Rostliny hrají na Zemi a v životě lidí i zvířat velkou roli. Svět rostlin je velmi rozmanitý a velký, takže je těžké vyjmenovat i ty, se kterými člověk ve svém životě přichází do styku. Rostlinné organismy, stejně jako zvířata, jsou ovlivňovány různými faktory prostředí. Některé z nich jsou příznivé, jiné zpomalují růst a vývoj nebo jej úplně zastavují. Ve své práci jsem se rozhodl studovat vliv jednoho z faktorů na rostlinné organismy – alkoholů nebo alkoholu. Není žádným tajemstvím, že alkoholy jsou pro člověka velmi nebezpečné, jsou to jedy. Jedním z nich je ethylalkohol. V našem světě je mnoho globálních problémů. Jedním z nich je alkoholismus. Je to velmi akutní a naléhavý problém v moderním světě. Moderní společnost se potýká s takovým problémem, jako je dětský alkoholismus. Podle statistik je rozšířený mezi středoškoláky. Tématem mé práce je studium vlivu etylalkoholu na rostlinný organismus.
Účel práce: experimentálně otestovat vliv etylalkoholu a piva na vývoj rostlin.
Cíle: 1. Prostudování literatury k identifikovanému problému.
2. Studium historie výskytu alkoholu a jeho distribuce.
3. Studujte vliv alkoholu (alkoholu) na klíčení semen a vývoj rostlin.
4. Pozorování klíčení semen a vývoje semenáčků ve vodném a alkoholovém prostředí
5.Zpracování informací ke studovanému tématu
6.Příprava prezentace o průběhu a výsledcích experimentu
Hypotéza: Je možné, že i malá koncentrace alkoholu je pro rostoucí tělo škodlivá.
1.Vliv alkoholu na živé organismy
1.1.Historie výskytu alkoholů (alkohol).
Není žádným tajemstvím, že alkoholy jsou pro člověka velmi nebezpečné, jsou to jedy. Jedním z nich je ethylalkohol. V našem světě je mnoho, mnoho globálních problémů. Jedním z nich je alkoholismus. Je to velmi akutní a naléhavý problém v moderním světě. Moderní společnost se potýká s takovým problémem, jako je dětský alkoholismus. Podle statistik je rozšířený mezi středoškoláky.
Proces alkoholového kvašení byl pravděpodobně objeven již v mezolitu (8000-6000 př. n. l.) Vinná réva byla nejčastějším zdrojem alkoholických nápojů v údolí Nilu a Mezopotámii (počátek 2000 př. n. l.). Ovoce datlové palmy a palmová šťáva byly také oblíbené rané zdroje vína. Do Evropy (nejprve do Řecka a později do Říma) se vinařství dostalo z Egypta a Mezopotámie. Proces vaření piva z obilných zrn sahá až do sumerské kultury (cca 3000 př.nl). Arabové začali získávat čistý alkohol v 6.-7. století a nazývali ho „al kogol“, což znamená „opojný“. První láhev vodky vyrobil Arab Raghez v roce 860. Šíření opilství v Rus je spojeno s politikou vládnoucích tříd. Dokonce se věřilo, že opilství je údajně starodávnou tradicí ruského lidu. Odvolávali se přitom na slova kroniky: „Zábava v Rusku je pít“.
1.2.Vliv alkoholu na člověka
Primárně jsou postiženy buňky mozkových hemisfér. Množství alkoholu v krvi je 0,04 – 0,05 %, mozková kůra se vypíná, člověk nad sebou ztrácí kontrolu, ztrácí schopnost racionálně uvažovat; Při koncentraci alkoholu v krvi 0,1 % jsou potlačeny hlubší části mozku, které kontrolují pohyby: Koncentrace alkoholu v krvi 0,2 % ovlivňuje oblasti mozku, které kontrolují emoční chování člověka; Při koncentraci alkoholu v krvi 0,3% člověk, ač při vědomí, nerozumí tomu, co vidí a slyší. Tento stav se nazývá alkoholický stupor; Obsah alkoholu v krvi 0,4 % vede ke ztrátě vědomí; Když koncentrace alkoholu v krvi dosáhne 0,6–0,7 %, může nastat smrt, ale stále nevěří, že by to teenagerům dokázalo, že alkohol je škodlivý. Je snazší prokázat tento efekt experimentálně na rostlinách jako příkladu. I to jsou živé organismy.
