STRESOVÁ FYZIOLOGIE 1
Učební text k přednášce Bi4060 na přírodovědecké fakultě MU v Brně.
Určeno pouze ke studijním účelům. Autor textu Jan Gloser.
4. ČÁST - STRESOVÁ FYZIOLOGIE
Funkce rostlin v různých typech prostředí - obecné problémy
Většina základních fyziologických poznatků byla získána na omezeném počtu
"modelových" druhů rostlin, a to ještě pěstovaných za stálých podmínek blízkých optimu. Pro
analytické poznávání jednotlivých funkcí je tento postup jistě výhodný. V přírodě však
rostliny rostou často za podmínek mnohem méně příznivých. Faktory prostředí, které je
obklopuje, kolísají v širokých mezích, často až na samou hranici existenčního minima. Přežití
v těchto podmínkách by bylo sotva možné bez schopnosti přizpůsobování (adaptability). Čím
více a déle se vnější prostředí odchyluje od optima, tím více trvalých změn struktur a funkcí
nacházíme u organismů žijících v tomto prostředí.
Každý rostlinný druh prošel od svého vzniku složitým selekční sítem nejrůznějších
kombinací vnějších podmínek. Selekce neprobíhala na úrovni jednoho procesu či funkce,
ale vždy na úrovni fenotypových projevů celého organismu. Úspěšné druhy nemusejí mít
proto zrovna nejlepší parametry v určitém znaku, který považujeme za nejdůležitější.
Rozhodující bývá často vyrovnanost ve více znacích. Limitujících faktorů totiž působí totiž
na rostlinu v průběhu krátké doby obvykle více a přizpůsobení k nim může klást protichůdné
požadavky na funkční i strukturní změny. Také kolísání některých faktorů prostředí (např.
záření, teploty, vlhkosti půdy) je velké a nepravidelné, takže jednoznačně optimální
přizpůsobení ani není možné.
Přizpůsobením rozumíme veškeré modifikace funkcí a struktury rostliny pod vlivem určitého
typu prostředí, které zvyšují pravděpodobnost přežití a reprodukce. Dědičně fixované změny
označujeme jako adaptace, krátkodobé, nedědičné změny v rámci fenotypové plasticity
jistého genotypu jsou aklimace.
Oba uvedené typy přizpůsobení mohou mít povahu kvalitativní (např. syntéza látek nové
struktury) či kvantitativní (syntéza většího množství již dříve přítomných sloučenin).
Může k nim docházet na buněčné úrovni i na úrovních organizačně vyšších (pletiva, orgány,
celá rostlina). Přizpůsobení struktury (morfologie) a fyziologických funkcí je obvykle na sebe
velmi úzce vázáno. Přechodné, aklimační zvýšení odolnosti může být založeno jak na
změnách rychle pomíjivých (zvýšení aktivity některého enzymu, tvorba specifických
metabolitů), tak i trvalejších (změny v tvorbě nových orgánů a v jejich vnitřní struktuře).
Prostředí které působí na funkce rostlin v přírodě je složitý komplex faktorů, který nelze
charakterizovat jedním souhrnným znakem, ale je nutný rozklad na jednotlivé složky.
Nejběžnější je dělení faktorů prostředí do tří kategorií: fyzikální, chemické a biotické. Z
prostorového hlediska je možné dělení na faktory klimatické (působící na nadzemní části
rostlin) a edafické (půdní). Někdy je také výhodné rozdělit složky prostředí na zdrojové (tedy
zdroje hmoty a energie pro rostliny - fotosynteticky aktivní záření, oxid uhličitý, voda a
minerální živiny) a modifikační (např. teplota, toxické látky, biotické vlivy).
U těch složek prostředí, které jsou nezbytné pro funkce rostliny, můžeme stanovit jejich
prahovou hodnotu (= úroveň, při které je již působení na rostlinu měřitelné), hodnotu
nasycení (saturace, zabezpečující optimální funkci) a dále hodnoty inhibiční až letální. Velmi
často se mohou účinky jednotlivých faktorů sčítat či násobit (aditivní a multiplikativní
působení), někdy mohou být i ve složitějších typech vzájemných interakcí.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 2
Intenzivní výzkum vztahů mezi prostředím a fyziologickými procesy je velmi často
motivován potřebou přispět k řešení závažných ekologických otázek. V prvé řadě
jde o vysvětlení příčin výskytu a prosperity různých druhů rostlin v určitých typech
prostředí, o poskytnutí podkladů pro mechanismové prediktivní modely utváření a vývoje
rostlinných společenstev a rychlosti produkce rostlinné biomasy. Na tuto problematiku se
zaměřuje ekologická fyziologie (ekofyziologie), která se v současné době velmi rychle rozvíjí.
Jejím cílem není tedy studium základních principů fyziologických procesů, ale spíše
využití detailních znalostí těchto procesů pro syntetické hodnocení významnosti
různých mechanismů adaptace a aklimace rostlin k převažujícím vnějším
podmínkám. Jde o rozsáhlou hraniční disciplinu, ve které nevystačíme jen se sběrem dat o
fyziologických procesech rostlin v určitém typu prostředí. Obvykle je nutno s
nemenším intenzitou sledovat i variabilitu faktorů prostředí, strukturní charakteristiky rostlin
(např. orientaci jednotlivých orgánů v prostoru, horizontální variabilitu rozmístění rostlin v
porostech, druhové složení porostů, populační dynamiku, atd.). V ekologické fyziologii často
nejde jenom o zkoumání schopností přizpůsobení k aktuálnímu působení prostředí, ale také
o posouzení výhodnosti jistého typu chování rostlin v delším časovém měřítku (měsíce, roky).
Fyziologické procesy jsou pak chápány jako regulační člen celkového koloběhu uhlíku, vody
a minerálních živin v ekosystémech. Užitečný může být také "ekonomický" pohled na funkce
rostlin, spojený s hodnocením účinnosti transformace zdrojů hmoty a energie, či s aplikací
analýzy náklady-prospěch (cost-benefit analysis).
V rámci ekologické fyziologie se zvláště bouřlivě rozvíjí dílčí směr označovaný jako
stresová fyziologie. Ta se speciálně zaměřuje jen na nepříznivé působení jednotlivých faktorů
prostředí (= stresové faktory, stresory) na rostliny. Kromě rostlinných ekologů má velký
zájem na tomto výzkumu zemědělská praxe, neboť vyšlechtění nových genotypů polních
plodin s větší odolností k nepříznivým podmínkám je z mnoha důvodů velmi žádoucí.
Racionální postup při tvorbě odolnějších genotypů by měl vycházet ze znalostí
fyziologických mechanismů podmiňujících zvýšenou odolnost.
Koncepční přístup ke studiu stresu u rostlin
Termín stres je obvykle (i když nejednotně) používán pro souhrnné označení stavu ve
kterém se rostlina nachází pod vlivem stresorů. Nejde přitom nikdy o nějaký ustálený a
snadno definovatelný stav, ale spíše o dynamický komplex mnoha reakcí. Problematika
stresu je u rostlin komplikovanější než ve fyziologii živočichů. Je to dáno nejen jejich
přisedlým způsobem života, který neumožňuje únik před působením stresorů, ale také tím, že
u rostlin je mnohem větší mezidruhová variabilita i heterogenita vnitřního prostředí (buněk,
pletiv). Ta se projevuje značným kolísáním fyzikálně-chemických parametrů rostlinných
buněk i v průběhu „normálního“ fungování. Potíže se stanovením reakční normy se pak nutně
přenášejí i do stanovení počátku „nenormálních“, tedy stresových reakcí.
Výzkum vztahů mezi vnějším prostředím a stresem v rostlinách obvykle začíná studiem
přenosu podnětů vyvolávajících stres na rozhraní orgánů rostliny s vnějším prostředím, a dále
pak přenosem signálů uvnitř rostliny. Stresové faktory, ať už fyzikálně-chemické či biotické,
mohou pronikat do vnitřního prostředí rostlin různých druhů nestejně snadno, a to především
v důsledku různě vyvinutých ochranných struktur. Tento způsob ochrany má převážně
pasivní a dlouhodobý charakter (např. tlustá kutikula na listech, výrazná impregnace
buněčných stěn, rezervoáry vody a snadno rozložitelných organických látek, tlumící jejich
nedostatek). Jedná se vlastně o schopnost vyhnout se stresu (stress avoidance, Levitt 1980),
ke které přispívají také vhodně načasované životní cykly.
Z fyziologického hlediska jsou mnohem zajímavější mechanismy aktivní odolnosti (stress
tolerance), omezující negativní dopad stresorů až po jejich proniknutí k plazmatické
membráně buněk a do symplastu. V takovém případě dochází ke spuštění řetězce změn, který
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 3
bývá označován jako stresová reakce. S vědomím značné dávky zjednodušení lze i u rostlin
přijmout obecné schéma průběhu reakce organismu na stres, známé z živočišné fyziologie.
Bezprostředně po začátku působení stresového faktoru dochází k narušení buněčných struktur
a funkcí (poplachová fáze). Pokud intenzita působení stresoru nepřekročí letální úroveň,
dochází záhy k mobilizaci kompenzačních mechanismů (restituční fáze), které směřují ke
zvýšení odolnosti rostliny vůči působícím faktorům (fáze rezistence). Ne vždy však toto
zvýšení má trvalý charakter. Při dlouhodobém a intenzivním působení stresového faktoru
může být vystřídáno dalším poklesem (fáze vyčerpání).
Základní schéma průběhu stresové reakce ale nevypovídá vůbec nic o rozmanitosti
vlastního působení stresorů, ani o koordinaci složitého komplexu reakcí kterými je podložena
odpověď rostliny na jejich působení. Tato neobyčejně rozsáhlá problematika je v současné
době intenzivně studována na různých organizačních úrovních, od molekulových a
genetických základů až po integrující projevy celé rostliny. V následujícím textu bude možné
podat jen velmi stručné shrnutí základních poznatků, a to jednak o zvláštnostech působení
jednotlivých stresorů, jednak o některých společných mechanismech stresových reakcí.
Předem je však potřeba zdůraznit, že průběh stresové reakce a její konečný výsledek
závisí jak na intenzitě a délce působení stresového faktoru na danou rostlinu, tak i na
geneticky vázaných předpokladech odpovědi, souhrnně označovaných jako adaptační
schopnosti. Zvýšení odolnosti a opětovné ustavení homeostáze i za dlouhodobého působení
stresorů bývá obvykle dosahováno jen za cenu jistých dodatečných energetických nákladů,
hlavně na syntézu specifických metabolitů. I některé další změny v metabolismu zajišťující
vysokou odolnost (např. udržování zvýšené koncentrace osmoticky aktivních látek) bývají
často provázeny snížením rychlosti získávání nových zdrojů hmoty a energie, a tedy i
snížením rychlosti tvorby biomasy. Změny struktur a funkcí rostliny vedoucí k nízké
efektivitě získávání zdrojů mohou přetrvávat ještě hodně dlouho po návratu vnějších
podmínek k optimu, někdy i po celý zbytek vegetačního období.
Působení stresorů (např. nízké teploty) však může na druhé straně podmiňovat průběh
důležitých morfogenetických procesů, např. klíčení či tvorbu květních orgánů, a tím zvýšit
reprodukční schopnosti i kompetiční úspěšnost. Nelze se tomu divit, vždyť celý dlouhý
proces evoluce rostlin nepochybně probíhal pod vlivem stresových faktorů. Ty z nich, které
měly dostatečně pravidelný, periodický výskyt, mohly být "využity" nejen ke spouštění
stresové reakce, ale i jako signál pro řízení jiných fyziologických procesů, které se zvýšením
odolnosti neměly žádnou přímou souvislost. Z toho je zřejmé, jak obtížné může být
posuzování příznivosti či nepříznivosti vnějších faktorů pro rostliny a současně jak významné
je časové měřítko při tomto hodnocení.
Studium stresu u rostlin rostoucích v přírodních podmínkách je dále komplikováno tím,
že často více stresových faktorů působí současně (např. silné záření, vysoká teplota a
nedostatek vody). Interakce mezi nimi mohou podstatně měnit charakter stresové reakce ve
srovnání s působením každého faktoru odděleně. Působení stresorů bývá také často omezeno
jen na jednu část rostliny (listy či kořeny) ve které dochází k lokální stresové reakci, ale ta
může druhotně způsobovat stres i v ostatních orgánech.
Společné mechanismy stresových reakcí
Stresové a aklimační reakce, podobně jako některé jiné projevy fenotypové plasticity,
neprobíhají nahodile. Jsou závislé na "programech" aktivace určitých genů, které mohou být
za jistých okolností spuštěny, a to někdy i několika odlišnými mechanismy. Tyto programy
jsou často evolučně velice staré. Proto také například náhlým zvýšením teploty (teplotním
šokem) můžeme indukovat tvorbu skupiny proteinů, jejichž zastoupení je shodné nejen u
všech druhů rostlin, ale i u mikrobů a živočichů. Hlavní abiotické stresové faktory, jako např.
nedostatek vody, extrémní teploty či zasolení, formovaly metabolické procesy živých
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 4
organismů už od samého začátku kolonizace souší. Dokonalá a trvalá adaptace k široké
amplitudě kolísání vnějších faktorů nebyla možná, už jen z důvodů fyzikálně-chemických
vlastností základních stavebních kamenů živé hmoty, makromolekul a membrán. Jediným
možným řešením byla dočasná úprava struktur a metabolických cest podle aktuálního stavu
vnějších podmínek, a také zajištění rychlé opravy poškozených součástí.
Metabolické změny v buňkách při působení i velmi odlišných stresorů mají sice řadu
společných znaků, avšak představa jediné obecně platné stresové reakce je nereálná. Jedná se
spíše o jisté dílčí komplexy společných reakcí, které vedou ke zvýšení odolnosti vůči
několika stresorům současně. Připomeňme si alespoň ty nejčastější společné stresové reakce
rostlin.
a) Příjem a vnitrobuněčný přenos signálů
Stresové reakce jsou spouštěny podněty (signály), které mají fyzikální nebo chemickou
povahu a pro které je v buňce vhodný receptor. Prakticky všechny dnes známé receptory jsou
specializované proteiny umístěné především v plazmatické membráně, ale i v jiných částech
buňky (např. v buněčné stěně, v cytosolu, v jádře). Přenos signálu z receptoru ke konečným
efektorům (obvykle proteinům na kterých bezprostředně závisí nějaká fyziologická funkce,
např. enzymy primárního i sekundárního metabolismu, transportní proteiny v membránách,
cytoskelet, trankripční faktory ovlivňující expresi genů) není podle našich současných
znalostí realizován jedním lineárním řetězem mezičlánků (druhotných přenašečů, second
messangers), ale spíše složitou sítí více paralelních cest.
Klíčovou úlohu v této síti mají jednak ionty vápníku, jednak početná skupina (více než
70) proteinkináz. Mnoho proteinů, zvláště enzymů, je totiž aktivováno až po navázání Ca2+
(za asistence proteinu calmodulinu) nebo fosfátové skupiny (pomocí proteinkináz). Ovšem
jen zřídkakdy přenáší receptor signál přímo na proteinkinázy či na vápníkové kanály, častěji
bývá přenos zprostředkován pomocí G-proteinů (či GTP-áz). Tyto proteiny se energeticky
aktivují navázáním GTP (guanosintrifosfát), respektive jeho přeměnou z GDP (guanosin
difosfát), ke které dojde kontaktem se stimulovanou molekulou receptoru. Aktivované Gproteiny
jsou pak schopny přivádět do funkčního stavu další proteiny zapojené do šíření
signálu (viz obrázek):
Schéma vnitrobuněčného přenosu signálu pomocí fosfoinositidového mechanismu: po zachycení
signálu v receptoru dojde pomocí G-proteinu (G) k aktivaci fosfolipázy typu C (PLC). Ta štěpí
fosfatidylinositol-4,5-bisfosfát (PIP2), vznikající z fosfatidylinositolu (PI), na inositol-1,4,5-trisfosfát (IP3)
a diacylglycerol (DAG). IP3 stimuluje otevření vápníkových kanálů v endoplazmatickém retikulu (ER) a
ionty vápníku pak aktivují příslušný efektor buď přímo či zprostředkovaně pomocí proteinkináz (PK).
Paralelně může být zapojen do přenosu signálu i diacylglycerol. Přenos signálu obvykle končí aktivací
specifického genu, aktivací některého z metabolicky významných enzymů, anebo také aktivací
určitých transportních proteinů v membránách.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 5
K otevření vápníkových kanálů (nejen v ER, ale i v plazmatické membráně a v
tonoplastu) může dojít i přímým působením G-proteinů, změnou transmembránového
potenciálu, i mechanickými podněty (např. změnami turgorového tlaku v buňce). Vzhledem k
tomu, že koncentrace Ca2+
iontů v apoplastu, ve vakuole či v ER je nejméně tisíckrát větší
než v cytosolu, probíhá transport otevřeným iontovým kanálem velmi rychle (asi 106
iontů za
sekundu!). Po odeznění signálu je vápník transportován zpět z cytosolu pomocí vápníkových
pump (Ca2+
-ATPáz) či pomocí Ca2+
/H+
sekundárně aktivních přenašečů. K signalizaci mohou
sloužit i rychlé změny (oscilace, vlny) koncentrace Ca2+
v buňce. Úloha iontů vápníku je pro
vnitrobuněčnou signalizaci skutečně zásadní, je totiž známo více než sto enzymů
aktivovaných navázáním Ca2+
. Aktivace neprobíhá současně v celém vnitřním prostoru
buňky, nýbrž je lokalizovaná jen na místa s výskytem enzymu který má být aktivován.
Přenos signálu pomocí proteinkináz může probíhat zcela nezávisle na iontech vápníku.
