Як рослини витримують посуху?

Мабуть вже кожен чув про глобальне потепління та зміни клімату. Чи знаєте ви, що означають ці терміни? В основному ці терміни означають, що земля з кожним роком стає все гарячішою. Більш високі температури призводять до несподіваних та незвичних погодних умов. Однією з таких особливостей погоди є часті і сильні посухи.

Посуха та рослини

Посуха - це дуже тривалий посушливий період без дощу. Що означають сильні посухи для рослин? Рослини - це організми, які не можуть переміщатися і залишаються на одному місці, порівняно з тваринами. Вони не можуть втягнути коріння і переїхати до тінистого або вологого місця. Тому рослинам потрібно боротися з постійно зростаючими умовами посухи, інакше вони просто загинуть. Пам'ятайте, рослини - наша їжа. Ми споживаємо рослини в сирому, вареному вигляді (овочі, фрукти) або продукти їх переробки (кукурудза, соняшник, соя, пшениця, горох). Отже, якщо рослини загинуть через посуху, нам не вистачить їжі!

Якщо навколо немає води, що можуть зробити рослини для того, що вижити? Дивно, але всі рослини мають ряд генів та стратегій для захисту від посухи, закодованих у своїй ДНК. Гени - це невеликі розділи ДНК, як глави в книзі. Те, як вони використовують ці гени, визначає їхню здатність витримувати посуху. Коли ми говоримо про посухостійкі рослини, ми маємо на увазі рослини, які витримують сухі умови, не вмираючи.

Про посухостійкі рослини

Посухостійка рослина може пережити посуху за допомогою трьох стратегій:

  • переміщення;
  • уникнення;
  • витримка при втратах води.

Посухостійкі рослини є досить рідкісними в природі і можуть витримати довгі періоди без води взагалі. Деякі з найбільш вражаючих посухостійких рослин називаються рослинами, які відроджуються. Такі рослини здатні витримати довгі періоди (до 3 років!) без води. Однак дайте їм трохи води, і вони через день-два повернуться до життя. Інші посухостійкі рослини можуть бути не такими стійкими, проте можуть пережити короткі посухи за допомогою спеціальних механізмів.

Деякі рослини мають спеціальні фенологічні структури, які допомагають їм вижити в скрутних умовах природи. Ці конструктивні особливості включають зовнішню «броню» рослин, яка захищає їх від втрати води, а також засоби, що допомагають рослинам засвоювати та зберігати вологу. Посухостійкі рослини можуть бути спеціально пристосовані до життя та виживання у дуже сухих умовах. Ці рослини часто виглядають зовсім інакше, ніж рослини, що мешкають у місцевостях, де води вдосталь. Посухостійкі рослини, як правило, мають спеціальні функції "уникнення" (один з механізмів), щоб забезпечити втрату меншої кількості води в навколишнє середовище або щоб більше вологи поглиналося та зберігалося в рослині.

Сукуленти - рослини пустель

Розрізняють рослини пустель, які ще називають сукулентами, які мають потовщені і м'ясисті листя і стебла, в яких може зберігатися вода. Вони є прикладом рослин, які мають стратегію запобігання посухи. Також дані рослини мають товстий восковий шар, щоб запобігти втраті води. Сукуленти пустелі також мають розгалужену кореневу систему, яка шукає воду під сухим пустельним ґрунтом (мал. 1). Деякі сукуленти мають спеціалізовані корені, які утворюють великі цибулинні структури, які фактично є підземними водоймами рослини. Ці рослини можуть пережити роки посухи, використовуючи воду, що зберігається в цибулинах.