2. Experimentální stanovení vlivu alkoholu na vývoj rostlin.
2.1. Vliv alkoholu na vývoj útěku.
Účel experimentu: ukázat, že alkohol brzdí rozvoj úniku.
Postup pokusu: tři řízky pelargónie vložte do dvou 300 gramových sklenic s vodou. Umístíme je na světlé a teplé místo. Přidejte 3 ml vodky do jedné sklenice (vzorek 2). Začínáme pozorovat vývoj řízků a tvorbu kořenů.
1 vzorek (kontrola)
2 vzorky (experimentální)
Řízky s dobře vyvinutými listovými čepelemi, bez kořenů.
Řízky s dobře vyvinutými listovými čepelemi, bez kořenů.
Čepele listů jsou zelené, zdravé, zvětšené, kořeny se prolamují
Na čepelích listů se objevily suché hnědé skvrny a lem, řízky nerostou, jsou promáčklé, bez kořenů
Řízky jsou silné, zdravé, dobře vyvinutý kořenový systém
Voda se zakalila, spodní část řízků se rozkládá, listy odumírají, kořeny se nevytvořily.
26.10.15. října 1 byl experiment zastaven, protože experimentální vzorek se stal neživotaschopným. Vzorky č. 2 a č. XNUMX byly zasazeny do květináče se zeminou. Experimentální vzorky zemřely, ale kontrolní vzorky se stále dobře vyvíjejí.
Závěr: alkohol brzdí vývoj živých organismů, zastavuje růst rostlin a ničí živou tkáň.
2.2.Vliv piva na klíčení semen okurek.
Mnoho teenagerů věří, že pití vína a vodky je škodlivé, zatímco pivo je neškodné a dokonce obsahuje vitamíny a minerály. Ale zapomínají, že pivo je alkoholický nápoj. Pokusme se vyvrátit mýtus o prospěšnosti piva.
Účel experimentu: zkontrolovat, jak pivo ovlivňuje klíčení semen okurek
Průběh experimentu. Připravíme dva vzorky: mezi dva vatové tampony dáme pět semen okurky. První vzorek namočíme obyčejnou teplou vodou. Druhý vzorek namočíme pivem.Oba vzorky umístíme na teplé místo, pravidelně přidáváme vodu a pivo, aby nevyschly.Po týdnu se v prvním vzorku vylíhly kořeny, ve druhém vzorku nabobtnala semena, kořeny se nevylíhly, ale byly pokryty plísní.
Závěr: alkohol zabíjí zárodky rostlinných semen a zastavuje růst a vývoj rostlinného organismu.
Japonští genetici navrhli zvýšit odolnost rostlin vůči suchu pomocí etanolu. Zalévali Talovy oddenky (Arabidopsis thaliana) se slabým alkoholovým roztokem po dobu tří dnů a ukázalo se, že to rostlinám pomohlo přežít následující třítýdenní sucho. V reakci na alkohol rostlina aktivuje syntézu stresového fytohormonu, kyseliny abscisové, která pomáhá šetřit vodu a ukládat část alkoholu ve formě sacharidů a aminokyselin, říkají vědci Rostlina a Buňka Fyziologie. Vědci zopakovali některé experimenty na rýži a pšenici a také je popsali ve druhém článku publikovaném v Rostlina Molekulární Biologie, podobné experimenty na manioku (manihot esculenta) – pro všechny tři rostliny získali podobné výsledky.
Globální změna klimatu způsobila, že sucha jsou pro rostlinnou výrobu ještě závažnějším problémem. To platí zejména při pěstování plodin náročných na vodu a na sucho, jako je rýže (například kvůli suchu v jižní Evropě se předpokládá, že sklizeň rýže v Itálii v roce 2022 klesne o téměř 15 procent).
Obecně je regulace vodního metabolismu rostlinou vázána na poměr absorpce vody kořeny, spotřebu vody pro reakce světelné fáze fotosyntézy a uvolňování kapaliny průduchy a žlázami. Na tyto vazby by měla působit ochrana rostlin před stresem spojeným s dehydratací.
Ethylalkohol je známý nespecifický induktor reakce rostlin na stres. Tvoří se v pletivech vyšších rostlin, dlouho byl považován za látku zvyšující stresovou odolnost rostlin. Je důležité, aby byl alkohol málo toxický a jeho výroba byla levná. Ale mechanismy a genetický základ tohoto účinku jsou stále špatně pochopeny.
