Streszczenie
rośliny wytwarzają cukier i tlen w procesie zwanym fotosyntezą, wykorzystując światło słoneczne, wodę i dwutlenek węgla. Jest to ważny proces na Ziemi, ponieważ usuwa dwutlenek węgla z powietrza i dostarcza nam pożywienia. Fotosynteza odbywa się w małych przedziałach w komórkach roślinnych, zwanych chloroplastami. W dwuetapowym procesie rośliny uzyskują energię chemiczną ze światła słonecznego. Zgromadzona energia jest wykorzystywana w drugiej reakcji do produkcji glukozy cukrowej. Glukoza jest połączona z fruktozą, która jest cukrem owocowym, tworząc sacharozę, nasz dobrze znany cukier stołowy. Buraki cukrowe rosną około 7 miesięcy i dostarczają około 32% światowej produkcji cukru stołowego. W miarę wzrostu muszą być chronione przed chwastami i chorobami. Buraki cukrowe mogą być zbierane i przetwarzane w cukrowni w celu uzyskania cukru stołowego.
cukier jest produkowany przez rośliny
deser po obiedzie lub czekolada od naszych dziadków sprawia, że się uśmiechamy. Dzieje się tak dlatego, że nasze mózgi wymagają jednego ze składników tych słodkich potraw. Mówimy o cukrze stołowym, który jest również nazywany sacharozą. Sacharoza powstaje z dwóch prostszych cukrów: glukozy i fruktozy. Ale skąd pochodzi glukoza? W przeciwieństwie do ludzi i innych zwierząt, rośliny mogą wytwarzać glukozę w procesie znanym jako fotosynteza. Zielone części roślin wykorzystują światło słoneczne, wodę i gazowy dwutlenek węgla z powietrza do produkcji glukozy i tlenu. W ten sposób rośliny wytwarzają energię i zapewniają, że możemy oddychać świeżym, bogatym w tlen powietrzem. Ale w jaki sposób same rośliny korzystają z fotosyntezy i produkcji glukozy? Glukoza może być stosowana jako budulec chemiczny i jako dostawca energii. Rośliny wykorzystują glukozę do życia i wzrostu. Dla roślin i ludzi glukoza jest jak paliwo dla maszyny.
rośliny produkują cukier w liściach, ale te liście nie smakują słodko. To dlatego, że cukier nie pozostaje w liściach. Rośliny wykorzystują cukier do wzrostu, a także mogą być transportowane do korzeni, nasion, łodyg lub owoców do przechowywania. Dowiedzieliśmy się już, że cukier może istnieć jako cukry proste, takie jak glukoza lub fruktoza, lub jako cukier podwójny, taki jak sacharoza. Ale są też cukry, w których tysiące cząsteczek cukru są połączone, tworząc ogromną jednostkę, jak skrobia. Wszystkie te różne cukry są rodzajem składników odżywczych zwanych węglowodanami(Tabela 1).
- Tabela 1-niektóre formy węglowodanów w roślinach.
wiele roślin przechowuje cukier w postaci skrobi, podobnie jak ziemniaki. Inni przechowują cukier w postaci fruktozy lub glukozy w swoich owocach, takich jak jabłka i pomarańcze. Niektóre rośliny przechowują wysokie stężenia sacharozy. Rośliny o wysokiej zawartości sacharozy są uprawiane na cukier stołowy, którego używamy do produkcji naszych pysznych słodyczy. Na całym świecie buraki cukrowe i trzcina cukrowa są głównymi uprawami produkującymi cukier. Trzcina cukrowa potrzebuje ciepłej temperatury (25-30°C), więc roślina ta jest uprawiana w regionach subtropikalnych i tropikalnych, takich jak Brazylia i Indie. Obecnie buraki cukrowe są główną uprawą do produkcji cukru w klimacie umiarkowanym (15-25°C), szczególnie w Europie Zachodniej, Środkowej i Wschodniej, a także w Stanach Zjednoczonych, Chinach i Japonii.
