Abiotisk stress - Abiotic stress

Abiotisk stress er den negative indvirkning af ikke-levende faktorer på de levende organismer i et specifikt miljø. Den ikke-levende variabel skal påvirke miljøet ud over dets normale variation for at påvirke befolkningens ydeevne eller individuelle fysiologi af organismen negativt på en betydelig måde.

Mens en biotisk stress vil omfatte levende forstyrrelser såsom svampe eller skadelige insekter, abiotiske stressfaktorer eller stressfaktorer, er naturligt forekommende, ofte immaterielle og livløse faktorer såsom intens sollys, temperatur eller vind, der kan forårsage skade på planter og dyr i naturen område berørt. Abiotisk stress er i det væsentlige uundgåeligt. Abiotisk stress påvirker dyr, men planter er især afhængige, hvis ikke udelukkende afhængige af miljøfaktorer, så det er særligt begrænsende. Abiotisk stress er den mest skadelige faktor for afgrødernes vækst og produktivitet på verdensplan. Forskning har også vist, at abiotiske stressfaktorer er mest skadelige, når de forekommer sammen, i kombinationer af abiotiske stressfaktorer.

Eksempler

Abiotisk stress findes i mange former. Den mest almindelige af stressorerne er den letteste for mennesker at identificere, men der er mange andre, mindre genkendelige abiotiske stressfaktorer, der konstant påvirker miljøer.

De mest grundlæggende stressfaktorer omfatter:

Mindre kendte stressorer forekommer generelt i mindre skala. De omfatter: dårlige edafiske forhold som stenindhold og pH -niveauer , høj stråling , komprimering, forurening og andre, meget specifikke forhold som hurtig rehydrering under spiring af frø .

Effekter

Abiotisk stress, som en naturlig del af ethvert økosystem, vil påvirke organismer på forskellige måder. Selvom disse virkninger kan være enten gavnlige eller skadelige, er områdets placering afgørende for at bestemme omfanget af den indvirkning, som abiotisk stress vil have. Jo højere breddegrad det berørte område er, desto større bliver virkningen af ​​abiotisk stress på dette område. Så en taiga eller boreal skov er prisgivet, uanset hvilke abiotiske stressfaktorer der måtte komme, mens tropiske zoner er meget mindre modtagelige for sådanne stressfaktorer.

Fordele

Et eksempel på en situation, hvor abiotisk stress spiller en konstruktiv rolle i et økosystem, er i naturlige naturbrande. Selvom de kan udgøre en menneskelig sikkerhedsrisiko, er det produktivt for disse økosystemer at brænde ud en gang imellem, så nye organismer kan begynde at vokse og trives. Selvom det er sundt for et økosystem, kan en løbeild stadig betragtes som en abiotisk stressor, fordi det lægger en tydelig belastning på individuelle organismer i området. Hvert træ, der er brændt, og hvert fuglerede, der fortæres, er et tegn på den abiotiske stress. I større skala er naturlige naturbrande dog positive manifestationer af abiotisk stress.

Det, der også skal tages i betragtning, når man leder efter fordele ved abiotisk stress, er, at et fænomen muligvis ikke påvirker et helt økosystem på samme måde. Selvom en oversvømmelse vil dræbe de fleste planter, der lever lavt på jorden i et bestemt område, vil der, hvis der er ris der, trives under de våde forhold. Et andet eksempel på dette er i planteplankton og zooplankton . De samme typer betingelser betragtes normalt som stressende for disse to typer organismer. De virker meget ens, når de udsættes for ultraviolet lys og de fleste toksiner, men ved forhøjede temperaturer reagerer planteplanktonet negativt, mens det termofile zooplankton reagerer positivt på temperaturstigningen. De to lever muligvis i det samme miljø, men en temperaturstigning i området ville kun vise sig at være belastende for en af ​​organismerne.

Endelig har abiotisk stress gjort det muligt for arter at vokse, udvikle og udvikle sig og fremme det naturlige udvalg, da det udvælger den svageste af en gruppe organismer. Både planter og dyr har udviklet mekanismer, der gør det muligt for dem at overleve ekstremer.

