Ekofyziologie rostlin
Václav Krpeš
Obsah Úvod ...........................................................................................................................................5 Orientace v textu.........................................................................................................................5
1. FYZIOLOGIE RŮSTU A VÝVOJE ROSTLIN .......................................................... 6 1. 1. Obecné problémy růstu a vývoje ............................................................................. 6 1. 2. Dělení a růst buněk.................................................................................................... 7 1. 3. Inekvální dělení buněk a diferenciace pletiv......................................................... 10 1. 4. Látky regulující růst rostlin ................................................................................... 13 1. 5. Vývoj rostliny........................................................................................................... 19 1. 6. Charakteristika vývojových etap rostlin............................................................... 22
2.
FYTOCHROMOVÝ SYSTÉM VE VÝVOJI ROSTLIN ............................................. 29
3. VLIV VNĚJŠÍCH FAKTORŮ NA RŮST A VÝVOJ ROSTLIN .................................. 34 3. 1. Teplota ...................................................................................................................... 34 3. 1. 1. Vliv vysokých teplot .................................................................................... 35 3. 1. 2. Působení nízkých teplot ............................................................................... 37 3. 1. 2. 1. Účinky působení chladu....................................................................................... 37 3. 1. 2. 2. Účinky působení mrazu........................................................................................ 38
3. 2. Voda .......................................................................................................................... 40 3. 2. 1. Voda v rostlinném těle ................................................................................. 40 3. 2. 1. 1. Příjem látek do buňky .......................................................................................... 41 3. 2. 1. 2. Transport vody do buňky a transport vody v pletivech........................................ 43
3. 2. 2. Příjem vody rostlinou................................................................................... 44 3. 2. 3. Výdej vody ................................................................................................... 45 3. 2. 3. 1. Regulační mechanismy ........................................................................................ 45 3. 2. 3. 2. Působení vnějších a vnitřních faktorů.................................................................. 48
3. 2. 4. Vodní bilance rostliny .................................................................................. 49 3. 2. 5. Odolnost rostlin proti suchu ......................................................................... 50 3. 3. Sluneční záření......................................................................................................... 53
4. EKOFYZIOLOGICKÉ PROBLÉMY ROSTLIN...................................................... 58 —3—
4. 1. Škodlivé působení abiotických a biotických faktorů na asimilační aparát rostlin a optimalizace fotosyntetických procesů............................................................... 58 4. 2. Primární zdroj energie ........................................................................................... 59 4. 3. Obranné mechanismy stresových reakcí .............................................................. 60 4. 4. Ekologie fotosyntézy ............................................................................................... 63
5. EKOLOGICKÁ RIZIKA RŮSTU LESNÍCH SPOLEČENSTEV ................................. 66 5. 1. Příčiny poškození lesních porostů ......................................................................... 67 5. 2. Mechanismus působení imisí na lesní porosty ..................................................... 68 5. 3. Škodlivé působení hlavních plynných látek.......................................................... 70 5. 4. Ekologické aspekty znečištění ovzduší.................................................................. 73 Použitá literatura ...................................................................................................................... 76 Doporučená literatura............................................................................................................... 79
—4—
Úvod Předložený text se zabývá některými závažnými problémy ekofyziologie rostlin a je vlastně úvodem pro samostatné studium těchto procesů, při nichž je možno využít vysokoškolské učebnice, ale i publikovaná sdělení v našich nejběžnějších vědeckých a populárně naučných časopisech. Text byl zpracován v návaznosti na učební text Základy fyziologie rostlin, kde zájemce nalezne další poučení, zvláště pak v třetím vydání této publikace.
Orientace v textu Klíčová slova Průvodce Příklady, poznámky, doplňující terminologie Kontrolní otázky Otázky k zamyšlení Souhrn Pojmy k zapamatování Korespondenční úkol
—5—
1. F YZIOLOGIE RŮSTU A VÝVOJE ROSTLIN Cíl kapitoly Charakterizovat růst a vývoj rostlin a seznámit se základními fyziologickými procesy jejich růstu. Klíčová slova Růst rostlin, vývoj rostlin, diferenciace, ontogeneze, metabolismus, morfogeneze, Průvodce Rostliny jsou nejvýznamnějšími producenty organických látek, kyslíku a potravinového řetězce. Proto mají základní význam pro veškerý život na Zemi, který by bez nich nebyl vůbec možný. Osídlily téměř všechny oblasti zemského povrchu, včetně oceánů a vnitrozemských vod i nehostinných míst jako jsou pouště a ledovce. V jejich organismu probíhají pro nás těžko pochopitelné velmi složité fyzikální a biochemické reakce. O jejich pochopení a vysvětlení se snaží vědecké týmy fyziologů, biochemiků, biofyziků, genetiků, molekulárních biologů apod. Přestože naše dosavadní znalosti a snahy o odkrytí tajemství růstu rostlin jsou již na velmi dobré úrovni, zbývá ještě mnoho nevyřešených otázek, které na svou odpověď teprve čekají. Dosud např. nevíme jak se u rostlin měří čas (tzv. biologické hodiny), jaký je mechanismus působení světelného signálu, jak vzniká z oplodněného vajíčka dospělá rostlina, zda semeno za příznivých podmínek vůbec vyklíčí, jak je zajištěno, aby se jednotlivé orgány vytvářely ve správné velikosti a ve vhodnou dobu, jak pracují systémy vnitřní regulace růstu rostlin, jaký je mechanismus aktivace a inaktivace určitého souboru genů apod. O růst rostlin se zajímají lidé od chvíle, kdy přešli k usedlému životu, začali je uměle pěstovat a využívat pro svou obživu. Dlouholeté zkušenosti a získávání nových vědeckých poznatků v současné době má praktický význam a nalézá uplatnění hlavně v zemědělství a lesnictví. Následující stručný přehled sleduje proces růstu rostlin v průběhu jejich ontogeneze.
1. 1. Obecné problémy růstu a vývoje Strukturální a funkční změny za nichž organismus vzniká, vyvíjí se a zaniká čili ontogenezi rostliny, charakterizují dva vzájemně závislé procesy: růst a vývoj. Růst rostliny lze chápat jako nevratné (ireverzibilní) narůstání hmotnosti rostliny, tj. zvětšování objemu, velikosti, délky a tvaru rostlinného těla (orgánu) v souladu s komplexní genetickou informací jedince a ve vazbě na komplex faktorů vnitřních (v rámci celistvosti rostliny), ale i faktorů vnějšího prostředí rostliny. Na počátku všeho je tvorba nových buněk závislá na dostatku stavebního materiálu z biochemických procesů. Nejedná se jen o hromadění nových buněk (kvantitativní růst), ale i o výměnu informací při nichž dochází k tvarové a funkční specializaci nových buněk. Postupné tvarové změny (morfogeneze), které provázejí rostlinu souvisejí nejen s tvorbou a zvětšováním velikosti, ale i s tzv. diferenciací, která vede k tvorbě specializovaných buněk a k tvarovým změnám (kvalitativní růst). V ontogenezi rostliny tak lze rozlišit morfogenezi rostliny jako celku, formování jednotlivých orgánů (organogenezi) i pletiv (histogenezi), metabolické procesy růstu a vývoje, —6—
genetické vazby na regulační mechanismy, na komplexní informaci jedince (v DNA), ekologickou adaptaci rostliny i evoluční stránku ve vazbě na fylogenetický vývoj rostliny. Růst je úzce spojen s buněčným metabolismem, který dodává látky a energie nutné k výstavbě rostlinného těla. Časové úseky růstu a diferenciačního procesu, tedy kvantitativní a kvalitativní změny během ontogeneze rostliny nazýváme vývojem. Příklady, poznámky, doplňující terminologie Růst může být definován nevratnou změnou kvantitativního charakteru např. objemu, délky, tvaru, hmotnosti. Jako kritéria pro jeho měření můžeme zvolit zvětšení hmotnosti sušiny, čerstvé hmotnosti, zvýšení počtu buněk nebo jiných jednotek rostliny. Lze použít i hledisko biochemické např. zvýšení hladiny DNA, proteinů apod. Termínem vývoj jsou zdůrazňovány hlavně kvalitativní změny, které ovšem jsou velmi těsně spojeny se změnami kvantitativními. Růstové procesy u většiny rostlin nejsou tak pevně určeny jako u živočichů. Přesto pozorujeme zřetelnou orientaci nových struktur podle jisté osy (axiální charakter růstu) a opakování některých strukturních jednotek (modulární charakter růstu). U rostlin má zvláštní význam polarita buněk i celých orgánů projevující se nestejnými vlastnostmi protilehlých, zdánlivě stejných struktur. Je ovlivněna brzy po vzniku nové buňky faktory vnějšího prostředí.
Otázky k zamyšlení Dokážeme objasnit růst rostlin ve zvlášť extrémních lokalitách jako jsou pouště a ledovce? Kontrolní otázky • Charakterizuj termíny: růst rostlin, vývoj rostlin • Objasni vnější a vnitřní podmínky růstu rostlin.
1. 2. Dělení a růst buněk Klíčová slova Buněčný cyklus, fosforylace, defosforylace, cykliny, regulátor buněčného cyklu, růstové fáze buňky Růst rostlin je podmíněn dělením buněk a jejich zvětšováním. V dělících se buňkách dochází k několika nápadným a opakujícím se změnám, které probíhají ve čtyřech fázích buněčného cyklu. V první přípravné fázi (presyntetické), značené G1, narůstá jádro a cytoplazma. V druhé fázi (syntetické), značené S, dochází k replikaci DNA. V třetí fázi (postsyntetické), značené G2 dochází k přípravě na mitózu. Čtvrtá fáze –M (mitóza) se člení na čtyři úseky: profáze, metafáze, anafáze, telofáze (obr. 1.1) Buněčný cyklus vyžaduje přesnou prostorovou, časovou a vývojovou regulaci. V jejím průběhu nastávají dva kritické okamžiky. Po dokončení cytokineze vcházejí buňky do fáze G1 v níž nastává více možností jejího dalšího vývoje. Buňka může vkročit do etapy dělení, nebo se může její vývoj zastavit (fáze G0), nebo se může degradovat a odumřít. Po odeznění této kritické etapy buněčného cyklu vchází buňka do fáze S v níž se začíná syntéza zdvojením (replikací) DNA. Vzpomínaný kritický bod regulace přechodu od fáze G1 do S nese název START nebo R (angl. Restriction point). Druhý kritický okamžik nastává na konci fáze G2, kdy se provádí zpětná kontrola dosavadního průběhu buněčného cyklu. Teprve jeho překročením je podmíněno buněčné dělení. Regulace buněčného cyklu podléhá reakcím fosforylace (katalyzovaným různými typy kináz) a defosforylace (prostřednictvím fosfatáz). Proces fosforylace bílkovinných substrátů odpovídá kinázám založeným na cyklinech (CDK – ang. cyclin dependet kinase). Cyklin B —7—
interaguje s proteinem který je nazýván p34cdc2. Právě tento protein je hlavním regulátorem buněčného cyklu. Svoji úlohu plní tím, že fosforyluje velké množství proteinů v jádře. Vazba cyklinu B na p34cdc2 vede k jeho aktivaci Podle způsobu oddělování dceřiných buněk rozlišujeme:zaškrcování, pučení, přehrádečné dělení a volné novotvoření. Při zaškrcování se mateřská buňka protáhne do tvaru piškotu a rozdělí na dvě buňky dceřiné. Zaškrcováním se dělí baktérie, sinice, řasy, plastidy aj. Při pučení se na mateřské buňce vytvoří hrbolek, jádro se protáhne a nakonec rozdělí. Původní hrbolek s rozděleným jádrem doroste do velikosti mateřské buňky. Na mateřské buňce se často zakládá hned další buňka, takže např. u kvasinek vznikají řetízky buněk.
Obr. 1.1. Růstové fáze buněčného cyklu a jejich morfostruktury (podle Nváčka, 1985, upraveno)
Při přehrádečném dělení se v telofázi mezi mateřskou a dceřinou buňkou vytvoří přepážka • současně v celém rozsahu u buněk bohatých na základní cytoplazmu, • postupně • dostředivě (centripetálně) nebo • odstředivě (centrifugálně). Při volném novotvoření se dělení původně jediného buněčného jádra několikráte opakuje, takže vzniká větší počet jader, která se rozptýlí a mezi nimi se dodatečně vytvoří buněčné stěny. Toto dělení je typické pro zásobní pletiva. —8—
Při růstu prodělává rostlinná buňka tři růstové fáze: • zárodečnou (embryonální), • prodlužovací (prolongační) a • rozlišovací (diferenciační). Růst nových buněk lze u vyšších rostlin sledovat v dělivých čili meristematických pletivech vzrostných vrcholů nebo růstových zón. Meristematické buňky v zárodečné fázi jsou poměrně malé. Jsou vyplněny cytoplazmou a mají velké kulovité jádro v centrální poloze. Při růstu těchto buněk se zvětšuje i množství základní cytoplazmy a současně se zvětšuje i rozměr každé dělivé buňky. Buněčné jádro se rozdělí a nakonec se oddělí dvě dceřiné buňky novou buněčnou stěnou. V zárodečné čili embryonální fázi tedy přibývá množství živé hmoty (protoplastu) a narůstá počet buněk. V prodlužovací fázi narůstá buněčná stěna do plochy vmezeřeným růstem (intususcepcí), objem buňky se zvětšuje (často 20 až 30krát), avšak množství základní cytoplazmy zůstává téměř stejné. V nitru vznikají vakuoly, které se při dalším růstu buněčné stěny spojují, takže nitro buňky nakonec vyplňuje jedna centrální vakuola a základní cytoplazma vytváří nejčastěji tenký nástěnný povlak. Buňky v uvedené fázi mají nízký vodní potenciál, který podmiňuje nasávání vody do jejich vakuol i na úkor buněk sousedních pletiv. Tento osmotický proces podmiňuje nevratné rozpínání buňky. V prodlužovací fázi se tedy především nápadně zvětšuje objem buňky (= růst buněčné stěny). V diferenciační fázi se buňka specializuje podle funkce (na buňku krycí, vodivou aj.) a nabývá konečného tvaru. Její buněčná stěna tloustne. Buňky v diferenciační fázi tedy nabývají stavby a tvaru, který odpovídá funkci vznikajícího pletiva. Objem každé buňky, a proto i každého orgánu vyšších rostlin, roste zpočátku zvolna, pak se rychlost růstu nápadně zvětšuje (fáze prodlužovací) a později klesá, až se zastavuje. Vykazuje tedy velkou periodu růstu. Příklady, poznámky, doplňující terminologie Podle nejnovějších biochemických poznatků je zjednodušený avšak možný scénář regulace buněčného cyklu následující: buňky vstupují do fáze G1, cyklin B byl odbourán a Thr-167 proteinu p34cdc2 defosforylován. Zatím neznámý enzym, který pak znovu fosforyluje proteinkinázu Thr-167, vyžaduje přítomnost cyklinu B a fosfátové skupiny na Tyr-15. Výsledný dvojnásobně fosforylovaný komplex cyklin B-p34cdc2 je neaktivní, dokud není defosforylován Tyr-15. Celý systém je vytvořen proto, aby bylo možné protein p34cdc2 udržet během postupné akumulace cyklinu B ve fázi S buněčného cyklu v neaktivním stavu. Následná rychlá a specifická defosforylace Tyr-15 produktem genu cdc 25 s fosfátovou aktivitou, ke které dochází při přechodu z fáze G2 do M aktivuje kinázu cdc2, která spustí mitózu (fázi M). Jakmile je mitóza zahájena, cyklin B je rychle degradován mechanismem vyžadujícím přítomnost ubikvitinu. Dále je rychle defosforylován Thr-167 proteinu p34cdc2, čímž je inaktivován komplex kinázy cdc2 a mezi tím rozdělená buňka se vrací do fáze G1. (Voet a Voetová, 1995).
Kontrolní otázky • Jak dochází k dělení buněk? • Popiš průběh buněčného cyklu. • Charakterizuj tři růstové fáze rostlinné buňky. • Regulace mitózy a její fáze. • Charakterizuj buňku meristematické, prodlužovací a diferenciační zóny vzrostlého vrcholu
—9—
Otázky k zamyšlení Jaké jsou hybné (řídící) síly růstových procesů ve vzájemné vazbě na biochemické, genetické a ekofyziologické reakce probíhající v rostlinách. Souhrn Dělení buněk a jejich zvětšování probíhá ve čtyřech fázích buněčného cyklu. Regulace buněčného cyklu podléhá reakcím fosforylace a defosforylace. Podle způsobu oddělování dceřiných buněk rozlišujeme zaškrcování, pučení, přehrádečné dělení a volné novotvoření. Při růstu prodělává rostlinná buňka tři růstové fáze: embryonální, prolongační a diferenciační.
1. 3. Inekvální dělení buněk a diferenciace pletiv Diferenciací rozumíme strukturní a funkční rozlišení jednotlivých buněk, pletiv a orgánů rostliny. Její podstatou je diferenční genová aktivita, tj. aktivita pouze určitých genů v určitých buňkách (pletivu) a v určitých fázích ontogeneze. Při dělení mateřské buňky vznikají dvě buňky dceřiné. U apikálních meristémů se obě budou dále dělit, anebo především na okraji meristému - jedna zůstává dělivou a druhá se již nedělí, čili každá mateřská meristematická buňka musí být polarizována. Toto dělení totiž není rovnocenné a to nikoli vzhledem k chromozomálním dědičným faktorům, ale vzhledem ke strukturám a rozložení látek v buňce (podél osy polarity), k nimž mohou náležet i faktory cytoplazmatické dědičnosti (Hess 1983). Proto při tomto inekválním (nerovnocenném) dělení vznikají dvě buňky, lišící se regulačními mechanismy včetně genové aktivity (= jedna dceřinná buňka zůstává meristematickou, druhá se nakonec diferencuje podle funkce). Inekvální dělení buněk je tak základem buněčné diferenciace až diferenciace pletiv. Toto nerovnocenné buněčné dělení se netýká jen apikálních meristémů, ale probíhá při diferenciaci průduchů (obr. 1.2.), kořenových vlásků (obr. 1.3.), pylových zrn (vznik vegetativní a generativní buňky), u diferenciace sítkovic (vznik průvodních buněk - Kincl, Krpeš, 1992) a mohli bychom uvést řadu dalších příkladů inekválního dělení buněk. Výzkumy posledních let ukazují, že specifické uspořádání cytoskeletu má rozhodující vliv na určení tohoto asymetrického dělení buňky (Binarová, 1992).
— 10 —
Obr.1.2. Inekvální dělení při vzniku průduchu. Dceřiná buňka, která je menší a bohatší cytoplazmou se dělí (= zvláštní typ diferenciace) a dá vznik svěracím buňkám průduchu (HESS 1983)
Obr. 1.3. Inekvální dělem při tvorbě kořenového vlásku bojínku (Phleum sp.) Kořenové vlásky se mo hou diferencovat téměř z každé buňky rhizodermis. U bojínku se při dělení buněk rhizodermis diferencují dále se již nedělící kratší buňky bohatší cytoplazmou (trichoblasty) a z nich vyrůstají kořenové vlásky (podle Rorreye, upraveno z Hesse, 1983)
Na vzrostlých vrcholech některých řas, hub, mechů a u některých výtrusných rostlin zjišťujeme tzv. terminální buňky, které oddělují další buňky zvané segmenty. Od plavuňovitých ve fylogenetickém systému výše zjišťujeme na vegetačním vrcholu několik meristematických buněk, kterým říkáme iniciály. Iniciály zvané protomeristém vytvářejí soubor tzv. primárních meristematických pletiv čili meristémů (dermatogen, periblem, plerom, kalyptrogen), které oddělují již trvalá pletiva rostliny. U vyšších rostlin obnovují někdy i trvalá pletiva dělivou schopnost. Takovým dělivým pletivům pak říkáme meristematická pletiva sekundární, jako např. felogen, který navenek odděluje korek a dovnitř feloderm. Prvotní meristémy produkují prvotní (primární) pletiva, druhotné meristémy druhotná (sekundární) pletiva. Diferenciace v širším smyslu znamená, že dochází nejen k specifickým změnám jednotlivých buněk, ale také k tvorbě pletiv s určitou funkcí a vzniku celých orgánů. Uveďme některé zvláštnosti růstu částí jednotlivých rostlin. Např. kořeny mají poměrně jednoduchou a jednotnou stavbu. Jejich apikální meristém se uvádí v činnost v klíčícím semeni značně rychle a stejně rychlý je i celý další růst kořene. Dělivé buňky chrání před poškozením kořenová čepička vylučující slizové látky. Nemá však funkci jen ochrannou, ale podílí se i na řízení růstu kořene. V případě jejího poškození se aktivuje mezi čepičkou a vlastní dělivou zónou zvláštní skupina dělících se buněk (tzv. klidové centrum), která vyrovnává vzniklé ztráty. Diferenciace vodivých pletiv je dosti dobře rozlišitelná a začíná na rozhraní mezi vlastním meristémem a zónou dlouživého růstu. Podstatně složitější stavbu než kořen má prýt. Také u něj jsou vytvořeny základy již v embryu ve formě jednoduchého apikálního meristému. Ten musí být schopen zajišťovat jak růst a větvení vlastního stonku, tak i zakládání dalších meristémů pro růst listů a květů. Buňky v apikální části stonku jsou uspořádány nejen značně odlišně od kořenové špičky, ale také specificky pro různé druhy rostlin. Diferenciace je velmi dokonale řízena již v první fázi zakládání listu, kdy se rozhoduje o mnoha skutečnostech, na kterých závisí budoucí stavba rostliny, např. o počtu listů, o způsobu a frekvenci větvení stonku, o časových intervalech mezi tvorbou listů aj. Listy se rozvíjejí v listových primordiích pomocí několika dalších specifických meristémů. — 11 —
Největší dělivá aktivita v prvních fázích růstu je přičítána vrstvě buněk na vnějším konci primordia, později i na okrajích a někdy i v bazální části. Příklady, poznámky, doplňující terminologie Inekvální dělení je dělení buňky, při kterém jsou nově vzniklé dceřiné buňky morfologicky nebo funkčně nestejné (opak ekvální dělení) Rostlinná pletiva rozdělujeme podle dělivé schopnosti, vzniku, stavby a funkce. Podle dělivé schopnosti můžeme rostlinná pletiva dělit na trvalá a pletiva dělivá čili meristematická (prostě meristémy) a ty dále podle postavení na rostlině na: • vrcholová čili apikální (vegetační vrchol kořene nebo stonku), • vmezeřená čili interkalární (dělivé buňky v koléncích trav), • boční čili laterální (kambium, felogen), • okrajová čili marginální (na okraji čepele listu), • bazální (na bázi listu v konečné fázi růstu) a • rozptýlená čili difuzní (endosperm). Podle vzniku rozlišujeme: • pletiva pravá, kdy se mateřská buňka dělí na dvě dceřiné, které zůstávají spojené, • pletiva nepravá, která vznikají dodatečným spojením původně samostatných buněk, jako např. u řasy Hydrodyctyon reticulatum, u níž vlastně spory srostou v síťovitou strukturu, která opustí mateřskou buňku a • pletiva smíšená, vznikající druhotným srůstem pletiv (plektenchym hub). Podle tvaru a stavby rozlišujeme: • parenchym • prosenchym • kolenchym a • sklerenchym Podle funkce rozlišujeme pletiva: • krycí, ochranná • prvotní: pokožka • druhotná: korek, borka • mechanická: kolenchym, sklerenchym • asimilační: palisádový parenchym • sací: tracheje, tracheidy, sítkovice • zásobní: obyčejně parenchym, v němž se ukládají rezervní látky, • provzdušňovací: houbový parenchym, aerenchym, • vyměšovací: žláznaté chlupy, medníky aj. Další viz: Luxová, M.: Zemědělská botanika 1. Anatomie a morfologie rostlin. SZN, Praha 1965; Kincl, M., Krpeš, V.: Biologie pro studující ekotechniku. Cytologie, anatomie.a organologie rostlin. VŠB, Ostrava 1992; Kincl, M.: Cvičení z anatomie a morfologie rostlin. PdF, Ostrava 1981 aj.
Kontrolní otázky • Jaký význam pro růst rostliny má inekvální dělení buněk? • Jakou úlohu v procesu diferenciace má genová aktivita? • Charakterizuj vztah mezi inekválním dělením buněk a buněčnou diferenciací. Otázky k zamyšlení Dokážete odvodit (na základě současného stavu poznání) jakým směrem se bude dále ubírat výzkum růstu rostlin, a který vědecký obor nejvíce přispěje k rozšíření současných poznatků. K jakým praktickým důsledkům to povede? — 12 —
Souhrn Inekvální dělení buněk je základem buněčné diferenciace. Diferenciací rozumíme strukturní a funkční rozlišení jednotlivých buněk, pletiv a orgánů rostliny. Je podmíněna diferenční genovou aktivitou. Každá mateřská meristematická buňka je polarizována, dělení není rovnocenné. Při inekválním dělení jsou nově vzniklé dceřiné buňky morfologicky nebo funkčně nestejné. Meristematická pletiva (meristémy) rozlišujeme podle dělivé schopnosti na trvalá (primární) a dělivá (sekundární) a ty pak dále podle postavení na rostlině, podle vzniku, podle tvaru a stavby a podle funkce (viz. Příklady, poznámky, doplňující terminologie.
1. 4. Látky regulující růst rostlin Cíle kapitoly Seznámit s funkcí růstových fytolátek a jejich regulačními účinky ve vazbě na vnější prostředí. Klíčová slova Inhibice, stimulace, růstový regulátor, fytohormony, regulační účinky, auxiny, gibereliny, cytokininy, kyselina abscisová, etylen, inhibitory. Průvodce Koordinace růstových procesů v rostlinách je zajišťována dokonalým řídícím mechanismem. Ani rostlina na nejvyšším stupni vývoje však nemá centrální řídící systém, kterým by byla zajištěna vzájemná funkční spolupráce mezi buňkami pletivy a orgány. Tato spolupráce spočívá výhradně na korelacích – vzájemných vztazích mezi nimi. Nejde jen o řízení procesů uvnitř jedné buňky, ale je nutná souhra činnosti i velmi vzdálených souborů buněk (pletiv). Znalosti mechanismu řízení růstu u rostlin jsou dosud velmi nedokonalé. Bylo prokázáno, že přenos morfogenetických signálů se uskutečňuje převážně pomocí poměrně jednoduchých sloučenin. K nejdůležitějším z nich patří fytohormony, což jsou přirozené metabolity, které v nízkých koncentracích regulují růst a vývoj rostlin, jsou syntetizovány v určitých jejich částech a transportovány do jiných částí, kde vyvolávají fyziologické reakce. Vážou se na specifické vazebné bílkoviny, receptory, na membránách, v cytoplazmě nebo v jádře. Každý hormon má několik funkcí a každá z těchto funkcí je regulována dalším fytohormonem. Fytohormony vzájemně ovlivňují svůj metabolismus a transport, což vyvolává velmi komplexní systémy regulace v nichž jsou účinky jednotlivých fytohormonů vzájemně propojeny. Citlivě reagují na podněty vnějšího prostředí a podílí se na zapojování obranných mechanismů ve stresových podmínkách. K hlavním skupinám fytohormónů patří auxiny, cytokininy, gibereliny, abscisová kyselina, etylen, brassiny a jasmonová kyselina. Auxiny Při metabolismu proteinů vzniká růstová látka, nazvaná Wentem (1926) auxin (řec. auxanó - zvětšuji). Má v biologii rostlin zřejmě několik funkcí. Především stimuluje v prodlužovací fázi plošný růst buněčných stěn (intususcepci). Auxin vzniká v primárních meristémech, hlavně ve vzrostném vrcholu stonku, v mladých listech, ale i v sekundárních meristémech, především v kambiu, které každoročně vytvoří nový přírůst dřeva (= letokruh) i lýka a obsahuje jej i felogen, produkující zelený feloderm a navenek druhotné krycí pletivo korek.
— 13 —
Dnes je z auxinových fytohormonů nejznámější heteroauxin, který je po chemické stránce kyselinou β-indolyloctovou (ozn. IAA). Heteroauxin ''změkčuje" buněčnou stěnu aktivací hydrolytických enzymů (celuláza). Mění kyselost buněčné stěny zřejmě přes protonové pumpy, a tím je pH prostředí vhodné pro aktivitu enzymů potřebných pro její růst. Stimuluje (podněcuje) vznik adventivních kořenů i rašení pupenů. Vzniká i v oplozeném vajíčku a podporuje vznik plodu (plod, který bazipetálně produkuje nejvíce auxinů, roste nejvíce). Na vzrostném vrcholu, kde heteroauxin dosahuje vyšší koncentraci, plní vlastně funkci nativního inhibitoru tím, že brzdí růst postranních pupenů. Auxiny se používájí ke stimulaci zakořeňování řízků. Řízky z vrcholové části letorostů mají více auxinů, a proto lépe zakořeňují než z bazální části letorostu, kde je jich již méně. Také vrcholové řízky lépe reagují na dodání syntetických auxinů. Gibereliny V roce 1938 byly izolovány z houby Fusarium moniliforme (askosporové stadium Gibberella fujikuroi) čtyři účinné látky, z nichž je nejznámější kyselina giberelová (GA3), které se běžně říká giberelin. Dnes je známo více než 100 giberelinů (= derivátů s giberelanovým skeletem). Jsou to terpenoidní sloučeniny s charakteristickým giberelanovým skeletem. Označujeme je číslicemi jako GA1, GA2, GA3 atd. Giberelin stimuluje mitózu v meristémech, růst internodií i listů, nikoliv však kořenů. Ruší dormanci semen, ovlivňuje aktivitu amylázy např. v klíčících obilkách, nahrazuje požadavek ozimů na nízkou teplotu během jarovizace, indukuje kvetení u dlouhodenních rostlin, pohlaví květů, např. u okurky omezuje tvorbu květů samčích, zkrátí období juvenility u dřevin atd. Při tom účinek GA3 není tak závislý na koncentraci (obr.121), jako je tomu u auxinu. Růst kořenů není gibereliny obvykle ovlivněn. U listů obilnin ovlivňují jejich růst do délky, u listů dvouděložných i růst do plochy. Indukují kvetení u dvouděložních rostlin, které ve vegetativní fázi vytvářejí přízemní růžice listů. V některých případech mění fotoperiodickou adaptací rostlin, jako např. dlouhodenní salát postříkaný roztokem GA (v konc. 50 mg..GA3 na 1 litr) kvete i za krátkého dne. Za současné inaktivace auxinů na vzrostném vrcholu je giberelin neúčinný. Je zajímavé, že k biosyntéze giberelinů jsou zapotřebí kromě jiných látek fytohormony typu auxinů a cytokininů. Kořeny uvolňují tyto růstové regulační látky i do prostředí, kde mohou ovlivňovat růst jiných rostlin. Není to nic neobvyklého, protože již bylo prokázáno, že kořeny rostlin uvolňují do prostředí aminokyseliny, sacharidy, deriváty nukleových kyselin aj. látky. Cytokininy Cytokininy (CK) indukují v přítomnosti auxinů buněčné dělení, čili cytokinezi a odtud je také jejich pojmenování. Se stimulací dělení buněk je spjato urychlení tvorby DNA. Obecně lze říci, že cytokininy stimulují metabolismus rostlin, zvláště pak RNA a proteosyntézu. Proto zpomalují stárnutí buněk a zvyšují jejich odolnost proti nepříznivým činitelům prostředí. Nejnápadněji se jeví schopnost cytokininů (= derivátů adeninu) bránit žloutnutí izolovaných listů (kolorimetricky lze sledovat brzdění odbourávání chlorofylu). Pokud se na listu vytvoří adventivní kořeny, cytokininy, vznikající v kořenech, brzdí odbourávání chlorofylu v čepeli listu. — 14 —
Syntetizují se ve vzrostných vrcholech kořenů a odtud jsou vzestupným transpiračním proudem (xylémem) vedeny do těla rostliny (obr. 1.4.) a výrazně podporují diferenciaci pupenů. Biosyntéza cytokininů není zatím plně objasněna. Má na ni vliv kvalita a délka ozáření, jako tomu bylo u giberelinů. Ovlivňuje ji obsah O2 a etylenu, stresové faktory (sucho, nevhodné pH půdy), teplota, napadení chorobami a škůdci aj. Cytokininy jsou součástí molekul některých mRNA a jsou tedy jediným fytohormonem, který je součástí proteosyntetického aparátu rostliny. Cytokininy jsou bohatě zastoupeny v semenech i plodech a nelze vyloučit, že zde i vznikají. Zvlášť bohatým zdrojem cytokininů je mléko ořechů palmy kokosové.
