyagok felszívására való képességük miatt is kihaltak.
A kémiai alapozást javasolták a kultúrnövények abiotikus stresszel szembeni toleranciájának növelésére. Ebben a módszerben, amely a vakcinázással analóg, stresszt kiváltó kémiai anyagokat juttatnak a növénybe rövid dózisokban, hogy a növény elkezdje előkészíteni a védekező mechanizmusokat. Így amikor az abiotikus stressz bekövetkezik, a növény már felkészült védekező mechanizmusokkal rendelkezik, amelyek gyorsabban aktiválódnak és növelik a toleranciát.
Impact on Food Production
Az abiotikus stressz leginkább azokat a növényeket érinti, amelyek a mezőgazdaságban vannak. Leginkább azért, mert a klímaváltozás hatásai, mint a hideg, a szárazság, a sós sótartalom, a hőség, a toxinok stb. miatt állandóan be kell állítaniuk a mechanizmusokat.
- A rizs (Oryza sativa) klasszikus példa erre. A rizs az egész világon, különösen Kínában és Indiában alapvető élelmiszer. A rizs növényeket különböző típusú abiotikus stresszhatások érik, mint például a szárazság és a magas sótartalom. Ezek a stresszkörülmények negatív hatással vannak a rizstermesztésre. A genetikai diverzitást több, különböző genotípusú rizsfajta között vizsgálták molekuláris markerek segítségével.
- A csicseriborsót szárazság éri, ami hatással van a termelésére, mivel világszerte az egyik legjelentősebb élelmiszernek tartották.
- A búza az egyik legfontosabb növény, amelyet leginkább az aszály érint, mivel a vízhiány befolyásolja a növény fejlődését, így a levelek elszáradnak a folyamat során.
- A kukoricának több olyan tényezője is van, amely befolyásolja magát a termést. Az elsődleges példák a magas hőmérséklet és az aszály, amelyek felelősek voltak a növények fejlődésében bekövetkező változásokért és a kukoricatermés elvesztéséért, ill.
- A szója nemcsak magát a növényt érinti a szárazság, hanem a mezőgazdasági termelést is, mivel a világ fehérjeforrásként a szójára támaszkodik.
Sóstressz a növényekbenSzerkesztés
A talaj szikesedése, a vízben oldódó sók felhalmozódása olyan szintre, amely negatívan hat a növénytermesztésre, globális jelenség, amely mintegy 831 millió hektár földterületet érint. Pontosabban, a jelenség a világ öntözött mezőgazdasági területeinek 19,5%-át és a világ nem öntözött (szárazföldi) mezőgazdasági területeinek 2,1%-át fenyegeti. A talaj magas sótartalma káros lehet a növényekre, mivel a vízben oldódó sók megváltoztathatják az ozmotikus potenciál gradiensét, és ennek következtében számos sejtfunkciót gátolhatnak. Például a talaj magas sótartalma gátolhatja a fotoszintézis folyamatát azáltal, hogy korlátozza a növény vízfelvételét; a talaj magas vízoldható sótartalma csökkentheti a talaj ozmotikus potenciálját, és ennek következtében csökkentheti a talaj és a növény gyökerei közötti vízpotenciál-különbséget, ezáltal korlátozhatja az elektronáramlást a H2O-tól a P680-hoz a Photosystem II reakcióközpontjában.
A generációk során sok növény mutálódott és különböző mechanizmusokat épített ki a sótartalom hatásainak ellensúlyozására. A növényekben a sótartalom egyik jó ellenszere az etilén nevű hormon. Az etilén a növények növekedésének és fejlődésének szabályozásáról és a stresszhelyzetek kezeléséről ismert. A növényekben számos központi membránfehérje, például az ETO2, az ERS1 és az EIN2 az etilén jelátvitelére szolgál számos növényi növekedési folyamatban. E fehérjék mutációi fokozott sóérzékenységhez vezethetnek, és korlátozhatják a növények növekedését. A sótartalom hatását olyan Arabidopsis növényeken vizsgálták, amelyekben mutálódott az ERS1, ERS2, ETR1, ETR2 és EIN4 fehérjék. Ezek a fehérjék bizonyos stresszhelyzetekkel, például a sóval szembeni etilénjelzésre szolgálnak, és az etilén prekurzorát, az ACC-t használják a sóstresszel szembeni érzékenység elnyomására.
