EDITORIAL J. Krekule, L. Nátr... 4

O

Obsah EDITORIAL J. Krekule, L. Nátr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

SEMINÁ¤E Celostátní semináfie experimentální biologie v Praze, nová tradice? (J. Albrechtová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Semináfi „Ekozemûdûlství v kontextu souãasné biologie“ Ekozemûdûlství v kontextu souãasné biologie rostlin: 13. 1. 2009 (J, Albrechtová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ekologické zemûdûlství v kontextu s konvenãními a GM technologiemi: existují i odborné dÛvody pro jejich „inkompatibilitu? (Z. Opatrn˘) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VyuÏívání geneticky modifikovan˘ch organismÛ z pohledu ekologického zemûdûlství (P. Kuchtová) . . . . . . . . . . . . . . . Moderní ‰lechtûní rostlin a molekulární biologie (P. Sm˘kal) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konvenãní zemûdûlství: Z ãeho vychází a co poskytuje (L. Nátr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V˘sledky patnáctiletého v˘zkumu v ekologickém zemûdûlství (J. Petr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Semináfi „Zabezpeãení produktÛ fotosyntézy ve formû potravin a energie v 21. století“ Semináfi k 75. narozeninám prof. Lubomíra Nátra, pfiedsedy âSEBR „Zabezpeãení produktÛ fotosyntézy ve formû potravin a energie v 21. století“ 26. 5. 2009 (J. Albrechtová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chloroplasty: bez nich nebude chleba ani ãistá voda (strukturní a funkãní základ fotosyntézy) (J. Hudák) . . . . . . Atmosféra-List-Fotosyntéza-âlovûk. Vybrané interakce. (Jak mûníme fotosyntézu listu a jak fotosyntéza listu mûní nás) (J. ·antrÛãek) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proã potfiebuje lidstvo lesy? (M. Marek) . . . . . . . . . . . . . . .

7

9

10 14 26 32 35

45 46

49 56

KONFERENCE Setkání nadûjného mládí rostlinné fyziologie nad odhalováním tajemství rostlin (H. Vla‰ínová) . . . . . . . . . . âo sa dialo na konferencii doktoradov v Brne: retrospektíva (A. Pavloviã) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura a funkce antarktick˘ch terestrick˘ch ekosystémÛ Postfiehy a poznatky z elektronické konference, Brno, 22. – 23. 9. 2009 (M. Barták) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63 64

67

ROZLOUâENÍ Ivan ·etlík (O. Prá‰il) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vzpomínka na Normana Borlauga (T. Vejvodová) . . . . . . . . .

69 71 1

O

Obsah Vzpomínka na Jaroslava Mináfie (F. Plhák, M. Kumerová, J. Dubová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

RÒZNÉ Pûta‰edesátiny Ing. Jifiího Hfiiba, CSc. (J. Havel) . . . . . . . . . . . Blanka âermáková, padesát let ve sluÏbách âSAV/AV âR (J. Krekule) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73 74

DIPLOMOVÉ A DISERTAâNÍ PRÁCE Some molecular and biochemical aspects of chlorophyll biosynthesis in calli cultures of norway spruce (Picea abies (L.) KARST.) and larch (Larix decidua MILL.) (R. Balátová) . . . Chlorophyll biosynthesis in the dark-grown seedlings of Pinus mugo Tirra and Pinus silvestris L. (K. Breznenová) . . . Characterization of heavy metal hyperaccumulator Thlaspi caerulescens from Banská ·tiavnica (D. Masaroviã) . . . Changes of photosynthetic apparatus in Larix decidua Mill and Picea abies (L.) Karst in different conditions of irradiation after exogenous application of 5-aminolevulinic acid (N. Maximová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Influence of galactoglucomannan oligosaccharides on mung bean (Vigna radiata (L.) Wilczek) plants grown in hydroponics (D. Richterová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Photosynthesis of carnivorous plants in response to nutrient uptake (L. Singerová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Toxic effects of aluminium on growth and morphology of Arabidopsis thaliana root and root hairs (E. Súkupová) . . . . Expression of the Light-Independent Protochlorophyllideoxidoreductase in Physcomitrella patens (V. ·inská) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Physiological adaptations of Arabidopsis sp. to toxic concentrations of essential heavy metals (E. Valaseková) . . . . Study of the genes responsible for chlorophyll biosynthesis in the dark (V. Demko) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Study of mustard (Sinapis alba L.) seedlings regeneration after antibiotics treatment (A. Machlicová) . . . . . . . . . . . . . . . The development and function of endodermal cells of Arabidopsis thaliana primary roots (M. Martinka) . . . . . . . . Chlorophyll biosynthesis and photosynthesis in seedlings of gymnosperm species (A. Pavloviã) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparative study of Thlaspi spp. roots in relation to metal hyperaccumulation (I. Zelko) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activation of non-photochemical quenching mechanisms of absorbed light energy in lichen thalli exposed to desiccation stress (A. Moudrá) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76 78 79

80

81 83 85

86 87 89 91 93 95 98

99 2

O

Obsah Studium prÛbûhu lignifikace xylému u transgenních rostlin tabáku Nicotiana tabacum s modulovanou biosyntézou cytoki ninÛ (V. Protivová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . The effects of arbuscular mycorrhizal fungi and rhizosphere bacteria on maize (Zea mays L.) growth (M. Rozmo‰) . . . . . . Vliv iontÛ tûÏk˘ch kovÛ na kulturu léãivé rostliny klanopra‰ky ãínské in vitro (Z. Tesafiíková) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Study of orchid mycorrhiza using fungicides (K. BaláÏová) . . . The use of in vitro cultures for effect assessment of persistent organic pollutants on plants (L. VáÀová) . . . . . . . . . . . . . . . . . Non-metabolic use of solar energy in plants (A. Rej‰ková) . . . Studium funkce rodiny hybridních prolinem bohat˘ch proteinÛ (L. Dvofiáková) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Studium metabolismu polyaminÛ v bunûãném dûlení a jejich úloha ve fyziologick˘ch pochodech rostlin (L. Gemplerová) . . . Úloha karotenoidÛ v prÛbûhu ontogeneze vy‰‰ích rostlin a adaptace ke stresov˘m podmínkám (D. Haisel) . . . . . . . . . . Study of coniferous needles in relation to environmental factors using approaches of quantitative anatomy and laboratory spectroscopy (Z. Lhotáková) . . . . . . . . . . . . . . Effect of cytokinin deficiency on oxidative damage and antioxidant defence during ageing and abiotic stress (Z. M˘tinová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfiíjem a vyuÏití rÛzn˘ch forem dusíku u rostlin p‰enice (I. Raimanová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vliv transformace kvasinkov˘m genem Spcdc25 na stavbu kofienového systému tabáku (K. âiháková) . . . . . . . . . . . . . . . Reakce na abiotick˘ stres u tkáÀov˘ch kultur jablonû (Malus domestica Borkh.) (D. Krsek) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Early stages of development of terrestrial orchids: the effect of saccharides and phytohormones (J. Ponert) . . . . . . . . . . . . Somatická embryogeneze jehliãnanÛ: metabolismus a role RFO (O. Skala) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformace bramboru (Solanum tuberosum) mitotick˘m aktivátorem cdc25 ze Schizosaccharomyces pombe (H. ·evãíková) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

101 102 103 104 105 106 107 109 110

112

115 117 120 121 122 123

124

3

E

Editorial ·éfredaktor Bulletinu mû poprosil, abych tentokrát sám naplnil Ïánr zvan˘ Editorial. Mám v˘hodu volného prostoru, neboÈ obsah ãísla, kter˘ je pod touto hlaviãkou vût‰inou uvádûn a samotn˘m ‰éfredaktorem pregnantnû komentován, neznám. Zmûním tedy úhel pohledu a pokusím se naznaãit, co mohou mít s âSEBRem spoleãného souãasné „leitmotivy“ Ïivota vûdecké obce. Odstartoval se problém spojen˘ s v˘znamn˘m krácením institucionálních prostfiedkÛ AV âR. Okolnost vyvolaná na jedné stranû implikací systému hodnocení vûdecké v˘konnosti, kter˘ byl vypracován v rámci Reformy vûdy a v˘zkumu Radou vlády pro vûdu, experimentální v˘voj a inovace, a kter˘ je zakotven i ve schváleném zákonu 110/2009. Na druhé stranû pak hospodáfiskou krizí, zablokováním pfiedpokládaného nárÛstu vefiejn˘ch prostfiedkÛ na VaV ve v˘‰i 8 % (cca 2 mld). OhroÏení existence AV bylo jiskrou vedoucí k solidarizaci znaãné ãásti vûdecké obce spojené se základním v˘zkumem a vedlo k protestÛm, jejichÏ vûcné i happeningové projevy a argumentace jsou obecnû známé a nebudu se jimi zab˘vat. Zdánlivû jde jen o technickou otázku nastavení státních penûzovodÛ do této oblasti. Jedineãnost souãasné situace spatfiuji v tom, Ïe problém financování se vlámal do vefiejného prostoru a tam zakotvil, transformován do daleko ‰ir‰ích obãansk˘ch kontextÛ. Citát z webov˘ch stránek fora vûdeck˘ch pracovníkÛ „Vûda Ïije“: „Nejde zdaleka jen o financování vûdy, ale i roli, jakou vzdûlanost a kultura v ‰ir‰ím slova smyslu budou hrát v na‰í spoleãnosti a o model jejího vefiejného spravování“, mluví jednoznaãnû. Tento etos na‰el i své spojence ve vzdálenûj‰ích oblastech napfi. státního financování a fiízení kultury. VÛdãí slogan státní reformy vûdy a v˘zkumu: „Vûda dûlá z penûz znalosti, inovace dûlají ze znalosti peníze“ je tedy roz‰ifiován zohlednûním toho, co se nemusí ekonomicky bezprostfiednû vyplácet, co nemá jako jedin˘ jmenovatel rÛst HDP a co pfiedstavuje obecnûj‰í národní hodnoty vzdûlanost, kultury, ekologického a sociálního cítûní. Ve v˘‰e uvádûném kontextu není jen koneãn˘m cílem, aby ta která instituce zÛstala zachována na zpevnûném podloÏí institucionálního financování, ale jde i o reflexi obecnûj‰ích problémÛ a zájmÛ. A co Ïe máme reflektovat? Na prvním místû národní koncepci vûdy a v˘zkumu s ohledem na vyuÏití intelektuálního potenciálu, spoleãensk˘ch potfieb a domácích zdrojÛ. Vzdor tomu, Ïe existuje fiada stfiednûdob˘ch dokumentÛ jako „Dlouhodobé smûry základního v˘zkumu“ ãi „Národní politika VaV“ i dal‰í, probíhala Reforma vûdy a v˘zkumu bez ‰ir‰í úãasti profesní obce/cí v rukou omezeného, co do tématiky a zámûrÛ, spektra specialistÛ i úfiedníkÛ. V obou pfiípadech téÏ lobbystÛ. AÏ v existenãní nouzi se vûdecké instituce, do té doby znaãnû introvertní, zaãaly zajímat (stále nedostateãnû, coÏ jim i vyt˘káno) o dûní u blízk˘ch i vzdálenûj‰ích sousedÛ. Hodiny po dvanácté byl pootevfien prostor úvahám jak˘m smûrem, z jakého materiálu a za jakou cenu mají b˘t „trasírovány“ cesty vûdy a v˘zkumu v krajinû domácího smûfiování. Jakkoli zjednodu‰ená, má své racionální jádro tolikrát vyslovená otázka: Staneme se montovnou automobilÛ ãi vzdûlanostní spoleãností? Snad nejv˘znamnûj‰í podnût pro spoluúãast vûdecké obce. ¤ada evropsk˘ch státÛ si takovou otázku poloÏila a dokázala na ni najít i odpovûì. A co s tím má spoleãného âSEBR? Ve zlep‰ující se kondici obstarává správu a ãinnost obce rostlinn˘ch biologÛ (chtûlo by se dodat i navzdory obecnému nechutenství k vefiejn˘m zájmÛm). Ani tato, oborovû v˘raznû specializovaná spoleãnost, ale nemÛÏe resignovat ze své úlohy a odpovûdnosti ve vefiejném prostoru. Doba jí dokonce pfiihrála v˘hodné, mnohdy tûÏko zastupitelné, postavení. Mûlo by ji b˘t sly‰et pfii formování spoleãensk˘ch postojÛ a názorÛ v tak zásadních otázkách, kam a jak smûfiovat rostlinné biotechnologie (vãetnû GMO, abych uspokojil ZdeÀka Opatrného), jak˘ prostor má b˘t otevfien energetick˘m rostlinám, jak reáln˘ je dopad klimatick˘ch zmûn na plodiny i cenózy planû rostoucích rostlin, zda pfiedpona bio- opravdu sniÏuje alimentární rizika. Více a dÛraznûji by mûla propagovat zeleÀ jako Ïivitelku, ochránce i tû‰itelku. Nechci dále fabulovat, tûch problémÛ je jistû cel˘ houf a mají i svou spoleãenskou hierarchii. Vím, Ïe uvedeny naivní, okamÏité nápady, jde o orientaci v mûfiítku. Îe to v‰echno nedovedeme (kromû Lubo‰e Nátra) uchopit, Ïe jsme specialisty s úzce vymezen˘m hlubok˘m ponorem? Kdo jin˘ neÏ kolektivní organizace rozkroãená v takové tématické ‰ífii, by mûl 4

E

Editorial mít vût‰í nadhled. Nadhled vedoucí k anal˘ze stavu a s úãastí na‰ich kolegÛ v pfiíbuzn˘ch oborech i k organizaci odborného a spoleãenského diskurzu? Máme i nesplacen˘ dluh. Aby bylo moÏno pohybovat se s vût‰í jistotou a autoritou jako hráã vefiejného prostoru a abychom si uvûdomovali celou skladbu oborové krajiny, v níÏ jsme usazeni, je tfieba navázat zpfietrhané kontakty s kolegy v resortních ústavech pfiíslu‰n˘ch ministerstev i nevefiejn˘ch institucích. Pozvat je v rámci âSEBRu ke smysluplné spolupráci. Má to i drobn˘ háãek, sami musíme, alespoÀ na chvíli, pfiekroãit stín své nedotknutelné profesní omezenosti. A co tedy máme dûlat? Pro zaãátek se k obecn˘m problémÛm mediálnû vyjadfiovat, vstupovat do vefiejného prostoru a nabízet vlastní názor. Jako osobnosti, nûkdy i jménem obce, kterou zastupujeme. StaÀme se úãastníky té podivuhodnû promûnûné scény, která z trpn˘ch a trpûliv˘ch divákÛ tak podivuhodnû rychle udûlala i herce dramatu (moÏná jen domácí grotesky) hraném nejen o penûzích, ale i o hodnotách, které se jimi tûÏko vyjadfiují. A pokud se vám ten návrh zdá aÏ pfiíli‰ patetick˘ a faraonsky nadnesen˘, nabízím alespoÀ k zamy‰lení novou perspektivu pohledu. Jan Krekule

5

E

Editorial Milé kolegynû, váÏení kolegové, v rozporu s tvrzením Jana Krekuleho v první vûtû jeho úvodu, chci pfiipsat nûkolik odstavcÛ. Nejprve k jeho hlavnímu tématu – financování vûdy v âesku. Také se domnívám, Ïe se problémy souãasného svûta uÏ tak hluboce dotkly rostlin a rostlinn˘ch spoleãenstev, Ïe bychom i my a na‰e profesní organizace mûli vstoupit do stále se roz‰ifiujícího a prohlubujícího toku komunikace vûdcÛ s vefiejností. Mám na mysli zejména objasÀování principÛ vûdecké práce i podstaty mnoha pfiírodních jevÛ, trvalé nadfiazenosti pfiírody a poznatkÛ o ní nad ekonomikou a trhem atd. Av‰ak nedávné protesty a v˘kfiiky za záchranu ãeské vûdy mi pfii‰ly spí‰e trochu líto. Domnívám se, Ïe jen neznatelnû se pfiipomínalo vefiejnosti, Ïe vûda je v˘raznou souãástí na‰í kultury. Nebo to, Ïe je sice hezké mít více nositelÛ Nobelovy ceny, ale Ïe vûda poskytuje naprosto nenahraditelnou a doslova kaÏdodenní ‰irokou základnu pro v˘uku nov˘ch lékafiÛ, inÏen˘rÛ ãi uãitelÛ. Dále, Ïe musí pfiipravit velmi ‰irokou základnu kvalifikovan˘ch odborníkÛ, ktefií budou schopni prÛbûÏnû sledovat v˘voj vûdy v zahraniãí a alespoÀ rozumût moÏn˘m aplikacím. Postrádal jsem moudr˘ nadhled, a tak dÛleÏitou velkorysost v projevech protestujících. A doslova, vadila mi patrnû zámûrná neúplnost podávan˘ch informací protestujících, a to nejen pfii pouliãních demonstracích. Pokud tvrzení o lep‰ím financování vysok˘ch ‰kol není zároveÀ doplnûno sdûlením o jejich povinnosti vyuãovat a vzdûlávat desetitisíce studentÛ, tak je to neúplná informace. Pokud se argumentuje, Ïe pracovi‰tû AV poskytují podmínky a materiální i du‰evní zázemí pro studium dvou tisíc doktorandÛ, aniÏ by dostávaly zvlá‰tní pfiíspûvek, tak je to pro vefiejnost neúplná informace. VÏdyÈ studenti doktorského studia mají mimofiádnû svûÏí a inovativní nápady i velmi pilné ruce. TakÏe kolik projektÛ by na pracovi‰tích AV ubylo, kdyby tam studenti nena‰li pohostinnou atmosféru? VÛbec nechci nejen hloubit a ani naznaãovat jak˘si pfiíkop mezi laboratofiemi jak˘chkoliv institucí. Jen jsem chtûl uvést svÛj názor na to, Ïe vûda, sama o sobû i jako souãást kultury v tom nej‰ir‰ím smyslu tohoto pojmu, má svoje principy, ideje, snad i poslání. Rád se vracím k vlastnímu Bulletinu, tedy tomuto ãíslu. Umístili jsme sem nûkolik pfiíspûvkÛ ze dvou semináfiÛ – minikonferencí, které uspofiádala Katedra fyziologie rostlin Pfiírodovûdecké fakulty UK spoleãnû s na‰í organizací – âSEBR v lednu a kvûtnu 2009. Domnívám se, Ïe v‰echny pfiíspûvky nabízejí v‰em ãtenáfiÛm pfiístupn˘ pohled na nûkteré oblasti experimentální biologie rostlin na poãátku 21. století. Chci vûfiit, Ïe i ostatní pfiíspûvky najdou svoje ãtenáfie a snad vyprovokují nûkteré i k napsání vlastní úvahy ãi sdûlení. Moc mû tû‰í, Ïe studentka Vejvodová ze své prezentace pro pfiedná‰ku „Globální zmûny klimatu a trvale udrÏiteln˘ rozvoj“ pfiipravila velmi pûkn˘ ãlánek, jímÏ si pfiipomínáme nedávné úmrtí Normana Borlauga. Závûrem Vás chci poprosit, abyste vûnovali svou pozornost tfietímu t˘dnu v záfií pfií‰tího roku. V tuto dobu se budou v Praze konat dal‰í tradiãní Dny fyziologie rostlin, tentokrát uÏ s názvem Konference experimentální biologie rostlin. Je samozfiejmé, Ïe Vûdeck˘ v˘bor konference, jemuÏ pfiedsedá Jana Albrechtová, uvítá Va‰e návrhy a námûty na obsah i formu tohoto setkání ãesk˘ch a slovensk˘ch experimentálních rostlinn˘ch biologÛ. Pfieji Vám aÏ netu‰enû nádherné vánoãní svátky a pfiekvapivû pfiíjemn˘, úspû‰n˘ a zejména ‰Èastn˘ rok 2010. Lubomír Nátr

6

S

Semináfie CELOSTÁTNÍ SEMINÁ¤E EXPERIMENTÁLNÍ BIOLOGIE ROSTLIN V PRAZE, NOVÁ TRADICE?

âSEBR má jiÏ tfietím rokem sídlo na Pfiírodovûdecké fakultû Univerzity Karlovy ve Viniãné 5, Praha 2, kde je zároveÀ sídlo Katedry, která se oboru experimentální biologie rostlin vûnuje s nejdel‰í nepfietrÏitou tradicí v âeské republice. Zmûna sídla âSEBR souvisela nejen s ãásteãnou personální obmûnou v˘boru âSEBR, ale odráÏela i nastalé uωí propojení obou tûchto institucí, peãujících o rozvoj oboru. Katedra fyziologie rostlin PfiF UK se v mezidobí stihla pfiejmenovat na Katedru experimentální biologie rostlin (KEBR), a propojení se tak stalo i opticky je‰tû zfiejmûj‰í. Nakolik toto propojení prospûlo obûma institucím nechám spí‰e na posouzení Vás – pozorovatelÛ z vnûj‰ku, neboÈ moje zapojení do vedení obou semináfiÛ mÛÏe podmiÀovat zaujatost pohledu. S urãitostí v‰ak mohu fiíci, Ïe za tyto poslední roky se aktivity âSEBR roz‰ifiují v souãinnosti s Katedrou EBR. Kromû úspû‰ného zaloÏení webov˘ch stránek (www.csebr.cz), které jsou otevfieny oborov˘m informacím a diskusím, se zdá, Ïe se podafiilo zaloÏit tradici pofiádání celostátních semináfiÛ, novû zapoãatou zprvu KEBR jako souãást v˘uky, vÏdy na konci semestrÛ akademického roku. Semináfie jsou buìto vûnovány v˘razn˘m osobnostem na‰eho oboru nebo jsou zamûfieny na zajímavá aktuální témata oboru. Spoleãné mají nejen organizátory, ale pfiedev‰ím pfiíjemné lidské setkání a inspirující diskusi kolegÛ v oboru z rÛzn˘ch pracovi‰È v âesku i na Slovensku. Dfiíve prostorem pro toto setkání byly hlavnû Dny fyziologie rostlin obvykle ãtyfidenní pofiádané s tfiíroãní periodicitou, zatímco semináfie jsou jen pÛldenní a konají se dvakrát do roka a sk˘tají tak moÏnost ãastûj‰ích setkání. Celkem uÏ probûhly tfii takovéto semináfie a ãtvrt˘ nás ãeká zaãátkem roku 2010. První semináfi se konal v kvûtnu 2008 a byl vûnován Ivanû Macháãkové, dlouholeté ãinovnici âSEBR a fieditelce Ústavu experimentální botaniky AVâR, u pfiíleÏitosti ukonãení její pÛsobnosti v oboru. Druh˘ se konal v lednu 2009 a byl vûnován ekologickému zemûdûlství a byl sestaven ZdeÀkem Opatrn˘m. V kvûtnu 2009 byl semináfi vûnován v˘znamu fotosyntézy ve 3. tisíciletí a byl pofiádán u pfiíleÏitosti Ïivotního jubilea Lubomíra Nátra, souãasného pfiedsedy âSEBR a dlouholetého vedoucího tehdej‰í Katedry fyziologie rostlin PfiF UK. V lednu 2010 (12. 1.) pofiádáme dal‰í semináfi, tentokrát u pfiíleÏitosti 85. narozenin Dr. Bohdana Slavíka a semináfi je proto vûnován vztahu rostlin a vody ve 3. tisíciletí. Zatím se semináfiÛm dafií, b˘vá nás pfies sto úãastníkÛ a adjektivum celostátní zÛstává naplnûno. A jsme moc rádi, Ïe pfiijíÏdûjí i kolegové ze Slovenska, a dafií se tak udrÏovat tradici „ãeskoslovenské“ sounáleÏitosti a spolupráce. Myslím, Ïe tyto semináfie mají dÛleÏit˘ v˘znam i pro studenty, protoÏe vidí poãetnou, aktivní a inspirativní komunitu, jejíÏ jsou souãástí. A tak jen doufáme, Ïe semináfie budou i nadále hojnû nav‰tûvované a Ïe se podafií tuto tradici budování aktivní profesní a diskusní platformy oboru ustálit. Tedy – na semináfie jste trvale zváni Vy i Va‰i kolegové – ‰ifite dál. Tfieba zdomácní parafráze „Sejdeme se v úter˘ odpoledne po semestru ve Viniãné!“ Tedy brzy na vidûnou – tû‰ím se. Jana Albrechtová Vedoucí Katedry experimentální biologie rostlin PfiF UK a místopfiedseda âSEBR

7

S

Semináfie

8

S

Semináfie Ekozemûdûlství v kontextu souãasné biologie rostlin: 13. 1. 2009

Dne 13. ledna 2008 se na Pfiírodovûdecké fakultû Univerzity Karlovy (PfiF UK) v Praze konal semináfi vûnovan˘ problematice ekologického zemûdûlství v kontextu uplatnûní moderních technik experimentální biologie rostlin. Semináfi pofiádala Katedra fyziologie rostlin PfiF UK. Semináfi byl zam˘‰len jako diskusní platforma dané problematiky mezi experimentálními biology rostlin z rÛzn˘ch pracovi‰È v âeské republice a tématicky zainteresovanou vefiejností odbornou i laickou. Tento semináfi byl jiÏ druh˘m v pofiadí velk˘ch, celostátních semináfiÛ. Uspofiádání semináfie inicioval prof. Zdenûk Opatrn˘, kter˘ se dlouho intenzivnû vûnuje expertní i popularizaãní ãinnosti v problematice rostlinn˘ch biotechnologií a geneticky modifikovan˘ch (GM) plodin. Program semináfie sestavil tak, aby odráÏel souãasnou diskusi o této problematice, kdy je samotné vymezení pojmu ekologického zemûdûlství pfiedmûtem neutuchajících diskusí ekologick˘ch aktivistÛ, odborníkÛ i politikÛ. Pfiíspûvky semináfie pokr˘valy celé spektrum novodob˘ch konceptÛ ekologického zemûdûlství od prvoplánovitého pojetí pfiirozenosti v‰ech funkãních komponent po koncepty zaloÏené na nejnovûj‰ích poznatcích vãetnû molekulární biologie a genetiky rostlin. První polovinu ladûnou více sociologicky a „ideologicky“ otevfiel prof. Opatrn˘, následovaly pfiíspûvky odborníkÛ z âeské zemûdûlské univerzity v Praze – Prof. Petra a Ing. Kuchtové, dále Dr. Stockelové ze Sociologického ústavu AVâR. Druhá polovina byla více o experimentální biologii rostlin a jejím uplatnûní v zemûdûlství. Pfiíspûvek pfiednesl prof. âurn z Jihoãeské Univerzity a Biotechnologického centra v âesk˘ch Budûjovicích, Ing. Sm˘kal z Agritecu ·umperk. Poslední pfiíspûvek profesora Nátra naladil atmosféru do více filozofické úrovnû a pfienesl diskusi do globální úrovnû uÏivení svûtové populace souãasn˘m zemûdûlstvím. Nám je jasné, Ïe bez biologie rostlin to nepÛjde a bude tfieba pfiesvûdãit o tom i ‰irokou vefiejnost. Semináfi byl zakonãen pfiívûtiv˘m poho‰tûním a doznívajícími diskusemi do podveãerních hodin. Jana Albrechtová

9

S

Semináfie

Ekologické zemûdûlství v kontextu s konvenãními a GM technologiemi: existují i odborné dÛvody pro jejich „inkompatibilitu? Zdenûk Opatrn˘ Katedra fyziologie rostlin Pfiírodovûdecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze KdyÏ mne prof. Nátr záhy po lednovém EkoBioGM semináfii poÏádal o pfiíspûvek do Bulletinu, mûl samozfiejmû na mysli roz‰ífienou anotaci mé pfiedná‰ky o „Abiopotravinách“. MoÏná jsem mûl uposlechnout a nepfiidûlávat si práci s psaním zcela nového textu. Ale – vlastní pfiedná‰ková presentace je dlouhodobû dostupná na webov˘ch stránkách katedry, proã tedy tvofiit její dal‰í textovou verzi? Za úãelnûj‰í jsem povaÏoval tento doplnûk na téma: „proã jsme si takov˘ semináfi vymysleli?“ Jak jeho prÛbûh splnil na‰e oãekávání? Jak s touto zku‰eností dále naloÏit, jak ji vyuÏít v nejrÛznûj‰ích aktivitách „SEBRu“? Vûda o rostlinách vÏdy mûla a jistû bude mít rÛzné podoby i cíle. Od vzne‰eného pfiání poznávat principy ãi mechanizmy toho, ãemu fiíkáme Ïivot, aÏ po tak „pfiízemní“ dÛvod, jak˘m je udrÏet pfii Ïivotû trvale narÛstající lidskou populaci. Ochránit ji nejen pfied hladem, ale také podv˘Ïivou a nemocemi vypl˘vajícími z nejrÛznûj‰ích typÛ „malnutrition“. Deset tisíc let v˘voje kulturního zemûdûlství, provázeného resp. podmínûného stále více sofistikovan˘mi ‰lechtitelsk˘mi i pûstitelsk˘mi postupy, dospûlo v posledním dvacetiletí mj. k realitû „koexistence“ tfií základních zemûdûlsk˘ch metodik oznaãovan˘ch jako zemûdûlství konvenãní, ekologické („organic farming“) a biotechnologické (vyuÏívající plodiny tzv. geneticky modifikované – GM). Jde o koexistenci – nikoliv v‰ak o pfiátelskou spolupráci; spí‰e naopak – alespoÀ ve vztahu onoho ekologického farmáfiství ke zbyl˘m dvûma. Pravidla i dÛvody této koexistence jsou jiÏ dlouhodobû pfiedmûtem rÛznû ostr˘ch ideologicko-politick˘ch pÛtek. V ãase, kdy pí‰i tento text, zb˘vá nûkolik dní do voleb nového parlamentu EU. A na praÏsk˘ch (moÏná nejen) ulicích mÛÏe obãan mj. vidût billboardy s v˘zvou, aby si vybral, jaké chce mít budoucí ãeské zemûdûlství: eko, GM nebo konvenãní? Volte na‰e kandidáty – a zajistíme vám zdravá biojablka pro va‰e dûti. Volte NÁS – a zaplavíme na‰e/va‰e supermarkety levn˘m GM olejem a benzinové pumpy lacinou „bionaftou“ z GM fiepky. Vnímáte ty paradoxy a terminologické rébusy? Je skuteãnû správné stavût takovou koexistenci jako konfrontaãní téma? Jsou opravdu tyto technologie nesluãitelné – ãi alespoÀ je nesluãitelné ekozemûdûlství s tûmi dal‰ími dvûma? Je tento spor pouze dobov˘m taneãkem nebo jej máme povaÏovat za dlouhodob˘ problém? Odborné dÛvody nesluãitelnosti mezi nimi „nepouãen˘ laik“ stûÏí chápe – ba hÛfie, jsem si jist, Ïe je dost dobfie nechápe ãi nechce pochopit ani vysoko‰kolsky vzdûlan˘ odborník. K této jistotû mne vede moje jiÏ mnohaletá zku‰enost nejen z pfiedná‰ek pro univerzitní posluchaãe (pre- i post- graduální, vãetnû tûch z U3V), ale také pro laickou vefiejnost a studenty nejrÛznûj‰ích typÛ stfiedních ‰kol. Pravda, jejich ústfiedním tématem byly a jsou geneticky modifikované rostliny/plodiny. Jejich „pfiínosy a rizika“ pro ãlovûka a pfiírodu, ekonomiku a ekologii, medicínu a etiku, zemû svûta prvého, druhého, tfietího, Monsanto, ale také kozí ekofarmu v Orlick˘ch horách. Chce-li v‰ak ãlovûk zodpovûdnû srovnávat, dfiíve ãi pozdûji mu nezbude nic jiného, neÏ se blíÏe seznámit nejen s reklamními slogany, ale také s podrobnou argumentací svého oponenta. Urãité znalosti toho konvenãního zemûdûlství mi poskytlo nejen dûtství, mnohdy trávené u mého nejprve soukromého, poté druÏstevního dûdeãka. TakÏe umûl bych snad je‰tû sázet brambory a vázat snopy, udûlat povfiíslo ãi „krmit mlátiãku“. Samozfiejmû si pamatuji naprosto ekologické technologie, neboÈ prá‰ková hnojiva zaãal pouÏívat aÏ místní „kolchoz“. Pesticidy nebyly – zato plísnû, virózy a také spousta mandelinky bramborové, co nám sem z letadel sypali nenávistní ameriãtí imperialisté. Ale dostalo se jim odplaty – my si uÏ víme rady s „colorado beatle“, zato oni fie‰í tfiebas na University of Fort Collins v Coloradu problém, co dûlat s importovanou „russian aphid“. S moderní zemûdûlskou „konvencí“ jsem mûl aspoÀ trochu moÏnost se seznámit bûhem svého úãinkování ve VÚRV Ruzynû v letech 1988–1996. Od té doby také tfiebas vím, a to nejen na základû dáv10

S

Semináfie

n˘ch teoretick˘ch znalostí genetiky, zvlá‰tû té mutaãní, ale z pfiímého pohledu na pokusná políãka „herbicidologÛ“, Ïe v˘skyt nejrÛznûj‰ích „superplevelÛ ãi superpatogenÛ“ je prostû zákonit˘m dÛsledkem obecného procesu spontánní mutageneze a selekce, jeÏ jsou podpofieny trvalou snahou ãlovûka ty standardní plevely a patogeny eliminovat dal‰ími a dal‰ími konvenãními pesticidy. Ale také, Ïe neexistuje a zfiejmû nikdy existovat nebude „superplevel“, odoln˘ vÛãi jakémukoliv (dal‰ímu) herbicidu. …AÈ jiÏ k jeho vzniku a selekci vedla technologie konvenãní ãi transgenní. I technologie zemûdûlské velkov˘roby se v‰ak stále pouãuje a vyvíjí. A vûfiím proto také tomu, Ïe tzv. „precisní zemûdûlství“ mÛÏe masivnû – a za pfiijatelné ekonomické rozvahy – eliminovat takové problémy, jako jsou vodstva plná nitrátÛ a orná pÛda, z níÏ by bylo témûfi moÏno znovu tûÏit vloÏené fosfáty, pfiíslu‰nû okofienûné kadmiem… pokud nám jiÏ neuplavaly do rybníkÛ a fiek. AniÏ bychom se obecnû museli vrátit ke zpÛsobu hospodafiení mého dûdeãka, které by nás zcela jistû neuÏivilo, nemyslím si, Ïe jedinou moÏnou ozdravovací kÛrou pro na‰e ekosystémy, jedinou formou „trvale udrÏitelného Ïivota“ je ortodoxní ekologické zemûdûlství, s jeho klíãov˘mi mantrami: Ïádné pesticidy, Ïádná prÛmyslová hnojiva – a Ïádné GM plodiny. Pfiiznávám, Ïe soustavné vzdûlání v pfiedmûtech tohoto „ekologického zemûdûlství“ jsem dosud neabsolvoval. MoÏná si je zapí‰i jako student U3V. Nezbylo mi tedy, neÏ si zaãít studovat nejrÛznûj‰í „ekopfiíruãky“ – od vysoko‰kolsk˘ch skript a rÛzn˘ch sborníkÛ po materiály pfiímo magické. Obãas jsem zkou‰el testovat u sv˘ch kolegÛ ãi studentÛ, co jim ty ãi ony pojmy fiíkají – a v naprosté vût‰inû jsem naráÏel na neznalost ãi pfiímo úÏas. Nu, jen zkus mil˘ ãtenáfii vysvûtlit tfiebas pojmy „bioorganické zemûdûlství“, „roháãek“ ãi „kfiemenáãek“. Ne, nechci zlehãovat, student moderní chemie má asi také znát leccos o alchymii, lékafi o homeopatii, ãi astronom o astrologii (odpusÈte, pane kolego Grygare). Ale prosím, aby mi bylo vûfieno, Ïe dle m˘ch informací a zku‰eností pfiinejmen‰ím mnozí studenti zahradnick˘ch ‰kol – a moÏná i ãesk˘ch zemûdûlsk˘ch univerzit – berou nejen tuto Ïivotní filosofii i praxi prince Charlese zcela váÏnû. Co na to tedy fiíká „moderní vûda o rostlinách“? Pokud je mi známo, není prozatím pfiedmût „ekologické zemûdûlství“ pfiedná‰en na Ïádné z fakult UK. Jedním z prv˘ch zámûrÛ na‰eho semináfie bylo proto nabídnout na‰im studentÛm moÏnost vyslechnout alespoÀ nûkolik krátk˘ch „ekopfiíspûvkÛ“ z úst vysoko‰kolsk˘ch odborníkÛ. Byl jsem opravdu vdûãen zejména paní Ing. Kuchtové, Ïe moje pozvání pfiijala. Nemohla nemít trochu pocit, jenÏ je mi dobfie znám, tedy Daniela v jámû lvové. Naposledy jsem jej zaÏil v loÀském dubnu, coby jeden z úãastníkÛ „kulatého stolu“ na téma „Risika GM plodin“ v rámci tzv. Ekologick˘ch dnÛ v Olomouci… Ale jsem si jist, Ïe posluchaãi velk˘m zájmem vyslechli jak její pfiedná‰ku, tak úvodní pfiíspûvek prof. Petra – a zejména pak fiadu informací v závûreãné Ïivé diskusi. A mohli je souãasnû konfrontovat zejména s obsahem pfiedná‰ek prof. âurna i Ing. Sm˘kala. Faktologick˘ch a po mém soudu velmi nezaujat˘ch a pfiesvûdãivû ilustrujících nejen relativnost tvrzení typu „ekoplodiny jsou chutnûj‰í a zdravûj‰í“ – ale také „ekoplodiny jsou plné mykotoxinÛ“. Solidnû a pochopitelnû uspofiádané v˘sledky mnoh˘ch anal˘z dokládajících zásadní vliv nikoliv typu pûstování (eko ãi konvenãní), ale zejména odrÛdy, roãníku, obecn˘ch klimatick˘ch podmínek. A právû tak dostateãnû stfiízlivû konfrontujících pfiínos GM plodin s dal‰ími nástroji moderního ‰lechtûní – nikoliv jako zázraãného léku pro v‰echny problémy, ale jako dal‰ího nového, mnohdy unikátního nástroje vylep‰ení stávajících odrÛd, tvorby nov˘ch, vyuÏiteln˘ch jak v tom zemûdûlství „konvenãním“, tak „ekologickém“. KoneckoncÛ – jistû si se zájmem a radostí pfieãtete pfiíspûvky obou fieãníkÛ v tomto ãísle Bulletinu. Pokud je oba dodají. A mÛÏete pak porovnat jejich obsah s vágními formulacemi snad ve‰ker˘ch mi znám˘ch „ekomateriálÛ“ typu sborníãku, kter˘ vydal Bioinstitut, o.p.s. v Olomouci (viz www.bioinstitut.cz) a jenÏ byl bûhem semináfie na‰imi hosty rozdán úãastníkÛm. Dovolím si udûlat mu zde reklamu – a doporuãit jeho opravdu peãlivé proãtení. Název sborníãku je „Ekologické zemûdûlství a GMO – otázky koexistence“, do znaãné míry tedy sám o sobû odpovídá na otázky diskutované pfii na‰em semináfii. V kapitole „rizik GMO“, shrnuje jiÏ klasickou plejádu archaick˘ch stra‰ákÛ, vût‰inou polopravd – od „paraofiechov˘ch alergii“ pfies jiÏ zmínûné superplevely po ãasovanou bombu potenciálnû a nepfiedvídatelnû toxick˘ch (nejen vÛãi cílovému ‰kÛdci) Bt plodin. A postupnû tak dospívá k oné zásadní otázce: „GMO a ekologické zemûdûlství – jsou navzájem sluãitelné?“ a vzápûtí i pregnantní odpovûdi – cituji: „Genetické inÏen˘rství, které vytváfií univerzální kultivary, se zcela míjí s filozofií ekologického zemûdûlství, které upfiednostÀuje regionální ‰lechtûní. Laicky fieãeno – na rozdíl od genetického inÏen˘rství, které se snaÏí pfiírodu „vylep‰ovat“, má ekologické zemûdûlství cíl produkovat potraviny „v souladu s pfiírodou“. 11

S

Semináfie

V‰echno se odvíjí od pfiístupu. Pokud se fie‰í napfiíklad vliv nedostatku vody na zemûdûlskou produkci, genetické inÏen˘rství se zamûfiuje na v˘voj sucho – rezistentních plodin. Ekologické zemûdûlství oproti tomu bude hledat cesty, jak vytvofiit „odolnûj‰í cel˘ agroekosystém“. âtenáfii odpusÈ, ale obdobné formulace vnímám prostû jako povrchní, ideologick˘ blábol. Jeho úãel je zfiejm˘ – molekulární biologové a genoví inÏen˘fii – ruce pryã od ekologického zemûdûlství!!! A vy, snad dÛvûfiiví a naivní ekologiãtí zemûdûlci – nevûfite GM na‰eptavaãÛm. UÏ jsme vám pfiece pfied lety vysvûtlili, Ïe napfi. tzv. zlatá r˘Ïe vytvofiená t˘my prof. Potrykuse a prof. Bayera sice nabízí fie‰ení v˘skytu masivních avitaminóz (a jejich dÛsledkÛ – slepota, smrt plodu…) v rozvojov˘ch zemích – ale je to také trojsk˘ kÛÀ nadnárodních monopolÛ, kontaminujících svût GM plodinami. Tyto a jim podobné genové pfienosy (kupfi, antokyanov˘ch genÛ tfieba z „krvav˘ch pomeranãÛ“ do rajãete – viz práce Dr. R. Martin z John Innes Institute, velmi chytré paní, jinak hlavní redaktorky prestiÏního ãasopisu Plant Cell) sice vedou ke vzniku zdravûj‰ích ba léãiv˘ch biofortifikovan˘ch potravin, ale z na‰eho ortodoxního pohledu jsou to prostû „abiopotraviny“ jsoucí v naprostém „nesouladu s pfiírodou“… A co fiíci k onomu „farizejskému“ odporu EU vÛãi nejrÛznûj‰ím Bt plodinám – vãetnû asi nejznámûj‰í, jiÏ po více jak deset let a na milionech hektarÛ po celém svûtû pûstované Bt kukufiice MON 851? „Pfiírodní“ pesticidy – „Cry toxiny“ hmyzího patogena Bacillus thuringiensis – komerãnû vyuÏívá ãlovûk od tfiicát˘ch let minulého století. Pfiipraveny ve formû prá‰kÛ ãi postfiikÛ jsou suspense mrtv˘ch bakterií doporuãovány jako úãinn˘ a bezpeãn˘ biopesticid. Transgenní rostliny, schopné tvofiit tento toxin – a tedy obdobnû toxické pro larvy ‰kÛdce – jsou v‰ak oblíben˘m terãem agresivity rÛzn˘ch zelen˘ch aktivistÛ a Ïolíkem v politick˘ch hrátkách evropsk˘ch státníkÛ. Francouzské moratorium na pûstování MON 851 mûlo zajistit pfiíliv „zelen˘ch hlasÛ“ pro presidenta Sarkoziho. Návaznû vyhlásily dílãí moratoria i dal‰í evropské státy, v ãele s Rakouskem. A bez ohledu na názor na‰ich odborníkÛ, souhrnn˘ dokument o „nedostateãnosti studie úãinku na potenciálnû cílové (non-target) organizmy“ signoval i ná‰, nyní jiÏ b˘val˘, ministr Ïivotního prostfiedí Bursík. Je to ãtení místy hofice úsmûvné. Dozvíte se z nûj mj., Ïe jen v Rakousku se vyskytuje 215 druhÛ mot˘lÛ, z toho 152 v zemûdûlsk˘ch oblastech. Z tûch je fiada ohroÏen˘ch. A Monsanto by tedy mûlo otestovat dlouhodob˘ úãinek pûstování MON 851 na v‰echny tyto druhy. Testoval se takto vliv rÛzn˘ch „BaturinÛ“? Ne. Testoval se tak vliv konvenãních, ‰irokospektrálních insekticidÛ? Ne … Mnoho let po vyvrácení obdobn˘ch pfiedsudkÛ kupfi. v aféfie „ohroÏení“ mot˘la Monarcha v USA touÏe kukufiicí, navzdory negativním v˘sledkÛm odborn˘ch entomologick˘ch studií se vûda o rostlinách – a ekosystémech – setkává s tûmito mystifikacemi. Nakolik opravdu lze v souãasném svûtû – od Evropy po Afriku – produkovat potraviny „v souladu s pfiírodou“, na to vám do jisté míry odpovídá jiÏ onen v˘‰e zmínûn˘ pfiíspûvek Ing. Sm˘kala. Ani to nejprimitivnûj‰í africké ãirokové políãko jiÏ pfiece není „pÛvodní pfiírodou“. A mohu-li si dovolit vyjádfiit svÛj osobní názor: ani naprosto marnotratnû dotované ekologické farmáfiství by neuÏivilo africké ãi asijské lidské populace bez pomoci minerálních hnojiv, pesticidÛ – a v˘hledovû GM plodin, zejména tûch velice „pfiátelsk˘ch“ k okolním ekosystémÛm i ãlovûku (Bt – plodiny jako nejnázornûj‰í pfiíklad). Nemysleme sobecky jen na Evropu, s její dosavadní potravinovou nadprodukcí. VÏdyÈ i v jejích podmínkách, s nasazením moderních odrÛd, a také stále je‰tû hojn˘ch dotací, by pfiechod na ekoprodukci znamenal minimálnû dvacetiprocentní pokles v˘nosu (viz pfiíspûvek prof. Petra – já jsem v tomto ohledu daleko vût‰í skeptik). Aby mi bylo správnû rozumûno: opravdu vfiele „fandím“ rodinn˘m ekofarmám, aÈ jiÏ pro jejich schopnost produkovat chutné potraviny (pro ty, kdo si je mohou dovolit kupovat) ãi nedocenitelnou ochranu kulturní krajiny. Ale naprosto nechápu, proã by v této chvályhodné ãinnosti nemohly napfi. vyuÏívat rÛzné „low input“ plodiny, pícniny – bez ohledu na to, zda byly vy‰lechtûny standardními postupy (vãetnû vyuÏití mutageneze) nebo tfiebas pfienesením potfiebného genu rezistence k padlí travnímu z bojínku do kostfiavy… Smûrodatné je snad hlavnû to, Ïe dotyãn˘ ekofarmáfi mÛÏe dodrÏovat jednu ze základních ekomanter a nepouÏívat pesticidy, vyjma tûch „bio“? S ohledem na zemûdûlskou velkov˘robu se v‰ak bez GM technik ãi plodin prostû neobejdeme. UÏ dnes jsou kupfi. nejrÛznûj‰í evropská GM moratoria pfiíkladem ãirého politicko-ekonomického pokrytectví. Evropská Ïivoãi‰ná v˘roba by se zhroutila, kdyby jiÏ pfied pár lety opravdu risikovou masokostní mouãku nenahradila ze zámofií dováÏená soja – samozfiejmû transgenní. Evropû – aspoÀ doufám – nehrozí hladomor. Ale její zemûdûlství – dfiíve ãi pozdûji – by taková moratoria vedla k ekonomickému kolapsu. TakÏe koexistence, ãím dále rozsáhlej‰í, je prostû nezbytností, realitou. Souhlasím s právem producentÛ i konzumentÛ vûfiit ve v‰echny moÏné dobré vlastnosti „bioproduktÛ“. Z mého pohledu je to v‰ak stejn˘ pfiístup, jako víra v jedineãnost ko‰er jídla, vína. V moderní vûdû ne12

S

Semináfie

má Ïádnou oporu. Tak jako ji nemá kupfi. odpor nejen ekozemûdûlcÛ, ale také ortodoxních turfmanÛ k umûlé inseminaci dobytka ãi koní. Ale neberme jim toto jejich právo a vidûní správného svûta. Pokud ov‰em není prosazováno jako jediná správná norma – a nevede aÏ ke genocidám. Co v‰ak s tím v‰ím dále? âtenáfiÛm, vãetnû vedení SEBRu, je urãeno nûkolik následujících nápadÛ ãi otázek: Je fie‰ením oné – stále je‰tû vûfiím, Ïe nikoliv zásadní – inkompatibility „eko“ a „biotech“ pfiístupÛ alespoÀ se takto setkávat na obdobn˘ch semináfiích s nadûjí, Ïe jedna i druhá strana bude postupnû akceptovat vzájemné argumenty? Soudím, Ïe ano a kdyÏ uÏ nepfiesvûdãíme „jeden druhého“, máme moÏnost otevfienû se pfiedvést zejména mlad˘m lidem, sv˘m studentÛm, kolegÛm. AÈ pouÏijí svÛj zdrav˘ rozum, aÈ si vyberou v kontextu s vûtou „vûfi, ale komu vûfiit, mûfi“. Mûlo by smysl uspofiádat v budoucnu nejen obdobn˘ fakultní semináfi – moÏná pro zmûnu na pÛdû nûkteré ze zemûdûlsk˘ch univerzit, ale tfieba i konferenci SEBRu? Je úãelné, proveditelné, nikoliv kontraproduktivní zavést v˘uku pfiedmûtu „ekologického zemûdûlství“ tfiebas právû na PfiFUK? A radûji v rámci nûkteré u biologick˘ch kateder, neÏ se pfiedmûtu ujme – s pfiíslu‰n˘m vyuÏitím jeho magick˘ch, sociologick˘ch ãi filosofick˘ch rozmûrÛ – katedra jiná??? Velmi by mne potû‰ilo, kdyby jak sám semináfi – tak i jeho „dozvuky“ vyvolaly diskusi na obdobná témata. Nejen mezi „laiky“, ale také mezi odborníky. Nechtûn˘ EPILOG Inu stalo se. Semináfi se konal v lednu 2009, svÛj v˘‰e uveden˘ komentáfi jsem psal nûkdy v dubnu– –kvûtnu, teì máme únor 2010. Sebûhlo se mezitím mnohé, staãil jsem absolvovat bezmála desítku dal‰ích „happeningÛ“ na téma „Ekozemûdûlství a ti ostatní“, vãetnû velk˘ch mezinárodních akcí v Praze ãi Bruselu. Tím posledním probírající i toto téma byl semináfi o rizicích GMO, pofiádan˘ 28. ledna t. r. Ministerstvem Ïivotního prostfiedí ve spolupráci s „âesk˘m spolkem pro péãi o Ïivotní prostfiedí“. Název akce: „MoÏnosti vyuÏívání geneticky modifikovan˘ch organizmÛ v âR a informování vefiejnosti.“ Jedním z pozvan˘ch fieãníkÛ byla Ing. Perla Kuchtová. Téma: „VyuÏívání geneticky modifikovan˘ch organizmÛ z pohledu ekologického zemûdûlství“. Materiál., jenÏ bude souãástí pfiipravovaného sborníku, máte zfiejmû k disposici náhradou za ten z loÀského ledna. Upfiímnû doporuãuji: prostudujte si jej peãlivû. Jeho filosofii, jeho dikci, jeho faktologii. Jeho prÛbûÏné smû‰ování ãi spí‰e zamûÀování problematiky „biologické“ s filosofickou, zdánlivû etickou resp. moralistickou. Sami si odpovûzte na argumentaci podporující tvrzení, Ïe „genové inÏen˘rství není sluãitelné s principy EZ“. Tfiebas proto, Ïe (cituji): „…Z fiad zastáncÛ GM plodin a jejich roz‰ífiení do pûstitelsk˘ch systémÛ zaznívá ãasto argument, Ïe biotechnologie provází lidstvo od poãátku a Ïe není rozdílu ve zmûnû genetické informace mutacemi zpÛsoben˘mi biotick˘mi ãi abiotick˘mi faktory a pokládají genetické modifikace za „logické pokraãování procesu, kter˘ zaãal v dobû kamenné.“ Zastánci ekologického zemûdûlství ov‰em jiÏ z principu vidí rozdíl mezi spontánními mutacemi, ãi zmûnami genetické informace vyvolan˘mi zámûrn˘mi zásahy ãlovûka, u nichÏ buì nejde o vnesení cizí informace, ale o zmûnu/zmûny v rámci organismu (kosmické záfiení, radiace, chemické mutageny), nebo je zmûna genomu inkorporací genetické informace pÛvodem z jiného organismu souãástí pfiirozen˘ch pfiírodních dûjÛ (napfi. Agrobacterium), a cílen˘mi zmûnami genomu, které by nebylo moÏné nikdy uskuteãnit bez nákladného laboratorního vybavení, vysoké úrovnû poznání a vy‰koleného personálu a které provází pomûrnû vysoká spotfieba pokusného materiálu. …“ Pov‰imnûte si i v˘bûru pramenÛ – cílem pfiece byla srovnávací kritická review. KdyÏ tedy na jedné strany cituje kultovní dílo Mae-Wan Ho Genetic Engineering: Dream or Nightmare? (1998, ãesky 1999), proã ne také White Book on GMO ãesk˘ch vûdcÛ 2009? Jakákoliv seriozní literatura o GMO ve studii prostû chybí. Pfiesto v‰e – nebo proto v‰e – jsem velmi rád, Ïe se ke ãtenáfiÛm Bulletinu tato informace v tak kompletní formû dostala.

13

S

Semináfie

VyuÏívání geneticky modifikovan˘ch organismÛ z pohledu ekologického zemûdûlství Ing. Perla Kuchtová, Ph.D. âeská zemûdûlská univerzita v Praze Ekologické zemûdûlství je vnímáno jako zpÛsob hospodafiení ‰etrn˘ k Ïivotnímu prostfiedí a jeho sloÏkám prostfiednictvím omezení ãi zákazÛ pouÏívání látek a postupÛ, zatûÏujících a zneãi‰Èujících Ïivotního prostfiedí a zvy‰ujících rizika kontaminace potravního fietûzce. Ekologické zemûdûlství dbá o pohodu hospodáfisk˘ch zvífiat. Z principu této alternativy k prÛmyslovému zemûdûlství vypl˘vá snaha nadfiadit etické pfiístupy hlediskÛm ekonomick˘m, respektovat vnitfiní hodnotu Ïivé i neÏivé pfiírody, ‰etfiit ji a nevnímat pouze jako zdroj surovin k uspokojení narÛstajících nárokÛ ãlovûka. Codex Alimentarium definuje na základû vyjádfiení expertÛ z celého svûta ekologické zemûdûlství jako komplexní systém zemûdûlské produkce (zahrnující rostliny i zvífiata), kter˘ dává pfiednost vnitropodnikovému kolobûhu pfied vyuÏíváním externích produkãních faktorÛ. K tomu jsou pouÏívány biologické a mechanické pûstitelské metody, zatímco chemicky-syntetické pomocné látky se nepouÏívají. V souladu s principy trvale udrÏitelného rozvoje se hnutí ekologického zemûdûlství snaÏí spotfiebitele pfiesvûdãit o v˘hodách preference lokálních ãi regionálních a sezónních zdrojÛ potravy. Je nicménû pravdou, Ïe bioprodukty a biopotraviny se z mnoha dÛvodÛ stávají mimofiádnû v˘hodn˘m obchodním artiklem a tak dochází k poru‰ování této zásady, protoÏe biopotraviny urazí za sv˘m spotfiebitelem mnoho zbyteãn˘ch kilometrÛ („organic food miles“) a podílejí se tak na zvy‰ování spotfieby neobnoviteln˘ch zdrojÛ energie. Není to v‰ak ekologick˘ zemûdûlec – producent, kdo v fietûzci v˘roba – zpracování – obchod utrÏí nejvíc. Ekologické zemûdûlství a jeho alternativy kladou vût‰í nároky na mnoÏství práce a ãasu vynaloÏené na produkci, která je zpravidla o 20–30 % niωí neÏ produkce v konvenãním/industriálním zemûdûlství, proto lze v nerovn˘ch konkurenãních podmínkách jeho rozvoj zajistit pfiedev‰ím podporou formou dotací. Z tohoto hlediska je v˘znamn˘m momentem kvantifikace a zohlednûní v‰ech externalit prÛmyslovû pojímané, vysoce efektivní zemûdûlské produkce, která pod siln˘m konkurenãním tlakem a tlakem rÛzn˘ch zájmov˘ch skupin nezohledÀuje pÛsobení na agroekosystém a moÏné trvalé negativní zmûny Ïivotního prostfiedí, ve spojení s nadbyteãnou spotfiebou neobnoviteln˘ch zdrojÛ energie1, by pfiispûly k moÏnosti porovnat celkové (i spoleãenské) náklady rÛzn˘ch alternativ zemûdûlsk˘ch v˘rob na jednotku produkce2. Precizní „poãítaãové“ zemûdûlství nepfiedstavuje ve vztahu k trvale udrÏitelnému rozvoji alternativu, jde zde nejen o zohlednûní externalit v podobû spotfieby zdrojÛ, ale i o dal‰í rÛst závislosti zemûdûlcÛ v rozvinut˘ch zemích na vnûj‰ích vstupech a v dÛsledku stupÀující se tlaky na specializaci a koncentraci produkce. Z globálního hlediska není zanedbateln˘m faktorem ani faktická nedostupnost nákladn˘ch technologií zemûdûlsko-prÛmyslového komplexu pro drobné farmáfie, z nichÏ vût‰ina hospodafií v rozvojov˘ch zemích.3 Právû pro tyto drobné zemûdûlce by se mohlo ekologické zemûdûlství stát vhodnou alternativou k extenzivním, mimofiádnû ne‰etrn˘m zpÛsobÛm zemûdûlské produkce, která z dÛvodu nedostatku finanãních prostfiedkÛ napfi. k nákupu hnojiv a udrÏení pÛdní úrodnosti vede k rychlé degradaci tohoto zdroje obÏivy. Pro EU pfiedstavuje tento smûr hospodafiení pfiedev‰ím moÏnost sníÏení nadprodukce. ·iroká politická podpora ekologického hospodafiení se datuje od poãátku 90. let a souvisí s potfiebou uplatÀování opatfiení v rámci Spoleãné zemûdûlské politiky, která do systémÛ zemûdûlského hospodafiení ãlensk˘ch zemí pfiinesla kvóty a vynucené úhory, souãasnû v‰ak sebou pfiiná‰í v˘hody v podobû potravin prefero1 Na spotfiebû neobnoviteln˘ch zdrojÛ energie se mimofiádn˘m zpÛsobem podílí nadbyteãná automobilová doprava pfiepravující mnohdy na velké vzdálenosti zemûdûlské suroviny nebo potraviny (food miles), které bychom dokázali sami vypûstovat (Kettnerová, 2009). 2 Spotfieba energie a emise skleníkov˘ch plynÛ na ha je u organické farmy niωí neÏ u konvenãní, zvlá‰tû u krav s trÏní produkcí mléka. âiní pfiibliÏnû 80–90 %. Na jednotku produkce je spotfieba energie a emise skleníkov˘ch plynÛ u organické farmy o 5–40 a 7–17 % vy‰‰í neÏ v konvenãním systému (Boss et al., 2007). 3 o dostupnosti potravin pocházejících z tûchto vysoce sofistikovan˘ch systémÛ produkce ani nemluvû

14

S

Semináfie

van˘ch urãit˘mi skupinami obyvatel pro nízk˘ nebo Ïádn˘ obsah reziduí pesticidÛ, minimální obsah konzervantÛ a ochucovadel a pfiedpokládanou vy‰‰í vnitfiní hodnotu a kvalitu. Potravin vyprodukovan˘ch za zákonem stanoven˘ch limitÛ. V˘znamn˘m faktorem je i pfiesvûdãení spotfiebitelÛ biopotravin o podpofie ‰etrnûj‰ích metod vyuÏívání pfiírodních zdrojÛ a ochranû Ïivotního prostfiedí a krajiny a jejich zachování pro budoucí generace. V âR je situace na trhu s biopotravinami poznamenána nízkou kupní silou obyvatelstva a stereotypy, pfiesto podle uvádûn˘ch prÛzkumÛ4, podobnû jako v SRN, Rakousku, ·v˘carsku a dal‰ích evropsk˘ch zemích, biopotraviny nakupují pfiedev‰ím lidé s V· vzdûláním a rodiny s mal˘mi dûtmi a samozfiejmû lidé s vysok˘mi pfiíjmy. V nûmecky mluvících zemích jsou velkou skupinou zájemcÛ o biopotraviny dÛchodci. Proã tomu tak není v âR, je obecnû známo.5 Graf 1 Pfiíklad zvy‰ování koncentrace dusiãnanÛ (mg/l NO3) ve zdrojích pitné vody pro Mnichov pfied zavedením ekologického zemûdûlství a po nûm.