Obr. 1.4. Transport fytohormonů v rostlině (podle Šebánka a kol. 1983)
Cytokininy působí na fyziologické procesy v interakci a kooperaci zejména s auxiny. Používají se v kultivačních mediích na růst a při morfogenezi tkáňových kultur. Cytokininy a auxiny umožňují regerenační proces „in vitro“ a změnami jejích poměru v médiu lze regenerovat celou rostlinu (vyrovnaný poměr= kalus, nadbytek IAA = kořeny, nadbytek CK = stonky). Exogenně aplikované CK stimulují větvení okrasných rostlin (= působí jako antiauxin, tedy potlačují apikální dominanci a tím zvyšují tvorbu květů u chryzantém). V raných fázích růstu obilovin cytokininy zvyšují především odnožování, v době kvetení pak zvyšují počet zrn v klasech a vůbec fotosyntetickou produkci rostliny, a protože zpomalují stárnutí pletiv, prodlužují i skladovatelnost řezaných květin aj. Biózy
— 15 —
K cytokininům se řadí i tzv. biózy (= bios-faktory, bios-látky), které jsou nezbytné pro embryonální růst buněk rostlin. Sem počítáme biotin (= vitamín H), aneurin (= vitamín B1), kyselinu nikotinovou (= vitamín PP) a pantothenovou, které jsou obsaženy v dělohách, pupenech a listech. Do bióz lze zařadit i další vitamíny, jako vitamín B2 (riboflavin), vitamín C (kyselinu askorbovou) vitamín E (tokoferol) aj. Zjišťujeme je v dělivých pletivech vyšších rostlin, potřebují je i baktérie pro dělení a růst, a proto se dodává do kultur mikroorganismů při jejich pěstování v laboratořích výtažek z kvasnic, který biózy obsahuje. Podílejí se nejčastěji v kombinaci s exogennimi auxinoidy na zesílení zakořeňování řízků. Pro růst adventivních kořenů je zvlášť důležitý aneurin, který si kořeny nedovedou vytvořit samy a přijímají jej z listů (1 g aneurinu stačí na 2 000 km kořenů). Inhibitory V rostlinách nevznikají jen látky stimulující růst, ale i látky, které růst brzdí čili nativní inhibitory. Jejich interakce vytvářejí harmonickou celistvost rostliny. 1. Kyselina abscisová (ABA) Patří k terpenoidním inhibitorům. Její syntéza je velmi složitá. Vyskytuje se ve formě několika izomerů a fyziologicky aktivní je její S-izomer:
Nejvíce se jí tvoří v dormantních semenech, pupenech, hlízách i cibulích a vlastně určuje dobu dormance. Může vznikat zřejmě ve všech orgánech rostliny, především však za stresových podmínek. Je zajímavé, že v buňkách nejvíce volné ABA bylo zjištěno v chloroplastech. Brzdí prodlužovací fázi růstu buněk (působí antagonisticky k působení auxinů a giberelinů). Její obsah ve stárnoucí nebo zavadajících listech prudce stoupá. ABA urychluje stárnutí listů, jejich opad a vstup do vegetačního klidu. V listech za podzimního krátkého dne stoupá obsah ABA. Stoupá i u ovocných stromů, a proto přecházejí k zimnímu odpočinku. Během zimy obsah ABA klesá a stoupá produkce GA, a proto dochází k rašení stromů. Kyselina abscisová ovlivňuje i zavírání průduchů. Při nedostatku vody ABA vyvolává uzavírání průduchů a zvýšení vodivosti kořenů. Je chápána jako faktor s antagonistickými účinký na auxiny, gibereliny (inhibuje syntézu α-amylázy) i cytokininy. 2. Retardanty Ze synteticky vyrobených inhibitorů zasluhují zvláštní pozornost 2-chloretyltrimethylamoniumchlorid, zvaný běžně chlorcholinchlorid (CCC), a maleinhydrazid (MH), tj. retardanty, brzdící růst stonků do délky tím, že ovlivňují především biosyntézu giberelinů (= antigibereliny) v rostlině. Aplikuji se postřikem na list a difundují do intercelulár, do svazků cévních a jimi do celé rostliny. Účinkem CCC se zkracují internodia stébel pšenice, která i při vyšších dávkách dusíku nepoléhá nebo poléhá později než rostliny nestříkané, i když i u pšenice se v tomto směru projevuje odrůdová specifičnost. V některých případech CCC podporuje růst kořenů, zesiluje větvení stonku a u obilnin jejich odnožování. Někdy zvětšuje i listovou plochu a listy stříkané CCC žloutnou později (zůstávají tedy déle zelené). Květy spodní části stonku, ponořené na 18 hodin do roztoku CCC a pak přenesené do čisté vody, prodlouží svou životnost o 3 až 4 dny (pro karafiáty 10 až 25 mg CCC, u hledíků 50 až 100 mg na litr vody).
— 16 —
MH zadržuje růst rostliny jako celku. Inhibuje růst vyvolaný auxiny a vysokými dávkami auxinů (auxinoidů) lze zrušit aplikaci MH. Podle koncentrace působí jako retardant růstu (0,1 až 0,05 % MH), ve vyšších koncentracích (0,5 až 0,25 %) jako herbicid. Lze jej však používat jen u rostlin, které neslouží za krmivo. MH narušuje syntézu nukleových kyselin a tím blokuje i proteosyntézu v ribozomech. Potlačuje mitózu. Ovlivňuje i aktivitu enzymů. Maleinhydrazid potlačuje nežádoucí růst šlahounů jahodníku , zabraňuje vykvétání některých druhů zeleniny a klíčení uskladněných bramborových hlíz. V malých dávkách (0,1 mg/1) stimuluje účinek auxinů. Ve vyšších koncentracích již brzdí bazipetální transport auxinů a snižuje apikální dominanci podmíněnou auxiny. Zeslabuje růst vrcholu lodyhy, podporuje její rozvětvování až metlovitý habitus. Často urychlí tvorbu květů, např. samičích květů u okurky a stimuluje tvorbu hlíz brambor. Etylen Etylen má v hierarchii fytohormonů zvláštní postavení, protože ve fyziologické koncentraci má tak nejednoznačné účinky, že jej nemůžeme pokládat ani za stimulátor ani za inhibitor (Šebánek et al., 1983). Po chemické stránce je nejjednodušším růstovým regulátorem (CH2=CH2). U vyšších rostlin vzniká z metioninu. Je to plyn, snadno reaguje, oxiduje se (až na formaldehyd), reaguje s CO2 a s některými těžkými kovy. Rozpouští se v cytoplazmě, kde byla zjištěna specifická vazebná místa pro etylen. Antagonisticky na něj působí ionty Ag+. Působí i na expresi genů. Brzdí proteosyntézu, i tvorbu mRNA. Naopak indukuje tvorbu některých mRNA i bílkovin (např. celulázy při stimulaci opadu listů a plodů, peroxidázy při stárnutí děloh aj.). Působí ve velmi nízkých koncentracích a inhibuje dlouživý růst, zatím co stimuluje růst radiální (ve vazbě na reorganizaci mikrotubulů a mikrofibril celulózy ze směru longitudálního do radiálního). Inhibuje i růst kořenů. Uvolněn do prostředí, může ovlivnit rostliny ve svém okolí.Etylen je snad nejznámější signální molekulou zprostředkující reakci rostliny na poranění (stres). Jeho transportní formou je ve vodě rozpustná kyselina aminocyklopropankarboxylová (ACC). Schopnost vytvářet ACC z aminokyseliny metioninu mají však jen některá pletiva (dělivá a vodivá), kde z ACC vzniká za působení specifického enzymu, takže si rostlina může vytvářet etylen pro vlastní potřebu a ten nakonec určuje buňku pokožky kořene (rhizodermis), která vyroste v kořenový vlásek. Uvolňují jej všechna rostlinná pletiva, zvláště dozrávající plody. Další látky s regulační aktivitou Jsou méně známé a méně prozkoumané. Jejich univerzalita výskytu není ještě prokázána. Patří k nim: brassinosteroidy, kyselina jasmonová, polyaminy, oligosacharidy a některé fenolické látky. Příklady, poznámky, doplňující terminologie Biózy Strukturální vzorce vitamínů rostlin, které v nízké koncentraci působí na metabolismus katalyticky a regulačně: Vitamín A, axeroftol, retinol. V rostlinách nebyl zjištěn. Jeho prekurzorem je β-karoten v rostlinách běžný. Karotenázou se hydrolyticky štěpí na 2 molekuly vitamínu A. Vitamín B1, aneurin, tiamin. Syntetizuje se v listech. V metabolismu se uplatňuje jako koenzym při dekarboxylaci α-ketokyselin. Vitamín B2, riboflavin. Je složkou koenzymu FAD, který se podílí na oxidačních procesech. Vzniká ve vegetačním vrcholu kořene. Vitamín C, kys. askorbová. Uplatňuje se v oxidoredukčních metabolických procesech.Vitamín D. Rostliny obsahují jen fytosteroly (= prekurzory), z nichž se působením UV záření vytváří vitamín D. Vitamín H, biotin. Má funkci růstové látky. Podílí se na metabolismu aspartátu a v dekarboxylačních reakcích Krebsova cyklu. Vitamín K, přírodní chinon. Účastní se fotosyntézy a aerobní fosforylace.Vitamín PP, kys. nikotinová, niacin. Je růstovým faktorem, složkou dehydrogenáz a koenzymu NAD+ při oxidoredukčních procesech.
— 17 —
Kontrolní otázky • Jaký význam mají fytohormony pro růst rostlin? • Které skupiny fytohormonů znáš? • Jaká funkce v rostlinách je připisována kyselině abscisové (ABA)? • Které fytohormony jsou nutné pro embryonální růst buněk? • Jak reagují některé fytohormony na stres u rostlin? Uveď příklady. • Která látka urychluje zrání plodů. • Jaká je podstata tloustnutí stonku. • Jaký je vliv auxinu na růst úžlabních pupenů. Souhrn Růst rostlin probíhá koordinovaně. Koordinace je řízena systémy vnitřní regulace. Výsledkem růstových a diferenciačních pochodů je harmonický vývoj rostliny. Regulační systém u rostlin je zajišťován systémem přirozených metabolitů, tzv. fytohormonů, které regulují růst, jsou syntetizovány v nízkých koncentracích v určité části rostliny a transportovány do jiných částí, kde vyvolávají fyziologické reakce. Nejdůležitější z nich jsou auxiny, cytokininy, gibereliny, kyselina abscisová, etylen, brassinosteroidy, kyselina jasmonová, polyaminy, oligosachariny, Nejznámnější fytohormony jsou ty, které se vážou na specifické vazebné bílkoviny, receptory — 18 —
na membránách či v cytoplazmě nebo v jádře. Fytohormony vzájemně ovlivňují svůj metabolismus a transport, což vede k velmi komplexním systémům regulace a působí také na funkčnost obranných mechanismů rostlin ve stresových podmínkách. Pojmy k zapamatování Fytohormony, růstový regulátor, auxin, cytokininy, giberelin, etylen, kyselina abscisová.
1. 5. Vývoj rostliny Klíčová slova Ontogeneze, embryonální vývoj, vegetativní vývoj, diskontinuita vývoje, zygota, morfogeneze, generativní vývoj, senescence, juvenilita, opylovač,autogamie, alogamie, geitonogamie, xenogamie, klon, vývoj pylu, signál prostředí Průvodce Růst jsme definovali jako nevratné kvantitativní zvětšování hmoty rostliny, zatímco co vývoj rostliny lze chápat jako řetěz kvalitativních změn, kterými prochází rostlina v individuálním vývoji čili ontogenezi za určitého souboru vnějších podmínek. Růst je přitom nezbytnou podmínkou vývoje. Rostlina se může normálně vyvíjet a může normálně růst, vyhovuje-li soubor podmínek prostředí biologickým požadavkům fylogeneze rostliny čili mezi růstem a vývojem není nějaká hranice, protože strukturální a funkční vývojové změny ontogenze rostliny (embryonální, juvenilní /vegetativní/, reprodukční, stárnutí, smrt) se mohou dít jen u rostoucí rostliny. Schází-li některý činitel z požadovaných podmínek prostředí, neprobíhají žádoucí kvalitativní změny a vývoj se zastavuje, i když růst může pokračovat dále. Známe-li podmínky prostředí, které rostlina potřebuje pro svůj růst a vývoj, můžeme řídit jejich průběh. V ontogenezi rostliny dochází postupně k zapojování nových genů, které usměrňují morfogenezi rostliny, ale i procesy vedoucí ke kvetení, což je zřejmě zakódováno v DNA a je součástí genomu rostliny. Charakteristickým rysem vývoje je jeho diskontinualita - zavádění a rušení vývojových inhibic a indukcí nových morfogenetických aktivit (různé typy dormancí, jarovizace, fotoperiodické indukce aj.). Podle fyziologického stavu a morfologických struktur lze individuální vývoj rostliny rozdělit do čtyř etap (fází): 1. embryonální: od vzniku zygoty do zformování zárodku 2. vegetativní čili juvenilní: údobí růstu, kdy rostlina není schopna ani za vhodných podmínek prostředí přejít k reprodukci 3. generativní (zralosti): kdy rostlina sama nebo vlivem prostředí přejde k vytvoření květních orgánů až do oplození květů, tj. k vytvoření zygoty, která zahajuje nový cyklus individuálního vývoje a 4. stárnutí (senescence): zakládání a zrání semena plodů a zánik mateřské rostliny. Jen zcela výjimečně lze u dřevin sledovat na jedinci několik etap vývoje současně (např. kávovník, kakaovník aj.) Těmto vývojovým stádiím předchází opylení, oplození a vznik semene.Květy krytosemenných rostlin barvami nebo seskupením barev koruny, kalicha, okvětí nebo jiných částí květu opticky lákají opylovače. Mnohdy v květech nápadně zbarvené skvrnky — 19 —
(netykavky) nebo žilky (večernice), nitky tyčinek (žluťucha), listeny (černyš) apod. přímo „značkují“ cestu hmyzu k medníkům. Přitom opylovače květů rostlin vážou faktory „vnitřní“ (květní morfologie, produkce nektaru, dynamika kvetení) a faktory „vnější“ (sluneční režim, teplota, vlhkost prostředí aj.). Při sledování vztahu mezi opylovači a opylovanými jedinci lze na jedné straně zaznamenat květní morfologii, produkci nektaru a dynamiku kvetení, na druhé straně vliv slunečního režimu ekotopu, jeho teploty i vlhkosti. Efekt opylování se zdá být primárně ovlivňován osluněním ekotopu a z tohoto hlediska lze opylovače rozdělit na preferující silně osluněné stanoviště čili to, že si vybírají osluněná místa pro pastvu a opylovače opylující na celé ploše bez uvedené vazby na přímé oslunění čili opylovače, kteří si nevybírají místa pro pastvu. Zbarvení květů vytvářejí barviva obsažená v buněčné šťávě vakuol a to především flavonoidy (od žluté po červenou, fialovou až modrou – záleží na pH), z nichž jsou nejznámější antokyany a karotenoidy (žluté až oranžovočervené) a jejich deriváty až hnědé xantofyly. Samo vnímání zbarvení květů je u různých opylovačů různé. Např. včely zpravidla neopylují červeně zbarvené květy, ptáci jim však dávají přednost (ornitogamie). Bíla barva květů vzniká odrazem světelných paprsků. Černou rostliny neznají, a proto není možné vypěstovat černou růži. V naší květeně dominuje u květů barva bílá ve všech výškových stupních (Slavíková, 1996). Další v pořadí je barva žlutá, pak fialová, červená až purpurová a poslední je barva hnědá. Známe dva základní typy opylení, a to: a) autogamii (samosprášení), tj. opylení vlastním pylem (jestliže se květ ani neotevře), např. u rýže, u některých kultivarů ječmene, u kopytníku evropského aj. a b) alogamii (cizosprášení), tj. opylení cizím pylem (z jiného květu): • na téže rostlině - geitonogamie nebo • z jiné rostliny – xenogamie Příklady, poznámky, doplňující terminologie Většina krytosemenných rostlin vytváří oboupohlavní květy obsahující jak prašníhy, tak pestíky, kde vznikají a vyvíjejí se samčí i samičí gametofyty. Vlastní vývoj pylu, tedy proces mikrosporogenese a mikrogametogenese, byl již mnohokrát popsán (Twell, 1994; Owen a Makaroff, 1995). Diploidní mikrosporocyty neboli mateřské buňky pylu se nacházejí v prašnících, v prašných pouzdrech vyplněných tekutinou a obklopených čtyřmi buněčnými vrstvami - tapetem, střední vrstvou, endotheciem a epidermis. Takto zaopatřené mikrosporocyty sekretují stěnu sestávající z β-1,3-glukanu, kalosy, a poté podstupují meiosu (Obr. 1.5.). V průběhu dvou meiotických dělení se diploidní mikrosporocyt rozdělí ve čtyři haploidní mikrospory. Rozeznáváme dva typy meiotické cytokinese. Při postupné cytokinesi, která byla popsána například u lilie, dochází k tvorbě buněčné desky po každém z obou meiotických dělení. Naproti tomu při simultánní cytokinesi popsané u tabáku se mikrosporocyt nejprve přemění v tetrádu jader mikrospor dočasně tvořících syncitium. Teprve po skončení II. meiotického dělení následuje formování intersporálních kalosových stěn (Horner, 1977). Nedávno byla popsána alela TETRASPORY nezbytná pro správný průběh cytokinese mikrospor Arabidopsis thaliana (Spielman et al., 1997). Mutace v této alele zpožďuje tvorbu kalosové stěny mezi mikrosporami, což má za následek přetrvání syncitia. Jednotlivá meiotická dělení probíhají v celém prašníku synchronně, pravděpodobně jako důsledek skutečnosti, že mateřské buňky pylu navzájem komunikují pomocí cytoplasmatických můstků, jimiž jsou pospojovány. V době meiotického dělení mikrosporocytů se tapetální buňky diferencují v dvojjaderné polární sekreční buňky postrádající primární buněčnou stěnu. Tyto buňky obsahují výjimečné množství ribosomů, mitochondrií, endoplasmatického retikula a Golgiho aparátu, a to zejména v blízkosti plasmatické membrány hraničící s prašnými pouzdry. I buňky tapeta jsou propojeny cytoplasmatickými můstky, což umožňuje koordinovat jejich aktivitu.
— 20 —
Bezprostředně po ukončení meiosy počíná formování buněčných stěn mikrospor. Mikrospory v tetrádách syntetisují z vnější strany plasmalemmy celulosovou primexinu, která funguje jako matrix pro ukládání sporopoleninu. Sporopolenin je zpočátku syntetisován z prekursorů nacházejících se v cytoplasmě mikrospory a je sekretován mezi plasmatickou membránu a kalosovou stěnu. Když mladá mikrospora oplývá částečně zformovanou exinou, dochází k postupnému rozpouštění kalosové stěny a uvolňování jednotlivých mikrospor (Obr. 1.5.). Za rozpouštění kalosy je zodpovědný enzym β-1,3-glukanasa, kalasa, syntetisovaný buňkami tapeta a uvolňovaný do prostoru prašného pouzdra. Správné načasování sekrece kalasy je jedním z kritických momentů mikrosporogenese. (Honys, 2000)
Obr. 1.5. Schematické znázornění hlavních fází během vývoje a zrání pylového zrna. Bližší popis v textu v kapitole 1.1 (podle Bate, 1997; Twell a Howden, 1998, upraveno).
dp, dvojjaderný pyl; gb, generativní buňka; KP, klíčení pylu; MI, meiosa I; MII, meiosa II; mpz, mladé pylové zrno; ms, mikrospora; msc, mikrosporocyt; pl, pylová láčka; PMI, první pylová mitosa; PMII, druhá pylová mitosa; sb, spermatická buňka; tm, tetráda mikrospor; tp, trojjaderný pyl; UM, uvolnění mikrospor; vb, vegetativní buňka; vj, vegetativní jádro; zpz, zralé pylové zrno.
Kontrolní otázky • Charakterizuj stručně jednotlivé etapy vývoje rostliny • Jak dochází k opylení rostlin a které typy opýlení znáš? • Hlavní fáze vývoje a zrání pylového zrna Otázky k zamyšlení Jaká je podstata procesu opylení a co mu předchází. Souhrn Růst rostliny chápeme jako zvětšování hmoty rostliny, její vývoj jako řetěz kvalitativních změn probíhajících v průběhu ontogeneze rostliny. Růst a vývoj probíhají pod vlivem vnějších podmínek a jsou podmíněny také geneticky. Charakteristickým rysem vývoje je jeho — 21 —
diskontinualita. Pod vlivem podmínek prostředí může být vývoj přerušen nebo úplně zastaven i když růst pokračuje. Rozlišujeme čtyři etapy (fáze) vývoje rostliny. Předchází jim opylení, oplození a vznik semene. Opylení vlastním pylem je autogamní, cizím pylem alogamní. Vlastní vývoj pylu probíhá jako mikrosporogeneze a mikrogametogeneze.
1. 6. Charakteristika vývojových etap rostlin Klíčová slova zygota, genetická informace, embryonální růst, vegetativní orgány, vegetativní rozmnožování, klon, výtrusy, květní indukce, fotoperiodismus, fotoperiodická adaptace, fotoperiodická indukce, interakce fytohormonů, jarovizace, geneticky podmíněná senescence, urychlené stárnutí. Průvodce Životní cyklus rostlin, procházející čtyřmi etapami vývoje, se utvářel z hlediska fylogeneze jednotlivých druhů (odrůd) miliony let, zatímco jejich ontogenetický růst a vývoj může trvat pouze několik měsíců, případně několik (někdy i mnoho roků). Již při vzniku daného druhu hrálo podstatnou roli jeho postupné přizpůsobování se hlavně klimatickým podmínkám. Životní cyklus rostlin vlastně přežívají semena a tvorbou zygoty v první etapě vývoje začíná život nového sporofytu, který pozorujeme u semenných rostlin při jejich klíčení. V každé etapě působí s větší, či menší intenzitou ekologické faktory. Platí to hlavně o etapě generativního vývoje, kde se faktory prostředí uplatňují především v období kvetení. Důležitý je fotoperiodismus, kde přizpůsobivost rostlin je největší. Následující podkapitola podává bližší informace o životním cyklu rostlin od jejich vzniku až po etapu senescence a konečnou letální fázi. Embryonální vývoj, zygotická embryogeneze Embryonální vývoj je vymezen úsekem od vzniku zygoty do zformování embrya. Je značně závislý na optimálních klimatických podmínkách a minimálně závislý na signálech vnějšího prostředí. Mnohobuněčný systém vyšší rostliny roste při pohlavním rozmnožování z jediné buňky-zygoty. V zygotě je uložena sumární genetická informace, která určuje spolu s podmínkami vnějšího prostředí celou ontogenezi rostlinného organismu. Všechny další buňky vznikají ze zygoty mitotickým dělením. Embryonální růst buněk v meristematických oblastech je realizován mitotickým buněčným cyklem. V biosyntéze převládá během embryonálního růstu vznik nukleových kyselin a proteinů. Vývoj zárodku a formování těla rostliny se uskutečňuje na buněčné a tkáňové. úrovni.Vaječná buňka je umístěna v mikropylarním konci zárodečného vaku. Po oplodnění se zygota prodlužuje a je asymetrická. Provází ji přítomnost dvou buněk, bazální a apikální. Asi po třiceti hodinách po oplodnění se vyvine osmibuněčný prazárodek, který je základem pro další buněčné dělení a dalších růstových fází. Vegetativním (juvenilním) vývojem rozumíme vývoj vegetativních orgánů, morfogenezi kořenů, pupenů a listů. Je to období, kdy rostlina není schopna přejít do reproduktivní fáze. Juvenilní etapu zahajuje klíčení semen. Důležitou roli hrají teplotní a světelné podmínky prostředí, časování je dáno sezónností klimatu. Ve značné míře se uplatňují vnitřní mechanismy řízení vývojových procesů (uplatnění fytohormonů, korelace mezi auxiny, cytokininy, gibereliny, kyselinou abscisovou, retardanty atd.), menší je závislost na podmínkách prostředí. Fyziologické aspekty vegetativního vývoje rostlin-fenotyp
— 22 —
K vegetativnímu rozmnožování slouží různé části rostliny, které jsou schopné zakořenit a regenerační schopností obnovit chybějící orgány, protože i specializované orgány rostlin si ponechávají latentní schopnost dalšího růstu v případě potřeby. Velmi mnoho rostlin se rozmnožuje jak vegetativně, tak i generativně. U některých druhů je však generativní rozmnožování zcela nahrazeno vegetativním. Tyto rostliny se rozmnožuji oddenky (pýr, konvalinka, leknín aj.) nebo výběžky (šlahouny), na nichž se zakládají noví jedinci (jahodník). Po odumření výběžku se oddělí mladé rostliny od rostliny mateřské. Jindy rostliny vytvářejí cibulky (sněženka, křivatec aj.), oddenkové hlízy (brambor, topinambur aj.), kořenové hlízky (jiřinka, orsej, vstavače aj.), zvláštní rozmnožovací pupeny v květenství (pacibulky česneku) nebo úžlabní pupeny listů, které se po odkvětu diferencují v pacibulky jako u našeho orseje jarního (Ficaria verna, subsp. bulbifera). Ze spících a adventivních pupenů na kořenech dřevin vyrůstají výmladky (šeřík, hloh, švestka, líska, olše, buk, akát aj.). Ve všech případech vegetativního rozmnožování rostlin jde o účast jedince na rozmnožovacím procesu a jeho přímé pokračování. Vegetativně rozmnožovaným jedincům říkáme klony. Klon je tedy určité množství genotypově stejných organismů, odvozených pouze vegetativní cestou z jediného původního organismu (Hrubý, 1961). Klony tak dosahují velkého stáří, tj. stáří sort. Tak např. jablka Kalvilu bílého zimního znali již v Římě př. n.l. Jde tedy o klon starý více než dva tisíce let. Nižší rostliny vytvářejí nepohlavně zvláštní buňky, lišící se tvarem i fyziologicky od vegetativních částí rostliny. Jako příklad nám poslouží větrem roznášené výtrusy hub (konidie, bazidiospory, oidie, askospory aj.), které jsou pro rozmnožování výhodné především tím, že snášejí lépe nepříznivé podmínky prostředí než sama rostlina, která je vytvořila. Je třeba připomenout, že mezi rozmnožováním výtrusy (sporami) a běžným vegetativním rozmnožováním je mnoho přechodných způsobů nepohlavního rozmnožování. Schopnost vegetativního způsobu rozmnožování některých rostlin, odpozorovaná z přírody, se využívá i při množení některých kulturních rostlin (brambor, česnek, cibule aj.) v praxi, a to především proto, abychom beze změny udrželi kladné vlastnosti těchto vyšlechtěných kulturních rostlin. Regeneračních schopností rostlin se využívá při umělém vegetativním množení řízky, a to stonkovými (rybíz, fuchsie, pelargónie, oleandr aj.), kořenovými (maliník, ostružiník aj.) a listovými (begónie), čili při jejich řízkování, ale též při vegetativním množení rostlin křížením (líska, karafiát aj.). Při řízkování především špatně kořenících rostlin lze s úspěchem použít vhodné kombinace růstových stimulátorů. Generativní vývoj Pro generativní vývoj je charakteristické, že rostlina v něm již přechází do reproduktivní fáze a to autonomně nebo pod vlivem signálů prostředí. Zahrnuje tedy nejen vznik květních orgánů, ale i vývoj květu až do oplození a vznik zygoty, čímž je zahájen i nový cyklus individuálního vývoje. V této fázi vývoje dochází u rostlin k maximální závislosti na signálech prostředí, což platí především pro dřeviny. Faktory prostředí se v plné míře uplatňují v období kvetení. Pro tvorbu květu je třeba nejdříve květní indukce (= proces, kdy buňky apikálního meristému místo listů vytvářejí modifikované listové útvary květu), která se aktivuje za působení určitých indukčních podmínek, určitého rozpětí teplot (termoindukce) a vystavení rostliny záření, popř. určité délce dne (fotoindukce). Pak teprve následuje založení květního primordia čili iniciace květu, květních primordií v meristémech, až dochází k diferenciaci jednotlivých částí květu, popř. květenství. Uvedenou složitou hierarchii procesů vedoucích ke kvetení rostlin si uvedeme s určitými vazbami v přehledu: • 1. indukce květů ← termoindukce: jarovizace
— 23 —
fotoindukce: fotoperiodismus • 2. iniciace (založení) květů a • 3. diferenciace květů
Obr. 1.6. Sled průběhu kvetení rostliny.(Podle Kopcewicze 1998, upraveno)
Fotoperiodismus, fotoperioda a fotoperiodická indukce Délka dne a délka noci při střídání během 24 hodin jsou určeny zeměpisnou šířkou místa. Na rovníku trvá den i noc 12 hodin a čím jdeme dále od rovníku, tím delší den mají rostliny během vegetační doby. Rostliny jsou tomuto střídání určité délky noci čili fotoperiodě přizpůsobeny, je zakódována geneticky jako výsledek adaptace k prostředí, především ke klimatu a rytmu ročních změn. Hovoříme o jejich fotoperiodické adaptaci. Rostliny tedy jeví fotoperiodismus, tj. reakci na určitou fotoperiodu čili délka dne ovlivňuje schopnost rostlin vytvářet květy. Délkou dne je totiž určován i komplex genových aktivit. Postupným zapojováním nových a vypojováním určitých skupin genů rostlina přechází z vegetativní fáze do fáze generativní a ke kvetení rostliny čili k realizaci podstatné části genetické informace morfogenetického potenciálu rostlinné buňky (Krekule, Ondřej, 1988). Rostliny, které kvetou v létě za dlouhého letního dne (delšího než 14 až 16 hodin) nebo za stálého osvětlení, jsou rostliny dlouhodenní (např. špenát, salát, mrkev, cibule, jarní pšenice, mák aj.). Krátkodenní rostliny (např. jiřinka, chryzantéma, tominambur, konopě, balzamína aj.) kvetou nejspíše za krátkého jarního nebo podzimního dne (vyžadují krátký den - 8 až 10 hodin). Některé rostliny nekvetou ani za velmi krátkého dne, ani za dlouhého dne, ale vyžadují přesně vymezenou fotoperiodu. Jsou to rostliny intermediární (např. Phaseolus
— 24 —
polystychus kvete při 12 až 16 hodinové periodě). Jiné rostliny vyžadují nejdříve určitý počet dlouhých dní a pak určitý počet krátkých dní (rostliny dlouho-krátkodenní, např. Bryophyllum crenatum nebo B. tubuliflorum pěstované na dlouhém dni přeneseme aspoň 10 dní na krátký den) nebo obráceně rostliny krátko-dlouhodenní (např. Echeveria harmsi, Scabiosa succisa aj.) dříve považované za dlouhodenní rostliny, kde ke květní indukci je třeba krátký den, který může být nahražen i částečně nízkou teplotou (= jarovizační termoindukce). Sem lze počítat i lipnici luční, srhu říznačku a jílky (Penka a kol. 1977). Rostliny neutrální pak kvetou za libovolné fotoperiody, jako např. smetanka, rajče, pohanka, bavlník, měsíček lékařský aj. Krátké přerušení třeba středu temné periody (jen na 10 minut) u krátkodenních rostlin inhibuje tvorbu květů, tzn., že kvetení není indukované krátkým dnem, ale dlouhou nocí. U dlouhodenních rostlin toto přerušení temné periody naopak stimuluje kvetení rostlin. Do květní indukce je zapojený i fytochromový systém (viz dále). nekvete
kvete
LT - dlouhý den
kvete
nekvete
KT - krátký den
Obr. 1.7. Působení dlouhodenní (LT) a krátkodenní (KT) fotoperiody na listy a vegetační vrchol a indukce kvetení krátkodenní rostliny Chrysanthemum morifolium. Podle Mohra a Schopfera z Ruyterse, 1987
Fotoperiodické podráždění čili fotoperiodický stimul je přijímán vzrostlými (dospělými) listy a z nich se šíří do vegetačního vrcholu, kde se místo listů zakládají květy.(obr. 1.6) Příliš mladé a příliš staré listy na fotoperiodu nereagují. Fotoperiodický stimul na rozdíl od jarovizačního je pohyblivý (florigenová teorie Čajlachjan, 1967). Pro využití fotoperiodismu je důležitá fotoperiodická indukce, tj. počet dní, po něž je rostlina vystavena určité fotoperiodě, aby pak kvetla i za nepříznivé fotoperiody. Doba fotoperiodické indukce (fotoperiodické citlivosti = světelné stadium je pro různé druhy i odrůdy charakteristická. Vzrostný vrchol jakoby měl připraveny dva programy diferenciace a jejich realizace citlivě reaguje na danou ekologickou situaci. Potlačením růstu listů korelačně stimuluje formování květů a kvetení rostliny a obráceně podporou růstu listů udržuje rostlinu ve vegetativním stavu (Krekule, 1973). Jde tedy o korelaci vztahů mezi vegetativními a generativními orgány rostliny.
