Наука про стрес рослин: розуміння та пом'якшення для глобального сільського господарства

Рослини, як і всі живі організми, постійно піддаються впливу різноманітних стресових факторів навколишнього середовища. Ці стресори можуть значно впливати на їхній ріст, розвиток і, зрештою, на врожайність. Розуміння науки, що лежить в основі стресу рослин, є вирішальним для забезпечення глобальної продовольчої безпеки та розробки сталих сільськогосподарських практик в умовах зміни клімату та інших екологічних викликів. Цей вичерпний посібник розглядає причини, наслідки та стратегії пом'якшення, пов'язані зі стресом рослин, пропонуючи ідеї, що застосовуються в різноманітних аграрних умовах по всьому світу.

Що таке стрес рослин?

Стрес рослин — це будь-яка умова навколишнього середовища, що негативно впливає на фізіологічні процеси рослини, пригнічуючи її здатність до оптимального росту, розвитку та розмноження. Ці стресори можна умовно поділити на два основні типи: абіотичні та біотичні.

Абіотичний стрес

Абіотичні стреси — це неживі фактори навколишнього середовища, які негативно впливають на ріст рослин. Поширені приклади:

• Посушливий стрес: Недостатня доступність води, що призводить до зневоднення та порушення фізіологічних функцій. Це є серйозною проблемою в посушливих і напівпосушливих регіонах, таких як Сахель в Африці та деякі частини Австралії.
• Тепловий стрес: Надмірно високі температури, які порушують активність ферментів, стабільність білків та клітинні процеси. Підвищення глобальної температури посилює тепловий стрес у багатьох аграрних регіонах, включаючи Південну Азію.
• Сольовий стрес: Високі концентрації солі в ґрунті, що можуть пригнічувати поглинання води та порушувати баланс поживних речовин. Практики зрошення в посушливих регіонах, як-от Центральна долина Каліфорнії, можуть сприяти накопиченню солей.
• Холодовий стрес: Низькі температури, які можуть спричинити пошкодження морозом, порушити функцію мембран та пригнічувати ріст. Пошкодження від заморозків є значною проблемою для фруктових садів у регіонах з помірним кліматом, таких як Європа та Північна Америка.
• Дефіцит поживних речовин: Недостатнє постачання основних поживних речовин, необхідних для росту та розвитку рослин. Низька якість ґрунту та незбалансоване внесення добрив можуть призвести до дефіциту поживних речовин у різних регіонах, що впливає на врожайність. Наприклад, дефіцит фосфору поширений у багатьох тропічних ґрунтах.
• УФ-випромінювання: Надмірний вплив ультрафіолетового випромінювання, яке може пошкодити ДНК та інші клітинні компоненти. Виснаження озонового шару збільшує вплив УФ-випромінювання, особливо на великих висотах.
• Важкі метали та забруднення: Забруднення ґрунту та води важкими металами та іншими забруднювачами, що може порушувати фізіологічні процеси та накопичуватися в тканинах рослин. Промислові райони в деяких частинах світу зазнають високого рівня забруднення важкими металами.
• Стрес від перезволоження/затоплення: Надлишок води в ґрунті, що позбавляє коріння кисню та призводить до анаеробних умов. Сезони мусонів у Південно-Східній Азії часто спричиняють стрес від затоплення на сільськогосподарських угіддях.

Біотичний стрес

Біотичні стреси спричинені живими організмами, які шкодять рослинам. До них належать:

• Патогени: Хвороботворні організми, такі як гриби, бактерії, віруси та нематоди. Прикладами є грибкові захворювання, як-от іржа пшениці, бактеріальні захворювання, як-от бактеріальний рак цитрусових, та вірусні захворювання, як-от вірус мозаїки.
• Шкідники: Комахи, кліщі та інші тварини, які живляться рослинами та переносять хвороби. Прикладами є попелиці, гусениці та сарана, які можуть завдати значної шкоди посівам у всьому світі. Осіння совка, *Spodoptera frugiperda*, є особливо руйнівним шкідником, який швидко поширився по континентах.
• Бур'яни: Небажані рослини, які конкурують з культурними рослинами за ресурси, такі як вода, поживні речовини та сонячне світло. Забур'яненість може значно знизити врожайність та збільшити виробничі витрати.
• Рослини-паразити: Рослини, які отримують поживні речовини від інших рослин. Прикладами є повитиця та вовчок, які можуть завдати значної шкоди посівам у певних регіонах.

