Mendelova univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav lesnické botaniky, dendrologie a geobiocenologie
Určení maximálních toků vody v běli u sazenic dubu napadených patogenem Phytophthora plurivora na základě anatomických měření
DIPLOMOVÁ PRÁCE
2014
Bc. Veronika Sedláčková
Mendelova univerzita v Brně Ústav lesnické botaniky, dendrologie a geobiocenologie
Lesnická a dřevařská fakulta 2013/2014
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autorka práce: Studijní program: Obor: Název tématu:
Bc. Veronika Sedláčková Lesní inženýrství Lesní inženýrství
Určení maximálních toků vody v běli u sazenic dubu napadených patogenem Phytophtora plurivora na základě anatomických měření
Rozsah práce:
30-40 stran
Zásady pro vypracování: 1. Úvod - zpracovat literární přehled zaměřený na vliv stresových faktorů na vodní řežim a dále na vliv patogena rodu Phytophtora na růst rostlin. 2. Metoda - zajistit sazenice dubu letního pěstovaných v květináčích a provést u poloviny sazenic dubu inokulaci patogenem Phytophtora plurivora. Po několika týdnech inokulace odebrat u sazenic kořenové krčky a provést u nich příční řezy. U získaných anatomických snímků vyhodnotit velikost cév a na základě Hagen-Poiseullovy rovnice spočítat teoretický maximální tok vody. Další pokus bude zaměřen na teplotu listů kontrolních a inokulovaných sazenic snímaných pomocí termokamery. 3. Výsledky a diskuse - v tabulkách a grafem uvést výsledky týkající se toků vody a teplot listů u kontrolních a inokulovaných sazenic. V diskuzi porovnat mezi sebou kontrolní a inokulované sazenice. 4. Závěr - uvést stěžejní výsledky a vztahy.
Seznam odborné literatury: STŘELCOVÁ, K. -- SITKOVÁ, Z. -- KURJAK, D. -- KMEŤ, J. Stres suchom a lesné porasty. Zvolen: Technická univerzita vo Zvoleně, 2011. 266 s. ISBN 978-80-228-2233-6. PROCHÁZKA, S. a kol. Botanika: morfologie a fyziologie rostlin. 3. vyd. Brno: Mendelova 2. zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2007. 242 s. ISBN 978-80-7375-125-8. PROCHÁZKA, S. a kol. Fyziologie rostlin. 1. vyd. Praha: Academia, 1998. 484 s. ISBN 80-2003. 0586-2. TAIZ, L. -- ZEIGER, E. Plant physiology. 4. vyd. Sunderland, Mass.: Sinauer Associates, 2006. 4. 764 s. ISBN 978-0-87893-856-8. 1.
Datum zadání diplomové práce:
listopad 2012
Termín odevzdání diplomové práce:
březen 2014
Bc. Veronika Sedláčková Autorka práce
Ing. Roman Gebauer, Ph.D. Vedoucí práce
doc. Dr. Ing. Petr Maděra Vedoucí ústavu
doc. Dr. Ing. Petr Horáček Děkan LDF MENDELU
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem tuto práci: Určení maximálních toků vody v běli u sazenic dubu napadených patogenem Phytophtora plurivora na základě anatomických měření vypracovala samostatně a veškeré použité prameny a informace jsou uvedeny v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědoma, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 Autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla a to až do jejich skutečné výše.
V Brně, dne
Podpis studenta
Poděkování
Na úvod bych ráda poděkovala především vedoucímu diplomové práce panu Ing. Romanu Gebauerovi Ph.D. za umožnění vypracování diplomové práce pod jeho vedením. Za čas strávený při odborných konzultacích, za rady, ochotu a trpělivost. Dále bych chtěla poděkovat panu Ing. Danielu Volaříkovi Ph.D. za pomoc se statistickým zpracováním dat, Ing. Karlu Černému za přípravu pokusu a odběr vzorků a Mgr. Miroslavě Nechvílové za pomoc s anglickým překladem. Velké poděkování patří také celé mojí rodině za podporu nejen při zpracování této práce, ale i během celého studia. Tato práce vznikla za podpory projektu InoBio - Inovace biologických a lesnických disciplín pro vyšší konkurenceschopnost. Tento projekt je spolufinancován evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Registrační číslo projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0018.
Veronika Sedláčková
Určení maximálních toků vody v běli u sazenic dubu napadených patogenem Phytophthora plurivora na základě anatomických měření
Determination of the maximum flow of water in the sapwood in oak seedlings infected by the pathogen Phytophthora plurivora, based on anatomical measurements
Abstrakt: Chřadnutí a odumírání listnáčů, tedy i dubů, se řadí mezi nejzávažnější problémy současnosti. Od roku 2003 je chřadnutí dubů na území České republiky mimo jiné spojováno s patogenní houbou Phytophthora plurivora, která způsobuje vážná poškození kořenových systémů, což může vést k nedostatečnému transportu vody k transpirujícím listům. Diplomová práce částečně navazuje na bakalářskou práci a zahrnuje dva pokusy. Cílem prvního pokusu bylo na základě anatomického šetření určit maximální toky vody v běli u sazenic dubu letního (Quercus robur). Cílem druhého pokusu bylo na základě teploty listů zjistit funkčnost kořenového systému, který je napadán houbou Phytophthora plurivora. Pokud je kořenový systém funkční, nedochází k narušení transpirace a takový list je chladnější. Inokulované sazenice dubu letního houbou Phytophthora plurivora měly v porovnání se sazenicemi kontrolními menší plochu lumenů cév, maximální teoretický tok vody v běli, teoretickou hydraulickou vodivost, počet trachejí, maximální průměr tracheje a minimální průměr tracheje. Oproti tomu měly inokulované sazenice větší specifickou hydraulickou vodivost a specifický tok vody v běli. Narušení kořenového systému houbou Phytophthora bylo prokázáno o 1°C vyšší teplotou listů inokulovaných sazenic.
Klíčová slova: anatomie, cévy, Phytophthora plurivora, Quercus robur
Abstract: Wasting and death of deciduous trees, including oaks, is among the most serious problems today. Since 2003, the decline of oak trees in the Czech republic, among others, has been associated with the pathogenic fungus Phytophtora plurivora causing serious damage to root systems, which can lead to insufficient transport of water to
transpiring leaves. The thesis is partly built on my Bachelor´s thesis and includes two experiments. The objective of the first experiment,based on anatomical investigations, was to determine a theoretical maximum flow of water in the sapwood in oak seedlings. The goal of the second experiment,based on the temperature of the leaves, was to find out the functionality of the root system infected by the fungus Phytophthora plurivora. If the root system works, the transpiration is not disrupted and the leaf is cooler. The results of the first experiment give us evidence that the seedlings infected by the fungus Phytophthora plurivora are of the lower hydraulic conductivity and the lower theoretical maximum flow of water in the sapwood. The oak seedlings inoculated by the fungus Phytophthora plurivora compared with the control seedlings had smaller area of the vessels lumina, maximum theoretical flow of water in the sapwood, theoretical hydraulic conductivity, number of the vessel elements, maximum and minimum diameter of the vessel elements. In contrast, the inoculated seedlings had greater specific hydraulic conductivity and specific flow of water in the sapwood. The disruption of the root system by the fungus Phytophthora was demonstrated by 1°C higher temperature in the inoculated seedlings leaves.