— 25 —
Obr.1.8. Mnohofaktorový model kvetení rostliny. Indukce kvetení je zapříčiněna řízeným přemisťováním asimilátů, fytohormonů, minerálních solí a fyzikálních faktorů z listu a kořene do vzrostlého vrcholu. (podle Kopcewicze 1998, upraveno)
Schopnost kvetení je u rostlin většinou spojena s určitým stářím a s vytvořením minimálního počtu listů čili postačující asimilační plochy listů. Především v zahradnické praxi je dlouho známé střídání určité délky dne a noci (= fotofáze a skotofáze dne – řec. skotos = temnota, tma) při pěstování některých rostlin ve sklenících a proto kvetoucích nezávisle na roční době. Pokud rostlina není schopna přejít z vegetativní fáze do generativní, i když má k tomu optimální podmínky prostředí, nejsou ani meristémy schopny reagovat na květní stimul a mají sníženou citlivost ke květní indukci (Kutina a kol. 1988). Tohle juvenilní období může u bylin trvat několik dní, u dřevin léta i desítky let a lze je chápat jako adaptaci (přizpůsobení) pro vytvoření dostatečné asimilační plochy i větvením stonku založení dostatečného počtu květů. Stresy (sucho, omezení kořenové soustavy, kroužkování větví apod.) často stimulují kvetení rostlin. Odstranění zdrojů auxinů urychluje kvetení (např. chryzantéma, když jí odstraníme postranní stonky, letní řez obnovuje aktivitu meristémů v postranních pupenech a urychluje diferenciaci květních pupenů aj.). Aplikace TIBY (antiauxinu) oslabuje růst a podněcuje tvorbu květů. Juvenilitu u některých jehličnanů zkracují gibereliny. Korelační vztahy tedy citlivě modifikují míru kvetení rostlin. Čím silnější je apikální dominance, tím méně květů se diferencuje. Tvorba a diferenciace květů je ovlivňována interakcí fytohormonů i ve vztahu k nukleovým
— 26 —
kyselinám a tím k proteosyntéze. Nejvýznamnější je poměr mezi auxiny a gibereliny. Tyčinky mají nízký obsah auxinů, ale vysoký obsah giberelinů, pestíky vyšší obsah auxinů, avšak nízký obsah giberelinů a to je zpravidla určující pro diferenciaci samčích a samičích květů třeba kukuřice nebo okurky seté, kde se vlastně zakládají potenciálně oboupohlavné květy, ale nakonec se diferencují v květy samčí nebo samičí podle poměru hladiny auxinů a giberelinů. Za vyšší hladiny auxinů se vyvíjejí samičí květy, a proto také lze feminizaci květů navodit aplikací auxinů (nebo CEPA) a tvorbu samčích květů aplikací giberelinů. Fotoperiodická indukce zastaví vegetativní růst stonku schopného teoreticky neomezeného růstu a vyvolá přestavbu jeho vegetačního vrcholu v květní primordium až v modifikované listy květu nebo květenství. Příklady, poznámky, doplňující terminologie Jarovizace, dejarovizace a antijarovizace Jarovizací rozumíme působení nízkých teplot (0 až +15 °C) na rostlinu nebo její část za účelem ovlivnění kvetení. Aplikace nízkých teplot může trvat dny až týdny. Jarovizační chlad působí na rostliny připravené k růstu, např. jako naklíčené obilky, induktivně, kdy jsou po určitou dobu vystaveny působení určitého rozpětí teplot a pak se pěstují za vyšší (normální) teploty nebo přímo, kdy rostliny jsou vystaveny chladu až do vytvoření květních primordií (např. dvouleté rostliny, které potřebují chlad v prvním roce života, aby ve druhém roce vykvetly: kapusta, zelí, cukrovka aj.) Přitom rostliny pěstované při teplotách vyšších (nižších) než vyžadují pro proces jarovizace buď vůbec nevykvetou nebo nakonec vykvetou s určitým zpožděním. Jarovizační efekt (stimul) je lokalizován v apikálních meristémech čili je v podstatě nepohyblivý a dělivá pletiva z jarovizovaných meristémů si udržují jarovizační změny. Vliv auxinů na jarovizaci je sporný. GA však dovede částečně nebo zcela nahradit působení nízkých teplot (záleží na koncentraci GA, růstové fázi při aplikaci a teplotě). Není-li proces jarovizace ukončen, může být účinkem vyšších teplot zrušen (= dejarovizace). I vyšší teploty před procesem jarovizace mohou narušit proces jarovizace (= antijarovizace: cibule, špenát aj.). Počet dní jarovizace (u jarních pšenic 5 až 9 dní, u výrazně ozimých pšenic 30 až 59/69/ dní – Teltscherová, 1955) i potřebné rozpětí teplot (špenát -3 až +9°C, salát -5 až +11°C, ozimá pšenice 0 až +10°C, jarní pšenice +5 až +20°C, - Junges, 1959) jsou úzce vázány na podmínky prostředí, v němž vznikla odrůda. Termoindukce může být nahrazena i fotoindukcí (prodloužením dne, vyšší intenzitou světla apod.), takže např. jarovizovaný špenát kvete při desetihodinovém dni, nejarovizovaný potřebuje ke kvetení den čtrnáctihodinový.
Kontrolní otázky Jaký je rozdíl mezi krátko- a dlouhodenními rostlinami? Stárnutí Během ontogeneze rostliny dochází k oslabování životních procesů. Postupuje proces stárnutí, který končí smrtí organismu. Je v přírodě všeobecným jevem vyplývajícím ze samotné podstaty života. Kromě přirozeného postupu stárnutí se na něm podílí rovněž mnoho činitelů vnějšího prostředí jako: koncentrace toxických chemických látek v půdě, vodě a ve vzduchu, klimatické poměry apod., které mohou významně ovlivnit proces růstu a vývoje rostlin. Jejich působení spočívá v tom, že mohou růst a vývoj stimulovat, inhibovat, prodlužovat nebo zkracovat až ke konečné letální fázi. Ve smyslu rostlinného metabolismu je jisté, že v etapě mladosti a zralosti, za předpokladu normálního růstu a funkčnosti jednotlivých orgánů rostlin, převažují procesy syntézy. Ve fázi stárnutí začínají převažovat rozkladné fyziologické procesy. Je rovněž otázkou od kterého okamžiku vlastně začíná samotný proces stárnutí. Ten záleží na více činitelích, např. na druhu rostliny (mono-, či polykarpické), stupni odolnosti jednotlivých orgánů i celé rostliny vůči nepříznivým vlivům prostředí apod. Stárnutí se projevuje rozličnými příznaky obecného charakteru z nichž jsou nejdůležitější: 1. Růst kořenů má menší rychlost a nakonec se úplně zastaví. 2. Menší potřebný odběr minerálních solí kořenovým systémem. — 27 —
3. Zaniká fotoperiodická citlivost. 4. Nastupuje stupňovitý rozpad chlorofylu. 5. Zmenšuje se intenzita a výkon fotosyntézy. 6. Nastupuje malá intenzita respirace. 7. Dochází k hromadění některých metabolitů a různých rozkladných produktů. 8. Stoupá obtížnost transportu asimilátů, hormonů, vody i minerálních solí. 9. Tvoří se menší množství stimulátorů růstu a zvětšuje se obsah inhibičních látek. 10. Zmenšuje se propustnost buněčných blan pro ionty a další transportovatelné substance 11. Nastupuje stupňovitá dezintegrace procesu metabolismu a změna struktury v pletivech a buňkách (nastává stupňovitý rozklad tonoplastu). Smrt celé rostliny začíná odumřením jejího orgánu a části pletiva. V důsledku aktivity vrcholových meristémů v horních částech rostliny, udržuje se zde déle prodloužený stav mladosti, který trvá do chvíle, kdy procesy stárnutí ukončují život starších bočních orgánů. Ve Jednotlivé orgány rostlin mají sezónní charakter (listí, květy, plody) a odumírají dříve. Květy některých rostlin trvají jen několik dní (např. mák-2 dny, lilie-6 dnů), zřídka až několik týdnů (chryzantémy). Také nadzemní vegetativní i generativní orgány žijí obyčejně krátce, rostlina je přežívá. Zákonitý proces stárnutí lze např. u ovocných stromů spomalit seřezáním starých větví koruny, čili tzv. zmlazením. Každý orgán rostliny má podle Krenkeho svůj vlastní věk, který začíná založením orgánu tzn., že např. list ve vrcholové části rostliny má nejkratší vlastní věk, protože vyrostl nejpozději, ale ve vztahu k celé rostlině má nejvyšší věk obecný. Těmto věkovým rozdílům jednotlivých orgánů odpovídají rozdíly fyziologické a biochemické. Podle tvaru listů lze posuzovat proces stárnutí i obsah živin. Závlaha má vliv na co nejdelší udržení listů v mladém věku, zatímco nedostatek vody proces stárnutí urychluje.
Obr. 1.9. Srovnání tvaru čepele jako projev změn ontogeneze (stárnutí) u cukrovky. Podle Maximova, 1951.
Obr. 1.10. Vliv závlahy na tvar listu cukrovky. Stejně staré listy: a-zavlažovaný, bnezavlažovaný (podle Minina z Maximova, 1951)
Kontrolní otázky • Které vnější faktory mohou urychlovat přirozený proces stárnutí rostlin? • Co rozumíte vnitřní podmíněností stárnutí
— 28 —
2. FYTOCHROMOVÝ SYSTÉM VE VÝVOJI ROSTLIN Cíl kapitoly vysvětlit, význam fytochromového systému pro růst a vývoj rostlin z hlediska ekologických podmínek prostředí. Klíčová slova Fytochrom, chromofor, fotoreverzibilní reakce, přenos signálu, fotoreceptor, fotoperiodismus, energetické fotobiologické procesy, nestabilní forma fytochromu, genová aktivita fytochromu, fotoperiodická indukce, membránový model, typ fytochromu I. a II, kritická délka noci, fotomorfogeneze, signál pro měření času (induktor), universální induktor-florigen, regulace kvetení, kryptochrom. Průvodce V následujícím textu se seznámíme s fytochromovým systémem, který patří k nejrozšířenějším a nejlépe prozkoumaným fotoregulačním mechanismům. Fotoreceptorem tohoto mechanismu je fytochrom. Jeho objev H.A.BORTHWICKEM na počátku 50. let minulého století patří k jednomu z největších objevů fyziologie rostlin. Fytochrom má klíčové postavení při realizaci dědičně podmíněných ireverzibilních morfogenetických procesů během ontogenetického vývoje rostlin a přizpůsobení jejich metabolismu konkrétním ekologickým podmínkám. Jeho důležitost spočívá v tom, že zachycuje záření a má pro rostlinu informační význam. Na jeho základě rostlina zpracovává přijatý signál, přenáší ho na úroveň buněčnou a odtud dále na úroveň morfogenetickou. Tím usměrňuje svůj růst a vývoj i pohyb svých jednotlivých částí, což zajišťuje její přežití v daném typu prostředí. Prostřednictvím fytochromového systému reguluje světlo v rostlině, aktivitu enzymů, syntézu nukleových kyselin a vůbec proteosyntézu, respiraci buněk, biosyntézu chlorofylu, karotenoidů a antokyanů, morfogenezi chloroplastů, klíčení semen, růst a kvetení rostlin, vývin a opadávání listů, utváření pupenů atd. U fotosyntézy má nejdůležitější roli energie slunečního záření. Na morfogenetické a pohybové procesy rostlin působí nejen jeho kvantita a směr, ze kterého dopadá na rostlinu, ale také kvalita, tj. jeho spektrální složení a především doba jeho působení, i periodicita střídání světla během dne, což rostlina vnímá fotoreceptory a vede k určité její reakci. Nutno si uvědomit, že záření a fotoreceptory pouze informují rostlinu o stavu prostředí v němž roste. Vlastní řízení růstových procesů však zůstává v rozsahu působnosti buněčného řídícího aparátu, který zpracovává informace o prostředí. Jedním z nejdůležitějších a známých biologických mechanismů, uskutečňujících se na základě regulačního působení slunečního záření, je fotoperiodismus. Fotoperiodický mechanismus pravidelného střídání různě dlouhého dne a noci (tmy) ovlivňuje většinu metabolických a morfogenetických procesů (růst, rozmnožování aj.) organismů. V průběhu fotosyntézy dochází k tvorbě produktů, obsahujících mnohem více energie než měly výchozí látky, a energie se může navíc kumulovat do makroergických sloučenin, z nichž může být uvolňována podle potřeby. Proto fotosyntézu z hlediska fotobiologických procesů řadíme mezi energetické fotobiologické procesy, na rozdíl od informačních fotobiologických procesů, při nichž fotony indukují speciální zesilovací regulační (např. fotomorfogeneze), orientační (fototaxe, fototropismus) nebo biosyntetické (účast na — 29 —
biosyntéze pigmentů, vitamínů apod.) mechanismy. Fotobiologické procesy, působené např. tvrdým UV-zářením, mohou vést k mutačním, patofyziologickým až letálním (= vedoucím k úmrtí jedince) destrukčním procesům. Proti nim pak mohou působit antídestrukční procesy (např. fotoreaktivace aj.). Fytochrom podává rostlině důležité informace o kvalitě záření jako je poměr jeho krátkovlnné a dlouhovlnné červené složky, který závisí na charakteru rostlinného porostu a o kvantitě světla na stanovišti. Předává signál mechanismu, který „měří“ u rostlin čas. Je fotoreverzibilním rostlinným pigmentem, který přijímá signál pro zahájení fotomorfogenetických pochodů. Základní jednotku tvoří jeden chromofor a jeden protein. Jedná se o jedinou sloučeninu se dvěma reverzibilními formami. Základní forma fytochromu (PR) se po absorpci fotonu o vlnové délce 660 nm mění ve formu s absorpčním maximem 730 nm (PFR), která je nestabilní a obvykle přechází v průběhu několika hodin zpět do základní formy PR. Částečně se samovolně vrací na PR, částečně se rozkládá. K transformaci PR na PFR postačuje zpravidla jen velmi nepatrné množství červeného záření. Fytochrom P660 je fyziologicky neaktivní. Přeměňuje se absorpcí červeného záření 660 nm na fyziologicky aktivní formu P730 a obráceně absorpcí záření 730 nm nebo za působení temné fotoperiody (během noci) se aktivní forma P730 přeměňuje na fyziologicky neaktivní formu P660 (reverzibilní transformace). Konverze obou forem není nikdy úplná, v důsledku překrytí absorpčních spekter P660 a P730 nemůže být veškerý fytochrom transformován pouze do jedné z forem. Poměr P660/P730 se například po ozáření červeným světlem (660 nm) ustálí na 1:3 až i 1:5 tzn. na počátku noci převažuje v rostlinách aktivní forma fytochrom P730, která se během temné periody přeměňuje na P660. Aktivní fytochrom v P730 v semenech (plodech) citlivých na světlo inhibuje klíčení. Zřejmě orientace molekul fytochromů (na jedné straně molekuly část proteinová a na druhé absorbující záření) v cytoplazmatické membráně při vnější buněčné stěně rozhoduje o aktivitě fytochromu. Osvětlujeme-li střídavě nažky salátu citlivé odrůdy na světlo červeným a tmavě červeným zářením, jejich klíčení vždy závisí na vlnové délce posledního ozáření. Bylo-li to záření tmavě červené (P730) dochází k výrazné inhibici klíčení semen. Fytochrom reaguje již na velmi nízkou ozářenost (od 0,1 nmol/m2/s) např. vnímá záření na počátku dne za svítání. Nízká prahová ozářenost (asi 1 mol/m2/s) již stačí, aby byly uvedenz do chodu (klasické fotoreverzibilní reakce, stimulace klíčení, inhibice kvetení krátkodenních rostlin apod. Odezvy na vysokou prahovou ozářenost (HFR) uplatňují obvykle nárok na dlouhodobé působení ozářenosti (vyšší než 10 mmol/m2/s). Jejich akční spektrum s maximy v oblasti FR a modrého záření není fotoreverzibilní. Usměrňování těchto procesů se patrně zúčastní fytochrom společně s receptorem pro modré záření. Odezvou je např. tvorba antokyanů, zvětšování děloh (u hořčice), inhibice podděložního článku rostliny (hypokotyl). Mmechanismus působení světelného signálu není dosud plně objasněn a je dnes vykládán na úrovni hypotézy diferencované aktivity genů (obr.2.1.). Informace v tomto směru jsou z DNA transkribovány do mRNA a pomocí tRNA realizovány při proteosyntéze. Samou funkci fytochromu lze vysvětlit membránovým modelem (obr. 2.2.). Je schopen reagovat i na velmi malou ozářenost, která je silně pod prahovou hodnotou vyžadovanou pro fotosyntézu. Lokalizován je především v cytoplazmě, dokonce v jádře buněčném. Jestliže neaktivní forma fytochromu (P 660) je v buňkách vcelku rovnoměrně rozptýlena, přeměnou na aktivní formu (P730) dochází ke shlukování fytochromu zejména v blízkosti plazmatických membrán za aktivace protonových pump zvýšení příjmu K+ a koncentrace Ca2+ (Gloser, 1995). Fytochrom se chová jako proteinkináza. Fytochromové systémy mohou pracovat se zpožděním a i na relativně značnou vzdálenost od místa fotoreceptoru (fytochrom v listech → kvetení rostliny), což naráží na problematiku spojení mezi strukturními změnami
— 30 —
biomembrány buňky a vlastním (konečným) působením fytochromového systému při kvetení v terminálních meristémech rostliny.
fytochrom biomembrána
protein
protein
Obr. 2.2. Membránový model funkce Obr. 2.1. Model diferencované genové aktivity fytochromu. Předpokládá se, že působením aktivního fytochromu P730 fytochrom s makromolekulami (Pfr). Aktivace potenciálně aktivovaných proteinů vytváří jakýsi kanálek, genů vede ke specifické mRNA a syntéze který může být uzavřen nebo specifického enzymu, čímž se „zapojuje“ otevřen změnou fytochromu. určitá metabolická dráha. Reprimování Otevřený kanálek umožňuje např. určitého genu umožňuje „vypínání“ pohyb iontů (X) anebo jiných určité metabolické dráhy (Moohr in látek přes biomembránu Ruyters, 1987, upraveno). (Kendrick in Ruyters, 1987).
Absorpční spektrum strukturních forem fytochromů Obr. 2.3. Konformace prostetické skupiny a absorpční spektra obou reverzibilních forem fytochromu Pr a Pfr (Salisbury, Ross, 1992 a Macháčková, Krekule in Procházka et al., 1998). Fytochrom tvoří dva identické polypeptidy a na každém z nich je přes můstek napojena prostetická skupina (= chromofor) s tetrapyrolovým řetězcem. Procesy jsou aktivovány jen aktivní formou Pfr (=fytochrom far red)., který se samovolně mění na základní neaktivní formu Pr (fytochrom red). Neaktivní fytochrom má barvu modrou a aktivní olivově zelenou.
Mezi oběma formami fytochromu jsou zcela zásadní rozdíly ve fyziologických účincích, což se vysvětluje změnami ve struktuře základního proteinu. Rostliny pěstované na světle mají jiný typ fytochromu, značený jako typ II, než rostliny rostoucí ve tmě, u nichž se vyskytuje typ I. Rozdíl mezi oběma typy je v bílkovinném nosiči. Stejný chromofor je vázán — 31 —
na jiný proteinový dimer. Ve všech zelených rostlinách naprosto převažuje typ II. Fytochrom se vyskytuje ve všech rostlinných tkáních, hlavně v mladých rychle rostoucích buňkách včetně kořenů a to i u etiolovaných rostlin. V etiolovaných rostlinách převládá první typ fytochromu. Jeho absorpční maximum je 666 nm a jeho koncentrace je až padesátinásobná než v rostlinách zelených. Tento typ se po ozáření rychle rozkládá. Etiolizaci lze zabránit krátkodobým ozářením R, jehož účinek může být zrušen následným ozářením FR. Z dalších fotoregulačních mechanismů, které ovlivňují metabolismus a morfogenezi především tajnosnubných (nižších) rostlin lze uvést tzv. kryptochromový systém s regulačním účinkem v krátkovlnné části spektra modrého a fialového světla i časti ultrafialového záření (UV-A), tj. v rozmezí vlnových délek od 320 do 500 nm. Fotoreceptor zvaný kryptochrom je pevně vázán na plazmatickou membránu. U hub byl popsán mykochromový systém při fotoindukované sporulaci, kdy UV-záření (280 - 300 nm) působí jako induktor a modré záření (380 - 500 nm) jako inhibitor. Příklady, poznámky, doplňující terminologie Jedním z nejvíce popsaných regulačních mechanismů činných fytochromů (P, Phy) je vztah mezi kvetením krátkodenních rostlin (SDP –short day plants) Xanthium pennsylvanicum a vlnovou délkou, která byla přerušena zábleskem. Přerušením dlouhé, indukční noci impulzem krátkovlnného červeného světla (R) se blokovalo kvetení a osvětlením červeným světlem (FR) se odvracel tento efekt. Ve fotoperiodické indukci je hlavní role přičítána temnotnímu období fotoperiody (noci), a kritické délce noci (CNL-ang. Critical night length), která určuje kvetení. CNL je minimální období temnosti v čase vystačující k zahájení generativní indukce. CNL záleží na množství činitelů jako je teplota, věk rostlin, parametry světla a fáze světlé fotoperiody nebo na velikosti indukčních cyklů. Pokusy spojené s fytochromovou kontrolou indukce kvetení, spojené s přerušením temnotní fáze ozářením R-FR ukázaly, že dochází k labilní formě fytochromu (PhyA-124kDa, která absorbuje záření v 662nm), a inhibuje kvetení, zatímco stabilní forma (PhyB-118 kDa absorbující záření v 666 nm) stimuluje kvetení. Při fotoperoidické stimulaci nebo inhibici zakládání květů rostlina „měří“ délku dne či noci. Děje se tak fotoreverzibilním pigmentovým komplexem PFR na PF, za tmy Větší množství PFR je přeměněno již v průběhu první hodiny po zatemnění. Rostliny jsou schopny měřit jak délku noci, tak i délku světelné části dne. Měření probíhá ve spolupráci s vnitřní časomírou oscilačního rytmu. („biologickými hodinami“) po přenesení signálu z fytochromu na oscylátor, který vyvolá stav indukce ve vzrostlém vrcholu (apikálních meristemů). Délku dne (noci) zjišťují listy. Z nich je informace přenášena řádově několik hodin do meristémů zvláštním fytohormonem ze skupiny florigenů a antiflorigenů. (Kopcewicz, 1998)
Obr. 2.4. Schéma podílu fytochromu na fotoperiodické reakci (Podle Kopcewcze, 1998). Soubor Schema funkce fytochr. Kryptochrom – dosud chemicky neidentifikován, fotosenzor pro modrou oblast spektra s hlavním absorpčním maximem 450 nm a vedlejšími 370, 420 a 480 nm. U rostlin přenáší signál pro fotomorfogenetické reakce
Otázky k zamyšlení Jaké faktory zapřičiňují, že rostlina v plném období života nekvete a zastaví generativní vývoj? — 32 —
Kontrolní otázky • Která část spektra hraje úlohu ve fotomorfogenezi rostlin a jaké látky jsou jejím receptorem? • Proč má fytochromový systém zásadní význam pro růst a vývoj rostliny a jaké funkce plní? • Charakterizuj vztah mezi fytochromovým systémem a prostředím ve kterém rostlina roste. • Které fotobiologické procesy v rostlinách probíhají? Souhrn Fytochrom je nejznámější fotoreceptor. Zachycuje záření a podává rostlině informace o prostředí ve kterém roste. V rostlinách se vyskytuje fytochrom ve dvou reverzibilních formách - P660 a P730. Fyziologicky aktivní je pouze forma P730. Po absorpci kvanta záření fytochromem (fotorecepce) následuje přeměna „světelného signálu“ v „signál biologický“ (transdukce) a jsou vyvolány takové změny v metabolismu, které odpovídají přijaté informaci o vnějším prostředí a jsou pro dané podmínky růstu rostliny optimální. Pojmy k zapamatování Fytochrom, fotoreceptor, fotoperiodismus, fotoregulační systém, reverzibilní forma fytochromu, typy fytochromu I. a II., kryptochrom.
— 33 —
3. V LIV VNĚJŠÍCH FAKTORŮ NA RŮST A VÝVOJ ROSTLIN Cíl kapitoly Vysvětlit působení hlavních faktorů prostředí na růst a vývoj rostlin a objasnit aktivaci nápravných procesů k udržení jejich života Průvodce Na růst rostlin působí v přírodě řada nejrůznějších fyzikálně-chemických faktorů, které jsou navíc ve vzájemných interakcích. Jedná se o složitý komplex abiotických a biotických činitelů, který je spjat s ostatními životními procesy a vytváří určité hranice podmínek prostředí. Mimo tyto hranice se růst zastavuje, ale rostlina ještě nehyne. Vnější podmínky se často mění a pokud změny překročí jistou mez (hranici tolerance) dochází u rostlin k nežádoucím ekofyziologickým změnám spojeným s narušením jejich struktur a funkcí.Proti působení negativních vlivů vnějších faktorů prostředí se rostliny brání aktivací nápravných procesů na úrovni molekulární, biochemické a fyziologické. V průběhu evoluce si vytvořily řadu obranných mechanismů a trvale se přizpůsobují měnícím se situacím vnějšího prostředí. Zvláštní pozornost zasluhují v regulaci rostlinného vývoje klimatické podmínky - teplota, sluneční záření a voda.
3. 1. Teplota Klíčová slova Teplotní šok, termotolerance, termický stres, chlad, mráz a mraruvzdornost, kardinální body teploty, stav anabiózy, odolnost pletiv, eukariotické a prokariotické organismy, letální teplota, bílkoviny „teplotního šoku“, chperony, termická izolace, mezibuněčné mrznutí, dehydratace, vnitrobuněčné mrznutí. Průvodce Teplota patří k nejdůležitějším vnějším faktorům ovlivňujícím růst a vývoj rostlin. Jejich citlivost ke změnám teploty je značná. Rozmezí změn, ve kterých se rostliny mohou pohybovat aniž by došlo k jejich poškození, je poměrně velmi úzké (asi 5-35°C). Jak dalece jsou rostliny schopny snášet krajní rozmezí teplot? Jak se rostliny brání proti přehřátí a proti působení chladu nebo silného mrazu? Za jakých teplotních podmínek je růst rostlin optimální? Na tyto a další otázky odpovídá následující text. Teplotní rozmezí růstu rostlin Pro růst každé rostliny jsou důležité tzv. kardinální body: minimum teploty, optimum teploty a maximum teploty. V minimu teploty se růst zastavuje, v optimu roste nejrychleji a v maximu se růst opět zastavuje. Tyto kardinální body se však při adaptaci rostliny k novým podmínkám prostředí mohou posouvat. Je-li vhodná teplota pro růst překročena, životní procesy se výrazně zpomalují až na minimum (strnulost), protoplast přechází do stavu anabiózy a při překročení této letální hranice dochází k trvalému poškození a k smrti rostliny — 34 —
extrémní teplotou. Dlouživý růst prýtů v mírném pásmu začíná při teplotě několika stupňů nad 0°C. Pro růst kořenů dřevin je minimum teploty v rozmezí 2 až 5°C. Proto nepřekvapuje, že kořeny začínají růst před rašením pupenů a zpravidla rostou mnohem déle než nadzemní části rostliny, někdy až do pozdního podzimu. Na druhé straně jen při nízkých teplotách blízkých mrazu mohou žít na ledovcích velehor třeba Chlamydomonas nivalis a různé zelené řasy a rozsivky. Je tedy třeba znát hranice tolerance rostliny na teplotní požadavky. Jejich rozpětí také ukazuje na původ rostliny (srovnej v tabulce 3.1. třeba kardinální body hrachu a teplomilné okurky!).
