Varför studera växter?

Växter, liksom de flesta djur är flercelliga eukaryoter. Bakterier Archaea Djur Växter Svampar Gemensamma förfäder Plants, animals and fungi share many cellular functions. Studying plants informs us about animals, and vice versa, because of their shared eukaryotic ancestry. Images – bacteria - Pseudomonas aeruginosa Archaea - Halobacterium sp. Fungi - Coprinus comatus Animal - Sciurus carolinensis Plant - Lathyrus odoratus Photo credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald

Växter är olika grönalger levermossor mossor kärlväxter lummerväxter ormbunkar fröväxter blomväxter barrväxter gräs Tvåhjärt-bladiga växter landväxter Växter har utvecklat förmågan att trivas i olika miljöer på land Images courtesy tom donald

Växter gör oss glada Anställda som har växter på sin arbetsplats är mer nöjda med sitt jobb, än de som inte har några växter i närheten. 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

Växter är häpnadsväckande levande organismer Största organismen (> 100m) Största blomman (~ 1m) The largest tree, General Sherman, is much larger than the largest animal, the blue whale. For more botanical record breakers see http://waynesword.palomar.edu/ww0601.htm#oldseed Rafflesia arnoldii Photo by ma_suska Pinus longaeva – bristle cone pine Sequoiadendron giganteum - giant sequoia Högsta åldern (~ 5000 år) Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs

Vi kan inte leva utan växter Växter producerar större delen av det syre som vi andas. Växter producerar större delen av den kemiskt bundna energi som vi äter och använder som bränsle. Växter producerar en häpnadsväckande blandning av användbara kemikalier.

Vi kan inte leva utan syre! Inget syre Joseph Priestley kom fram till att ett djur som andades “skadade “ luften. Ett djur som hålls instängt i ett slutet utrymme avlider till slut. X In a celebrated experiment from 1772, Joseph Priestley kept a mouse in a jar of air until it collapse because of a lack of oxygen. He found that a mouse kept with a plant would survive.

Vi kan inte leva utan syre! Syre produceras Priestley kom också fram till att växter hade förmåga att “återställa” luften. I dag vet vi att de producerar syre som en biprodukt i fotosyntesen. In a celebrated experiment from 1772, Joseph Priestley kept a mouse in a jar of air until it collapse because of a lack of oxygen. He found that a mouse kept with a plant would survive.

Växter kan binda in koldioxid i energirika molekyler som vi och andra djur kan använda som mat. CO2 Växter omvandlar koldioxidgas till socker i fotosyntesen.

Växter kan producera ett häpnadsväckande sortiment av kemikalier vitamin A vitamin C vanillin kaffein morfin CO2

Varför studera växter? För att bidra till att bevara utrotningshotade växtarter och hotade miljöer För att lära oss mer om naturen. För att bättre kunna utnyttja växternas förmågor att förse oss med mat, mediciner och energi. Photo credit: tom donald

Genom att studera växter lär vi oss att förstå vår värld Celler observerades första gången i växter. biology.clc.uc.edu/Fankhauser/Labs/Cell_Biology/Cells_Lab/CELLS.htm Fotografi av korkceller Teckning av kork av Robert Hooke, som upptäckte “celler”. Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D

Virus renades första gången från växter Virus infekterar både människor och växter och orsakar många sjukdomar, bl.a. AIDS, gulsot, Sars, svininfluensa, livmoder-halscancer, vattkoppor, och polio. (Copyright) 1994 Rothamsted Research. www.rothamsted.bbsrc.ac.uk Tobaksmosaik-virus Image Copyright 1994 Rothamsted Research.

Mendels studier av ärtor ligger till grund för ärftlighetslagarna

Mendels studier av ärtor ligger till grund för ärftlighetslagarna ...som hjälper oss att förstå sjukdomar hos människan som sicklecell-anemi...

