Abstrakti
kasvit tuottavat sokeria ja happea fotosynteesiksi kutsutussa prosessissa auringonvalon, veden ja hiilidioksidin avulla. Tämä on tärkeä prosessi maan päällä, koska se poistaa hiilidioksidia ilmasta ja tuottaa meille ravintoa. Yhteyttäminen tapahtuu kasvisolujen pienissä lokeroissa, joita kutsutaan kloroplasteiksi. Kaksivaiheisessa prosessissa kasvit saavat kemiallista energiaa auringonvalosta. Kerätty energia käytetään toisessa reaktiossa sokerin glukoosin tuottamiseen. Glukoosi yhdistetään fruktoosiin, joka on hedelmäsokeria, jolloin syntyy sakkaroosia, tunnettua pöytäsokeriamme. Sokerijuurikas kestää ~7 kuukautta kasvaa ja tuottaa ~32% maailman pöytäsokerin tuotannosta. Kasvaessaan niitä täytyy suojella rikkaruohoilta ja taudeilta. Kun sokerijuurikkaat ovat kasvaneet riittävästi, ne voidaan korjata ja jalostaa sokeritehtaassa pöytäsokerin saamiseksi.
sokeri on kasvien tuottamaa
lounaan jälkeinen jälkiruoka tai isovanhempiemme suklaa saa meidät hymyilemään. Tämä johtuu siitä, että aivomme vaativat jotakin näiden makeiden ruokien raaka-aineista. Puhumme pöytäsokerista, jota kutsutaan myös sakkaroosiksi. Sakkaroosia valmistetaan kahdesta yksinkertaisemmasta sokerista: glukoosista ja fruktoosista. Mutta mistä glukoosi tulee? Toisin kuin ihmiset ja muut eläimet, kasvit voivat tuottaa glukoosia fotosynteesiksi kutsutun prosessin kautta. Kasvien vihreät osat käyttävät auringonvaloa, vettä ja ilmasta tulevaa hiilidioksidia glukoosin ja hapen tuottamiseen. Näin kasvit tuottavat energiaa ja varmistavat, että voimme hengittää raikasta, hapekasta ilmaa. Mutta miten kasvit itse hyötyvät fotosynteesistä ja glukoosin tuotannosta? Glukoosia voidaan käyttää kemiallisena rakennusaineena ja energian toimittajana. Kasvit käyttävät glukoosia elääkseen ja kasvaakseen. Sekä kasveille että ihmisille glukoosi on kuin koneen polttoaine.
kasvit tuottavat lehtiinsä sokeria, mutta nämä lehdet eivät maistu makeilta. Tämä johtuu siitä, että sokeri ei jää lehtiin. Kasvit käyttävät sokeria kasvaakseen, ja sitä voidaan kuljettaa myös juuriin, siemeniin, varsiin tai hedelmiin varastoitavaksi. Olemme jo oppineet, että sokeri voi olla olemassa yksinkertaisena sokerina, kuten glukoosi tai fruktoosi, tai kaksinkertaisena sokerina, kuten sakkaroosi. Mutta on myös sokereita, joissa tuhannet sokerimolekyylit ovat sidoksissa toisiinsa muodostaen valtavan yksikön, kuten tärkkelys. Kaikki nämä eri sokerit ovat ravintoaineita, joita kutsutaan hiilihydraateiksi (Taulukko 1).
- Taulukko 1-jotkin hiilihydraattien muodot kasveissa.
monet kasvit varastoivat sokerinsa tärkkelyksen muodossa, kuten perunat. Toiset varastoivat sokeria fruktoosin tai glukoosin muodossa hedelmiinsä, kuten omenoihin ja appelsiineihin. Jotkin kasvit varastoivat suuria pitoisuuksia sakkaroosia. Korkean sakkaroosin kasveja viljellään pöytäsokeria varten, jota käytämme herkullisten makeisten valmistukseen. Maailmanlaajuisesti tärkeimmät sokeria tuottavat viljelykasvit ovat sokerijuurikas ja sokeriruoko. Sokeriruoko tarvitsee kasvaakseen lämpimiä lämpötiloja (25-30°C), joten tätä satoa kasvatetaan subtrooppisilla ja trooppisilla alueilla, kuten Brasiliassa ja Intiassa. Nykyään sokerijuurikas on tärkein sokerintuotantokasvi lauhkeassa ilmastossa (15-25°C), erityisesti Länsi -, Keski-ja Itä-Euroopassa sekä Yhdysvalloissa, Kiinassa ja Japanissa.
