Polish translation

Dlaczego badamy rośliny?
www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009
Rośliny, podobnie jak zwierzęta,
są wielokomórkowymi eukariontami
Bakterie Archeony
Grzyby
Zwierzęta
Rośliny
Wspólny przodek
Photo credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald
Rośliny są różnorodne
Paprotniki
Trawy
Dwuliścienne
Rośliny
kwiatowe
Rośliny
nasienne
Widłaki
Mchy
Szpilkowe
W toku ewolucji
rośliny przystosowały się
do życia w różnych
środowiskach.
Rośliny
naczyniowe
Wątrobowce
Rośliny
lądowe
Zielenice
Images courtesy tom donald
Rośliny poprawiają nastrój
Widok roślin
w miejscu pracy
pozytywnie
wpływa na
zadowolenie
pracowników.
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. Photo credit: tom donald
Rośliny to zadziwiające
organizmy
Największe organizmy
(> 100m)
Największe kwiaty
(~ 1m)
Najdłuższy czas
życia (~ 5000 lat)
Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs
Nie możemy żyć bez roślin
• Rośliny są głównymi
producentami tlenu,
którym oddychamy.
• Rośliny stanowią nasze
główne źródło energii
w postaci pożywienia
i paliw.
• Rośliny wytwarzają wiele
użytecznych substancji
chemicznych.
Nie możemy żyć bez tlenu!
BRAK tlenu
X
X
Joseph Priestley zauważył,
że oddychając zwierzęta
„psują” powietrze.
Zwierzę zamknięte
w szczelnym pojemniku
po pewnym czasie traci
przytomność.
Nie możemy żyć bez tlenu!
Priestley zauważył również,
że rośliny mają zdolność
„naprawiania” powietrza.
Obecnie wiemy,
że wytwarzają one tlen
jako produkt uboczny
fotosyntezy.
Produkcja
tlenu
Rośliny wiążą dwutlenek węgla i przekształcają
go w związki bogate w energię, które służą
zwierzętom jako pożywienie
CO2
Rośliny
przekształcają CO2
w cukry w procesie
fotosyntezy.
Rośliny wytwarzają niezwykłe
bogactwo związków chemicznych
CO2
witamina A
wanilina
witamina C
kofeina
morfina
Dlaczego badamy rośliny?
Aby lepiej chronić
zagrożone gatunki roślin
i ekosystemy.
Aby lepiej zrozumieć świat
organizmów żywych.
Aby lepiej wykorzystać
rośliny do produkcji
żywności, leków i energii.
Photo credit: tom donald
Badania nad roślinami dostarczają
informacji o otaczającym nas świecie
Komórki po raz pierwszy zaobserwowano w roślinach
Rysunek korka wykonany przez Roberta Hooke’a,
odkrywcy „komórek”
Fotografia komórek korka
Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D
Wirusy po raz pierwszy
wyizolowano z roślin
Wirusy atakuja nie tylko
rośliny, lecz również ludzi
wywołując wiele chorób m.in.
AIDS, żóltaczkę, SARS,
świńską grypę, raka szyjki
macicy, ospę wietrzną i polio.
Wirus mozaiki tytoniu
Image Copyright 1994 Rothamsted Research.
Badania Mendla nad grochem ujawniły
istnienie praw dziedziczenia
Badania Mendla nad grochem ujawniły
istnienie praw dziedziczenia
...które pomagają nam
zrozumieć ludzkie choroby takie
jak anemia sierpowata...
Badania Mendla nad grochem ujawniły
istnienie praw dziedziczenia
...i hemofilia oraz
niezliczone inne ludzkie
choroby o podłożu
genetycznym.
Drzewo genealogiczne rodziny, w której występuje hemofilia
Badania Mendla nad grochem ujawniły
istnienie praw dziedziczenia
Prace Mendla stanowią fundament
genetyki i hodowli roślin.
Wybitny
hodowca roślin
Norman Borlaug
1914-2009,
laureat Nagrody
Nobla z roku
1970
DLACZEGO BADAMY
ROŚLINY?