światło, dwutlenek węgla i woda: źródła energii i słodyczy
dla fotosyntezy ważne są zielone części roślin. Liście są zielone, ponieważ zawierają struktury zwane chloroplastami, które mają zielony pigment, zwany chlorofilem (ryc. 1). Fotosynteza ma dwa główne etapy. W pierwszym etapie światło słoneczne świeci na liściach, a energia świetlna jest zbierana przez chlorofil w chloroplastach. Zgromadzona energia świetlna zostaje przekształcona w energię chemiczną i magazynowana w molekułach magazynujących energię. Tlen jest również wytwarzany w tym procesie i jest uwalniany przez rośliny . W drugim etapie fotosyntezy dwutlenek węgla z powietrza dostaje się do liści przez bardzo małe otwory. Wykorzystując wcześniej zgromadzoną energię chemiczną, chloroplasty przekształcają dwutlenek węgla w glukozę . Na tym etapie produkowana jest również fruktoza. Glukoza jest następnie łączona z fruktozą, tworząc sacharozę.
- Rysunek 1-uproszczona ilustracja fotosyntezy.
- wewnątrz chloroplastów w liściach światło, woda (H2O) i dwutlenek węgla (CO2) przekształcają się w energię i cukier (glukoza). Za pomocą wody światło słoneczne jest przekształcane w cząsteczki magazynujące energię w komórkach roślinnych. Energia z tych cząsteczek jest następnie wykorzystywana do tworzenia glukozy z CO2.
Co To jest burak cukrowy?
ludzie zawsze znajdowali substancje słodzące żywność. Ale w chłodnym klimacie cukier był produktem luksusowym przez wiele lat. W 1747 roku niemiecki chemik Andreas Sigismund Marggraf odkrył, że buraki produkują taki sam cukier jak trzcina cukrowa. Jego uczeń opracował techniczny proces wydobywania cukru z buraków. Pierwsza Cukrownia rozpoczęła działalność w 1802 roku. Wkrótce powstało wiele cukrowni w całej Europie.
roślina buraka cukrowego (po łacinie nazywana Beta vulgaris) ma jasnozielone liście w wzór rozety i biały, mięsisty korzeń w kształcie stożka (ryc. 2). Korzeń buraka jest narządem magazynującym, zawierającym 75% wody, ~20% cukru i składniki strukturalne zwane pulpą.
- Rysunek 2-w pełni rozwinięta roślina buraka cukrowego.
- część pod ziemią jest narządem magazynującym, zwanym korzeniem, który ma Owłosione korzenie do wchłaniania wody i składników odżywczych. Część nadziemna składa się z liści, które zawierają liczne liście ułożone w wzór przypominający rozetę.
uprawa buraków cukrowych
uprawa roślin może wydawać się prosta, ale nie jest to prawdą, jeśli chcesz uprawiać rośliny wystarczająco duże, aby wyżywić wielu ludzi. Przyjrzyjmy się, jak uprawia się buraki cukrowe (ryc. 3). Nasza podróż zaczyna się od nasion buraka cukrowego. Nasiona wysiewa się po rozgrzaniu gleby, zwykle w marcu/kwietniu. Jedno ziarno buraka cukrowego naturalnie rozwija się w wiele roślin. Do lat 70. niepotrzebne rośliny trzeba było ręcznie usuwać, aby buraki nie były zbyt zatłoczone, co było żmudną i czasochłonną pracą. Następnie hodowcy roślin mieli przełom i wprowadzili nasiona, które produkują tylko jedną sadzonkę. Hodowcy nasion, którzy produkują nasiona buraka cukrowego, pokrywają nasiona pestycydami, które chronią sadzonki przed chorobami i szkodnikami. Powlekane nasiona buraka cukrowego nazywane są pigułkami, a tabletki często mają różne kolory w zależności od hodowcy (rysunek 3A).
- Rysunek 3-uprawa buraków cukrowych.