valo, hiilidioksidi ja vesi: energian ja makeuden lähteet
fotosynteesin kannalta kasvien vihreät osat ovat tärkeitä. Lehdet ovat vihreitä, koska niissä on kloroplasteiksi kutsuttuja rakenteita, joissa on vihreää pigmenttiä eli klorofylliä (Kuva 1). Yhteyttämisellä on kaksi päävaihetta. Ensimmäisessä vaiheessa auringonvalo paistaa lehdille ja kloroplastien klorofylli kerää valoenergian. Kerätty valoenergia muuttuu kemialliseksi energiaksi ja varastoituu energiaa varastoiviin molekyyleihin. Tämän prosessin aikana tuotetaan myös happea, jota kasvit vapauttavat. Fotosynteesin toisessa vaiheessa ilmasta tuleva hiilidioksidi pääsee lehtiin hyvin pienten aukkojen kautta. Aiemmin varastoidun kemiallisen energian avulla kloroplastit muuttavat hiilidioksidia glukoosiksi . Tässä vaiheessa syntyy myös fruktoosia. Glukoosi yhdistetään fruktoosiin sakkaroosin muodostamiseksi.
- Kuva 1-yksinkertaistettu kuvaus fotosynteesistä.
- lehtien sisällä olevien kloroplastien sisällä valo, vesi (H2O) ja hiilidioksidi (CO2) muuttuvat energiaksi ja sokeriksi (glukoosi). Veden avulla auringonvalo muuttuu kasvisoluissa energiaa varastoiviksi molekyyleiksi. Näiden molekyylien energia käytetään sitten glukoosin muodostamiseen CO2: sta.
mikä on sokerijuurikas?
ihmiset ovat aina löytäneet ruoka-aineita makeuttamaan. Viileässä ilmastossa sokeri oli kuitenkin luksustuote monta vuotta. Vuonna 1747 saksalainen kemisti Andreas Sigismund Marggraf havaitsi, että punajuuret tuottavat samaa sokeria kuin sokeriruoko. Hänen oppilaansa kehitti teknisen prosessin sokerin erottamiseksi punajuurista. Ensimmäinen sokeritehdas aloitti toimintansa vuonna 1802. Pian rakennettiin monia sokeritehtaita ympäri Eurooppaa.
sokerijuurikaskasvilla (latinaksi Beta vulgaris) on kirkkaanvihreät lehdet ruusukkeena ja kartiomainen, valkoinen, mehevä juuri (kuva 2). Juurikas on varastoelin, joka sisältää 75% vettä, ~20% sokeria ja rakenneosia, joita kutsutaan selluksi.
- kuva 2-täysin kehittynyt sokerijuurikas kasvi.
- maan alla oleva osa on varastoelin eli taproot, jonka karvajuuret imevät vettä ja ravinteita. Maanpäällinen osa koostuu lehdyköistä, joissa on lukuisia ruusukemaisen kuvion järjestämiä lehtiä.
sokerijuurikkaan viljely
viljelykasvien viljely voi näyttää yksinkertaiselta, mutta tämä ei pidä paikkaansa, jos haluaa kasvattaa riittävän suuren sadon monelle ihmiselle. Katsotaanpa, miten sokerijuurikasta viljellään (kuva 3). Matkamme alkaa sokerijuurikkaan siemenestä. Siemenet kylvetään, kun maa on lämmennyt, yleensä maalis-huhtikuussa. Yhdestä sokerijuurikkaan siemenestä kehittyy luontaisesti monia kasveja. 1970-luvulle asti turhat kasvit piti poistaa käsin, jotta punajuuret eivät olisi liian täynnä, mikä oli raskasta ja aikaa vievää työtä. Sitten kasvinjalostajat tekivät läpimurron ja toivat markkinoille siemeniä, jotka tuottavat vain yhden Taimen. Sokerijuurikkaan siemeniä valmistavat siemenkasvattajat päällystävät siemenet torjunta-aineilla, jotka suojaavat taimia taudeilta ja tuholaisilta. Päällystettyä sokerijuurikkaan siementä kutsutaan pilleriksi, ja pillereissä on usein eri värejä kasvattajasta riippuen (kuva 3A).
- kuva 3-sokerijuurikkaan viljely.
