SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA

V NITRE

FAKULTA AGROBIOLÓGIE A POTRAVINOVÝCH ZDROJOV

Katedra fyziológie rastlín

Bioindikácia environmentálneho stresu vo fotosyntetickom

aparáte rôznych ekologických skupín genotypov pšenice

Autoreferát dizertačnej práce na získanie vedecko-akademickej hodnosti philosophiae doctor

vo vednom odbore: 6.1.9 Fyziológia plodín a drevín

Ing. Jana Pivková

Nitra, 2009

Dizertačná práca bola vypracovaná v dennej forme doktorandského štúdia na Katedre fyziológie rastlín Fakulty agrobiológie a potravinových zdrojov Slovenskej poľnohospodárskej univerzity v Nitre. Doktorand: Ing. Jana Pivková Katedra fyziológie rastlín Fakulta agrobiológie a potravinových zdrojov Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre Vedúci dizertačnej práce: prof. Ing. Marián Brestič, PhD. Katedra fyziológie rastlín Fakulta agrobiológie a potravinových zdrojov Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre Oponenti:

Prof. Ing. RNDr. Michal V. Marek, DrSc. Ústav ekológie lesa, Brno MZLU v Brne Doc. Ing. Katarína Střelcová, PhD.

Katedra lesného prostredia Lesnícka fakulta Technická univerzita Zvolen

Ing. Jozef Vidovič, CSc. Výskumný ústav rastlinnej výroby Piešťany

Autoreferát bol odoslaný dňa..................... Stanovisko k dizertácii vypracovala Katedra fyziológie rastlín, Fakulta agrobiológie a potravinových zdrojov, Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre. Obhajoba doktorandskej dizertácie sa koná dňa..............o..........h pred komisiou pre obhajobu dizertačných prác vedného odboru 6.1.9 - fyziológia plodín a drevín na Fakulte agrobiológie a potravinových zdrojov. Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre. Miesto konania: Katedra fyziológie rastlín Fakulta agrobiológie a potravinových zdrojov Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre Tr. A. Hlinku 2, 949 76 Nitra Miestnosť: ..................... S dizertačnou prácou sa možno oboznámiť na dekanáte Fakulty agrobiológie a potravinových zdrojov.

Predseda komisie pre obhajoby vo vednom odbore fyziológia plodín a drevín (6.1.9)

Prof. Ing. Emil Líška, CSc.

Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

ABSTRAKT

V rokoch 2007-2009 sme realizovali poľné maloparcelkové experimenty a laboratórny pokus s 31 genotypmi pšenice letnej a pšenice tvrdej (Triticum aestivum, L. a T. durum, Desf.) domácej i zahraničnej proveniencie. Cieľom práce bolo kvantifikovať význam vybraných fyziologických parametrov v podmienkach vysokej teploty a sucha, z pohľadu tvorby nových ekostabilných genotypov.

Boli testované predovšetkým parametre rýchlej kinetiky fluorescencie chlorofylu a, osmotického prispôsobenia, kutikulárna transpirácia a rastovo- fenologické ukazovatele. Vysoká teplota umožnila rozlíšiť genotypy na základe ich termostability. Zistili sme, že parametrom vhodným pre determináciu teplotného stresu patrí maximálna fotochemická efektívnosť Fv/Fm a komplexný parameter Performance index (PI). Najvyšší pokles oboch parametrov za sledované obdobie mala skupina genotypov pochádzajúcich z Číny. Najmenšiu redukciu oboch parametrov sme zaznamenali u skupiny japonských a stredoeurópskych genotypov. Celkovo najvyššiu toleranciu k pôsobeniu vysokej teploty sme znamenali u maďarského genotypu GF Forrás. Meranie rýchlej kinetiky fluorescencie chlorofylu a normalizácie fluorescencie v K kroku môžu byť využiteľné ako selekčné kritérium z hľadiska tolerancie na vysokú teplotu.

POUŽITÉ OZ)AČE)IE

ABA – kyselina abscisová DI0/CS0 – koeficient tepelnej disipácie FAR- fotosynteticky aktívna radiácia F0 – minimálna fluorescencia Fm – maximálna fluorescencia Fv – variabilná fluorescencia Fv/Fm – maximálna fotochemická účinnosť chl a, ch b – chlorofyl a, chlorofyl b KT- kutikulárna transpirácia LHC II – svetlozberný komplex )ADP+ a )ADPH – nikotínamidandenín dinukleotid fosfát a jeho redukovaná forma OA- osmotická adjustácia OP- osmotický potenciál P.I. – performance index PEG – polyetylénglykol PEP karboxyláza – fosfoenol pyruvát karboxyláza PGA – fosfoglyceraldehyd P) – rýchlosť čistej fotosyntézy PS 2 (resp. PS 1) – fotosystém 2 (fotosystém 1) RC – reakčné centrum RUBISCO – ribulózo 1, 5- bisfosfát karboxyláza/ oxygenáza RuBP – ribulózo 1, 5- bisfosfát RWC – relatívny obsah vody VSD – vodný sýtostný deficit WUE– koeficient využitia vody

OBSAH

ÚVOD............................................................................................................................... 4 1 SÚČASNÝ STAV RIEŠENEJ PROBLEMATIKY…………….................................. 4 2 CIEĽ PRÁCE................................................................................................................ 6 3 MATERIÁL A METÓDY............................................................................................. 7 4 VÝSLEDKY.................................................................................................................10 5 ZÁVER........................................................................................................................ 23 6 NÁVRHY PRE VYUŽITIE POZNATKOV PRE ĎALŠÍ ROZVOJ VEDY..............................................................................................................................25 7 VÝBER Z POUŽITEJ LITERATÚRY...................................................................... 25 8 ZOZNAM PUBLIKOVANÝCH PRÁC AUTORA SÚVISIACICH S RIEŠENOU PROBLEMATIKOU...............................................................................28

ÚVOD

V poslednom storočí došlo k výrazným klimatickým zmenám, zvýšila sa teplota, znížili sa zrážky a ich distribúcia je nerovnomerná. Slovensko bolo v poslednom desaťročí viackrát postihnuté extrémnymi lokálnymi klimatickými zmenami (sucho, záplavy, veterné smršte), čo negatívne vplýva na stabilitu prírodných ekosystémov. Predlžovanie, či skracovanie vegetačného obdobia, zmena podmienok prezimovania, rastu a dozrievania poľnohospodárskych plodín, zmeny vo výskyte a frekvencii patogénov, chorôb, škodcov a burín, podčiarkujú nutnosť postupnej adaptácie a reštrukturalizácie poľnohospodárskej výroby. Cieľom je využiť pozitívne a zmierniť negatívne dôsledky týchto zmien, najmä sucha a vysokých teplôt.

V najbližších rokoch sa očakáva aridizácia prostredia v dôsledku zvyšovania priemernej ročnej teploty a znižovania zrážok. Nedostatok vody sa priamo prejavuje v úrode i v kvalite produktov a môžeme ho v podstate riešiť dvoma spôsobmi: • zabezpečením dostatku vody v prostredí a prípadne využívaním pestovateľských

systémov šetriacich pôdnu vlahu, cez rastliny, teda zvýšením využiteľnosti vody rastlinou, alebo zvýšením tolerancie rastlín voči suchu.

• Druhým spôsobom je genetické zvýšenie efektívnosti využitia vody rastlinou a tolerancie voči suchu tvorbou nových odrôd. Toto je možné najmä v oblastiach, kde nie je možnosť vybudovať zavlažovací systém, čo tiež nemusí byť ani ekologicky ani ekonomicky efektívnejšie než tvorba tolerantných genotypov šľachtením.

Z uvedeného vyplýva potreba štúdia mechanizmov tolerancie strategických druhov poľnohospodárskych plodín k environmentálnym stresom, ktoré sú v konkrétnych pestovateľských podmienkach najfrekventovanejšie. Citlivosť na environmentálne stresy môže vážne ovplyvniť úspešnosť celého rastovo-produkčného procesu. Napriek rozvoju molekulárnych metód v experimentálnej biológii sa ukazuje potreba pochopiť fyziologické zmeny na úrovni celistvých rastlín rastúcich v prirodzených podmienkach prostredia.