- (a) wiosną nasiona buraka cukrowego (pokazane tutaj jako pigułki, czyli nasiona pokryte głównie substancjami chroniącymi sadzonkę przed chorobami i szkodnikami) wysiewa się z rzędu. (B, C) młode sadzonki buraków cukrowych pojawiają się i rosną. (D) gdy dziewięć lub więcej liści mają rozłożone, taproot formuje i rośnie pod ziemią do przechowywania cukru. W tym „okresie wzrostu” szczególnie pasożyty grzybicze muszą być kontrolowane, co może hamować fotosyntezę. E) w Europie Zachodniej i Środkowej buraki są zbierane od września. F) buraki są przechowywane jako stos zwany zaciskiem na granicy pola, dopóki nie zostaną przywiezione do fabryki w celu ekstrakcji cukru. Na dole widać etapy uprawy buraka cukrowego do produkcji cukru i czas, który jest naprawdę ważny dla ochrony buraków cukrowych przed chwastami, owadami i pasożytami grzybiczymi.
kiedy nasiona kiełkują, pojawiają się małe korzenie i dwa liście nasion, zwane liśćmi (ryc. 3B). Od tego momentu młoda roślina buraka cukrowego musi być chroniona przed chwastami, ponieważ chwasty konkurują o światło słoneczne i składniki odżywcze gleby. Rolnicy mogą kontrolować chwasty za pomocą motyki lub mogą używać herbicydów, które są chemikaliami, które zabijają chwasty. Jeśli rolnik nie kontroluje chwastów, małe buraki zostaną wyprzedzone, a wydajność plonu może zostać zmniejszona nawet o 80% . Buraki nie tylko muszą walczyć z konkurencyjnymi chwastami. Są również atakowane przez owady. Owady atakujące buraki można podzielić na dwie grupy: te, które bezpośrednio uszkadzają roślinę i te, które przenoszą choroby wirusowe. Na przykład mszyca Zielona (Myzus persicae) może przenosić wirusa powodującego zażółcenie liści buraka cukrowego, co hamuje fotosyntezę i zmniejsza produkcję cukru.
buraki muszą być chronione przed chorobami grzybowymi
po tym, jak w zakładzie buraków cukrowych wykształci się dziewięć lub więcej liści, powstaje „burak” lub narząd podziemny. Sacharoza produkowana w liściach jest przechowywana w burakach. Im bardziej słoneczne lato, tym więcej cukru można wytworzyć w procesie fotosyntezy. W tym czasie liście muszą być chronione przed chorobami grzybowymi, ponieważ tylko zdrowe liście mogą wykonywać fotosyntezę. Najbardziej rozpowszechnioną i destrukcyjną chorobą liści buraka cukrowego jest grzyb o łacińskiej nazwie Cercospora beticola. Początkowo widoczne są tylko małe okrągłe ciemne plamy z czerwonawą obwódką, ale grzyb wytwarza toksyczną substancję, która niszczy tkankę liści i zabija duże obszary, a nawet całe liście. Grzyb wykorzystuje martwą tkankę jako źródło pożywienia . Choroba może być zmniejszona przez uprawę buraków cukrowych tylko co 3 lata i uprawę innych roślin, takich jak zboża, w latach pomiędzy. Technika ta nazywana jest płodozmianem. Rolnicy mogą również stosować nowe odmiany buraków cukrowych tolerujące Cercospory, które mogą lepiej tolerować chorobę . Jeśli grzyb już poważnie zaatakował buraki cukrowe, można rozpylać na rośliny fungicydy, które są substancjami chemicznymi chroniącymi rośliny przed inwazją grzybów. Naukowcy badają nowe technologie mające na celu ograniczenie stosowania fungicydów. Na przykład za pomocą specjalnych kamer i systemów komputerowych choroby roślin można przewidzieć znacznie wcześniej niż gołym okiem, a rolnicy mogą stosować fungicydy w bardziej ukierunkowany sposób . Jest to również ważne dla ochrony pożytecznych zwierząt, które mają siedlisko na polach buraków cukrowych, takich jak peewit, inne ptaki gniazdujące na ziemi, zające lub króliki i owady takie jak chrząszcze, takie jak chrząszcz lady. Jednak buraki cukrowe nie kwitną, gdy są uprawiane do produkcji cukru, dlatego pola buraków cukrowych nie są atrakcyjne dla miodu, dzikich lub trzmieli.