Zdroj: Bioinstitut, 2006, upraveno

Otázkou ãasto diskutovanou je kvalita biopotravin, které mají své pfiesvûdãené zastánce i odpÛrce a obû strany jsou schopny argumentovat podloÏen˘mi údaji. Zatímco v‰ak zlep‰ení zdravotního stavu jednotlivcÛ nebo skupin obyvatelstva lze dokumentovat obtíÏnû6, zcela jasnou vypovídající hodnotu o procesní kvalitû a vlivu zemûdûlské ãinnosti v dobovém kontextu7 napfi. na obsah nitrátÛ v pitné vodû mají údaje uvedené v grafu 1. Certifikace produkce vypovídá o dodrÏení procesu v˘roby bioproduktu nebo biopotraviny, kter˘ podléhá kontrole k tomu ustanoven˘mi právnick˘mi osobami, s nimiÏ má kaÏd˘ registrovan˘ ekologick˘ zemûdûlec uzavfienou smlouvu. Existuje nûkolik ekologick˘ch zemûdûlcÛ, ktefií svou produkci distribuují v blízkém okruhu, zcela v souladu s hlavními principy EZ, a nenárokují dotace. Existují ov‰em i podnikatelé v ekologickém zemûdûlství maximálnû vyuÏívající v˘hod dotaãního systému s minimálními náklady na produkci (graf 2). I proto bylo nutno zmûnit strukturu finanãních podpor v âR s nav˘‰ením pro nejpracnûj‰í a nejnákladnûj‰í formy ekologické produkce (orná pÛda, ovoce, zelenina, byliny).

4

http://www.agris.cz/vyhledavac/detail.php?id=159003&iSub=518&sHighLight=biopotraviny|kupuj%ED, http://www. agris.cz/vyhledavac/detail.php?id=162471&iSub=518&sHighLight=biopotraviny|kupuj%ED, http://www.lea.ecn.cz/ 03info.html 5 Staãí porovnat pfiíjmy obyvatelstva s náklady na bydlení, potraviny a dal‰í potfieby. Nejde pouze o ceny potravin, které jsou v âR srovnatelné, u nûkter˘ch poloÏek vy‰‰í neÏ v SRN. 6 Podobnû jako se velmi obtíÏnû, s ãasovû velkou prodlevou, prokazuje ‰kodliv˘ vliv zneãi‰tûní ovzdu‰í prÛmyslem a dopravou na zdravotní stav obyvatelstva – z poslední doby Ostravsko – a je‰tû obtíÏnûji se prosazují nezbytná opatfiení k udrÏení zákonem, stanoven˘ch limitÛ. Na tento stav vûcí doplácíme v‰ichni bez ohledu na to, do jaké zájmové skupiny patfiíme. 7 Pfied zavedením nitrátové smûrnice

15

S

Semináfie

Graf 2 Zastoupení kultur v EZ na zemûdûlské pÛdû. 31. 12. 2008

Zdroj: zpracováno podle údajÛ âSÚ, PRO-BIO a Mze, 2009 Pozn. Procentické zastoupení se vztahuje k celkové v˘mûfie zemûdûlské pÛdy v âR (mil. ha), u níÏ ov‰em nepanuje shoda a nûktefií pracují s jiÏ neplatn˘mi daty vzhledem ke stálému poklesu v˘mûry zemûdûlské pÛdy (vût‰inou velmi kvalitní pÛdy obûtované v˘stavbû dopravních cest, satelitních sídel, pfiímûstsk˘ch logistick˘ch a nákupních center).

Zvlá‰tní zpÛsob hospodafiení zvy‰uje administrativní zátûÏ, které je ekologick˘ zemûdûlec vystaven. Kromû pfiedpisÛ platn˘ch pro konvenãní zemûdûlství se ekologick˘ zemûdûlec dobrovolnû podfiizuje dal‰ím pfiísn˘m legislativnû upraven˘m omezením. Od roku 2007 je podpora ekologick˘m zemûdûlcÛ na plochu vyplácena v rámci PRV (2007–2013) v rámci Osy II, kde je dotaãní titul Ekologické zemûdûlství jedním z Agroenvironmentálních opatfiení 8. Ekologiãtí zemûdûlci a v˘robci biopotravin jsou bodovû zv˘hodnûni také v pûti investiãních opatfiení PRV, jde o Osy I a III: (1) Modernizace zemûdûlsk˘ch podnikÛ, (2) Zahájení ãinnosti mlad˘ch zemûdûlcÛ, (3) Pfiidávání hodnoty zemûdûlsk˘m a potravináfisk˘m produktÛm, (4) Podpora cestovního ruchu a (5) Diverzifikace ãinností nezemûdûlské povahy. Graf 3 Rozvoj ekologického zemûdûlství v âR

Zdroj: zpracováno podle Zídek 1994, PRO-BIO, Mze, 2009

8

http://www.szif.cz/irj/portal/anonymous/eafrd/osa2/1.

16

S

Semináfie

Od 1. 1. 2009 platí nová evropská legislativa ekologického zemûdûlství: Nafiízení rady (ES) ã. 834/2007 9 o ekologické produkci a oznaãování ekologick˘ch produktÛ a o zru‰ení nafiízení Rady (EHS) 2092/91 a provádûcí Nafiízení komise (ES) 889/2008, kter˘m se stanoví provádûcí pravidla k nafiízení Rady (ES) 834/2007. Soubor nové legislativy doplÀuje NK (ES) 1235/2008, kter˘m se stanoví provádûcí pravidla pro dovoz biopotravin ze tfietích zemí. Dále platí národní zákon 242/2000 Sb.10, o ekologickém zemûdûlství upravující záleÏitosti, které evropská legislativa nefie‰í.

Ekologické zemûdûlství a genové inÏen˘rství Zásady ekologické produkce (NR ES 834/2007, Hlava II, âl. 4) vyluãují pouÏívání GMO a produkty získané z GMO ãi získan˘ch za pouÏití GMO s v˘jimkou veterinárních léãiv˘ch pfiípravkÛ. GMO a produkty získané z GMO ãi získané za pouÏití GMO nelze pouÏívat jako potraviny, krmivo, ãinidla, pfiípravky na ochranu rostlin, hnojiva, pomocné pÛdní látky, osivo, vegetativní rozmnoÏovací materiál, mikroorganismy a zvífiata v ekologické produkci (NR ES 834/2007, Hlava III, Kapitola I, âl. 9)

Metody genového inÏen˘rství Metod genového inÏen˘rství mÛÏe b˘t uÏito k izolaci jednotliv˘ch genÛ a jejich uÏití pro pfiekonání mezidruhov˘ch bariér. Gen bakterie mÛÏe b˘t vpraven do genomu rostliny. Genové konstrukty (speciální plasmidy nebo dal‰í vektory) jsou vytváfieny v laboratofii. Obsahují sekvence DNA, zprostfiedkující pfiíjem a integraci vektoru ãi ãásti plasmidu do genomu buÀky. Navíc musí b˘t genov˘ konstrukt vybaven promotorem, ukonãovacími a dal‰ími regulaãními sekvencemi, aby byl rozpoznán cizí gen a naãtena informace, kterou nese11. Genov˘ konstrukt se bûÏnû skládá z DNA sekvencí 4 nebo 5 rÛzn˘ch organismÛ. Genové konstrukty jsou náhodnû propojeny do chromozómu. Pfii ‰lechtûní jsou v selekãním procesu vybrány rostliny, obsahující nov˘ genov˘ konstrukt bez dal‰ích viditeln˘ch zmûn. Tyto rostliny se stanou souãástí dal‰ího procesu ‰lechtûní. V porovnání se ‰lechtûním konvenãním nabízí genové inÏen˘rství mnohem více nov˘ch moÏností. Genové inÏen˘rství mÛÏe spojit genetické informace, nikdy v‰ak bez pomoci laboratorní techniky! V roce 2008 pfiedstavovala plocha GM plodin 125 mil. ha, coÏ pfiedstavovalo 12 % nav˘‰ení proti 2006 a dvojnásobnou plochu dosaÏenou v posledních 5 letech. Pûstovalo je 13,3 mil. farmáfiÛ; více jak 90 % z nich z rozvojov˘ch zemí. Ve 25 zemích se v roce 2008 pûstovaly GM-plodiny: Argentina, Austrálie, Brazílie, Kanada, Chile, âína, Columbia, âeská republika, Francie, SRN, Honduras, Indie, Mexiko, Paraguay, Filipíny, Polsko, Portugalsko, Rumunsko, Slovensko, JiÏní Afrika, ·panûlsko, USA a Uruguay.12

Cíle a aplikace GMO Cílem GMO aplikací jsou: (1) rezistence nebo vysoká tolerance vÛãi herbicidÛm, (2) rezistence vÛãi hmyzím ‰kÛdcÛm, (3) rezistence vÛãi virov˘m, bakteriálním a houbov˘m chorobám, (4) tolerance k nepfiízniv˘m abiotick˘m faktorÛm, (5) zv˘‰ená trvanlivost produktÛ, (6) navození pylové sterility, (7) produkce specifick˘ch proteinÛ vãetnû vakcín produkovan˘ch rostlinou, (8) produkce rostlinn˘ch olejÛ se zmûnûn˘m sloÏením a (9) produkce specifick˘ch sacharidÛ. U genetick˘ch modifikací plodin pfievládá snaha zajistit vy‰‰í v˘nosy nebo zjednodu‰it techniku produkce. Vût‰ina aplikací aktuálnû pûstovan˘ch transgenních plodin se t˘ká: – rezistence k herbicidu (77 %), – insekticidní rezistence (15 %) a – jejich kombinací (8 %)

9

http://eagri.cz/public/eagri/zemedelstvi/ekologicke-zemedelstvi/legislativa/legislativa-eu/ http://eagri.cz/public/eagri/zemedelstvi/ekologicke-zemedelstvi/legislativa/uplna-zneni-vybranych-predpisu/ http://portal.gov.cz/wps/portal/_s.155/701/.cmd/ad/.c/313/.ce/10821/.p/8411/_s.155/701?PC_8411_number1 =242/2000&PC_8411_l=242/2000&PC_8411_ps=50#10821 11 Dostupné ke staÏení z: https://www.fibl-shop.org/shop/searchresult.php 12 Dostupné: http://www.emediawire.com/releases/Genetically_Modified/Crops/emw843044.htm 10

17

S

Semináfie

Tab. 1 Jednoduchá akce versus systémové my‰lení (pfiíklad zavíjeãe kukufiiãného) Ekologické zemûdûlství Optimalizace pûstitelsk˘ch technologií, osevní postup, obdûlávání pÛdy, orba, zaorání strni‰tû V˘bûr „stabilní“ odrÛdy Pfiírodní látky v ochranû rostlin ‰etrné k Ïivotnímu prostfiedí, podpora uÏiteãného hmyzu, vyuÏití antagonismu, Bt – insekticidy, parazitické vosiãky atd. Krajinná ekologie: tvorba semi-pfiírodních stanovi‰tû, polní okraje, pásy „divok˘ch“ plan˘ch rostlin, nav˘‰ení poãtu pfiírodních predátorÛ Prognostika: ãasování optimální aplikace insekticidÛ

Genové inÏen˘rství VloÏení toxin-genu rezistence do rostliny kukufiice

Obrázek – zdroj: http://www.priroda.cz/lexikon.php?detail=82 Zdroj: Nowack-Heimgartner K. et al., 2003

Transgenní rostliny (biotech plodiny), zkonstruované pro rezistenci k virÛm a houbov˘m chorobám, infekcím pfiizpÛsoben˘m pfiírodním podmínkám, zmûny v potravináfiské a zpracovatelské kvalitû jsou za zákonem stanoven˘ch podmínek testovány v polních pokusech a uvolÀovány do Ïivotního prostfiedí. Enzymy produkované geneticky modifikovan˘mi organismy jsou bûÏnû uÏívány v potravináfiském a krmiváfiském prÛmyslu. Tab. 2 Rozdílné pfiístupy ekologického zemûdûlství (EZ) a genového inÏen˘rství (GI)

EZ Základní principy a etické postoje GI

Farmáfiské znalosti

EZ GI

EZ Sociální a ekonomické GI

zaloÏeno na holistickém pfiístupu k pfiírodním systémÛm snaha o ekonomicky, sociálnû a ekologicky udrÏitelnou produkci hodnotû Ïiv˘ch tvorÛ je pfiisuzována vysoká cena je sledován dopad zásahÛ na agro-ekosystém a negativní vlivy jsou minimalizovány MOTTO: celek je víc neÏ suma ãástí zaloÏeno na zjednodu‰eném pohledu na Ïivé organismy a pfiírodní systém cílem vût‰iny GE je získat vy‰‰í v˘nos nebo zjednodu‰it technologii dÛsledky pro celou rostlinu nebo zvífie, tak jako souvislosti a vzájemné vztahy, jsou ignorovány a neznámy zvífiata a rostliny jsou spotfiebním materiálem pro lidskou potfiebu – hospodáfiské vyuÏití MOTTO: celek je suma ãástí nároky na vysoké „know-how“ a rozhodovací schopnost zaloÏeno na ‰irok˘ch empirick˘ch znalostech a dovednostech farmáfiÛ a moderním v˘zkumu, poskytujícím inovativní nové znalosti vût‰ina znalostí propojena/spoãívá na agroprÛmyslu omezen˘ vklad znalostí, uÏívá vstupy pouze podle pokynÛ sledování sociopolitick˘ch procesÛ a spoleãensky citliv˘ch témat pfiizpÛsobení lokální situaci / odli‰nostem diversita odrÛd rostlin a plemen ÏivoãichÛ je vefiejn˘m statkem s vysokou kulturní hodnotou nízkonákladov˘ rozvoj a vyuÏívání univerzální odrÛdy a vstupy bez adaptace na místní podmínky vyfiazení místních adaptovan˘ch odrÛd plodiny a zvífiata jsou pfiedmûtem komerãního vyuÏití závislost na nadnárodních spoleãnostech intenzivní rozvoj a vyuÏití kapitálu 18

S

Semináfie

Produkãní aspekty Produkce a ekologické aspekty

EZ GI EZ

GI

potrava s vysokou kvalitou a „vnitfiní hodnotou“ produkt s optimalizovan˘m obsahem specifick˘ch komponentÛ minimalizace rizik vzniku rezistentních ‰kodliv˘ch organismÛ optimalizace mnoÏství parciálních dopadÛ, fie‰ení problémÛ v zárodku podpora pfiírodní kapacity samoregulace tak, jako zdraví a odolnosti pÛdy, rostlin, zvífiat rizika jsou známa a informace o opatfieních proti vzniku rezistence jsou farmáfiÛm poskytovány, vût‰inou v‰ak nejsou uplatÀována zesílení jednotliv˘ch dopadÛ Zdroj: Nowack-Heimgartner K. et al., 2003

Ekologické zemûdûlství neuÏívá GMO, protoÏe: genové inÏen˘rství není sluãitelné s principy EZ, nenabízí systémové fie‰ení (tab. 1), skr˘vá zatím nemûfiitelná rizika a mnoho konzumentÛ odmítá potraviny z GMO. Genové inÏen˘rství není sluãitelné s principy EZ. Ekologické zemûdûlství se vyznaãuje snahou o holistick˘ pfiístup k hospodafiení se snahou pfiedcházet moÏn˘m problémÛm produkce pfiizpÛsobením pûstitelsk˘ch technologií místním podmínkám, vyuÏíváním moÏností, které nabízí semi-pfiírodní agroekosystém, v nûmÏ napfi. plevele, které mechanická regulace udrÏuje na hranici ‰kodlivosti, jsou vnímány jako doprovodné rostliny, pfiispívající k biodiverzitû, úloÏi‰tû Ïivin, útoãi‰tû uÏiteãného hmyzu apod. Spoleãensky velice v˘znamn˘ je i pfiíspûvek ekologického zemûdûlství k tvorbû, ochranû a udrÏení krajiny. Jde o systém mimofiádnû vhodn˘ pro hospodafiení v oblastech ochrany vod, v CHKO a ZCHÚ. Ekologick˘ zemûdûlec se snaÏí hospodafiit v uzavfieném systému v souladu s pfiírodou ve snaze limitovat a udrÏet si minimální závislost na vnûj‰ích vstupech. Z tohoto pohledu jsou aplikace genového inÏen˘rství dal‰ím krokem na cestû potlaãování symptomÛ naru‰en˘ch zemûdûlsk˘ch soustav (tab. 1, 2), které zpÛsobuje uplatÀování metod industriálního zemûdûlství, a které ve svém dÛsledku mohou vést k rÛstu problémÛ plynoucích z jejich plo‰ného roz‰ífiení. Z fiad zastáncÛ GM plodin a jejich roz‰ífiení do pûstitelsk˘ch systémÛ zaznívá ãasto argument, Ïe biotechnologie provází lidstvo od poãátku a13 Ïe není rozdílu ve zmûnû genetické informace mutacemi zpÛsoben˘mi biotick˘mi ãi abiotick˘mi faktory a pokládají genetické modifikace za „logické pokraãování procesu, kter˘ zaãal v dobû kamenné.“14 Zastánci ekologického zemûdûlství ov‰em jiÏ z principu vidí rozdíl mezi spontánními mutacemi, ãi zmûnami genetické informace vyvolan˘mi zámûrn˘mi zásahy ãlovûka, u nichÏ buì nejde o vnesení cizí informace, ale o zmûnu/zmûny v rámci organismu (kosmické záfiení, radiace, chemické mutageny), nebo je zmûna genomu inkorporací genetické informace pÛvodem z jiného organismu souãástí pfiirozen˘ch pfiírodních dûjÛ (napfi. Agrobacterium), a cílen˘mi zmûnami genomu, které by nebylo moÏné nikdy uskuteãnit bez nákladného laboratorního vybavení, vysoké úrovnû poznání a vy‰koleného personálu a které provází pomûrnû vysoká spotfieba pokusného materiálu. Genové inÏen˘rství nenabízí systémová fie‰ení. Je otázkou, do jaké míry mohou b˘t transgenní plodiny pfiíspûvkem k fie‰ení globálních problémÛ lidstva. Podle nûkter˘ch autorÛ, mohou geneticky modifikované potraviny pfiispût k fie‰ení potravinov˘ch otázek budoucnosti a nûktefií nevnímají jako korektní zdÛrazÀování rizik, která sebou tato opatfiení ke zv˘‰ení v˘nosové jistoty a zaji‰tûní vy‰‰í dostupnosti nûkter˘ch sloÏek potravin pro více lidí pfiiná‰ejí.15 Je smutnou pravdou, Ïe v souãasné dobû trpí na Zemi více neÏ miliarda lidí hladem a podv˘Ïivou a je‰tû vût‰í poãet lidí strádá nedostatkem nezbytn˘ch nutriãních sloÏek potravin, na druhé stranû ov‰em je nutno pfiipomenout a zdÛraznit, Ïe dosud Ïádná ze zemûdûlsk˘ch revolucí nebyla schopna 13

ponecháme-li stranou vyuÏívání napfi. kvasn˘ch procesÛ, ãi zámûrn˘ v˘bûr druhÛ Napfi. Petr J. 2006, s. 32 15 Miflin. 2000, In Nátr, 2002, s. 347 14

19

S

Semináfie

fie‰it problém „svûtového hladu“ globálnû. NárÛst produktivity v zemûdûlství nesníÏil celkov˘ poãet hladovûjících, z nichÏ tfietina Ïije v Africe. V pomûru k celkovému poãtu obyvatel, do‰lo sice ke sníÏení podílu poãtu hladovûjících od roku 1970, kdy podv˘Ïivou trpûlo 960 mil. lidí, a spotfieba na osobu se od té doby zv˘‰ila o 17 % na prÛmûrn˘ch 2 760 kcal/ den, velké mnoÏství lidí (33 zemí) pfiedev‰ím v Subsaharské Africe v‰ak stále pfieÏívá na ménû neÏ 2 200 kcal/den! Aktuálnû ãiní prÛmûrná spotfieba obyvatel v rozvinutém svûtû 78 kg masa a 550 kg obilovin na osobu za rok, coÏ je v ostrém kontrastu se spotfiebou obyvatel rozvojov˘ch zemí, ktefií konzumují v prÛmûru 30 kg masa a 260 kg obilovin na osobu za rok.16 ZáleÏitost hladu a podv˘Ïivy ov‰em není primárnû problémem produkãních technologií, ale ekonomicko-politick˘ch a sociálních aspektÛ v souvislosti s nerovnomûrn˘m rozloÏením a vyuÏíváním zdrojÛ. Dal‰í otázkou je, zda by roz‰ífiení aplikací genového inÏen˘rství v podobû transgenních plodin v rámci stávajících globálních socio-ekonomick˘ch podmínek nesníÏilo dostupnost potravin právû pro ty nejpotfiebnûj‰í. ¤e‰ení GM plodinami je izolovan˘m fie‰ením, cel˘ produkãní systém, ekologické a sociální kontexty by mûly b˘t propojeny.17 Souãasné transgenní rostliny jsou vytvofieny pro velkoobjemové trhy s potravinami a krmivy. Geneticky modifikovaní mutanti kukufiice, sóji, fiepky a bavlny se v‰ichni vyznaãují buì rezistencí k jednotliv˘m „zabijákÛm“ plevelÛ nebo obsahují geny exprese hmyzích toxinÛ z pÛdní bakterie Bacillus thuringiensis (Bt). Primárním cílem uÏití rostlin rezistentních k herbicidu je efektivnûj‰í polní produkce. Efektivnûj‰í produkce mÛÏe b˘t zisková pouze pro holdingové spoleãnosti volnû disponující mnoÏstvím pÛdy a strojním vybavením. Drobní farmáfii na jihu, ktefií nemají peníze k nákupu minerálních hnojiv a herbicidÛ na prvním místû nepouÏívají geneticky modifikované rostliny. Genové inÏen˘rství v podobû transgenních plodin stále nenabízí fie‰ení vût‰iny agronomick˘ch problémÛ s fuzariózami, stéblolamem a listovou skvrnitostí u p‰enice, podobnû jako s mandelinkou bramborovou ãi s krytonosci a ‰e‰ulov˘mi ‰kÛdci u fiepky. U kukufiice rovnûÏ nejsou dostupná fie‰ení pro vût‰inu v˘znamn˘ch chorob. DÛvodem chybûjících fie‰ení prezentovan˘ch genov˘m inÏen˘rstvím pro potfiení tûchto problémÛ se ‰kÛdci a chorobami je, mimo vysok˘ch nárokÛ na laboratorní vybavení, pracovní t˘my a ãas, vysoká flexibilita a adaptibilita ‰kÛdcÛ a chorob. Jsou geneticky natolik variabilní, nebo se adaptují tak rychle, Ïe genové inÏen˘rství tûÏko mÛÏe b˘t stûÏí schopné udrÏet krok a vyfie‰it problém ‰kÛdce ãi choroby jedinou aplikací.18 Genové inÏen˘rství skr˘vá zatím nemûfiitelná rizika Jedním z nezanedbateln˘ch dlouhodob˘ch vlivÛ je dal‰í zúÏení jiÏ tak omezeného spektra pûstovan˘ch kulturních plodin, kdy aktuálnû „je pfies 80 % potravin zaji‰Èováno pûstováním pouh˘ch 11 druhÛ rostlin“.19, a to pfiedev‰ím z hlediska odrÛdové diverzity. Dopad na ekosystém: Bt-toxiny produkované Bt-rostlinami konãí v pÛdû a mají dopad na pÛdní faunu – chvostoskoky.20 Pokud jde o problematiku vertikálního pfienosu genÛ, v˘zkum NIAB (National Institute of Agricultural Botany), Cambridge, Anglie, prokázal pfienos genu z GM fiepky fiepku nemodifikovanou ve 3 pfiípadech ze 4 pokusn˘ch rostlin.21 Po‰kození prospû‰n˘ch ÏivoãichÛ: Mortalita larev zlatooãek, jejichÏ kofiist byla Ïivena Bt, byla 62 % proti 37 % larev zlatooãek krmen˘ch kofiistí Bt-free. Tfii umûle vytvofiené jídelníãky kofiisti zlatooãek (tj. zavíjeãe kukufiiãného) zpÛsobily odstupÀované zv˘‰ení larvální mortality ze 42–78 % ve srovnání se 6 % mortalitou u zlatooãek na Bt-free kofiisti.22

16

Pretty J. 2005. 1–2 Napfiíklad my‰lenka jedl˘ch vakcín, pûstovan˘ch na políãcích za vsí zachraÀujících lidské zdraví a Ïivoty (Petr, 2006) je z humanistického pohledu nesmírnû zajímavá, jejich vyuÏití je v‰ak nutno vnímat v ‰ir‰ím kontextu tfieba fungující stability a sociální hierarchie v dané lokalitû, moÏnosti osvûty místních obyvatel, ochrany políãek pfied neÏádoucími potravními konkurenty a vetfielci apod. 18 Nowack-Heimgartner K.et al., 2003 19 Nátr, 2002, s. 101 20 Tappeser B. et al., 2000 In Nowack-Heimgartner K.et al., 2003, s. 7 21 Simpson E.C. et al. 1999 In Nowack-Heimgartner K.et al., 2003, s. 7 22 Hillbeck A. et al. 1998In Nowack-Heimgartner K.et al., 2003, s. 7 17

20

S

Semináfie

Transgenní rostliny se mohou stát nezvládateln˘mi: Populace fiepky v Kanadû odolné ke 3 herbicidÛm se mohou stát jedním z nejobtíÏnûj‰ích plevelÛ.23 Rekombinace mezi odoln˘mi viry plodin a virov˘mi genomy: Pûstování plodin, které jsou díky genovému inÏen˘rství rezistentní k virov˘m infekcím, mÛÏe pfiispût ke vzniku generací nov˘ch virÛ.24 V˘voj rezistencí hmyzu a plevelÛ: Charakteristické znaky odolnosti byly nalezeny u mÛr na GM-bavlnû. Helicoverpa zea (ãernopáska) – kvût, Spodoptera litsoralis (listopas).25 Tab. 3 Rozdíly mezi Bt-postfiikem a geneticky modifikovanou Bt-rostlinou Bt-postfiik Obsahuje inaktivní protoxin. Pouze mal˘ poãet hmyzích jedincÛ mÛÏe zmûnit aktivní látku v aktivní jed ve stfievech. Rychlá destrukce UV záfiením. Nedochází k akumulaci. Pfiímé vyuÏití. Malá pravdûpodobnost pro rozvoj rezistencí.

Geneticky modifikovaná Bt-rostlina Aktivní jed se vyskytuje po celou vegetaãní periodu v celé rostlinû. V‰echen hmyz a Ïivoãichové, ktefií poÏírají rostlinu, pfiijímají aktivní jed. Chránûn pfied UV záfiením v rostlinn˘ch buÀkách, proto je aktivní bûhem celé vegetace. Profylaktické vyuÏití. Vysok˘ selekãní tlak vedoucí k rezistenci ‰kÛdcÛ. Zdroj: Nowack-Heimgartner K. et al., 2003

V˘ãet rizik není úpln˘ a nejsou to pouze rizika v˘‰e vyjmenovaná, která vedla ke vzniku legislativy vymezující pravidla pro nakládání s GMO. Ne v‰echny státy v‰ak pfiistupují k problematice GM plodin stejnû odpovûdnû a zákonné limity nemusí b˘t v praxi vÏdy respektovány. Jedním z velk˘ch rizik je dal‰í rÛst závislosti farmáfiÛ v podobû moÏné monopolizace osiváfiského prÛmyslu a patentÛ na rostliny a zvífiata a s tím spojené rostoucí industrializací zemûdûlství, protoÏe GM-plodiny se hodí pfiedev‰ím pro pûstování v monokulturách na velk˘ch plochách. Patentování Ïiv˘ch organismÛ mÛÏe pfiedstavovat váÏné ohroÏení dostupnosti napfi. osiv právû pro farmáfie tfietího svûta. Lze si totiÏ jen s obtíÏemi pfiedstavit, Ïe firmy vkládající obrovské prostfiedky do v˘zkumu a v˘voje z ãistého entuziasmu pfienechají plody svého snaÏení ‰iroké vefiejnosti k volnému pouÏití. V pfiípadû, Ïe by tato eventualita nastala, jednalo by se o revoluci v planetárním mûfiítku. To uÏ je pravdûpodobnûj‰ím scénáfiem, Ïe by dostupnost rozmnoÏovacího materiálu transgenních plodin pro rolníky tfietího svûta firmám platili daÀoví poplatníci rozvinut˘ch zemí. Dal‰ím rizikem jsou ztráty pracovních míst v dÛsledku vy‰‰í racionalizace a koncentrace zemûdûlské v˘roby (otázky práce pro v‰echny a s tím související kupní síly). Pokud jde o zdravotní rizika, v souãasné dobû neexistuje odpovídající efektivní Ïivoãi‰n˘ model slouÏící k identifikaci a zji‰tûní neúmysln˘ch vlivÛ GMO na lidské zdraví. Pfiitom je zde nebezpeãí produkce nepfiedpokládan˘ch a neÏádoucích substancí jako v˘sledek nepfiedvídatelné integrace genÛ do genomu (genetická modifikace tabáku skonãila nepfiedpokládan˘m v˘skytem toxické látky, vy‰‰í lignifikace bunûãn˘ch stûn u GM sóji a kukufiice, zmûny hladin fytohormonÛ u GM-sóji) 26. Mûly by b˘t vyvinuty metody dostateãnû citlivé a pfiesné k posouzení potenciálu neoãekávan˘ch vlivÛ konzumace potravin vyroben˘ch z GM plodin na lidské zdraví. Nesmyslnou není ani obava z horizontálního transferu genÛ, kter˘ se neomezuje pouze na vnûj‰í prostfiedí, „bylo prokázáno, Ïe u my‰í a kufiat probíhá i mezi stfievními bakteriemi a také v zaÏívacím, urogenitálním a zaÏívacím ústrojí ãlovûka.“27 Mikroorganismy ve stfievní flófie vãel byly schopny integrovat manipulovanou DNA fiepky do své vlastní DNA.28 Se zavádûním cizích genÛ (produkujících proteiny) v krmivech vzrÛstá nebezpeãí potravinov˘ch alergií. 23

MacArthur M. 2000., Jorgensen R. and Andersen B 1995, Mikkelsen T.R. et al. 1996 In Nowack-Heimgartner K. et al., 2003, s. 7 24 Jakab G. Et al. 2002 In Nowack Heimgartner et al., 2003 25 Liu Y.-B. et al. 1999 In Nowack-Heimgartner K.et al., 2003, s. 7 26 Nowack-Heimgartner K. et al., 2003 27 Ho M. van, 1999 28 Nowack-Heimgartner K. et al., 2003

21

S

Semináfie

V USA je pouÏíván geneticky modifikovan˘ hovûzí rÛstov˘ hormon rBST ke zv˘‰ení mléãné produkce. Îádoucího zv˘‰ení b˘vá dosaÏeno, ale za cenu mnoha zdravotních problémÛ zvífiat, zvlá‰tû metabolick˘ch poruch, mastitid, problémÛ s plodností. Navíc byl u telat krav, jimÏ byl rBST hormon podáván, zji‰tûn zv˘‰en˘ v˘skyt deformací. Mléko tûchto krav obsahuje zv˘‰ená mnoÏství bíl˘ch krvinek a kontaminantÛ, jakoÏ i hormon rBST. Nepublikované studie rovnûÏ poukazují na zv˘‰ené riziko rakoviny prsu u konzumentÛ mléka od rBST krmen˘ch krav.29 Ve srovnávací studii s pouÏitím herbicidních postfiikÛ, která se t˘kala ozimé jarní fiepky, cukrové fiepy a kukufiice a v níÏ bylo sledováno 65 polí na rÛzn˘ch místech Velké Británie, prokázali v˘zkumníci negativní dopad transgenních plodin na Ïivotní prostfiedí a jeho rovnováhu.30 Pfietrvávajícím problémem je v‰ak stále nedostateãn˘ poãet relevantních studií, které by na jedné stranû jednoznaãnû prokázaly bezpeãnost jednotliv˘ch GM aplikací nebo naopak doloÏily negativní dopady na zdraví ãlovûka, zvífiat a ekosystém. âasto dochází ke konfrontaci mezi skupinami zastáncÛ a odpÛrcÛ GMO, kdyÏ jedna strana hodnotí argumenty strany druhé jako zavádûjící, nedostateãné nebo ideologické dezinformace. Konzumenti nechtûjí geneticky modifikovanou potravu? Zatímco v USA si konzumenti nemohou vybrat, protoÏe znaãení potravin vyroben˘ch z nebo za pomoci GMO není povinné, v Evropû je situace odli‰ná31. Graf 4 uvádí míru pfiijetí jednotliv˘ch genetick˘ch modifikací podle zpÛsobu vyuÏití v letech 1996–2000. Postoje k potravinám z GM plodin se ov‰em vyvíjejí. V roce 2008 konstatuje tisková zpráva Centra pro v˘zkum vefiejného mínûní, Ïe: „Vefiejnost je rozdûlena pouze v otázce pûstování geneticky upraven˘ch potravin (46 % „velmi + dosti závaÏn˘ problém“ vs. 30 % „málo závaÏn˘ + není to problém“) a provozu jadern˘ch elektráren (43 % vs. 44 %). Problematika geneticky modifikovan˘ch potravin navíc zfiejmû není ve spoleãnosti tolik diskutovaná jako jiná témata, jelikoÏ zde lidé nejãastûji volí odpovûì „nevím“.32 Z podobn˘ch v˘zkumÛ ov‰em nelze dûlat obecné závûry, vût‰ina konzumentÛ se bude chovat pragmaticky, záleÏet bude pfiedev‰ím na cenû a dostupnosti potravin. Navíc má mnoho obyvatel EU jen mlhavé pfiedstavy o tom, co v sobû zahrnuje pojem GMO (coÏ je stejnû v˘hodné ãi nev˘hodné pro obû strany sporÛ o GMO). Graf 4 Pfiijetí genového inÏen˘rství v Evropû a USA v letech 1996–2000

Zdroj: Nowack-Heimgartner K. et al., 2003

29

Fagan J.B. 1995: Genetic Engineering: The Hazards – Vedic Engineering: The Solutions, MIU Press, Fairfield Iowa, USA In. Nowack-Heimgartner K.et al., 2003 30 http://gnosis9.net/rservice.php?akce=tisk&cisloclanku=2005030004 31 http://www.biotrin.cz/czpages/inf051303c.htm#10 32 http://www.cvvm.cas.cz/upl/zpravy/100806s_oe80625a.pdf

22

S

Semináfie

Proã a jak je ekologické zemûdûlství dotãeno genetick˘m inÏen˘rstvím? Jde pfiedev‰ím o následující moÏnosti kontaminace a znehodnocení ekologické produkce: (1) GMO kontaminace osiva pfienosem pylu nebo smícháním. (2) Nekontrolovatelná kontaminace ekologické produkce GMO pylem, osivy, ãástmi nebo cel˘mi rostlinami. (3) Zbytky v pronajat˘ch/sdílen˘ch mlátiãkách (sklízeãích) a dal‰ích strojích. (4) Povolená pfiímûs konvenãní produkce s kritick˘mi ingrediencemi. (5) Povolená komerãní krmiva nebo kontaminovaná krmiva. (6) Povolená GMO léãiva. (7) Smíchání nebo kontaminace ve sbûrn˘ch místech (nákup). (8) Smíchání nebo kontaminace bûhem celého transportu. (9) Smíchání nebo kontaminace na pfiepravních místech. (10) Smíchání nebo kontaminace bûhem zpracování. (11) Konvenãní ingredience, aditiva a zpracovatelské pfiísady. Jak udrÏet EZ produkci „GM-free“? V mnoha zemích je legislativa zahrnující genové inÏen˘rství obdobná. Základním pravidlem je, Ïe geneticky modifikovaná osiva, potraviny a krmiva projdou státním schvalovacím fiízením, neÏ obdrÏí povolení k pfiístupu na trh. K získání povolení fiada zemí vyÏaduje, aby produkty vyrobené z GMO byly jako takové deklarovány. V USA a Kanadû ov‰em Ïádná potravina ani krmení povinnû znaãeny nejsou. Existující legislativa klade ekologickému zemûdûlství za povinnost produkovat potraviny bez vyuÏití produktÛ genového inÏen˘rství. „GM-free“ v ekologické produkci musí b˘t: (1) potraviny, (2) potravinové doplÀky, (3) pomocné látky pfii zpracování potravin, (4) krmiva a doplÀky krmiv, (5) pomocné látky pro krmiva, (6) hnojiva a pÛdní látky, (7) rozmnoÏovací materiál, (8) prostfiedky ochrany rostlin a (9) chovy hospodáfisk˘ch zvífiat. Zákaz se nevztahuje na ãisticí prostfiedky, paliva a prostfiedky veterinární medicíny.

Závûry Ekologické zemûdûlství vyluãuje uÏití GMO a trvá na dlouhodobé garanci této v˘luãnosti a legislativnû zakotvené ochranû GMO-free produkce. Se vzrÛstajícím vyuÏitím genového inÏen˘rství v zemûdûlství a potravináfiství stávají se tûÏkosti, jimÏ je vystaveno ekologické zemûdûlství, stále vût‰ím problémem. Ekologická produkce není uzavfiená a mÛÏe b˘t kontaminována více cestami GMO i jejich deriváty. (1) Organizace EZ pfiijaly nûkolik opatfiení k zaji‰tûní kvality v prÛbûhu celého toku zboÏí a ustanovily zákazy pro kritické produkty. (2) KvÛli pfiijat˘m opatfiením na v‰ech úrovních je kontaminace ekologické produkce nízká a objevuje se ménû neÏ v jin˘ch produktech. (3) Ekologické zemûdûlství nicménû nemÛÏe garantovat GM-free produkty s 0,0 % GMO, o nûÏ se snaÏí. Technicky nevyhnutelná kontaminace je akceptována v rámci zákonem stanoven˘ch limitÛ (0,9 %) do míry odpovídající úrovni kontrolního procesu. Abychom se vyhnuli skrytému ‰ífiení GMO, musí b˘t prahové hodnoty limitÛ pro certifikaci a tolerance stanoveny tak nízko, jak je to moÏné a prakticky realizovatelné. (4) EZ se dále zasazuje o GM-free zemû a regiony, protoÏe pouze nulová tolerance znamená bezpeãné zaji‰tûní GM-free produkce. PfiestoÏe systém ekologického zemûdûlství z principu vyluãuje uÏití GMO a trvá na dlouhodobé garanci této v˘luãnosti a legislativnû zakotvené ochranû GMO-free produkce, je z pohledu dal‰ího v˘voje nezbytná koexistence mezi rÛzn˘mi alternativami zemûdûlského hospodafiení, jejímÏ základem by mûl b˘t trval˘ dialog, vzájemn˘ respekt, vzájemná v˘mûna informací a dodrÏování legislativnû dan˘ch pravidel. Pouze budoucnost mÛÏe ukázat, do jaké míry byly nadûje vkládané do GM plodin ãi obavy jejich odpÛrcÛ oprávnûné. MÛÏe se v‰ak jednat o poznání draze zaplacené. Podobnû jako Petr (2006), kter˘ konstatuje, Ïe: „KaÏd˘ má právo na svÛj názor a dokonce na niãím nepodloÏen˘ strach z GMO. Mûl by v‰ak nést plnou zodpovûdnost za to, co ‰ífiením tûchto názorÛ vyvolá.“, zastávám pfiesvûdãení, Ïe kaÏd˘ by mûl b˘t pfiipraven nést plnou odpovûdnost za své ãiny, vãetnû 23

S

Semináfie

plodÛ své práce. I kdyÏ je to velmi tûÏké, protoÏe umûní pfievzít odpovûdnost za své ãiny je umûním pro bytosti vyspûlé po v‰ech stránkách, nejen v oblasti rozumové. Zde se plnû ztotoÏÀuji s názorem Renöcklov˘m (2006): „Ov‰em kaÏdé roz‰ifiování hranic, a tím spí‰e prolomení bariér jako u genové techniky, je nutnû spojeno s podmínkou, Ïe pfievezmeme odpovûdnost za dopady a nové skuteãnosti, které jsme vyvolali, respektive, Ïe je vÛbec mÛÏeme pfievzít.“ Legislativa spojená s GMO Zákonem ã. 78/2004 Sb., o nakládání s geneticky modifikovan˘mi organismy a genetick˘mi produkty a vyhlá‰kou byly do ãeské legislativy pfievedeny evropské smûrnice 2001/18/EC o zámûrném uvolÀování geneticky modifikovan˘ch organismÛ do Ïivotního prostfiedí a smûrnice 98/81/EC o uzavfieném nakládání s geneticky modifikovan˘mi mikroorganismy. Provádûcím pfiedpisem je vyhlá‰ka ã. 209/2004 Sb. Klíãové právní pfiedpisy v Evropské unii: 1829/2003 o geneticky modifikovan˘ch potravinách a krmivech, nafiízení ã. 1830/2003 o oznaãování GMO a sledovatelnosti GMO u potravin a krmiv a nafiízení ã. 1946/2003 o pfieshraniãním pohybu GMO. Nafiízení ã. 1829/2003 se bezprostfiednû t˘ká potravin a krmiv, které sestávají z GMO, obsahují GMO ãi jsou z GMO vyrobeny. 2000 pfiijat Cartagensk˘ protokol o biologické bezpeãnosti k Úmluvû o biologické rozmanitosti. V platnost vstoupil v záfií 2003. Stanoví podmínky pro pfieshraniãní pohyb (dovoz, v˘voz, tranzit) Ïiv˘ch modifikovan˘ch organizmÛ, nutnost pfiedbûÏného informovaného souhlasu dováÏející strany a mezinárodní informaãní systém. Cartagensk˘ protokol je pfiejat nûkolika evropsk˘mi pfiedpisy: smûrnicí Evropského Parlamentu a Rady 2001/18/EC o zámûrném uvolÀování geneticky modifikovan˘ch organismÛ do Ïivotního prostfiedí a o zru‰ením smûrnice Rady 90/220/EE C, pokud jde o dovoz GMO, základní pojmy a hodnocení rizik, a nafiízením ã. 1946/2003 Evropského Parlamentu a Rady o sledovatelnosti a oznaãování geneticky modifikovan˘ch organismÛ a sledovatelnosti potravináfisk˘ch a krmiváfisk˘ch v˘robkÛ z GMO a o zmûnû smûrnice 2001/18/EC Seznam pouÏité literatury: Biotechnologie. Sborník referátÛ z odborné zemûdûlské konference. Zlín 21. 10. 2004 Boss J.F.F.P., Haan J.J. de, Sukkel W, Schils R.L.M. 2007. Comparing energy use and greenhouse gas emissions in organic and conventional fading systems in the Netherlands. Improving Sustainability in Organic and Low Input Food Production Systems. Proceeding of the 3rd International Congress of the European Integrated Project Quality Low Input Food (QLIF), March 20–23, 2007, University of Hohenheim, Germany: 439–443, ISBN 978-3-03736-003-3 Kettnerová M. 2009. Environmentální aspekty obchodu s bioprodukty. Diplomová práce. âZU v Praze. 2009. 97 s. Nátr L. 2002. Fotosyntetická produkce a v˘Ïiva lidstva. ISV nakladatelství. Praha. 423 s. ISBN: 80-85866-92-7 Nowack Heimgartner K., Bickel R., Wyss E. 2003. Organic Farming and Genetic Engineering, Bestellnr. 1207, Dossier, 2003, 24 Seiten Mae-Wan Ho. Genetické inÏen˘rství. Nadûje nebo hrozba? Praha. 1999 300 s. Petr Jaroslav. Geneticky modifikované organismy. Universum 1/XVI. Praha. 2006. 32–34 Pretty J. 2005. Sustainability in Agriculture: Recent Progress and Emergent Challenges. In Sustainability in Agriculture. RSC Publishing. Cambridge CB4 OWF. UK. 2005: 1–2 ISBN: 0-85404-201-6, ISSN 1350-7583 Renöckl Helmut. Genová technika – nepfiípustné pfiekroãení hranice? Universum 1/XVI. Praha. 2006. 35 ·arapatka B. et al. 2006. Vliv zemûdûlství na kvalitu povrchov˘ch vod na pfiíkladu fieky Dunaje. Prezentace pro v˘uku. Bioinstitut, o.p.s., Institut pro ekologické zemûdûlství a udrÏiteln˘ rozvoj krajiny. Olomouc. 2006. 24 s. Veselsk˘ M. 2008. Globální ekologické problémy oãima ãeské vefiejnosti. Tisková zpráva. CVVM, Sociologick˘ ústav AV âR, v.v.i., dostupné z: http://www.cvvm.cas.cz/upl/zpravy/100806s_oe80625a.pdf Zídek T. 1994. Ekologické zemûdûlství v âeské republice. In Neuerburg W., Padel S. Ekologické zemûdûlství v praxi. FOA. Mze âR, Agrospoj. Praha. 41–45

24

S

Semináfie

PouÏité internetové zdroje 29. 1. – 30. 1.2010 http://www.agris.cz/vyhledavac/detail.php?id=159003&iSub=518&sHighLight=biopotraviny|kupuj%ED, http://www.agris.cz/vyhledavac/detail.php?id=162471&iSub=518&sHighLight=biopotraviny|kupuj%ED, http://www.lea.ecn.cz/03info.html http://www.szif.cz/irj/portal/anonymous/eafrd/osa2/1. http://eagri.cz/public/eagri/zemedelstvi/ekologicke-zemedelstvi/legislativa/legislativa-eu/ http://eagri.cz/public/eagri/zemedelstvi/ekologicke-zemedelstvi/legislativa/uplna-zneni-vybranych-predpisu/ http://portal.gov.cz/wps/portal/_s.155/701/.cmd/ad/.c/313/.ce/10821/.p/8411/_s.155/701?PC_8411_ number1=242/2000&PC_8411_l=242/2000&PC_8411_ps=50#10821 https://www.fibl-shop.org/shop/searchresult.php http://www.emediawire.com/releases/Genetically_Modified/Crops/emw843044.htm http://bio.org/news/pressreleases/newsitem.asp?id=2009_1117_02 http://www.emediawire.com/releases/Genetically_Modified/Crops/emw843044.htm http://www.biotrin.cz/czpages/inf051303c.htm#10

Dal‰í uÏiteãné odkazy: Hillbeck A., Baumgartner M., Fried P.M. and Bigler F. 1998 a): Effects of transgenic Bacillus thuringiensis com-fed prey on mortality and development time of immature Chrysoperla Carda (Neuroptera: Chrysopidae) Environmental Entomology 27 (2): 480–487 81 Jakab G., Droz E., Vaistij F.E. and Malnöe P. 2002. Durability of transgene-mediated virus resistence: High frequency occurrence of recombinant viruses in transgenic virus resistant plants. Tagung Perspektiven der Biosicherheit, 5.4.02 Bern Jorgensen R. and Andersen B 1995. Spontaneous hybridization between oilseed rape (Brassica napus) and weed Brassica campestris: A risk of growing genetically engineered modofied oilseed rape. American Journal of Botany 81: 1620 Liu Y.-B., Tabshnik B.E., Dennehy TJ., Patin A.L., Bartlett A.C. 1999. Development time and resistence to Br-crops. Nature 400:519 MacArthur M. 2000. Triple-resistant canola weeds found Alta, Western Producer, Feb. 10. Mikkelsen T.R. et al. 1996: The risk of crop transgene sprej. Nature. 380: 31 Simpson E.C., Norris C.E., Law J.R., Thomas J.E. and Sweet J.B. 1999. Gene flow in genetically modified herbicide tolerant oilseed rape (Brassica napus) in the UK. Gene Flow and Agriculture: Relevance for Transgenic Crops, BCPC Symposium Proceedings No. 72, April 1999, Keele, Staffordshire, UK:75– Tappeser B., Eckelkamp C., Weber B. (2000): Untersuchungen zu tatsächlich beobachten nachteiligen Effekten von Freisetzungen gentechnisch veränderter Organismen. Wien, Umweltnundesamt. Monographien Band 129

25

S

Semináfie Moderní ‰lechtûní rostlin a molekulární biologie Petr Sm˘kal Agritec Plant Research s.r.o., ·umperk

(na základû pfiedná‰ky v rámci semináfie, Ekologické zemûdûlství v kontextu moderní biologie rostlin, Katedra fysiologie rostlin, PfiF UK Praha 13. ledna 2009) âlovûk jiÏ pfied deseti tisíci lety, bûhem procesu domestikace rostlin, navodil smûr, jehoÏ dÛsledky je moÏné spatfiit bûhem kaÏdodenního Ïivota. Bez velkého pfiehánûní lze fiíci, Ïe tehdy probûhla jedna z nejv˘znamnûj‰ích zmûn v lidsk˘ch dûjinách. Pfiechod od nároãného a nespolehlivého sbûru rostlin a lovu zvífiat k jejich pûstování a chovu zvífiat lze rozhodnû povaÏovat za mezník vedoucí postupnû ke vzniku zemûdûlství, a ve svém dÛsledku umoÏÀující rozvoj civilizací. âlovûk si zprvu moÏná nevûdomû vybíral k pûstování rostlinné druhy a jednotlivé rostliny, a tím usmûrÀoval pfiírodní v˘bûr. Tisíce let pfied objevy Ch. Darwina nebo J.G. Mendela tak byly prací mnoha generací postupnû vybrány genové kombinace, které aÏ dosud poskytují potravinové základy lidstva. Tento proces pûstování rostlin a chovu zvífiat, zemûdûlství, mûl samozfiejmû i vliv na chování ãlovûka a v˘voj lidského spoleãenství. A jako u vût‰iny vûcí, existují kladné i záporné stránky. MoÏnost usídlení se dlouhodobûji na jednom místû umoÏnila vznik sídel-mûst. Dostatek potravy vedl k dostatku volného ãasu i pro jiné ãinnosti, vedoucí k rozvoji tvofiiv˘ch schopností ãlovûka. UmoÏnil také populaãní rÛst, coÏ ov‰em neslo i stinné stránky v podobû epidemií chorob nebo zmûn v genetickém sloÏení populace (vliv sloÏení potravy na alergii, tolerance k mléãnému cukru, odolnost k cukrovce apod.) Samozfiejmû, zemûdûlství vedlo k dramatické zmûnû krajiny a mûlo mnohdy spí‰e negativní vliv na pfiírodu. Proces domestikace a zemûdûlství se ale kromû uvedeného vlivu na ãlovûka a postfiedí odrazil samozfiejmû také na genetické v˘bavû pûstovan˘ch rostlin. Pfiihlédneme-li ke skuteãnosti, Ïe je v souãasnosti na Zemi popsáno pfiibliÏnû 250 tisíc druhÛ vy‰‰ích rostlin, av‰ak z nich jen malá ãást, pfiibliÏnû 500 druhÛ, byla podrobena urãité mífie domestikace, z nichÏ v souãasnosti lidstvo ãítající dnes kolem 6 miliard lidí Ïiví produkce jen kolem 30 rostlinn˘ch druhÛ (z nichÏ pak více jak 50 % na‰ich potfieb zaji‰Èují 4 druhy, zástupci travin – r˘Ïe, p‰enice, kukufiice a ãirok), je míra redukce biodiverzity velmi zfiejmá. Nejde v‰ak jen o sníÏení poãtu druhÛ, ale i v rámci jediného druhu. Pomocí nástrojÛ molekulární biologie lze dnes zfietelnû ukázat na redukci genetické diverzity. Je jasné, Ïe ãlovûk pfied tisíci lety necítil potfiebu dále hledat a zkou‰et nové rostliny, jestliÏe mûl k dispozici i jen nûkolik jedincÛ majících dané vlastnosti. Je také pravdûpodobné, Ïe prvotní zemûdûlci vyuÏili pro zaloÏení následující generace vût‰inou jen malou ãást vybran˘ch jedincÛ. Následkem toho zji‰Èujeme, Ïe vût‰ina z dnes pûstovan˘ch plodin má malou genetickou diverzitu a Ïe mnohé z pÛvodní pestrosti v˘chozích druhÛ tak nebylo vyuÏito. Taková redukce variability mÛÏe vést aÏ ke sníÏení odolnosti rostlin vÛãi chorobám, coÏ lze doloÏit mnoh˘mi pfiíklady z nedávné historie. Asi nejznámûj‰ím je hladomor ve 40. letech 19. století v Irsku, zpÛsoben˘ epidemií plísnû (Phytophthora infestans) brambor. DÛvodem byla velmi malá rÛznorodost pûstovan˘ch odrÛd, v pfiípadû bramboru vegetativnû mnoÏen˘ch klonÛ. Dal‰ím pfiípadem ze 70. let 20. století byla v USA epidemie listové skvrnitosti (Helmintosporium maydis) spojená s pûstováním vysoce uniformních hybridních typÛ kukufiice. Dnes je nanejv˘‰ zfiejmé, Ïe monokulturní pûstování, mnohdy provozované ve velkém mûfiítku, vytváfií ideální podmínky pro rozvoj chorob a ‰kÛdcÛ. Aby se zabránilo uveden˘m vlivÛm, je potfieba ohlédnout se zpût a pouÏít pfii kfiíÏení mnohdy i plan˘ch forem. Samozfiejmû tato tzv. introgrese vede i k pfienosu neÏádoucích „plan˘ch“ znakÛ. Proces lze v‰ak dnes díky nástrojÛm molekulární genetiky znaãnû zpfiesnit a zrychlit. Pfiíkladem je rajãe, kdy pfiikfiíÏení planého druhu (Lycopersicon pennelli) vedlo v urãit˘ch kombinacích k podstatnému zv˘‰ení obsahu cukru nebo velikosti plodu. U p‰enice byl nedávno identifikován transkripãní faktor, GPC-B1, zodpovídající za rychlej‰í vyzrávání zrna a pfiedev‰ím v˘raznû zvy‰ující mnoÏství proteinÛ, zinku a Ïeleza. Tento gen je u v‰ech moderních odrÛd vlivem mutace nefunkãní, ale vyskytuje se v p‰enici dvouzrnce (Triticum turgidum ssp. dicoccoides). Podobnû mutace genu opaque-2 u kukufiice kódujícího transkripãní faktor regulující expresi dal‰ích genÛ pro zásobní proteiny semene, zeiny, se nejdfiíve jevila jako negativní vlastnost. Ukázalo se v‰ak, Ïe tato recesivní (tak jako podstatná vût‰ina mutací) vlastnost má sice negativní vliv na v˘nos, ale podstatnû zvy‰uje obsah potfiebn˘ch esenciálních aminokyselin lysinu a tryptofanu. 26