Skader

Den mest åbenlyse ulempe vedrørende abiotisk stress er landbrug. Det er blevet hævdet af en undersøgelse, at abiotisk stress forårsager mest tab af afgrøder af enhver anden faktor, og at de fleste større afgrøder reduceres i deres udbytte med mere end 50% fra deres potentielle udbytte.

Fordi abiotisk stress i vid udstrækning betragtes som en skadelig virkning, er forskningen om denne gren af ​​spørgsmålet omfattende. For mere information om de skadelige virkninger af abiotisk stress, se afsnittene nedenfor om planter og dyr.

I planter

En plantes første forsvarslinje mod abiotisk stress er i sine rødder. Hvis jorden, der holder planten, er sund og biologisk mangfoldig, vil planten have en større chance for at overleve stressende forhold.

Plantens reaktioner på stress afhænger af det væv eller organ, der påvirkes af stressen. For eksempel er transkriptionelle reaktioner på stress væv eller cellespecifikke i rødder og er ganske forskellige afhængigt af den involverede stress.

En af de primære reaktioner på abiotisk stress, såsom høj saltholdighed, er forstyrrelsen af ​​Na+/K+ -forholdet i plantecellens cytoplasma. Høje koncentrationer af Na+kan for eksempel reducere anlæggets kapacitet til at optage vand og også ændre enzym- og transportfunktioner. Udviklede tilpasninger til effektivt at genoprette cellulære ionhomeostase har ført til en lang række forskellige stresstolerante planter.

Facilitering eller de positive vekselvirkninger mellem forskellige plantearter er et indviklet foreningsnet i et naturligt miljø. Det er, hvordan planter arbejder sammen. I områder med høj stress er faciliteringsniveauet også særligt højt. Dette kan muligvis skyldes, at planterne har brug for et stærkere netværk for at overleve i et hårdere miljø, så deres interaktion mellem arter, såsom krydsbestøvning eller mutualistiske handlinger, bliver mere almindelige for at klare sværhedsgraden af ​​deres levesteder.

Planter tilpasser sig også meget forskelligt fra hinanden, selv fra en plante, der bor i samme område. Når en gruppe af forskellige plantearter blev foranlediget af en række forskellige stresssignaler, såsom tørke eller kulde, reagerede hver plante unikt. Næppe nogen af ​​svarene var ens, selvom planterne var blevet vant til præcis det samme hjemmemiljø.

Solsikker er hyperakkumulatorer, der kan optage store mængder metal.

Serpentinjord (medier med lave koncentrationer af næringsstoffer og høje koncentrationer af tungmetaller) kan være en kilde til abiotisk stress. I første omgang er absorptionen af ​​giftige metalioner begrænset af cellemembranekskludering. Ioner, der absorberes i væv, afsondres i cellevakuoler. Denne sekvestreringsmekanisme lettes af proteiner på vakuolmembranen. Et eksempel på planter, der tilpasser sig serpentinjord, er Metallophytes eller hyperakkumulatorer, da de er kendt for deres evne til at absorbere tungmetaller ved hjælp af root-to-shoot-translokationen (som den vil absorbere i skud frem for selve planten). De er også slukket for deres evne til at absorbere giftige stoffer fra tungmetaller.

Kemisk priming er blevet foreslået for at øge tolerancen over for abiotiske belastninger i afgrødeplanter. I denne metode, der er analog med vaccination, introduceres stressfremkaldende kemiske midler til planten i korte doser, så planten begynder at forberede forsvarsmekanismer. Når den abiotiske stress opstår, har planten således allerede forberedt forsvarsmekanismer, der kan aktiveres hurtigere og øge tolerancen. Tidligere udsættelse for tålelige doser af biotiske belastninger, såsom phloem-fodrende insektangreb, har også vist sig at øge tolerancen over for abiotiske belastninger i planter

Virkning på fødevareproduktion

Abiotisk stress påvirkede hovedsageligt planter, der er i landbrugsindustrien. Mest på grund af deres konstante behov for at justere mekanismerne gennem virkningerne af klimaforandringer såsom kulde, tørke, saltindhold, varme, toksiner osv.

