Pamäť na stres zo sucha na úrovni rastlinného cyklu: Prehľad 1. časť

Abstrakt:

Rastliny sú prisadnuté organizmy, ktorých prežitie závisí od ich stratégie vyrovnať sa s dynamickými, stresovými podmienkami. Je naliehavé zlepšiť schopnosť plodín prispôsobiť sa opakujúcim sa stresom, aby sa zmiernili negatívne vplyvy na ich produktivitu.

Vzťah medzi stresovými stavmi a pamäťou je veľmi úzky. Správna miera stresu môže zlepšiť našu pamäť, zatiaľ čo nadmerný stres môže oslabiť našu pamäť.

Po prvé, správne množstvo stresu môže stimulovať našu pamäť. Keď sme pod určitým stupňom stresu, budeme sa viac sústrediť a myslieť pozitívne, aby sme zvládli rôzne výzvy a tlaky. V tomto prípade sa naša pamäť precvičí a zlepší.

Po druhé, nadmerný stres môže výrazne ovplyvniť našu pamäť. Keď sme v neznesiteľnom strese, naše telá vylučujú hormón nazývaný kortizol, ktorý môže poškodiť zdravie nášho mozgu, spomaľuje metabolizmus našich mozgových buniek a bráni tvorbe pamäti. Vďaka tomu si v tejto situácii nedokážeme veci veľmi dobre zapamätať.

Preto, aby sme si udržali dobrú pamäť, musíme venovať pozornosť miernej regulácii stresu a zvýšiť našu odolnosť voči stresu. Na odbúranie stresu môžeme použiť účinné metódy, ako je mierne cvičenie, počúvanie hudby, úprava mentality a pod. Prostredníctvom týchto metód sa môžeme dostať do mierneho stresu a lepšie využívať pamäť. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche deserticola môže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche deserticola je tradičný čínsky liečivý materiál, ktorý má mnoho jedinečných účinkov, jedným z nich je zlepšenie pamäte. Účinnosť Cistanche deserticola pochádza z mnohých aktívnych zložiek, ktoré obsahuje, vrátane kyseliny trieslovej, polysacharidov, flavonoidných glykozidov atď. Tieto zložky môžu podporovať zdravie mozgu rôznymi spôsobmi.

Kliknite na spoznajte 10 spôsobov, ako zlepšiť pamäť

Aj keď sa naše znalosti o adaptácii rastlín na sucho počas posledných desaťročí výrazne zlepšili, nedávne štúdie sa zaoberali odpoveďami rastlín na opakujúce sa stresy. Tento prehľad syntetizuje hlavné zistenia zo štúdií zameraných na reakcie rastlín na viaceré udalosti sucha a demonštruje schopnosť rastlín zapamätať si stres zo sucha.

Stresová pamäť je opísaná ako primárny efekt umožňujúci inú reakciu na opakovaný stres v porovnaní s jednou stresovou udalosťou. Tu, špecificky zameraním sa na pamäť vodného stresu na úrovni rastlinného cyklu, popisujeme rôzne základné procesy na molekulárnej, fyziologickej a morfologickej úrovni v plodinách, ako aj v modelových druhoch Arabidopsis thaliana.

Okrem toho sa navrhuje rámec koncepčnej analýzy na štúdium pamäte stresu zo sucha. Nakoniec sa pri opakovaných stresoch zdôrazňuje zásadná úloha interakcií medzi rastlinami a pôdnymi mikroorganizmami, pretože ich plasticita môže hrať kľúčovú úlohu pri podpore celkovej odolnosti rastlín.

Kľúčové slová: vodný stres; odolnosť; súhra rastlín a mikróbov; základný náter; pamäťové gény; pôdne dedičstvo.

1. Úvod

Svetová populácia by mala v roku 2050 dosiahnuť približne 9,1 miliardy. Už teraz sa pozoruje významný nárast dopytu po potravinách [1]. Poľnohospodárska výroba zároveň čelí hrozbe klimatickej zmeny, ktorá je charakterizovaná závažnejšími a častejšími stresovými podmienkami, ktoré bránia rastu rastlín.