Foszfátéhség a növényekbenSzerkesztés
A foszfor (P) a növények növekedéséhez és fejlődéséhez szükséges alapvető makrotápanyag, de a világ legtöbb talajában kevés ez a fontos növényi tápanyag. A növények a P-t főként oldható szervetlen foszfát (Pi) formájában tudják hasznosítani, de a P-korlátozás okozta abiotikus stressznek vannak kitéve, ha a talajban nem áll rendelkezésre elegendő oldható PO4. A foszfor lúgos talajokban Ca és Mg, savas talajokban pedig Al és Fe oldhatatlan komplexeket képez, ami a növényi gyökerek számára elérhetetlenné teszi. Ha a talajban kevés a biológiailag hozzáférhető P, a növények kiterjedt abiotikus stresszfenotípust mutatnak, például rövid primer gyökereket és több oldalgyökeret és gyökérszőrzetet, hogy több felület álljon rendelkezésre a Pi felszívódásához, valamint szerves savak és foszfatáz kiválasztását, hogy a komplex P-tartalmú molekulákból felszabadítsák a P-t, és azt a növekvő növényi szervek számára elérhetővé tegyék. Kimutatták, hogy a PHR1, egy MYB-hez kapcsolódó transzkripciós faktor a növények P-éhségre adott válaszának fő szabályozója. Azt is kimutatták, hogy a PHR1 szabályozza a lipidek és metabolitok kiterjedt átalakulását foszforlimitációs stressz alatt
AszálystresszSzerkesztés
A természetben előforduló vízhiányként meghatározott aszálystressz a termésveszteségek egyik fő oka a mezőgazdasági világban. Ennek oka, hogy a vízre a növények növekedése során oly sok alapvető folyamathoz van szükség. Az utóbbi években különösen fontossá vált, hogy megtaláljuk a szárazság okozta stressz leküzdésének módját. A globális felmelegedés fokozódása miatt a jövőben rendkívül valószínű a csapadékmennyiség csökkenése és az aszályok növekedése. A növények számos mechanizmust és alkalmazkodási módot találtak ki, hogy megpróbálják kezelni a szárazság okozta stresszt. Az egyik vezető módszer, amellyel a növények a szárazság okozta stressz ellen küzdenek, a sztómák bezárása. A sztómák nyitását és zárását szabályozó egyik legfontosabb hormon az abszcizinsav (ABA). Az ABA szintézis hatására az ABA receptorokhoz kötődik. Ez a kötődés aztán befolyásolja az ioncsatornák nyitását, ezáltal csökkenti a turgornyomást a sztómákban, és a sztómák bezáródását okozza. A Gonzalez-Villagra és munkatársai által a közelmúltban végzett vizsgálatok kimutatták, hogy az ABA szintje hogyan emelkedik a szárazságnak kitett növényekben (2018). Kimutatták, hogy amikor a növények stresszhelyzetbe kerültek, több ABA-t termeltek, hogy megpróbálják megőrizni a leveleikben lévő vizet. Egy másik rendkívül fontos tényező a szárazságstressz kezelésében és a vízfelvétel és -kivitel szabályozásában az aquaporinok (AQP-k). Az AQP-k olyan integrális membránfehérjék, amelyek csatornákat alkotnak. E csatornák fő feladata a víz és más szükséges oldott anyagok szállítása. Az AQP-ket számos különböző tényező, például az ABA, a GA3, a pH és a Ca2+ egyaránt szabályozza transzkripcionálisan és poszt-transzkripcionálisan, és az AQP-k meghatározott szintje a növény bizonyos részein, például a gyökerekben vagy a levelekben segít a lehető legtöbb vizet bevonni a növénybe. Az AQP-k és az ABA hormon mechanizmusának megértésével a tudósok a jövőben jobban képesek lesznek szárazságtűrő növényeket termelni.
A szárazságnak tartósan kitett növényeknél egy érdekes dolgot találtak, mégpedig azt, hogy képesek egyfajta “memóriát” kialakítani. Tombesi és munkatársai egy tanulmányukban azt találták, hogy a korábban szárazságnak kitett növények képesek voltak egyfajta stratégiát kidolgozni a vízveszteség minimalizálására és a vízfelhasználás csökkentésére. Azt találták, hogy azok a növények, amelyek aszályos körülményeknek voltak kitéve, ténylegesen megváltoztatták a sztómáik szabályozásának módját és az általuk “hidraulikus biztonsági tartaléknak” nevezett módot, hogy csökkentsék a növény sebezhetőségét. A sztómák szabályozásának, majd a transzspirációnak a megváltoztatásával a növények jobban tudtak működni olyan helyzetekben, amikor a víz elérhetősége csökkent.