Liczba ludności na świecie
wciąż się zwiększa...
Przewiduje się
trzykrotny wzrost
światowej populacji
pomiędzy 1950
(2,5 billiona) i 2020
(7,5 billiona)
Liczba ludności na świecie
wciąż się zwiększa...
Głównym celem badań
nad roślinami jest
zwiększenie produkcji
żywności; obecnie
szacuje się, że
konieczne jest
zwiększenie produkcji
o 70% w ciągu
najbliższych 40 lat.
Niedożywienie i głód zabijają
głównie dzieci
W 2004 r. na świecie zmarło 60 milionów ludzi.
(Source: World Health Organization, 2008)
Niedożywienie i głód zabijają
głównie dzieci
10 millionów stanowiły dzieci
poniżej 5 roku życia.
99% z nich żyło w krajach
rozwijających się.
(Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)
Niedożywienie i głód zabijają
głównie dzieci
Co roku 5 millionów dzieci poniżej 5 roku
życia umiera z powodu niedożywienia.
Oznacza to, że co 6 sekund umiera
dziecko w wieku przedszkolnym,
czemu można by łatwo zapobiec.
Niedożywienie i głód zabijają
głównie dzieci
Niedobór witaminy A
zabija milion dzieci rocznie.
(Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF)
Jak zareagowałby świat na chorobę,
która dotknęłaby całą populację
USA, Kanady i Unii Europejskiej?
Rocznie ponad bilion ludzi
na świecie cierpi z powodu
chronicznego głodu
To WIĘCEJ niż cała populacja USA, Kanady i Unii Europejskiej
(Source: FAO news release, 19 June 2009)
Ponad dwa biliony ludzi rocznie
cierpi na chroniczną anemię
z powodu niedoboru żelaza
To TYLE co łączna populacja USA, Kanady, Unii Europejskiej i Chin
(Source: World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)
CO NAUKOWCY MOGĄ
NA TO PORADZIĆ?
Naukowcy badający rośliny mogą się
przyczynić do zmniejszenia problemu głodu
Poprzez tworzenie roślin, które:
 są odporne na suszę i stres
 wymagają mniej nawozów lub wody
 są odporne na patogeny
 mają większą wartość odżywczą.
Wzrost roślin jest często limitowany
przez stres suszy
Image source: IWMI
Stres suszy jest potęgowany przez
globalne ocieplenie
W ciepłych
rejonach, plony
mogą spadać
o 3-5%
wraz ze wzrostem
temperatury o 1°C
Model średniego wzrostu
temperatur w rejonach
rolniczych do 2050 r.
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
Nawet niewielki susza
zmniejsza plony
Niewielka susza hamuje wzrost
i wydajność fotosyntezy, natomiast
ekstremalna susza jest letalna.
Potrzebujemy roślin, które będą
dobrze rosły w warunkach stresowych
Wysoka temperatura
i susza zmniejszają plony
Potrzebujemy roślin, które będą
dobrze rosły w warunkach stresowych
Wysoka temperatura
i susza zmniejszają plony
Coraz większe obszary
muszą być przeznaczone
na uprawy
Potrzebujemy roślin, które będą
dobrze rosły w warunkach stresowych
Wysoka temperatura
i susza zmniejszają plony
Wycinanie lasów
powoduje wzrost ilości
CO2 w atmosferze
Coraz większe obszary
muszą być przeznaczone
na uprawy
Zmiana w pojedynczym genie może
zwiększyć odporność roślin na suszę
Odporne na suszę
Dziki typ
podlewane
10 dni suszy
20 dni suszy
po ponownym podlaniu
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.
Większy system korzeniowy
zwiększa odporność na suszę
Dziki typ
Odporne
na suszę
Dziki typ
Odporne
na suszę
Selekcja roślin
o większym
systemie
korzeniowym
umożliwia lepszy
wzrost
w rejonach
narażonych
na suszę
Siewki
Dojrzałe rośliny
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.
