Abiotischer Stress - Abiotic stress

Abiotischer Stress ist der negative Einfluss nicht lebender Faktoren auf lebende Organismen in einer bestimmten Umgebung. Die nicht lebende Variable muss die Umwelt über ihren normalen Schwankungsbereich hinaus beeinflussen, um die Populationsleistung oder die individuelle Physiologie des Organismus erheblich zu beeinträchtigen.

Während ein biotischer Stress Lebensstörungen wie Pilze oder schädliche Insekten einschließen würde, sind abiotische Stressfaktoren oder Stressoren natürlich vorkommende, oft immaterielle und unbelebte Faktoren wie intensive Sonneneinstrahlung, Temperatur oder Wind, die den Pflanzen und Tieren in der Umgebung Schaden zufügen können Bereich betroffen. Abiotischer Stress ist grundsätzlich unvermeidbar. Abiotischer Stress wirkt sich auf Tiere aus, Pflanzen sind jedoch besonders abhängig, wenn nicht ausschließlich von Umweltfaktoren abhängig, sodass er besonders einschränkend ist. Abiotischer Stress ist weltweit der schädlichste Faktor für das Wachstum und die Produktivität von Nutzpflanzen . Die Forschung hat auch gezeigt, dass abiotische Stressoren am schädlichsten sind, wenn sie zusammen in Kombination von abiotischen Stressfaktoren auftreten.

Beispiele

Abiotischer Stress kommt in vielen Formen vor. Die häufigsten Stressoren sind für den Menschen am einfachsten zu identifizieren, aber es gibt viele andere, weniger erkennbare abiotische Stressfaktoren, die die Umgebung ständig beeinflussen.

Zu den grundlegendsten Stressoren gehören:

Weniger bekannte Stressoren treten in der Regel in kleinerem Umfang auf. Dazu gehören: schlechte edaphische Bedingungen wie Gesteinsgehalt und pH-Werte , hohe Strahlung , Verdichtung, Kontamination und andere hochspezifische Bedingungen wie schnelle Rehydratisierung während der Samenkeimung .

Auswirkungen

Abiotischer Stress als natürlicher Bestandteil jedes Ökosystems wirkt sich auf Organismen auf vielfältige Weise aus. Obwohl diese Auswirkungen entweder vorteilhaft oder nachteilig sein können, ist die Lage des Gebiets entscheidend für die Bestimmung des Ausmaßes der Auswirkungen, die abiotischer Stress haben wird. Je höher der Breitengrad des betroffenen Gebiets ist, desto größer sind die Auswirkungen von abiotischem Stress auf dieses Gebiet. Eine Taiga oder ein borealer Wald ist also allen abiotischen Stressfaktoren ausgeliefert, während tropische Zonen viel weniger anfällig für solche Stressoren sind.

Leistungen

Ein Beispiel für eine Situation, in der abiotischer Stress eine konstruktive Rolle in einem Ökosystem spielt, sind natürliche Waldbrände. Obwohl sie ein Sicherheitsrisiko für den Menschen darstellen können, ist es produktiv, dass diese Ökosysteme von Zeit zu Zeit ausbrennen, damit neue Organismen wachsen und gedeihen können. Auch wenn es für ein Ökosystem gesund ist, kann ein Lauffeuer dennoch als abiotischer Stressfaktor angesehen werden, da es die einzelnen Organismen in dem Gebiet offensichtlich belastet. Jeder verbrannte Baum und jedes verschlungene Vogelnest ist ein Zeichen des abiotischen Stresses. Im größeren Maßstab sind natürliche Waldbrände jedoch positive Manifestationen von abiotischem Stress.

Bei der Suche nach den Vorteilen von abiotischem Stress muss auch berücksichtigt werden, dass ein Phänomen möglicherweise nicht ein ganzes Ökosystem in gleicher Weise beeinflusst. Während eine Flut die meisten Pflanzen, die in einem bestimmten Gebiet tief im Boden leben, töten wird, wenn es dort Reis gibt, wird es unter den nassen Bedingungen gedeihen. Ein weiteres Beispiel hierfür ist das Phytoplankton und das Zooplankton . Dieselben Arten von Bedingungen werden normalerweise für diese beiden Arten von Organismen als stressig angesehen. Sie verhalten sich sehr ähnlich, wenn sie ultraviolettem Licht und den meisten Toxinen ausgesetzt sind, aber bei erhöhten Temperaturen reagiert das Phytoplankton negativ, während das thermophile Zooplankton positiv auf die Temperaturerhöhung reagiert. Die beiden leben möglicherweise in derselben Umgebung, aber ein Temperaturanstieg in der Umgebung würde sich nur für einen der Organismen als Stress erweisen.

