Для чего изучать растения www plantcell org cgi doi 10 1105 tpc

Скачать презентацию Для чего изучать растения www plantcell org cgi doi 10 1105 tpc

78e9ca65265d50600920d931e95ae1b3.ppt

Количество слайдов: 80

Растения, как и большинство животных, – многоклеточные эукариоты Бактерии Археи Грибы Животные Растения Общие предки Фото: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения разнообразны Папоротники Травянистые растения Широко. Цветковые лиственные растения Плауны Семенные растения Голосеменные растения Сосудистые растения Мхи Печёночники Наземные растения Растения способны существовать в самых разных ландшафтах Зелёные водоросли Фото: tom donald © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения делают нас счастливыми Сотрудники, в поле зрения которых находятся растения, обычно более довольны своей работой. Dravigne, A. , Waliczek, T. M. , Lineberger, R. D. , Zajicek, J. M. (2008) The effect of live plants and window views of green spaces on employee perceptions of job satisfaction. Hort. Science 43: 183– 187. Фото: tom donald © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения – удивительные живые существа самый большой организм (>100 м) самый крупный цветок (≈1 м) долгожитель (≈5000 лет) Фото: ma_suska; Bradluke 22; Stan Shebs © 2013 American Society of Plant Biologists

Мы не можем существовать без растений • Растения производят кислород, которым мы дышим. • Растения химически запасают энергию, которую человек потребляет в виде пищи или топлива. • Растения продуцируют огромное количество полезных химических соединений. © 2013 American Society of Plant Biologists

Мы не можем жить без кислорода! НЕТ кислорода X X Джозеф Пристли в 1771 г. обнаружил, что дыхание животных «портит» воздух. Животное, находящееся в закрытом объёме, рано или поздно погибнет. © 2013 American Society of Plant Biologists

Мы не можем жить без кислорода! Пристли также обнаружил, что растения способны «восстанавливать» воздух. Теперь мы знаем, что растения выделяют кислород как побочный продукт фотосинтеза. Выделяется кислород © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения превращают углекислый газ в богатые энергией молекулы, которые потребляют животные CO 2 Растения превращают газ CO 2 в сахара в процессе фотосинтеза. © 2013 American Society of Plant Biologists

Для чего изучать растения? Чтобы сохранить редкие растения и сообщества, находящиеся в опасности Чтобы знать больше об устройстве природы Чтобы разумно использовать возможности растений и обеспечивать человечество пищей, лекарствами и энергией Фото: tom donald © 2013 American Society of Plant Biologists

Изучение растений помогает нам познавать мир Клетки впервые были найдены в растениях. Рисунок коры, сделанный Робертом Гуком, открывшим «клетки» Фотография клеток коры Фото: ©David B. Fankhauser, Ph. D © 2013 American Society of Plant Biologists

Вирусы впервые были выделены из растений Вирусы могут инфицировать не только растения, но и человека, вызывая многие заболевания, в том числе СПИД, гепатит, атипичную пневмонию, свиной грипп, рак шейки матки, ветрянку, и полиомиелит. Вирус табачной мозаики Изображение: © 1994 Rothamsted Research © 2013 American Society of Plant Biologists

Работы Менделя, выполненные на горохе, привели к открытию законов наследования . . . которые помогают в изучении таких болезней человека, как серповидноклеточная анемия. . . © 2013 American Society of Plant Biologists

Работы Менделя, выполненные на горохе, привели к открытию законов наследования. . . и гемофилия, а также многие другие болезни, имеющие генетические причины. Родословная семьи носителей аллели гемофилии © 2013 American Society of Plant Biologists

Работы Менделя, выполненные на горохе, привели к открытию законов наследования Работы Менделя послужили основой генетики и селекции растений. Выдающийся селекционер растений Норман Борлоуг (1914– 2009), Нобелевский лауреат (1970) © 2013 American Society of Plant Biologists

Население Земли растёт. . . Основная цель биологии растений – увеличить продуктивность; оценки показывают, что её нужно увеличить на 70% в течение следующих 40 лет. © 2013 American Society of Plant Biologists

От недоедания и голода погибает непропорционально много детей 10 млн. из них – дети до 5 лет, 99% из которых проживали в бедных и развивающихся странах (Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007) © 2013 American Society of Plant Biologists

