FYZIOLOGICKÁ EKOLOGIE ROSTLIN (2) PŘIZPŮSOBENÍ ROSTLIN K NEDOSTATKU VODY Nedostatek vody ze všech vnějších faktorů nejvíce omezuje růst a produktivitu terestrických rostlin! Množství ročního úhrnu srážek na Zemi je velice nerovnoměrné průměrný roční úhrn srážek (mm) méně než 250 Složky vodní bilance u dvou typů našich lesů Listnatý les Jehličnatý les Pohyb vody v půdním profilu v nasyceném stavu zadržování srážek v půdě průsak přebytečné vody odběr vody rostlinami Zadržování a pohyb vody v půdě Vazba vody v pórech: Rozhodující vazebnou silou je matriční složka vodního potenciálu (m). Přibližně platí: m (MPa) = - 0,3 / d (d je průměr pórů v mikrometrech) tedy např. pro póry s průměrem 60 m je m = - 0,005 MPa (= - 5 kPa) 0,2 m m = -1,5 MPa Působením gravitační síly vzniká v pórech podtlak přibližně 5 kPa, a proto z pórů o průměru větším než 60 m voda samovolně odtéká směrem dolů (a obvykle i pryč z daného území). Množství zbylé „vázané“ vody v menších pórech udává maximální kapilární kapacitu dané půdy. Vodní potenciál kořenů běžných druhů rostlin (mezofytů) není obvykle nižší než - 1,5 MPa, a proto voda v pórech o menším průměru než 0,2 m není pro tyto rostliny dostupná. Obsah vody v půdě při m = -1,5 MPa je označován v pedologii jako bod trvalého vadnutí pro danou půdu. Zadržovací schopnosti půd s rozdílnou velikostí půdních pórů Vodní potenciál MPa (log. stupnice!) -1,5 = bod trvalého vadnutí -0,005 = max. kapilární kapacita objemové množství vody (%) písčitá hlinitá jílovitá nedostupná voda (pevně vázaná),% dostupná voda, % nezadržená, volně odtékající voda, % Zásoba a pohyb vody v půdě Dostupnost vody – vliv textury Transport vody je podmíněn postupným snižováním hodnot vodního potenciálu ve směru toku! Půdní roztok  = -0,03 MPa Kořeny  = -0,3 MPa Listy  = -1 MPa Vzduch  = -100 MPa Možné hodnoty vodního potenciálu za letního dne u zavlažované rostliny: Přesuny vody mezi vrstvami půdy pomocí kořenů rostlin („water lift“) Jak teče voda z půdy do atmosféry ? Půda Kořen List Vodivá pletiva ROSTLINA ATMOSFÉRA Koncová stěna cév Dálkový transport vody Zdroje Hydraulického odporu v xylému Zajištění spolehlivosti funkce xylému Ochrana proti šíření embólie Struktura xylému nahosemenných Cévice – menší průměr membrány mají torus Odolávají vysokým tlakům Struktura xylému krytosemenných • Cévy - větší průměr • Jednoduché membrány teček • Odolávají menším tlakům Rozdílné reakce rostlin na nedostatek vody rozdíly ve vzniku kavitace mezi citlivou a odolnou rostlinou při nárůstu podtlaku – PLC křivka 0 20 40 60 80 100 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 XYLEM PRESSURE (MPa) %LOSSOFHYDRAULIC CONDUCTIVITY Odolná Citlivá Podtlak v xylému (MPa) %ztrátahydraulické vodivosti Podtlak v xylému (MPa) %ztrátahydraulické vodivosti Pro transpiraci u stromů bývají v ranních hodinách využívány zásoby vody ve kmenu Difuse vodní páry a CO2 z listu tok mimo tok přes tok přes průduchy průduchy hraniční vrstvu Předprůduchová dutina = evoluční „vynález“ zvyšující odpor pro transpiraci více než odpor pro asimilaci CO2 Když se prodlouží obě dráhy - krátká pro H 2 O a delší pro CO 2 o stejný kousek (odpor předprůduchové dutiny), zpomalí to významnější měrou ztrátu vody než příjem CO 2 . 20m Příčný řez listem Ficus elastica. Detail spodní epidermis. Barveno gencianovou modří. Foto M. Šimková, 2003 Předprůduchová dutina = evoluční „vynález“ zvyšující odpor pro transpiraci relativne k odporu pro asimilaci CO2 Banksia serrata, Foto M. Šimková, 2003 Komplexy změn v rostlinách za nedostatku vody: a) mírný nedostatek (obvykle snadno vratné změny):  růstové změny: zpomalení až zastavení dlouživého růstu buněk listů (poklesem turgoru, nejcitlivější reakce), zastavení tvorby nových listů, větví a odnoží. Pokračuje ale tvorba semen a růst kořenů!  