Nárast populácie a klimatické zmeny vytvárajú bezprecedentnú výzvu pri pestovaní rastlín, ktoré sú odolnejšie voči klimatickým výkyvom, aby uživili svetovú populáciu. V tejto súvislosti bolo sucho identifikované ako najdôležitejší a najškodlivejší stres pre rastlinnú výrobu na celom svete, ktorý ovplyvňuje výnosy v niekoľkých kľúčových momentoch počas cyklu plodín.

Zatiaľ čo mnohé štúdie charakterizovali účinky rôznych intenzít sucha vyskytujúce sa v rôznych vývojových štádiách rastlín [2,3], menej z nich skúmalo vplyv opakujúcich sa období sucha na vývoj a rast rastlín [4–6].

Rastliny si dokážu „zapamätať“ stresovú udalosť a modifikovať svoje správanie v reakcii na následný stres [6]. Táto takzvaná pamäť je definovaná ako „schopnosť prístupu k skúsenostiam, aby nové odpovede obsahovali relevantné informácie z minulosti“ a „ukladanie informácií o predchádzajúcej signalizácii so schopnosťou získať informácie oveľa neskôr“. [7].

Lämke a Bäurle [8] definovali tri rôzne typy stresovej pamäte: (i) somatickú stresovú pamäť, mitoticky dedičnú, ktorá trvá len počas životnosti organizmu; (ii) medzigeneračnú stresovú pamäť, ktorá je pozorovateľná len v prvom bezstresovom potomstve a (iii) transgeneračná pamäť, ktorá je meioticky dedičná a pozorovateľná po viac ako dvoch generáciách potomstva bez stresu.

Pamäť somatického stresu umožňuje rastlinám, ktoré zažili stresovú udalosť, využívať uložené informácie počas dní, týždňov alebo mesiacov a prispôsobiť svoju reakciu, keď čelia ďalšiemu stresu. Tento mechanizmus bol napríklad dobre charakterizovaný pri kalení za studena [9].

Navyše, informácie odvodené z predchádzajúceho stresu môžu byť prenášané z rodičov na potomkov prostredníctvom medzigeneračnej a transgeneračnej stresovej pamäte [10,11]. Tento aspekt nie je diskutovaný v tomto prehľade, ktorý sa zameriava iba na pamäť v rámci životného cyklu rastlín.
Stresová pamäť rastlín bola prvýkrát pozorovaná v 90. rokoch, keď výskumníci zistili, že niektoré rastliny si po vystavení útoku patogénu vyvinuli získanú systémovú odolnosť voči ďalším infekciám [12–14].

Odvtedy sa zistilo, že pamäť rastlín umožňuje rastlinám reagovať rýchlejšie alebo silnejšie na následný stres a môže poskytnúť zvýšenú ochranu v porovnaní s naivnými rastlinami, ktoré sa nikdy nestretli so žiadnym stresom. Prvé štúdie skúmajúce túto tému viedli k veľkému pokroku v zlepšovaní chápania primárnych onabiotických obmedzení dokumentovaním fyziologických, proteomických, transkripčných a epigenetických modifikácií vedúcich k odtlačku stresu, ktorý je rozhodujúci pre vytvorenie pamäti rastlín [6].

V tomto prehľade ilustrujeme, ako sú tieto mechanizmy prepojené počas opakujúcich sa udalostí sucha a môžu pomôcť rastline, aby bola odolnejšia.

Navyše, keďže rastliny silne interagujú s pôdou a jej zložkami, považujeme interakcie medzi rastlinou a pôdnymi mikroorganizmami za ďalší možný kúsok skladačky, ktorý vedie k pamäti rastlín na sucho.

Zloženie a aktivita mikrobiálneho spoločenstva v pôde, ako aj fyzikálno-chemické vlastnosti pôdy sú formované vplyvom pôdneho dedičstva a mohli by ovplyvniť reakcie rastlín na následný stres [15,16].

