stringtranslate.com

Засухоустойчивость

В ботанике засухоустойчивость — это способность растения поддерживать производство биомассы в засушливых или засушливых условиях. [1] [2] [3] Некоторые растения естественным образом адаптированы к засушливым условиям , выживая с помощью защитных механизмов, таких как устойчивость к высыханию , детоксикация или восстановление ксилемной эмболии. [3] Другие растения, в частности такие культуры, как кукуруза , пшеница и рис , становятся все более устойчивыми к засухе благодаря новым сортам, созданным с помощью генной инженерии . [4] С эволюционной точки зрения тип микоризных ассоциаций, образующихся в корнях растений, может определять, насколько быстро растения могут адаптироваться к засухе.

Растения, стоящие за устойчивостью к засухе, сложны и включают множество путей, которые позволяют растениям реагировать на определенные наборы условий в любой момент времени. Некоторые из этих взаимодействий включают устьичную проводимость , деградацию каротиноидов и накопление антоцианов , вмешательство осмопротекторов (таких как сахароза , глицин и пролин ), ферменты, поглощающие ROS . [5] [6] [7] [8] Молекулярный контроль устойчивости к засухе также очень сложен и зависит от других факторов, таких как окружающая среда и стадия развития растения. [2] Этот контроль состоит в основном из транскрипционных факторов , таких как белок, связывающий элементы, реагирующий на дегидратацию (DREB), фактор, связывающий элементы, реагирующий на абсцизовую кислоту (ABA) (AREB), и NAM (отсутствие апикальной меристемы). [9] [10]

Физиология засухоустойчивости

Растения могут подвергаться медленно развивающемуся дефициту воды (то есть, занимающему дни, недели или месяцы), или они могут столкнуться с краткосрочным дефицитом воды (то есть, от нескольких часов до нескольких дней). В этих ситуациях растения адаптируются, реагируя соответствующим образом, минимизируя потери воды и максимизируя ее поглощение. [2] Растения более восприимчивы к стрессу от засухи во время репродуктивных стадий роста, цветения и развития семян . Поэтому сочетание краткосрочных и долгосрочных реакций позволяет растениям производить несколько жизнеспособных семян. [3] Некоторые примеры краткосрочных и долгосрочных физиологических реакций включают:

Краткосрочные ответы

Долгосрочные ответы

Сеть регулирования засухоустойчивости

Абиотические стрессы (например, засуха) вызывают экспрессию следующих факторов транскрипции. Они связываются с цис-элементами, что приводит к изменению реакции на стресс и толерантности.

В ответ на засушливые условия происходит изменение экспрессии генов, вызванное или активированное факторами транскрипции (TF). Эти TF связываются со специфическими цис-элементами, чтобы вызвать экспрессию целевых стресс-индуцируемых генов, что позволяет транскрибировать продукты, которые помогают с реакцией на стресс и толерантностью. [9] Некоторые из них включают белок, связывающий чувствительный к дегидратации элемент (DREB), фактор связывания чувствительных к ABA элементов (AREB), отсутствие апикальной меристемы (NAM), фактор активации транскрипции Arabidopsis (ATAF) и чашевидный семядоля (CUC). Большая часть молекулярной работы по пониманию регуляции толерантности к засухе была проделана на Arabidopsis , что помогло прояснить основные процессы, описанные ниже. [2]

DREB ТФ

Трансформаторы DREB1/CBF

DREB1A, DREB 1B и DREB 1C — это специфические для растений ТФ, которые связываются с элементами, чувствительными к засухе (DRE), в промоторах, чувствительных к засухе, высокой солености и низкой температуре в Arabidopsis. [9] Сверхэкспрессия этих генов повышает устойчивость к засухе, высокой солености и низкой температуре в трансгенных линиях Arabidopsis , риса и табака. [9]

DEAR1/DREB и мотив белка EAR 1

DEAR1 («белок мотива DREB и EAR 1») — это ТФ с совершенно иной целью, не связанной со стрессом от засухи. Цуцуи и др. 2009 обнаружили, что DEAR1 Arabidopsis (At3g50260) реагирует на патогенную инфекцию , хитин и олигомеры хитина. [12]