Keywords: anatomy, vessels, Phytophthora plurivora, Quercus robur
OBSAH 1. ÚVOD ......................................................................................................................... 10 2. CÍL PRÁCE............................................................................................................... 11 3. LITERÁRNÍ PŘEHLED ......................................................................................... 12 3.1 Phytophthora plurivora ...................................................................................... 12 3.2 Dub letní (Quercus robur) ................................................................................... 14 3.3 Význam vody v rostlině ...................................................................................... 14 3.4 Vodní potenciál .................................................................................................... 15 3.5 Transport vody na dlouhé vzdálenosti prostřednictvím xylému .................... 16 3.6 Hydraulická vodivost xylému - Hagen-Poiseuilleův zákon ............................ 18 3.7 Výpočet teoretického maximálního toku vody v xylému ................................. 19 3.8 Transpirace a energetická bilance rostliny ....................................................... 19 3.9 Vodní stres ........................................................................................................... 21 4. MATERIÁL A METODIKA ................................................................................... 22 4.1 Experiment a odběr vzorků................................................................................ 22 4.2 Vytvoření řezů a úprava snímků ....................................................................... 22 4.3 Anatomická analýza ............................................................................................ 23 4.4 Výpočet teoretického maximálního toku vody ................................................. 24 4.5 Povrchová teplota listů ....................................................................................... 24 4.6 Statistická analýza ............................................................................................... 25 5. VÝSLEDKY POKUS 1 ............................................................................................ 26 5.1 Plocha lumenů cév ............................................................................................... 26 5.2 Maximální průměr tracheje ............................................................................... 26 5.3 Minimální průměr tracheje ................................................................................ 27 5.4 Počet trachejí ....................................................................................................... 28 5.5 Specifický počet trachejí ..................................................................................... 29 5.6 Teoretická potencionální hydraulická vodivost ............................................... 30
5.7 Specifická hydraulická vodivost ........................................................................ 31 5.8 Teoretický maximální tok vody v běli ............................................................... 32 5.9 Specifický tok vody v běli ................................................................................... 33 5.10 Souhrn charakteristik ....................................................................................... 35 6. VÝSLEDKY POKUS 2 ............................................................................................ 36 6.1 Teploty listů ......................................................................................................... 36 7. DISKUZE .................................................................................................................. 37 8. ZÁVĚR ...................................................................................................................... 40 9. SUMMARY ............................................................................................................... 41 10. LITERATURA ........................................................................................................ 42
1. ÚVOD Duby patří k hlavním hospodářským dřevinám České republiky. Přesto je jejich zastoupení (6,3 %) výrazně nižší než ve skladbě přirozené (17,2 %) a nižší než ve skladbě doporučené (9 %), (Půlpán 2001). V současné době dochází ke zvyšování výsadeb listnáčů a rozšiřuje se množství porostů se zastoupením listnatých dřevin, tedy i dubů. Změněné ekologické podmínky prostředí se odrážejí jak na zdravotním stavu našich lesů, tak na zdravotním stavu volně rostoucí zeleně. Vlivem klimatických změn může docházet k riziku velkých gradací temporálních škůdců a šíření houbových patogenů. V situaci, kdy je řada lesních biocénů na okraji ekologického optima, může i minimální změna vychýlit ekosystém za hranici přirozené rezilience (Jankovský 2002). V souvislosti s klimatickou změnou se objevují choroby zcela nové, které se na naše území rozšiřují z okolních států nebo dříve zcela bezvýznamné a jen místy se vyskytující choroby se projevují v současné době jako závažní hospodářští činitelé (Jančařík 2000). Chřadnutí a odumírání listnáčů, především dubů, je popisováno od roku 1995 a dosud nejsou známi všechny příčiny způsobující úhyn dřevin. V roce 2001 byl popsán houbový patogen z rodu Phytophthora, jakožto jedna z možných příčin odumírání dubů (Werres a kol. 2001). V ČR byl tento patogen potvrzen Černým a kol. v roce 2003. Choroba má místy charakter epidemie a v důsledku úhynu značného počtu jedinců dochází k návazným změnám ve struktuře a diverzitě společenstev, jejichž jsou vůdčí složkou (Černý a kol. 2008).
10
2. CÍL PRÁCE Diplomová práce částečně navazuje na bakalářskou práci Sedláčková (2012).
Cílem
diplomové
práce
je
rozšířit
anatomicko-morfologickou
analýzu
kontrolních a infikovaných sazenic dubu letního provedenou v bakalářské práci o vyhodnocení hydraulické vodivosti a maximálního toku vody v běli kontrolních a inokulovaných sazenic. Součástí práce je také založení nového pokusu kontrolních a infikovaných sazenic dubu letního s cílem sledovat povrchovou teplotu listů. Důvodem je ověření hypotézy, že sazenice infikované houbou Phytophthora plurivora, která napadá kořenový systém, budou mít zhoršený příjem vody, nižší transpiraci, a tím i horší termoregulaci povrchové teploty listů. V obecné literární části předložené diplomové práce je cílem vypracovat literární přehled zaměřený na obecnou charakteristiku odumírání dubů, kořenový systém dubů a problematiku rodu Phytophthora.
11
3. LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Phytophthora plurivora Říše: Protocrista Oddělení: Oomycota Kmen: Heterokontophyta Třída: Oomycetes Pořadí: Pythiale Rodina: Pythiaceae Rod: Phytophthora Druh: Phytophthora plurivora
Jméno Phytophthora má původ v řeckém slově Phyton – závod a Phthora – zničení. Jméno plurivora pochází z latinského slova Pluri – mnoho a Vora – krmení. Phytophthora plurivora nemá na rozdíl od „pravých hub“ ve své buněčné stěně chitin, ale tvoří ji pouze celulóza a glukany (en.wikipedia.org). Pro fytopatology je v současnosti rod Phytophthora patřící do třídy Oomyceti velmi známým, ačkoliv málo prozkoumaným rodem. Jedná se o mikroskopické organizmy, které škodí převážně na vyšších suchozemských rostlinách, způsobují různé choroby a následně velké škody. Tyto parazitující mikroorganismy zprvu rostou a rozmnožují se na živých rostlinných pletivech. Poté, co začnou hostitelské rostliny odumírat, přecházejí k saprofytickému způsobu života - čerpají živiny z mrtvých rostlinných buněk (Horňáková 2007). Phytophthora se řadí mezi parazity s multicyklickým vývojem. Rozmnožování je závislé na okamžitých podmínkách prostředí a je velmi rychlé. Při optimálních podmínkách trvá 48 – 96 hodin (Černý a kol. 2006). Phytophthora se množí pohlavně i nepohlavně. Spory mohou být přenášeny větrem, deštěm, mohou být rozptýleny v kapkách vody, ve vodních filmech či v půdách bohatých na vodu. Když se spora přiblíží ke svému hostiteli, zbaví se bičíků a změní se v nepohyblivou cystu. Klíčící cysty produkují proteiny, jejichž úkolem je pravděpodobně chránit cystu před vysušením a fyziologickým poškozením (Horňáková 2007). Jedním ze zástupců rodu Phytophthora je Phytophthora plurivora, která vážně poškozuje kořenový systém dubů. Phytophthora plurivora potřebuje ke správnému 12
vývoji dostatek vody. Infekce tedy probíhá nejčastěji v půdách, které jsou bohaté na vodu. Phytophthora plurivora odebírá živiny a sacharidy z kořenů, ničí strukturu kořenových tkání, zabraňuje absorpci vody a živin a může způsobit hostitelské rostlině smrt (Černý a kol. 2008).
Obr. 1 Schématické znázornění rozmnožovacího cyklu rodu Phytophthora. Wilcox 1992
Infikované kořeny jsou křehké, rezavohnědě zbarvené. Pokud je rostlina patogenem napadena silně, je odumírání kořenového systém hostitelských rostlin doprovázeno tvorbou hustého adventního kořenového vlášení v oblasti kořenového krčku. Charakteristické pro již probíhající infekci je hnědé zbarvení lýka v místě kořenového krčku (Černý a kol. 2008). Rod Phytophthora může infikovat svého hostitele měsíce i roky před symptomatickými změnami v olistění (což je často jediný vnější projev choroby); k těmto projevům může dojít až po výrazné redukci kořenového systému - až o 50 %. Dokud zbylá část kořenového systému dokáže dostatečně zásobovat korunu vodou a minerály, nemusí být příznaky patrné (Černý a kol. 2008). 13
3.2 Dub letní (Quercus robur)
Říše: Plantae Podříše: Tracheobionta Oddělení: Magnoliophyta Třída: Rosopsida Řád: Fagales Čeleď: Fagaceae Rod: Quercus Druh: Quercus robur L.,
Dub letní je dřevina typická pro Evropu, je rozšířena téměř po celém kontinentu s výjimkou severu a severovýchodu. V ČR roste především ve vlhčích, na humus bohatých půdách od nížin do podhůří, většinou netvoří čisté porosty. Přirozeně se vyskytuje v lužních lesích úvalů větších řek společně s jilmem a jasanem (Úradníček 2004). Dub letní je mohutný, listnatý, pomalu rostoucí strom dorůstající výšky 30 – 45 m. Tloušťka kmene je 120 – 180 cm (výjimečně až 400 cm). Dožívá se 400 – 500 let. Koruna je rozložitá s odstálými křivolakými větvemi (Úradníček 2004). Strom je jednodomý, kvetoucí v dubnu – květnu, květy jsou jednopohlavné. Plodem je žalud, jednosemenná nažka sedící v číšce opatřené 3–7 cm dlouhou stopkou. Listy jsou tuhé, kožovité, obvejčité, velké, 6 – 15 cm dlouhé, na bázi srdčitě ouškaté, přisedlé k větévce či krátce řapíkaté. Na větvičce jsou střídavě posazené, v koruně chomáčovitě rozmístěné. Kůra (borka) je v mládí hladká, zelenavá nebo bělošedá, později šedozelená, hrubě rozpukaná, brázditá. Dub letní patří k dřevinám s kruhovitě pórovitým dřevem s úzkou bělí a tmavým jádrem. Kořenový systém tvoří hluboko sahající kůlovitý kořen a četné vedlejší kořeny (Úradníček 2004).