  • Ris ( Oryza sativa ) er et klassisk eksempel. Ris er en fast føde i hele verden, især i Kina og Indien. Risplanter oplever forskellige former for abiotiske belastninger, såsom tørke og høj saltholdighed. Disse stressbetingelser har en negativ indvirkning på risproduktionen. Genetisk mangfoldighed er blevet undersøgt blandt flere rissorter med forskellige genotyper ved hjælp af molekylære markører.
  • Kikærter oplever tørke, som påvirker dets produktion, da den blev betragtet som en af ​​de mest betydningsfulde fødevarer, der skulle bruges rundt om i verden.
  • Hvede er en af ​​de store afgrøder, der mest påvirkes af tørke, fordi mangel på vand ville påvirke planteudviklingen og dermed få bladene til at visne i processen.
  • Majs har et par faktorer, der påvirker selve afgrøden. De primære eksempler er høj temperatur og tørke, der var ansvarlig for henholdsvis ændringerne i planteudviklingen og tabet af majsafgrøderne.
  • Sojabønne påvirker ikke kun selve planten fra tørke, men også landbrugsproduktion, da verden er afhængig af sojabønner for sin proteinkilde.

Saltstress i planter

Jordsaltholdelse, ophobning af vandopløselige salte til niveauer, der påvirker planteproduktionen negativt, er et globalt fænomen, der påvirker cirka 831 millioner hektar jord. Mere specifikt truer fænomenet 19,5% af verdens kunstvandede landbrugsjord og 2,1% af verdens ikke-kunstvandede (tørre) landbrugsjord. Højt indhold af saltholdighed i jorden kan være skadeligt for planter, fordi vandopløselige salte kan ændre osmotiske potentielle gradienter og følgelig hæmme mange cellulære funktioner. For eksempel kan et højt indhold af saltholdighed i jorden hæmme processen med fotosyntese ved at begrænse en plantes vandoptagelse; høje niveauer af vandopløselige salte i jorden kan nedsætte osmotiske potentiale af jorden og dermed mindske forskellen i vand potentialet mellem jord og plantens rødder og derved begrænse elektron strømme fra H 2 O til P680 i fotosystem II s reaktionscenter.

Over generationer har mange planter muteret og opbygget forskellige mekanismer til at modvirke saltindholdseffekter. En god saltvandsbekæmper i planter er hormonet ethylen . Ethylen er kendt for at regulere plantevækst og udvikling og håndtere stressbetingelser. Mange centrale membranproteiner i planter, såsom ETO2, ERS1 og EIN2, bruges til ethylensignalering i mange plantevækstprocesser. Mutationer i disse proteiner kan føre til øget saltfølsomhed og kan begrænse plantevækst. Virkningerne af saltindhold er blevet undersøgt på Arabidopsis -planter, der har muteret ERS1, ERS2, ETR1, ETR2 og EIN4 proteiner. Disse proteiner bruges til ethylensignalering mod visse belastningsbetingelser, såsom salt, og ethylenforløberen ACC bruges til at undertrykke enhver følsomhed over for saltspændingen.

Fosfatsult i planter

Fosfor (P) er et vigtigt makronæringsstof, der kræves for plantevækst og udvikling, men det meste af verdens jord er begrænset i dette vigtige plantens næringsstof. Planter kan udnytte P hovedsagelig i form hvis opløseligt uorganisk phosphat (Pi), men udsættes for abiotisk stress af P-begrænsning, når der ikke er tilstrækkelig opløselig PO 4 tilgængelig i jorden. Fosfor danner uopløselige komplekser med Ca og Mg i alkaliske jordarter og Al og Fe i sure jordarter, der gør det utilgængeligt for planterødder. Når der er begrænset biotilgængelig P i jorden, viser planter omfattende abiotisk stressfænotype som korte primære rødder og flere laterale rødder og rodhår for at gøre mere overflade tilgængelig for P i -absorption, ekssudation af organiske syrer og fosfatase for at frigive P i fra kompleks P indeholdende molekyler og gør det tilgængeligt for voksende planters organer. Det er blevet vist, at PHR1, en MYB -relateret transkriptionsfaktor er en masterregulator for P -sultrespons i planter. PHR1 har også vist sig at regulere omfattende ombygning af lipider og metabolitter under belastning af fosforbegrænsning