DREB2 ТФ

Белки DREB участвуют в различных функциях, связанных с устойчивостью к засухе. Например, белки DREB, включая DREB2A, взаимодействуют с белками AREB/ABF в экспрессии генов, в частности, в гене DREB2A в условиях осмотического стресса. [9] DREB2 также индуцирует экспрессию генов, связанных с теплом, таких как белок теплового шока. Сверхэкспрессия DREB2Aca повышает уровни устойчивости к засухе и тепловому стрессу у Arabidopsis . [9]

AREB/ABF ТФ

AREB/ABF являются АБК-чувствительными bZIP -типа ТФ, которые связываются с АБК-чувствительными элементами (ABRE) в стресс-чувствительных промоторах и активируют экспрессию генов. [3] AREB1, AREB2, ABF3 и ABF1 играют важную роль в передаче сигналов АБК на вегетативной стадии, поскольку АБК контролирует экспрессию генов, связанных с реакцией на засуху и толерантностью. Нативная форма AREB1 не может нацеливаться на гены стресса засухи, такие как RD29B у Arabidopsis , поэтому для активации транскрипции необходима модификация. [9] AREB/ABF положительно регулируются SnRK2 , контролируя активность целевых белков посредством фосфорилирования. Эта регуляция также функционирует в контроле толерантности к засухе на вегетативной стадии, а также созревания и прорастания семян. [9]

Другие ТФ

Такие ТФ, как NAC (состоящий из NAM, ATAF и CUC), также связаны с реакцией на засуху у Arabidopsis и риса. [9] Сверхэкспрессия в вышеупомянутых растениях повышает устойчивость к стрессу и засухе. Они также могут быть связаны с ростом корней и старением , двумя физиологическими признаками, связанными с устойчивостью к засухе. [9]

Естественная адаптация к засухоустойчивости

Алая мальва ( Sphaeralcea coccinea ) — это засухоустойчивое растение с естественной засухоустойчивостью. Некоторые из ее природных адаптаций включают серебристо-серые волоски, которые защищают от высыхания; глубокую корневую систему; и наличие семян, которые прорастают только при благоприятных условиях.

Растения в естественно засушливых условиях сохраняют большие объемы биомассы благодаря засухоустойчивости и могут быть разделены на 4 категории адаптации: [13]

  1. Растения, избегающие засухи: однолетние растения, которые прорастают и растут только в периоды достаточного количества влаги для завершения своего жизненного цикла.
  2. Растения, устойчивые к засухе: несуккулентные многолетние растения , рост которых ограничивается только периодами наличия влаги.
  3. Засухоустойчивые растения: также известные как ксерофиты , эти вечнозеленые кустарники имеют обширную корневую систему, а также морфологические и физиологические адаптации, которые позволяют им поддерживать рост даже в периоды экстремальной засухи.
  4. Засухоустойчивые растения: также известные как суккулентные многолетние растения, они содержат запасы воды в своих листьях и стеблях для экономного использования.

Структурные адаптации

Многие адаптации к засушливым условиям являются структурными, включая следующие: [14]

Значение для сельского хозяйства

Эстафета — сорт сои с повышенной засухоустойчивостью, выведенный Институтом растениеводства Украины. [15]

С увеличением частоты и интенсивности засух в последние годы ущерб сельскохозяйственным культурам стал более серьезным, что привело к снижению урожайности, роста и производства. [4] [16] Однако исследования молекулярных путей, связанных с устойчивостью к стрессу, показали, что повышенная экспрессия таких генов может повысить устойчивость к засухе, что привело к проектам, направленным на разработку трансгенных сортов сельскохозяйственных культур. [2]

Засухоустойчивые растения, выведенные с помощью биотехнологии, позволяют фермерам защищать свой урожай и сокращать потери во время сильной засухи за счет более эффективного использования воды. [ необходима цитата ]

Сотрудничество по повышению засухоустойчивости сельскохозяйственных культур

Были введены международные исследовательские проекты по улучшению засухоустойчивости, такие как Консультативная группа по международным сельскохозяйственным исследованиям ( CGIAR ). [17] Один из таких проектов CGIAR включает введение генов, таких как DREB1, в низинный рис, гористый рис и пшеницу для оценки засухоустойчивости на полях. Целью этого проекта является выбор не менее 10 линий для сельскохозяйственного использования. [9] Другой похожий проект в сотрудничестве с CGIAR, Embrapa , RIKEN и Токийским университетом ввел стрессоустойчивые гены AREB и DREB в соевые бобы, обнаружив несколько трансгенных линий сои с засухоустойчивостью. Оба проекта обнаружили улучшенную урожайность зерна и будут использоваться для разработки будущих сортов, которые можно будет использовать в коммерческих целях. [9]