3.3 Význam vody v rostlině Voda je stálá a nenahraditelná složka všech živých rostlin. Obsah vody v protoplazmě je nezbytný pro normální průběh životních funkcí. Pokles obsahu vody má za následek i omezení životních dějů. Voda prostupuje celou rostlinou a vytváří nejen prostředí pro pohyb rozpuštěných anorganických a organických látek v buňce, 14
mezi buňkami i v celé rostlině, ale také hydratuje buněčnou stěnu i cytoplazmu, ovlivňuje strukturu molekul proteinů, nukleových kyselin a polysacharidů. Tvoří prostředí, ve kterém probíhá většina biochemických reakcí a do mnoha procesů vstupuje jako reakční agregát. Plní termoregulační funkci, chrání rostlinná pletiva před důsledky prudkých teplotních změn a podílí se i na rozšiřování plodů (Jelínek a Zicháček 2003). Obsah vody v listech a plodech se v průměru pohybuje okolo 85 – 95 %. Obsah vody v xylémové části rostlin je kolem 50 %, nejméně vody obsahují semena, a to 5 – 15%. Množství vody v rostlině je ovlivněno vnějším prostředím. Nejvíc vody má rostlina během vegetačního období v případě dostatečného množství vody v půdě. Velký vliv na obsah vody v rostlinných pletivech má i stáří rostlin. Například u dřevin se přibývajícími vrstvami jádrového dřeva obsah vody snižuje (Procházka a kol. 1998, Jelínek a Zicháček 2003). Vyšší rostliny, tedy i dub letní, patří do skupiny rostlin homoiohydrických. Tyto rostliny musí trvale udržet ve svých pletivech vysoký obsah vody, aby mohly přežít. U těchto rostlin i při krátkodobém poklesu množství vody v listech cca pod 60% dochází k nevratnému poškození orgánů a odumírání pletiv (Larcher a kol. 1988). Jako ochranné opatření před ztrátou vody se u homoiohydrických rostlin vyvinula kutikula, která zabraňuje výparu a transpirace je regulovaná průduchy. Spotřeba vody pro růst a život rostlin je nadměrná. Ke vzniku 1-2 g sušiny je potřeba transpirovat až 1000 g vody (Procházka a kol. 2009). Takto vydaná voda však není vypařena bez užitku. Transpirace je velmi účinná při ochlazování povrchu listů a tím i důležitým nástrojem k zabránění poškození buněk nadměrnými teplotami.
3.4 Vodní potenciál Vodní potenciál (Ѱ) je důležitou hnací sílou transportu vody. Vodní potenciál se skládá ze čtyř složek, které působí aditivně - složka osmotická, složka matriční, složka gravitační a složka tlaková (Procházka a kol. 1988). Udává se v jednotkách tlaku tj. v pascalech (Pa). Vodní potenciál v rostlině je záporný. Voda se pohybuje z míst s vyšším, tj. méně negativním vodním potenciálem do míst s nižším, tj. více negativním vodním potenciálem. Rychlost pohybu vody je vedle rozdílu vodního potenciálu závislá i na propustnosti prostředí (půdy, pletiva, buňky nebo membrány), (Marek 2009).
15
Hodnota vodního potenciálu informuje také o tom, zda a v jaké míře rostlina trpí suchem. U rostlin dobře zásobených vodou se vodní potenciál listů pohybuje od -0,2 do -0,6 MPa, a rostliny trpící suchem mají vodní potenciál listů od -2 do -5 MPa. (Procházka a kol. 1998). Jedná se o zobecněné hodnoty, které slouží pro rychlou orientaci. Důležitou roli, určující míru stresu suchem, hraje druh rostliny, její ekotyp, výška odběru vzorku atd. (Eldhuset a kol. 2013). Proto je potřeba pro každý druh stanovit vodní potenciál listů, který způsobuje uzavírání průduchů a tím zastavení transpiračního toku. Měřit vodní potenciál se doporučuje brzo ráno a uprostřed dne. Ráno před východem slunce je vodní potenciál maximální a jeho hodnota je zpravidla rovna vodnímu potenciálu v půdě. Druhé měření se provádí uprostřed dne, v době největších evaporačních požadavků, kdy je hodnota vodního potenciálu minimální. Minimální hodnota vodního potenciálu zároveň udává maximální míru stresu rostliny v průběhu dne (Gebauer a kol. 2010).
3.5 Transport vody na dlouhé vzdálenosti prostřednictvím xylému Největší příjem vody pro vyšší rostliny zajišťuje kořenový systém. Nejaktivněji přijímají vodu mladé kořeny v místech, kde se dosud nezačala tvořit sekundární kůra, ale vodivé svazky xylému již byly plně vyvinuty. Důležité pro příjem vody jsou i starší kořeny. Tyto kořeny mají nižší absorpční aktivitu, mají však oproti jemným kořenům větší povrch (Procházka a kol. 2009). Rozvod vody po těle rostliny zprostředkovávají cévy (tracheje) a cévice (tracheidy). Tyto vodivé struktury xylému mají speciální anatomii, která umožňuje transport velkého množství vody na dlouhé vzdálenosti s velkou účinností. U nahosemenných rostlin vykonávají vodivou i mechanickou funkci cévice. Oproti tomu u krytosemenných rostlin vodivou funkci vykonávají cévy a mechanickou funkci cévice a libriformní vlákna (Kolařík a kol. 2005). Cévy a cévice xylému jsou tvořeny buňkami, ve kterých odumřel protoplast, neobsahují tedy žádné membrány, zbyla pouze funkční buněčná stěna. Ta je velmi pevná, vyztužená ligninem (Jelínek a Zicháček 2003). Cévy a cévice se svou stavbou liší. Cévy jsou tvořeny jednotlivými články, mezi kterými jsou příčné přepážky rozpuštěny. Cévice mají příčné přepážky zachovány a mají protáhlý tvar s výrazně zešikmenými konci a voda se z jedné cévice do druhé dostává skrz dvůrkaté ztenčeniny, 16
které mají uprostřed výrůstek primární buněčné stěny tzv. torus. Oproti cévicím mají cévy větší vnitřní průměr a mohou dosahovat až několika desítek metrů. Cévice dosahují délky jen několika milimetrů (Chytilová 2010).
Obr. 2 Schématické zobrazení rozdílu mezi cévicemi (A) a cévami (B). Taiz a Zeiger 1998 Díky podtlaku ve vodivých elementech xylému, který je způsobený vypařováním vody z listů, je voda transportována do nejvyšších částí rostlinného těla. Počátek síly, která umožňuje pohyb vodního sloupce vzhůru, souvisí se stavbou buněčných stěn listového mezofylu. Mechanizmus, kdy je hybnou silou transportu vody podtlak je znám jako kohezní teorie. Na transport vody má vliv počet vodivých elementů a jejich průměr. Pohyb vody rostlinou je podmíněný přítomností neporušeného vodního sloupce. Voda může být nasávána z vlhčího prostředí do suššího pouze ve chvíli, kdy mezi těmito dvěma prostředími nevznikla vzduchová kapsa, tzv. kavita (Tributsch a kol. 2005). Čím je kapilára menší, tím větší je uvnitř podtlak, a tím je voda transportována do větších výšek. Zároveň malé kapiláry jsou více odolné vůči přetržení vodního sloupce z důvodů nadměrné transpirace. Na druhou stranu dochází s klesajícím 17
průměrem k podstatnému zvyšování odporu toku vody (Procházka a kol. 2009). Proto je stavba, počet a průměr vodivých elementů kompromisem mezi hydraulickou účinností a hydraulickou bezpečností. Kavitace může být způsobená například v průběhu mrazivého počasí, kdy vzduch rozpuštěný ve vodě při tvorbě ledu tvoří bubliny, které se při rozmrzání už nerozpustí nebo při silné transpiraci, kdy při vyšším výparu vody z listů, než je její příjem kořeny z půdy, dochází ke vzniku vysokého podtlaku. Zprvu je tento prostor vyplněn vodní párou, postupně se začne plnit vzduchem, který je rozpuštěn v okolní vodě. Tím začne vznikat velká vzduchová bublina (kavitace), která se zvětšuje do té doby, než vyplní celý segment cévy a céva přestane plnit svoji funkci (embolie), (Tyree a Zimmermann 2002).
