Stresul abiotic - Abiotic stress

Stresul abiotic este impactul negativ al factorilor non-vii asupra organismelor vii dintr-un mediu specific. Variabila non-vie trebuie să influențeze mediul dincolo de intervalul normal de variație pentru a afecta negativ performanța populației sau fiziologia individuală a organismului într-un mod semnificativ.

Întrucât un stres biotic ar include tulburări de viață, cum ar fi ciuperci sau insecte dăunătoare, factori de stres abiotici sau factori de stres, sunt factori naturali, adesea intangibili și neînsuflețiți, cum ar fi lumina soarelui intensă, temperatura sau vântul care pot provoca daune plantelor și animalelor din zona afectată. Stresul abiotic este în esență inevitabil. Stresul abiotic afectează animalele, dar plantele sunt în mod special dependente, dacă nu numai dependente, de factorii de mediu, deci este deosebit de constrângător. Stresul abiotic este cel mai dăunător factor în ceea ce privește creșterea și productivitatea culturilor la nivel mondial. Cercetările au arătat, de asemenea, că factorii de stres abiotici sunt cel mai dăunători atunci când apar împreună, în combinații de factori de stres abiotici.

Exemple

Stresul abiotic apare sub mai multe forme. Cei mai frecvenți dintre factorii de stres sunt cei mai ușor de identificat de oameni, dar există mulți alți factori de stres abiotici mai puțin recunoscuți, care afectează în mod constant mediile.

Cei mai de bază factori de stres includ:

Stresorii mai puțin cunoscuți apar în general la o scară mai mică. Acestea includ: condiții edafice slabe , cum ar fi conținutul de roci și nivelurile de pH , radiații ridicate , compactare, contaminare și alte condiții foarte specifice, cum ar fi rehidratarea rapidă în timpul germinării semințelor .

Efecte

Stresul abiotic, ca parte naturală a fiecărui ecosistem, va afecta organismele într-o varietate de moduri. Deși aceste efecte pot fi benefice sau dăunătoare, localizarea zonei este crucială pentru a determina amploarea impactului pe care îl va avea stresul abiotic. Cu cât latitudinea zonei afectate este mai mare, cu atât impactul stresului abiotic va fi mai mare asupra acelei zone. Deci, o taiga sau o pădure boreală este la mila oricăror factori de stres abiotici care ar putea apărea, în timp ce zonele tropicale sunt mult mai puțin susceptibile la astfel de factori de stres.

Beneficii

Un exemplu de situație în care stresul abiotic joacă un rol constructiv într-un ecosistem este în incendiile naturale sălbatice. Deși pot fi un pericol pentru siguranța umană, este productiv pentru aceste ecosisteme să ardă din când în când, astfel încât organismele noi să poată începe să crească și să prospere. Chiar dacă este sănătos pentru un ecosistem, un incendiu poate fi totuși considerat un factor de stres abiotic, deoarece pune un stres evident asupra organismelor individuale din zonă. Fiecare copac ars și fiecare cuib de păsări devorat este un semn al stresului abiotic. La scară mai largă, însă, incendiile naturale sunt manifestări pozitive ale stresului abiotic.

Ceea ce trebuie luat în considerare și atunci când se caută beneficii ale stresului abiotic este că un fenomen poate să nu afecteze un întreg ecosistem în același mod. În timp ce o inundație va ucide majoritatea plantelor care trăiesc jos la sol într-o anumită zonă, dacă există orez acolo, aceasta va prospera în condiții umede. Un alt exemplu în acest sens este în fitoplancton și zooplancton . Aceleași tipuri de condiții sunt de obicei considerate stresante pentru aceste două tipuri de organisme. Aceștia acționează foarte similar atunci când sunt expuși la lumina ultravioletă și la majoritatea toxinelor, dar la temperaturi ridicate fitoplanctonul reacționează negativ, în timp ce zooplanctonul termofil reacționează pozitiv la creșterea temperaturii. Cei doi ar putea trăi în același mediu, dar o creștere a temperaturii zonei s-ar dovedi stresantă doar pentru unul dintre organisme.

În cele din urmă, stresul abiotic a permis speciilor să crească, să se dezvolte și să evolueze, favorizând selecția naturală pe măsură ce îi alege pe cei mai slabi dintr-un grup de organisme. Atât plantele, cât și animalele au dezvoltat mecanisme care le permit să supraviețuiască extremelor.

Detrimenți

Cel mai evident prejudiciu referitor la stresul abiotic îl implică agricultura. Un studiu a afirmat că stresul abiotic determină cea mai mare pierdere a culturilor din orice alt factor și că majoritatea culturilor majore sunt reduse cu mai mult de 50% din randamentul lor potențial.