Tørke Stress

Tørkespænding defineret som naturligt forekommende vandunderskud er en af ​​hovedårsagerne til tab af afgrøder i landbrugsverdenen. Dette skyldes vandets nødvendighed i så mange grundlæggende processer i plantevækst. Det er blevet særlig vigtigt i de senere år at finde en måde at bekæmpe tørkestress på. Et fald i nedbør og efterfølgende stigning i tørke er yderst sandsynligt i fremtiden på grund af en stigning i den globale opvarmning. Planter er kommet med mange mekanismer og tilpasninger til at prøve at håndtere tørkestress. En af de førende måder, planterne bekæmper tørkestress på, er ved at lukke deres stomata. Et centralt hormon, der regulerer åbning og lukning af stomi, er abscisinsyre (ABA). Syntese af ABA får ABA til at binde til receptorer. Denne binding påvirker derefter åbningen af ​​ionkanaler og reducerer derved turgortrykket i stomataen og får dem til at lukke. Nylige undersøgelser af Gonzalez-Villagra et al. Viste, hvordan ABA-niveauer steg i tørkebelastede planter (2018). De viste, at når planter blev anbragt i en stressende situation, producerede de mere ABA for at spare på alt vand, de havde i deres blade. En anden yderst vigtig faktor i håndteringen af ​​tørkestress og regulering af optagelse og eksport af vand er aquaporiner (AQP'er). AQP'er er integrerede membranproteiner, der udgør kanaler. Disse kanalers hovedopgave er transport af vand og andre nødvendige opløste stoffer. AQP'er reguleres både transkriptionelt og efter transkriptionelt af mange forskellige faktorer, såsom ABA, GA3, pH og Ca2+, og de specifikke niveauer af AQP'er i visse dele af planten, såsom rødder eller blade, hjælper med at trække så meget vand ind i planten som muligt. Ved at forstå både mekanismen for AQP'er og hormonet ABA vil forskere være bedre i stand til at producere tørkebestandige planter i fremtiden.

En interessant ting, der er fundet i planter, der konsekvent udsættes for tørke, er deres evne til at danne en slags "hukommelse". I en undersøgelse af Tombesi et al. Fandt de, at planter, der tidligere havde været udsat for tørke, var i stand til at komme med en slags strategi for at minimere vandtab og reducere vandforbruget. De fandt ud af, at planter, der var udsat for tørke, faktisk ændrede den måde, de regulerede deres stomata på, og det de kaldte "hydraulisk sikkerhedsmargen" for at reducere plantens sårbarhed. Ved at ændre reguleringen af ​​stomata og efterfølgende transpiration kunne planter fungere bedre i situationer, hvor tilgængeligheden af ​​vand faldt.

Hos dyr

For dyr er den mest stressende af alle de abiotiske stressfaktorer varme . Dette skyldes, at mange arter ikke er i stand til at regulere deres indre kropstemperatur . Selv hos de arter, der er i stand til at regulere deres egen temperatur , er det ikke altid et helt præcist system. Temperatur bestemmer stofskifte , puls og andre meget vigtige faktorer i dyrenes kroppe, så en ekstrem temperaturændring kan let forstyrre dyrets krop. Dyr kan reagere på ekstrem varme , for eksempel gennem naturlig varmeakklimatisering eller ved at grave sig ned i jorden for at finde et køligere rum.

Det er også muligt at se hos dyr, at en høj genetisk mangfoldighed er gavnlig for at give modstandsdygtighed over for hårde abiotiske stressfaktorer. Dette fungerer som en slags lagerplads, når en art er plaget af farerne ved naturligt udvalg. En række forskellige galdende insekter er blandt de mest specialiserede og mangfoldige planteædere på planeten, og deres omfattende beskyttelse mod abiotiske stressfaktorer har hjulpet insektet med at opnå denne æresstilling.

Hos truede arter

Biodiversitet bestemmes af mange ting, og en af ​​dem er abiotisk stress. Hvis et miljø er meget belastende, har biodiversiteten en tendens til at være lav. Hvis abiotisk stress ikke har en stærk tilstedeværelse i et område, vil biodiversiteten være meget højere.

Denne idé fører til forståelsen af, hvordan abiotisk stress og truede arter hænger sammen. Det er blevet observeret gennem en række forskellige miljøer, at når niveauet af abiotisk stress stiger, falder antallet af arter. Det betyder, at arter er mere tilbøjelige til at blive befolkningstruede, truede og endda uddøde, når og hvor abiotisk stress er særlig hård.

Se også

Referencer