1 SÚČAS)Ý STAV RIEŠE)EJ PROBLEMATIKY Súčasný trend vývoja ľudskej spoločnosti je úzko spätý so zmenami klímy.

Vedci veria, že nastávajúce obdobie bude značne nepredvídateľné, charakteristické rýchlymi klimatickými zmenami. Na Slovensku je trend zvyšovania teploty vzduchu podobný globálnemu trendu. Údaje hovoria, že v priebehu 20. storočia sa u nás oteplilo

o 1,1 º C. Úhrny zrážok sa v sledovanom období znížili o 5,6 %, na juhu až o 10 % a klesla aj relatívna vlhkosť vzduchu- v priemere o 5 %. Od 90-tych rokov minulého storočia je zaznamenaná zvýšená variabilita klímy Slovenska podobne ako aj v iných častiach sveta (MŽP SR, 2007). Extrémnym prípadom je rok 2003, ktorý nemá obdobu v histórii meteorologických pozorovaní na Slovensku. S klimatickou zmenou spojené otepľovanie, zvyšovanie koncentrácie CO2 a znižovanie úhrnu zrážok determinujú kapacitu biosféry pre produkciu rastlinnej biomasy. Jej výsledný efekt na poľnohospodársku produkciu bude závisieť najmä od vyrovnanosti pôsobenia týchto faktorov v konkrétnych pestovateľských podmienkach Dehydratácia rastlín počas mierneho vodného stresu môže zastaviť fyziologické funkcie ako transpiráciu, fotosyntézu, ktoré sú väčšinou obmedzené inými funkciami citlivými na vodný deficit, v tomto prípade zatvorením prieduchov (Procházka et al., 1998). Najcitlivejšou reakciou už aj na malé zmeny vodných pomerov je predlžovací rast. K merateľnému spomaleniu rastu dochádza už pri malej strate vody, kedy turgor klesne iba o 0,1 až 0,4 MPa, čomu zodpovedá pokles vodného potenciálu približne na úroveň – 0,1 až – 0,2 MPa. Podľa Munns et al. (2000) zatváranie prieduchov postupuje od žilnatiny smerom k okrajom listovej čepele, čo korešponduje so smerom distribúcie ABA Voda existuje ako extra- aj intramembránový komponent. Membránová voda je závislá od lipidovej fázy, hydrofilnosti proteínov a od teploty (Quinn a Williams, 1985; McKersie a Leshem, 1994; Leshem, 1997). Strata vody preto významne oslabuje štruktúru aj funkcie plazmalemy (Cave, 1981; Crowe et al., 1984, Buchanan et al., 2000). Znížený turgor počas reprodukčného rastu vedie k aborcii reprodukčného úsilia (Nilsen a Orcutt, 1999). Uzatvorenie prieduchov, indukované vodným stresom spôsobí vyčerpanie intracelulárneho CO2, čo vedie k akumulácii na energiu bohatých produktov elektrónového transportu, vytvoreniu voľných radikálov, preturbácii svetlozberných komplexov a napokon k fotoinhibícii (Jones, 1985). Vodný stres poškodzuje membránovú štruktúru a zasahuje integritu organel. Škodlivé efekty straty bunkovej vody spôsobujú mechanické poškodenie- zmršťovanie vakuoly a oddeľovanie protoplastu od bunkovej steny (Hsiao, 1973; Bradford a Hsiao, 1982; Schulze, 1986; Sharp a Davies, 1989; Davies a Zhang, 1991; Ingram a Bartels,1996; Frensch, 1997). Dostupnosť vody najviac ovplyvňuje rast listov a koreňov, prieduchovú vodivosť (gs) a akumuláciu sušiny (Blum, 1996). Vodný stres vo všeobecnosti poškodzuje tiež kyslík vyvíjajúci komplex PS2 (Canaaqni et al., 1986) a jeho reakčné centrá (Havaux et al,. 1988; He et al., 1995). Bolo preukázané, že osmotická adjustácia je jedným z najvýznamnejších adaptačných mechanizmov počas pôsobenia stresu zo sucha (Cushman, 2001). Osmotické prispôsobenie zvyšuje toleranciu k dehydratácii, čím zabezpečuje dlhšie prežitie rastlín v podmienkach silného sucha (Sinclair, 2000). Miera kutikulárnej priepustnosti je dôležitým znakom determinujúcim suchovzdornosť genotypov. Počas nedostatku vody sa ABA v kutikule neakumuluje, a teda kutikula neslúži ako súčasť signálnej cesty pre pôsobenie kyseliny abscisovej. Zdá sa, že indukciou génovej expresie môže ovplyvniť chemické zloženie voskov, a tým následne ovplyvniť samotnú priepustnosť kutikuly. (Kerstiens et al., 2006). Vysoká teplota ovplyvňuje fotosyntézu a s ňou spojené procesy u pšenice mnohými spôsobmi (Paulsen, 1994). Dochádza k markantnému poklesu listovej plochy a obsahu chlorofylu (Al Khatib a Paulsen, 1984). PS 2 v asimilačnom aparáte je obzvlášť citlivý a poškodenie niektorých jeho komponentov je nezvratné (Weis a Berry, 1988). Merania fluorescencie chlorofylu majú široké spektrum uplatnení a sú účinným prostriedkom pre výskum prenosu excitačnej energie, primárnych fotochemických procesov, elektrónového toku na donorovej i akceptorovej strane fotosystému II. Popovic et. al (2003) píše, že priame meranie je založené na rýchlej indukcii fluorescencie, dosiahnutej saturačným pulzom

trvajúcim jednu sekundu, pričom priebeh fluorescencie je zaznamenávaný po dobu jednej sekundy v 10 µs intervaloch. Merania znázornené na logaritmickej časovej osi vykazujú charakteristický polyfázový priebeh. Strasser et al. (1995) formulovali skupinu fluorescenčných parametrov, nazývajú JIP-test, ktorá kvantifikuje postupný tok energie cez PS II, pričom využíva vstupné dáta z fluorescenčnej krivky (Force et al., 2003). Pri teplotnom strese sa vytvára tzv. teplotný sink (heat sink), pri ktorom dochádza k prechodu excitónu na reakčné centrá, no tieto neredukujú QA a emitujú teplo (De Ronde, 2004; Lazár, 1999; Strasser, 2001). Sucho nemá taký markantný dopad na priebeh kriviek fluorescencie chlorofylu na zmenu parametrov. Fotosyntetický aparát je pomerne odolný voči vodnému stresu- ten sa v niektorých prípadoch neprejaví zmenou, až po hodnoty pomerne silného deficitu (Lu a Zhang, 1998) pre testovanie množstva vzoriek za krátky čas. U pšenice bol parameter maximálnej fotochemickej účinnosti Fv/Fm použitý pre rozlíšenie stomatárnej a nestomatárnej limitácie fotosyntézy za podmienok vodného stresu (Kicheva et al., 1994) a pre oddelenie vplyvu vodného stresu od fotoinhibície (Lu a Zhang, 1998). Variabilná fluorescencia chlorofylu bola užitočná pre odhadnutie fotosyntetickej odozvy pšenice na teplotný stres (Sayed et al., 1986, 1989b, 1992, 1994; Dash a Mohanty, 2001). Parameter Fv/Fm bol využívaný pre študovanie vplyvov vodného stresu na PS II u pšenice a študovanie komponentov xantofylového cyklu (Shangguan et al., 2000; Nyachiro et al., 2001; Xu et al., 2001; Yordanov et al., 2001). Okrem toho bola fluorescencia chlorofylu využívaná pre vyhodnotenie teplom indukovanej inhibície a regenerácie PS II u pšenice pestovanej v poľných podmienkach (Yucel et al., 1992), pre študovanie fotosyntetickej aktivity a peroxidácie tylakoidných lipidov počas teplom indukovanej fotoinhibície v izolovaných pšeničných chloroplastoch (Mishra a Singhal, 1993; Park et al., 1994; Dash a Mohanty, 2001).

2 CIEĽ PRÁCE

V dizertačnej práci na tému „Bioindikácia environmenálneho stresu vo fotosyntetickom aparáte rôznych ekologických skupín genotypov pšenice“ sú sledované nasledované ciele:

• biofyzikálna parametrizácia fotosyntetického aparátu a rastovo-produkčných

vlastností genotypov s rozdielnym geograficko – klimatickým pôvodom počas ontogenézy rastlín,

• kvantifikácia významu osmotického prispôsobenia, kutikulárnej transpirácie pri udržiavaní fotosyntetickej výkonnosti genotypov počas sucha a interakcie s vysokou teplotou,

• identifikovanie citlivých miest vo fotosyntetickom aparáte počas pôsobenia vysokej teploty využijúc merania rýchlej a pomalej fázy kinetiky fluorescencie chlorofylu a

• skúmanie dynamiky zmien a ich obsahu v asimilačnom aparáte v priebehu fotosyntézy,

• charakterizovanie heterogenity fotosyntetického aparátu počas pôsobenia prirodzených environmentálnych stresov,

• návrh selekčných kritérií pre zvýšenie tolerancie pšenice na sucho a vysokú teplotu.

MATERIÁL A METÓDY

3.1 Poľný maloparcelový experiment realizovaný v roku 2006- 2007 Dizertačná práca bola realizovaná v spolupráci s VÚRV Piešťany, kde boli

založené poľné maloparcelové pokusy. V roku 2007 bol ako biologický materiál použitých 30 genotypov pšenice letnej, f. ozimnej (Triticum aestivum, L.) a jedna odroda pšenice tvrdej (Triticum durum, Desf.) domáceho i zahraničného pôvodu. Zoznam použitých genotypov je nasledovný: Komfort (Rakúsko), Biscay (Nemecko), Griffen (Veľká Británia), GK Forrás (Maďarsko), Tamaro ( Švajčiarsko),Vendur (Slovensko), Astella Slovensko), Verna (Taliansko),Gedania (Poľsko), Echo (Rusko), Malvína (Slovensko), Venistar (Slovensko), Torysa (Slovensko), Vanda (Slovensko), Košutska (Slovensko), Vígľašská červenoklasá (Slovensko), Šamorinska (Slovensko), Vrakunska (Slovensko), Radošínska norma (Slovensko), Steklovidnaja 24 (Kazachstan), Mottin (Taliansko), Bbyo 17 (Turecko), Dagdas 94 (Turecko), Pehlivan (Turecko), Mewa (Poľsko), Shaan 8007-7 (Čína), Chua-bej (Čína), Hokushin (Japonsko), Nanbu Komugi (Japonsko), Piopio.4 (Mexiko) a Shark-4 (Mexiko).