- (a) keväällä kylvetään peräkkäin sokerijuurikkaan siemeniä (kuvassa pillereinä, jotka ovat siemeniä, jotka on päällystetty pääasiassa Taimen tauteja ja tuholaisia vastaan suojaavilla aineilla). B, C) nuoria sokerijuurikkaan taimia syntyy ja kasvaa. D) kun vähintään yhdeksän lehteä on avautunut, muodostuu Taproot, jotka kasvavat maan alla sokerin varastoimiseksi. Tänä ”kasvukautena” on valvottava erityisesti sieniloisia, jotka voivat estää yhteyttämisen. E) Länsi-ja Keski-Euroopassa punajuuret korjataan syyskuusta alkaen. F) punajuuret varastoidaan puristimeksi kutsuttuna kasana pellon reunalle, kunnes ne tuodaan tehtaaseen sokerin uuttamista varten. Pohjalla näkyy sokerijuurikkaan viljelyn vaiheet sokerintuotannolle ja aikajänne, joka on todella tärkeä sokerijuurikkaan suojelemiseksi rikkaruohoilta, hyönteisiltä ja sieniloisilta.
kun siemenet itävät, syntyy pieniä juuria ja kaksi siemenlehteä, joita kutsutaan kotyledoneiksi (kuva 3B). Tästä lähtien nuori sokerijuurikas on suojeltava rikkaruohoilta, koska rikkaruohot kilpailevat auringonvalosta ja maaperän ravinteista. Viljelijät voivat hillitä rikkaruohoja kuokalla tai käyttää rikkaruohomyrkkyjä, jotka ovat rikkaruohoja tappavia kemikaaleja. Jos viljelijä ei saa rikkaruohoja kuriin, pikkujuurikkaat ohitetaan ja satoa voidaan vähentää jopa 80 prosenttia . Punajuurten ei tarvitse vain taistella kilpailevia rikkaruohoja vastaan. Niiden kimppuun hyökkäävät myös hyönteiset. Sokerijuurikkaan hyökkäävät hyönteiset voidaan erottaa kahteen ryhmään: ne, jotka vahingoittavat kasvia suoraan ja ne, jotka levittävät virustauteja. Esimerkiksi vihreä persikkakirva (Myzus persicae) voi levittää sokerijuurikkaan lehtien kellastumista aiheuttavaa virusta, joka estää yhteyttämistä ja vähentää sokerintuotantoa.
punajuuret on suojattava sienitaudeilta
sen jälkeen, kun sokerijuurikaskasville on kehittynyt yhdeksän tai useampia lehtiä, ”juurikas” eli maanalainen varastoelin, muodostuu. Lehdissä tuotettu sakkaroosi varastoidaan juurikkaaseen. Mitä aurinkoisempi kesä, sitä enemmän sokeria voidaan tuottaa yhteyttämällä. Tänä aikana lehdet on suojattava sienitaudeilta, koska vain terveet lehdet voivat suorittaa yhteyttämisen. Laajimmalle levinneen ja tuhoisimman sokerijuurikkaan lehtitaudin aiheuttaa sieni, jonka latinankielinen nimi on Cercospora beticola. Aluksi näkyvissä on vain pieniä pyöreitä tummia täpliä, joissa on punertava reunus, mutta sieni tuottaa myrkyllistä ainetta, joka tuhoaa lehtikudosta ja päätyy tappamaan laajoja alueita tai jopa kokonaisia lehtiä. Sieni käyttää kuollutta kudosta ravinnonlähteenään . Tautia voi vähentää viljelemällä sokerijuurikasta vain 3 vuoden välein ja kasvattamalla välivuosina muita kasveja, kuten viljaa . Tätä tekniikkaa kutsutaan viljelykierroksi. Viljelijät voivat myös käyttää uusia Cercosporaa sietäviä sokerijuurikaslajikkeita, jotka sietävät tautia paremmin . Jos sieni on jo hyökännyt pahasti sokerijuurikkaan kimppuun, kasvien päälle voidaan suihkuttaa sienimyrkkyjä, jotka ovat kemiallisia aineita, jotka suojaavat kasveja sienitartunnoilta. Tutkijat tutkivat uusia teknologioita sienimyrkkyjen käytön vähentämiseksi. Esimerkiksi erikoiskameroiden ja tietokonejärjestelmien avulla kasvitaudit voidaan ennustaa paljaalla silmällä paljon aikaisemmin kuin ne voivat, ja viljelijät voivat käyttää sienitauteja kohdennetummin . Tämä on tärkeää myös suojeltaessa hyödyllisiä eläimiä, joiden elinympäristö on sokerijuurikaspelloilla, kuten peippo, muut maassa pesivät linnut, jänikset tai jänikset sekä hyönteiset, kuten kovakuoriaiset, kuten naaraskuoriainen. Sokerijuurikas ei kuitenkaan ole kukintaa sokerintuotantoa varten kasvatettuna, joten sokerijuurikaspellot eivät houkuttele hunajaa, luonnonvaraisia mehiläisiä tai kimalaisia.