От недоедания и голода погибает непропорционально много детей 5 млн. детей в возрасте до 5 лет погибают каждый год от недоедания и сопутствующих заболеваний. То есть каждые 6 секунд погибает один дошкольник, смерть которого можно было предотвратить. © 2013 American Society of Plant Biologists

От недоедания и голода погибает непропорционально много детей От недостатка витамина A погибает миллион детей в год. (Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF) © 2013 American Society of Plant Biologists

В мире более одного миллиарда человек в год хронически недоедают Это больше, чем всё население Европы, Канады и США. (Источник: FAO news release, 19 июня 2009) © 2013 American Society of Plant Biologists

Более двух миллиардов человек в год испытывают хроническую анемию из-за недостатка железа Это больше, чем население Европы, Канады, США и Китая. (Источник: World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia) © 2013 American Society of Plant Biologists

Биологи растений могут помочь в решении проблемы голода, создавая растения, которые: § устойчивы к стрессу и засухе § требуют меньше удобрений и воды § устойчивы к патогенам § более питательны © 2013 American Society of Plant Biologists

Рост растений часто ограничен из-за засухи Регионы физического и экономического дефицита воды Нет/небольшой дефицит воды Физический дефицит воды Приближение к физическому дефициту воды Экономический дефицит воды Нет оценок Источник: IWMI © 2013 American Society of Plant Biologists

Засуха сопровождается повышением температуры планеты В тёплых странах урожай падает на ≈ 3– 5% с повышением температуры на 1°C Одна из моделей повышения температуры на пахотных землях к 2050 г. Gornall, J. , Betts, R. , Burke, E. , Clark, R. , Camp, J. , Willett, K. , and Wiltshire, A. Implications of climate change for agricultural productivity in the early twenty-first century. Phil. Trans. Royal Soc. B: 365: 2973 -2989. m © 2013 American Society of Plant Biologists

Даже средняя засуха значительно снижает урожай Средняя засуха снижает уровень фотосинтеза и скорость роста растений, тогда как сильная засуха является смертельной для них © 2013 American Society of Plant Biologists

Нам нужны растения, хорошо растущие даже в условиях стресса Жара и засуха снижают урожай Вырубка лесов приводит к повышению концентрации CO 2 в атмосфере Нужно больше площадей под сельское хозяйство © 2013 American Society of Plant Biologists

Модификация одного гена может увеличить устойчивость растения к засухе засухоустойчивый дикий тип хороший полив 10 дней засухи 20 дней засухи полив после засухи Yu, H. , Chen, X. , Hong, Y. -Y. , Wang, Y. , Xu, P. , Ke, S. -D. , Liu, H. -Y. , Zhu, J. -K. , Oliver, D. J. , Xiang, C. -B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20: 1134 -1151. © 2013 American Society of Plant Biologists

Развитая корневая система увеличивает устойчивость к засухе дикий тип засухоустойчивый Выведение растений с хорошо развитой корневой системой может помочь им расти в засушливых регионах. проростки взрослые растения Yu, H. , Chen, X. , Hong, Y. -Y. , Wang, Y. , Xu, P. , Ke, S. -D. , Liu, H. -Y. , Zhu, J. -K. , Oliver, D. J. , Xiang, C. -B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20: 1134 -1151. © 2013 American Society of Plant Biologists

Удобрения – ограниченный ресурс, требующий затрат энергии • Посевы требуют удобрений – калий, фосфаты, азот и другие элементы • Калий и фосфаты – невозобновляемые добываемые ресурсы • Синтез азотных удобрений требует огромных затрат энергии Фото: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW 361 -374 © 2013 American Society of Plant Biologists

Использование сельскохозяйственных удобрений – источник значительного загрязнения окружающей среды Сток удобрений вызывает появление мёртвых зон: «цветущие» водоросли затем разлагаются, расходуя кислород в воде и делая жизнь животных невозможной Фото NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio © 2013 American Society of Plant Biologists

Поглощение питательных веществ растениями можно улучшить Большая эффективность транспортных систем корня снизит потребность в удобрениях Yuan, L. , Loque, D. , Kojima, S. , Rauch, S. , Ishiyama, K. , Inoue, E. , Takahashi, H. , and von Wiren, N. (2007). The organization of high-affinity ammonium uptake in Arabidopsis roots depends on the spatial arrangement and biochemical properties of AMT 1 -type transporters. Plant Cell 19: 2636 -2652. © 2013 American Society of Plant Biologists