Наслідки стресу для рослин

Стрес для рослин може мати широкий спектр негативних наслідків для фізіології, росту та врожайності. Ці наслідки можуть відрізнятися залежно від типу та інтенсивності стресу, а також виду рослини та її стадії розвитку.

Фізіологічні наслідки

• Зниження фотосинтезу: Стрес може пригнічувати фотосинтез, пошкоджуючи хлорофіл, порушуючи транспорт електронів та знижуючи поглинання вуглекислого газу.
• Порушення водного балансу: Посушливий стрес може призвести до зневоднення, зниження тургорного тиску та закриття продихів, обмежуючи поглинання та транспірацію води. Сольовий стрес також може погіршити поглинання води, знижуючи водний потенціал ґрунту.
• Порушення поглинання та транспорту поживних речовин: Стрес може втручатися в поглинання, транспортування та використання основних поживних речовин. Наприклад, посушливий стрес може зменшити доступність поживних речовин у ґрунті, тоді як сольовий стрес може пригнічувати поглинання калію та інших важливих елементів.
• Збільшення виробництва активних форм кисню (АФК): Стрес може призвести до надлишкового виробництва АФК, які можуть пошкоджувати клітинні компоненти, такі як ліпіди, білки та ДНК.
• Гормональні дисбаланси: Стрес може порушувати баланс рослинних гормонів, впливаючи на різні фізіологічні процеси, такі як ріст, розвиток та реакції на стрес.

Наслідки для росту та розвитку

• Пригнічення росту: Стрес може гальмувати поділ і розширення клітин, що призводить до зменшення висоти та біомаси рослин.
• Зменшення площі листя: Стрес може викликати старіння листя, його опадання та зменшення розширення, обмежуючи фотосинтетичну здатність рослини.
• Затримка цвітіння та плодоношення: Стрес може затримувати або запобігати цвітінню та плодоношенню, знижуючи репродуктивний успіх.
• Зменшення росту коренів: Стрес може пригнічувати ріст коренів, обмежуючи здатність рослини отримувати воду та поживні речовини. Наприклад, токсичність алюмінію в кислих ґрунтах може суттєво обмежувати розвиток коренів.

Наслідки для врожайності

• Зниження врожайності зерна: Стрес може знизити врожайність зерна у зернових культур, зменшуючи кількість зерен у колосі, вагу зерна та тривалість його наливу.
• Зниження врожайності фруктів та овочів: Стрес може знизити врожайність фруктів та овочів, зменшуючи кількість плодів або овочів на рослині, їхній розмір та якість.
• Зниження врожайності кормів: Стрес може знизити врожайність кормів на пасовищах та сіножатях, обмежуючи тваринництво.
• Збільшення втрат врожаю: Сильний стрес може призвести до повної втрати врожаю, що призводить до значних економічних збитків для фермерів.

Механізми стресостійкості рослин

Рослини еволюціонували, розвинувши різні механізми для толерантності до стресу. Ці механізми можна умовно поділити на стратегії уникнення та толерантності.

Уникнення стресу

Механізми уникнення стресу дозволяють рослинам мінімізувати вплив стресу. Приклади:

• Уникнення посухи: Завершення життєвого циклу до початку посухи. Деякі однорічні рослини в посушливих регіонах демонструють цю стратегію.
• Архітектура кореневої системи: Розвиток глибоких кореневих систем для доступу до води в глибших шарах ґрунту. Наприклад, деякі пустельні рослини мають надзвичайно глибоке коріння.
• Закриття продихів: Закриття продихів для зменшення втрати води через транспірацію.
• Скручування та складання листя: Зменшення площі поверхні листя, що піддається сонячному світлу, для мінімізації втрати води. Деякі злакові демонструють скручування листя під час посухи.
• Скидання листя: Скидання листя для зменшення втрати води та потреби в поживних речовинах під час стресу. Листопадні дерева скидають листя у відповідь на холод або посуху.

