Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Биотический стресс - это стресс, который возникает в результате повреждения организма другими живыми организмами, такими как бактерии , вирусы , грибы , паразиты , полезные и вредные насекомые, сорняки , а также культурные или местные растения . [1] Он отличается от абиотического стресса , который представляет собой негативное воздействие неживых факторов на организмы, таких как температура, солнечный свет, ветер, соленость, наводнения и засуха. [2]Типы биотических стрессов, налагаемых на организм, зависят от климата, в котором он живет, а также от способности вида противостоять определенным стрессам. Биотический стресс остается широко определенным термином, и те, кто его изучает, сталкиваются со многими проблемами, такими как большая сложность контроля биотических стрессов в экспериментальном контексте по сравнению с абиотическим стрессом.

Ущерб, причиненный этими различными живыми и неживыми агентами, может казаться очень похожим. [1] Даже при тщательном наблюдении точный диагноз может быть затруднен. [1] Например, потемнение листьев на дубе, вызванное стрессом, вызванным засухой, может быть похоже на потемнение листьев, вызванное увяданием дуба , серьезным сосудистым заболеванием, вызванным грибком, или потемнением, вызванным антракнозом , довольно незначительным заболеванием листьев.

Сельское хозяйство [ править ]

Биотические стрессоры находятся в центре внимания сельскохозяйственных исследований из-за огромных экономических потерь, нанесенных товарным культурам. Взаимосвязь между биотическим стрессом и урожайностью растений влияет на экономические решения, а также на практическое развитие. Влияние биотических повреждений на урожайность влияет на популяционную динамику , коэволюцию стрессоров растений и круговорот питательных веществ в экосистеме. [3]

Биотический стресс также влияет на здоровье садовых растений и экологию естественной среды обитания . Это также сильно изменило принимающего получателя. Растения подвергаются воздействию многих стрессовых факторов, таких как засуха , высокая засоленность или болезнетворные микроорганизмы, которые снижают урожайность культурных растений или влияют на качество собранных продуктов. Хотя существует множество видов биотического стресса, большинство болезней растений вызываются грибами. [4] Arabidopsis thaliana часто используют в качестве модельного растения для изучения реакции растений на различные источники стресса. [5]

В истории [ править ]

Биотические стрессы имели огромные последствия для человечества; Примером этого является бактериальный ожог картофеля , оомицет, вызвавший массовый голод в Англии, Ирландии и Бельгии в 1840-х годах. [6] Другой пример - виноградная филлоксера, пришедшая из Северной Америки в XIX веке, которая привела к Великой французской болезни вина . [6]

Сегодня [ править ]

Убытки сельскохозяйственных культур от вредителей и болезней продолжают представлять серьезную угрозу для сельского хозяйства и продовольственной безопасности . Во второй половине 20-го века сельское хозяйство стало все больше полагаться на синтетические химические пестициды для борьбы с вредителями и болезнями, особенно в системах интенсивного земледелия , распространенных в развитых странах. Однако в 21 веке эта зависимость от химического контроля становится неустойчивой. Пестициды, как правило, имеют ограниченный срок службы из-за появления резистентности у целевых вредителей, и во многих случаях все чаще признается, что они оказывают негативное воздействие на биоразнообразие и на здоровье сельскохозяйственных рабочих и даже потребителей. [7]

Завтра [ править ]

Предполагается, что из-за последствий изменения климата растения будут иметь повышенную восприимчивость к патогенам. [8] Кроме того, повышенная угроза абиотических стрессов (например, засуха и жара ), вероятно, будет способствовать восприимчивости растений к патогенам. [8]

Влияние на рост растений [ править ]

Фотосинтез [ править ]

Многие биотические стрессы влияют на фотосинтез, поскольку жевательные насекомые уменьшают площадь листьев, а вирусные инфекции снижают скорость фотосинтеза на единицу площади листа. Грибы с сосудистым увяданием нарушают водный транспорт и фотосинтез, вызывая закрытие устьиц. [6] [9]

Реакция на стресс [ править ]