Tab. 3.1. Kardinální body některých rostlin, životních forem rostlin a baktérií. Podle Němce a Pastýrika, 1956, Kaviny, 1947 a Larchera, 1988.
Z tabulky je zřejmé, že mezi optimem a maximem je mnohem větší rozdíl než mezi optimem a minimem. Na teplotě prostředí je závislá nejen rychlost růstu, ale též rychlost fotosyntézy a dýchání, příjem roztoků minerálních látek z půdy atd. a to vše s komplexem podmínek prostředí ovlivňuje růst rostliny. 3. 1. 1. Vliv vysokých teplot Při teplotách nad 40°C vznikají v rostlinných pletivech jedovaté látky typu toxinů a při teplotách kolem 50°C dochází ke koagulaci proteinů, k porušení proteinolipidního komplexu. Čím delší dobu působí vysoká teplota, tím škodlivější je její účinek. Za nejodolnější bývají pokládány některé baktérie a sinice v léčivých pramenech, které snášejí teploty i přes 70°C. Odolnost pletiv proti zvýšeným teplotám je nepřímo závislá na obsahu vody. Proto jsou pletiva s vysokým obsahem vody chráněna pletivy s nízkou tepelnou vodivostí (korek, kůra, borka). Dojde-li k soustředění slunečních paprsků, např. kapkami vody vytvořenými na skle pařeništního okna, dochází na některých místech k přehřátí, a proto k odumření buněk listů. Pletiva na těchto místech zhnědnou a rozpadnou se (na listech okurky např. zjišťujeme nápadné díry). Zvlášť nebezpečné je opakující se náhlé přehřátí nebo kolísání teploty, jak je tomu u kmenů stromů např. v předjaří. Důsledkem střídání poměrně vysoké teploty v místech přímého dopadu slunečních paprsků za dne a nočními mrazy nebo teplotního rozdílu mezi sluncem ozářenou částí kmene a částí nacházející se ve stínu, jsou mrazové trhliny. Kmeny ovocných stromů před nimi chráníme pokryvem na jižní a jihozápadní straně nebo je aspoň natíráme vápnem. Odolnost proti mrazu zvyšuje také přihnojení ovocných stromů draselným hnojivem. Ionty K+ napomáhají bobtnání bílkovin v buňkách, tím brání podstatným a trvalým změnám vlastností nativních bílkovin (= denaturaci) a umožňují větší odolnost ovocných stromů proti mrazu. Vliv nepříznivé teploty na rostliny Procesy probíhající v živé buňce jsou charakterizovány svou optimální teplotou. Při tom záleží na druhu rostliny, nárokům na stanoviště, typu pletiva, a také vývojové etapě rostliny.
— 35 —
Nadměrná vysoká teplota (nadoptimální) oproti nadměrně nízké (suboptimální) teplotě může způsobit poškození struktur, doprovázeným rušením metabolismu, oslabováním růstu a životnosti rostlin. Je příčinou odumírání buněk, orgánů a celého jedince. Při termotropní změně lipidové fáze dochází k degradaci lipidů na mastné kyseliny fosfolipidů na galaktolipidy, tvoří se zbytky nenasycených mastných kyselin. Jako stresor působí o kritická až letalní teplota, která je různá u jiných druhů a také orgánů a u pletiv. Působení vysokých teplot – tepelný šok. Příklady, poznámky, doplňující terminologie Rozlišujeme tři skupiny rostlin charakterizovaných různou citlivostí na vysokou teplotu: a) Rostliny citlivé na vysokou teplotu. V této skupině se mísí všechny druhy které podlehají vlivu teploty 3045°C. Eukariotické vodní řasy, cévnaté rostliny. b) Poměrně odolné organismy eukariotické: rostliny slunečných stanovišť. Mohou vydržet mezi 50-60°C. Absolutní termický limit pro život této skupiny je 60-70°C. c) Prokariotické organismy žijí ve vodě gejzírů a vulkanických komínů sinice (75°C) a různé bakterie (do 90°C) , mimoto – hypertermofilní archeobakterie (Pyrobaculum, Pyrococcus, Pyrodictium) z hlubin oceánů (do 110°C). Všechny tyto organismy jsou charakterizovány velkou odolností buněčných blan, nukleových kyselin a bílkovin na vysokou teplotu.
Absorpce velkého množství sluneční energie v bezvětří může být příčinou zvýšení teploty pletiv nad teplotu okolí. Hranice letální teploty (jinak termický bod smrti) záleží na délce expozice pletiva na vysokou teplotu. U metabolicky aktivních orgánů se jeví letální teplota okolo 45-55°C. Vodní rostliny ze stíněných stanovišť hynou v teplotě 38-42°C. Speciální citlivost na vysokou teplotu mají thylakoidní membrány, jmenovitě fotosystém II. Ve výzkumech prováděných na Atriplexu a Tidestromii bylo zjištěno, že teplota způsobující zabrždění aktivity PSII (42°C) byla blízká kritické pro fotosyntézu (43°C). Fotosystém II rovněž podléhá fotoinhibici spolupůsobením dvou stresorů: vysoké teploty a vysoké intenzity záření dává aditivní efekty: brždění fotosyntézy při teplotě nižší než je hranice vyvolaná působením jen vysoké teploty (např. suchem), může brždění fotosyntézy potom vystoupit ještě při nižší teplotě (okolo 30°C) Únik před přehříváním představuje různá anatomicko-morfologická přizpůsobení jako je hustota průduchů, organizace transpirace při deficitu vody apod. Rostliny rostoucí trvale za vysokých teplot předcházejí přehřívání listů prostřednictvím zmenšení absorpce slunečního záření díky velmi hustým termoizolačním krycím chlupům na povrchu listu. Na povrchu kutikuly vytvořený vosk odráží světlo. Čepel listová takových rostlin se často odvrací od světla, (paraheliotropismus). Snížení tepla provádějí také malé rozměry listových čepelí, to umožňuje rychlejší vydávání tepla do atmosféry. Tolerance k vysoké teplotě je vysoce specifická. Rostliny které jsou původem z tundry a z vysokých horských oblastí jsou výrazně citlivější na vysokou teplotu než rostliny z mírného klimatu. Výzkum posledních let ukazuje na velký význam bílkovin „tepelného šoku“ (HSP – ang. heat shosk proteins) v odolnosti rostlin na vysokou teplotu. Syntéza těchto bílkovin které pravděpodobně chrání buněčné struktury před následky stresu jsou indukovány vysokou teplotou. Při přechodu z teploty 25°C na 40°C (teplota nižší než letální) se zastavuje syntéza „normální“ sestavy bílkovin. Místo toho začíná vzrůstat syntéza asi 30-50 jiných bílkovin. Množství těchto nových bílkovin, indukovaných vysokou teplotou (HSP) se hromadí v rozpětí od 15 do 110 kDa. Tyto bílkoviny náleží do několika tříd a jsou seskupeny do následujících rodin: HSP 110 a HSP90 (94-80 kDa), HSP70, HSP60, nízkomolekulární HSP
— 36 —
(30-16 kDa) a ubikvitin (8,5 kDa). Jeho funkce je „značkování“ jiných bílkovin určených k proteolýze. Bílkoviny HSP jsou kódovány prostřednictvím jaderného genomu a syntetizovány v cytoplazmě, následně jsou transportovány do chloroplastu a mitochondrií. Buňky a rostliny u kterých zůstala indukovaná syntéza bílkovin HSP, vykazují zvětšenou termotoleranci.. Specifická role bílkovin HSP není ještě dokonale poznána. Pravděpodobně mají význam ochranný, stabilizují struktury chromatinu, membrán a jiných bílkovin, plní roli bílkovin „pečovatelských“ či doprovodných zvaných také chaperony (ang. Chaperonins). Stimulují opravné mechanismy, umožňují postranslační svinutí bílkovinných řetězců a transport k místu určení. Jedna z bílkovin HSP je lokalizována v chloroplastech a pravděpodobně působí proti fotoinhibici i v době tepelného šoku na světle. Některé z bílkovin HSP nejsou unikátní pro tepelný šok: jejich syntéza podléhá indukci také pod vlivem jiných činitelů takových jako je deficit vody, přísun ATP, mechanické zranění, zasolení. Některé z bílkovin HSP mohou plnit důležité role v normálním metabolismu buněk. Např. bílkoviny HSP90, HSP70 a HSP60 se zařazují do třídy bílkovin ochranných. Homolog HSP60, zvaný také chloroplastový chaperon 60, funguje jako bílkovina vážící velkou podjednotku karboxylázy RuBP v chloroplastu. Ochranné bílkoviny vystupují v buňkách ve fyziologických teplotách, ale jejich množství se značně zvětšuje po tepelném šoku. Je přijat název „bratrské“, „příbuzné“ bílkoviny tepelného šoku“ (HSCP – heat shock cognate proteins) Tolerance na vysoké teploty, aklimatizace rostlin na vysokou teplotu Proces přizpůsobení zvýšeným teplotám probíhá velmi rychle. Rostlina reaguje v průběhu několika hodin expozice na působení teploty vyvolávající stresovou reakci nižší než letální. V čase aklimatizace rostlin dochází k přestavbě buněčných membrán a k zvětšení podílu nasycených mastných kyselin 3. 1. 2. Působení nízkých teplot Z hlediska mezní, letální teploty a zároveň specifických mechanismů odolnosti možno rozlišit tři kategorie rostlin: 1. Rostliny citlivé na chlad jsou to rostliny které podléhají vážnému poškození a hynou v teplotě vyšší než teploty zamrzání vody (5°C, 10°C a také 15°C). Do této skupiny náleží řasy osidlující teplé vody oceánů, některé houby a většina zelených rostlin a některé dřeviny teplého klimatu. 2. Rostliny citlivé na zamrzání, jsou to rostliny které tolerují snížení teploty jen do okamžiku v kterém začíná krystalizace vody v buňkách. Do této skupiny náleží takové rostliny, které jsou přes celý rok citlivé na zamrznutí. (řasy osídlující chladné vody oceánů, některé řasy sladkých vod, dřeviny tropického a subtropického pásma různé rostliny mírného klimatu 3. Rostliny tolerující zamrzání. Jsou odolné vydržet intercelulární zamrzání. Do této kategorie náleží sladkovodní řasy, plovoucí řasy, mechy, dvouletky a trvalé rostliny polárního ledu. Odolnost na mráz u rozmanitých rostlin se může značně zvětšovat v období aklimatizace tolerují teplotu –50 až -70°C 3. 1. 2. 1. Účinky působení chladu Rychlost působení a hraniční meze poškození záleží na velikosti teploty a času jejího působení a rychlosti ochlazování. Speciálně je velmi škodlivý náhlý pokles teploty (termický šok). Čím nižší je teplota a délka působení, tím je hranice poškození větší. Citlivost různých — 37 —
fyziologických procesů a funkce buněčných struktur na nízkou teplotu je rozmanitá. Nejrychleji se narušuje proces fotosyntézy a tím fungování thylakoidů v chloroplastech, zastavuje se krouživý pohyb cytoplazmy. 3. 1. 2. 2. Účinky působení mrazu Zima se sněhem není jen chladným ale také suchým obdobím. Půda promrzá a zimu nejhůře snášejí mladé stromy, které často hynou. Dlouhotrvající mrazy brání doplnění zásob vody, která v tuhém skupenství nemůže do zmrzlé půdy proniknout. V oblastech kde jsou dlouhé a chladné zimy je půda zmrzlá po celé měsíce a trubice cévních svazků v kořenech a prýtech jsou plné ledu (voda v cévách a tracheidách mrzne při poklesu –2°C). Větévky nechráněné sněhem stále ztrácejí vodu, jejich vodní bilance je záporná. Rostliny, především ovocné stromy a dřeviny jsou nejvíce ohroženy suchem v pozdní zimě a v předjaří, kdy slunce již ohřívá větve a podporuje transpiraci, ale půda ještě není roztátá. Působení teploty nížší než 0°C přináší nový jev odlišný od chladu - tvorbu krystalů ledu v pletivech. Led vznikne uvnitř nebo vně buňky Led utvořený uvnitř buněk způsobuje téměř vždy neobnovitelné poškození struktur a rychlé odumírání. Vyskytuje se však výjimečně jen u neodolných rostlin a při velkém poklesu teploty. Naproti tomu voda v mezibuněčných prostorách (extracelulární) a v xylému začíná mrznout při teplotách –1 až –3°C v závislosti na obsahu osmotik snižujících bod tuhnutí. Voda může zůstat v tekutém podchlazeném (metastabilním) stavu a to až do 38°C.(INA-ice-nunucleation active) Mechanismy odpovědi rostlin na mráz Existují různé mechanismy kterými může rostlina přežít působení mrazu. 1. Předcházení zamrznutí spoléhá hlavně na termickou izolaci, která dovoluje snížit a opozdit ztráty tepla. 2. Unikání zamrzání- je založena na snížení teploty krystalizace vody hlubokým podchlazením zejména v mladých slabě vakuolizovaných buňkách. Tím může opozdit moment vzniku krystalů ledu v buňkách (níže –1 do –7°C). Mechanismus snížení bodu tuhnutí přítomností osmoticky aktivních látek (cukrů, aminokyselin, polyalkoholů) je účinný jen při nízkých mrazech. Jedině pevná buněčná stěna je schopna zabránit větším deformacím při tvorbě ledu v apoplastu. 3. Mezibuněčné mrznutí spočívá v tom, že voda proniká do intercelulár kde v malém množství ještě neohrožuje základní buněčné funkce. Při delší době působení mrazu vzniknou krystalky ledu, které narůstají (především na úkor vody v protoplastu) a může dojít k poškození plazmatické membrány. K poškození semipermeability (někdy i tonoplastu) může dojít také fyzikálně-chemickou cestou (fázová změna lipidové vrstvy, degradace fosfolipidů aj.) Hrozí „odvodnění“ buněk, dehydratace protoplastu po zamrznutí apoplazmatické vody. (Vzduch nad leden o teplotě –5°C má vodní potenciál snížen až na –6 Mpa!!!) táhne za sebou? 4. Odolnost tolerance mezibuněčné krystalizace vody přes protoplast (tolerance zamrzání) je základní podmínkou přežívání období mrazu. Spoléhá hlavně na ochranu buněčných struktur před skutečností nadměrné dehydratace s jednostranným zvětšením efektivnosti bariér, které chrání buňky před pronikáním krystalů do jejího nitra (z apoplastu).Ochrana před dehydratací je založena na:
— 38 —
• Zvětšeni sil udržujících vodu v buňkách a na snížení vodního potenciálu v buňce. Vstupuje do toho akumulace osmoticky aktivních sloučenin ve vakuolách (jednoduché cukry, oligosacharidy, některé dusíkaté sloučeniny a některé aminokyseliny) zároveň hydrofilní bílkoviny v cytoplazmě. Zvětšuje se podíl vysoce polárních lipidů ve struktuře membrán např. fosfatidylcholiny (PC) a fosfatydiletanolaminy (PE) • Chránění buněčných struktur před silnou dehydratací.Je založena na obohacení buněčných membrán o některé stabilní lipidy (PC, PE, fosfatidilglycerol, nenasycené mastné kyseliny, některé steroly) a hromadění dalších substancí v cytoplazmě – kryoprotektantů (některé cukry, aminokyseliny, např. prolin, hydroxiprolin, polyamíny). Tyto substance stabilizují struktury membrán, zabraňují konformačním změnám bílkovin, chrání je před denaturací. Některé syntetizované bílkoviny vykazují homologii i s bílkovinami vodního stresu např. dehydrin. Jejich syntézu mohou regulovat stresové hormony ABA, kyselina jasmonová. Snížení obsahu vody v protoplastu doprovázeného hlubokým útlumem metabolických funkcí a schopností snášet značnou dehydrataci po delší dobu. Aklimatizace na nízkou teplotu Vzrůst odolnosti na mráz se váže často na sezónní aklimatizaci na nízké teploty, které jsou komplikovaným jevem. Na jaře v období intenzivního dlouživého růstu je aklimatizace nejmenší, značně se zvětšuje v období podzimu, kdy se zastavuje růst. Aklimatizace nastává zejména prostřednictvím nízkých teplot (<0°C) jako důsledku dvou činitelů: zkracující se dne a postupného klesání teplot. Růst odolnosti pletiv na mráz se často váže na období dormance (hluboké klidové fáze) a u dřevin probíhá ve třech etapách: I. etapa-aklimatizace je indukována krátkou fotoperiodou II. etapa-indukovaný pokles teplot do 0°C nebo něco mezi (-2, -3°C), poklesu syntézy bílkovin, fyzikálně-chemických změn buněčných struktur, tolerance buněk na dehydrataci. III. etapa-charakterizována silným odvodněním pod vlivem dlouhotrvajících poklesů teplot Pod vlivem nízké teploty (pod 0°C) se mění exprese některých genů jsou syntetizovány nové bílkoviny zvané CAP (cold-acclimated proteins), COR (cold-regulated proteins), LTI low temperature inducible) AFP (anti-freeze proteins). Buňky nabývají větší odolnost na zamrznutí., to se váže na zvětšenou odolnos na dehydrataci. Příklady, poznámky, doplňující terminologie • Vegetační termická konstanta-vyjadřuje požadavky jednotlivých rostlinných druhů na teplotu. Jde o součet průměrných teplot ve vegetačním období. Příklady: U brambor se uvádí 2300 – 3000°C, u jarního ječmene 1700-2500°C, u ozimé pšenice 2560-3080°C. • Termoperiodismus je pravidelné kolísání teploty prostředí spojené např. se střídáním denních a nočních teplot. U rostlin může stimulovat růst. Jako příklad se uvádí brambory, kde je nízkou noční teplotou stimulováno zakládání hlíz. Podobně u rajčete zakládání plodů.
Kontrolní otázky • Jak se rostliny přizpůsobují extrémním teplotám? • Proč dochází vlivem nízkých teplot k úhynu rostlin? • Které ochranné bílkoviny se aktivují při chladu a při přehřívání? — 39 —
• Charakterizujte rozdíly mezi chladnutím a mrznutím Otázky k zamyšlení Může člověk ovlivnit adaptační schopnosti vzhledem k teplotním podmínkám růstu?
3. 2. Voda Klíčová slova rostliny poikilohydrické a homoiohydrické, difuze, osmóza, osmotický tlak, semipermeabilní blána, vodní potenciál, vodní stres, turgor, turgescentní buňka, halofyty, xerofyty, hydrofyty, sciofyty, transpirace, průduchy, gutace, vodní bilance, Průvodce Voda je nejdůležitější abiotický faktor ovlivňující růst a produktivitu rostlin. O její nezbytnosti svědčí, že všechny ekologické pochody v rostlinách probíhají za její účasti. V ekosystémech má nezastupitelné postavení. Její zásoby jsou doplňovány nepravidelnými srážkami, proto kolísají a často se projevuje její nedostatek. V období sucha se s ním rostliny musí vyrovnávat. Jejich závislost na potřebném množství vody v prostředí je značná. Voda poskytuje rostlinám důležité prvky vodík a kyslík, které jsou základním stavebním materiálem k utváření jejich struktur, nezbytným pro jejich život. Proto se nedostatek vody musí projevit jako vážná příčina poruch ve složitých fyziologických a biochemických procesech probíhajících uvnitř rostlinného organismu. Objem vody, který „konkrétní“ rostlina potřebuje k životu, závisí na podmínkách prostředí v němž roste, a kterým se také musí přizpůsobit. Často se vyskytující nedostatek vody přinutil rostliny, aby si vytvořily v průběhu svého dlouhodobého vývoje řadu adaptačních a regulačních mechanismů jimiž reagují na vodní stres a současně i zajišťují, aby využívání vody bylo co nejefektivnější. Dosud se nepodařilo zcela objasnit velmi složitý vztah mezi rostlinou a prostředím, i když naše poznatky již značně pokročily. 3. 2. 1. Voda v rostlinném těle Voda je univerzálním rozpouštědlem anorganických a některých organických látek, je složkou makromolekul celé buňky. Je také důležitým faktorem tepelného režimu rostlin, má poměrně vysokou hodnotu tepelné kapacity (počet joulů potřebných k zvýšení teploty sloučeniny o 1 °C), která zabraňuje, aby se teplota rostliny podstatně měnila, přestože při metabolických pochodech dochází k uvolňování tepla. Je také ideálním transportním médiem. V rostlině „nestojí na místě“, ale je v neustálém pohybu, protože „protéká“ všemi buňkami a každá buňka víceméně stále přijímá a vydává vodu. Podle poměru mezi příjmem a výdejem vody dochází k dosycování pletiv vodou nebo naopak ke vzniku vodního deficitu. Dostatečná hydratace pletiv je totiž nezbytná pro normální průběh biochemických a fyziologických procesů, jako je fotosyntéza, respirace, růst aj. Podle schopnosti krátkodobé kompenzace změny obsahu vody dělíme rostliny na: • poikilohydrické (= tolerantní k vyschnutí : sinice, některé řasy zelené s buňkami bez centrální vakuoly), které při nedostatku vody zmenšují svůj objem s minimálním narušením ultrastruktur buňky a
— 40 —
• homoiohydrické, jejichž buňky mají velké centrální vakuoly, které vlastně vytvářejí v buňce zásoby vody pro krátkodobé vyrovnání kolísání mezi příjmem a výdejem vody čili pro optimální hydrataci protoplastu (= živého obsahu buňky). Kořeny rostlin přijímají vodu z půdy (u vodních rostlin přímo celým povrchem těla) současně s rozpuštěnými minerálními látkami a rozvádějí jejich roztoky dřevní částí cévních svazků do celého rostlinného těla. Voda, přesněji řečeno vodné roztoky minerálních solí, v rostlinách neustále proudí ve vzestupném proudu, zatímco sestupný proud asimilátů postupuje lýkovou částí svazků cévních. 3. 2. 1. 1. Příjem látek do buňky Příjem i výdej látek z buňky umožňuje především cytoplazmatická membrána, která má vlastnosti polopropustné čili semipermeabilní blány. Vytváří bariéru buňky, udržující osmotickou rovnováhu mezi vnitřním a vnějším prostředím buněk. Není jen statickou strukturou oddělující od sebe různá prostředí, ale je to struktura vysoce dynamická se stálým pohybem molekul v rovině membrány, ale i kolmo na ni, i ve vazbě na nelamelární struktury lipidů. Buňky aktivně regulují příjem a výdej látek a to i proti koncentračnímu spádu (např. protonovými pumpami), k čemuž je potřebná energie ATP, jen aby mohly přijmout selektivně z prostředí látky, které potřebují. V živé buňce jako v otevřeném systému probíhá tedy stálá výměna látek s prostředím. Abychom pochopili, jak se voda a v ní rozpuštěné látky dostaly z prostředí do buňky, je nutno si nejdříve objasnit dva základní pojmy: difuzi a osmózu. Při difuzi probíhá transport vody podle spádu z míst vyšší koncentrace do míst nižší koncentrace, což vede ke koncentračnímu vyrovnávání roztoků. Do buňky mohou pronikat pouze ty látky, které mohou volně procházet membránami. Osmóza je vlastně zvláštním případem difuze. Jestliže na sebe navrstvíme dva roztoky nestejné koncentrace např. sirup a vodu a oddělíme sirup od vody polopropustnou, semipermeabilní blánou, která propouští molekuly rozpouštědla (vody), ale ne molekuly rozpuštěné látky, vyrovnávají se koncentrace tak, že molekuly vody, které mohou polopropustnou blánou procházet v obou směrech, procházejí jí většinou z místa nižší koncentrace na místa koncentrace vyšší, a proto se původně koncentrovaný roztok sirupu zřeďuje. Zřeďováním roztoku sirupu se zvětšuje jeho objem, a proto stoupá jeho hladina v trubičce osmometru. Je-li zřeďovaný roztok sirupu uzavřen v polopropustné bláně, molekuly rozpuštěné látky nemohou proniknout polopropustnou blánou, narážejí na ni, což se jeví jako osmotický tlak, který lze měřit. Osmotický tlak je tlak, kterým můžeme zabránit pronikání čisté vody (rozpouštědla) polopropustnou blánou do roztoku (sirupu). Jinak řečeno, jde o tlak, jímž roztok nasává čistou vodu. Osmotický tlak závisí na počtu částic v roztoku. Vznikají-li např. v buňce ze dvou molekul monosacharidů molekuly disacharidu, klesne osmotický tlak na polovinu. Hodnota osmotického tlaku rostlinné buňky je výslednicí celé řády osmoticky účinných látek. Přitom osmoticky nejúčinnější jsou látky, jejichž molekuly disociují v kationty a anionty (elektrolyty). Makromolekuly a micely koloidně disperzních látek (neelektrolytů) mají malý osmotický účinek, který lze zanedbat. Vzhledem ke své velikosti se tyto částice pohybují poměrně pomalu a počet jejich nárazů na polopropustnou vrstvu, kterou v rostlinné buňce představuje jednak vnější membrána základní cytoplazmy, zvaná plazmalema, jednak vnitřní membrána ohraničující vakuolu, zvaná tonoplast, je ve srovnání s elektrolyty nepatrný. Buněčná stěna rostlinných buněk bývá propustná, protože světlost — 41 —
intermicelárních prostor celulózních, pektinových i zdřevnatělých buněčných stěn se pohybuje v rozmezí 1 až 10 nm. Stav vody v buňce Voda v buňce má různou fyziologickou aktivitu podle toho, zda je volná (např. jako zásobárna vody ve vakuolách, v mezibuněčných prostorách) nebo vázaná např. osmoticky aktivními látkami nebo jako hydratační obal koloidů. Molekuly vody se pohybují podle volné kinetické energie. Ta je nejvyšší v čisté vodě a ve všech dalších systémech je kinetická energie molekul vody nižší. Aktivita vody v buňce je vyjádřena vodním potenciálem ψw ("psí" s indexem "w" podle ang. water - voda) který vyjadřuje míru hydratace čili schopnost buňky nasávat vodu (ve starší literatuře se hovoří o deficitu difuzního tlaku nebo o sací síle) a vlastně určuje v jednotkách tlaku (Pa a MPa), o kolik je aktivita vody v buňce nižší než aktivita čisté vody. Proto vodní potenciál vykazuje záporné hodnoty . Snížení aktivity vody v buňce má několik složek. Je to především osmotický potenciál ψs (index "s" z ang. solutes = rozpuštěná látka), který vcelku odpovídá osmotickému tlaku buněčné šťávy. Bývá zpravidla negativní, protože čistá voda má osmotický potenciál nulový. Ke změnám vnitrobuněčného osmotického potenciálu dochází především přeměnou osmotických aktivních látek, jako jsou jednoduché cukry, na látky osmoticky neaktivní (např. škrob) a naopak. Rostlinná buňka se totiž neustále snaží udržet rovnováhu mezi změnou osmotického potenciálu ve vnějším a vnitřním prostředí buňky. Další složkou je tlakový potenciál ψp (index "p" z ang. pressure = tlak). Představuje vlastně tlak buněčné stěny, který je tím větší, čím je buňka více rozpínána tlakem vakuoly. Při přijímání vody z prostředí se totiž zvětšuje objem vakuoly, ta tlačí na protoplast buňky a ten na buněčnou stěnu, která vlastně vytváří protitlak. Hovoříme o turgoru buňky (= starší termín pro tlakový potenciál). V dalším přijímání vody buňce brání již elastičnost buněčné stěny. Turgescentní buňka je buňka plně nasycená vodou s maximálně napjatou buněčnou stěnou. Tlakový potenciál je obvykle větší než tlak atmosférický a proto má hodnotu pozitivní. V cévách transpirujících rostlin však dosahuje hodnot negativních. Je však méně citlivým indikátorem na vodní deficit než potenciál vodní. Vztah jednotlivých složek můžeme zjednodušeně (= bez negativní a zanedbatelné hodnoty matričního potenciálu spojeného se stavem vody v koloidních a micelárních strukturách buněčných stěn apod.) psát: ψw = ψs + ψp vodní potenciál = osmotický tlakový potenciál hodnota nulová potenciál = = hodnota hodnota až negativní pozitivní negativní Vodní potenciál (ψw) buňky je vlastně dán rozdílem osmotického potenciálu buněčné šťávy vakuoly ( ψs) a protitlaku stěny buněčné ( ψp). Připočítáním pozitivní hodnoty ψp k záporným hodnotám ψs je vlastně odčítáme od minus hodnot ψs a tím i od výsledného vodního potenciálu ψw, který bude tím větší, čím menší je ψp. Největší bude při ψp - 0. (obr. 3.1.). Vodní potenciál buněk a jeho složky jsou závislé na podmínkách prostředí. Mění se především v závislosti na půdní vlhkosti. Čím sušší je stanoviště, tím bývá vodní potenciál buněk nižší. Mění se i během dne, za poledne se snižuje, pak opět stoupá, mění se také podle postavení pletiv ke světovým stranám. Na jižní straně je v buňkách orgánů nižší vodní potenciál než v buňkách orgánů orientovaných na severní stranu. Buňky mladých listů mají vyšší vodní potenciál než buňky v listech plně asimilujících. Vodní potenciál se snižuje s
— 42 —
celkovou výškou rostlin, a proto mají pletiva listů vodní potenciál tím nižší, čím výše jsou listy postaveny na stonku. Obr. 3.1. Grafické vyjádření vztahů mezi osmotickým potenciálem ψs, tlakovým potenciálem ψp a vodním potenciálem ψw buňky. Graf současně vyjadřuje hodnoty vodního potenciálu v závislosti na relativním objemu buňky: ZP - začínající plazmolýza, TB - buňka plně turgescentní. Turgescentní buňka má vodní potenciál rovný nule. Při ztrátě vody se osmotický i tlakový potenciál dostává do vyšších záporných hodnot.