Толерантність до стресу

Механізми толерантності до стресу дозволяють рослинам витримувати стрес, навіть коли вони йому піддаються. Приклади:

• Осмотична адаптація: Накопичення сумісних розчинених речовин, таких як пролін та гліцин бетаїн, для підтримки тургору клітин та запобігання зневодненню.
• Антиоксидантна захисна система: Вироблення антиоксидантних ферментів та сполук для знешкодження АФК та захисту клітинних компонентів від окислювального пошкодження.
• Білки теплового шоку (БТШ): Синтез БТШ для стабілізації білків та запобігання їх денатурації при високих температурах.
• Синтез захисних сполук: Виробництво сполук, таких як воски та кутикули, для зменшення втрати води та захисту від УФ-випромінювання.
• Іонний гомеостаз: Підтримка належного іонного балансу в клітинах для запобігання токсичності від надмірної кількості солі або інших іонів.
• Механізми детоксикації: Нейтралізація або секвестрація токсичних сполук.

Стратегії пом'якшення стресу рослин

Для пом'якшення негативного впливу стресу на рослини та покращення врожайності можна використовувати різні стратегії. Ці стратегії можна умовно поділити на генетичні підходи, агрономічні практики та біотехнологічні втручання.

Генетичні підходи

• Селекція на стресостійкість: Відбір та селекція рослин з підвищеною стійкістю до конкретних стресів. Для розробки стресостійких сортів можна використовувати як традиційні методи селекції, так і сучасні методи молекулярної селекції. Наприклад, для посушливих регіонів були розроблені посухостійкі сорти рису.
• Генетична модифікація (ГМ): Введення генів, що надають стресостійкість, в рослини за допомогою генної інженерії. ГМ-культури з підвищеною посухостійкістю, стійкістю до комах та гербіцидів зараз широко культивуються в багатьох країнах. Проте використання ГМ-культур залишається предметом дискусій та регулювання в деяких регіонах.
• Редагування геному: Використання технологій редагування геному, таких як CRISPR-Cas9, для точної модифікації генів рослин та підвищення стресостійкості. Редагування геному пропонує більш точний та ефективний підхід до генетичного поліпшення порівняно з традиційними ГМ-технологіями.

Агрономічні практики

• Управління зрошенням: Впровадження ефективних методів зрошення, таких як краплинне зрошення та мікрозрошувачі, для оптимізації використання води та зменшення посушливого стресу. Практики збору та збереження води також можуть допомогти покращити доступність води в посушливих регіонах.
• Управління ґрунтом: Покращення здоров'я ґрунту за допомогою таких практик, як покривні культури, нульовий обробіток ґрунту та внесення органічних речовин, для покращення інфільтрації води, доступності поживних речовин та пригнічення хвороб. Заходи з контролю ерозії ґрунту також можуть допомогти захистити ґрунтові ресурси та зменшити втрати поживних речовин.
• Управління поживними речовинами: Оптимізація внесення добрив для забезпечення належного живлення та запобігання дефіциту або токсичності поживних речовин. Технології точного землеробства можуть допомогти зменшити внесення добрив та мінімізувати вплив на навколишнє середовище.
• Управління бур'янами: Контроль бур'янів за допомогою інтегрованих стратегій управління бур'янами, включаючи сівозміну, обробіток ґрунту, гербіциди та біологічний контроль.
• Управління шкідниками та хворобами: Впровадження інтегрованих систем захисту рослин (ІСЗР) для мінімізації втрат врожаю від шкідників та хвороб. Стратегії ІСЗР включають біологічний контроль, агротехнічні заходи та раціональне використання пестицидів.
• Сівозміна: Ротація культур для розриву циклів розвитку шкідників та хвороб, покращення здоров'я ґрунту та зменшення виснаження поживних речовин.
• Сумісні посіви: Вирощування двох або більше культур разом на одному полі для покращення використання ресурсів, пригнічення бур'янів та зменшення поширення шкідників та хвороб.
• Мульчування: Нанесення органічних або неорганічних матеріалів на поверхню ґрунту для збереження вологи, пригнічення бур'янів та регулювання температури ґрунту.
• Лісорозведення та агролісомеліорація: Висаджування дерев та чагарників на сільськогосподарських угіддях для покращення інфільтрації води, зменшення ерозії ґрунту та забезпечення тіні для посівів та худоби.