S

Semináfie

Genové sbírky – cenn˘ zdroj nov˘ch vlastností Abychom mohli vyuÏít nahromadûnou biodiverzitu, potfiebujeme mít k dispozici sbírku, genovou banku, obsahující jak pûstované formy, tak právû i primitivní, plané formy a pfiíbuzné druhy. Toho si byl vûdom jiÏ ve 20. letech 20. století rusk˘ geobotanik N. I. Vavilov (1887–1943). Právû on pfii studiu center pÛvodu kulturních rostlin inicioval proces, jehoÏ dÛsledkem je existence nûkolika stovek genov˘ch bank, které v souãasnosti zahrnují nûkolik miliónÛ poloÏek v‰ech pûstovan˘ch a jim pfiíbuzn˘ch druhÛ rostlin. Je potû‰itelné, Ïe si ‰lechtitelé jiÏ zvykli nenahlíÏet na genové sbírky jednotliv˘ch plodin jako na Ïivoucí muzea, ale naopak na zdroje cenn˘ch vlastností, jako jsou rezistence k chorobám, ‰kÛdcÛm, nebo tfieba kvalitu semene. Právû tyto vlastnosti hrají dnes, kdy rozhodujícím kritériem úspû‰nosti je celková ekonomika pûstování dané plodiny, v˘znamnou roli. OceÀujeme jednak práci na‰ich pfiedkÛ v podobû krajov˘ch odrÛd, tak i v˘sledky pfiírodního v˘bûru v pfiípadû plan˘ch forem. âím lépe známe jednotlivé poloÏky pomocí popisÛ jejich morfologick˘ch, agronomick˘ch a nejnovûji také molekulárních vlastností znakÛ, tím lépe je dovedeme vyuÏít a ocenit. Zelená revoluce a Norman Borlaug Podobnû jako dosud Ch. Darwin 150 let od pfiedstavení své evoluãní teorie je jméno nositele Nobelovy ceny míru N. Borlauga (1914) od zaãátku procesu pfiíkladnû nazvaného „Zelenou revolucí“ zdrojem pfietrvávajících kontraverzí. Práce na p‰enici zapoãatá s cílem odstranûní hladomoru chud˘ch oblastí svûta rozhodnû vedla k mnohonásobnému zv˘‰ení produkce a následnû skuteãnû k odstranûní hrozby hladu v mnohamilionové Indii nebo Mexiku. Na druhou stranu intenzivní pûstování si vynutilo potfiebu pouÏití pesticidÛ, závlahy, mechanizace, coÏ vedlo ãasto k devastaci prostfiedí a promûnû venkovského Ïivota a k migraci do velk˘ch mûst. To, Ïe nelze nikdy vsadit jen „na jednu kartu“, se dnes projevuje také v dÛsledcích „zelené revoluce“. Krátkostébelnost p‰enice umoÏÀující vy‰‰í produkci zrna, vedla k masivnímu ‰lechtitelskému vyuÏití jen nûkolika rodiãovsk˘ch genotypÛ, coÏ se opût projevilo redukcí genetické diverzity. Proto dnes svût, pfiedev‰ím pak miliardová Indie, Pákistán stojí opût na prahu hrozby hladomoru, tentokráte zpÛsobeném citlivostí vût‰iny pûstovan˘ch odrÛd p‰enice k nové, agresivnûj‰í rase rzi travní (Puccinia graminis f. sp. tritici Ug99). Poznatky jiÏ vyuÏívané ve ‰lechtitelském procesu Dnes povaÏujeme za samozfiejmost vyuÏití efektu heterózní síly, F1 generace. Toho se vyuÏívá nejen u zelenin, kvûtin, ale samozfiejmû i u polních plodin, pfiedev‰ím pak u cizospra‰n˘ch, jako je kukufiice nebo sluneãnice. V˘hodou je pfiedev‰ím vy‰‰í v˘nos a uniformita, vyrovnanost, tak jak ji popsal jiÏ J. G. Mendel. Je s podivem, Ïe dosud plnû neznáme mechanismus zodpovídající za heterozi, ve hfie je mnoÏství hypotéz od heterozygotní kombinace alel aÏ po superdominanci. Protikladn˘m je naopak proces homozygotizace, kdy má dan˘ jedinec co nejkompletnûji homozygotní v‰echny alely. Tohoto je následnû po kfiíÏení dosaÏeno aÏ po mnoha generacích a navíc je dále udrÏitelné jen u samospra‰n˘ch druhÛ. Dnes v‰ak disponujeme biotechnologickou metodou získávání tzv. dihaploidÛ, indukcí tvorby embryí z nezralého pylu. Pylové zrno, samãí pohlavní buÀka a nositel poloviny genetické informace, je normálnû pfiedurãeno pro opylení a následné oplození matefiské buÀky, vajíãka. Nicménû u nûkter˘ch druhÛ rostlin jsme schopni vlivem stresov˘ch podmínek in vitro navodit tvorbu haploidních embryí, v˘slednû pak i dihaplodiních (tedy kompletnû) homozygotních rostlin, a to v‰e v fiádu jen nûkolika mûsícÛ! (oproti rokÛm potfiebn˘ch pfii klasickém kfiíÏení). V pfiípadû androgenese nebo heteroze je moÏné fiíci, Ïe praktické vyuÏití pfiedbíhá teoretické poznání daného procesu. Mutagenese pomocí rÛzn˘ch chemick˘ch agens nebo fyzikálních procesÛ je souãástí ‰lechtitelské práce jiÏ témûfi sto let. VyuÏití mutantÛ hraje také dÛleÏitou roli pro objasnûní funkce genÛ, jednak vyfiazení funkce poÏadovaného, tak i neznámého genu (forward a reverzní genetika). Tento postup je v‰ak zpfiesnûn od dob klasické mutageneze, jak ji známe, tak, Ïe jsme nakonec schopni identifikovat gen/ny podmiÀující danou vlastnost. Dnes je moÏné z populace získané po mutagenním pÛsobení pomocí techniky TILLING specificky vyhledat konkrétního mutanta v poÏadovaném genu. Je moÏná aÏ pfiekvapující, Ïe na dosud z mutaãního procesu vznikl˘ch pfiibliÏnû dva a pÛl tisíce odrÛd je pohlíÏeno jako na odrÛdy vzniklé bûÏn˘ch kfiíÏením, pfiestoÏe dnes víme, k jak velk˘m a pfiedev‰ím pak tûÏko pfiedvídateln˘m zásahÛm v jejich genomu do‰lo. ZmiÀuji toto pfiedev‰ím z dÛvodu srovnání, jak obtíÏn˘m a zdlouhav˘m procesem testování prochází odrÛda vzniklá cestou GMO! 27

S

Semináfie

21. století – vûk genomiky Bez velkého pfiehánûní lze fiíci, Ïe nyní Ïijeme v dobû biologické revoluce. Pfiedev‰ím díky rozvoji poznání genetického kódu spojeného s rychl˘m v˘vojem vysoce úãinn˘ch metod jsme dnes schopni pfieãíst genom vybraného druhu bûhem velmi krátké doby. JestliÏe první genom eukaryotického organismu, kvasinky (S. cerevisie) byl pfieãten v roce 1995 po nûkolikaletém úsilí mnoha t˘mÛ, pak pfiedev‰ím od roku 2000, kdy byl pfieãten kompletní genom modelové rostliny genetikÛ, huseníãku (A. thaliana) a první plodiny, r˘Ïe (O. sativa) zaznamenáváme obrovsk˘ nárÛst poznatkÛ. Modelové organismy nebyly vybrány pro tuto práci náhodou, ale v pfiípadû genomiky byl zohlednûn pfiedev‰ím aspekt velikosti genomu. Ten v pfiípadû vût‰iny dosud pfieãten˘ch rostlinn˘ch druhÛ dosahoval fiádu stovek miliónÛ párÛ bází (150 Mb u huseníãku a r˘Ïe). Nicménû, vût‰ina pûstovan˘ch druhÛ rostlin disponuje genomem mnohonásobnû vût‰ím. JestliÏe genom ãlovûka sestává z 3600 Mb, pak genom hrachu tvofií 4000 Mb, kukufiice 4500 Mb, ale tfieba p‰enice aÏ 16000 Mb! Co je dÛvodem takové velikosti uváÏíme-li, Ïe v‰echny dosud poznané druhy disponují velmi podobn˘m poãtem genÛ (20–40 tisíc)? DÛvody jsou dva: jedním je vysoké zastoupení repetetivních sekvencí, pfiedev‰ím pak doãasnû mobilních retrotransposonÛ, druh˘m pak velmi ãastá polyploidie. Tak, jak poznáváme repetetivní elementy, poodkr˘váme jejich velmi v˘znamnou roli umoÏÀující dynamiku genomu, jak ji pfied 60 lety pfiedstavila objevitelka mobilních DNA elementÛ B. McClintocková, a které zfiejmû celkovû urychlují cel˘ evoluãní proces. Polyploidie se zdá mnohem roz‰ífienûj‰ím fenoménem pfiinejmen‰ím v rostlinné fií‰i, neÏ se oãekávalo. Studie klasicky diploidních organismÛ, vãetnû huseníãku, ukazují, Ïe v minulosti pro‰li procesem duplikace celého genomu. Zatím jen spekulujeme, zda-li je to polyploidie, jeÏ umoÏnila takovou pfiizpÛsobivost rostlin. Samozfiejmû ãlovûk ovlivnil i tento proces, kdyÏ spolu zkfiíÏil odli‰né druhy, mnohdy i pfiedstavitele odli‰n˘ch rodÛ. Dodnes zÛstává hádankou, respektive je moÏné hovofiit o velké prozfietelnosti ãi náhodû spojené se vznikem moderní p‰enice obsahující hned tfii odli‰né genomy! Podobnû jako u obilovin podãeledi Triticeae, rovnûÏ v rámci ãeledi brukvovit˘ch rodu Brassica známe a pûstujeme mnoÏství mezidruhov˘ch kfiíÏencÛ, vãetnû dnes v Evropû díky biopalivové politice, roz‰ífiené fiepky (Brassica napus = B. oleracea x B. rapa). Jak je tedy moÏné vyuÏít poznatkÛ získan˘ch pomocí modelov˘ch organismÛ? Samozfiejmû v pfiípadû poznan˘ch biologick˘ch procesÛ lze tyto vûdomosti mnohdy pfiímo aplikovat na cílové druhy. Nicménû, zÛstaÀme u genomiky. Zde se ne pfiekvapivû ukazuje, Ïe velmi ãasto i organizace genÛ v rámci chromosomÛ respektuje systematické ãlenûní druhÛ. V pfiípadû luskovin profitujeme s poznání dokonce dvou, respektive tfií zástupcÛ této na Zemi tfietí nejrozsáhlej‰í ãeledi (Fabaceae) rostlin, Lotus japonicus, Medicago truncatula, a zatím neúplnû Glycine max. Pfieãten˘ genom, a co dál? Je také zfiejmé, Ïe podobnû jako po pfieãtení genomu ãlovûka vûdecké bádání nekonãí, ale právû naopak, v podstatû zaãíná. Otevírá se tak prostor pro detailní poznání funkce a pfiediva vzájemn˘ch vztahÛ tûchto genÛ. Je zde prostor jak pro základní v˘zkum, tak i pro aplikaci tûchto poznatkÛ do praktického Ïivota, zde pfiedev‰ím do ‰lechtûní a pûstování rostlin. Je tedy velkou v˘zvou, jak a které poznatky dosaÏené dne‰ními „-omics“ technologiemi, jako je hierarchicky sefiazené: genomika (znalost sekvence DNA, tedy genÛ a jejich regulaãních sekvencí), transkriptomika (studium projevu genÛ, RNA), proteomika (studium bílkovin) a metabolomika (cukrÛ, tukÛ, esencí apod.), pfienést ve vyuÏitelné formû do praxe. ·lechtûní – vûda ale i umûní JiÏ J. G. Mendel se musel vypofiádat se dvûmi základními problémy. Za prvé, pokaÏdé kdyÏ zkfiíÏil dvû rostliny hrachu, musel se o rostliny peãlivû starat a ãekat, aÏ dozrají jejich semena. Jedinû potom je mohl prostudovat a dále vyset. Za druhé, musel se rozhodnout, kolik z ohromného mnoÏství potomkÛ pouÏije do dal‰ího kola v˘bûru. MoÏná, Ïe toto nebylo tolik problémem v ménû uspûchané dobû klá‰terního Ïivota 19. století, ale moÏná jiÏ i Mendel snil o tom, Ïe by tyto vûci mohly b˘t rychlej‰í a jednodu‰‰í. Stejnû tak jako pfiedchozí generace ‰lechtitelÛ, i ti souãasní pracují v podstatû se stejn˘m arzenálem metod, postupÛ a principÛ. Je to pfiedev‰ím dáno podstatou ‰lechtitelské práce, kdy se vyuÏívá existující genetická diverzita, a ta se pomocí kfiíÏení rodiãovsk˘ch genotypÛ dále volnû kombinuje. Stále také 28

S

Semináfie

platí Mendelem objevené genetické principy, tj. pfii vyuÏití homozygotních rodiãÛ jiÏ zmínûná uniformita F1 hybridÛ následovaná ‰tûpením, volnou kombinovatelností vlastností v F2 generaci. Podstatnou úlohu pfii volné kombinovatelnosti genÛ a jimi kódovan˘ch vlastností hraje redukãní dûlení, meiosa, vedoucí ke vzniku haploidních pohlavních bunûk a bûhem ní probíhající rekombinace chromosomov˘ch úsekÛ, ãástí DNA. ·lechtitel by tedy rád znal genotyp jako soubor konkrétních alel genÛ, ale musí se spokojit s koneãn˘m projevem, fenotypem. To je samozfiejmû i logické, neboÈ rostliny pûstujeme a dále zu‰lechÈujeme ne pro soubor genÛ, ale právû pro poÏadované vlastnosti, napfi. morfologické znaky, odolnost apod. Nicménû zde ve vût‰inû pfiípadÛ (aÏ na v˘jimky genÛ s vysokou dûdivostí, napfi. zodpovûdn˘ch za barvu kvûtu) vstupuje do hry vliv prostfiedí. Proto je zapotfiebí vícelet˘ch testÛ provádûn˘ch na více stanovi‰tích, aby bylo moÏné dostateãnû odhadnout potenciál daného hybridu, potenciální odrÛdy. Jen pro dokreslení je tfieba uvést, Ïe z kaÏdoroãních desetisícÛ proveden˘ch kfiíÏení, to do úspû‰ného finále, povolení odrÛdy, po 5 ale nûkdy aÏ 15 letech dotáhne jen nûkolik pÛvodních kfiíÏencÛ. DNA markery a ‰lechtitelská práce Ani 150 let od zásadní práce J. G. Mendela se ve ‰lechtitelské praxi mnoho nezmûnilo. ·lechtitelé jiÏ dávno vûdí, Ïe za poÏadované vlastnosti jsou zodpovûdné geny, jeÏ jsou zakódovány ãtyfipísmenov˘m kódem DNA molekuly obsaÏené v chromosomu. Víme také, Ïe vlastnosti lze volnû kombinovat, tj. vzít rÛzné poÏadované z kaÏdého rodiãe a v jednom z mnoha potomkÛ dosáhnout lep‰í kombinace. A zde, stále navzdory v‰em vûdeck˘m poznatkÛm, je ‰lechtûní dosud spí‰e umûní neÏ exaktní vûda. Pfiedev‰ím peãlivé pozorování, trpûlivost, cit a odhad ãi intuice, kterou kombinaci vybrat a dále rozvíjet, byli a jsou v˘sadou zku‰en˘ch ‰lechtitelÛ. V posledních dvou desetiletích se nesmûle, ale pfieci jen, prosazují poznatky molekulární biologie, a pfiedev‰ím pak genomiky (vûdy zab˘vající se studiem úplné dûdiãné informace organismÛ), také do ‰lechtûní rostlin. Sl˘cháme tak o „marker-assisted-selection“, v˘bûru pomocí markerÛ. Tyto molekulární markery lze pfiirovnat ke znaãkám oznaãujícím dÛleÏité body na genetické „cestû“ DNA charakterizující kaÏdého jedince. Podobnû tak jako dopravní znaãky jsou i molekulární znaãky dÛleÏité tím, Ïe nás upozorÀují na nûco, co dopfiedu nevidíme. Díky souãasn˘m metodám a úrovni poznání mÛÏeme jiÏ velkou ãást tûchto znaãek vidût. Mohou tedy pomoci ‰lechtiteli pfii jeho rozhodování, známe-li geny (nebo tfieba jiÏ i úseky s nimi související, tedy tzv. markery ve vazbû), zodpovídající napfiíklad za v˘nos, odolnost ke ‰kÛdcÛm a chorobám, aniÏ by bylo nutné rostliny podrobit sloÏit˘m anal˘zám ãi polním testÛm. Velmi dÛleÏité je, Ïe tyto znaãky mÛÏeme zjistit jiÏ na klíãních rostlinách, nemusíme tedy ãekat, aÏ vyrostou a dozrají. Toto je dÛleÏité, neboÈ dne‰ní ‰lechtûní nov˘ch odrÛd je ãasovû, prostorovû a finanãnû velmi nároãn˘ proces a kaÏdé zpfiesnûní a zkrácení je vítáno. Pro ‰lechtitele je tak moÏné vybírat a poskládat kombinace, jejichÏ získání by jinak trvalo mnoho let. Pfiedev‰ím jde o recesivní znaky, jejichÏ projev je viditeln˘ aÏ v homozygotním stavu a znaky ovlivnûné napfi. interakcí s jin˘mi organismy (patogeny). Moderní metody v˘bûru jsou tak moÏné díky porozumûní funkce genÛ, a tyto geny ve své kompletnosti poznáme díky pfieãtení genetické informace (genomu) dané organismu. A právû zde v fiadû pfiípadÛ jiÏ dnes mÛÏe rozvíjející se molekulární biologie, genetika pomoci cel˘ proces zpfiesnit a zrychlit. JestliÏe totiÏ známe, byÈ tfieba jen ãásteãnû, genom daného druhu a máme k dispozici arzenál tzv. molekulárních markerÛ, coÏ jsou vlastnû úseky DNA v mnoh˘ch pfiípadech nekódujících Ïádn˘ genov˘ produkt, je moÏné s vyuÏitím ‰tûpících populací kfiíÏení kontrastních rodiãÛ (napfi. náchyln˘ch versus citliv˘ch k danému patogenu, mající a naopak postrádající dan˘ znak) zmapovat, tj. urãit pozici, kde leÏí gen/-y zodpovûdné za danou vlastnost. Zde se zatím nejãastûji dostaneme do situace, kdy najdeme úsek DNA, kter˘ bude s danou pravdûpodobností (fieknûme tfieba i 99 %) souhlasit s hledan˘m projevem. ¤íkáme pak, Ïe DNA fragment (marker) je ve vazbû na danou vlastnost. Pokud je tomu napfiíklad u 95 ze 100 sledovan˘ch jedincÛ, pak hovofiíme o vzdálenosti 5cM (centimorganu), coÏ se jeví jako velmi dobré, ale je nutné si uvûdomit, Ïe toto mÛÏe pfiedstavovat úsek mnoha tisíc nukleotidov˘ch bází, a tedy i stovek genÛ! Pfiesnost lze zv˘‰it, máme-li k dispozici marker leÏící na druhé stranû genu. BohuÏel se v praxi ãasto setkáváme se situací, Ïe toto platí jen v omezené kombinaci rodiãÛ! Zde je hlavní omezení a zdroj nedÛvûry, neboÈ ‰lechtitel pracuje s rozsáhl˘m a ãasto velmi odli‰n˘m repertoárem rodiãÛ vyuÏit˘ch pro kfiíÏení, neÏ vûdec, molekulární biolog. Vstupuje zde do hry co nejpodrobnûj‰í poznání funkce a pozice genÛ modelov˘ch blízk˘ch druhÛ. Zjistíme tak, kter˘ gen ãi soubor genÛ je zodpovûdn˘ za danou vlastnost, a následnû pfiifiadíme jednotliv˘m formám daného genu (alelám) konkrétní projev. Napfiíklad; 29

S

Semináfie

identifikujeme gen zodpovûdn˘ za rezistenci k vybrané chorobû hrachu, následnû ãi paralelnû máme k dispozici popsané vybrané genotypy z genové banky, u kter˘ch ãást cílového genu osekvenujeme. Tím máme k dispozici vlastnû kód a koneãn˘ projev. Je jasné, Ïe varianty projevu jsou podmínûny variantami na úrovni DNA, kde se jedná o zámûny nukleotidov˘ch bází, mutace. Z dne‰ního rozsáhlého a neustále se vyvíjejícího repertoáru molekulárních technik pak jiÏ celkem snadno vybereme takovou, aby byla co nejpfiesnûj‰í, ale zároveÀ i nejekonomiãtûj‰í ve svém pouÏití. Pro ‰lechtitele je také velmi cenné, aby mûl moÏnost odli‰it hetero- a homo-zygotního jedince (tedy aby marker byl tzv. ko-dominantní). Tímto zpÛsobem je moÏné vybírat vhodné jedince v ran˘ch fázích ‰lechtûní, bez ohledu na to, jedná-li se o dominantní ãi recesivní (coÏ je zvlá‰È v˘hodné) znak, a pfiedev‰ím pak nehrozí nebezpeãí chyby, jako u znaku ve vazbû. Takto lze kombinovat a skládat více poÏadovan˘ch znakÛ a pracovat tedy jiÏ s dlouho propagovan˘m „marker- assisted selection“ zpÛsobem. S tím, jak postupnû poroste na‰e znalost a dostupnost vlastností, tedy fenotypov˘ch projevÛ a zodpovûdn˘ch genÛ, bude moÏné pfiiblíÏit se aÏ k idealizovanému „breeding by design“, tedy ‰lechtûní na pfiání. Transgenní technologie – hrozba nebo uÏitek? Málokter˘ vûdeck˘ poznatek, metoda, pfiinesla tolik vá‰niv˘ch diskusí a negativní pozornosti, jako postup transgenose, tedy pfienos genÛ mezi odli‰n˘mi druhy organismÛ. Transgenose tak i po 30. letech od prvního pouÏití u rostlin vedoucí ke vzniku geneticky modifikovan˘ch organismÛ (GMO) patfií pfiedev‰ím v tradicionalistické Evropû stále ke kontroverzním, respektive sociologicky a politicky negativnû vníman˘m pfiístupÛm. Je zfiejmé, Ïe dosud v mnoha pfiípadech nemáme stále dostatek informací pro kladné ãi záporné rozhodnutí. Pfiesto se v souãasnosti na celém svûtû pûstují transgenní rostliny na v˘mûfie více jak 150 miliónÛ hektarÛ! Zajímavé je také, Ïe nejvût‰í rozruch je právû kolem pûstování rostlin, mnohem men‰í pozornost je vûnována transgenním ÏivoãichÛm a naprosto je vefiejností pfiehlíÏena její ‰iroké vyuÏití v oblasti mikrobiologie, kde je moÏnost zneuÏití a úniku nejvût‰í. BohuÏel je tfieba fiíci, Ïe dosavadní vyuÏití této technologie pro tvorbu rostlin odoln˘ch k neselektivním herbicidÛm (viz Roundup Ready soja, fiepka) nebo hmyzím ‰kÛdcÛm (Bt kukufiice), nebylo tím nej‰Èastnûj‰ím „vkroãením do fieky“, neboÈ okamÏitû vzneslo kritiku moÏné tvorby super-plevelÛ ãi odoln˘ch ‰kÛdcÛ. Je tfieba pfiipomenout, Ïe právû cílenost vnesení poÏadovaného genu a následná moÏnost sledování, umoÏÀují vysokou pfiesnost a kontrolu. To na rozdíl od zmínûné necílené a tûÏko pfiedvídatelné mutagenese. Argumetujeme-li prospû‰ností GMO ve vztahu k celému lidstvu, je na místû uvézt znám˘ pfiíklad „zlaté r˘Ïe“. Její tvÛrci zaãali tuto práci s cílem pomoci chudé ãásti lidstva, mnohdy odkázané na monodietu r˘Ïe. S tím spojen˘ ãast˘ nedostatek vitamínÛ, jako je provitamín A, nebo prvkÛ, napfi. Ïeleza, by bylo moÏné odstranit pfienesením tfií genÛ z narcisu a pÛdní bakterie. Toto se podafiilo a na konci 90. let 20. století jiÏ existovala r˘Ïe, jejíÏ 100 gramová konzumace pokr˘vala denní potfiebu provitamínu A. PfiekáÏkou se v‰ak ukázal nejen zdlouhav˘ proces testování GMO, ale pfiedev‰ím pak pouÏití bûÏn˘ch, ale bohuÏel ãasto patentovan˘ch krokÛ molekulární biologie. To, Ïe tvÛrci chtûli pfiedat tuto „zlatou r˘Ïi“ volnû a bez placení licenãních poplatkÛ drobn˘m farmáfiÛm a ne nadnárodním spoleãnostem, se ukázala nakonec jako velmi obtíÏnû pfiekonatelná pfiekáÏka. BohuÏel, tento pfiíklad dokumentuje dne‰ní stav, kdy i vûdecká poznání je mnohdy limitováno politikou a ekonomikou. Je v‰ak zfiejmé, Ïe i pfies pfietrvávající v˘hrady, GMO technologie bude pokraãovat a lze pfiedvídat, Ïe umoÏní nasycení potravinov˘ch potfieb rostoucí lidské populace. Nelze opomenout ani moÏnosti produkce humánních nebo veterinárních vakcín, právû s vyuÏitím transgenních rostlin. Pracuje se také na problematice tzv. cisgenoze, kdy se nejedná o pfienos mezi druhy, rody, fiády (tedy trans-genose), ale vnesení genu, respektive Ïádané „lep‰í varianty“ v rámci druhu, nebo zapnutí genu v jinou ãasovou dobu nebo místû. Tohoto by v mnoh˘ch pfiípadech bylo moÏné dosáhnout i klasick˘m kfiíÏením, ov‰em za mnohem del‰í dobu, coÏ ‰lechtitelé znají pfii vyuÏití plan˘ch forem, ãast˘ch nositelÛ odolností, v kfiíÏení. Co se ukáÏe jako nejvhodnûj‰í pro praxi, ukáÏe ãas. V˘hled do blízké budoucnosti ‰lechtûní rostlin Informace o genetické pfiíbuznosti, respektive vzdálenosti, jsou dÛleÏit˘m vodítkem pro ‰lechtitele (napfi. pro v˘bûr rodiãÛ pro kfiíÏení ãi pfiesnou identifikaci, právní ochranu odrÛd). Není v‰ak moÏné spokojit se jen s jejím odhadem, zaloÏen˘m na repetitivních sekvencích, které jsou evoluãnû jinak selektovány neÏ kódující sekvence. Je potfiebné mít informace o sekvencích konkrétních genÛ zabezpeãujících 30

S

Semináfie

tvorbu zásobních proteinÛ, odolnost k chorobám, ‰kÛdcÛm a podobnû. V tomto pfiípadû budeme moci brzy vyuÏít údaje o sekvencích tûchto genÛ u pfiíbuzn˘ch druhÛ. Je v‰ak tfieba znovu pfiipomenout, Ïe prost˘m sekvenováním genomu práce nekonãí, ale naopak spí‰e zaãíná. Následnû je totiÏ zapotfiebí pfiifiadit danému genu jím kódovanou funkci. MÛÏeme k tomu vyuÏít napfi. mutanty (v nichÏ je gen nefunkãní nebo je jeho funkce modifikována), nebo peãlivé pozorování a popis projevu (fenotypu) odpovídajícího dané alele pfiíslu‰ného genu. Bude-li mít ‰lechtitel k dispozici jak˘si katalog pfiifiazující konkrétní alele daného genu urãit˘ projev, bude moÏné lépe navrhnout Ïádoucí cílovou kombinaci potfiebn˘ch alel. Z uvedeného je zfiejmé, Ïe genetika a její moderní verze – genomika není samoúãelná a nûkdy i drahá vûda odtrÏená od reality, ale naopak disciplína umoÏÀující vybírat Ïádoucí vlastnosti hospodáfisky v˘znamn˘ch organismÛ. V Ïádném pfiípadû v‰ak nebude moÏné odvrhnout klasické polní testování plodin a nahradit jej „jednoduch˘m a rychl˘m testem na úrovni DNA, jak o tom sní mnoho souãasn˘ch praktick˘ch ‰lechtitelÛ. Testování kvalit urãitého genotypu pomocí nûkdy aÏ mystifikovan˘ch DNA markerÛ bude sice praktick˘m, pfiedev‰ím pak pfiesn˘m a rychl˘m pomocníkem, ale bez vzájemného kombinování genomick˘ch a fenotypick˘ch informací se ani v budoucnosti neobejdeme. VÏdyÈ rostliny pûstujeme pro jejich uÏitné vlastnosti, ne pro pouh˘ soubor genÛ. Dovûtek Pfies ve‰ker˘ dosaÏen˘ a pfiedvídateln˘ pokrok, nelze opomenout, Ïe jen posledních pfiibliÏnû 10 generací lidí Ïije v tzv. industriální dobû, pfiedchozích 600 aÏ 1000 generací bylo spojeno a závislé pfiímo na zemûdûlství, a je‰tû dfiíve 300 000 generací bylo závislé na lovu sbûru. Je tedy zfiejmé, aÏ s v˘jimkou posledních 2–3 generací, Ïe lidstvo Ïilo ve velmi tûsném kaÏdodenním kontaktu s okolní pfiírodou, pÛdou. PfiestoÏe lze tedy bezpochyby doloÏit obrovsk˘ úspûch zemûdûlství, tento s sebou bohuÏel pfiinesl i zmínûná negativa. Je naãase si tak uvûdomit, Ïe zemûdûlství není jen produkce komodit, z nichÏ je dne‰ní typick˘ mûstsk˘ spotfiebitel vidí aÏ v supermatech jako pestrobarevnû zabalené potraviny, ale zahrnuje cel˘ víceúãelov˘, multifunkãní komplex, od krajináfiské estetické funkce aÏ po vazbu uhlíku. Pokud tedy chceme i nadále ob˘vat na‰i zelenomodrou planetu Zemi, neboÈ slovy environmentalisty Davida Suzuki: “we are still settlers on this earth“, je vhodné se zamyslet nad obsahem latinského slova „agri-cultura“(M.Cato 200 BC).

31

S

Semináfie

Konvenãní zemûdûlství: Z ãeho vychází a co poskytuje. Lubomír Nátr Katedra fyziologie rostlin Pfiírodovûdecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze Nevyfiãen˘m motivem mého pfiíspûvku je moje úcta, obdiv a respekt k zemûdûlství. Tyto vlastnosti mnou pronikly bûhem mnohaleté moÏnosti nahlíÏet, a snad i obãas amatérsky spolupracovat, se ‰lechtiteli i pûstiteli. A uvedené pocity se postupnû upevÀovaly nejen s poznáváním bohatství fyziologie plodin, ale i jejich v˘znamu pro Ïivot na Zemi. K upfiesnûní svého vnímání zemûdûlství chci uvést: (1) V souladu se sv˘m profesním zamûfiením – fyziologie rostlin – i témûfi dvacetilet˘m pÛsobením ve V˘zkumném ústavu obilnáfiském v KromûfiíÏi mám na mysli pfiedev‰ím produkci polních plodin. (2) Jakkoliv budu pfiipomínat zejména zemûdûlství 21. století, tak nezapomínám ani na práci otrokÛ ve starém ¤ímû, ¤ecku, âínû ãi jinde a dokonce nedávné otrokáfiské plantáÏe ve Spojen˘ch státech, a patrnû je‰tû dnes i jinde. Nezapomínám ani na nevolníky raného novovûku, patrnû mnohde i v souãasnosti. Av‰ak mám na mysli také vysoce produktivní moderní monokultury se ‰piãkov˘mi technologiemi zahrnovan˘mi pod pojem „precisní zemûdûlství“. (3) Adjektivum „konvenãní“ povaÏuji spí‰e za nadbyteãné, protoÏe stejnû tak oprávnûné mÛÏe b˘t oznaãení a) Ekologické: polní plodiny jsou ekosystémy v plném smyslu chápání tohoto pojmu, tedy jako komplex vztahÛ mezi organismy a jejich prostfiedím. b) Biologické: snad nemusím argumentovat dokazováním, Ïe rostliny nejsou abiotick˘mi strukturami. c) Organické: urãitû ani v tomto bodû nemusím rozvádût v‰em zfiejmou samozfiejmost, Ïe rostliny nejsou hromadou anorganick˘ch látek. Vznik zemûdûlství v dûjinách lidstva Trvalo hodnû dlouho, neÏ si na‰i prapfiedci – sbûraãi rÛzn˘ch ãástí planû rostoucích rostlin a lovci divoce Ïijících zvífiat – zaãali cílenû pûstovat nûkteré rostliny a chovat vybrané druhy zvífiat. Ani není podstatné, jestli s takov˘mi nápady pfii‰li lidé na jediné lokalitû nebo ta my‰lenka prostû

v tehdej‰ích sbûraãích a lovcích zákonitû dozrála na mnoha místech osídlení. Podstatné v‰ak je, Ïe pfiechod k zemûdûlství mûl hluboké a trvalé zmûny v Ïivotû tehdej‰ích lidí. (1) Poãetnû stejné spoleãenství si zajistilo vût‰í mnoÏství potravin, a to s vût‰í pravidelností jejich dostupnosti. Zemûdûlství pfiineslo omezení ãi konec nepfietrÏitého stûhování a více potravin, coÏ se posléze promítlo ve zvy‰ování poãtu lidí. (2) Zaji‰tûní potravin pûstováním rostlin a chovem dobytka zvládl men‰í poãet lidí dané spoleãnosti, takÏe nûktefií se mohli vûnovat rozvoji fiemesel a jin˘ch dovedností. (3) ZároveÀ v‰ak vyvstaly zcela nové problémy „spoleãensko-právní“, jako bylo vlastnictví a dûdictví pÛdy, rozdûlování potravin mezi ãleny dané spoleãnosti, vytváfiení trvalé spoleãenské hierarchie apod. Je nepochybné, Ïe se vznikem zemûdûlství uÏ lidstvo nikdy nemohlo b˘t takové, jaké bylo v dobû sbûru a lovu. A v jistém smyslu to platí i v na‰em 21. století. Souãasné zemûdûlství Pominu i ty nejdÛleÏitûj‰í milníky v rozvoji zemûdûlství od doby jeho vzniku a pfiipomenu jen jeho souãasnou charakteristiku. Tak jako ostatní stránky souãasného Ïivota lidí, které jsou nepfiedstavitelnû propleteny s mnoha aktivitami mnoha lidí na mnoha místech planety, tak ani zemûdûlství nepfiedstavuje izolovan˘ a pfiesnû ohraniãen˘ okruh ãinností. Naprosto jedineãné podnûty pro rozvoj produkce polních plodin jsou spojeny s vûdou a technikou – rozvojem prÛmyslu. (1) Vûda: Obdivuhodn˘ nárÛst v˘nosÛ a celosvûtové produkce hlavních polních plodin byl podmínûn fiadou vûdeck˘ch objevÛ. Nezpochybnitelnû nejv˘znamnûj‰í byly: a) Zákony dûdiãnosti objevené v polovinû 19. století brnûnsk˘m opatem Gregorem Mendelem a znovuobjevené pak poãátkem 20. století. Poznatky o pfiedávání znakÛ a vlastností z rodiãÛ na potomky vytvofiily vûdecké základy pro úspû‰né a cílevûdomé ‰lechtûní. 32

S

Semináfie

b) Prosazení teorie minerální v˘Ïivy rostlin rovnûÏ v polovinû 19. století nûmeck˘m fyziologem a agrochemikem Justusem von Liebigem vûdecky zdÛvodnilo nezbytnost aplikací minerálních hnojiv, jimiÏ se musejí nahradit jednoduché minerální látky odãerpávané z pÛdy pfii sklizni plodin. (2) Technika: Vûdecké poznatky lze vût‰inou odhalit na nûkolika rostlinách v laboratofii, a tamtéÏ je ovûfiovat. Ale jejich aplikace na polích není mnohdy moÏná ani pfiípadn˘m úsilím cel˘ch zástupÛ zemûdûlcÛ. Technick˘ rozvoj a jeho prÛmyslové produkty jsou neoddûliteln˘m atributem souãasného zemûdûlství. K produkci hnojiv jsou nezbytné vûdecké poznatky chemie a technické prostfiedky chemického prÛmyslu. Závlahy se pouÏívaly i ve starovûku a témûfi bez techniky. Ale sebevíce otrokÛ by nestaãilo k zavlaÏování plodin potfiebn˘ch pro 6 ãi 7 miliard lidí. TotéÏ lze pfiipomenout pro zpracování pÛdy, sklizeÀ a jiné práce spojené s vysokou produkcí polních plodin. Vztah mezi zemûdûlstvím, vûdou a technikou je vzájemnû provázan˘. Zemûdûlství bylo, a stále je, zdrojem mnoha námûtÛ pro vûdecké bádání, ale stejnû tak ãetné vûdecké objevy navodily neãekan˘ rozvoj mnoÏství nebo kvality sklízen˘ch produktÛ. Obdobnû mÛÏeme charakterizovat vztah zemûdûlství a techniky. Vlastnû nevím, co bylo první: jestli traktor následnû vyuÏívan˘ na polích nebo zemûdûlská potfieba „nûãeho“, která vedla ke konstrukci traktoru. Závislost lidí na rostlinách V prÛbûhu celé historie lidského rodu se závislost ãlovûka na rostlinách promítá v tom, Ïe rostliny poskytovaly, poskytují a mûly by i v budoucnu poskytovat: (1) Potraviny (2) Energii (3) Suroviny Urãité novum poÏadavkÛ lidstva v 21. století lze jednodu‰e vyjádfiit dvûma slovy: „stále víc“. Toto lapidární vyjádfiení lze pochopitelnû upfiesnit. Lidstvo i nadále musí spoléhat na produkci rostlin jako absolutního a nenahraditelného zdroje potravin. Ale kromû zvy‰ujícího se poãtu lidí se budou nároky na potraviny zvy‰ovat také postupn˘m pfiechodem stále dal‰ích milionÛ lidí k Ïivoãi‰n˘m potravinám. Zatímco 1 kg r˘Ïe mÛÏe ãlovûka dostateãnû po urãitou dobu nasytit, tak sice 1 kg masa „udûlá“ totéÏ, ale na jeho produkci se spotfiebuje asi 10 kg téÏe r˘Ïe.

Pfiipomenout mohu také stále nároãnûj‰í zaji‰tûní dostupnosti prakticky libovolného druhu domácí i exotické zeleniny ãi ovoce doslova po cel˘ rok. S v˘jimkou jadern˘ch a vodních zdrojÛ energie zaji‰Èují rostliny prakticky ve‰keré zdroje energie vyuÏívané lidstvem. Nejprve to byla rostlinná biomasa stávajících stromÛ, kefiÛ i trav, coÏ ostatnû zÛstává hlavním zdrojem energie asi pro celou tfietinu stávajícího obyvatelstva Zemû, a od 18. století pak fosilní produkty fotosyntézy dávn˘ch rostlin. A protoÏe fosilní zdroje jsou koneãné, a to nikoliv v horizontu staletí, ale desetiletí, pozornost se mimo jiné obrací ke stávajícím rostlinám – biomasa jako zdroj biopaliv. Mûli bychom se také zmínit o zvy‰ující se nadûji na rostliny jako zdroje léãiv. A hlavnû se pak zab˘vat pfiedstavou, Ïe stále více lidí bude mít pfiíleÏitost dovést se sv˘m autem aÏ do „panenské pfiírody“, kde je navíc nikdo jin˘ ru‰it nebude. Jedineãn˘ rÛst produkce polních plodin v 20. století. Poãet obyvatel se v minulém století zvy‰oval mûrou doslova jedineãnou v na‰í historii. Pfiesto produkce základních potravin, urãovaná pfiedev‰ím v˘nosy p‰enice, r˘Ïe a kukufiice, s oním zvy‰ováním poãtu lidí úspû‰nû drÏela krok. Bylo toho dosaÏeno nûkolika faktory: (1) Aplikací zákonÛ dûdiãnosti pfii ‰lechtûní vysoce v˘nosn˘ch odrÛd. Je vhodné pfiipomenout, Ïe zaãátek poloÏil v polovinû 19. století brnûnsk˘ opat G. Mendel. A tak se mohlo dosavadní ryze empirické „umûní“ ‰lechtit doplnit také o nenahraditelnou „vûdu“, jak ‰lechtit cílevûdomû. (2) Zavedení minerálních hnojiv také stojí na poznatcích formulovan˘ch v polovinû 19. století nûmeck˘m fyziologem a agrochemikem, J. Liebigem. Spoleãnû s vyvíjen˘mi technick˘mi postupy v˘roby minerálních hnojiv tak bylo moÏno dlouhodobû zaji‰Èovat vysokou produkci plodin. (3) Ochrana rostlin proti plevelÛm, chorobám a ‰kÛdcÛm je v mnoha podmínkách rozhodující faktor produkce. (4) Aplikace závlah zejména u plodin velmi nároãn˘ch na zásobování vodou (r˘Ïe), neboÈ v su‰‰ích podmínkách pfiedstavuje dodnes oblasti s nejvy‰‰ími v˘nosy. (5) Zpracování pÛdy a udrÏování její fyzikální, chemické i biologické kvality bylo a zÛstane hlavním pfiedpokladem pro dlouhodobû stabilní vysokou produkci. 33

S

Semináfie

(6) V závislosti na pûstované plodinû i lokalitû je moÏno uvést fiadu dal‰ích faktorÛ.

obrovské katastrofû, která nበpoãet omezí na ony dávné miliony a ne souãasné miliardy.

A nakonec, tfii jen zdánlivû nev˘znamné poznámky: (1) Tisíciletí hromadûní empirick˘ch poznatkÛ a zku‰eností zemûdûlcÛ zajistily v˘nosy kolem 0,5 t z hektaru. Nûkolik desetiletí aplikací vûdeck˘ch poznatkÛ pak zv˘‰ilo v˘nosy mnoha plodin i 10krát! (2) Velmi roz‰ífiené dilema: Jedu autem, protoÏe spûchám, ale zároveÀ chci jet úspornû. Takové schéma platí pro mnoho závislostí i ve fyziologii rostlin. Napfiíklad fotosyntetická fixace vyuÏívá dopadající energie záfiení velmi úãinnû pfii mal˘ch ozáfienostech. Úãinnost je zde vysoká, ale celková produkce asimilátÛ nízká. Pfiesnû totéÏ platí i pro aplikace minerálních Ïivin. Jejich vyuÏití rostlinami na tvorbu v˘nosu je velmi úãinné pfii nízk˘ch dávkách. Ale v˘nosy jsou v takov˘ch pfiípadech celkem pochopitelnû také nízké. Lidstvo potfiebuje stále více potravin, tedy i stále vût‰í produkci biomasy rostlin. Proto musí zcela zákonitû zvy‰ovat dávky minerálních hnojiv, jejichÏ úãinnost vyuÏití v‰ak stejnû zákonitû klesá. MÛÏeme chtít vysokou úãinnost i pfii vysok˘ch dávkách hnojiv, a tedy i pfii dosahování vysok˘ch v˘nosÛ. Ale pokud chceme svoje „chtûní“ dát do souladu s pfiírodními zákonitostmi, tak pravidla pfiírody musíme pfiedfiadit svému pfiání. (3) âasto se setkáváme s nostalgick˘m pfiipomínáním pestrosti polí, na jejichÏ spí‰e nevelk˘ch v˘mûrách se pûstovalo mnohem více druhÛ rostlin, neÏ vídáme na souãasn˘ch lánech. TotéÏ platí o zahrádkách s desítkami druhÛ zeleniny i kvûtin. Jistû je moÏné vrátit se i dnes k tehdej‰ím zpÛsobÛm reprezentovan˘m mimofiádnû bohatou biodiverzitou. MoÏná se k takovému zpÛsobu vrátíme: Po

·kodlivé dÛsledky zemûdûlství Není pochyb, Ïe zejména moderní vysoce intenzivní produkce polních plodin má svoje negativní dÛsledky. Ty v‰ak nejsou – s v˘jimkou trestuhodné nedbalosti zemûdûlcÛ, která není ãast˘m jevem, protoÏe je pro jejich nositele finanãnû nev˘hodná – nezbytnou souãástí technologií zaji‰Èujících vysoké v˘nosy. Navíc cel˘ prÛbûh procesu zvy‰ování produkce plodin dokazuje, Ïe jakmile vûda ãi technická inovace nabídne úspornûj‰í nebo ‰etrnûj‰í technologie, zemûdûlství je aplikuje. V tomto smyslu napfiíklad silné zaostání teoretick˘ch poznatkÛ o minerální v˘Ïivû rostlin se podepisuje na úniku ãásti aplikovan˘ch minerálních hnojiv, ale i na jejich relativnû málo úãinném vyuÏívání rostlinami. A koneãnû je tfieba zmínit se o mimofiádnû velké závislosti rostlinné produkce na ekonomické, politické, ale i náboÏenské ãi vojenské atmosféfie dané doby a dané lokality.

Omluva V tomto pfiíspûvku – vzhledem k ob‰írnosti jeho tématu a snaze udrÏet jej co nejkrat‰í – jsem vûdomû pouÏil i mnohá zkratkovitá tvrzení. Jsem si toho vûdom. Jedná se v podstatû o zkrácenou verzi mé pfiedná‰ky na semináfii pofiádaném Katedrou fyziologie rostlin UK 13. ledna 2009, kdy ov‰em mûli posluchaãi moÏnost bezprostfiednû i nesouhlasnû reagovat. Tuto moÏnost, byÈ ne tak bezprostfiední, mají pochopitelnû i ve vztahu k této písemné formû. Proto jednoznaãnû konstatuji, Ïe si jistou dogmatiãnost tohoto svého písemného textu uvûdomuji a omlouvám se za ni. I s rizikem, Ïe lze snadno odmítnout základní my‰lenkové „ladûní“ m˘ch názorÛ prostû poukazem na nûkterá zjednodu‰ující konstatování.

34

S

Semináfie

V˘sledky patnáctiletého v˘zkumu v ekologickém zemûdûlství Prof. Ing. Jifií Petr, DrSc. âeská zemûdûlská univerzita v Praze Ekologické zemûdûlství je agrární obor, kter˘ se v posledních letech nejboufilivûji rozvíjí. V roce 2008 ekologicky hospodafiilo o témûfi 500 zemûdûlsk˘ch podnikÛ více neÏ v roce 2007. Poãet v˘robcÛ biopotravin se zv˘‰il z pfiedloÀsk˘ch 253 na 410, coÏ znamená nárÛst o 62 %. V˘mûra zemûdûlské pÛdy dosáhla 338 722 hektarÛ, to pfiedstavuje jiÏ 8 % z celkové v˘mûry zemûdûlské pÛdy. Nejvíce se roz‰ifiují ekologické sady a vinice, jejichÏ plocha se zv˘‰ila o 70 %. Také v˘mûra orné pÛdy se zv˘‰ila o 20 % na 35 000 ha. Nejde jiÏ jen o módní trend, jak tento zpÛsob hospodafiení nûktefií oznaãují, ale o stabilní a perspektivní podnikatelskou moÏnost pro zemûdûlce a potravináfie. Do budoucna se pfiedpokládá aÏ 20 % ekologického zemûdûlství z v˘mûry zemûdûlské pÛdy. Hlavním podnûtem je jistû zv˘hodnûná bonifikace ekologického zemûdûlství, kde se vedle vlastní bioprodukce pfiednostnû dotaãnû podporuje ‰etrn˘ vliv na Ïivotní prostfiedí a krajinu a ohledupln˘ chov hospodáfisk˘ch zvífiat. Podstatou ekologického zemûdûlství je hospodafiení v souladu s pfiírodou, „které dbá na Ïivotní prostfiedí a jeho jednotlivé sloÏky stanovením omezení ãi zákazÛ pouÏívání látek a postupÛ, které zatûÏují nebo zamofiují, nebo zvy‰ují rizika kontaminace potravního fietûzce, a kter˘ zv˘‰enû dbá na vnûj‰í projevy chování a na pohodu chovan˘ch zvífiat“ (Zákon 242/200 Sb.). Ekologické zemûdûlství je alternativou k dosavadnímu zpÛsobu intenzivního hospodafiení, hlavnû k ãerpání omezen˘ch pfiírodních zdrojÛ a energie, k nadprodukci, k po‰kozování Ïivotního prostfiedí, k devastaci krajiny, pfiemífie chemie a strachu z reziduí a problematické jakosti potravin. Kvalita produktÛ ekologického zemûdûlství musí splÀovat obecnû platné limity obsahu látek pro v‰echny potraviny a zemûdûlské produkty. Kvalitu bioproduktÛ v‰ak urãuje podle zákona zpÛsob, jak byly vyrobeny, jak byly vypûstovány, jak byla hospodáfiská zvífiata chována. Ekologické zemûdûlství a v‰echny bioprodukty jsou kontrolovány, zda byly dodrÏeny pfiedepsané zpÛsoby hospodafiení. To je právû ta jistota pro konzumenty biopotravin, to je pfiidaná hodnota, kterou vyhledávají, a za ní také pfiiplácejí. V˘sledky dlouhodob˘ch ekologick˘ch pokusÛ Na âeské zemûdûlské univerzitû v Praze, fakultû agrobiologie potravinov˘ch a pfiírodních zdrojÛ se od roku 1991 zab˘váme v˘zkumem i v˘ukou ekologického zemûdûlství. Byl to jeden z programÛ transformace ‰koly po roce 1990 smûrem k ekologizaci v˘uky, coÏ poÏadovali hlavnû studenti. K v˘zkumu slouÏí Pokusná stanice ‰koly v Uhfiínûvsi, kde se vedou pokusy podle mezinárodních metodik IFOAM (Mezinárodní federace hnutí pro organické zemûdûlství) a pfiedpisÛ MZe âR (zákon 242/2000 Sb.). Po pfiechodném období od roku 1993 zakládáme ‰iroké odrÛdové pokusy u hlavních plodin a agrotechnické pokusy u vybran˘ch plodin. Stanice je certifikována pro ekologické zemûdûlství a kaÏdoroãnû kontrolována. Pozemky se nacházejí v úrodné fiepafiské oblasti s produkãním potenciálem pÛdy 84 bodÛ. PÛdy jsou hnûdozemû na spra‰ov˘ch pÛdotvorn˘ch substrátech, jde o jílovité hlíny s hloubkou ornice do 32 cm s obsahem humusu 1,74–2,12 %. Zásoba pfiijateln˘ch Ïivin v jednotliv˘ch pokusn˘ch letech je trvale hodnocena jako dobrá. Obsah minerálního dusíku je na podzim nízk˘, na jafie nízk˘ aÏ stfiední. Proces mineralizace pfiiná‰í velké mnoÏství Nmin v období konce kvûtna a v ãervnu, pozdûji pak v koncem srpna, viz dále. Po tfiíletém pfiechodném období a patnáctiletém hospodafiení máme moÏnost posoudit vliv dlouhodobého ekologického hospodafiení na udrÏení produkãního potenciálu pÛd, zásobu Ïivin v pÛdû, v˘nosy a kvalitu ekologick˘ch produktÛ. MÛÏeme tak z dlouhodob˘ch pokusÛ vyvrátit nepodloÏené kritiky o drancování pÛdy, o v˘skytu mykotoxinÛ a jin˘ch v˘hradách ke kvalitû bioproduktÛ.

V˘sledky Ekologické zemûdûlství „nedrancuje“ pÛdu! Po patnáctiletém ekologickém hospodafiení mÛÏeme prokázat, Ïe tento zpÛsob „nedrancuje pÛdu,“ jak tvrdí jeho odpÛrci, coÏ dokazuje graf 1 t˘kající se obsahu pfiijateln˘ch Ïivin v pÛdû stanoven˘ kaÏ35

S

Semináfie

doroãnû (podle Melicha). VyÏaduje to v‰ak, aby pûstitelsk˘ systém respektoval v‰echny pfiedepsané zásady a zahrnoval i chov hospodáfisk˘ch zvífiat, coÏ v na‰em pfiípadû sice nemáme, ale vyuÏíváme pfiedplodinou hodnotu jetelovin a zelené hnojení. Máme je‰tû dal‰í dÛkazy o tom, Ïe ekologické hospodafiení je ‰etrnûj‰í k Ïivotnímu prostfiedí neÏ industriální zemûdûlství, hlavnû vût‰í diverzitou pûstovan˘ch plodin, bohat‰í florou a faunou v pÛdû a na povrchu pÛdy a vût‰í aktivitou pÛdních enzymÛ. Graf 1 Vliv dlouhodobého ekologického hospodafiení na obsah pfiijateln˘ch Ïivin

Z v˘sledkÛ rozborÛ se ukazuje, Ïe obsah v jednotliv˘ch letech je stabilní a neklesá. Variaãní koeficient je u fosforu 14,1 %, u draslíku 19,5 % a u hofiãíku je 10,2 %. Po celou dobu pokusÛ se obsah P nachází, s v˘jimkou roku 1994, v kategorii dobré zásoby (prÛmûr 98,8 mg/kg), stejnû tak u draslíku (prÛmûr 199 mg/kg pÛdy) a u hofiãíku je obsah vyhovující 131,5 mg/kg pÛdy, trvale v rozmezí 120–150 mg/kg pÛdy. Pomûr K/Mg je také dobr˘ – 1,5. V prÛbûhu patnáctiletého pokusu nedo‰lo ke sníÏení obsahu pfiijateln˘ch Ïivin a stále se udrÏuje v kategorii dobré a Mg vyhovující zásoby. V¯NOSOVÁ ÚROVE≈ A STRUKTURA V¯NOSU OBILNIN V EZ Nejvût‰í rozsah experimentÛ zaujímají odrÛdové pokusy v ekologickém zemûdûlství. SoubûÏnû s pokusy ÚKZÚZ, ve kter˘ch se ovûfiují registrované odrÛdy (ORO) nebo odrÛdy pro seznam povolen˘ch odrÛd (SPO), se ovûfiuje vhodnost odrÛd pro podmínky ekologického pûstování. Souãasnû mÛÏeme sledovat zákonitosti tvorby v˘nosu tûchto odrÛd, zdravotní stav a v˘znamné jsou i v˘sledky potravináfiské a krmné jakosti obilnin z ekologického zemûdûlství. V˘sledky odrÛdového pokusu s ozimou p‰enicí pfiedstavuje graf 2, kdy rozmezí v˘nosÛ je v rozpûtí 4,37–8,55 tuny. PrÛmûrn˘ v˘nos kaÏdoroãnû sledovan˘ch 28 odrÛd za celé pokusné období byl 6,42 t/ha, smûrodatná odchylka 1,13 t a variaãní koeficient 17 %. V˘nos v roce 2008 byl 7,46 t/ha. V˘nosy obilnin jsou v ekologick˘ch pokusech asi o 15–20 % niωí neÏ v pokusech s t˘miÏ odrÛdami ve stejn˘ch podmínkách, pfii intenzivním pûstování, s pouÏitím mofieného osiva, herbicidu, fungicidu na choroby stébel a fungicidu do klasu, insekticidu a regulátoru rÛstu. Rozdíl je i v praxi ekologického zemûdûlství. Tato skuteãnost vede ke kritice ekologické zemûdûlství z pohledu hladovûjících lidí v rozvojov˘ch zemích. Jde o zcela naivní pfiedstavu fie‰ení dodávek obilí od nás, protoÏe v tûchto zemích nemají prostfiedky na zaplacení produkce ani dopravy tûchto produktÛ. Právû ekologické zemûdûlství je systém vhodn˘ pro fie‰ení zmínûného problému, kdy si mohou sami vypûstovat potraviny bez drah˘ch hnojiv a pesticidÛ, coÏ potvrdil Svûtov˘ kongresu o ekologickém zemûdûlství v Kodani v roce 1999. Je to politické fie‰ení hladu ve svûtû Organizací spojen˘ch národÛ pro v˘Ïivu a zemûdûlství – FAO – „for a world without hunger“.