Genotypy sme rozdelili podľa krajiny pôvodu do šiestich ekologicky vzdialených skupín (1. skupina genotypov zo strednej Európy, 2. skupina- slovenské odrody, 3. skupina genotypov z Poľska, Británie, ruské a kazašské odrody; 4 skupina mexických, talianskych, tureckých genotypov; 5. skupina čínskych a 6. skupina japonských odrôd).

Uskutočnili sme nasledovné merania fyziologických parametrov:

• Meranie rýchlej kinetiky fluorescencie chlorofylu a (Handy Pea, Hansatech Instruments, GB) po simulovanom teplotnom strese (vodný kúpeľ)

Úlohou pokusu bolo stanovenie citlivosti asimilačného aparátu na účinok

vysokej teploty a sledovanie zmien v primárnych procesoch fotosyntézy, sledovanie genotypových rozdielov a špecifík v citlivosti/tolerancii na účinok vysokej teploty.

• Stanovenie kutikulárnej transpirácie • Stanovenie osmotického potenciálu listov prístrojom Wescor • Analýza rastovo- produkčných parametrov

3.2 Poľný maloparcelový experiment realizovaný v roku 2007- 2008

V tomto vegetačnom období boli realizované rovnaké analýzy na zúženej výskumnej vzorke desiatich genotypov (Astella- SVK, Biscay- DEU, GK Forrás- HUN, Vendur- SVK, Verna- ITA, Steklovidnaja- KAZ, Mottin- ITA, Pehlivan- TUR, Shaan- CHN, Shark- MEX). Na výskumnej vzorke boli robené rovnaké merania ako v predchádzajúcom roku.

3.3. Laboratórny hydroponický pokus zrealizovaný v roku 2009 Technické podmienky realizácie pokusu: Laboratórny pokus bol zrealizovaný

v riadených svetelných a teplotných podmienkach klimatizovaného boxu, za stáleho monitorovania. Rampy boli nastavené na presnú a pravidelnú fotoperiódu. Udržiavali sme svetelný režim v podobe 16 hodín svetla a 8 hodín tmy, s prechodovou polovičnou intenzitou osvetlenia hodinu po zapnutí svetiel a jednu hodinu pred vypnutím osvetlenia. Intenzita osvetlenia bola regulovaná zdvíhaním a poklesom svetelných rámp

a priemerná intenzita osvetlenia na úrovni listov rastlín hydroponickej kultúry sa pohybovala v intervale 150 až 200 µmol.m-2.s-1.Teplota vzduchu bola udržiavaná pomocou ventilačného a klimatizačného systému. Cez deň dosahovala približne 25 º C a počas noci klesala na 20 º C.

V roku 2009 sme uskutočnili laboratórny experiment na hydroponicky

pestovaných rastlinách siedmych genotypov: Biscay (DEU), GK Forrás (HUN), Astella (SVK), Verna (ITA), Pehlivan (TUR), Shaan (CHN), Shark (MEX).

Osivo bolo predklíčené na polyuretánových platniach. Rastliny boli pestované

v nádobách s Red- Yorkovým roztokom, ktorý bol prevzdušňovaný a pravidelne obmieňaný v niekoľkodňových intervaloch. Úlohou pokusu bolo testovanie reakcií rastlín na rýchlu dehydratáciu v skorých rastových štádiách. Sledovali sme schopnosť rastlín prijať vodu z roztoku s vysokým osmotickým potenciálom.

Pre štúdium selekčných kritérií na toleranciu pšenice na environmentálny stres sme využili aplikáciu ABA a PEG 6000. Boli vytvorené 4 experimentálne varianty (štyri opakovania pre každý variant). Časť rastlín bola umiestnená do baniek s Red-Yorkovým roztokom (kontrolný variant). Druhý variant rastlín mal namiesto živného roztoku v banke roztok polyetylén glykolu v koncentrácii 15 %, ktorý osmoticky viaže vodu a bráni jej prijímu rastlinami (variant PEG). Tretí variant mal v bankách živný roztok a na listy sme aerosolom aplikovali ABA v koncentrácii 10-4 na celú listovú plochu až do úplného zmáčania. Štvrtý variant bol tvorený rastlinami, ktoré boli exponované účinku PEG 6000 a na listy bola aplikovaná ABA (kombinovaný variant ABA-PEG).

• Meranie rýchlosti transpirácie gravimetricky na základe zmeny celkovej hmotnosti baniek, meranej na váhach HF- 200G v časových intervaloch po 1, 3, po 5 a po 7 hodinách od expozície.

3.4 Popis používaných experimentálnych meraní a postupov

3.4.1 Meranie a analýza fluorescencie chlorofylu a Fluorescencia emitovaná listami po excitácii červeným svetlom bola meraná

prenosným fluorimetrom Handy Pea (Plant Efficiency Analyzer), vyrobeným Hansatech Instruments (UK) a zozbierané údaje boli analyzované JIP testom Podľa Strassera et al. (2000). Tento test poskytuje parametre indikujúce vlastnosti PS II . Použitý software bol HandyPea 1.3 a Biolyzer.

3.4.2. Meranie kutikulárnej transpirácie

Táto metóda je založená na zisťovaní rozdielu hmotnosti listov, ktorá sa mení vplyvom straty vody cez kutikulu. Z každého genotypu bolo odobratých 10 vlajkových listov, boli nasýtené vodou, a umiestnené na papier v presnom poradí. Následne bola pomocou skeneru zosnímaná listová plocha osobitne pre každý jeden list. Listy boli exponované v tme, odvážené na začiatku hodinového intervalu expozície a po jeho uplynutí na váhach HF-200G s presnosťou na tisícinu gramu. Listy boli umiestnené na korok a vysušené v sušičke (hmotnosť sušiny). KT jednotlivých genotypov bola stanovená matematickými prepočtami pre každý genotyp, počas celej vegetačnej sezóny rokov 2007 a 2008, v 7 dňových intervaloch. Hodnoty kutikulárnej transpirácie boli vyjadrené v g.m-2.h-1.

3.4.3 Meranie rýchlosti transpirácie

Podobným spôsobom bol uskutočnený aj experiment na určenie rýchlosti celkovej transpirácie. Hmotnosti boli zisťované v čase 1h, 3,5 a 7 hodín po expozícii. Matematickými prepočtami sme stanovili mieru rýchlosti celkovej transpirácie (g.m-2.hod-1).

3.4.4 Parametre vodných pomerov

• Osmotický potenciál listu (ΨW , MPa) Z rovnakého listu, z ktorého sa odoberala vzorka pre stanovenie vodného

potenciálu, bol odobraný terčík s priemerom 0,5 mm, ktorý bol vložený do alobalu a uskladnený v tekutom dusíku až do merania osmotického potenciálu. Skôr, ako bola vzorka umiestnená do komory, nechala sa po dobu 15 sekúnd rozmraziť pri laboratórnej teplote. Ostatné parametre (čas ekvilibrácie, schladzovania vzorky a následné kalkulácie) sú rovnaké ako pri meraní vodného potenciálu.

3. 4. 5 Analýza rastu

Predmetom zisťovania boli charakteristiky definované podľa Šestáka a Čatského (1966): výška rastliny, počet odnoží (produktívne, neproduktívne), listová plocha lineárne (meranie dĺžky, šírky listovej čepele a prepočtom príslušným koeficientom), makro- a mikrofenologická fáza (Nátrová, Jokeš, 1992).

3.5. Vyhodnotenie výsledkov

Pre spracovanie a vizualizáciu dosiahnutých výsledkov a ich matematickú a štatistickú analýzu sme použili softwary Microsoft Excel, Handy Pea 1.3. a Biolyzer 3.06.Všetky merania sme realizovali vo viacerých opakovaniach, počet opakovaní závisel od technických a časových možností pre konkrétne meranie. Z výsledných hodnôt sme potom vypočítali strednú hodnotu- aritmetický priemer, ktorú sme doplnili o vyjadrenie variability hodnôt.

Meradlom variability bola smerodajná odchýlka (sx), ktorá je najpoužívanejšou mierou variability. Výpočet smerodajnej odchýlky je založený na súčte štvorcov odchýlok týchto hodnôt, od ktorejkoľvek inej hodnoty súboru. Smerodajná odchýlka dobre charakterizuje spôsob zoskupenia hodnôt okolo aritmetického priemeru. Hodnoty aritmetického priemeru pre jednotlivé sledované znaky sme zobrazili vo forme grafov- stĺpcové grafy, časové rady (čiarové a bodové grafy) alebo vo forme radarových grafov. Pri väčšine parametrov, ak to grafické znázornenie dovoľovalo, sme priemery upresnili použitím chybových úsečiek v hodnotách smerodajných odchýlok pre daný parameter.