Приклади структурних адаптацій у рослин для зменшення втрат та накопичення вологи

Транспірація

Більша частина води втрачається природним способом - транспірацією. Це процес, коли коріння рослин споживають вологу, а потім рослини виділяють водяну пару через пори (продихи) у листках. Сукуленти мають невеликі за розміром продихи за у нижній частині листа. Через них вода і вуглекислий газ (СО2) можуть потрапляти всередину рослини і виходити з неї. Рослини будуть поглинати вологу через коріння і випускати воду, як пари, в повітря через ці продихи. Щоб вижити в умовах посухи, рослинам потрібно зменшити транспірацію, щоб обмежити свої втрати води. Деякі рослини, які живуть у сухих умовах, мають дуже дрібне листя на якому зосереджено менше продихів. Особливі приклади - рослини з листям, які нагадують колючі шипи. Ці утворення також можуть захистити рослини від голодних і спраглих птахів і тварин (мал. 1). Деякі рослини також можуть повністю скинути листя під час посухи, щоб запобігти втраті води. Основне правило: менше листя означає менші втрати води через транспірацію

Переміщення рослин

Деякі механізми передбачають порятунок від посухи через утворення насіння (пам’ятайте, втеча - ще одна стратегія виживання у посусі). Насіння виживає під час посухи і дуже швидко проростає під час сприятливих умовах - рослини ростуть і дають ще більше насіння в роки з достатньою кількістю опадів. Це насіння потім розсівається по поверхні і також може витримувати екстремальні суворі умови впродовж тривалого періоду часу. Придивившись уважно до пустельних ґрунтів, ви знайдете безліч насіння, що лежить навколо, просто чекаючи дощу, перш ніж знову прорости.

Внутрішні механізми захисту від посухи 

Окрім спеціальних органів та пристосувань, рослини також мають внутрішні захисні механізми для захисту від нестачі води. Коли рослина відчуває нестачу води, всередині рослини швидко відбудуться певні реакції, які допоможуть рослині витримати стрес під час посухи. Ці реакції, часто, досить складні. Наведемо кілька прикладів:

  • Навіть в умовах посухи рослини все ще потребують проходження процесу фотосинтезу

Рослини зелені, оскільки містять зелену хімічну речовину, яку називають хлорофіл. Хлорофіл знаходиться у спеціальних органелах клітини, які називаються хлоропластами, що є свого роду "енергетичними фабриками рослин". Разом з водою та вуглекислим газом (СО2) хлорофіл використовує сонячне світло для утворення цукрів. Цукри дозволяють рослині рости і розвиватись. Цей процес напряму зав’язаний на використанні води, світла та СО2 для синтезу органічної речовини (у вигляді цукрів) та виділенні кисню у повітря. Коли в ґрунті не буде достатньо води, процес фотосинтезу відбуватиметься трохи інакше і призведе до накопичення шкідливих хімічних речовин, які називаються вільними радикалами. Це молекули, які реагують і пошкоджують все, з чим вони стикаються. Це означає, що рослинам потрібно ретельно контролювати те, як вони використовують енергію сонця.

Під час фотосинтезу у період посухи СОповинен потрапляти в рослину через продихи

Але пам’ятайте, відкриті продихи означають, що вода буде втрачена через транспірацію! Таким чином, рослина стикається зі складною проблемою - забезпечити їй достатню кількість води, а також достатню кількість СО2 для фотосинтезу. Для цього рослини використовують хімічну сполуку (гормон) під назвою абсцизова кислота (АБК), яка допомагає налаштовувати водний баланс у рослинах у скрутних погодних умовах.

Коли рослина відчуває дефіцит води, AБК швидко виробляється і транспортується до продихів. У продихах AБК контролює процес їх відкривання і закривання, через зміну тургору. Тургор – це внутрішній, тиск який впливає на клітинні стінки рослини рідинами всередині клітини. Уявіть, що ви наповнюєте повітряну кулю, яку помістили у скляну банку. Чим більше ви наповнюєте повітряну кулю, тим більше вона притискається до жорсткої скляної банки так само, як рідина проти жорсткої стінки клітин рослини. (Мал. 2). Чим більше води в клітині (чим сильніше клітина), тим більший тиск.

Управління тургором забезпечується балансом між надходженням CO2 і втратами води, завдяки чому може відбуватися фотосинтез.

