Кіріспе
Абиоттық стресс – белгілі бір ортадағы тірі организмдерге тірі емес факторлардың тигізетін теріс әсері. Тірі емес факторлардың өзгеріс диапазонынан тыс ортаға әсер етуі, организмнің жеке физиологиясына немесе популяцияның өнімділігіне елеулі түрде зиян келтіруі керек. Биотикалық стресске саңырауқұлақтар немесе зиянды жәндіктер сияқты тірі организмдердің тудырған бұзылыстары жатады, ал абиоттық стресс факторлары немесе стрессорлар табиғи, көбінесе көзге көрінбейтін және жансыз факторлар болып табылады, мысалы, күшті күн сәулесі, температура немесе жел, олар зардап шеккен аймақтағы өсімдіктер мен жануарларға зиян келтіруі мүмкін. Абиоттық стресске толығымен дерлік жол беру мүмкін емес. Абиоттық стресс жануарларға да әсер етеді, бірақ өсімдіктер қоршаған орта факторларына ерекше, тіпті толық тәуелді болғандықтан, ол олар үшін айқын шектеу болып табылады. Абиоттық стресс – бүкіл әлемдегі егістердің өсуі мен өнімділігіне қатысты ең зиянды фактор. Зерттеулер көрсеткендей, абиоттық стрессорлар ең зиянды әсерін бірнеше абиоттық стресс факторларының бірдей кездесуінен көрсетеді.
Abiotic stress is the negative impact of non living factors on the living organisms in a specific environment. The non living variable must influence the environment beyond its normal range of variation to adversely affect the population performance or individual physiology of the organism in a significant way. Whereas a biotic stress would include living disturbances such as fungi or harmful insects, abiotic stress factors, or stressors, are naturally occurring, often intangible and inanimate factors such as intense sunlight, temperature or wind that may cause harm to the plants and animals in the area affected. Abiotic stress is essentially unavoidable. Abiotic stress affects animals, but plants are especially dependent, if not solely dependent, on environmental factors, so it is particularly constraining. Abiotic stress is the most harmful factor concerning the growth and productivity of crops worldwide. Research has also shown that abiotic stressors are at their most harmful when they occur together, in combinations of abiotic stress factors.
Артықшылықтары
Абиотикалық стресс экожүйеде конструктивті рөл атқаратын жағдайдың бір мысалы – табиғи орман өрттері. Олар адам қауіпсіздігіне қауіп төндірсе де, жаңа организмдер өсіп, дамуы үшін мұндай экожүйелердің ара-арасында күйіп кетуі тиімді. Экожүйе үшін пайдалы болғанымен, орман өрті әлі де абиотикалық стрессор ретінде қарастырылуы мүмкін, себебі ол аумақтағы жеке организмдерге анық стресс түгізеді. Көмірленген әрбір ағаш және құстардың жойылған әрбір ұясы – абиотикалық стрестің белгісі. Дегенмен, ірі масштабта табиғи орман өрттері – абиотикалық стрестің позитивті көрінісі. Абиотикалық стрестің пайдасын іздегенде, бір құбылыстың бүкіл экожүйеге бірдей әсер етпеуі мүмкін екенін ескеру қажет. Мысалы, су тасқыны белгілі бір аймақта төмен өсетін көптеген өсімдіктерді құртады, бірақ егер онда күріш болса, ол ылғалды жағдайда жақсы өседі. Тағы бір мысал – фитопланктон және зоопланктон. Көбінесе, осы екі түрдің организмдері үшін бірдей жағдайлар стресс туғызады. Олар ультракүлгін сәулелерге және көптеген уыттарға ұшырағанда ұқсас реакция көрсетеді, бірақ температура жоғарылағанда фитопланктонға кері әсер етеді, ал термофильді зоопланктон температураның өсуіне оң реакция жасайды. Олар бір ортада тіршілік ете алады, бірақ аумақтың температурасының көтерілуі тек бір организм үшін стресс тудырады.
Залалдар
Абиотикалық стресспен байланысты ең айқын зиян – ауыл шаруашылығы саласында. Бір зерттеуде абиотикалық стресс басқа факторлардың барлығынан көп өнімді жоғалтуға себеп екендігі, ал негізгі дақылдардың көпшілігінің өнімділігі әлеуеттік мүмкіндігінен 50%-дан астамға төмендейтіні көрсетілген. Абиотикалық стресс зиянды фактор ретінде қарастырылғандықтан, осы мәселені зерттеу жұмыстары кең көлемде жүргізілуде. Абиотикалық стрестің зиянды әсерлері туралы толық ақпарат алу үшін төмендегі өсімдіктер мен жануарларға арналған бөлімдерге жүгініңіз.
