Для чего изучать растения?

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

Растения разнообразны Зелёные водоросли Печёночники Мхи Сосудистые растения Плауны Папоротники Семенные растения Цветковые растения Голосеменные растения Травянистые растения Широко- лиственные растения Наземные растения Растения научились процветать в самых разных ландшафтах Фото: tom donaldtom donald

Растения делают нас счастливыми 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. HortScience 43: 183–187. Фото: tom donald183–187tom donald Работники, которые могут видеть растения, более довольны своей работой, чем те, кто не видит растения.

Растения – удивительные живые существа самый крупный цветок (1 м) долгожитель (5000 лет) самый большой организм (>100м) Фото: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebsma_suskaBradluke22Stan Shebs

Мы не можем существовать без растений Растения производят кислород, которым мы дышим. Растения химически запасают энергию, которую мы потребляем – как пищу или топливо. Растения продуцируют огромное количество полезных химических соединений.

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

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

Растения превращают двуокись углерода в богатые энергией молекулы, которые потребляют животные CO 2 Растения превращают газ CO 2 в сахара в процессе фотосинтеза.

Растения производят огромное количество полезных веществ витамин A витамин C ванилин кофеин морфин CO 2

Для чего изучать растения? Чтобы сохранить редкие растения и сообщества, находящиеся в опасности Чтобы знать больше об устройстве природы Чтобы лучше использовать возможности растений обеспечивать нас пищей, лекарствами и энергией Фото: tom donaldtom donald

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

Вирусы были впервые выделены из растений Вирус табачной мозаики Вирусы инфицируют человека, так же как и растения, вызывая многие заболевания, в том числе СПИД, гепатит, атипичную пневмонию, свиной грипп, рак шейки матки, ветрянку, и полиомиелит. Изображение: © 1994 Rothamsted Research

Работы Менделя, выполненные на горохе, привели к открытию законов наследования

...которые помогают в понимании болезней человека, таких, как серповидноклеточная анемия... 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 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) Работы Менделя, выполненные на горохе, привели к открытию законов наследования

Для чего изучать растения?

Население Земли растёт и растёт... Население Земли утроится с 1950 г. (2.5 млрд.) по 2020 г. (7.5 млрд.)

Население Земли растёт и растёт... Основная цель биологии растений – увеличить продуктивность; оценки показывают, что её нужно увеличить на 70% в течение следующих 40 лет.

От недоедания и голода погибает непропорционально много детей В 2004 г. в мире погибли 60 млн. человек (Source: World Health Organization, 2008)World Health Organization

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

5 млн. детей в возрасте до 5 лет погибают каждый год от недоедания и связанных с этим заболеваний. То есть каждые 6 секунд погибает один дошкольник, смерть которого можно было предотвратить. 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) От недоедания и голода погибает непропорционально много детей

Как бы отреагировал мир на болезнь, поразившую население Европы, Канады и США?

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)FAO news release,

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

Как могут помочь учёные?

создавая растения, которые: устойчивы к стрессу и засухе требуют меньше удобрений и воды устойчивы к патогенам более питательны Биологи растений могут помочь в решении проблемы голода,

Источник: IWMIIWMI Регионы физического и экономического дефицита воды Рост растений часто ограничен из-за засухи Нет/небольшой дефицит воды Физический дефицит воды Приближение к физическому дефициту воды Экономический дефицит воды Нет оценок

Засуха сопровождается повышением температуры Земли 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: m 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.

Даже средняя засуха серьёзно снижает урожай Средняя засуха снижает уровень фотосинтеза и скорость роста, тогда как сильная засуха смертельна для растений

Нам нужны растения, которые хорошо растут даже в условиях стресса Жара и засуха снижают урожай

Нужно больше площадей под сельское хозяйство Нам нужны растения, которые хорошо растут даже в условиях стресса

Жара и засуха снижают урожай Нужно больше площадей под сельское хозяйство Вырубка лесов приводит к повышению концентрации CO 2 в атмосфере Нам нужны растения, которые хорошо растут даже в условиях стресса

Изменение одного гена может увеличить устойчивость растения к засухе 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: полив после засухи хороший полив 10 дней засухи20 дней засухи засухойстойчивый дикий тип

Развитая корневая система увеличивает устойчивость к засухе проросткивзрослые растения дикий тип засухо- устойчивый засухо- устойчивый Выведение растений с большой корневой системой может помочь им расти в засушливых регионах. 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:

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 LC-USW Удобрения – ограниченный ресурс, требующий затрат энергии

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

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 AMT1-type transporters. Plant Cell 19: Большая эффективность транспортных систем корня снизит потребность в удобрениях Поглощение питательных веществ растениями можно улучшить

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 Многолетние растения поглощают воду и питательные вещества лучше, чем большинство культурных растений Фото: Jodi Torpey, westerngardeners.comwesterngardeners.com

Phytophthora infestans, вызывающая фитофтороз картофеля, снова стала угрозой. Puccinia graminis tritici, гриб, вызывающий ржавчину пшеницы, превратился в весьма агрессивную форму. Фото: Сейчас два серьёзных заболевания растений угрожают производству продуктов питания в мире

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

Идентификация генов устойчивости устойчив заражён грибом не заражён неустойчив 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 Генетики установили ген устойчивости и вводят его в пищевые сорта.