3.6 Hydraulická vodivost xylému - Hagen-Poiseuilleův zákon Tok vody vodivými elementy lze zjednodušeně přirovnat k toku vody „ ideální „ kapilárou, která má kruhovitý průřez a hladké stěny. Vědci Hagen a Poiseuille zkoumali pohyb vody v kapiláře a objevili, že kapalina při stěnách kapiláry je v klidovém stavu a její rychlost směrem ke středu kapiláry roste (Tyree a Zimmermann 2002). Zároveň zjistili, že hydraulická vodivost kapiláry je přímo úměrná jeho čtvrté mocnině (rovnice 1.) K = r4π / 8η (rovnice 1) K je hydraulická vodivost (kg m MPa-1 s-1), r je poloměr kapiláry (m) a η je dynamická viskozita vody při 20°C (1,002 x 10-9 MPa s). Dynamická viskozita závisí na obsahu rozpuštěných látek a plynů, která je však v xylémové šťávě zanedbatelná a prakticky viskózu neovlivňuje (Tyree a Zimmermann 2002). Protože lumeny cév a cévic mají obvykle na průřezu tvar elipsy, či obdélníku, byla Hagen-Poiseuillova rovnice modifikována na tento typ kapilár (rovnice 2.), (Tyree a Zimmermann 2002). r4 = dmax3 dmin3 / (8dmax2 + 8dmin2) (rovnice 2) 18
Na povrchu stěn vodivých elementů se nachází řada výstupků a nerovností, které jsou způsobeny především přítomností pórů, takže nejsou hladké, jako stěny kapiláry. Tyto skutečnosti spolu s odporem toku vody přes ztenčeniny mohou ovlivňovat rychlost toku vody vodivými elementy, a tedy i vodivost xylému rostliny (Tyree a Zimmermann 2002). Proto je obvykle teoreticky vypočítaná vodivost vyšší než měřená. Podle výše uvedeného vztahu je zřejmé, že průměr cév rostliny je velmi důležitý. Jakmile se průměr cév zmenší, sníží se jejich vodivost a kapacita pro vedení vody. I malá změna v průměru cévy má exponenciální vliv na hydraulickou vodivost xylému (Sedláčková 2012).
3.7 Výpočet teoretického maximálního toku vody v xylému Množství vody tekoucí daným systémem za jednotku času je tím větší, čím větší je plocha průřezu vodivých elementů a gradient vodních potenciálů. Maximální rychlost toku vody v xylému je různá. U jehličnanů činí 2 m-1, u krytosemenných 10 – 60 m-1 (Marek 2009). Teoretický maximální tok vody v xylému se vypočte vynásobením Hagen-Poiseuillovy rovnice gradientem vodního potenciálu (rovnice 3.).
Q = (r4π / 8η)(∆Ѱ/∆x) (rovnice 3) Q je tok vody (kg s-1), ∆Ѱ je rozdíl vodních potenciálů mezi kořeny a listy (MPa) a ∆x je délka vodní dráhy mezi kořeny a listy (m).
3.8 Transpirace a energetická bilance rostliny Transpirace je ukončením tzv. transpiračního proudu, který vede vodu z kořenů cévními svazky do listů (Jelínek a Zicháček 2003). Díky cévám a cévicím je voda z kořenů vedena do svazku vodivých elementů v řapíku listu. Tyto vodivé elementy se větví na jemnou a složitou žilnatinu, která prostupuje celým listem. Voda proniká do buněk listového mezofylu, vodní pára se vypařuje uvnitř listu do mezibuněčných prostor houbového parenchymu, které jsou
19
prostřednictvím průduchů na spodní straně listů spojený s atmosférou (Chytilová 2010, Procházka a kol. 1998, Jelínek a Zicháček 2003). Transpirace má vliv na energetickou bilanci listu. Procházka a kol. (1988) uvádějí, že teplota listu je jen ojediněle stejná jako teplota okolního vzduchu. Pokud je teplota vzduchu nižší než 30 °C, osvětlený list bývá teplejší než vzduch, při teplotě nad 30 °C bývá list chladnější. S rozměrem listu roste i rozdíl jeho teploty proti okolí. Teplota malých listů se obvykle neliší od teploty okolí o více než 3°C, velké listy mají teplotu výrazně nižší, než je teplota okolí. Během noci je teplota listu nižší než teplota vzduchu, díky negativní bilanci emise a absorpce infračerveného záření (Procházka a kol. 1998). Transpirace na ploše listu neprobíhá rovnoměrně. Důvodem jsou nestejné tloušťky hraniční vrstvy vzduchu. Nejmenší tloušťka a tím i nejvyšší transpirace je na náběžné hraně listu. Teplota listu pak směrem od jeho okraje ke středu roste. Důkazem je například podzimní jinovatka, která lemuje pouze okraje listů nebo hroty listových laloků (obr. 3.), (Procházka a kol. 1998).
Obr. 3 Jinovatkou pokryté okraje listů. Foto R. Gebauer Transpiraci ovlivňuje celá řada vnitřních a vnějších faktorů, z nichž nejdůležitější je rozdíl koncentrace vodní páry mezi prostorem v listu a okolním a odpor vodivé cesty. Na odporu vodivé cesty se podílí zejména odpor průduchů a vrstva vzduchu na povrchu listu (Taiz a Zeiger 1998). 20
3.9 Vodní stres Rostliny jsou během svého života vystaveny velmi proměnlivým podmínkám vnějšího prostředí, a tím pádem velkému počtu stresujících faktorů (sucho, nízké a vysoké teploty, nedostatek kyslíku, zasolení, zaplavení…). Každý faktor, který ohrožuje rostlinu lze označit jak stres (Procházka a kol. 1998). Stres je běžnou součástí života všech rostlin. Ukotvení v půdě jim neumožňuje před stresem uniknout, a proto si vyvinuly celou řadu adaptačních a aklimatizačních mechanizmů, které jim umožňují aktivně reagovat na danou situaci. Pokud není rostlina schopná adaptace, dochází k vadnutí až odumření rostliny. Jeden z nejdůležitějších negativních faktorů ovlivňující růst a produktivitu rostlin je stres vyvolaný nedostatkem vody (Procházka a kol. 1988). Voda má na rozdíl od minerálních živin velmi rychlý koloběh, v půdě a v rostlinách zůstává velmi krátkou dobu. Doplňování vody srážkami je velmi nerovnoměrné a nepravidelné. Míra vodního stresu, kterému je rostlina vystavena se nejspolehlivěji určuje z charakteristik vycházejících ze stavu vody v rostlině tj. z vodního sytostního deficitu či vodního potenciálu buněk. Charakteristiky, které vychází ze stavu vody v prostředí tj. z vodního potenciálu půdy či vlhkosti půdy a vzduchu nejsou tak spolehlivé (Procházka a kol. 1998). Voda se podílí na stavbě buňky a účastní se mnoha procesů, které v buňkách probíhají. Je proto těžké rozlišovat primární poškození, které přímo vyplývá z vodního deficitu, a sekundární vlivy, které jsou důsledkem primárního poškození. Odolnost rostlin vůči nedostatku vody není během jejich vývoje stejná. Za kritické období jsou považovány u většiny rostlin počáteční vývojové fáze, kdy je nejintenzivnější růst vegetativních orgánů (Öpik a Rolfe 2005, Hejnák a kol. 2005). Vodní deficit je závislý na čase. Čím delší dobu trpí rostlina nedostatkem vody, tím dochází k většímu poškození. Nejcitlivější z fyziologických funkcí na mírný deficit vody je dlouživý růst. Při dalším poklesu vodního deficitu se ztrácí turgor, zavírají se průduchy a klesá rychlost fotosyntézy. Tyto pochody jsou však vratné a během dne může tato situace nastat i vícekrát. Pokud během noci není chybějící voda doplněna, dojde k trvalému vadnutí a další dehydrataci. Při dlouhodobé dehydrataci nastane poškození membrán buněk a rostliny následně odumírají (Hejnák a kol. 2005).