Өсімдіктерде
Өсімдіктің абиотикалық стресске қарсы қорғанысының бірінші қадамы – оның тамырларында. Егер өсімдік өсетін топырақ сау және биологиялық түрлі болса, өсімдік стрестік жағдайларда тірі қалу мүмкіндігі артады. Абиотикалық стресске, мысалы, жоғары тұздылыққа жауап ретінде өсімдік жасушасының цитоплазмасындағы Na+/K+ арақатынасы бұзылады. Мысалы, Na+ концентрациясының жоғары болуы өсімдіктің суды сіңіру қабілетін төмендетіп, ферменттер мен тасымалдаушылардың жұмысын өзгерте алады. Жасүектік иондық гомеостазды тиімді қалпына келтіруге қабілетті эволюциялық бейімделулер стресске төзімді өсімдіктердің кең ассортиментіне әкелді. Өсімдіктердің түрлері арасындағы өзара әрекеттесу, немесе фасилитация, табиғи ортадағы күрделі байланыстар желісі болып табылады. Бұл – өсімдіктердің бірлесіп жұмыс істеу жолы. Жоғары стрестік аймақтарда фасилитация деңгейі де жоғары болады. Бұл, мүмкін, өсімдіктердің қатал ортада тірі қалу үшін күштірек желіге мұқтаж болуымен байланысты, сондықтан түрлер арасындағы өзара әрекеттесулер, мысалы, жарықшалау немесе өзара пайдалы іс-әрекеттер, олардың тіршілік ортасының қиындығына төтеп беру үшін жиірек кездеседі. Өсімдіктер бір-бірінен, тіпті бір аймақта өсетін өсімдіктерден де әртүрлі бейімделуге қабілетті. Өсімдіктердің әртүрлі түрлерінің тобы құрғақшылық немесе суық сияқты әртүрлі стресс сигналдарына реакция жасағанда, әр өсімдік ерекше жауап береді. Жауаптардың көп бөлігі ұқсас болмайды, тіпті өсімдіктер дәл сол ортаға бейімделгенімен. Серпентин топырағына бейімделген өсімдіктердің мысалы – металлофиттер немесе гипераккумуляторлар, олар тамырдан гөгежүрекке ауысу арқылы (яғни, өсімдіктің өзіне емес, гөгежүрекке сіңіріледі) ауыр металдарды сіңіру қабілетімен белгілі. Олар сондай-ақ ауыр металдардан уытты заттарды сіңіруге қабілетті. Химиялық дайындама абиотикалық стресске төзімділікті арттыру үшін ұсынылған. Бұл әдіс вакцинацияға ұқсас, онда өсімдікке стресс тудыратын химиялық заттардың қысқа дозалары енгізіледі, осылайша өсімдік қорғаныс механизмдерін дайындауға бастайды. Нәтижесінде, абиотикалық стресс пайда болған кезде өсімдік қорғаныс механизмдерін дайындаған болады, оларды жылдам қосуға болады және төзімділікті арттырады. Биотикалық стресстерге, мысалы, флоэмамен қоректенетін жәндіктердің шабуылына бұрынғы әсер ету де өсімдіктерде абиотикалық стресстерге төзімділікті арттыратыны көрсетілген.
Азық-түлік өндірісіне әсері
Абиотикалық стресс көбінесе ауыл шаруашылығында қолданылатын өсімдіктерге әсер етеді. Жағымсыз жағдайлардың кейбір мысалдары (климаттың өзгеруімен туындауы мүмкін) – жоғары немесе төмен температура, құрғақшылық, тұздылық және токсиндер. Күріш (Oryza sativa) – классикалық мысал. Күріш – бүкіл әлемде, әсіресе Қытай мен Үндістанда негізгі тағам. Күріш өсімдіктері құрғақшылық және жоғары тұздылық сияқты әртүрлі абиотикалық стресске ұшырауы мүмкін. Бұл жағдайлар күріш өніміне кері әсер етеді. Молекулалық маркерлерді пайдалана отырып, әртүрлі генотиптері бар күріш сорттарының генетикалық әртүрлілігі зерттелді. Құрғақшылық бұршақ өнімін зақымдайды. Бұршақ – әлемдегі ең маңызды тағамдардың бірі. Жүгері дақылдарына жоғары температура мен құрғақшылық әсер етуі мүмкін, бұл өсімдіктердің нашар дамуына байланысты жүгері дақылдарының жойылуына әкеледі. Нақтырақ айтқанда, бұл құбылыс әлемдегі суармалы ауыл шаруашылығы жерлерінің 19,5%-ына және суармалы емес (құрғақ) ауыл шаруашылығы жерлерінің 2,1%-ына қауіп төндіреді. Топырақтың жоғары тұздылығы өсімдіктерге зиянды болуы мүмкін, өйткені суда еритін тұздар осмостық потенциал градиенттерін өзгерте алады және нәтижесінде көптеген жасушалық функцияларды тежеуі мүмкін. Мысалы, топырақтың жоғары тұздылығы өсімдіктің суды сіңіруін шектеп, фотосинтез процесін тежеуі мүмкін; топырақтағы суға ерігіш тұздардың жоғары деңгейі топырақтың осмостық әлеуетін азайтады және осылайша топырақ пен өсімдіктің тамырлары арасындағы су әлеуетінің айырмашылығын азайтады, осылайша H2O-дан P680-ге дейін Фотожүйе II реакциялық орталығында электрон ағынын шектейді. Ұрпақтар бойы көптеген өсімдіктер тұздылықтың әсеріне қарсы тұру үшін әртүрлі механизмдерді жасап, мутацияға ұшырады.