36

S

Semináfie

Graf 2 V˘nosy odrÛd ozimé p‰enice v ekologickém zemûdûlství 1994–2008

Jakou strukturou v˘nosu byly dosaÏeny v˘‰e uvedené v˘nosy? Pfii prÛmûrném v˘sevku 400 obilek na 1 m2 vze‰lo 270 rostlin, pfies zimu jich ubylo 63, tj. 23 %, takÏe na jafie zbylo prÛmûrnû 207 rostlin na m2. Do skliznû se vytvofiilo 407 klasÛ na m2. Pozoruhodn˘ je pomûrnû vysok˘ poãet obilek v klasu (35,2) a jejich hmotnost (1,65 g), resp. hmotnost 1000 obilek 46,6 g. Pro podmínky ekologického pûstování je 6,67 t/ha pomûrnû vysok˘ v˘nos, kter˘ je zaloÏen na vysoké produktivitû klasu. Vypl˘vá to z tab. 1, o struktufie v˘nosu. Tab. 1 Struktura v˘nosu souãasn˘ch odrÛd p‰enice v ekologickém zemûdûlství (Uhfiínûves 2000–2008) Pokusné roãníky

2000

2001

2002

2004

2005

2006

2007

2008

PrÛmûry

Poãet odrÛd

30

30

32

27

36

29

35

26

30

Poãet rostlin na m2

359

299

304

201

289

186

267

261

270

Pfiezimování (%)

90

71

79

55

90

50

85

96

77

Poãet klasÛ

487

414

500

323

375

335

368

459

407

Poãet zrn v klasu

38

29

30

34

38

35

40

38

35,2

Hmotnost zrn v klasu

1,75

1,48

1,30

1,82

1,82

1,58

1,78

1,6

1,6

Hmotnost 1000 zrn (g)

45,5

50,7

44,1

53,5

47,8

45,1

43,9

42,3

46,6

V˘nos (t/ha)

8,55

6,16

6,64

5,91

6,85

5,3

6,55

7,46

6,67

Vysvûtlení pfiiná‰í dynamika uvolÀování dusíku z pÛdy, která je podle pfiedplodin a zaoran˘ch posklizÀov˘ch zbytkÛ a zeleného hnojení posunuta do pozdûj‰ího období, kdy podporuje tvorbu generativních orgánÛ. Z grafu 3 vypl˘vá, Ïe intenzivní uvolÀování dusíku zaãíná 15. 5. a vrcholí 30. 6., coÏ je v období zakládání poãtu a nalévání obilek, a podpory fotosyntetické aktivity horní ãásti rostliny a klasu. RovnûÏ fiídké porosty (osvûtlení, voda, Ïiviny atp.) vytváfiejí díky kompenzaci v˘nosov˘ch prvkÛ podmínky pro zaloÏení vût‰ího poãtu základu kláskÛ, kvítkÛ a budoucích obilek. 37

S

Semináfie

Graf 3 Dynamika uvolÀování pfiijatelného dusíku Nmin v kg/ha

KVALITA P·ENICE Z EKOLOGICKÉHO ZEMùDùLSTVÍ Pokud posuzujeme technologickou jakost ekologicky vypûstované p‰enice z pohledu vhodnosti k pekárensk˘m úãelÛm, pak obecnû kvalita i u odrÛd elitní jakosti nedosahuje technologické jakosti pro pfiípravu kynutého chleba a bûÏného peãiva. Problémy jsou zejména v obsahu N-látek a v hodnotách Zelenyho sedimentaãního testu. PoÏaduje se 11,5 % N-látek a 30 ml Zelenyho sedimentaãního testu. ¤e‰ení tohoto problému je ve zmûnû organizace porostu, kdy se p‰enice pûstuje v ‰irok˘ch fiádcích. V˘sledky pfiiná‰í práce doktorandky E. Bicanové, která dokázala pfii pûstování kvalitních odrÛd v ‰irok˘ch fiádcích (25–37,5 cm) dosáhnout poÏadovan˘ch parametrÛ pro p‰enici potravináfiskou – pekárenskou tj. 12,3 % dusíkat˘ch látek a 45 ml Zelenyho testu. Tab. 2 Jakostní hodnocení zrna ekologicky vypûstované p‰enice (Uhfiínûves, sklizeÀ 2006) CAPOUCHOVÁ, KREJâͤOVÁ, 2007 OdrÛda

Akteur (E) Ludwig (E) Sulamit (E) Alana (E) PrÛmûr (E) Alibaba (A) Darwin (A) Complet (A) Batis (A) Ebi (A) Ilias (A) Cubus (A) Banquet (A) PrÛmûr (A) PrÛmûr (B) PrÛmûr (C)

Obsah N-látek v su‰inû zrna (%) 9,66 10,15 10,69 11,02 10,38 9,25 9,51 9,45 9,52 10,19 9,56 9,23 10,19 9,61 10,51 10,29

Obsah mokrého lepku v su‰inû zrna (%) 19,98 19,98 21,53 20,83 20,58 19,37 19,43 18,52 20,92 20,76 18,06 18,43 19,99 19,44 22,09 22,17

Obsah ‰krobu v su‰inû zrna (%) 70,10 68,54 66,01 67,71 68,09 68,41 68,25 67,57 69,48 68,36 67,73 70,08 66,53 68,30 66,99 66,89

Sedimentaãní test Zeleny (ml)

âíslo poklesu (s)

Alveografická deformaãní energie (W ◊ 10–4J)

35 40 48 41 41 33 33 35 32 42 32 41 41 36 37 24

391 359 399 355 376 344 329 313 317 307 341 398 347 337 391 367

207 224 232 253 229 172 198 172 209 223 253 212 207 206 224 225 38

S

Semináfie

ZDRAVOTNÍ STAV OZIMÉ P·ENICE V EKOLOGICKÉM a INTENZIVNÍM ZEMùDùLSTVÍ (Prokinová, E, et al., 2000) Zdravotní stav odrÛd v ekologickém pûstování nebyl prokazatelnû hor‰í neÏ v intenzivním pûstování (mofiidlo, herbicid, fungicid, insekticid, regulátor rÛstu, 100 kg N). Nedo‰lo k napadení padlím travním, nebo bylo prÛkaznû slab‰í neÏ v intenzivním pûstování. Slab‰í byl téÏ v˘skyt nespecifick˘ch nekróz. V˘skyt m‰ic a kohoutkÛ byl v letech 1997 a 1998 vy‰‰í u intenzivnû pûstovan˘ch odrÛd. Zdravotní stav 30 odrÛd sledujeme kaÏdoroãnû, tak jak pfiedepisuje metodika odrÛdov˘ch pokusÛ Národního odrÛdového úfiadu a mÛÏeme potvrdit závûry doc. Prokinové. Nezjistili jsme vût‰í napadení neÏ v intenzivním pûstování, vût‰inou naopak. Hodnoty neklesly pod 7 bodÛ bodového systému ÚKZÚZ, coÏ pfiedstavuje slabé napadení. ZDRAVOTNÍ BEZPEâNOST BIOPRODUKTÒ A MYKOTOXINY Mykotoxiny jsme sledovali od zaloÏení pokusÛ v ekologickém zemûdûlství. Aflatoxin podle Píchové 1984,Ochratoxin podle CHu et al., 1976. V dal‰ích letech vysokotlakou kapalinovou chromatografií (HPCL).

Mykotoxiny v roce 1994

Mykotoxiny 2006

22 odrÛd ozimé p‰enice, obsah: Aflatoxin B1 > 0,6 mg/kg Ochratoxin A > 1,5 mg/kg

Jarní jeãmen: Aflatoxin A > 0,14 mg/kg Aflatoxin B1 > 0,12 mg/kg Ochratoxin A > 0,06 mg/kg Deoxinivalenol DON > 0,08–0,28 mg/kg

V konvenãních podmínkách mûly odrÛdy Sparta, Siria, Mona: Aflatoxin B1 2,0 mg/kg U ozimého Ïita v EZ byl obsah: OchratoxinÛ 5,5–6,0 mg/kg U jarních jeãmenÛ mûlo pût vzorkÛ: > 0,6 mg/kg, jeden vzorek 1,2 mg/kg Pfiípustná mnoÏství podle vyhl. 298/95 Sb. Aflatoxin B1 5 mg/kg Ochratoxin A 10 mg/kg Mykotoxiny v roce 2006 27 odrÛd ozimé p‰enice: Aflatoxin A Aflatoxin B1 Ochratoxin A Deoxinivalenol DON Zearalenon Toxikogenní plísnû Limit

> 0,14 mg/kg > 0,12 mg/kg > 0,06 mg/kg > 0,08–0,25 mg/kg > 0,05 mg/kg 1 ◊ 101–1,5 ◊ 103 > 10 ◊ 103

Zearalenon Toxikogenní plísnû Limit

> 0,05 mg/kg 1,3 ◊ 101–1 ◊ 102 > 10 ◊ 103

Limity pro obiloviny podle nové vyhlá‰ky 305/2004Sb. a Vyhlá‰ka Ministeratva zdravotnictví 53/2002 Sb.: Aflatoxin A 4,00 mg/kg Aflatoxin B1 2,00 mg/kg Ochratoxin A 10,0 mg/kg Deoxinivalenol DON 500 mg/kg Zearalenon 50 mg/kg

Názor, Ïe v produktech ekologického zemûdûlství musí b˘t v˘skyt mykotoxínÛ, protoÏe se nepouÏívají syntetické fungicidy je nepodloÏená domnûnka, naopak komise EU (Scientifik Commmittee on Plants) do‰la k závûru, Ïe neexistuje dostatek dÛkazÛ o tom, Ïe by pesticidy hrály v˘znamnou a odpovídající roli pfii prevenci, inhibici nebo stimulaci produkce mykotoxinÛ. (R. W. van den Bulk, 2003). âerstvé v˘sledky pfiiná‰í VÚZ v KromûfiíÏi, kde se v tfiílet˘ch pokusech (2004–2006) neprojevil rozdíl mezi v˘skytem obsahu DON v zrnû ekologicky a vysoce intenzivnû pûstované p‰enice (Plant, Soil and Environment, 54 2008, s. 395–402). 39

S

Semináfie

VODNÍ AKTIVITA (aw) – MIKROBIOLOGICKÁ PREDIKCE BEZPEâNOSTI POTRAVIN Z EKOLOGICKÉHO A KONVENâNÍHO PùSTOVÁNÍ Vodní aktivita (aw) je míra vlhkosti osmoticky dosaÏitelná pro mikroorganismy a pro aktivitu enzymÛ. PouÏívá se pro mikrobiologickou predikci (Topinková, Jazefyjová 1996). ·etfiení u na‰ich vzorkÛ neprokázalo, Ïe by bylo nebezpeãí rozvoje ‰kodliv˘ch mikroorganismÛ. U 10 odrÛd p‰enice byl prÛmûr z Uhfiínûvsi 0,67, u vzorkÛ ze Stupic 0,58, z âáslavi 0,47, z Nechanic 0,31, z Lípy 0,62, ze StachÛ 0,64. Îito ze v‰ech míst 0,39. Nebezpeãí v˘skytu aflatoxinÛ signalizuje hodnota 0,78–0,80, nebezpeãí ochratoxinÛ signalizují hodnoty 0,83–0,85. KRMNÁ JAKOST OBILOVIN Z EKOLOGICKÉHO ZEMùDùLSTVÍ Pozoruhodná je téÏ krmná hodnota obilních bioproduktÛ, která je lep‰í neÏ u stejn˘ch odrÛd z konvenãního pûstování. Dal‰ím v˘znamn˘m poznatkem je prÛkazná preference pokusn˘ch potkanÛ diety s ekologickou p‰enicí proti dietû se stejnou odrÛdou p‰enice z intenzivního pûstování, kde bylo osivo mofieno, pouÏit herbicid, fungicid, insekticid a regulátor rÛstu. Viz graf. 4. Graf 4 Spotfieba diet s p‰enicí vypûstovan˘ch ekologicky a konvenãnû

Po celou dobu pûtilet˘ch pokusÛ na potkanech dávají zvífiata prokazatelnû pfiednost dietû s obilninami, p‰enicí, Ïitem a tritikale. Domníváme se, Ïe pokusní potkani preferují ekologickou dietu pro nepfiítomnost reziduí pesticidÛ, coÏ potvrzuje také Velimirov (2001), dále FIBL Dossier Nr.4, 2006: Qualität und Sicherheit von Bioprodukten S. 14. Potvrdilo se také, Ïe krmná hodnota v‰ech obiln˘ch druhÛ je nutriãnû lep‰í z ekologického pûstování. Jde o vhodnûj‰í skladbu frakcí bílkovin s vût‰ím zastoupením rozpustn˘ch bílkovin – albuminÛ a globulinÛ. Dokazují to 40

S

Semináfie

v˘sledky Krejãífiové (2008) uvedené v tabulce 3. V˘znamnou vlastností tûchto frakcí bílkovin je, Ïe jsou nositeli vût‰ího mnoÏství aminokyselin, zejména esenciálních aminokyselin (Michalík, 1994) tabulka 4, z ãehoÏ pramení jiÏ v˘‰e zmínûná lep‰í nutriãní hodnota, a to je dÛkaz o lep‰í vnitfiní hodnotû cereálních bioproduktÛ. Z toho téÏ usuzujeme na pfiíãinu lep‰ích pfiírÛstkÛ hmotnosti pokusn˘ch potkanÛ. Naopak tato zmûna v zastoupení frakcí je zodpovûdná za niωí pekafiskou hodnotu (niωí obsah lepkov˘ch frakcí). U prolaminÛ a glutelinÛ musíme upozornit na alergickou reakci nûkter˘ch lidí i monogastrick˘ch zvífiat, u kter˘ch je vyvolána celiakální sprue jako celoÏivotní onemocnûní.

Tab. 4 Zastoupení frakcí bílkovin v su‰inû zrna pfii ekologickém a intenzivním pûstování (Krejãífiová 2007) Jakostní skupina odrÛd

Pûstování EKO/INT

OdrÛdy jakostní skupiny E OdrÛdy jakostní skupiny A OdrÛdy jakostní skupiny B OdrÛdy jakostní skupiny C PrÛmûr E, A, B

EKO INT EKO INT EKO INT EKO INT EKO INT

Albuminy globuliny % 21,6 18,3 22,0 18,1 23,4 19,5 24,5 24,9 22,3 18,6

Prolaminy %

Gluteliny %

Zbytek N%

37,1 40,1 37,4 38,9 36,3 37,1 37,4 32,0 36,9 38,7

29,7 34,1 28,1 31,9 28,9 30,7 26,6 28,7 28,9 32,3

11,3 7,6 12,4 10,9 11,4 12,6 11,4 14,6 11,7 10,3

Tab. 5 Skladba aminokyselin u jednotliv˘ch frakcí bílkovin (Michalík, 1994) Aminokyseliny lysin hystidin arginin asparagin threonin serin glutamin prolin glycin alanin cystein valin methionin izoleucin leucin tyrozin fenylalanin tryptofan

Albuminy 4,0–8,0 2,0–3,0 5,0–8,0 6,0–12,0 2,5–5,5 4,5–6,5 12,0–19,0 5,5–10,0 3,5–6,5 3,5–8,0 1,5–4,0 6,0–7,5 1,5–2,5 3,5–5,0 6,5–9,0 2,5–4,0 3,5–7,0 1,5–2,8

Globuliny 3,0–6,0 2,5–5,0 8,0–12,5 7,0–11,0 2,0–5,0 5,0–7,0 14,0–20,0 2,0–5,5 5,5–9,0 3,0–6,0 1,0–2,5 4,5–6,5 1,0–2,0 3,0–4,0 6,0–11,5 2,5–3,0 3,5–6,0 0,8–1,2

Prolaminy 0,2–1,0 1,0–2,2 1,5–5,0 2,0–5,0 1,5–3,0 3,0–5,0 22,0–45,0 9,0–17,0 1,0–2,5 2,0–9,0 1,0–4,0 4,0–6,0 2,0–4,0 3,0–4,0 7,0–18,0 2,0–5,0 5,5–7,0 0,1–1,2

Gluteliny 1,5–5,0 2,0–4,0 3,0–10,5 3,0–10,5 3,0–4,5 5,0–6,0 18,0–37,0 6,0–14,0 4,0–5,0 2,5–7,5 1,0–2,0 3,5–6,5 1,5–3,1 3,0–5,0 6,5–12,0 4,0–5,0 4,5–7,0 0,9–1,3 41

S

Semináfie ZÁVùRY

V prÛbûhu patnáctiletého pokusu, vedeného podle zásad IFOAM a vyhlá‰ky MZe âR pro ekologické zemûdûlství, se podle kaÏdoroãního hodnocení obsahu pfiijateln˘ch Ïivin neprokázalo, Ïe tento zpÛsob hospodafiení ochuzuje pÛdu. Naopak byla zji‰tûna vût‰í diverzita pÛdních organizmÛ. V˘nosová úroveÀ a kvalita produktÛ vychází z celého pûstitelského systému, struktury plodin a toku organické hmoty do pÛdy. Pfii podmínkách uvedeného pokusu mineralizace pfiinesla aÏ 140 kg minerálního dusíku. Dynamika uvolÀování N byla maximální aÏ v ãervnu, coÏ podporuje tvorbu generativních orgánÛ p‰enice. Proto se v ekologickém zemûdûlství lépe uplatÀují odrÛdy tvofiící v˘nos produktivitou klasu. I pfii relativnû vysok˘ch v˘nosech ozimé p‰enice dosaÏen˘ch v tûchto pokusech musíme uvést, Ïe je obvykle niωí o 15–20 % neÏ v intenzivním pûstování. Proto v‰ak nelze zavrhovat ekologické zemûdûlství s ohledem na existenci oblasti kde lidé hladoví. Kromû katastrofick˘ch situací není moÏné do tûchto oblastí dováÏet obilí, protoÏe nemohou zaplatit ani dopravu. Naopak EZ mÛÏe pomoci fie‰it tuto situaci tím, Ïe jeho zásady se uplatní v pûstitelsk˘ch zpÛsobech tûchto oblastí pro vlastní produkci potravin. Kvalita produktÛ z EZ musí podle zákona dosahovat parametrÛ kvality ostatních zpÛsobÛ produkce. U ekologického zemûdûlství je v‰ak hlavním kriteriem (zárukou) kvality zpÛsob jak byl produkt vypûstován, jak bylo zvífie chováno, jak byl produkt zpracován. U obilovin z ekologické produkce jsme zjistili vy‰‰í podíl rozpustn˘ch frakcí bílkovin – albuminÛ a globulinÛ, které jsou dieteticky v˘znamné tím, Ïe jsou nositeli vy‰‰ího obsahu esenciálních aminokyselin. Proto mÛÏeme tvrdit, Ïe obilní bioprodukty mají vy‰‰í nutriãní hodnotu. Ekologicky vypûstovaná p‰enice má v‰ak niωí podíl lepku, a tím má hor‰í pekárenskou jakost pro kynutá tûsta. Snadno se to fie‰í pûstováním v ‰ir‰ích fiádcích, kdy vût‰í osvûtlení rostlin podporuje syntézu bílkovin. Zdravotní stav ekologicky pûstovan˘ch obilnin nebyl v na‰ich pokusech prokazatelnû hor‰í neÏ v intenzivních zpÛsobech pûstování. V nûkolika roãnících jsme sledovali v˘skyt mykotoxinÛ a v Ïádném z nich nepfiinesly anal˘zy nadlimitní obsahy aflatoxinu A, aflatoxinu B1, ochratoxinu A, deoxinivalenolu (DON), a zearalenonu a toxikogenních plísní. Pro zdravotní bezpeãnost bioproduktÛ jsme vyuÏili metody vodní aktivity, kde se rovnûÏ neprokázalo nebezpeãí rozvoje ‰kodliv˘ch mikroorganismÛ. Krmná jakost se ovûfiovala v pûtiletém pokusu na modelov˘ch zvífiatech, kde se prokázala lep‰í krmná hodnota obilovin (vy‰‰í pfiírÛstky) z ekologického pûstování neÏ u stejn˘ch odrÛd z intenzivního pûstování. MÛÏeme to vysvûtlit v˘‰e zmínûnou skladbou frakcí bílkovin. Nejpozoruhodnûj‰í v‰ak je prÛkazná preference diet s ekologickou obilovinou, neÏ diet s intenzívnû pûstovanou obilninou. To nás vede k názoru, Ïe potkani cítí vysok˘ obsah nitrátÛ a rezidua v chemicky o‰etfien˘ch obilovinách, a poznají i neo‰etfiené, které pfiednostnû konzumují. To dokonce mÛÏeme vyuÏít pfii fal‰ování bioproduktÛ. Geneticky modifikované organismy ekologické zemûdûlství odmítá, protoÏe jsou to manipulace vedené ãlovûkem, ne pfiírodou. Je to podobn˘ pfiístup jako k odmítání inseminace a preferování pfiirozené plemenitby. Zemûdûlská politika EU smûfiuje k ekologizaci zemûdûlství postupn˘m pfiiznáváním dotací na prvky ‰etfiící pfiírodu. Nenaleznete Ïádnou pfiímou podporu intenzifikace zemûdûlství, ale podporu podmínûnou zavádûním ekologick˘ch prvkÛ a ochrany Ïivotního prostfiedí do konvenãního zemûdûlství. To je reáln˘ smûr evropského zemûdûlství 21. století.

42

S

Semináfie

Citovaná literatura: Bicanová, E., Capouchová, I., Krejãífiová, L., Petr,J., Erhartová, D. (2007): The effect of growth structure on organic winter wheat quality. Zemdirbyste/Agriculture. Sci. J. of Lithuanian Institute and University of Agriculture, 93(4): 297–305 Bulk R.W. van den: Mycotoxin risks in the Organic production chain. Pfiedná‰ka na semináfii „Kvalita potravin z ekologického zemûdûlství“ V·CHT Praha 7. 2. 2003. Tisk pfiedná‰ky. FIBL Dossier Nr.4: Qualität und Sicherheit von Bioprodukten. 2006, S 14 Fliessbach, A., Oberholzer, H., Gunst, L., Paul, M.: Soil organic matter and biological soil quality indicators after 21.years of organic and convential farming. Agriculture Ecosystems and Environment. Vol. 118, Issues 1–4, January 2007, p. 273–284 Krejãífiová, L., Capouchová, I., Petr, J., Bicanová, E., Famûra, O.: The effect of organic and convential growing systems on quality and storage protein composition of winter wheat. Plant soil environ., 53, 2007(11): 499–505 Lehocká, Z., Klimekova, M., Bielikova, M.: Selected soil quality indicators in a loam degraded chernozem on loess unter organic and conventional management. Proceedings of Bioacademy 2008. New developments in science and research on organic agriculture. Lednice na Moravû 3. – 5. 9. 2008 p. 82 Michalík, I.: Charakteristika cereálnych bielkovin, ich v˘Ïivná kvalita a vplyv na zdravotn˘ stav. V˘Ïiva a zdravie 39, 1994(9): 185–186 Petr, J.,Vavera, R., Miãák, L.: Yield formation in wheat (Triticum aestivum L.) in ecological agriculture. Scientia Agriculturae Bohemica 39, 2008 (3): 245–251 Prokinová, E., Kazda, J., Petr, J., Altmanová, G.: Health condition of winter wheat in conventional and ecological farming. Scientia Agriculturae Bohemica, 31, 2000, (1): 25–40 ·arapatka, B., La‰ka, V., Mikula, L., âáp, L., Petr, J.: Selected biological and biochemical characteristics of soil in long-term organic farming experiments. Scientia Agriculturae Bohemica, 39, 2008, (2): 212–217 ·arapatka, B., Urban, J. et al.: Ekologické zemûdûlství v praxi Pro-Bio ·umperk 2006. 502 p. Topinková, M., Jozefyjová, M.: Vodní aktivita v mikrobiologii potravin. Hygiena, 41, 1996, (3): 147–154 Velimirov, A.: Ratten Bevorzugen Biofutter.‚ Okologie (Landbaau 117, S. 19–21 http://orgprints.org./6405

Kontaktní adresa: Prof. Ing. Jifií PETR, DrSc. âeská zemûdûlská univerzita v Praze, FAPPZ, Kam˘cká 129, 160 21 Praha 6-Suchdol E-mail [email protected]

43

S

Semináfie

44

S

Semináfie

Semináfi k 75. narozeninám prof. Lubomíra Nátra, pfiedsedy âSEBR „Zabezpeãení produktÛ fotosyntézy ve formû potravin a energie v 21. století“ 26. 5. 2009 Dne 26. 5. 2009 se konal dal‰í ze série celostátních semináfiÛ na konci semestru, tentokrát vûnovan˘ oslavû Ïivotního jubilea profesora Lubomíra Nátra. Úvodní ãást semináfie byla vûnovaná oslavenci a vystoupila v ní s gratulací a podûkováním celá fiada spolupracovníkÛ a pfiedstavitelÛ rÛzn˘ch profesních institucí z âech, Moravy a Slovenska. Kromû toho mu tfii zástupci ãesk˘ch a slovensk˘ch univerzit pfiedali i oficiální ocenûní za v˘znamn˘ pfiíspûvek v rozvoji oboru experimentální biologie rostlin a rozvoj ãeskoslovenské spolupráce v této vûdní disciplínû. Za slovenské kolegy s podûkováním za rozvoj ãesko-slovenské spolupráce pfiedal profesor Ján Hudák Zlatú medailu Univerzity Komenského v Bratislave, a docent Marián Brestiã Pamätnú medailu Slovenskej polnohospodárskej univerzity v Nitre. Zlatou medaili âeské zemûdûlské univerzity v Praze pfiedal profesor Václav Vanûk, kter˘ je také pfiedsedou redakãní rady vûdeckého ãasopisu Plant, Soil and Environment, ve které profesor Nátr pÛsobí jako jeden z místopfiedsedÛ. Je zfiejmé, Ïe také jeho editorská práce Lubomír Nátra v rÛzn˘ch redakãních radách je vysoce cenûna, jak bylo na semináfii nûkolikrát pfiipomenuto – dosud profesor Nátr pÛsobí je‰tû v ãasopisech Photosynthetica a Scientia Agriculturae bohemica. V‰em bylo zfiejmé, Ïe bûhem svého vûdeckého pÛsobení Lubomír Nátr ovlivnil nejen celou fiadu rostlinn˘ch biologÛ, ale i v˘voj oboru a pfiedev‰ím udrÏování komunity rostlinn˘ch biologÛ bûhem nûkolika desetiletí skromné, nesmírnû peãlivé, zodpovûdné a intenzivní práce. Druhá ãást semináfie jiÏ byla zamûfiena na vûdecké pfiíspûvky vûnované v˘zkumu fotosyntézy a jeho praktick˘m pozitivním dopadÛm na lidskou spoleãnost. Pfiedná‰kov˘ marathon zahájil sám jubilant pfiedná‰kou s pfiíznaãn˘m názvem „Quo vadis?“, kter˘ odráÏel nejen stav souãasného fotosyntetického v˘zkumu, ale i pfiíznaãnû stav mysli aktivního fyziologa rostlin, kter˘ cel˘ svÛj Ïivot pfiispíval k poznání v oblasti v˘zkumu fotosyntézy a produkãní biologie rostlin. Dal‰í pfiedná‰ku vûnovanou struktufie chloroplastÛ s bohat˘m obrazov˘m materiálem pfiednesl Ján Hudák z Univerzity Komenského v Bratislavû. Následující velmi inspirativní pfiedná‰ku vûnovanou v˘zkumu fotosyntézy na úrovni listu pfiednesl Jifií ·antrÛãek z Jihoãeské Univerzity v âesk˘ch Budûjovicích. Pak následovala pfiedná‰ka Mariana Brestiãe ze Slovenskej polnohospodárskej univerzity v Nitre orientovaná na produkãní biologii polnohospodáfisk˘ch plodin. Sérii zakonãil Michal V. Marek z Ústavu systémové biologie a ekologie AV âR) s jednoznaãn˘m poselstvím, Ïe lesy jsou základem pfieÏívání lidské spoleãnosti na Zemi. Jana Albrechtová

45

S

Semináfie Chloroplasty: bez nich nebude chleba ani ãistá voda (strukturní a funkãní základ fotosyntézy) Ján Hudák

Chloroplasty sú jedineãné bunkové organely, v ktor˘ch je umiestnen˘ úÏasn˘ proces – fotosyntéza, ktorá nám poskytuje pre nበÏivot nevyhnutné produkty, ako sú energeticky bohaté látky a kyslík. Fotosyntéza svojou jedineãnosÈou fascinovala aj prof. L. Nátra, a to bol hlavn˘ dôvod, aby som pri príleÏitosti jeho Ïivotného jubilea predniesol niekoºko postrehov o chloroplastoch. Chloroplasty spolu s leukoplastami a chromoplastami tvoria ‰truktúrne aj funkãne heterogénnu rodinu organel rastlinnej bunky – plastidy. Chloroplasty a chromoplasty plnia aj veºmi dôleÏitú estetickú funkciu, sú totiÏ nositeºmi rozliãného zafarbenia rastlín, od zelenej cez Ïltú aÏ tmavoãervenú. Fotosyntéza predurãila, Ïe v centre záujmu fyziológov a cytológov sú chloroplasty. Ich v˘raznou ‰truktúrnou ãrtou je bohat˘ membránov˘ systém, ktor˘ tvoria tylakoidy membrány grán a strómy (obr. 1). Takto vyvinuté chloroplasty sú prítomné v diferencovan˘ch zelen˘ch pletivách rastlín, predov‰etk˘m v listoch.V meristematick˘ch pletivách sú prítomné plastidy chudobné na membrány – proplastidy (obr. 2). Tieto ‰truktúrne prekurzory plastidov pri dobr˘ch sveteln˘ch podmienkach sa postupne menia na chloroplasty. Ak v˘vin rast-

Obr. 1

Obr. 2

lín prebieha v nevhodn˘ch sveteln˘ch podmienkach, resp. v tme, v bunkách listového mezofylu vzniká zvlá‰tny typ plastidov – etioplasty s dominantnou ‰truktúrou – prolamelárne telo (obr. 3). Pri zmene sveteln˘ch podmienok etioplasty sa postupne transformujú na chloroplasty. V tejto súvislosti je potrebné upozorniÈ na veºmi zaujímav˘ fakt, Ïe nielen niωie rastliny tvoria chlorofyl v tme, ale aj niektoré druhy nahosemenn˘ch rastlín ako napr. Picea abies (L.) KARST., Abies alba MILL., Pinus sylvestris L. a Pinus mugo TURRA. Túto vlastnosÈ v‰ak nemajú dospelé jedince, ale iba ich klíãence, ktoré keì rastú v tme obsahujú chlorofyl a plastidy majú dobre diferencovan˘ membránov˘ systém. Posledné ‰tádium ontogenézy plastidov – senescencia je charakteristické rozru‰ovaním mem-

Obr. 3

46

S

Semináfie

Obr. 4

bránového systému a de‰trukciou chlorofylu. V˘sledkom tohto procesu je vznik chromoplastov (obr. 4). Tento typ plastidov je prítomn˘ v kvetoch, zrel˘ch plodoch a starnúcich listoch. „bez nich nebude chleba“ Vo fotosyntéze vznikajú energeticky bohaté látky sacharidy, ktoré v rastlinnom metabolizme sú postupne spracovávané za vzniku potrebnej energie pre rastové procesy. Vznikajúce sacharidy sú z chloroplastov transportované na miesta spotreby, alebo sa zhromaÏìujú v ‰pecializovan˘ch plastidoch – amyloplastoch (obr. 5), kde z jednoduch˘ch cukrov vzniká ‰krob. Poznáme ‰krob asimilaãn˘, zásobn˘ a statolitov˘. Asimilaãn˘ alebo aj tranzitorn˘ vzniká v chloroplastoch pri intenzívnej fotosyntéze a nedostatoãnom transporte sacharidov. Z hºadiska v˘Ïivy ãloveka je dôleÏit˘ zásobn˘ ‰krob, ktor˘ je prítomn˘ v amyloplastoch hºúz a semien. Technologické spracovanie t˘chto orgánov rastlín nám poskytuje dôleÏitú surovinu – múku, ktorá sa vyuÏíva pri peãení chleba a príprave rozliãn˘ch pokrmov. Pre samotné rastliny je veºmi dôleÏit˘ statolitov˘ ‰krob. Prítomn˘ je v amyloplastoch ‰pecializovan˘ch bu-

Obr. 5

Obr. 6

niek kolumely v koreÀovom vrchole. Statolitov˘ ‰krob v interakcii s pôsobením zemskej tiaÏe podmieÀuje pozitívny geotropick˘ rast koreÀa. Na tento fenomén ako jeden z prv˘ch upozornil prof. B. Nûmec. „bez nich nebude ani ãistá voda“ Názov mojej predná‰ky predurãil prof. L. Nátr, preto nie som si celkom ist˘, ão mal na mysli pod „ãistou vodou“. Îe by to bola zurãiaca voda horsk˘ch potokov? Tieto nejasnosti som sa rozhodol rie‰iÈ vodou v rastlinnej bunke. Diferencované rastlinné bunky sú charakteristické ‰peciálnou ‰truktúrou – vakuolou, ktorá je zvlá‰È vyvinutá v bunkách mezofylov˘ch. Vakuola zaberá podstatnú ãasÈ objemu bunky a cytoplazma, spolu s ostatn˘mi ‰truktúrami, tvorí iba tenk˘ pás pozdæÏ bunkov˘ch stien (obr. 6). Vakuola obsahuje asi 90 % vody, zvy‰ok tvoria anorganické a organické látky. Voda prítomná vo vakuole podmieÀuje vznik vnútrobunkového na-

Obr. 7

47

S

Semináfie

pätia – turgor. Z mnoÏstva chemick˘ch látok prítomn˘ch vo vakuole spomeniem iba niektoré, s ktor˘mi sa denne stretávame ako napr. sacharóza v buºvách cukrovej repy, taníny, triesloviny a antokyany v plodoch a kvetoch (obr. 7). Zvlá‰È by som chcel upozorniÈ na triesloviny a antokyany. Milovníci ãerveného vína si ani neuvedomujú, Ïe v skutoãnosti si pochutnávajú na v˘bornej „zmesi“ vody, alkoholu, kyseliny vínnej, antokyanov a trieslovín. Antokyany dodávajú tomu úÏasnému moku nádhernú karmínovo-ãervenú farbu, triesloviny jemnú trpkastú chuÈ a toto v‰etko má pôvod vo vakuole.

Úprimne závidím profesorovi Nátrovi jeho v‰estrannú aktivitu, najmä jeho pisateºské schopnosti. Osobne mám rád víno a preto si o Àom v‰elião rád preãítam. Pred rokom som listoval v ãasopise Vinafisk˘ obzor a v Àom som na‰iel ãlánok od profesora L. Nátra: Fotosyntéza v chloroplastech listÛ révy vinné: nepostfiehnuteln˘ vznik hroznÛ, nevychádzal som z údivu. Je to obdivuhodne ako poznatky o fotosyntéze je moÏné ‰íriÈ v komunite, ktorá jej produkty vyuÏíva, ale tajomstvá jej procesov nepozná. Tento poãin je dobr˘m príkladom pre nás v‰etk˘ch ako máme ‰íriÈ poznatky o na‰ej vede medzi verejnosÈou.

Veºa zdravia pán profesor!

Ad multos annos!

48

S

Semináfie

Atmosféra-List-Fotosyntéza-âlovûk. Vybrané interakce. (Jak mûníme fotosyntézu listu a jak fotosyntéza listu mûní nás) Vyhnání z WUE ráje – od stonku k listu Pohádky obvykle zaãínají „bylo, nebylo“ nebo „dávno jiÏ tomu“. Dûjiny phanerozoika (geologického období, pro které je typická existence prost˘m okem viditelného Ïivota) nás uãí, Ïe bylo a stalo se to asi pfied 360 milióny lety. Tehdy poklesla relativnû rychle koncentrace oxidu uhliãitého v atmosféfie Zemû asi na 10 % hodnoty typické pro zaãátek kolonizace sou‰e rostlinami (tj. asi 440–400 miliónÛ let zpût, kdy byla koncentrace CO2 4500–6000 mmol mol–1)33. Asimilaãní orgány suchozemsk˘ch rostlin mûly do té doby protáhl˘ válcovit˘ tvar podobn˘ vzhledem i funkcí stonkÛm dne‰ních rostlin. Pfiíkladem mÛÏe b˘t jedna z prvních cévnat˘ch rostlin Cooksonia sp., jen asi 4 cm vysoká rostlina, jejíÏ pozdnû silurské a devonské paleozbytky se nacházejí v nejrÛznûj‰ích ãástech svûta vãetnû na‰ich uheln˘ch slojí. Jistû se vám v té souvislosti vybaví obrazy baÏinaté krajiny fiídce porostlé rostlinami podobn˘mi pfiesliãkám od malífie ZdeÀka Buriana. Rostliny té doby pravdûpodobnû nestrádaly nedostatkem oxidu uhliãitého uvnitfi svého tûla a chloroplastÛ, kde se CO2 zpracovává v procesu fotosyntézy, protoÏe ho bylo v atmosféfie relativnû hodnû – pfiibliÏnû 10 aÏ 15-krát vy‰‰í koncentrace neÏ je dnes. VáÏnûj‰ím problémem bylo, jak zamezit ztrátû vodní páry do vodou nenasycené atmosféry. Pro oboje, dostatek CO2 a nedostatek vody, vyhovovala malá plo‰ná hustota jiÏ tehdy existujících prÛduchÛ, tj. uzavírateln˘ch otvorÛ v pokoÏce, kter˘mi voda i oxid uhliãit˘ procházejí. Stonkov˘ typu listu nesl v té dobû kolem deseti prÛduchÛ na mm2. S radikálním poklesem CO2 se ale situace zmûnila. Rostliny zaãaly mít nedostatek CO2 – substrátu pro fotosyntézu ve svém tûle. Evoluãním fie‰ením byla, zaprvé, zmûna tvaru asimilaãního orgánu – protaÏení v jedné a zplo‰tûní v druhé ose tedy vytvofiení planparalelní tenké desky tlusté fiádovû desetiny milimetru, která zlep‰ovala difuzní pfiístup CO2 do listu a, zadruhé, zv˘‰ení poãtu prÛduchÛ na jednotku plochy (jejich hustoty). Tedy vytvofiení listu morfologicky a anatomicky podobnému tomu, jak jej známe u dne‰ních C3 rostlin: laminární list o tlou‰Èce nejãastûji 0,2–0,4 mm a hustotû prÛduchÛ na mm2 u bylin 214 ± 31CI (CI = 95 % konfidenãní interval, v extrémech v‰ak hustota prÛduchÛ u nûkter˘ch stromÛ pfiesahuje hodnoty 1200 prÛduchÛ mm–2)[1, 2] s nepfiebernou rozmanitostí velikosti plochy a tvarÛ listové ãepele. Evoluãní promûna obou, tvaru z osového na laminární i hustoty prÛduchÛ zv˘‰ené o více neÏ jeden fiád, musela jít ruku v ruce. Zvût‰ení pomûru plochy k objemu totiÏ vede ke zv˘‰ení absorpce sluneãního záfiení dan˘m objemem pletiva, které se jen z malé ãásti spotfiebuje na fotosyntézu. Z daleko vût‰í ãásti se pfiemûní v teplo, zahfiívající list. PfiibliÏnû polovina tepelné energie se z listu odvede jako skupenské teplo v˘paru vody. Zajistit takovou energetickou bilanci a uchránit list pfied pfiehfiátím vyÏadovalo rostoucí pfiísun vody do listu a vy‰‰í rychlost transpirace, proto i vy‰‰í hustotu prÛduchÛ na mm2 listu. Rostoucí teplota listu tak roztáãela spirálu nárokÛ na vodu pro chlazení, byla evoluãním tlakem pro dal‰í v˘voj kofienÛ, zv˘‰ení hydraulické vodivosti cév transportujících vodu a rÛst hustoty prÛduchÛ. Pfiesto a právû proto: pomûr mnoÏství uhlíku získaného z atmosféry k vodû do atmosféry odevzdané, tzv. úãinnost vyuÏití vody rostlinou (angl. water use efficiency, WUE), se s poklesem koncentrace CO2 v atmosféfie dramaticky sníÏil[3]. (Jak to víme? Informuje nás o tom zmûna v zastoupení stabilního izotopu 13C v paleozbytcích tehdej‰ích rostlin, která, jak víme z teorie i experimentÛ, je úmûrná WUE[4].) Dilema suchozemsk˘ch rostlin „vyhladovût nebo zemfiít Ïízní?“ tak zaãalo b˘t aktuální právû v pozdním devonu, od okamÏiku „vyhnání rostlin z WUE ráje“ nastartovaného zmínûn˘m globálním poklesem atmosférické koncentrace CO2 pfied asi 360 milióny lety. (Podle nûkter˘ch geochemick˘ch modelÛ se koncentrace CO2 bûhem devonu sníÏila z 3 aÏ 4 tisíc na 300 mmol mol–1 a souãasnû stoupla koncentrace kyslíku z 210 mmol mol–1 v ãasném devonu na 300 mmol mol–1 v pozdním devonu. Pfií33

Koncentraci CO2 ve vzduchu budeme v tomto ãlánku vyjadfiovat tak, jak je bûÏné v odborn˘ch ãláncích o fotosyntéze nebo d˘chání, tj. jako molární zlomek v mmol (CO2) mol–1 (vzduchu). Poãítá se pfiitom s „molární“ hmotností vzduchu 29 g. Takové vyjádfiení koncentrace je ãíselnû totoÏné s dfiíve uÏívan˘m parts per million (ppm) i s tlakov˘m zlomkem (parciální tlak CO2 v pascalech, Pa, dûlen˘ celkov˘m tlakem vzduchu v megapascalech, MPa). V˘hodou takového vyãíslení koncentrace, oproti koncentraci napfi. v g (CO2) m–3 (vzduchu), je, Ïe se nemûní se zmûnami tlaku nebo teploty vzduchu. Dne‰ní koncentrace atmosférického CO2 je blízká 380 mmol mol–1.

49

S

Semináfie

ãinou byl asi rozvoj rostlin na sou‰i, a s tím spojené ukládání uhlíku v organick˘ch depositech a rostlinami podpofiené chemické zvûtrávání hornin[5]). Bezprostfiedním evoluãním v˘sledkem „vyhnání“ bylo roz‰ífiení druhÛ s listy 2–3 cm ‰irok˘mi a vidliãnat˘m vûtvením cév, morfologicky i v˘mûnou plynÛ podobn˘ch tûm jaké známe napfi. u nejobecnûji známé Ïivoucí fosilie – jinanu dvoulaloãného (Ginkgo biloba). Zpátky do silursk˘ch baÏin? Jak mûníme list bezdûãnû Hustota prÛduchÛ je, jak uÏ víme, parametr ekofyziologicky dÛleÏit˘ a spolurozhodující o zisku uhlíku z atmosféry i tepelné pohodû listu. Spolu s morfologií listu (a s velikostí prÛduchov˘ch bunûk, o které jsme je‰tû nemluvili) reaguje pravdûpodobnû na zmûny koncentrace CO2 v atmosféfie kolem listu. Vnímavému ãlovûku dne‰ka se znalosti propojují, napadají jej otázky: Nemohla by hustota prÛduchÛ slouÏit jako indikátor souãasn˘ch antropogenních zmûn koncentrace CO2 v atmosféfie Zemû? Nebo obecnû ukazatel jak˘chkoli, nejen nedávn˘ch ãlovûkem zpÛsoben˘ch zmûn CO2? Nahradit nebo doplnit pracné a nákladné rekonstrukce paleoklimatu pofiízené anal˘zou bublinek vzduchu uvûznûn˘ch v grónsk˘ch a antarktick˘ch ledovcích stovky metru aÏ kilometry pod jejich povrchem? Ty zahledûné spí‰ k horizontu napadne: jak to ta rostlina (list) „dûlá“, Ïe vnímá koncentraci CO2 kolem sebe? Jaké pro to má ãidlo? A jak se pfiíslu‰n˘ impulz od ãidla pfiená‰í a realizuje pfii v˘voji a rÛstu pokoÏky listu Ïe je to „sítko“ hust‰í a jemnûj‰í? Za odpovûdi na první otázku vdûãíme pion˘rské práci botanika a fyziologa z univerzity v Cambridge, F. I. Woodwardovi, publikované v roce1987[6] (a pfiedpfiipravené peãliv˘mi pracemi mnoha dal‰ích, v˘znamnû i ãesk˘ch fyziologÛ, napfi. I. Tiché, B. Slavíka, J. Pazourka). Historické herbáfiové poloÏky listÛ ‰esti druhÛ dfievin z uplynul˘ch 200 let ukázaly, Ïe se za dobu od poãátku prÛmyslové revoluce sníÏila hustota prÛduchÛ na listech kaÏdého z onûch druhÛ v prÛmûru o 40 %. Za stejnou dobu se zv˘‰ila koncentrace CO2 v atmosféfie z 280 na 340 mmol (CO2) mol–1 (vzduchu). Podobné v˘sledky (pokles hustoty o 67 %) daly i kontrolní pokusy se semenáãky tûchto ‰esti dfievin a dvou bylin pûstovan˘mi v atmosféfie s fiízenou koncentrací CO2[6]. Jin˘ pfiíklad: zkoumání zbytkÛ listÛ (kutikuly) bfiízy (Betula pendula) z vrstev opadu a ra‰eliny datovan˘ch od r. 1955 do 1995 ukázalo na 0,6 % sníÏení hustoty prÛduchÛ na kaÏd˘ 1 mmol mol–1 zv˘‰ené atmosférické koncentrace CO2[7].34 Zdá se b˘t prokázané, Ïe hustota prÛduchÛ je relativnû spolehliv˘m svûdectvím o na‰em spalování fosilních paliv a kácení tropick˘ch lesÛ, o antropogenních zmûnách koncentrace CO2[8, 9]. Bezdûãnû tak mûníme anatomii a morfologii listu rostliny, a spolu s tím i její schopnost získávat uhlík z atmosféry a cenu, za jakou jej získává v termínech úãinnosti vyuÏití vody. Podívejme se teì, jak (a trochu i proã) se tak dûje. Zmûny objemové hustoty kovÛ s teplotou vysvûtlují fyzikové tepelnou roztaÏností, pfiirozená plo‰ná hustota populace lidí je dána podmínkami prostfiedí a fází v˘voje demografické kfiivky. Co v‰ak zpÛsobí, Ïe místo dvou z dvaceti pokoÏkov˘ch bunûk se jich „rozhodne“ b˘t prÛduchov˘mi tfieba ‰est?35 Jak do tohoto procesu zasahuje zmûna atmosférické koncentrace CO2? To jsou otázky, na které se intenzivnû hledá odpovûì aÏ v posledním desetiletí a k na‰í souãasné znalosti pfiispûly podstatnû metody molekulární a bunûãné biologie. Jak tedy buÀka pokoÏky vystavená vzduchu „pozná“, Ïe má b˘t prÛduchovou? Rozhovory pfies bunûãnou membránu PrÛduchové (svûrací) buÀky jsou bránou rostlin do okolního atmosférického svûta. AÏ na vzácné v˘jimky, jako jsou gametofyt mechorostÛ a jatrovek, li‰ejníky a nûkteré druhy kapradin a kvetoucích rostlin rostoucích pfiisedle na zaplavovan˘ch bfiezích oligotrofních jezer nebo parazitick˘ch rostlin36, jsou asimilaãní orgány v‰ech rostlin osazeny prÛduchy. Z pohledu primární produkce biomasy na sou‰i témûfi 34 Zájemce o problematiku hustoty prÛduchÛ jako ukazatele paleokoncentrací CO2 mohu odkázat napfi. na pfiehledovou práci [8]. 35 Jeden prÛduch (prÛduchov˘ aparát) je tvofien v základû dvûma specializovan˘mi tzv. svûracími buÀkami v pokoÏce a pórem mezi nimi. Souãástí prÛduchového aparátu je i dutina pod prÛduchem uvnitfi listu, která je spojena s mezibunûãn˘mi prostory. Zmûnou hydraulického tlaku svûrací buÀky mûní svÛj tvar a tím i ‰ífiku póru mezi nimi. Ostatní pokoÏkové buÀky kolem svûracích bunûk, dlaÏdicové nebo podpÛrné buÀky, mají jin˘ tvar i vnitfiní stavbu a jsou pevnû spojené sousedními bunûãn˘mi stûnami a pokryty pro plyny témûfi nepropustnou kutikulou. 36 Napfi. kapradina ‰ídlatka (Isoetes), nûkteré druhy parazitick˘ch rostlin. Tyto rostliny získávají uhlík buì ze sedimentu jezer pfies kofieny a porézní stonek (isoetidy) nebo jako organick˘ (parazitické).

50

S

Semináfie

neexistuje organick˘ uhlík, kter˘ by pfied fotosyntetickou asimilací nepro‰el prÛduchy37. Proto neudivuje, Ïe o mnoÏství prÛduchÛ (jejich hustotû na plo‰e) spolurozhoduje koncentrace CO2 v atmosféfie, Ïe pfii 10 aÏ 15-krát vy‰‰í koncentraci CO2 v siluru byla ãetnost prÛduchÛ ménû neÏ desetinová proti souãasné. Pfiístup CO2 do rostliny je kromû hustoty prÛduchÛ (a gradientu koncentrace, kter˘ urãuje rychlost difuse) dán také velikostí prÛduchového póru a rozmístûním prÛduchÛ po pokoÏce. U jednodûloÏn˘ch rostlin jsou prÛduchy rozmístûny v fiadách rovnobûÏn˘ch s vodiv˘mi svazky listu (cévami). V dané fiadû mají prÛduchy rozestupy, jsou mezi nimi pokoÏkové buÀky. U dvoudûloÏn˘ch rostlin nepozorujeme Ïádnou podobnou pravidelnost. Pfiesto nejsou prÛduchy rozmístûny náhodnû. Kdyby byly, jistû by se stávalo, Ïe budou dva prÛduchy sousedit, Ïe budou tûsnû vedle sebe. Tak to ale témûfi nikdy není! Platí „Pravidlo minimálnû jedné oddûlovací buÀky“ (one cell spacing rule). BuÀky pokoÏky se vyvíjejí z nedospûl˘ch pokoÏkov˘ch (protodermálních) bunûk. V urãité fázi v˘voje z nich budou buì dlaÏdicovité buÀky, nebo svûrací buÀky prÛduchu nebo trichómy (tj. „chlupy“ nebo Ïlázky na listu). Jak si protodermální buÀka „vybere“ svÛj osud? Jak „ví, ãím bude“ aÏ vyroste?38 Detaily dosud neznáme; intenzivnû se zkoumají. DokáÏeme popsat cestu a typy bunûãného dûlení, které konec koncÛ vede k dvojici svûracích bunûk. Víme, Ïe poslednímu symetrickému dûlení matefiské prÛduchové buÀky ve dvû svûrací pfiedchází jedno nebo opakované asymetrické dûlení kmenové buÀky zvané meristemoidní matefiská buÀka. Nesymetrick˘m dûlení vznikne malá (v plo‰ném pohledu zhruba trojúhelníkovitá) buÀka – meristemoid – která se buì dál dûlí nesymetricky v pfiípadû, Ïe sousedí s uÏ vyvinut˘m prÛduchem nebo matefiskou prÛduchovou buÀkou, nebo se z ní stane pfiímo matefiská prÛduchová buÀka. Velká buÀka vzniklá nesymetrick˘m dûlením jako partner meristemoidu se stane dlaÏdicovou. Nesymetrick˘m dûlením se tedy budoucí prÛduch jakoby „otoãí zády“ k uÏ existujícímu nebo budoucímu prÛduchu. Tûmi „zády“ je velká, budoucí dlaÏdicová pokoÏková buÀka. Proã jsou prÛduchy rozsazeny a nejsou ve shlucích? Jak˘ mechanismus iniciuje nesymetrické dûlení kmenové meristemoidní matefiské buÀky? Myslíme si, Ïe první otázku dokáÏeme zodpovûdût pomocí fyzikálních zákonÛ difuse. Lze ukázat, Ïe mnoha mal˘mi otvory pravidelnû rozmístûn˘mi se difusí pfienese více hmoty (vypafií více vody, projde více CO2) neÏ jedním velk˘m nebo nûkolika velk˘mi o stejné úhrnné plo‰e39. Druhá otázka není do detailÛ zodpovûzena a intentivnû se na ní v posledních deseti letech pracuje[10, 11]. Podafiilo se získat mutanty rostliny (jaké jiné neÏ huseníãku, Arabidopsis) s poruchou zmínûného Pravidla jedné oddûlovací buÀky. Díky tomu se ukázalo, Ïe existuje nûkolik genÛ40, jejichÏ proteinové produkty dohlíÏí na zachování Pravidla. Jsou souãástí pfienosu informace o okolí listu (jaká je koncentrace CO2?) a okolí buÀky (není v sousedství prÛduchová?). Dále informaci uvnitfi buÀky pfiená‰ejí, signál zesilují nebo naopak zeslabují a spou‰tí aparát, kter˘ má dûlení „v popisu práce“ (ãetnost a polohová specificita dûlení tj. zda k dûlení dojde a v kterém místû dûlící se buÀky se zaãne vytváfiet pfiehrádka). Jak vidût, správné rozmístûní prÛduchÛ v mnoÏství odpovídajícím okolnímu prostfiedí, kde rostlina roste je vûc pfienosu informace z atmosféry, komunikace mezi buÀkami epidermis a s jádrem uvnitfi buÀ-

37

Odhaduje se, Ïe z atmosféry do rostlin pfiejde roãnû 440 Gt (1 gigatuna, Gt = 109 tun) uhlíku z toho pfiibliÏnû polovinu obstará fotosyntéza suchozemsk˘ch rostlin pfii které je uhlík v podobû CO2 difusí transportován pfies prÛduchy do chloroplastÛ. MnoÏství vody, které se roãnû vypafií z rostlin transpirací, je asi 32 Tt (1 teratuna, Tt = 1012 tun). 38 Pfiedem se omlouvám ãtenáfii i recenzentÛm za antropomorfismy, které se zde nakumulovaly a které mají uãinit text ãtivûj‰ím, nikoli naznaãit, Ïe epidermální buÀka má vÛli, kterou uplatÀuje ve volbû svého povolání nebo osud pfiedem dan˘ vy‰‰í nepoznatelnou autoritou nebo silou. Mnohé z tûchto antropomorfismÛ jsou inspirovány nebo jsou pfiímo pfieklady názvÛ souãasn˘ch ãlánkÛ v anglicky psané odborné literatufie. 39 DÛvody se uvádûjí dva. První spoãívá v tom, Ïe koncentraãní izoãáry difundující látky se pfii pravidelném rozmístûní nepfiekr˘vají tolik jak pfii nahlouãení otvorÛ – prÛduchy si difusnû nepfiekáÏejí. Druh˘ spoãívá v tom, Ïe velké otvory vyÏadují velké svûrací buÀky coÏ v trojrozmûrném svûtû znamená i vût‰í hloubku prÛduchového póru, tedy del‰í dráhu difuse. 40 Napfi. gen TMM (TOO MANY MOUTH), kter˘ kóduje receptorov˘ protein (LRR) a jeho vyfiazení se projeví tvorbou shlukÛ prÛduchÛ, SDD1 (STOMATA DENSITY AND DISTRIBUTION) pravdûpodobnû proteáza jejíÏ mutace vede ke zv˘‰ení procenta epidermálních bunûk, které jsou prÛduchové, FLP (FOUR LIPS), jehoÏ mutace zpÛsobí opakované dûlení matefiské prÛduchové buÀky a projeví se dvûmi dvojicemi svûracích bunûk vedle sebe, HIC (HIGH CARBON DIOXIDE), zvy‰ující hustotu prÛduchÛ v reakci na sníÏenou koncentraci CO2 ve vnûj‰ím prostfiedí[14], nûkolik genÛ, které kódují enzymy zodpovûdné za tvorbu dlouhofietûzcov˘ch mastn˘ch kyselin (VLCFA) – prekurzorÛ kutikulárních voskÛ, tedy prvních chemick˘ch látek, které rostlina atmosféfie vystavuje. Komunikaci bunûk pfii v˘voji prÛduchÛ zfiejmû zprostfiedkovává také gen ER (ERECTA), kódující receptorov˘ protein kter˘ obsahuje jak extracelulární receptor (LRR), tak cytoplasmovou kinázovou ãást.