Nawozy są limitującym czynnikiem dla wzrostu
roślin, a ich produkcja jest bardzo energochłonna
• Uprawy wymagają nawozów
jako źródła potasu, azotu,
fosforu i innych składników
mineralnych
• Nawozy potasowe i fosforanowe
to nieodnawialne zasoby
kopalne
• Synteza nawozów azotanowych
wymaga ogromnych nakładów
energii
Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW361-374
Nawozy używane w rolnictwie są
znaczącym źródłem zanieczyszczeń
Nawozy spłukiwane z pól
powodują powstawanie
martwych stref
u wybrzeży zbiorników
wodnych.
Wywołują zakwity
glonów, których rozkład
powoduje deficyt tlenowy
i uniemożliwia życie
w wodzie.
Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio
Można zwiększyć wydajność pobierania
składników odżywczych przez rośliny
Bardziej wydajne systemy
transportu w korzeniach mogą
zmniejszyć zużycie nawozów.
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: 2636-2652.
Rośliny wieloletnie wydajniej pobierają wodę
i składniki odżywcze niż większość roślin
uprawnych
Naukowcy krzyżują
rośliny uprawne
z wieloletnimi,
aby zmniejszyć
zapotrzebowanie tych
pierwszych na wodę
i nawozy
Wes Jackson z Land Institute
prezentuje wieloletnią roślinę
Thinopyrum intermedium,
która jest spokrewniona z pszenicą
Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.com
Obecnie dwie poważne choroby zagrażają
światowym zasobom żywności
Phytophthora infestans
powoduje zarazę
ziemniaczaną, która znowu
stanowi zagrożenie
Puccinia graminis tritici,
grzyb wywołujący
rdzę źdźbłową pszenicy,
stał się wyjątkowo agresywny.
Photo credits: www.news.cornell.edu; www.fao.org
Fitoftoroza niszczy uprawy ziemniaka
Zaraza ziemnieczana
(fitoftoroza) wywoływana jest
przez Phytophthora infestans.
W latach 40. XIX w. epidemie
doszczętnie niszczyły plony
i spowodowały śmierć ponad
miliona ludzi w Europie.
Roślina
porażona
Roślina
opryskiwana
Photo credits: USDA; Scott Bauer
Identyfikacja genów odporności
na Phytophthora infestans
nieinokulowane
inokulacja grzybem
odporne
Genetycy zidentyfikowali
gen odporności
na zarazę ziemniaczaną
i wprowadzają go do
odmian jadalnych
wrażliwe
Roślina po lewej posiada gen
odporności i nie wykazuje
objawów zakażenia.
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.
Rdza źdźbłowa pszenicy stanowi
coraz większe zagrożenie
• Nowy, wyjątkowo
patogenny szczep
– Ug99 – pojawił się
w Ugandzie w 1999 r.
• Większość odmian
pszenicy nie jest na
niego odporna.
Porażona roślina pszenicy
Photo credit: ARS USDA
Ug99 zagraża uprawom pszenicy
na całym świecie
Jest to globalny
problem wymagający
globalnej uwagi.
Zarodniki Ug99 nie
zatrzymują się na
granicach...
– Organizacja Narodów
Zjednoczonych do spraw
Wyżywienia i Rolnictwa
(FAO)
Photo credit: ARS USDA
Zarodniki grzyba roznoszone są
przez wiatr
Ug99 wystepuje
w Ugandzie, Kenii, Etiopii,
Sudanie, Jemenie i Iranie.
Zagraża rejonom Bliskiego
Wschodu, wschodniej
Afryki oraz centralnej
i południowej Azji.
Na czerwono pokazano
wiatry przenoszące
zarodniki.
Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu
Zarodniki grzyba roznoszone są
przez wiatr
Pszenica jest
ważną rośliną
uprawną
w zagrożonych
rejonach,
zwłaszcza dla
najuboższych
mieszkańców.
Prawdopodobne drogi rozprzestrzeniania Ug99
Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu
Międzynarodowe zespoły
naukowców wspólnie
monitorują
rozprzestrzenianie Ug99
i pracują nad
wytworzeniem odpornych
odmian pszenicy.