Genetici z Centra pro výzkum udržitelného rozvoje institutu RIKEN a Nagoya University pod vedením Motoaki Sekiho se rozhodli zkoumat účinky ošetření mladých rostlin různých druhů etanolem a doprovodné změny v transkriptomu. S odstupem týdne a půl publikovali dva články popisující výsledky svého výzkumu na různých rostlinách. Hlavní část experimentů byla provedena na Talově rhizoidu (Arabidopsis thaliana, oblíbená modelová rostlina s krátkým životním cyklem a velkým souborem genetických linií) a některé výsledky byly replikovány v rýži, pšenici a kasavě.
Vědci vzali 96 membránových rostlin starých 17 dní, zavlažovali je vodou nebo alkoholovým roztokem jedné ze tří koncentrací (0,23, 0,46 nebo 0,92 gramů na litr vody) po dobu tří dnů a poté je nechali tři týdny bez zalévání. Ve všech fázích experimentu byly z rostlin odebrány části kořene a výhonku, jejich transkriptom byl sekvenován a metabolom byl analyzován pomocí plynové chromatografie-hmotnostní spektrometrie. Aby bylo možné pochopit, jak je alkohol distribuován v rostlině, byla jeho část zalita roztokem 13C-ethanolu a jednotlivé části rostliny byly zkoumány pomocí13C NMR spektroskopie.
Výsledkem bylo, že po 21 dnech bez zálivky přežila jedna rostlina z 24 ve skupině s vodou, 8 ve skupině s nízkou koncentrací alkoholu, 21 ve skupině střední a 18 ve skupině s vysokou koncentrací alkoholu (p < 0,05).
Výhonky v alkoholových skupinách měly nižší rychlost růstu než kontrolní během prvních 10 dnů, ale pak rostly rychleji a jejich listy schly pomaleji. Po zalévání ethanolovým roztokem se plocha průduchových štěrbin rostlin zmenšila a teplota listů se zvýšila. Při pohledu na rostlinný fenotyp vědci předpokládali, že to bylo způsobeno změnami v aktivitě kyseliny abscisové.
Kyselina abscisová (ABA) je jedním z centrálních regulátorů adaptace rostlin na stres. Rostlina pod jeho vlivem začne méně odpařovat vodu, zpomalí růst výhonku a hlavního kořene a sníží aktivitu fotosyntézy. Navíc ABA podporuje předčasné stárnutí tkání. Zdá se, že zvýšením hladiny ABA lze nespecificky zvýšit odolnost rostlin vůči mnoha faktorům najednou a zachovat výnos. Problém je ale v tom, že přínosy dlouhodobé aktivace signální dráhy ABA jsou srovnatelné s jejím poškozením, protože snížení intenzity fotosyntézy a pomalejší růst nejsou to, co zemědělství potřebuje.
Oproti očekávání se hladina ABA v kořenech a výhoncích rostlin z hlavní a kontrolní skupiny nelišila. Poté vědci experiment s mutantními liniemi zopakovali. Ukázalo se, že u rostlin s „vypnutým“ genem abi1, zapojený do ABA signální kaskády, a u rostlin s neaktivními alkoholdehydrogenázami byla tolerance k suchu stejná, jako kdyby byly zalévány. To naznačuje, že účinnost navrhované techniky souvisí s odbouráváním alkoholu a je realizována prostřednictvím ABA.
Analýza transkriptomu ukázala, že po zavlažování a v prvních třech dnech sucha oddenky zvýšily aktivitu genů spojených se syntézou ABA a dalšího fytohormonu stresu, kyseliny jasmonové, a také jimi regulovaných transkripčních faktorů. Celkově se na vrcholu vodního stresu změnila exprese 1355 genů – zvýšila se aktivita genů spojených se syntézou fytohormonů, glykolýzou, reakcemi Krebsova cyklu, světelnými reakcemi fotosyntézy a syntézou flavonoidů.
13C NMR spektroskopie ukázala, že jeden den po zalití se 13C nachází v kořenech a výhoncích ve složení sacharidů, glycerolu, substrátů Krebsova cyklu a řady aminokyselin. Vezmeme-li v úvahu transkriptomická data, zdá se, že tyto sloučeniny byly syntetizovány z ethanolu prostřednictvím glukoneogeneze. Metabolomová analýza ukázala, že po nástupu sucha rostliny akumulovaly aminokyseliny a mono- a disacharidy v kořenech a výhoncích.