Ekologické typy rostlin, vytvořené vzhledem k relativní ozářenosti a k adaptaci na vlhkost stanoviště, mají různé limitující minimální hodnoty vodního potenciálu, které lze chápat jako zvýhodnění přijímání dostupné vody v půdě při konkurenci s kořeny jiných rostlin. Když klesá obsah vody v půdě, jsou zvýhodněny rostliny s nejnižším vodním potenciálem (= s nejvyšší negativní hodnotou = s nejvyšší "savou silou"), tj. některé halofyty (slanomilné rostliny) -8 MPa heliofyty (slunobytné r.) s xerofyty (suchobytné r.) -1.5 až -4,00 MPa, zatímco hydrofyty (vlhkobytné r.) a sciofyty (stínobytné r.) dosahují vodního potenciálu -0,6 až -0,8 MPa ( Slavíková, 1986). 3. 2. 1. 2. Transport vody do buňky a transport vody v pletivech Rozdíl vodního potenciálu mezi vnějším a vnitřním prostředím je "hnací silou" toku vody. Obyčejně obsah osmoticky aktivních látek v buňce je vyšší než ve vnějším prostředí (= relat. obsah volné vody ve vnitřním prostředí tj. v buňce je menší). Proto je voda "nasávána" do buňky. Vodní potenciál (ψw) bude mít zápornou hodnotu. Existuje totiž nerovnováha mezi vnějším a vnitřním prostředím a rozdíl vodního potenciálu rovného nule je výjimečný (nestabilní). Přitom mnohem rychleji ztrácí buňka vodu z roztoku (ve vakuole), než vázanou v protoplastu nebo buněčné stěně, kde je vázána silou 15 MPa až 30 MPa čili řádově výše než je osmotický potenciál vakuoly (tj. nejvýše do -2 MPa a u halofytů výjimečně do -5 MPa – Dvořák in Hudák a kol., 1991). Hnací silou transportu vody nejen přes buněčnou membránu, ale i přes rostlinná pletiva jsou rozdíly vodního potenciálu. Totiž na jednotlivých místech rostlinných orgánů obvykle není stejný vodní potenciál a proto mezi těmito místy existují rozdíly čili gradient (= změny hodnoty) vodního potenciálu, který se vyrovnává transportem vody. Sám transport vody je dodnes nedořešeným problémem. Model transportních cest uvádí tři možné cesty (obr. 3.2.) Obr. 3.2. Schéma transportních cest v idealizovaném lineárním postavení buněk: A – vakuolární cesta, B - apoplastická cesta C symplastická cesta (podle Molze z Rybové a Janáčka, 1987). plazmalema plazmodezmy
— 43 —
1. vakuolární přes tonoplast, cytoplazmu a plazmalemu navazující na systém intercelulár sousedních buněk (pletiv), 2. apoplastickou, tj. průchod vody strukturami buněčné stěny a mezibuněčnými prostory a 3. symplastickou přes plazmodezmy z cytoplazmy jedné buňky do buňky druhé. Nedávno zjištěné struktury v oblasti krčku plazmodezmy nevylučují jejich řízení funkcí kontraktilní (= schopnost stažení, smrštění). Přitom voda může z jedné cesty přejít podle potřeby a možnosti na cestu jinou.
3. 2. 2. Příjem vody rostlinou Rostliny mohou přijímat vodu povrchem těla. Vyšší suchozemské rostliny přijímají kapilární a gravitační vodu kořeny, a to především částí opatřenou kořenovými vlásky. Nad uvedenou zónou jsou již kořeny kryty druhotným krycím pletivem korkem, který vodu nepropouští. Kromě půdní vláhy mohou suchozemské rostliny přijímat vodu ve formě rosy, deště a vzdušné vlhkosti i nadzemními orgány, např. listy, což je typické pro epifyty. Tento mimokořenový příjem je zvlášť důležitý pro využívání ranní rosy za nedostatku vody v půdě. Tropické epifyty a liány čerpají vzdušnou vlhkost tzv. vzdušnými kořeny (např. Monstera deliciosa). Rostliny rostoucí ve vodě nemají na povrchu těla vytvořenou kutikulu, a proto přijímají vodu celým povrchem. Na zakončení kořene, v určité vzdálenosti od jeho vzrostného vrcholu, se vychlípením pokožkových buněk (rhizodermis) vytváří zóna kořenových vlásků (směrem k vrcholu kořene se vytvářejí nové vlásky a na druhé straně staré hynou) a tím se sorpční plocha zakončení kořene, mnohonásobně zvětšená povrchem kořenových vlásků, při růstu kořene posouvá, tzn. dostává neustále do nového půdního prostředí. Buněčná stěna kořenového vlásku představuje bobtnavý systém. Při jeho bobtnání se nasává voda z půdy do buněčné stěny kořenového vlásku (= intermicelární a intramicelární absorpce), odtud dále do základní cytoplazmy a z ní přechází do buněčné šťávy vakuol. V podstatě jde o vyrovnání rozdílů mezi stupněm nabobtnání buněčné stěny, stupněm nasycení (hydratace) základní cytoplazmy vodou a koncentrací buněčné šťávy. Tím však opět stoupne bobtnavá síla buněčné stěny kořenového vlásku a nasávání nové vody pokračuje. Postup vody lze schématicky znázornit:
Další pohyb přijaté vody kořenovými vlásky do nitra kořene závisí na hodnotách vodního potenciálu buněk (u plně turgescentní buňky se rovná nule), jak je patrno z obr. 3.1. Kořenová soustava tedy aktivně nasává vodu z půdy. Její příjem do těla rostliny je závislý na teplotě, množství vzduchu (dýchání) a obsahu vody v půdě i koncentraci roztoku minerálních látek. Při orientačním určování potřeby vody u jednotlivých rostlin je třeba přihlédnout k jejich nadzemní části. Čím mají rostliny větší listy a menší kořenový systém (např. cibule), tím vyšší mají potřebu vody. Nároky na závlahu se mění během růstu a vývoje. Tak např. cukrovka má větší požadavky na vodu v červenci, srpnu až do poloviny září. Při zrání plodů a semen potřeba vody klesá a její nadbytek naopak zbytečně prodlužuje dobu zrání.
— 44 —
3. 2. 3. Výdej vody Cévami vedená voda obsahuje minerální a jiné látky, které zůstávají v těle rostliny, zatímco se z nadzemních orgánů, především z listů, neustále uvolňuje do prostředí přebytečnou vodu ve skupenství plynném (transpirace) nebo ve skupenství kapalném (gutace). Transpirace Rozlišujeme dvojí transpiraci: stomatární, kdy se voda z listu do prostředí uvolňuje ve formě par difuzí přes skuliny průduchů a kutikulární, u níž jde o odpařování vody celým povrchem listů přes kutikulu. Kutikulární transpirace je zpravidla nižší než 10 % celkové transpirace listu. Má význam jen u rostlin s tenkou kutikulou. Stomatární transpirace je na rozdíl od kutikulární regulovatelná otevíráním a zavíráním průduchů. Příčinou transpirace je negativní pokles (gradient) vodního potenciálu mezi transpirujícím povrchem listu a k němu přilehlou nenasycenou vrstvou vzduchu. Při transpiraci je pak třeba vidět fyzikální složku transpirace, ovlivňovanou fyziologickým stavem transpirujícího pletiva čili i biologickou složku transpirace (Slavík a kol. 1965). Na úrovni kutikulární transpirace je i tzv. peridermální transpirace určovaná propustností lenticel a strukturou kůry i puklinami v borce kmenů. U stromů mírného pásma se v létě pohybuje v rozmezí 1 až 10 g.m2.h–1 (Larcher, 1988). Zásoby vody v listech stačí zásobit průměrnou transpiraci u bylin na půl hodiny, u jehličnanů na 1 hodinu, v kořenech bylin 3 a u jehličnanů 14 hodin, ve vodivých drahách bylin i jehličnanů kolem 1 hodiny a v aktivním dřevě stromů na 50 až 180 hodin (Slavík, 1977). Zásobárnu vody ve formě plynné a zřídka kapalné může představovat i systém intercelulár. Voda ve skupenství plynném uvolňovaná z povrchu rostlin, půdy a jiných povrchů nejen ochlazuje povrch rostlin a prostředí, ale je i významným meteorologickým faktorem. Vodní páry v atmosféře absorbují dlouhovlnné záření. Voda a led v mracích rozptylují, odrážejí a absorbují sluneční záření. Obsah vody ve vegetaci se obnoví až l2krát za den, což představuje jednu z nejrychlejších cirkulací hmoty. 3. 2. 3. 1. Regulační mechanismy Bariérou pro uvolňování vody při transpiraci listu je kutikula. Vytvoření kutikuly umožňuje rostlinám přežít i vysoké hodnoty diference vodních potenciálů mezi listem a okolní atmosférou (Šantrůček, 1984). Na této cestě jsou proměnlivými odpory průduchy pokožky. Při regulaci tlakového potenciálu (= turgoru) svěracích buněk průduchů, tzn. při otevírání a zavírání průduchů, působí celá řada faktorů: 1. Světlo. Působí přímo na svěrací buňky průduchu. Nejúčinnější je modré záření, jehož receptor je patrně ve svěracích buňkách (viz. sekce. 3.3.). Modré záření spektra indukuje ve svěracích buňkách průduchů otevření iontových pump pro tok iontů K+ do svěracích buněk a výtok protonů. Dochází k aktivizaci některých genů a k tvorbě nových proteinů, jakož i k aktivaci tzv. G-proteinů, tj. proteinů vážících a hydrolyzujících guanozintrifosfát ( GTP). 2. Voda. Její přebytek vede k otevírání průduchů. Při vodním deficitu se průduchy zavírají. 3. Obsah CO2. Nízký obsah vede k otevírání a vyšší obsah k zavírání průduchů. „Čidlo“ na CO2 musí mít rostlina uvnitř listu. Udržuje v listu potřebnou koncentraci CO2 pro fotosyntézu. 4. Teplota .Nad 25°C vede zpravidla k uzavírání průduchů. — 45 —
5. Fytohormonální regulace ABA. Vadnoucí rostliny mohou zvýšit obsah ABA až 40krát. ABA se podílí na zavírání průduchů za vodního deficitu rostliny a prosazuje se jako primární faktor určující uzavření průduchů. Dvojice svěracích buněk je podpořena podpůrnými buňkami epidermis, které jsou důležité při otevírání a zavírání průduchové skuliny (póru). Svěrací buňky obsahují chloroplasty (buňky pokožky jsou bez chloroplastů) a nemají plazmodezmy. Průduchy představují složitý biologický systém, který reguluje i zpětnými vazbami příjem CO2 a výdej O2 při fotosyntéze, ale i výdej vody ve formě par při transpiraci a příjem 02 a výdej CO2 při dýchání a tím vlastně ovlivňují a korigují procesy fotosyntézy, respirace, transpirace a další metabolické procesy v rostlině. Obr. 3.3. Pohyb svěracích buněk průduchu: A - svěrací buňky ve stavu úplného nasycení vodou čili ve stavu plné turgescence (= štěrbina průduchu je otevřena), B - svěrací buňky nenasycené vodou (= štěrbina je zavřena) – Rubin, 1966, upraveno
Mechanismus uzavírání průduchů (= dýchací skuliny mezi dvěma svěracími buňkami) vyvolává snížení tlakového potenciálu (turgoru) ve svěracích buňkách a při jeho zvýšení se průduchy otevírají. Rychlé otevření průduchů na světle, kdy voda není limitujícím faktorem, způsobuje především rychlý příjem iontů K+; které se proti gradientu elektrochemického potenciálu zřejmě iontovou pumpou (= K+-pumpou výměnou za H+, event. Cl – - Penka 1985) dostávají z doprovodných buněk do svěracích buněk průduchů a prudce snižují jejich vodní potenciál s následným rychlým příjmem vody, což nakonec vede k otevírání průduchů (tlakový potenciál dosáhne až -5 MPa - Slavík, 1977). Uzavření průduchů je spojeno se snížením obsahu osmoticky aktivních látek vlivem kyseliny abscisové (ABA), jejíž syntéza v mezofylu a redistribuce do svěracích buněk je vyvolána poklesem vodního potenciálu buněk mezofylu (Šrámek, Pospíšilová, 1992). Průduchová štěrbina se rozevírá příjmem vody, která zvětšuje objem svěracích buněk průduchu. Zvýšení turgoru svěracích buněk je způsobeno zvýšeným příjmem iontů K+ (někdy i malého množství iontů Cl-) do cytosolu svěracích buněk. Závisí na otevření iontových kanálků pro ionty draslíku, které je podmíněno zvýšením aktivity protonových pump, produkujících ionty H+ na vnější stranu biomembrány. Při zavírání průduchů je inhibována aktivita protonových pump (= ABA inhibuje ATPázy a tím klesá gradient iontů H+ na biomembráně) a ionty K+ z cytosolu svěracích buněk přecházejí do buněčné stěny a dále do sousedních buněk. Turgor ve svěracích buňkách klesá, a proto se průduchy zavírají.
— 46 —
Obr. 3.4. Schéma difuze vodních par průduchem. A - Schéma molekul vody skulinou průduchu s okrajovým efektem, v němž molekuly vody mohou difundovat bez vzájemného rušení i do stran, což není možné při difuzi z otevřené vodní hladiny. Čím menší skulina, tím je prostor pro rychlejší difuzi relativně větší. B - Vzájemným přesahováním difuzních vrstviček při zmenšení vzdáleností mezi průduchy se vytvářejí jednotné vrstvy vodní páry nad celým povrchem listu. Volně podle Czerwińského, 1977 a podle Kramera z Pospíšilové, 1966.
Reakce průduchů je závislá na interakci řady vnějších a vnitřních faktorů, jako je ozářenost listů, jejich teplota, koncentrace CO2, obsah osmoticky aktivních látek aj. Při denních pohybech průduchů mají primární regulující úlohu "senzory" citlivé na vodní potenciál listu, teplotu, vlhkost vzduchu a koncentraci CO2 (Rybová, Janáček, 1987). V přírodních podmínkách jsou atmosférická vlhkost a ozářenost považovány za primární faktory regulující otevřenost průduchů. Je zajímavé, že dýchací skulina průduchu se zmenšuje při působení jedovatých plynů, jako je SO2. Hustota průduchů a velikost skulin průduchů určují maximální vodivost průduchů (odpor = reciproká hodnota vodivosti) a pokožka listu při otevření průduchů snižuje vodivost pouze o 20 až 30 %. Fotodynamické otevírání průduchů, závislé na teplotě (na dostupné energii), je třeba vidět v interakci s obsahem CO2, uvolňovaném při dýchání a nezbytném pro fotosyntézu i obsahem H2O, určovaném transpirací. Fytohormony pak přizpůsobují regulační systém průduchů sezónní aktivitě rostlin. Zcela otevřené průduchy jsou zpravidla jen krátce, protože jen málokdy jsou splněny všechny podmínky pro maximální aperturu průduchů. U některých rostlin rostoucích za nadbytku vody v půdě se vůbec nezavírají a jsou neustále otevřené (vrba, blatouch aj.). Obráceně úplně uzavřené průduchy mají rostliny zpravidla v suchých oblastech a na vysokých horách. Snižování vodního potenciálu vede k zavírání průduchů teprve od určité prahové hodnoty, ležící u různých rostlin mezi -0,7 až -1,8 MPa (Slavík, 1977). Průduchy se nacházejí nejčastěji na spodní (abaxiální) straně (= hypostomatické rostliny). Jsou-li i na vrchní (adaxiální) straně, čili na obou stranách listu, hovoříme o amfistomatických rostlinách. Počet, rozmístění, velikost i tvar průduchů jsou u jednotlivých druhů rostlin specifické a přizpůsobené především půdní a vzdušné vlhkosti. Obyčejně jsou vzdáleny tak, že se jejich difuzní vlnoplochy navzájem neruší (Penka, 1985, obr. 3.3.). Na určité ploše listu v horní části rostliny bývá větší počet menších průduchů, zatím co list ve spodní části rostliny vykazuje menší počet, ale větších průduchů. Pro srovnání adaptace rostlin k prostředí lze použít absolutního stomatárního indexu, tj. absolutního počtu průduchů propočteného na plochu listu, u listu dubu (Quercus sp.) je přes 2 mil., u slunečnice (Helianthus annuus) přes 13 mil. průduchů (Penka in Švihra a kol. 1981). Na obvodu koruny rostoucí listy, čili tzv. slunné listy dřevin, mají mnohem vyšší počet průduchů než listy rostoucí v koruně stromu (= — 47 —
stinné listy). Poměr mezi slunným/stinným listem na 1 mm2 čepele listu je podle Penky (1985) např. u buku lesního (Fagus sylvatica) 416/113, u dubu zimního (Quercus petraea) 810/468, u habru obecného (Carpinus betulus) 365/170 atd.
Tab. 3.2. Počet (= hustota) průduchů, délka a šířka dýchacích štěrbin průduchů. Podle řady autorů z Larchera, 1988.
3. 2. 3. 2. Působení vnějších a vnitřních faktorů Rychlost transpirace, s níž rostlina odpařuje vodu, je ovlivňována souborem vnějších a vnitřních činitelů. Z vnějších uvedeme na prvním místě teplotu a vlhkost vzduchu. Čím je vzduch teplejší a sušší, tím je rychlost transpirace vyšší. K hlavním činitelům prostředí počítáme i vítr (pohyb vzduchu). Za bezvětří se totiž vzduch v okolí rostliny postupně nasycuje vodními parami a čím více vodních par obsahuje, tím je nižší rychlost transpirace. Proto je důležitý vítr, který neustále odstraňuje vzduch s uvolněnými vodními parami z bezprostředního okolí listů. Také ozářenost působí kladně na rychlost transpirace. Ve tmě je transpirace mnohonásobně nižší. Transpirační maximum dospělého listu je podmíněno většinou stomatární transpirací. V nejmladších listech je podmíněno převážně kutikulární transpirací, protože kutikula není zpravidla ještě zcela vyvinuta. U zastíněných listů může kutikulární transpirace dosáhnout až 50 % celkové transpirace listu (Švihra a kol., 1981). Nelze zde opomenout ani základní podmínku pro transpiraci rostlin, tj. dostatečné množství dostupné vody v půdě. Z vnitřních faktorů, působících na rychlost transpirace, je třeba uvést anatomickou stavbu listu jako transpiračního orgánu. Na něm je významná stavba, tloušťka i chemické složení kutikuly, dále velikost, počet i postavení průduchů, velikost (apertura) průduchové štěrbiny a tloušťka buněčných stěn buněk houbového parenchymu. Stomatární transpirace mladých listů je vysoká, u dospělých se snižuje a při stárnutí listů rychlost transpirace klesá, i když někdy zřejmě vlivem nedostatečného zavírání průduchů se může i zvýšit. Množství transpirované vody je značné. Tak např. jediná rostlina kukuřice vypaří za období vegetace asi 150 kg vody, 1 m2 pšeničného porostu za 4 měsíce vegetace 200 až 250 kg vody, zelí 350 kg, jedna bříza s 200 000 listy za horkého dne 300 až 400 kg, z plochy o rozměrech 104m2 (tj. jeden hektar) vzrostlého bukového lesa se vypaří denně 25 000 až 30 000 kg, tj. za celé léto 3 600 000 kg vody. Z toho je patrno, proč vysazujeme lesy tam, kde chceme ovlivnit klima krajiny. Gutace Když je vzduch nasycen vodními parami, nejčastěji časně ráno, a transpirace se proto zastavuje, rostliny vytlačují vodu ve skupenství kapalném vodními skulinami čili hydatodami, které jsou nejčastěji na okraji listů. Vodní skuliny jsou podobny průduchům a liší se od nich především tím, že ztratily schopnost otevírat se a zavírat. Tak lze např. časně ráno, např. na okraji listu kontryhele, sledovat vytlačování gutačních kapek, které se nakonec — 48 —
uvolní a skutálejí do středu listu - do velké kapky rosy. Gutační voda, na rozdíl od vody transpirační, není čistá, ale obsahuje minerální látky, které se po odpaření vody usazují na okraji listu a vytvářejí zde bílé skvrny (např. u lomikámenu především CaCO3). 3. 2. 4. Vodní bilance rostliny Rostlina spotřebuje na tvorbu nové hmoty kolem 0,5 % i méně přijaté vody a zbytek, tj. asi 99,5 % i více, na doplnění vypařené nebo v kapalném skupenství uvolněné vody. Denní průběh transpirace lze vyjádřit křivkou. V noci dosahuje jen 3 až 5 % denní transpirace. Nejvíce transpirují rostliny, když vytvořily největší asimilační plochu, tj. v době kvetení (květen, červen). Přitom nelze přehlédnout ani korelační vztahy nadzemní části s mohutností kořenového systému, kterému dodává látky pro růst kořenů. V mírném klimatickém pásu potřebuje rostlina na vytvoření 1 g sušiny 250 až 400 g vody. Poměr množství vody (v g) vydaného rostlinou za vegetační období k množství vytvořené sušiny (v g) udává tzv.transpirační koeficient (kukuřice 233, hrách 416, brambor 656, oves 665 atd.). Hodnota transpiračního koeficientu umožňuje v praxi stanovit podmínky, za nichž se rostlina nejlépe vyvíjí a roste. Poměr mezi příjmem a výdejem vody určuje vodní bilanci rostliny. Je dána rozdílem absorpce vody a transpirace čili lze psát: vodní bilance = absorpce vody - transpirace Když se rovná jedné, je příjem a výdej vody v rovnováze. V přírodě se však velmi často setkáváme s případem, že rostlina neuhradí vodu, kterou ztratila. Vzniká tak vodní deficit. Rychlost výdeje vody z rostliny je vyšší než rychlost příjmu (záporná vodní bilance). Nejvíce postiženým orgánem jsou listy, neboť zde má vodní potenciál nejnižší hodnotu. Také vodní potenciál vzduchu v okolí listu je vždy velmi nízký. Proto rostliny ve všech typech prostředí jsou ohroženy vodním stresem. Turgor v buňkách klesá a rostlina vadne. Aby byla udržena maximální rychlost růstu je třeba udržovat plně turgescentní stav buněk. To se ale daří jen zřídka, neboť příjem CO2 pro fotosyntézu je spojen s otevřením průduchů a tím i se ztrátou vody, kterou nelze ihned nahradit. Denní vodní deficit, projevující se zvlášť v poledních hodinách za suchých a horkých dní, se vyrovná obyčejně přes noc, kdy je transpirace minimální. Dočasné vadnutí obyčejně nevede k poškození rostliny. Je však zde na místě připomenout, že každé vadnutí vede k uzavření průduchů a ke snížení rychlosti fotosyntézy, což se projeví ve snížení výnosu. Vodní bilance (provoz) rostliny těsně souvisí se všemi procesy v těle rostliny. Déle trvající vodní deficit má za následek trvalé vadnutí rostliny, která není schopna obnovit turgor (= tlakový potenciál) v buňkách pletiv a celou řadu změn. Buňky za nedostatku vody předčasně ukončí prodlužovací fázi a nakonec se růst zcela zastaví. Uzavírají se průduchy a tím výrazně klesá příjem CO2 a snižuje se rychlost fotosyntézy. To znamená, že rostlina spotřebovává organické látky z těla, spotřebuje jich více, než jich vytvoří. Při uzavření průduchů se zvyšuje teplota rostlin až o 6°C vzhledem k teplotě vzduchu. Transpirace tedy chrání rostlinu před přehřátím. Spodní listy, které obsahují nejvíce vody, postupně žloutnou a usychají. Voda je z nich odsávána horními listy, které mají tím menší hodnotu vodního potenciálu, čím výše jsou postaveny na rostlině. Jejich transpirace je také nejintenzivnější (téměř dvojnásobná) než u listu z horní části rostliny. Rostlina vadne. Nedostatek vody vede ke vzrůstu hydrolytických procesů. Rozkládají se polysacharidy. Hydrolýze podléhají i proteiny, což může vést až ke tvorbě amoniaku. Rostlina nakonec hyne. Zvadlé rostliny během dne se po noci vzpamatují. Noční rosa však může mít na rostliny i škodlivý vliv. V prostředí zamořeném kysličníky síry, dusíku aj. dochází v kapkách rosy k jejich rozpouštění a vytvářejí se kapky kyselin, které poškozují nebo úplně ničí pletiva — 49 —
rostlin (=nekrózy). v kapkách rosy mohou klíčit i výtrusy cizopasných hub a jejich mycelium průduchy proniká do pletiv rostliny (=dochází k onemocnění rostlin). 3. 2. 5. Odolnost rostlin proti suchu Je třeba rozeznávat sucho půdní, charakterizované nedostatkem fyziologicky dostupné vody v půdě a atmosférické, které je zvlášť nebezpečné, protože nastoupí v krátké době a rostliny se mu většinou nestačí přizpůsobit (např. suchý padavý vítr nazývaný fén). Pro výši sklizně je zvlášť nepříznivé, když po vlhkém jaru a začátku léta, kdy byly příznivé podmínky pro bujný růst, přijde sucho nebo suché větry v druhé polovině léta. U rostlin odolných proti suchu zjišťujeme, že mají otevřené průduchy i při nedostatku vody. Ztrácejí vodu velmi pomalu, protože v jejich základní cytoplazmě stoupá za vodního deficitu množství hydrofilních koloidně dispergovaných částic, které pevně poutají množství vody, nezbytné pro hlavní fyziologické funkce. Také zesílení hydrolytických procesů za nedostatku vody u rostlin odolných proti suchu nastává mnohem později. Vedle fyziologických zvláštností mají rostliny odolné proti suchu i některé anatomické a morfologické zvláštnosti (tloušťka kutikuly, voskový povlak listů, trichomy, redukce plochy listů, velikost a postavení průduchů atp.). Některé rostliny svinují a skládají listy (kavyl, kostřavy, srha aj.) za nedostatku vláhy a tím prakticky zmenšují transpirační povrch listů. K stejnému účelu slouží částečný nebo úplný opad listů. Vrcholem dokonalosti jak se vyhýbat vysušení je sukulence, čili přizpůsobení suchému stanovišti ukládáním vody v pletivech a zbytněním orgánů, které jsou zásobárnou vody. Sukulentní rostliny mohou přežít celé roky sucha. Suchu se rostlina brání také vytvářením malých průduchů, které reagují citlivěji na sucho. Jedná se o tvorbu menších, ale hustěji uspořádaných průduchů na listech (strukturní adaptace). Jiný způsob obrany je Schopnost rostliny přežívat období sucha závisí na schopnosti rostliny co nejdéle zdržet snížení vodního potenciálu protoplazmy a tím oddálit vysušení. Odolnost rostlin proti nedostatku vody není po celou vegetační dobu stejná. Nejvíce se snižuje v tzv. kritických obdobích, např. u obilnin začátkem fáze sloupkování, kdy se diferencují primordia klásků, a několik dní před metáním klasů nebo laty, kdy se formují pohlavní orgány (tyčinky, pestíky). Jestliže mají dostatek vody v kritických obdobích, lze předpokládat vysokou sklizeň, je-li jí nedostatek, je sklizeň nižší. Tak určuje dostatek a nedostatek vody v kritických obdobích vedle minerálních látek výnos sklizně. O tuto analýzu se opírá i vědecká předpověď výnosu sklizně. Příklady, poznámky, doplňující terminologie • V zelených rostlinách se množství vody pohybuje kolem 70 až 80 % vzhledem k hmotnosti čerstvé rostliny rovné 100 %. Ve šťavnatých plodech a v plodnicích hub stoupá obsah vody až na 95 % a u některých řas dosahuje až 98 %. V suchých semenech je nejčastěji 13 až 14 % vody a u některých olejnatých semen může její obsah klesnout na 10 až 8 %. • Pro lepší pochopení vlastností vody lze uvést: • Důležité látky pro životní procesy se rozpouštějí ve vodě a jsou zpravidla disociovány v ionty. • Molekuly vody jeví polaritu (+ a - ) a proto se chovají jako dipóly. Vytvářejí kolem iontu obal a tím přispívají k jejich rozpouštění (molekuly vody obalují i makromolekuly proteinů a NK). V první (vnitřní) vrstvě jsou dipóly hydratační vody orientovány přísně k povrchu iontu, v druhé vrstvě dochází k narušení této struktury a až v další vrstvě přecházejí do struktury „volných“ molekul vody. • Když se atom kyslíku dostane do blízkosti atomu vodíku , vzniká tzv. vodíková vazba (---)
— 50 —
• Molekuly v kapalné fázi (podle modelu) vytvářejí shluky s vodíkovými vazbami (= „klastry“) a mezi nimi jsou volné molekuly vody. Shluky molekul vody se velmi rychle spojují s jinými shluky molekul nebo s volnými molekulami a tvoří nové shluky a to se neustále opakuje. • Vodíkové vazby se uplatňují i u organických látek, které mají skupiny hydroxylové -OH, karbonylové, karboxylové -COOH nebo aminové -NH2. • Skupiny atomů v organických sloučeninách, které tvoří vodíkové můstky (vodíkové vazby) jsou polární skupiny. Čím více jich mají, tím jsou rozpustnější ve vodě a hovoříme o polárních sloučeninách na rozdíl od nepolárních sloučenin, které se ve vodě nerozpouštějí (= vazba H2O – H2O je silnější než vazba na nepolární sloučeninu) např. lipidy. Proto molekuly vody vytěsňují molekuly nepolárních látek (jako mastné skvrny na polévce), což je důležité pro tvorbu membrán (fosfolipidy). • Makromolekuly (proteiny, NK) se ve vodě nerozpouštějí, ale jsou ve vodě rozptýleny čili dispergovány jako v rozpouštědle a vytvářejí koloidní systémy (fáze sol a gel). • Voda je dobrým nosičem tepla, je akumulátorem tepla, brání přehřátí, má schopnost udržovat pH na určité hodnotě atd. Tzv. měrné teplo čili tepelná kapacita vody je relativně velká (asi 4,2 kJ kg-1 K-1), což udržuje relativně stálou teplotu buněk (i když část energie se spotřebovává na neustálé rozvolňování vodíkových vazeb mezi vibrujícími molekulami vody). Z hlediska vodní bilance je možno rostliny rozdělit na: • hydrostabilní (= izohydrické: stromy, stínomilné rostliny, sukulenty aj.), které mají stabilizovaný obsah vody v protoplazmě a jedno maximum transpirace během dne a • hydrolabilní (= anizohydrické: byliny slunných stanovišť aj.), u nichž dochází v poledních hodinách ke snížení transpirace, takže se během dne vytvářejí dvě maxima transpirace s výrazným poklesem transpirace v poledních hodinách. Obr. 3.5. Schéma denního průběhu transpirace při dostatečném zásobení a nedostatku vody při uzavření průduchů ( Stocker ze Šebánka a kol. 1983).