Nie wiadomo, czy
odporne odmiany
powstaną dostatecznie
szybko by zapobiec
klęsce głodu…
Photo credits: Bluemoose; FAO
Naukowcy badają jak przechowywać
rośliny, aby zachowały świeżość
Po zbiorze owoce
miękną, dojrzewają
i ostatecznie gniją.
Zmiany te niekorzystnie wpływają na
wygląd owoców i ich wartość
odżywczą.
Photo credits: Cornell University ; ARC
Naukowcy badają jak przechowywać
rośliny, aby zachowały świeżość
Straty w trakcie
przechowywania zboża
mogą sięgać 50%.
Pleśń Aspergillus na kolbach kukurydzy
Nieprawidłowo przechowywane
ziemniaki zielenieją wskutek
produkcji solaniny, która w
większych ilościach jest
toksyczna.
Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001
Zwiększona zawartość składników odżywczych
w roślinach pomaga zwalczać niedożywienie
Głód
Niedobór witaminy A
Dieta najuboższych zawiera
zawyczaj niedostateczną ilość
składników odżywczych. Nasze
ciało potrzebuje nie tylko kalorii,
lecz również witamin i minerałów.
Anemia (małe dzieci)
Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO
Wzbogacanie żywności w witaminy
(takie jak kwas foliowy, wiatamina A) i mikroelementy
(takie jak żelazo, cynk, jod) znacząco zmniejszyło
niedożywienie w wielu rejonach świata.
Photo credit: © UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi
Maniok, ważna roślina uprawna w Afryce,
jest ubogi w składniki odżywcze
Standardowa
biała odmiana
Naukowcy odkryli niedawno
odmianę, która zawiera dużo
więcej witaminy A, niż ta
powszechnie uprawiana
Nowa żółta odmiana
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.
Żywność wzbogacona genetycznie
Ryż wzbogacony
w żelazo
Pomidory dzikiego typu
(góra) i wzbogacone
w antyoksydanty (dół)
Ryż wzbogacony w witaminę A
Photo credits: Golden Rice Humanitarian Board © 2007; Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission
from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E., et al., Nature Biotechnology 26, 1301 - 1308 copyright (2008).
Rośliny
zapewniają
nam nie tylko
pożywnienie
Rośliny są źródłem:
• nowych leków
• włókien do produkcji papieru i tkanin
• bioodnawialnych produktów
• odnawialnej energii.
Photo credit: tom donald
Rośliny produkują setki substancji
stosowanych jako leki lub używki
• Kora wierzby (Salix) jest źródłem aspiryny
(kwasu acetylosalicylowego)
• Naparstnica (Digitalis purpurea) jest źródłem
glikozydów nasercowych
• Cis krótkolistny (Taxus brevifolia) jest źródłem
taksolu (lek przeciwnowotworowy)
• Kawa (Coffea arabica) i herbata (Camellia sinensis)
są źródłem kofeiny (stymulant)
Malaria zabija miliony ludzi
Rejony zagrożone malarią
Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048
Pierwotniak Plasmodium
wywołuje malarię
Plasmodium
wewnątrz
komórki mysiej
Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.
Plasmodium jest przenoszony
na ludzi przez zarażone komary
Photo credit: CDC
Kora drzewa chinowego zawiera
chininę, która zabija Plasmodium
Plasmodium może jednak
wykształcić odpornośc na chininę,
więc konieczne jest znalezienie
nowych leków antymalarycznych
Image credits: Köhler; CDC
Gin i chinina?
Brytyjscy żołnierze
służący w rejonach
tropikalnych dostawali
chininę, aby
zapobiegać malarii.
Aby zamaskować
gorzki smak, chininę
rozpuszczano
w słodzonej,
gazowanej wodzie
(tonik), często
dodawano też gin
– stąd „gin z tonikiem”.
(Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160)
Artemisia annua zawiera nową
substancję antymalaryczną
artemizyna
Bylica była używana przez chińskich zielarzy od tysięcy lat.