metabolické změny, především zpomalení až zastavení fixace CO2 (v důsledku uzavření průduchů), ale i dalších syntetických procesů. Rychlost respiračních a translokačních procesů se nesnižuje! b) velký nedostatek (obtížně vratné či zcela nevratné změny):  strukturní a funkční změny proteinů a membrán (především změnami hydratace), nevratná degradace polyribosomů (konec proteosyntézy)  mechanické poškození poškození plazmalemy (především odtržením plazmatické membrány od buněčné stěny, zničení plazmodesmat. spojů). • oxidační poškození (aktivovanými formami kyslíku). Nepříznivé změny v buňkách „běžných“ rostlin v průběhu vysychání (za nedostupnosti vody) 100% 90 80 70 60 50% 40 30 20 10 0 Relativní obsah vody Doba vysychání Snadno obnovitelné změny po resaturaci: - zpomalení až zastavení růstových procesů, - zpomalení metabolických procesů, - malé strukturní změny. Nevratné, letální změny v buňkách: poškození plazmalemy a plazmodesmat, rozpad proteinů a membrán, oxidační poškození reakt. formami kyslíku Růstové procesy jsou na nedostatek vody mnohem citlivější než procesy metabolické a transportní! Rostliny tolerující vyschnutí (dehydration tolerant plants) Jsou schopny plně obnovit fyziologické funkce všech svých orgánů i po „úplném“ vyschnutí v přírodních podmínkách, kdy se vodní potenciál buněk vyrovná s vodním potenciálem okolního prostředí (např. při 20°C a 50% relativní vlhkosti vzduchu je to asi –100 MPa, relativní obsah vody v buňkách klesne asi na 5 % !). K těmto rostlinám patří: • většina druhů mechorostů a lišejníků, • asi 200 druhů kapraďorostů, • asi 100 druhů krytosemenných rostlin Taxonomické skupiny rostlin s výskytem druhů tolerujících vyschnutí játrovky mechy vranečky šídlatky plavuně přesličky kapradiny cykasy jehličnany liánovce některé krytosemenné rostliny primitivní suchozemské rostliny (ordovik,  500 mil.) cévnaté rostliny (devon,  400 mil.) nahosemenné rostliny (perm, 300 mil.) (křída,  130 mil.) Hypotetické evoluční souvislosti různých forem tolerance vyschnutí játrovky hlevíky mechy vranečky šídlatky plavuně přesličky kapradiny cykasy jehličnany liánovce krytosemenné rostliny trvale aktivní forma tolerance vyschnutí byla podmínkou k přežití primitivních rostlin kolonizujících souše. u nově vznikajících druhů cévnatých rostlin původní forma tolerance vyschnutí mizí - přežití je zajištěno lepším hospodařením s vodou. u některých skupin druhů cévnatých rostlin vzniká schopnost opakovaně indukovatelné tolerance vyschnutí všech orgánů (při pomalém schnutí). u semenných rostlin je tolerance vyschnutí indukovaná dočasně v dozrávajících semenech. Mechy a lišejníky patří k nejběžnějším organismům tolerujícím rychlé a opakované vysychání Tortula ruralis je nejčastěji užívaný druh mechu ke studiu konstitutivních mechanismů tolerance rychlého vyschnutí Vranečky (Sellaginella spp.) patří mezi typické zástupce kapraďorostů tolerujících periodické vysychání. Jsou hojné v mnoha aridních oblastech tropů a subtropů Myrothamnus flabellifolia (Myrothamnaceae, jižní Afrika) je jedinou známou dřevinou tolerující vyschnutí Ramondia serbica (Gesneriaceae) je jednou z mála evropských cévnatých rostlin tolerujích vyschnutí Mechanické poškození buněk při velké ztrátě vody je způsobeno především odtržením plazmatické membrány od buněčné stěny. To vede k zastavení transportu látek plazmodesmaty Snížení hydratace povrchu membrán rozpad jejich planární bilipidické struktury Hlavní strukturně-funkční předpoklady buněk pro přežití velké ztráty vody • Zabránit mechanickému poškození plazmatické membrány a plazmodesmat, • Zabránit destrukci membrán a ztrátě konformace proteinů při ztrátě vody z hydratačních obalů, • Obnovit funkčnost xylému po úplné kavitaci cév, • Zabránit oxidačnímu poškození buněčných struktur reaktivními formami kyslíku. Jak lze zabránit mechanickému poškození buněk při velké ztrátě vody? • vysokou elasticitou buněčných stěn (stěny bez ligninu u mechů, vysoký obsah pektinů a hemicelulos), • preformovanými záhyby buněčných stěn, které umožňují zmenšit objem buňky s pevnými stěnami bez oddálení plazmalemy, • udržením vnitřního objemu buněk náhradou vody ve vakuolách jinými tekutinami (např. polyoly), • schopností obnovit plazmodesmatické spoje i po jejich poškození. Jak lze zabránit oxidačnímu poškození buněk při velké ztrátě vody? • omezením tvorby reaktivních forem kyslíku (ROS) - v chloroplastech (snížením absorpce záření, např. svinováním listů, rozpadem thylakoidů), - v mitochondriích (snížením rychlosti respirace), • hojnou tvorbou antioxidačních látek (substrátů a enzymů), • chemickým složením membrán (větším podílem nasycených mastných kyselin odolných k peroxidaci). Významné antioxidační enzymy a substráty u rostlin tolerujících vyschnutí Běžné, trvale přítomné enzymy, ale vysycháním je indukovaná jejich zvýšená