Obvyklá cesta navazujících aktivací je: receptor  G-protein  proteinkináza  efektor,
existují ovšem i další alternativní cesty a častá je taky funkce některých proteinkináz jako
primárních receptorů signálu. U rostlin, stejně jako u živočichů, bývá někdy signál přenášen
pomocí kaskády proteinkináz, ve které kináza aktivující efektorový protein je nejprve
aktivována jinou (specifickou) kinázou, která ale opět vyžaduje aktivaci dalším typem
kinázy - jedná se tedy o soustavu nejméně tří na sobě závislých kináz typu MAPK (mitogen
activated protein kinases).
Popsaný způsob přenosu signálu je používán nejen za stresových situací, ale i k přenosu
informací koordinujících růstové procesy, kdy primárním (vnějším) signálem může být záření
či fytohormony. Za stresových situací však význam rychlé signalizace zvláště výrazně stoupá
a k druhotným přenosům se využívají i některé další sloučeniny (např. peroxid vodíku,
glutation, askorbát, jasmonáty a polyaminy).
b) Tvorba stresových proteinů
Pod vlivem náhlého působení stresových faktorů a za asistence příslušných receptorů s
navazujícím řetězcem vnitrobuněčných přenašečů signálů dochází často již během jedné
hodiny k velmi dramatickým změnám v kvantitativním i kvalitativním zastoupení proteinů v
buňkách. Tvorba některých prudce stoupá, tvorba jiných se naopak zastavuje. V hojné míře
se ale také syntetizují proteiny, které se za normálních okolností vůbec nedají v buňkách
zjistit. Změny v syntéze proteinů obvykle kulminují několik hodin po začátku působení
stresoru. Poté dochází k pomalému návratu do původního stavu. Z několika desítek proteinů,
jejichž syntéza se prudce zvyšuje (stresové proteiny), jen jistá část je specificky vázána na
určitý stresový faktor. K indukci mnoha dalších dochází zcela pravidelně pod vlivem stresu
obecně, tedy bez ohledu na to, jakým typem stresoru je vyvolán.
Nově tvořené stresové proteiny mají velmi rozmanitou velikost i funkci. Není příliš
obtížné rozdělit je pomocí vhodných detekčních metod (např. pomocí dvojrozměrné gelové
elektroforézy, přesněji pak pomocí hmotností spektrometrie) do skupin podle molekulové
hmotnosti, která bývá obvykle v rozmezí od 8 do 260 kDa. Mnohem obtížnější je určit jejich
funkci. Nejčastěji se jim přisuzuje významná úloha v ochraně strukturní integrity proteinů,
nukleových kyselin a membrán (např. udržováním hydratačních obalů), a podílí se také na
odstraňování či reparaci poškozených buněčných struktur. Někdy se jedná o konstitutivní
proteiny, které patří k pravidelné výbavě všech buněk, ovšem za stresu se jejich množství
mnohonásobně zvyšuje. Často plní funkci chaperonů, které slouží nejen k řízení změn
konformace proteinů při transportech přes membrány, ale jsou schopny upravit jejich
konformaci i při mírném poškození. Pokud ovšem dojde k velkým, nenapravitelným
změnám, pak je takový protein „označen“ malou molekulou ubikvitinu a rozložen pomocí
proteáz na aminokyseliny, které jsou využity k syntéze nových proteinů.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 6
c) Koordinace stresových reakcí pomocí fytohormonů
Pro zvýšení odolnosti vůči stresům je obvykle výhodné, aby reakce v jednotlivých
buňkách probíhaly koordinovaně, a to i v okolí postiženého místa. To je zvláště důležité při
mechanickém poranění rostliny či při pronikání patogenní houby. K šíření signálů mezi
buňkami i na delší vzdálenosti využívají rostliny hlavně fytohormony. I když jsou to
sloučeniny značně mobilní a mohou pronikat nejen k receptorům v plazmatické membráně,
ale až do buněčného jádra, jejich působení na buněčné funkce (zejména na aktivaci genů) je
téměř vždy zprostředkováno pomocí některého z článků vnitrobuněčné soustavy přenosu
signálu, jak již bylo popsáno v kapitolách o fytohormonech ve 3. části učebních textů.
Kyseliny abscisová (ABA), etylén a brassinosteroidy patří ke základním fytohormonům,
jejichž zvýšená tvorba pravidelně provází působení většiny stresorů. Známe již desítky genů
aktivovaných za stresových situací těmito fytohormony, ovšem zdaleka ještě neznáme
význam všech nově syntetizovaných produktů. Vedle vyloženě kladných účinků (např.
aktivace tvorby stresových proteinů a některých hydroláz) mají i výrazné inhibiční účinky na
tvorbu některých enzymů (např. Rubisco, -amyláza, aj.), což vede ke zpomalení růstu.
Význam ABA a brassinosteroidů pro zvýšení odolnosti vůči suchu a mrazu je všeobecně
uznáván, úloha etylénu je již poněkud nejednoznačná - kromě aktivace antistresových
mechanismů působí i rychlejší stárnutí postižených orgánů.
Jasmonáty (kyselina jasmonová, metyljasmonát), polyaminy (především spermin,
spermidin a putrescin) a kyselina salycilová patří také k látkám fytohormonálního typu,
jejichž koncentrace za stresů roste a jejichž ochranný účinek byl bezpečně prokázán. Jejich
větší významnost je však omezena jen na některé taxonomické skupiny rostlin.
d) Tvorba a odstraňování reaktivních forem kyslíku
Stresové reakce rostlin jsou neodmyslitelně spojeny se zvýšením tvorby reaktivních forem
kyslíku (singletní kyslík, superoxidový radikál, hydroxylový radikál a peroxid vodíku), ale
současně i se zvýšením potenciálu pro jejich odstraňování. Mechanismus jejich vzniku i
způsob odstraňování je dosti různý. Také úloha těchto látek ve stresovaných rostlinách je
značně rozmanitá a do jisté míry rozporná. Jednak vznikají jako nebezpečné produkty při
působení řady stresových faktorů, jednak mohou mít kladnou úlohu jako signály či ochranné
látky při některých typech stresů.
Tvorba reaktivních forem kyslíku probíhá u všech rostlin, a to i při jejich růstu v
optimálních podmínkách. Je nevyhnutelně spojena s transformací energie a s redoxními
reakcemi v různých částech buňky včetně buněčné stěny. Stresové faktory mohou tuto tvorbu
podstatně zrychlit, a to zejména:
 selektivním ovlivněním metabolických reakcí spojených s redoxními výměnami,
 celkovým poškozením metabolismu a tím i poklesem účinnosti antioxidačních systémů.
První sloučeninou vznikající částečnou redukcí kyslíku je superoxid a jeho další redukcí
dochází ke tvorbě peroxidu vodíku:
O2 + e
O2
-
(1)
O2
+
e+
2H+
 H2O2 (2)
Reakce (1) vyžaduje dodání energie, zatímco reakce (2) probíhá samovolně, ovšem velmi
pomalu. Katalytickým působením enzymu superoxiddismutázy se její průběh velmi zrychluje.
Superoxid a peroxid vodíku nejsou příliš nebezpečné sloučeniny, ale jejich společný
výskyt může vést ke vzniku vysoce reaktivního hydroxylového radikálu (OH
.
):
O2
+
H2O2  OH
.
+ OH
+
O2 (3)
Tvorba hydroxylového radikálu je velmi zrychlována v přítomnosti železnatých či
měďnatých iontů:
Fe2+
+ H2O2  OH
.
+ OH
+
Fe3+
(4)
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 7
Největší množství aktivních forem kyslíku se vytváří v chloroplastech, vznikají však i v
mitochondriích a v jiných membránových systémech (plazmalema, tonoplast, peroxisomy,
glyoxysomy). Ve většině případů jako redukční činidlo slouží NAD(P)H ve spojení s
příslušnou NAD(P)H oxidázou.
Negativní působení reaktivních forem kyslíku spočívá především v peroxidaci lipidů.
Nejvíce náchylné jsou membránové lipidy s vysokým obsahem nenasycených mastných
kyselin. Poškozeny mohou být i některé aminokyseliny, proteiny a nukleové kyseliny,
přičemž nejvíce náchylný k poškození je histidin, metionin, tryptofan a guanin.
Mechanismy ochrany před oxidativním poškozením: Nejuniverzálnější ochranu před
poškozením reaktivními formami kyslíku ve všech částech buňky poskytují některé
specializované enzymy a antioxidační substráty. K hlavním enzymům patří především již
zmíněná superoxiddismutáza (SOD), která katalyzuje přeměnu superoxidu na peroxid
vodíku. V rostlinách se vyskytují dokonce tři typy SOD (Cu/Zn SOD, Mn SOD a Fe SOD), a
ve většině buněčných organel nacházíme alespoň jeden z nich. Peroxid vodíku je dále
rozkládán buď katalázou (především v peroxisomech a glyoxisomech), nebo
askorbátperoxidázou (AP, zejména v chloroplastech, kde chybí kataláza, někdy i v cytosolu
jinými typy peroxidáz). K reakci katalyzované AP je nutný askorbát a k regeneraci
vznikajícího dehydroaskorbátu také redukovaná forma glutationu, společně s enzymy
dehydroaskorbátreduktázou a glutationreduktázou. Klíčovou úlohu v antioxidační ochraně
hraje askorbát a glutation. Obou sloučenin bývá zejména v chloroplastech velké množství.
Askorbát může reagovat se superoxidem a singletním kyslíkem i přímo, bez účasti enzymů,
navíc přispívá k regeneraci -tokoferolu (vitamin E), významné lipofilní sloučeniny chránící
membránové lipidy před peroxidací.
Schéma inaktivace superoxidu a peroxidu vodíku s navazujícími regeneračními cykly askorbátu a
glutationu s finální redukcí pomocí NADPH.
Protistresová úloha reaktivních forem kyslíku dosud není uspokojivě prozkoumána ve
všech souvislostech. Zcela zásadní roli mají nepochybně v hypersensitivní reakci (bude blíže
popsána později). Peroxid vodíku je zapojen i do dalších obranných reakcí rostliny při
napadení patogeny. Zrychluje tvorbu ligninu (a tedy zpevnění buněčné stěny), může působit
na otevření vápníkových kanálů - vtok Ca2+
má pak dalekosáhlé aktivační účinky. V
součinností s kyselinou salycilovou (ta je schopna inaktivovat katalázu a tím dočasně udržet
zvýšenou koncentraci peroxidu vodíku v buňce) indukuje tvorbu některých stresových
proteinů. Funkce peroxidu vodíku jako přenašeče signálu pro expresi některých genů je
významná i u živočichů a bakterií.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 8
Působení abiotických stresových faktorů
Záření jako stresový faktor
Ultrafialové (UV) záření v oblasti vlnových délek 200 až 400 nm představuje jen asi 7 % z
celkového slunečního záření dopadajícího na naši planetu. UV záření kratších vlnových
délek, označované jako UV-C (200 až 280 nm), a částečně i UV-B (280 - 320 nm) je z větší
části absorbováno v atmosféře Země, zejména pak ve stratosférické ozónové vrstvě. Nejméně
je atmosférou filtrována oblast UV-A (320-400 nm), která však má na živé organismy
mnohem méně škodlivý účinek než pronikající zbytek záření UV-B.
UV záření s kratší vlnovou délkou (B, C) je velmi silně absorbováno celou řadou
biologicky významných sloučenin, zvláště pak aromatickými aminokyselinami a nukleotidy,
a tudíž i makromolekulami proteinů a nukleových kyselin. Po absorbci UV záření dochází u
excitovaných molekul k fotochemickým reakcím, které poškozují jejich normální funkce. K
nejčastějším změnám u proteinů patří fotooxidace thyrosinu a tryptofanu, a také rozštěpení
disulfidických můstků mezi cysteinovými zbytky, které zajišťují správnou terciární strukturu
proteinů. U nukleových kyselin dochází po excitaci ke vzniku nových vazeb mezi blízkými
pyrimidinovými nukleotidy. Zvláště častá je tvorba dimerů thyminu uvnitř jednoho či mezi
dvěma vlákny DNA - následkem jsou poruchy v replikaci DNA i v expresi genetické
informace. UV záření může způsobit u rostlin také poškození asimilačního aparátu a tím
snížení rychlosti fotosyntézy. Nejvíce citlivé jsou proteiny D1 a D2 ve fotosystému II, a také
proteiny centra oxidace vody. Poškozeny však mohou být i asimilační pigmenty a redoxní
systémy, zejména plastochinony.
V horní části obrázku je uvedeno zastoupení UV-záření ve spektru slunečního záření jednak nad
stratosférou a jednak po průchodu atmosférou s neporušenou ozónovou vrstvou na zemský povrch. V
dolní části obrázku jsou uvedeny křivky relativní absorbance některých významných součástí buněk
Adaptace rostlin směřující k omezení škodlivých účinků UV záření spočívá především v
zamezení jeho vstupu do vnitřních částí exponovaných orgánů, zejména tedy do asimilačního
parenchymu listů. Velmi účinnou ochranu představují kutikulární vosky na vnějším povrchu
a flavonoidní pigmenty ve vakuolách epidermálních buněk. Při vyšších dávkách UV záření
se syntéza ochranných pigmentů velmi rychle zvyšuje.
K rychlé opravě poškozených nukleových kyselin slouží především skupina specifických
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 9
enzymů fotolyáz, které štěpí vazby nově vzniklých dimerů. Tento proces se nazývá
fotoreaktivace. Fotolyázy jsou flavoproteiny aktivované krátkovlnným zářením (370 - 450
nm). Radiační energie zachycená flavinovým chromoforem a přenesená na redoxní skupinu
FADH (na tomtéž proteinu) je využita ke štěpení nežádoucího dimeru. Kromě toho může být
poškozená DNA opravena, i když pomaleji, pomocí jiných enzymatických systémů
(endonukleázy, DNA-polymerázy, ligázy). Poškozené proteiny je obvykle nutno rozložit a
nahradit novými. Rychlost resyntézy proteinů tedy rozhoduje době nutné k návratu
buněčných funkcí do původního stavu.
V běžných přírodních podmínkách dochází jen velmi zřídka k vážnějšímu poškození
vyšších rostlin UV zářením. Výsledky pokusů ukazují, že i při zvýšení toku UV-B záření na
zemský povrch o 10 % (v důsledku oslabení filtrační vrstvy ozónu ve stratosféře) budou
ochranné mechanismy většiny běžných druhů rostlin ještě dostatečně spolehlivě chránit před
vážnějším poškozením. Nesmíme však zapomínat na skutečnost, že rostliny pěstované ve
stínu či v umělých podmínkách (např. ve sklenících - sklo nepropouští UV záření!) nemají
dostatečně vyvinuté strukturní ani funkční ochranné mechanismy vůči působení UV záření a
při jejich náhlém přemístění na volné prostranství může k poškození dojít.
Viditelné záření (světlo) v oblasti vlnových délek 400 až 700 nm představuje
energeticky nejbohatší část spektra slunečního záření a je listy rostlin velmi účinně
absorbováno. K absorbci slouží hojné asimilační pigmenty napojené na centra zpracování
zachycené energie ve fotochemickch procesech. Ne vždy však může být veškerá absorbovaná
energie také skutečně využita. Plně osluněné listy absorbují mnohem více záření, než mohou
fotochemicky zpracovat. Rostliny jejichž růst a metabolismus je zpomalen např. nízkými
teplotami či nedostatkem vody, mají možnosti využití radiační energie ještě menší, přesto
však i v jejich listech probíhá absorbce záření a přenos excitonů do asimilačních center.
Zpracování velkých dávek absorbované radiační energie v chloroplastech je pro všechny
rostliny velmi nebezpečná operace, neboť v relativně uzavřeném prostoru s vysokou
koncentrací kyslíku se vytvářejí silná oxidační i redukční činidla, která mohou poškodit velmi
jemné struktury tylakoidní membrány. K závažným změnám struktury a funkce
fotosyntetického aparátu působením světla také skutečně běžně dochází - souhrnně jsou
označovány jako fotoinhibice. Projevují se snížením jak maximální rychlosti fotosyntézy (při
saturační ozářenosti), tak snížením hodnot kvantového výtěžku. Toto snížení bývá obvykle
plně vratné, i když až po několika hodinách či dnech.
Mechanismus vzniku fotoinhibice je v současné době velmi intenzivně studován a naše
poznatky o něm nejsou tudíž zdaleka ještě úplné. Víme však, že nejvíce náchylný na
poškození je fotosystém II, ve kterém dochází k oxidaci vody a k počátku přenosu
uvolněného elektronu necyklickou cestou. Při nedostatečné rychlosti odvodu elektronů z
fotosystému II (např. v důsledku hromadění nevyužitých produktů primárních procesů
fotosyntézy, ATP a NADPH) zůstávají po delší dobu v plně redukovaném stavu volné
plastochinony i chinony QA a QB. Nejsou tedy schopny přijímat elektron, který je předáván z
chlorofylu P680 na feofytin. Rekombinací náboje mezi oxidovaným chlorofylem P680 a
redukovaným feofytinem dojde k přechodu molekuly P680 do tripletního stavu. Následnou
reakcí s běžným (tripletním) kyslíkem vzniká vysoce reaktivní singletní kyslík. Ten pak může
způsobit poškození součástí elektontransportního řetězce ve fotosystému II a poškození
vlastního proteinu D1. Popsaný sled událostí se označuje jako fotoinhibice na akceptorové
straně a přítomnost kyslíku je zde nutná. Avšak i bez účasti kyslíku může dojít k fotoinhibici,
a to zejména tehdy, když je omezena funkčnost centra štěpení vody a nelze tudíž zajistit
dostatečně rychlou redukci molekuly chlorofylu P680. Tato molekula je po separaci náboje
mimořádně silným oxidačním činidlem schopným poškodit součásti reakčního centra
(fotoinhibice na donorové straně).