21
4. MATERIÁL A METODIKA 4.1 Experiment a odběr vzorků Pro první část diplomové práce bylo využito dat z experimentu v bakalářské práci Sedláčková (2012). V rámci tohoto pokusu bylo vybráno 24 dvouletých sazenic dubu letního, které byly pěstovány v plastovém kontejneru. 12 sazenic bylo inokulovaných patogenní houbou Phytophthora plurivora a 12 sazenic bylo kontrolních. Před pokusem byly sazenice aklimatizovány ve skleníku při teplotě 20 – 25°C. V průběhu pokusu se ve skleníku udržovala stejná závlaha a teplota. Všechny sazenice měly stejné podmínky. Pro druhý experiment bylo v květnu 2013 zakoupeno v lesní školce Svinošovice 20 dvouletých sazenic dubu letního. Sazenice byly pěstovány v plastovém kontejneru o objemu 1,8 l. Před pokusem byly sazenice aklimatizovány v arboretu LDF MENDELU v Brně. Všechny sazenice měly stejné podmínky. Dne 29. srpna 2013 byla provedena u poloviny sazenic inokulace patogenní houbou Phytophthora plurivora. Koncentrace inokula v substrátu RS II s jemným jílem byla 800 ml inokulovaných jahel na 1,7 l substrátu.
4.2 Vytvoření řezů a úprava snímků Ze sazenic dubu letního prvního pokusu, byly v rámci bakalářské práce (Sedláčková 2012) zhotoveny příčné řezy nad kořenovými krčky u 12 kontrolních a 6 inokulovaných sazenic. V rámci diplomové práce byly vytvořeny příčné řezy zbylých 6-ti
inokulovaných
sazenic.
Preparáty byly pro
zvýšení
kontrastu
barveny
fluroglucinolem + HCL (speciální barvení na lignin) a Lugolovým roztokem (speciální barvení na škrob). Po použití těchto roztoků se lignin zbarvil červeně a škrob černě (Němec a kol. 1962). K řezům byl přikápnut glycerol, aby nedošlo k vyschnutí vzorků. Poté byly mikroskopické preparáty překryty krycím sklíčkem, sledovány pod mikroskopem Olympus BX51 (zvětšení 200x a 400x) a nasnímány digitálním fotoaparátem Olympus E-330 propojeným s počítačem programem QuickPhotomicro 2.3 (Promicra, Česká republika), (Obr. 4). Laboratorní práce proběhly na ústavu lesnické botaniky, dendrologie a geobiocenologie LDF MENDELU v Brně (Sedláčková 2012).
22
Obr. 4. Příčný řez nad kořenovým krčkem dvouleté sazenice dubu letního inokulované houbou Phytophthora plurivora
Snímky detailu dřevní části cévního svazku byly následně upravovány v programu AdobePhotoshop7. Na jednotlivých snímcích bylo vybráno několik sekcí a u těchto sekcí vybarveny všechny cévy posledního letokruhu. Další úpravou v tomto programu byly získány nejdříve barevné a poté i černobílé obrazy pouze vybarvených lumenů (Sedláčková 2012).
4.3 Anatomická analýza Preparáty prvního pokusu byly analyzovány pomocí počítače a programu ImageTool3.00 (The University of Texas Health Science Center in San Antonio). U 6 vzorků, které byly inokulovány Phytophthorou byla zjišťována plocha lumenů cév (Sl), obvod lumenů cév (Ol), maximální průměr lumenů cév (dmax), minimální průměr lumenů cév (dmin) a počet cév (N). Stejná data byla vyhodnocena u kontrolních sazenic a 6-ti inokulovaných sazenic v bakalářské práci (Sedláčková 2012). U všech 24 vzorků, tj. jak u sazenic kontrolních, tak u sazenic inokulovaných byla 23
zjištěna celková plocha posledního letokruhu (Ax). Frekvence cév (fc) byla zjištěna vydělením počtu cév plochou letokruhu. Naměřené hodnoty byly následně vyhodnoceny pomocí statistické analýzy.
4.4 Výpočet teoretického maximálního toku vody Pro výpočet teoretického maximálního toky vody (Q) (dále jen toku vody) bylo využito dat maximálního (dmax) a minimálního průměru (dmin) lumenů cév. Na základě toho byla vypočítána hydraulická vodivost (K) u všech cév dle rovnice 1 a 2 v úvodní části. Takto vypočítána hydraulická vodivost byla vynásobená gradientem vodního potenciálu pro výpočet toku vody. Jelikož v rámci pokusu nebyl měřen vodní potenciál listů a kořenů přímo, jsou pro výpočet použity hodnoty vodních potenciálů zjištěných v literatuře. Minimální vodní potenciál listů dubů se pohybuje okolo hodnoty -2,0 MPa (Glatzel 1983). Hodnota vodního potenciálu kořenů se přibližně rovná vodnímu potenciálu půdy, který se pohybuje okolo -0,05 MPa u optimálně vlhké půdy (Taiz a Zeiger 2002). Rozdíl vodních potenciálů (∆Ѱ) mezi kořeny a listy je pak -1,95 MPa. Pro výpočet gradientu vodního potenciálu nám ještě chybí délka vodivé dráhy (∆x), která byla průměrně 36 cm u kontrolních sazenic a 34 cm u inokulovaných. Tok vody v xylému byl pak standardizován na plochu xylému (Qs - specifický tok vody)(rovnice 4.) Qs = K (∆Ѱ/ ∆x)/Ax (rovnice 4)
4.5 Povrchová teplota listů Povrchová teplota listů u kontrolních a inokulovaných sazenic byla sledována pomocí termokamery FLIR E4 (FLIR Systems Inc.). První snímkování proběhlo po 8 dnech, tj. 6. září 2013. Termokamera byla použita ještě dvakrát, a to ve dnech 13. září 2013 a 1. října 2013. Snímkování probíhalo ve slunečných dnech a vždy kolem 13 hodiny (tj. v době maximálních transpiračních požadavků). U získaných snímků byla porovnávána povrchová teplota ve středu listu.
24
4.6 Statistická analýza Statistická analýza shromážděných dat byla uskutečněna prostřednictvím statistického programu R za pomoci Ing. Daniela Volaříka Ph.D. Cílem bylo zjistit, zda mezi daty existují statisticky významné rozdíly. Kvůli variabilitě, která rostla s rostoucí střední hodnotou, byly pro testování významnosti použity zobecněné lineární modely (GLM) s Gamma rozdělením a link funkcí log. V případě specifického počtu trachejí rostla variabilita (rozptyl) s rostoucí střední hodnotou ještě výrazněji, a proto bylo použito quasi rozdělení s rozptylem rostoucím úměrně s třetí mocninou střední hodnoty. Výsledky statistické analýzy byly vyjádřeny krabicovými grafy. Prostřednictvím těchto grafů jsou vyjádřeny tvary rozdělení, jejich střední hodnoty a variability. Střední čárka v krabicovém grafu značí medián, hranice krabice představuje 1. a 3. kvartil. Prostor mezi hranicemi je označován jako interkvartilový interval (IQR). Extrémní hodnoty, ve vzdálenosti do 1,5 x IQR od mediánu, leží na koncových úsečkách grafu. Ty, které jsou vzdáleny více jak 1,5 x IQR od mediánu, jsou zobrazeny v podobě koleček a reprezentují možná odlehlá měření (Kopecká 2009).
25
5. VÝSLEDKY POKUS 1 5.1 Plocha lumenů cév Výsledky statistického zpracování zjištěných ploch lumenů cév dvouletých sazenic dubu letního (Quercus robur) jsou uvedeny na obr. 5. Porovnávány byly sazenice kontrolní a inokulované houbou Phytophthora plurivora.
Obr. 5 Krabicový graf ploch lumenů cév kontrolních (kontrola) a inokulovaných (Phytophthora) sazenic dubu letního (rozdíly mediánů jsou statisticky významné) Průměrná plocha lumenů cév u sazenic kontrolních je 959,9 ± 34,7 µm2 a průměrná plocha lumenů cév u sazenic inokulovaných je 803,9 ± 29,1 µm2. V průměru tedy byla plocha lumenů cév u inokulovaných sazenic o 17 % menší, než tomu bylo u kontrolních sazenic. Rozdíl středních hodnot ploch lumenů cév kontrolních a inokulovaných sazenic se statisticky významně liší (p < 0,01), (Tab. 1).
