Наука о стрессе растений: Понимание и смягчение последствий для мирового сельского хозяйства

Растения, как и все живые организмы, постоянно подвергаются воздействию различных стрессовых факторов окружающей среды. Эти стрессоры могут значительно влиять на их рост, развитие и, в конечном итоге, на урожайность. Понимание науки, стоящей за стрессом растений, имеет решающее значение для обеспечения глобальной продовольственной безопасности и разработки устойчивых методов ведения сельского хозяйства в условиях изменения климата и других экологических вызовов. Это всеобъемлющее руководство подробно рассматривает причины, последствия и стратегии смягчения, связанные со стрессом растений, предлагая идеи, применимые в различных сельскохозяйственных условиях по всему миру.

Что такое стресс растений?

Стресс растений — это любое условие окружающей среды, которое негативно влияет на физиологические процессы растения, подавляя его способность к оптимальному росту, развитию и размножению. Эти стрессоры можно в целом разделить на два основных типа: абиотические и биотические.

Абиотический стресс

Абиотические стрессы — это неживые факторы окружающей среды, которые негативно влияют на рост растений. Распространенные примеры включают:

• Стресс от засухи: Недостаточная доступность воды, ведущая к обезвоживанию и нарушению физиологических функций. Это серьезная проблема в засушливых и полузасушливых регионах, таких как Сахель в Африке и некоторые части Австралии.
• Тепловой стресс: Чрезмерно высокие температуры, которые нарушают активность ферментов, стабильность белков и клеточные процессы. Повышение глобальных температур усугубляет тепловой стресс во многих сельскохозяйственных регионах, включая Южную Азию.
• Солевой стресс: Высокие концентрации солей в почве, которые могут препятствовать поглощению воды и нарушать баланс питательных веществ. Ирригационные практики в засушливых регионах, таких как Центральная долина Калифорнии, могут способствовать накоплению солей.
• Холодовой стресс: Низкие температуры, которые могут вызывать повреждение от замерзания, нарушать функцию мембран и подавлять рост. Повреждение от заморозков является серьезной проблемой для фруктовых садов в регионах с умеренным климатом, таких как Европа и Северная Америка.
• Дефицит питательных веществ: Недостаточное поступление основных питательных веществ, необходимых для роста и развития растений. Низкое качество почвы и несбалансированное внесение удобрений могут приводить к дефициту питательных веществ в различных регионах, влияя на урожайность. Например, дефицит фосфора распространен во многих тропических почвах.
• УФ-излучение: Чрезмерное воздействие ультрафиолетового излучения, которое может повредить ДНК и другие клеточные компоненты. Истощение озонового слоя увеличивает воздействие УФ-излучения, особенно на больших высотах.
• Тяжелые металлы и загрязнение: Загрязнение почвы и воды тяжелыми металлами и другими загрязнителями, которые могут нарушать физиологические процессы и накапливаться в тканях растений. В промышленных районах некоторых частей мира наблюдаются высокие уровни загрязнения тяжелыми металлами.
• Стресс от переувлажнения/затопления: Избыток воды в почве, который лишает корни кислорода и приводит к анаэробным условиям. Сезоны муссонов в Юго-Восточной Азии часто вызывают стресс от затопления на сельскохозяйственных угодьях.

Биотический стресс

Биотические стрессы вызываются живыми организмами, которые наносят вред растениям. К ним относятся:

• Патогены: Болезнетворные организмы, такие как грибы, бактерии, вирусы и нематоды. Примеры включают грибковые заболевания, такие как ржавчина пшеницы, бактериальные заболевания, такие как рак цитрусовых, и вирусные заболевания, такие как вирус мозаики.
• Вредители: Насекомые, клещи и другие животные, которые питаются растениями и переносят болезни. Примеры включают тлю, гусениц и саранчу, которые могут наносить значительный ущерб посевам по всему миру. Осенняя совка, *Spodoptera frugiperda*, является особенно разрушительным вредителем, который быстро распространился по континентам.
• Сорняки: Нежелательные растения, которые конкурируют с культурными растениями за ресурсы, такие как вода, питательные вещества и солнечный свет. Засорение сорняками может значительно снизить урожайность и увеличить производственные затраты.
• Растения-паразиты: Растения, которые получают питательные вещества от других растений. Примеры включают повилику и стригу, которые могут наносить значительный ущерб посевам в определенных регионах.

