Vliv selenu, zinku a kadmia na růstový vývoj česneku kuchyňského (Allium sativum L.)
Botanická charakteristika: ČESNEK KUCHYŇSKÝ (ALLIUM SATIVUM L.) Pravlastí je Džungarsko (severní Čína) v Střední Asii, kde i dnes roste v planém stavu, především ve vysokých polohách, dále se vyskytuje ve Středomoří a Kavkazské oblasti. Je rostlinou horskou, mrazuvzdornou, nenáročnou na teplo a světlo. Je typickým představitelem euritopie (schopnost rostlin přizpůsobovat se ekologickým podmínkám). Počet listů je závislý na velikosti stroužku. List je čárkovitý, hladký a žlábkovaný. Cibule česneku je dělená, složená z vyvinutých stroužků, jejichž skupiny jsou od sebe odděleny šupinami listových pochev. Stroužky jsou zásobní a rozmnožovací orgány. Jejich dužnina je tvořena zásobním pletivem dužnatého listu. Má dvojvrstevnou ochrannou slupku, která udává barvu stroužku. Květonosná lodyha je zakončena květenstvím obaleným toulcem. Květenství (lichookolík, strboul) – větší část květenství vyplňují květní pacibulky, mezi nimiž jsou stěsnány květy. Počet v jednom strboulu v závislosti na jejich velikosti dosahují až několik set. Významnými látkami česneku jsou aliciny. Hlavní součástí česnekové silice je diallyl–disufid. Složení česnekové silice je následující: 60 % diallyldisulfid, 20 % diallyltrisulfid, 6 % allylpropyldisulfid, 4 % diallyltetrasulfid. Obsah jednotlivých látek v česneku silně kolísá v závislosti na odrůdě, původu, půdě, hnojení, počasí a ošetřování. Zejména to platí o obsahu síry, která u jednotlivých druhů kolísá ve velmi širokém rozmezí.
Cíl práce •
zjistit, jak selen, zinek a kadmium působí na růst a vývoj rostlin
•
studovat distribuci prvků v různých částech stroužku.
Všechny živiny jsou do rostliny transportovány ve formě iontů. Pro jejich přenos na dlouhé vzdálenosti (z kořenů do listů, mezi listy, z listů do kořenů apod.) se v rostlinách nevyvinuly žádné speciální transportní dráhy. Velké množství vody přijímané kořeny a transportované do listů zabezpečuje i velmi rychlý transport rozpuštěných iontů.
SELEN Toxický vliv selenu se projevuje typickou chlorózou a zabržděním růstu. Zjistilo se, že selen inhibuje mnoho enzymů a enzymatických systémů. Se je známé oxidační činidlo sulfhydrylových skupin. V biologickém prostředí inhibuje aktivitu dehydrogenázy kyseliny jantarové. Nedostatečný obsah selenu v půdě neumožňuje produkci rostlin s minimální koncentrací tohoto prvku. Už před rokem 1957 se zjistilo, že na živý organismus má negativní vliv nejen nadbytek selenu, ale i jeho nedostatek. Nedostatek Se narušuje antioxidační systém buněk. ZINEK Nejvíce Zn se koncentruje v listech rostlin, dále se kumuluje v některých nižších rostlinách. Mezi Zn a Fe je antagonistický vztah, který se projevuje mírným snížením příjmem Zn rostlinou. Nedostatek Zn se v rostlinách projevuje snížením růstu a nízkými výnosy. Nedostatek v listech se projevuje jejich žloutnutím mezi žilkami listů, vznikem rezavohnědých skvrn. Příznakem nedostatku Zn ve výživě rostlin je snížená produkce a biosyntéza chlorofylu, též poruchy tvorby chlorofylu. Nedostatek Zn v rostlinách se projevuje také poruchami metabolismu dusíkatých sloučenin. Obsah Zn 400 mg.l–1 je toxický, v listech způsobuje žlutnutí a odumírání vegetačních vrcholů. KADMIUM Rostliny obsahují obvykle 0.03 – 0.5 mg.kg–1 Cd. Je snadno přijímáno kořenovým systémem, rozváděno svazky cévními, přičemž největší kumulace tohoto prvku v zelených částech rostlin – listech. Proto také špenát, salát, nadzemní část cukrové řepy obsahuje nejvíce kadmia. Značně odolná jsou rajčata a brambory. Cd přítomné v roztocích působí chlorózu mladých listů. Toxicita způsobuje omezení růstu, vznikají nekrózy chlorofilu (nedostatek Fe) – změna barvy na listech, které jsou slabé, vypadají zavadle a rostlina odumírá. Díky svým chemickým vlastnostem kadmium snadno reaguje s biologicky aktivními molekulami (proteiny, fosfolipidy, puriny, porfiriny, NK a enzymy).