tvorba: např. superoxiddismutázy, katalázy, askorbátperoxidáza (+ jiné peroxidázy), glutationreduktáza, dehydroaskorbátreduktáza… Nové antioxidační enzymy typu peroxiredoxinu, dosud u rostlin neznámé, byly objeveny u Xerophyta viscosa. K jejich tvorbě dochází pouze při vysychání a jsou lokalizovány v jádře (asi ochrana DNA) Substráty: Karotenoidy, askorbát, glutation, tokoferol …, ale i řada jiných sekundárních metabolitů (např. anthokyany, flavonoidy, polyaminy). Dehydriny (LEA-proteiny) Evolučně prastará, velmi početná skupina hydrofilních proteinů různé velikosti, jejichž tvorba je obvykle indukována nejen vysycháním, ale i jinými stresovými faktory (mráz, zasolení …). Za stresových stavů je lze nalézt ve většině buněčných součástí (včetně thylakoidních membrán chloroplastů) a tudíž i jejich funkce (dosud málo známé) budou nutně rozmanité. Nejčastěji se jim přisuzuje funkce ochrany strukturní integrity proteinů, nukleových kyselin a membrán (udržováním hydratačních obalů), a také spoluúčast na reparaci poškozených buněčných struktur a při tvorbě sklovité formy cytosolu. Jak lze zabránit poškození hydratačních obalů membrán a proteinů při velké ztrátě vody ? • vysokou koncentrací kompatibilních osmotik, hlavně neredukujících cukrů (až 40% sacharózy či trehalózy), ale i aminokyselin (prolin) a polyolů, • specifickými proteiny ze skupiny LEA (= dehydriny), • vitrifikací cytoplazmy (přechod do stavu tekutého skla) Schématické znázornění ochranného efektu osmotik na stabilizaci hydratačních obalů proteinů Vazba vody molekulami aminokyseliny prolinu pomáhá déle udržovat hydrataci biomolekul Hlavní typy přizpůsobení běžných cévnatých rostlin k nedostatku vody Strukturní přizpůsobení (anatomie,morfologie): transportní systémy (xylém, floém) průduchový aparát Fyziologická přizpůsobení:  úsporné hospodaření s vodou (rychlý příjem, pomalý výdej, metabolické cesty C4 a CAM, tvorba zásob, atd.),  zachování funkčnosti buněk i při větším poklesu hodnot vodního potenciálu (tvorbou osmolytů a stresových proteinů),  růstové cykly METABOLICKÁ CESTA CAM JAKO VÝZNAMNÁ ADAPTACE ROSTLIN K NEDOSTATKU VODY Fixační cesta CAM (velmi zjednodušené schéma hlavních částí) NOC: HCO3 - + fosfoenolpyruvát (PEP) cytosol oxalacetát chloroplast malát vakuola kyselina jablečná DEN: malát chloroplast CO2 + pyruvát RUBISCO Calvinův cyklus PEP-karboxyláza VÝHODY rostlin s fixační cestou CAM:  Mohou podstatně omezit ztráty vody při příjmu CO2 (pokud příjem CO2 probíhá v noci, kdy je vlhký vzduch, výdej vody průduchy je velmi malý),  mají zvýšenou účinnost Calvinova cyklu (je potlačena fotorespirace),  některé druhy mohou přecházet z cesty CAM na C3 a naopak,  mohou fixovat CO2 ve dne i v noci - tedy i recyklovat CO2 uvolňovaný z respiračních procesů. Za dlouho trvajícího sucha mohou mít zcela uzavřené průduchy a přežívat s minimálními ztrátami vody a org. látek. To ale platí jen pro jejich zelené (asimilační) části ! NEVÝHODY rostlin s fixační cestou CAM:  Tvorba asimilátů bývá u nich omezována nedostatečnou kapacitou vakuol pro skladování kyseliny jablečné v buňkách,  na jednotku biomasy mají menší listovou plochu než nesukulentní rostliny, což snižuje jejich potenciální rychlost růstu,  minimalizace výdeje vody v denních hodinách může vést k přehřívání,  mají většinou jen velmi malou mrazuvzdornost. Denní průběh fixace CO2 u rostlin typu CAM Změny ve využívání fixační cesty CAM u různě starých semenáčků Agave americana Taxonomické skupiny rostlin s největším zastoupením druhů s fixační cestou CAM Čeleď : přibližný počet druhů: Orchidaceae 7000 Bromeliaceae 2000 Cactaceae 2000 Aizoaceae 2000 Crassulaceae 1200 Liliaceae 700 Asclepiadaceae 600 Euphorbiaceae 500 Agavaceae 400 Rod: přibližný počet druhů: Tillandsia 1500 Euphorbia 500 Aloe 400 Sedum 300 Agave 300 V polopouštích převažují rostliny s fixační cestou CAM (Mexiko) Polopouště s dominancí rostlin s fixační cestou CAM (jižní Afrika) Příklady listových sukulentů s fixační cestou CAM Rostliny s fixační cestou CAM jsou schopny přežít i v extrémních podmínkách „absolutních“ pouští (Tillandsia latifolia, poušť Atacama, Peru) Rostliny s fixační cestou CAM jsou schopny přežít i v extrémních podmínkách „absolutních“ pouští (Welwitschia mirabilis, poušť Namib, Namibie) MINERÁLNÍ ŽIVINY A JEJICH VLIV NA CHOVÁNÍ ROSTLIN V PŘÍRODĚ Složitost vztahů mezi obsahem minerálních živin v půdě a chováním rostlin  minerální živiny nejsou jedním faktorem s jasně definovaným působením, ale představují celý komplex faktorů (různé množství iontů každého ze 14 živinových prvků), s rozdílným mechanismem působení.  