K fotoinhibici může docházet i poškozením fotosystému I, ale již méně často. Také zde
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 10
může vznikat tripletní molekula chlorofylu reakčního centra P700 a tím i reaktivní singletní
kyslík. Dalším toxickým produktem necyklického transportu elektronů je superoxidový
radikál, který vzniká přenosem elektronů z redukovaného ferredoxinu na kyslík (Mehlerova
reakce, viz dále), a může poškodit redoxní systémy ve fotosystému I. Singletní kyslík,
superoxid a další odvozené formy aktivního kyslíku vznikající jako vedlejší, nežádoucí
produkty fotochemických procesů, mohou poškozovat nejen fotosystémy, ale i jiné součásti
chloroplastu, včetně chlorofylu, membránových lipidů, enzymů a nukleových kyselin.
Ochrana asimilačního aparátu před poškozením zahrnuje jednak regulační mechanismy
které směřují k předcházení vzniku fotoinhibice, a jednak mechanismy směřující k nápravě
škod, tedy zejména k rychlé obměně poškozených proteinů a k rychlému odstraňování
reaktivních forem kyslíku. Zmíním se stručně alespoň o těch nejdůležitějších.
a) snížení účinnosti funkce světlosběrných komplexů (antén).
Asimilační pigmenty v anténách absorbují většinu dopadajícího záření a zachycenou
energii jsou schopny s velkou účinností (až 85 % u fotosystému II) převést do reakčních
center k využití ve fotochemických procesech. Zbývající část se ztrácí přeměnou na teplo (asi
10 %) a na fluorescenční záření (5 %). Přeměnou na teplo (nepřímo, reakcí s karotenoidy)
jsou deexcitovány hlavně ty molekuly chlorofylu, které přešly do tripletního stavu.
Karotenoidy v anténách za normálních podmínek tedy velmi účinně brání reakci tripletních
chlorofylů s kyslíkem, která by vedla ke vzniku nebezpečného singletního kyslíku. V případě
nadbytku radiační energie lze pozorovat aktivaci dalších systémů ochrany, jejichž smyslem je
snížit množství energie převáděné z antén k reakčním centrům:
 dochází ke strukturním změnám ve vnějších anténách fotosystému II, a sice k aglomeraci
molekul chlorofylu, k agregaci proteinpigmentových jednotek a dokonce i k odpojení části
antén od fotosystému II a k jejich přesunu k fotosystému I.
 dochází k podstatnému zvýšení deexcitační činnosti karotenoidů, které přebírají a
přeměňují na teplo energii nejen od tripletních, ale i od singletních excitovaných molekul
chlorofylu, a v případě potřeby zneškodňují i singletní kyslík.
Obě tyto reakce "automaticky", reversibilně a hlavně velmi rychle reagují na aktuální
energetickou potřebu fotochemických procesů pomocí citlivosti na změny pH v lumen
tylakoidu. Při nasycení fotochemických procesů zářením dochází k zvláště velkému
nahromadění vodíkových iontů v lumen (není dostatek ADP pro tvorbu ATP) a nízké pH
aktivuje enzymy které se podílejí na zmíněných změnách. Ochranná funkce xantofylů při
přeměně nadbytku radiační energie na teplo je mimořádně významná - zvláště účinný je v
tomto směru zeaxantin, který se vytváří snadnou deepoxidací z neúčinného violaxantinu
právě jen za nadbytku záření a poklesu pH v lumen:
Schéma funkce xantofylového cyklu při regulaci přeměn excitační energie ve světlosběrných
komplexech. Aktivita deepoxidázy je stimulována nízkým pH (= za silného záření), naopak epoxidáza
má optimální funkci při pH 7,5 a je tedy nejvíce aktivní za tmy či za velmi slabého záření.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 11
b) snížení účinnosti vlastních fotochemických procesů.
Hromadění produktů primárních procesů fotosyntézy, ať už v důsledku jejich příliš rychlé
tvorby (vysoká ozářenost), nebo jejich malé spotřeby (zpomalení růstu působením stresu)
vede ke zpomalení až zastavení fotochemických procesů, a tím i ke zvýšení nebezpečí
fotodestrukce. Snížení účinnosti energetických přeměn v primárních procesech fotosyntézy,
tedy i snížení rychlosti tvorby ATP a NADPH, může být v uvedených případech výhodné,
neboť umožňuje zachovat po delší dobu transport elektronů. Jednou z cest ke snížení
účinnosti primárních procesů by mohl být přenos části elektronů z plastochinonů na
cytochrom b559, který je součástí fotosystému II, a jejich návrat zpět do reakčního centra na
chlorofyl P680. O skutečné významnosti tohoto cyklického transportu ve fotosystému II u
rostlin v přírodních podmínkách však dosud mnoho nevíme.
Nepochybně významný je však jiný způsob "znehodnocení" transformované energie, a to v
samém závěru lineárního transportu elektronů, které z redukovaného ferredoxinu nepostupují
obvyklou cestou na NADP, nýbrž redukují kyslík (Mehlerova reakce). Vznikající silně
reaktivní superoxid je ale nutno velmi rychle inaktivovat pomocí enzymu superoxiddismutázy
a navazující série reakcí v přítomnosti antioxidačních substrátů, askorbátu a
glutationu, kterých je v chloroplastech vždy velké množství. Reakce již byly schematicky
znázorněny na straně 7. Je zřejmé, že se při nich spotřebovává i jisté množství NADPH.
Zachování lineárního toku elektronů pomocí Mehlerovy reakce i při nedostatku obvyklého
akceptoru (NADP) pomáhá tedy udržovat transport protonů do lumen tylakoidu. Nízké pH v
lumen, jak již víme, má zásadní důležitost pro správnou funkci dalších ochranných
mechanismů, především xantofylového cyklu.
c) snížená rychlost opravy fotosystému II.
Poškození proteinu D1 ve fotosystému II je nejčastějším průvodním znakem fotoinhibice.
Současně je však možná i jeho velmi snadná výměna (syntéza probíhá v chloroplastu a je
mimořádně rychlá!). K výměně poškozeného proteinu se však musí celý fotosystém přemístit
z přitisknuté (granální) části tylakoidní membrány do volné (stromatální) části. Ukazuje se, že
snadná inaktivace proteinu D1 může být vlastně velmi účinným způsobem ochrany ostatních
částí chloroplastu před poškozením. Proces obnovy proteinu D1 je totiž zajímavě regulován.
Jeho syntéza se zrychluje se vzestupem ozářenosti, ovšem po dosažení saturačních hodnot se
opět zpomaluje. Většina inaktivovaných fotosystémů zůstává za nadměrné ozářenosti ve
granální části membrán a absorbované záření se v nich přeměňuje na teplo. Teprve po
poklesu ozářenosti přestávají plnit ochrannou funkci a jsou rychle opraveny.
Stresové účinky příliš vysokých a nízkých teplot
Vliv vysokých teplot
Při zvýšení teploty zhruba nad 40°C dochází u většiny druhů rostlin k zásadním změnám
ve fyzikálně-chemických vlastnostech buněčných membrán i proteinů. U některých zvláště
citlivých druhů lze tyto změny zaznamenat již v teplotním intervalu 35 až 40°C. Lipidová
vrstva membrán přechází do lamelárně-kapalného (superfluidního) stavu, ve kterém nemůže
plnit svoje základní funkce. Stává se propustnou pro ionty a přestává poskytovat dostatečně
pevnou oporu pro membránové proteiny. U proteinů (nejen membránových) dochází navíc za
vysoké teploty ke změnám konformace a tím i ke ztrátě jejich funkce.
K nejdříve postiženým pravidelně patří thylakoidní membrány v chloroplastech. Velmi
nápadným indikátorem vznikajícího stresu je poškození fotosystému II, které lze lehce zjistit
měřením fluorescence chlorofylu in vivo. Za zvyšující se teploty dochází nejprve k rozpadu
jednotlivých částí fotosystému (především k odtržení světlosběrných komplexů), a teprve až
později k denaturaci proteinů.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 12
Jinou rychlou metodou k určování stupně odolnosti k vysokým teplotám je mikroskopické
pozorování buněk za postupného zvyšování jejich teploty. Dosažení kritické teploty se
projeví zastavením proudění cytoplazmy v důsledku rozpadu cytoskeletu.
Teplotní rozmezí přechodu membránových lipidů do tekutého stavu, vedoucí ke ztrátě
funkčnosti membrány, závisí hlavně na jejich chemickém složení. Ke zvýšení kritické teploty
(a tím i ke zvýšení odolnosti k vysokým teplotám) přispívá vyšší podíl nasycených mastných
kyselin (v poměru k nenasyceným kyselinám), a také vyšší obsah sterolů v lipidové vrstvě.
Stavová změna lipidové vrstvy je vratná a při poklesu teploty pod kritickou hodnotu dochází
rychle k obnovení původní struktury a funkce. Poškození termolabilních proteinů, včetně
enzymů s klíčovým postavením v metabolických a transportních procesech, je mnohdy
nevratné a je nutné je nahradit novými. Obnova normálního provozu buňky po snížení teploty
tedy závisí na tom, do jaké míry zůstala zachována funkčnost proteosyntetického aparátu.
Celkový stupeň poškození buněk je dán součinem aktuální teploty a doby jejího působení.
Při teplotách nad 50 až 55°C i krátkodobé působení, trvající několik desítek minut, způsobuje
nevratné poškození exponovaného orgánu a jeho odumření. K vzácným výjimkám patří
některé vytrvalé druhy rostlin z teplých pouští a polopouští. Zejména pak sukulenty, které se
velmi špatně "zbavují" tepla jak konvekcí (malý povrch), tak i výparem (mají zavřené
průduchy v nejteplejší části dne). U několika druhů nopálu (Opuntia) bylo dokázáno úspěšné
přežití teplot 60 až 65°C po dobu několika desítek minut. To už je ale skutečně horní hranice
termotolerance pro eukaryotní organizmy v aktivním stavu; odolnější jsou již jen některé
sinice a bakterie žijící např. v horkých pramenech při teplotách blízkých bodu varu.
V dormantním stavu mají rostliny vyšší odolnost k přehřátí než za aktivního růstu. Zcela
mimořádně odolná jsou semena, která v některých případech přežívají bez poškození
krátkodobé zvýšení teploty na 120°C. Semena některých druhů rostlin z oblastí s častým
výskytem požárů dokonce takové teploty vyžadují ke stimulaci klíčení.
Aklimační reakce na zvýšenou teplotu lze pozorovat již za necelou hodinu od začátku
působení, a to především ve výrazných změnách v zastoupení proteinů. Ke změnám
chemického složení membrán dochází pomaleji, obvykle až za několik dní. Díky aklimačním
změnám může být kritická teplota posunuta až o pět stupňů .
Proteiny indukované zvýšenou teplotou (heat shock proteins, HSP) patří k nejdéle
známým a také k evolučně nejstarším, neboť řada z nich se vytváří při zvýšení teploty
(přibližně nad 35 °C) jak u rostlin a živočichů, tak i u bakterií a hub. K indukci jejich tvorby
dochází po navázání specifických proteinů regulujících transkripci (heat-shock factors) na
příslušné úseky DNA (heat-shock elements) v těsné blízkosti genů pro HSP. Regulační
proteiny jsou přítomny v buňkách stále, ovšem v nefunkčním stavu, a. k jejich aktivaci dojde
až po náhlém zvýšení teploty.
Závislost rychlosti růstu na teplotě u mladých rostlin prosa (C4 rostlina s optimem růstu za vyšších
teplot!). Plná čára - kontrolní rostliny pěstované při teplotě 35°C, čárkovaně jsou vyznačeny reakce
rostlin vystavených 24 hodin před měřením teplotě 45°C (po dvě hodiny).
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 13
Poškození rostlin chladem
Mnoho tropických a subtropických rostlin, u nás pak některé užitkové rostliny původem z
teplejších oblastí (např. okurky, rajčata, papriky a kukuřice), mohou být vážně poškozeny
nízkými teplotami ještě nad bodem mrazu (chladem). Doba po kterou chlad působí je velmi
důležitá. Například listy okurky jsou poškozeny při teplotě +10°C až po týdenní expozici, při
+8°C již za 3 dny a při +3°C již během několika hodin. Velmi citlivé na chlad jsou také
květní orgány v raném stadiu vývoje a v průběhu gametogeneze, a to i u rostlin, jejichž
vegetativní orgány na chlad citlivé nejsou.
Většina proteinů není nízkými teplotami poškozována, a tak primární účinky nepříznivého
působení chladu je nutno hledat především ve změně fyzikálně-chemických vlastností
membrán. Pokud jejich lipidová vrstva přejde z optimální polotekuté konzistence do stavu
pevného gelu, nedaří se již udržovat dokonalou celistvost membrány, a to zejména v
důsledku oslabení vazby lipidů k membránovým proteinům. Volná propustnost membrán pro
ionty vede ke ztrátě transmembránového potenciálu, k zastavení selektivního a aktivního
transportu, a také k poruše osmotických funkcí, včetně udržování turgorového tlaku.
Propustnost thylakoidních membrán v chloroplastech a vnitřní membrány mitochondrií
znemožňuje nahromadění vodíkových iontů při transportech elektronů, a není tudíž možné
vytvářet ATP pomocí H+
-ATP-syntáz. Po jisté době trvání tohoto stavu (několik hodin až
dní) musí nutně dojít k vyčerpání energetických zdrojů a k odumření buňky.
K poruše struktury a funkce membrán při působení chladu může dojít i nepřímo
peroxidací membránových lipidů. Nebezpečí oxidativního poškození membrán vzrůstá za
nízkých teplot hlavně proto, že jsou zpomaleny až zastaveny růstové procesy. Hromadění
nevyužitých produktů fixace CO2 v chloroplastech působí inhibičně na tvorbu produktů
fotochemických procesů a přebytek excitační energie vede k tvorbě reaktivních forem
kyslíku. Obecné zpomalení všech biochemických procesů za nízkých teplot vede, kromě
jiného, i ke snížení rychlosti syntézy antioxidačních substrátů, což jen přispívá ke zvýšení
nebězpečí oxidačního poškození.
Za nízkých teplot bývají zjišťovány i změny ve struktuře cytoskeletu (depolymerace
mikrotubulů). Z organel jsou nejcitlivější na nízké teploty chloroplasty, méně již
mitochondrie a peroxisomy. Tonoplast a plazmatická membrána patří k relativně nejvíce
odolným buněčným strukturám.
Aklimační změny za nízkých teplot jsou spojeny s hromaděním osmoticky aktivních látek,
s tvorbou stresových (chladových) proteinů, s tvorbou "antioxidačních" enzymů a substrátů, a
se změnami chemického složení lipidové vrstvy membrán. Zvyšuje se v ní zastoupení
nenasycených mastných kyselin, které vede ke snížení kritické teploty přechodu lipidů do
gelového stavu. Na řízení aklimačních změn se podílejí i některé fytohormony, ze kterých
nejvýznamnější úlohu má kyselina abscisová.
Změny struktury biologických mebrán pod vlivem nízké teploty
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 14
Poškození rostlin mrazem
Při poklesu teplot pod nulu °C (= mráz) již voda může přejít do pevného skupenství, což
představuje pro všechny rostliny vážné nebezpečí. Toto nebezpečí vyplývá nejen z možného
mechanického poškození buněk krystalky ledu, ale i z náhlého snížení tenze vodních par nad
ledovými krystalky (tedy velké "suchosti" vzduchu). Led se může tvořit ve všech vodou
bohatých strukturách, v symplastu i v apoplastu, tedy i v cévách a sítkovicích. Led vytvořený
uvnitř živých buněk vede téměř vždy k jejich rychlému odumírání, ovšem tento typ mrznutí
se však vyskytuje jen výjimečně u zcela neodolných rostlin či při velmi rychlém poklesu
teploty. Daleko nejčastěji dochází k tvorbě ledu jen v apoplastu, tedy především v buněčných
stěnách a ve xylému.
Voda v apoplastu rostlin začíná mrznout při teplotách -1 až -3°C, v závislosti na obsahu
osmotik, které snižují bod tuhnutí. Avšak ani při teplotách nižších než je očekávaný bod
tuhnutí nemusí ještě nutně dojít k tvorbě ledu. Pokud nejsou přítomná vhodná krystalizační
jádra, zůstává voda v apoplastu i v symplastu v tekutém podchlazeném (metastabilním) stavu,
a to v krajním případě až do teploty -38°C, kdy už dochází ke spontánní krystalizaci. K
iniciaci krystalizace podchlazené vody v apoplastu mohou přispívat i látky (včetně
specifických proteinů) vylučované do prostředí některými druhy bakterií, které žijí na
povrchu listů (např. Pseudomonas syringae, Erwinia herbicola - jejich odstranění vede k
výraznému zvýšení odolnosti k mrazu!).
Při delší době trvání mrazu se krystalky ledu postupně rozrůstají. Růst krystalů je
podporován transportem vody z cytosolu v důsledku značně nízkého vodního potenciálu na
povrchu ledu (při -5°C jen asi -6 MPa!). Při překročení jisté hranice procesu mrznutí, která je
specifická pro různá pletiva a druhy, dochází k nevratnému poškození buněk. Bezprostřední
příčinou odumírání může být jednak silná dehydratace buněčného obsahu, jednak roztržení
buněčné stěny a plazmalemy krystalky ledu z apoplastu. Pronikající krystaly také indukují
tuhnutí zbytků tekuté vody udržované v podchlazeném stavu uvnitř buňky.
Odolnost rostlin vůči mrazu (mrazuvzdornost) je založena v prvé řadě na schopnosti
zabránit vzniku ledu uvnitř buněk (v symplastu) a dlouhodobě tolerovat přítomnost ledu v
apoplastu (omezit jeho mechanické i dehydratační účinky). Snížení bodu tuhnutí roztoků v
symplastu je možné přítomností velkého množství osmoticky aktivních látek (cukrů,
aminokyselin, polyalkoholů ...). Tyto sloučeniny mají současně i významný vliv na tlumení
negativních účinků dehydratace (společně s některýni stresovými proteiny, viz níže). Další
možností je schopnost udržovat po dlouhou dobu vodu v symplastu v tekutém podchlazeném
stavu, což je podmíněno odstraněním všech látek, které by mohly sloužit jako krystalizační
jádra. K omezení destrukčních účinků ledu vznikajícím v apoplastu. je nutná zvýšená
mechanická pevnost buněčné stěny.