Nádobový pokus Byly navrženy čtyři řady a do každé nádoby byl umístěn vždy jeden stroužek česneku. Na první řadu se selen, zinek a kadmium aplikovaly bezprostředně. Druhá řada byla ošetřena po 14 dnech růstu česneku a další dvě pak po týdnu od předcházející aplikace. Každá řada obsahovala 7 vzorků, jeden kontrolní (bez přídavku prvku) a dvě opakování pro každý sledované prvek. Selenu a zinku se aplikovalo množství 3 a 6 mg na 1 g stroužku, u kadmia byla zvolená dávka desetinásobně menší. Nádobový pokus každé řady byl ukončen právě 14 dnů po aplikaci prvku. V průběhu pokusu se sledovaly morfologické změny listů, kořenů a vzhled stroužku. Pro vlastní stanovení obsahu jednotlivých prvků byl biologický materiál homogenizován. Každý stroužek byl rozdělen na 5 stejných částí, každá část pak byla homogenizována v
5 ml fosfátového pufru (pH = 7.0).
Hydroponický experiment byl uskutečněn v období března až května 2001 při pokojové teplotě a běžném osvitu. 1 2
3 4 5
Metodika MINERALIZACE Do každého teflonové kyvety bylo naváženo 0,5 g rostlinného materiálu. Materiál byl mineralizován 5 ml 65 % kyseliny dusičné a 1 ml 31 % peroxidu vodíku. Modul s vzorky byl vložen do mikrovlnné pícky MLS 1 200 a vystaven působení mikrovlnného záření po dobu 16 minut.
ATOMOVÁ ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIE Analýza proběhla na atomovém absorpčním spektrometru firmy UNICAM series M. Selen jsme měřili pomocí vyhřívané grafitové kyvety (typ normální). Zinek a kadmium byly měřeny plamenem typu Air-C2H. Kalibrace byla provedena standardními roztoky Se, Zn, Cd
Fyziologie a morfologie 12
Počet kořenů
8
4
0 Se 3
Se 6
Zn 3
Zn 6
Cd 0.3
Cd 0.6 kontrola
List [mm]
Stáří rostliny: 14 dnů
Kořen Délka
Počet
Se3 mg
0
1
4*
Se6 mg
4
1
3
Zn3 mg
2
10
4
Zn6 mg
16
5
5
Cd0,3 mg
0*
15
1
Cd0,6 mg
25
4
12
Kontrola
6
12
4
Barva
* nekróza •
Koncentrace Se 3 mg.kg–1 způsobuje 100% depresi růstu listů a 92% snížení růstu kořenů, které postupně odumíraly. Při koncentraci 6 mg.kg–1 byla pozorována 33% deprese růstu listu a 92% snížení růstu kořenů.
•
Při koncentraci 3 mg.kg–1 Zn byla pozorována 67% deprese růstu listů. Koncentrace 3 mg.kg–1 Zn neovlivňuje růst kořenů. Vyšší koncentrace (6 mg.kg–1) vedla k 267% růstu listu a 50% depresi růstu kořenů.
•
Při aplikovaném množstvím 0.3 mg.kg–1 Cd došlo k nekróze naopak při koncentraci 0,6 mg.kg–1 došlo k 417% nárůstu listů. Počet kořenů se při koncentraci 0,3 mg.kg–1 zmenšil o 25%, při koncentraci 0,6 mg.kg–1 došlo k 300% zvýšení počtu. Koncentrace 0,3 mg.kg–1 způsobuje nárůst kořenů o 25%, vyšší koncentrace způsobovala 67% depresi růstu kořenů.
Fyziologie a morfologie 12
Počet kořenů
8
4
0 Se 3
Zn 3
Cd 0.3
List [mm]
Stáří rostliny: 28 dnů
kontrola
Kořen Délka
Počet
Se3 mg
115**
15
9
Se6 mg
135**
25
15
Zn3 mg
215***
25
18
Zn6 mg
75
10
6
Cd0,3 mg
130***
20
5
Cd0,6 mg
155**
20
7
Kontrola
240
20
15
Barva
* nekróza •
Koncentrace Se 3 mg.kg–1 způsobuje 52% depresi růstu listů a 25% snížení růstu kořenů. Při koncentraci 6 mg.kg–1 byla pozorována 44% deprese růstu listu a 25% nárůst délky kořenů. Při obou aplikovaných koncentracích Se byla pozorována počínající nekróza listů.