Многолетние растения поглощают воду и питательные вещества лучше, чем большинство культурных растений Учёные скрещивают культурные растения с многолетними, чтобы уменьшить зависимость первых от удобрений и воды Уэс Джексон из Института Земли держит многолетнего родственника пшеницы Thinopyrum intermedium Фото: Jodi Torpey, westerngardeners. com © 2013 American Society of Plant Biologists

Сейчас два серьёзных заболевания растений угрожают производству продуктов питания в мире Phytophthora infestans, вызывающая фитофтороз картофеля, снова стала угрозой. Puccinia graminis tritici, гриб, вызывающий ржавчину пшеницы, превратился в весьма агрессивную форму. Фото: www. news. cornell. edu; www. fao. org © 2013 American Society of Plant Biologists

Фитофтороз уничтожает картофель Phytophthora infestans вызывает фитофтороз картофеля. Вспышка фитофтороза в 1840 -х уничтожила посевы и унесла жизни более миллиона человек в Европе. инфицированный обработанный Фото: USDA; Scott Bauer © 2013 American Society of Plant Biologists

Идентификация генов устойчивости не заражён грибом устойчив неустойчив Генетики установили ген устойчивости и вводят его в пищевые сорта. Растение слева несёт ген устойчивости и не имеет симптомов болезни. Song, J. , Bradeen, J. M. , Naess, S. K. , Raasch, J. A. , Wielgus, S. M. , Haberlach, G. T. , Liu, J. , Kuang, H. , Austin-Phillips, S. , Buell, C. R. , Helgeson, J. P. , Jiang, J. (2003) Gene RB cloned from Solanum bulbocastanum confers broad spectrum resistance to potato late blight. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100: 9128– 9133. © 2013 American Society of Plant Biologists

Ржавчина пшеницы – новая угроза • Новый высокопатогенный штамм появился в Уганде в 1999 г. и назван Ug 99. • Большинство сортов пшеницы не имеют устойчивости к этому штамму. инфицированные растения пшеницы Фото: ARS USDA © 2013 American Society of Plant Biologists

Ug 99 поражает пшеницу во всём мире Эта глобальная проблема требует внимания всего мира. Споры Ug 99 не обращают внимания на государственные границы. . . – Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) Фото: ARS USDA © 2013 American Society of Plant Biologists

Споры Ug 99 разносятся ветром Споры Ug 99 найдены в Уганде, Кении, Эфиопии, Судане, Йемене и Иране, он угрожает посевам на Ближнем Востоке, Восточной Африке, Центральной и Южной Азии. Воздушные потоки, переносящие споры, показаны красным. Фото: www. wheatrust. cornell. edu © 2013 American Society of Plant Biologists

Споры Ug 99 разносятся ветром Пшеница – основное сельскохозяйственное растение в регионах, находящихся под угрозой, особенно в бедных странах. предполагаемые пути переноса Ug 99 Фото: www. wheatrust. cornell. edu © 2013 American Society of Plant Biologists

Международные группы учёных сотрудничают для мониторинга распространения Ug 99 и создают сорта пшеницы, устойчивые к ржавчинному грибу. В настоящее время неизвестно, удастся ли создать устойчивые сорта, чтобы избежать голода. . . Фото: Bluemoose; FAO © 2013 American Society of Plant Biologists

Биологи растений изучают способы сохранения плодов свежими после сбора После сбора урожая фрукты размягчаются, дозревают, и впоследствии загнивают. Из-за этих процессов фрукты выглядят непривлекательно, и фрукты теряют вкусовые и пищевые качества. Фото: Cornell University ; ARC © 2013 American Society of Plant Biologists

Биологи растений изучают способы сохранения плодов свежими после сбора Белая Роза (6. 8 мк. Е×м-2 с-2 Время (дни) Потери после уборки урожая могут уничтожить более 50% зерна. Этапы позеленения Плесень Aspergillus на початках кукурузы Позеленение, наряду с образованием соланина, может развиваться в неправильно хранящихся клубнях картофеля. Соланин в высокой концентрации токсичен. Фото: Dr. C. M. Christensen, Univ. of Minnesota. ; WSU; Pavalista, A. D. 2001 © 2013 American Society of Plant Biologists

