En växts första försvarslinje mot abiotisk stress finns i rötterna. Om jorden där växten står är frisk och biologiskt diversifierad har växten större chans att överleva stressiga förhållanden.
Plantans reaktioner på stress beror på vilken vävnad eller vilket organ som påverkas av stressen. Till exempel är transkriptionella reaktioner på stress vävnads- eller cellspecifika i rötter och skiljer sig ganska mycket åt beroende på vilken stress det rör sig om.
En av de primära reaktionerna på abiotisk stress, t.ex. hög salthalt, är rubbningen av Na+/K+-förhållandet i växtcellens cytoplasma. Höga koncentrationer av Na+ kan till exempel minska växtens förmåga att ta upp vatten och även förändra enzym- och transportfunktionerna. Utvecklade anpassningar för att effektivt återställa cellulär jonhomeostas har lett till en mängd olika stresstoleranta växter.
Facilitering, eller de positiva interaktionerna mellan olika växtarter, är ett intrikat nät av föreningar i en naturlig miljö. Det är hur växter arbetar tillsammans. I områden med hög stress är nivån av facilitering särskilt hög också. Detta kan möjligen bero på att växterna behöver ett starkare nätverk för att överleva i en tuffare miljö, så deras interaktioner mellan arter, såsom korspollinering eller mutualistiska handlingar, blir vanligare för att klara av svårigheten i deras livsmiljö.
Plantor anpassar sig också mycket olika från varandra, även från en växt som lever i samma område. När en grupp av olika växtarter föranleddes av en rad olika stressignaler, till exempel torka eller kyla, reagerade varje växt på ett unikt sätt. Knappt någon av reaktionerna var likartad, trots att växterna hade vant sig vid exakt samma hemmiljö.
Serpentinjordar (medier med låga koncentrationer av näringsämnen och höga koncentrationer av tungmetaller) kan vara en källa till abiotisk stress. Initialt begränsas absorptionen av giftiga metalljoner av cellmembranens uteslutning. Joner som absorberas i vävnader binds i cellvakuoler. Denna mekanism underlättas av proteiner på vakuolmembranet. Ett exempel på växter som anpassar sig till serpentinjordar är metallofyter, eller hyperackumulatorer, eftersom de är kända för sin förmåga att absorbera tungmetaller med hjälp av translokation från rot till skott (som absorberas i skott snarare än i själva växten). De är också släckta för sin förmåga att absorbera giftiga ämnen från tungmetaller.
Kemisk priming har föreslagits för att öka toleransen mot abiotisk stress hos kulturväxter. I denna metod, som är analog med vaccinering, introduceras stressframkallande kemiska ämnen till växten i korta doser så att växten börjar förbereda försvarsmekanismer. När den abiotiska stressen inträffar har växten således redan förberett försvarsmekanismer som kan aktiveras snabbare och öka toleransen.
Inverkan på livsmedelsproduktionen
Abiotisk stress påverkade främst växter som finns inom jordbruksindustrin. Mest på grund av deras ständiga behov av att justera mekanismerna genom effekterna av klimatförändringar som kyla, torka, salt salthalt, värme, gifter etc.
- Ris (Oryza sativa) är ett klassiskt exempel. Ris är ett baslivsmedel i hela världen, särskilt i Kina och Indien. Risplantor utsätts för olika typer av abiotisk stress, som torka och hög salthalt. Dessa stressförhållanden har en negativ inverkan på risproduktionen. Den genetiska mångfalden har studerats bland flera risvarianter med olika genotyper med hjälp av molekylära markörer.
- Kikärter upplever torka vilket påverkar dess produktion eftersom den ansågs vara ett av de viktigaste livsmedlen som används runt om i världen.
- Vete är en av de viktigaste grödorna som främst påverkas av torka eftersom brist på vatten skulle påverka växtens utveckling, vilket gör att bladen vissnar i processen.
- Majs har ett par faktorer som påverkar själva grödan. De främsta exemplen är hög temperatur och torka som var ansvariga för förändringarna i växternas utveckling och för förlusten av majsgrödorna, respektive….
- Sojaböna påverkar inte bara själva växten från torka utan även jordbruksproduktionen eftersom världen är beroende av sojabönor som proteinkälla.
Saltstress hos växterRedigera
Salinisering av jorden, ackumulering av vattenlösliga salter till nivåer som påverkar växtproduktionen negativt, är ett globalt fenomen som påverkar cirka 831 miljoner hektar mark. Mer specifikt hotar fenomenet 19,5 % av världens bevattnade jordbruksmark och 2,1 % av världens icke-bevattnade jordbruksmark (torrmark). Hög salthalt i marken kan vara skadlig för växter eftersom vattenlösliga salter kan förändra den osmotiska potentialgradienten och därmed hämma många cellfunktioner. Till exempel kan hög salthalt i marken hämma fotosyntesprocessen genom att begränsa växtens vattenupptag; höga halter av vattenlösliga salter i marken kan minska markens osmotiska potential och följaktligen minska skillnaden i vattenpotential mellan marken och växtens rötter, vilket begränsar elektronflödet från H2O till P680 i Photosystem II:s reaktionscentrum.