Odolnost k extrémně nízkým teplotám (pod -25 až -30°C) je vždy spojena se schopností
snášet silnou dehydrataci buněk (vakuoly téměř mizí, voda zůstává v tenkých zbytcích
cytosolu okolo organel a plazmalemy). Bližší popis mechanismů, na kterých je založena
tolerance značného vyschnutí cytosolu, je uveden v následující kapitolce věnované vlivu
nedostatku vody na rostliny.
Proteiny indukované nízkou teplotou mají mimořádně významnou úlohu při zvyšování
odolnosti vůči chladu a mrazu. Časté jsou glykoproteiny a několik typů silně hydrofobních
proteinů s velmi účinnou schopností chránit některé enzymy před denaturací. Nízkou teplotou
je indukována exprese celé řady genů, která vede k syntéze jak kryoprotektantů a odolnějších
enzymů, tak i strukturních proteinů. Tak například v buněčných stěnách hrachu se po
několikadenním pěstování za teploty 2 °C zdvojnásobilo množství proteinů bohatých na
hydroxyprolin (především extensin), které zpevňují buněčnou stěnu o tím omezují poškození
při mrazové dehydrataci. Chladem a se také indukují specifické enzymy lipidového
metabolismu, jejichž činností dochází ke změnám složení lipidové vrstvy membrán.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 15
Zvláštní skupinu tvoří protimrazové proteiny (antifreeze proteins), které se objevují v
hojném množství v apoplastu mrazuvzdorných druhů po indukci nízkou teplotou. Mají
unikátní schopnost přilnutí (adsorbce) na povrch vznikajících krystalků ledu. Přístup dalších
molekul vody ke krystalku je pak omezen a jeho růst se velmi zpomalí. Tímto způsobem je
také inhibována rekrystalizace ledu, při které přednostně rostou velké krystaly na úkor
malých. Při vzniku velkých krystalků vždy vzrůstá nebezpečí mechanického poškození
buněčné stěny a plazmatické membrány.
Dosažení vysoké odolnosti k nízkým teplotám je spojeno s utlumením většiny buněčných
funkcí a vlastní proces dehydratace musí probíhat pomalu, řízeně. Nelze jí tedy dosáhnout
náhlým poklesem teploty ani trvale udržovat jako konstituční znak. Odolnost vůči mrazu má
z těchto důvodů silně sezónní charakter. I ty druhy, které jsou v zimním období vysoce
odolné (naše jehličnaté dřeviny, ozimé obiloviny, aj.), by v letních měsících utrpěly vážné
poškození při náhlém poklesu teplot pod -3 až -4°C.
Proces zvyšování odolnosti vůči mrazu (otužování) má u různých druhů odlišný charakter.
Nejsložitější bývá u dřevin, kdy k zastavení růstu a k některým dalším přípravným změnám
dochází již koncem léta. Pod vlivem postupně se snižujících denních teplot a zkracování
délky dne dochází pak k plynulému zvyšování odolnosti až do nástupu zimních mrazů. U
většiny mrazuvzdorných bylin je indukce odolnosti rychlejší a jednodušší, obvykle stačí
několik dnů s teplotami blízkými nule. Indukce odolnosti vůči mrazu je podmíněna
přítomností kyseliny abscisové ve zvýšené koncentraci a dostatkem asimilátů.
Průběh změn v odolnosti vůči mrazu u rostlin Arabidopsis thaliana po přenesení do kultivačního boxu s teplotním
režimem 4°C ve dne a 2°C v noci. Z obrázku je zřejmá jednak rychlost aklimačních změn, a jednak neschopnost
aklimace rostlin s poruchou tvorby kyseliny abscisové (ABA). Po ošetření rostlin postřikem ABA k aklimaci došlo.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 16
Vliv nedostatku vody na funkce rostlin
Ze všech abiotických faktorů, které omezují růst a produktivitu rostlinstva na
kontinentech naší planety, stojí na prvním místě nedostatek vody. Voda, na rozdíl od
minerálních živin, má velmi rychlý koloběh v ekosystémech a její zásoba v rostlinách i v
půdě stačí jen na poměrně krátkou dobu. Doplňování zásob vody srážkami bývá obvykle
nepravidelné, náhodné, a nejsou tedy vyloučeny ani delší periody sucha. Navíc vodní
potenciál vzduchu v okolí listů je po jistou část dne velmi nízký, a proto terestrické rostliny
ve všech typech prostředí jsou ohroženy vodním stresem.
K udržení maximální rychlosti růstu je zapotřebí udržovat plně turgescentní stav buněk,
což se však v denních hodinách daří jen velmi zřídka. Příjem oxidu uhličitého pro
fotosyntézu otevřenými průduchy je obvykle spojen s takovou ztrátou vody, jakou nelze
okamžitě nahradit. Nejvíce postiženým orgánem jsou vždy listy. U běžných mezofytních
druhů rostlin hodnoty vodního potenciálu listů do -0,5 MPa indikují působení mírného
vodního stresu, od -0,5 do - 1,5 MPa stres středně velký. Při hodnotách pod -1,5 MPa jde o
stres velmi silný, při kterém již často klesá turgorový tlak v buňkách listů na nulu a listy
začínají vadnout.
Nejcitlivější reakce na nedostatek vody bývá pravidelně zjišťována u dlouživého růstu
buněk postižených orgánů. Je to pochopitelné, vždyť rychlost růstu je od jisté prahové
hodnoty lineárně závislá na turgorovém tlaku. K měřitelnému zpomalení růstu dochází již při
velmi malé ztrátě vody, kdy turgor klesne jen o 0,1 až 0,2 MPa z maximální hodnoty (tomu
odpovídá pokles vodního potenciálu z nuly na přibližně -0,1 až -0,2 MPa). Úplné zastavení
růstu nastává při poklesu turgoru na prahovou hodnotu pro růst, která leží obvykle mezi 0,3
až 0,4 MPa. K zastavení růstu tedy dojde dříve než ke zjevnému vadnutí listu (nulový turgor),
či k ovlivnění hlavních metabolických procesů včetně fotosyntézy. V důsledku toho se v
rostlině hromadí nevyužité asimiláty.
Při dalším poklesu vodního potenciálu buněk zhruba na hodnotu -0,2 až -0,8 MPa
dochází k rychlým změnám aktivity enzymů. Aktivita některých se snižuje (např.
nitrátreduktázy), u jiných naopak stoupá ( -amyláza, ribonukleáza a některé dalších
hydrolázy). To má za následek změny v rychlosti mnoha procesů, dochází např. ke zrychlení
hydrolýzy škrobu a naopak ke zpomalení redukce nitrátů. Dále je snížena tvorba cytokininů a
zpomaluje se buněčné dělení.
Rozdíly mezi citlivostí růstových procesů a fotosyntézy na pokles vodního potenciálu u slunečnice.
Přibližně ve stejném rozmezí hodnot vodního potenciálu dochází v buňkách k velmi
podstatnému (až čtyřicetinásobnému) zvýšení koncentrace kyseliny abscisové, zejména v
listech, kde má za následek zavírání průduchů. Změna v otevřenosti průduchů pak vede ke
snížení rychlosti výměny plynů, a tím i rychlosti fotosyntézy a transpirace. Existuje řada
důkazů, že zvýšení koncentrace kyseliny abscisové je při působení vodního stresu řízeno
poklesem turgorového tlaku přes receptory mechanického napětí v plazmatické membráně,
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 17
nikoli tedy přímo změnami termodynamického stavu (chemického potenciálu) vody.
Při větším poklesu vodního potenciálu k hodnotám okolo -1,0 MPa dochází u mnoha
druhů k tvorbě aminokyseliny prolinu, jejíž koncentrace se zvyšuje často až stonásobně.
Některé druhy reagují syntézou jiných metabolitů, zejména cukrů, složitějších alkoholů
(polyolů) a kvartérních dusíkatých sloučenin (betainy). Tyto syntézy vedou k výraznému
zvýšení osmotického tlaku v buňkách (tzv. osmotické přizpůsobení, angl. osmotic
adjustment), které umožňuje osmotický příjem vody do buněk i za klesajícího obsahu vody (a
tím i sníženého vodního potenciálu) v apoplastu (včetně xylému) a v půdě okolo kořenů.
Zmíněné organické sloučeniny nenarušují ani ve větší koncentraci enzymatické procesy v
buňkách (= kompatibilní osmotika) a hrají také významnou úlohu pri ochraně hydratačních
obalů buněčných makromolekul (proteinů, nukleových kyselin) a biomembrán.
Jestliže se vodní potenciál listů dále snižuje (od -1,0 do -2,0 MPa), dochází již u běžných
mezofytních rostlin k vážným metabolickým změnám. Rychlost fotosyntézy klesá na nulu a
zpomalují se vnitrobuněčné transportní procesy. Aktivita hydrolytických procesů (a někdy i
rychlost respirace) se obvykle naopak zvyšuje. Překvapivě málo citlivé k vodnímu stresu jsou
dálkové transportní procesy v lýku. To umožňuje rostlinám i při velkém vodním deficitu
mobilizovat rezervy organických látek ve starších orgánech a přesunout je do mladších,
zejména pak do generativních orgánů k dokončení reprodukčního procesu.
Pokud v této pokročilé fázi vodního stresu dojde k doplnění ztrát vody, všechny buněčné
funkce se postupně vracejí do normálního stavu, i když tento návrat není okamžitý (obvykle
trvá několik dní). V případě delšího trvání nedostatku vody může silnou dehydratací dojít k
tak vážným změnám (především funkce membrán a organel), že odumření orgánu či celé
rostliny je nevyhnutelné.
Uvedené komplexní změny metabolických procesů v průběhu působení nedostatku vody
jsou spojeny s regulací genové aktivity, na které bezprostředně závisí zvyšování či snižování
rychlosti tvorby enzymů i strukturních proteinů, nepřímo pak rychlosti tvorby ostatních
metabolitů. Kyselina abscisová patří k významným mediátorům exprese genů pro stresové
proteiny za nedostatku vody.
Proteiny indukované dehydratací (dehydration-induced proteins) jsou do značné míry
podobné skupině chladových proteinů a také skupině stresových proteinů indukovaných
vysokým obsahem solí v půdě. Je to pochopitelné, protože jak za nízkých teplot, tak při
zasolení půdy jsou rostliny ohroženy dehydratací buněk. Je ale potřeba upozornit na to, že
tvorba části chladových proteinů je indukována pouze nízkou teplotou a nikoliv dehydratací
či kyselinou abscisovou. Dehydratace vyvolává především tvorbu enzymů nezbytných pro
zvýšení syntézy osmoticky aktivních látek. Tak např. k syntéze glycinbetainu z cholinu je
nutná cholinmonoesteráza a betainaldehyddehydrogenáza. Podstatně se zvyšuje tvorba řady
enzymů metabolismu sacharidů, což vede k hromadění jednoduchých cukrů a fruktanů. Jejich
významná úloha pro zachování funkčnosti membrán a stabilizaci struktury proteinů i za
pokročilého vodního stresu byla již mnohokrát dokázána.
Zvláštní skupinou asi dvaceti stresových proteinů které se nově vytvářejí při
nedostatku vody v buňkách jsou dehydriny. Jsou prakticky totožné s proteiny které se
hromadí při normálním (tedy nestresovém) procesu zasychání embrya v dozrávajících
semenech, a pro které bylo již dříve zavedeno označení LEA-proteiny (Late Embryogenesis
Abundant proteins). Nejčastěji se jim přisuzuje funkce ochrany strukturní integrity proteinů,
nukleových kyselin a membrán (udržováním hydratačních obalů), a také spoluúčast na
reparaci poškozených buněčných struktur.Tvorba dehydrinů je regulována fytohormonálně
(především kyselinou abscisovou a brassinosteroidy). Pro přežití silné dehydratace jsou
naprosto nezbytné.
Suchovzdorné rostliny (xerofyty nesukulentního typu), rostoucí v aridních oblastech
(pouště, polopouště), obvykle tolerují mnohem větší pokles obsahu vody v buňkách než
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 18
mezofytní druhy z oblastí na srážky bohatších. Extrémním případem suchovzdornosti jsou
druhy, které snášejí téměř úplné vyschnutí bez vážného poškození. Tuto obdivuhodnou
schopnost mají nejen některé evolučně starší skupiny organismů (řasy, lišejníky a některé
mechy), ale i některé cévnaté rostliny - jednak kapradin (asi 200 druhů), ale i
krytosemenných (asi 100 druhů, např. z čeledí Poaceae, Cyperaceae, Scrophulariaceae,
Gessneriaceae), rostoucích hlavně v aridních oblastech Afriky a Austrálie. U některých z
nich byla dokázána úspěšná regenerace všech orgánů i po několikaměsíčním uložení v téměř
absolutně suchém vzduchu.
Funkční podstata vysoké odolnosti je založena na několika současně přítomných
strukturně-funkčních znacích (předpokladech). Je nutno zejména:
• zabránit mechanickému poškození plazmatické membrány a plazmodesmat,
• obnovit funkčnost xylému po úplném zavzdušnění (kavitaci) cév,
• zabránit destrukci membrán a proteinů při ztrátě vody z hydratačních obalů,
• zabránit oxidačnímu poškození buněčných struktur reaktivními formami kyslíku.
Je potřeba zdůraznit, že schopnost tolerovat vyschnutí měly všechny prvotní terestrické
rostliny. V průběhu evoluce však pokročilejší skupiny rostlin byly schopny dlouhodobě
udržovat vodu ve svých tělech, jednak jejím efektivnějším příjmem a transportem (rozvoj
kořenů, vznik xylémové transportní soustavy), jednak omezením ztrát výparem (tvorba
kutikuly, průduchová regulace). U těchto skupin rostlin pak došlo ke ztrátě schopnosti
tolerovat vyschnutí, ovšem genetická informace pro tuto schopnost zůstala v jejich genomu
zachována. Došlo tedy ve skutečnosti jen ke ztrátě vybavování genetické informace, která se
může opět obnovit vhodným procesem indukce:
Popsaná tolerance k velkým ztrátám vody je vcelku pasivní adaptační strategie (ve smyslu
překonávání období s nedostatkem vody v téměř inaktivním stavu). Je výhodná v oblastech se
silnou periodicitou srážek, kde růst a reprodukce může proběhnout v příznivější části roku.
Pokud ovšem silný vodní stres působí trvale po celý rok, pak dočasný útlum životních
procesů nic neřeší. V takových podmínkách musí být rostliny schopny nejen přežívat, ale i
vytvářet dostatečné množství asimilátů pro svůj růst. Úspěšnost adaptace je tím větší, čím
více uhlíku se jim podaří fixovat na jednotku vydané vody.
K minimalizaci ztrát vody při příjmu nezbytného množství CO2 pro fotosyntézu slouží v
prvé řadě průduchová regulace výměny plynů mezi listem a okolním vzduchem. Její základní
principy byly již dříve vysvětleny. Zbývá jen dodat, že i u rostlin rostoucích na stejném
stanovišti bývá obvykle velká mezidruhová variabilita v reakcích průduchů na vodní stres. Již
zmíněný mechanismus zavírání průduchů, spouštěný snížením turgoru a přenosem signálu
pomocí kyseliny abscisové, je kupodivu častější u mezofytů než u xerofytů. U této druhé
skupiny bývá zato vyvinuta extrémně citlivá zavírací reakce působením snížené vlhkosti
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 19
vzduchu přímo na svěrací buňky (tedy i za plné turgescence mezofylových buněk!). Na druhé
straně jsou však známy xerofytní druhy, které zavírají průduchy až při značné ztrátě vody, při
hodnotách vodního potenciálu okolo -4 až -5 MPa. Nejčastěji však u xerofytů dochází k
zavírání průduchů při -1 až -2 MPa, zatímco u mezofytů při -0,5 až -1,0 MPa.
Mimořádně účinnou adaptací k omezení ztrát vody při asimilaci uhlíku jsou varianty
fixačních cest typu C4 a CAM, které se hojně vyskytují u rostlin ve všech aridních oblastech.
Jak již víme z výkladu o biochemické podstatě těchto fixačních cest, dochází při jejich
fungování ke zvýšení koncentrace CO2 v okolí chloroplastů. Současně však, díky vysoké
afinitě PEP-karboxylázy, bývá snížena koncentrace CO2 v intercelulárách listů. Při stejné
otevřenosti průduchů je u rostlin typu C4 rychlejší tok CO2 do listů, a tudíž transpirační
spotřeba vody na jednotku vytvořené sušiny (transpirační koeficient) je podstatně menší než
u rostlin typu C3:
typ rostliny transpirační koeficient [kg (vody). kg-1
(sušiny)]
C3 500 - 800
C4 200 - 350
CAM 50 - 100
Sukulentní rostliny vybavené metabolickou cestou CAM jsou ze všech rostlin
nejdokonaleji adaptované k úspornému hospodaření s vodou. Je nutno zdůraznit, že hlavní
podíl na jejich úspěšnosti nemají zásoby vody ve zdužnatělých orgánech, ale právě
metabolismus CAM, umožňující ponechat průduchy ve světelné periodě dne zcela uzavřené.
Koncentrace osmoticky aktivních látek je u nich pravidelně velmi malá, a tím i možnost
většího snížení vodního potenciálu při zachování turgescence není možná. Nemohou proto
přijímat vodu z tak suché půdy jako jiné xerofyty a jsou odkázány pouze na rychlý příjem při
náhodných srážkách. Existuje však celá řada adaptačních mechanismů, které usnadňují rychlé
a účinné využití srážkové vody (např. rychlý růst tenkých sorpčních kořenů kaktusů po
ovlhčení půdy, okamžité naplnění kapacity velamenu u kořenů orchidejí či příjem vody
sorpčními šupinami na povrchu listů bromélií).
