Физиология стресса растений

Засуха, засоление, наводнения, жара и холод угрожают выживанию растений, а физиология стресса растений изучает, как растения воспринимают эти абиотические вызовы и формируют защитные реакции для их преодоления.

Definition

Физиология стресса растений — это изучение того, как растения реагируют и адаптируются к неблагоприятным абиотическим условиям, нарушающим их нормальное функционирование, а также механизмов, обеспечивающих толерантность.

Scope

Эта тема охватывает основные абиотические стрессы — дефицит воды, засоление, экстремальные температуры, наводнения и окислительный стресс — механизмы их восприятия растениями, а также физиологические и молекулярные реакции, включая осмотическую регуляцию, сигнализацию абсцизовой кислоты и антиоксидантную защиту.

Core questions

• Как растения воспринимают дефицит воды, засоление и температурный стресс?
• Какие физиологические и молекулярные механизмы обеспечивают толерантность к этим стрессам?
• Как растения защищаются от окислительного повреждения, сопровождающего многие стрессы?

Key theories

Стрессовая реакция, опосредованная абсцизовой кислотой

Стрессы, связанные с водой, повышают уровень абсцизовой кислоты, которая закрывает устьица и активирует стресс-чувствительные гены, координируя защиту растения от обезвоживания.

Осмотическая регуляция и защита

Растения накапливают совместимые растворенные вещества и защитные белки для поддержания тургора клеток и стабилизации макромолекул, в то время как антиоксидантные системы ограничивают активные формы кислорода, образующиеся в условиях стресса.

Mechanisms

В условиях дефицита воды или высокой солености растения синтезируют абсцизовую кислоту, которая воспринимается рецепторами PYR/PYL, ингибируя протеинфосфатазы и вызывая закрытие устьиц и экспрессию стрессовых генов. Клетки накапливают совместимые осмолиты, такие как пролин и глицинбетаин, для снижения водного потенциала без нарушения метаболизма, и производят защитные белки, такие как LEA-белки и шапероны. Поскольку многие стрессы повышают уровень активных форм кислорода, ферментативные и неферментативные антиоксидантные системы их нейтрализуют; холод и жара дополнительно вызывают мембрано- и белково-защитные реакции, такие как белки теплового шока.

Clinical relevance

Абиотический стресс является основной причиной потери урожая во всем мире, поэтому понимание физиологии стресса способствует селекции и инженерии засухоустойчивых, солеустойчивых и термоустойчивых культур, что критически важно для продовольственной безопасности в условиях изменяющегося климата.

History

Когда-то в значительной степени описательная, физиология стресса растений стала механистической благодаря идентификации компонентов сигнализации абсцизовой кислоты, стресс-чувствительных транскрипционных факторов и ионных транспортеров, во многом благодаря молекулярной генетике на модельных растениях.

Key figures

• Hans Kende
• Jian-Kang Zhu

Seminal works

• taiz2015
• buchanan2015

Frequently asked questions

Что такое абиотический стресс?

Абиотический стресс — это вред, причиняемый растениям неживыми факторами окружающей среды, такими как засуха, засоление, экстремальные температуры и наводнения, в отличие от биотического стресса, вызываемого патогенами и травоядными.

Как абсцизовая кислота помогает растениям пережить засуху?

При недостатке воды абсцизовая кислота накапливается и сигнализирует замыкающим клеткам о закрытии устьиц, уменьшая потерю воды, а также включает гены, защищающие клетки от обезвоживания.