3.6. Prehľad klimatických podmienok v období realizácie pokusov

Odbery rastlinného materiálu sme v oboch experimentálnych rokoch (2007, 2008) uskutočňovali v mesiacoch apríl až jún. Ako je vidieť na obrázku 1, dva experimentálne roky sa pomerne líšili charakterom počasia v danom období. Apríl roku 2007 bol mimoriadne suchý, takmer bez zrážok, v prvej dekáde s podpriemernými teplotami, koncom mesiaca boli nad priemerom. V apríli nasledujúceho roku boli teploty prevažne nadpriemerné, prvé dve dekády boli veľmi vlhké. V porovnaní s rokom 2007, bol v roku 2008 za mesiac máj zaznamenaný polovičný úhrn zrážok. V roku 2007 bolo rozdelenie zrážok za máj rovnomernejšie. Máj roku 2008 sa vyznačoval vyššími zrážkami len v druhej dekáde. Počas mesiaca jún roku 2007 sa väčšina dní vyznačovala nadpriemernými teplotami, prvá a tretia dekáda bola veľmi vlhká, druhá

Apríl 2008

0

5

10

15

20

25

30

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

t (°

C)

0

5

10

15

20

Zrá

žky(

mm

)

Priemerná dennáteplota [ ° C ]

Denný úhrn zrážok

Máj 2007

0

5

10

15

20

25

30

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

t (°

C)

0

5

10

15

20

Zrá

žky(

mm

)

Priemerná dennáteplota [ ° C ]

Denný úhrn zrážok

Jún 2008

0

5

10

15

20

25

30

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

t (°

C)

0

5

10

15

20

Zrá

žky(

mm

)

Priemerná dennáteplota [ ° C ]

Denný úhrn zrážok

Jún 2007

0

5

10

15

20

25

30

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

t (°

C)

0

5

10

15

20

Zrá

žky(

mm

)

Priemerná dennáteplota [ ° C ]

Denný úhrn zrážok

Máj 2008

0

5

10

15

20

25

30

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

t (°

C)

0

5

10

15

20

Zrá

žky(

mm

)

Priemerná dennáteplota [ ° C ]

Denný úhrn zrážok

Apríl 2007

0

5

10

15

20

25

30

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

t (°

C)

0

5

10

15

20

Zrá

žky(

mm

)

Priemerná dennáteplota [ ° C ]

Denný úhrn zrážok

takmer bez zrážok. Jún roku 2008 bol charakteristický podpriemernými teplotami a prerozdelenie zrážok bolo podobné ako v roku 2007.

Obr.1: Priebeh hodnôt priemernej dennej teploty a denných úhrnov zrážok v priebehu vegetačnej sezóny rokov 2007 a 2008 (údaje poskytol VÚRV Piešťany). Prerušovanou čiarou je znázornená priemerná teplota za daný mesiac

4 VÝSLEDKY 4.1 Zmeny rastovo-produkčných vlastností ekologicky vzdialených

genotypov pšenice

Ozimné obilniny sú citlivé na sucho vo fenologickej fáze klasenia a kvitnutia.

Okrem citlivosti generatívnych orgánov, trpí produkčný proces aj znižovaním produkcie asimilátov, s maximom v období, keď sa dosahuje maximum listovej plochy. Nakoľko sa už koncom mája vyskytuje najmä v kukuričnej výrobnej oblasti nedostatok atmosférických zrážok, neskoré odrody sú postihnuté suchom práve v tejto kritickej fáze, čo sa premietne na znížení úrod.

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,016

0 1 2 3 4 5 6

Dátum

Cel

ková

list

ová

plo

cha

jed

nej

ras

tlin

y (m

2)

Stredoeurópske (1.skupina) Slovenské (2. skupina)

Poľské, britské, kazašské, ruské (3. skupina) Turecké, mexické, talianske (4. skupina)

Čínske (5. skupina) Japonské (6. skupina)

Pri sledovaní vývinu listovej plochy jednej rastliny sme u našich šiestich skupín pšeníc rôzneho pôvodu počas roku 2007 zaznamenali mierny posun medzi skupinami genotypov, čo sa týka dátumu, kedy dosiahli maximum listovej plochy.

Obr 2.: Dynamika nárastu celkovej listovej plochy jednej rastliny (m2) u šiestich ekologických skupín pšenice rôzneho pôvodu (rok 2007). Šípky zvýrazňujú rozdiely v čase, kedy skupiny odrôd dosiahli maximum listovej plochy.

Prvú skupinu s najrýchlejším vývinom listovej plochy tvorila skupina

slovenských (č.2) a čínskych odrôd (č. 5), ktoré maximum dosahujú už začiatkom mája. A teda na začiatku obdobia, kedy hrozí vodný deficit, dochádza k poklesu listovej plochy. Stredne rýchly vývin mala skupina genotypov pochádzajúcich zo strednej Európy (č.1) a najneskorší termín dosiahnutia maximálnej listovej plochy mali skupiny poľských, britských, kazašských a ruských (č. 3), skupina genotypov vyšľachtených v Turecku, Mexiku, Taliansku (č.4) a japonské odrody (č. 6). Rozdiel medzi dosiahnutím maxima listovej plochy jednej rastliny medzi najskoršou a najneskoršou skupinou bol približne 7 dní.

Čínske (skupina č.5) a stredoeurópske (skupina č. 1) znižovali listovú plochu miernejšie, na rozdiel s ostatnými skupinami, u ktorých došlo k prudkému poklesu.

Všetky sledované skupiny genotypov teda v kritickom období (koncom mája), kedy je pravdepodobné, že v kukuričnej oblasti, kde spadá aj územie VÚRV Piešťany, nastáva deficit vlahy, majú už značne redukovanú listovú plochu. Môžeme teda usúdiť, že rozdiely v časovej distribúcii a celkovej veľkosti listovej plochy nemali vplyv na neskoršie formovanie úrod sledovaných odrôd. Toto zistenie sa zhoduje s výsledkami Živčáka (2006). Nepriame pozitívne efekty (ako napríklad zvýšenie podielu vody vydanej transpiráciou oproti neužitočnému výparu (Quarie et al., 1999), zvýšenie konkurenčnej schopnosti plodín oproti burinám (Turner, 1997), vytvorenie značného podielu asimilátov ešte pred nástupom stresu) sa však môžu prejaviť zlepšením produktivity v suchých rokoch.

Ďalším významným parametrom, ktorý je rozhodujúci pri tvorbe úrod a zároveň citlivý na nedostatok vody a suboptimálnu teplotu je hmotnosť sušiny jednej rastliny. Pri monitorovaní prírastku suchej hmotnosti sme spozorovali, že u niektorých genotypov došlo ku fluktuáciám. Fluktuácie pôsobil náhodný výber desiatich rastlín pri

17.4. 24.4. 2.5. 9.5. 16.5. 23.5.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Dátum

Su

ch

á h

mo

tno

sť

jed

ne

j ra

stl

iny

(g

)

Stredoeurópske (1. skupina) Slovenské (2. skupina)

Poľské, britské, kazašské, ruské (3. skupina) Turecké, mexické, talianske (4. skupina)

Čínske ( 5.skupina) Japonské ( 6.skupina)

každom odbere u niektorých odrôd (sušinu lineárne nezvyšovali). Celková veľkosť produkcie sušiny bola najvyššia u skupiny čínskych a japonských odrôd (skupina č. 5 a 6). ktorá mala počas celého sledovaného obdobia takmer lineárny priebeh bez fluktuácií. Rovnako plynulý prírastok suchej hmotnosti sme zaznamenali aj u skupiny stredoeurópskych genotypov (skupina č.1).

Obr 3.: Dynamika prírastku suchej hmotnosti jednej rastliny (g) bez sušiny klasov šiestich ekologických skupín pšenice rôzneho pôvodu (rok 2007).

Celkovo najpriaznivejšiu rýchlosť prírastku suchej hmotnosti mala skupina britských, poľských a kazašských odrôd (skupina č. 3), ktoré mali v období klasenia v priemere vyprodukovaný až 76 percentný podiel zo sušiny počas kvitnutia. Najmenej priaznivý priebeh dynamiky prírastku sušiny mala skupina čínskych odrôd a japonská odroda (52 %), avšak táto skupina mala najvyšší akumulačný potenciál (odroda Nanbu Komugi dosiahla celkovú suchú hmotnosť jednej rastliny v období kvitnutia až 8,2 g).

U ďalších skupín genotypov bol vytvorený podiel sušiny v období klasenia v porovnaní so sušinou počas kvitnutia nasledovný: skupina stredoeurópskych odrôd: 71 %, skupina slovenských odrôd: 57 %, skupina tureckých, mexických a talianskych odrôd: 74 %. Celkovo najmenší akumulačný potenciál sme zistili u skupiny tureckých, talianskych a mexických odrôd, kde odrody počas kvitnutia dosahovali prevažne len 3,1 g suchej hmotnosti. Najlepšiu dynamiku prírastku suchej hmotnosti pred kvitnutím (85% vytvorenej sušiny) mala Vígľašská červenoklasá. Naše zistenie sa zhoduje s výsledkami, ktoré publikoval Živčák, Hunková et. al (2006). V experimentálnom roku 2008 sme uskutočnili rastovú analýzu na 10 genotypoch. Avšak náhodný výber desiatich rastlín pri každom odbere spôsobil, že pri určovaní suchej hmotnosti jednej rastliny došlo v priebehu ontogenézy ku fluktuáciám u niektorých odrôd (sušinu lineárne nezvyšovali). Tieto odrody sme pri zhodnocovaní dynamiky prírastku sušiny medzi klasením a kvitnutím do obrázku nezahrnuli.