Fixační cesta CAM u sukulentních rostlin umožňuje udržovat fotosyntetickou aktivitu a
pozitivní uhlíkovou bilanci i v podmínkách, kdy je příjem vody dočasně zastaven. Tyto
rostliny mají také možnost dlouhodobě uzavřít průduchy a provádět vnitřní recyklaci uhlíku.
Jde tedy o vynikající adaptaci pro podmínky extrémního sucha, ovšem v méně extrémních
podmínkách není již tak prospěšná. I v případě přechodu na přímou efektivnější fixaci CO2 (u
fakultativních CAM-rostlin) nelze změnit základní morfologické charakteristiky nevýhodné
pro rychlý růst (zdužnatělé orgány s malým asimilačním povrchem) a sotva proto mohou
obstát v kompetici s rychleji rostoucími druhy.
Vliv nedostatku minerálních živin v prostředí
Nejpotřebnějšími prvky pro růst rostlin jsou uhlík, kyslík a vodík, které tvoří více než
90% biomasy. Rostlina je přijímá hlavně v plynné formě ze vzduchu (CO2, O2), a také z
vody. Všechny ostatní nezbytné prvky (= minerální živiny) získává rostlina z půdy, kde se
vyskytují ve formě solí. Dostupné množství těchto prvků v půdě však mnohdy nestačí pokrýt
potřebu rostlin, a pak dochází ke zpomalení růstu až k vážnému poškození.
Za nezbytné prvky považujeme ty, bez kterých rostlina nemůže dokončit svůj životní
cyklus, neboť jsou složkou některé nepostradatelné sloučeniny v rostlinném organismu. K
nim patří v prvé řadě (kromě C, H, O), šest makroživin (makroelementů): N, P, K, Ca, Mg,
S, jejichž obsah v jednom kilogramu sušiny rostlinné biomasy obvykle přesahuje jeden gram.
Podstatně nižší zastoupení (obvykle méně než 0.1 g.kg-1) mají některé další prvky,
označované jako mikroživiny (mikroelementy). Nepochybně nezbytné pro všechny rostliny
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 20
jsou Fe, Cl, B, Mn, Zn, Cu, Mo, Ni, i když v některých případech (např. u niklu) zásoba v
semenech postačuje k pokrytí potřeby i více generací. Kromě uvedených minerálních živin
známe ještě několik prvků, které pro rostliny nejsou sice nezbytné, ale pro jisté skupiny
rostlin jsou velmi prospěšné (benefiční), neboť stimulují jejich růst a zvyšují jejich odolnost
ke stresům. K takovým prvkům patří např. Na, Si, Co, Se.
Obsah makroživin, mikroživin a benefičních prvků v sušině lučních rostlin. Sloupečky udávají obvyklý
rozsah variability hodnot (bez extrémů) u různých druhů rostlin v různých typech prostředí.
Jen velice vzácně může dojít k tomu, že by některý z nezbytných prvků v půdě zcela
chyběl. Častějším případem je snížená koncentrace v přijatelné iontové formě. Způsob, jakým
se projeví nedostatek živiny závisí zejména na tom, jakou má v rostlině funkci a jak snadno
může být translokována ze starších orgánů do mladších.
Nedostatek živin se obvykle projevuje mnohem pomalejší změnou funkcí rostliny, jako
tomu bývá u jiných stresových faktorů. Nejčastěji pozorujeme zpomalení růstu, fotosyntézy a
jiných procesů až po několikadenním působení. Rostliny mívají jistou část živin uloženou v
zásobních formách, ze kterých mohou čerpat při jejich náhlém nedostatku v půdě. Také sama
půda má značné tlumící schopnosti dané postupným doplňováním odčerpaných živin
mikrobiální dekompozicí půdní organické hmoty, zvětráváním minerálních částic a
uvolňováním iontů živin ze slabých vazeb na koloidních částicích sorpčního komplexu půdy.
Změny v rychlosti růstu, ve tvaru a v barvě orgánů, či dokonce jejich zrychlené stárnutí a
odumírání lze pozorovat jen při velmi vážném nedostatku živin. Proto vizuální diagnóza
poruch v minerální výživě není spolehlivá. Analýza obsahu živin v půdě také neposkytuje
dostatečně uspokojivou informaci o jejich možném nedostatku pro rostliny. Ne vždy je totiž
možné stanovit chemickou analýzou půdních extraktů skutečnou dostupnost živin pro kořeny.
Analýza rostlin (obvykle listů) je již spolehlivější, i když i tento přístup má svoje úskalí.
Především je nutno empiricky zjistit, jaký je vlastně optimální obsah té které živiny v
biomase rostliny pro zajištění všech funkcí. Potíž je právě v tom, že optimální hodnoty (či
spíše rozmezí hodnot) obsahu jednotlivých živin jsou silně závislé na druhu a stáří rostlin, a
navíc jsou ovlivňovány vzájemnými interakcemi (mezi jednotlivými živinami). Užitečné
informace lze získat i pomocí biochemických metod, neboť nedostatek některých mikroživin
se projevuje velmi specifickými změnami enzymatické aktivity (viz dále u jednotlivých
prvků).
Mladé, rostoucí části rostlin získávají minerální živiny nejen přímo z půdy, ale i z jiných,
stárnoucích orgánů. To je velmi časté u těch prvků, které nejsou zabudovány v příliš pevných
vazbách. K prvkům s velkou mobilitou uvnitř rostliny patří dusík, fosfor, draslík, hořčík a
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 21
chlor. Jsou snadno translokovány především ze starých listů do mladých (a také do plodů),
proto první příznaky nedostatku se objeví u starých listů. Mnohem menší mobilitu má síra,
zinek, mangan a měď. Vápník, železo a bor jsou po zabudování do biomasy téměř imobilní.
Jejich nedostatkem proto trpí nejvíce listy mladé. Podívejme se nyní na nejzávažnější
následky nedostatku jednotlivých živin.
Dusík je nejdůležitější ze všech minerálních živin - je přijímán z půdy v daleko největším
množství a jeho hmotnostní podíl v biomase rostlin bývá obvykle 2 až 4 %. Přijatelných
forem dusíku (hlavně nitrátových a amonných iontů) je v půdě vždy jen omezené množství,
které navíc velice kolísá v závislosti na činnosti půdní mikroflóry. Proto je v přírodě růst
rostlin téměř vždy do jisté míry omezován nedostatkem dusíku. Průvodním znakem většího
nedostatku je pokles obsahu bílkovin. Velmi nápadný je také snížený obsah chlorofylu. Listy,
zvláště ty starší, jsou světleji zelené, později žloutnou a usychají. Úměrně s poklesem obsahu
dusíku v listech se snižuje rychlost fotosyntézy listů a v důsledku toho i rychlost růstu.
Nedostatek dusíku v půdě je pravidelně provázen zvýšením poměru biomasy kořenů k
nadzemním částem. Z toho je zřejmé, že nedostatek dusíku ovlivňuje procesy regulující
meziorgánovou distribuci asimilátů v rostlině a tím i růstové procesy. Existuje několik
hypotéz o možném regulačním mechanismu vycházejících jednak z působení metabolitů
asimilace dusíku (některé aminokyseliny) a uhlíku (sacharóza) na alokaci asimilátů, jednak ze
změn obsahu fytohormonů (cytokininy, kyselina abscisová) a následného ovlivnění růstových
procesů. Stresové účinky nemusí mít jen celkový nedostatek dusíku, ale i jeho jednostranná
nabídka v amonné formě (např. v kyselých, podmáčených či v trvale chladných půdách, kdy
je inhibována aktivita nitrifikačních bakterií). Příjem a asimilace amonných iontů jsou
procesy spojené s výdejem vodíkových iontů, a tudíž i s poklesem pH jak v buňkách kořenů,
tak i v rhizosféře. V citlivosti na toxické působení amonných iontů jsou ovšem velké
mezidruhové rozdíly.
Fosfor bývá v půdním roztoku vždy jen ve velmi malé koncentraci (pod 2 M). Malá je také
jeho celková zásoba ve většině půd a rychlost uvolňování z půdních minerálů i z půdní
organické hmoty. Proto rostliny trpí velmi často jeho nedostatkem. Fosfor (vesměs ve formě
fosfátových iontů) plní v rostlinách velmi rozmanité funkce:
 je stavební součástí nukleových kyselin a fosfolipidů,
 zajišťuje rychlé energetické výměny pomocí vazeb v nukleotidech (ATP, GTP, aj.),
 aktivuje enzymy (fosforylací proteinu - apoenzymu),
 svou koncentrací reguluje celou řadu procesů (rychlost respirace, fotosyntézy, transportu).
Nadbytečné (rezervní) fosfátové ionty jsou ve vegetativních částech rostlin ukládány ve
vakuolách, v semenech bývá fosfor uložen ve formě polyfosfátů (fytáty).
Příznaky deficience se projevují zcela jinak než u dusíku. Listy zůstávají sytě zelené, neboť
obsah proteinů a chlorofylu na jednotku listové plochy nebývá snížen. Stonky a listy zakrňují,
a také rychlost růstu kořenů se zpomaluje, i když méně než u nadzemních částí. Dozrávání
plodů bývá za nedostatku fosforu opožděno. Pohyb fosforu v rostlině je snadný a tudíž i jeho
translokace ze stárnoucích orgánů do mladých, rostoucích částí je zcela běžné.
Draslík je prvek, jehož nedostatek v přírodě bývá mnohem méně častý než v případě dusíku a
fosforu. Obsah draslíku v půdě velmi závisí na typu matečné horniny - živce, slídy i některé
jíly mají draslíku dostatek a půdy na nich vzniklé jsou jím bohatě zásobeny. V případě
nedostatku draslíku je silně omezen růst všech orgánů, vytvářejí se malé plody a hlízy, na
listech vznikají nekrózy (od špičky a okrajů směrem k bázi). Stonky i kořeny jsou slabé a
málo odolné vůči infekci i vůči jiným stresovým faktorům (sucho, mráz). Draslík není
stavební součástí žádných trvalých struktur, ale přesto je nejhojnějším kationtem v
rostlinných tekutinách (100 až 200 mM, jak v cytosolu, tak i ve vakuolách a v
chloroplastech). V rostlinách není metabolizován, nevytváří
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 22
pevné komplexy (na rozdíl od Ca2+
a Mg2+
). Není proto kompetitorem pro jiné kationty a
jeho transport v rostlině je mimořádně rychlý, k čemuž přispívají i hojné draslíkové kanály v
membránách. Draslík má v rostlině několik značně odlišných funkcí:
 aktivuje mnoho enzymů, a to především udržováním optimální konformace a afinity k
substrátu. Při nedostatku draslíku proto dochází kromě jiného i k hromadění primárních
asimilátů v listech, neboť nejsou aktivní příslušné syntázy a kinázy kytalyzující syntézu
škrobu a transportních forem sacharidů,
 aktivuje procesy syntézy proteinů a činnost ATP-ázy v plazmatické membráně,
 je nutný pro dálkový transport aniontů jako doprovodný kationt, v lýku i jako osmotikum,
 je nutný pro všechny procesy závislé na osmotickém tlaku, tedy především pro dlouživý
růst, pohyby průduchů a některé další nastické pohyby (jako hlavní osmotikum zajišťuje
dostatečný turgorový tlak).
Síra ve formě snadno rozpustných síranů bývá v půdě obvykle v dostatečném množství, a
proto ke zjevnému nedostatku dochází jen velmi zřídka. Pokud k němu dojde, pak se vizuálně
projevuje blednutím mladých listů, neboť redistribuce ze starších listů je velmi malá.
Asimilace síry v rostlině byla již probrána ve 2. části učebních textů. Z přijatých síranů je
vždy asimilováno jen takové množství, které rostlina nutně potřebuje. Neredukované sírany
mohou být uloženy ve vakuole, ale také zabudovány do sulfolipidů a polysacharidů,
Významnou zásobárnou redukované síry představuje glutation, kterého je zvláště velké
množství (asi 50 %) v chloroplastech. Tam také plní významnou antioxidační funkci.
Glutation je výchozí sloučeninou pro tvorbu fytochelatinů (viz dále v kapitolce o působení
těžkých kovů). Síru obsahuje i celá řada sekundárních metabolitů (např. alliin v česneku a
cibuli, glukosinoláty u brukvovitých). Nedostatek síry vyvolává poruchu syntézy proteinů a
chlorofylu, a v důsledku toho dochází ke zpomalení růstu nadzemních částí. Kořeny obvykle
nebývají postiženy.
Hořčík je také prvek, kterého bývá ve většině půd dostatek. Přesto se v současné době stává
hlavní limitující živinou pro vegetaci v oblastech s kyselými půdami. Za nízkého pH a za
zvýšeného přísunu aniontů (NO3
,
SO4
2)
ve srážkové vodě bývá vyplavován ze sorpčního
komplexu rhizosféry do hlubších vrstev půdy. K prvním symptomům nedostatku hořčíku
patří žloutnutí starších listů (úbytek chlorofylu), snížený obsah proteinů a snížená rychlost
fotosyntézy. Kromě vazby v molekule chlorofylu hořčík aktivuje celou řadu enzymů, včetně
hlavního karboxylačního enzymu Rubisco.
Vápník je obsažen v nedostatečném množství pouze v některých velmi kyselých půdách.
Obdobně jak u hořčíku, kyselé deště přispívají k jeho rychlému vyplavování z půdy.
Nedostatek vápníku se nejvíce projevuje u mladých orgánů. Vápník (na rozdíl od hořčíku)
není transportován lýkem a proto také není retranslokován ze starých orgánů do mladých.
Nejvíce jeho nedostatkem trpí meristematická pletiva, protože bez Ca-pektátu nelze vytvořit
střední lamelu při dělení buněk a ani dostatečně pevnou buněčnou stěnu. Dochází k
deformacím růstu, někdy až k odumření meristémů. Také správná funkce membrán není bez
vápníku možná - je nutný k zachování soudržnosti fosfolipidové vrstvy. Celkový obsah
vápníku bývá v rostlinách (zejména dvouděložných) značný, ovšem většinou se na něm
podílejí nerozpustné soli (hlavně uhličitan a šťavelan) uložené ve vakuole či v buněčné stěně.
Koncentrace vápníku v cytosolu je přísně udržována na velmi nízké úrovni (0,1 až 0,2 M).
Důvodů prototo omezení je několik. Především by mohlo dojít k inaktivaci fosfátů tvorbou
nerozpustných vápenatých solí. Za vyšší koncentrace v cytosolu by také vápník sotva mohl
plnit významnou úlohu při vnitrobuněčných přenosech signálů a u celé řady enzymatických
aktivit. Při transportu v buňkách je vápník obvykle vázán na specifickou bílkovinu
calmodulin.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 23
Železo se vyskytuje v hojné míře prakticky ve všech půdách, ovšem ne vždy ve formě
dostupné pro rostliny. Při hodnotě pH 5 a více přechází za dostatku kyslíku většina
rozpustných železnatých sloučenin na mnohem méně rozpustné soli železité. Nedostatek
dostupného železa je proto častý na půdách s alkalickou reakcí (např. na vápencovém
podkladu). Zjevné příznaky špatného zásobení rostlin železem jsou podobné jako u hořčíku
(ztráta chlorofylu), avšak s tím rozdílem, že jako prvé jsou postiženy mladé listy. Translokace
železa ze starších listů není téměř možná, neboť je vázáno v pevných komplexech. Železo je
významnou součástí mnoha enzymů, především v hemových skupinách cytochromů,
peroxidázy a katalázy, ale i v nehemových vazbách Fe-S proteinů (např. ferredoxin,
akonitáza, Fe-superoxiddismutáza). Všechny tyto enzymy mají redoxní funkci, neboť snadná
a vratná změna oxidačního stupně železa umožňuje přenosy elektronů. Známe ovšem i
neredoxní typy enzymů s obsahem železa, které jsou nutné pro syntézu etylénu, mastných
kyselin a chlorofylu. Proto se nedostatek železa projevuje nejnápadněji blednutím listů (=
sníženým obsahem chlorofylu).
Pro příjem železa z málo rozpustných forem v půdě jsou u některých druhů rostlin
vyvinuty zajímavé adaptace. Jednou z možností, kterou využívají hlavně dvouděložné
rostliny, je vylučování komplexotvorných organických kyselin a fenolických látek. Železité
ionty jsou pak na povrchu kořenů uvolněny z komplexů, redukovány na Fe2+
a teprve pak
přijímány. Dokonalejší adaptační strategií, účinnou i na velmi alkalických půdách, je
chelátová vazba trojmocného železa bez nutnosti okyselovat okolí kořene. Předpokladem
však je tvorba a vyloučení zvláště silných chelatizačních sloučenin, označovaných jako
fytosiderofory (obvykle typu iminokarboxylových kyselin). Rostlina pak přijímá celý
chelátový komplex, a až v kořenech dochází k uvolnění Fe3+
a k redukci na Fe2+
. Tato cesta
získávání železa je obvyklá jen u trav.
Chlor je přijímán ve formě chloridů, a to obvykle ve větším množství, než kolik je nutné.
Příznaky jeho nedostatku se u rostlin v přírodě neprojevují, lze je však vyvolat pokusně: růst
je pak velmi zpomalen, listy blednou a vadnou. Stopová množství chloru lze nalézt v
rostlinách ve více než stovce organických sloučenin (včetně bílkovin), z nichž mnohé
zabezpečují zcela základní funkce (např. fotolýzu vody při fotosyntéze, aktivaci ATP-ázy v
tonoplastu, dělení buněk, růstové regulace). Významná je i funkce chloridových iontů jako
osmotika, zejména při pohybech průduchů.
Manganu je všude v přírodě dostatek, i když, obdobně jako v případě železa, rozpustnost
jeho solí je při vyšším pH malá. Je přijímán jako Mn2+
či v chelátové formě a jeho nedostatek
(což je vzácný případ) se projeví v prvé řadě rozpadem thylakoidních membrán chloroplastů,
navenek pak mozaikovitou chlorózou listů. Mangan má klíčovou úlohu při fotolýze vody, je
aktivátorem několika desítek enzymů a součástí některých redoxních systémů.