•
Při koncentraci 3 mg.kg–1 Zn byla pozorována 10% deprese růstu listů a nekróza špiček listů. Koncentrace 3 mg.kg–1 Zn způsobuje 25% nárůst délky kořenů. Vyšší koncentrace (6 mg.kg–1) vedla k 69% depresi růstu listu a 50% depresi růstu kořenů.
•
Při aplikovaném množstvím 0.3 mg.kg–1 Cd došlo k 46% depresi růstu listů a při koncentraci 0,6 mg.kg–1 došlo k 35% depresi růstu listů. Délka kořenů byla beze změn, počet se snížil o 65%. Při koncentraci 0.3 mg.kg–1 byla pozorována nekróza špiček listů, při koncentraci 0.6 mg.kg–1 rostliny vykazovaly počínající známky nekrózy.
** počínající nekróza *** nekróza špiček listů
Fyziologie a morfologie
Počet kořenů
12
6
0 Se 3
Zn 3
Cd 0.3
List [mm]
Stáří rostliny: 42 dnů
kontrola
Kořen Délka
Počet
Se3 mg
60
5
6
Se6 mg
105
10
4
Zn3 mg
20**
30
2**
Zn6 mg
60
15
10
Cd0,3 mg
120
15
12
Cd0,6 mg
70**
5
4
Kontrola
240
20
15
Barva
* nekróza ** počínající nekróza •
Koncentrace Se 3 mg.kg–1 způsobuje 75% depresi růstu listů a 75% snížení růstu kořenů. Při koncentraci 6 mg.kg–1 byla pozorována 56% deprese růstu listů a 50% deprese délky kořenů.
•
Při koncentraci 3 mg.kg–1 Zn byla pozorována 90% deprese růstu listů a nekróza špiček listů. Koncentrace 3 mg.kg–1 Zn způsobuje 50% nárůst délky kořenů. Vyšší koncentrace (6 mg.kg–1) vedla k 75% depresi růstu listu a 25% depresi růstu kořenů.
•
Při aplikovaném množstvím 0.3 mg.kg–1 Cd došlo k 50% depresi růstu listů a k 25% depresi růstu kořenů. při koncentraci 0,6 mg.kg–1 došlo k 71% depresi růstu listů a 75% depresi růstu kořenů.
Fyziologie a morfologie Závislost fyziologického procesu na obsahu prvků v rostlinách se vyznačuje typickým průběhem. První část strmě stoupající křivky (bod 1) postihuje oblast velkého deficitu (i velmi malé zvýšení koncentrace prvku se projeví výrazným nárůstem sledovaného fyziologického procesu). Saturační hodnota (bod 2) vykazuje konstantní průběh v širokém rozsahu koncentrace, teprve velmi vysoké koncentrace vykazují toxické nebo inhibiční působení (bod 3).
•
Vyšší koncentrace Cd a Zn se projevuje výrazným růstem nadzemních částí rostlin.
•
Koncentrace selenu v rostlinách se pohybuje v bodě 3 závislosti fyziologického procesu
•
Koncentrace zinku v rostlinách se pohybuje v bodě 1 závislosti fyziologického procesu
•
Koncentrace kadmia v rostlinách se pohybuje v bodě 2 závislosti fyziologického procesu
200
% 150 100
kořen
Zvýšený růst nadzemní části rostliny je doprovázen inhibicí kořenového systému.
bod 3
bod 1
list
•
bod 2
50 0 Se 3
Se 6
Zn 3
Zn 6
Cd 0.3 Cd 0.6 c [mg.kg–1]
Transport selenu v stroužku česneku •
Nejvyšší koncentrace selenu byly pozorovány v části (5) blízké kořenům. V ostatních částech je koncentrace relativně nízká. Selen se akumuluje v kořenech a částech pletiv, ze kterých vychází kořenová soustava. Transport probíhá pravděpodobně nespecificky.
600
400
14 dnů 28 dnů 42 dnů
600
c, µg.kg–1 400
listy
kořeny
200
0
Aplikovaná koncentrace 3 mg.kg–1
3
6
3
6
Aplikovaná koncentrace [ mg.kg–1]
c, µg.kg–1
Koncentrace selenu v listech a kořenech (po 42 dnech)
200
0 1
2
3
Část stroužku
4
5
Selen je akumulován (při aplikované koncentraci 3 mg.kg–1) v kořenech a transpiračním tokem transportován do listů. V případě koncentrace 6 mg.kg–1 dochází pravděpodobně k narušení tohoto transportu.