Біотехнологічні втручання

• Передпосівна обробка насіння: Попереднє замочування насіння у воді або розчинах поживних речовин для покращення проростання та життєздатності сіянців в умовах стресу.
• Використання ризобактерій, що стимулюють ріст рослин (PGPR): Інокуляція рослин корисними бактеріями, які можуть покращити поглинання поживних речовин, підвищити стресостійкість та пригнічувати хвороби рослин.
• Застосування біостимуляторів: Застосування речовин, що можуть посилювати ріст рослин та стресостійкість, таких як гумінові кислоти, екстракти морських водоростей та амінокислоти.
• Використання мікоризних грибів: Інокуляція рослин мікоризними грибами, які можуть покращити поглинання поживних речовин, води та стресостійкість.

Майбутнє досліджень стресу рослин

Дослідження стресу рослин — це галузь, що швидко розвивається і є вирішальною для вирішення проблем глобальної продовольчої безпеки в умовах зміни клімату. Майбутні дослідницькі зусилля, ймовірно, будуть зосереджені на:

• Розумінні молекулярних механізмів, що лежать в основі стресостійкості рослин: Це включатиме ідентифікацію генів, білків та сигнальних шляхів, що беруть участь у реакціях на стрес, та використання цих знань для розробки більш ефективних стратегій підвищення стресостійкості.
• Розробці стресостійких культур з підвищеною врожайністю та якістю: Це включатиме використання комбінації генетичних, агрономічних та біотехнологічних підходів для розробки культур, які можуть витримувати стрес та давати високі врожаї в складних умовах навколишнього середовища.
• Розробці сталих сільськогосподарських практик, які мінімізують стрес та покращують ефективність використання ресурсів: Це включатиме впровадження таких практик, як консерваційний обробіток ґрунту, сівозміна та точне внесення добрив для покращення здоров'я ґрунту, зменшення використання води та мінімізації впливу на навколишнє середовище.
• Використанні дистанційного зондування та аналітики даних для моніторингу стресу рослин та оптимізації практик управління: Це включатиме використання таких технологій, як супутникові знімки, дрони та сенсори, для моніторингу здоров'я та рівня стресу рослин та використання аналітики даних для оптимізації зрошення, внесення добрив та боротьби зі шкідниками.
• Вирішенні проблем зміни клімату: Дослідження повинні будуть зосередитися на розробці культур та сільськогосподарських практик, стійких до наслідків зміни клімату, таких як підвищення температури, посуха та екстремальні погодні явища.

Висновок

Стрес рослин є значним викликом для глобальної продовольчої безпеки. Розуміння науки, що лежить в основі стресу рослин, включаючи його причини, наслідки та стратегії пом'якшення, є важливим для розробки сталих сільськогосподарських практик, які можуть забезпечити виробництво продуктів харчування у світі, що змінюється. Інтегруючи генетичні підходи, агрономічні практики та біотехнологічні втручання, ми можемо підвищити стійкість культур до стресу та забезпечити продовольчу безпеку для майбутніх поколінь. Крім того, міжнародна співпраця та обмін знаннями є життєво важливими для вирішення проблем стресу рослин у різноманітних аграрних умовах по всьому світу. Оскільки зміна клімату продовжує змінювати глобальні погодні умови та збільшувати частоту екстремальних погодних явищ, дослідження стресу рослин та його пом'якшення ставатимуть ще більш критичними для забезпечення стабільного та сталого постачання продовольства.

Вирішення проблеми стресу рослин вимагає мультидисциплінарного підходу, що об'єднує знання з фізіології рослин, генетики, агрономії, ґрунтознавства та біотехнології. Сприяючи співпраці між дослідниками, політиками та фермерами, ми можемо розробляти та впроваджувати ефективні стратегії для пом'якшення стресу рослин та забезпечення глобальної продовольчої безпеки в умовах зростаючих екологічних викликів.