17.4. 24.4. 2.5. 9.5. 16.5. 23.5. 31.5. 6.6. 13.6. 20.6.

0

2

4

6

8

10

GK

Fo

rrás

Ven

du

r

Ast

ella

Ste

klo

vid

naj

a24 Peh

liva

n

Sh

ark-

4

Sh

aan

800

7-7

genotypy

Su

chá

hm

otn

osť

1.

rast

l s

klas

mi

(g) klasenie

kvitnutie

Obr. 4: Rýchlosť dynamiky prírastku suchej hmotnosti (vrátane sušiny klasov) jednej rastliny u genotypov pšenice rôzneho pôvodu v roku 2008 (fenofázy klasenia a kvitnutia).

Z obrázka za rok 2008 môžeme usúdiť, že z celej skupiny testovaných genotypov mala najpriaznivejší priebeh prírastku sušiny čínska odroda Shaan (75% vytvorenej sušiny), ďalej nasledovali maďarská odroda GK Forrás (74 %), mexický Shark (64 %), slovenský genotyp Astella (62 %), kazašská Steklovidnaja (59 %), mexický Pehlivan (55 %) a slovenská pšenica tvrdá- Vendur s 45 %-ným podielom suchej hmotnosti jednej rastliny v období klasenia v porovnaní s kvitnutím. Keď tieto výsledky porovnáme s rokom 2007, môžeme skonštatovať, že sú tu výrazné rozdiely. Môžeme ich pripísať značne rozdielnemu priebehu počasia v rokoch 2007 a 2008 (pozri klimatogramy, obr 1.)

4.2.1 Hodnotenie kutikulárnej transpirácie genotypov pšenice počas ontognézy

Vlastnosti kutikuly, hrúbka listov, prítomnosť kutikulárnych voskov atď. zohrávajú významnú úlohu vo vodnom režime rastlín a prispievajú k tolerancii genotypov k suchu. Meranie rýchlosti kutikulárnej transpirácie, ktoré nie je náročné na prístrojové vybavenie, je vhodným doplnkom ostatných fyziologických meraní.

Pri hodnotení strát vody z listov počas celého vegetačného obdobia 2007 sme medzi skúmanými genotypmi pozorovali výrazné rozdiely. Podľa dosiahnutých hodnôt kutikulárnej transpirácie sme genotypy rozdelili do troch skupín- skupina s nadpriemernými, priemernými a podpriemernými hodnotami kutikulárnej transpirácie v porovnaní s priemernou hodnotou za celý súbor (viď tabuľka 1 nižšie).

Namerané hodnoty sa nachádzajú približne v intervale hodnôt, ktoré vo svojej práci uvádzajú Rawson a Clarke (1988). Priemerná hodnota KT počas celej vegetačnej sezóny za všetky sledované genotypy bola 23,27 g.m-2.hod-1.

Tab. 1: >amerané hodnoty rýchlosti kutikulárnej transpirácie vlajkových listov 31 genotypov pšenice zoradené vo vzostupnom poradí. Uvedené sú priemerné hodnoty

a smerodajné odchýlky. Sivým podfarbením sú vyznačené genotypy, ktoré mali priemerné hodnoty KT.

Genotyp

Krajina pôvodu

Priem. KT (g.m-2.h-1)

Smerodajná odchýlka

Poznámka

Vendur Slovensko 18,32 2,63 Pšenica tvrdá Piopio Mexiko 20,16 2,41 Pehlivan Turecko 20,22 3,3 GK Forrás Maďarsko 21,06 2,83 Biscay Nemecko 21,24 2,9 Gedania Poľsko 21,48 2,83 Košutska Slovensko 21,49 3,48 Krajová odroda Vrakunska Slovensko 21,53 2,16 Krajová odroda Griffen Veľká Británia 21,57 2,89 Shaan Čína 21,89 2,84 Verna Taliansko 22,11 2,87 Šamorinska Slovensko 22,3 2,19 Krajová odroda Mewa Poľsko 22,36 2,78 Mottin Taliansko 22,53 2,70

Rad. Norma Slovensko 22,77 2,76 Krajová odroda Tamaro Švajčiarsko 23,33 2,65 Venistar Slovensko 23,41 2,79 Istropol Solary Echo Rusko 23,44 2,65 Komfort Rakúsko 23,53 2,94 Astella Slovensko 23,58 3,15 Istropol Solary

Dagdas Turecko 23,88 2,86

Hokushin Japonsko 24,45 2,97 Torysa Slovensko 24,61 2,34 ŠS Malý Šariš Malvína Slovensko 24,69 2,76 ŠS Malý Šariš Shark Mexiko 25,23 2,99 Steklovidnaja Kazachstan 25,59 2,64 Vígľašská červ. Slovensko 25,72 2,55 Krajová odroda Vanda Slovensko 25,91 2,68 Chua-bej Čína 26,14 3,59 Nanbu Komugi Japonsko 26,46 2,63

Bbyo Turecko 27,05 2,79 Na základe zistených výsledkov môžeme skonštatovať, že priMtestovaných

genotypoch, kde za základe ich pôvodu očakávame vyššiu mieru tolerancie na sucho (genotyp pšenice tvrdej, turecký genotyp Pehlivan, maďarský GK Forrás) sme zaznamenali nižšiu úroveň KT. Poukazuje to na pravdepodobný význam vyššej kutikulárnej rezistencie v súvise s vyššou toleranciou na sucho, čo potvrdzujú aj viaceré štúdie, ktoré uvádzajú vzťah vyššej retencie vody v listoch (nižšej miery KT), s vyššou mieru efektívnosti využitia vody (Kerstiens, 1996; Rawson, Clarke, 1988). Avšak i genotypy pochádzajúce z humídnejších oblastí (skupina odrôd zo strednej Európy a Veľkej Británie) bola kvôli nízkemu úhrnu zrážok na začiatku vegetačného obdobia (údaje z VÚRV Piešťany) rýchlosť úniku vody cez kutikulu nižšia v porovnaní s priemerom, aj keď tento znak sám o sebe nie vždy koreluje s celkovou toleranciou genotypov na sucho (Clarke, 1982). Zaujímavé bolo zistenie niekoľkonásobne vyššej miery kutikulárnej transpirácie u mexického genotypu Shark a tureckej odrody Bbyo, čo vysvetľuje mimoriadna skorosť tohto genotypu a vyrovnanie sa so stresom zo sucha metódou úniku (stress escape) a tak isto aj vytvorením anatomicko-morfologickej

adaptácie stavby listov tejto odrody ako reakcia na odlišné geoklimatické podmienky našej republiky.

Podpriemerná úroveň KT v slovenských krajových odrôd v porovnaní s modernými genotypmi bude cenným genetickým zdrojom v šľachtení na sucho.

V roku 2008 sme merania zopakovali s vybranými desiatimi genotypmi, ktoré naše predchádzajúce zistenia potvrdili.

Obr. 5 : Hodnoty kutikulárnej transpirácie vlajkových listov testovaných genotypov pšenice zoradené v zostupnom poradí. Chybové úsečky predstavujú smerodajné odchýlky. Priemerná hodnota KT za celý sledovaný súbor genotypov je zobrazená prerušovanou čiarou.

Podľa Olšovskej (2008) môže sledovanie reziduálnej transpirácie obilnín počas stresu zo sucha ukázať odrodové rozdiely v hospodárení s vodou, hoci reziduálna transpirácia nemusí vždy korelovať s ostatnými charakteristikami vodného režimu.

4.2.2 Diverzita osmotických vlastností genotypov pšenice počas ontogenézy

Udržanie turgoru osmotickým prispôsobením sa považuje za dôležitú fyziologickú aklimačnú reakciu rastlín, minimalizujúc tak nepriaznivé efekty deficitu vody na metabolizmus (Morgan, 1984).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Shark

Verna

Bisca

y

Shaan

Stekl

ovidnaj

a

GK F

orrás

Pehliv

an

Motti

n

Astel

la

Vendur

g.m

-2.h

-1

Osmotické prispôsobenie

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Pio

pio

Na

nb

u K

om

ug

i

Vra

ku

ns

ka

Da

gd

as

Gri

ffe

n

Ge

da

nia

Ec

ho

To

rys

a

Ho

ku

sh

in

Sh

aa

n

Fo

rra

s

Víg

ľaš

sk

á

Ma

lvín

a

Ko

šu

tsk

a

Pe

hliv

an

As

tella

Ko

mfo

rt

Sh

ark

Ra

do

šín

sk

a

Bb

yo

Va

nd

a

Ša

mo

rín

sk

a

Bis

ca

y

Me

wa

Ch

ua

- b

ej

Ve

nis

tar

Ve

rna

Ste

klo

vid

na

ja

Ve

nd

ur

Ta

ma

ro

Mo

ttin

Ro

zdie

l me

dzi

min

. a m

ax

. ho

dn

oto

u O

P (

OP

10

0)

Obr.6: Maximálna osmotická adjustácia v priebehu vegetačného obdobia stanovenéako rozdiel minimáleho a maximálneho osmotického potenciálu meraného po 100%- nom nasýtení vodou.