Растения эволюционировали вместе со своими паразитами в течение нескольких сотен миллионов лет. Этот коэволюционный процесс привел к выбору широкого спектра средств защиты растений от микробных патогенов и травоядных вредителей, которые сводят к минимуму частоту и воздействие атак. Эти защиты включают в себя как физические, так и химические адаптации, которые могут выражаться либо конститутивно, либо во многих случаях активируются только в ответ на нападение. Например, использование высоких концентраций ионов металлов, поступающих из почвы, позволяет растениям снижать вредное воздействие биотических стрессоров (патогенов, травоядных и т. Д.); в то же время предотвращение серьезного токсического воздействия металлов путем обеспечения распределения ионов металлов по растению с помощью защитных физиологических путей. [10]Такое индуцированное сопротивление обеспечивает механизм, позволяющий избежать затрат на защиту до тех пор, пока защита не станет полезной для растения. В то же время успешные вредители и патогены развили механизмы для преодоления как конститутивной, так и индуцированной резистентности у их конкретных видов хозяев. Чтобы полностью понять и управлять устойчивостью растений к биотическому стрессу, нам необходимы подробные знания об этих взаимодействиях в широком диапазоне масштабов, от молекулярного до уровня сообщества. [7]

Индуцируемые защитные реакции на насекомых-травоядных. [ редактировать ]

Чтобы растение могло защитить себя от биотического стресса, оно должно уметь различать абиотический и биотический стресс. Реакция растений на травоядных начинается с распознавания определенных химических веществ, которые содержатся в слюне травоядных животных. Эти соединения, вызывающие реакцию у растений, известны как элиситоры или молекулярные структуры, связанные с травоядными животными (HAMP). [11]Эти HAMP запускают сигнальные пути по всему растению, запускают его защитный механизм и позволяют растению минимизировать повреждение других участков. Эти HAMP запускают сигнальные пути по всему растению, запускают его защитный механизм и позволяют растению минимизировать повреждение других участков. Питатели флоэмы, как и тля, не причиняют большого количества механических повреждений растениям, но все же считаются вредителями и могут серьезно повредить урожайность сельскохозяйственных культур. Растения разработали защитный механизм, использующий салициловую кислоту, которая также используется при инфекционном стрессе, защищаясь от питателей флоэмы. Растения более непосредственно атакуют пищеварительную систему насекомых. Растения делают это с помощью ингибиторов протеиназ. Эти ингибиторы протеиназ предотвращают переваривание белка и, попав в пищеварительную систему насекомого,они прочно и специфически связываются с активным центром ферментов гидролиза белка, таких как трипсин и химотрипсин.[11] Этот механизм, скорее всего, развился у растений при борьбе с насекомыми.

Растения обнаруживают элиситоры в слюне насекомых. После обнаружения активируется сеть передачи сигнала. Присутствие элиситора вызывает приток ионов Ca 2+ в цитозоль. Это увеличение цитозольной концентрации активирует целевые белки, такие как кальмодулин и другие связывающие белки. Нижестоящие мишени, такие как фосфорилирование и активация транскрипции стимулов-специфических ответов, включаются Ca 2+ -зависимыми протеинкиназами. [11] У арабидопсиса сверхэкспрессия кальмодулин-связывающего регулятора транскрипции IQD1 приводит к ингибированию активности травоядных. Следовательно, роль ионов кальция в этой сети передачи сигналов важна.

Ионы кальция также играют большую роль в активации защитной реакции растений. Когда амиды жирных кислот присутствуют в слюне насекомых, активируются митоген-активируемые протеинкиназы (MAPK). Эти гены при активации играют роль в пути жасмоновой кислоты. [11] Путь жасмоновой кислоты также называют октадеканоидным путем. Этот путь жизненно важен для активации защитных генов растений. Производство жасмоновой кислоты, фитогормона, является результатом этого пути. В эксперименте с использованием индуцированного вирусом подавления гена двух кальций-зависимых протеинкиназ (CDPK) в диком табаке ( Nicotiana attuata)было обнаружено, что чем дольше продолжалось выращивание травоядных, тем выше накопление жасмоновой кислоты в растениях дикого типа и в растениях с молчанием, наблюдалось производство большего количества защитных метаболитов, а также снижение скорости роста используемых травоядных, табака рогатый червь ( Manduca sexta). [11] Этот пример демонстрирует важность киназ MAP в регуляции защиты растений.