76
Transpirační koeficient je nepřímo úměrný účinnosti využití vody pro produkci sušiny čili:
Dostupnost vody v půdě klesá s klesáním vodního potenciálu půdy: Obsah dostupné vody v půdě, kdy rostlina začíná vadnout, se nazývá bodem (koeficientem) vadnutí a vyjadřuje se v procentech vzhledem k hmotnosti suché půdy (u pšenice 15,5 %, u okurky 17,8%) Obsah vody v rostlině je vyjádřen: • g H2O/g sušiny; • g H2O/g čerstvé hmotnosti rostliny • relative water content RWC=V/Vmax (vztaženo na nasycenou rostlinu) • water saturation deficite (vodní sytostní deficit ) WSD=1-RWC
Kontrolní otázky • Objasni pojmy difuze a osmóza. • Zdůvodni význam vody pro růst a vývoj rostlin. — 51 —
• Vysvětli jak probíhá příjem a výdej vody v rostlinách. • Objasni pojmy vodní potenciál, turgescence buňky, gutace, vodní bilance. • Vysvětli princip regulační činnosti průduchu. • Jak se rostlina brání proti suchu. • Proč rostliny vadnou? • Vysvětli ekologický význam vody jako nejdůležitějšího faktoru prostředí. • Které jsou hlavní složky vodního potenciálu • Charakterizujte transport apoplastem a symplastem. • Co vyjadřuje vodní sytostní deficit? Jak ovlivňuje otevřenost průduchů? Otázky k zamyšlení Jak mohou ovlivnit současné klimatické změny růst a vývoj rostlin? Korespondenční úkol: 1. Stanovte, zda u vybraných dvou typů rostlin jsou na světle průduchy otevřeny a ve tmě uzavřeny, popište a zaprotokolujte rozdíly. 2. Princip : Rostliny typu fotosyntézy C3 mají na světle průduchy otevřeny, ve tmě se uzavírají. Opačně reagují rostliny typu CAM. 3. Doporučený materiál: Rostliny s listy málo pokrytými trichomy např. Zebrina (rod jednoděložných z čeledi křižatkovitých, rozšířené hl. v tropických oblastech, v ČR pěstované pro ozdobu). 4. Pracovní postup: 1. Jednu rostlinu umístěte min. na 8 h do tmy, druhou ponechte na světle. 2. Na spodní stranu listu naneste na plochu 5x5 mm vrstvičku laku a film nechte zaschnout. 3. Proužkem lepící pásky stáhněte film (kopii povrchu) přilepte lepící plochu na podložní sklíčko. 4. Pozorujte mikroskopem a zakreslete rozdíly obou preparátů. Souhrn Voda je nejdůležitějším faktorem vnějšího prostředí ovlivňujícím růst a vývoj rostlin. Její zásoby v půdě a atmosféře utvářejí život všech rostlinných společenstev na Zemi. Každá rostlina podléhá vodnímu režimu a přizpůsobuje se daným podmínkám. Charakteristickým rysem vodního režimu je příjem, vedení a výdej vody rostlinou na základě rozdílů vodního potenciálu. Vodní provoz probíhá mezi vnějším prostředím a rostlinou a mezi jednotlivými jejími orgány, pletivy, buňkami a buněčnými komponenty. Vodní potenciál celého systému závisí na osmotickém potenciálu, na schopnosti povrchů buněčných stěn a membrán absorbovat vodu, na pružnosti buněčných stěn a na turgorovém tlaku sousedních buněk a pletiv. Voda je v rostlinách v neustálém pohybu, pohybuje se z míst s vyšším vodním potenciálem do míst s nižším vodním potenciálem a podmiňuje všechny složité a důležité fyziologické a biochemické procesy. Pro rostlinu je nezastupitelným stavebním materiálem. Rozdíl mezi množstvím vody rostlinou přijatým a vydaným je vodní bilance rostliny. Je-li
— 52 —
tato záporná, dochází k vodnímu stresu a destrukčním změnám, kterým se rostlina brání regulačními mechanismy, jež si postupně vytvořila ve svém dlouhodobém vývoji.
3. 3. Sluneční záření Klíčová slova Sluneční záření, hustota záření, absorpce, fotoreceptor, absorpční spektrum, rostlinné pigmenty, metabolické procesy, fotosynteticky účinné záření (FAR), transmise, reflexe, fotoenergetické, fotokybernetické a fotodestrukční účinky, fotoindukce, fotomorfogeneze, fotorecepce, transdukce, interpretace, heliofyty, heliosciofyty, sciofyty. Průvodce Veškerý život na Zemi je závislý na energii vyzařované Sluncem. Sluneční záření je primárním zdrojem energie. Určuje klimatické podmínky, distribuci vody a tepla, tvorbu (syntézu) energeticky bohatých organických látek, které mají základní význam pro udržení života. Záření ovlivňuje ze všech faktorů nejvíce fyziologické a biochemické procesy v rostlinách. Jako určující faktor prostředí je považováno za základ udávající směr v dynamické souhře všem ostatním faktorům působícím na růst a vývoj rostlin. Této souhře nepřetržitě a současně působících faktorů, vyvolávajících reakce a adaptace rostlinného organismu, se musí ekolog snažit porozumět. Rozsáhlé působení slunečního záření bylo již zmíněno v ostatních příslušných kapitolách, hlavně kap. 1.5 Vývoj rostliny, 1.6 fotoperiodismus, fotoperioda, iniciace kvetení, klíčení, stárnutí, kap. 2 Fytochromový systém, 3. Vliv vnějších faktorů, 4.2. Primární zdroje energie a 4.4. Ekologie fotosyntézy. Uvedený příklad v závěru této kapitoly: Ozáření jako stresový faktor smrkových porostů, předpokládá základní znalosti o fotosyntéze, které lze získat studiem textů vysokoškolských učebnic. Základní charakteristika slunečního záření Z faktorů prostředí působí nejvíce na růst a vývoj rostlin sluneční (elektromagnetické) záření. Slunce, jako jediný zdroj záření, vysílá na hranici atmosféry 1,3815 . 103 Jm-2.s-1 zářivé energie, což je denní příkon 4,2 . 1015 kWh (solární konstanta). Z toho dosáhne zemský povrch jen 47 %, zbytek se odráží zpět do vesmíru. Základní jednotkou záření je foton, který se šíří rychlostí světla a může se jevit jako pohybující se pevná částice nebo jako vlna. Ekosféra přijímá sluneční záření ve vlnovém rozpětí od 290 nm do 3000 nm. Hustota ozáření zemského povrchu závisí na úhlu dopadu tj. na výšce Slunce nad obzorem. Důležitou roli hrají zeměpisná šířka, roční období, denní doba a také sklon ozářené plochy a její orientace ke světovým stranám (expozice). V naších šířkách jsou energeticky nejbohatší jižní, jihovýchodní a jihozápadní svahy se sklonem 25 až 30°. Fotochemicky účinná jsou pouze ta kvanta záření, která jsou absorbována. Určitá kvanta záření vyvolávají určité metabolické reakce nebo chemické přeměny v rostlinném organismu. Záření zachycují speciální fotoreceptoreceptory, tj. specializované buňky, které reagují na světlo. Patří k nim především rostlinné pigmenty. Každý fotoreceptor je charakterizován určitým absorpčním spektrem jemuž odpovídá akční spektrum s ním sdruženého fotobiologického děje.
— 53 —
Obr.3.6. Absorpce spektra fotosyntetickými pigmenty: a – bakteriochlorofyl, b – chlorofyl „a“, c – chlorofyl „b“, e - βkaroten. Avers in Taiz a Zeiger 1991, upraveno.
Pro metabolické procesy rostlin má prvořadý význam fotosynteticky účinné záření (FAR = podle Salisburiho a Rosse 1992 asi od 400 až asi do 735 nm, tzn., že se z fyziologického hlediska rozsah zvětšuje). FAR je prakticky shodné s viditelným zářením, známým jako denní světlo (380 až 780 nm), u něhož lidské oko umí rozeznat kvalitu, známou jako barvu i její intenzitu a kombinace barev. Velký význam má i na krátkovlnném konci navazující ultrafialové záření (UV-A: 315 - 380 nm, UV-B: 280-315 nm, UV-C u umělých zdrojů záření: 100 - 280 nm) a na druhé straně viditelného světla navazující infračervené záření (780 - 3000 nm) a dále z rozptýleného záření atmosféry tepelné dlouhovlnné infračervené záření (3000 - 105 nm). Fyziologicky účinné ozáření, úzce vázané na vlnovou délku světla, je v pletivech listů absorbováno (absorpce). Z této absorbované části je průměrně jen asi 1% využito pro fotosyntézu Část je listem propuštěna (= transmise), která závisí na tloušťce listu (tenké listy propouštějí až 40%, středně tlusté 10-20%, tlusté jsou téměř nepropustné). nebo od povrchu listu (trichomy apod.) odražena (= reflexe, obr. 3.7.). 0br.3.7. Schéma využití energie slunečního záření u listu. Volně podle Czerwińského, (1977), upraveno.
Záření proniklé transmisí do porostu je jiné kvality. Skládá se hlavně z vlnových délek kolem 500 nm, tj. zelená oblast spektra a z délek přes 800 nm, tj. dlouhovlnná část červené oblasti (v lese je „červenozelený“ stín). V nižších patrech lesního porostu pozorujeme specifické spektrální složení, kterému se přizpůsobují rostliny zde rostoucí. Z hlediska záření můžeme považovat porost za složitý prostorový útvar. Záření je v jednotlivých patrech nejen pohlcováno a filtrováno, ale proniká nepravidelně, čímž vznikají velmi rozmanité poměry pro jednotlivá porostní patra. Velké kolísání ozářenosti viditelným světlem způsobují tzv. sluneční skvrny, které pronikají náhodnými skulinami a jsou jediným zdrojem přímého záření uvnitř porostu. V důsledku toho zde dochází i k druhotným teplotním změnám a — 54 —
změně mikroklimatu. V průniku záření lesními porosty se vyskytují také sezónní změny, které podmiňují rytmus vývoje rostlin bylinného patra a vytvářejí dobře viditelné fenologické aspekty (např. jarní aspekt v opadavém lese, kde ukončují byliny svůj vegetační cyklus v době, kdy dochází k olistění stromů). V nižších patrech porostu je pouze relativní ozářenost, která ubývá v homogenním porostu exponenciálně. V hustých porostech kulturních smrčin může být hustota záření redukována až na hodnotu blízkou nule. Záření se uplatňuje především ve fotosyntéze, ale účinek záření specifických vlnových délek ukazuje také na silný vliv i mimo fotosyntézu. Přímé účinky záření jsou fotoenergetické, vyplývající z toho, že naprostá většina rostlin získává veškerou svoji potřebnou energii ze slunečního záření jako primárního zdroje. Primárním pochodem dochází u rostlin k přeměně volné energie slunečního záření na energii chemické vazby, která uvádí v život rozsáhlé metabolické procesy, v nichž probíhá neuvěřitelně velké množství reakcí při přeměnách látek v živých buňkách a k tvorbě chemických sloučenin. Další účinky jsou fotokybernetické. Projevují se jako stimulátor vývoje a jsou spojeny při příjmu radiačních kvant s chemickými změnami podmíněnými dobou, trváním, směrem dopadu a spektrálním složením záření (stačí i nízké intenzity). Kybernetický účinek záření je patrný při fotostimulaci biosyntéz (tvorba chlorofylu z prekurzorů, syntéza antokyanů). Záření ovlivňuje směr růstu rostlin (fototropismus), synchronizuje vývoj a rytmické procesy životního cyklu rostlin (diurnální změny světla a tmy a roční období-fotoperiodismus), indukuje klíčení a tvorbu květů (fotoindukce, viz sekce 1.5. a 2), působí na stavbu rostlin apod. Záleží nejen na jeho kvantitě, ale hlavně na jeho kvalitě (spektrálním složení), kterým se rostlina neustále přizpůsobuje a uplatňuje svoji adaptační schopnost. Zatímco fototropismus regulují receptory modrého světla (karoten, riboflavin), většina dalších procesů závisí na fytochromovém systému (viz sekce 2) K fotodestrukci dochází při extrémně intenzivním viditelném záření nebo při UV záření. Nejčastějším důsledkem je fotooxidace chloroplastových pigmentů. Proti účinkům nadměrného záření se rostliny brání různým způsobem. Natáčejí listy nebo chloroplasty v buňkách hranou k záření, vytvářejí povrchy s vysokou odrazivostí, povrchy které propouštějí málo záření (korek apod.). Hlavním obranným mechanismem je pravděpodobně glykolátový metabolismus, při němž se v buňce váže kyslík a odvádí se energie. Na kvalitě záření a na míře ozářenosti závisí fotomorfogeneze, která zahrnuje především projevy buněčné diferenciace a růst orgánů. Je vyvolána účastí různých receptorů záření, hlavně fytochromu a dosud neznámého receptoru modrého záření. Některé projevy fotomorfogeneze mohou zprostředkovat také fytohormony. Jedná se o komplex procesů, které utvářejí vnější podobu i vnitřní strukturu rostlin. Podle světelných podmínek prostředí (složení světla, jeho intenzita a doba působení) je regulován metabolismus rostlin, jejich růst, vývoj i pohyby. Proces fotomorfogeneze lze rozdělit do tří fází, jsou to: fotorecepce (příjem signálu), transdukce (přenos signálu) a interpretace, čili vlastní reakce rostliny na signál, které vyvolávají.takové změny v rostlině, aby její stav odpovídal co nejlépe právě se vyskytujícím podmínkám prostředí. Charakteristickým projevem fotomorfogeneze je etiolizace (blednutí, dlouživý růst) a deetiolizace nadzemních orgánů, tvorba chloroplastů, a růst zastíněných orgánů. Projevy fotomorfogeneze mají adaptační význam. Na přirozených stanovištích patří k nejvýznamnějším projevům reakce na zastínění spojená se signálem změněného poměru R/RF spojena hlavně se změnami rychlosti růstu. Podle ozářenosti rozdělujeme rostliny na heliofyty rostoucí na zcela nezastíněných stanovištích (100% relativní ozářenost). heliosciofyty, tolerantní ke 100% relativnímu ozáření (snášejí i zastínění různého stupně, pro kvetení obyčejně vyžadují vyšší relativní ozářenost a
— 55 —
sciofyty, rostoucí jen na zastíněných místech (hranice relativní ozářenosti je u nich vždy pod 100%). Příklady, poznámky, doplňující terminologie Fototropismus – reakce rostlin na jednostranná ozáření směrovaným růstem ke zdroji či vyšší intenzitě záření, např. listy vyhledávají optimální poloho pro ozáření. Fotoperiodismus – schopnost rostlin „odečítat“ čas, délku dne a noci a reagovat na jejich změny, určit dobu jejich trvání, specificky reagovat na jejich poměr (stimulace kvetení, dormance, tvorba hlíz atd.). Fotoperioda – počet hodin světla ve 24 hodinovém cyklu . Kritické fotoperioda je hraniční, při jejím překročení dochází k fotoperiodické reakci rostliny. Fotorecepce – schopnost rostliny pohlcovat a využívat energii energii světelného záření. Fotorespirace – světelné dýchání rostlin, okamžitá oxidace produktů fotosyntézy. Vliv slunečního záření na smrkové porosty: Rostliny se přizpůsobují intenzitě světla, ale i jeho spektrálnímu složení. Ukazuje se, že sluneční záření, v němž převládá červená složka, zvyšuje tvorbu chlorofylu a. Je-li ve větší míře přítomna zelená a modrá složka, záření akumuluje chlorofyl b a karotenoidy (Larcher, 1988). Pro lesní porosty představuje světlo bohatý zdroj energie, která dopadá za jasných slunečných dnů na zemský povrch v rozsahu 60-100 klx což odpovídá asi 1500-2200 µmol.m-2.s-1 FAR. Pro optimální produkci fotosyntézy u smrku dostačuje již 7-15 klx (Pisek, Tranquillini,1954, Polster, 1961). Fotosyntéza je na světle závislý proces, avšak tato závislost není proporcionálně lineární, nýbrž sleduje křivku nasycení. Po dosažení určitého bodu kompenzace a v jeho blízkosti se projevuje hustota světelného toku zpočátku silně podpůrně. Při dalších dávkách se vyrovnává a při silných působí již destrukčně. Pokud jde o nasycení světlem a dosažení kompenzačního bodu, je rozdíl mezi stinnými a slunnými větvemi. Stinným jehlicím stačí k nasycení mnohem nižší hustota světelného toku fotonů (Pisek, Winkler 1959). Podle Millera (1959) bylo dosaženo kompenzačního bodu u stinných jehlic mladých smrků již při 0,350 klx, zatímco u slunných jehlic to bylo 1,150 klx. Při nízkých intenzitách dopadajícího záření roste aktivita lineárně s intenzitou světla (oblast LLR). Při intenzívním osvětlování přestává být množství uvolňovaného kyslíku závislé na intenzitě osvětlení (oblast LSRKaplanová a kol.,1987). Intenzita záření je závislá na vegetačním období a různých faktorech prostředí. Vzájemné působení rostlinných organismů s atmosférickou složkou vnějšího prostředí vytváří specifické mikroklima porostu. Množství sluneční radiace, které dopadá do jednotlivých částí korun smrkového porostu je závislé na příkonu sluneční radiace dopadající na porost, na architektuře korun a struktuře porostu. Radiační režim homogenního porostu smrku ztepilého stáří 30 let na lokalitě Bílý Kříž v Moravskoslezských Beskydech sledovala Kratochvílová-Marková (1989), která zjistila, že tento porost zachytil průměrně 50-60% FAR, zatímco do spodní části korun se dostalo pouze asi 10-15% FAR. Nejvíce FAR dopadalo na porost a proniklo i hluboko do něj v poledních hodinách (11-14 hodin SEČ). Aplikací metod interpolací, aproximací a různých modelových odvození vyhodnotil Hadaš (1995) stanovištní, imisní a klimatické parametry v prostoru Kněhyně (plocha 41 km2). Přitom dospěl k zajímavým výsledkům. Průměrnou hodnotu sumy přímého záření na kolmou plochu za rok 1991 v 7.lesním vegetačním stupni (1 106 m n.m.) stanovil v této lokalitě ozáření na 367,63 MJ.cm-2. Za vegetační období 1991 to bylo 238,48 MJ.cm-2 . Ozáření jako stresový faktor smrkových porostů Vysoká intenzita světelného záření se projevuje jako stresový faktor u smrkových porostů, které reagují na hustotu světelného toku citlivěji než jiné lesní dřeviny. Zvlášť je to patrné v součinnosti s působením škodlivých imisí. Vnějším znakem poškození je žloutnutí jehlic, které zesiluje ve vyšších polohách středohoří. Zpravidla jsou postiženy tímto příznakem slunečnímu světlu přímo vystavené vrcholové části korun. Žloutnutí začíná v apikální části na svrchní straně jehlice a táhne se ke střední části. Baze jehlice zůstává často ještě zelená. Tento typ žloutnutí je chápán jako důsledek poškození fotosyntetických membrán a vede nutně ke ztrátě chlorofylu. Je uváděn za jednu z hlavních příčin novodobých velkoplošných poškození lesa (Hafner et al., 1988). Pokud list exponovaný k 2000 µmol fotonů m-2 s-1 absorbuje okolo 1700 µmol m-2 s–1a pokud světelná saturace fotosyntézy nastává při 400 µmol m-2 s–1, pak tedy přibližně jen jedna čtvrtina absorbovaných fotonů je využita pro fotosyntetickou asimilaci (Chow, 1994). Zbývající energie fotonů je odvedena nefotochemickými způsoby zhášení, zvláště ve formě odpadního tepla. Tato kontrolovaná disipace nadbytku fotonů pomáhá chránit fotosyntetický aparát před dlouhodobějším narušením fotosyntetické schopnosti, která by mohla nastat v případě, kdy je přijímáno více fotonů než lze využít pro fotosyntézu nebo být disipováno ochrannými mechanismy.
— 56 —
Narušení fotosyntetické schopnosti nadměrným ozářením se nazývá fotoinhibice. Dle Osmonda (1981) fotoinhibice nastává tehdy, když přenos excitační energie fotonů ze světlosběrných komplexů do reakčních center je vyšší než přenos excitační energie z reakčních center do elektrotransportního řetězce. Za průvodní příznaky fotoinhibice se považuje snížení fotosyntetické účinnosti, pokles kvantového výtěžku produkce O2 a elektrotransportní aktivity PS II, vedoucí až k snížení maximálního fotosyntetického výkonu (Osmond a Grace 1995) a snížení fluorescenčního parametru Fv/Fm (Serret et al. 1996). Toto poškození je dáno především poklesem množství aktivních reakčních center fotosystému PS II spojené s fosforylací proteinů, zejména D1 (Barber 1995, Anderson et al. 1997, Kruse et al. 1997) či redukcí a celkovým úbytkem RC II a posléze i celých fotosystémů II (Prášil et al. 1992) doprovázené poklesem obsahu chlorofylu.
Kontrolní otázky • Jaké jsou přímé účinky záření. • Proč je záření určujícím faktorem růstu a vývoje rostlin. • Jaké jsou škodlivé účinky záření. • Jak se rostlina brání vysokým intenzitám záření. • Objasni pojem fotomorfogeneze, její adaptační význam a projevy. • Objasni pojmy reflexe, absorpce a transmise záření • Jak se rostlina adaptuje na různou hustotu a spektrální složení ozářenosti Otázky k zamyšlení Lze účinnými hospodářskými fytotechnikami odvrátit důsledky fotooxidativního stresu? Souhrn Sluneční záření je nejdůležitějším faktorem prostředí ovlivňujícím růst a vývoj rostlin. Rostliny reagují pouze na záření v určitých vlnových délkách. Fotosynteticky účinné je záření vlnových délek 400-700 nm (FAR). Fyziologický účinek záření záleží na vlnové délce. Při dopadu na list se záření buť odrazí (reflexe), nebo je pohlceno (absorpce) nebo projde (transmise). Účinky záření jsou fotoenergetické (zdroj energie), fotokybernetické (stimulace vývoje), fotodestrukční (působí poškození). Mnoho růstových procesů je řízeno fotoperiodicky. Projevy buněčné diferenciace i růstu orgánů jsou závislé především na kvalitě záření a jsou součástí fotomorfogeneze. Ta je vyvolána za účasti různých receptorů záření, hlavně fytochromu a dosud neznámeho receptoru modrého záření. Její projevy mají adaptační význam. Pojmy k zapamatování Fotodestrukce, fotosenzor, primární zdroj záření, fotomorfogeneze, foton. Fotosynteticky aktivní radiace (FAR), solární konstanta, heliofyt, heliosciofyt, sciofyt.
— 57 —
4. E KOFYZIOLOGICKÉ PROBLÉMY ROSTLIN
4. 1. Škodlivé působení abiotických a biotických faktorů na asimilační aparát rostlin a optimalizace fotosyntetických procesů Cíle kapitoly: • Vysvětlit pojem dynamická rovnováha. • Uvést základní definice stresu rostlin, • Seznámit s vazbou fyziologických procesů na ekologické podmínky růstu rostlin, především lesních porostů Klíčová slova Primární zdroje energie; dynamická rovnováha; stres, adaptace; reverzibilní a ireverzibilní poškození; geneticky fixované mechanismy; aklimace; ekologie fotosyntézy; abiotické a biotické faktory Průvodce Technický pokrok a prudký rozvoj průmyslu v druhé polovině dvacátého století se negativně projevil ve zhoršujícím se životním prostředí. Značné znečištění ovzduší, půdy a vody začalo ohrožovat samou podstatu života na Zemi. Živé organismy reagují citlivě na měnící se životní prostředí, ve kterém si po dlouhá staletí vytvářely podmínky k dynamickému růstu. Řada z nich již vyhynula a další se ocitají na seznamu kriticky ohrožených. Rostliny nemají možnost aktivního pohybu a úniku z prostředí ve kterém rostou. Jejich vysoce uspořádané struktury se stálou výměnou molekul, atomů a iontů jsou charakterizovány neustálými složitými přeměnami a představují otevřený heterogenní systém. Ten však bývá často narušován různými stresovými faktory zejména při extrémním působení různých fyzikálních a chemických činitelů. Existuje velké množství složek vnějšího prostředí, které se mění každou minutou a vytvářejí nekonečně proměnlivou plejádu podmínek k růstu. Velmi cenné objevy molekulární biologie, zabývající se interakcí genotypu a prostředí a genetikou fotosyntézy, významně přispěly k objasnění problémů s tím spojených. Přesto zůstává ještě mnoho nevyřešených otázek, na něž zatím nemáme odpovědi. Nevíme jak se rostlina vyrovnává s náhlými krátkodobými, či déletrvajícími změnami vnějších podmínek a vůbec jak krátkodobou a dlouhodobou změnu rozliší? Jakými mechanismy je rostlina vybavena pro ochranu před nepříznivými vlivy prostředí? Jaký je rostlinný genetický potenciál, který se na těchto reakcích podílí? Existují buněčné markery stresu a adaptace rostlin? Odpověď na tyto otázky znesnadňuje komplexnost vnějších podnětů a příslušných reakcí rostlin. Škodlivé látky ve vzduchu, půdě a vodě, které produkoval a namnoze ještě produkuje v hojné míře průmysl, narušily složité fyziologické procesy a jemnou strukturu rostlinných buněk. Lesní porosty patří mezi nejvíce poškozené. — 58 —
4. 2. Primární zdroj energie Nejdůležitějším faktorem, který podmiňuje existenci rostlin a všech autotrofních fotosyntetizujících organismů,.je světlo. Je to část elektromagnetického záření, kterou vnímáme očima (v rozmezí vlnových délek 380 – 766 nm). I neviditelná část záření (infračervené a ultrafialové) má však biologický význam. Světlo je primárním zdrojem energie, která je ukládána do makroergických vazeb (ATP)a redukčního ekvivalentu NADPH. Sekundární odezvou je produkce zásobních látek, hmota metabolicky uvolněná během růstu. Při růstu se spotřebovává energie a ubývá uhlík. Množství nahromaděné hmoty (B) a energie (A) musí odpovídat termodynamické podmínce B
K fyzikálním patří: • Nadměrné záření (UV, viditelné). • Extrémní teploty (horko, chlad, mráz). • Mechanické účinky větru. K chemickým patří: • Nedostatek vody (sucho). • Nedostatek kyslíku (hypoxie, anoxie). • Nedostatek živin v půdě. • Nadbytek iontů solí a vodíku v půdě • Toxické kovy a organické látky v půdě • Toxické plyny ve vzduchu. U biotických faktorů rozlišujeme: • Patogenní mikroorganismy (viry, bakterie, houby) • Herbivorní živočichové (spásání, poranění) • Vzájemné ovlivňování (alelopatie, parasitismus) Kontrolní otázky • Proč dochází u rostlin k narušení dynamické rovnováhy? • Uveď definici stresu u rostlin a jaké jsou jeho příčiny? • Jaké stresové faktory ovlivňují růst rostlin, uveď příklady jejich působení? Příklady, poznámky, doplňující terminologie • Alelopatie – přenos účinné látky k ovlivnění sousední rostliny. Každá rostlina obsahuje velké množství sekundárních organických látek (metabolitů), z nichž některé mohou působit inhibičně a toxicky na jiné rostliny vyskytující se v těsné blízkosti a mají alelopatický účinek • Genotyp – genetická konstituce (stálost) organismu. Vrozený způsob metabolismu organismu zakódovaný v buněčném jádře a cytoplazmě.
Otázky k zamyšlení Proč dochází k opakovaným neúspěchům při umělé obnově lesa na velkoplošných holinách, které vznikly vykácením poškozeného lesa po extrémním působení abiotických a biotických faktorů?
4. 3. Obranné mechanismy stresových reakcí Na změnu podmínek přírodního prostředí reaguje rostlina zapojováním obranných mechanismů, které se zapojují automaticky a jsou geneticky podmíněny. Existuje několik druhů adaptací jimiž se rostlina přizpůsobuje změněným podmínkám prostředí, např.: adaptace evoluční, chromatická, klimatické rytmy, adaptace k záření, adaptace modulační a — 60 —
modifikační, na půdní podmínky, na teplotu, přechodná, regulační, strukturní, vodního provozu aj. Nejčastěji se vyskytují adaptace modulační, které probíhají rychle a jsou reverzibilní, tj. návratné. Po návratu původní situace se vrací i původní chování. Hlavním příkladem jsou funkcionální adaptace metabolismu (hlavně fotosyntézy) ke kolísající intenzitě slunečního záření. Přechodná adaptační schopnost odolnosti rostlin, získaná pod vlivem působení stresoru, se nazývá aklimace. Není geneticky podmíněná a může být založená jak na změnách rychle pomíjivých, kdy se tvoří specifické metabolity, tak i na změnách trvalejších, vedoucích k tvorbě nových orgánů a jejich vnitřní struktury. Negativní dopad stresorů zeslabují mechanismy aktivní odolnosti. Jedná se o spuštění řetězce změn, který bývá označován jako stresová reakce. Její průběh a její konečný výsledek závisí na intenzitě a délce působení stresového faktoru na danou rostlinu a na geneticky vázaných předpokladech její odpovědi. U stresové reakce rozeznáváme poplachovou fázi, která je vyvolána bezprostředně po působení stresového faktoru a při níž dochází k narušení buněčných struktur. Pokud intenzita působení stresoru nepřekračuje letální úroveň a nedochází k nevratným (ireverzibilním) reakcím, dochází k mobilizaci kompenzačních mechanismů, které vedou ke zvýšení odolnosti rostliny vůči působícím faktorům (fáze rezistence). Při dlouhodobém a intenzívním působení stresového faktoru může dojít k dalšímu poklesu (fáze vyčerpání). Fyziologie stresu je v současné době intenzívně studována a obranné mechanismy nejsou dosud plně objasněny. Důležitá úloha je přičítána stresovým proteinům, které vznikají pod vlivem kteréhokoliv ze stresových faktorů. Často dochází již během několika desítek minut k velmi dramatickým změnám v kvantitativním i kvalitativním zastoupení proteinů v buňkách, při nichž tvorba některých proteinů rychle stoupá, jiných se naopak zastavuje. Několik hodin po začátku působení stresoru obvykle kulminují změny v syntéze proteinů. Poté dochází k pomalému návratu do původního stavu. Studium stresu je komplikováno tím, že často působí více stresových faktorů současně (např. vysoké záření, vysoká teplota, sucho). Působení stresorů bývá často omezeno pouze na část rostliny (list, kořen). To vyvolává lokální stresové reakce, které mohou druhotně vyvolat stres i v ostatních orgánech. Ke zvýšení odolnosti rostlin přispívá rovněž tvorba stresových fytohormonů (kyselina abscisová, etylén, kyselina jasmonová aj.) a tvorba osmoregulačních sloučenin (cukry, polyalkohol, jednoduché dusíkaté látky). Příklady, poznámky, doplňující terminologie Allelopatie-vzájemný vztah mezi rostlinami ve spolešenstvu, kdy určitý jedinec vytváří a vylučuje do prostředí toxické látky, které negativně ovlivňují růst rostliny jiného druhu. Jako příklad zapojení obranných systémů, které se aktivují po působení nadměrného záření, může být sezónní kolísání obsahu některých karotenoidů a jiných antioxidantů, jimž je přičítána obranná funkce proti působení škodlivých reaktivních kyslíkatých látek Jedná se o tzv. autoregulační xantofylový cyklus. V membranách thylakoidů a především ve světlosběrných komplexech se při nadměrném ozáření pletiv převádí akcesorický pigment violaxantin přes anteraxantin na zeaxantin (=deepoxidace-kyslíkatých karotenoidů obsahujících kyslík ve formě hydroxi- a epoxiskupin) a tím se likvidují singletové a tripletové stavy chlorofylu i dalších kyslíkových radikálů. Intenzívním ozářením, které nastává po prudkém odclonění lesního porostu nevhodným těžebním zásahem, dochází k tripletovým stavům chlorofylu P680, který snadno reaguje s molekulárním kyslíkem O2 za vzniku kyslíkových radikálů. Ty způsobují destrukci chlorofylu P680 a poškození celých reakčních center PSII (fotosystémů II.). Dlouhodobé sezónní sledování koncentrace fotosyntetických pigmentů u pokusných sazenic smrku v nadmořské výšce 1160 m ukázalo, že v měsících silné insolace (začátek června, červenec) dochází k úbytku β-karotenu v asimilačních orgánech jehlic, což se vysvětluje tím, že β-karoten plní svoji obrannou funkci a spotřebovává se při ochraně chlorofylu, jemuž hrozí degradace v důsledku nadbytečné ozářenosti. Jiným příkladem stresové situace je známé velkoplošné poškození lesních porostů v Beskydch k němuž došlo v důsledku náhlého teplotního zvratu. Na přelomu let 1978/79 činil rozdíl teplot ve dnech 31.12.1978 a 1.1.1979 na Lysé hoře 28,3°C. Tak prudká změna v jednodenním intervalu a následující silné mrazy způsobily, že lesní porosty, oslabené navíc dlouhodobým působením imisí, nemohly tak velkou zátěž unést. V nadmořských
— 61 —
výškách nad 800 m byl urychlen proces jejich poškození, které se stalo akutním a především smrkové porosty začaly hromadně hynout. Poškození bylo tak rozsáhlé, že kalamitní komise považovala rok 1979 za výrazný zlom ve stavu a vývoji beskydských lesů. 8 000 hektarů smrkových a 1 700 hektarů bukových porostů mělo být (podle zápisu z 12.10.1979) vykáceno. 12 228 716 m3, tj. 52,96 % porostů bylo v různém stupni poškození. Obavy z pokračujícího prohlubování poškození se však nesplnily. V průběhu následujících let se zdravotní stav porostů postupně zlepšoval. a bylo zřejmé, že se po zapojení autoregulačních obranných mechanismů v širší míře uplatnila adaptace na změněné podmínky prostředí. Škody působené biotickými stresovými faktory byly např. prokázány u smrkových porostů rostoucích ve vyšších nadmořských výškách Moravskoslezských Beskyd. Jedná se o působení endofytických hub, jednohostitelských rzí jako je Chrysomyxa abietis. Červenání jehlic může působit Rhizophaera kalkhoffii. Mezihostitelským působením druhu Chrysomyxa abietis na jehlicích smrku může být zmenšená velikost chloroplastů, což má za následek snížení účinnosti fotosyntézy a vede k onemocnění stromu.