5.2 Maximální průměr tracheje Výsledky statistického zpracování maximálních průměrů trachejí u dvouletých sazenic dubu letního (Quercus robur) jsou uvedeny na obr. 6. sazenice kontrolní a inokulované houbou Phytophthora plurivora.
26
Porovnávány byly
Obr. 6 Krabicový graf maximálních průměrů trachejí u kontrolních (kontrola) a u inokulovaných (Phytophthora) sazenic dubu letního (rozdíly mediánů jsou statisticky významné)
Průměrný maximální průměr trachejí u sazenic kontrolních je 37,3 ± 0,7 µm a průměrný maximální průměr trachejí u sazenic inokulovaných je 33,6 ± 0,6 µm. V průměru tedy byl maximální průměr trachejí u inokulovaných sazenic o 10 % menší, než tomu bylo u kontrolních sazenic. Rozdíl středních hodnot maximálních průměrů trachejí kontrolních a inokulovaných sazenic se statisticky významně liší (p < 0,01), (Tab. 1).
5.3 Minimální průměr tracheje Výsledky statistického zpracování minimálních průměrů trachejí u dvouletých sazenic dubu letního (Quercus robur) jsou uvedeny na obr. 7. sazenice kontrolní a inokulované houbou Phytophthora plurivora.
27
Porovnávány byly
Obr. 7 Krabicový graf minimálních průměrů trachejí u kontrolních (kontrola) a u inokulovaných (Phytophthora) sazenic dubu letního (rozdíly mediánů jsou statisticky významné)
Průměrný minimální průměr trachejí u sazenic kontrolních je 29,7 ± 0,6 µm a průměrný minimální průměr trachejí u sazenic inokulovaných je 27,3 ± 0,5µm. V průměru tedy byl minimální průměr trachejí u inokulovaných sazenic o 8 % menší, než tomu bylo u kontrolních sazenic. Rozdíl středních hodnot minimálních průměrů trachejí kontrolních a inokulovaných sazenic se statisticky významně liší (p < 0,01), (Tab. 1).
5.4 Počet trachejí Výsledky statistického zpracování počtu trachejí u dvouletých sazenic dubu letního (Quercus robur) jsou uvedeny na obr. 8. Porovnávány byly sazenice kontrolní a inokulované houbou Phytophthora plurivora.
28
Obr. 8 Krabicový graf počtu trachejí u kontrolních (kontrola) a u inokulovaných (Phytophthora) sazenic dubu letního (rozdíly mediánů nejsou statisticky významné)
Průměrný počet trachejí u sazenic kontrolních je 619,3 ± 50,1 a průměrný počet trachejí u sazenic inokulovaných je 566,8 ± 45,9. V průměru tedy byl počet trachejí u inokulovaných sazenic o 9 % nižší, než tomu bylo u kontrolních sazenic. Rozdíl středních hodnot počtu trachejí kontrolních a inokulovaných sazenic se statisticky významně neliší (p = 0,447), (Tab. 1).
5.5 Specifický počet trachejí Výsledky statistického zpracování specifického počtu trachejí u dvouletých sazenic dubu letního (Quercus robur) jsou uvedeny na obr. 9. sazenice kontrolní a inokulované houbou Phytophthora plurivora.
29
Porovnávány byly
Obr. 9 Krabicový graf specifického počtu trachejí u kontrolních (kontrola) a u inokulovaných (Phytophthora) sazenic dubu letního (rozdíly mediánů jsou statisticky významné)
Průměrný
specifický
počet
trachejí
u
sazenic
kontrolních
je
47535077 ± 4017211 a průměrný specifický počet trachejí u sazenic inokulovaných je 94668869 ± 11481348. V průměru tedy byl specifický počet trachejí u kontrolních sazenic o 50 % nižší, než tomu bylo u inokulovaných sazenic. Rozdíl středních hodnot specifického počtu trachejí kontrolních a inokulovaných sazenic se statisticky významně liší (p < 0,01), (Tab. 1).
5.6 Teoretická potencionální hydraulická vodivost Výsledky statistického zpracování zjištěné teoretické potencionální hydraulické vodivosti u dvouletých sazenic dubu letního (Quercus robur) jsou uvedeny na obr. 10. Porovnávány byly sazenice kontrolní a inokulované houbou Phytophthora plurivora.
30
Obr. 10 Krabicový graf teoretické potencionální hydraulické vodivosti u kontrolních (kontrola) a u inokulovaných (Phytophthhora) sazenic dubu letního (rozdíly mediánů jsou statisticky významné)
Průměrná teoretická potencionální hydraulická vodivost u sazenic kontrolních je 3,2.10-5 ± 4,3.10-6 kg.s-1.m-2 a průměrná teoretická potencionální hydraulická vodivost u sazenic inokulovaných je 1,9.10-5 ± 2,5.10-6 kg.s-1.m-2 . V průměru tedy byla teoretická potencionální hydraulická vodivost u inokulovaných sazenic o 41 % nižší, než tomu bylo u kontrolních sazenic. Rozdíl středních hodnot teoretické potencionální hydraulické vodivosti kontrolních a inokulovaných sazenic se statisticky významně liší (p = 0,01), (Tab. 1).
5.7 Specifická hydraulická vodivost Výsledky statistického zpracování zjištěné specifické hydraulické vodivosti u dvouletých sazenic dubu letního (Quercus robur) jsou uvedeny na obr. 11. Porovnávány byly sazenice kontrolní a inokulované houbou Phytophthora plurivora.
31
Obr. 11 Krabicový graf specifické hydraulické vodivosti u kontrolních (kontrola) a u inokulovaných (Phytophthhhhora) sazenic dubu letního (rozdíly mediánů nejsou statisticky významné)
Průměrná
specifická
hydraulická
vodivost
u
sazenic
kontrolních
je
2,4 ± 0,4 kg.s-1.m-1 a průměrná specifická hydraulická vodivost u sazenic inokulovaných je 3,2 ± 0,5 kg.s-1.m-1. V průměru tedy byla specifická hydraulická vodivost u inokulovaných sazenic o 33 % vyšší, než tomu bylo u kontrolních sazenic. Rozdíl středních hodnot specifické hydraulické vodivosti kontrolních a inokulovaných sazenic se statisticky významně neliší (p = 0,201), (Tab. 1).
5.8 Teoretický maximální tok vody v běli Výsledky statistického zpracování zjištěných maximálních teoretických toků vody v běli u dvouletých sazenic dubu letního (Quercus robur) jsou uvedeny na obr. 12. Porovnávány byly sazenice kontrolní a inokulované houbou Phytophthora plurivora.
32
Obr. 12 Krabicový graf maximálních teoretických toků vody v běli u kontrolních (kontrola) a u inokulovaných (Phytophthora) sazenic dubu letního (rozdíly mediánů jsou statisticky významné)
Průměrný maximální teoretický tok vody v běli u sazenic kontrolních je 1,4.10-4 ± 1,8.10-5 kg.s-1 a průměrný maximální teoretický tok v běli u sazenic inokulovaných je 8,3.10-5 ± 1,1.10-5 kg.s-1. V průměru tedy byl maximální teoretický tok vody v běli u inokulovaných sazenic o 41 % nižší, než tomu bylo u kontrolních sazenic. Rozdíl středních hodnot maximálních teoretických toků vody v běli kontrolních a inokulovaných sazenic se statisticky významně liší (p < 0,05), (Tab. 1).
5.9 Specifický tok vody v běli Výsledky statistického zpracování zjištěných specifických toků vody v běli u dvouletých sazenic dubu letního (Quercus robur) jsou uvedeny na obr. 13. Porovnávány byly sazenice kontrolní a inokulované houbou Phytophthora plurivora.
33
Obr. 13 Krabicový graf specifických toků vody v běli u kontrolních (kontrola) a u inokulovaných (Phytophthora) sazenic dubu letního (rozdíly mediánů nejsou statisticky významné)
Průměrný
specifický
vodní
tok
v běli
u
sazenic
kontrolních
je
10,1 ± 1,6 kg.s-1.m-2 a průměrný specifický vodní tok v běli u sazenic inokulovaných je 14,1 ± 2,2 kg.s-1.m-2 . V průměru tedy byl specifický vodní tok v běli u inokulovaných sazenic o 40 % vyšší, než tomu bylo u kontrolních sazenic. Rozdíl středních hodnot specifických vodních toků v běli kontrolních a inokulovaných sazenic se statisticky významně neliší (p = 0,142), (Tab. 1).
