Měření odporu transportních cest, stupně jejich integrace a embolizace Vít Gloser Cvičení z fyziologie rostlin pro pokročilé Základní principy xylémového transportu vody (1)  Tok vody v xylému je možný jen po spádu vodního potenciálu, který je řízen převážně změnami tlaku (jedná se o hmotnostní tok, u kterého je nezbytným předpokladem rozdíl v hydrostatickém tlaku!)  Rychlost toku závisí na rozdílu tlaku na začátku a na konci transportní dráhy, a dále na vodivosti transportních cest. Vodivost cév a cévic exponenciálně roste s jejich vnitřním průměrem.  Tlakového rozdílu v xylému se dosahuje převážně silným snížením tlaku v mikrokapilárách buněčných stěn při zakončení xylému v listech. V xylému je tudíž téměř stále podtlak (=tlak menší než atmosférický). Maximální rychlost toku vody xylému exponenciálně roste s vnitřním průměrem cév J = (r4 / 8) (p / x) J = objemová rychlost toku v trubici [cm3 s-1 MPa-1] r = poloměr světlosti trubice  = viskosita transportované kapaliny (řec. éta), p / x = tlakový spád = rozdíl tlaku (p), vztažený na vzdálenost mezi začátkem a koncem transportní dráhy (x) Praktické důsledky HagenPoiseuilleova vztahu Vodivost jedné cévy průměru 40 um může nahradit: 16 cév průměru 20 um nebo 256 cév průměru 10 um Příklady maximálních rychlostí toku vody v xylému u různých skupin rostlin • Jehličnaté stromy 1 - 2 m h-1 • Listnaté stromy s úzkými cévami 2 - 6 m h-1 • Listnaté stromy s širokými cévami 20 - 45 m h-1 • Byliny 10 - 60 m h-1 • Liány 150 m h-1 Pohyb vody v rostlině – hnací síly a regulační body Difůzní odpor průduchů Hydraulický odpor xylému Hydraulický odpor radiálního transportu v kořeni Půda  ~ -0,1 MPa Vzduch  ~ -95 MPa Ukázka různé stavby vodivých elementů xylému Transportní obchvat (bypass) poškozeného místa cévy Co to jsou hydraulické metody pro měření odporů v rostlinách? • Metody využívající měření toku kapaliny přes pletiva rostliny v podmínkách tlakového spádu známé velikosti k hodnocení funkčních vlastností pletiv nebo celých orgánů. Hlavní oblasti použití hydraulických metod • Hodnocení vodivosti/odporu xylému v orgánech na segmentech • Hodnocení vodivosti celých neporušených kořenů nebo listů • Hodnocení odporu, který klade rostlina transpiračnímu toku • Hodnocení stupně integrace vodivých pletiv • Srovnávání odolnosti xylému vůči narušení transportu vznikem kavitací Měření hydraulické vodivosti stonkového segmentu Jak měříme hydraulický odpor kořenového systému a jeho změny ? Jak měříme hydraulický odpor celé rostliny ? Root pressure chamber (Stirzacker and Passiura 1996) Podle Zimmermann (2000) a Zwieniecki et al. (2001) Cévy xylému Membrána dvůrkaté tečky Mechanismus změn odporu xylému podle koncentrace kationtů Funkční analýza anatomie xylému Funkční analýza anatomie xylému: průměr cév a vodivost Hagen-Poiseuilleův vztah: K = r4  / 8 K – vodivost kapiláry r – poloměr kapiláry  – dynamická viskozita kapaliny Vztah mezi vypočtenou a skutečnou hydraulickou vodivostí xylému rostlin chmele Proč je skutečná vodivost stonku menší než teoreticky vypočtená? • Cévy nejsou ideální kapiláry (tření kapaliny o stěny, průřez není kulatý, vnitřní průměr může kolísat atd.) • Významný odpor teček na koncových stěnách cév • Všechny hodnocené cévy nejsou vodivé Vliv hormonální signalizace na vývoj a fungování xylému 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 ahk2,3 CJH16T316 CJH17T4 Col-WT Vodivostg(mMPas)-1 Vztah mezi vodním potenciálem stonku a relativním poklesem hydraulické vodivosti xylému ve stonku rostlin chmele Závažnost poruch xylému pro fungování celé rostliny • Jak velký je pokles vodivosti xylému ve stoncích za průměrné vlhkosti půdy ? Kolísá od 20 do 40% • Kolik z narušených cév je opraveno v průběhu noci ? Přes 10% transportní kapacity stonku může zůstat neopraveno! • Jak velká část vodivé kapacity stoku je využívána při transpiraci rostlin chmele? První odhady ukazují za běžných podmínek dostatku vody 10-30% Měření stupně integrace vodivých pletiv • ovlivňuje distribuci vody a živin • závisí na anatomii cév a cévních svazků • metody měření na různé rozlišovací úrovni – cévy – orgány – celé rostliny Xylem vessels Pit H2O H2O I. 5 cm II. 360o Safranin-O in KCL 20 mM KCl 90o III To Balance 360o 20 mM KCl To Balance K360 = Axial K90 = Tangential K90/K360 = Ratio Physiology: Conductivity = Flow rate*Pressure-1*Length*Area-1 (kg MPa-1 s-1 m-1) 0.1 MPa Betula papyrifera Acer saccharum Quercus rubra Leaf-to-leaf Hydraulics Opposite-leaved species Acer saccharum, diffuse-porous Fraxinus americana, ring-porous Alternate-leaved species Betula papyrifera, diffuse-porous Castanea dentata, ring-porous, Liriodendron tulipifera, diffuse-porous Quercus rubra, ring-porous Method: Pushed 10 mMol KCl at known pressure (0.2MPa) using a nitrogen tank, and measured outflow (kg/s) from each petiole using an electronic balance (n=4 per species) Conductance = flow rate/pressure N2 KCl balance Obecný postup při měření hydraulických vlastností xylému stonku • odběr vzorku • příprava vzorku • vlastní měření • vyhodnocení záznamu • výpočty • hodnocení výsledků Postup při měření • Segment stonku průměr 5-7mm, délka 150 mm • Napojení do aparatury (parafilm, hadičky) • Vlastní měření: – nízký tlak 1-2 (kPa) – (vodivost při embolii) – zvýšený tlak 120 (kPa) - odstranění embolie – nízký tlak (maximální vodivost) • Vyhodnocení záznamu – průměry • Výpočty vodivosti s embolií a bez embolie • Příčné řezy měřenými segmenty + barvení • Hodnocení výsledků – tabulky, grafy, fotografie Výpočty hydraulické vodivosti nebo odporu Hydraulická vodivost: kh = F / (dP/dx) (kg s-1 m MPa-1 ) F – rychlost toku vody (kg s-1) dP/dx – velikost tlakového gradientu (MPa m-1) Specifická hydraulická vodivost: ks = kh / A kh – hydraulická vodivost A – plocha příčného řezu segmentu Cíle experimentu: • Určit, jak se liší specifická hydraulická vodivost stonků různých dřevin • Zjistit, jak se druhy liší stupněm embolizace • Určit, jak hydraulická vodivost a stupeň embolizace závisí na průměrné velikosti (průměru) vodivých elementů