Ржавчина пшеницы – новая угроза Новый высокопатогенный штамм появился в Уганде в 1999 г. и назван Ug99. Большинство сортов пшеницы не имеют устойчивости к этому штамму. инфицированные растения пшеницы Фото: ARS USDAARS USDA

Ug99 поражает пшеницу во всём мире Эта глобальная проблема требует внимания всего мира. Споры Ug99 не обращают внимания на государственные границы... – Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) Фото: ARS USDAARS USDA

Споры Ug99 разносятся ветром Споры Ug99 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:

Споры Ug99 разносятся ветром Пшеница – основное сельскохозяйственное растение в регионах, находящихся под угрозой, особенно в бедных странах. предполагаемые пути переноса Ug99 Фото:

Международные группы учёных сотрудничают для мониторинга распространения Ug99 и создают сорта пшеницы, устойчивые к ржавчинному грибу. В настоящее время неизвестно, удастся ли создать устойчивые сорта, чтобы избежать голода... Фото: Bluemoose; FAOBluemooseFAO

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 ; ARCCornellARC

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. 2001Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.WSUPavalista, A.D Плесень Aspergillus на початках кукурузы Потери после уборки урожая могут уничтожить более 50% зерна. Биологи растений изучают способы сохранения плодов свежими после сбора Этапы позеленения Белая Роза (6.8 мкЕ×м -2 с -2 Время (дни)

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

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 /Giacomo Pirozzi© UNICEF/NYHQ /Giacomo Pirozzi

Маниок – важнейшее пищевое растение в Африке, но он беден питательными веществами Учёные недавно обнаружили разновидность маниока, которая содержит гораздо больше витамина А, чем обыкновенная 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 : tpc обыкновенная белая разновидность недавно открытая жёлтая разновидность

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

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 donaldtom donald

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)

Миллионы людей умирают от малярии Регионы Земли, в которых риск развития малярии наиболее высок. Hay, S.I., et al., Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e doi: / journal.pmed

Протист Plasmodium falciparum вызывает малярию Плазмодии внутри клетки мыши Фото: Ute Frevert; псевдоцвета: Margaret Shear.

Плазмодии передаются человеку от инфицированных комаров Фото: CDCCDC

Однако Plasmodium развил устойчивость к хинину, поэтому необходимы альтернативные лекарства против малярии. Рисунки: Köhler; CDCKöhlerCDC Кора хинного дерева содержит хинин, убивающий плазмодии

Хинин и джин (Правообладатель – королевская семья Британии; Фото: Музей Войн Империи, Лондон - Q 32160) 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.

Фото: Артемизин Китайские лекари использовали полынь тысячи лет. В 1972 г. был выделен чистый артемизин – активное противомалярийное вещество. Полынь однолетняя, Artemisia annua – новое растение для борьбы с малярией

Биологи растений создают полынь- сверхпродуцент артемизина Фото:

Растения можно заставить вырабатывать безопасные и дешёвые съедобные вакцины и антитела или?

Клеточная стенка растений поставляет прочные и долговечные материалы Древесина в основном состоит из клеточных стенок растений. Фото: tom donaldtom donald

Клеточная стенка Фото: Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20: R., et al., Первичная клеточная стенка построена в основном из углеводов и белков. Некоторые клетки строят также и вторичную клеточную стенку, содержащую лигнин – нерастворимое соединение с поперечными сшивками. Срединная пластинка Первичная клеточная стенка Плазмалемм а Пектин Микрофибриллы целлюлозы Гемицеллюлоза Растворимые белки

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

Растения поставляют волокна для производства бумаги и ткани Селекция хлопка направлена на увеличение устойчивости к вредителям и повышение продукции волокон. Фото: Chen Lab; IFPCChen LabIFPC

Недавно был секвенирован геном тополя – сырья для производства бумаги Эта информация будет востребована для повышения эффективности производства бумаги Фото: ChmlTech.comChmlTech.com Отбеливание пульпы Пульпа имеет тёмный оттенок в основном из-за остатков лигнина. Его постепенно удаляют отбеливанием. После варкиO2O2 Отбеливание 15–25% Лигнин 23–32% Гемицеллюлозы 38–50% Целлюлоза

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

Растения могут заменить нефть во многих производствах creativecartoons.org creativecartoons.org. 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

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

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

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 Посадки культур на биотопливо не должны влиять на производство и цену пищевых культур

Клеточная стенка из стеблей кукурузы и других сельхоз- отходов Этанол Изображения: Genome Management Information System, Oak Ridge National LaboratoryGenome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory Этанол, получаемый из клеточной стенки, – важный источник энергии лигнин целлюлоза гемицеллюлоза предобработка Целлюлоза состоит из димеров глюкозы (целлобиозы) ГлюкозаЦеллобиоз а Молекула целлюлозы

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

Учёные разрабатывают экономически выгодные способы получения пластмасс из растений Энергия Солнца Биодеградация Фото: S. Long Lab, University of Illinois, 2006 Растения могут быть источником биовозобновляемых и биодеградируемых ресурсов

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: Перевод: Григорий Пожванов, Согласно договору с ASPB, авторские права на перевод презентации принадлежат American Society of Plant Biologists.