Mendels studier av ärtor ligger till grund för ärftlighetslagarna …och blödarsjuka, samt oräkneliga andra sjukdomar som har ärftlig bakgrund. Släktträd för en familj som bär på allelen för blödarsjuka

Mendels studier av ärtor ligger till grund för ärtlighetslagarna Mendels arbete lade grunden till växtgenetiken och växtförädlingen. Den framgångsrike växtförädlaren Norman Borlaug 1914-2009, Nobelpristagare1970

VARFÖR STUDERA VÄXTER?

Jordens befolkning fortsätter att växa... Jordens befolkning förväntas tredubblas mellan1950 (2.5 miljarder) och 2020 (7.5 miljarder)

Jordens befolkning fortsätter att växa... Ett viktigt mål för växtforskningen är att öka livsmedels-produktionen. Aktuella uppskattningar visar att vi behöver öka produktionen med 70% de närmaste 40 åren.

Undernäring och svält dödar framförallt barn År 2004 dog 60 miljoner människor över hela världen. (Source:  World Health Organization, 2008)

Undernäring och svält dödar framförallt barn 10 miljoner av de som dog var barn under 5 år. Av dessa kom 99% från låg- eller medelinkomstländer (Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)

Undernäring och svält dödar framförallt barn 5 miljoner barn under 5 år dör varje år på grund av undernäring och därtill relaterade orsaker. Det betyder att ett förskolebarn dör var sjätte sekund - en död som kunde förhindrats.

Undernäring och svält dödar framförallt barn Brist på vitamin A dödar en miljon barn per år. (Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF)

Hur skulle världen reagera på en sjukdom som påverkade hela befolkningen i USA, Kanada och EU?

Globalt är det varje år mer än en miljard människor som lider av kronisk svält Det är mer än hela befolkningen i USA, Kanada och EU. (Source: FAO news release, 19 June 2009)

Mer än två miljarder människor lider av kronisk blodbrist på grund av järnbrist Det motsvarar hela befolkningen i USA, Kanada, EU och Kina tillsammans. (Source:  World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)

VAD KAN FORSKARNA GÖRA ÅT DETTA?

Växtforskare kan hjälpa till att utrota svälten Genom att utveckla växter som är toleranta mot torka eller stress behöver mindre gödsel eller vatten är motståndskraftiga mot sjukdomar är mer näringsrika

Växterna är ofta begränsade av torka Områden med fysisk eller ekonomisk vattenbrist Begränsad eller ingen vattenbrist Fysisk vattenbrist Närmar sig fysisk vattenbrist Ekonomisk vattenbrist Ej beräknad Image source: IWMI

Torkstress förvärras av globala klimatförändringar I varma regioner kan skörden minska med ~3 – 5% för varje grad som temperaturen höjs. En modell av förväntade temperaturökningar i odlade områden 2050. 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

Även mild torkstress minskar skördarna Mild torkstress minskar fotosynteshastigheten och tillväxten, medan extrem torkstress är dödligt.

Vi behöver växter som fungerar bra även vid stress Värme och torka minskar skördarna

Vi behöver växter som fungerar bra även vid stress Värme och torka minskar skördarna Nya landområden måste tas i anspråk för att odla mer

Vi behöver växter som fungerar bra även vid stress Värme och torka minskar skördarna När man fäller träd för nyodling frigörs mer CO2 till luften Nya landområden måste tas i anspråk för att odla mer

Genom att ändra en enda gen kan man öka växters torktålighet Efter bevattnng Välvattnad 10 dagars torka 20 dagars torka Tork-resistent Vildtyp 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.

Ett större rotsystem bidrar till torktolerans Plantor Vuxna plantor Vildtyp Tork- tolerant Förädling för ett större rotsystem kan hjälpa växterna att klara sig i torkutsatta områden. 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.