Under flera generationer har många växter muterat och byggt upp olika mekanismer för att motverka salthaltseffekter. En bra bekämpare av salthalt hos växter är hormonet etylen. Etylen är känt för att reglera växters tillväxt och utveckling och hantera stressförhållanden. Många centrala membranproteiner i växter, t.ex. ETO2, ERS1 och EIN2, används för etylensignalering i många växttillväxtprocesser. Mutationer i dessa proteiner kan leda till ökad saltkänslighet och kan begränsa växternas tillväxt. Effekterna av salthalt har studerats på Arabidopsis-plantor som har muterat proteinerna ERS1, ERS2, ETR1, ETR2 och EIN4. Dessa proteiner används för etylensignalering mot vissa stressförhållanden, t.ex. salt, och etylenprekursorn ACC används för att undertrycka eventuell känslighet för saltstress.
Fosfathunger hos växterEdit
Fosfor (P) är ett viktigt makronäringsämne som krävs för växters tillväxt och utveckling, men större delen av jordens jordar är begränsade i detta viktiga växtnäringsämne. Växter kan utnyttja P huvudsakligen i form av lösligt oorganiskt fosfat (Pi) men utsätts för abiotisk stress på grund av P-begränsning när det inte finns tillräckligt med lösligt PO4 tillgängligt i marken. Fosfor bildar olösliga komplex med Ca och Mg i alkaliska jordar och Al och Fe i sura jordar, vilket gör det otillgängligt för växternas rötter. När det finns begränsat biotillgängligt P i marken uppvisar växterna omfattande abiotiska stressfenotyper, t.ex. korta primära rötter och fler sidorötter och rothår för att göra mer yta tillgänglig för Pi-upptagning, utsöndring av organiska syror och fosfatas för att frigöra Pi från komplexa P-haltiga molekyler och göra det tillgängligt för växternas växande organ. Det har visats att PHR1, en MYB-relaterad transkriptionsfaktor, är en huvudregulator för P-svältresponsen hos växter. PHR1 har också visat sig reglera en omfattande ombyggnad av lipider och metaboliter under fosforbegränsningsstress
TorkstressEdit
Torkstress, definierad som naturligt förekommande vattenbrist, är en av de främsta orsakerna till skördeförluster inom jordbruksvärlden. Detta beror på att vatten är nödvändigt för så många grundläggande processer i växttillväxten. Det har under de senaste åren blivit särskilt viktigt att hitta ett sätt att bekämpa torkstress. En minskning av nederbörden och en efterföljande ökning av torkan är mycket trolig i framtiden på grund av den ökade globala uppvärmningen. Växterna har utvecklat många mekanismer och anpassningar för att försöka hantera torkstress. Ett av de främsta sätten för växter att bekämpa torkstress är att stänga sina klyvöppningar. Ett nyckelhormon som reglerar stomaternas öppning och stängning är abscisinsyra (ABA). Syntesen av ABA gör att ABA binds till receptorer. Denna bindning påverkar sedan öppnandet av jonkanaler, vilket minskar turgatrycket i klyvorna och gör att de stängs. Nyligen genomförda studier, av Gonzalez-Villagra, et al., visade hur ABA-nivåerna ökade i torkstressade växter (2018). De visade att när växterna placerades i en stressig situation producerade de mer ABA för att försöka bevara allt vatten de hade i sina blad. En annan extremt viktig faktor för att hantera torkstress och reglera upptag och export av vatten är akvaporiner (AQP). AQPs är integrerade membranproteiner som utgör kanaler. Dessa kanalers huvuduppgift är att transportera vatten och andra nödvändiga lösningsmedel. AQPs regleras både transkriptionellt och posttranskriptionellt av många olika faktorer som ABA, GA3, pH och Ca2+, och de specifika nivåerna av AQPs i vissa delar av växten, t.ex. rötter eller blad, bidrar till att dra in så mycket vatten som möjligt i växten. Genom att förstå både mekanismen för AQPs och hormonet ABA kommer forskarna att bättre kunna producera torktåliga växter i framtiden.
En intressant sak som har upptäckts hos växter som konsekvent utsätts för torka, är deras förmåga att bilda ett slags ”minne”. I en studie av Tombesi et al. fann de att växter som tidigare hade utsatts för torka kunde komma fram till en slags strategi för att minimera vattenförlusterna och minska vattenförbrukningen. De fann att växter som utsatts för torka faktiskt ändrade sitt sätt att reglera sina klyvöppningar och vad de kallade ”hydraulisk säkerhetsmarginal” för att minska växtens sårbarhet. Genom att ändra regleringen av klyvöppningarna och därefter transpirationen kunde växterna fungera bättre i situationer där tillgången på vatten minskade.