34
5.10 Souhrn charakteristik Souhrn zjištěných hodnot pro sazenice dubu letního kontrolní (kontrola) a inokulované houbovým patogenem Phytophthora plurivora (Phytophthora) je uveden v tabulce 1. Tab. 1. Mediány kontrolních (K) a inokulovaných (P) sazenic a jejich statistické porovnání. Červeně jsou vyznačeny statisticky nevýznamné rozdíly. CHARAKTERISTIKA
P-HODNOTA
K
P
Plocha tracheje
0.002
969,6
800,7
Maximální průměr trachejí
0.008
37,4
33,6
Minimální průměr trachejí
< 0.001
29,9
27,2
0.447
584,5
541,5
< 0.001
48826776
77174808
Potencionální hydraulická vodivost
0.010
29.10-5
1,6.10-5
Specifická hydraulická vodivost
0.201
2,3
2,4
Maximální teoretický tok vody v běli
0.017
1,2.10-4
7,1.10-5
Specifický tok vody v běli
0.142
9,6
10,7
Počet trachejí Specifický počet trachejí
35
6. VÝSLEDKY POKUS 2 6.1 Teploty listů Výsledky měření teploty listů kontrolních a inokulovaných sazenic dubu letního ve dnech 6. září 2013, 13. září 2013 a 1. října 2013 jsou uvedeny v tabulce 2. Dne 6. září 2013 byla průměrná teplota listů sazenic kontrolních 30,25°C, sazenic inokulovaných 30,17°C. Dne 13. září 2013 byla průměrná teplota listů sazenic kontrolních 20,71°C, sazenic inokulovaných 21,95°C. Dne 1. října 2013 byla průměrná teplota listů sazenic kontrolních 20,1°C, sazenic inokulovaných 21,08°C.
Tab. 2. Teploty listů kontrolních (K) a inokulovaných (P) sazenic dubu letního TEPLOTY LISTŮ (°C) VZOREK
6. ZÁŘÍ 2013
13. ZÁŘÍ 2013
1. ŘÍJNA 2013
K
P
K
P
K
P
1
31
*
20,2
20,8
22,1
26,3
2
29,8
31,3
20,7
21,6
21,5
20,8
3
29
29,9
21,1
21,1
21,1
20,1
4
30,8
30,2
21,2
21,8
17,8
21,5
5
30,7
31,1
20,9
21,9
20,9
20,4
6
31,2
28,4
20,5
22,5
19,2
20,8
7
29,5
30,2
20,6
22
19,7
20,2
8
29,8
30,2
20,3
22,4
18,8
21,3
9
30,4
31
21,5
22,8
19
19,8
10
30,3
29,2
20,1
22,6
20,9
19,6
PRŮMĚR
30,25
30,17
20,71
21,95
20,1
21,08
36
7. DISKUZE Duby patří k dřevinám, které mají stavbu dřeva kruhovitě pórovitou. Na jaře se u nich vytváří kruh nápadně širokých cév, který rychle přechází ve značný počet více či méně zřetelných radiálních řad užších cév aj. dřevních elementů o malé světlosti (Kolařík a kol. 2005). Tento typ dřeva byl pozorován na většině našich mikrosnímků sazenic dubů letního (některé mladší letokruhy měly stavbu dřeva spíže polokruhovitě pórovitou s plynulým zmenšením cév směrem k letnímu dřevu), (Sedláčková 2012). U dřevin s kruhovitě pórovitou stavbou dřeva mají jarní cévy velké rozměry (až 0,5 mm) a vysokou vodivost (u lián až 60 m.h-1), (Kolařík a kol. 2005). Obvykle jsou však rozměry cév kruhovitě pórovitých dřevin menší. Například u kořenů dubů letního byly nalezeny cévy o rozměrech 15–300 µm (Gebauer, osobní sdělení). Stejný rozsah byl nalezen u Q. fusiformis Small a Q. sinuata (Torr.) C. H. Mull.(McElrone a kol. 2004) a také u posledního letokruhu na kmeni 120 let starého dubu letního (Krejzar a Kravka 1998). Rozměry vodivých elementů také souvisí s věkem dřeviny. U mladších rostlin jsou vodivé elementy menší než je tomu u dospělých jedinců (Tyree a Zimmermann 2002). Vzhledem k tomu byly v této práci zjištěny cévy u kontrolních a inokulovaných sazenic v rozsahu od 10µm do 98 µm. Rozdíly ve velikosti vodivých elementů mohou výrazně ovlivnit jejich vodivou funkci, protože objem toku skrz kapiláru je přímo úměrný čtvrté mocnině poloměrů kapiláry jak popisuje Hagen-Poiseuillova rovnice (Zimmermann 1983,Tyree a Ewers 1991). Čím je průměr cév menší, tím nižší je hydraulická vodivost xylému. Pro efektivní transport vody k transpirujícím listům by proto pro rostliny mělo být výhodou mít velké cévy. Na druhou stranu jsou velké cévy méně bezpečné z důvodu snadnějšího přetržení vodního sloupce (Zimmermann 1983). Z těchto důvodů musí rostlina zvolit kompromis mezi maximální efektivitou a bezpečností vodivého systému. Výsledné hodnoty prvního pokusu neprokázaly vliv patogenu Phytophthora plurivora pro hodnoty specifické hydraulické vodivosti a pro hodnoty specifického vodního toku, přestože specifická hydraulická vodivost byla u inokulovaných sazenic o 33 % vyšší a specifický vodní tok o 40 % vyšší ve srovnání se sazenicemi kontrolními. Důvodem je, že kontrolní sazenice měly o 50 % menší počet cév na jednotku plochy (specifický počet trachejí) než tomu bylo u inokulovaných sazenic. Oproti specifické vodivosti a toku vody byla u inokulovaných sazenic plocha lumenů cév, maximální teoretický tok vody v běli, teoretická hydraulická vodivost,
37
počet trachejí, maximální průměr tracheje a minimální průměr tracheje menší ve srovnání se sazenicemi kontrolními. Tyto hodnoty poukazují na to, že houbový patogen Phytophthora plurivora negativně ovlivňuje anatomickou stavbu dubů. Vzhledem k zvýšení počtu trachejí však nedošlo k ovlivnění vodního toku. Vzhledem k tomu by bylo zajímavé porovnat energetickou náročnost stavby xylému kontrolních a inokulovaných sazenic a zároveň zjistit míru poškození vodivých drah při podmínkách vysoké transpirace. Pokud by došlo k případnému uzdravení napadených rostlin, muselo by proto opět nejdřív dojít ke změně poškozených pletiv. V takovém případě může trvat i několik let, než se obnoví velikost cév a funkce vodivého sytému. Na správnost funkcí kořenového systému nám může poukazovat transpirace. Rychlost transpirace závisí ve velké míře na dostupnosti vody v prostředí. Na nedostatek vody rostlina reaguje přivřením průduchů a omezením transpirace. Pokud nedojde k narušení transpirace, listy rostlin se ochlazují. Houbový patogen Phytophthora plurivora způsobuje hniloby kořenových systémů, které vedou k nedostatečnému příjmu vody rostlinou z půdy - tj. transpirační procesy rostlin jsou omezené. Teplota listů těchto rostlin by měla být ve srovnání s rostlinami zdravými vyšší. Tomu odpovídal i průběh teplot listů v této práci. Na začátku pokusu se teploty listů nelišily, ale na konci pokusu již byla teplota listů infikovaných sazenic přibližně o 1°C vyšší. Vzhledem k zjištění, že teoretický tok vody by měl být stejný u kontrolních a inokulovaných sazenic, zřejmě je vodivý systém inokulovaných sazenic více náchylný k narušení vodivých drah. Zajímavé je, že na inokulovaných sazenicích v této práci nebylo patrné poškození ani po 6 týdnech pokusu, přestože Černý (osobní sdělení) při pokusech s patogenem Phytophthora plurivora uvádí úhyn napadených sazenic po 4 týdnech. Černý (osobní sdělení) prováděl pokus na přelomu června a července a sazenice v této práci byly inokulovány koncem srpna. Vzhledem k tomu by mohlo jít o odlišnou citlivost dubových sazenic k napadení v průběhu vegetačního období. Patogeny rodu Phytophthora je velmi obtížné z prostředí eliminovat, za vhodných podmínek stačí k namnožení nepatrné množství inokula (Černý a kol. 2008). Opatření proti tomuto patogenu lze rozdělit do několika skupin – prevence, sanitární opatření, úprava vlastního prostředí, biologická a chemická ochrana. Vždy se doporučuje kombinace několika metod pro zvýšení jejich celkového efektu. Nejdůležitějším opatřením je prevence, kam můžeme zařadit požití vhodného 38
vzdušného substrátu, dezinfekci kontejnerů, odebírání sadebního materiálu od hodnověrných dodavatelů, použití fungicidů. Nejvíce používaný fungicid ve světě s aktivitou proti hnilobám kořenů způsobených rodem Phytophthora je Subdue s účinnou látkou metalaxyl. Mezi registrované přípravky schválené v České republice patří Ridomil MZ 72 WP, Ridomil Plus 48 WP, Ridomil Gold MZ 68 WP, Mikal M, Acrobat M2 a Alliette 80 WP (Černý a kol. 2008).