zbiór i wydobycie cukru
jesienią, kiedy rośliny są gotowe do uprawy, rozpoczyna się zbiór buraków cukrowych. Liście buraków cukrowych są usuwane, a buraki są podnoszone z gleby przez Kombajny buraczane, z których wiele może zbierać sześć rzędów jednocześnie (rysunek 3E). Liście pozostają na polu jako naturalny nawóz. Buraki cukrowe są zbierane w stosie, zwanym zaciskiem buraczanym (ryc. 3F), gdzie czekają na przetworzenie. Buraki cukrowe są stopniowo zbierane i transportowane do fabryk, aby fabryki mogły w tym czasie stale odbierać i przetwarzać buraki cukrowe. W fabrykach cukier jest wydobywany z buraków przy użyciu wody, wapna, ciepła i wiedzy z fizyki. Średnio do wyprodukowania 1 kg cukru potrzeba od sześciu do siedmiu buraków cukrowych,co stanowi powierzchnię uprawy około 1 m2.
obecnie prawie wszystkie składniki buraków cukrowych są wykorzystywane w zrównoważonym, zamkniętym kręgu. Oprócz cukru, inne produkty z buraków cukrowych obejmują paszę dla zwierząt, bioetanol i biogaz.
Czego Się Nauczyliśmy?
w tym artykule nauczyłeś się wiele o burakach cukrowych: jak rosną, jak produkują cukier, jakie szkodniki i choroby napotykają i jak są zbierane. Uprawa buraków cukrowych jest niezwykle ważna, ponieważ zapewnia ~32% światowej produkcji cukru stołowego i jest jedyną rośliną o wysokiej zawartości sacharozy, która może być uprawiana w regionach umiarkowanych.
Słowniczek
fotosynteza: proces, w którym zielone rośliny wytwarzają energię, w postaci cukru, ze światła słonecznego, wody i dwutlenku węgla.
Chloroplast: Małe struktury wewnątrz liści, które prowadzą fotosyntezę.
chlorofil: Pigmenty wewnątrz chloroplastów, które pochłaniają energię świetlną ze światła słonecznego.
pestycydy: substancje stosowane do ochrony roślin przed chwastami, patogenami grzybiczymi i szkodnikami.
pigułka: nasiona buraka cukrowego, które są pokryte warstwą różnych substancji, głównie w celu ochrony sadzonki przed chorobami i szkodnikami.
liścień: pierwsze dwa liście, które wyłaniają się z nasion po wysiewie.
Zacisk Buraczany: Stos zebranych i oczyszczonych buraków cukrowych, bez liści, zwykle na granicy pola.
konflikt interesów
autorzy oświadczają, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.
podziękowania
autorzy dziękują Maximilianowi Müllenderowi za staranną korektę manuskryptu i pomocne komentarze.
Eberhard, S., Finazzi, G., and Wollman, F. – A. 2008. Dynamika fotosyntezy. Annu. Wielebny Genet. 42:463–515. doi: 10.1146 / annurev.genet.42.110807.091452
Prosty model odnoszący się do utraty plonów do gęstości chwastów. Ann. Appl. Biol. 107:239–52. doi: 10.1111 / j. 1744-7348. 1985.tb01567x
Weiland, J., and Koch, G. 2004. Plamistość liści buraka cukrowego („Cercospora beticola Sacc.). Mol. Plant Pathol. 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. Czujniki hiperspektralne i technologie obrazowania w fitopatologii: stan techniki. Ann. Rev. Phytopathol. 56:535–58. doi: 10.1146 / annurev-phyto-080417-050100