Але, якщо вологозабезпечення буде обмежене в умовах посухи, з часом рослина не зможе впоратися зі стресом і весь фотосинтетичний процес може перестати працювати належним чином. Однак посухостійкі рослини придумали розумний спосіб уникнути проблеми втрати води під час фотосинтезу. Вони відкривають свої продихи лише вночі, щоб поглинати CO2. Потім вони зберігають цей CO2 і використовують його в денний час для фотосинтезу. Таким чином, вони втрачають менше води протягом дня, оскільки можуть утримувати продихи закритими, при цьому вони можуть продовжувати рости, хоча трохи повільніше, ніж зазвичай.

(А) Коли в ґрунті достатньо вологи, рослини поглинають її через коріння. Ця вода буде використовуватися рослиною або вивільнятися шляхом транспірації відкритими продихами на листках. Фотосинтез також буде нормально відбуватися, коли СО2 та кисень поглинаються та виділяються через відкриті продихи.

(В) Коли в ґрунті є мало води, рослини намагаються зменшити втрати через транспірацію. Це можна зробити, закривши продихи в листках. Для цього використовують речовину під назвою AБК. Коли продихи закриті фотосинтез зменшується, оскільки СО2 не може потрапити у середину рослини. Менше фотосинтезу означає, що рослина виробляє менше енергії, і рослина перестає рости.

  • Рослини потребують захисту від дії вільних радикілів

В умовах посухи, коли рослині не вдається збалансувати фотосинтез та втрату води, рослині доведеться мати справу з маленькими неприємними молекулами, які називаються вільними радикалами. Вільні радикали виникають природним шляхом під час фотосинтезу, але коли води недостатньо, то концентрація вільних радикалів збільшується. Вільні радикали можуть бути дуже небезпечними для клітини, оскільки вони можуть завдати шкоди ДНК, клітинним мембранам, білкам і структурі полісахаридів (усі ці речовини необхідні для виживання клітини)!

Рослини генетично готові до боротьби з невеликою кількістю вільних радикалів у клітинах впродовж вегетації. Однак посухостійкі рослини насправді набагато краще справляються із вільними радикалами, оскільки в них накопичуються захисні речовини. Ці захисні речовини називають блокаторами вільних радикалів. Наявність блокаторів вільних радикалів часто викликає зміну кольору рослини. Рослини часто стають червоними або фіолетовими, коли ці блокатори накопичуються. Дані речовини широко зустрічаються в природі і дуже добре вирішують проблему вільних радикалів, щоб захистити рослини від їх шкідливого впливу.

Відновлення рослини після посухи, Craterostigma pumilum

(А) Так виглядає рослина, яка росте в умовах достатньої кількості вологи.

(В) На двох середніх рисунках видно рослину через 3 тижня відсутності води. Тобто вона здається вже мертвою.

(С) Якщо таку рослину поливати, то впродовж 2 тижнів рослина "відійде" від посухи, відновить вегетацію і почне формувати насіння. 

  • Рослинам необхідно контролювати кількість води у клітинах

Осмос - це переміщення води через клітинну мембрану від однієї клітини до іншої. Він відбувається для забезпечення рівних концентрацій розчинних речовин з обох боків мембрани. В основному це забезпечує переміщення води по мембрані клітини до місця, де певні молекули (наприклад, солі, цукри та вільні радикали) мають більш високі концентрації. Роблячи це, вода розбавляє концентрацію цих молекул так, щоб концентрація була рівною з обох сторін мембрани.

А тепер подумайте, що відбувається з рослиною, яка страждає від втрати води. Води не вистачає для проходження осмосу, тому всередині рослинних клітин накопичуються хімічні сполуки. Це взагалі не дуже добре, особливо якщо ці молекули є вільними радикалами. 

При перших ознаках посухи клітини рослин будуть накопичувати купу молекул, що беруть участь у тому, що називається осмотичним регулюванням.