Bór je prvek, jehož obsah v půdách značně kolísá a příznaky jeho nedostatku byly
pozorovány už dávno (srdéčková hniloba řepy, skvrnitost jablek, snížení rychlosti fixace
dusíku hlízkovými bakteriemi, aj.). Často jde však o interakci s jinými prvky. Prvním, i když
méně zjevným příznakem nedostatku bóru, je zpomalení buněčného dělení v apikálních
meristémech, což se dává do souvislosti s prokázanou inhibicí syntézy nukleových kyselin,
syntézy membrán a buněčné stěny. Detailní informace o všech aspektech mechanismu
působení bóru v rostlině nám dosud chybí. Není součástí žádného ze známých enzymů, ani
žádný neaktivuje. Zcela jistě však má nezastupitelnou úlohu při tvorbě funkčních komplexů s
řadou sacharidů, hemicelulóz a fenolických látek.
Zinek, měď, molybden a nikl patří sice mezi prvky nezbytné pro růst, avšak jejich potřeba je
tak nepatrná, že se s projevy nedostatku v přírodě sotva setkáme. Všechny tyto prvky jsou
především významnou součástí některých enzymů.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 24
Zinek obsahují např. alkalické fosfatázy, RNA-polymeráza, alkoholdehydrogenáza a
karbonátanhydráza. Kromě toho aktivuje několik desítek dalších enzymů nutných pro syntézu
proteinů, pro metabolismus sacharidů, degradaci RNA, syntézu tryptofanu a auxinů.
Měď je součástí mnoha proteinů s redoxní funkcí, např. cytochromoxidázy, askorbátoxidázy,
polyfenoloxidázy a plastocyaninu.
Molybden je obsažen především v molybdopterinovém kofaktoru enzymů nitrogenázy,
nitrátreduktázy a xantinoxidázy/reduktázy. Nedostatek molybdenu se projevuje zpomalením
růstu, chlorózami a nekrózami listů. Zvláště náchylné jsou bobovité rostliny, kukuřice a
květák.
Nikl byl zařazen mezi nezbytné prvky teprve nedávno (Dalton et al. 1988), když se ukázalo,
že nikl obsahující enzym ureáza je skutečně nutná pro biochemické funkce rostlin, zejména
pak těch druhů, které vytvářejí hodně ureidů jako transportních dusíkatých látek (např.
bobovité a javorovité).
Sodík patří už mezi benefiční prvky, stejně tak jako následující křemík, kobalt a selen. Zvláště
důležitý je pro halofytní rostliny, ale i pro některé další tzv. natrofilní druhy včetně řepy a
kukuřice. U halofytů může nahrazovat draslík v úloze hlavního osmotika. U C4 rostlin
významně stimuluje syntézu fosfoenolpyruvátu z pyruvátu.
Křemík je zvláště hojně přijímán rostlinami z čeledí šáchorovitých a lipnicovitých. Zpevňuje
buněčnou stěnu a tím zvyšuje i mechanickou odolnost listů a stébel vůči mechanickému
poškození (poléhání), i vůči ataku herbivorů a patogenů.
Kobalt je nutný pouze pro zdárný vývoj symbiotické fixace dusíku u těch druhů rostlin, které
jsou ji schopny provozovat (je součástí vitaminu B12 v hlízkových bakteriích).
Selen je vázán v aminokyselinách selenocysteinu a selenometioninu. Na rozdíl od živočichů
však pro rostliny tyto aminokyseliny nejsou nezbytné.
Nedostatek kyslíku
Nadzemní části rostlin jsou obklopeny vzdušným prostředím, ve kterém je koncentrace
kyslíku vysoká a stálá (přibližně 21 objemových procent). Ve zcela jiné situaci jsou ale
podzemní orgány, neboť koncentrace kyslíku v plynné fázi půdního systému je trvale snížena
ve srovnání s volnou atmosférou. Kyslík je totiž nepřetržitě odebírán nejen respiračními
procesy kořenů, ale i respirací půdní mikroflóry. V půdě s dostatkem velkých pórů není toto
snížení velké (nanejvýš na polovinu koncentrace ve volné atmosféře), díky rychlému
doplňování difúzním tokem ze vzduchu nad povrchem půdy. Pokud je ovšem vzdušných pórů
málo a navíc jsou úzké, jak tomu bývá u těžkých jílových půd, nebo v důsledku zvýšeného
obsahu vody v půdě (zamokření), pak může koncentrace kyslíku v rhizosféře klesnout na
hodnoty blízké nule. Tyto hypoxické až anoxické podmínky způsobují vážný stres u těch
druhů rostlin, které nemají vhodné adaptace.
Jakmile koncentrace kyslíku v půdním vzduchu v okolí kořenů klesne pod 2 až 4 %
(objemová), dochází k inhibici aerobních respiračních procesů, a to jak v buňkách kořenů, tak
i u půdních mikroorganismů. V prvé řadě je zpomalena až zastavena funkce elektronového
transportního řetězce v mitochondriích a hromadící se NADH inhibuje činnost citrátového
cyklu. Glykolýza inhibována není, neboť nevyžaduje kyslík a její hlavní produkt, pyruvát,
může být zpracován náhradní anaerobní cestou (fermentací). Při fermentačním metabolismu
je spotřebováván i NADH vznikající při glykolýze, takže nic nebrání tomu, aby reakce
probíhaly tak dlouho, dokud je k dispozici primární substrát.
Přechod na uvedené anaerobní disimilační procesy má pro rostlinu velmi vážné následky.
Především trpí nedostatkem energie. Zatímco z jednoho molu glukózy lze získat aerobní
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 25
cestou až 32 molů ATP, anaerobním rozkladem jen dva. Na pokrytí normálních
energetických potřeb musí proto rostlina v prostředí bez kyslíku spotřebovat mnohonásobně
větší množství organických látek (zrychlenou glykolýzou), což brzy vede k jejich úplnému
vyčerpání. Dalším nebezpečím jsou konečné produkty fermentace, neboť etanol a zejména
kyselina mléčná jsou ve vyšší koncentraci toxické sloučeniny.
Možné cesty zpracování produktů glykolýzy při zablokování oxidačních procesů v mitochondriích
nedostatkem kyslíku.
Kromě přímého negativního působení nedostatku kyslíku na fyziologické procesy dochází
i v chemismu půdy k celé řadě změn, které nepřímo ohrožují rostliny. Mnoho druhů půdních
mikroorganismů je dobře adaptováno pro život v anaerobním prostředí. Mají totiž schopnost
při svých respiračních procesech využívat místo kyslíku i jiné látky jakožto akceptory
elektronů a převádět je do redukovaného stavu. Jednou z možností je redukce nitrátů na
molekulový dusík (denitrifikace). Pro rostliny mnohem nebezpečnější je však redukce síranů
na sirovodík, a také uvolnění dvojmocných iontů železa a manganu redukcí oxidovanějších
nerozpustných forem. Vzniklé látky jsou ve vyšší koncentraci toxické a navíc Fe2+
váže volné
fosfátové ionty do nerozpustné soli. Za nedostatku kyslíku je silně inhibována činnost
nitrifikačních bakterií. Většina přijatelného dusíku je proto ve formě amonných iontů, které
mohou působit ve vyšší koncentraci na některé druhy rostlin inhibičně až toxicky.
Aklimační reakce na náhlé snížení koncentrace kyslíku (např. při silných deštích či po
zaplavení půdy) má značně komplexní charakter. Dochází především ke změnám v
koncentraci fytohormonů a k syntéze stresových proteinů. Zvyšuje se syntéza kyseliny
abscisové, která zprostředkovává regulaci řady procesů i v nadzemních orgánech (zavírání
průduchů, inhibici růstu, aj.). Tvorba cytokininů v kořenech je naopak zpomalena a stejně
tak i tvorba etylénu, protože vyžaduje kyslík. Přesto koncentrace etylénu v kořenech vzrůstá,
neboť jsou značně omezeny jeho ztráty difúzí do okolního prostředí. Bylo také zjištěno, že
hypoxickém prostředí stoupá citlivost buněk na působení etylénu. Etylén je pravděpodobně
hlavním signálem ke spuštění celé řady dalších aklimačních reakcí. Jednou z prvních je
indukce tvorby enzymů rozkládajících pektinové střední lamely buněčných stěn. Dochází tak
k rychlé tvorbě rozsáhlých intercelulár v parenchymatických pletivech kořenů a stonku.
Jejich propojením vznikají podélné kanálky, kterými do kořenů difunduje kyslík z
nadzemních částí. Nově vytvářené kořeny v hypoxickém prostředí jsou nápadně ztlustlé a
velmi málo větvené.
Proteiny indukované sníženou koncentrací kyslíku (anaerobic stress proteins, ASP)
můžeme v buňkách dokázat nejen za úplné anoxie, ale už při snížení koncentrace kyslíku ve
vzduchu v okolí rostliny asi na 4 %. Jejich indukce je poněkud pomalejší než u předešlých
skupin stresových proteinů, nicméně už po pěti hodinách trvání nedostatku kyslíku
představuje tvorba ASP přibližně tři čtvrtiny celého objemu proteosyntézy. Je to dáno také
tím, že jejich tvorbě předchází útlum syntézy mnoha proteinů vyskytujících se v buňkách za
dostatku kyslíku. Početnou skupinu v ASP, kterých celkem známe asi 20, tvoří enzymy nutné
pro některé specifické cesty metabolismu sacharidů, ale i pro glykolýzu a fermentační
procesy (např. alkoholdehydrogenáza, pyruvátdekarboxyláza a laktátdehydrogenáza, které
patří k nejhojnějším).
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 26
I přes velmi nepříznivé účinky hypoxického prostředí na rostliny a velmi dramatické
změny v buňkách po jeho náhlém navození, známe celou řadu druhů, které úspěšně rostou na
trvale zamokřených či zaplavených půdách. Na těchto lokalitách bývají dokonce dosahovány
špičkové hodnoty produkce biomasy (např. rákosiny, rýžová pole). Z toho je zřejmé, že
adaptační schopnosti některých druhů jsou skutečně dokonalé.
Základem úspěšného přizpůsobení mokřadních rostlin je zajištění rychlého transportu
kyslíku do kořenů. Rozsáhlý systém intercelulár, tvořící až 60 % z celkového objemu pletiv
ve stoncích a kořenech, patří u nich k trvalým, konstitučním znakům. Transport plynů v
intercelulárách neprobíhá pouze difúzí, ale i mnohem rychlejším hromadným tokem (massflow).
K tlakovému rozdílu jakožto hybné síly hromadného toku dochází jednak kolísáním
teploty nadzemních částí v průběhu dne, jednak snadným únikem vydýchaného oxidu
uhličitého do vody v okolí kořenů. Kyslík transportovaný do kořenů je využíván nejen k
respiračním procesům, ale i k detoxikaci rhizosféry, především k oxidaci Fe2+
a Mn2+
na
nerozpustné sloučeniny
.
U kořenů rostoucích za dostatku kyslíku v půdě (levý obrázek) nejsou téměř žádné interceluláry,
avšak za nedostatku kyslíku (po náhlém zaplavení) se rychle vytvářejí (vpravo).
Adaptované rostliny mají kromě výhodných morfologických znaků i řadu trvalých
metabolických zvláštností. Patří k nim např. velmi dokonalé řízení rychlosti glykolýzy a tudíž
u nich nedochází za nedostatku kyslíku k tak prudkému zrychlení rozkladných procesů, které
by vedlo k vyčerpání rezerv. Také konečné produkty fermentace (především etanol) bývají
velmi účinně vylučovány z kořenů do vnějšího prostředí. Někdy také mohou převažovat
méně toxické produkty, jako např. malát, alanin či glycerol. U druhů tolerantních k
nedostatku kyslíku dochází k syntéze stresových proteinů rychleji než u druhů netolerantních.
Silně zasolené a kyselé půdy
Zasolené půdy se vyskytují nejen v blízkosti moře, ale i ve vnitrozemských oblastech, kde
potenciální výpar (tj. množství vody které by se za daných klimatických podmínek odpařilo
pokud by byla voda v půdě stále v dostatečném množství) převažuje nad srážkami. Jde
především o rozsáhlé pouště a polopouště na všech kontinentech. K lokálnímu zasolení může
dojít i na dlouhodobě zavlažovaných pozemcích.
Problémy, kterým rostliny musí čelit při růstu na zasolených půdách, jsou komplexní
povahy. Kromě vlastního toxického vlivu vysoké koncentrace některých iontů (zejména Na+
,
Cl,
SO4
2a
Mg2+
) to bývá velmi nízký vodní potenciál a zhoršené fyzikální vlastnosti půdy.
Neadaptované rostliny hromadí ve svých buňkách uvedené ionty v takovém množství, které
je neslučitelné s normální funkcí enzymů. Velmi brzy pak dochází k zastavení dělivého i
dlouživého růstu a nakonec k odumření celé rostliny.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 27
Přesto známe řadu druhů, které snášejí bez poškození i značné zasolení půdy (halofytní
rostliny). Adaptace k zasolení probíhala několika směry. U části druhů je příjem solí
dokonale kontrolován vysokou selektivitou plazmatické membrány pro transport iontů do
buněk kořenů, takže i v podmínkách silného zasolení (např. u mangrovů na mořských
pobřežích) proudí v xylému téměř čistá voda. Tyto druhy mají též schopnost dobrého
rozlišení iontů Na+
a K+
(s preferencí příjmu K+
).
U většiny halofytů však není příjem solí tak dokonale řízen, což vede k jejich hromadění
v listech. Avšak i u těchto druhů jsou organely a enzymy v cytosolu citlivé na vyšší obsah
solí, a proto jsou soli ukládány do vakuoly a apoplastu. Vysoký osmotický tlak vakuolární
šťávy musí být vyrovnáván zvýšenou koncentrací kompatibilních osmoticky aktivních látek v
cytosolu (sacharidů, prolinu, aj.). Část solí bývá vylučována na povrch listu .
Hodnoty vodního potenciálu zasolených půd bývají běžně sníženy pod -1 MPa. Pokud je
vystavena běžná, neadaptovaná rostlina náhlému působení zasolené půdy, jednou z prvních
reakcí je zvýšení osmotického tlaku v buňkách kořenů (osmoregulací). Jen tak lze v aktivním
(turgescentním) stavu snížit hodnoty vodního potenciálu na úroveň nižší, než je v půdě, což je
podmínkou pro zachování příjmu vody. U halofytů obou uvedených skupin jsou hodnoty
osmotického tlaku trvale velmi vysoké (i více než 10 MPa!). Další významnou reakcí je
tvorba stresových proteinů, které jsou velmi podobného typu jak při stresech z vysoké teploty
a z nedostatku vody.
Silně kyselé půdy představují v současné době závažný problém nejen ve střední
Evropě, ale i na jiných kontinentech. Nadměrná kyselost půdy může mít velmi rozmanité
příčiny i následky pro růst rostlin. Na poklesu pH půdy se podílí nejen vstup vodíkových
iontů z kyselých srážek, ale i nevhodný způsob obhospodařování (nadměrné hnojení
dusíkatými hnojivy, dlouhodobé pěstování monokultur stejných plodin, sklizeň a odvoz
veškeré biomasy). Vzestup koncentrace H+
je účinně tlumen pouze na půdách s vyšším
obsahem CaCO3. Na většině ostatních půd má dominantní úlohu v řízení pH komplex s
hydratovanými ionty hliníku, který umožňuje pokles pH až na hodnotu 3,5. Hodnoty nižší
jsou již v přírodě výjimečné (např. některé rašelinné půdy či půdy s vyšším obsahem síry).
Přímé poškození rostlin vysokou koncentrací vodíkových iontů je poměrně vzácné,
neboť k němu dochází obvykle až při hodnotě pH 3 a nižší. Mnohem významnější je tedy
nepřímé negativní působení zvýšenou rozpustností některých sloučenin v půdě při nízkém
pH. Zejména dochází k uvolňování vysoce toxických iontů hliníku (Al3+
). Také volné ionty
Fe2+
a Mn2+
působí v nadbytku toxicky.
Vysoká koncentrace vodíkových iontů v půdě vytěsňuje kationty (zejména Ca2+
, Mg2+
a
K+
) ze sorpčních vazeb na koloidech a snadno dojde k jejich vyplavení z půdy. Rostliny pak
trpí nedostatkem těchto kationtů. Dále je snížena dostupnost fosforu (vazbami na volné ionty
hliníku a železa se tvoří nerozpustné sloučeniny) i nitrátového dusíku, protože nitrifikační
bakterie jsou citlivé na pokles pH.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 28
Rostliny které úspěšně rostou na kyselých půdách, jsou adaptovány především k
tolerování nepřímých vlivů nízkého pH. V prvé řadě to bývá tolerance k vysoké koncentraci
hliníku, manganu a železa. Tyto adaptované druhy nejsou z fyziologického hlediska obligátně
acidofytní, neboť v kultivaci dobře rostou ve značně širokém rozmezí pH. Vyhraněná
ekologická vazba na stanoviště s nízkým pH půdy bývá podmíněna nepřímo řadou dalších
faktorů, které jsou často jen v koincidenci (nikoli tedy v příčinném vztahu) s hodnotou pH.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 29
Toxické látky v prostředí
Plynné, kapalné i pevné složky prostředí ve kterém v přírodě rostliny rostou jsou velmi
pestrou směsí desítek chemických sloučenin, z nichž některé mohou mít výrazně inhibiční až
toxické účinky. Z plynů je nejvíce nebezpečný ozón a oxid siřičitý, v půdě pak ionty těžkých
kovů a aromatické organické látky. Stále vyšší obsah toxických látek v prostředí je spojen
hlavně s průmyslovou a zemědělskou činností člověka (spalování fosilních paliv, používání
umělých hnojiv, pesticidů, detergentů atd.). Tak se dostávají do prostředí i sloučeniny, které
se v přírodě nikdy dříve nevyskytovaly (xenobiotika).