800
Transport zinku v stroužku česneku •
Koncentrace zinku jsou ve všech částech srovnatelné. Transport probíhá pravděpodobně nespecificky, prostou difusí (zinek tvoří cheláty s transportéry železa).
c, µg.kg–1 400
200
0
Aplikovaná koncentrace 3 mg.kg–1
80
600
listy
14 dnů 28 dnů 42 dnů
120
kořeny
3
6
3
6
Aplikovaná koncentrace [ mg.kg–1]
c, µg.kg–1 40
Koncentrace zinku v listech a kořenech (po 42 dnech)
0 1
2
3
Část stroužku
4
5
Pohyblivost zinku v rostlinách je malá. Zinek je akumulován (při aplikované koncentraci 3 a 6 mg.kg–1) v kořenech a pravděpodobně difuzí nespecificky transportován do okolních pletiv, kde tvoří cheláty s transportéry železa a tak se transpiračním tokem dostává do listů.
Transport kadmia v stroužku česneku •
400
Nejvyšší koncentrace byly detekovány v pletivech ze kterých vychází základy listů a kořenů. Jedná se pravděpodobně o specifický transport (fytochelatiny).
kořeny c, µg.kg–1 200
25
14 dnů 28 dnů 42 dnů
20
listy 0
Aplikovaná koncentrace 0.3 mg.kg–1
15
c, µg.kg–1
0.3
0.6
0.3
0.6
Aplikovaná koncentrace [ mg.kg–1]
10
5
Koncentrace kadmia v listech a kořenech (po 42 dnech)
0
Kadmium je akumulováno (při aplikované koncentraci 0.3, 0.6 mg.kg–1) v kořenech, kde je jeho další transport blokován, do rostliny je vsak v malém množstvím transportován na metalloproteinech (fytochelatiny).
1
2
3
Část stroužku
4
5
Závěr Česnek vyniká schopností hromadit těžké kovy, jejichž koncentrace může dosahovat více než stonásobku přirozeného stavu. Selen je rostlinami přijímán z půdy a stává se součástí potravního řetězce zvířat i člověka. Toxicita selenu se projevuje typickou chlorózou, zabržděním růstu, mnohdy vykazuje mutagenní a teratogenní účinky. Významnou vlastností selenu je, že může nahradit v molekule fytoncidů síru, čímž dojde k ovlivnění antibakteriálních vlastností rostliny. Nedostatek zinku se projevuje vznikem rezavohnědých skvrn mezi žilkami listů. Dochází k poruchám biosyntézy chlorofylu a metabolismu dusíkatých látek. Toxická dávka způsobuje žloutnutí a odumírání vegetačních vrcholů listů. Vysoké koncentrace kadmia způsobují omezení růstu rostliny, vznikají chlorotické nekrózy na listech, které jsou slabé, vypadají zavadle a rostlina postupně odumírá. U velmi nízkých koncentrací kadmia byla pozorována stimulace vývoje a růstu cibulovitých rostlin. Literatura Konvička, O.: Česnek (Allium sativum L.). Těšínská tiskárna a. s., Olomouc, 1998 Streit, B.: Lexikon Ökotoxikologie. VCH, Weinhein, New York, Basel, Cambridge, Tokyo, 1994 Koutník, V.: Obsahové látky v cibulové zelenině. Výživa a potraviny (5), ročník 50 – září, říjen, Praha, 1995 Veliký, I.: Makroelementy v teórii a praxi. Slovenské vydavatelstvo pödohospodárskej literatúry, Bratislava, 1964 Koutná, D., Galiová M., Zlochová, V: nepublikované výsledky, 2001 Bergmann, H.: Ernährungsstörungen bei Kulturpflanzen. Veb Gustav Fischer Jena, Jena, 1988
Literatura Konvička, O.: Česnek (Allium sativum L.). Těšínská tiskárna a. s., Olomouc, 1998 Streit, B.: Lexikon Ökotoxikologie. VCH, Weinhein, New York, Basel, Cambridge, Tokyo, 1994 Koutník, V.: Obsahové látky v cibulové zelenině. Výživa a potraviny (5), ročník 50 – září, říjen, Praha, 1995 Veliký, I.: Makroelementy v teórii a praxi. pödohospodárskej literatúry, Bratislava, 1964
Slovenské
vydavatelstvo
Koutná, D., Galiová M., Zlochová, V: nepublikované výsledky, 2001 Bergmann, H.: Ernährungsstörungen bei Kulturpflanzen. Veb Gustav Fischer Jena, Jena, 1988