Улучшенное содержание питательных веществ в растениях поможет исправить несбалансированное питание Голод Недостаток витамина A Диета в бедных странах, как правило, не сбалансирована и бедна питательными веществами. Человеку необходимы витамины и минералы, а не только калории. Анемия (маленькие дети) Изображения: Petaholmes на основе данных WHO; WHO © 2013 American Society of Plant Biologists

Практика добавки к пище витаминов (например, фолат и витамин А) и микроэлементов (железо, цинк, йод) привела к значительному снижению недоедания в большинстве стран мира. Фото: © UNICEF/NYHQ 1998 -0891/Giacomo Pirozzi © 2013 American Society of Plant Biologists

Маниок – важнейшее пищевое растение в Африке, но он беден питательными веществами обыкновенная белая разновидность Учёные недавно обнаружили разновидность маниока, которая содержит гораздо больше витамина А, чем обыкновенная разновидность. недавно открытая жёлтая разновидность Welsch, R. , Arango, J. , Bar, C. , Salazar, B. , Al-Babili, S. , Beltran, J. , Chavarriaga, P. , Ceballos, H. , Tohme, J. , and Beyer, P. Provitamin A accumulation in cassava (Manihot esculenta) roots driven by a single nucleotide polymorphism in a phytoene synthase gene. Plant Cell: tpc. 110. 077560. © 2013 American Society of Plant Biologists

Биофортификация – генетическое обогащение пищи Рис, обогащённый железом Томаты дикого типа (вверху) и обогащённые антиоксидантами Рис, обогащённый витамином A Фото: Golden Rice Humanitarian Board © 2007; Автор: ETH Zurich / Christof Sautter; Воспроизведено с разрешения Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E. , et al. , Nature Biotechnology 26, 1301 - 1308 copyright (2008). © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения дают нам больше, чем только пищу Растения: • источник новых лекарств • источник лучших волокон для бумаги и тканей • источник биовозобновляемой продукции • возобновляемый источник энергии Фото: tom donald © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения производят сотни веществ, используемых как лекарства • Кора ивы (Salix) – источник аспирина (ацетилсалициловая кислота) • Наперстянка (Digitalis purpurea) – источник сердечных гликозидов • Тихоокеанский тис (Taxus brevifolia) – источник таксола (используется в лечении рака) • Кофе (Coffea arabica) и чай (Camellia sinensis) – источники кофеина (стимулятор) © 2013 American Society of Plant Biologists

Миллионы людей умирают от малярии Регионы Земли, в которых риск развития малярии наиболее высок. Hay, S. I. , et al. , (2009) PLo. S Med 6(3): e 1000048. doi: 10. 1371/ journal. pmed. 1000048 © 2013 American Society of Plant Biologists

Кора хинного дерева содержит хинин, убивающий плазмодии Однако Plasmodium развил устойчивость к хинину, поэтому необходимы альтернативные лекарства против малярии. Рисунки: Köhler; CDC © 2013 American Society of Plant Biologists

Хинин и джин Британским солдатам в тропических странах давали таблетки с хинином для предотвращения заболевания малярией. Чтобы разбавить их горький вкус, хинин смешивали со сладкой содовой водой (тоником), а зачастую ещё и с джином – так появился джин-тоник. (Правообладатель – королевская семья Британии; Фото: Музей Войн Империи, Лондон - Q 32160) © 2013 American Society of Plant Biologists

Полынь однолетняя, Artemisia annua – новое растение для борьбы с малярией Артемизин Китайские лекари использовали полынь тысячи лет. В 1972 г. был выделен чистый артемизин – активное противомалярийное вещество. Фото: www. anamed. net © 2013 American Society of Plant Biologists

Клеточная стенка Первичная клеточная стенка построена в основном из углеводов и белков. Срединная пластинка Пектин Микрофибриллы целлюлозы Первичная клеточная стенка Плазмалемма Гемицеллюлоза Растворимые белки Некоторые клетки строят также и вторичную клеточную стенку, содержащую лигнин – нерастворимое соединение с поперечными сшивками. Фото: www. wpclipart. com/plants; Zhong, R. , et al. , (2008) Plant Cell 20: 2763 -2782. © 2013 American Society of Plant Biologists