Ozón je obvykle nejtoxičtější složkou přízemní vrstvy atmosféry (troposféry), i když
jeho koncentrace velmi kolísá jak časově tak místně (průměrná hodnota maxim bývá v
rozmezí 300 až 500 g m-3
). Naprostá většina troposférického ozónu vzniká fotolýzou oxidů
dusíku (NO, NO2), a také některých plynných organických sloučenin (uhlovodíků). K
rozkladu těchto látek dochází účinkem ultrafialového záření. Velké koncentrace ozónu se
proto nejčastěji vytvářejí v horních vrstvách znečištěného ovzduší vystavených intenzivnímu
slunečnímu záření, zvláště je-li inverzní typ počasí s malou turbulentní výměnou. Vznikající
ozón může být v tom případě velmi nebezpečný pro rostliny v horských oblastech.
Koncentrace ozónu ve vzduchu bývá obvykle nejmenší v noci a nejvyšší v odpoledních
hodinách. Nejvíce poškozené bývají druhy s intenzivní výměnou plynů v listech.
Ozón vstupuje do listů výhradně průduchy a již v intercelulárách, v kontaktu s vlhkými
buněčnými stěnami, se rychle rozkládá. Průnik nerozloženého ozónu přes plazmatickou
membránu je stěží možný. Při rozkladu ozónu vzniká nejen molekulový kyslík, ale jako
meziprodukty i reaktivní superoxid (O2
),
peroxid vodíku a hydroxylový radikál OH.
). Tyto
sloučeniny v prvé řadě způsobují nekatalyzovanou oxidaci složek buněčné stěny (zejména
proteinů a fenolických látek), a složek plazmatické membrány (lipidů i proteinů).
Tvorba nekrotických skvrn na listech poškozených ozónem velmi často připomíná
symptomy hypersensitivní reakce na poškození patogeny (viz str. 37). Na počátku této
reakce, vedoucí k náhlé smrti buněk, je také tvorba aktivních forem kyslíku v buněčné stěně a
tak lze oprávněně spekulovat o obdobném mechanismu obou reakcí, i když je spuštěn velmi
odlišnými primárními podněty. Pak už není tolik překvapující zjištění, že ozónem bývá
indukována (kromě jiného) tvorba proteinů se specifickým ochranným účinkem proti
patogenům, např. lytické enzymy chitináza a glukanáza. Při působení ozónu dochází velmi
rychle ke zvýšené tvorbě etylénu (expresí genu pro ACC-syntázu), ovšem tvorba etylénu
spíše urychluje poškození a smrt buněk (při zablokování tvorby etylénu je poškození menší!).
K zesílení negativního působení ozónu může pravděpodobně přispívat reakce uvolněného
etylénu s ozónem v buněčné stěně provázená vznikem superoxidu a reaktivních aldehydů.
Odumírání buněk pod vlivem vyšších dávek ozónu nemusí být způsobováno pouze
"programovanou" hypersensitivní reakcí, ale i neregulovaným způsobem po vážném narušení
integrity plazmatické membrány peroxidací lipidů.
Ne vždy však působení ozónu musí končit odumíráním buněk. Při interakci menších
(neletálních) dávek ozónu s buněčnou stěnou se aktivují i některé ochranné mechanismy,
které omezují možné poškození buněk. Zvyšuje se aktivita glutation-s-transferázy, která
odstraňuje produkty peroxidace lipidů. Zvyšuje se také aktivita "antioxidačních" enzymů,
superoxiddismutázy, askorbátperoxidázy a glutationreduktázy. Je stimulována tvorba ligninu
a extensinu v buněčných stěnách. Při dlouhodobém působení i poměrně nízké koncentrace
ozónu však může dojít ke chronickému poškození listů, které se vyznačuje snížením
antioxidační ochrany, úbytkem enzymu Rubisco, poklesem rychlosti fotosyntézy a
zrychleným stárnutím. Mechanismus tohoto typu poškození se však experimentálně studuje
jen velmi obtížně.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 30
Oxid siřičitý se sice v atmosféře Země vyskytoval i před industriální érou (z
vulkanických emisí), ovšem v důsledku spalování uhlí s velkým obsahem síry se jeho
koncentrace postupně zvyšovala až do fytotoxických hodnot. V současné době již nepůsobí
SO2 tak vážné problémy jako kdysi, neboť uhlí se spaluje již méně a velké spalovny (hlavně
tepelné elektrárny) jsou vybaveny odsiřovacím zařízením.
Oxid siřičitý vstupuje do listů hlavně otevřenými průduchy a difúzí v intercelulárách se
snadno šíří ke všem buňkám listového mezofylu. Po proniknutí buněčnou stěnou se rychle
rozpouští a mění na siřičitanové anionty, jejichž naprostá většina vstupuje do chloroplastů.
Tam se v menších koncentracích neprojevují škodlivě, neboť za dostatku záření dochází
právě v chloroplastech k jejich redukci (na sirníkový iont o k zabudování do organických
sloučenin. Ve vyšší koncentraci však siřičitanové ionty způsobují nadměrné snížení pH
cytosolu a blokují činnost karboxylačního enzymu Rubisco, čímž je inhibován i průběh
sekundárních procesů fotosyntézy.
V odolnosti k toxickému působení SO2 existují velké mezidruhové rozdíly. Nejvíce
ohroženy bývají druhy s dlouhověkými listy, zejména jehličnaté stromy, a také některé
stélkaté rostliny s růstovou aktivitou v zimním období. V zimě bývá zpravidla koncentrace
SO2 nejvyšší.
Aklimační reakce na působení SO2 zahrnují zvýšení aktivity enzymů metabolismu síry a
také zvýšení tlumící (pufrovací) kapacity buněk. Tato kapacita je ale závislá na dostatečném
zásobení rostliny bazickými kationty (Ca2+
, Mg2+
). Nedostatek těchto prvků je běžný na
acidifikovaných půdách, ke kterým patří většina našich lesních půd, především pak v
horských oblastech. Deficitní rostliny z těchto oblastí jsou proto značně náchylnější na
poškození oxidem siřičitým.
Bylo zjištěno, že druhy s fixační cestou C4 jsou mnohem odolnější vůči toxickému
působení SO2 než rostliny typu C3. Je to dáno hlavně menší citlivostí PEP-karboxylázy k SO2
a lokalizací Calvinova cyklu do velmi dobře chráněných buněk pochev cévních svazků se
zvýšenou koncentrací CO2.
Těžké kovy, zejména zinek, olovo a kadmium, se dostávají do půdy ve větších
množstvích usazováním prachu z průmyslových procesů, z výfukových plynů, z
kontaminovaných odpadních vod a hnojiv. Ionty těchto kovů jsou velmi snadno přijímány
kořeny, neboť selektivita transportních proteinů je zřejmě nedostatečná pro jejich rozlišení od
těch prvků, které jsou pro život rostliny nezbytné. Po vstupu do buněk inaktivují některé
enzymy a redoxní systémy. Inhibice dělení a dlouživého růstu buněk, která se projevuje
zejména zpomalením růstu primárního kořene, bývá jedním z prvních příznaků jejich
toxického působení. V kořenech také dochází k největšímu hromadění těžkých kovů.
Vliv iontů těžkých kovů na aktivitu nitrátreduktázy, která je zvláště citlivá na jejich působení.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 31
Do nadzemních orgánů je translokována jen menší část přijatých iontů těžkých kovů, přesto
jejich působení na inhibici základních metabolických procesů v listech (asimilace uhlíku,
dusíku, respirace) je obvykle vážné a velmi brzo prokazatelné.
V odolnosti rostlin k působení těžkých kovů existují velké rozdíly nejen mezi druhy, ale i
uvnitř téhož druhu. Odolné rostliny (např. některé trávy) mohou především značně
znesnadňovat vstup toxických iontů do cytosolu, a to jednak vylučováním organických
kyselin do rhizosféry, sorpcí na pektinové látky v buněčných stěnách, a konečně i větší
selektivitou transportních proteinů v plazmatické membráně.
K vnitrobuněčným detoxifikačním mechanismům patří tvorba obecně stresových
(nespecifických) proteinů a odolnějších izoenzymů. Další velmi účinnou aklimační reakcí je
tvorba specifických sloučenin (fytochelatinů) schopných inaktivovat těžké kovy vazbou do
chelátových komplexů. Fytochelatiny jsou zvláštní malé polypeptidy odvozené od tripeptidu
glutationu (viz rámeček). Vznikají spojením dvou až 11 molekul kyseliny -glutamové a
cysteinu s jednou molekulou glycinu. Syntéza fytochelatinů neprobíhá na ribosomech, ale
přímou biochemickou cestou, nicméně je indukována až přítomností iontů kovů v cytosolu.
Komplexně vázané toxické ionty jsou transportovány do vakuoly, kde po uvolnění z
fytochelatinu jsou opět inaktivovány vysokou koncentrací organických kyselin. Podobnou
chelatizační funkci mají i proteiny ze skupiny metallothioneinů, které jsou běžné u živočichů,
ale jejich tvorba byla prokázána i u některých druhů rostlin.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 32
Působení biotických faktorů na funkce rostlin
Při studiu vztahů mezi prostředím a funkcemi rostlin nemůžeme zanedbat biotické složky
prostředí, protože rostliny v přírodě nežijí nikdy bez interakcí s jinými organismy.
Mechanismus vzájemného ovlivňování může být založen na změnách fyzikálně-chemických
složek prostředí (kompetice o zdroje, alelopatie), anebo na přímém působení (herbivorie,
parazitismus, symbiózy).
Kompetice, alelopatie, mykorrhiza
Ke kompetici dochází v těch případech, kdy množství zdrojů hmoty a energie (hlavně
záření, vody a minerálních živin) není dostatečné pro optimální růst všech rostlin na určitém
místě, a proto rychlost růstu některých z nich (nebo všech) je snížena. Toto snížení však musí
být vyvoláno aktivitou sousedících rostlin, nikoli jen obecným nedostatkem zdroje. Různé
druhy rostlin nemají obvykle stejnou schopnost využívat zdroje, a tak se velmi často
setkáváme s dominancí jednoho, nejlépe adaptovaného druhu nad ostatními.
Zvláště zřetelný je tento vztah při kompetici o záření, kdy vysoká potenciální rychlost
růstu stonků a listů rozhoduje o kompetiční úspěšnosti. Vzhledem k jednosměrnému toku
záření znamená rychlé vytvoření velké listové plochy jedním druhem v dostatečné výšce nad
ostatními téměř úplné využití tohoto zdroje. Konkurence o vodu a živiny, vzhledem k jejich
difusnímu charakteru, je méně dramatická a není jen otázkou potenciální rychlosti růstu
kořenů. Velmi záleží i na jiných jejich vlastnostech, např. na schopnosti snížit vodní potenciál
či na efektivitě příjmu živin.
Základní mechanismus kompetičních vztahů, založený na rozdílech ve využívání zdrojů,
je jednoduchý, ale jeho fungování v přírodě je často obtížně vysvětlitelné. Především pro
silný synergický vztah mezi kořeny a nadzemními částmi - rychlejší příjem živin vede k
rychlejšímu růstu listů, a tudíž k výhodě při kompetici o záření. Obdobně zase vrozená
schopnost rychlejšího růstu stonků a listů, umožňující dokonalejší příjem záření a vyšší
rychlost fotosyntézy, vede i k rychlejšímu růstu kořenů a k výhodě v kompetici o živiny.
Určit primární příčinu kompetiční úspěšnosti je velmi obtížné. Často může být založena jen
na zcela malém a obtížně měřitelném rozdílu na počátku růstu, který vzhledem k
exponenciálnímu průběhu růstových procesů má dalekosáhlé následky.
Kompetice je velmi významnou (nikoli však jedinou) biotickou interakcí, určující
strukturu a fungování rostlinných společenstev. Její podstatou jsou genotypově vázané
rozdíly v základních fyziologických procesech. Naše znalosti o průběhu těchto procesů v
přírodních podmínkách však obvykle nedostačují k uspokojivému vysvětlení kompetice zjednodušené
spekulace mohou velmi zkreslovat skutečný stav.
Alelopatie je zvláštním případem vzájemného ovlivňování rostlin na čistě chemickém
základu. Každá rostlina obsahuje velké množství sekundárních metabolitů, z nichž některé
mohou působit inhibičně až toxicky na jiné rostliny vyskytující se v jejich těsné blízkosti.
Pokud skutečně dojde k přenosu účinné látky a k ovlivnění sousední rostliny, pak teprve
hovoříme o alelopatii.
Významnost alelopatie jako příčiny biotických stresů rostlin v přírodních podmínkách
stále patří mezi velmi rozporuplnou a málo probádanou oblast rostlinné fyziologie. Existují
sice nesčetná pozorování negativního vzájemného ovlivňování rostlin a také potenciální
účinek mnoha rostlinných metabolitů na jiné rostliny je dobře znám, ovšem k důkazu
alelopatického působení to ještě zdaleka nestačí. Účinné látky musí být z jedné (zdrojové)
rostliny vyloučeny a přeneseny na jinou (cílovou) rostlinu v dostatečné koncentraci. Při tomto
transportu nutně dojde k poklesu jejich koncentrace vzhledem k neusměrněnému šíření
difúzí, možné sorpci na koloidech či částečnému mikrobiálnímu rozkladu. Z toho ovšem
vyplývá, že zdrojová rostlina musí být vůči účinné látce mnohem méně citlivá než rostlina
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 33
cílová. Uvolňování a přenos malých koncentrací organických sloučenin je zejména v půdě
velmi obtížné sledovat. Ještě obtížnější je ale v silně heterogenním půdním prostředí dokázat,
že výsledný efekt (ovlivnění cílové rostliny) byl vyvolán pouze metabolity vyloučenými ze
zdrojové rostliny, a ne nějakým jiným způsobem.
Vzhledem k uvedeným potížím je hodnověrných důkazů o alelopatickém působení látek
vyloučených z živých rostlin velmi málo. Toto působení je teoreticky možné i u nadzemních
orgánů přenosem těkavých látek (hlavně terpenů) či smýváním netěkavých metabolitů
vyloučených na povrch listů, ale hlavní význam bude mít nepochybně v kořenové zóně.
Velká pozornost je v současné době věnována těm druhům, které sice mají špatné kompetiční
předpoklady (zejména pokud mají vrozeně pomalý růst a tudíž i malý odběr živin a vody z
půdy), ale přesto v přírodě vytvářejí souvislé porosty ve kterých se jiným druhům nedaří. K
takovým druhům patří např. metlička křivolaká (Avenella flexuosa), česnek medvědí (Alium
ursinum), nebo bažanka lesní (Mercurialis perennis). Velmi častým objektem zájmu je také
vzájemné ovlivňování trav a jetelovin, u kterých bylo dokázáno alelopatické působení ve
zjednodušených podmínkách vodních kultur. K vzájemnému ovlivňování u nich dochází
především pomocí fenolických sloučenin (skopoletin, eskulin).
Poněkud lépe prozkoumané je nepřímé alelopatické působení zprostředkované metabolity
uvolněnými mikrobiálním rozkladem z odumřelých částí rostlin. Zvláštní postavení mají i v
tomto případě fenolické látky, které se nacházejí v půdě v hojném množství jako produkty
rozpadu některých složek biomasy, především ligninu. K těm jednodušším patří např.
kyselina fenyloctová, benzoová, hydroxycinnamová, nebo i známý juglon (5-hydroxy-naftochinon),
který způsobuje silnou toxicitu rozkládajících se listů ořešáku na řadu druhů
zahradních rostlin. Ze složitějších sloučenin bývají hojné flavonoidy a taniny.
Mechanismus působení látek s potenciálním alelopatickým účinkem je dosud znám velmi
nedostatečně. Inhibice membránových funkcí včetně příjmu iontů minerálních živin, inhibice
dělivého i dlouživého růstu buněk, a inhibice klíčení patří k nejčastěji pozorovaným účinkům.
Citlivost různých druhů rostlin je vůči zmíněným sloučeninám značně rozdílná a lze proto
předpokládat existenci rozdílně účinných detoxikačních schopností.
Mykorhiza je velmi dokonale řízený vztah mezi kořeny rostlin a některými druhy hub.
Existuje dokonce několik kvalitativně odlišných typů tohoto těsného spojení. U
ektomykorhizy (EcM) jsou kořeny obaleny pochvou z houbových vláken, které částečně
pronikají i do mezibuněčného prostoru v kůře, ale nikoliv do buněk. Hyfy hub (převážně z
třídy hub stopkovýtrusných, Basidiomycetes, v menší míře to mohou být i houby
vřeckovýtrusné, Ascomycetes) jsou nejen nahloučeny kolem kořene, ale bohatě se větví i v
půdě. Tento typ mykorhizy je velmi častý u lesních stromů a mykobionty mohou být stovky
druhů hub.
U endomykorhizy pronikají houbová vlákna přímo do buněk kůry. Kromě velmi
specializovaných variant u rostlin čeledi Orchidaceae a řádu Ericales, je u většiny čeledí
vyšších rostlin daleko nejčastější arbuskulární mykorhiza (AM). Jedná se o celosvětově
nejrozšířenější typ mykorhizy, který zcela dominuje ve všech porostech trav a jiných bylin.
Zúčastněných druhů hub je sice jen malý počet (jedná o glomeromycety, Glomeromycota)
avšak jsou neobyčejně rozšířené. Žijí pouze symbioticky (ne saprofyticky, jako většina hub),
nelze je tedy pěstovat bez hostitelské rostliny a ani u nich neznáme žádná pohlavní stadia.
Jejich hyfy prorůstají do korových buněk, ve kterých se větví do charakteristického
"stromečkového" útvaru (arbusculus). Na takto zvětšeném povrchu hyf probíhá veškerá
výměna metabolitů mezi hostitelskou rostlinou a mykobiontem.