Pri analýze meraní osmotického potenciálu vychádzame z predpokladu, že genotypy vyšľachtené v arídnych oblastiach (s vyššou teplotou vzduchu a horšou dostupnosťou vody) disponujú vyššou mierou syntézy kompatibilných solutov a teda majú vyšší potenciál k osmotickému prispôsobeniu. Avšak mexická odroda Pio pio mala priemerne za celý rok 2007 najnižšiu mieru OA (0,38 MPa). Táto odroda patrí medzi stredne skoré odrody, ktorá uplatňuje mechanizmus úniku pred stresom zo sucha. Podpriemernú úroveň mali aj genotypy: Nanbu Komugi, Dagdas, Griffen, Gedania, Echo, Hokushin, Shaan, GK Forrás, slovenské krajové odrody (Vrakunska, Vígľašská a Košútska), moderné slovenské genotypy Astella, Torysa, Malvína a rakúsky genotyp Komfort. Priemernú úroveň OA (blízko 0,63 MPa) mali Shark, Bbyo a slovenská krajová odroda Radošínska norma.

Hodnoty OA vyššie ako priemer (do 0,8 MPa) sme zistili u slovenských odrôd Vanda, a Šamorínska, u genotypu Biscay, Mewa, Chua Bej, Venistar. Najvyššie hodnoty OA (nad 0,8 MPa) mali talianske odrody Verna a Mottin (najvyššia hodnota za celý súbor) kazašská Steklovidnaja, genotyp tvrdej pšenice Vendur, švajčiarska odroda Tamaro. Tieto zistenia korelujú s pôvodom genotypov, ktoré boli vyšľachtené v arídnych podmienkach a teda majú prirodzene vyššiu mieru OA ako odrody z humídnych oblastí (stredoeurópske genotypy- Gedania, GK Forrás; slovenská odroda Košútska vyšľachtená v zemiakovej výrobnej oblasti.)

Rozpätie OA počas roku 2007 bolo 0,38 – 1,02 MPa, čo sa zhoduje s hodnotami OA pri silnom vodnom strese publikovanými v prácach rôznych autorov. Napríklad Blum et al. (1999) sledoval u odrôd pšenice OA v rozmedzí hodnôt 0,14 až 1,35 MPa (RWC listov 65-70 %). Morgan, 1992 zaznamenal pri pšenici rozpätie 0, 18- 1,35 MPa, pričom odoberal listy pri strate turgoru (70% RWC). Serraj a Sinclair, 2002 uvádzajú, že pre pšenicu môže dosahovať OA 0 až 2 MPa, no extrémne vysoké hodnoty sa dosahujú až po vystavení rastlín mimoriadne nepriaznivým podmienkam.

4.2.3 Vzťah osmotického potenciálu a aktivity fotosyntetického aparátu

Úlohou našej práce je pokúsiť sa navrhnúť selekčné kritériá uplatniteľné v skríningu citlivých resp. tolerantných genotypov k environmentálnym stresom a pre ich praktickú aplikáciu v šľachtiteľskej praxi. Vzťah, ktorý sme sa pokúsili kvantifikovať, je efekt OA na stabilitu membránových systémov (Bohnert, Jensen, 1996; Rathinasabapathi, 2000 a i.) a to cez koreláciu medzi OA a relatívnym poklesom fluorescenčného parametra maximálnej fotochemickej efektívnosti, ktorý je odrazom zmien na úrovni PS II. Z tabuľky 2 môžeme vyčítať, že u polovici testovaných genotypov sme nezistili žiadnu koreláciu medzi hodnotou OA a poklesom Fv/Fm po teplotnom strese.

Tab.2: Vzájomný vzťah medzi rozdielom hodnôt Fv/Fm pred a po ošetrení teplotou 40°C (20 min) a osmotickým potenciálom (OP100) vyjadrený pomocou korelačného koeficienta R (Cohen, 1988).

Uvedené zistenie sa zhoduje s výsledkami Živčáka (2006), ktorý u 8 testovaných odrodách pšenice tak isto medzi týmito dvomi parametrami zistil iba veľmi malú koreláciu. Nasledovná tabuľka uvádza hodnoty korelačného koeficienta ku vzťahu k pôvodu krajiny odrôd.

K podobnému zisteniu, že u viac ako polovici odrôd vzťah vyššieho OA k nižšiemu poklesu membránovej stability vplyvom teplotného stresu nekoreluje, sme prišli aj u parametra PI. Tu nebola zistená žiadna korelácia až u 18 odrôd (z toho 6 slovenských odrôd). Mieru korelácie genotypov znázorňuje tabuľka 3 nižšie). Tab. 3: Zmena rozdielu Performance Index (P.I.) po pôsobení teploty 40°C vo vzťahu k osmotickému potenciálu (OP100) vyjadrená pomocou korelačného koeficienta R (Cohen, 1988).

Keď porovnáme počet odrôd, ktoré mali nulovú hodnotu korelačného

koeficienta vo vzťahu OP k poklesu Fv/Fm aj PI, môžeme skonštatovať, že zhodnú (žiadnu) koreláciu sme zistili u 9 genotypov, z ktorých boli 4 slovenské krajové odrody.

4.3 Citlivosť fotosyntetických parametrov na prostredie

Súčasné ekofyziologické prístupy využívajú analýzu fluorescencie chlorofylu a na monitorovanie fotochemických a nefotochemických procesov prebiehajúcich vo fotosystéme II (Baker a Rosenquist, 2004). Princíp metódy je založený na poznatku o 3 možných cestách utilizácie absorbovaného žiarenia fotosystémom II, ktoré môže byť využité buď vo fotochémii, disipované ak teplo alebo vyžiarené vo forme fluorescencie chlorofylu a . Tieto tri procesy existujú vo vzájomnej kompetícii, čiže ak narastá efektívnosť jedného z nich, výsledkom je pokles výťažku zostávajúcich dvoch procesov (Maxwell, Johnson, 2000). Charakter emitovanej fluorescencie je daný absorbujúcimi pigmentmi, transferom excitačnej energie a pôvodom a orientáciou fluoreskujúcich pigmentov.

4.4.1 JIP – test

Pri hodnotení vplyvu vysokej teploty na fotosyntetický aparát šiestich skupín genotypov pšenice rôzneho pôvodu počas vegetačného obdobia môžeme konštatovať, že medzi jednotlivými skupinami sme zaznamenali významné rozdiely, čo sa týka priebehu JIP krivky u kontrolného variantu v porovnaní so stresovým. Účinkom vysokej teploty došlo k zmene tvaru krivky, stráca sa polyfázový priebeh. Z OJIP kriviek môžeme vyčítať, že teplotný stres spôsobil rýchlejší nárast fluorescencie a posun prvej fázy už do času 300 µs. Túto fázu nazývame K-krok a je signálom komplexu vyvíjajúceho kyslík (OEC). Pri silnejšom poškodení je potlačená fáza J-I, pri ktorej dochádza k poklesu fluorescencie s následným miernym vzostupom vo fáze I-P. Teplota

teda priamo spôsobuje poškodenie na membránovej úrovni so značným dopadom na primárne procesy fotosyntézy.

Jedným zo základných a najviac využívaných parametrov je maximálna fotochemická efektívnosť PS II Fv/Fm, ktorá má pri nestresovaných listoch zvyčajne hodnoty 0,832 ± 0,004. Tento parameter dobre lineárne koreluje s kvantovým výťažkom evolúcie kyslíka a je dobrým ukazovateľom fotoinhibície a procesov uhasínania s pomalšou relaxáciou. Teplotný stres vyvolal u všetkých skupín genotypov výrazný pokles Fv/Fm, čo ilustruje obrázok 7.

0

2

4

6

8

10

12

JPN STR EU BR, POL,RUS, KAZ

TUR MEXITA

SVK CHN

Ekologické skupiny genotypov pšenice

Po

kles

max

. fo

toch

emic

kej

úči

nn

ost

i (

%)

JPN STR EU

BR, POL, RUS, KAZ TUR MEX ITA

SVK CHN

Obr. 7: Znázornenie poklesu maximálnej fotochemickej účinnosti (Fv/Fm) u rôznych ekologických skupín pšenice v priebehu vegetačnej sezóny

Za experimenálny rok 2007 sa ako najcitlivejšou skupinou prejavila skupina slovenských genotypov, kde Fv/Fm po účinku vysokej teploty klesla v priemere za všetky merania počas ontogenézy o 9, 8 %. Oproti najmenej citlivej skupine japonských genotypov je to je to o 2, 6 % viac. Tento záver koreluje so zisteniami viacerých autorov, ako napríklad Al Khatib, Paulsen (1990), ktorí pri testovaní 10 genotypov pšenice rôzneho pôvodu zistili výrazný pokles Fv/Fm v rozsahu 8- 11 %.