Deoarece stresul abiotic este considerat pe scară largă un efect dăunător, cercetările pe această ramură a problemei sunt extinse. Pentru mai multe informații despre efectele nocive ale stresului abiotic, consultați secțiunile de mai jos despre plante și animale.

La plante

Prima linie de apărare a plantei împotriva stresului abiotic se află în rădăcinile sale. Dacă solul care deține planta este sănătos și biologic divers, planta va avea șanse mai mari de a supraviețui condițiilor stresante.

Răspunsurile plantelor la stres sunt dependente de țesutul sau organul afectat de stres. De exemplu, răspunsurile transcripționale la stres sunt specifice țesuturilor sau celulelor din rădăcini și sunt destul de diferite în funcție de stresul implicat.

Unul dintre răspunsurile primare la stresul abiotic, cum ar fi salinitatea ridicată, este întreruperea raportului Na + / K + din citoplasma celulei plantei. Concentrațiile mari de Na +, de exemplu, pot reduce capacitatea plantei de a prelua apă și, de asemenea, pot modifica funcțiile enzimei și ale transportorului. Adaptările evoluate pentru a restabili eficient homeostazia ionilor celulari au condus la o mare varietate de plante tolerante la stres.

Facilitarea sau interacțiunile pozitive dintre diferite specii de plante este o rețea complicată de asociere într-un mediu natural. Plantele funcționează împreună. În zonele cu stres ridicat, nivelul de facilitare este, de asemenea, deosebit de ridicat. Acest lucru se poate datora faptului că plantele au nevoie de o rețea mai puternică pentru a supraviețui într-un mediu mai dur, astfel încât interacțiunile lor dintre specii, cum ar fi polenizarea încrucișată sau acțiunile mutualiste, devin mai frecvente pentru a face față severității habitatului lor.

Plantele se adaptează, de asemenea, foarte diferit unele de altele, chiar și de la o plantă care trăiește în aceeași zonă. Când un grup de specii de plante diferite a fost determinat de o varietate de semnale de stres diferite, cum ar fi seceta sau frigul, fiecare plantă a răspuns în mod unic. Aproape niciunul dintre răspunsuri nu a fost similar, chiar dacă plantele se obișnuiseră exact cu același mediu de acasă.

Floarea-soarelui sunt plante hiperacumulatoare care pot absorbi cantități mari de metal.

Solurile serpentine (medii cu concentrații scăzute de nutrienți și concentrații mari de metale grele) pot fi o sursă de stres abiotic. Inițial, absorbția ionilor metalici toxici este limitată de excluderea membranei celulare. Ionii care sunt absorbiți în țesuturi sunt sechestrați în vacuole celulare. Acest mecanism de sechestrare este facilitat de proteinele de pe membrana vacuolului. Un exemplu de plante care se adaptează la solul serpentin sunt metalofiții sau hiperacumulatorii, deoarece sunt cunoscuți pentru capacitatea lor de a absorbi metalele grele folosind translocația rădăcină-la-împușcare (pe care o va absorbi în lăstari mai degrabă decât în ​​planta însăși). De asemenea, sunt stinse pentru capacitatea lor de a absorbi substanțe toxice din metalele grele.

Amorsarea chimică a fost propusă pentru a crește toleranța la stresul abiotic la plantele recoltate. În această metodă, care este analogă vaccinării, agenții chimici care induc stresul sunt introduși în plantă în doze scurte, astfel încât planta să înceapă să pregătească mecanisme de apărare. Astfel, atunci când apare stresul abiotic, planta a pregătit deja mecanisme de apărare care pot fi activate mai repede și cresc toleranța. Expunerea prealabilă la doze tolerabile de stres biotic, cum ar fi infestarea cu insecte care hrănesc cu floem, s-a dovedit, de asemenea, că crește toleranța la stresul abiotic la plantă

Impactul asupra producției de alimente

Stresul abiotic a afectat în cea mai mare parte plantele din industria agricolă. În principal datorită nevoii lor constante de a regla mecanismele prin efectele schimbărilor climatice, cum ar fi răceala, seceta, salinitatea sării, căldura, toxinele etc.