Индуцируемые защитные реакции на патогены [ править ]

Растения способны обнаруживать захватчиков посредством распознавания чужих сигналов, несмотря на отсутствие кровеносной или иммунной системы, как у животных. Часто первая линия защиты растений от микробов возникает на поверхности растительных клеток и включает обнаружение молекулярных структур, связанных с микроорганизмами (MAMP). [12] MAMP включают нуклеиновые кислоты, общие для вирусов, и эндотоксины на мембранах бактериальных клеток, которые могут быть обнаружены специальными рецепторами распознавания образов. [13] Другой метод обнаружения включает использование иммунных рецепторов растений для обнаружения эффекторных молекул, высвобождаемых в клетки растений патогенами. Обнаружение этих сигналов в инфицированных клетках приводит к активациииммунитет, запускаемый эффектором (ETI), тип врожденного иммунного ответа. [14]

И иммунитет к распознаванию образов (PTI), и иммунитет, запускаемый эффектором (ETI), возникают в результате активации множества защитных механизмов, включая защитные химические сигнальные соединения. [14] Было показано, что увеличение выработки салициловой кислоты (СК) вызвано патогенной инфекцией. Повышение СК приводит к продукции генов, связанных с патогенезом (PR), которые в конечном итоге повышают устойчивость растений к биотрофным и гемибиотрофным патогенам. Также описано увеличение синтеза жасмоновой кислоты (JA) вблизи участков инфекции патогена. [15] [16] Этот физиологический ответ на увеличение производства JA был вовлечен в убиквитинированиебелков жасмонатных доменов ZIM (JAZ), которые ингибируют передачу сигналов JA, что приводит к их деградации и последующему увеличению активированных JA защитных генов. [15]

Исследования, касающиеся активации защитных химических веществ, подтвердили роль SA и JA в защите от патогенов. В исследованиях с использованием мутантов Arabidopsis с бактериальным геном NahG , который ингибирует производство и накопление СК , было показано, что они более восприимчивы к патогенам, чем растения дикого типа. Считалось, что это результат неспособности создать критические защитные механизмы, включая повышенную экспрессию гена PR. [16] [17] Другие исследования, проведенные путем инъекции растений табака и арабидопсиса салициловой кислотой, привели к более высокой устойчивости к заражению вирусами люцерны и табачной мозаики, что указывает на роль биосинтеза СК в снижении репликации вирусов. [17] [18]Кроме того, исследования, проведенные с использованием арабидопсиса с мутантными путями биосинтеза жасмоновой кислоты, показали, что мутанты JA подвергаются повышенному риску заражения почвенными патогенами. [16]

Наряду с SA и JA, другие защитные химические вещества участвуют в защите растений от вирусных патогенов, включая абсцизовую кислоту (ABA), гибберелловую кислоту (GA), ауксин и пептидные гормоны . [15] Использование гормонов и врожденный иммунитет представляет собой параллели между защитой животных и растений, хотя считается, что иммунитет, запускаемый паттерном, возник независимо в каждом из них. [12]

Перекрестная толерантность с абиотическим стрессом [ править ]

  • Фактические данные показывают, что растение, подвергающееся множественным стрессам, как абиотическим, так и биотическим (обычно нападению патогенов или травоядных), может оказывать положительное влияние на продуктивность растений, снижая их восприимчивость к биотическому стрессу по сравнению с тем, как они реагируют на отдельные стрессы. Взаимодействие приводит к перекрестным помехам между соответствующими путями передачи сигналов гормонов, которые будут либо индуцировать, либо противодействовать другому механизму реструктуризации генов для повышения толерантности к защитным реакциям. [19]
  • Активные формы кислорода (АФК) являются ключевыми сигнальными молекулами, вырабатываемыми в ответ на перекрестную толерантность к биотическому и абиотическому стрессу. АФК производятся в ответ на биотические стрессы во время окислительного взрыва. [20]
  • Двойной стресс, вызванный озоном (O3) и патогеном, влияет на устойчивость растений и приводит к изменению взаимодействия патогенов-хозяев (Fuhrer, 2003). Изменение патогенетического потенциала вредителей из-за воздействия O3 имеет экологическое и экономическое значение. [21]
  • Достигнута устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам. Что касается кукурузы, селекционные программы привели к появлению растений, устойчивых к засухе и имеющих дополнительную устойчивость к паразитическому сорняку Striga hermonthica . [22] [23]

Дистанционное зондирование [ править ]

Служба сельскохозяйственных исследований(ARS) и различные правительственные агентства и частные учреждения предоставили большой объем фундаментальной информации, касающейся свойств спектрального отражения и теплового излучения почв и сельскохозяйственных культур с их агрономическими и биофизическими характеристиками. Эти знания способствовали разработке и использованию различных методов дистанционного зондирования для неразрушающего мониторинга роста и развития растений и для обнаружения многих факторов окружающей среды, ограничивающих продуктивность растений. В сочетании с быстрым развитием технологий вычислений и определения местоположения дистанционное зондирование с наземных, воздушных и космических платформ теперь способно предоставить подробную пространственную и временную информацию о реакции растений на их местную среду, которая необходима для управления сельским хозяйством на конкретных участках. подходы. [24] Это очень важно в современном обществе, потому что с увеличением давления на глобальную продуктивность производства продуктов питания из-за роста населения, возникает спрос на устойчивые к стрессу сорта сельскохозяйственных культур, который никогда не был таким большим.