Последствия стресса для растений

Стресс растений может иметь широкий спектр негативных последствий для физиологии, роста и урожайности растений. Эти эффекты могут варьироваться в зависимости от типа и серьезности стресса, а также от вида растения и стадии его развития.

Физиологические эффекты

• Снижение фотосинтеза: Стресс может подавлять фотосинтез, повреждая хлорофилл, нарушая транспорт электронов и снижая поглощение углекислого газа.
• Нарушение водного обмена: Стресс от засухи может привести к обезвоживанию, снижению тургорного давления и закрытию устьиц, ограничивая поглощение и транспирацию воды. Солевой стресс также может нарушать поглощение воды за счет снижения водного потенциала почвы.
• Нарушение поглощения и транспорта питательных веществ: Стресс может мешать поглощению, транспорту и утилизации основных питательных веществ. Например, стресс от засухи может снизить доступность питательных веществ в почве, в то время как солевой стресс может подавлять поглощение калия и других необходимых элементов.
• Увеличение производства активных форм кислорода (АФК): Стресс может привести к избыточному производству АФК, которые могут повредить клеточные компоненты, такие как липиды, белки и ДНК.
• Гормональный дисбаланс: Стресс может нарушить баланс растительных гормонов, влияя на различные физиологические процессы, такие как рост, развитие и реакция на стресс.

Влияние на рост и развитие

• Замедление роста: Стресс может подавлять деление и растяжение клеток, что приводит к уменьшению высоты и биомассы растений.
• Уменьшение площади листьев: Стресс может вызывать старение листьев, их опадение и уменьшение расширения, ограничивая фотосинтетическую способность растения.
• Задержка цветения и плодоношения: Стресс может задерживать или предотвращать цветение и плодоношение, снижая репродуктивный успех.
• Снижение роста корней: Стресс может подавлять рост корней, ограничивая способность растения получать доступ к воде и питательным веществам. Например, токсичность алюминия в кислых почвах может серьезно ограничивать развитие корней.

Влияние на урожайность

• Снижение урожайности зерна: Стресс может снизить урожайность зерновых культур за счет уменьшения количества зерен в колосе, веса зерна и продолжительности налива зерна.
• Снижение урожайности фруктов и овощей: Стресс может снизить урожайность фруктов и овощей за счет уменьшения количества плодов или овощей на растении, их размера и качества.
• Снижение урожайности кормовых культур: Стресс может снизить урожайность кормовых культур в пастбищных и луговых экосистемах, ограничивая животноводство.
• Увеличение потерь урожая: Сильный стресс может привести к полной гибели урожая, что влечет за собой значительные экономические потери для фермеров.

Механизмы устойчивости растений к стрессу

Растения выработали различные механизмы для переносимости стресса. Эти механизмы можно в целом разделить на стратегии избегания и устойчивости.

Избегание стресса

Механизмы избегания стресса позволяют растениям минимизировать свое воздействие стресса. Примеры включают:

• Ускользание от засухи: Завершение жизненного цикла до наступления засухи. Некоторые однолетние растения в засушливых регионах демонстрируют эту стратегию.
• Архитектура корневой системы: Развитие глубоких корневых систем для доступа к воде в более глубоких слоях почвы. Например, некоторые пустынные растения имеют исключительно глубокие корни.
• Закрытие устьиц: Закрытие устьиц для уменьшения потери воды через транспирацию.
• Скручивание и складывание листьев: Уменьшение площади поверхности листьев, подверженной воздействию солнечного света, для минимизации потерь воды. Некоторые злаки демонстрируют скручивание листьев во время засухи.
• Сбрасывание листьев: Сбрасывание листьев для уменьшения потерь воды и потребности в питательных веществах во время стресса. Листопадные деревья сбрасывают листья в ответ на холод или засуху.

