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36.5: Reaktionen auf Dürre und Überschwemmungen
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Responses to Drought and Flooding
 
PROTOKOLLE

36.5: Responses to Drought and Flooding

36.5: Reaktionen auf Dürre und Überschwemmungen

Water plays a significant role in the life cycle of plants. However, insufficient or excess of water can be detrimental and pose a serious threat to plants.

Under normal conditions, water taken up by the plant evaporates from leaves and other parts in a process called transpiration. In times of drought stress, water that evaporates by transpiration far exceeds the water absorbed from the soil, causing plants to wilt. The general plant response to drought stress is the synthesis of hormone abscisic acid that keeps stomata closed and reduces transpiration. Additionally, plants may respond to extreme water insufficiency by shedding leaves. This method, however, reduces photosynthesis and consequently hampers plant growth.

Mitigation of drought stress in plants by microbes

Drought stress limits the growth and productivity of plants in arid and semi-arid regions. However, certain microbes present in the vicinity of plants may release physical and chemical signals that induce changes related to plant defense under drought conditions. For example, the soil bacterium Paenibacillus polymyx is reported to induce drought tolerance in Arabidopsis. The most significant effect of this bacteria was observed in the growth of legumes under water stress. Leguminous plants depend on soil rhizobium for nitrogen fixation - but rhizobia are extremely sensitive to drought stress, resulting in very low nitrogen fixation. However, soil mixed with P. polymyx resulted in increased nitrogen fixation by rhizobium and increased growth of the bean plant.

Excess water is equally as disastrous to plants as a lack of water. Too much water can suffocate plants by reducing air spaces in the soil, thereby restricting oxygen needed for cellular respiration. Certain woody plant species respond to flood conditions by developing hypertrophic growth that appears as swelling of tissues at the stem base. This hypertrophic growth may aid in the downward diffusion of oxygen as well as potential venting of toxic compounds (carbon dioxide, methane, and ethanol) formed from anaerobic metabolism. Other adaptive responses to flood stress include the formation of adventitious roots, increases in root porosity via specialized cells called aerenchyma cells, and a suberized exodermis to prevent loss of oxygen.

Wasser spielt eine wichtige Rolle im Lebenszyklus von Pflanzen. Unzureichendes oder überschüssiges Wasser kann jedoch schädlich sein und eine ernsthafte Bedrohung für Pflanzen darstellen.

Unter normalen Bedingungen verdunstet das von der Pflanze aufgenommene Wasser aus Blättern und anderen Teilen in einem Prozess, der Transpiration genannt wird. In Zeiten von Dürrestress übersteigt Wasser, das durch Transpiration verdunstet, bei weitem das aus dem Boden aufgenommene Wasser, wodurch Pflanzen verwelken. Die allgemeine pflanzliche Reaktion auf Dürrestress ist die Synthese von Hormon-Abscisinsäure, die Stomata geschlossen hält und die Transpiration reduziert. Darüber hinaus können Pflanzen auf extreme Wasserinsuffizienz reagieren, indem sie Blätter vergießen. Diese Methode reduziert jedoch die Photosynthese und behindert somit das Pflanzenwachstum.

Abschwächung von Dürrestress in Pflanzen durch Mikroben

Dürrestress begrenzt das Wachstum und die Produktivität von Pflanzen in trockenen und halbtrockenen Regionen. Bestimmte Mikroben, die sich in der Nähe von Pflanzen befinden, können jedoch physikalische und chemische Signale freisetzen, die Veränderungen im Zusammenhang mit der Pflanzenverteidigung unter Dürrebedingungen induzieren. Zum Beispiel, das Bodenbakterium Paenibacillus polymyx wird berichtet, Dürretoleranz bei Arabidopsis induzieren. Die signifikanteste Wirkung dieser Bakterien wurde beim Wachstum von Hülsenfrüchten unter Wasserstress beobachtet. Hülsenfrüchte pflanzen hängen von Bodenrhizobium für Stickstofffixierung - aber Rhizobia sind extrem empfindlich gegen Trockenheit Stress, was zu einer sehr niedrigen Stickstofffixierung. Allerdings führte der mit P. polymyx vermischte Boden zu einer erhöhten Stickstofffixierung durch Rhizobium und einem erhöhten Wachstum der Bohnenpflanze.

Überschüssiges Wasser ist für Pflanzen ebenso katastrophal wie Wassermangel. Zu viel Wasser kann Pflanzen ersticken, indem es die Lufträume im Boden reduziert und dadurch den Sauerstoffbedarf für die zelluläre Atmung einschränkt. Bestimmte holzige Pflanzenarten reagieren auf Hochwasserbedingungen, indem sie ein hypertrophes Wachstum entwickeln, das als Schwellung des Gewebes an der Stammbasis erscheint. Dieses hypertrophe Wachstum kann bei der Abwärtsdiffusion von Sauerstoff sowie bei einer möglichen Entlüftung toxischer Verbindungen (Kohlendioxid, Methan und Ethanol) aus dem anaeroben Stoffwechsel helfen. Andere adaptive Reaktionen auf Hochwasserstress sind die Bildung von zufälligen Wurzeln, Erhöhung der Wurzelporosität über spezialisierte Zellen genannt Aerenchymzellen, und eine suberisierte Exodermis, um Sauerstoffverlust zu verhindern.


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