sokerin korjuu ja uuttaminen
syksyllä, kun kasvit on saatu kasvamaan, alkaa sokerijuurikkaan sadonkorjuu. Sokerijuurikkaan lehdet poistetaan ja juurikkaat nostetaan maasta juurikkaiden korjuukoneilla, joista monet voivat kerätä kuusi riviä samanaikaisesti (Kuva 3E). Lehdet jäävät pellolle luonnonlannoitteeksi. Sokerijuurikas kerätään kasaan, jota kutsutaan juurikaspuristimeksi (Kuva 3F), jossa se odottaa käsittelyä. Sokerijuurikas korjataan vähitellen ja kuljetetaan tehtaille, jotta tehtaat voivat jatkuvasti vastaanottaa ja jalostaa sokerijuurikasta tänä aikana. Tehtaissa sokerijuurikkaista uutetaan sokeria veden, kalkin, lämmön ja fysiikan tuntemuksen avulla. Keskimäärin kuudesta seitsemään sokerijuurikasta tarvitaan tuottamaan 1 kg sokeria (~2,2 lbs), jonka viljelyala on noin 1 m2.
nykyään lähes kaikkia sokerijuurikaskasvien ainesosia käytetään kestävässä, suljetussa piirissä. Sokerin lisäksi muita sokerijuurikkaasta valmistettuja tuotteita ovat eläinten rehu, bioetanoli ja biokaasu.
Mitä Opimme?
tässä artikkelissa opit paljon sokerijuurikkaista: miten ne kasvavat, miten ne tuottavat sokeria, millaisia tuholaisia ja tauteja ne kohtaavat ja miten ne korjataan. Sokerijuurikkaan viljely on erittäin tärkeää, koska se tarjoaa ~32% maailman pöytäsokerin tuotannosta ja se on ainoa korkean sakkaroosin viljelykasvi, jota voidaan viljellä lauhkeilla alueilla.
Sanasto
fotosynteesi: prosessiviherkasvit tuottavat energiaa sokerin muodossa auringonvalosta, vedestä ja hiilidioksidista.
Kloroplasti: Lehtien sisällä on pieniä rakenteita, jotka harjoittavat yhteyttämistä.
klorofylli: kloroplastien sisällä olevat pigmentit, jotka absorboivat auringonvalon valoenergian.
torjunta-aineet: aineet, joita käytetään kasvien suojaamiseen rikkakasveilta, sienipatogeeneilta ja tuholaisilta.
pilleri: sokerijuurikkaan siemen, joka päällystetään kerroksella eri aineita lähinnä Taimen suojaamiseksi taudeilta ja tuholaisilta.
Cotyledon: kaksi ensimmäistä lehteä, jotka syntyvät siemenestä kylvön jälkeen.
Juurikassara: Kasa kerättyjä ja puhdistettuja sokerijuurikkaita, lehdettömiä, yleensä pellon rajalla.
eturistiriita
kirjoittajat toteavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, joita voitaisiin pitää mahdollisena eturistiriitana.
kiitokset
kirjoittajat kiittävät Maximilian Müllenderiä käsikirjoituksen huolellisesta oikoluvusta ja hyödyllisistä kommenteista.
Eberhard, S., Finazzi, G., and Wollman, F.-A. 2008. Fotosynteesin dynamiikkaa. Annu. Pastori Genet. 42:463–515. doi: 10.1146 / annurev.genet.42.110807. 091452
Cousens, R. 1985. Yksinkertainen malli, joka liittyy sadon menetykseen rikkakasvien tiheyteen. Ann. Appl. Biol. 107:239–52. doi: 10.1111 / j. 1744-7348. 1985.tb01567.x
Weiland, J., and Koch, G. 2004. Sugarbeet leaf spot tauti (Cercospora beticola Sacc.). Mol. Istuta Patoli. 5:157–66. doi: 10.1111 / j.1364-3703.2004. 00218.x
Mahlein, A.-K., Kuska, M. T., Behmann, J., Polder, G., and Walter, A. 2018. Hyperspektraaliset anturit ja kuvantamistekniikat fytopatologiassa: uusinta teknologiaa. Ann. Rev. Phytopatol. 56:535–58. doi: 10.1146 / annurev-phyto-080417-050100