minerální živiny působí na rostliny ve značně složitých a variabilních vztazích mezi rostlinou, chemickými látkami v půdě a půdními mikroorganismy. Minerální živiny téměř ve všech typech ekosystémů trvale omezují rychlost růstu rostlin, a to včetně zemědělských plodin. Na druhé straně jejich množství lze snadněji ovlivňovat, než faktory klimatické (záření, teplota …) Mezidruhové rozdíly v růstových reakcích na koncentraci živin v půdě jsou velké a komplikují zobecňování! Průměrné koncentrace minerálních živin v rostlinách Typické koncentrace iontů minerálních živin v půdním roztoku a v buňkách kořenů (vše v mM) iont půda kořen NO3 - 1 4 K+ 0,5 100 HPO3 2- 0,001 1 Ca2+ 1,5 0,0001 Mg2+ 0.5 2 Hlavní zdroje živin přijímaných rostlinami (dlouhodobý průměr pro lesy mírného pásma, %) Depozice a fixace Zvětrávání Recyklace N 7 0 93 P 1 5 94 K 2 10 88 Ca 4 31 65 Množství přijatelných živin na dané lokalitě je výsledkem dynamické rovnováhy mezi vstupy a výstupy Vstupy (doplňování živin do půdního roztoku):  Rozkladem organické hmoty (z odumřelých částí rostlin),  Zvětráváním minerální frakce (z matečné horniny),  Fixací plynných látek z atmosféry (zvláště N2),  Depozicí suchou (polétavý prach) a mokrou (srážková voda),  Hnojením (na zemědělsky využívaných plochách). Výstupy (odběr a ztráty živin z půdního roztoku):  Odběrem živin kořeny rostlin,  Vazbou (imobilizací) do nepřijatelných forem v půdě,  Vymýváním a odtokem z dané plochy,  Únikem plynných látek do atmosféry (např. amoniak), Aktuální rychlost příjmu živin rostlinami závisí:  na obsahu živin v těsné blízkosti kořene, ale současně i na rychlosti jejich doplňování transportem z okolní půdy,  na sorpční ploše kořenů (event. délky či hmotnosti), což představuje strukturní (morfologický) parametr dané rostliny,  na specifické sorpční rychlosti kořenů (= rychlost příjmu na jednotku plochy kořene, event. délky či hmotnosti). Ta je tedy funkčním (fyziologickým) parametrem dané rostliny. Schéma interakce kořenů s třífázovým půdním prostředím Transport iontů minerálních živin k povrchu kořene Difuse  potřebný koncentrační gradient je vytvářen odběrem živin kořeny (a tudíž pro každý iont bývá jiný),  difuse je zpomalena přítomností sorpčního komplexu půdy (zpomalen je hlavně pohyb kationtů, např. Ca2+, Mg2+),  difuse je velmi zpomalena při sníženém obsahu vody v půdě. Hromadný tok (mass flow)  je vyvolán hlavně odběrem vody kořeny (závisí na transpiraci), ale i gravitačním tokem (průsak dešťové vody),  pohyb živin zde nezávisí na rychlosti odběru kořeny, méně potřebné živiny se tudíž mohou hromadit v okolí kořenů,  pro přísun hlavních makroživin (N a P) je tato cesta obvykle méně významná než difuse. Strukturní charakteristiky kořenů kterými rostliny mohou zvyšovat rychlost příjmu živin  větší relativní alokace biomasy do kořenů (poměr mezi kořeny a nadzemní částí). Zvyšuje se též sorpční plocha vytvořená z jednotky biomasy kořene),  růst kořenů je modifikován lokální dostupností živin (dochází k zmnožení v zónách s vyšší koncentrací živin),  sorpční plochu kořenů velice zvyšují hyfy mykorrhizních hub (10 až 1000x). Kořenový systém rostlin se obvykle zahušťuje v té půdní vrstvě, která je bohatší na živiny 1 mM NO3 - 0,01 mM NO3 - Funkční charakteristiky kořenů regulující příjem živin  příjem je uskutečňován transportními proteiny specifickými pro každý iont, a to i proti koncentračnímu spádu  pro tentýž iont může existovat několik typů selektivních transportních proteinů s odlišným transportní mechanismem, kapacitou a afinitou,  množství (plošná hustota) a typ transportních proteinů v plazmatických membránách buněk kořenů se může měnit v závislosti na koncentraci daného iontu ve vnějším prostředí a na fyziologickém stavu rostliny (aktuální potřebě živiny),  některé živiny mohou být přijímány v nadbytku a ukládány do zásobních forem (výhodné při velkém kolísání dostupnosti). Hlavní adaptační znaky druhů rostlin přežívajících na místech s trvalým nedostatkem živin  Jsou vrozeně pomalu rostoucí a jen málo