См. Также [ править ]

  • Абиотический стресс , условия окружающей среды
  • Биотический компонент
  • Список полезных сорняков

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в Флинн 2003 .
  2. ↑ Ядав 2012 .
  3. ^ Peterson & Higley 2001 .
  4. ^ Кэррис, Литтл и Стайлз 2012 .
  5. ↑ Карим 2007 .
  6. ^ а б в Flexas 2012 .
  7. ^ a b Робертс 2013 .
  8. ^ а б Гарретт и др. 2006 .
  9. ^ Балачандран; и другие. (1997). «Концепции биотического стресса растений. Некоторые сведения о физиологии стресса у зараженных вирусом растений с точки зрения фотосинтеза». Physiologia Plantarum . 100 (2): 203–213. DOI : 10.1111 / j.1399-3054.1997.tb04776.x .
  10. ^ Poschenrieder 2006 .
  11. ^ а б в г д Тайз Линкольн, Зейгер Эдуардо, Мёллер Ян Макс, Мерфи Ангус (2015). Физиология и развитие растений . США: Sinauer Associates, Inc. стр. 706. ISBN. 9781605352558.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ a b Споэл, Стивен Х .; Донг, Xinnian (2012). «Как растения достигают иммунитета? Защита без специализированных иммунных клеток». Обзоры природы Иммунология . 12 (2): 89–100. DOI : 10.1038 / nri3141 . PMID 22273771 . S2CID 205491561 .  
  13. ^ Боллер, Т; Он, SY (2009). «Врожденный иммунитет у растений: гонка вооружений между рецепторами распознавания образов в растениях и эффекторами в микробных патогенах» . Наука . 324 (5928): 742–4. Bibcode : 2009Sci ... 324..742B . DOI : 10.1126 / science.1171647 . PMC 2729760 . PMID 19423812 .  
  14. ^ а б Цуда, Кеничи; Катагири, Фумиаки (2010). «Сравнение сигнальных механизмов, задействованных в иммунитете, инициируемом паттерном и эффектором». Текущее мнение в биологии растений . 13 (4): 459–465. DOI : 10.1016 / j.pbi.2010.04.006 . PMID 20471306 . 
  15. ^ a b c Бари, Раджендра; Джонс, Джонатан Д. Г. (2009). «Роль растительных гормонов в защитных реакциях растений». Молекулярная биология растений . 69 (4): 473–488. DOI : 10.1007 / s11103-008-9435-0 . PMID 19083153 . S2CID 28385498 .  
  16. ^ a b c Халим, Вирджиния; Vess, A .; Scheel, D .; Розаль, С. (2006). «Роль салициловой кислоты и жасмоновой кислоты в защите от патогенов». Биология растений . 8 (3): 307–313. DOI : 10,1055 / с-2006-924025 . PMID 16807822 . S2CID 28317435 .  
  17. ^ a b Флот, А. Корина; Демпси, Д'Мэрис Амик; Клессиг, Дэниел Ф. (2009). «Салициловая кислота, многогранный гормон для борьбы с болезнями». Ежегодный обзор фитопатологии . 47 : 177–206. DOI : 10.1146 / annurev.phyto.050908.135202 . PMID 19400653 . 
  18. ^ Ван Huijsduijnen, RAMH; Альблас, ЮЗ; Де Рийк, Р.Х .; Бол, Дж. Ф. (1986). «Индукция салициловой кислотой белков, связанных с патогенезом, и устойчивость к инфекции вируса мозаики люцерны у различных видов растений» . Журнал общей вирусологии . 67 (10): 2135–2143. DOI : 10.1099 / 0022-1317-67-10-2135 .
  19. Перейти ↑ Rejeb, Pastor & Mauch-Mani 2014 .
  20. Перейти ↑ Perez & Brown 2014 .
  21. ^ Раджу и др. 2015 .
  22. ^ Аткинсон и Урвин 2012 .
  23. ^ Фуллер, Лилли и Урвин 2008 .
  24. ^ Пинтер и др. 2003 .