  • Orezul ( Oryza sativa ) este un exemplu clasic. Orezul este un aliment de bază în întreaga lume, în special în China și India. Plantele de orez experimentează diferite tipuri de stresuri abiotice, cum ar fi seceta și salinitatea ridicată. Aceste condiții de stres au un impact negativ asupra producției de orez. Diversitatea genetică a fost studiată printre mai multe soiuri de orez cu genotipuri diferite folosind markeri moleculari.
  • Năutul se confruntă cu secetă care îi afectează producția, deoarece a fost considerat unul dintre cele mai semnificative alimente care trebuie utilizate pe tot globul.
  • Grâul este una dintre culturile majore care sunt afectate în cea mai mare parte de secetă, deoarece lipsa apei ar afecta dezvoltarea plantelor, făcând astfel frunzele să se ofilească în acest proces.
  • Porumbul are câțiva factori care afectează cultura în sine. Exemplele principale sunt temperatura ridicată și seceta, care a fost responsabilă de schimbările în dezvoltarea plantelor și respectiv de pierderea culturilor de porumb.
  • Soia nu numai că afectează planta însăși din cauza secetei, ci și producția agricolă, întrucât lumea se bazează pe soia pentru sursa sa de proteine.

Stresul sărat în plante

Salinizarea solului, acumularea de săruri solubile în apă la niveluri care au un impact negativ asupra producției plantelor, este un fenomen global care afectează aproximativ 831 milioane de hectare de teren. Mai precis, fenomenul amenință 19,5% din terenurile agricole irigate din lume și 2,1% din terenurile agricole neirigate din lume (teren uscat). Conținutul ridicat de salinitate a solului poate fi dăunător plantelor, deoarece sărurile solubile în apă pot modifica gradienții de potențial osmotic și, în consecință, inhibă multe funcții celulare. De exemplu, un conținut ridicat de salinitate a solului poate inhiba procesul de fotosinteză prin limitarea captării apei unei plante; nivelurile ridicate de săruri solubile în apă din sol pot reduce potențialul osmotic al solului și, în consecință, scad diferența de potențial de apă între sol și rădăcinile plantei, limitând astfel fluxul de electroni de la H 2 O la P680 în centrul de reacție al Photosystem II .

De-a lungul generațiilor, multe plante au mutat și au construit mecanisme diferite pentru a contracara efectele salinității. Un bun combatant al salinității în plante este hormonul etilenă . Etilena este cunoscută pentru reglarea creșterii și dezvoltării plantelor și pentru tratarea condițiilor de stres. Multe proteine ​​de membrană centrală din plante, cum ar fi ETO2, ERS1 și EIN2, sunt utilizate pentru semnalizarea etilenei în multe procese de creștere a plantelor. Mutațiile din aceste proteine ​​pot duce la o sensibilitate crescută a sării și pot limita creșterea plantelor. Efectele salinității au fost studiate asupra plantelor Arabidopsis care au proteine ​​mutante ERS1, ERS2, ETR1, ETR2 și EIN4. Aceste proteine ​​sunt utilizate pentru semnalizarea etilenei împotriva anumitor condiții de stres, cum ar fi sarea, iar precursorul de etilenă ACC este utilizat pentru a suprima orice sensibilitate la stresul de sare.

Înfometarea fosfatului la plante

Fosforul (P) este un macronutrient esențial necesar pentru creșterea și dezvoltarea plantelor, dar cea mai mare parte a solului din lume este limitată în acest nutrient important al plantelor. Plantele pot utiliza P în principal sub formă în cazul în fosfat anorganic solubil (Pi) , dar sunt supuse unui stres abiotic P-limitare , atunci când nu există suficientă PO solubil 4 disponibil în sol. Fosforul formează complexe insolubile cu Ca și Mg în solurile alcaline și Al și Fe în solurile acide, ceea ce îl face indisponibil pentru rădăcinile plantelor. Atunci când P este biodisponibil limitat în sol, plantele prezintă un fenotip de stres abiotic extins, cum ar fi rădăcini primare scurte și mai multe rădăcini laterale și fire de păr pentru a face mai multă suprafață disponibilă pentru absorbția P i , exsudarea acizilor organici și fosfatază pentru a elibera P i din complex. P conținând molecule și o fac disponibilă pentru organele plantelor în creștere. S-a demonstrat că PHR1, un factor de transcripție legat de MYB, este un regulator principal al răspunsului la înfometarea P la plante. De asemenea, s-a demonstrat că PHR1 reglează remodelarea extensivă a lipidelor și a metaboliților în timpul stresului de limitare a fosforului