reagují na zvýšení obsahu živin v půdě zrychlením růstu,  Jsou schopny dlouho zadržovat živiny vázané v biomase (zachovávají dlouho své orgány ve funkčním stavu),  Odpuzují býložravce, jsou odolné vůči patogenům,  Mají velmi dobře vyvinutou mykorhizu. Fyziologická aktivita rostlin může významně ovlivňovat chemismus půdy!  rychlý příjem iontů makroživin (např. NO3 -) rostlinami může výrazně snižovat jejich koncentraci v půdním roztoku, při malém odběru se tyto ionty naopak mohou v půdě hromadit,  příjmem iontů živin se může výrazně měnit pH v rhizosféře (např. při příjmu NO3 - se rhizosféra alkalizuje, při příjmu NH4 + se okyseluje), tím se mění rozpustnost jiných sloučenin,  kořeny vylučují organické látky (kyseliny, cukry aj.), kterými mohou ovlivnit půdní chemismus jednak přímo, jednak nepřímo přes aktivaci činnosti půdních mikroorganismů. Efektivita využívání přijatých živin - obecná kritéria hodnocení Efektivita využití živin (zvláště N a P) k růstovým procesům se obvykle vyjadřuje přírůstkem biomasy dané rostliny či porostu vztažené na jednotku přijatých živin za časový interval různé délky (dny, týdny, měsíce, roky). Je nutné si uvědomit, že za delší časový interval (měsíce, roky) není efektivita využití živin dána jen poměrem mezi rychlostí tvorby nové biomasy a rychlostí příjmu živin, ale i současně probíhajícími ztrátami dříve přijatých živin z rostlin zpět do vnějšího prostředí. Ke ztrátám živin z rostlin dochází především odumíráním jejich orgánů (přirozenou i násilnou cestou), méně pak vymýváním. Vysoké efektivity využívání živin mohou dosahovat různé druhy rostlin odlišným mechanismem!  Mezi rostliny s vysokou efektivitou využití živin patří především vrozeně rychle rostoucí druhy, které využívající živiny přednostně ke stavbě nových listů (ale s kratší životností!). Tato růstová „strategie“ je dlouhodobě úspěšná jen za velké zásoby živin v půdě, neboť je spojena se značnými ztrátami živin z rhizosféry při mikrobiálním rozkladu odumřelých orgánů.  Vysokou efektivitu využití živin však mohou mít i některé vrozeně pomalu rostoucí druhy, jejichž orgány mají velmi dlouhou životnost a také schopnost translokace většiny živin před odumřením do mladých částí.Tato růstová strategie se nejčastěji uplatňuje za malého obsahu živin v půdě a v delším časovém horizontu. Hlavní směry aklimačních reakcí rostlin k nedostatku živin v půdě  zvýšení sorpčního povrchu kořenů a hustoty prokořenění půdy (vysoká alokace biomasy do kořenů, tvorba tenkých kořenů, vysoký stupeň mykorrhizní symbiózy),  účinné uvolňování živin z nerozpustných sloučenin do přijatelné formy (vylučováním organických kyselin, chelatizujících látek), nepřímo též stimulací půdních mikroorganismů (např. cukernými exudáty), Změny ve funkčních parametrech kořenů (např. vyšší potenciální rychlost příjmu živin na jednotku sorpčního povrchu) nejsou obvykle významné pro přežívání a kompetiční úspěšnost za nedostatku živin! DUSÍK Přeměny hlavních forem dusíku v půdě (velmi zjednodušené schéma!) N2 NH3 N2O, NO, N2 fixace volatilizace denitrifikace organické formy dusíku NH4 + NO3 - (Thiobacillus denitrificans) příjem a asimilace kořeny rostlin a mikroorganismy (immobilizace) (Nitrosomonas sp. (Nitrobacter sp.) a mnoho jiných) amonifikace nitrifikace Hlavní procesy řídící rychlost přeměn dusíku v půdě  Hlavním omezujícím procesem je obvykle přeměna polymérních sloučenin N v půdní organické hmotě do jednodušších, rozpustných forem organického dusíku (aminokyseliny, nukleotidy…) pomocí exoenzymů půdní mikroflóry.  Část rozpustných organických forem N může sice být přijímána rostlinami, ale většina je spotřebována půdní mikroflorou (= immobilizace N). V případě nedostatku jiných látek bohatých na uhlík využívá mikroflora dusíkaté látky i jako zdroj C, a přebytek N (ve formě NH4 +) se hromadí v půdě (= čistá mineralizace N). Poměr C:N v mikrobní biomase je přibližně 10.  Nitrifikační přeměna NH4 + probíhá ve dvou krocích (nejprve na nitrit a pak na nitrát) většinou pomocí autotrofních, aerobních bakterií které využívají energii z oxidace NH4 + a NO- pro redukci CO2. Nedostatek kyslíku vážně omezuje rychlost nitrifikace.  