Устойчивость к стрессу

Механизмы устойчивости к стрессу позволяют растениям выдерживать стресс, даже когда они ему подвергаются. Примеры включают:

• Осмотическая регуляция: Накопление совместимых растворенных веществ, таких как пролин и глицинбетаин, для поддержания тургора клеток и предотвращения обезвоживания.
• Антиоксидантная защитная система: Производство антиоксидантных ферментов и соединений для нейтрализации АФК и защиты клеточных компонентов от окислительного повреждения.
• Белки теплового шока (БТШ): Синтез БТШ для стабилизации белков и предотвращения их денатурации при высоких температурах.
• Синтез защитных соединений: Производство соединений, таких как воски и кутикулы, для уменьшения потерь воды и защиты от УФ-излучения.
• Ионный гомеостаз: Поддержание правильного ионного баланса в клетках для предотвращения токсичности от избытка солей или других ионов.
• Механизмы детоксикации: Нейтрализация или секвестрация токсичных соединений.

Стратегии смягчения последствий стресса для растений

Для смягчения негативных последствий стресса растений и повышения урожайности можно использовать различные стратегии. Эти стратегии можно в целом разделить на генетические подходы, агрономические приемы и биотехнологические вмешательства.

Генетические подходы

• Селекция на стрессоустойчивость: Отбор и выведение растений с повышенной устойчивостью к определенным стрессам. Для разработки стрессоустойчивых сортов можно использовать как традиционные методы селекции, так и современные методы молекулярной селекции. Например, были выведены засухоустойчивые сорта риса для регионов с дефицитом воды.
• Генетическая модификация (ГМ): Внедрение генов, придающих стрессоустойчивость, в растения с помощью генной инженерии. ГМ-культуры с повышенной засухоустойчивостью, устойчивостью к насекомым и гербицидам в настоящее время широко культивируются во многих странах. Однако использование ГМ-культур остается предметом споров и регулирования в некоторых регионах.
• Редактирование генома: Использование технологий редактирования генома, таких как CRISPR-Cas9, для точного изменения генов растений и повышения стрессоустойчивости. Редактирование генома предлагает более точный и эффективный подход к генетическому улучшению по сравнению с традиционными методами ГМ.

Агрономические приемы

• Управление орошением: Внедрение эффективных методов орошения, таких как капельное орошение и микроспринклеры, для оптимизации использования воды и снижения стресса от засухи. Методы сбора и сохранения воды также могут помочь улучшить доступность воды в регионах с ее дефицитом.
• Управление почвой: Улучшение здоровья почвы с помощью таких практик, как покровные культуры, нулевая обработка почвы и внесение органических веществ для улучшения инфильтрации воды, доступности питательных веществ и подавления болезней. Меры по борьбе с эрозией почвы также могут помочь защитить почвенные ресурсы и сократить потери питательных веществ.
• Управление питательными веществами: Оптимизация внесения удобрений для обеспечения достаточного поступления питательных веществ и предотвращения их дефицита или токсичности. Технологии точного внесения удобрений могут помочь сократить затраты на удобрения и минимизировать воздействие на окружающую среду.
• Борьба с сорняками: Контроль сорняков с помощью интегрированных стратегий управления сорняками, включая севооборот, обработку почвы, гербициды и биологический контроль.
• Борьба с вредителями и болезнями: Внедрение стратегий интегрированной защиты растений от вредителей и болезней (IPM) для минимизации потерь урожая от вредителей и болезней. Стратегии IPM включают биологический контроль, культурные практики и разумное использование пестицидов.
• Севооборот: Чередование культур для прерывания циклов развития вредителей и болезней, улучшения здоровья почвы и уменьшения истощения питательных веществ.
• Смешанные посевы: Выращивание двух или более культур вместе на одном поле для улучшения использования ресурсов, подавления сорняков и снижения заболеваемости вредителями и болезнями.
• Мульчирование: Нанесение органических или неорганических материалов на поверхность почвы для сохранения влаги, подавления сорняков и регулирования температуры почвы.
• Лесоразведение и агролесоводство: Посадка деревьев и кустарников на сельскохозяйственных угодьях для улучшения инфильтрации воды, уменьшения эрозии почвы и обеспечения тени для сельскохозяйственных культур и скота.