2. Pamäť vodného stresu: Zo strany rastliny

Pamäť vodného stresu bola skúmaná u rôznych druhov plodín so špecifickým zameraním od molekulárnych až po fyziologické základné procesy (tabuľka 1). Pretože javy vodného stresu sa pravdepodobne vyskytujú častejšie so zmenou klímy, rastliny môžu mobilizovať pamäť vodného stresu od raných štádií svojho životného cyklu, aby sa minimalizoval alebo zmiernil negatívny vplyv následných stresov na rast a produkciu.

V niektorých prípadoch viedlo primovanie rastlín k vyššej a rýchlejšej reakcii na následný stres (tabuľka 1). K dnešnému dňu je všeobecné chápanie mechanizmu nasledovné. Po prvé, počas prvej stresovej udalosti sa vytvorí odtlačok stresu, ktorý zahŕňa rôzne fyziologické a molekulárne mechanizmy, ako je akumulácia osmoregulačných metabolitov reagujúcich na stres alebo syntéza ochranných proteínov [9].

Po druhé, počas obdobia zotavenia po strese tieto uložené informácie umožňujú rastline prejsť do permisívneho stavu, ktorý umožňuje rýchlejšiu alebo silnejšiu reakciu na následný stres. Toto ukladanie informácií zahŕňa (i) akumuláciu proteínov v neaktívnej konformácii [17,18] a metabolitov a fytohormónov a (ii) epigenetické modifikácie prostredníctvom metylácie DNA, modifikácie histónov alebo prestavby chromatínu [9,17,19–21]. . Chromatínová plasticita, či už meioticky zdedená alebo nie, má kľúčovú úlohu tak počas okamžitej stresovej reakcie, ako aj pri dlhodobej adaptácii [22,23].

Po tretie, počas následného stresu predchádzajúci nábor týchto rôznych zlúčenín skracuje čas na ich syntézu vo veľkých množstvách, čo umožňuje rýchlejšiu reakciu [24,25]. Práca Pioneera v Arabidopsis thaliana a Zea mays [25–27] ukázala, že rastliny vykazujú transkripčná stresová pamäť v reakcii na viacnásobné vystavenie suchu, čo odhaľuje existenciu pamäťových génov. Tieto gény sú definované ako produkujúce rôzne hladiny transkriptov v reakcii na prvý a druhý stres, ale bazálne hladiny transkriptov sú podobné ako u rastlín bez aktivácie počas obdobia zotavenia [25].

Podľa tohto konceptu obrázok 1 sumarizuje klasifikáciu „pamäťových génov“ a „nepamäťových génov“ do štyroch kategórií podľa regulácie ich expresie počas obdobia sekundového stresu v porovnaní s prvým obdobím. Expresia [+/+] (alebo [-/-]) pamäťových génov (obrázok 1a) je indukovaná (alebo potlačená) počas prvého aj sekundárneho stresu v porovnaní s kontrolou, pričom aktivácia zvyšuje diferenciálnu expresiu v nasledujúcom strese. . Niektoré pamäťové gény môžu tiež vykazovať opačnú reguláciu v reakcii na prvý a druhý stres.

Toto je prípad (i) pre pamäťové gény [-/+] (obrázok 1b), ktorých expresia je počas prvého stresu regulovaná smerom nadol a počas druhého stresu je regulovaná smerom nahor, a (ii) pre [+/- ] pamäťové gény, ktorých expresia je up-regulovaná počas prvého stresu, ale down-regulovaná počas následného stresu.

Na druhej strane, gény produkujúce podobné úrovne transkriptov v reakcii na každý stres sa považujú za „nepamäťové gény“ a označujú sa ako gény [+/=] alebo [−/{3}}] (obrázok 1d ) [26]. Táto postupnosť transkripčných udalostí sa premieta do fyziologických zmien [18], ktoré sú podrobne uvedené nižšie a zhrnuté na obrázku 2.

For more information:1950477648nn@gmail.com