W 1972 wyizolowano z niej aktywny składnik – artemizynę.
Photo credit: www.anamed.net
Naukowcy opracowują odmianę bylicy
o zwiększonej zawartości artemizyny
Photo credit: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/
Rośliny mogą stanowić źródło
bezpiecznych i tanich jadalnych
szczepionek i przeciwciał
czy
?
Ściany komórkowe roślin są ważnym
źródłem trwałych materiałów
Drewno
składa się
głównie
ze ścian
komórkowych
Photo credit: tom donald
Ściana komórkowa
Pierwotna ściana komórkowa składa się
głównie z cukrów i białek.
Niektóre komórki wytwarzają
sztywną ścianę wtórną, która
zawiera nierozpuszczalny,
usieciowany polimer – ligninę.
Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:2763-2782 .
Drewno i włókna roślinne są wszędzie
Odzież wykonana
z włókien roślinnych
(bawełna, len)
Włókna roślinne służą
do produkcji papieru,
a dawniej papirusu.
Płótno malarskie
z włókien lnu
lub konopi.
Budynki i meble
wykonane
z drewna
Rembrandt van Rijn (1631)
Rośliny dostarczają włókien
do produkcji papieru i tkanin
Hodowla bawełny ukierunkowana jest na zwiększenie
odporności na szkodniki oraz produkcji włókien.
Photo credits: Chen Lab; IFPC
Niedawno poznano sekwencję
genomu topoli, ważnego surowca do
produkcji papieru
Uzyskane informacje pozwolą zwiększyć
efektywność produkcji papieru.
Photo credit: ChmlTech.com
W wielu wypadkach rośliny mogą
zastąpić ropę naftową
Ropa naftowa
NIE JEST
zasobem
odnawialnym
Niestety potrzeba
milionów lat, aby martwe
organizmy przekształciły
się w ropę naftową...
która się kończy.
creativecartoons.org.
W wielu wypadkach rośliny mogą
zastąpić ropę naftową
Ropa naftowa
NIE JEST
zasobem
odnawialnym
Jak dorosnę
chcę zostać
paliwem
kopalnym!
Niestety potrzeba
milionów lat, aby martwe
organizmy przekształciły
się w ropę naftową...
która się kończy.
creativecartoons.org.
Rośliny są źródłem biopaliw
Energia
ze słońca
Cukry, skrobia
i celuloza
są przetwarzane
na etanol
na drodze
fermentacji
Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory
Rośliny są źródłem biodiesla
Biodiesel produkowany z rzepaku,
glonów i soi zastępuje konwencjonalne
paliwa otrzymywane z ropy naftowej.
Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.
Uprawa roślin energetycznych nie powinna
wpływać na produkcję i ceny żywności
Miscanthus giganteus
jest szybkorosnącą
wieloletnią rośliną
energetyczną, która
może rosnąć na
terenach niezdatnych
do uprawy roślin
jadalnych.
Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006
Etanol otrzymywany z celulozy jest
ważnym źródłem energii
Ściany
komórkowe
z łodyg
kukurydzy
i innych
odpadów
rolniczych
Etanol
Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory
Rośliny są źródłem bioodnawialnych
i biodegradowalnych materiałów
Energia
ze słońca
Plastiki z odnawialnych
materiałów roślinnych
Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006
Rośliny są źródłem bioodnawialnych
i biodegradowalnych materiałów
Energia
ze słońca
Naukowcy opracowują
opłacalne metody
wytwarzania plastiku
z roślin.
Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006
Dlaczego badamy rośliny?
Badanie roślin poszerza naszą wiedzę na temat
otaczającego świata. Wiedza ta pozwala lepiej
wykorzystywać rośliny, aby zaspokoić nasze
potrzeby – dzięki nim mamy jedzenie, schronienie,
ubranie, jesteśmy zdrowi i zadowoleni.
“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 Aleksandra Eckstain,
Faculty of Biochemistry, Biophysics
and Biotechnology,
Jagiellonian University in Kraków
www.wbbib.uj.edu.pl