Handelsgödsel är en energi-krävande och begränsande resurs Grödor kräver gödsel- kalium, fosfat, kväve, och andra näringsämnen Kalium och fosfat är icke-förnybara resurser, som utvinns genom gruvbrytning Syntesen av handelskväve kräver enorma mängder energi Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW361-374

Gödselanvändning i jordbruket orsakar miljöförorening Urlakning av näringsämnen från gödsel orsakar döda zoner, på grund av algblomningar som vid nedbrytningen förbrukar syret i vattnet och omöjliggör djurliv http://www.sciencedaily.com/releases/2009/06/090618124956.htm Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio

Växternas upptagning av näringsämnen kan förbättras Mer effektiva transportsystem i roten kan minska gödselbehoven. 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.

Fleråriga växter är bättre på att ta upp vatten och näringsämnen än de flesta ettåriga grödor Forskare korsar jordbruksgrödor med fleråriga växter för att minska grödornas beroende av gödsel och vatten The enormous root system of a perennial wheat relative Thinopyrum intermedium, is held by its developer Wes Jackson. http://www.westerngardeners.com/foodshed-challenges-require-new-thinking.html Wes Jackson från Land Institute håller upp en flerårig släkting till vete, Thinopyrum intermedium Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.com

Två allvarliga sjukdomar hotar världens livsmedelstillgångar Phytophthora infestans, som orsakar potatisbladmögel, har åter dykt upp som ett hot. Svampen Puccinia graminis tritici, svartrost på vete, har utvecklat en mycket agressiv form Photo credits: www.news.cornell.edu; www.fao.org

Potatisbladmögel förstör potatisplantor Potatisbladmögel orsakas av Phytophthora infestans. På 1840-talet förstördes skördarna av sjukdomsutbrott vilket ledde till att mer än en miljon människor svalt ihjäl i Europa. Infekterad Behandlad Photo credits: USDA; Scott Bauer

Identifiering av resistensgener Inte inokulerad Inokulerad med Phytophthora Motstånds-kraftig Mottaglig Genetiker har identifierat en gen som överför motståndskraft och de introducerar den i matpotatissorter. Plantan till vänster bär på genen för motståndskraft och har inga sjukdomssymptom. 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.

Svartrost på vete är ett kommande hot En ny, starkt patogen linje utvecklades i Uganda 1999 – den kallas Ug99. De flesta vetesorter har ingen motståndskraft mot denna linje. Infekterad veteplanta Photo credit: ARS USDA

Ug99 hotar vete överallt Detta är ett globalt problem som kräver global uppmärksamhet. Sporer från Ug99 stoppas inte av nationsgränser... – United Nations Food and Agriculture Organization (FAO) Photo credit: ARS USDA

Svampen bärs av vinden Ug99 finns i Uganda, Kenya, Etiopien, Sudan, Jemen och Iran, och hotar regioner i främre Asien, Östafrika och centrala och södra Asien. Vindströmmar som bär sporer visas i rött. Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu

Svampen bärs av vinden Förmodade spridningsvägar av Ug99 Vete är den huvudsakliga grödan i flera av de hotade områdena, särskilt för de fattigaste invånarna. Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu

Internationella forskarlag samarbetar för att följa spridningen av Ug99 och utveckla vetelinjer som kan motstå svampen. Just nu är det ingen som vet om motstånds-kraftiga linjer kommer att hinna utvecklas i tid för att undvika en svält-katastrof... www.fao.org/agriculture/crops/core-themes/theme/pests/wrdgp/ug99intconf/en/ Photo credits: Bluemoose; FAO

Växtbiologer studerar hur man kan behålla växternas kvalitet efter skörd Frukter brukar mjukna, mogna och slutligen ruttna efter skörd. http://hort.cals.cornell.edu/cals/hort/research/images/postharvest.jpg http://www.arc.agric.za/institutes/infruit/main/divisions/postharvestprocessing/fruitquality.htm Dessa processer gör frukten mindre tilltalande och påverkar dess näringsvärde. Photo credits: Cornell University ; ARC