51

S

Semináfie

ky. K doplnûní obrazu je potfieba je‰tû pfiidat informaci o tom, Ïe ãetnost prÛduchÛ na mlad˘ch listech rostlin je fiízena také dosud neznám˘mi signály z dospûl˘ch listÛ – tedy informací pfiená‰enou na velkou vzdálenost mezi orgány rostliny[12, 13]. SloÏitost takov˘ch mechanismÛ, v kter˘ch mají úãast receptorové proteiny, fytohormony (gibereliny aauxin), kaskády kináz, cytoskelet, … je jistû obrovská. Jejich rozlu‰tûní ale, s trochou nadsázky, mÛÏe zmûnit svût – vûfime, Ïe k lep‰ímu. Jak mûníme list zámûrnû Je relativnû snadné mûnit vlastnosti rostlin, které jsou kódovány jedním nebo úzkou skupinou pomûrnû snadno manipulovateln˘ch genÛ. Máme tak celou barevnou ‰kálu kvûtÛ u mnoha druhÛ okrasn˘ch rostlin. TûÏké, aÏ zatím nemoÏné, je cílenû specifickou manipulací mûnit takové vlastnosti jako je velikost tûla nebo hmotnost biomasy urãitého orgánu (v˘nos). ·lechtûní na takové vlastnosti se dûlo po staletí a ãasto stále dûje empiricky: náhodné navození variability, v˘bûr na v˘nos a stále dokola. Napfi. je známo, Ïe rychlost fotosyntézy není pfiím˘m a jedin˘m selekãním kriteriem pro cílené zmûny v˘nosu[15]. Proto odrÛdy s vy‰‰í rychlostí asimilace CO2 nemusí mít vy‰‰í v˘nos. Pfiesto se v minulosti podafiilo vy‰lechtit v˘nosné odrÛdy, aniÏ by probíhal v˘bûr explicitnû na nûjakou fyziologickou s v˘nosem spojenou vlastnost rostliny. Zpûtnû s odstupem desetiletí nebo staletí v‰ak mÛÏe b˘t uÏiteãné provûfiit, zda se „nespecifick˘m“ v˘bûrem napfi. na v˘nos nezmûnily systematicky nûkteré fyziologické, morfologické nebo jiné vlastnosti rostliny. MoÏná, Ïe na‰i pfiedkové po desetiletí nevûdomky selekcí ovlivÀovali urãit˘ dûj, kter˘ je‰tû neumûli zmûfiit, kter˘ v˘nos podstatnû spoluurãuje a kter˘ není sv˘m kódováním „rozset“ po celém geonomu. O podobném pfiípadu, kter˘ má souvislost s prÛduchy a fotosyntézou bych se chtûl krátce zmínit. Otevfienost je skvûlá vlastnost, ale ne vÏdy a v‰ude, ne za kaÏdou cenu. Platí to (du‰evnû) pro ãlovûka i (látkovû) pro rostliny. ·lechtûní na vy‰‰í otevfienost prÛduchÛ a tedy zv˘‰en˘ pfiístup CO2 do chloroplastÛ byla logická a teoreticky podloÏená snaha uÏ od doby, kdy si vûdci uvûdomili, Ïe fotosyntetická fixace CO2 je difusní, ãasto prÛduchy limitovan˘ proces, tj. od prÛkopnick˘ch prací Haberlandta, Gaastry a dal‰ích v první a poãátkem druhé poloviny minulého století. PfiestoÏe se záhy vyvinula technika spolehlivého mûfiení prÛduchové vodivosti (tzv. porometry), ve ‰lechtûní se prakticky neuplatnily. DÛvodem byla mimo jiné velká ãasová i prostorová variabilita vodivosti prÛduchÛ, ãasto vût‰í neÏ ta meziodrÛdová nebo mezidruhová. Dále i uÏ zmínûná epigenetika problému: fotosyntéza není vÏdy a pouze omezena otevfiením prÛduchÛ, v˘nos není vÏdy a pouze omezen rychlostí fotosyntézy. Nalezení veliãiny, která integrovala prÛduchovou vodivost v ãase a pfii vhodné pfiípravû vzorku i v prostoru – diskriminace stabilního izotopu 13C, umoÏnilo pohled na vûc trochu z ptaãí perspektivy. Technick˘ pokrok (a dostatek financí) umoÏnil analyzovat obsah 13C ve vzorcích su‰iny rostlin ze stovek odrÛd pûstovan˘ch v identick˘ch podmínkách a zjistit tak, jak jsou na tom s prÛmûrnou vodivostí prÛduchÛ kaÏdé jednotlivé odrÛdy. Od toho uÏ je jen krok k retrospektivní anal˘ze – porovnání vodivosti prÛduchÛ u odrÛd historicky vznikajících v prÛbûhu mnoha nebo nûkolika minul˘ch desetiletí a vykazujících systematicky se zvy‰ující trend v˘nosu. Ukazuje se tak, Ïe selekce na vy‰‰í v˘nos u plodin tepl˘ch a such˘ch oblastí, jako je napfi. bavlník (Gossypium barbadense) pûstovan˘ v Indii nebo mexické odrÛdy p‰enice (Triticum aestivum), ‰la ruku v ruce se zvy‰ováním prÛduchové vodivosti. Pfiitom se maximální rychlost fixace CO2 nezvy‰ovala. Zdá se tedy, Ïe pfiíãina vy‰‰ího v˘nosu spoãívala v nûãem jiném neÏ ve zv˘‰ení fotosyntézy. Korelace v˘nosu a vodivosti prÛduchÛ tady nabízí vysvûtlení v adaptaãní strategii uniknutí pfiehfiátí listu, vyhnutí se supraoptimálních teplot. Je evidentní, Ïe zmínûná korelace mÛÏe b˘t zaznamenána jen v pfiípadû závlahového hospodáfiství. Dostupná data ukazují, Ïe prÛduchová vodivost v tûchto pfiípadech mÛÏe slouÏit jako fyziologické selekãní kritérium v˘nosu[16]. Ukazuje se také, Ïe souãasné ãlovûkem zámûrnû pro v˘nos vybrané a stabilizované odrÛdy bavlníku a p‰enice mají listy s vût‰í maximální otevfieností prÛduchÛ a/nebo s vy‰‰í hustotou prÛduchÛ na plo‰e listÛ neÏ star‰í ménû v˘konné odrÛdy. Vydat se cestou karboxylace? Kudy k vrcholu produkce? Cestou zlep‰eného pfiístupu CO2 z atmosféry pfies prÛduchy do chloroplastÛ? Nebo urychlením biochemické fixace CO2, tzv. karboxylace, ve stromatu chloroplastÛ? Nebo obojím? Nebo jinou, nefotosyntetickou cestou – tfieba zmûnou rozdûlení, alokace, asimilátÛ v rostlinû? Jedna z moÏností se zdánlivû nabízí tomu, kdo pozná hloubku evoluãní „nedokonalosti“ nejroz‰ífienûj‰ího, globálního, karboxylaãního enzymu, ribulóza-1,5-bisfosfát karboxylázy/oxygenázy (zkrácenû 52

S

Semináfie

Rubisco). Proã globálního? Jde o enzym, kter˘ mÛÏe asi ze 75 % za ten jiÏ zmínûn˘ obrovsk˘ tok CO2 z atmosféry do vegetace Zemû41, za to, Ïe kaÏd˘ rok pfiibliÏnû jedna ‰estina ve‰kerého uhlíku obsaÏeného v atmosféfie pfiejde do vegetace Zemû. Globálního také proto, Ïe jak se dá vypoãíst z odhadÛ hmoty vegetace a jeho podílu v zelené hmotû, jde o nejroz‰ífienûj‰í enzym na Zemûkouli, enzym, kter˘ provází autotrofii cel˘m jejím v˘vojem po více neÏ tfii miliardy let. Enzym, kter˘ si vyÏaduje obrovské investice pro rostliny ãasto limitujícího prvku – dusíku – proto, Ïe je mimofiádnû pomal˘ ve své katalytické práci a rostlina jej musí obsahovat velké mnoÏství. Navíc enzym, kter˘ na místo svého fiádného substrátu tj. oxidu uhliãitého ochotnû váÏe jeden z produktÛ oxygenní fotosyntézy, kyslík. Zkrátka, pro enzymologa je Rubisco pozoruhodnû pomal˘ a nespecifick˘ enzym. Vlastnosti, které provokují lidskou tvofiivost, modernû naz˘vanou biotechnologické úsilí a genetické inÏen˘rství, smûfiující k nov˘m plodinám s vy‰‰í rychlostí fotosyntetické fixace CO2 a (snad) vy‰‰ím v˘nosem. Máme se pokou‰et zlep‰it kinetické vlastnosti enzymu Rubisco? Kdybyste stál(a) v ãele agentury poskytující peníze na v˘zkum, podpofiíte takov˘ projekt? Ponechme stranou etické, filosofické a personální aspekty problému a zredukujme jej na vûcnou stránku. Má takové úsilí nadûji na úspûch? Soudû podle nedávno publikované statû v PNAS[17], nadûje je v souãasné dobû malá. Pfiíãina není v argumentaci typu: „kdyÏ s tím za miliardy let neudûlala nic pfiíroda (rozumûj pfiírodní v˘bûr), ãlovûk nemá ‰anci“. Naopak; pfiíroda pracovala usilovnû a úspû‰nû. V fií‰i rostlin mÛÏeme nalézt v˘znamnou pfiirozenou a systematickou variabilitu v kinetick˘ch parametrech, coÏ svûdãí o citlivosti Rubisco k selekãnímu tlaku, o realizované schopnosti adaptace. Problém je v tom, Ïe ãím je Rubisco specifiãtûj‰í (adaptovanûj‰í k nízkému pomûru koncentrací CO2/O2 v chloroplastu), tím je pomalej‰í. Jin˘mi slovy, specificita je nepfiímo úmûrná rychlosti karboxylace[17]. Rubisco není sto vázat molekulu CO2 nekovalentnû. Proces fixace CO2 zaãíná proto vazbou pûtiuhlíkatého cukru ribuloza-1,5-bisfosfát (RUBP) na enzym Rubisco a vytvofiením nestabilní pfiechodné endiol-formy s aktivovan˘m druh˘m uhlíkem vhodné pro kovalentní vazbu CO2 tj. karboxylaci. âím je tato pfiechodná forma energeticky podobnûj‰í produktu karboxylace, tj. 2’-karboxy-3-keto-D-arabinitol-1,5-bisfosfátu (CABP), tím je specifiãtûj‰í pro CO2, ale tím je také pevnûji vázána na enzym, její zpracování, tj. hydratace a roz‰tûpení na dvû molekuly fosfoglycerátu (PGA), vyÏaduje více energie a tím je pomalej‰í. Proto je vysoce CO2-specifické Rubisco izolované napfi. ze ‰penátu katalyticky pomalej‰í neÏ Rubisco z fototrofní purpurové bakterie Rodospirillum rubrum nebo zelené fiasy Chlamydomonas reinhardtii, které jsou sice rychlé, ale více se nechají „zmást“ pfiítomností kyslíku. Proto je pro jmenovanou bakterii a fiasu dÛleÏité Ïít v prostfiedí s co nejvy‰‰ím pomûrem koncentrací CO2/O2. Vysokého pomûru CO2/O2 mÛÏeme dosáhnout sníÏením koncentrace kyslíku nebo zv˘‰ením koncentrace CO2. Sinice, fiasy i nûkteré vy‰‰í rostliny adaptované na nízké koncentrace CO2 mají mechanismy, kter˘mi dovedou zv˘‰it koncentraci CO2 v buÀce nebo pfiímo v chloroplastu (napfi. CO2 koncentraãní pumpa C4 rostlin jako je kukufiice nebo cukrová tfitina). Pokud by se podafiilo vnést mechanismus CO2 koncentraãní pumpy do plodin s C3 zpÛsobem fixace CO2, pak by se otevfiela i cesta vyuÏití málo specifického, ale rychlého enzymu Rubisco z fotoautotrofních mikroorganismÛ. Nastoupením zmínûné cesty byl objev existence C4 fixace CO2 nevyÏadující speciální vûnãitou anatomii listu, ale probíhající v rámci jedné buÀky. Známe pozoruhodné pfiíklady jednobunûãné na svûtle probíhající C4 fotosyntézy u suchozemsk˘ch rostlin z ãeledi merlíkovit˘ch[18], ale i u vodních rostlin, napfi. Hydrilla verticilata[19]. Snahy introdukovat klíãové geny pro C4 fotosyntézu napfi. do rostlin r˘Ïe vedou zatím k dílãím úspûchÛm. Pfiesto by zasluhovaly samostatné pojednání. Mimo rozsah tohoto textu je i detailnûj‰í informace o jiÏ zmínûném, tj. jak˘m zpÛsobem a kde v genomu rostlin je kódována kvantitativní míra úãinnosti vyuÏití vody[11], zda a jak lze tuto fyziologickou vlastnost monitorovat a vyuÏít pfii ‰lechtûní na úsporné vyuÏití vody rostlinami a zv˘‰en˘ v˘nos[20]. Jak list mûní nás? Pfiece jen si v závûru neodpustím téma obrátit naruby, ulomit jeho antropocentrick˘ hrot, a vedle úsilí ãlovûka zmûnit fotosyntézu listu zmínit to, jak fotosyntéza (moÏná) zmûnila lidstvo a mûní kaÏdého z nás. Nemám teì na mysli to, co je evidentní, tj. Ïe primární terestrická produkce umoÏnila pfiechod ÏivoãichÛ na sou‰, a tedy konec koncÛ i v˘voj ãlovûka nebo to, Ïe CO2 asimiláty pfiispívají k tomu, Ïe 41

Zb˘vajících asi 25 % padá na vrub jinému dÛleÏitému karboxylaãnímu enzymu v rostlinách, fosfoenolpyruvát karboxyláze, primárnímu enzymu fixujícímu anorganick˘ uhlík (CO2 ve formû HCO3–) v C4 a CAM rostlinách.

53

S

Semináfie

rosteme (a to ãasto nechtûnû i do ‰ífiky). Rád bych zmínil zajímavou a pomûrnû ãasto citovanou hypotézu o pfiíãinû pfierodu ãlovûka, koãovného pastevce a sbûraãe, v usedlého ãlovûka zemûdûlce. Je pozoruhodné, Ïe ke vzniku prvních zemûdûlsk˘ch civilizací do‰lo ve vzdálen˘ch izolovan˘ch oblastech zemû bûhem pomûrnû krátkého období. Zdánlivû nezávisle tak pfied 15–12 tisíci lety na nûkolika místech souãasnû skonãilo neustálé spásání a stûhování se a vytvofiila se centra zemûdûlsk˘ch osad. Koincidence, která se tûÏko dá vysvûtlit pouze náhodou a pravdûpodobností. Migrace a pfiedávání zku‰eností na dálku byly nesrovnatelnû pomalej‰í neÏ dnes. MoÏná existoval nûjak˘ globální impulz. Jedna z hypotéz fiíká, Ïe impulzem bylo zv˘‰ení fotosyntézy C3 trav a dal‰ích rostlin, které lidé tehdy vyuÏívali, v dÛsledku zv˘‰ení koncentrace CO2 v atmosféfie z pozdnû pleistocenních 200 mmol mol–1 na 270 mmol mol–1[21]. Z kultivaãních pokusÛ se ví, Ïe takové zv˘‰ení u dne‰ních rostlin vede ke zv˘‰ení rychlosti fotosyntézy o 25 aÏ 50 %, ke zv˘‰ení asimilace dusíku rÛstu listové plochy a pfiíjmu vody. Je moÏné, Ïe taková odezva vegetace na globální sloÏení atmosféry mohla podnítit zmûnu v systému hospodafiení? Mohl relativní pfiebytek produkce stimulovat vznik zemûdûlství? Pfiemûnu v usedlá spoleãenstva? Kultivaci a domestikaci rostlin? Mohl b˘t zaãátkem v˘bûru a ‰lechtûní polních plodin, ale i rÛstu populace a prvním impulzem vzniku nov˘ch sociálních vztahÛ? Nevíme s urãitostí, ale hypotéza je na svûtû. Hypotéza, která je bohuÏel, jako mnoho socio-ekonomick˘ch hypotéz, obtíÏnû testovatelná. OpusÈme spoleãnost a podívejme se na jedince, na kaÏdého z nás. Kdyby pfiistál na Zemi mimozem‰Èan, kter˘ by objekty vãetnû ãlovûka nevnímal pfies vlnovou délku od nich odraÏeného záfiení (zrakem), ale pfies relativní zastoupení stabilních izotopÛ uhlíku v látkách skládajících jejich tûlo, pfiípadnû emitovan˘ch z jejich tûl (hmotnostním spektrometrem), na první pohled, respektive z prvního spektra by vyvodil, Ïe Zemû je na pevninû obydlena dvûma supertvory-hmotami schopn˘mi regenerace. KaÏd˘ z nich má nepohyblivou a pohyblivou souãást. Jeden z tvorÛ dominuje mezi obratníky, druh˘ na zbytku sou‰e. Ty pohyblivé ãásti se ãasto sdruÏují, migrují a ukr˘vají v úkrytech, ale jinak jsou velmi podobné sv˘m nepohybliv˘m „rodiãÛm“. Mají ale jednu pozoruhodnou vlastnost. Díky schopnosti migrovat mohou pfiejít do areálu druhého tvora a po ãase s ním splynout, stát se izotopovû identick˘mi s druh˘m rodiãem. Asi tu‰íte správnû: ti supertvorové, to jsou C3 a C4 vegetace a jejich pohyblivé dûti jsme my – lidé Ïijící v areálu v˘skytu pfiíslu‰né vegetace. Jin˘mi slovy, izotopovû jsme to, co jíme (s malou zmûnou) a protoÏe C3 a C4 rostliny se velmi v˘raznû li‰í izotopov˘m sloÏením uhlíku, kaÏd˘ z nás je pohybliv˘ C3 nebo C4 tvor, izotopovû identick˘ se sv˘m fotosyntetizujícím rodiãem. C4 rostliny pfiijímající oba stabilní izotopy uhlíku (12C i 13C) témûfi stejnou mûrou, rostou a nûkdy i dominují v subtropick˘ch oblastech. Naopak, od 40–50 ° jiÏní a severní ‰ífiky k pólÛm rostou témûfi v˘hradnû C3 rostliny silnû diskriminující izotop 13C. Migrací a konzumací místní produkce se zaãínáme izotopovû „pfiebarvovat“ podle pfievaÏujícího typu fotosyntézy. Pfii pobytu napfi. v Karibiku se va‰e tûlo, tfieba keratin va‰ich vlasÛ, vousÛ a nehtÛ, zaãne izotopovû blíÏit signálu C4 vegetace[22]. Kdyby kvÛli niãemu jinému, tak alespoÀ z dÛvodu, Ïe zaãnete sladit tfitinov˘m cukrem. Vlasy nebo jiné pfiirÛstající ãásti na‰eho tûla tak mohou pfiedstavovat archiv dietetick˘ch návykÛ a jejich zmûn nebo cestovní deník na‰ich migraãních aktivit. Jsme zrcadlem izotopové diskriminace Rubisco.

Závûrem bych rád podûkoval Prof. Lubo‰i Nátrovi pfii pfiíleÏitosti jeho Ïivotního jubilea za to jak˘ je a byl od dob, kdy jsem mûl prvnû moÏnost jej vnímat jako vûdce, organizátora, fieãníka, oponenta – tj. od dob sv˘ch doktorsk˘ch studií pfied skoro tfiiceti lety. Vûdecká nároãnost a opravdovost, neotfielost, vtip, spoleãensk˘ takt, non‰alance – to byly rysy moderátora nezapomenuteln˘ch páteãních semináfiÛ ve Viniãné poãátkem 80-t˘ch let, kdy jsem tam zaãal docházet. Dûkuji, Lubo‰i, a pfieji Tobû i nám v‰em, abys takov˘ vydrÏel a s Tebou takov˘m abychom se mohli setkávat co nejãastûji a nejdéle! Jifií ·antrÛãek

54

S

Semináfie

Citovaná literatura: 1

2

3

4

5

6

7

8

9 10

11

12 13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

Williams M. et al.: Leaf to landscape. In: Smith, W.K., Vogelmann T. C., Critchley C. (eds.) Photosynthetic Adaptations. Chloroplast to Landscape. Springer New York 2004. Tichá I.: Photosynthetic characteristics during ontogenesis of leaves. 7. Stomata density and sizes. Photosynthetica 16: 375–471, 1982. Beerling D. J. et al.: Evolution of leaf-form in land plants linked to atmospheric CO2 decline in the late palaeozoic era. Nature 410: 352–354, 2001. Farquhar G. D., Richards R. A.: Isotopic composition of plant carbon correlates with water-use efficiency of wheat genotypes. Aust. J. Plant Phys. 11: 539–552, 1984. Berner R. A. et al.: Isotope fractionation and atmospheric oxygen: implication for Phanerozoic O2 evolution. Science 287: 1630–1633, 2000. Woodward F. I.: Stomatal numbers are sensitive to increases in CO2 from pre-industrial levels. Nature 327: 617–618, 1987. Wagner F.: The influence of environment on the stomatal frequency in Betula. PhD thesis. LPP Foundation, Utrecht, 1998. Royer D. L.: Stomatal density and stomatal index as indicators of paleoatmospheric CO2 concentration. Review of Paleobotany and Palynology 114: 1–28, 2001. Nátr L.: Zemû jako skleník. Proã se bát CO2? Academia, Praha 2005. Nadeau J. A., Sack F. D.: Stomatal development: Gross talk puts mouth in place. Trends Plant Sci. 8: 294–299, 2003. Masle J. et al.: The ERECTA gene regulates plant transpiration efficiency in Arabidopsis. Nature 436: 866–870, 2005. Lake J.A. et al.: Signals from mature to new leaves. Nature 411: 154–155, 2001. Miazawa S. et al.: Stomatal development in new leaves is related to the stomatal conductance of mature leaves in poplar (Populus trichocarpax P. deltoides). J. Exp. Bot. 57: 329–341, 2006. Gray J.E. et al.: The HIC signalling pathway links CO2 perception to stomatal development. Nature 48: 713–716, 2000. Nátr L., Lawlor D. W.: Photosynthetic plant productivity. In: Pessarakli M. (ed) Handbook of Photosynthesis. Second Edition, RCR Press, Taylor & Francis 2005. Lu Z. et al.: Stomatal conductance predicts yields in irrigated Pima cotton and bread beat grown at high temperatures. Journal of Experimental Botany 49: 453–460, 1998. Tcherkez G. G. B. et al.: Despite slow catalysis and confused substráte specificity, all ribulose bisphosphate carboxylases may be nearly perfectly optimized. PNAS 103: 7246–7251, 2006. Voznesenskaya E.V. et al.: Kranz anatomy is not essential for terrestrial C4 plant pfotosynthesis. Nature 414: 543–546, 2001. Bowes G. et al.: C4 mechanisms in aquatic angiosperms: comparisons with terrestrial C4 systems. Functional Plant Biology 29: 379–392, 2002. Rebetzke G. J. et al.: Quantitative trait loci for carbon isotope discrimination are repeatable across environments and wheat mapping populations. Theor. Appl. Genet. 118: 123–137. Sage R. F.: Was low atmospheric CO2 during the Pleistocene a limiting factor for the origin of agriculture? Global Change Biology 1: 93–106, 1995. obecnû ãetné práce autorÛ Ehleringer J., Schnyder H.; zde ·antrÛãek J. – nepublikované v˘sledky.

55

S

Semináfie Proã potfiebuje lidstvo lesy? Michal V. Marek Laboratofi ekologické fyziologie rostlin Ústav systémové biologie a ekologie AV âR, v. v. i.

Historie lidstva je dána mimo jiné i koexistencí s lesními ekosystémy. Nûkterá lidská spoleãenství byla dokonce, a v souãasnosti i nadále jsou, pfiímo existenãnû spjata s lesem. V souãasné evropské spoleãnosti je zajisté tato vazba rozvolnûná, ale i nadále zÛstává fiada vazeb jako: i) ekonomické dÛvody – les je zdrojem obnovitelné a velmi cenné dfievní suroviny ii) ekologicko-krajináfiské dÛvody – v na‰ich podmínkách les tvofií mnohdy finální fázi v˘voje ekosystémÛ a lesní ekosystémy tvofií pátefi ekologické stability kontinentu s v˘raznou estetickou funkcí a jsou v˘znamnou sloÏkou biologické rozmanitosti iii) mimoprodukãní funkce lesa – vodohospodáfiské, pÛdoochranné a rekreaãní funkce lesa. K tûm pfiistupuje i nová v˘znamná funkce lesních ekosystémÛ – v˘znamn˘ch dlouhodob˘ch a mohutn˘ch deponií atmosférického uhlíku V dal‰ím textu bych se soustfiedil na jednu v˘znamnou komponentu lesního ekosystému, tj. systému lesních dfievin, tedy stromÛ. Jsem si vûdom jistého zjednodu‰ení, ale pro tuto úvahu to povaÏuji za dostateãné. Co je moÏné zdÛraznit jako specifické vlastnosti lesa? i) les vût‰inou zabírá velkou plochu, je tedy velkoplo‰n˘m prvkem krajiny ii) stromy jsou obvykle velk˘ch rozmûrÛ, jejich architektura je v˘razn˘m prvkem interakcí mezi lesem a vnûj‰ím prostfiedím (prostorová a funkãní diferenciace) iii) les má jednoznaãné systémové atributy, vymûÀuje se sv˘m okolím energii, látky a informace. Struktura tohoto systému, tedy to, co naz˘váme prostorovou a druhovou v˘stavbou lesa, v˘raznû ovlivÀuje v˘sledné chování, tedy fungování, systému (napfi.: rozdíl mezi vysázenou lesní kulturou a lesem tvofiící tûsn˘ korunov˘ zápoj, stabilita lesního porostu spojená s jeho druhovou skladbou apod.) iv les se vyznaãuje znaãnou diferenciací, jiÏ zmínûnou prostorovou diferenciací (architektura korun, rozmístûní stromÛ prostoru) a navíc i diferenciací funkãní (stinn˘ a slunn˘ typ listoví) Lesní porost je v˘konn˘m v˘mûníkem energie a látek. Základem je pfiíkon sluneãní energie promûnné v ãase. Tato radiace pohlcena lesním porostem (procesy fotosyntetické asimilace a transpirace) prostupuje korunovou vrstvou a je touto vrstvou odráÏena. Tento energetick˘ vstup ovlivÀuje vlastní mikroklima porostu a je pfiíãinou rozsáhlého kolobûhu látek (cyklus uhlíku, vodní reÏim, cyklus dusíku apod.). Prostorová diferenciace pak zpÛsobuje, Ïe v porostu existuje v˘razná vertikální (ale i horizontální) diferencovanost mikroklimatick˘ch prvkÛ (vertikální profil pronikajících sluneãní radiace, teploty a vlhkost vzduchu, rychlost proudûní vzduchu v korunové vrstvû), distribuce listové plochy v korunovém tûlese a v˘razné rozli‰ení fyziologick˘ch parametrÛ (stinn˘ a slunn˘ asimilaãní aparát). V˘razná prostorová dimenze stromÛ, a s tím spojená existence zfietelného povrchu korun, v˘raznû ovlivÀuje stupeÀ „v˘mûny energie a látek. Toto je velice specifická vlastnost. Ve vertikálním profilu korun existuje velice rozdílná míra „spfiaÏení“ (angl. coupling) mezi mikroklimatick˘mi parametry povrchu listu a pfiilehlou vrstvou atmosféry. Uveìme pfiíklad kontroly otevfienosti prÛduchu na jehlicích v horní ãást a dolní ãásti korunové vrstvy hustého smrkového prostu. Jehlice je prostorovû pomûrnû mal˘ objekt, a tak je obtékán proudem vzduchu velmi intenzivnû. To znamená, Ïe mikroklimatické parametry na povrchu listu, které ovlivÀují otevfienost/uzavfienost prÛduchové ‰tûrbiny, jako je napfi. rychlost proudûní vzduchu kolem povrchu, teplota povrchu listu, hodnota deficitu vodních par, koncentrace CO2 na povrchu listu, je v˘raznû ovlivnûna, je „vynucena“ právû vlastnostmi – hodnotami tûchto parametrÛ proudícího vzduchu kolem listu. Tento stupeÀ spfiaÏení, vynucení vlastností na povrchu listu je silnû vertikálnû diferencovan˘ v závislosti na profilu rychlosti proudûní vzduchu korunovou vrstvou porostu (tato rychlost exponenciálnû ub˘vá smûrem dovnitfi korundové tûlesa). Proto jsou u jehlic na povrchu koruny, tam kde je silné proudûní vzduchu, mikroklimatické parametry pfiedev‰ím ovliv56

S

Semináfie

nûny vlastnostmi vzduchu. Jsou povrchu listu „vnuceny, a tedy otevfienost prÛduchÛ není urãena základní energetickou bilancí (vstup krátkovlnné radiace, bilance krátkovlnná/dlouhovlnná adice apod.). Naproti tomu jehlice uvnitfi korunové vrstvy, tam, kde je proudûní vzduchu slabé, mají mikroklima povrchu listu v˘hradnû fiízené v závislosti na energetické bilanci. Ve vertikálním profilu nûkolika metrÛ je otevíraní prÛduchÛ a tím i regulace plynové v˘mûny stromu (v˘dej ãi pfiíjem CO2 a vodní páry) tak v˘raznû a odli‰nû fiízena. Bylo jiÏ zmínûno, Ïe velice promûnlivá je úroveÀ sluneãní radiace, která dopadá na jednotlivá patra listoví uvnitfi korunové vrstvy. Tato diferenciace má svÛj integraãní úãinek a je pfiíãinou toho, Ïe dochází k zásadní fyziologické diferenciaci listoví. V korunové vrstvû lesního porostu se tvofií zfietelnû diferencované listoví, které se odli‰uje jak morfologicky (odli‰ná struktura, velikost listÛ/jehlic) tak, a to pfiedev‰ím, parametry fyziologick˘ch reakcí. Nacházíme slunn˘ a stinn˘ typ asimilaãního aparátu ve ‰kále pfiechodÛ (polostinn˘ nebo pfiíleÏitostnû slunn˘/stinn˘ list, stinn˘/slunn˘ list vystaven˘ náhlému intenzivnímu osvûtlen˘/, zastínûní). V dÛsledku toho se korunová vrstva zapojeného lesní porostu jeví jako velmi heterogenní systém fotosyntetické produkce s v˘raznou vertikální diferenciací. Je zfiejmé, Ïe podíl jednotliv˘ch vrstev korunové vrstvy na celkové fotosyntetické produkci je velmi odli‰n˘. Tyto pomûry mÛÏe zmûnit typ sluneãní radiace, difusní radiace proniká hloubûji do korunové vrstvy porostu (Obr. 1), a tak se do pozitivní fotosyntetické aktivity (v dÛsledku vy‰‰ího pfiíkonu FAR) zapojují korunové vrstvy umístûné uvnitfi korunov˘ch tûles (Obr. 2 viz stfiední korunoví vrstva). Podobnû jako difusní radiace mÛÏe na pozitivní zapojení spodních pater do fotosyntetické produkce zpÛsobit i probírkov˘ zásah, redukcí poãtu jedincÛ na plo‰e prolomí korunová zápoj a sluneãní radiace proniká hloubûji do korunov˘ch tûles. V souvislosti s nov˘m a velice závaÏn˘m fenoménem dne‰ní doby, globální zmûnou klimatu, vyvstává velmi v˘znamná nová role lesÛ, tj. role permanentních pump a úloÏi‰È atmosférického uhlíku. Lesy ukládají uhlík do své biomasy a hlavnû do pÛdy. Lesní pÛdy vzhledem k tomu, Ïe nejsou tak ãasto vystaveny manipulacím jako pÛdy zemûdûlské, jsou v˘znamn˘m a hlavnû dlouhodob˘m úloÏi‰tûm uhlíku. RovnûÏ v dfievní biomase je uhlík uloÏen pomûrnû dlouhou dobu. Lesní porost je otevfien˘ systém a pfiíjem uhlíku je ovlivnûn základní ‰kálou faktorÛ, jako je sluneãní radiace, její mnoÏství a typ, teplota vzduchu, úroveÀ sráÏek, nástup a konec vegetaãní sezóny, biotické a biotické ‰kodlivé v úãinky (vítr, kalamita ‰kÛdcÛ apod.) a v neposlední fiadû antropické vlivy – cílená

Obr. 1 Distribuce frekvencí jednotliv˘ch tfiíd hod FAR v korunové vrstvû (horní a spodní ãásti) za podmínek pfiímé a difúzní radiace. (v˘skyt v intervalu 10-ti minut za 12 hodin, ãerven) Osa X: intervaly hodnota FAR, Osa Y: frekvence v˘skytu intervalu dan˘ch hodnot FAR

57

S

Semináfie

Obr. 2 Denní chod rychlosti pfiíjmu CO2 v horní (HKV) stfiední (StKV) a spodní (SKV) korunové vrstvû smrkového porostu. Situace za pfiímé a difusní radiace, kdy dochází v dÛsledku hlub‰í penetrace FAR k v˘raznûj‰ímu zapojení spodních korunov˘ch vrstev do pozitivní asimilaãní bilance

fytotechnika, zpÛsoby obnovy lesa (paseãné ãi podrostní hospodafiení, v˘bûrn˘ les). Jsou dÛkazy o tom, Ïe paseãné zpÛsoby hospodafiení jsou z hlediska ukládáni uhlíku velice nebezpeãné. VytûÏení stromÛ z dané plochy, po‰kození pÛdy, to vede k v˘raznému úniku uhlíku. Jsou dÛkazy o tom, Ïe i kdyÏ se podafií okamÏitá obnova lesa, formou v˘sadby nov˘ch stromkÛ, tak je tato paseka po mnoho let stále zdrojem uhlíku. Proto jsou z pohledu uhlíkové bilance opût jemné zpÛsoby hospodafiení, jako napfi. v˘bûrn˘ les, jednoznaãnû vhodnûj‰ím typem fytotechniky. Role úloÏi‰tû uhlíku v lesích, zpÛsob ovlivÀování tohoto deponia, vede k formulování nového oboru lesnické fytotechniky tzv. „carbon forestry“. Jedná se o systém technik, postupÛ v˘chovy a péãe o les, která vede k tomu, Ïe se zámûrnû udrÏuje (napfi. podpora rÛstové fáze v˘voje porostu, omezení v‰ech postupÛ zraÀujících pÛdní povrch, ponechání odpadní biomasy v lese) akumulaãní kapacita lesa pro atmosférick˘ uhlík. Pro anal˘zu v˘mûny atmosférického uhlíku mezi lesním porostem a pfiilehlou vrstvou atmosféry je vhodnû si uvûdomit, Ïe se jedná o dvousmûrn˘ tok. Porost pfiijímá uhlík procesy fotosyntetické asimilace. Uhlík je ukládán v biomase, pfies kofienové exudáty se dostává do pÛdy. Proti tomuto toku les uhlík vydává procesy respirace (respirace listoví, dfievní biomasy) a procesy dekompozice. Dal‰ím zdrojem uhlíku je zvûtrávání mateãné horniny. Obecnû pro znázornûní této v˘mûny je vhodná aplikace modelu „big leaf“. Porost si pfiedstavujeme jako velk˘ list, kter˘ dvousmûrnû komunikuje. Tûmito cestami se vymûÀuje oxid uhliãit˘, vodní pára, latentní a zjevné teplo. Vhodnou technikou pro mûfiení této v˘mûny je metoda tzv. „eddy kovariance“, pfii které je, sdostateãnou frekvencí, mûfieno proudûní vzduchu v prostoru (eddy – víry). K tomu se pouÏívá sonick˘ anemometr umoÏÀující mûfiení v prostoru. Na základû mûfiení tûchto 58

S

Semináfie

rychlostí a rychlého mûfiení koncentrace CO2 a vodní páry, lze stanovit sílu toku do a z porostní vrstvy. V˘sledkem je pak stanovení hodnoty „net ecosystem exchange – NEE“, kterou lze povaÏovat za vyjádfiení „ãisté – net“ produkce ekosystému (NPP) po pfiipoãtení hodnoty respirace ekosystému pak lze stanovit i hodnotu „hrubé“ produkce ekosystému (GPP). Hodnoty NEE (a GPP) vykazují zfietelnou sezónní dynamiku, jsou ovlivÀovány aktuálním stavem poãasí pfiíkonem sluneãní radiace, teplotou a dostupnosti vody.

Obr. 3 Sezónní chod NEE smrkového porostu v prÛbûhu ãtyfi vegetaãních sezón. Modrá barva maximální NEE, ãervená barva v˘dej uhlíku.

Lesní porost v porovnání s ostatními typy ekosystému je skuteãnû velmi v˘znamn˘m úloÏi‰tûm uhlíku, coÏ má své pfiíãiny: Velká o dobfie uspofiádaná listová plocha umoÏÀující dané porostní struktufie dosahovat pomûrnû vysok˘ch hodnot efektivnosti vyuÏití radiace 1. Dlouhá doba aktivního pfiíjmu uhlíku. Napfi. smrkov˘ prost je aktivním pfiíjemcem uhlíku poãátkem mûsíce bfiezna 2. Má velmi vysok˘ pomûr NEE/respirace ekosystému Porovnáním vypl˘vá (Obr. 4), Ïe les skuteãnû dosahuje dlouhodobû vyrovnané hodnoty NEE. Agrosystém sice vykazuje nejvy‰‰í absolutní NEE, ale v krátké dobû a za cenu vysoké dodatkové energie nutné k dosaÏení asimilaãního v˘konu systému. Horsk˘ luãní porost, kter˘ není obhospodafiován, pomûrnû záhy pfiestává b˘t úloÏi‰tûm uhlíku. Akumulace mrtvé biomasy v˘raznû zvy‰uje hodnotu ekosystémové respirace pomûr asimilace/respirace je velmi nízk˘. Architektura korun lesního porostu je skuteãnû v˘razn˘m faktorem ovlivÀující hodnotu NEE, velmi zajímavé v˘sledky dokládají mûfiení NEE pro dny s rozliãn˘m typem sluneãní radiace, tedy jasné dny s pfiímou radiací, dny s oblaky – maximální difusní radiace a zataÏené dny s nízk˘m pfiíkonem sluneãní radiace. Velmi ãasto diskutovanou otázkou je porovnání listnatého a jehliãnatého lesa s ohledem na akumulaci uhlíku. âásteãnou odpovûì pfiiná‰ejí v˘sledky prvních mûfiení uskuteãnûn˘ch v bukovém lese (vûk 59

S

Semináfie

Obr. 4 Sezónní chod NEP ve ãtyfiech typech ekosystémÛ âR. (horsk˘ smrkov˘ porost, horská louka, agrosystém a mokfiad) v letech 2005–2008. Hodnoty pod osou – P¤ÍJEM uhlíku, hodnoty nad osou V¯DEJ uhlíku.

Tab. 1 Hodnoty NEP pro základní typy radiaãní expozice u rÛzn˘ch typÛ ekosystémÛ. V závorce je uvedeno procento trvání této expozice v celé délce vegetaãní sezóny. Stanoveno se sekvence tfii vegetaãních sezón 2006–2008.

60

S

Semináfie

90 let) v Bíl˘ch Karpatech. V roce 2009 zapoãalo mûfiení NEE a respirace ekosystému technikou eddy kovariance. Pfiedev‰ím je patrná velká respirace ekosystému buku na poãátku sezóny. To je dáno jednak intenzivním rozvojem vegetace a aktivity pÛdních mikroorganismÛ je‰tû pfied vytvofien˘m plného listového zápoje a tím i v˘razn˘m omezením pfiístupu svûtla. Navíc je respirace bukového porostu v˘raznû ovlivnûna intenzivním nárÛstem listové plochy. Smrkov˘ porost naproti tomu vykazuje v tomto období pomûrnû konstantní rychlost respirace. To je dáno i tím, Ïe na povrchu pÛdy dlouho leÏela snûhová pokr˘vka. Nástup pozitivních hodnot GEP u smrku v porovnání s bukem je pfiedev‰ím dán tím, Ïe bukov˘ porost formuje listovou plochu. Mohutná respirace ekosystému v bukovém prostu na poãátku sezony v˘raznû ovlivÀuje celkov˘ prÛbûh NEE. Je tfieba ale pfiipomenout, Ïe v prÛbûhu sezóny se trend NEE u buku velmi pfiibliÏuje hodnotám NEE u smrku. Je jisté, Ïe „v˘hoda“ smrkového úloÏi‰tû uhlíku tkví v del‰í vegetaãní sezónû a niωí hodnotû ekosystémové respirace.

Obr. 5 Prvky produkãní bilance pro smrkov˘ (40 let) a bukov˘ (80 let) porost v první polovinû vegetaãní sezóny 2009

Na závûr nûkolik ãísel o tom, co dokáÏe 1 hektar lesa za rok: – zadrÏí ve své biomase a pÛdû 15 t CO2, coÏ se rovná emisím CO2 z na‰eho auta cestou dvakrát kolem Zemûkoule – zachytá energii rovnající se spálení 18 t hnûdého uhlí – za sluneãného dne odpafií 40 000 litrÛ vody, to je chladící efekt, jako by na kaÏdém m2 stály 2,5 ledniãky – za rok vyrobí 10 t kyslíku, coÏ je spotfieba vystaãující pro 38 osob Uvedené postfiehy o chování systému zvan˘m les nás snad opravÀují k jistému emociálnû ladûnému závûru: mûjme les rádi, dûlá toho pro nás opravdu mnoho!!

61

K

Konference

62

K

Konference Setkání nadûjného mládí rostlinné fyziologie nad odhalováním tajemství rostlin 7. mezinárodní konference Ph.D. studentÛ oborÛ experimentální biologie se tentokrát uskuteãnila v univerzitním mûstû Brnû na Mendelovû zemûdûlské a lesnické univerzitû pod názvem „News – what the plants told us“

Pofiadatelem a garantem konference byla MZLU Brno ve spolupráci s âSEBR, MU Brno a KFAR PfiF UK Praha. Konference se konala na pfielomu ãervna a ãervence 30.6. – 1.7. 2009 v pfiíjemném prostfiedí nového pavilonu Q a byla nabitá mladistv˘m elánem. Konference se zúãastnilo 46 úãastníkÛ ze tfií zemí; vût‰ina byla z âR (34), silnû byla zastoupena SR (10) a dvû úãastnice byly z Ukrajiny. V rámci dlouhodob˘ch stáÏí na tuzemsk˘ch pracovi‰tích se zúãastnili i dva kolegové z Indie. Program byl také velmi nabit˘ a cel˘ první pÛlden byl vûnován hormonÛm. Dominantním tématem byly cytokininy a osvûtlení mnoha aspektÛ jejich funkce v rostlinách, od organogeneze, pfienosu signálu, metabolismu aÏ po detailní proteomické anal˘zy genÛ ãasné odpovûdi. Velká pozornost byla vûnována i roli auxinu a jeho transportních a vazebn˘ch proteinÛ, vãetnû regulace jeho transportu prostfiednictvím strigolaktonu. Mnoho pfiíspûvkÛ odráÏelo diskutované problémy Ïivotního prostfiedí a bylo zamûfieno na fyziologii stresu, odolnost rostlin vÛãi biotick˘m a abiotick˘m ãinitelÛm, objevily se i pfiíspûvky vûnující se pÛdní biotû a zmûnám obsahu organického uhlíku a také vyuÏití anal˘zy DNA pro potravináfiské úãely pfii detekci GMO produktÛ. Diskutované byly i moÏnosti genetické eroze dlouhodobû uchovávan˘ch genetick˘ch zdrojÛ a kryoprezervace. Také fotosyntéza a rÛzné aspekty pfiíjmu CO2 byly tématem nûkolika prezentovan˘ch prací, jako základní procesy, bez kter˘ch by Ïivot na zemi neexistoval. Celkovû mûla konference vysokou odbornou úroveÀ a pfiispûla k v˘mûnû zku‰eností a navázání mnoha uÏiteãn˘ch kontaktÛ, mimo jiné i díky neopakovatelné atmosféfie pfii pfiátelském neformálním posezení pfii komornû ladûné hudbû jazzového tria a nad sklenkou vína ze ·kolního zemûdûlského podniku MZLU v Îabãicích. Vyvrcholením konference bylo udûlení ocenûní, coÏ byl velmi obtíÏn˘ úkol, kterého se ujala komise ve sloÏení: doc. Jana Albrechtová, Dr. Jaroslava Dubová, Dr. N. S. Kiran, doc. Marie Kummerová, Dr. Peter Váczi a Dr. Zuzana Lhotáková. Ocenûní: 1. místo: Katefiina Václavíková, UP Olomouc 2. místo: Martin âern˘, MZLU Brno 3. místo: Andrej Pavloviã, KU Bratislava a Daniel Vrábl, JU â. Budûjovice Zvlá‰tní ocenûní poroty: Tereza Kolouchová, MU Brno a Viktor Demko, KU Bratislava Tfie‰niãkou na dortu byla závûreãná exkurze do sbírky orchidejí a procházka nejkrásnûj‰ími zákoutími botanické zahrady a arboreta MZLU. Nejen rostliny nám na konferenci nûco „prozradily“, ale pfiedev‰ím mladí úãastníci konference nám fiekli jasnû: „Jsme tady, vdûãní za rady zku‰enûj‰ích kolegÛ, nad‰ení objevovat a zkoumat, poãítejte s námi“. Helena Vla‰ínová

63

K

Konference

âo sa dialo na konferencii doktoradov v Brne: retrospektíva Andrej Pavloviã Katedra fyziológie rastlín, Prírodovedecká fakulta, Univerzita Komenského v Bratislave Pre dni 30. Jún a 1. Júl som mal v kalendári poznámku: Konferencia mlad˘ch, Brno. Teda oficiálnym názvom: „7th international conference of Ph.D students on experimental plant biology“. Na konferenciu sme sa vybrali pre istotu deÀ vopred a ako sa ukázalo, spravili sme dobre, nakoºko v˘luka na Ïelezniciach s následn˘m odklonením dopravy nám cestu do Brna poriadne predæÏila. Po dlhej ceste vlakom, ktor˘m by sme za beÏn˘ch podmienok boli moÏno uÏ aj v Prahe, nás ãaká e‰te cesta elektriãkou v Brne, aby sme dosiahli dne‰nú koneãnú zastávku, miesto ná‰ho nocºahu – Tauferove koleje. Po minuloroãnej konferencii v Nov˘ch Hradoch takmer na vidieku je nám jasné, Ïe tentoraz sa hluku veºkomesta nevyhneme. Na druh˘ deÀ, teda v prv˘ deÀ konferencie, sme sa vydali pre istotu s dostatoãn˘m ãasov˘m predstihom hºadaÈ Agronomickú fakultu Mendlovej univerzity. Zdá sa, Ïe sme nezablúdili a na miesto sme dorazili vãas. E‰te sa zaregistrovaÈ a konferencia sa môÏe zaãaÈ. Poradie predná‰ok je obvyklé, ako sa uÏ pomerne dobre na „rastlinn˘ch“ konferenciách zauÏívalo. Zaãíname fytohormónmi a konãíme fotosyntézou. Úvodnej „moderátorskej“ úlohy sa chopil hostiteº Vilém Reinöhl a zvláda ju bez problémov. S podtitulom “what the plants told us“ a fotografiou krásnej orchideje v jeho úvodnej prezentácii je mi jasné, Ïe tieto rastlinky sú jeho vá‰Àou. Predná‰ková miestnosÈ je pomerne veºká a pri takej malej konferencii pôsobí aj v prítomnosti v‰etk˘ch úãastníkov ako prázdna. Aj tak mám v‰ak pocit, Ïe sa jej zúãastnilo viac úãastníkov ako vlani v Nov˘ch Hradoch. Navy‰e mám dojem, Ïe konferencia sa uÏ stáva naozaj medzinárodnou a nie len ãesko-slovenskou. Dve pôvabné ukrajinské doktorandky dodávajú konferencii medzinárodnú tvár. Predná‰ky sa striedajú jedna za druhou s pravideln˘mi „coffe breakami“, ktoré nám dodávajú potrebnú energiu. âasov˘ limit 20 minút je zdá sa pre väã‰inu predná‰ajúcich dostatoãn˘ na to, aby v‰etk˘ch oboznámili, ão im ich rastliny za posledn˘ rok povedali (podtitul konferencie: what the plants told us). O 19:00 je na programe “Get together party“. ·védske stoly dávajú kaÏdému moÏnosÈ vybraÈ si podºa chuti. A pretoÏe sa nachádzame v blízkosti vych˘renej vínnej oblasti, nech˘ba na zapitie dostatok miestneho kvalitného vína. Vonku na terase si rozbaºuje nástroje jazzová kapela, záruka, Ïe to bude naozaj pohodov˘ veãer. E‰teÏe poãasie sa umúdrilo a napriek zopár kvapkám z oblohy sa vyjasnilo. Pri stoloch sa diskutuje, najprv po skupinkách, neskôr sa v‰ak sedí v rovnocennom kruhu. Hostitelia sa starajú, aby poháriky neboli nikdy prázdne. Docentka Albrechtová sa snaÏí zaviesÈ spoloãenskú hru, no zdá sa, Ïe hra je veºmi nároãná na sústredenie, ako aj na fyzickú námahu (treba si pri nej obãas poskoãiÈ), preto sa jej veºmi r˘chlo vzdávame. T˘ch ão zajtra ãakajú e‰te predná‰ky, odchádzajú skôr, niektorí v‰ak aj napriek tomu ostávajú. Veºmi r˘chlo sa zotmelo a musíme myslieÈ aj na návrat na internát, ak nechceme ísÈ noãn˘m spojom. Tomu sa nakoniec aj tak nevyhneme. Na druh˘ deÀ opäÈ pokraãujú predná‰ky pravidelne preru‰ované „coffe breakami“. V‰etko uzatvára závereãné udelenie diplomov a cien za najlep‰ie prezentácie. Táto posledná ãasÈ je v rukách profesorky Albrechtovej, ktorá závereãnú úlohu zvládla v˘borne, chvíºami som aÏ uvaÏoval, Ïe by z nej bola dobrá televízna moderátorka. Poz˘va nás na budúcoroãnú konferenciu do Prahy. Program konferencie definitívne ukonãuje aÏ náv‰teva miestnej botanickej záhrady, kde si myslím pri‰iel kaÏd˘ milovník rastlín na svoje, ão by sme teda mali byÈ asi v‰etci. Uchvátila ma obrovská zbierka orchideí v niekoºk˘ch skleníkoch, ktorá ako sa dozvedám, tu má uÏ niekoºkoroãnú tradíciu. Prehliadame si nielen skleníky pre verejnosÈ, ale aj zásobné skleníky plné vzácnych druhov. Ako fanú‰ik tejto skupiny rastlín tu nachádzam skutoãné klenoty z rí‰e orchidejí, ako sú napríklad ãrieviãníky Paphiopedilum lowii, Paphiopedilum rothschildianum, ãi Mexipedium xerophyticum. Zdá sa mi, Ïe tu majú snáì kaÏd˘ druh, na ktor˘ sa sp˘tam. Musím uznaÈ, Ïe väã‰iu a kraj‰iu zbierku orchideí som e‰te nevidel. V botanickej záhrade sa pomaly rozchádzame a myslíme na návrat domov. Na sklonku môjho doktorandského ‰túdia to bola uÏ posledná konferencia doktorandov v odbore experimentálnej biológie rastlín. Poãas môjho ‰túdia som sa zúãastnil v‰etk˘ch doktorandsk˘ch konferencií, ãi uÏ v Modre, Nov˘ch Hradoch alebo tento rok v Brne a neºutujem. Myslím si, Ïe neexistuje lep‰ia príprava na profesijnú dráhu vedca ãi vysoko‰kolského uãiteºa. KaÏd˘ z nás tu zistí, v ãom sú je64

K

Konference

ho nedostatky. Niekto má perfektn˘ v˘skum, no v jeho úspe‰nej prezentácii mu bráni slab‰ia znalosÈ angliãtiny, niekto môÏe svojim monotónnym hlasom dokonca uspaÈ publikum, niekto zasa hladí na svoju prezentáciu tak, Ïe ani nevie ako publikum vyzerá. To sú v‰etko problémy o ktor˘ch vieme a ÈaÏko sa ich zbavujeme. Niekedy sa bojíme poloÏiÈ otázku, pretoÏe si nie sme istí, ãi ju v angliãtine vyslovíme správne. V tom v‰etkom nám má tento typ konferencií pomáhaÈ. A teraz apelujem na ‰tudentov, ktorí stále váhajú, ãi sa takejto konferencie majú zúãastniÈ. Je to pre vás v˘borná príleÏitosÈ, ako si vyskú‰aÈ tu, v prostredí seberovn˘ch kolegov, ako dokáÏete svoje v˘sledky predaÈ publiku. Nehovoriac o tom, Ïe sa dozviete mnoho nov˘ch zaujímav˘ch vecí, na ktor˘ch pracujú va‰i kolegovia a spoznáte ºudí takpovediac zo svojho „fachu“. Som rád, Ïe organizátori spravili z tejto konferencie kaÏdoroãnú príleÏitosÈ, ão umoÏÀuje, hádam aspoÀ ãiastoãne vytváraÈ urãité prepojenia medzi mlad˘mi doktorandami na rôznych pracoviskách, ako aj udrÏiavaÈ kontinuitu dobr˘ch ãesko-slovensk˘ch vzÈahov. V mene v‰etk˘ch zúãastnen˘ch. ëakujeme!