Schließlich hat abiotischer Stress es Arten ermöglicht, zu wachsen, sich zu entwickeln und sich zu entwickeln, was die natürliche Selektion fördert, da sie die schwächsten einer Gruppe von Organismen auswählt. Sowohl Pflanzen als auch Tiere haben Mechanismen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, Extreme zu überleben.

Nachteile

Der offensichtlichste Nachteil in Bezug auf abiotischen Stress betrifft die Landwirtschaft. In einer Studie wurde behauptet, dass abiotischer Stress die meisten Ernteverluste aller anderen Faktoren verursacht und dass der Ertrag der meisten Hauptkulturen um mehr als 50 % des potenziellen Ertrags reduziert wird.

Da abiotischer Stress weithin als schädlicher Effekt angesehen wird, ist die Forschung zu diesem Themenbereich umfangreich. Weitere Informationen zu den schädlichen Auswirkungen von abiotischem Stress finden Sie in den folgenden Abschnitten zu Pflanzen und Tieren.

In Pflanzen

Die erste Verteidigungslinie einer Pflanze gegen abiotischen Stress liegt in ihren Wurzeln. Wenn der Boden, auf dem die Pflanze steht, gesund und biologisch vielfältig ist, hat die Pflanze eine höhere Chance, Stressbedingungen zu überleben.

Die Pflanzenreaktionen auf Stress hängen von dem Gewebe oder Organ ab, das von dem Stress betroffen ist. Transkriptionsreaktionen auf Stress sind zum Beispiel gewebe- oder zellspezifisch in Wurzeln und sind je nach Stress sehr unterschiedlich.

Eine der primären Reaktionen auf abiotischen Stress wie einen hohen Salzgehalt ist die Störung des Na+/K+-Verhältnisses im Zytoplasma der Pflanzenzelle. Hohe Konzentrationen von Na+ können beispielsweise die Wasseraufnahmekapazität der Pflanze verringern und auch Enzym- und Transporterfunktionen verändern. Entwickelte Anpassungen zur effizienten Wiederherstellung der zellulären Ionenhomöostase haben zu einer Vielzahl von stresstoleranten Pflanzen geführt.

Facilitation oder die positive Interaktion zwischen verschiedenen Pflanzenarten ist ein kompliziertes Assoziationsnetz in einer natürlichen Umgebung. So arbeiten Pflanzen zusammen. In stark beanspruchten Bereichen ist auch der Grad der Moderation besonders hoch. Dies könnte möglicherweise daran liegen, dass die Pflanzen ein stärkeres Netzwerk benötigen, um in einer raueren Umgebung zu überleben, sodass ihre Interaktionen zwischen Arten, wie z.

Pflanzen passen sich auch sehr unterschiedlich aneinander an, sogar von einer Pflanze, die im selben Gebiet lebt. Wenn eine Gruppe verschiedener Pflanzenarten durch eine Vielzahl unterschiedlicher Stresssignale wie Dürre oder Kälte ausgelöst wurde, reagierte jede Pflanze einzigartig. Kaum eine der Reaktionen war ähnlich, obwohl sich die Pflanzen an genau die gleiche Wohnumgebung gewöhnt hatten.

Sonnenblumen sind Hyperakkumulatoren, die große Mengen an Metall aufnehmen können.