Stresul de secetă

Stresul de secetă definit ca deficitul de apă natural este una dintre principalele cauze ale pierderilor de culturi în lumea agricolă. Acest lucru se datorează necesității apei în atâtea procese fundamentale în creșterea plantelor. A devenit deosebit de important în ultimii ani să găsim o modalitate de combatere a stresului de secetă. O scădere a precipitațiilor și creșterea ulterioară a secetei sunt extrem de probabile în viitor din cauza creșterii încălzirii globale. Plantele au venit cu multe mecanisme și adaptări pentru a încerca să facă față stresului de secetă. Una dintre principalele modalități prin care plantele combat stresul secetei este închiderea stomatelor. Un hormon cheie care reglează deschiderea și închiderea stomatului este acidul abscisic (ABA). Sinteza ABA face ca ABA să se lege de receptori. Această legare afectează apoi deschiderea canalelor ionice, scăzând astfel presiunea turgorului din stomate și provocând închiderea acestora. Studii recente, realizate de Gonzalez-Villagra și colab., Au arătat cum au crescut nivelurile de ABA la plantele cu stres de secetă (2018). Au arătat că atunci când plantele au fost plasate într-o situație stresantă au produs mai mult ABA pentru a încerca și a conserva orice apă pe care o aveau în frunze. Un alt factor extrem de important în a face cu stresul secetei și reglementarea asimilarea și exportul de apă este aquaporins (AQPs). AQP-urile sunt proteine ​​integrale de membrană care alcătuiesc canale. Sarcina principală a acestor canale este transportul de apă și alte substanțe solutice necesare. AQP-urile sunt reglementate atât transcripțional, cât și post transcripțional de mulți factori diferiți, cum ar fi ABA, GA3, pH și Ca2 +, iar nivelurile specifice de AQP din anumite părți ale plantei, cum ar fi rădăcinile sau frunzele, ajută la atragerea în plantă a cantității de apă posibil. Înțelegând atât mecanismul AQP, cât și hormonul ABA, oamenii de știință vor putea produce mai bine plante rezistente la secetă în viitor.

Un lucru interesant care a fost găsit la plantele care sunt expuse în mod constant la secetă este abilitatea lor de a forma un fel de „memorie”. Într-un studiu realizat de Tombesi și colab., Au descoperit că plantele care anterior au fost expuse la secetă au reușit să elaboreze un fel de strategie pentru a reduce la minimum pierderile de apă și a reduce consumul de apă. Ei au descoperit că plantele care erau expuse condițiilor de secetă au schimbat de fapt modul în care și-au reglat stomatele și ceea ce au numit „marja de siguranță hidraulică”, astfel încât să scadă vulnerabilitatea plantei. Prin schimbarea reglării stomatelor și ulterior a transpirației, plantele au reușit să funcționeze mai bine în situațiile în care disponibilitatea apei a scăzut.

La animale

Pentru animale, cel mai stresant dintre toți factorii de stres abiotici este căldura . Acest lucru se datorează faptului că multe specii nu sunt în măsură să-și regleze temperatura internă a corpului . Chiar și la speciile capabile să-și regleze propria temperatură , nu este întotdeauna un sistem complet precis. Temperatura determină ratele metabolice , ritmul cardiac și alți factori foarte importanți din corpurile animalelor, astfel încât o schimbare extremă de temperatură poate distruge cu ușurință corpul animalului. Animalele pot răspunde la căldură extremă , de exemplu, prin aclimatizarea naturală a căldurii sau prin adâncirea în pământ pentru a găsi un spațiu mai rece.

De asemenea, este posibil să se vadă la animale că o diversitate genetică ridicată este benefică în asigurarea rezistenței împotriva factorilor de stres abiotici duri. Aceasta acționează ca un fel de depozit atunci când o specie este afectată de pericolele selecției naturale. O varietate de insecte galante sunt printre cele mai specializate și mai diverse erbivore de pe planetă, iar protecția lor extinsă împotriva factorilor de stres abiotici au ajutat insecta să câștige această poziție de onoare.

La speciile pe cale de dispariție

Biodiversitatea este determinată de multe lucruri, iar unul dintre ele este stresul abiotic. Dacă un mediu este extrem de stresant, biodiversitatea tinde să fie scăzută. Dacă stresul abiotic nu are o prezență puternică într-o zonă, biodiversitatea va fi mult mai mare.

Această idee conduce la înțelegerea legăturii dintre stresul abiotic și speciile pe cale de dispariție. S-a observat printr-o varietate de medii că pe măsură ce crește nivelul stresului abiotic, numărul speciilor scade. Aceasta înseamnă că speciile sunt mai susceptibile de a deveni amenințate de populație, pe cale de dispariție și chiar dispărute, atunci când și unde stresul abiotic este deosebit de dur.

Vezi si

Referințe