Na determináciu citlivosti sledovaného súboru genotypov voči vysokej teplote sme použili hodnotu variabilnej fluorescencie v kroku K (Wk) spolu s maximálnym kvantovým výťažkom fotochémie (Fv/Fm). Oba parametre sú dostatočne citlivé na zachytenie termostability, pričom ale nemali úplne rovnaký trend, čo dokazuje aj fakt, že veľkosť K kroku nemusí byť vždy priamo úmerná poklesu Fv/ Fm.

Najcitlivejším špecifickým parametrom, ktorý komplexne zobrazuje odozvu fotosyntetického aparátu na pôsobenie vysokej teploty predstavuje performance index (PI). Strasser (2000) uvádza, že tento parameter vystihujúci odchýlky fluorescenčného prechodu od optimálnych hodnôt je mimoriadne citlivý na akékoľvek stresy. Zmeny PI (abs) jednotlivých skupín odrôd po pôsobení vysokej teploty počas ontogenézy ilustruje obrázok 8.

0

10

20

30

40

50

60

STR EU SVK JAP BR, POL,RUS, KAZ

TUR, MEX,ITA

CHN

Ekologické skupiny genotypov pšenice

Po

kles

PI (

%)

STR EU SVK

JAP BR, POL, RUS, KAZ

TUR, MEX, ITA CHN

Obr. 8: Znázornenie poklesu Performace indexu (PI) u rôznych ekologických skupín pšenice v priebehu vegetačnej sezóny

Performance index najvýraznejšie klesol u skupiny čínskych genotypov (o 54 %) v porovnaní s kontrolnými rastlinami. Najmenej citlivou skupinou genotypov podľa PI bola skupina genotypov pochádzajúcich zo strednej Európy. 1.4.2 Parametrizácia fotosyntetického aparátu po účinku vysokej

teploty Dobrým nástrojom pre výber parametrov fluorescencie chlorofylu na skríning

pre citlivosť na vysokú teplotu je podľa Strassera et al. (2000) tzv. radarový graf (obr. 9). Tento typ zobrazenia poskytuje priamu vizualizáciu správania sa vzorky a takto uľahčuje porovnanie rastlinného materiálu Poskytuje tiež bioindikáciu účinku rôznych environmentálnych stresorov.

Medzi najcitlivejšie parametre (okrem parametra PI), ktoré odrážajú dopad vysokej teploty na asimilačný aparát, môžeme podľa obr. 9 zaradiť aj parameter Vj a Vi. Tieto predstavujú variabilnú fluorescenciu v čase J (resp. I), teda pomer/podiel počtu celkových reakčných centier, ktoré môžu byť zatvorené. Odrody reagovali citlivo aj zmenou parametrov elektrónového transportu (vstup elektrónov do elektrónového reťazca) a parametra TRo/RC, vyjadrujúci maximálnu rýchlosť zachytávania v PS II

Základné parametre fluorescencie chlorofylu u kontrolných rastlín 6 skupín genotypov pšenice pôzneho pôvodu v období klasenia (16.5.

2007)

0

50

100

150

200Area

FoFm

Fv

Fv/Fm

Fo/Fm

Fv/Fo

dV/dto

Vj

Vi

PHI(Po)

PSIo

PHI(Eo)PHI(Do)

SmNABS/RC

TRo/RC

ETo/RC

DIo/RC

RC/CSm

ABS/CSm

TRo/CSm

ETo/CSm

DIo/CSm

PI(abs)

PI(cso)

PI(csm)D.F.

skupina 1 (stredoeurópskeodrody)

skupina 2 (slovenské odrody)

skupina 3 (poľské, ruské, britskéa kazašské odrody)

skupina 4 (turecké, mexické,talianske odrody)

skupina 5 (čínske odrody)

skupina 6 (japonské odrody)

priemer za všetky skupiny

Obr. 9: Radarové znázornenie hodnôt kalkulovaných parametrov rýchlej fluorescencie chlorofylu rôznych ekologických skupín pšenice. Referenčná hodnota je priemer za celý testovaný súbor odrôd. Hodnoty v grafe sú vyjadrené relatívne v percentách.

Zobrazenie zmien základných parametrov flurescencie chlorofylu 6 skupín pšenice rôzneho pôvodu po účinku vysokej teploty počas

obdobia klasenia (16.5.2007)

0

50

100

150

200Area

FoFm

Fv

Fv/Fm

Fo/Fm

Fv/Fo

dV/dto

Vj

Vi

PHI(Po)

PSIo

PHI(Eo)PHI(Do)

SmNABS/RC

TRo/RC

ETo/RC

Dio/Cso

RC/CSm

ABS/CSm

TRo/CSm

ETo/CSm

DIo/CSm

PI(abs)

PI(cso)

PI(csm)D.F.

skupina 1 (stredoeurópskeodrody)

skupina 2 (slovenské odrody)

skupina 3 (poľské, ruské, britskéa kazašské odrody)

skupina 4 (turecké, mexické,talianske odrody)

skupina 5 (čínske odrody)

skupina 6 (japonské odrody)

priemer za všetky skupiny

Obr. 10: Radarové znázornenie hodnôt kalkulovaných parametrov rýchlej fluorescencie chlorofylu rôznych ekologických skupín pšenice. Referenčná hodnota je priemer za celý testovaný súbor odrôd. Hodnoty v grafe sú vyjadrené relatívne v percentách.

Vplyvom vysokej teploty sa najvýraznejšie menil parameter Area, ktorý predstavuje plochu medzi fluorescenčnou krivkou a hodnotou maximálnej fluorescencie Fm a vyjadruje veľkosť zásoby akceptorov elektrónového transportu PS II. Najmenej narástol u skupiny japonských a stredoeurópskych genotypov (o 15% v porovnaní s kontrolou), potom nasledovala skupina čínskych genotypov (29 %) tureckých, mexických a talianskych genotypov (35 %), a najcitlivejšie sa nárastom toho parametra prejavili skupiny slovenských odrôd (76% -ný nárast oproti kontrole) a poľských, ruských a kazašských odrôd, kde sa tento parameter po teplotnom strese zvýšil až o 111%. Podobný trend v zmene hodnôt po pôsobení teplotného stresu sme podľa obrázku 10 zaznamenali i u parametrov charakterizujúcich disipáciu energie z reakčných centier (PHIDO a DIo/RC) a parameter dV/dto, ktorý vyjadruje rýchlosť primárnych fotochemických procesov. Tento parameter reagoval na teplotný stres zmenou v rozmedzí 12% (japonské odrody) až 59 % (stredoeurópske genotypy).

Za ďalší citlivý indikátor poškodenia asimilačného aparátu vysokými teplotami, ktorý sa prejavuje na úrovni antén, môžeme považovať nárast minimálnej fluorescencie (Fo). Najmenej sa zvýšila u skupiny čínskych genotypov (5%), slovenských odrôd (13%) a tureckých, mexických a talianskych genotypov (15%). Poľské, ruské, britské a kazašské odrody zaznamenali nárast Fo o 17%. Citlivejšie reagovali stredoeurópske a japonské odrody (27% -ný nárast oproti kontrole).

Maximálna fotochemická efektívnosť vplyvom stresu z vysokej teploty klesala v rozsahu od 13 % (stredoeurópske genotypy) do 37 % (slovenské odrody) v porovnaní s kontrolou.

Výsledky sú v zhode s prácami Živčák (2006), Repková (2007) a Olšovská (2008), ktorí testovali citlivosť parametrov odvodených z rýchlej fázy fluorescencie chlorofylu na súbore genotypov ozimnej pšenice aj jarného jačmeňa a vodný a teplotný stres a pomocou uvedených parametrov boli schopní odlíšiť genotypy s vyššou toleranciou na vodný, resp. teplotný stres.

Porovnanie zmien parametrov fluorescencie chlorofylu po účinku vysokej teploty v experimentálnom roku 2007 a 2008

0

5

10

15

20

Bis

cay

Fo

rrás

Ver

na

Ast

ella

Ven

du

r

Mo

ttin

Ste

klo

vid

naj

a

Peh

livan

Sh

aan

Sh

ark

Genotypy

po

kle

s F

v/F

m (

%)

2007

2008

Obr. 11: Porovnanie priemerného poklesu Fv/Fm (%) u 10 genotypov pšenice za sezóny rokov 2007 a 2008

Parameter maximálnej fotochemickej účinnosti vplyvom vysokej teploty vykazoval medzi dvoma experimentálnymi rokmi značný rozdiel v poklese. V roku 2007 odrody na teplotný stres reagovali menej citlivo ako v roku 2008. Najviac sa vplyv ročníka prejavil u talianskych genotypov Mottin a Verna, u ktorých hodnota max. fotochemickej účinnosti v roku 2008 klesla až dvojnásobne oproti predchádzajúcemu experimentálnemu roku. Najvyrovnanejšia bola slovenská odroda Astella (13%-ný pokles). Celkovo najtolerantnejším genotypom, hodnoteným podľa poklesu tohto parametra bola maďarská odroda GK Forrás, najväčšiu redukciu Fv/Fm sme zaznamenali u modernej slovenskej odrody Astella.