Obr.4.1. Xantofylový cyklus v LHC II. (upraveno podle HAGERA a HOLOCHERA, 1994) Zhášení zprostředkované zeaxantinem (Z) probíhá v následujícím sledu: [H+] ----- protonace proteinů LHC II. z lumenu ---- aktivace deepoxidáz ---- konverze violaxantinu na zeaxantin ----- aktivní funkce Z zhášeče. Vysvětlivky: GSH - glutathion, GSSH oxidovaný glutathion, DHAsc - dehydro askorbová kyselina Vysvětlení některých pojmů: • Stresové proteiny – bílkoviny které se ve vhodné míře syntetizují pod vlivem kteréhokoliv ze stresových faktorů v buňkách a za normálních okolností se nedají vůbec zjistit. • Karotenoidy – skupina žlutých a červených pigmentů, které obsahují vysoce nenasycené uhlovodíky a jejich oxidační produkty. Rozdělují se na karoteny a kyslík obsahující žluté xantofyly (např. violaxantin, zeaxantin, lutein aj.). Přenášejí energii při fotosyntéze a mají ochranný účinek před světlem. Chrání chlorofyl před letálními a nevratnými fotooxidacemi tím, že zachytí letální excitační energii a ve svém nově získaném tripletním stavu buď reagují s kyslíkem nebo degradují excitační energii v teplo. • Antioxidanty – činidla chránící polymerní látky před oxidací vzdušným kyslíkem, peroxidy nebo světelným zářením. • Reaktivní kyslíkaté látky – částice obsahující nepárový elektron, rozlišují se vysoce reaktivní volné radikály (R-O·, OH·, HO2·), které vyvolávají řetězové reakce nebo se jich zúčastňují a méně reaktivní radikály. • Membrány thylakoidů – členité měchýřkovité útvary chloroplastů rostlin ohraničené membránami, kde probíhá světelná fáze fotosyntézy. Jsou v nich zakotveny dva typy fotosystémů (PS-I a PS-II) tvořených světlosběrným (anténním) komplexem (LHC) a reakčním centrem (RC). LHC je soustava fotosyntetických pigmentů (chlorofylu a, pigmentů akcesorických, tj. chlorofylu b a karotenoidů) vázaných na proteiny (tzv.
— 62 —
pigment-proteinové komplexy). Tyto komplexy absorbují světelnou energii a magnetickou rezonancí ji přenášejí do RC, kde je přítomen pouze chlorofyl, vázaný na specifické proteiny. Zde se z molekuly chlorofylu uvolní elektron. • Chlorofyl P680 - absorpční maximum chlorofylu a v reakčním centru (RC II), speciální forma chlorofylu a , která podléhá velmi rychle oxidačně redukčním změnám.
Kontrolní otázky • Jaké obranné mechanismy používá rostlina při poškození abiotickými stresovými faktory? • Popište průběh stresové reakce. • Jakou úlohu má doprovodný fotosyntetický pigment β-karoten. Otázky k zamyšlení • Za jakých okolností nastává situace, kdy se rostlina (dřevina) dostává do fáze v níž působení stresového faktoru vede k jejímu úhynu? • Proč bývá jižní část koruny jehličnatých lesních porostů více postižena opadem jehlic (defoliací) než severní část?
4. 4. Ekologie fotosyntézy Fotosyntéza je pochod probíhající v zelených rostlinách, při kterém je energie světelného záření přeměňována na energii chemickou. Jedná se o nejdůležitější biochemický proces na Zemi probíhající v rostlinách, kdy působením světla dochází ke zvýšení obsahu sacharidů. Fotosyntetické procesy se uskutečňují v chloroplastech, tj. organelách obsahujících chlorofyl a tradičně se rozdělují na světelné reakce a temnotní reakce. Světelné reakce zahrnují absorpci záření fotosyntetickými pigmenty a transport elektronů na thylakoidní membráně spojený s uvolňováním kyslíku, což vede ke vzniku protonového gradientu, jehož výsledným produktem jsou ATP a NADPH. Tyto primární produkty fotosyntézy jsou využívány v temnotních reakcích fotosyntézy, které fixují CO2 a vytvářejí z něho cukry. Současně s fotosyntézou dochází v buňkách také k respiraci. Fotosyntéza je proces závislý na světle. Jako světlo označujeme tu formu záření, která může být vnímána lidským okem. Jsou to vlnové délky mezi 380-766 nm.Vlastní přeměna energie je zprostředkována multiproteinovými komplexy v membráně thylakoidu - fotosystémy I. a II. (PS I., PS II.) a komplexem cytochromu b6/f. Fotosyntetický aparát se ve fylogenezi vyvíjel cestou adaptací na jednotlivé funkce a ekologické podmínky. Tyto adaptace jsou přizpůsobením pro procesy jimž slouží a k faktorům prostředí, pro něž jsou určeny. Byly znovu a znovu testovány přírodním výběrem podle vhodnosti pro obecný „cíl“ vývoje rostlin šířit se v prostoru a čase. Podle GRIME (1979) uplatňují rostliny tři typy strategie podle hlavního souboru faktorů na něž se musely adaptovat. 1. Typ strategie využívající adaptaci na víceméně optimální podmínky prostředí. Hlavními znaky je dlouhověkost, velká biomasa intenzívní růst a výrazná růstová reakce na konkurenci (lesní biom). Adaptace fotosyntetického aparátu tohoto typu je zaměřena na maximální využití fotosynteticky aktivního záření (FAR) v oblasti od 380 do 766 nm, na
— 63 —
maximální využití nízké koncentrace CO2,. na bývalou vyšší koncentraci CO2 a nižší koncentraci O2 v atmosféře a na maximální využití plochy a prostoru. 2. Typ založený na snášení různých druhů stresů (sucho, nízké ozáření, nízká teplota aj.). Hlavním strategickým cílem je vydržet stresy a udržet při nich alespoň trochu pozitivní produkční bilanci. Hlavní znaky rostlin adaptovaných na vliv stresu jsou většinou: vynucený pomalý růst, malá biomasa, výborně fungující regulační mechanismy, často velmi rafinované adaptace na extrémní podmínky. U tohoto typu je většina optimalizačních adaptací řešena dokonalými regulačními mechanismy jejichž příkladem v rámci fotosyntetického aparátu může být regulační činnost průduchů. Hlavním úkolem průduchu je optimalizovat příjem CO2 oproti výdeji vodní páry. Dalším znakem je adaptace fotosyntézy na vysoké a nízké teploty, sušší stanoviště, vysoké ozáření, na silné až extrémní sucho a na nízkou hustotu FAR. 3. Typ přizpůsobení na opakující se narušování biomasy rostlin spásáním, sešlapáváním, požárem, záplavou aj. Adaptace fotosyntézy u tohoto typu je charakterizována vysokými rychlostmi čisté fotosyntézy PN na jednotku plochy listu nebo sušiny při rychlé a přednostní obnově listové plochy. Tato vysoká rychlost je doprovázena rychlou vegetativní regenerací fotosyntetického aparátu. Příklady, poznámky, doplňující terminologie • ATP – adenosintrifosfát, obvyklá součást enzymů urychlujících přenos fosfátových skupin. Patří mezi významné sloučeniny, které jsou schopny uvolňovat energii pro potřebu buňky. ATP představuje „palivo“, které pohání ty nejdůležitější životní pochody. • NADPH – redukovaný nikotinamidadenindinukleotidfosfát nezbytný k zabudování oxidu uhličitého do organických sloučenin v dalších fázích fotosyntézy. V rámci globálních změn klimatu na Zemi, projevujících se zvyšováním koncentrací CO2 aj. skleníkových plynů (CH4, NOx, ozón, freony, vodní pára) v atmosféře, dochází k vzrůstu nebezpečí tzv. skleníkového efektu. Od druhé poloviny minulého století se koncentrace CO2 zvýšila z tehdejších 270 µmol/l na dnešních asi 358 µmol/l. Současně se předpokládá zvýšení teploty o odhadované 2 až 5°C. Tyto změny mají nezpochybnitelný a mnohostranný vliv na rostliny. Mezi přímé působení patří zvýšení rychlosti fotosyntézy, snížení rychlosti fotorespirace, pokles vodivosti (přivření) průduchů a pokles rychlosti dýchání. Nelze vyloučit ani další účinky jejichž mechanismus není zatím znám. Dojde ke zvýšení produkce sušiny, k větší produkci biomasy i tím i zvýšené spotřebě vody, což povede na mnoha stanovištích k vyčerpání zásob vody na něž je současná příslušná vegetace adaptována. Z hlediska fotosyntézy se důsledky jeví příznivěji pro rostliny C3 u nichž je dnešní koncentrace CO2 podsaturační. Podle NÁTRA (1990) se mohou u rostlin mnohem nepříznivěji projevit důsledky nepřímého působení změn koncentrací CO2 např. snížení rychlosti transpirace zvyšuje teplotu rostlin a následně zkracuje celou vegetaci. Vyšší produkce asimilátů mění nutriční hodnotu rostlin, zejména poměr C/N a obsah minerálních živin, s důsledky pro všechny herbivorní organismy. Dochází k přednostní distribuci sušiny do kořenů, zvyšuje se množství kořenových exudátů do půdy a mění se složení a aktivita půdní mikroflóry. To vše může vést ke změně druhového složení ekosystémů, k posunutí hranic kultivace nebo přirozeného výskytu mnoha druhů rostlin, ke ztrátě biodiverzity apod. Zvláštní pozornost je v současné době věnována lesním ekosystémům, u kterých jsou očekávány neznámé změny působené fyzikálními změnami atmosféry. Problém řeší čtyři národní projekty. Jedná se o projekt ECOCRAFT, který je součástí stejnojmenného mezinárodního projektu EU. Zabývá se účinky rostoucí koncentrace CO2 a teploty na růst stromů. Využívá matematické modely k přenesení zjištěných reakcí jednotlivých stromů do měřítka celých lesů, a to v časové škále několika desetiletí. Sdružuje 10 účastníků z různých částí Evropy. Cílem je vyčíslit schopnosti horských hospodářsky využívaných smrčin, poutat CO2 při tvorbě biomasy a určit změny v růstu biomasy. Zhodnotit vlivy globálních klimatických změn na region Beskydy. Jiný Grantový projekt Grantové agentury ČR (EUROFOS) se zabývá komplexním vyšetřením škodlivých vlivů zvýšené UV-B záření na smrk ztepilý, zejména na jeho fotosyntetický aparát. Cílem je zhodnocení účinnosti ochranných mechanismů jehlic smrku ztepilého k vlivům UV-B záření při současném působení vzdušných škodlivin, extrémních teplot a určení primárního místa poškození.
— 64 —
Další projekt EUROFLUX je orientovaný na bilanci výměny energií a látek (CO2 a vodní páry) mezi atmosférou a lesním porostem. Cílem je vyčíslit množství zadrženého, respektive uvolněného uhlíku horským smrkovým porostem v průběhu vegetační sezóny a stanovit efektivnost využití sluneční energie při porostní bilanci toků CO2 , vodní páry a energie. Projekt CANOPY je zaměřen na dlouhodobé sledování produkční aktivity hospodářsky využívané smrčiny. Cílem je poznání jednotlivých částí korunové vrstvy porostu pro konečnou produkci biomasy a celkovou komunikaci porostu s vnějším prostředím.
Kontrolní otázky • Charakterizujte stručně fotosyntézu a její vztah k ekologickým podmínkám. • Charakterizujte druhý typ strategie fotosyntetického aparátu podle GRIME • Jaké důsledky pro růst rostlin vyplývají z fyzikálních změn v atmosféře? Otázky k zamyšlení Je možné předejít důsledkům nežádoucích fyzikálních změn v atmosféře (tzv. skleníkovému efektu)? Souhrn Rostliny představují otevřený heterogenní systém., který je v dynamické rovnováze. Primárním zdrojem energie podmiňujícím jejich růst je světlo. Vnější prostředí podléhá neustálým změnám a vytváří pro rostliny stále nové podmínky. Jejich růst je negativně ovlivňován různými stresovými faktory , které mohou být biotické a abiotické. Každý stres vyvolává reakci při níž se rostlina přizpůsobuje nové situaci a automaticky zapojuje geneticky podmíněné obranné mechanismy. Jejich činnost umožňuje návrat do původního „rovnovážného“ stavu. Fotosyntetická aktivita rostlin je závislá na ekologických podmínkách prostředí. Rostliny si vytvářejí vlastní strategii podle hlavního souboru faktorů na něž se musely adaptovat. Rozeznáváme tři typy této strategie. Pojmy k zapamatování Otevřený heterogenní systém, stres, stresový faktor, primární zdroj energie, dynamická rovnováha, geneticky fixované adaptační mechanismy, abiotický faktor, biotický faktor, adaptace, aklimace, ekologie fotosyntézy, fotosyntetické pigmenty, chloroplast, karotenoidy, pigment-proteinové komplexy, thylakoidní membrána,
— 65 —
5. E KOLOGICKÁ RIZIKA RŮSTU LESNÍCH SPOLEČENSTEV
Cíl kapitoly Uvést hlavní příčiny poškození lesních porostů a posoudit vliv ekologických faktorů na růst lesa. Klíčová slova Příčiny poškození; mechanismus působení imisí; škodlivé plynné látky; biotické faktory, abiotické faktory, obranný mechanismus rostlin Průvodce Příznivý růst lesních porostů je v současné době ve všech průmyslově vyspělých zemích narušován nepříznivými vnějšími vlivy. Rychlý vzestup průmyslu od druhé poloviny minulého století vyvolal zhoršení přírodních podmínek k životu rostlin i živočichů včetně člověka. Od počátku 80. let vstupuje do povědomí veřejnosti skutečnost, že lesy hynou a ve vědeckých kruzích se začíná diskutovat o příčinách tohoto jevu. Často odchylné a komplikované diskuse odborníků u nás i v zahraničí způsobily, že veřejnost znejistěla. Co je skutečnou příčinou hynutí lesů? Jaká je diagnóza tak rozsáhlého onemocnění zejména u jehličnatých stromů? Odborníci dospěli k názoru, že hlavní příčinu je třeba hledat ve vysokých koncentracích škodlivých látek v ovzduší. Není to ovšem příčina jediná. Odumírání lesů je složitý proces ve kterém působí velké množství škodlivých látek a buď krátce nebo dlouhodobě, přímo nebo nepřímo dopadají na ekosystém lesa a to s velkými rozdíly. Z toho vyplývá, že alespoň v počáteční fázi výzkumu příčin a následků je třeba použít široce použitelnou diagnostiku. Hodnocení škod na lesním ekosystému je problémem k jehož řešení je třeba využít nové analytické metody, protože dosavadní nestačily zjistit ani příčiny poškození, ani zhodnotit fyziologický stav zasaženého lesa. Jeho růst není ovlivňován jen škodlivými faktory, ale i stupněm připravenosti obranných mechanismů, které škodlivým vlivům brání. Důkladné poznání těchto procesů může přispět k zlepšení situace a vést k potřebným účinným opatřením na posílení obranyschopnosti. Je třeba si uvědomit, že rezidua toxických látek v půdě i v ovzduší zůstávají a jejich izolace, případně odstranění, je nesnadné, ne-li vůbec nemožné. Je nutné, aby byly respektovány ekologické a biologické podmínky dobrého růstu. Škody působí vždy konkrétní příčiny na konkrétním místě. Při řešení problému je proto nezbytné vycházet z konkrétních podmínek na konkrétních lokalitách. K podstatnému zlepšení situace by mělo přispět snižování škodlivých látek v ovzduší, atmosférické síry a dusíku a to všemi dostupnými prostředky. Ekologické principy pěstování lesů by se měly stát samozřejmostí. Péče o lesy se stává prvořadou záležitostí v celé společnosti a je jejím prvořadým zájmem, aby byly zachovány neporušené.
— 66 —
5. 1. Příčiny poškození lesních porostů Původní stabilní ekologická rovnováha přírodních procesů, trvající tisíce let, se zakládala na principu přirozené autoregulace. S objevením člověka byla tato rovnováha pomalu narušována. Míra zásahu člověka do přírody postupně rostla. Rozrušení lesů se zvětšovalo úměrně s nastupující industrializací Evropy. Člověk pohlížel na přírodu jako na nekonečný zdroj surovin a společnost neměla žádné porozumění pro ekologická chápání přírody. První doklad zhoubného působení průmyslové aktivity na les je znám již z roku 1845. V té době vypouštěl v pohoří Harzu, báňský a železářský průmysl velké množství tuhých látek a SO2 do ovzduší, což mělo za následek náhlé hynutí lesů v celém údolí. Hovořilo se o akutním působení škodlivin a lidé si začali uvědomovat negativní dopad průmyslové činnosti. Již tehdy bylo za příčinu hynutí označeno znečištění ovzduší v blízkosti hutí. S postupujícím rozvojem průmyslu se poškození začalo vyskytovat i ve značně vzdálených oblastech od emitujících zdrojů a vrcholilo v poslední čtvrtině minulého století. Příčiny nutno spatřovat nejen v podstatném zvýšení koncentrací škodlivých látek v ovzduší, ale hlavně v synergickém působení celé řady dalších škodlivých činitelů. Je proto velmi těžké určit (a vlastně to není ani dost dobře možné) podíl jednotlivých komponentů na vzniku a rozsahu škod. Podle původu lze příčiny rozdělit na dvě hlavní skupiny faktorů: A) Abiotické faktory 1. Škodlivé látky v ovzduší Jsou to plynné látky - SO2 a další sloučeniny síry, oxidy dusíku, sloučeniny fluóru, halogenové uhlovodíky, chlór, amoniak aj., fotochemické znečištění vzduchu ozonem, těkavé organické sloučeniny atd. Tento výčet není zdaleka vyčerpávající. Průmyslové závody, především chemické, emitují do ovzduší stovky různých sloučenin, které jsou vůči vegetaci v různé míře toxické. Důsledkem jejich působení je spad kyselých dešťů. Dále tuhé látky – poletavý prach, aerosoly, těžké kovy a další toxické prvky, které jsou součástí prašného spadu. 2. Klimatické poměry Mráz, náhlý teplotní zvrat, vysoká teplota, bořivý vítr, vlhký sníh, sucho, množství srážek, vodní režim, sluneční radiace. 3. Půdní poměry Obsah živin v půdě, acidobazická půdní reakce, toxické kovy v půdě, zasolenost půd, vymývání živin, nedostatek makro a mikroelementů, eroze půdy. B) Biotické faktory Působení hmyzích škůdců, (čeleď kůrovcovitých, housenice pilatky, hřebenule, a ploskohřbetky, housenky motýlů bekyňovitých, píďalkovitých, obalečovitých aj.), parazitické houby, viry, aj. Biotičtí činitelé způsobují v rostlině infekční onemocnění, které se vizuálně vyznačuje typickými změnami v pigmentaci listů. Jedná se o virová onemocnění, případně o bakteriózy a mykózy. Jejich působením dochází u listů k nekrózám, zonální depigmentaci, zakulaceným nekrotickým skvrnám, kroužkovitosti, mozaikám apod. Determinace těchto patogénů vyžaduje imunochemická a imunodiagnostická vyšetření. Napadení může vyvolat nutriční změny, rozklad bílkovin, poruchy vodního režimu, pokles plného výkonu fotosyntézy aj. Houby, které produkují toxiny verukarin A, roridin A a roridin H, inhibují syntézu pigmentů, bílkovin a nukleových kyselin — 67 —
Do procesů vedoucích k chřadnutí a odumírání lesů je zapojeno velké množství fyzikálních, biologických a chemických faktorů. Všechny působí na rostlinu samozřejmě nepřetržitě a současně, a má-li se rostlina udržet a přežít v konkurenci s jinými, musí se působení těchto faktorů přizpůsobovat svými obrannými mechanismy. Studiem složitých reakcí rostliny na vnější podněty prostředí a odpovídající odezvou v rostlinném organismu se zabývá ekofyziologie. Určení jednoznačných příčin hynutí lesů se doposud pohybuje v oblasti hypotéz. Příklady, poznámky, doplňující terminologie Jako konkrétní přiklad hypotézy o příčinách hynutí lesů možno citovat BINKLEY et al. (1988), kde se uvádí: a) přírodní podmínky (především klimatické, stresové jevy a to především, jejich role v násobném působení na již oslabené porosty, b)virové nákazy (dnes již opuštěná hypotéza), c) ozon, jehož působení je stále obšírně studováno, ale vlastní role zůstává nejasná, d) působení fotochemických oxidantů, kde se obdobně jako u ozonu připouští možný účinek, deficit hořčíku prokazatelně se projevující na porostech smrku, e) acidifikace a toxicita hliníku, f) přebytek dusíku, h) organické sloučeniny ve srážkách. Výčet uzavírá zobecněná hypotéza stresu, která předpokládá působení více stresových faktorů, které lze však experimentálně ztěží kvantifikovat. Patogen, mikroorganismus, který je původcem infekčního onemocnění rostliny
Otázky k zamyšlení Proč není možné jednoznačně určit příčiny rozsáhlého poškození lesních porostů?
5. 2. Mechanismus působení imisí na lesní porosty Škodlivé látky v ovzduší a ve vertikálních a horizontálních srážkách poškozují především asimilační orgány lesních dřevin. Narušují ochrannou vrstvu listů a pronikají do pletiv, kde způsobují vyplavování hořčíku obsaženého v chlorofylech a ztrátu dalších biogenních prvků, zejména draslíku, vápníku a fosforu. Snižují potenciální tvorbu asimilátů a rozrušují mechanismus regulace listových průduchů. Tím zvyšují ztráty vody a způsobují vysýchání. Změny enzymatické aktivity dále pokračují, list předčasně stárne a organismus chřadne. Důsledkem je snižování mrazuvzdornosti stromů. Jejich fotosyntetická aktivita je narušena. U jehličnanů dochází i ke kumulování škodlivin zejména těžkých kovů v jehlicích. Počet ročníků jehlic se v důsledku těchto patologických jevů snižuje. Přímý vliv na látkovou výměnu v listech je podporován nepřímým vlivem imisí v kořenovém systému hromaděním zplodin. Změnami kyselosti se uvolňuje toxický hliník a také kovy jako Mg, K a Ca. Zvláště je to patrné u jehličnatých dřevin a to vlivem záchytné schopnosti korun, odkud jsou škodliviny zde akumulované smývány srážkami. Tím se zvyšuje kyselost a obsah nitrátů i jiných škodlivin v lesních půdách. A to zejména v půdách lehčích, chudých živinami a v půdách přirozeně kyselých. Dřeviny potom trpí nedostatkem živin získávaných kořenovým systémem. Všechny tyto vlivy oslabují strom a disponují jej k houbovým patogenům, sekundárním hmyzovým škůdcům a působení jiných přírodních škodlivých činitelů (mráz, sucho). Ke všem těmto jevům dochází především v extrémních růstových podmínkách, jakými jsou vysoké polohy středohoří, již při poloviční koncentraci škodlivin, které je třeba k vyvolání poškození v nižších polohách. Je také nutno brát v úvahu, že každá oblast, která je postižena imisemi, má své specifické podmínky. Zatím nejsou spolehlivě vyjasněny otázky jaké koncentrace a za jakých podmínek způsobují na určité lokalitě mortalitu určité dřeviny.
— 68 —
Příklady, poznámky, doplňující terminologie Jako příklad možno uvést první příznaky poškození lesních porostů v Beskydech, kde se začal projevovat škodlivý účinek imisí v polovině 60. let minulého století, kdy bylo zjištěno výraznější poškození smrkových porostů na lesních závodech Jablunkov, Frýdek a Ostravice. Ale různě velké lokality s poškozenými a jedlovými porosty se vyskytly i u dalších LZ této oblasti. Počátek rozsáhlejšího chřadnutí jedlových porostů na území LZ Velké Karlovice a Freštát p.R. byl rovněž spojován se znečištěním ovzduší. Tyto nepříznivé změny byly dávány do souvislosti se zásadními změnami v průmyslové výrobě na Ostravsku v 50. a počátkem 60. let. Značný nárůst průmyslové produkce znamenal i podstatné zvýšení množství SO2 v ovzduší. Jestliže podle měření z roku 1923 bylo v ovzduší Ostravska 36 000 t SO2, vzrostlo toto množství v 60. letech na více než 200.000 t (MATERNA, 1973). Kromě SO2 se dostávala do ovzduší ve větším množství i řada dalších toxicky působících látek. První orientační výzkum proměny fytocenóz a půdy v oblasti Beskyd byl proveden v r. 1967. V této době bylo zjištěno, že asi 20% lesů ve státní vodohospodářské oblasti Beskyd je pod středním vlivem působnosti exhalátů, které způsobovaly snížení přírůstu. Zbývající část lesů byla pod mírným až nezřetelným vlivem, který se dosud zjevně na vegetaci neprojevil. Na LZ Ostravice, polesí P.Bezruč a polesí Smrk a na Ondřejníku docházelo k odumírání jedle a smrkových porostů středních a starších věkových tříd. Koruny stromů byly proředěny předčasně opadlým jehličím, koruny smrků v přilehlých porostech měly mdle šedozelený vzhled. Bylo možno pozorovat již počátek chřadnutí starších smrkových porostů, nebo smrkových skupin. Jehličnaté lesy v obvodu LZ Jablunkov v okolí Vendryně a Nýdku byly silně proředěny působením imisí z TŽ Třinec. Poškození vyvrcholilo počátkem roku 1979 po náhlém teplotním zvratu, který nastal na přelomu roku 1978/79, kdy teplota na Lysé hoře klesla během několika hodin o 28,3°C. V následujícím jarním období došlo k rozsáhlému úhynu lesních porostů, především smrkových v nadmořských výškách nad 800 m na přivrácených stráních ke zdrojům imisí ostravského průmyslu. Podle šetření kalamitní komise bylo nutno skácet 8 000 ha smrkových a 1 700 ha bukových porostů. Následující tabulka ukazuje rozsah poškození v roce 1983, kdy se situace již stabilizovala, docházelo ke snižování kalamitních těžeb a postupné regeneraci poškozených stromů. V roce 1990 kalamitní těžby byly zastaveny, což je dáváno do souuvislosti s podstatným snížení imisí SO2. Druh dřeviny smrk, borovice, jedle ostatní jehličnany listnáče
Nepoškozen o tis.m3 8876,3
Poškozeno celkem tis.m3 10 713,3
Z poškozeného množství připadá procent na stupeň poškození I 65,50
II 27,84
IIIa 5,88
IIIb 0,67
IVa 0,05
IVb 0,06
5,0
13,8
96,36
3,64
0,0
0,0
0,0
0,00
1981,3
1 501,6
81,66
14,90
3,0
0,38
0,06
0,00
3
Tabulka 5.1. Podíly poškozeného množství zásob lesních porostů podle druhů dřevin (v m ) a stupňů poškození (v %) v oblasti Moravskoslezských Beskyd (k 30.6.1983)
Kontrolní otázky • Které jsou hlavní příčiny poškození lesních porostů? • Jak působí škodlivé imise na asimilační orgány? • Proč žloutnou jehlice? Otázky k zamyšlení Je možné snížit rozsah poškození lesních porostů vhodnými postupy v lesním hospodářství? Jaké postupy jsou v souladu s ochranou lesa?