Serpentinenböden (Medien mit geringen Nährstoffkonzentrationen und hohen Schwermetallkonzentrationen) können eine Quelle für abiotischen Stress sein. Zunächst wird die Aufnahme toxischer Metallionen durch Zellmembranausschluss limitiert. Ionen, die in Gewebe absorbiert werden, werden in Zellvakuolen sequestriert. Dieser Sequestrierungsmechanismus wird durch Proteine ​​auf der Vakuolenmembran erleichtert. Ein Beispiel für Pflanzen, die sich an Serpentinenboden anpassen, sind Metallophyten oder Hyperakkumulatoren, da sie für ihre Fähigkeit bekannt sind, Schwermetalle durch die Translokation von Wurzel zu Spross zu absorbieren (die sie in die Triebe und nicht in die Pflanze selbst aufnehmen). Sie werden auch wegen ihrer Fähigkeit, giftige Substanzen aus Schwermetallen zu absorbieren, ausgelöscht.

Chemisches Priming wurde vorgeschlagen, um die Toleranz gegenüber abiotischem Stress in Kulturpflanzen zu erhöhen. Bei dieser der Impfung analogen Methode werden der Pflanze in kurzen Dosen stressinduzierende chemische Wirkstoffe zugeführt, damit die Pflanze beginnt, Abwehrmechanismen vorzubereiten. So hat die Pflanze beim Auftreten des abiotischen Stresses bereits Abwehrmechanismen vorbereitet, die schneller aktiviert werden können und die Toleranz erhöhen. Es hat sich auch gezeigt, dass eine vorherige Exposition gegenüber tolerierbaren Dosen von biotischem Stress, wie z

Auswirkungen auf die Lebensmittelproduktion

Abiotischer Stress betraf vor allem Pflanzen, die in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Vor allem wegen ihrer ständigen Notwendigkeit, die Mechanismen durch die Auswirkungen des Klimawandels wie Kälte, Dürre, Salzgehalt, Hitze, Toxine usw.

  • Reis ( Oryza sativa ) ist ein klassisches Beispiel. Reis ist weltweit ein Grundnahrungsmittel, insbesondere in China und Indien. Reispflanzen erfahren verschiedene Arten von abiotischem Stress, wie Trockenheit und hoher Salzgehalt. Diese Stressbedingungen wirken sich negativ auf die Reisproduktion aus. Die genetische Vielfalt wurde zwischen mehreren Reissorten mit unterschiedlichen Genotypen unter Verwendung molekularer Marker untersucht.
  • Kichererbse erlebt eine Dürre, die ihre Produktion beeinträchtigt, da sie als eines der wichtigsten Lebensmittel auf der ganzen Welt angesehen wurde.
  • Weizen ist eine der Hauptkulturen, die am meisten von Dürre betroffen ist, da Wassermangel die Pflanzenentwicklung beeinträchtigen und die Blätter dabei verwelken lassen würde.
  • Mais hat eine Reihe von Faktoren, die die Ernte selbst beeinflussen. Die wichtigsten Beispiele sind hohe Temperaturen und Trockenheit, die für die Veränderungen in der Pflanzenentwicklung bzw. für den Verlust der Maiskulturen verantwortlich waren.
  • Soja beeinträchtigt nicht nur die Pflanze selbst durch Dürre, sondern auch die landwirtschaftliche Produktion, da die Welt auf Sojabohnen als Proteinquelle angewiesen ist.

Salzstress bei Pflanzen

Die Versalzung des Bodens, die Anreicherung wasserlöslicher Salze bis zu einem Ausmaß, das sich negativ auf die Pflanzenproduktion auswirkt, ist ein globales Phänomen, das etwa 831 Millionen Hektar Land betrifft. Genauer gesagt bedroht das Phänomen 19,5 % der bewässerten Agrarflächen der Welt und 2,1 % der nicht bewässerten (trockenen) Agrarflächen der Welt. Ein hoher Salzgehalt im Boden kann für Pflanzen schädlich sein, da wasserlösliche Salze osmotische Potentialgradienten verändern und folglich viele Zellfunktionen hemmen können. Zum Beispiel kann ein hoher Salzgehalt des Bodens den Prozess der Photosynthese hemmen, indem er die Wasseraufnahme einer Pflanze begrenzt; hohe Konzentrationen an wasserlöslichen Salzen im Boden können das osmotische Potenzial des Bodens und folglich die Differenz des Wasserpotenzials zwischen dem Boden und den Pflanzenwurzeln verringern, wodurch der Elektronenfluss von H 2 O zu P680 im Reaktionszentrum des Photosystems II begrenzt wird.