Rychlost denitrifikace je stimulována vysokou koncentrací nitrátů a současně nedostatkem kyslíku v půdě (denitrifikační bakterie využívají přednostně O2 jako akceptor elektronů, pokud je přítomen!) Biologická fixace molekulového dusíku HLAVNÍ TYPY: pevně symbiotická (hlízková) - bakterie rodu Rhizobium (u rostlin čeledi bobovitých) - aktinomycety rodu Frankia (např. u olší – Alnus) - sinice rodů Nostoc, Anabaena aj. (např. u lišejníků) volně symbiotická (asociativní – v těsné blízkosti kořenů) bakterie (Azotobacter) i sinice asymbiotická (zcela volná, i v půdách bez rostlin) Fixující organismy mohou být jednak heterotrofní, ale i plně autotrofní, tedy současně fixující CO2 a N2 (např. sinice). Symbiotická (hlízková) fixace dusíku Symbiotická (hlízková) fixace dusíku PRŮBĚH VZNIKU SYMBIOTICKÉ VAZBY: 1. vylučování druhově specifických flavonoidních látek z kořenů hostitelské rostliny, 2. specifické reakce vyvolané flavonoidy u vhodného druhu bakterií: - chemotaxe (chemicky vyvolaný pohyb směrem ke kořenům), - indukce exprese skupiny nod- genů , což vede ke tvorbě specifických oligosacharidů typu lipochitinů, označovaných jako nod- faktory 3. specifické reakce pod vlivem nod- faktorů v hostitelské rostlině : - tvorba lectinů (= proteiny s vazebnými místy pro sacharidy) na povrchu kořenových vlásků - usnadňují vazbu a průnik bakterií do kořene, - tvorba specifických proteinů nodulinů v kořenech (jsou nutné pro tvorbu hlízek a zabezpečení fixačního procesu), 4. průnik bakterií do buněk kůry infekčním vláknem, růst hlízek, 5. tvorba bakteroidů (= zapouzdřených bakterií) a leghemoglobinu v hostitelských buňkách, 6. vlastní fixace N2 Počáteční fáze infekce rostliny hlízkovými bakteriemi Rhizobiální bakteroidy v buňkách kořenové hlízky Omezující faktory symbiotické fixace N  Nedostatek záření (u zastíněných rostlin je fixace nízká vzhledem k nedostatečné tvorbě C - asimilátů, nutných pro energetickou podporu fixace).  Poškozování živočichy (hlavně spásání nadzemních orgánů bohatých na N), opět fixace je pak omezena nedostatkem uhlíkatých látek.  Nedostatek jiných živin (kromě N – zejména P, ale i Fe, S, Mo). Jejich přídavkem se rychlost fixace obvykle značně zvýší. Vztah Příjem a asimilace NO3 iontový kanál přenášeč NO3 -NO3 - NO3 - sensor NR (+K+ ) translokace do listů NO3 aktivace syntézy nitrátreduktázy (NR) aminokyseliny exprese genů pro přenašeč NO3 - + - asimilace v kořenech NO3 - NR (v listech) aminokyseliny asimilace v listech využití v růstu nadz. částí malát K+ + malát využití v růstu kořenů Regulace příjmu a asimilace nitrátů 2H+ toky látek (chemických sloučenin) toky informací (regulační signály) Mezidruhové rozdíly v aktivitě nitrátreduktázy (v μmol NO2 - g-1 h) před indukcí po indukci Scabiosa columbaria (vápenité půdy) 1,3 2,2 Urtica dioica (neutrální půdy) 7,9 16,1 Molinia caerulea (kyselé půdy) 0,5 1,5 Vaccinium myrtillus (rašeliniště) < 0,1 < 0,1 Indukce tvorby enzymu nitrátreduktázy  přítomností nitrátových iontů (= hlavní induktor)  zářením (jen u listů - přes fytochromový informační systém  zvýšením koncentrace sacharózy  zvýšením koncentrace glutamátu  fytohormony ze skupiny cytokininů Příklad využití analýzy mezidruhových rozdílů v hospodaření s N při hledání možných příčin invaze trávy Molinia coerulea na vřesovištích za zvýšené depozice dusíkatých sloučenin Erica Molinia tetralix coerulea Biomasa (kg m-2) 1,2 0,9 Ztráty N (gN m-2 rok-1) 3,6 8,1 Rychlost čisté mineralizace (gN m-2 rok-1) 11 10 Alokace N do listů (% z přijatého N) 12 48 Využití přijatého dusíku na růst (gsuš g-1N rok-1) 24 94 Závěr: Za podmínek zvýšeného přísunu dusíku se může výrazně uplatnit podstatně lepší využití přijatého dusíku u rostlin Molinia coerulea ke zrychlení růstu a tím i ke kompetiční úspěšnosti. Za nedostatku dusíku je výhodnější úsporné dusíkové hospodaření Erica tetralix. PŘÍJEM FOSFORU ROSTLINAMI Z PŮDY obvykle aktivně, ve formě hydrogen- či dihydrogenfosforečnanoých iontů (HPO4 2- , H2PO4 - ).  anorganické půdní zdroje: Ca-fosfáty (apatity) a Al-fosfáty, málo rozpustné,  organicky vázané fosfátové ionty v půdní organické hmotě, uvolňují se mikrobiálním rozkladem. SKLADOVÁNÍ FOSFORU V ROSTLINÁCH  zásobní fosfátové ionty ve vakuolách,  polyfosfáty a fytáty v semenech zásobní fosfátové ionty ve vakuolách. FOSFOR FUNKCE FOSFORU V ROSTLINÁCH  stavební součást nukleových kyselin, fosfolipidů (ester. vazby),  aktivace enzymů (fosforylace pomocí proteinkináz),  přenosy chemické energie (pomocí makroerg. vazeb, např. v ATP),  přímá regulační funkce (vyšší konc. fosfát. iontů stimuluje rychlost fotosyntézy, respirace, translokaci asimilátů z chloroplastu, atd.). PROJEVY NEDOSTATKU FOSFORU (zvláště časté u rostlin rostoucích na alkalických půdách!)  