В отношении сельского хозяйства абиотический стресс — это стресс, вызванный природными факторами окружающей среды, такими как экстремальные температуры , ветер , засуха и соленость . Человечество не имеет особого контроля над абиотическими стрессами. Для людей очень важно понимать, как факторы стресса влияют на растения и другие живые существа, чтобы мы могли принимать некоторые превентивные меры.
Профилактические меры — единственный способ, которым люди могут защитить себя и свое имущество от абиотического стресса. Существует множество различных типов абиотических стрессоров и несколько методов, которые люди могут использовать для снижения негативного воздействия стресса на живые существа.
Одним из видов абиотического стресса является холод . Он оказывает огромное влияние на фермеров. Холод влияет на производителей сельскохозяйственных культур по всему миру, в каждой стране. Урожайность страдает, и фермеры также несут огромные потери, потому что погода слишком холодная для выращивания урожая (Xiong & Zhu, 2001).
Люди запланировали посадку наших культур по сезонам. Несмотря на то, что сезоны довольно предсказуемы, всегда есть неожиданные штормы, волны тепла или похолодания, которые могут разрушить наши вегетационные сезоны. (Suzuki & Mittler, 2006)
ROS означает реактивные формы кислорода. ROS играет большую роль в посредничестве событий через трансдукцию. Было показано, что холодовой стресс усиливает транскрипт, белок и активность различных ферментов, очищающих ROS. Также было показано, что низкотемпературный стресс увеличивает накопление H 2 O 2 в клетках. (Suzuki & Mittler, 2006)
Растения могут быть акклиматизированы к низким или даже отрицательным температурам. Если растение может пережить умеренное похолодание, это активирует гены, реагирующие на холод. Затем, если температура снова упадет, гены приспособят растение к тому, чтобы оно справлялось с низкой температурой. Даже ниже нуля температуры можно пережить, если активировать соответствующие гены (Suzuki & Mittler, 2006).
Было показано, что тепловой стресс вызывает проблемы в митохондриальных функциях и может привести к окислительному повреждению. Считается, что активаторы рецепторов и защитных механизмов теплового стресса связаны с ROS. Тепло — это еще одна вещь, с которой растения могут справиться, если они прошли надлежащую предварительную обработку. Это означает, что если температура постепенно повышается, растения будут лучше справляться с изменением. Внезапное длительное повышение температуры может нанести вред растению, поскольку их клетки и рецепторы не успели подготовиться к значительному изменению температуры.
Тепловой стресс также может иметь пагубное влияние на воспроизводство растений. Температура на 10 градусов Цельсия или более выше нормальной температуры роста может иметь отрицательное влияние на несколько репродуктивных функций растений. Мейоз пыльцы , прорастание пыльцы, развитие семяпочки , жизнеспособность семяпочки, развитие зародыша и рост рассады — все это аспекты воспроизводства растений, на которые влияет тепло. (Cross, McKay, McHughen, & Bonham-Smith, 2003)
Было проведено много исследований о влиянии тепла на воспроизводство растений. Одно исследование растений было проведено на растениях канолы при 28 градусах Цельсия, результатом стало уменьшение размера растений, но растения все еще были фертильными. Другой эксперимент был проведен на растениях канолы при 32 градусах Цельсия, это привело к получению стерильных растений. Растения, по-видимому, легче повреждаются экстремальными температурами на поздней стадии цветения и ранней стадии развития семян (Cross, McKay, McHughen, & Bonham-Smith, 2003).
Ветер играет огромную роль в абиотическом стрессе. Просто нет способа остановить ветер. Это, безусловно, большая проблема в некоторых частях мира, чем в других. Бесплодные районы, такие как пустыни, очень восприимчивы к естественной ветровой эрозии. В таких районах нет растительности, которая удерживала бы частицы почвы на месте. Как только ветер начинает развевать почву, остановить этот процесс уже ничто не может. Единственный шанс для почвы остаться на месте — если ветер не будет дуть. Обычно это не вариант.
Рост растений в продуваемых ветрами районах очень ограничен. Поскольку почва постоянно движется, у растений нет возможности развивать корневую систему. Почва, которая часто продувается ветрами, обычно также очень сухая. Это оставляет мало питательных веществ для стимулирования роста растений.
Сельскохозяйственные угодья, как правило, очень подвержены ветровой эрозии. Большинство фермеров не сажают покровные культуры в сезоны, когда их основные культуры не выращиваются на полях. Они просто оставляют землю открытой и непокрытой. Когда почва сухая, верхний слой становится похож на порошок. Когда дует ветер, порошкообразный верхний слой сельскохозяйственных угодий поднимается и переносится на многие мили. Это именно тот сценарий, который произошел во время «пыльной бури» в 1930-х годах. Сочетание засухи и плохой агротехники позволило ветру перенести тысячи тонн грязи из одной области в другую.