Древесина и волокна – повсюду Одежда сделана из растительных волокон (хлопок, лён) Растительные волокна используются в производстве бумаги, а до того – папируса Холст изготовляют из льняных или конопляных волокон Древесина используется для строительства и изготовления мебели Рембрандт ван Рейн (1631) © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения поставляют волокна для производства бумаги и ткани Селекция хлопка направлена на увеличение устойчивости к вредителям и повышение продукции волокон. Фото: Chen Lab; IFPC © 2013 American Society of Plant Biologists

Недавно был секвенирован геном тополя – сырья для производства бумаги Отбеливание пульпы Пульпа имеет тёмный оттенок в основном из-за остатков лигнина. Его постепенно удаляют отбеливанием. После варки 15– 25% Лигнин O 2 Отбеливание 23– 32% Гемицеллюлозы 38– 50% Целлюлоза Эта информация будет востребована для повышения эффективности производства бумаги Фото: Chml. Tech. com © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения могут заменить нефть во многих производствах Нефть НЕ ЯВЛЯЕТСЯ возобновляемым ресурсом К сожалению, процесс превращения мёртвой органической материи в нефть занимает многие миллионы лет. А нефть заканчивается уже сейчас! creativecartoons. org. © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения могут заменить нефть во многих производствах Нефть НЕ ЯВЛЯЕТСЯ возобновляемым ресурсом К сожалению, процесс превращения мёртвой органической материи в нефть занимает многие миллионы лет. А нефть заканчивается уже сейчас! Когда я вырасту, стану ископаемым топливом creativecartoons. org. © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения могут быть источником биотоплива Сахара, крахмал и целлюлозу можно превратить в этиловый спирт Энергия Солнца Микроорганизмы ферментируют сахара в этанол, который затем отделяют из смеси воды, этанола, микробов и осадка и очищают перегонкой Изображения: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения могут быть источником биотоплива Биотопливо, получаемое из рапса, сои и водорослей, заменяет топливо, получаемое из нефти. Фото: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension. © 2013 American Society of Plant Biologists

Посадки культур на биотопливо не должны влиять на производство и цену пищевых культур Miscanthus giganteus – быстрорастущее многолетнее растение, которое используется для производства биотоплива и растёт на землях, непригодных для выращивания пищевых культур. Фото: S. Long Lab, University of Illinois, 2006 © 2013 American Society of Plant Biologists

Этанол, получаемый из клеточной стенки, – важный источник энергии Молекула целлюлозы Глюкоза лигнин Целлобиоза Целлюлоза состоит из димеров глюкозы (целлобиозы) целлюлоза Клеточная стенка из стеблей кукурузы и других сельхозотходов Этанол предобработка гемицеллюлоза Изображения: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения могут быть источником биовозобновляемых и биодеградируемых ресурсов Энергия Солнца Производство пластика из возобновляемых растительных ресурсов Фото: S. Long Lab, University of Illinois, 2006 © 2013 American Society of Plant Biologists

Растения могут быть источником биовозобновляемых и биодеградируемых ресурсов Энергия Солнца Учёные разрабатывают экономически выгодные способы получения пластмасс из растений ия ац д ио Б ра ег д Фото: S. Long Lab, University of Illinois, 2006 © 2013 American Society of Plant Biologists

Для чего изучать растения? Изучение растений пополняет наши знания об устройстве жизни в целом и помогает нам использовать растения, чтобы быть здоровыми, сытыми, одетыми и счастливыми. Оригинал: http: //www. plantcell. org/site/teachingtools/TTPB 1. xhtml Перевод: Григорий Пожванов, 2013. gregory@pozhvanov. com Согласно договору с ASPB, авторские права на перевод презентации принадлежат American Society of Plant Biologists. © 2013 American Society of Plant Biologists

“Why Study Plants? ” Created by the American Society for Plant Biology and published in the series “Teaching Tools in Plant Biology” on the website of The Plant Cell (http: //www. plantcell. org) Translated by Gregory A. Pozhvanov, Saint-Petersburg State University and Maria Prokofieva © 2013 American Society of Plant Biologists