Über Generationen hinweg sind viele Pflanzen mutiert und haben unterschiedliche Mechanismen aufgebaut, um den Auswirkungen des Salzgehalts entgegenzuwirken. Ein guter Bekämpfer des Salzgehalts in Pflanzen ist das Hormon Ethylen . Ethylen ist dafür bekannt, das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen zu regulieren und mit Stress umzugehen. Viele zentrale Membranproteine ​​in Pflanzen, wie ETO2, ERS1 und EIN2, werden in vielen Pflanzenwachstumsprozessen für die Ethylen-Signalübertragung verwendet. Mutationen in diesen Proteinen können zu einer erhöhten Salzempfindlichkeit führen und das Pflanzenwachstum einschränken. Die Auswirkungen des Salzgehalts wurden an Arabidopsis- Pflanzen untersucht, die mutierte ERS1-, ERS2-, ETR1-, ETR2- und EIN4-Proteine ​​aufweisen. Diese Proteine ​​werden für die Ethylensignalisierung gegen bestimmte Stressbedingungen verwendet, wie z. B. Salz, und die Ethylenvorstufe ACC wird verwendet, um jegliche Empfindlichkeit gegenüber Salzstress zu unterdrücken.

Phosphatmangel bei Pflanzen

Phosphor (P) ist ein essentieller Makronährstoff, der für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen benötigt wird, aber der größte Teil des Bodens der Welt ist in diesem wichtigen Pflanzennährstoff begrenzt. Pflanzen können P hauptsächlich in Form von löslichem anorganischem Phosphat (Pi) verwerten, sind jedoch einem abiotischen Stress der P-Limitierung ausgesetzt, wenn nicht genügend lösliches PO 4 im Boden verfügbar ist. Phosphor bildet in alkalischen Böden mit Ca und Mg unlösliche Komplexe und in sauren Böden mit Al und Fe, wodurch es für Pflanzenwurzeln nicht verfügbar ist. Wenn im Boden nur begrenzt bioverfügbares P vorhanden ist, zeigen Pflanzen einen extensiven abiotischen Stressphänotyp, wie kurze Primärwurzeln und mehr Seitenwurzeln und Wurzelhaare, um mehr Oberfläche für die P i -Absorption, Exsudation von organischen Säuren und Phosphatase zur Freisetzung von P i aus dem Komplex zur Verfügung zu stellen P enthaltende Moleküle und stellen es für wachsende Pflanzenorgane zur Verfügung. Es wurde gezeigt, dass PHR1, ein MYB-verwandter Transkriptionsfaktor, ein Hauptregulator der P-Hunger-Antwort in Pflanzen ist. Es wurde auch gezeigt, dass PHR1 während des Phosphorlimitierungsstresses einen umfangreichen Umbau von Lipiden und Metaboliten reguliert

Trockenstress

Trockenstress, definiert als natürlich auftretender Wassermangel, ist eine der Hauptursachen für Ernteverluste in der Landwirtschaft. Dies liegt an der Notwendigkeit von Wasser in so vielen grundlegenden Prozessen des Pflanzenwachstums. In den letzten Jahren ist es besonders wichtig geworden, einen Weg zu finden, um Trockenstress zu bekämpfen. Ein Rückgang der Niederschläge und eine anschließende Zunahme der Dürre sind aufgrund einer Zunahme der globalen Erwärmung in der Zukunft äußerst wahrscheinlich. Pflanzen haben viele Mechanismen und Anpassungen entwickelt, um mit Trockenstress umzugehen. Eine der führenden Methoden, um Trockenstress zu bekämpfen, besteht darin, ihre Spaltöffnungen zu schließen. Ein wichtiges Hormon, das das Öffnen und Schließen der Stomata reguliert, ist Abscisinsäure (ABA). Die Synthese von ABA bewirkt, dass ABA an Rezeptoren bindet. Diese Bindung beeinflusst dann die Öffnung von Ionenkanälen, wodurch der Turgordruck in den Stomata verringert und diese geschlossen werden. Jüngste Studien von Gonzalez-Villagra et al. zeigten, wie der ABA-Spiegel in dürregestressten Pflanzen anstieg (2018). Sie zeigten, dass Pflanzen, die in eine Stresssituation gebracht wurden, mehr ABA produzierten, um zu versuchen, das Wasser in ihren Blättern zu sparen. Ein weiterer äußerst wichtiger Faktor im Umgang mit Trockenstress und zur Regulierung der Aufnahme und des Exports von Wasser sind Aquaporine (AQPs). AQPs sind integrale Membranproteine, die Kanäle bilden. Die Hauptaufgabe dieser Kanäle ist der Transport von Wasser und anderen notwendigen gelösten Stoffen. AQPs werden sowohl transkriptionell als auch posttranskriptionell durch viele verschiedene Faktoren wie ABA, GA3, pH und Ca2+ reguliert und der spezifische Gehalt an AQPs in bestimmten Teilen der Pflanze, wie Wurzeln oder Blättern, hilft dabei, so viel Wasser in die Pflanze zu ziehen wie möglich. Durch das Verständnis sowohl des Mechanismus von AQPs als auch des Hormons ABA werden Wissenschaftler in Zukunft besser in der Lage sein, dürreresistente Pflanzen zu produzieren.