Växtbiologer studerar hur man kan behålla växternas kvalitet efter skörd Förluster efter skörd kan förstöra 50% eller mer av en spannmålsskörd Tid (dagar) Grönhetsskala Potatis som förvaras i ljus kan bli grön och producera solanin. Höga halter solanin är giftigt. Aspergillus mold growing on corn kernels. Aspergillus mögel på majskärnor Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001

Förbättrat näringsinnehåll i växter kan hjälpa till att lindra undernäring Svält Kosthållningen på existensminimum är ofta näringsfattig. Vår kropp behöver inte bara kalorier utan även vitaminer och mineralnäringsämnen. Undernäring är huvudsakligen en sjukdom kopplad till fattigdom. Vitamin A-brist Blodbrist (små barn) For permissions permissions@who.int Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO

Livsmedelsberikning med vitaminer (som folat och vitamin A) och mikronäringsämnen (som järn, zink och jod) har dramatiskt reducerat undernäringen i stora delar av världen. Photo credit: © UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi

Cassava är ett baslivsmedel i stora delar av Afrika men med lågt näringsinnehåll Vit standardsort Forskare har nyligen identifierat en sort som har betydligt högre innehåll av vitamin A än standardsorten. Nyligen upptäckt gul sort 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.

Berikning av livsmedel med hjälp av bioteknik Järn-berikat ris Vanliga tomater (överst) och tomater berikade med antioxidanter (nedtill) Vitamin A-berikat ris 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).

Växter förser oss med mer än mat är källor till nya mediciner förser oss med fibrer till papper eller tyg är källor till förnybara produkter förser oss med förnybara energikällor Photo credit: tom donald

Växter producerar hundratals ämnen som vi använder som mediciner eller stimulerande medel Sälg (Salix) – barken innehåller aspirin (acetylsalicylsyra) Fingerborgsblomma (Digitalis purpurea) – innehåller digitalis (används mot hjärtproblem) Läkeidegran (Taxus brevifolia) – innehåller taxol (för behandling av cancer) Kaffe (Coffea arabica) och te (Camellia sinensis) innehåller koffein (uppiggande)

Malaria dödar miljontals människor Citation: Hay SI, Guerra CA, Gething PW, Patil AP, Tatem AJ, et al. (2009) A world malaria map: Plasmodium falciparum endemicity in 2007. PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048 Områden i världen med störst risk för malaria. Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048

Malaria orsakas av en protozo: Plasmodium Plasmodium inuti en muscell Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear. Frevert U, Engelmann S, Zougbédé S, Stange J, Ng B, et al. (2005) Intravital Observation of Plasmodium berghei Sporozoite Infection of the Liver. PLoS Biol 3(6): e192. Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.

Plasmodium överförs till människor av infekterade myggor Photo credit: CDC

Kinaträdets bark innehåller kinin, som dödar Plasmodium Plasmodia are developing resistances to quinine, so other sources of antimalerial compounds must be found (Cinchona calisaya Wedd., quinine) from Köhler's Medizinal-Pflanzen in naturgetreuen Abbildungen mit kurz erläuterndem Texte : Atlas zur Pharmacopoea germanica Franz Eugen Köhler Plate from "Quinologie", Paris, 1854, showing bark of Quinquina calisaya (www.cdc.gov/malaria) Men Plasmodium utvecklar motståndskraft mot kinin. Därför måste vi hitta andra ämnen som är verksamma mot malaria. Image credits: Köhler; CDC

Gin och kinin? Brittiska soldater i tropiska områden fick kinintabletter för att förebygga malaria. För att maskera den bittra smaken, blandades kinin med sött, kolsyrat vatten (“tonic”) och ofta även med gin – ursprunget till “gin and tonic.” (Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160)

Sommarmalört (Artemisia annua) innehåller ett nytt verksamt ämne mot malaria Artemisinin Artemisia har använts av kinesiska medicinalväxtodlare i tusentals år. Den aktiva ingrediensen, artemisinin, renades fram 1972. Photo credit: www.anamed.net

Växtforskare tar fram Artemisia som producerar högre halter artemisin Photo credit: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/

Växter kan producera säkra och billiga ätliga vacciner och antikroppar ELLER ?