65

K

Konference

66

K

Konference

Struktura a funkce antarktick˘ch terestrick˘ch ekosystémÛ Postfiehy a poznatky z elektronické konference, Brno, 22. – 23. 9. 2009 Pravdûpodobnû hned na zaãátku si jako ãtenáfi poloÏíte dvû základní otázky: „Proã informace o antarktické konferenci na pÛdû rostlinnû-experimentálního ãasopisu?“ a „Proã vlastnû elektronická konference?“ Odpovûdí na první otázku je fakt, Ïe biologick˘ ãesk˘ antarktick˘ v˘zkum se orientuje do oblasti ekologie vegetaãních antarktick˘ch oáz a jeho tûÏi‰tû je jak v terénní práci zamûfiené na popis antarktick˘ch autotrofÛ, tak na studium jejich ekologick˘ch a fyziologick˘ch vlastností. Reakce fias, sinic, mechÛ a li‰ejníkÛ na promûnlivé a ãasto extrémní fyzikální faktory prostfiedí jsou v rámci tohoto programu zkoumány jak in situ, tak pomocí experimentÛ v fiízen˘ch laboratorních podmínkách (blíÏe viz Bulletin ã. 1, 2008). Proto tedy nûkolik následujících odstavcÛ charakterizujících konferenci a pfiíspûvky na ní prezentované. Odpovûì na druhou otázku je ponûkud komplikovanûj‰í. Zahrnuje v sobû nûkolik základních aspektÛ. Elektronická konference nese jednak peãeÈ moderních informaãních technologií, jednak pragmatickou rovinu vynucenou prost˘m srovnáním rozpoãtu konference obvyklého typu a konference elektronické. Souãasná sloÏitá situace ve financování vûdy nás ãasto navede na nûkterá neobvyklá fie‰ení situací, které jsme si zvykli fie‰it rutinnû a s jistou setrvaãností, fieknûme, tradiãnû. Proto nám nápad uspofiádat kvÛli nedostateãnosti finanãních zdrojÛ namísto obvyklé konference konferenci elektronickou v první chvíli pfiipadal jako z nouze ctnost. Po relativnû krátkém ãase nûkolika t˘dnÛ jsme v‰ak na základû detailního prÛzkumu podobn˘ch odborn˘ch akcí na webu a intenzivního kolektivního brainstormingu na téma jak by taková konference mûla vypadat, do‰li k závûru, Ïe by to nemuselo b˘t ‰patné a Ïe se o to pokusíme. Zprvu jsme se, jako organizátofii, domnívali, Ïe úãast na elektronické akci nebude pfiíli‰ veliká, neboÈ v dne‰ní dobû nepfiebern˘ch moÏností prezentovat prostfiednictvím internetu vûdecké v˘sledky na webu individuálním zpÛsobem se „organizovaná prezentace“ nesetká s ‰irokou odezvou. Po zvefiejnûní první elektronické v˘zvy jsme v‰ak byli velmi pfiíjemnû pfiekvapeni, neboÈ se pfiihlásily nejen v‰echny ãeské odborné t˘my, které uskuteãÀují svÛj v˘zkum v oblasti Antarktidy, ale i fiada zástupcÛ zahraniãních skupin (Polsko, Ukrajina, Itálie, Rumunsko, Dánsko), takÏe nakonec jsme mohli konferenci oznaãit jako mírnû mezinárodní. Elektronická konference, lze-li to u odborn˘ch akcí tohoto typu fiíci, se konala v Brnû na webovém prostoru domény Pfiírodovûdecké fakulty Masarykovy Univerzity na adrese uvedené v posledním odstavci tohoto pfiíspûvku. Konference byla zamûfiena na souãasné poznatky o struktufie a funkci antarktick˘ch terestrick˘ch ekosystémÛ. Tématicky byla ãlenûna do odborn˘ch sekcí: (1) Struktura ekosystémÛ – abiotické sloÏky, biotické sloÏky, (2) vy‰‰í rostliny – biodiverzita, produkce, interakce s fyzikálními faktory, mikroklima, stresová fyziologie, (3) mechy a li‰ejníky – biodiverzita, produkce, interakce s fyzikálními faktory, mikroklima, stresová fyziologie, (4) terestrická mikrobiota vãetnû fias a sinic, (5) terestriãtí Ïivoãichové (obratlovci) – populaãní biologie, etologie, fyziologie, (6) terestriãtí Ïivoãichové (bezobratlí) – populaãní biologie, etologie, fyziologie. Úãastníci konference se mohli zúãastnit buì prezentací jednostránkového abstraktu nebo rozsáhlej‰ího pfiíspûvku. V obou pfiípadech byla pfiedepsána pevná formální struktura a v‰echny prezentace podléhaly jazykové a odborné korektufie. I pfies tato omezení se ve sborníku se‰lo celkem 21 prezentací, coÏ byl s ohledem na úzce vymezené téma konference velmi dobr˘ v˘sledek. Prezentace byly hojnû doplnûny v˘sledkov˘mi grafy, tabulkami a mnoha fotografiemi, takÏe listování a ãtení v Book of Abstracts and Contributed Papers bylo velmi pfiíjemné a zaujalo i ãtenáfie mimo skupinu polárních biologÛ. Zámûrnû je uvedeno „listování“, neboÈ kromû elektronické verze sborníku vy‰la i jeho ti‰tûná verze, která byla rozeslána úãastníkÛm konference, koordinátorÛm evropsk˘ch národních polárních programÛ a dal‰ím zájemcÛm o polární biologii z fiad odborné vefiejnosti. Nakonec jen nûkolik such˘ch popisn˘ch a statistick˘ch údajÛ. Konference trvala dva dny. První den byla zvefiejnûna elektronická verze sborníku, druh˘ den probíhala on-line elektronická diskuse formou chat-u. Doprovodn˘mi akcemi prvního dne bylo pracovní zasedání ãeského Národního centra pro v˘zkum polárních oblastí a popularizaãní pfiedná‰ka pro vefiejnost proslovená na téma: Antarktida, kontinent znám˘ i neznám˘. Celkov˘ poãet autorÛ a spoluautorÛ zahrnut˘ch do sborníku elektronické 67

K

Konference

konference byl 37. Poãet stran sborníku byl (a je) 71. Za dÛleÏitou skuteãnost lze povaÏovat, Ïe sborník je od roku 2006 první publikací, která soubornû prezentuje v˘sledky ãesk˘ch odborníkÛ dosaÏené v oborech biologie a ekologie rostlin na ostrovû Jamese Rosse. Právû v roce 2006 byla totiÏ dobudována ãeská v˘zkumná antarktická stanice J.G. Mendel na ostrovû Jamese Rosse a od té doby slouÏí ãeské a v men‰í mífie i mezinárodní vûdecké komunitû pfii v˘zkumu „bílého kontinentu“. Pokud Vás tedy zajímají dal‰í detaily elektronické konference nebo „osudy“ rostlin a ostatních autotrofních organismÛ v Antarktidû, mÛÏete fiadu zajímav˘ch informací nalézt na adrese http://www.sci. muni.cz/antarctic09/, kde je k dispozici elektronická verze sborníku konference. Za organizátory konference, Milo‰ Barták

68

R

Rozlouãení Ivan ·etlík

Ivan ·etlík zasvûtil svÛj Ïivot vûdû a bádání v oborech fotosyntézy, biologie a biotechnologie fias. Byl rozhodující a nepfiehlédnutelnou postavou fotosyntetického v˘zkumu v âeskoslovensku posledních 50ti let. Ivan se narodil v Praze 4. prosince 1928 a vyrÛstal v mimofiádnû intelektuálnû stimulujícím rodinném prostfiedí. Po ukonãení gymnázia zaãal v roce 1947 studovat biologii na Pfiírodovûdecké fakultû Univerzity Karlovy. Tam jej rozhodujícím zpÛsobem ovlivnil Silvestr Prát, profesor Ústavu fysiologie rostlin, kter˘ se stal i ‰kolitelem jeho disertaãní práce. JiÏ na fakultû se Ivan zaãal zab˘vat studiem fotosyntézy sinic a záhy proslul zanícením pro práci v laboratofii a nadáním pro navrhování a konstrukci sloÏit˘ch laboratorních aparatur. Dodnes se vyprávûjí historky o tom, jak Ivan ve své sklepní laboratofii trávil doslova celé dny nepfietrÏit˘mi pokusy, pfii kter˘ch studoval kinetiku v˘voje kyslíku u sinic. Ivan mûl pfiirozenou autoritu a neobyãejné charisma, díky kter˘m si na svou stranu rychle získával své kolegy, studenty a posluchaãe. Za normálních okolností by Ivana jistû ãekala úspû‰ná kariéra v akademickém prostfiedí. Jeho nekonformní osobní i vûdecké postoje ale záhy narazily na realitu stalinistického prostfiedí ãeské univerzity padesát˘ch let a po získání doktorátu musel Ivan z fakulty odejít. Shodou náhod dostal v roce 1955 nabídku zaloÏit v˘zkumnou skupinu pfii novû vzniklé Botanické zahradû SAV v Ko‰icích. I kdyÏ hlavním smûrem v˘zkumu byly pfiedev‰ím nové metody mûfiení produktivity vy‰‰ích rostlin, Ivana zaãaly zajímat fiasy jako modelové fotosyntetické mikroorganismy i jako moÏn˘ zdroj kvalitní biomasy. V Ko‰icích vznikly první modelové experimentální venkovní plo‰iny pro pûstování fias. Do osudu Ivana i celé jeho skupiny ale zanedlouho opût zasáhly politické turbulence, a proto jiÏ v roce 1960 z Ko‰ic odcházejí zpût do âech. VyuÏili velkorysé nabídky akademika Ivana Mládka a zaãali se v Tfieboni plnû vûnovat moÏnostem biotechnologického vyuÏití fias. Bûhem velmi krátké doby se v horeãném tempu podafiilo vybudovat nové pracovi‰tû a zprovoznit a otestovat velkoplo‰né zafiízení na produkci fias. Pfii konstrukci venkovních kultivaãních plo‰in byl vyuÏit revoluãní princip pûstování fias v tenk˘ch, dobfie prosvûtlen˘ch a provzdu‰nûn˘ch vrstvách, díky kterému plo‰iny vynikaly velkou úãinností a produktivitou. Tehdy, v polovinû ‰edesát˘ch let se ãeskoslovensk˘ v˘zkum fotosyntézy dostal na svûtovou úroveÀ. PÛvodní skupina se rychle rozrostla a stala se samostatn˘m oddûlením Mikrobiologického ústavu âSAV. V˘zkumné zamûfiení se roz‰ífiilo a pokr˘valo ‰irokou oblast biologie fias – od taxonomie, genetiky, fyziologie aÏ po biotechnologii. Ivan se vrátil ke studiu fotosyntézy, v té dobû jej zajímala otázka limitace fotosyntetické produktivity fias. Stál u zrodu ãasopisu Photosynthetica a v roce 1969 v Tfieboni zorganizoval proslulé mezinárodní sympozium ‘Productivity of Photosynthetic systems’. Období rozkvûtu vystfiídala atmosféra normalizace, která Mikrobiologick˘ ústav postihla obzvlá‰tû silnû. Dal‰í rozvoj biotechnologií byl na dlouhé roky zastaven, mnohé bylo zniãeno, mnozí ode‰li, kontakty byly zpfietrhány. Ivan v‰ak zÛstal a plnû se soustfiedil na práci v laboratofii, publikoval v˘znamné studie o regulaci bunûãn˘ch cyklÛ fias. S oblibou studoval fotosyntézu modelového organismu, zelené fiasy Scenedesmus quadricauda. Tak se pozdûji dostal aÏ ke studiu fotoinhibice a dynamiky fotosystému II. Do kaÏdého nového v˘zkumného tématu se pustil s ohromn˘m zaujetím, odhodláním a vnitfiní poctivostí. Problém nepovaÏoval nikdy za vyfie‰en˘ a uzavfien˘. Se spolupracovníky a studenty fiídil sloÏité a nároãné, ãasto celonoãní experimenty. DÛleÏitou ãástí práce byla konstrukce nov˘ch aparatur a pfiístrojÛ, které se prÛbûÏnû vyvíjely a zdokonalovaly. Podílel se na úspû‰ném pokusu Chlorella na sovûtské kosmické lodi Saljut. Jako ‰kolitel studentÛ byl Ivan extrémnû nároãn˘ a kritick˘ na odbornou úroveÀ, ale dovedl b˘t vÏdy laskav˘ a mil˘. Pro studenty sestavil nûkolik uãebních textÛ, ve kter˘ch se snaÏil shrnout souãasné znalosti o fotosyntéze. Já jsem se s Ivanem poprvé setkal na sklonku 80. let jako ãerstv˘ absolvent praÏské univerzity. Bylo léto a Ivan mne v Tfieboni pfiivítal velmi neformálnû, s kapesní69

R

Rozlouãení

kem na hlavû jako ochranou proti slunci. KdyÏ jsem pak je‰tû poznal atmosféru v laboratofii, která se tak li‰ila od toho, co jsem znal z fakulty v Praze, vûdûl jsem, Ïe se nacházím na onom „ostrÛvku pozitivní deviace“ v mofii ‰edi tehdej‰í reality. Zadostiuãinûním pro Ivana byl rok 1989. S novou energií otevfiel tfieboÀskou laboratofi kontaktÛm se svûtem, organizoval nûkolik mezinárodních setkání v oboru fotosyntézy fias a pomáhal zaloÏit Jihoãeskou univerzitu v âesk˘ch Budûjovicích, a pfiedev‰ím její novou Pfiírodovûdeckou fakultu a pozdûji i Ústav fyzikální biologie v Nov˘ch Hradech. Stal se ãlenem Uãené spoleãnosti âR. PfiestoÏe Ivan posledních 20 let vûnoval hodnû energie v˘uce, nikdy neopustil svou práci v laboratofii. Sestavil unikátní fluorescenãní kinetick˘ mikroskop a zaãal studovat fotosyntézu na úrovni jednotliv˘ch bunûk fias a sinic. Za svÛj Ïivot Ivan publikoval pfies 150 prací. I kdyÏ Ivan zasvûtil a obûtoval cel˘ svÛj Ïivot vûdû, nebyl jednostrann˘, naopak byl mimofiádnou a plnou osobností. Zajímal se o filozofii, umûní a hudbu, pro své pfiátele byl vÏdy zábavn˘m a okouzlujícím spoleãníkem. V roce 1988 zorganizoval symposium “Hledání spoleãného jazyka” jako dialog mezi vûdou, umûním a filozofií. Nekonformní názory zastával dÛslednû aÏ do konce Ïivota. I kdyÏ získal vysoká ocenûní a vyznamenání, oficiální tituly a pocty odmítal, Ïil skromnû a neokázale. Vûdu chápal jako integrální souãást lidské kultury, která mu pfiiná‰ela vnitfiní radost a naplnûní smyslu Ïivota. Na vûdû si cenil pfiedev‰ím moÏnosti komunikace a sdílení poznání, odmítal pfiehnanou soutûÏivost pro osobní prospûch. Ivan dokázal pracovat témûfi aÏ do posledního dne svého Ïivota, zemfiel náhle 13. dubna 2009 ve vûku 80 let. Ondfiej Prá‰il

70

R

Rozlouãení Vzpomínka na Normana Borlauga

Tento vûdec, kter˘ nedávno zemfiel ve vûku 95 let, není mezi ‰irokou vefiejností moc znám˘. Ani já jsem o nûm donedávna nic nevûdûla. Je to ‰koda, protoÏe to byl podle mého názoru ãlovûk, kter˘ vûnoval svÛj Ïivot pomoci druh˘m a kter˘ za svÛj Ïivot dokázal zmûnit svût k lep‰ímu. Norman Borlaug, agronom a „otec Zelené revoluce“, se narodil 25. bfiezna 1914 v americkém státû Iowa. Jako mlad˘ chtûl studovat lesní hospodáfiství, ale po zku‰enostech s hospodáfiskou krizí ve 30. letech, kdy vidûl utrpení hladovûjících lidí, se rozhodl zamûfiit na zemûdûlství. Vûdûl, Ïe nejzákefinûj‰ím niãitelem úrody jsou rzi. Bojovat proti nim zaãal v Mexiku, kde se mu nakonec podafiilo zkfiíÏit druhy p‰enice, které jsou vÛãi rzi odolné, s druhy japonské p‰enice, která je men‰ího vzrÛstu, a proto má bohat‰í klas a nepoléhá. Tak zapoãala v 50. letech Zelená revoluce. Z Mexika se bûhem nûkolika desítek let roz‰ífiila do Asie a zachránila pfied smrtí hladem okolo jedné miliardy lidí. Roku 1970 byl Norman Borlaug za tuto práci ocenûn Nobelovou cenou míru a získal pfiezdívku „muÏ, kter˘ nasytil svût“. Av‰ak on vûdûl, Ïe boj se rzí nekonãí a Ïe se v této bitvû nesmí polevit. BohuÏel zemûdûlci upokojení pfiedstavou o vym˘cení rzi, která jim tolik let niãila úrodu, ho neposlouchali. Zaãali poslouchat aÏ ve chvíli, kdy bylo pozdû. Roku 1999 se v Ugandû objevil nov˘ kmen rzi travní Ug99, kter˘ zaãal niãit i p‰enici vy‰lechtûnou Borlaugem. Ten se snaÏil do posledního dechu pfiesvûdãovat politiky, spolupracovat se svûtov˘mi experty a shánût peníze pro válku s tímto nov˘m niãitelem úrody. Nane‰tûstí zemfiel 12. záfií 2009 na komplikace spojené s rakovinou, aniÏ by se doãkal nûjakého v˘sledku. Pravdûpodobnû posledním z jeho ãlánkÛ byl „Feeding a hungry world“ vydan˘ v roce 2007 v ãasopise Science. Borlaug v nûm upozornil na zásadní problémy v Africe, kdy na tomto kontinentu rychle narÛstá populace, av‰ak bez Ïádného rozvoje zemûdûlství, coÏ vede k hladovûní milionÛ lidí. Zlep‰ení vidûl v masovém investování do infrastruktury (dopravních cest, elektfiiny, zaji‰tûní pitné vody) a v podpofie drobn˘ch zemûdûlcÛ. Krásná my‰lenka, ale dokud v tûchto regionech budou fiádit rÛzné gangy, které vyrabují celé vesnice a ukradnou i to málo, co lidé mají, není moc uskuteãnitelná. Dále komentoval dûní v zemûdûlství obecnû, kdy svût bude potfiebovat stále více obilnin nejen pro uÏivení lidstva, ale i jako krmivo pro hospodáfiská zvífiata. Dnes potfiebujeme pro hospodáfiská zvífiata aÏ 34 % obdûlávané pÛdy. Toto ãíslo poroste s tím, jak v novû industrializovan˘ch zemích vzrÛstá poptávka po mase a masn˘ch v˘robcích. Podle mého názoru by se tyto ãísla dala udrÏet na souãasné v˘‰i, pokud by kaÏd˘ ãlovûk v „bohat˘ch“ státech omezil svojí spotfiebu masa. Av‰ak ani to není trvale udrÏitelné. Samozfiejmû i po prosazení vût‰ího vyuÏití biopaliv se zákonitû zvedne potfieba obdûlávan˘ch ploch. Napfiíklad v roce 2007 USA nav˘‰ilo o 5 milionÛ hektarÛ svou zemûdûlskou plochu, kde se pûstuje pouze kukufiice pro v˘robu etanolu. Borlaug vidûl urãitou nadûji v genetickém inÏen˘rství a v biotechnologiích, které se stanou základním kamenem pro budoucí uspokojování potfieb. Díky genetickému inÏen˘rství se stanou rostliny více tolerantní k nepfiízniv˘m klimatick˘m podmínkám suchu, horku, chladu a nadbytku vody, tedy k situacím, které jsou v souvislosti s globálními zmûnami klimatu stále ãastûj‰í. V závûru ãlánku Borlaug naléhavû vyz˘val, abychom koneãnû na‰li urãitou rovnováhu mezi zaji‰tûním dostatku potravy, rostoucí populací a ekologickou udrÏitelností. A to je to, co svûtu zatím chybí. Obávám se, Ïe lidstvo jako celek si to uvûdomí, aÏ tuto rovnováhu bude tûÏké najít, jestli ji vÛbec bude moÏné najít. Tereza Vejvodová studentka 2. roãníku Praktické geobiologie

71

R

Rozlouãení Vzpomínka na Jaroslava Mináfie

V pondûlí 23. listopadu jsme se v brnûnském krematoriu rozlouãili s na‰ím b˘val˘m uãitelem a kolegou profesorem RNDr. Jaroslavem Mináfiem, CSc., kter˘ zemfiel po dlouhé nemoci dne 13. 11. 2009 ve vûku 77 let. Cel˘ jeho profesní Ïivot byl spojen˘ s Katedrou fyziologie a anatomie rostlin brnûnské pfiírodovûdecké fakulty. Jaroslav Mináfi se narodil se 21. kvûtna 1932 v Pfiestavlkách u Olomouce. Po ukonãení základní ‰koly absolvoval studijní dûlnick˘ kurz v Lomnici nad Popelkou, kter˘ úspû‰nû ukonãil závûreãnou zkou‰kou v roce 1952. Ve stejném roce byl pfiijat ke studiu na Pfiírodovûdeckou fakultu Masarykovy univerzity v Brnû na studijní obor biologie – chemie se specializací rostlinná fyziologie a anatomie. V roce 1957 ukonãil toto studium obhajobou státní závûreãné práce. Po ukonãení studia zÛstal Jaroslav Mináfi pracovat na fakultû jako asistent na Katedfie fyziologie a anatomie rostlin, kde s nad‰ením vedl praktika a cviãení z anatomie a fyziologie rostlin a ovlivnil tak mnoho studentÛ pro práci ve fyziologii rostlin. Pozdûji pfiedná‰el kurz z minerální v˘Ïivy rostlin. V r. 1972 obhájil kandidátskou disertaãní práci na téma Úãinek p˘ru na rÛst a minerální v˘Ïivu p‰enice. V roce 1979 byl ustanoven docentem a v roce 1989 byl jmenován profesorem. V letech 1986–1991 byl vedoucím Katedry fyziologie a anatomie rostlin. Poté z fakulty ode‰el. Jaroslav Mináfi spolu se ZdeÀkem La‰tÛvkou shrnuli ãetné poznatky v oboru vodních kultur rostlin, které publikovali v ãasopisu Folia Fac. Sci. Nat. Univ. Purk. Brunn. Pod názvem Metoda vodní kultury vy‰‰ích rostlin. Tuto metodu pouÏívali i pfii studiu vzájemn˘ch vztahÛ rostlin. O tom, Ïe v˘sledky jejich studia v oblasti alelopatie jsou dodnes uznávány, nás pfiesvûdãil pfii nedávné náv‰tûvû prezident alelopatické spoleãnosti a hlavní vydavatel ãasopisu Allelopathy Journal profesor Shamsher S. Narwal z Indie. Pozdûji Jaroslav Mináfi studoval fyziologickou funkci draslíku, interakci dusíku a draslíku v rÛstu rostlin, fyziologické aspekty listové v˘Ïivy a nové formy fosforeãn˘ch hnojiv. Z oboru vzájemn˘ch vztahÛ rostlin a minerální v˘Ïivy publikoval kolem 50 v˘zkumn˘ch prací. Byl ãlenem komise pro rostlinnou biochemii a fyziologii Zemûdûlské akademie, pfiedsedou komise pro státní závûreãné zkou‰ky. Byl také ãlenem âeské botanické spoleãnosti, sekce Fyziologie rostlin. Franti‰ek Plhák, Marie Kumerová, Jaroslava Dubová

72

R

RÛzné Pûta‰edesátiny Ing. Jifiího Hfiiba, CSc.

Jifií Hfiib je na‰ím jedin˘m rostlinn˘m fyziologem, kter˘ získal vûdeckou hodnost pod vedením prof. Jana Calábka, jednoho z nejv˘znamnûj‰ích pfiedstavitelÛ vûdeckého smûru, kter˘ v rostlinné fyziologii rozvinul metodu ãasosbûrné kinematografie. Nበjubilant se narodil 16. záfií 1942 ve Fr˘dku-Místku. Po maturitû na jedenáctileté stfiední ‰kole ve Vala‰sk˘ch Kloboukách se zapsal v roce 1961 na agronomickou fakultu tehdej‰í Vysoké ‰koly zemûdûlské v Brnû, kde se záhy zapracoval pod vedením prof. Calábka do techniky sbûrné kinematografie. Po absolutoriu vûdecké aspirantury obhájil roku 1973 disertaci na téma „Kinematografická anal˘za rÛstu a v˘voje fiasy Scenedesmus quadricauda; úloha auxinu, giberelinu a RNA v ontogenezi se zfietelem na rÛst“. Jubilant pÛsobil od roku 1973 do roku 1991 jako vûdeck˘ pracovník ústavÛ âSAV v Brnû (nejprve Botanického ústavu, pak Ústavu experimentální fytotechniky a posléze Ústavu systematické a ekologické biologie). Od roku 1991 do roku 1998 byl pak zamûstnán jako vedoucí vûdeck˘ pracovník na Ústavu genetiky rostlin SAV v Nitfie. Zde pracuje v externím svazku dosud. Na Botanickém ústavu âSAV pracoval jubilant od roku 1976 pod vedením prof. Vladimíra Rypáãka, coÏ vedlo k velmi úspû‰nému a originálnímu zamûfiení jeho práce. Spolu s prof. Rypáãkem prezentoval pak fiadu velmi cenn˘ch publikací t˘kajících se rÛstové reakce jednotliv˘ch dfievokazn˘ch hub na kalusové kultury lesních dfievin in vitro. Vznikla tak postupnû i série prací zkoumajících obranné reakce jednotliv˘ch orgánÛ klíãních rostlin dfievin vÛãi dfievokazné houbû Phaeolus schweinitzii. Hfiib tyto reakce studoval pozdûji nejen na kalusov˘ch, ale i na embryogenních kulturách dfievin, pfii ãemÏ mu byla modelem kultura somatické embryogeneze Pinus nigra a Abies numidica. Tûmito studiemi pfiispûl i k rozvoji nejmodernûj‰ích trendÛ ve v˘voji rostlinné patologie. Ve fytopatologickém ãasopise (Physiological and Molecular Plant Pathology 59, 2001) publikoval Hfiib spolu s dal‰ími autory i v˘znamné objevy t˘kající se lektinu. Jubilant vûnoval velkou pozornost také studiu autonomních pohybÛ (nutaãních oscilací) klíãních rostlin jehliãnat˘ch dfievin sbûrnou filmovou kamerou. Popsal napfi. rozdíly ve frekvenci tûchto pohybÛ u Pinus sylvestris a Picea abies. Ing. Hfiib publikoval pfies 60 vûdeck˘ch prací (vût‰inou v zahraniãních ãasopisech). Prezentoval i 2 vûdecké filmy a 50 abstraktÛ z referátÛ na vûdeck˘ch konferencích a symposiích. Je ãlenem fiady vûdeck˘ch spoleãností napfi. âeské spoleãnosti pro vûdeckou kinematografii, International Association for Plant Tissue Culture and Biotechnology a New York Academy of Sciences. Nበjubilant vyvíjí i bohatou ãinnost zamûfienou na fotografování studánek a krajiny adamovsk˘ch lesÛ. Uspofiádal spolu s kameramanem M. âernou‰kem fiadu fotov˘stav pro brnûnskou vefiejnost a je také spoluautorem publikace „PrÛvodce brnûnskou pfiírodou“ (Nakl. Ulita 1995). Pfiipomenutí Ïivotního jubilea inf. Jifiího Hfiiba, CSc. je i pfiipomenutím skuteãnosti, Ïe úsilím profesorÛ Úhlehly, Práta a Calábka vznikla u nás ve 20. století jedineãná vûdecká ‰kola uplatÀující kinematografii pfii studiu Ïivota rostlin. Na v˘stavû soudobé kultury v Brnû roku 1928 byl zásluhou prof. Úlehly a Calábka promítán vÛbec první film o pohybech rostlin. Do této vûdecké ‰koly vstoupila pak i fiada dal‰ích pracovníkÛ, z nichÏ napfi. vynikl pfii studiu nutaãních pohybÛ Dr. Milo‰ Spurn˘. Tato vûdecká ‰kola bohuÏel zaniká a ing. Hfiib zfiejmû patfií k jejím pfiedstavitelÛm posledním. Pfiejeme mu ze srdce pevné zdraví, aby své invenãní schopnosti mohl uplatÀovat ve vûdecké práci i bûhem mnoha dal‰ích let svého Ïivota. Jifií Havel Omluva redakce Omlouváme se autorovi tohoto ãlánku a jubilantovi za opoÏdûné otisknutí gratulace, kterou si bezpochyby zaslouÏí. Za redakci P. Vojvodová 73

R

RÛzné Blanka âermáková, padesát let ve sluÏbách âSAV/AV âR

Poãátkem leto‰ního roku (2009) ocenil dûkovn˘ dopis pfiedsedy AV âR adresovan˘ Blance âermákové padesát let jejího pÛsobení na Ústavu experimentální botaniky AV âR v.v.i. Pro mû, jako pamûtníka její vynikající profesní dráhy technické síly – laborantky, to pfiipomenutí vzbudilo nostalgickou vzpomínku spojenou i s v˘ãitkou. Nostalgie pohledu do dávné minulosti konce padesát˘ch let 20. století, kdy se hledaly smûrníky budoucí plavby ústavu i v˘ãitka, Ïe tak ãasto necháváme v anonymitû zapomínání spolupracovníky, ktefií, aã nepfiizdobeni tituly a bez osobní motivace impaktních bodÛ, se v˘znamnû podíleli na souãasné podobû ústavÛ. TéÏ podnût k následujícím fiádkÛm. Desátého prosince 1959 nastoupila do Biologick˘ch ústavÛ âSAV v Praze 6, Na cviãi‰ti 2, nová laborantka, Blanka Nebeská. Pracuje dodnes. Jak vypadal její úspû‰n˘ profesní itineráfi, kter˘ odráÏí i promûny vûdy v uplynulém pÛlstoletí? Nebeská a je‰tû Blanka, nomen omen, ãerstvá absolventka PrÛmyslové ‰koly potravináfiské chemie. Nepfii‰la, pfiitancovala, v tom pamûÈ dosud pfieÏívajícího dfievního aspiranta, Blanãina obdivovatele, neklame. Mûla tu gracii v krvi a tanci se amatérsky i vûnovala. První ‰tace v laboratofii explantátÛ, první ‰éfová Dr. Eva PetrÛ. Doba, kdy se rodily základy technik in vitro. Vypûstovat na agaru cokoli bez kontaminace byl úspûch. Eva PetrÛ spoleãnû s docentem ¤etovsk˘m, tehdej‰ím vedoucím rostlinn˘ch fyziologÛ i genetikÛ, sepsali i první manuál explantátov˘ch technik, vzor pro ostatní, tehdy socialistické, státy. Nebyly flow-boxy, erlenky s explantáty stály porÛznu v laboratofii na policích. Blanka se uãila úzkostlivému dodrÏování sterilních reÏimÛ, drilu nasazování kultur dle rigoróznû zaveden˘ch pravidel, skoro rituálÛm. Nechybûly ani groteskní situace (z pohledu ostatních) jako lov na mouchy proniknuv‰í do stfieÏené zóny explantátové laboratofie. Nechybûly ani rozdílné pohledy a postoje v hodnocení svûta mimo laboratofi z pohledu vedoucí a její laborantky. I díky Blance se explantáty nakonec staly v této zemi bûÏnou laboratorní technikou. Po více jak pûti letech první stfiídání. Blanka, tentokrát jiÏ âermáková (vdala se za pracovníka Armádního filmu), pfiechází do pracovní skupiny vedené Lolou Teltscherovou. Rozdílná tématika i technika. Doba první vlny snah o vysvûtlování v˘vojového jevu, v tomto pfiípadû fotoperiodicky regulovaného kvetení, na základû molekulárnû biologick˘ch dogmat. TéÏ práce spojené s v˘bûrem vhodné modelové rostliny. Na jedné stranû léta strávená zavádûním hydroponií kultury merlíku ãerveného (Chenopodium rubrum) kvetoucího v ranné v˘vojové fázi a po krátkodobém fotoperiodickém zásahu. Na druhé stranû anal˘za frakcí RNA a DNA pomocí metylalbuminov˘ch kolon na kfiemelinû (MAK), ãi pomocí elektroforetického dûlení (v mikroverzi téÏ na podloÏních sklíãcích). Snad nepfieháním, pfiedpokládám-li, Ïe se tehdy Blanka na‰la, získala své první pracovní satisfakce. ·ikovná, vynalézavá a trpûlivá pfii ochoãování merlíku jako laboratorního morãete. Pfiinutit jej, aby klíãil, hodiny strávené pfii hledání optimálního pûstebního modulu, minirostliny, nimravá práce. Vût‰inou ãinnost údûlu krajkáfiek ãi hodináfiÛ, to kdyÏ se ve velk˘ch seriích vyrábûly gázou pokryté krouÏky, na nichÏ byly klíãní rostliny pûstovány, ãi extirpovaly stovky apikálních meristémÛ k anal˘zám. Blanka bodovala. Tehdej‰í analytiku nukleov˘ch kyselin si Blanka rychle osvojila a provádûla snadnûji neÏ my ostatní, vãetnû verzí s radionuklidy (bûÏn˘ byl fosfor a snad jen tehdej‰í práce Blánky by odpovídala souãasn˘m bezpeãnostním normám). Stala se v té dobû samozfiejmou, nepostradatelnou souãástí t˘mu. Na‰la spoleãnou fieã s Lolou. V procesu pracovním ov‰em zÛstaly protiklady minuciozního provedení Blanãina a robustních pfiístupÛ Lolin˘ch. Práce, která pfiinesla v˘sledky i publikace, ale nenacházela fie‰ení. Správné teoretické pfiedpoklady postrádaly adekvátní nástroje. Po odchodu Loly do dÛchodu, která ode‰la z politick˘ch dÛvodÛ dfiíve neÏ se pfiedpokládalo, pokraãoval, ve studium nukleov˘ch kyselin Jan Krekule s Jaroslavem Ullmannem. TûÏi‰tû experimentování, na nûmÏ se Blanka pfiímo podílela, se v polovinû sedmdesát˘ch let minulého století zaãalo posouvat; ke studiu endogenní rytmicity kvetení, k fytohormonÛm. Ke krátkodennímu merlíku ãervenému pfiibyl jeho dlouhodenní pfiíbuzn˘, merlík zední (Chenopodium murale). Blanka uplatnila své zku‰enosti s pfievádûním planû rostoucího, nespoutaného druhu do klimatizaãních boxÛ i v tomto pfiípadû. Kolik jen tisícÛ semiautotrofnû vychovávan˘ch pokusn˘ch jedincÛ obou druhÛ merlíku ji vdûãí za to, Ïe mohly v miniboxexh vykvést, jak pfiedpokládaly experimentální podmínky. Na pfielomu osmdesát˘ch 74

R

RÛzné

a devadesát˘ch let XX. století vzrÛstala potfieba identifikovat a kvantifikovat fytohormony jako moÏné komponenty indukce kvetení. Blanka se vyuãila novému fiemeslu. Anal˘ze auxinu, cytokininÛ (i s etylénem se jeden ãas experimentovalo). Uãitelkou byla v tomto pfiípadû Ivana Macháãková, která poãátkem devadesát˘ch let tuto problematiku uvádûla. Opût se osvûdãila Blanãina schopnost pfiesné práce, trpûlivosti, smyslu pro detail. Extrakce fytohormonÛ, dûlení extraktÛ na kolonách. Blanãino hájemství, v nûmÏ vytrvala i v dal‰ím pÛsobení na ÚEB. To fiemeslo mûlo zlaté dno a poskytlo hojnû publikací. Ve standardních podmínkách souãasnosti by pfiíbûh a v˘ãet pracovního angaÏování Blanky konãil na tomto místû. V pravûku na‰í experimentální existence byl rozsah i okruh problémÛ fie‰en˘ch svépomocí daleko pestfiej‰í. Blanãin podíl pak byl, ku prospûchu vûcí, nezvykle rozsáhl˘. Oã ‰lo? Na prvém místû pofiádání mezinárodních symposií a konferencí. JiÏ od poãátku ‰edesát˘ch let cílen˘ pokus pfiekonat izolaci Ïelezné opony. Organizace byla nutnû amatérská a v plném rozsahu v na‰í reÏii. Liblice, to byl jejich spoleãn˘ jmenovatel, byÈ se jednalo nûkdy i v Lanû. Nebudu jednotlivû uvádût, ta první v roce 1964, ta poslední s datem 1990. U v‰ech, jeÏ byly zamûfieny na v˘vojovou fyziologii a fytohormony, byla i Blanka. „Byla“ znamená, abych pouÏil souãasnou manaÏeriální dikci, její velmi flexibilní a dynamické jednání. Registrovala, organizovala autodopravu, kulturní vystoupení a napravovala lapsy, jeÏ vytváfieli oficiální organizátofii, stfiídavû Milan Kutáãek, Mirek Kamínek i Jan Krekule. Profesionálnû klidná, pfiirozenû usmûvavá, dáma (hezká dáma). I ona pfiispûla k tomu, Ïe se tahle taktika vydafiila, a Ïe byl otupen, ãi zcela vymazán dobrodruÏn˘ motiv poãáteãní náv‰tûvy mnoh˘ch zahraniãních náv‰tûvníkÛ: „Jak to tam vypadá?“ Místo ch˘‰í z hlinûn˘ch lepenic okázalost barokního zámku (pro mnohé první zku‰enost) a setkávání s kolegy. Reklamním trikem úspû‰né akce bylo kdysi uvádût: âetné dûkovné dopisy z tu-i cizozemska. Blanka je opravdu dostávala a vût‰ina úãastníkÛ na ta setkání ráda vzpomínala, i kvÛli Blance. Poãítaãová prefabrikace orálních komunikací, posterÛ, pÛvodních sdûlení i sborníkové literatury je povaÏována v souãasnosti za samozfiejmost. PamûÈ star‰ích generací vzpomíná, jak to v‰echno bylo pracné, jak lepení posteru pfiipomínalo v˘robu umûlecké koláÏe a jak se v‰echno lopotnû do nekoneãna s kopíráky na stroji pfiepisovalo. Blanãino pfiirozené estetické cítûní, rychlost a bezchybnost psaní na stroji i zvládnutí grafického designu pfiedurãily dal‰í ‰iroké pole její pÛsobnosti. Kolika jen kandidátsk˘m pracem pomáhala na svût, kolikrát na poslední chvíli dokonãovala a opentlovala postery, jak˘ v˘znamn˘ podíl impaktové literatury i pfiíleÏitostn˘ch sborníkÛ pro‰el jejíma rukama? To i ona pomáhala otevírat dvefie domácích produktÛ vûdy na cestû do svûta. Blanãina úãast ve vûdû mimo laboratorní stoly je i dobov˘m svûdectvím dávného etosu solidarity a samozfiejmé spolupráce uvnitfi pracovních t˘mÛ. ZboÏí, které se stává v souãasnosti nedostatkov˘m. Vzpomínka na spolupráci s Blankou mÛÏe b˘t vyjádfiena, tentokrát v autentické podobû, pomocí kli‰é z dávn˘ch a hojn˘ch posudkÛ: zaãlenila se do kolektivu, nezi‰tnû spolupracovala, byla velmi oblíbená, nekonfliktní. To sedí. Zaklínací vûta, ‰ém, pak platí jen v reversní podobû: nemûla (pokud pamatuji nikdy) kladn˘ pomûr k lidovû-demokratickému reÏimu. Jak by mohla, dáma. Nepochybuji, Ïe Blanka zaslouÏí vzpomínku v bulletinu experimentálních biologÛ, stejnû jako podûkování v‰ech, kdoÏ se s ní na té dlouhé Ïivotní cestû setkávali a dodnes setkávají. Jan Krekule

75

D

Diplomové a disertaãní práce

Some molecular and biochemical aspects of chlorophyll biosynthesis in calli cultures of norway spruce (Picea abies (L.) KARST.) and larch (Larix decidua MILL.)

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Renáta Balátová Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009, (89 p., 24 supplements)

The enzymatic reduction of protochlorophyllide (Pchlide) is a major regulatory step in the chlorophyll (Chl) biosynthesis in oxygenic phototrophs. Two different enzymes catalyze this reduction: nuclearencoded, light- dependent Pchlide oxidoreductase (LPOR), which is unique as a consequence of its direct utilization of light for catalysis, and plastid-encoded light-independent Pchlide oxidoreductase (DPOR). The presence of DPOR allows light-independent Bchl biosynthesis in anoxygenic photosynthetic bacteria, and light-independent Chl biosynthesis in cyanobacteria, green algae and many land plants, angiosperms excepted. Our aim, in this diploma thesis, was to study some biochemical and molecular aspects of chlorophyll biosynthesis in calli cultures of Picea abies and Larix decidua derived from 14-day old cotyledones cultured in the dark. As primary explant, we have used surface sterilized cotyledons and induced calogenesis by treating explants on MS medium containing NAA (2 mg ◊ l–1) and kinetin (1 mg ◊ l–1). First symptoms of proliferation were observed approximately 3 weeks after primary explant incubation. Visually, we have studied differences in growth, texture and pigmentation between light- and darkgrown calli of P. abies and L. decidua. The produced callus gradually pigmented when the explants were grown in the light (40 mmol ◊ m–2 ◊ s–1). Calli cultures growing in the dark were without green pigmentation. In case of calli derived from P. abies cotyledons, we have studied growth parameters gravimetricaly during 42-day subcultivation interval. Fresh mass analysis has shown, that green and white callus continued to grow vigorously during first 35 days of cultivation. Then the growth rate of callus declined, the green callus has entered the linear growth phase, and the white, dark-grown callus, has entered the stacionary growth phase. Dry matter analysis has not shown any significant differences in growth between green and white P. abies callus. Pigment analysis has shown differences between light- and dark-grown calli cultures, and also between callus and intact needles. The content of pigments in calli cultures was lower than in intact needles growing in dark. Molecular-genetic analyses in cyanobacteria and in green algae have revealed that at least the chlL, chlN and chlB genes encode proteins essential for the activity of DPOR. These genes are widely distributed among phototrophic organisms with the exception of angiosperms and Euglenophyta. This distribution seems to be well correlated with light-independent greening ability. By imunnolabelling with antibodies, we have confirmed the presence of all three protein subunits of the DPOR enzyme (ChlL, ChlN, ChlB) in P. abies green calli growing in the light and in L. decidua calli growing in the light and dark. During the cultivation of calli cultures in the dark the levels of the all three subunits of DPOR and levels of GluTR and FLP have decreased in compare with light-grown calli. The absence of ChlB subunit in white spruce calli growing in the dark could cause the loss of DPOR activity/functionality. So we suppose that Pchlide is not reduced in P. abies calli cultures cultivated in the dark. The fact that subunits of DPOR accumulate in the light-grown calli indicates 76

D

Diplomové a disertaãní práce

that DPOR, which was thought to work only in darkness, may partially account for Pchlide reduction in the light (twilight). Semiquantitative RT-PCR, performed using gene specific primers, has confirmed the expression of all the three genes in light- and dark-grown calli of P. abies and L. decidua. We have observed decrease in the expression of the chlL, chlN and chlB genes in dark-grown calli compared with light-grown calli. Restriction analysis of 170 bp chlB cDNA amplicons was performed to reveal the presence of RNA-editing in chlB transcripts of P. abies and L. decidua calli cultures. We have confirmed RNA-editing in calli cultures of P. abies and L. decidua cultured in light and dark.

77

D

Diplomové a disertaãní práce Chlorophyll biosynthesis in the dark-grown seedlings of Pinus mugo Tirra and Pinus silvestris L. Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Katarína Breznenová Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009, (70 p., 29 supplements)

Chlorophylls are the major group of photosynthetic pigments associated with thylakoid membranes and required for light absorption during photosynthesis. In oxygenic phototrophs, Chl is synthesized from glutamate via a complex pathway that consists of at least fifteen enzymatic steps. The first nine steps from glutamate to protoporphyrine IX are shared with the biosynthetic pathway to hem. Synthesis of ALA, catalyzed by GluTR, is the first committed step of tetrapyrrole pigment biosynthesis. The Chl-specific biosynthetic route, known as the Mg-branch, consists of six steps, with the reduction of Pchlide being the major regulatory step. Two genetically and biochemically distinct strategies to reduce Pchlide have arisen during evolution. The first of them relies on light-dependent Pchlide oxidoreductase (LPOR), a nuclear-encoded and light-activated enzyme. Pchlide in the dark is reduced by light-independent Pchlide oxidoreductase (DPOR), encoded by three plastid genes chlL, chlN and chlB. The integration of the newly synthesized Chl into developing thylakoids is tightly coupled with the biogenesis of the photosynthetic apparatus and the development of chloroplasts. Dark-grown seedlings of Pinus mugo Turra and Pinus sylvestris L. are able to accumulate chlorophyll and its precursor Pchlide. Decrease of the Pchlide content and increase of the Chl a + b content after 24 h illumination of mature seedlings were due to the photoredution of Pchlide catalyzed by LPOR. We have proved light-independent accumulation of the GluTR enzyme in the early developmental stages of P. mugo and P sylvestris in the dark, which was enhanced by 24 h illumination. Expression of chlLNB genes was constitutive in all analyzed seedlings, irrespective of analyzed developmental stage in the dark or illumination. We have identified two codons in the central region of chlB gene undergoing cytidine (C) to uridine (U) substitution in the process of RNA-editing. In this case, RNA-editing restores codons for conserved aminoacids leucine and tryptophan. In P. mugo and P. sylvestris seedlings the levels of ChlB and ChlL proteins decreased after 24 h illumination compared to dark-grown mature seedlings. Changes in the accumulation of DPOR subunits may be consequences of posttranscriptional or posttranslational regulation. Dark-grown and 24 h illuminated seedlings of P. mugo and P. sylvestris accumulated similar amounts of D1 protein. Accumulation of the LHCI complex polypeptides increased with the ontogenesis in the dark and was highest after 24 h illumination. Proteins of the LHCI complex and D1 protein bind photosynthetic pigments and stabilize thylakoid membranes in the etiochloroplasts of P. mugo and P. sylvestris. We have confirmed that seedlings of P. mugo and P. sylvestris are able to synthesize chlorophyll in the dark. Synthesis of ALA and reduction of Pchlide are major regulatory steps in chlorophyll biosynthesis, both of which are present in the analyzed species. In the dark, photosynthetic apparatus is formed by chlorophylls with D1 protein and LHCI complex. Many regulatory mechanisms of lightindependent chlorophyll biosynthesis remain to be revealed by further studies, since it is a complex process influenced by many environmental and endogenous factors.

78

D

Diplomové a disertaãní práce Characterization of heavy metal hyperaccumulator Thlaspi caerulescens from Banská ·tiavnica

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Daniel Masaroviã Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009 (83 p.)

Heavy metal contamination has resulted from industrial activities such as mining and smelting of metalliferous ores, energy and fuel production, battery production, fertilizer and pesticide application and generation of municipal waste. Heavy metals represent serious threat for animal, plants and human. Hyperaccumulators are plants, which tolerate high levels of metals in soil and accumulate extremely high concentration of heavy metals in aboveground plant parts. These species have evolved specific mechanisms for detoxification of high metal levels accumulated in the cells. Hyperaccumulator plants do not only accumulate high levels of essential micronutrients, but can also absorb significant amounts of nonessential and toxic metals, such as Cd. The most popular heavy metal hyperaccumulator is Thlaspi caerulescens from the family Brassicaceae. Thlaspi caerulescens has been studied especially for Zn and Cd hyperaccumulation and tolerance. Its physiological, morphological and genetic characteristics, and its close relationship to Arabidopsis thaliana, the popular plant reference species with known genom sequence, make it an excellent candidate to be the plant heavy metal hyperaccumulation model species. In the past decade, the phenomenon of heavy metal hyperaccumulation has attracted considerable scientific attention. The aim of this diploma thesis was to find out influence of cadmium and zinc on hyperaccumulator of this two elements Thlaspi caerulescens, examine metal content in under- and aboveground parts and in seeds. Composition of seed was determined by light and electron microscopy. Plants of Thlaspi caerulescens used in experiments originating from heap near the city of Banská ·tiavnica. They were cultivated in Hoagland solution. Four variants were used: C – control, Cd – hydroponic solution with 5 mM Cd(NO3)2 ◊ 4H2O, Zn – hydroponic solution with 50 mM ZnSO4 ◊ 7 H2O and Cd + Zn – solution with addition of both Cd and Zn in same concentrations as Cd and Zn variant. We observed that cadmium treatment resulted in decreased biomass of under- and aboveground parts. Addition of zinc into the solution increased total fresh and dry weight of under- and aboveground plants parts in comparison with control. Cadmium and zinc itself had no significant influence on the content of photosynthetic pigments. We observed decrease in the chlorophyll content only in Cd + Zn treatment. Content of cadmium and zinc in both under- and aboveground plant parts from variants with addition of metals was high. Interesting high concentration of zinc was determined in pericarp. Content of zinc was higher in plants originating from nature compared with hydroponically cultivated plants. By contrast, content of cadmium was higher in cultivated plants. Our results confirmed that Thlaspi caerulescens from Banská ·tiavnica is hyperaccumulator of cadmium and zinc. Concentration of cadmium and zinc was considerably lower in the seeds than in other plant parts. Energy-dispersive X-ray microanalysis revealed different distribution of elements in particular tissues of seed. The major element in globoid crystals of protein bodies was phosphorus. Presence of other biogenous element was also identified: calcium, magnesium, sodium, potassium, zinc and sulphur. Our results confirmed that Thlaspi cearulescens is attractive model to study heavy metal hyperaccumulation and it is very convenient object for various future experimental works. 79

D

Diplomové a disertaãní práce

Changes of photosynthetic apparatus in Larix decidua Mill and Picea abies (L.) Karst in different conditions of irradiation after exogenous application of 5-aminolevulinic acid

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Natália Maximová Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2008 (88 p.)

Chlorophyll represents essential component of thylakoid membrane of chloroplast. It is important for stabilization of membrane and also for assembly and function of photosystem I and II which are based in this thylakoid membrane. The integration of newly synthesized chlorophyll’s molecule into developing thylakoids is tightly coupled with the biosynthesis of the photosynthetic apparatus and the development of chloroplasts. Chlorophyll biosynthetic pathway consists of at least fifteen enzymatic steps. In oxygenic phototrophs chlorophyll is synthesized via C-5 way from glutamate, which in next three steps 5-aminolevulinic acid (ALA) is originated from. ALA is the universal precursor of chlorophyll biosynthesis and other tetrapyrroles. It represents an important point where the chlorophyll biosynthetic pathway is regulated. The reduction of Pchlide is a key step, which is catalyzed by two genetically and biochemically distinct mechanisms – light-dependent Pchlide oxidoreductase (LPOR), which activity is depended on light and light-independent Pchlide oxidoreductase (DPOR). Dark-grown seedlings of Picea abies (L.) Karst and Larix decidua Mill are able to synthesize chlorophyll and protein’s subunits of photosynthetic apparatus. Seedlings of L. decidua synthesized chlorophyll in the dark, but only in trace amounts. We have observed that exogenous ALA increased accumulation of Pchlide in both species grown in the dark and as well stimulated chlorophyll accumulation. After 24 h illumination the level of Chl a + b in the cotyledons increased compared with the dark. During 24 h treatment of cotyledons in ALA solutions in continuous light raised free ALA-Pchlide, which caused decrease of the Chl a + b content in both species and the cotyledons became photobleached. In the experiment with 4-days foliar application of exogenous ALA in the dark, after following 24 h of illumination the amount of chlorophyll in cotyledons of P. abies increased equally as concentration of exogenous ALA. In L. decidua, the biggest amount of chlorophyll accumulated in the cotyledons of controll seedlings. We have observed the presence of ChlN and ChlB subunits of DPOR in both species. The level of ChlN in cotyledons of dark-grown seedlings of P. abies and L. decidua was the same as after 24 h of illumination. Level of ChlB protein in cotyledons of P. abies after 24 h of illumination decreased compared to dark-grown seedlings. Synthesis of LHCI and LHCIIb complex polypeptides of photosystems I and II has not been dependent on light. We have observed proteins’ synthesis of light-harvesting complexes in the dark and after 24 h of illumination, but the light increased their accumulation. In our experiments we have not observed effect of exogenous ALA on amount of light-harvesting complex polypeptides. Exogenous ALA had not direct influence on D1 protein, but through reactive chlorophyll intermediates. High concentration of ALA (10 mM) affected after 24 h of illumination degradation of D1 protein in P. abies and L. decidua cotyledons. In cotyledons of L. decidua more FLP was accumulated than in P. abies. It is probably consequence of distinctively decreasing reduction of Pchlide in the dark, which makes them naturally close to angiosperms. We have confirmed, that exogenous ALA increase chlorophyll accumulation of dark-grown seedlings of P. abies and L. deciduas, but effect was not as high as we expected. Main effect of ALA is that it increases Pchlide accumulation in the dark. Synthesis and assembly proteins of photosynthetic apparatus was not dependent on the light, they formed in dark-grown seedlings. 80

D

Diplomové a disertaãní práce

Influence of galactoglucomannan oligosaccharides on mung bean (Vigna radiata (L.) Wilczek) plants grown in hydroponics

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Danica Richterová Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009 (88 p.)

Oligosaccharides isolated from cell walls have been identified to control various plant processes and interactions with the environment being under the regulation of growth hormones. Galactoglucomannan is a structural constituent of both, primary and secondary cell walls of higher plants. It was found that galactoglucomannan oligosaccharides (GGMOs) prepared from the polymer are able to influence auxin- and gibberellin-induced elongation growth of stem segments, the development of cells and zygotic embryos, viability and regeneration of protoplasts, and they seem to be effective factors in the induction of defense reactions in plant cells as well. The aim of this diploma thesis was to determine the effect of GGMOs alone, or in combination with native (IBA) or synthetic (NAA) auxins and also the effect of GGMOs with chemically modified structure, GGMOs-r (with reduced reducing end) and GGMOs-g (degalactosylated GGMOs) on growth of intact plants mung bean (Vigna radiata (L.) Wilczek) in hydroponics. Since oligosaccharides affect peroxidase activity in segments of various plants and peroxidase participates in the control of cell wall rigidification, we set the target to ascertain the relation between GGMOs effect on elongation growth and cell wall-associated peroxidase activity. Uniform seedlings of mung bean (Vigna radiata (L.) Wilczek) were transferred to hydroponic Hoagland solution (control) and Hoagland solutions containing GGMOs, GGMOs-r or GGMOs-g (concentration ranging from 10-10-10-6 M) alone or in combination with auxin – IBA (10-6) or NAA (10-7 M). Plants were grown in a growth chamber at 27 ± 1 °C, 60–70 % relative humidity, under 12 hours photoperiod at irradiance of 80 mmol m–2 s–1. The length of seminal and lateral roots, as well as hypocotyl length, was determined after seven days of cultivation. Peroxidase activity was determined spectrophotometrically. Peroxidase isoenzymes were separated by native polyacrylamide gel electrophoresis. Data were analyzed by using analysis of variance (ANOVA) and comparisons between the mean values were made by least significant difference (LSD) test at P < 0.05, and standard error (SE) was calculated. GGMOs inhibited the hypocotyl elongation, however, they stimulated seminal root elongation and adventitious roots formation in intact plants compared with the control. The effect of GGMOs was dependent on their concentration used, their interaction with IBA or NAA in distinct parts of the plant. GGMOs inhibited the hypocotyl elongation induced by auxins. They stimulated seminal root elongation compared with auxins. GGMOs inhibited the formation of lateral and adventitious roots induced by auxins, however they stimulated the elongation of lateral roots compared with auxins. The influence of GGMOs in combination with NAA on all parameters followed was lower than in combination with IBA. For structure-activity relationship the effects of GGMOs, GGMOs-r and GGMOs-g on intact plant growth were compared. GGMOs-r influenced plant growth in the same range like GGMOs. GGMOs and GGMOs-g affected the elongation growth of hypocotyls and roots in opposite way. GGMOs-g stimulated hypocotyl elongation and inhibited root elongation in comparison with GGMOs. In the presence of IBA GGMOs-g inhibited seminal and also lateral root elongation in comparison with GGMOs. 81

D

Diplomové a disertaãní práce

An inverse reaction between hypocotyl and root elongation growth and the activity of cell wall-associated peroxidase in intact plants was determined. The analysis of peroxidase isozymes pattern showed at pH 7.0 the presence of three anionic and four cationic cell wall-associated peroxidase isozymes in hypocotyls. At pH 4.5 two anionic and four cationic cell wall-associated peroxidase isozymes in hypocotyls were detected. The analysis of peroxidase isozymes pattern in roots showed at pH 7.0 and also at pH 4.5 the presence of four anionic and five various cationic cell wall-associated peroxidase isozymes. Our findings confirm the hypothesis that GGMOs may have antiauxin activity GGMOs and GGMOs-g in intact plants affected the elongation growth of hypocotyls and roots in opposite way, from which follows that galactose side chains are obviously important factors responsible for the biological activity of GGMOs in elongation growth also in intact plants. The inhibition of elongation growth in hypocotyls, as well as in roots, was connected with changes of cell wall-associated peroxidases activity probably inducing the beginning of cell wall rigidification.

82

D

Diplomové a disertaãní práce Photosynthesis of carnivorous plants in response to nutrient uptake

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Lucia Singerová Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009 (70 p.)

The aims of this diploma thesis were 1.) to confirm the correlation between the rate of photosynthesis (PN) and nitrogen (N) concentration in leaves in carnivorous and noncarnivorous plants, 2.) to assess the costs and benefits of carnivory in the pitcher plant Nepenthes talangensis, which leaves are composed of a lamina and a pitcher trap, in response to supplemental feeding with a beetle larva or to an uptake of nutrients from the soil. According to Givnish’s cost/benefit model, carnivorous plants are restricted to sunny, nutrient-poor and permanently moist habitats. In other environments, the cost of producing traps would apparently exceed the benefits gained by trapping a prey. The costs of carnivory include investment in non-photosynthetic structures and represent extra energy requirements for the respiration of carnivorous organs. The benefits of carnivory can include an increased rate of photosynthesis, higher flowering frequency and seed mass and partly replace autotrophy by heterotrophy. The Cost/benefit models of carnivory predict that carnivory can increase the rate of photosynthesis by leaves of carnivorous plants as a result of increased N absorption from a prey. However, thecost of carnivory includes decreased PN and increased respiration rates (RD) of trapping organs. In the first experiment, we compared a correlation between PN and N in carnivorous and noncarnivorous plants. We used the following carnivorous plant species: Drosera capensis L., Nepenthes alata Blanco, Pinguicula sp. (Eluxochitlan, Mexico), Sarracenia purpurea ssp. venosa and Utricularia humboldtii Schomb., and non-carnivorous species: Amorphophalus sp., Karwinskia humboldtiana Roem & Schut Zucc., Nicotiana tabacum L., and Paphiophedilum sp.. In the second experiment, we added a prey into the pitchers or anorganic nutrient solution to the roots of carnivorous pitcher plant Nepenthes talangensis (Nerz & Wistuba), which grows in mossy forest and stunted upper mountain forest near the summit of Gunung Talang (1800–2500 m. alt.) in Sumatra. Nepenthes leaves are differentiated into a photosynthetic active lamina and a pitcher trap, which has evolved to attract, trap and digest a prey. N. talangensis were grown under controlled conditions in a growth chamber. The fed plants were supplied with worms (Tenebrio molitor). The fertilized plants were watered with modified Hoagland solution. Simultaneous measurements of gas exchange and chlorophyll fluorescence, and of nitrogen, carbon and total 70 chlorophyll concentrations were made to evaluate the effect of increased nutrient supply from prey and soil on the photosynthetic processes in the pitcher plant. We confirmed the correlation between N and PN in non-carnivorous plants. We found a positive trend of this correlation in carnivorous plants, but it was not significant. Increased nutrient supply from prey and soil stimulated primary and secondary processes of the photosynthesis. The PN, maximum quantum yield (Fv/Fm) and effective quantum yield of PSII (PSII) were higher in the fed than in the unfed lamina, but not in the fed pitcher compared to the unfed pitcher. The Respiration rate was not significantly affected in the fed plants compared to the unfed plants. The unfed plants had greater nonphotochemical quenching (NPQ) of chlorophyll fluorescence and lower photochemical 83

D

Diplomové a disertaãní práce

quenching (qP) and thus higher excitation pressure on PSII and higher susceptibility to photoinhibition. Biomass, nitrogen and chlorophyll concentration also increased as a result of feeding. The cost of carnivory was shown by lower PN and PSII in the pitchers than in the lamina, but RD depended on whether it was expressed on a dry weight or a surface area basis. Any Correlation between N and PN in the pitchers was not found. We observed flowering in all fed plants. The rate of photosynthesis correlates with nitrogen concentration in leaves in non-carnivorous plants. In carnivorous plants, a positive trend of this correlation was also found. A Nitrogen uptake from prey and soil lead to increase of PN, biomass, N and chlorophyll concentration in the pitcher plant Nepenthes talangensis. Increased nutrient uptake from prey stimulates a photosynthetic rate and we assumed that carnivory may increase the competitive advantage of carnivorous plants over non-carnivorous plants in nutrient-poor habitats.

84

D

Diplomové a disertaãní práce

Toxic effects of aluminium on growth and morphology of Arabidopsis thaliana root and root hairs

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Erika Súkupová Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009/9 (92 p.)