Источники [ править ]

  • Аткинсон, штат Нью-Джерси; Урвин, ЧП (2012). «Взаимодействие биотических и абиотических стрессов растений: от генов к полю» . Журнал экспериментальной ботаники . 63 (10): 3523–3543. DOI : 10.1093 / JXB / ers100 . PMID  22467407 .
  • Каррис, Л. М.; Литтл, CR; Стайлз, CM (2012). «Знакомство с грибами» . www.apsnet.org . DOI : 10,1094 / PHI-I-2012-0426-01 (неактивный 2021-01-10). Архивировано из оригинала на 2015-11-10 . Проверено 11 марта +2016 .CS1 maint: ref = harv ( ссылка ) CS1 maint: DOI неактивен с января 2021 года ( ссылка )
  • Flexas, J .; Лорето, Ф .; Медрано, Х., ред. (2012). Земной фотосинтез в изменяющейся окружающей среде: молекулярный, физиологический и экологический подход . ЧАШКА. ISBN 978-0521899413.
  • Флинн, П. (2003). «Биотические и абиотические - отличия болезней от стрессов окружающей среды» . ИГУ Энтомология . Проверено 16 мая 2013 года .
  • Фуллер, ВЛ; Лилли, CJ; Урвин, ЧП (2008). «Устойчивость к нематодам». Новый фитолог . 180 (1): 27–44. DOI : 10.1111 / j.1469-8137.2008.02508.x . PMID  18564304 .
  • Garrett, KA; Денди, ИП; Франк, Э. Роуз, Миннесота; Трэверс, С.Е. (2006). «Влияние изменения климата на болезни растений: от генома к экосистемам» (PDF) . Ежегодный обзор фитопатологии . 44 : 489–509. DOI : 10.1146 / annurev.phyto.44.070505.143420 . ЛВП : 2097/2379 . PMID  16722808 .
  • Карим, С. (2007). Изучение устойчивости растений к биотическим и абиотическим стрессам (PDF) (Диссертация). ISBN 978-9157673572.
  • Перес, И.Б .; Браун, П.Дж. (2014). «Роль передачи сигналов АФК в перекрестной толерантности: от модели к культуре» . Передний. Plant Sci . 5 : 754. DOI : 10.3389 / fpls.2014.00754 . PMC  4274871 . PMID  25566313 .
  • Петерсон, РКД; Хигли, LG, ред. (2001). Биотический стресс и потеря урожая . CRC Press. ISBN 978-0849311451.
  • Пинтер, П.Дж.; Hatfield, JL; Schepers, JS; Barnes, EM; Moran, MS; Дотри, CST; Апчерч, DR (2003). «Дистанционное зондирование для управления растениеводством» . Фотограмметрическая инженерия и дистанционное зондирование . 69 (6): 647–664. DOI : 10,14358 / PERS.69.6.647 .
  • Poschenrieder, C .; Tolrà, R .; Barceló, J. (2006). «Могут ли металлы защитить растения от биотического стресса?». Тенденции в растениеводстве . 11 (6): 288–295. DOI : 10.1016 / j.tplants.2006.04.007 . PMID  16697693 .
  • Раджу, Нью-Джерси; Gossel, W .; Раманатан, А .; Судхакар, М., ред. (2015). Управление водными, энергетическими и биоресурсами в эпоху изменения климата: новые проблемы и вызовы . DOI : 10.1007 / 978-3-319-05969-3 . ISBN 978-3319059686. S2CID  132165592 .
  • Реджеб, И.Б .; Пастор, В .; Маух-Мани, Б. (2014). «Ответы растений на одновременный биотический и абиотический стресс: молекулярные механизмы» . Растения . 3 (4): 458–475. DOI : 10,3390 / plants3040458 . PMC  4844285 . PMID  27135514 .
  • Робертс, М. (2013). «Предисловие: Индуцированная устойчивость к биотическому стрессу» . Журнал экспериментальной ботаники . 64 (5): 1235–1236. DOI : 10.1093 / JXB / ert076 . PMID  23616991 .
  • Ядав, БКВ (2012). «Абиотический стресс» . forestrynepal.org . Дата обращения 3 декабря 2015 .