Другие примеры сотрудничества в целях повышения устойчивости к засухе у сортов сельскохозяйственных культур включают Международный центр сельскохозяйственных исследований в засушливых районах (ICARDA) в Алеппо , Сирия ; Международный научно-исследовательский институт сельскохозяйственных культур для полузасушливых тропиков (ICRISAT) в Андхра-Прадеш , Индия ; Международный научно-исследовательский институт риса (IRRI) в Лос-Баньосе , Филиппины . [1] и Консорциум по улучшению пшеницы в условиях жары и засухи (HeDWIC) [18] — сеть, которая способствует глобальной координации исследований пшеницы для адаптации к будущему с более суровыми экстремальными погодными условиями.

Препятствия к сельскохозяйственной коммерциализации засухоустойчивых растений

Разработка генетически модифицированных культур включает в себя несколько патентов на гены и промоторы, такие как гены-маркеры в векторе , а также методы трансформации. Поэтому исследования свободы действий (FTO) должны быть реализованы в сотрудничестве для разработки засухоустойчивых культур. [9] Большие суммы денег также необходимы для разработки генетически модифицированных групп. Чтобы вывести новую генетически модифицированную культуру на коммерческий рынок, было оценено, что это обойдется в 136 миллионов долларов США за 13 лет. [9] Это создает проблему для развития, поскольку только небольшое количество компаний могут позволить себе разрабатывать засухоустойчивые культуры, и исследовательским институтам сложно поддерживать финансирование в течение этого периода времени. [9] Поэтому для поддержки проектов такого размера необходима многонациональная структура с большим сотрудничеством между несколькими учениками.

Значение в садоводстве

Трансформация растений использовалась для создания множества сортов засухоустойчивых культур, но только ограниченного количества сортов декоративных растений . [16] Это значительное отставание в развитии связано с тем, что больше трансгенных декоративных растений разрабатывается по другим причинам, нежели устойчивость к засухе. [16] Однако Decorative Biosciences изучает устойчивость декоративных растений к абиотическому стрессу. Трансгенные петунии, пуансеттии , новогвинейские недотроги и герани оцениваются на предмет устойчивости к морозам, засухе и болезням. [19] Это позволит расширить диапазон сред, в которых могут расти эти растения.