zpomalení růstu všech orgánů narušením energetického metabolismu (obsah proteinů a chlorofylu na jednotku biomasy se obvykle nemění!)  vývojové a morfogenetické poruchy (malá tvorba květů, plodů semen) Hlavní faktory ovlivňující dostupnost fosforu v půdě  Uvolňování fosfátových iontů z matečné horniny je urychlováno lokálním působením kyselin (uhličité, jablečné, citronové …). Celkově nízké pH v rhizosféře může ale vést i k uvolnění iontů Al3+ a Fe3+,které pevně vážou fosfátové ionty.  Uvolňování fosfátových iontů z organických vazeb je jednodušší než u dusíku (štěpením esterové vazby bez narušování uhlíkového skeletu) pomocí fosfatáz vylučovaných jak mikroby, tak i hyfami mykorrhizních hub.  Biomasa mikrobů je velmi významným rezervoárem organického fosforu v půdě (20-30%, zatímco pro N jen asi 4% a pro C 2%). SÍRA PŘÍJEM SÍRY ROSTLINAMI  nejčastěji aktivní, ve formě síranových iontů (SO4 2-) z půdy,  může být asimilován i oxid siřičitý přijímaný listy ze vzduchu,  síranové ionty jsou snadno transportovány a skladovány. REDUKCE SÍRANŮ (probíhá v chloroplastech): SO4 2- + 8e- + 8H+ + ATP S2- + 4 H2O + AMP Síranový iont se před redukcí navazuje na ATP. donor elektronů: feredoxin FUNKCE SÍRY V ROSTLINÁCH  stavební součást aminokyselin cysteinu a metioninu, tudíž i proteinů,  glutation (tripeptid: glutamát + cystein + glycin) je nejhojnější látkou s obsahem síry v rostlinách. Slouží hlavně jako antioxidační substrát v chloroplastech, dále jako prekurzor pro syntézy jiných látek (fytochelatiny!), má i skladovací funkci.  stavební součást řady sekundárních metabolitů (např. silice u brukvovitých, u česneku, cibule aj. - vesměs jde o látky s antimikrobiálním účinkem),  redoxní systémy typu Fe-S, PROJEVY NEDOSTATKU SÍRY  zpomalení růstu nadzemních částí (kořeny jsou postiženy méně),  snížená syntéza proteinů,  snížený obsah chlorofylu v listech,  snížená odolnost vůči stresovým faktorům. DRASLÍK PŘÍJEM DRASLÍKU ROSTLINAMI • příjem ve formě iontů K+ , může být aktivní i pasivní, • v cytoplazmě buněk bývá K+ ve velmi vysoké koncentraci (100-200 mM). • je mimořádně pohyblivý, často se retranslokuje. HLAVNÍ FUNKCE DRASLÍKU V ROSTLINÁCH • aktivátor mnoha enzymů (navozuje optimální konformační stavy modifikací hydratačních obalů), • hlavní osmotikum (látka se schopností rychle měnit osmotický tlak v buňkách a tím ovlivňovat např. pohyby průduchů a dlouživý růst), • doprovodný iont při transportech aniontů (např. v lýku), • není stavební součástí žádné významné složky rostlin. VÁPNÍK PŘÍJEM VÁPNÍKU ROSTLINAMI  příjem jako iont Ca2+, obvykle pasivní (iontovými. kanály),  transport jen xylémem, retranslokace je minimální,  ukládá se v buněčných stěnách, ve vakuole a v ER, v cytosolu je koncentrace Ca2+ velmi nízká (0,1- 0,2 μM) HLAVNÍ FUNKCE VÁPNÍKU V ROSTLINÁCH  stabilizace buněčné stěny (tvorbou Ca- pektátů),  stabilizace membrán (Ca- můstky u fosfolipidů),  tvorba slizu, kalózy a dalších sekretů,  aktivátor mnoha enzymů (Ca2+ ionty jsou přenášeny ve vazbě na specifický protein calmodulin),  druhotný přenašeč (mediátor) signálů. HOŘČÍK PŘÍJEM HOŘČÍKU ROSTLINAMI  příjem jako iont Mg2+, obvykle pasivní (iontovými. kanály),  je veden v xylému i ve floému, snadná retranslokace,  v místě funkce je vázán jak iontově, tak i kovalentně. HLAVNÍ FUNKCE HOŘČÍKU V ROSTLINÁCH  strukturní vazby (chlorofyl, buněčné stěny, ribozómy)  účast při enzymových reakcích – aktivace, kofaktor (např. ATPázy, fosfatázy, Rubisco, PEP-karboxyláza),  účast při syntéze proteinů (agregace ribosomů),  účast při konverzi a translokaci asimilátů. ŽELEZO PŘÍJEM ŽELEZA ROSTLINAMI  příjem jako iont Fe2+ (sloučeniny s Fe3+ jsou nerozpustné!),  translokace v rostlině jen xylémem, a to ve formě komplexů s organickými kyselinami (volné ionty Fe2+ by redukovaly kyslík za vzniku toxického superoxidu!),  ke skladování slouží specializované proteiny (fytoferitiny) HLAVNÍ FUNKCE ŽELEZA V ROSTLINÁCH  součást enzymů s redoxní funkcí (proteiny s hemovou skupinou (např. cytochromy) a proteiny se skupinou Fe-S  součást enzymů bez