Важливим процесом в цьому є зміна концентрації розчинних речовин (ЗКРР) у рослинній клітині. ЗКРР - це зміна вмісту розчиненої речовини (наприклад, цукру), яку ви розчиняєте у розчині та її концентрація в клітині. Наприклад, ви розчиняєте цукор у воді, де цукор - це розчин. Ці молекули (розчинники) можуть бути цукрами, амінокислотами або дрібними білками. Метою цих молекул є обмеження руху води з клітини. Дані розчинені молекули виконують багато функцій. Вони можуть фізично зв'язуватися з ДНК і білками, щоб захистити їх від вільних радикалів. Вони також можуть зв’язувати саму воду, не даючи їй вийти з рослинних клітин. Ці молекули також зв'язуються з мембранами, стабілізуючи структуру рослини при обмеженні забезпеченні вологою.

Відродження рослин - прекрасний приклади того, як рослини, стійкі до посухи, поєднують в собі ті концепції, про які ми говорили до цього часу:

  • Вони здатні пережити повну втрату води;
  • Вони накопичують величезну кількість розчинених речовин, вивільняють блокатори вільних радикалів і виробляють спеціальні захисні білки для витримування довгої та сильної посухи;
  • Вони також можуть скидати все листя зі стовбуру та чекати поки не пройде дощ. Цей процес можна порівняти з ведмедями, які переходять у сплячку.

Гени рослин контролюють реакцію на посуху

Ми обговорювали процеси, що використовуються для захисту рослин від посухи дуже спрощено. Придивитися уважніше до цих процесів насправді дуже складно. На самому базовому рівні ці процеси регулюються використанням рослиною генетичного коду - його генів. Речовини, необхідні для витримування посухи будуть вироблятися шляхом доступу до цього коду в потрібний час. Такий доступ до генетичного коду, який допомагає рослині пережити посуху, називається генетичною реакцією рослини.

Генетичні реакції рослини, що переживає стрес від посухи, дуже складні - багато генів вмикаються та вимикаються. Використовуючи передові комп’ютерні технології, вчені в наш час можуть ідентифікувати більшість генів, які відіграють роль у захисті рослини від посухи. Ця технологія виявила, що буквально сотні генів вмикаються і вимикаються, залежно від того, де і коли вони потрібні! Ми не можемо перерахувати всі ці гени через їх велику кількість та різноманіття. Але ми можемо поділити ці гени на три групи:

  1. гени, які керують іншими генами та є важливими для їх вмикання та вимкнення;
  2. гени, які виробляють речовини, що допомагають захистити рослину від посухи;
  3. гени, які беруть участь у процесі поглинання та транспортуванні води.

Здатність уникати або переносити посуху рослинами є важливою інформацію для науки. Більшість наших культур насправді не здатні пережити посуху. Нам потрібно використовувати знання в генах, які вмикаються або вимикаються під час посухи для отримання сортів та гібридів рослин, більш стійких до посухи. Протягом багатьох років вчені досягли успіху в виробництві посухостійких культур. Ці культури були створені головним чином шляхом відбору та вирощування окремих рослин, які добре виживають в умовах посухи. 

Висновок

Рослини дійсно дуже вразливі, коли мова йде про дефіцит вологи. Посуха впливає на ріст, розвиток, продуктивність рослини та, зрештою, їх виживання. Однак рослини мають певний вбудований захист від посухи. Вони можуть мати деякі структурні адаптації, щоб уникнути або витримати зневоднення. Вони також мають деякі внутрішні захисні механізми, які вмикаються, щоб спробувати обмежити втрати води, коли вони розуміють, що вода стає дефіцитною. Усі ці системи захисту регулюються генами рослини. Знання цих генів та того, як вони беруть участь у захисті рослини від посухи, дають людству надію створити посухостійкі сільськогосподарські культури.

За матеріалами: Frontiers for Young Minds від 23 жовтня 2017 р.


Менеджер з розвитку продуктів для мінерального живлення рослин
СУВОРОВ Микита Олексійович |
 (050)-410-16-14