39
8. ZÁVĚR Cílem této práce bylo zjistit rozměry cév a vypočítat teoretickou hydraulickou vodivost a maximální tok vody v běli u sazenic dubu letního. Dalším cílem bylo zjistit, zda je kořenový systém sazenic plně funkční na základě měření teploty listů. Z výsledků diplomové práce lze jednoznačně říci, že houbový patogen Phytophthora plurivora ovlivňuje anatomickou stavbu dubových sazenic. Inokulované sazenice dubu letního houbou Phytophthora plurivora měly v porovnání se sazenicemi kontrolními menší plochu lumenů cév, maximální teoretický tok vody v běli, teoretickou hydraulickou vodivost, počet trachejí, maximální průměr tracheje a minimální průměr tracheje. Oproti tomu měly inokulované sazenice větší specifickou hydraulickou vodivost a specifický vodní tok v běli. Narušení kořenového systému houbou Phytophthora a tím i fyziologických funkcí rostliny bylo prokázáno vyšší teplotou listů inokulovaných sazenic. Nicméně u sledovaných inokulovaných sazenic nebylo patrné vizuální poškození ani po 6 týdnech pokusu, přestože Černý (osobní sdělení) při pokusech s patogenem Phytophthora plurivora uvádí úhyn napadených sazenic po 4 týdnech. Vzhledem k tomu, že oba pokusy byly prováděny v různém období růstu sazenic, mohlo by jít o odlišnou citlivost dubových sazenic k napadení v průběhu vegetačního období.
40
9. SUMMARY The aim of this work was to determine the dimensions of the vessels and calculate the theoretical hydraulic conductivity and the maximum flow of water in the sapwood in oak seedlings.Another objective was to find out if the seedlings root system is fully functional by measuring the leaf temperature. The results of the thesis can say that the fungal pathogen Phytophthora plurivora negatively affects the anatomical structure of oak seedlings. The oak seedlings inoculated by the fungus Phytophthora plurivora compared to the control seedlings had smaller area of the vessels lumina, maximum theoretical flow of water in the sapwood, theoretical hydraulic conductivity, number of the vessel elements,maximum and minimum diameter of the vessel elements. In contrast, the inoculated seedlings had greater specific hydraulic conductivity and specific flow of water in the sapwood. The disruption of the root system and, thus the physiological functions of the plant, was proved as well by higher temperature of the inoculated seedlings leaves. However,monitoring the inoculated seedlings there was not an evident visual damage even after six weeks of the experiment, although Černý (personal communication) mentions death of the seedlings after four weeks of the experiment. Given that both experiments were conducted at different times of growth of the seedlings, it could be a different sensitivity of oak seedlings for attacks during the growing season.
41
10. LITERATURA Černý, K. a kol., 2008. Phytophtora cambivora causing ink diesease of sweet chestnut recorded in the Czech Republic. Czech Mycology 60(2): 265-274 Eldhuset, D.T. a kol., 2013. Drought affects tracheid structure, dehydrin expression, and above- and belowground growth in 5-year-old Norway spruce. Plant and Soil 366:305-320 Gebauer, R. a kol., 2010a. Metodika sledování vitality lesích ekosystémů vystavených suchu k podpoře trvale udržitelného lesnictví. Brno, Mendelova univerzita v Brně, 242 s. Glatzel, G., 1983. Mineral nutrition and water relations of hemiparasitic mistletoes: a question of partitioning. Experiments with Loranthus europaeus on Quercus petraea and Quercus robur. Oecologia 56:193–201 Hejnák, V. a kol., 2005. Fyziologie rostlin. Skripta, ČZU Praha, Praha, 159 s. Horňáková, D., 2007. Signální molekuly indukované elicitory rodu Phytophtora. Diplomová práce. Brno: Masarykova univerzita, Přírodovědecká fakulta. 78 s. Chytilová, P., 2010. Přehled faktorů omezujících rychlost transportu vody v rostlinách. Bakalářská práce. Brno: Masarykova univerzita, Přírodovědecká fakulta. 44 s. Jančařík, V., 2000. Ochrana lesa na přelomu tisíciletí – otázky a problémy lesnické fytopatologie. Zprávy lesnického výzkumu. 2000, vol. 45, no.4. Jankovský, L., 2000. Fytopatologické aspekty poškození kořenového systému lesních dřevin. Lesnická práce 79:250-250 Jelínek, J., Zicháček V., 2003. Biologie pro gymnázia. 6. vyd. Nakladatelství Olomouc, Olomouc, 576 s. Kolařík, J. a kol., 2005. Péče o dřeviny rostoucí mimo les II. ČSOP, Vlašim, 720 s. Kopecká, M., 2009. Anatomicko-morfologická analýza jmelí bílého (Viscum album L.) na území jižní Moravy. Diplomová práce. Brno: Mendelova univerzita v Brně. Lesnická a dřevařská fakulta. 80 s. Krejzar, T. a Kravka, M., 1998. Sap flow and vessel distribution in annual rings and petiols of large oaks. Lesnictvi-Forestry 44(5):193-201 42
Larcher, W. a kol., 1988. Fyziologie rostlin. Academie, Praha, 361 s. Marek, V.M., 2009. Fyziologie rostlin pro lesníky. Skripta (knihovna MENDELU v Brně), MZLU v Brně, Brno, 147 s. McElrone a kol., 2004. Variation in xylem structure and fiction in stems and rous of trees to 20 m depth. New Phytologist 163: 507-517 Němec, B. a kol., 1962. Botanická mikrotechnika. Nakladatelsví Československé akademie věd, Praha, 482 s. Öpik, H. a Rolfe, S., 2005. The physiology of flowering plants. 4. vyd. New York, Cambridge University Press, 392 s. Procházka, S. a kol., 1998. Fyziologie rostlin. Academie, Praha, 488 s. Procházka, S. a kol., 2009. Botanika: Morfologie a fyziologie rostlin. Brno, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 242 s. Půlpán, L., 2001. Vliv hospodaření na vznik hnilob. Zpráva lesnického výzkumu 46: 135-136 Sedláčková, V., 2012. Vliv Phytophtora plurivora na rozměry cév u sazenic dubu letního. Bakalářská práce. Brno: Mendelova univerzita v Brně, Lesnická a dřevařská fakulta. 33 s. Taiz, L. a Zeiger, E., 1998. Plant Physiology.2. vyd., Sinauer Associates, Sunderland, USA, 792 s Tributsch, H. a kol., 2005. Kinetic studies on the tensile state of water in trees. Journal of Physical Chemistry B. 109: 17693-17707 Tyree, T.M. a Ewers, F., 1991. The hydraulic architecture of trees and other woody pants. New Phytologist 199: 345-360 Tyree, T.M. a Zimmermann, M.H., 2002. Xylem structure and the ascent of Sap. Springer Verlag , Berlin, 318 s. Úradníček, L., 2004. Lesnická dendrologie II. Skripta (knihovna MENDELU v Brně), MZLU v Brně, Brno, 170 s.
43
Werres, S. a kol., 2001. Phytophtora ramonum sp. nova new pathogen on Rhododendron and Viburnum. Mycological Research 105: 1155-65 Wikipedie, poslední revize 2012. Phytophtora plurivora. Encyklopedie online [cit. 2012-02-13]. Dostupné na : ˂http : //en.wikipedia.org/wiki/Phytophtora_plurivora˃ Wilcox, W.F., 1992. Phytophthora Root and Crown Rots. Tree fruit crops. Cornell cooperative extension. Disease Identification Sheet No. 7. Zimmermann, M.H., 1983. Xylem structure and the ascent of sap. Springer-Verlag, New York, 143 s.
44