redoxní funkce (nutné např. pro syntézu chlorofylu a mastných kyselin). Hlavní adaptační mechanismy k získávání iontů železa  při jejich nedostatku v půdě Největší problémy mají rostliny se získáváním iontů železa na alkalických půdách, kde je vázáno (jako Fe3+) v pevných vazbách. Vzácněji může dojít i k deficitu Mn, Cu, a Mo. Získávání urychluje:  Okyselování okolí kořenů (aktivním vylučováním iontů H+)  Vylučování organických kyselin (zejména jablečné a citronové),  Redukce oxidovaných forem do přijatelné formy na povrchu kořenů pomocí membránově vázaných enzymů (např. chelátreduktáza). Jde např. o Fe3+ vázané na vyloučené org. kyseliny.  Vyloučení specifických chelátorů (fytosiderofory), následný příjem chelátového komplexu do buňky a vnitrobuněčná redukce. Uvnitř buněk je redukovaný kov opět cheletizován, a to jak pro další využití, tak pro akumulaci. (Probíhá jen u trav!) ŽIVOT ROSTLIN NA ZASOLENÝCH PŮDÁCH Přibližně 380 milionů hektarů potenciálně vhodné zemědělské půdy je silně zasoleno! Zasolením jsou ohroženy i dlouhodobě zavlažované pozemky! Téměř ve všech vnitrozemských aridních oblastech (pouště, polopouště) nacházíme silně zasolené půdy! Zasolené půdy mohou být jak trvale podmáčené, tak i extrémně suché, sůl někdy bývá i na pobřežních skalách Některé halofytní rostliny jsou výrazně sukulentní (např. Salsola cali, Salicornia spp.) Na našich zasolených půdách je hojný jitrocel přímořský (Plantago maritima) a hvězdnice přímořská (Aster tripolium) Mangrovové porosty úspěšně kolonizují pobřežní mělčiny teplých moří Tolerance rostlin k zasolení půdy Glykofyty - do 1% obsahu solí v půdním roztoku (= 10 g l-1) Halofyty - obvykle do 5 až 10 % (extrém 26% - Salicornia sp.) Mořská voda - průměrný obsah solí 3,5% - vodní potenciál -2,7 MPa! - hlavní složky: NaCl (78%), MgCl2 (10%), MgSO4(5%), CaSO4 (4%), KCl (2%) Stupeň zasolení se obvykle měří a vyjadřuje v jednotkách elektrické vodivosti, ECe (1 Siemens = 1 Ohm-1) Dominantní solí na půdách v blízkosti moře je chlorid sodný (NaCl), ve vnitrozemských zasolených půdách spíše sírany a uhličitany. Mezi jednotlivými zemědělskými plodinami jsou velké rozdíly v toleranci k zasolení půdy Velké rozdíly v toleranci zasolení jsou také mezi jednotlivými odrůdami téže plodiny (příklad pro ječmen) Příklady průběhu reakce odlišně adaptovaných rostlin na stoupající zasolení půdy extrémní halofyt běžný halofyt tolerantní glykofytběžný glykofyt Nadbytek solí v půdě způsobuje:  obtížný příjem vody (voda v v zasolené půdě má velmi snížený vodní potenciál vlivem rozpuštěných látek!),  toxické působení nadměrného množství některých iontů v cytosolu (zejména Na+ a Cl- -, poruchy funkce enzymů a hydratace membrán),  interakce s jinými (živinovými) prvky – např. Cl- inhibuje příjem nitrátů, nadbytek Mg2+ inhibuje příjem Ca2+, Na+ vytěsňuje Ca2+ z buněčných stěn a membrán, atd.,  zhoršení fyzikálních vlastností půdy (Na+ způsobuje malou hydrataci půdních koloidů, což vede ke spékání půdních částic a k malému provzdušnění). Adaptační mechanismy halofytních rostlin:  ukládání přebytečných solí do velkých vakuol (vodní parenchym u sukulentních halofytů, měchýřkové trichomy),  vylučování přijatých nadbytečných solí – jednak kořeny zpět do půdy (efflux), jednak na povrch listů pomocí zvláštních skupin sekrečních buněk („salt glands“),  omezení výdeje vody transpirací (a tím i transportu solí z kořenů do listů) dokonalejší průduchovou regulací a fixačním metabolismem C4 a CAM (jen u některých druhů).  vysoce selektivní příjem iontů kořeny (např. preference příjmu K+ před Na+, či Ca+ před Mg+ ),  tvorba a hromadění kompatibilních osmotik v cytosolu a současně schopnost tolerovat velké snížení vodního potenciálu v buňkách (i pod –10 MPa!)  tvorba stresových proteinů (dehydriny, osmotiny, aj.) Nejcitlivější fází životního cyklu je klíčení a růst semenáčků! Rozdíly v příjmu a hromadění iontů solí (NaCl) rostlinou citlivou na zasolení (hrách) a rostlinou tolerantní (špenát) hrách špenát Nadbytečné soli mohou halofytní rostliny vylučovat na povrch listů pomocí skupin sekrečních buněk K vylučování solí může docházet buď jen na okrajích nebo po celé ploše listové čepele Hlavní typy stresových proteinů, jejichž tvorba je indukována zasolením (obvykle je to zprostředkováno zvýšenou koncentrací kyseliny abscisové!)