Växters cellväggar förser oss med viktiga hållbara material Trä består huvudsakligen av växternas cellväggar Photo credit: tom donald

Cellväggar Växters primära cellväggar består främst av kolhydrater och proteiner. Mitt-lamell Pektin Cellulosa mikrofibrill Primär cellvägg Plasma-membran Hemicellulosa Vissa celler producerar en stel och fast sekundär vägg som innehåller vedämnet lignin. Lignin är ett olösligt bindemedel mellan fibrerna. Lösliga proteiner Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:2763-2782 .

Trä och fibrer finns överallt Kläder tillverkas av växtfibrer (bomull, linne) Växtfibrer används för att tillverka papper och förut även papyrus. Målarduk tillverkas av lin eller hampafibrer Trä används till byggnader och möbler Rembrandt van Rijn (1631)

Växter förser oss med fibrer för papper och tyg http://cottongenomics.biosci.utexas.edu http://www.cottonpromotion.org/features/bremen/ Bomull förädlas för ökad motståndskraft mot sjukdomar och bättre fiberproduktion. Photo credits: Chen Lab; IFPC

Nyligen slutfördes sekvensanalysen av genomet hos poppel, en råvara till pappersfibrer Sekvensinformationen används för att förbättra effektiviteten i pappersproduktionen Photo credit: ChmlTech.com

Växter kan ersätta mineralolja i många produkter och för många ändamål Olyckligtvis tar det miljoner och åter miljoner år att omvandla dött organiskt material tiill olja...och oljan håller på att ta slut. Mineralolja är INTE en förnybar resurs NOTE – petroleum is mainly derived from plant products, not dinosaurs..... creativecartoons.org.

Växter kan ersätta mineralolja i många produkter och för många ändamål Mineralolja är INTE en förnybar resurs Olyckligtvis tar det miljoner och åter miljoner år att omvandla dött organiskt material till olja…och oljan håller på att ta slut. När jag blir stor vill jag bli ett fossilbränsle Please note – most oil reserves are derived from plants, not dinosaurs! creativecartoons.org.

Växter kan utgöra råvara för biobränsle Socker, stärkelse och cellulosa kan jäsas till etanol Energi från solljuset http://genomicsgtl.energy.gov/biofuels/placemat.shtml Mikroorganismer jäser socker till etanol som sedan separeras från blandningen av etanol, vatten, bakterier och andra rester och renas genom destillering Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Växter kan utgöra råvara till biodiesel Biodiesel producerat från raps, alger och sojabönor kan ersätta diesel från mineralolja. Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.

Bioenergigrödor ska inte påverka matproduktionen eller matpriserna Miscanthus giganteus (elefantgräs) är en snabbväxande flerårig bioenergigröda som växer på jordar som är olämpliga för livsmedelsproduktion. Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

Etanol från cellulosa i cellväggarna är en viktig energikälla cellulosamolekyl Cellväggar från majs-stjälkar och andra rester i jordbruket Etanol Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Växter kan vara källor till förnybara och biologiskt nedbrytbara resurser Energi från solljuset Producera plaster från förnybart växtmaterial Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

Växter kan vara källor till förnybara och biologiskt nedbrytbara resurser Energi från solljuset http://i76.photobucket.com/albums/j14/biopact/biodegradable_bags.jpg Forskare studerar kostnadseffektiva sätt att omvandla växter till plaster. Biodegradation Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

Varför studera växter? Genom att studera växter ökar vi vår kunskap om livet i allmänhet. Kunskapen hjälper oss att använda växterna för att förse oss med mat, bostäder, kläder, och för att hålla oss friska och lyckliga.

“Varför studera växter?” “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) “Varför studera växter?” Translated by Lisbeth Jonsson (Stockholm University) and Carin Jarl-Sunesson (Lund University) for the Scandinavian Society for Plant Science (SPPS)