Ветер — один из факторов, который люди действительно могут контролировать. Просто практикуйте хорошие методы ведения сельского хозяйства. Не оставляйте землю голой и без какой-либо растительности. В засушливые сезоны особенно важно, чтобы земля была покрыта, потому что сухая почва движется гораздо легче, чем влажная почва на ветру.
Когда почва не продувается ветром, условия для роста растений намного лучше. Растения не могут расти в почве, которая постоянно продувается. Их корневые системы не успевают сформироваться. Кроме того, когда частицы почвы продуваются ветром, они изнашивают растения, с которыми сталкиваются. Растения по сути «обрабатываются песком».
Засуха очень пагубно влияет на все типы роста растений. Когда в почве нет воды, не так много питательных веществ для поддержки роста растений. Засуха также усиливает воздействие ветра. Когда наступает засуха, почва становится очень сухой и легкой. Ветер подхватывает эту сухую грязь и уносит ее. Это действие серьезно ухудшает почву и создает плохие условия для выращивания растений.
Растения подвергались воздействию стихий в течение тысяч лет. За это время они эволюционировали, чтобы уменьшить последствия абиотического стресса. Сигнальная трансдукция — это механизм в растениях, который отвечает за адаптацию растений (Xiong & Zhu, 2001). Было обнаружено и изучено множество сетей сигнальной трансдукции в микробных и животных системах. В области растений знания ограничены, поскольку очень сложно точно определить, какие фенотипы в растении подвержены влиянию стрессоров. Эти фенотипы очень ценны для исследователей. Им нужно знать фенотипы, чтобы они могли создать метод скрининга мутантных генов. Мутанты являются ключом к обнаружению сигнальных путей у живых существ.
Животные и микробы легче поддаются тестированию, поскольку они довольно быстро проявляют реакцию, когда на них воздействует стрессовый фактор, что приводит к изоляции определенного гена. Исследования эффектов температуры, засухи и солености ведутся десятилетиями, но ответов не так уж много.
Часть растений, животных или микробов, которая первой ощущает абиотический стрессовый фактор, является рецептором. Как только сигнал улавливается рецептором, сигналы передаются межклеточно, а затем они активируют ядерную транскрипцию, чтобы получить эффекты определенного набора генов. Эти активированные гены позволяют растению реагировать на стресс, который оно испытывает. Несмотря на то, что ни один из рецепторов холода, засухи, засоления или гормона стресса абсцизовой кислоты в растениях не известен наверняка, знания, которыми мы располагаем сегодня, показывают, что рецептороподобные протеинкиназы, двухкомпонентные гистидинкиназы, а также рецепторы G-белка могут быть возможными сенсорами этих различных сигналов.
Рецептор-подобные киназы можно найти как у растений, так и у животных. В растениях гораздо больше RLK, чем у животных. Они также немного отличаются. В отличие от животных RLK, которые обычно обладают последовательностями сигнатуры тирозина, растительные RLK имеют последовательности сигнатуры серина или треонина (Xiong & Zhu, 2001).
Растения чаще всего модифицируются, чтобы стать устойчивыми к определенным гербицидам или патогенам , но у нас есть технология, чтобы модифицировать растения, чтобы сделать их устойчивыми к определенным абиотическим стрессорам. Холод, жара, засуха или соль — все это факторы, от которых, возможно, могут защитить генетически модифицированные растения.
Некоторые растения могут иметь гены, добавленные к ним от других видов растений, которые обладают устойчивостью к определенному стрессу. Растения, имплантированные с этими генами, затем станут трансгенными растениями, поскольку в них есть гены от другого вида растений. Сначала ученым нужно выделить определенный ген в растении, который отвечает за его устойчивость. Затем ген будет извлечен из растения и помещен в другое растение. Растение, которому вводят новый устойчивый ген, будет обладать устойчивостью к абиотическому стрессору и сможет переносить более широкий спектр условий (Weil, 2005).