Vnější, mimokořenové mycelium vytváří rozsáhlou síť v okolní půdě a někdy dokonce
propojuje několik hostitelských rostlin navzájem. Toto propojení umožňuje i výměnu
metabolitů (především uhlíkatých látek) mezi jednotlivými rostlinami v daném společenstvu,
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 34
jak bylo v nedávné době bezpečně prokázáno. To může být velmi výhodné např. pro mladé
semenáčky stromů, pokud vyrůstají v silně zastíněných podmínkách a mají tudíž nedostatek
asimilátů. Přesun části asimilátů ze starších, výhodněji exponovaných jedinců (i jiného
druhu!) může zajistit jejich přežití a zrychlení růstu. Síť mycelia dokonce může
zprostředkovat i úplné a trvalé parazitování některých nezelených rostlin (např terestrických
orchidejí z čeledi hnilákovitých, Monotropaceae) na blízkých dřevinách.
Charakteristické útvary na kořenech rostlin s vyvinutou mykorhizou dvou nejčastějších typů..
Mykorhiza usnadňuje rostlinám příjem vody a minerálních živin. Daleko největší význam
má pro příjem fosforu, kterého je v půdním roztoku vždy jen nepatrná koncentrace a transport
fosfátových iontů ke kořenům rostlin ze vzdálenějších míst je velmi pomalý. Hyfy hub
podstatně zvětšují sorpční povrch (délka hyf je až tisíckrát větší než délka kořenů!), a tím
zrychlují odběr živin i z málo koncentrovaného půdního roztoku. Význam mykorhizy vzrůstá
nejen v živinami chudé půdě, ale také při malé půdní vlhkosti, kdy difúze vody a solí k
sorpčnímu povrchu kořenů je zvláště zpomalena. Mykorhiza je samozřejmě výhodná i pro
zúčastněné houby, které získávají z rostliny organické látky (hlavně cukry a aminokyseliny).
Tento odběr představuje přibližně 5 až 10 % všech asimilátů vytvářených fotosyntézou.
Arbuskulární mykorhiza, na rozdíl od ektomykorhizy, je velmi proměnlivý typ
vzájemného vztahu, jehož intenzita velmi kolísá v průběhu roku. Snadno může také přejít od
oboustranně výhodné symbiózy k parazitismu. Rychlost výměn uhlíkatých látek a fosforu
mezi houbou a rostlinou velmi závisí na vnějších podmínkách i na vývojovém stádiu rostliny.
Proto také rostliny s mykorhizou nemusí mít vždy rychlejší růst (či výnos u zemědělských
plodin) ve srovnání s rostlinami stejného druhu bez mykorhizy. Růstová deprese
infikovaných rostlin bývá obvykle pozorována na půdách s dostatkem fosforu.
V současné době se množí důkazy o velkém významu mykorhizy pro ochranu kořenů
před infekcí patogenními mikroorganismy (hlavně houbami). Zvláště u druhů s kořeny hodně
větvenými, které mají velké množství citlivých meristematických zón, může převažovat tato
ochranná funkce nad nutričními výhodami, které z mykorhizy mohou plynout. Poznatky o
významnosti mykorhizy pro růst a zdravotní stav rostlin se rychle přenášejí i do zemědělské
praxe. Semena celé řady plodin (zejména obilovin) se již nezřídka ošetřují před výsevem
inokulem vhodných kmenů mykorhitických hub.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 35
Reakce rostlin na patogenní organismy a ochrana před herbivory
Interakce s herbivory
Rostliny jsou vystaveny stálému nebezpečí poškození svých orgánů mnoha druhy
živočichů, zejména z početných skupin fytofágního hmyzu, ale i pastvou evolučně
vyspělejších býložravců. Kromě mnoha morfologických a morfogenetických adaptací k
omezení herbivorie (např. ostré trny či trichomy, vysoký obsah tuhých sklerenchymatických
pletiv či schopnost rychlé regenerace poškozených orgánů) jsou také velmi časté i rozmanité
biochemické adaptace.
Z velkého množství sekundárních metabolitů, které se syntetizují v rostlinách, mnohé
působí odpudivě až toxicky na herbivorní živočichy. Z hlediska množství, v jakém se
vyskytují, lze je rozdělit do dvou kategorií. První z nich zahrnuje látky kvalitativně
významné, které se sice vyskytují jen v malých koncentracích, ale zato jsou pro živočichy
velmi toxické. Patří sem nejrůznější alkaloidy, glykosidy uvolňující kyanovodík,
glukosinoláty a mnoho dalších. Rostliny s kvalitativně významnými ochrannými metabolity
jsou sice před většinou herbivorů dobře chráněny, nicméně bývají ohrožovány
specializovanými škůdci, kteří v koevolučním procesu získali dokonalou rezistenci vůči
příslušnému toxinu (např. vytvářejí specifický enzym, který je schopen toxin inaktivovat).
Do druhé kategorie řadíme kvantitativně významné metabolity, které sice nejsou tak
toxické, ale ve větším množství (často tvoří více než 10% sušiny!) způsobují špatnou
stravitelnost, nechutnost až toxicitu (např. lignin, taniny a fenolické látky). Energetická
náročnost syntézy těchto metabolitů je vysoká a rostliny, které jsou jimi vybaveny, mají
obvykle pomalejší růst. Tato zdánlivá nevýhoda však za jistých okolností může být vyvážena
bezpečnější ochranou před poškozením, neboť jen málo živočišných druhů ji dokáže
překonat.
Interakce býložravých živočichů s rostlinami je do značné míry dynamický proces, ve
kterém hrají významnou úlohu také stresové reakce postižené rostliny. Jejich podrobný
výzkum je teprve v začátcích. Přesto je dokázáno, že syntéza toxických metabolitů, např.
inhibitorů proteáz, se může až překvapivě rychle zvýšit po napadení rostliny živočišným
škůdcem. Ke zrychlení syntézy dochází nejen v narušeném orgánu, ale i v ostatních částech
rostliny, které nebyly narušeny. To ovšem vyžaduje přenos signálu, ke kterému může být
využita jak chemická cesta (pomocí sloučenin typu fytohormonů, např. jasmonové kyseliny,
viz obrázek), tak i změny elektrického potenciálu. Dokonce existují důkazy o bezkontaktním
přenosu signálu k tvorbě inhibitorů proteáz z poraněné rostliny na sousední zdravé rostliny
pomocí těkavé sloučeniny metyljasmonátu.
Schéma přenosu signálu pomocí jasmonové kyseliny, která se tvoří z linolenové kyseliny (dehydrací a
-oxidací) za účasti enzymu lipoxygenázy. Linolenová kyselina je uvolňována membránově vázanou
lipázou po její aktivaci signálem přeneseným z receptoru. Tato cesta, běžná při poranění listu
herbivory i některými patogeny, vede zejména k tvorbě inhibitorů proteáz, které působí herbivorům
poruchy trávení. (G = G-protein, PK = proteinkináza).
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 36
Reakce na patogenní mikroorganismy
Kromě živočichů ohrožují rostliny i patogenní mikroorganismy (viry, bakterie, houby).
Jejich průnik do buněk je sice ztížen pevnou buněčnou stěnou, avšak ani ta není pro řadu z
nich nepřekonatelnou překážkou. Především patogenní houby disponují celou řadou velmi
účinných lytických exoenzymů. Není snad potřeba připomínat, že také každé mechanické
poranění rostlinných orgánů představuje otevřenou bránu infekci.
Nejen průnik, ale často již kontakt patogenního organismu s buňkou vyvolává celou řadu
koordinovaných vnitrobuněčných procesů, jejichž cílem je omezit či zcela eliminovat jeho
vstup a šíření do dalších buněk. Jen málo z těchto procesů má zcela obecný charakter, spíše
lze pozorovat velkou rozmanitost u jednotlivých skupin rostlinných druhů i u jednotlivých
orgánů.
Na počátku všech obranných reakcí musí ovšem být podnět k jejich spuštění, kterým
obvykle bývá specifický metabolit (elicitor) uvolňovaný při počáteční interakci buňky s
patogenem a identifikovaný vhodným receptorem hostitelské rostliny. Jako elicitory mohou
sloužit jednak některé metabolity vylučované patogeny (exogenní elicitory, např. některé
polysacharidy, specifické enzymy a peptidy), ale i sloučeniny, které se uvolňují z
narušovaných buněčných stěn obou organismů (endogenní elicitory). K těm patří např.
oligomery chitinu, oligoglukany a glykoproteiny uvolňované hydrolýzou buněčné stěny
patogenních hub, či oligogalakturonany uvolňované z buněčné stěny napadené buňky.
Většina obranných reakcí rostliny je závislá na aktivaci vhodných genů. Elicitory obvykle
neovlivňují genovou aktivitu přímo, ale zprostředkovaně pomocí specifických receptorů v
plazmatické membráně a navazující sítě vnitrobuněčného přenosu signálu, jejíž obecné rysy
byly již zmíněny. Způsob vlastního přenosu se může lišit podle typu elicitoru a intenzity jeho
působení. Kromě "klasické" signalizace zvýšenou koncentrací iontů vápníku a aktivací
proteinkináz bývá velmi často pozorována i tvorba superoxidu a dalších aktivních forem
kyslíku vyvolaná elicitory . Na signalizaci se podílí především peroxid vodíku, jehož zvýšené
množství je možné zjistit už po 5 až 10 minutách působení elicitoru. Kromě možného
přímého účinku peroxidu vodíku na expresi genů existuje ještě nepřímá cesta, při které
nejprve peroxidací lipidů v membránách vzniká kyselina jasmonová a metyljasmonát a ty pak
ovlivňují transkripci Při napadení rostliny patogeny se rychle zvyšuje tvorba etylénu, který
se rovněž podílí na iniciaci genové exprese, a to i v buňkách sousedících s buňkou
napadenou.Vlastní obranné reakce zahrnují jednak tvorbu specifických stresových proteinů a
jednak syntézu a hromadění chemicky jednodušších sloučenin s výrazným antibiotickým
účinkem.
Proteiny indukované patogeny tvoří mimořádně početnou a různorodou skupinu, která je
dále dělena na podskupiny podle velikosti a podle převažujících funkcí. Kromě mnoha
obecně stresových proteinů, jejichž význam pro zvýšení nespecifické odolnosti a nápravě
poškozených částí buněk byla již zmíněna, vyskytují se zde některé proteiny se specifickými
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 37
antimikrobiálními účinky. K těm patří zejména enzymy chitináza a 1,3--glukanáza, které
jsou schopny hydrolyzovat buněčnou stěnu patogenů a přitom produkovat elicitory dalších
obranných reakcí. Silné fungicidní účinky mají proteiny inaktivující ribozómy. Zvláštní
skupinu obranných proteinů tvoří tioniny, které lze nalézt velmi rychle po kontaktu buňky s
patogenem v buněčné stěně. Působí na široké spektrum patogenů, pravděpodobně vytvářením
pórů v jejich membránách. Velmi rychle jsou také indukovány proteiny přenášející lipidy.
Kromě přenosu lipidů do organel jsou potřebné i k tvorbě zesílené kutikuly. U několika
dalších stresových proteinů indukovaných patogeny byl zjištěn silný antivirový účinek.
Sekundární metabolity s ochrannou funkcí jsou u některých druhů rostlin přítomny trvale,
i když v menším množství než při infekci. Patří k nim nejrůznější flavonoidy, terpenoidy,
fenolické látky a alkaloidy, které bývají souhrnně označovány jako fytoncidy či inhibitiny.
Zvláštní skupinu specifických nízkomolekulárních obranných látek tvoří fytoalexiny,
které se za normálních okolností v buňkách nevyskytují, ale začnou se vytvářet až po
napadení patogenem. V současné době je známo více než 300 fytoalexinů, které po chemické
stránce patří mezi velmi různorodé typy sloučenin. U systematicky příbuzných druhů se
obvykle vyskytují také podobné druhy fytoalexinů. Tak např. u rostlin čeledi Fabaceae
převažují izoflavonoidy, u jiných čeledí to mohou být seskviterpeny (Solanaceae), diterpeny
(Poaceae), furanokumariny (Apiaceae), či stilbeny (Vitaceae). U téže rostliny se někdy
mohou tvořit dva i více různých typů fytoalexinů. Většina z těchto sloučenin je lipofilní
povahy, což jim usnadňuje pronikání přes plazmatickou membránu patogenů. Poškození
membránových funkcí patří také k nejčastějším mechanismům působení fytoalexinů na
patogenní organismy. Fytoalexiny mají vysoce toxické účinky již v koncentracích od 10-6
M
hlavně na patogenní houby, méně pak na bakterie.
V horní části obrázku jsou uvedeny chemické vzorce dvou hojných fytoalexinů: rishitin
(seskviterpenový derivát z infikovaných brambor) a glyceollin (izoflavonoid z rostlin sóji). V dolní části
obrázku je znázorněn jednoduchý způsob inaktivace fytoalexinu pisatinu v rostlinách hrachu
patogenní houbou Nectria haematococca.
Poměrně častá a překvapivě účinná reakce na průnik patogenů je řízená tvorba
ochranných nekróz. V napadené buňce mohou být během několika desítek minut po kontaktu
houbové hyfy s plazmalemou spuštěny biochemické procesy vedoucí k rychlé zkáze jak
vlastní buňky, tak i houbové hyfy. Při této tzv. hypersenzitivní reakci dochází k rozpadu
membránového systému hlavně náhlým zvýšením koncentrace aktivních forem kyslíku
("oxidative burst") a aktivací lipáz, i když někdy je provázeno tvorbou některých dalších
toxických látek (např. polyfenolů). Tvorba aktivních forem kyslíku obvykle začíná aktivací
NADPH-dependentní superoxidsyntázy v plazmatické membráně vhodnými elicitory
vylučovanými buď přímo patogenem či vznikající po narušení buněčné stěny a plazmalemy.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 38
Současně také dochází k inhibici antioxidačních enzymů v buňce. V konečném důsledku pak
dochází k rychlé peroxidaci a k rozpadu membránových systémů, a tím i ke smrti buňky. V
další fázi dojde k odumření buněk i v blízkém okolí místa infekce. Lokalizovaná nekróza
většinou dosti spolehlivě zastaví pronikání a další šíření infekce.
Jiným typem obranných reakcí rostlin je rychlé zvýšení tvorby polysacharidu kalózy (1,3-glukan),
který pak vyplňuje buňky v okolí infikovaného místa. Kalóza je velmi odolná vůči
houbovým hydrolázám. Pokud je šíření infekce pomalé, pak se po jisté době může poblíž
ohniska infekce založit sekundární meristém (felogen), produkující silně suberinizované či
lignifikované buňky s velmi dobrou ochrannou funkcí. Někdy dochází i k tvorbě odlučovací
vrstvy a celá infikovaná část rostliny odpadne.
Uvedená ochranná opatření rostlin vůči patogenům nejsou samozřejmě zcela
nepřekonatelná, zejména pro některé silně virulentní kmeny hub. Jejich úspěšnost spočívá
jednak v mimořádně rychlém růstu hyf (šíří se rychleji než se stačí aktivovat obranné reakce),
jednak v tvorbě specifických látek (supresorů), které potlačují vznik hypersenzitivní reakce,
tvorbu stresových proteinů a ostatních ochranných metabolitů. Patogenní houby také
disponují bohatým arzenálem buněčných jedů, jako je např. fusicoccin (diterpenglukozid
houby Fusicoccum amygdalii) způsobující hyperpolarizaci buněčných membrán silnou
stimulací činnosti protonových pump. Detailním studiem interakcí rostlin s patogenními
organismy se zabývá specializovaný vědní obor fytopatologie.
STRESOVÁ FYZIOLOGIE 39
Kontrolní otázky ke 4. části učebního textu Fyziologie rostlin
1. Jaké jsou nejčastější společné typy stresových reakcí rostlin při působení rozmanitých
nepříznivých vnějších faktorů?
2. Jakým způsobem (mechanismem) mohou chránit buňky před působením nepříznivých
vnějších faktorů stresové proteiny?
3. Jakým mechanismem se mohou deaktivovat v buňkách reaktivní formy kyslíku?
4. Jakými mechanismy se rostliny mohou chránit před destrukčními účinky UV - záření?
5. Jaké buněčné struktury jsou nejcitlivější na působení vysokých teplot, při jak vysoké
teplotě začíná být jejich poškození pozorovatelné a jaká teplota již má letální účinek?
6. Proč při u citlivých rostlin dochází k trvalému poškození chladem (teplotami mírně nad
nulou) jen po jejich delším působení?
7. Jaké jsou dva hlavní mechanismy destrukčního působení mrazu na rostliny?
8. Jakými způsoby mohou rostliny zvyšovat svoji odolnost vůči mrazu?
9. Jaké procesy v rostlinách nejcitlivěji reagují již na velmi mírný nedostatek vody?
10. Jaké strukturní a funkční vlastnosti umožňují některým druhům rostlin snášet bez
vážnějšího poškození téměř úplné vyschnutí?
12. K jakým změnám (biochemickým, strukturním) dochází u běžných rostlin, pokud jsou
jejich kořeny v anaerobních podmínkách (např. po zaplavení).
13. Jaké adaptační mechanismy umožňují některým druhům rostlin dlouhodobě růst v
zaplavených půdách s nedostatkem kyslíku?
14. Na silně kyselých půdách je růst rostlin jen zřídka omezován přímým účinkem zvýšené
koncentrace vodíkových iontů, významnější jsou nepřímé účinky řady pedochemických
faktorů. O které se hlavně jedná?
15. Jaké jsou hlavní adaptační mechanismy rostlin směřující k omezení toxického působení
sloučenin těžkých kovů na rostliny?
16. Jaké jsou hlavní rozdíly mezi ektomykorhizou a endomykorhizou arbuskulárního typu?
17. Z jakých důvodů bývá mykorhiza pro rostliny obvykle velmi prospěšná?
17. Jaké typy sekundárních metabolitů zvyšují ochranu rostlin před býložravci?
18. Při infekci rostliny patogenními mikroorganismy dochází k rychlé syntéze celé řady
funkčně odlišných ochranných metabolitů. Které z nich patří k nejdůležitějším?