Биотехнологические вмешательства

• Предпосевная обработка семян: Предварительное замачивание семян в воде или питательных растворах для улучшения прорастания и жизнеспособности сеянцев в стрессовых условиях.
• Использование ризобактерий, стимулирующих рост растений (PGPR): Инокуляция растений полезными бактериями, которые могут улучшить поглощение питательных веществ, повысить стрессоустойчивость и подавить болезни растений.
• Применение биостимуляторов: Применение веществ, которые могут способствовать росту растений и их стрессоустойчивости, таких как гуминовые кислоты, экстракты морских водорослей и аминокислоты.
• Использование микоризных грибов: Инокуляция растений микоризными грибами, которые могут улучшить поглощение питательных веществ, поглощение воды и стрессоустойчивость.

Будущее исследований в области стресса растений

Исследования стресса растений — это быстро развивающаяся область, которая имеет решающее значение для решения проблем глобальной продовольственной безопасности в условиях меняющегося климата. Будущие исследовательские усилия, вероятно, будут сосредоточены на:

• Понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе стрессоустойчивости растений: Это будет включать идентификацию генов, белков и сигнальных путей, которые участвуют в стрессовых реакциях, и использование этих знаний для разработки более эффективных стратегий повышения стрессоустойчивости.
• Разработка стрессоустойчивых культур с повышенной урожайностью и качеством: Это будет включать использование комбинации генетических, агрономических и биотехнологических подходов для разработки культур, которые могут выдерживать стресс и давать высокие урожаи в сложных условиях окружающей среды.
• Разработка устойчивых сельскохозяйственных практик, которые минимизируют стресс и повышают эффективность использования ресурсов: Это будет включать внедрение таких практик, как почвозащитная обработка, севооборот и точное внесение удобрений для улучшения здоровья почвы, сокращения использования воды и минимизации воздействия на окружающую среду.
• Использование дистанционного зондирования и анализа данных для мониторинга стресса растений и оптимизации методов управления: Это будет включать использование технологий, таких как спутниковые снимки, дроны и датчики, для мониторинга здоровья и уровня стресса растений, а также использование анализа данных для оптимизации практик орошения, внесения удобрений и борьбы с вредителями.
• Решение проблем изменения климата: Исследования должны будут сосредоточиться на разработке культур и сельскохозяйственных практик, устойчивых к последствиям изменения климата, таким как повышение температур, засуха и экстремальные погодные явления.

Заключение

Стресс растений является серьезной проблемой для глобальной продовольственной безопасности. Понимание науки, стоящей за стрессом растений, включая его причины, последствия и стратегии смягчения, имеет важное значение для разработки устойчивых сельскохозяйственных практик, которые могут обеспечить производство продуктов питания в меняющемся мире. Интегрируя генетические подходы, агрономические приемы и биотехнологические вмешательства, мы можем повысить устойчивость сельскохозяйственных культур к стрессу и укрепить продовольственную безопасность для будущих поколений. Кроме того, международное сотрудничество и обмен знаниями жизненно важны для решения проблем стресса растений в различных сельскохозяйственных условиях по всему миру. Поскольку изменение климата продолжает изменять глобальные погодные условия и увеличивать частоту экстремальных погодных явлений, исследования стресса растений и его смягчения станут еще более важными для обеспечения стабильного и устойчивого снабжения продовольствием.

Решение проблемы стресса растений требует междисциплинарного подхода, объединяющего знания в области физиологии растений, генетики, агрономии, почвоведения и биотехнологии. Способствуя сотрудничеству между исследователями, политиками и фермерами, мы можем разрабатывать и внедрять эффективные стратегии для смягчения стресса растений и обеспечения глобальной продовольственной безопасности перед лицом растущих экологических проблем.