Этот процесс создания трансгенных растений может оказать огромное влияние на экономику нашей страны. Если бы растения можно было генетически модифицировать, чтобы они были устойчивы к более широкому спектру стрессов, урожайность резко возросла бы. С расширением городов и поселков уменьшается количество фермерских земель. Хотя фермерские земли застраиваются, количество людей, потребляющих сельскохозяйственную продукцию, растет. Этанол также отвечает за использование гораздо большего количества кукурузы, выращиваемой здесь, в США. Производство этого топлива создало напряжение на рынке кукурузы. Цены на кукурузу выросли, и эта цена оказывает негативное влияние на людей, которые кормят животных кукурузой. Сочетание сокращения акров сельскохозяйственных земель и более высокого спроса на сельскохозяйственные культуры поставило производителей и потребителей перед серьезной дилеммой. Единственное решение этой проблемы — продолжать получать все более высокие урожаи с оставшихся у нас пахотных земель.
Генетически модифицированные растения являются хорошим ответом на проблему недостаточного количества урожая. Эти растения можно спроектировать так, чтобы они были устойчивы ко всем типам абиотического стресса. Это исключит потерю урожая из-за экстремальных температур, засухи, ветра или засоления. Потребители урожая получат немного более низкие цены, потому что спрос на них будет немного ниже.
Средний Запад США переживает сильную засуху. Фермеры ограничены в том, сколько они могут орошать из-за нехватки воды. Также в течение вегетационного периода выпадает очень мало осадков, поэтому урожайность сельскохозяйственных культур не очень высока. Эту проблему можно решить, генетически модифицируя растения, чтобы они стали более устойчивыми к засухе. Если бы растения могли потреблять меньше воды и давать урожай, превосходящий или равный нынешнему, это было бы лучше для людей и окружающей среды. Люди могли бы наслаждаться изобилием сельскохозяйственных культур для потребления и экспорта с целью получения прибыли. Окружающая среда могла бы иметь больше воды в своих водоносных горизонтах и реках по всей стране.
Другим экологическим фактором, который будет улучшен, станет количество земли, оставленной для диких животных . Культуры, модифицированные для устойчивости к абиотическому стрессу и другим факторам, которые снижают урожайность, потребуют меньшего использования земли. Производители смогут выращивать достаточно урожая на меньшем количестве акров, если растения будут модифицированы для получения очень высоких урожаев. Это позволит часть используемых сегодня пахотных земель отвести для диких животных. Вместо того, чтобы заниматься сельским хозяйством «от забора до забора», фермеры смогут создавать большие буферы на своих полях. Эти буферы обеспечат прекрасную среду обитания для растений и животных.
Многим людям не нравятся генетически модифицированные организмы. Люди, выступающие против этих модифицированных растений, часто утверждают, что они небезопасны для окружающей среды или для потребления человеком. Существует множество видеороликов и отчетов, которые дискредитируют безопасность генетически модифицированных организмов. King Corn — одно из видео, в котором утверждается, что кукуруза вредна для потребления человеком.
Существуют строгие правила и протоколы, которые сопровождают генетически модифицированные растения. Компания, которая специализируется на производстве генетически модифицированных организмов, должна подвергать свои растения огромному количеству разнообразных тестов, чтобы гарантировать безопасность своего продукта. Каждый из этих тестов должен быть пройден продуктом, чтобы производить больше семян растений.
При массовом производстве семян поля, на которых они выращиваются, должны соответствовать определенным критериям. Вокруг них не должно быть зон растительности, чтобы предотвратить распространение модифицированных растений в местную популяцию. Участки должны быть тщательно промаркированы и обозначены, чтобы компания точно знала, что именно высажено на поле. Все эти протоколы существуют для обеспечения безопасности потребителей, а также окружающей среды. Поскольку генетически модифицированным растениям придаются стрессоустойчивые гены или высокоурожайные гены, они лучше для окружающей среды. Они только помогают создать больше земли, которую можно вернуть в естественную среду обитания для растений и животных.
Абиотический стресс — это естественный фактор, который не может контролироваться человеком. Одним из примеров двух стрессоров, которые дополняют друг друга, является ветер и засуха. Засуха иссушает почву и убивает растения, растущие в ней. После этого почва остается бесплодной и сухой. Ветер может поднять почву и разнести ее на многие мили. Орошение может предотвратить это, но некоторые районы невозможно орошать.
Генетически модифицированные растения могут быть внедрены для замедления воздействия абиотических стрессоров. Это позволяет выращивать больше урожая на меньшем участке земли. Меньшая потребность в сельскохозяйственных угодьях позволяет отвести часть из них под естественную среду обитания диких животных.
Абиотический стресс представляет проблему для людей или окружающей среды только в том случае, если они к нему не готовы. Люди могут предпринять шаги для смягчения последствий. Растения и животные обладают способностью со временем адаптироваться к абиотическому стрессу.