Vědci si položili otázku: pokud účinek ethanolu vyžaduje aktivitu alkoholdehydrogenázy, lze ji reprodukovat zaléváním rostliny metabolity alkoholu – acetalhehydem a kyselinou octovou? Ukázalo se, že kyselina octová také zvyšuje přežití, ale s menší účinností. Kromě toho silněji brzdil růst rostlin. Dr. Seki a jeho kolegové prokázali, že alkohol zvyšuje odolnost oddenků vůči suchu, přešli na pěstované rostliny.
Experimenty s rýží a pšeničnými klíčky byly prováděny za mírně odlišných podmínek: pšenice byla zalévána 0,23 procenta etanolu, rýže 0,46 procenta etanolu (proběhly kalibrační experimenty, které ukázaly, že tyto plodiny měly maximální odezvu). Stejně jako v hlavním experimentu trvala zálivka tři dny, ale období nedostatku vody bylo pouze čtyři dny a závěr, zda je rostlina naživu, byl učiněn o měsíc později. Nakonec 79 procent rostlin rýže přežilo sucho (a žádná v kontrolní skupině, p < 0,05), zatímco přežití pšenice se zvýšilo z 8 na 71 procent (p < 0,05).
V samostatném článku autoři publikovali výsledky experimentu etanolového ošetření manioku (maniok), rostliny velkého hospodářského významu pro země Afriky a jihovýchodní Asie. Rozdíl oproti předchozím plodinám je v tom, že u manioku se člověk zajímá o samotnou rostlinu (hlízy a listy), a ne o plody, díky čemuž je po experimentu důležité složení sacharidů rostliny.
Rostliny byly zalévány půl- nebo jednoprocentním roztokem alkoholu po dobu pěti dnů a období sucha bylo šest dnů. Všech 12 rostlin přežilo, ale po suchu měla kontrolní skupina více suchých listů a samotné rostliny obsahovaly méně vody. Hladiny peroxidu vodíku byly nižší v tkáních rostlin ošetřených ethanolem po suchu, což ukazuje na nižší úrovně oxidačního stresu. Stejně jako v pokusu na broukovi řepkovém, zalévání kasavy lihovým roztokem zvýšilo teplotu listů a snížilo rychlost transpirace a fotosyntézy. Hladiny ABA a kyseliny jasmonové v rostlinách během a po ošetření alkoholem nevykazovaly žádnou přesvědčivou jednosměrnou dynamiku.
Zalévání ethanolovým roztokem zvýšilo expresi genů spojených se signální kaskádou ABA, syntézu mono- a disacharidů a proteiny tepelného šoku. Po zalití lihovým roztokem se listy staly více škrobem a méně sacharózy než u kontrolní skupiny, ale po šesti dnech sucha tento efekt zmizel. Protože ve studii byly použity mladé rostliny s 9 listy, složení hlíz představující maximální hodnotu nebylo analyzováno.
Ukazuje se, že krátkodobá zálivka slabým roztokem etanolu zvyšuje odolnost proti suchu. Na jedné straně ethylalkohol aktivuje signální dráhy, které zvyšují odolnost rostlin vůči stresu. Na druhou stranu, poznamenávají vědci, použité rostliny neukládají energii ve formě lipidů a akumulace aminokyselin a sacharidů jim poskytuje energetickou rezervu pro případ, že by kvůli nedostatku vody nebyly dostupné světelné reakce fotosyntézy. Autoři zejména poznamenávají, že ani u jedné studované rostliny nebyl přesvědčivě prokázán dlouhodobý nárůst syntézy ABA ve všech fázích experimentu, což by mohlo snížit výnos obilnin při aplikaci metody v praxi. Kombinace transkriptomických dat a experimentů s mutantními rostlinami naznačuje, že hladina fytohormonu se pravděpodobně mění pouze v jednotlivých buňkách, například v buňkách pro ochranu průduchů.
Transkriptom a metabolom v rámci diskutovaných článků byl proveden pouze u oddenků a (do určité míry) manioku. Mechanismy vlivu etylalkoholu na stresovou odolnost rostlin jsou mnohostranné a mohou se lišit u nepříbuzných rostlin. Je důležité poznamenat, že i přes zjevnou relevanci se zatím pouze jedné výzkumné skupině podařilo systematicky publikovat pozitivní výsledky tohoto typu výzkumu. Počkáme, až bude experiment replikován jinými týmy a na jiných rostlinách.
Reakce rostlin na stres je mnohostranná a někdy neočekávaná. Například my
o tom, že můra je tak drsná, že dokáže žít i na měsíční půdě (i když její život je špatný). Zvířata také využívají reakce rostlin na stres: když čmeláci nemají dostatek pylu, oni