Засухоустойчивые растения

Это список избранных семейств , видов и/или родов растений, которые переносят засуху:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Ashraf, M. (январь 2010 г.). «Индуцирование засухоустойчивости у растений: последние достижения». Biotechnology Advances . 28 (1): 169–183. doi :10.1016/j.biotechadv.2009.11.005. ISSN  1873-1899. PMID  19914371.
  2. ^ abcde "Биотехнология для разработки засухоустойчивых культур - Pocket K | ISAAA.org". www.isaaa.org . Получено 29.11.2018 .
  3. ^ abcd Тардье, Франсуа; Симонно, Тьерри; Мюллер, Бертран (2018-04-29). «Физиологическая основа засухоустойчивости сельскохозяйственных культур: вероятностный подход, зависящий от сценария». Annual Review of Plant Biology . 69 (1): 733–759. doi : 10.1146/annurev-arplant-042817-040218 . ISSN  1543-5008. PMID  29553801.
  4. ^ ab Hu, Honghong; Xiong, Lizhong (2014-04-29). «Генная инженерия и селекция засухоустойчивых культур». Annual Review of Plant Biology . 65 (1): 715–741. doi :10.1146/annurev-arplant-050213-040000. ISSN  1543-5008. PMID  24313844.
  5. ^ Ахмад, Узаир; Альвино, Артуро; Марино, Стефано (17.10.2021). «Обзор оценки водного стресса в сельскохозяйственных культурах с использованием дистанционного зондирования». Дистанционное зондирование . 13 (20): 4155. Bibcode : 2021RemS...13.4155A. doi : 10.3390/rs13204155 . ISSN  2072-4292.
  6. ^ Varshney, Rajeev K; Tuberosa, Roberto; Tardieu, Francois (2018-06-08). «Прогресс в понимании устойчивости к засухе: от аллелей к системам земледелия». Журнал экспериментальной ботаники . 69 (13): 3175–3179. doi :10.1093/jxb/ery187. ISSN  0022-0957. PMC 5991209. PMID 29878257  . 
  7. ^ Шреста, Асис; Фендель, Александр; Нгуен, Туй Х.; Адебабай, Антенех; Куллик, Анника Стина; Бенндорф, Ян; Леон, Йенс; Наз, Али А. (2022-10-03). «Природное разнообразие раскрывает регуляцию P5CS1 и ее роль в устойчивости к засухе и устойчивости урожайности ячменя». Plant, Cell & Environment . 45 (12): 3523–3536. doi : 10.1111/pce.14445 . ISSN  0140-7791. PMID  36130879. S2CID  252438394.
  8. ^ Muzammil, Shumaila; Shrestha, Asis; Dadshani, Said; Pillen, Klaus; Siddique, Shahid; Léon, Jens; Naz, Ali Ahmad (октябрь 2018 г.). «Предковый аллель пирролин-5-карбоксилатсинтазы1 способствует накоплению пролина и адаптации к засухе у культурного ячменя». Физиология растений . 178 (2): 771–782. doi :10.1104/pp.18.00169. ISSN  0032-0889. PMC 6181029. PMID 30131422  . 
  9. ^ abcdefghijklmno НАКАСИМА, Казуо; СУЭНАГА, Казухиро (2017). «На пути к генетическому улучшению засухоустойчивости сельскохозяйственных культур». Japan Agricultural Research Quarterly . 51 (1): 1–10. doi : 10.6090/jarq.51.1 . ISSN  0021-3551.
  10. ^ Шреста, Асис; Каджо, Дэниел Кингсли; Камруззаман, Мохаммад; Сиддик, Шахид; Фиорани, Фабио; Леон, Йенс; Наз, Али Ахмад (июнь 2021 г.). «Транскрипционные факторы связывания элементов, чувствительных к абсцизовой кислоте, способствуют синтезу пролина и адаптации к стрессу у Arabidopsis». Журнал физиологии растений . 261 : 153414. doi : 10.1016/j.jplph.2021.153414. PMID  33895677. S2CID  233397785.
  11. ^ аб Чавес, Мануэла М.; Марокко, Жоао П.; Перейра, Жоау С. (2003). «Понимание реакции растений на засуху — от генов до всего растения». Функциональная биология растений . 30 (3): 239–264. дои : 10.1071/FP02076. ПМИД  32689007.
  12. ^ VanWallendael, Acer; Soltani, Ali; Emery, Nathan C.; Peixoto, Murilo M.; Olsen, Jason; Lowry, David B. (2019-04-29). «Молекулярный взгляд на локальную адаптацию растений: включение сетей реагирования на стресс». Annual Review of Plant Biology . 70 (1). Annual Reviews : 559–583. doi : 10.1146/annurev-arplant-050718-100114 . ISSN  1543-5008. OSTI  1593759. PMID  30786237. S2CID  73507185.
  13. ^ "Адаптации растений к засушливым условиям". landau.faculty.unlv.edu . Получено 2018-12-04 .
  14. ^ «АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ К ЖАРКИМ И СУХИМ УСЛОВИЯМ (Ксерические адаптации)» (PDF) .
  15. ^ "ЭСТАФЕТА". www.yuiev.com.ua . Проверено 4 декабря 2018 г.
  16. ^ abc Чандлер, Стивен Ф.; Санчес, Кори (октябрь 2012 г.). «Генетическая модификация; разработка трансгенных декоративных сортов растений». Plant Biotechnology Journal . 10 (8): 891–903. doi : 10.1111/j.1467-7652.2012.00693.x . ISSN  1467-7652. PMID  22537268.
  17. ^ "CGIAR: Наука для величайших проблем человечества". CGIAR . Получено 2018-12-04 .
  18. ^ "ХеДВИК". ХЕДВИК . Проверено 25 марта 2019 г.
  19. ^ "Selecta Klemm и Mendel Biotechnology создают биологическую науку о декоративных растениях". www.cabi.org . Получено 04.12.2018 .