Өсімдіктердегі фосфатты аштық
Фосфор (P) өсімдіктердің өсуі мен дамуы үшін қажетті макроэлемент болып табылады, бірақ ол әлемнің көп бөлігіндегі топырақта шектеулі мөлшерде ғана кездеседі. Өсімдіктер P-ді негізінен ерігіш бейорганикалық фосфаттар (PO4−−−) түрінде пайдаланады, бірақ топырақта ерігіш PO4−−− жеткіліксіз болғанда абиотикалық стресске ұшырайды. Фосфор сілтілі топырақта Ca және Mg-мен, ал қышқыл топырақта Al және Fe-мен ерімейтін кешендерді құрайды, бұл фосфорды өсімдік тамырлары үшін қолжетімсіз етеді. Топырақта биожетімді P шектеулі болған кезде, өсімдіктер абиотикалық стрестің айқын белгілерін көрсетеді, мысалы, қысқа негізгі тамырлар, көптеген бүйірлік тамырлар мен тамыр түктері фосфатты сіңіру үшін көбірек беттік аумақты қамтамасыз етеді, сондай-ақ фосфорлы қосылыстардан фосфатты босату үшін органикалық қышқылдар мен фосфатаза бөлінеді, осылайша өсу кезеңіндегі өсімдік мүшелеріне қолжетімді етеді. PHR1, MYB-ға байланысты транскрипциялық фактор, өсімдіктердегі фосфор аштығына жауаптың басты реттеушісі екені көрсетілген. PHR1 фосфор тапшылығы стресі кезінде липидтер мен метаболиттердің кең ауысуын реттейді.
Құрғақшылық стрессі
Құрғақшылық стресі, табиғи түрде су тапшылығы ретінде анықталған, ауыл шаруашылығындағы егін шығындарының басты себебі болып табылады. Өйткені су өсімдіктердің өсуіндегі көптеген маңызды процестер үшін қажет. Соңғы жылдары құрғақшылық стресімен күресудің жолын табу ерекше маңызды болды. Жауын-шашынның азаюы және оның салдарынан құрғақшылықтың күшеюі, жаһандық жылынудың артуына байланысты болашақта өте мүмкін. AQP және ABA гормонының механизмдерін түсіну арқылы ғалымдар болашақта құрғақшылыққа төзімді өсімдіктерді өсіруге жақын болады. Қызығы, үнемі құрғақшылыққа тап болатын өсімдіктерде белгілі бір "есте сақтау" қабілеті бар екені анықталды. Томбези және авторлар тобының зерттеуі, бұрын құрғақшылыққа ұшыраған өсімдіктердің судың жоғалуын азайту және су пайдалануын төмендету үшін белгілі бір стратегияны қолдана алатынын көрсетті. Олар құрғақшылық жағдайына тап болған өсімдіктердің жапырақ саңылауларын (стомата) реттеу әдісін және өсімдіктің осалдығын азайту мақсатымен "гидравликалық қауіпсіздік маржасы" деп аталатын нәрсені өзгерткенін анықтады. Жапырақ саңылауларын және одан кейін булануды реттеу арқылы өсімдіктер су жетіспеген кезде тиімдірек жұмыс істей алды.
Құрып бара жатқан түрлерде
Биологиялық әртүрлілік көптеген нәрселермен анықталады, соның бірі – абиотиктік стресс. Егер орта тым қатал болса, биологиялық әртүрлілік төмендеуге бейім. Егер аймақта абиотиктік стресс күшті болмаса, биологиялық әртүрлілік әлдеқайда жоғары болады. Бұл тұжырым абиотиктік стресс пен сирек кездесетін түрлердің арақатынасын түсінуге жетелейді. Әртүрлі орталарда жүргізілген байқаулар бойынша, абиотиктік стресс деңгейі жоғарылаған сайын түрлердің саны азаяды. Бұл, абиотиктік стресс ерекше қатал болған жағдайларда түрлердің саны азайып, популяциясы қауіп астында болуы, жойылуға жақын тұруы және тіпті жойылып кетуі мүмкін екенін білдіреді.