Aluminium is the third most abundant element of the earth crust without a known biological function and its toxicity is an important growth limiting factor in acid soils. Root growth inhibition is a widely used index for assesment of aluminium toxicity and it occurs within minutes after application of aluminium. In our experiments we observed effects of aluminium on growth and morphology of Arabidopsis thaliana L. root and root hairs. The aim of these experiments was to specify concentration scale of aluminium that significantly reduces these parameters. This will be used for quantification of toxic effects of aluminium for further experiments. Seedlings of A. thaliana L. ecotype Columbia were sown on an agar-solidified nutrient medium in Petri dishes. We used modified MS nutrient medium (Murashige Skoog, 1962), which final pH was adjusted to 4.5. These seeds were vernalized at 4 °C for three days to synchronize germination. Then the Petri dishes were placed into Conviron growth chamber, positioned vertically and kept under temperature 20–25 °C, 16/8 h day/night rhythm, humidity 70 % and 200 mol–1 ◊ m–2 ◊ s–1 light intensity. Plants were cultivated on nutrient medium with content of 0, 5, 10, 25, 50, 100, 200, and 300 mM AlCl3 ◊ 6H2O. Long-term effects of aluminium on root growth were observed on seedlings which were sown on agar-solidified nutrient medium with different concentration of aluminium and on seedlings which were transferred into Petri dishes with agar-solidified nutrient medium with different content of aluminium 2 days after germination. Short term effects of aluminium on root growth were observed on seedlings 24 h after transfer from control agar-solidified medium or from agar-solidified medium with content of aluminium to perfusion chambers filed with liquid medium. Chambers were transferred into sterile glass cuvettes with liquid medium of the same composition as used for cultivation on Petri dishes but without agar. Effects of aluminium on root hairs were observed on seedlings 2 days after germination on agar-solidified medium or on seedlings in perfusion chambers 24 h after transfer from control agar-solidified medium or from agar-solidified medium with content of aluminium. Influence of aluminium on elongation of root cells was observed using confocal microscopy after staining with FM 4-64. Sensitivity of root hair tip growth was tested by perfusion application of the aluminium-containing liquid medium (10 and 50 mM). The results showed that Arabidopsis seedlings cultivated on agar plates and liquid medium with different concentration of AlCl3 ◊ 6H2O exhibited concentration dependent reduction of both root and root hair lengths. On agar plates, aluminium did not influence germination and we observed that inhibition of primary root growth at 200 and 300 mM was compensated by formation of lateral roots. We found out that aluminium inhibited elongation zone that caused the reduced root length. Growth of root and root hairs was more resistant after transfer of seedlings from agar solidified medium with content of aluminium into perfusion chambers filed with liquid medium with the same content of aluminium. On agar plates we observed swelling of root hairs at 200 and 300 mM and in liquid medium at 300 mM after transfer of seedlings from control agar-solidified medium. Perfusion application of aluminium-containing medium inhibited tip growth of root hairs. We concluded that aluminium concentration scale 25–300 mM significantly inhibited root growth on agar plates, while this concentration in liquid medium is 5–300 mM. Inhibition of root hair growth occurred on agar plates at 10–300 M and in liquid medium at 5–300 mM of aluminium. 85

D

Diplomové a disertaãní práce

Expression of the Light-Independent Protochlorophyllideoxidoreductase in Physcomitrella patens

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Viera ·inská Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009 (80 p.)

The reduction of protochloroplhyllide (Pchlide) to chlorophyllide plays a key role in the biosynthesis of chlorophyll. In angiosperms, chlorophyll biosynthesis is under tight control by light, as in these systems the Pchlide reduction reaction is catalyzed exclusively by NADPH-Pchlide oxidoreductase (POR) in a light-dependent manner. In contrast, angiosperms, algae and photosynthetic bacteria are able to reduce Pchlide in darkness. The light-independent Pchlide reductase is encoded by three plastid genes – chlL, chlN and chlB. We used moss Physcomitrellla patens for our experiments. P. patens has been developed as a model organism over the last two decades, providing a well developed molecular toolbox including efficient gene targeting (GT) in combination with the morphologically simple moss tissues. In the chloroplast genome of P patens were identified chlL, chlN and chlB genes, even though inability to synthesize of chlorophyll in the dark. For purpose of understanding function of DPOR in P. patens is possible to use method of gene-targetting. Genetic transformation studies of P. patens have revealed that integration of foreign DNA sequences in the genome occurs preferentially at targeted location by homologous recombination. Thus the powerful genetic tools developed in the yeast Saccharomyces cerevisiae can be directed apply to study plant biology in the moss P. patens. The aim of this diploma thesis was to find out if the chlLNB genes expression occurs in P. patens and detect the protein subunits of DPOR. We cultivated P. patens in standard conditions. Protonemal cultures and gametophores were grown in the cultivating room 24 °C in two growth conditions: (i) discontinuous white light (16 hours/day), at quantum irradiance 80 mmol ◊ m–2 ◊ s–1, (ii) in the continuous dark. We used two culture media – PPNO3 for gametophores and PPNH4 for the production of chloronemata enriched protonema. Protonemal cultures were overlaid with cellophane disk to facilitate collection of material. After two weeks of cultivation in the dark grown cultures we noticed that P. patens is able to synthesize chlorophyll in the light but not in the dark. Interesting feature in the dark-grown protonemal and gametophore cultures was negative-geotropic growing slight filaments without chlorophylls. In the centre of our interest was also to study the influence of presence 100 mM ampicillin on the development chloroplasts. We have known that growing the moss in the presence of ampicillin leads to a severe inhibition of chloroplast division. After 2 weeks we found that in the ampicillin treatment cultures, each protonemal and gametophore cell contained from one to a few macrochloroplasts without disturbed chloroplast shape. In the next part of this work we wanted to find out if the chlL, chlN, chlB gene expression occurs in P. patens. To verify this, we made experiments based on RT-PCR analysis. We prepared cDNA from gametophores cultivated on minimal medium PPNO3 and on medium with 100 mM ampicillin. Our results have confirmed the expression of plastid genes chlLNB in P. patens. In addition, we detected all DPOR protein subunits through the used Western blot analysis. The accumulation of DPOR subunits equivalent in the protein extracts from gametophores cultivated in the presence of ampicillin and also in the absent of it. The principal aim of this diploma thesis was the experimental culture optimization and furthermore to prepare background for the future genetic transformation of P. patens. 86

D

Diplomové a disertaãní práce Physiological adaptations of Arabidopsis sp. to toxic concentrations of essential heavy metals

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Eva Valaseková Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009 (76 p.)

Heavy metals belong to the most distinguished inorganic contaminations of the ecosystems. Also in our country we can find localities which are contaminated by heavy metals. On these soils specific plant communities, adapted to the presence of high concentrations of toxic heavy metals can be found. Three plant species from the genus Arabidopsis that came from natural habitats were used for experiments. Sensitive plants were represented by A. thaliana from the noncontaminated locality Ratkovo (district: Martin). The other two investigated species (A. arenosa and A. halleri) originated from contaminated localities. A. arenosa originated from mine heap Terézia (district: Banská ·tiavnica), where the soil is contaminated by increased content of ore minerals with high concentrations of Zn, Pb and Cu. Hyperaccumulator plant species A. halleri originated from the locality Krompachy (district: Spi‰ská Nová Ves), from the neighbourhood of a smelter, where the soil is contaminated by elevated concentrations of heavy metals: Fe, Zn, As, Cu and Pb. The aim of this diploma thesis was to investigate the sensitivity of these plant species to graded concentrations of heavy metals, and find out the bases for adaptation ability of tolerant species to altered concentrations of heavy metals in the environment. In the case of sensitive plant species A. thaliana effect of high concentrations of zinc in medium showed an expressive inhibition of root growth. In case of tolerant species we have not observed so intensive inhibition of root growth. In comparison with control Zn concentration (10 mM), root growth of A. arenosa was stimulated for a short term in the presence of 100 mM zinc in agar medium. From this investigation we can conclude, that these plant species require higher concentrations of zinc for normal growth than normal sensitive plant species. We have found, that root growth of A. halleri was stimulated by lack of zinc. Root growth stimulation might represent adaptation, which allows effective absorption of zinc from solution, which contains low concentrations of zinc with low solubility. In presence of 0 mM Zn in medium the highest values of index of tolerance were found for species A. halleri. In presence of high concentrations of zinc in medium, A. arenosa showed the highest values of index of tolerance. For the long-term influence of high zinc concentrations in the medium, the greatest sensitivity had A. thaliana. In the short-term treatment with high Zn concentrations, A. halleri expressed the greatest sensitivity. We have found that altered concentrations of zinc reduced the number and the length of the cells in the elongation zone of epidermal cells of the roots of A. thaliana. On contrary, altered concentrations of Zn (0 and 100 mM) do not reduce the number of cells and do not inhibit the lengthening of epidermal cells of the roots of A. arenosa. However the highest concentration of Zn (1000 mM) slightly inhibited elongation, but does not reduce the number of cells in elongation zone of epidermal cells of the roots, what might be a form of adaptation of these plants to presence of high concentrations of heavy metals in the environment. In case of A. halleri altered concentrations of zinc reduced the number 87

D

Diplomové a disertaãní práce

of cells in the elongation zone of the root epidermal cells and stimulated cell elongation in this zone. In that way this plant species is adapted to various concentrations of zinc in the environment, so altered concentrations of heavy metals do not reduce the root length of this plant species. We have investigated the protoplast resistance of mature leaf cells of three Arabidopsis species toward graded concentrations of zinc and copper. We found out, that A. halleri protoplasts tolerated ten fold higher concentrations of Zn (10-4 M) and Cu (10-5 M) than other two species. Our results showed, that copper is more toxic metal than zinc.

88

D

Diplomové a disertaãní práce Study of the genes responsible for chlorophyll biosynthesis in the dark.

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: Mgr. Viktor Demko Supervisor: prof. RNDr. Ján Hudák, DrSc. Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009 (89 p.)

Introduction Chlorophyll is a key pigment of photosynthesis. In the chloroplasts, chlorophyll forms pigmentprotein complexes which are integrated into the photosystems. Chlorophyll biosynthesis is under the metabolic control which coordinates synthesis of particular compounds of photosystems. During the dark phase of plant development (skotomorphogenesis), chlorophyll biosynthesis is blocked at the step of protochlorophyllide (Pchlide). Pchlide accumulates in the specific structures of etioplasts – a prolamellar bodies (PLB). Here it forms complex with NADPH and light-dependent protochlorophyllide oxidoreductase (LPOR). The Pchlide:NADPH:LPOR complex is stable until the etiolated plants are illuminated. Light activates reduction of Pchlide to chlorophyllide (Chlide) by LPOR-mediated phototransformation. Chlide is then converted to chlorophyll which is captured by chlorophyllbinding proteins to form photosystem complexes in the developing thylakoid membranes. There is necessary to prevent Pchlide over-accumulation in etiolated plants because of the risk of cell photodamage. Pchlide accumulation is inhibited at the step of aminlevulinic acid (ALA) synthesis by repression of glutamyl-tRNA reductase (GluTR) activity and expression. The FLU protein is a negative inhibitor of GluTR activity in angiosperm plants. In contrast to angiosperms, gymnosperm plants are able to reduce a part of the Pchlide in light-independent manner, using the light-independent Pchlide oxidoreductase (DPOR). DPOR enzyme is composed of the three protein subunits ChlL, ChlN and ChB, which are encoded by related plastid genes chlL, chlN and chlB. In

gymnosperm plants DPOR-mediated Pchlide reduction allows them to synthesize chlorophyll in the dark. However, angiosperms do not possess this enzyme and they are not able to form chlorophyll during skotomorphogenesis. The aim of this study was to determine expression of the plastid genes chlL, chlN, chlB, together with accumulation of the chlorophyll biosynthesis-related proteins (GluTR, FLP) in the P. abies and L decidua seedlings. Plastid differentiation was simultaneously observed. To analyze DPOR function in the moss Physcomitrella patens, which is not able to synthesize chlorophyll in the dark we have started to prepare chlL disruption constructs. Material and methods We used 7 and 14 day-old Picea abies (L.) Karst. and Larix decidua Mill. seedlings grown in thecontinual dark at 25 °C and under the circadian light conditions (14 h light at 100 mmol ◊ m–2 ◊ s–1 PAR/10 h dark at 25 °C.). A part of the 14 day-old dark-grown seedlings was illuminated for 24 h at 100 mmol ◊ m–2 ◊ s–1 PAR. To inhibit ALA synthesis in P. abies we treated the seedlings with 300 mmol ◊ l–1 gabaculine (3-amino-2, 3-dihydrobenzoic acid) solution. Physcomitrella patens (Hedw.) B.S.G. protonemal and gamethophore cultures were cultivated under the standardized conditions according to Schaefer (2001). To inhibit chloroplast division, ampicillin was added into the cultivation media at afinal concentration 100 mmol ◊ l–1. Plastid gene expression was analyzed using RT-PCR after isolation of total RNA and cDNA synthesis. 89

D

Diplomové a disertaãní práce

To analyze posttranscriptional modification of the chlB transcripts we used analytical restriction digestions of specific cDNA fragments followed by electrophoretic separation. Dynamics of DPOR subunits ChlL, ChlN, ChlB, and GluTR, FLP, D1, LHCIIb and LHCI protein accumulation was determined using a Western blot technique. For chlL disruption plasmid construction we used standard DNA cloning techniques (Maniatis et al., 1989). For anatomical and cytological observations we used light and fluorescence microscopy. Plastid ultrastructure was determined using a transmission electron microscopy. Results An etiochloroplasts were differentiated in the dark-grown P. abies cotyledons. The plastid membrane system was well developed and formed grana. The prominent starch grains, frequently occurred PLBs and plastoglobules were present in the plastid stroma. In the L. decidua cotyledons, a plastid ultrastructure has changed depending on the length of cultivation in the dark. An etiochloroplasts were formed in the 7 day-old seedlings, but typical etioplasts were present in the 14 day-old etiolated seedlings. In the gabaculine-treated P. abies seedlings, plastid ultrastructure was dramatically changed. Development of the plastid membrane system was blocked. Dominant part of the plastid inner space was occupied by large starch grains and the plastid stroma with small vesicles formed a thin layer around the plastid envelope. The genes encoding DPOR were expressed in both dark-grown seedlings and after their 24 h

illumination. However, changes were observed in RNA-editing efficiency of the L. decidua chlB transcripts. The rate of editing was the highest in the 7 day-old dark grown seedlings and then gradually decreased. Similar pattern was observed in the case of DPOR subunit accumulation. The level of DPOR was extremely low in the circadian-grown P. abies seedlings. We also determined decrease of chlL, chlN, chlB gene expression in the circadian-grown seedlings when compared with dark-grown ones. Gabaculinemediated disturbances in plastid development have no negative effect on DPOR-encoding gene expression, but the enzyme abundance decreased. On the other hand, the GluTR and FLP proteins accumulated in the gabaculine-treated cotyledons at the same level as observed in dark-grown control plants. The level of GluTR and FLP was lower only in the circadian-grown control plants. Chloroplast division was successfully inhibited in the P. patens cells. The protoplasts containing macrochloroplasts will be used in further experiments. We have also started to prepare a constructs for the chlL knock-out to determine the function of DPOR in the P. patens which is not able to synthesize chlorophyll in the dark. Conclusion Obtained results indicate that ALA synthesis and light-independent Pchlide reduction could be regulated at a different levels and in that way finally response to the actual physiological state of the plastids. These findings could be used as a background for detail studies focusing on specific features of chloroplast biogenesis in more ancient phototrophs.

90

D

Diplomové a disertaãní práce

Study of mustard (Sinapis alba L.) seedlings regeneration after antibiotics treatment

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor:RNDr.Adriana Machlicová Adviser: prof. RNDr. Ján Hudák, DrSc. Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2008 (165 p.)

Antibiotics cause many structural and physiological changes at plant organism. Generally, they inhibit chloroplast development from proplastids, differentiation of thylacoids and they can induce chloroplast degradation. Furthermore they destroy synthesis of some proteins essential to photosynthesis. This work deals with two types of antibiotics: an erythromycin inhibitor of proteosynthesis on plastid ribosomes, and cycloheximide inhibiting synthesis of proteins on cytoplasmic ribosomes. The cytokinins are known to stimulate cell division, plastid differentiation, chlorophyll and nucleic acid synthesis and they increase the activity of some enzymes. Exogenous application of cytokinins increases an endogenous level of cytokinins and induces plastid development. The inhibitory effects of antibiotics together with the reverse effects of kinetin provide a useful tool for studying proteosynthesis in plants. In this work we have observed the growth of mustard seedlings and the development of their photosynthetic apparatus after antibiotics treatment. From our experiments it is obvious that seeds germination is strongly inhibited only in the presence of cycloheximide in higher concentrations. Both, erythromycin and cycloheximide markedly reduced growth of seedlings. There was found dependence between the concentration of antibiotic in nutrient medium and the length of mustard roots and/or shoots. The higher concentrations of antibiotics decreased water content in leaf mesophyll tissues which resulted in increased content of dry mass. Furthermore, in our experiments kinetin was applied in order to eliminate effect of antibiotics. Kinetin improved the seedlings growth and increased the water content in mustard cotyledons. The first visible symptom of antibiotics action was the chlorophyll bleaching suggesting a decline in chlorophyll contents. However photosynthetic pigments are a very good indicator of antibiotics action, the effect of antibiotics on stage of photosynthetic apparatus via organization of leaf mesophyl and the chloroplast ultrastructure was also investigated. The content of total photosynthetic pigments decreased in dependence of antibiotic concentrations. Kinetin applied together with antibiotic increased the content of photosynthetic pigments significantly. The effect of cycloheximide and erythromycin to total protein content and to the protein spectrum was studied. However, cycloheximide is known as an inhibitor of proteosynthesis we found two times more proteins in cotyledons treated with this antibiotic. Thus we suppose that cycloheximide in high concentrations induces expression of stress proteins, which are known to be expressed after xenobiotics treatment. On the other hand, in case of erythromycine the protein content decreased. The stimulation effect of kinetin on protesynthesis showed only when applied together with cycloheximide. We suppose that kinetin activates intensive proteosynthesis to repair damaged organelles and diminishes the stress caused by cycloheximide. To compare the differences in total protein content in mustard cotyledons after various treatments the equal amounts of proteins from control and all treated variants were submitted to SDS-PAGE. Both antibiotics markedly influenced the protein spectrum. There was observed degradation till disappearing of high molecular proteins 91

D

Diplomové a disertaãní práce

and increasing in low molecular proteins mainly in cycloheximide profiles. To evaluate the differences in photosynthetic activity among the variants the amounts of Rubisco subunits in mustard cotyledons were determined. The proteins of Rubisco LS are synthesized on ribosomes in chloroplasts and those of Rubisco SS on cytoplasmic ribosomes. Based on antibiotic character to inhibit proteosynthesis on plastid or cytoplasmic ribosomes we supposed the lower amount of Rubisco LS or SS. The antibiotics in the highest concentrations alone decreased amounts of Rubisco subunits markedly while in kinetin treated seedlings the amounts of large and small Rubisco subunits showed similar profiles to untreated seedlings. Leaf anatomy of the mustard cotyledons is typical for dicotyledonous plants with cylindrical palisade cells and oval spongy parenchyma cells. After antibiotics treatment the mesophyll cells had irregular shape, larger intercellular spaces and the vacuolar volume was smaller. The latter might correspond with the cycloheximide-induced water loss in cotyledons. In vacuoles of mesophyll and epidermal cells numerous inclusions of different size occurred. These results may indicate that under antibiotic treatment some superfluous material is translocated into the vacuoles in the form of dark inclusions. This process could be involved in the quality control of organelles. After application of cycloheximide with kinetin the mesophyll cells contained similar but smaller inclusions while after erythromycin with kinetin application leaf mesophyll did not differ from the control one. The ultrastructural responses confirm mesophyll cell disturbation by antibiotics. Chloroplasts had irregular shape and there were found chloroplast protrusions, which in case of erythromycin trenched on the one third of whole plastid and are formed cup-shaped chloroplasts. The membrane system of chloroplasts was reduced however number of elongated grana with less thylacoids were present. This could correspond with the presence of reduced amount of chlorophyll after antibiotics application. After cycloheximide treatment there were many areas of phytoferritin in stroma. Kinentin has a positive effect on development of antibiotic-treated chloroplast and the membrane system was formed better. Results of our experiments clearly show that antibiotics used in our experiments delayed seedlings development and damaged photosynthetic apparatus of mustard cotyledons. On the other hand we managed to demonstrate that kinetin application diminished effects of antibiotics and lead to regeneration of mustard cotyledon cells and tissues. The responses of molecular constituents of the photosynthetic system to antibiotics alone and in combination with kinetin correlated with structural alterations of mesophyll and chloroplasts.

92

D

Diplomové a disertaãní práce The development and function of endodermal cells of Arabidopsis thaliana primary roots

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: Mgr. Michal Martinka Supervisor: prof. RNDr. Alexander Lux, DrSc. Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009 (130 p.)

The aim of the thesis „The development and function of endodermal cells of Arabidopsis thaliana primary roots“ is to elucidate the development and the function of apoplastic barriers in endodermal cells of Arabidopsis thaliana primary roots. The results are based on experiments comparing the 7-days old plants of the wild type Ler and genotypes with modified endodermal development – shr, scr3, and scz. The anatomy of primary roots and endodermal development on cytological level were analyzed and their relationship to the biomass production, growth rate, cadmium uptake and translocation were compared after 0 mM (control), 10 mM and 100 mM Cd(NO3)2 ◊ 4 H2O respectively. The present thesis extends the previous knowledge about endodermal cell development on ultrastructural level and their physiological function in important model plant species Arabidopsis thaliana. The main results are: – Endodermal cells of primary roots in wild type Ler develop in two stages. In the first stage Casparian bands develop on anticlinal cell walls closer than 2 mm from the root apex. Thereafter suberin lamellae develop on the inner surface of primary cell walls with position effect starting opposite to the phloem poles in the distance of 8–10 mm from the root apex. – Endodermal cells in the vicinity of lateral root primordium develop sooner and deposit thicker suberin lamellae compared to the more distant cells. On the lateral root base the endodermal cells of morphologically different shape develop a collet, which probably forms a mechanically and functionally safer connection between endodermal cells of primary and lateral root. – Primary roots of shr genotype form neither endodermal cells nor Casparian bands and suberin lamellae. However, electrondense Casparian band-like material is deposited ectopically to the middle lamellae between thecell walls of almost all root tissues. – The cell to cell contact is required for the spatial control of Casparian band development in endodermis. Primary roots of scr3 genotype form unstable number of endodermal cell files (3–6 on cross section). Separately developed endodermal cell or non-differentiated/non-divided cortical cell deposits the Casparian band-like material to the connection of its anticlinal cell wall and tangential cell wall of neighbouring pericycle cell. On the other hand two developing neighbouring endodermal cells form the typical Casparian band on the neighbouring anticlinal cell walls. – The endodermal cells of scz genotype are atypically multiplicated. The primary roots form one or more additional endodermal cells or even the whole additional layer (on cross section). – The apoplastic barriers develop closer to the root apex after 100 mM cadmium nitrate treatment. Casparian bands start to develop at 1.2 mm and suberin lamellae at 2.7 mm from the root apex. – Cadmium nitrate causes the widening of Casparian bands and thicker deposits of suberin lamellae in endodermal cells compared to the control. – The Casparian bands and the deposits of lamellar suberin are significantly more extensive in scr3 and scz genotypes compared to those of wild type Ler. 93

D

Diplomové a disertaãní práce

– Cadmium nitrate at 100 mM concentration inhibits fresh and dry biomass production and has xeromorphic effect (decreases the amount of water) in the roots, shoots and the whole plants of Arabidopsis thaliana. – Endodermal cells with apoplastic barriers maintain the water in the plants and decrease the xeromorphic effects of cadmium. Genotype shr, characteristic by the absence of typical endodermis, accumulates the highest amount of cadmium compared to the other investigated genotypes. After effect of cadmium nitrate the shr genotype has the lowest ability to maintain the water compared to the other investigated genotypes. This work was supported by grants 1/4354/07 from Slovak Grant Agency VEGA, COST 0004-06 from Slovak Research and Development Agency APVV, MVTS COST 859 from Ministry of Education of the Slovak Republic, and by grants UK/201/2005, UK/239/2006, UK/285/2007 from Comenius University.

94

D

Diplomové a disertaãní práce Chlorophyll biosynthesis and photosynthesis in seedlings of gymnosperm species

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: Mgr. Andrej Pavloviã Supervisor: prof. RNDr. Ján Hudák, DrSc. Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2009 (147 p.)

Introduction The development and maintenance of life on Earth is predominantly dependent on photosynthesis, which transforms the radiant energy, coming from the sun into the chemical energy stored in various molecules. In eukaryotic organisms, the photosynthetic process takes place in the chloroplast. Light is an important modulator of chloroplast development and formation of photosynthetic apparatus in angiosperm plants. Light is needed to initiate and maintain chlorophyll (Chl) biosynthesis, because the reduction of protochlorophyllide (Pchlide) to chlorophyllide (Chlide) is catalyzed by photoenzyme light-dependent NADPH:protochlorophyllide-oxidoreductase (LPOR). In addition, light also stimulates synthesis of the universal tetrapyrrole precursor – aminolevulinic acid (ALA). In dark-grown angiosperms, proplastids develop to etioplast, no Chl is synthesized and the chlorophyll precursor Pchl(ide) is accumulated. The etioplasts contain prolamellar bodies (PLB) and prothylakoids (PT). The most abundant protein in PLB is LPOR. In the dark, LPOR binds Pchlide and NADPH and form a ternary complex. After illumination the Pchlide is reduced to Chlide and transition from etioplast to chloroplast begins. However, anoxygenic photosynthetic bacteria as well as cyanobacteria, non-vascular plants, ferns and gymnosperms are capable of chlorophyll formation in the dark, because they have light-independent protochlorophyllide-oxidoreductase (DPOR). Anoxygenic photosynthetic bacteria contain only DPOR, remaining organisms have both: LPOR and DPOR. This enzyme consists of three subunits encoded by the chlB, chlL and chlN genes in the plastid genome. As a result, proplastids of these plants develop to chloro-etioplasts with PLB and form grana stacks like ordinary thylakoids. The chlorophyll formed in darkness is localized within the ordinary chlorophyll-protein complexes: photosystem I (PSI) and photosystem II (PSII). Whereas, many aspects of light-dependent Chl biosynthesis are well established, many aspects of Chl biosynthesis in the dark are poor known. Therefore, this thesis focus on chlorophyll metabolism, development of photosynthetic apparatus and photosynthetic assimilation in the presence and in the absence of light in four gymnosperm species with different ability of Chl biosynthesis in the dark. Materials and Methods The seeds of four gymnosperm species (Picea abies, Pinus mugo, Larix decidua, Gingko biloba) were sown on moist filter paper or perlit in Petri dishes and germinated in growth chamber either with 12 hour photoperiod with an illumination 100 mmol m–2 s–1 PAR or in complete darkness at 25 °C for 15 days. For greening experiment, 15-days old seedlings were exposed to continuous illumination and the photo-transformation was analyzed at regular intervals. Gabaculine and aminolevulinic acid were used for inhibition or stimulation of chlorophyll biosynthesis. Chlorophylls from 100 mg of cotyledons were extracted with chilled 80 % acetone (v/v). After centrifugation the chlorophyll a + b content was determined spectrophotometrically (Jenway 6400, London, UK) and calculated according to Lichtenthaler (1987). The amounts of Pchlide in hexane95

D

Diplomové a disertaãní práce

washed acetone extracts were spectro-fluorometrically (Shimadzu, RF-5301 PC, USA) measured at lex 438 nm/ lem 633 nm and quantified using standard according to Koski and Smith (1948). The presence of protoporphyrine IX (ProtoIX) was detected in the same extracts at lex 402 nm/ lem 595 nm. ALA synthetic activity was determined spectro-photometrically according to Alawady & Grimm (2005). To analyze the native arrangement of chlorophyllous pigments, low-temperature (77K) fluorescence spectra were recorded. Fluorescence emission spectra at low temperature in liquid nitrogen were measured with the Fluorolog spectrofluorometer (SPEX, USA). Rate of photosynthesis (PN) and respiration (RD) were measured with a portable infrared gas analyzer Ciras-2 (PP-Systems, Hitchin, UK). In vivo chlorophyll fluorescence was recorded using fluorimeter FMS-2 (Hansatech, Norfolk, UK) and Fluorcam FC-1000 LC (Photon System Instruments, Brno, CZ) adapted to Ciras-2. Maximum (Fv/Fm) and effective quantum yield of photosystem II (FPSII) and photochemical (qP) and in some cases non-photochemical quenching (NPQ) were calculated according to Maxwell and Johnson (2000). Ultrastructure of plastids was observed by using of transmission electron microscope (Jeol FX 2000, Tokyo, Japan). Results The studied species of gymnosperms markedly differ in their ability to synthesize Chl in darkness. The highest Chl content was found in cotyledons of Picea abies, followed by Pinus mugo and Larix decidua, which produces only traces amount of Chl in the dark. We did not detect any Chl in darkgrown G. biloba. The ability of Chl biosynthesis correlates in the dark well with ultrastructure of plastids. P. abies develop typical chloro-etioplast, whereas plastids in L. decidua resemble typical etioplasts of angiosperm plants. Due to the capability of conifers for dark Chl formation accumulation of Pchlide have been questioned. We found that Pchlide accumulates in the dark in both forms: free and bound to PLB. The highest concentration of Pchlide was found in P. abies, followed by P. mugo and L. decidua and only traces were found in dark-grown G. biloba. It is believed that Pchlide acts as negative and light as positive regulator on ALA synthesis in angiosperms. However, in P. abies ALA synthetic activity is high in the presence of Pchlide and in the absence of light, what suggest that also another factors regulates ALA synthesis in this plant. Moreover, light only slightly stimulates ALA synthetic activity. In this respect, L. decidua behaves as typical angiosperm plants – ALA synthesis is low in thedark and light rapidly stimulates ALA formation. Pinus mugo represents an intermediate form between these two extremes. The greening process in G. biloba is extremely slow and ALA synthetic rate is low even after 12 hours of illumination. Chlorophylls in conifer’s cotyledons in the dark are bound preferentially to PSII. In species with the high Chl content in dark like P. abies, Chl is also bound to PSI. Although, in dark-grown seedlings of P. abies a PSII and PSI reaction center were assembled, maximum quantum yield of PSII (Fv/Fm) is low. Also CO2 uptake remains very low after immediate illumination, indicating that PSII is not active. After prolonged illumination (up to 48 hours), the ratio of PSI to PSII increase as well as chlorophyll fluorescence parameters and CO2 assimilation. G. biloba needs more than 48 hours, L. decidua 24–48 hours and P. abies and P. mugo 1–6 hours to achieve the values comparable with circadian-grown plants. Exogenous application of ALA increased ProtoIX, Pchlide and Chl content in P. abies what support the idea that ALA is a rate limiting step in Chl biosynthesis in the dark. The surplus chlorophyll (15 %) is probably bound to light harvesting complex of PSII (LHCII). We suggest that these LHCII are not energetically connected with reaction center of PSII what result in high low temperature fluorescence at 682 nm. Gabaculine inhibited chlorophyll synthesis in the dark. The Pchlide content in the dark is reduced, although both forms of Pchlide are present. No or weak chlorophyll fluorescence from PSI was detected, indicating that the Chl are preferentially bound to proteins in PSII. Gabaculine-treated darkgrown plants have no PN and FPSII was inhibited to the same extent than light-grown ones. It was proposed that Chl biosynthesis in the dark is a part of molecular basis for shade tolerance of some gymnosperms, but we did not find any convincing evidences confirming this hypothesis. We cultivated P. abies, P. mugo and L. decidua in sun and deep shade conditions. In general, the highest chlorophyll content and the highest values of chlorophyll fluorescence parameters Fv/Fm and FPSII were determined in Picea deep shade cotyledons among studied species. On the contrary, the same chlorophyll fluorescence parameters were the lowest in Picea sun cotyledons, although the chlorophyll 96

D

Diplomové a disertaãní práce

content was still the highest. The opposite was found in Larix with the highest values of the same fluorescence parameters found in sun treatment and the lowest in deep shade treatment among studied species. These results support the observations that Picea abies is a shade tolerant species and Larix decidua is a heliophyte species. Pinus mugo showed intermediate characters, but in general is closer to Larix. Despite higher FPSII and Chl content in Picea deep shade cotyledons, the PN was not higher, but was even lower than in Larix. This indicates that surplus chlorophyll in Picea abies growing in deep shade did not provide competitive advantage in term of CO2 fixation and no benefit was found. Conclusion We found that Chl biosynthesis in the dark have different regulation mechanism in comparison to Chl synthesis in the light, mainly the factors that regulates the key step in Chl biosynthesis – ALA formation. In species with restricted ability of Chl synthesis in the absence of light, no precursor of Chl is accumulated in higher amount, indicating that all tetrapyrroles biosynthetic pathway is downregulated. This mechanism is required in gymnosperms to avoid photodamage upon light exposure. We showed that assembly of photosynthetic apparatus and plastid ultrastructure correlate well with ability of Chl synthesis in the absence of light. Despite high Chl content in the dark in some conifer species, the values of Fv/Fm indicate that seedlings need the light for photoactivation of PSII and effective photosynthetic assimilation of CO2. We demonstrated that ALA formation is a rate limiting step in Chl biosynthesis in the dark and we showed that the highest chlorophyll synthesis in the dark is confined to shade adapted species P. abies, but we did not find any competitive advantage that could be provided by DPOR in this environment.

97

D

Diplomové a disertaãní práce Comparative study of Thlaspi spp. roots in relation to metal hyperaccumulation

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: Mgr. Ivan Zelko Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. Department of Plant Physiology, 2008 (119 p.)

Metal hyper-accumulation in plants is an intriguing and still unclear phenomenon. Present work deals with two plant species characterized by contrasting response to presence of cadmium and zinc. Tolerant and hyperaccumulating species Thlaspi caerulescens was compared with closely related Thlaspi arvense – sensitive and non-accumulating. This work is focused on the root structure and the development of endodermis. Plants were cultivated in perlit, on filter paper, in hydroponics and on agar media in vitro. Different concentrations of Cd(NO3)2 ◊ 4 H2O were used. From cultivations used, the cultivation of seedlings in vitro was the most suitable for examination of factors affecting root structure and root growth. Samples were investigated using light, fluorescence, TEM and cryo-SEM microscopy with different staining, especially for visualization of Casparian band and suberin lamellae. Root growth parameters, lignin structure and zinc localisation were examined. The most striking structure formed close to the root tip in T. caerulescens, but not in T. arvense, is the peri-endodermal layer of cells with irregularly thickened inner tangential walls (Broadley et al, 2007, Zelko et al. 2008). This layer observed in some species of Brassicaceae by early anatomists and described as ‘réseau sus-endodermique’ is composed of irregularly thickened secondary cell walls impregnated by lignin, and it forms a compact cylinder encircling the endodermis. The precise function of the lignified cell wall thickening of the periendodermal layer of T. caerulescens is unclear at present. Some possible roles are discussed and its potential relation with metal hyperaccumulation and/or tolerance should be investigated. The differences in the relative proportions of individual root tissues (rhizodermis, cortex, stele and endodermis, examined on the cross sections) of the two species were found. In T. caerulescens higher proportion of endodermis and lower proportion of cortex comparing with T. arvense was determined. Other interspecific differences were found in the root diameter, rhizodermal cell dimensions, cortical cells arrangement and their number, contact between endodermal and mezodermal cells. Casparian bands and suberin lamellae are formed closer to the root apex in T. caerulescens. Cadmium influenced the relative proportions of tissues examined on the cross sections. In T. caerulescens the proportion of rhizodermis decreased and the proportions of endodermis and outer cortex slightly increased. Relative proportions in T. arvense were affected only insignificantly. Cadmium also shifted formation of cortical cell wall modifications closer to the root apex which was more noticeable in T. arvense. Faster root growth was recorded in T. arvense. Cadmium at higher concentrations inhibited root growth in both species. Surprisingly, at low concentrations, cadmium slightly stimulated root growth in both species. GC-MS and GPC analysis of thioacidolysis products (in situ solvolysis of lignin) showed interspecific differences. There were different proportions of lignin monomers and there is higher number of condensed bonds in lignin structure of T. caerulescens. This work was partially supported by grants 1/0100/03 from Slovak Grant Agency VEGA, UK/238/2004 and 97/2003/UK from Comenius University in Bratislava, 51-013304 from Slovak Research and Development Agency APVV, COST Action 837 and COST Action 859 and COST 0004-06- APVV. 98

D

Diplomové a disertaãní práce

Activation of non-photochemical quenching mechanisms of absorbed light energy in lichen thalli exposed to desiccation stress

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Alena Moudrá Vedoucí práce: prof. Ing. Milo‰ Barták, CSc. Oddûlení fyziologie a anatomie rostlin, Ústav experimentální biologie PfiF Masarykovy univerzity, Brno, 2009/6 Kontakt: [email protected]

The aim of this diploma thesis was quantification of protective mechanisms activated in photosynthetic apparatus of lichen symbiotic algae/cyanobacteria during the process of lichen thalli desiccation. Lichens are poikilohydric symbiotic organisms that tolerate desiccation. They survive in dry state by inactivation of their metabolic activity. After rehydration, they are capable to restore their physiological activity in terms of minutes. However, lichens are not able to control water content in their thalli. Thefore, they desiccate and, consequently lose their photosynthetic activity quite rapidly. To evaluate desiccation-induced mechanisms, several different techniques of chlorophyll a fluorescence measurements were used in selected lichen species. Comparative measurements of photosynthetic dehydration response curves were made in Peltigera sp., Xanthoria elegans, Hypogymnia physodes, Cladonia cf. Macilenta, Cladonia cf. Fimbrilata, Cetrariella delisei,, Xanthoparmelia sp., Umbilicaria decussata, Nostoc commune, and Lasallia pustulata. Specimen of lichen thalli were collected in several locations in the Czech Republic, Antarctica (James Ross Island), and Svalbard (Petunia bukta). In a laboratory, the lichen thalli were wetted for 24 h to reach optimum thalli hydration and than gradually dried at room temperature under photon flux density either 800 mmol m–2 s–1 (high light) or 3.5 mmol m–2 s–1 (low light). During this process the degree of desiccation was measured as water potential (WP) by Dewpoint Water Potential Meter WP4-T (Decagon, USA) and, simultaneously, the quantum yield (FII) of photochemical processes of photosystem II (PSII) (fluorometer Opti-Science) together with Kautsky kinetics using the method of saturation pulses (fluorometer PAM-2000). The values of non-photochemical quenching were calculated from the Kautsky kinetics and the contents of xanthophyll cycle pigments and chlorophylls were evaluated by HPLC. According to the data obtained by the HPLC analysis, there were differences found in non-photochemical quenching and the de-epoxidation state of the xanthophyll cycle pigments between the high light and the low light experimental treatments, however both treatments have followed the same trend. Both DEPS and NPQ values increased with the progressive desiccation of the lichen thalli. Decrease in water potential (WP) from full saturation (WP = 0 MPa) to –6 MPa did not lead to substantial loss in FII majority of cases. During following dehydration, at WP values below –6 MPa, all experimental species showed more or less constant rates of FII decrease. Critical WPs, at which photosynthetic processes were severely limited by water loss and, finally, fully inhibited, were estimated –20 MPa for Xanthoria sp. and –30 MPa for N. commune. The decrease in FII with more pronounced desiccation is rather general phenomenon in lichens associated with dehydration-induced inhibition of primary photosynthetic processes. In PSII, it comprises mainly functional disconnection of LHCs from PSII core and consequent decrease in light driven processes in the PSII center. The photosynthetic dehydration-response curves showed biphasic relation between the FII and the water potential. Therefore, photosynthetic activity does not appear being limited during the early stages of lichen desiccation, but starts be inhibited when the values of water potential drop below –8 MPa. 99

D

Diplomové a disertaãní práce

Recent measurements of quantum yield performed at the non-lichenized Nostoc commune have revealed that the cynobacterium exhibited gradual loss of photosynthetic activity. The response of FII to decerasing WP did not showed biphasic character, however, critical WP was found wery low comparably to Umbilicaria antarctica (unpublished data). Therefore, N. commune may retain its photosynthetic activity even at severe water loss which might be particularly advantageous in Antarctic habitats with low availability of liquid water. lichen, dehydration, photosynthesis, chlorofyll fluorescence, non-photochemical quenching

100

D

Diplomové a disertaãní práce

Studium prÛbûhu lignifikace xylému u transgenních rostlin tabáku Nicotiana tabacum s modulovanou biosyntézou cytokininÛ Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Veronika Protivová Vedoucí práce: RNDr. Jaroslava Dubová, CSc. Konzultant: Prof. Bfietislav Brzobohat˘, CSc. Oddûlení fyziologie a anatomie rostlin, Ústav experimentální biologie PfiF Masarykovy univerzity, Brno, 2009/6 Kontakt:[email protected] [email protected]

Diplomová práce se zab˘vá studiem dopadu zv˘‰ené hladiny rostlinn˘ch hormonÛ cytokininÛ na strukturu xylému u transgenních rostlin tabáku (Nicotiana tabacum L. cv. Petit Havana SR1), které obsahují transkripãnû aktivaãní systém pOp/ipt – 35S/LhGR. Uveden˘ transkripãnû aktivaãní systém umoÏÀuje aktivaci exprese zájmového genu aplikací dexamethasonu. V tomto pfiípadû je genem zájmu bakteriální ipt, kódující izopentenyl transferázu, která reguluje první krok biosyntézy cytokininÛ. DÛsledkem aktivace ipt po aplikaci dexamethasonu je zv˘‰ená biosyntéza cytokininÛ. Rostliny dvou homozygotních linií transgenního tabáku vykazovaly po aktivaci dexamethasonem niωí vzrÛst, potlaãenou apikální dominanci, na vyvinut˘ch listech vznikaly nekrotické léze a novû rostoucí mladé listy byly v˘raznû zvlnûné, chlorotické s men‰í listovou plochou ve srovnání s rostlinami neaktivovan˘mi, ãi netransformovan˘mi kontrolami. Pracovní hypotéza pfiedpokládala, Ïe zvy‰ování poãtu cév a jejich rychlej‰í lignifikace, která by znemoÏnila prodluÏování cévních elementÛ a zabraÀovala tak následnému zvût‰ování listové plochy, mohly b˘t indukovány zv˘‰enou hladinou endogenních cytokininÛ po transkripãní aktivaci ipt. Experimentální rostliny byly kultivovány v klimaboxech Percival pfii fotoperiodû 16h/8h, intenzitû osvûtlení 120 mmol fotonÛ ◊ m–2 ◊ s–1, teplotû 24 °C/ 21 °C a relativní vzdu‰né vlhkosti 70 %. Za 5 t˘dnÛ kultivace, kdy rostliny dosáhly v˘‰ky asi 15 cm, byla polovina rostlin o‰etfiena zálivkou roztokem dexamethasonu, kontrolní rostliny byly zality blankem bez dexamethasonu. Odbûry vzorkÛ orgánÛ experimenálních rostlin byly provádûny 1., 3. a 5. den po zálivce rostlin. Histochemická Wiesnerova detekce ukládání ligninu byla provádûna na ãerstv˘ch i na parafínov˘ch fiezech. âást parafínov˘ch fiezÛ byla nabarvena sukcesivním podvojn˘m barvením alciánovou modfií a hlinit˘m lakem jaderné ãerveni. Poãty lignifikovan˘ch cév v xylémové ãásti svazkÛ cévních a délkové parametry byly hodnoceny pomocí programu Image Tool for Windows (IT 3.00). Získan˘mi v˘sledky se pracovní hypotézu nepodafiilo jednoznaãnû potvrdit. Aktivované varianty transgenních rostlin nevykazovaly vÏdy prokazatelnû zv˘‰en˘ obsah lignifikovan˘ch cév xylému oproti variantám neaktivovan˘m. V nûkter˘ch pfiípadech bylo dokonce zji‰tûno, Ïe rostliny kontrolní mûly více lignifikovan˘ch cév neÏ aktivované rostliny transgenní. Velk˘ podíl na rozdílech mezi jednotliv˘mi experimentálními variantami mûla biologická variabilita materiálu. âasové intervaly odbûru materiálu po aplikaci dexamethasonu byly relativnû krátké, aby se vliv exprese ipt a následnû zv˘‰ená hladina cytokininÛ odrazila ve stavbû cévních svazkÛ. Mnohem v˘raznûji byl tento vliv patrn˘ u apikálních meristémÛ, které byly u v‰ech aktivovan˘ch variant ‰ir‰í ve srovnání s variantami dexamethasonem neaktivovan˘mi. Ve stavbû cévních svazkÛ stonkÛ se po aktivaci pOp/ipt projevily rozdíly aÏ po del‰ích intervalech kultivace, které nebyly jiÏ souãástí této diplomové práce.

101

D

Diplomové a disertaãní práce

The effects of arbuscular mycorrhizal fungi and rhizosphere bacteria on maize (Zea mays L.) growth

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Martin Rozmo‰ Vedoucí práce: RNDr. Milan BaláÏ, CSc. Oddûlení fyziologie a anatomie rostlin, Ústav experimentální biologie PfiF Masarykovy univerzity, Brno, 2009/6 Kontakt: [email protected]

Two pot experiments were performed in the frame of my diploma work. They were aimed to quantify the effects of selected soil microorganisms on plants growth. The first experiment focused on the effects of three arbuscular mycorrhizal fungi species and two rhizobacteria species on the shoot mass formation in maize (Zea mays L.). In the second experiment, the effects of three commercially available products, Biovin, TurfComp and Symbivit, on the growth and branching of red fescue (Festuca rubra L.) under three water regimes were quantified. All the rhizosphere microorganisms tested in my experiment did not affected maize growth. This outcome may be explained by a low colonization of maize roots by arbuscular mycorrhizal fungi caused by a short period of maize cultivation, by a limited volume of cultivation pots or by a high content of mineral nutrients in soil used. The growth of F. rubra was positively affected in some treatments. For example, Biovin stimulated the growth of red fescue aboveground parts. However, I was not able to determine the mechanism of this stimulation, which in principle may be either changed soil microbial community or nutrients added to the substrate with the commercial products tested. No differences in red fescue branching were observed. My results suggest that application of rhizosphere microorganisms is a possible way to enhance plant vitality and if used, the need of watering and fertilizing may be reduced. Practical application of this technology is however still very limited namely due to high dependency of its outcome on many ecological factors. Both the above-specified experiments were included into the frame of large-scale testing and development of effective and commercially availabe biotechnologies. Using such biotechnologies in common plant production practice it would help to reduce costs related to plant fertilization and watering. Such approaches are of great importance for future agriculture and biotechnology. arbuskulární mykorhiza, rhizosférní bakterie, PGPR efekt, produkce biomasy, kukufiice setá, kostfiava ãervená, Zea mays, Festuca rubra

102

D

Diplomové a disertaãní práce Vliv iontÛ tûÏk˘ch kovÛ na kulturu léãivé rostliny klanopra‰ky ãínské in vitro

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Ing. Zuzana Tesafiíková Vedoucí práce: Ing. Helena Vla‰ínová, Ph.D. Oponent: RNDr. Libu‰e Rauscherová, CSc. Ústav biologie rostlin, AF MZLU, Brno, jaro 2009

Hlavním tématem práce bylo studium vlivu tûÏk˘ch kovÛ olova a kadmia na somatická embrya s ohledem na tvorbu a obrann˘ch mechanizmÛ, pfiedev‰ím sekundárních metabolitÛ. Jako rostlinn˘ model byla v této práci pouÏita embryogenní kultura klanopra‰ky ãínské, léãivé rostliny, která produkuje farmaceuticky v˘znamné úãinné látky, mezi nimiÏ jsou nejznámûj‰í dibenzocyklo[a,c] oktadienové lignany Cílem této práce bylo na základû shrnutí souãasn˘ch poznatkÛ o vlivu tûÏk˘ch kovÛ, pfiedev‰ím olova a kadmia na rostliny, studovat reakce embryogenní kultury na rÛzné koncentrace kadmia v kultivaãním médiu a porovnat je s úãinky olova, pfiedev‰ím s ohledem na rÛstové parametry a na produkci sekundárních metabolitÛ, lignanÛ. Dále potom na základû studia thiolov˘ch slouãenin a salicylové kyseliny zobecnit závûry experimentÛ a porovnat je s údaji z literatury z hlediska moÏného vyuÏití tûÏk˘ch kovÛ jako elicitorÛ pfii produkci lignanÛ in vitro. Vybrané bunûãné line byly kultivovány na membránov˘ch raftech nebo mÛstcích z buniãité vaty na tekutém médiu, které obsahovalo rÛzné koncentrace kadmia (0, 50 mM, 250 mM a 500 mM). Kultivace probíhala po dobu pûti t˘dnÛ v kultivaãní místnosti za tmy a pfii teplotû 23 ± 2 °C. Stanovení lignanÛ, thiolov˘ch slouãenin a SA bylo provádûna metodou HPLC. Pokud jde o thioly, u oxidovaného glutathionu a fytochelatinu 4 se zvy‰ovala jejich produkce se stoupající koncentrací kadmia v médiu. Pfii porovnání vlivu koncentrací olova a kadmia v médiu bylo zji‰tûno, Ïe olovo má podstatnû vy‰‰í vliv na produkcí thiolov˘ch slouãenin. Produkce nûkter˘ch thiolov˘ch slouãenin se vlivem olova zv˘‰ila aÏ 250krát oproti thiolov˘m slouãeninám, které byly produkovány vlivem kadmia. Je zfiejmé, Ïe olovo i kadmium se v podmínkách in vitro chovají odli‰nû. Hodnoty hladin lignanÛ v pokusech ovlivnûn˘ch kadmiem byly nízké, ãasto pod mezí detekce. Olovo naproti tomu ovlivnilo v˘znamnû produkci schizandrinu a gomisinu N. Anal˘za thiolov˘ch slouãenin poukazovala také na mnohonásobnû vy‰‰í hodnoty u variant ovlivnûn˘ch olovem. Produkce thiolov˘ch slouãenin i lignanÛ hraje v rostlinné buÀce ochranou roli. Jejich hladiny v pletivech a buÀkách jsou vysoké, aby mohly úãinnû ochránit rostlinu pfied stresem, vyvolan˘m napfiíklad pfiítomností tûÏkého kovu. Olovo, tedy mÛÏe b˘t jedním z nástrojÛ, díky kterému lze produkci tûchto sekundárních metabolitÛ ovlivnit.

103

D

Diplomové a disertaãní práce Study of orchid mycorrhiza using fungicides Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: Ing. Krist˘na BaláÏová, Ph.D. Vedoucí práce: prof. RNDr. Jan Gloser, CSc. Oddûlení fyziologie a anatomie rostlin, Ústav experimentální biologie PfiF Masarykovy univerzity, Brno, 2009/9 Kontakt: [email protected]

In spite of more than a century lasting research on orchid mycorrhiza, many aspects of its functioning were not elucidated adequately till now. One of the reasons of this situation is the lack of the method suitable for creation of plants with restricted development of orchid mycorrhiza (OM). These plants are a prerequisite for many types of experiments studying e.g. the role of OM in mineral nutrients or water uptake by orchids, effects on orchid growth and competition abilities or quantifying exchange of carbon compounds between the partners associated in OM. Aims of this Ph.D. thesis were 1) to test selected fungicides on their abilities to stop growth or to decrease the viability of extraradical mycelia (ERM) of OM fungi; 2) using a suitable fungicidal treatment, to quantify carbon nutrition of green-leaved photosynthesizing orchid Serapias strictiflora and the mycorrhizal Epulorhiza sp. ERM associated with it. Benzimidazoles, i.e. compounds inhibiting biosynthesis of ß-tubulin were tested in my experiments. Thiabendazole (10 mg ◊ l–1 – TBZ 10 or 50 mg ◊ l–1 – TBZ 50) was chosen as it was successfully used in three studies on OM in the eighties. Benomyl (1 g ◊ l-1) was tested because its common use for the reduction of arbuscular mycorrhiza. Eradicative effect of benomyl and TBZ 10, assessed as the ERM relative length showing NADH-dehydrogenase activity, was not observed when these fungicides were applied on fully developed ERM in lateral hyphoboxes (a part of rhizobox system). If benomyl and TBZ 10 were used to treat extracted ERM (24 hrs, in vitro), TBZ 10 decreased the ERM viability substantially, to 19 % of controls. The growth of mycelia into hyphoboxes filled with substrate pre-soaked with fungicides were assessed using inserted membrane technique for extraction, staining of the ERM by trypan blue in lactoglycerol and quantifying the ERM length using microphotographs. In two independent experiments using Serapias lingua, Orchis italica and Ophrys ciliata as host species, benomyl a TBZ 50 eliminated the ERM growth, while TBZ 10 did not. Based on these two experiments, we suggested benomyl as highly efficient fungicide capable to stop growth of the ERM. However, the results of following experiments showed that the efficiency not only of benomyl, but also of other fungicides change substantially depending on 1) application timing – for sufficient effect it is necessary to apply fungicides before the mycorrhiza is established; 2) fungicide concentration; 3) point of application – if applied to whole mycorrhizosphere volume, the fungicides were much less effective compared to application into lateral hyphoboxes only; 4) content of organic matter in the substrate – both decaying maize roots or addition of peat-based substrate reduced or nullified efficiency of some fungicides. Carbon nutrition of the orchid S. strictiflora (C3 plant) and its mycorrhizal symbiont Epulorhiza sp. was quantified using carbon isotopes composition (d13C) of their tissues. The decaying maize roots (C4 plant) were used as a complex source of carbon compounds for potential fungal saprotrophy. The results did not confirm any contribution of myco¬heterotrophy to the carbon nutrition of adult photosynthesizing S. strictiflora plants. The isotopic composition of the ERM associated with orchid roots only reflected full fungal biotrophy. However, when the fungus had access to and colonized the decaying maize roots, its nutrition was (in term of amount of carbon substance) 31 % saprotrophy and 69 % biotrophy. This result is to my best knowledge the first exact placement of the ERM from any mycorrhizal association into the biotrophy-saprotrophy continuum. fungicidy, mimokofienové mycelium, mykorhiza, Orchidaceae, d13C, extraradical mycelia, fungicides, mycorrhiza 104

D

Diplomové a disertaãní práce The use of in vitro cultures for effect assessment of persistent organic pollutants on plants Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: RNDr. Lucie VáÀová, Ph.D. Vedoucí práce: doc. RNDr. Marie Kummerová, CSc. Oddûlení fyziologie a anatomie rostlin, Ústav experimentální biologie PfiF Masarykovy univerzity, Brno, 2009/9 Kontakt: [email protected]

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are an important group of organic pollutants which is under strong attention of the scientific community. Many PAHs are carcinogenic, mutagenic and teratogenic. PAHs are characterized as toxic, persistent and bioaccumulative compounds which occur in all parts of the environment. Higher plants are an integral component of the terestric ecosystem. They have abilities to take up, transform and accumulate these compounds. Plants standing at the beginning of the food chain enable the xenobiotic compounds to penetrate into the higher trophic levels. Bioavailability studies have become one of fundamental approach of research. They are essential to understanding of occurrence of toxic compounds in a plant organism. This approach helps to find toxicity mechanisms of chemicals. It is a sensitive and predictive approach to characterize a chemical risk in the environment. With regards to this fact and rising level of pollution load, it is just searching and using of new methods for early indication of presence of abiotic or biotic stressors in the environment. Plant tissue cultures have not yet been used for study of organic pollutants. They may be a suitable experimental tool, with the regard to their relatively little spatial and financial demands. This work is focused on the use of in vitro cultures for study of the effect of organic polutant fluoranthene (FLT) on biochemical and physiological processes in pea plants (Pisum sativum L.). Selected FLT is one of the most occurred compounds and it is an indicator of presence of other PAHs in the environment. Selected FLT concentrations (0.1, 1 and 5 mg ◊ l–1) simulate low and higher environmental load. Photosynthesis is a basic process of energetic metabolism in plants which responds to the presence of stressors in the environment. For effect assessment of FLT, gazometrical (net rate phosynthesis measurement), fluorometrical (imaging of chlorophyll fluorescence), and spectrophotometrical (photosynthetic pigments content measurement) methods were used. The obtained results (a decrease of the net photosynthesis rate, changes of the value of chlorophyll fluorescence parameters – a decrease of F0, an increase of FV/FM and FII, and lower contents of chlofophyll a, b and carotenoids) serve to show a negative effect of increasing environmental loading with FLT. Growth and differential processes of plants are controlled by the system of natural endogenous regulators. Still unpublished informations about the effect of different stressors on phytohormones level are generally summarized in this thesis. The level of endogenous phytohormones cytokinins and abscisic acid was determined in pea plants cultivated in vitro. The immunochemical methods ELISA and RIA were used for their evaluation. Ethylene was other observed hormone. GC-MS was used for its production evaluation. Beside ethylene, the production of other gaseous indicators of stress, ethane and carbon dioxide, were measured. The higher level of phytohormones and the production of gaseous indicators in plants cultivated with FLT are the reaction of plants to the presence of increasing concentration of stressors in the environment. This work demonstrates that experimental model of in vitro cultures may be effectively used for effect assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons and also other groups of organic pollutants.