Eine interessante Sache, die bei Pflanzen gefunden wurde, die ständig Trockenheit ausgesetzt sind, ist ihre Fähigkeit, eine Art "Gedächtnis" zu bilden. In einer Studie von Tombesi et al. fanden sie heraus, dass Pflanzen, die zuvor Dürre ausgesetzt waren, eine Art Strategie entwickeln konnten, um den Wasserverlust zu minimieren und den Wasserverbrauch zu senken. Sie fanden heraus, dass Pflanzen, die Dürrebedingungen ausgesetzt waren, tatsächlich die Art und Weise veränderten, wie sie ihre Spaltöffnungen regulierten und was sie "hydraulische Sicherheitsspanne" nannten, um die Anfälligkeit der Pflanze zu verringern. Durch die Änderung der Regulierung der Spaltöffnungen und anschließend der Transpiration konnten Pflanzen in Situationen besser funktionieren, in denen die Verfügbarkeit von Wasser abnahm.

Bei Tieren

Für Tiere ist Hitze der stressigste aller abiotischen Stressoren . Dies liegt daran, dass viele Arten ihre innere Körpertemperatur nicht regulieren können . Selbst bei den Arten, die ihre Temperatur selbst regulieren können , handelt es sich nicht immer um ein vollständig genaues System. Die Temperatur bestimmt den Stoffwechsel , die Herzfrequenz und andere sehr wichtige Faktoren im Körper von Tieren, so dass eine extreme Temperaturänderung den Körper des Tieres leicht belasten kann. Tiere können auf extreme Hitze beispielsweise durch natürliche Wärmeakklimatisierung oder durch Eingraben in den Boden reagieren, um einen kühleren Platz zu finden.

Es ist auch möglich, bei Tieren zu sehen, dass eine hohe genetische Vielfalt von Vorteil ist, um Widerstandsfähigkeit gegen harte abiotische Stressoren bereitzustellen. Dies fungiert als eine Art Lagerraum, wenn eine Art von den Gefahren der natürlichen Auslese geplagt wird. Eine Vielzahl von kratzenden Insekten gehört zu den spezialisiertesten und vielfältigsten Pflanzenfressern auf dem Planeten, und ihr umfassender Schutz gegen abiotische Stressfaktoren hat dem Insekt geholfen, diese Ehrenposition zu erlangen.

Bei gefährdeten Arten

Biodiversität wird von vielen Faktoren bestimmt, einer davon ist abiotischer Stress. Wenn eine Umgebung sehr stressig ist, ist die Biodiversität tendenziell gering. Wenn abiotischer Stress in einem Gebiet nicht stark präsent ist, ist die Biodiversität viel höher.

Diese Idee führt zu dem Verständnis, wie abiotischer Stress und gefährdete Arten zusammenhängen. In einer Vielzahl von Umgebungen wurde beobachtet, dass mit zunehmendem abiotischem Stress die Anzahl der Arten abnimmt. Dies bedeutet, dass Arten mit größerer Wahrscheinlichkeit populationsbedroht, gefährdet und sogar ausgerottet werden, wenn und wo abiotischer Stress besonders hart ist.

Siehe auch

Verweise