— 69 —
5. 3. Škodlivé působení hlavních plynných látek Oxid siřičitý (SO2) patří k nejvíce škodlivým látkám vznikajícím při spalování fosilních látek obsahujících síru. Koncentrace pouze z přírodních zdrojů (vulkanická činnost, mokřady) by neměla být větší než 5 µg/m3. Koncentrace v důsledku průmyslové činnosti jsou mnohonásobně vyšší Oxid siřičitý vniká stomaty do rostlinného organismu kde reaguje s přítomnou vodou na kyselinu. Ta uvolňuje ionozovaný vodík, který pak degraduje chlorofyl za vzniku sulfitu případně sulfátu Mg. Naznačený proces nabíhá již při koncentracích menších než 5 µg /m3 V literatuře je uváděn limit poškození smrkových porostů již při působení roční koncentrace 50-60 µg/m3 SO2. Škodlivé působení SO2 na vegetaci se snadno pozná podle množství obsahu síry v listech.. Při vysokém obsahu nastává hnědnutí jehlic od apikální části a u starších jehlic k jejich opadu. Chemické reakce SO2 s dešťovou vodou vytvářejí tzv. kyselé deště, které vedou k okyselení půd, ke změnám na povrchu jehlic a ke zvýšené náchylnosti stromů vůči jiným stresovým faktorům. Ozon (O3) je považován za další hlavní příčinu novodobých onemocnění smrkových porostů. Jeho koncentrace vystupují ve vysokých polohách středohoří za jasných slunečných dnů především v létě, kdy jsou dávky slunečního záření nejvyšší. Tvoří se z oxidu dusíku a reaktivních organických uhlovodíků vlivem slunečního záření. Jedná se o nestabilní a rychle se rozpadající sloučeninu z atomu kyslíku. Koncentrace stoupají s přibývající nadmořskou výškou. O jeho škodlivém působení bylo vytvořeno několik hypotéz, které se jejich autoři snaží dokázat pokusy v klimatizačních komorách, ale i pozorováním ve volné přírodě. Při tom se zvlášť zdůrazňuje synergické působení ozonu s ostatními škodlivinami. Podle těchto hypotéz mohou vysoké koncentrace ozonu a dalších fotooxidantů poškodit buněčné membrány a učinit je propustnější pro kationty. Zvlášť se zdůrazňuje působení ozonu a kyselých dešťů, které zesiluje vymývání Mg, Ca, K, Zn a Mn z jehlic. Dále se zdůrazňuje, že v kyselých a na živiny chudých horských podzolech, kde převládá hnědozem a které jsou dostatečně nasyceny hliníkem, je sice dostatek K (Mn) ale chybí Mg a Ca (Zn) k rychlému vyrovnání ztrát vzniklých vymýváním těchto živin z jehlic. Příjem Mg a Ca brzdí také specifický antagonnismus iontů mezi Al a Mg v půdním substrátu.Tím se pozvolna vytváří nedostatek Mg, který snižuje kapacitu fotosyntézy, objemový přírůst a zásobení kořenů uhlohydráty. Intenzita všech těchto škodlivých jevů je uváděna do souvislosti s vysokými koncentracemi O3 ve vrcholových částech středohoří, kde dochází v důsledku intenzívního záření k urychlené fotooxidaci chlorofylu, ochuzování půd živinami, relativně vysokému přínosu N z atmosféry a zeslabení mrazuvzdornosti smrků Oxidy dusíku v procesu hoření se tvoří oxidy dusíku, které mohou ovlivňovat růst rostlin. Pro lesní ekosystémy mají význam sloučeniny, které se tvoří v přírodě z reakcí těchto plynných komponentů (NO, NO2). Oba oxidy dusíku se mohou ve vzduchu změnit v kyseliny a jako takové zde působit ve formě kyselin.Působí nejen svým podílem na kyselých deštích, ale také zvětšují v lesích množství dusíku jako živinu. Tím mohou narušit rovnováhu mezi jednotlivými živinami a negativně ovlivnit růst rostlin. Kontrolní otázky • V čem je podstata škodlivosti SO2 ? • Vznik a škodlivé účinky ozonu na lesní porosty? Otázky k zamyšlení Je možné odlišit škodlivé působení plynných škodlivin? — 70 —
Příklady, poznámky, doplňující terminologie Vývoj emisí hlavních znečisťujících látek v České republice je za posledních 20 let velmi příznivý. V roce 1999 bylo dokončeno odsíření velkých zdrojů SO2, což vedlo ke snížení celkových emisí síry na úroveň 10 % začátku 90. let. Závazek ČR pro rok 2010 je v případě SO2 již splněn a v souvislosti s legislativními změnami jsou emise SO2 od 31.12.1998 u většiny velkých a středních znečišťovatelů uvedeny do souladu s požadavky na ochranu ovzduší. To se projevilo významným zlepšením stavu ovzduší a mírnějšími průběhy inverzních situací. V současnosti je splněn i limit pro emise amoniaku závazný pro rok 2010. Emise NOx by však měly ještě poklesnout v příštím desetiletí o cca 27 %. Evropská komise stanovila pro území Evropské unie imisní limity (zatím ve formě finálního návrhu) pro ochranu vegetace a ekosystémů pro SO2 je to hodnota 20 g/m3 jako roční a současně zimní průměr. Pro NOx hodnota 30 mg/m3. V roce 1994 se projevil významný pokles koncentrací SO2 na celém území ČR. Lze konstatovat, že SO2, který byl u nás v nedávné době nejvýznamnější škodlivinou tak relativně ztrácí na významu. Jeho rezidua v půdě však zůstávají a na zdravotním stavu lesních porostů nejsou příznivé změny dosud patrné.
Ozáření jako stresový faktor. Veškerý život na Zemi spočívá na toku energie vyzařované sluncem do biosféry. Při intenzívním viditelném záření nebo při UV záření se projevují fotodestrukční účinky. Poškození se v takovém případě týká primárně fotooxidace chloroplastových pigmentů. Pro lesní porosty představuje světlo bohatý zdroj energie, která dopadá za jasných slunečných dnů na zemský povrch v rozsahu 60-100 klx což odpovídá asi 1500-2200 µmol.m-2.s-1 FAR. Pro optimální produkci fotosyntézy u smrku dostačuje již 7-15 klx. Fototosyntéza je na světle závislý proces, avšak tato závislost není proporcionálně lineární, nýbrž sleduje křivku nasycení. Po dosažení určitého bodu kompenzace a v jeho blízkosti se projevuje hustota světelného toku zpočátku silně podpůrně. Při dalších dávkách se vyrovnává a při silných působí již destrukčně. Pokud jde o nasycení světlem a dosažení kompenzačního bodu, je rozdíl mezi stinnými a slunnými větvemi. Stinným jehlicím stačí k nasycení mnohem nižší hustota světelného toku fotonů. Smrkové porosty reagují na hustotu světelného toku citlivěji než jiné lesní dřeviny, proto se může u nich projevit vysoká intenzita záření jako stresový faktor dříve než u jiných druhů. Zvlášť je to patrné v součinnosti s působením škodlivých imisí. Vnějším znakem poškození je žloutnutí jehlic, které zesiluje ve vyšších polohách středohoří. Zpravidla jsou postiženy tímto příznakem slunečnímu světlu přímo vystavené vrcholové části korun. Žloutnutí začíná v apikální části na svrchní straně jehlice a táhne se ke střední části. Baze jehlice zůstává často ještě zelená. Tento typ žloutnutí je považován za důsledek poškození fotosyntetických membrán a vede nutně ke ztrátě chlorofylu. Je považováno za jednu z hlavních příčin novodobých velkoplošných poškození lesa. Příklady, poznámky, doplňující terminologie • FAR-fotosynteticky aktivní radiace-část spektra, která je absorbována asimilačními pigmenty, tedy přibližně v rozmezí vlnových délek 380-710 nm. • Hustota toku fotosynteticky aktivních fotonů (PPF)-množství záření dopadající na jednotku listové plochy za jednotku času = ozářenost • Maximální hodnota PPF za jasného slunečního dne činí až 500 W/m2, či 2000 až 2200 µmol/m2/s FAR. • Saturační ozářenost – hodnota ozářenosti, při které došlo k nasycení • Kompenzační ozářenost – ozářenost při které rychlost hrubé fotosyntézy je právě dostatečná na kompenzaci současně probíhající respirace. Radiační režim homogenního porostu smrku ztepilého stáří 30 let na lokalitě Bílý Kříž v Moravskoslezských Beskydech sledovala Kratochvílová-Marková (1989), která zjistila, že tento porost zachytil průměrně 50-60% FAR, zatímco do spodní části korun se dostalo pouze asi 10-15% FAR. Nejvíce FAR dopadalo na porost a proniklo i hluboko do něj v poledních hodinách (11-14 hodin SEČ).
Kontrolní otázky • Která část spektra slunečního záření se může podílet na fotopoškozování lesních porostů a jaký význam má světlo pro růst rostlin, kdy působí jako stresový faktor? — 71 —
• Při jakých intenzitách slunečního záření může dojít k významnému poškození? Otázky k zamyšlení • Jsou intenzity pěstebních a těžebních zásahů při hospodářských opatřeních v CHÚ z hlediska ekologických požadavků vždy optimální ? • Lze využít získané informace o nadměrné ozářenosti pro posuzování vlivu na životní prostředí ve smyslu zákona č.100/2001 Sb.a souvisejících zákonů o nadměrných těžbách lesa (nad 25 ha porostní plochy)? Vliv větru a vlhkosti vzduchu Důležitou vlastností větru je efektivní promíchávání ovzduší v jeho mezní vrstvě nad povrchem země. Neustálé a nutné obnovování koncentrace CO2 nad prostorem je dáno turbulentním pohybem vzduchu větrem. Turbulentní transport se však netýká jen CO2, ale i vodní páry. Ve skutečnosti se koncentrace CO2 během dne mění pouze o 15 %. Malý pohyb vzduchu asi 0,5 - 1,5 m/s je nutný, aby se netvořily u asimilačních orgánů stromů zóny s nedostatkem CO2 a přebytkem vodních par, které by mohly zkracovat plnou fotosyntetickou produkci. U smrku bylo pokusně ve větrném tunelu zjištěno, že při rychlostech větru 1,5-20 m/s klesá výkon fotosyntézy konstantně asi o 10 % pod výchozí hodnotu. Z toho se usuzuje, že smrk reaguje na slabé proudění vzduchu relativně silně. Na prudký vítr však reaguje necitlivě. Úbytek fotosyntézy se vysvětluje lokálním vysýcháním svrchní plochy listu vlivem postupně se zvyšujícího proudění vzduchu a tím i způsobené zvýšení odporů difůze. Nízká vzdušná vlhkost je příčinou zavírání průduchů u mnoha druhů rostlin, zvláště když začíná klesat vodní potenciál. Se stoupající vlhkostí vzduchu se zvyšuje i výkon fotosyntézy. Toto zvyšování je vysvětlitelné poklesem transpirace při stoupajících koncentracích vodních par ve vzduchu. Příklady, poznámky, doplňující terminologie Při vysokém proudění vzduchu o rychlostech cca 100 m/s dochází k velkoplošným polomům, které způsobují velké škody v lesních porostech. Podle údajů v literatuře bylo např. v letech 1964-1984 bylo vytěženo v ČR 32,8 mil.m3 vyvrácených stromů. Z hlediska ekologických faktorů mají zásadní význam pro obnovu lesa a jeho růst mikroklimatické podmínky. Při antropickém zásahu do lesního prostředí (velkoplošné holosečné hospodářství) dochází k různým změnám mikroklimatických poměrů. Jejich charakteristickými rysy jsou především poměry dvou fyzikálně klimatvorných procesů-bilance záření a proudění vzduchu. Jsou vytvářeny složitými vlivy na které mj. působí velké plochy seče a těženého lesního porostu. Bilance radiační energie a proudění vzduchu jsou ve vzájemném vztahu ke třetímu klimatvornému procesu-k vodní bilanci. Tyto tři základní faktory vyvolávají sekundární prvky na těžebních plochách, jako jsou nežádoucí teplotní a vlhkostní poměry včetně distribuce srážek, sněhové pokrývky aj. V imisně zatížených územích mají bioklimatické faktory sečí ještě zvláštní další význam: mohou umocňovat biologické účinky toxických imisí synergickým působením. To se uplatňuje velmi výrazně na velkoplošných holosečích a má závažnější ekologické důsledky. Jedná se především o průměrnou rychlost proudění vzduchu, která se po velkoplošném zmýcení porostu zvýší vlivem odstranění překážek v dráze vzdušného proudu a podstatným snížením účinné drsnosti jeho podkladu. Ke zhoršení imisně ekologických poměrů přispívá teplotní režim mikroklimatické sféry, zejména zvětšením amplitud, teplot vzduchu v denním chodu. Rozsáhlým odlesněním se mohou aktivovat sběrná území vyzařováním ochlazovaného vzduchu za nočních hodin, což umožní vznik výrazných jezer chladného vzduchu a objeví se mrazové kotliny dříve neznámé.
Otázky k zamyšlení Existují možnosti ke zkvalitnění mikroklimatických porostních podmínek? Vodní provoz
— 72 —
Kromě využití při fotosyntéze je voda především nutná k udržení vysokého vodního potenciálu protoplazmy. Mimoto ovlivňuje obsah vody výměnu plynu CO2, ke které dochází přes regulovanou šířku průduchů. Při nedostatku vody se průduchy zužují a uzavírají, čímž dochází k omezování příjmu CO2 a tím i ke zpomalení fotosyntézy. Vodní provoz rostlin narušují imise, především kysličník siřičitý. Bylo zjištěno, že existuje vztah mezi vlivem imisí, vodním provozem rostlin a chováním průduchů, jejich odolností. Pokusy s asimilačními orgány jehlic smrku bylo zjištěno, že průduchy reagovaly při nižší vzdušné vlhkosti poměrně rychle uzavřením. Při vyšší vzdušné vlhkosti však nereagovaly. Toto jejich rozdílné chování při různé vzdušné vlhkosti pod vlivem toxické látky je interpretováno jako jedna z možných příčin poškození smrkových porostů rostoucích na stanovištích s vysokou hladinou spodní vody v horských oblastech, vystavených vlivu imisí. Teplota Velký význam pro průběh fotosyntézy má teplota. Bylo zjištěno, že u smrku s přibývající teplotou její výkon rychle stoupá až k hranici kolem 15°C, kdy dosahuje maxima. Další přibývání už je pouze mírné.Každá jednotlivá životní funkce rostliny má své teplotní hranice. Při překročení limitujících hranic dochází k poškození protoplazmy buněk a nakonec k jejich odumření. Optimální teplota pro většinu rostlin s širokou amplitudou teplot je obvykle teplotní amplituda od –5°C do +55°C. Optimální hranice je mezi 20-25°C. Jehličnaté dřeviny vyžadují pro svůj růst alespoň 30 dnů v roce s průměrnými denními teplotami nad 10°C. Změny ve složení lesních porostů ve vyšších nadmořských výškách jsou výsledkem rozsahu tolerance jednotlivých dřevin ubývajícím teplotám. V těchto výškách se mění nejen teplota, ale i další faktory jako množství srážek (zvyšuje se), relativní vzdušná vlhkost, intenzita větru a záření (vzrůstají). Pro lesní porosty jsou škodlivé předčasné a pozdní mrazy (v podzimním a jarním období) a zvláště teplotní zvraty, které způsobují v synergickém působení s imisemi rozsah škod. Bylo zjištěn, že smrk asimiluje až do nástupu silnějších mrazů (až –6°C). Úzký vztah existuje mezi teplotou a respirací, kde hranice chladu je udávána asi u –13°C. V zimním období se slabou sněhovou pokrývkou dochází k promrzání půdy a lesním porostům hrozí stres ze sucha. Zvláště u smrkových porostů mladších ročníků s mělkým povrchovým kořenovým systémem. Respirace rostlin-příjem kyslíku, který je nezbytný k aerobnímu dýchání, do rostlinného těla vniká průduchy (lenticelami a pokožkou). Kontrolní otázky Jak ovlivňuje působení imisí vodní provoz rostlin? Otázky k zamyšlení Proč jsou více patrné příznaky poškození u jehličnatých dřevin v časném předjaří?
5. 4. Ekologické aspekty znečištění ovzduší Imise působí i nepřímo tím, že mění růstové podmínky rostlin ovlivněním dalších činitelů vnějšího prostředí. Jde o změny v klimatických podmínkách a v půdě. Změna klimatických podmínek Snižuje se přístup světla k půdnímu povrchu a k vegetační pokrývce tím, že některé plynné látky zvyšují výskyt prašných částic v atmosféře-
— 73 —
důsledek: nižší světelný přísun pro vegetaci, zhoršení podmínek pro fotosyntézu, tvorba mlhy smog, výskyt námrazy. Půdní změny – kontaminace půd těžkými kovy a dalšími vysoce toxickými látkami např. arzén, problémy působené alkalickými prachy, vliv kyselých plynů na půdní vlastnosti a dynamiku, vzrůstá acidita srážek a současně s tím i kyselost povrchových vod. Z těžkých kovů působí problémy především obsahy zinku, olova, eventuelně mědi, arzenu. Potlačují činnost mikroorganismů v půdě. Velké problémy se přičítají „kyselému spadu“, jehož hlavní složkou jsou oxidy síry a dusíku, které přicházejí do ovzduší ze spalovacích procesů odkud jsou transportovány k lesním porostům. Z hlediska vegetace se síra dostává k půdnímu povrchu kam dopadá značné množství sloučenin síry a dalších prvků. Zvýšený přínos vodíkových iontů a síry do půdy pod porosty zejména smrkovými, znamená výraznější ohrožení lesních půd. Zakyselení umožňuje přístup iontů Al a Fe do dřeviny, přičemž se blokuje příjem fosforu a dochází k ochuzení půdy o důležitý hořčík. Příklady, poznámky, doplňující terminologie Hlavní mechanismus, který poškozuje lesní půdy a následně lesy, zejména smrkové monokultury, je způsob vymývání bazických kationtů z půdního komplexu, pokles pH a následná mobilizace Al z jílových minerálů. Al pak blokuje příjem nezbytných kationtů, zejména hořčíku. V současné době se pravděpodobně neuplatňuje přímý efekt SO2 na stromy, ale acidifikace půd dále probíhá, proto se stav lesů nelepší. Tyto acidifikační hypotézy se pravděpodobně kombinují s dalšími mechanismy jako je N v půdách, nadměrný příjem N, nebo relokace kořenových zón, které vedou k dalšímu oslabení smrkových porostů. Další mechanismy jsou pomalé (chronické). Dlouhodobou acidifikaci jsou z půd vyplaveny bacické kationty (CA, Mg, K, Na), půdy jsou příliš kyselé a půdní voda obsahuje vysoké koncentrace toxických kovů mobilizovaných kyselým deštěm, zejména hliníku. Vysoké koncentrace Al, respektive nízký poměr molární sumy bazických kationtů a Al-(Ca+Mg+K)/Al, dále jen Bc/Al působí v půdním roztoku fyziologické problémy kořenovému systému smrků. Při nízkém poměru soutěží ionty hliníku s kationty Ca, Mg a Na na výměnných místech buněčných membrán kořenového a apoplastu, kde porušují iontovou rovnováhu. Al brání aktivnímu transportu iontů přes buněčné membrány tím, že obsazuje místa , která jsou určena pro bivalentní nebo monovalentní ionty. Dále dochází k odumírání takto zasažených orgánů, jemných kořenů s následným špatným příjmem živin, vody a celkovým oslabením rostliny. V případě Al dochází k příjmu Mg, který je nezbytnou součástí chlorofylu. Stromy trpí chlorózou, žloutnutím jehlic, mechanismus je typický pro B horizont lesních půd v celé střední Evropě. Velká rizika poškození jsou tam, kde je molární poměr Bc/Al<1
Kontrolní otázky Jak se projevuje sekundární působení imisí na zhoršené kvalitě lesních půd a klimatických podmínek. Souhrn Růst lesních porostů je nepříznivě ovlivňován vnějším prostředím. Ekologiské podmínky růstu se silně zhoršily zejména po neobvykle rozsáhlé výstavbě průmyslu v 2. polovině minulého století. Nejvíce škod na vegetaci je způsobeno znečistěným ovzduším a mezi nejvíce postižené patří ekosystémy lesa.. Původ škod má příčiny biotické a abiotické. Mezi hlavními faktory způsobujícími poškození se řadí plynné a tuhé látky v ovzduší (SO2, NOx, O3 aerosoly a velké množství dalších). Velký vliv mají také klimatické podmínky a z biotických faktorů hmyzí škůdci, parazitické houby aj. Rostliny se brání zásahům toxických látek, obsažených ve vzduchu, půdě a vodě, vlastními obrannými mechanismy. Celý proces podléhá neustálým změnám, žádný škodlivý faktor nepůsobí izolovaně, ale ve spolupráci s ostatními. Tím se účinnost působení zesiluje. Jde o velmi složité reakce a vzájemnou interakci mezi ekologickými podmínkami a složitými faziologickými procesy uvnitř rostlin, které nejsou dosud dostatečně objasněny.
— 74 —
Pojmy k zapamatování synergické působení, patogen, fotooxidace, imise, ozářenost jako stresový faktor, toxicita hliníkem, acidifikace, toxické kovy, ekofyziologie
— 75 —
Použitá literatura Andersson, B., Aro, E.M. 1997. Proteolytic activities and proteases of plant chloroplasts. Physiol.Plant. 100, 780-793. Barber, J. 1987. Photosynthetic reaction centres: a common link. Trends Biochem.Sci. 12, 323-326. Bate, N. (1997). Transcriptional and translational control of gene expression during pollen development, Ph.D. Thesis. University of Leicester, U.K. Binarová, P. (1992). Cytoskelet rostlin. Biol. Listy 57, 3: 197-215, Czerwiński, W. (1977). Fizjologia roslin. Panstvowe Wydawnictvo Naukove, Warszawa. Čajlachjan, M. Ch. (1976). Gormonalnyje reguljatory cvetenija rastenij. Fiz. Rast. 23, 6: 1160-1173. Čiamporová, M., Mistrík, I. (1991): Rastlinná buňka v nepriaznivých podmienkach. Biol. Pr, Veda, Bratislava Dykyjová D., (Eds.). 1989: Metody studia ekosystémů. Academia. Praha Erdelský, K., Frič, F. (1979). Praktikum a analytické metódy vo fyziológii rastlín. SPN, Bratislava. Fitter A.H., Hay R.K. 1987: Environmental Physiology of Plants. Academic Press, London. Fowden L., Mansfield T., Stoddart J. (Eds.) (1993). Plant Adaptationn to Environmental Stress. Chapman and Hall, London. Gloser J., Prášil I., (1998). Fyziologie stresu. in Procházka S., Macháčková I. et al. Fyziologie rostlin. ACADEMIA Praha ISBN 80-200-0586-2 Gloser, J. (1995). Fyziologie rostlin. PřF MU, Brno. Gloser, J. (1999) Fyziologie rostlin ve službách ekologů: od přání ke skutečnosti. Živa 47 (85), 1: 9-11. Grime J.P.(1979). Plant strategies and Vegetation Processes.-John Wiley and Sons, Chichester-New York-Brisbane-Toronto. Hadaš P 1995. Abiotické parametry lokality Knìhynì-modelové odvození. In: Vliv imisí na lesy a lesní hospodáøství Beskyd.- MZLU Brno. 7, 201-208 Hafner V L, Endler W, Weese G 1988. Nadelschäden unter dem Elektronenmikroskop. Praxis der Naturwissen. 2(37), 1-5 Hager A, Holocher K. (1993). Localization of the xanthophyll-cycle enzyme violaxanthin de-epoxidase within the thylakoid lumen and abolition of its mobility by a (lightdependent) pH decrease. - Planta 192, 581-589 Hess, D.(1983) Fyziologie rostlin. Academia, Praha. Honys, D. & Čapková, V. (2000). Temporal changes in the RNA distribution between polysomes and postpolysomal ribonucleoprotein particles in tobacco male gametophyte. Biol. Plant. 43(4), 517-522. Honys, D. (2000). Vývoj pylu: od mikrosporocytu ke zralému pylovému zrnu. In Translační regulace během vývoje a zrání pylu Nicotiana tabacum, L. Disertační práce, ÚEB, AV ČR Praha. — 76 —
Horner, J. H. T. (1977). A comparative light- and electron-microscopic study of microsporogenesis in male-fertile and cytoplasmic male-sterile sunflower (Helianthus annus). Amer. J. Bot. 64, 745-759. Hrubý, K. (1961). Genetika, ČSAV, Praha Chow, W.S. 1994. Photoprotection and photoinhibitory damage. Adv. Mol. Cell Biol. 10, 151-196. Jones H.G., Flowers T.J., Jones M.B. (1989). Plants under Stress. Cambriddge Univ. Press, Cambridge. Junges, W. (1959). Beeinflussung des Blühbeginns annueller landwirtschaftlicher und gärtnerischer Kulturpflanzen durch Jarowisation bei konstanten Temperaturen zwischen -10° und +35°C. Z. f. Pflanzenz. 41, 1: 103-122. Kaplanová M, Nauš J, Vacek K 1987. Fyzikální základy fotosyntézy. - Fmat-fyz UK SPN Praha Kavina, K.(1947). Fysiologie rostlin. Nakl. min. zeměděl. ČSR, Praha. Kincl M, Krpeš V. (1992). Biologie pro studující ekotechniku. Cytologie, anatomie a organologie rostlin.-Učební texty pro posluchače HGF, VŠB-TU Ostrava: 119 pp. Kincl M, Krpeš V. (2000). Základy fyziologie rostlin. Ostravská univerzita ve vydavatelství Montanex. 221 pp. Kincl, M. (1981). Cvičení z anatomie a morfologie rostlin. PdF, Ostrava. Kopcewicz ,J. & Lewak, S. (Eds.), (1998). Podstawy Fizjologii Roślin.Vydawnictwo Naukowe PWN SA. Warszava. ISBN 83-01-12566-7. Kratochvílová-Marková I., (1989). Výzkum studia radiačního režimu lesního porostu. In: Lesnický výzkum v současnosti-prblémy vazeb výzkumu a praxe.- Vědeckorealizační sdružení Beskydy. 2, 57-58 Krekule, J., Ondřej, M. (1988). Genetická a fyziologická regulace kvetení rostlin. Biol. Listy 53, 4: 252-267. Krpeš, V. (2002). Research on Norway Spruce (Picea abies) under Difficult Circumstances of the Beskydy Mts. Climate. - Papers the Fac. of Natural Sciences. Univ. Ostrava 143/2002. Kruse, O., Zheleva, D., Barber, J. 1997. Stabilization of photosystem two dimers by phosphorylation: Implication for the regulation of the turnover of D1 protein. FEBS Lett. 408, 276-280. Larcher W. (1995). Physiological Plant Ecology. Springer-Verlag, New York. Luxová M., (1967). Biol. Plant. 9 301. Materna J (1982). Vliv znečištění ovzduší na les. -In: Škody exhaláty v lesích Severomoravského kraje. ČSVTS, Ostrava Mohr, H. (1969). Lehrbuch der Pflanzenpfysiologie, Springer Verlag, Berlin-HeidelbergNew York. Nátr L., (2000). Koncentrace CO2 a rostliny, nakladatelství ISV Praha, ISBN 80-85866-62-5. Nátr, L. (1990). Změny koncentrace CO2 v atmosféře Země a fotosyntetická produktivita rostlin. Biol. Listy 55,4: 257-287. Nátr, L. (1998). Rostliny, lidé a trvale udržitelný život člověka na Zemi. Karolinum, Praha. Nováček, F. (1986). Fytochemické základy botaniky. UP, Olomouc. — 77 —
Osmond, C.B. 1981. Photorespiration and photoinhibition. Some implications for the energetics of photosynthesis. Biochim.Biophys.Acta. 693, 77-98. Osmond, C.B., Grace, S.C. 1995. Perpectives on photoinhibition and photorespiration in the field: quintessential inefficiecies of the light and dark reactions of photosynthesis. J.Exp.Bot. 46. 1351-1362. Owen, H. A. & Makaroff, C. A. (1995). Ultrastructure of microsporogenesis and microgametogenesis in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. ecotype Wassilewskija (Brassicaceae). Protoplasma 185, 7-21. Penka, M. (1985). Transpirace a spotřeba vody rostlinami. Academia, Praha. Penka, M. a kol. (1977). Obecná botanika (cytologie a fyziologie rostlin), 1. a 2. díl VŠZ, Brno. Pisek A, Tranquillini W 1954. Assimilation und Kohlen Stoffhaushalt in der Krone von Fichten Picea excelsa LINK. und Rotbuchenbäumen Fagus silvatica L..- Flora 141, 237270 Polster H 1961. Neuere Ergebnisse auf dem Gebiet der Standortsökologischen Assimilations und Transpirationsforschung an Forstgewächsen.- Dt.Akad.Landwirtsh.Wiss. Berlin, Sitzungsber. 10, 1-43 Prášil O., Adir, N., Ohad, I. 1992. Dynamicz of photosystem II: mechanism of photoinhibition and recovery processes. (In: The photosystems: structure, function and molecular biology, ed. J.Barber, Elsevier, Amsterodam). 11. 295-347. Procházka, S., Macháčková, I., Krekule, J., Šebánek, J. a kol. (1998). Fyziologie rostlin. Academia, Praha. Procházka, S., Šebánek, J. a kol. (1997). Regulátory rostlinného růstu. Academia, Praha. Salisbury, F.B., Ross, C.W. (1991). Plant Physiology. Wadsworth, Belmont, California. Schulze E.D., Caldwell M.M. (Eds.), 1994: Ecophysiology of Photosynthesis. SpringerVerlag Berlin Heidelberberg, New York, London, Paris. Slavík B. 1992.Na cestě fyziologie rostlin. Buletin exper. Biol.Rost. 4, 4-5 Slavík, B., Hodáňová, D.: Optimalizace fotosyntetických struktur a procesů (rukopis) Slavíková, J. (1986). Ekologie rostlin. SPN, Praha. Slavíková, Z. (1996). Barvy květů a způsoby opylování. Živa 44, 3: 106-109. Smolík, D., Kincl, M., Krpeš, V. (1992). Ekologie. VŠB Ostrava. Sofrová, D. (1973). Fosforylační reakce v rostlinné buňce a její inhibitory. Stud. Inf. zákl. Vědy v Zeměd. 2, ÚVTI, Praha. Spielman, M., PreussD., Feng-Lan, L., Browne, W. E., Scott, R. J. & Dickinson, H. G. (1997). TETRASPORE is required for male meiotic cytokinesis in Arabidopsis thaliana. Development 124, 2645-2657. Šantrůček, J. (1984). Mimostomatární regulace transpirace a její měření. Autoreferát. ÚEB ČSAV, Praha. Šebánek, J. a kol. (1983). Fyziologie rostlin. SZN, Praha. Taiz, L., Zeiger, E. (1991). Plant Physiology. The Benjamin / Cummings Pub.Com., Inc., California. Teltscherová, L. (1955). K otázkám stadijnosti československých pšenic a ječmenů. Věd. Pr. VÚRV v Praze-Ruzyni, 29-50. — 78 —
Twell, D. (1994). The diversity and regulation of gene expression in the pathway of male gametophyte development. In Molecular and cellular aspects of plant reproduction. (Scott, R. J. & Stead, A. D., eds.), pp. 83-135. Cambridge University Press, Cambridge.
Doporučená literatura Kincl M, Krpeš V.(2000). Základy fyziologie rostlin. Ostravská univerzita ve vydavatelství Montanex. Procházka, S., Macháčková, I., Krekule, J., Šebánek, J. a kol. (1998). Fyziologie rostlin. Academia, Praha. Salisbury, F.B., Ross, C.W. (1991). Plant Physiology. Wadsworth, Belmont, California. Taiz, L., Zeiger, E. (1991). Plant Physiology. The Benjamin / Cummings Pub.Com., Inc., California.
— 79 —