105

D

Diplomové a disertaãní práce Non-metabolic use of solar energy in plants

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: RNDr. AlÏbûta Rej‰ková Supervisor: RNDR. Jan Pokorn˘ University of South Bohemia, Institute of Physical Biology, Nové Hrady; ENKI o.p.s., Dukelská 145, 379 01 TfieboÀ, CZ, 2009

Abstract Non-metabolic use of solar energy in plants, as presented in the text, can be seen as plant thermoregulation, i.e. warming and cooling, driven directly by solar irradiance. Plants are often exposed to temperatures unsuitable for or limiting their growth and reproduction. Only few plants have been shown to improve their temperature through energy consuming metabolic processes. Temperature of the majority of plants seems to be wholly dependent on energy exchange with the environment. This relation, however, may be to some extent influenced by different species-specific ways of morphological, anatomical and ecological adaptations. The adaptations leading to warming up are particularly important in the cold high latitudes or high altitudes habitats. Cooling processes are needed everywhere where there is short-term or long-term excess of solar energy, be it in the tropics and hot deserts or in the high mountains during bright summer days. The cooling processes are to a large extent related to transpiration processes and as such tightly interconnected with the water cycle. The active role of vegetation in the existing climate system is not sufficiently understood. The aim the thesis is to contribute to 1) quantifying non-metabolic use of solar energy in plants and 2) understanding of the role of vegetation in distribution of solar energy in the landscape. The presented thesis consists of two parts, the text itself and attachments. The first part is a review of a broad interdisciplinary topic dealing with the non-metabolic use of solar energy in plants and ecosystems and with the role of vegetation in climate systems ranging from local to global scales. The second part, i.e. the attachments, comprises of papers dealing with the results of my research carried out in collaboration with other colleagues. The articles related to the topic of this thesis and written in English are presented in full and referred to in the text where appropriate. Other articles are attached only as abstracts. The text of the thesis begins with an introduction of basic physical characteristics of solar radiation and water (chapters 2.1 and 2.2) in the context of ecosystems functioning. Chapter 2.2.1 focuses on water cycling on Earth, with water cycle being divided into global, local and micro water cycles. Important mechanisms of micro-cycling, such as water conservation within vegetation canopy, water interception and fog water input, are suggested and relevant literature is referred to. In chapter 3, energy balance of different plant organs, i.e. of leaves, flowers (inflorescences) and stems, is described. It is shown that all of the studied organs have developed some special adaptations that serve both metabolic and non-metabolic energy use optimization. The discussion about energy relations in flowers and inflorescences (chapter 3.2) provides background information for one of the attached articles (Rej‰ková et al., 2010) on warming up and cooling down as an interesting and in plant physiology scarcely studied phenomenon. The fourth chapter considers the adaptations of plants to solar irradiance at the whole plant and canopy levels. Impacts of different structures and architecture as well as the most important life strategies of plant solar use are discussed here. Transpiration as a process of crucial importance in the plant energy balance is described. In chapter 5, the dynamics of energy fluxes in stands and ecosystems with a particular focus on albedo and evapotranspiration changes are discussed. The sixth chapter draws on the facts discussed in the forgoing chapters and relates plants functioning to the climate functioning thereby contributing to the highly topical debate of climate change from the perspective of vegetation functioning within the complex climate system. 106

D

Diplomové a disertaãní práce Studium funkce rodiny hybridních prolinem bohat˘ch proteinÛ

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: RNDr. Lenka Dvofiáková ·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D. Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, Praha 2009

Disertaãní práce se zab˘vá hledáním dosud neobjasnûné funkce hybridních prolinem bohat˘ch proteinÛ (HyPRPs) bunûãné stûny rostlinn˘ch bunûk. HyPRPs jsou velmi heterogenní skupinou proteinÛ, které tvofií dle formální klasifikace podskupinu strukturních prolinem bohat˘ch proteinÛ bunûãné stûny (PRPs, Josè-Estanyol a Puigdomènech 2000). Stejnû tak jako dal‰í stûnové strukturní proteiny (PRPs, extensiny a glycinem bohaté proteiny – GRPs) se HyPRPs vyznaãují pfiítomností repetitivní domény, která je u HyPRPs N-terminální, nejãastûji prolinem bohatá a velmi variabilní, co se t˘ãe délky i obsahu aminokyselin a repetitivních motivÛ. Pfiítomnost C-terminální domény netypické pro strukturní stûnové proteiny formálnû fiadí HyPRPs spoleãnû s LTPs a dal‰ími rodinami proteinÛ do velké skupiny proteinÛ s tzv. 8 CM (eight-cysteine motif) doménou (Josè-Estanyol a kol. 2004). 8 CM domény se vyznaãují specifick˘m uspofiádáním osmi konzervovan˘ch cysteinov˘ch zbytkÛ, které u LTPs a dal‰ích 8 CM proteinÛ stabilizují prostfiednictvím tvorby disulfidov˘ch mÛstkÛ ãtyfii a-helixy, mezi nimiÏ vzniká hydrofobní kapsa, která interaguje s lipidick˘mi a jin˘mi hydrofobními ligandy (Kader 1997). HyPRPs byly identifikovány v pletivech fiady vy‰‰ích rostlin pfiedev‰ím na základû anal˘zy cDNA sekvencí silnû exprimovan˘ch genÛ. Funkce HyPRPs je tedy v literatufie vyvozována zejména na základû expresních profilÛ tûchto genÛ. V disertaãní práci byla funkce HyPRPs studována komplexnûji s vyuÏitím dvou modelov˘ch objektÛ s rozdílnou mírou sloÏitosti – bunûk tabákové linie BY-2 (Nicotiana tabacum) a rostlin bramboru (Solanum tuberosum). SoubûÏné vyuÏití nûkolika paralelních pfiístupÛ studia – fylogenetick˘ch anal˘z HyPRPs z rÛzn˘ch druhÛ rostlin, anal˘z expresních profilÛ HyPRP genÛ u bramboru a modulace exprese vybran˘ch genÛ – poskytlo zajímavé informace nejen o evoluci HyPRPs, ale i o jejich moÏné funkci bûhem rÛstu rostlinn˘ch bunûk. Cíle Hlavním cílem disertaãní práce bylo zjistit funkci hybridních prolinem bohat˘ch proteinÛ bunûãné stûny. Funkce HyPRPs byla studována nûkolika paralelními experimentálními pfiístupy podle definovan˘ch dílãích cílÛ: A. Fylogenetické a expresní anal˘zy HyPRPs a jejich genÛ. 1. Charakterizace rodiny HyPRPs u bramboru. a. Anal˘za sekvencí a fylogenetická anal˘za HyPRPs u bramboru. b. Anal˘za exprese genÛ kódujících HyPRPs u bramboru. 2. Fylogenetická anal˘za HyPRPs z dal‰ích druhÛ rostlin. B. Modulace exprese vybran˘ch genÛ kódujících HyPRPs u bramboru a bunûk tabákové linie BY-2. 1. Pfiíprava konstruktÛ pro modulaci exprese. 2. Transformace rostlin bramboru a bunûk tabákové linie BY-2pfiipraven˘mi konstrukty. 3. Anal˘za fenotypu transgenních rostlin bramboru a bunûk tabákové linie BY-2. Závûry – Pfiedkem HyPRPs byl zfiejmû protein z rodiny LTPs, kter˘ získal dlouhou N-terminální prolinem bohatou doménu. Vznik HyPRPs mohl b˘t jednou z událostí smûfiujících k v˘voji semenn˘ch rostlin. 107

D

Diplomové a disertaãní práce

– Pro tvorbu funkãní terciární struktury 8 CM domény HyPRPs není zfiejmû dÛleÏitá její konkrétní sekvence, ale pouze zachování charakteristického uspofiádání osmi cysteinov˘ch zbytkÛ, které jsou dÛleÏité pro její utváfiení a stabilizaci. – HyPRPs s dlouh˘mi N-terminálními prolinem bohat˘mi doménami (nazvány „C-type“) jsou pravdûpodobnû fylogeneticky pÛvodní, zatímco HyPRPs s atypick˘mi N-terminálními doménami (velmi krátké, glycinem bohaté) se vyvinuly zfiejmû relativnû recentnû a nezávisle u jednotliv˘ch rostlinn˘ch druhÛ zkrácením, ztrátou popfi. pfiestavbami pÛvodních del‰ích prolinem bohat˘ch domén. – Glycinem bohaté domény HyPRPs by mohly vznikat inverzí v kódující sekvenci prolinem bohat˘ch domén. Tento mechanismus by se mohl uplatÀovat obecnû v evoluci strukturních proteinÛ bunûãné stûny. – N-terminální domény „C-type“ HyPRPs zÛstaly u krytosemenn˘ch rostlin pomûrnû dobfie konzervované (dlouhé a hydrofobní), zatímco ostatní HyPRPs se rychle vyvíjely. U nahosemenn˘ch rostlin v‰ak do‰lo k hlavní diversifikaci naopak v rámci skupiny „C-type“. Koexistence konzervovan˘ch a rychle se vyvíjecí HyPRPs by tak mohla b˘t evoluãní v˘hodou semenn˘ch rostlin. – Charakter a vysoká variabilita expresních profilÛ HyPRP genÛ u bramboru vede k úvahám, Ïe na základû studia exprese jednoho ãi pouze nûkolika HyPRP genÛ, které tvofií velké genové rodiny, nelze odvozovat závûry vztahující se na celou rodinu. – Konzervovanûj‰í „C-type“ HyPRPs, jejichÏ geny byly exprimovány ve v‰ech sledovan˘ch orgánech bramboru, jsou pravdûpodobnû základními „house-keeping“ proteiny z této rodiny. – Expresní profily HyPRP genÛ u bramboru nekorelovaly s expresními profily jejich ortologÛ u Arabidopsis, z ãehoÏ mj. vypl˘vá, Ïe poznatky získané studiem modelového organismu nemusí b˘t vÏdy aplikovatelné na dal‰í druhy. – Variabilita expresních profilÛ spoleãnû s rÛznorodostí sekvencí HyPRPs ukazuje na pravdûpodobnou funkãní redundanci HyPRPs a nízk˘ stupeÀ funkãní specializace jednotliv˘ch proteinÛ z této rodiny. – HyPRPs se pravdûpodobnû úãastní bunûãné expanze, ke které nejsou dÛleÏité jejich N-terminální domény. Pfiíãinou expanze mÛÏe b˘t zv˘‰ení plasticity/rozvolnûnosti bunûãné stûny zprostfiedkované 8 CM doménami HyPRPs. – Modulace exprese HyPRP genÛ se neprojevila u rostlin bramboru pravdûpodobnû v dÛsledku komplexity a plasticity rostlinn˘ch pletiv a pfiedpokládané funkãní redundance HyPRPs.

108

D

Diplomové a disertaãní práce Studium metabolismu polyaminÛ v bunûãném dûlení a jejich úloha ve fyziologick˘ch pochodech rostlin

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: RNDr. Lenka Gemplerová ·kolitel: RNDr. Milena Cvikrová Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, Praha 2009

Polyaminy pfiedstavují skupinu alifatick˘ch aminÛ, z nichÏ nejroz‰ífienûj‰í jsou putrescin, spermidin a spermin. Pfii fyziologické hodnotû pH se polyaminy chovají jako kationty a mohou se vázat na makromolekuly jako jsou fosfolipidy, DNA, RNA, ribozomy, bílkoviny aj., coÏ je pravdûpodobnû podstatou jejich fyziologické aktivity (Kakkar a Sawhney 2002). PfiestoÏe polyaminy pÛsobí na fyziologické procesy v rostlinách ve vy‰‰ích koncentracích neÏ auxin, cytokininy a dal‰í typické rostlinné hormony, jsou pfiifiazovány ke skupinû rÛstov˘ch látek. V rostlinn˘ch buÀkách se úãastní ‰irokého spektra fyziologick˘ch pochodÛ. Jsou nezbytné pro bunûãné dûlení, rÛst a diferenciaci, podílejí se na iniciaci kvetení, tvorbû adventivních v˘honÛ ãi tvorbû proembryogenních struktur v tkáÀov˘ch kulturách stejnû jako na odpovûdi na stres (Kakkar a kol. 2000, Groppa a Benavides 2008). Dvouznaãná je funkce polyaminÛ v programované bunûãné smrti. Na jedné stranû sv˘m stimulaãním úãinkem na dûlení buÀky mají v˘znamnou ochrannou roli, na druhé stranû mohou programovanou bunûãnou smrt samy indukovat (Della Mea a kol. 2007). Nepostradatelnost polyaminÛ pro ãinnost bunûk, a naopak nebezpeãnost jejich hromadûní, se odráÏí ve velmi pfiesné kontrole jejich vnitrobunûãn˘ch hladin. Pfiíslu‰ná koncentrace polyaminÛ je v rostlinné buÀce dosaÏena vyváÏenou regulací jejich biosyntézy, degradace, konjugace a transportu (Bagni a Tassoni 2001). V˘znamná úloha polyaminÛ v bunûãném dûlení byla potvrzena mnoha pracemi. Zejména v oblasti studia Ïivoãi‰n˘ch bunûk je toto téma více neÏ aktuální, vzhledem k hromadûní polyaminÛ v rakovinn˘ch buÀkách (Thomas a Thomas 2003). U rostlin jsou polyaminy v souvislosti s dûlením bunûk prostudovány ménû. Vzhledem k rostlinn˘m specifikÛm polyaminového metabolismu, nelze ani pfiedpokládat, Ïe by v˘sledky získané studiem Ïivoãi‰n˘ch bunûk byly bez úprav pfienositelné na model bunûk rostlinn˘ch. Rostliny, na rozdíl od ÏivoãichÛ, mají dvû alternativní dráhy pro syntézu putrescinu a ãasto obsahují nezanedbatelné mnoÏství polyaminÛ vázan˘ch na hydroxyskofiicové kyseliny. Ve své disertaãní práce jsem se snaÏila pfiispût k objasnûní úlohy polyaminÛ v bunûãném dûlení u rostlin. Hlavní dÛraz byl v práci kladen na sledování zmûn v hladinách voln˘ch polyaminÛ, jejich konjugátÛ a stanovení aktivit biosyntetick˘ch a degradaãních enzymÛ bûhem rÛstového a bunûãného cyklu tabákové bunûãné kultury BY-2 (Nicotiana tabacum L. cv. Bright Yellow-2). Vzhledem k rozsáhlému spektru pÛsobení polyaminÛ v rostlinn˘ch buÀkách jsem svou práci roz‰ífiila o studium v˘‰e zmínûn˘ch regulaãních procesÛ polyaminového metabolismu pfii pÛsobení abiotického stresu, bûhem diurnálního cyklu a v prÛbûhu somatické a zygotické embryogeneze. Studiem dÛleÏitého mechanismu regulace hladiny vnitrobunûãn˘ch polyaminÛ u suspenzních kultur, tj. jejich exkrecí do Ïivného média, se zab˘vá dal‰í práce.

109

D

Diplomové a disertaãní práce

Úloha karotenoidÛ v prÛbûhu ontogeneze vy‰‰ích rostlin a adaptace ke stresov˘m podmínkám

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: RNDr. Daniel Haisel ·kolitel: RNDr. Jana Pospí‰ilová, CSc. Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, Praha 2009

Introduction Carotenoids are the most important group of natural pigments in the plant and animal kingdoms. Plant carotenoids are red, orange, and yellow lipid-soluble pigments embedded in the membranes of chloroplasts and chromoplasts. Their colour is masked by chlorophyll in photosynthetic tissues, but in late stages of plant ontogeny these pigments contribute to the bright colours of many leaves, flowers, fruits and roots. The greatest production of carotenoids occurs in the photosynthetic tissues. b-carotene was firstly isolated in 19th century from plant material, and after short time many other photosynthetic carotenoids were identified. Carotenoids are generally C40 terpenoid compounds formed by the condensation of eight isoprene units. At the centre of the molecule, the linkage order is reversed, so the molecule as a whole is symetric. A set of conjugated double bonds is responsible for the absorption of light in the visible region of the spectrum. The ends of molecules are often cyclised to ionone rings with functional substituents, for example hydroxy-, epoxy-, keto- and carboxy- groups. In plants, two groups of carotenoids are differentiated – carotenes without substituents in ionone rings and xanthophylls with hydroxy- or epoxy- groups. Plant carotenoids play fundamental roles as light-harvesting pigments for photosynthesis, protectors against photoinhibition, are structural determinants in plastid pigment-protein complexes, and precursors of abscisic acid. Light-harvesting function is necessary for the absorption of light in the blue region of the spectrum. The absorbed energy can be transferred to the chlorophylls. In higher plants, mostly lutein and neoxanthin fulfil this function. Protective function of carotenoids is in two different levels. In plants and algae, the most important function of b-carotene in the core complexes of the reaction center is the protection of photosystems against photooxidation by quenching the excitation energy of the chlorophyll in triplet state or singlet oxygen. The second protective mechanism in higher plants is xanthophyll cycle, important process in thylakoids membranes. During stress conditions, deepoxidation of light-harvesting carotenoid violaxanthin to zeaxanthin via antheraxanthin is activated. These enzymatic reactions are connected with thermal dissipation of excess light energy within light harvesting antenna proteins usually measured as non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence. Structural funtion in pigment-protein complexes is typical for all carotenoids presented in higher plants and it consists in stabilisation of photosynthetic components. Pigments induce conformation changes on pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus and without carotenoids they cannot function propertly. Every carotenoid has its accurate placement with specific functions, for example lutein and neoxanthin in light-harvesting complexes or b-carotene in reaction core of photosystems. Abscisic acid biosynthesis. The carotenoids neoxanthin and violaxanthin are precursors of abscisic acid, the plant hormone that participates in the control of water relations in plants and in many other physiological processes. In spite of huge amount of literature concerning carotenoids, which appeared from time of their discovery till now, many unsolved questions still remain. In the presented Ph.D thesis I tried to throw light on a few of them. 110

D

Diplomové a disertaãní práce

Aims The goal of this Ph.D. thesis was to elucidate the roles of carotenoids during ontogeny of plants in different environmental conditions and in response to stresses. The research was aimed to answer the following questions: 1) How do carotenoid contents and functions change during in vitro cultivation and after ex vitro transfer? 2) Is the presence of sucrose in medium necessary for sufficient carotenoids biosynthesis? 3) How do in vitro cultivation conditions (irradiance, sucrose and CO2 concentration) affect ability of plants to ex vitro acclimation? 4) Can carotenoids sufficiently protect plants against photoinhibition during transfer from low irradiance in vitro to considerably higher irradiance ex vitro? 5) Can carotenoids sufficiently protect plants against photoinhibition during water stress? 6) Can be contents and function of carotenoids affected by phytohormones such as abscisic acid and cytokinins? 7) Can increased production of cytokinins in transgenic plants affect contents and function of carotenoids?

111

D

Diplomové a disertaãní práce

Study of coniferous needles in relation to environmental factors using approaches of quantitative anatomy and laboratory spectroscopy.

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: RNDr. Zuzana Lhotáková ·kolitel: doc. RNDr. Jana Albrechtová, Ph.D. Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, Praha 2009

The essentiality of Earth’s vegetation as the most important primary producer of biomass, the base of the food chain and an important landscape-creating factor is generally acknowledged. In recent decades of constantly increasing CO2 concentration in the atmosphere, a function of vegetation as a carbon sink is widely discussed. Particularly forests play an important role in the global carbon cycle by sequestering large amounts of atmospheric carbon, and are thought to offer a possible mitigation strategy to reduce global warming. Although in forest ecosystems the great amount of carbon is fixed in non-living biomass of wood, litter, or soil, the green photosynthesizing foliage represents the gate for the carbon, whatever metabolized by the plant itself or fixed into the biomass. As will be mentioned further in more detail, leaf structure is tightly connected with leaf function and vice versa. Not only from the point of view of the plant ecological physiology it is important to understand relationships between leaf structure, functions and environmental factors, to elucidate mechanisms that trigger and modify morphogenetic development and changes at an organ, cell or molecular levels. The knowledge of these mechanisms may help to understand the potential of an individual plant species or the whole ecosystems in carbon sequestration. The present thesis is focused on conifer leaf anatomy in the context of leaf function under specific environmental conditions. As the main plant material, Norway spruce (Picea abies L. Karst), the most frequently planted tree species in the Czech Republic (53 % of the forested area in the Czech Republic consisted of Norway spruce in 2006, http://www.uhul.cz/zelenazprava/index.php) and in other countries in the Central and Northern Europe, was selected. In addition, the study was performed on two very common North-American conifers – red spruce (Picea rubens Sarg.) and balsam fir (Abies balsamea L. Mill.) in collaboration with American colleagues from the University of New Hampshire, Durham, U.S. Norway spruce is a very sensitive species to atmospheric pollution, particularly to deleterious impact of acid rain (e.g. Smith 1990). During the second half of the 20th century loads of SO2, NOx and ozone were extremely high in the Central Europe including the Czech Republic causing tremendous large-scale forest dieback, therefore the forest decline of Norway spruce was in the focus of extensive research in Europe (e.g. Smith 1990, Masuch 1992; Viskari et al. 2000; Soukupová et al. 2001). Alterations in needle anatomy caused by the effect of acid air pollution alone or in combination with harsh climatic conditions have been classified as so called „microscopical markers of forest damage“ and widely used by researchers including the team of Dr. Albrechtová from the Department of Plant Physiology, Faculty of Science, Charles Univerity in Prague and their American collaborators from the University of New Hampshire (Albrechtová et al. 2001; Moss et al. 1998; Soukupová et al. 2001). Despite that quantitative approach in description of inner leaf structure has quite a long tradition launched by Turrel in the 1930’s (Turrell, 1936), the majority of studies concerning forest decline described the anatomical alterations of leaves only qualitatively, for example, by the loss of integrity of chloroplasts (Moss et al. 1998). However in several cases quantitative evaluation of anatomical 112

D

Diplomové a disertaãní práce

changes appeared (e.g. proportion of intercellular spaces in mesophyll (Kukkola et al. 2005). Nowadays, modeling of gas transport (Aalto and Juurola 2002; Juurola et al. 2005), radiative transfer accros the leaf (Ustin et al. 2001) in consequence with photosynthesis and carbon sequestration became the cardinal issue of plant ecophysiology and biophysics. Thus, there is a clear need for efficient and unbiased methods for quantitative description of important leaf anatomical characteristics, such as internal leaf surface area, mean mesophyll cell volume, and cell number in the leaf. Several methods for quantitative description of photosynthetic leaf tissue, the mesophyll, were established: e.g. model-based methods using correction shape factors (Oguchi et al. 2003) or image analysis approach (Niinemets et al. 2007). However, model-based methods for estimation of geometrical parameters of mesophyll were found to be biased in some cases (Slaton and Smith 2002) and image analysis cannot be always applied. The recently developed methods, based on confocal microscopy and stereology were tested on different kind of plant samples (Kubínová and Janáãek 1998; Kubínová et al. 2001) and appeared to be suitable for use in ecophysiological studies. Feasibility of application of confocal microscopy and stereological methods in purpose to evaluate impact of environmental stress on leaf anatomy was tested on young Norway spruce potted trees treated with simulated acid rain; the first paper included in this thesis is based on the results of this pilot study (Albrechtová et al. 2007, Paper I.). The quantitative studies on leaf internal structure always used sections of fixed and embedded plant material (e.g. Turrell, 1936; Niinemets et al. 2007) but during fixation or embedding the tissue deformation and other artifacts may occur (Uwins et al. 1993; Dorph-Petersen et al. 2001), moreover sample preparation is time consuming and laborious. In Albrechtová et al. (2007) thick sections of fresh needles were used for confocal microscopy. However, fresh material limits the method application in ecophysiological studies, as only few fresh samples can be processed immediately if at all under condition that the experimental plots could not be located too far from the place of analysis. The aim of the second paper included in this thesis is addressed to test feasibility of using frozen stored Norway spruce needles for confocal microscopy and stereological processing and further to deal with another technical problem resulting in biased measurements, caused by the possible distortions of cutting surfaces of transversely cut needle sections (Lhotáková et al. 2008, Paper II.). Sharp increase of carbon dioxide atmospheric concentration over the last 150 years by app. 1.3 times (AR4 2007), caused mainly by anthropogenic carbon emissions, induces many demands on physiological and developmental changes in plants, which may have strong impact on future crop and wildland productivity, biogeochemical cycling, water resources and other natural processes at global scale. The direct responses of plants to elevated carbon dioxide concentration have been in focus of extensive research at least for two decades and wide spectrum of changes on the physiological level was described (rev. by Urban, 2003). Mostly reported primary physiological responses on photosynthetic level to carbon dioxide enrichment are activation of photosynthetic enzyme Rubisco, decrease of its oxygenase activity followed by the subsequent decrease of photorespiration, stimulation of net photosynthetic rate (Maier et al. 2008) or decreased stomatal conductance (Zhang et al. 2008a). These primary responses lead to the secondary effects like increased content of sucrose and other non-structural carbohydrates (Cabálková et al. 2007), changes in their allocation within the plant or dilution of mineral nutrients, particularly nitrogen, what often leads to acclimation – downregulation of photosynthesis (Zhang et al. 2008a). However, the plant responses are quite variable depending on a species, age of the plant, mineral nutrition as well as duration and method of CO2 enrichment. The Paper III. included in this thesis focuses on evaluation of changes in photosynthesis (maximum assimilation rate and apparent quantum efficiency) and respiration together with structural acclimation to elevated CO2 in sun and shade needles of Norway spruce, while stereological methods adjusted previously in Papers I. and II. are therein applied in the field study (Lhotáková et al., submitted, Paper III.). It is not only the elevated carbon dioxide concentration alone, which plants need to evolve acclimations to. Moreover, consequent forcing of atmospheric CO2 enrichment as a temperature rise or changed precipitation patterns and water regimes may fundamentally change species geographical distribution, ecosystems stability or even reduce biodiversity (Kleidon and Mooney 2000). Despite plants are able to develop a broad spectrum of adaptive responses to several environmental factors, they have not experienced such high CO2 concentrations as nowadays for over 20 million years (Pearson and Palmer 2000) and in consequence of rapid rise of CO2 concentration there are uncertainties whether 113

D

Diplomové a disertaãní práce

genetic variation is sufficient to manage this shift in the few generations before CO2 concentration doubles or triples (Gutschick et al. 2003). In terrestrial ecosystems, photosynthesis plays a major role of coupling process between carbon and nitrogen cycles. So does soil organic matter, its production and decomposition by soil microbial and fungal societies, which interconnect demands for nutrition resources by vegetation to pools of those resources available for plants (McDowell, 2003b; Pritchard et al. 2008). Particularly in forests, nitrogen often stands as a limiting factor for tree productivity and thus influences the potential of carbon fixation. In several carbon dioxide enrichment experiments nitrogen availability modulated response of trees to elevated CO2 (Eguchi et al. 2004; Eguchi et al. 2008; Maier et al. 2008), which only emphasizes the importance of elucidating plant-litter-soil interactions. Fluxes of carbon and nitrogen between soil and vegetation are often species-specific, even within one ecosystem or biome and may be influenced by human management (Ollinger et al. 2002). The knowledge of mechanisms, how vegetation and soil processes interconnect carbon and nitrogen cycles, is needed at least at regional scale, which could be further upscaled to continental or global scale. However, it would be extremely time and resource demanding to conduct such an ecosystem field study; therefore robust tools as remote sensing or ecosystem modeling seem to be more suitable. Linkages among foliar chemistry, decomposition, nitrogen cycling, and productivity in forest ecosystems have been documented in literature frequently. Several specific indices and model-based methods derived from foliar reflectance airborn or spaceborn data have been developed and used for foliar chemistry (content of chlorophyll, lignin, nitrogen) estimation at regional scale (Ollinger et al. 2002; Serrano et al. 2002; Ollinger and Smith 2005; Zhang et al. 2008b). Leaf chlorophyll content is the main parameter determining leaf spectral variation in the visible regions, therefore spectral reflectance indices derived from chlorophyll absorbing wavelengths are considered as quite efficient, and sensitive non-destructive method of chlorophyll content assessment. However, those indices are usually developed for an individual species and in case of application on different species or a vegetation type, validation of such an index is needed. Recently, continuous reflectance data with high spectral resolution are used for vegetation monitoring. Similarly, spatial resolution of reflectance data is also very high (Malenovsk˘ et al. 2008) and in such a case one tree canopy is represented with several pixels in remote sensing data. The remote sensing approaches developed to estimate the leaf chlorophyll content had been based on the assumption that the leaf optical properties vary little with their location in the canopy. Considering possible physiological and structural variability in Norway spruce needles, a detailed study investigating spatial variability of the leaf optical properties within the tree crowns is required to confirm or reject this assumption. Paper IV. (Lhotáková et al. 2007, Paper IV.) is focused on assessment of variation in selected biochemical, structural and spectral parameters of Norway spruce needles within the upper sun-lit part of the canopy considering orientation of branches in different azimuth directions. As mentioned above, foliar chemistry, which may be quite easily observable property across broad spatial scales by approach of high spectral resolution remote sensing, could serve as indicator of carbon and nitrogen cycling. The last paper included in this thesis is based on the study conducted on red spruce and balsam fir in New Hampshire focused on linking chlorophyll content in needles and amount of dissolved organic carbon and nitrogen in forest floor with spectral properties of foliage (Albrechtová et al. 2008, Paper V.).

114

D

Diplomové a disertaãní práce

Effect of cytokinin deficiency on oxidative damage and antioxidant defence during ageing and abiotic stress

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: RNDr. Zuzana M˘tinová ·kolitel: RNDr. Naìa Wilhelmová, CSc. Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, Praha 2009

Introduction Ageing proceeds during the entire life span of plants. Senescence has been defined as the last phase of plant life, which leads to death in cells, tissues, organs and organisms. During leaf senescence, leaf cells undergo range of subcellular changes. The loss of chloroplast integrity occurs first, whereas the breakdown of the nucleus is a relatively late event. The leaf senescence has been recognised for many years as a type of programmed cell death (reviewed by Greenberg, 1996; Beers, 1997; Havel and Durzan, 1999; Cao et al., 2003). Reactive oxygen species (ROS), as a by-product of aerobic metabolism, are proposed to contribute to the triggering of senescence (Krupinska et al. 2003). ROS act as signal molecules controlling various processes including pathogen defence, programmed cell death or stomatal behaviour (Apel and Hirt, 2004). Moreover, they also cause oxidative damage to lipids, proteins and nucleic acids (Halliwell and Gutteridge, 1999). However, the damage might be reduced or prevented by non-enzymatic and enzymatic antioxidant defence system (Foyer et al., 1994). Cytokinins (CKs) have been suggested to delay leaf senescence (Gan and Amasino, 1995). Majority, if not all, of our previous knowledge about the role of CKs in plant senescence was deduced from experiments that involved the exogenous addition of CKs (Richmond and Lang, 1957; Noodén et al., 1979; Singh et al., 1992; Noodén and Letham, 1993) or by the endogenously enhanced of CKs (Gan and Amasino, 1995). Additional CKs might affect processes that are normally not under CK control. For example, the inhibitory effect of exogenous CK on root elongation does not mean necessarily that CKs have a physiological role in controlling root elongation (Schmülling, 2002). Werner et al. (2001) reported the results of overexpression of cytokinin oxidase/dehydrogenase (CKX) genes from Arabidopsis thaliana in tobacco. Interestingly the transgenic tobacco with enhanced activity of CKX and thus decreased CK level showed signs of delayed rather than accelerated senescence. It seems that a decrease of CK content could be a prerequisite for senescence but not a signal, which triggers its onset (Werner et al., 2003, Wilhelmová et al., 2004). The influence of exogenously applied CKs on activities of antioxidant enzymes (AOE) in plants has been reported. Benzyladenine increased activities of superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) in maize under waterlogged condition (Liu et al., 1996). Liu and Huang (2002) found out that exogenous application of zeatin riboside prevented a decrease in the activity of SOD and CAT during heat stress. Petit-Paly et al. (1999) demonstrated that the CAT activity observed in suspension-cultured tobacco cells decreased slightly during the first hour of CK -13- treatment and increased thereafter to double level detected in untreated cells. In contrast to these results, CAT activity was inhibited in shoot cultures in which the endogenous levels of CK were elevated by the introduction of the ipt gene or by an exogenous feeding of CK to the cultures (Petit-Paly et al., 1999). Dhindsa et al., (1982) observed during in vitro senescence of oat that the activity of CAT decreased and the activity of SOD was changed only lightly. Kinetin treatment of oat leaf segments inhibited decline in the CAT and SOD activities during senescence. Beans treated with dihydrozeatin before mosaic potexvirus inoculation showed elevated CAT and glutathione reductase (GR) activity (Clarke et al., 2002). 115

D

Diplomové a disertaãní práce

Dertinger et al. (2003) studied a response of AOE activities to enhanced CK production stimulated by the onset of senescence of transgenic plants. The activities of AOE were reduced in senescing leaves of control plants, whereas in transgenic plants the decline was slowed down by CKs. Similarly, the overproduction of CKs in transgenic Pssu-ipt tobacco was found to stimulate activities of AOE throughout the plant ontogeny (Synková et al., 2006). We used a reverse approach in our work. We studied how reduced levels of CKs affect activities of AOE and levels non-enzymatic antioxidants during the life span of tobacco. For this purpose we exploited transgenic tobacco plants overexpressing Arabidopsis thaliana CKX gene (AtCKX2). The abiotic stress, similarly as ageing, is characterised as a form of oxidative stress and is also accompanied with changes in antioxidant levels. Plants possessing high levels of antioxidants show increased resistance to stress. The part of this study is aimed at the responses of antioxidants in leaves and roots of AtCKX2 tobacco to the drought stress, salinity and enhanced zinc. Aims of the work – Characterization of ageing and senescence of transgenic tobacco (AtCKX2) overexpressing Arabidopsis thaliana CKX gene, and thus have reduced level of CKs. – Investigation of relation between reduced level of CKs and oxidative damage during ageing. – Studying how reduced level of CKs to the capacity of antioxidant system (enzymatic and nonenzymatic) during the plant life span. – Study of activities of AOE during abiotic stresses (salinity, drought and enhanced concentration of zinc) in the leaves and roots of AtCKX2 tobacco. Conclusions 1) Leaves of transgenic tobacco with reduced level of CK aged more slowly, contrary to the control leaves. AtCKX2 plants maintained higher Chl content and protein content, and also higher photosynthetic performance in the oldest leaves. 2) We observed elevated antioxidant protection (both enzymatic and low-molecular) functional already in the youngest leaves of AtCKX2. 3) Enhancement of certain antioxidant defence could be caused compensatory effect of the decrease in the level of total CKs, assumed as potential non-enzymatic antioxidants or as a result of oxidative stress induced by the lack of CKs in young developing leaves. 4) It is plausible that the higher antioxidant defence might contribute to retardation of ageing with a consequence of postponed onset of senescence in leaves with a deficiency of CKs. 5) The responses of AOE activities to individual stresses differed between leaves and roots of both WT and AtCKX2 tobacco plants. 6) The higher tolerance of AtCKX2 plants could be attributed to noticeably higher activity of GR in leaves and APX, SOD and CAT in roots displayed already under control conditions. Although transgenic tobacco plants possess, at least partially, better antioxidant protection in non-stressed conditions, they were not confirmed to be more tolerant to abiotic stresses. 7) The difference between transgenic and WT plants in their stress responses could be associated with divergent sensitivity to imposed stress in consequence of protracted development of AtCKX2.

116

D

Diplomové a disertaãní práce

Pfiíjem a vyuÏití rÛzn˘ch forem dusíku u rostlin p‰enice

Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis] Autor: Mgr. Ivana Raimanová ·kolitel: Ing. Jan Haberle, CSc. Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, Praha 2009

Úvod Rostoucí svûtová populace spolu se sniÏováním plochy zemûdûlské pÛdy a její degradací vytváfiejí, i pfies úspûch „zelené revoluce“, tlak na zvy‰ování intenzity v˘roby potravin a objemu produkce zemûdûlsk˘ch plodin. Ekonomické dÛvody a celospoleãensk˘ dÛraz na ochranu Ïivotního prostfiedí vedou k hledání moÏností zv˘‰it efektivnost nezbytn˘ch vstupÛ, pfiedev‰ím energie, dusíkat˘ch hnojiv a prostfiedkÛ na ochranu rostlin. Hospodáfisky v˘znamné druhy p‰enice (jako Triticum aestivum L. a Triticum durum Desf.) patfií svou v˘mûrou k nejpûstovanûj‰ím plodinám svûta a zaji‰Èují dÛleÏitou ãást v˘Ïivy svûtové populace. Agroekologické podmínky, v kter˘ch je p‰enice pûstována sahají od semiaridních oblastí po oblasti s hojn˘mi sráÏkami, od tropÛ po chladné oblasti ve vysok˘ch zemûpisn˘ch ‰ífikách s krátkou vegetaãní dobou. Pûstitelské systémy zahrnují rozmanité zpÛsoby v˘Ïivy rostlin a závlahy, odli‰né osevní postupy a rÛzné formy zpracování pÛdy. Tomuto rozsahu pÛdnû-klimatick˘ch a v˘robních podmínek odpovídá i ‰iroká ‰kála dostupnosti pÛdního dusíku a podmínek pro pfiíjem a vyuÏití Ïivin obecnû. MnoÏství a dostupnost jednotliv˘ch forem dusíku pro rostliny kolísá v prÛbûhu jejich ontogenetického v˘voje v dÛsledku dynamiky pfiemûn dusíku v pÛdû a vzávislosti na konkrétních povûtrnostních podmínkách. Dusík je klíãov˘ esenciální prvek pro dosaÏení poÏadovaného v˘nosu a kvality pûstovan˘ch plodin, kter˘ pÛsobí v interakci s ostatními Ïivinami a dostupností vody. Pro zv˘‰ení úãinnosti vyuÏití dusíku a dal‰ích Ïivin je nezbytné poznat a propojit znalosti o fyziologick˘ch, biochemick˘ch a molekulárních mechanismech kontrolujících pfiíjem dusíku, jeho asimilaci a vyuÏití. Cíle práce NáplÀ disertaãní práce byla dána potfiebou vyuÏít nové poznatky t˘kající se pfiíjmu a vyuÏití dusíku rostlinami v aplikovaném zemûdûlském v˘zkumu. Hlavním cílem práce bylo urãení vlivu amonné, nitrátové a amidové formy dusíkaté v˘Ïivy na pfiíjem dusíku kofieny a listy p‰enice seté a jeho následné vyuÏití. ¤e‰ení zvolené problematiky bylo rozdûleno do následujících dílãích cílÛ: 1. Zjistit vliv nitrátové a amonné formy N a jejich kombinace na rÛst rostlin p‰enice a charakterizovat rozdíly v metabolismu dusíku vãetnû odli‰ení vlivu nízkého pH na sledované charakteristiky. 2. Pomocí kinetick˘ch parametrÛ pfiíjmu urãit vnitrodruhové a mezidruhové rozdíly ve schopnosti pfiijímat a vyuÏívat nitrátovou a amonnou formu dusíku. 3. Urãit rychlost pfiíjmu a následnou translokaci jednotliv˘ch forem dusíku a stanovit teplotní závislost jejich pfiíjmu. 4. Získat nové poznatky o pfiíjmu a vyuÏití rÛzn˘ch forem dusíku pfii listové aplikaci a o následném pohybu pfiijatého dusíku uvnitfi rostliny. 5. Urãit efektivnost vyuÏití listovû aplikované moãoviny v pozdní fázi v˘voje pro tvorbu zrna a stanovit vliv spoleãné aplikace s prostfiedky na ochranu rostlin na její pfiíjem a vyuÏití.

117

D

Diplomové a disertaãní práce

Závûry Cílem disertaãní práce bylo hodnocení fyziologick˘ch a agronomick˘ch aspektÛ pfiíjmu a následného vyuÏití hlavních forem N u p‰enice. Shrnutí hlavních v˘sledkÛ je dále uvedeno. P‰enice patfií mezi druhy rostlin, které jsou citlivé k toxickému pÛsobení amonného iontu a zároveÀ negativnû reagující na nízké pH. U rostlin, které mûly jako jedin˘ zdroj dusíku NH4+ byly pozorovány symptomy toxicity – omezen˘ rÛst kofienÛ, niωí R/S pomûr, deficit esenciálních kationÛ (K+, Ca2+, Mg2+) a akumulace amonn˘ch iontÛ v nejstar‰ích listech. Tyto projevy byly z velké ãásti potlaãeny zv˘‰ením pH Ïivného roztoku. Nízké pH pÛsobilo negativnû i na rostliny z nitrátové varianty. Dostupnost obou forem dusíku toxické pÛsobení amonn˘ch iontÛ zmírÀuje. Zdá se, Ïe v˘razná acidifikace rhizosféry vyvolaná pfiíjmem amonn˘ch iontÛ je hlavní pfiíãinou negativní rÛstové reakce rostlin p‰enice. Kinetické parametry pfiíjmu (Vmax a Km), charakterizující vysokoafinitní pfiíjmov˘ systém, mohou slouÏit pro hodnocení vnitrodruhov˘ch a mezidruhov˘ch rozdílÛ v efektivitû pfiíjmu nitrátÛ a amonn˘ch iontÛ. Oba sledované druhy p‰enice (T. aestivum a T. durum) se vyznaãují vy‰‰í maximální rychlostí (Vmax) pro pfiíjem amonn˘ch iontÛ v porovnání s nitráty a souãasnû lep‰í osvojovací schopností pro nitráty (niωí Km). Rozvoj kofienového systému v‰ech odrÛd byl více nebo ménû ovlivnûn v reakci na pfiijímanou formu dusíku. Rostliny pfiijímající NO3 – mûly vy‰‰í R/S pomûr neÏ rostliny pfiijímající NH4+. Velikost kofienového systému v˘raznû modifikuje kapacitu pfiíjmu obou iontÛ. Mezidruhové i vnitrodruhové srovnání ukázalo prÛkazné rozdíly v schopnosti pfiijímat nitráty, v pfiípadû amonn˘ch iontÛ byly rozdíly ménû v˘razné. Hodnocení druhov˘ch a mezidruhov˘ch rozdílÛ z hlediska schopnosti pfiijímat Ïiviny z vnûj‰ího prostfiedí na základû stanovení kinetick˘ch parametrÛ pfiíjmov˘ch systémÛ by bylo moÏné vyuÏít jako jedno z kritérií pfii v˘bûru ‰lechtitelského materiálu. Rychlost pfiíjmu obou forem dusíku (NO3 a NH4+) je ovlivnûna aktuálním stavem rostliny a je v˘raznû regulována rychlostí jejich asimilace a translokace do nadzemní ãásti. Nutnost asimilace rychleji pfiijíman˘ch amonn˘ch iontÛ v kofienech p‰enice vedla následnû k v˘razné inhibici jejich pfiíjmu. Asimilovan˘ dusík byl poté translokován do mlad˘ch rostoucích listÛ. Pomaleji pfiijímané nitráty byly rychle translokovány na místo asimilace do plnû vyvinut˘ch, metabolicky aktivních listÛ a nedocházelo k v˘raznému omezení jejich pfiíjmu. Jsou-li obû formy dusíku dostupné v médiu v podobné koncentraci, je amonn˘ iont pfiijímán pfiednostnû. Pfiítomnost amonn˘ch iontÛ negativnû ovlivÀovala rychlost pfiíjmu nitrátÛ kofieny p‰enice, která se sníÏila aÏ na ãtvrtinu oproti jejich pfiíjmu z ãistû nitrátového média. Pfiíjem amonn˘ch iontÛ nebyl ovlivnûn. Rostliny pfiijímající dusík ze smûsi obou iontÛ tedy pfiijaly zhruba o 20 % více dusíku neÏ rostliny pfiijímající jen jednu z jeho forem. Poãáteãní rychlost pfiíjmu sledovan˘ch forem dusíku je lineárnû závislá na teplotû. V teplotním intervalu 2 °C – 20 °C jsou nejrychleji pfiijímanou formou amonné ionty. Se stoupající teplotou dochází k regulaci rychlosti jejich pfiíjmu zpÛsobenou nedostateãnou asimilací a tím i jejich hromadûním v kofienech. Témûfi 2x pomalej‰í rychlost pfiíjmu nitrátÛ dosahuje maxima uÏ pfii 15 °C. Pfiíjem moãoviny byl ze v‰ech forem nejpomalej‰í. Vzhledem k rychlé degradaci v pÛdû je v˘znam pfiíjmu moãoviny kofieny p‰enice jen nepatrn˘. Prostup rÛzn˘ch forem dusíku pfies kutikulu a jejich následn˘ pfiíjem buÀkami epidermis a listového mezofylu závisí na jejich chemické podstatû. Listy p‰enice nejlépe pfiijímaly amonné ionty tedy kationtovou forma N. Vlastní pfiíjem amonn˘ch iontÛ do bunûk nebyl v listech v˘raznû sniÏován rychlostí jejich asimilace, a proto byl amonn˘ dusík nejlépe vyuÏívanou formou dusíku. Pfiíjem nitrátÛ (aniontové formy) byl mnohem pomalej‰í a pfiijaté nitráty byly navíc ve velkém mnoÏství akumulovány v exponovaném listu pravdûpodobnû jako zásobní forma N ve vakuolách. Nepolární molekula moãoviny pravdûpodobnû procházela snadno kutikulou, ale její pfiíjem do bunûk byl stejnû jako v kofienech pomalej‰í. Pfiijatá moãovina byla stejnû jako amonné ionty rychle metabolizována a vyuÏita jako zdroj dusíku v rostoucích pletivech.

118

D

Diplomové a disertaãní práce

Listy p‰enice jsou schopny pfiijímat foliárnû aplikovanou moãovinu i bûhem reprodukãní fáze v˘voje a pfiijatou moãovinu následnû plnû vyuÏít v procesu tvorby zrna. Za pfiízniv˘ch povûtrnostních podmínek rostliny pfiijaly témûfi 90 % z aplikovaného mnoÏství na poãátku metání a 95 % z pfiijatého mnoÏství bylo v dobû skliznû nalezeno v zrnu. Spoleãná aplikace s prostfiedky na ochranu rostlin (Tango Super) pozitivnû ovlivnila poãáteãní rychlost pfiíjmu, coÏ by mohlo zlep‰it efektivnost vyuÏití aplikovaného hnojiva za ménû pfiízniv˘ch povûtrnostních podmínek.

119

D

Diplomové a disertaãní práce Vliv transformace kvasinkov˘m genem Spcdc25 na stavbu kofienového systému tabáku

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Klára âiháková ·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D. Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, podzim 2009

Pro Ïivot a rozmnoÏování v‰ech eukaryotních organismÛ je tfieba dûlení bunûk. U mnohobunûãn˘ch organismÛ má nadto stûÏejní v˘znam koordinace chování bunûk v rámci jejich tûla, proto je nutná precizní regulace jejich dûlivé aktivity. Proces zahrnující sled událostí mezi dvûma dûleními buÀky se naz˘vá bunûãn˘ cyklus. Jeho znalost je klíãová pro pochopení správného ustavení stavby a z ní vypl˘vající funkce tkání a orgánÛ mnohobunûãn˘ch organismÛ a zároveÀ pro pochopení chování bunûk s abnormální dûlivou aktivitou, jeÏ se z kontroly bunûãného cyklu vymanily. U rostlin, jako pfiisedl˘ch organismÛ, je bunûãné dûlení kromû jiného i mocn˘m nástrojem pro jejich adaptaci na mûnící se okolní podmínky. Vstup a v˘stup z bunûãného cyklu v‰ak vyÏaduje nároãnou regulaci, která je uskuteãnûna propojenou sítí signálních drah vytváfiející komplexní obraz o vnitfiním a vnûj‰ím prostfiedí rostlin. Aãkoliv bylo v poznání bunûãného cyklu rostlin bûhem poslední více neÏ desítky let uãinûn velk˘ pokrok, stále je jeho poznání oproti ostatním fií‰ím na podstatnû niωí úrovni. Jedním z nevyjasnûn˘ch míst zÛstává regulace vstupu bunûk do mitózy – procesu, kdy se buÀka rozdûlí na dvû buÀky dcefiinné. Pro vrÏení svûtla do temnoty poznání v tomto konkrétním pfiípadû mÛÏe poslouÏit vnesení genu, jehoÏ pfiítomnost je u ostatních fií‰í pro zmínûn˘ regulaãní krok zcela nezbytná. T˘m Doc. Lipavské ve spolupráci s t˘mem Dr. Francise (Cardiff University, Great Britain) jiÏ nûkolik let studuje zmûny, které v rostlinách Nicotiana tabacum vyvolala exprese mitotického aktivátoru cdc25 z poltivé kvasinky Schizosaccharomyces pombe. Zji‰tûné v˘sledky není moÏno jednodu‰e vysvûtlit zmûnou v rychlosti bunûãného dûlení. Zdá se, Ïe signalizace Cdc25 zasahuje do rovnováhy mezi základními rostlinn˘mi signálními látkami – auxiny a cytokininy. Dosavadní pozornost na‰í laboratofie byla upfiena pfiedev‰ím na zmûny v nadzemní ãásti, aÈ jiÏ to byla regulace kvetení ãi organogeneze de novo, cílem mé práce je charakterizovat zmûny kofienového systému. Prostfiednictvím kofienÛ rostliny získávají naprostou vût‰inu vody a minerálních Ïivin nezbytn˘ch k jejich rÛstu a v˘voji, proto je pro jejich Ïivot optimalizace struktury kofienového systému nutnou podmínkou. K tomu je nezbytná precizní regulace jak rÛstu kofiene, tak i iniciace kofienÛ nov˘ch. Reakce na nûkteré faktory uplatÀující se v morfogenezi se ov‰em u zmínûn˘ch ãástí rostliny v˘znamnû li‰í, proto studium kofienového systému u rostlin exprimujících cizorod˘ mitotick˘ aktivátor mÛÏe v˘znamnû doplnit pfiedchozí dosaÏené v˘sledky.

120

D

Diplomové a disertaãní práce Reakce na abiotick˘ stres u tkáÀov˘ch kultur jablonû (Malus domestica Borkh.)

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Daniel Krsek ·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D. Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, podzim 2009

Abstract Abiotic stress factors, primarily those which disturb plant water balance, cause extensive crop losses. With regard to sessile lifestyle, many mechanisms how to cope with these unfavourable conditions were developed during evolution of plants. As common impact of many of these stresses like drought, salinity or low temperatures is of osmotic nature, the osmotic adjustment represents important part of plant stress response. Mostly, this component of stress reaction is provided by organic compounds, which are referred to as compatible solutes, including polyhydroxyl compounds (sucrose, sugar alcohols, cyclitols, and oligosacharides) and nitrogen-containing compounds (mainly proline). The effect of these solutes is not only osmotic, but also osmoprotective as they are able to preserve integrity of membranes and macromolecules by mimicking their water envelope. The compatible solutes also contribute to quenching of reactive oxygen species overproduced under these stress conditions. This study is focused on apple (Malus domestica) producing, beside sucrose, sugar alcohol sorbitol as primary photosynthetic product and transporting these carbohydrates along with raffinose family oligosaccharides (RFO) for a long distance. In vitro tissue cultures derived from leaves of two apple cultivars differing in stress sensitivity (cv. ·ampion Red and cv. Idared) were used to investigate possible connection between differences in stress tolerance and particular soluble carbohydrate accumulation. Salinity caused an increase of total soluble carbohydrate content in more tolerant cv. ·ampion Red, whilst the same stress cause opposite reaction in less tolerant cv. Idared. For the observed increase of soluble carbohydrates in this case hexoses were preferentially responsible. More severe growth inhibition of cv. Idared under this treatment was observed as well. Osmotic stress induced by nonpermeable osmoticum – PEG – caused the decrease of soluble carbohydrate content in contrast with the case of permeable osmoticum – mannitol, where the increase of soluble carbohydrate content was observed, although accumulation of the osmoticum itself was mainly responsible for this change. Interestingly, significant accumulation of sorbitol was not observed under any stress treatment in both cultivars. The content of raffinose, in raffinose-supported cultures, increased substantially under low temperature treatment in both cultivars indicating a role of these oligosaccharides in response to this specific stress. The results proved the value of the use of plant tissue cultures in the studies of stress response as it enables to distinguish the stress responses at the cell level from those requiring organ or whole plant organisation.

121

D

Diplomové a disertaãní práce Early stages of development of terrestrial orchids: the effect of saccharides and phytohormones

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Jan Ponert ·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D. Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, podzim 2009

Abstract Orchids have very small seeds with only limited contents of reserves. Therefore, in early stages of their development most of them fully depend on nutrition provided by mycorrhizal fungi. Nearly all orchids remain partial mycotrophs during whole life, even after a start of their own photosynthesis. These characteristics make orchids an ideal model for studies of mycorrhizal associations and bring us good opportunity to study different feeding strategies in the single species. This work targets on early developmental stages of orchids and by studying carbohydrate status of both plant and fungus and their sensitivity to different types of phytohormons estimates potential of these signalling compounds to control plant-fungus coordination. Firstly, the capability of selected orchids to utilize different carbohydrates have been tested. Results confirmed their ability to metabolize sucrose, fructose, maltose, raffinose and trehalose. Only low level of utilization have been shown for lactose and mannitol. For the first time it has been shown, that some orchids are able to utilize sorbitol. In contrast, fructose has clear inhibition effect on germination or early developmental stages of Ophrys protocorms, while not fructose but glucose inhibits germination and subsequent development of Dactylorhiza. The effect of phytohormones on orchid mycorrhizal fungi is also presented. It is shown, that auxins stimulate branching of selected mycorrhizal fungi hyphae. Auxins as a possible means of mutual communication between fungi and orchids in mycorrhizal associations is disccused. Further, developmental effects of selected phytohormones on early developmental stages of orchid protocorms differentiation were studied. Based on the achieved results an attempt have been made to propose a model of auxin-cytokinin directed developmental regulation of early development in orchids. Auxins stimulate growing of basal parts of protocorms, while cytokinins stimulate growing of apical parts and differentiation of shoot meristem. It is proposed, that auxins are in early protocorm transported to basal parts, where they stimulate development of mycotrophic tissue. As a result of this auxin distribution polarization cytokinin effect can overbalance in apical part, where lead to meristem differentiation. To support the conclusion a transgene plants carrying GFP under control of auxin inducible promoter DR5 have been prepared to visualise endogenous auxin levels in orchids.

122

D

Diplomové a disertaãní práce Somatická embryogeneze jehliãnanÛ: metabolismus a role RFO

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Ondfiej Skala ·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D. Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, jaro 2009

Abstract Raffinose series oligosaccharides (RFOs = a-1,6-galaktosyln-sach; 1 £ n < c. 7) represent a prominent part of soluble saccharide content in mature conifer seeds. RFOs are considered to act as the multifunctional components in plants, but their precise functions in specific physiological processes remain contentious. The present study focuses on the metabolism and the role of RFOs in somatic embryogenesis in two conifer species- Picea abies and hybrid fir (Abies alba x numidica). Three basic approaches were set for achieving spruce somatic embryos (SE) with diverse levels of RFOs: a) culture cultivation with exogenous RFOs, b) culture cultivation with precursors of RFOs synthesis and the last c) culture exposition to variegated postmaturation treatments inducing RFOs synthesis (desiccation/cold stress). Parallel combinations of stresses led to the highest RFOs levels in SE. These findings associate the RFOs levels in spruce SE with protective function within desiccation state. The final levels of RFOs in the spruce SE were also regulated by endogenous levels of myo-inositol. RFOs were rapidly degraded by SE within early phases of germination independently of the initial level of RFOs. No dramatic decrease in embryo germination was found in embryos with decreased RFOs degradation achieved by treatment with Deoxygalactonojirimicin- the specific inhibitor of a-galactosidases. Results did not support the idea the higher the initial RFOs levels, the better the course of SE germination. In fir somatic embryogenesis, the soluble saccharide spectrum dynamics differed from the spruce one. The main difference was in the timing of RFOs accumulation. The fir embryogenic culture cumulated the RFOs in high levels since the beginning of maturation phase and the levels as well as the dynamics of the other soluble saccharides were dependent on the saccharide type (maltose or sucrose) in the maturation media. Maltose supported the cumulation of RFOs over the maturation phase and sucrose during postmaturation treatment. In conclusion for different conifer species no common characteristics of RFOs profiles and conditions and factors controling RFOs accumulation as well as simple relationship between RFOs level and germination efficiency can be found.

123

D

Diplomové a disertaãní práce Transformace bramboru (Solanum tuberosum) mitotick˘m aktivátorem cdc25 ze Schizosaccharomyces pombe

Diplomová práce [Diploma thesis] Autor: Mgr. Hana ·evãíková ·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D. Charles University in Prague. Faculty of Sciences. Department of Plant Physiology, podzim 2009

Abstract Tuberization is an important process in potato that is governed by a complex of environmental as well as internal factors. As a morphogenic process, it is closely connected with regulation of frequency and orientation of cell division. Thus, the aim of this thesis was to transform potato with mitotic activator cdc25 from Schizosaccharomyces pombe (Spcdc25) and to follow the resulting changes in potato phenotype with a special focus on tuber formation. In previous studies with tobacco, it has been shown that the expression of the above mentioned Spcdc25 gene results in dramatic changes in morphology (leaf structure, restricted root development and growth, and also remarkable developmental change – acceleration of flowering). Moreover, many other characteristics that can be induced in control by cytokinin application have been observed (e.g. cytokinin independent de novo shoot formation, carbohydrate metabolism changes). The two last characteristics – cytokinins independency of morphogenic process and changes in carbohydrate metabolism (e.g. increased starch deposition) – are important from the point of view of expected changes in characteristic of Spcdc25 transgenic potato. To transform potato, the preparation of a plasmid carrying construct with suitable selectable marker was necessary. From original plasmid containing hygromycin resistance the target gene was taken out and inserted into binary plasmid pCP60. The plasmid was electroporated into Agrobacterium tumefaciens that was used for the potato transformation. Seven out of thirty six isolated lines were checked for the cdc25 gene expression. In five lines the presence and expression of the gene was confirmed. There were no visible changes in plant morphology, with important exception represented by a change in tuber formation. The Spcdc25 expressing plants exhibited sessile tubers in contrast to control tubers formed on outgrowing stolons.

124