0

10

20

30

40

50

60

70

Bis

cay

GK

Fo

rrás

Ven

du

r

Ast

ella

Ver

na

Ste

klo

vid

naj

a

Mo

ttin

Peh

livan

Sh

aan

Sh

ark-

4

Genotypy

po

kle

s P

I %

2007

2008

Obr. 12: Porovnanie priemerného poklesu PI (%) po účinku vysokej teploty u 10 genotypov pšenice počas vegetačného obdobia rokov 2007 a 2008

Podľa obrázku 12 môžeme skonštatovať, že medziročný rozdiel vplyvu vysokej teploty na parameter PI bol pomerne veľký. Najmenej citlivou skupinou na vysokú teplotu podľa PI bola skupina stredoeurópskych odrôd (osobitne maďarská odroda GK Forrás, kde PI v poklesol len o 30 a 40 %.) Slovenské odrody Vendur a Astella boli citlivejšie a na vysokú teplotu zareagovali poklesom PI prvý rok v priemere o 40 % a druhý rok o 57 %. Mexické genotypy Pehlivan a Shark reagovali v oboch rokoch na účinok vysokej teploty za oba roky rovnako, PI vykazoval v roku 2007 približne 42 % pokles a v roku 2008 57 % pokles v porovnaní s kontrolou. Najväčší medziročný rozdiel sme zaznamenali u talianskeho genotypu Verna (až o 20 %). Medziročne najviac vyrovnanou a zároveň najcitlivejšou odrodou bola kazašská Steklovidnaja so 60 % -ným poklesom PI za oba experimentálne roky.

4.5 Využitie účinkov ABA a PEG-6000 ako selekčných kritérií tolerancie

pšenice na environmentálny stres Základnými atribútmi metód vyžadovanými v skríningu sú rýchlosť,

nenáročnosť a schopnosť otestovať veľké množstvo materiálu. Pre naplnenie týchto požiadaviek sme sa pokúsili hodnotiť citlivosť genotypov na základe testovania reakcií mladých rastlín (4 experimentálne varianty), pestovaných v hydropónii v klimatizovanom boxe s umelým osvetlením, na rýchlu dehydratáciu indukovanú použitím hydroponického roztoku s pridaním 15 % polyetylénglykolu (PEG 6000) a ABA. Korene rastlín boli v hydropónii bezprostredne vystavené účinku osmotika, pričom v závislosti od sily osmotického stresu dochádzalo nie len k blokovaniu prijímu vody, ale aj k následnému uvoľňovaniu roztoku opačným smerom - do koreňového prostredia. PEG indukuje zníženie hydraulickej vodivosti nadzemných častí a teda pokles vodného potenciálu bez možnosti osmotického prispôsobenia pletív. To nám umožňuje charakterizovať potenciálnu genotypovú špecifickosť pre rozdielnosť v hospodárení s vodou. Aplikácia exogénnej ABA umožní simulovať zatvorenie prieduchov. Testovanie napriek svojej jednoduchosti umožňuje detekovať prenos hydraulického a chemického signálu o vodnom strese a ich vplyv pre zvýšenie efektívnosti využitia vody genotypmi.

4.5.1 Rýchlosť transpirácie

Tab 5: Priemerné hodnoty rýchlosti transpirácie (%) za 7 hodín od expozície u mladých rastlín siedmych genotypov pšenice po rýchlej dehydratácii vyvolanej účinkom PEG 6000 (15 %) a aplikáciou ABA (10-4) v porovnaní s nestresovanými rastlinami (K).

RT (%) Genotyp K ABA PEG PEG a ABA

Biscay 100 69 71 32

Pehlivan 100 56 45 41

Forrás 100 90 44 41

Shaan 100 71 46 36

Astella 100 79 51 47

Shark 100 69 39 68

Verna 100 79 61 55

Za sedem hodín od začiatku expozície sme pre každý variant a každý testovaný

genotyp stanovili sumu transpirácie (g.m-2. hod -1) a vyjadrili ju relatívne (v %). RT

u variantu, kde sme aplikovali ABA, reagoval znížením RT v priemere o 26 % za všetky odrody. Najvýraznejší pokles rýchlosti transpirácie v rámci tohto variantu sme zaznamenali u mexického genotypu Pehlivan, kde RT klesla až o 44 % v porovnaní s kontrolou. Najnižší pokles oproti kontrolnému variantu mala odroda Forrás (10 %). Predpoklad rýchlej reakcie rastlín na ABA sa potvrdil, avšak s menšími genotypovými rozdielmi ako v prípade testu s PEG-om. Toto zistenie sa zhoduje s výsledkami, ktoré vo svojej práci publikovala Olšovská (2008), pri testovaní juvenilných rastlín jačmeňa.

Celkovo vyšší pokles RT sme zaznamenali u druhého variantu (PEG), kde RT v porovnaní s nestresovanými rastlinami klesla priemerne o 49 %. Najcitlivejšie na prítomnosť osmotika reagoval genotyp Shark so 61 %-ným poklesom oproti kontrole, najmenej citlivá odroda bola Verna (39% pokles v porovnaní s kontrolou). Značnú redukciu rýchlosti transpirácie genotypov pšenice počas osmotického stresu, vyvolaného aplikáciou PEG 600 vo svojej práci popisuje aj Zgalla et al. (2005).

Najsilnejší vplyv na redukciu transpirácie sme očakávali účinkom kombinovaného osmotického stresu (4. variant so simultánnym pôsobením PEG a ABA). Hypotézu potvrdil výsledok, kde sme zaznamenali najvýraznejšiu redukciu RT u všetkých testovaných odrôd, výnimkou mexického genotypu Shark (32 %-ný pokles oproti kontrolnému variantu). Celkovo RT klesla až o 54 %. Najcitlivejšou odrodou bola odroda nemecká odroda Biscay (68 %-ný pokles RT v porovnaní s nestresovaným variantom).

Keď hodnotíme vzťah medzi výškou maximálnej OA (ktorá reguluje výdaj vody z listov) a rýchlosťou transpirácie počas simulovaného osmotického stresu aplikáciou PEG a ABA, ukazuje sa nám, že odrody s nízkou úrovňou OA (Pehlivan, Shark) zareagovali na prítomnosť osmotika citlivejšie ako odrody s jeho vysokými hodnotami (Verna). Avšak u nemeckej odrody Biscay (s nadpriemernou hodnotou OA) sme účinkom kombinovaného stresu (ABA a PEG) zaznamenali až 68%-ný pokles rýchlosti transpirácie oproti kontrole. Z hľadiska osmoprotekcie je OA je príliš hrubý ukazovateľ, ktorý nemôže pokryť špecifické ochranné funkcie jeho jednotlivých zložiek.

5 ZÁVER

Z našej dizertačnej práce s názvom „Bioindikácia environmentálneho stresu vo fotosyntetickom aparáte rôznych ekologických skupín genotypov pšenice“ vyplývajú nasledovné závery:

• Únik pred suchom je dôležitým mechanizmom pre zachovanie stabilných úrod v podmienkach klimatickej zmeny. Rozhodujúcu úlohu hrá skorosť genotypu. Všetky genotypy pšenice dosiahli maximum listovej plochy skôr, ako je pravdepodobný výskyt sucha. Teda rozdiely v časovej distribúcii a celkovej veľkosti listovej plochy nemali vplyv na neskoršie formovanie úrod sledovaných odrôd. Odrody sa však značne líšili v dynamike tvorby sušiny. Celkovo najvyššiu produkciu suchej hmotnosti sme zaznamenali u skupiny japonských a čínskych odrôd, ktoré však mali nepriaznivú dynamiku jej tvorby. Naopak skupina britských, poľských a kazašských odrôd mala najrýchlejšiu dynamiku tvorby sušiny zo všetkých sledovaných skupín genotypov. Zo slovenských krajových odrôd sme najrýchlejšiu dynamiku tvorby sušiny zistili u odrody Vígľašská červenoklasá. • Vlastnosti kutikuly sú dôležité pri výdaji vody z listov počas sucha. Preto merania kutikulárnej transpirácie listov odrážajú retenčnú schopnosť listov podmienenú vlastnosťami kutikuly a poukazujú na genotypové rozdiely pšenice v hospodárení

s vodou. Genotypy pochádzajúce z arídnych oblastí (Turecko, Mexiko, Taliansko) sa vyznačovali nižšou mierou kutikulárnej transpirácie ako genotypy vyšľachtené v podmienkach s dostatkom vlahy (stredoeurópske genotypy, genotypy z Poľska, Ruska a Veľkej Británie). Avšak niektoré genotypy (Bbyo, pôvodom z Turecka a Shark vyšľachtený v Mexiku) mali úroveň kutikulárnej transpirácie vysoko nadpriemernú v porovnaní za celý testovaný súbor. Príčinou je morfologicko- anatomická adaptácia stavby kutikuly, ktorá sa v našich klimatických podmienkach stáva ešte menej priaznivou, ako majú domáce genotypy. Vyššia kutikulárna rezistencia (v porovnaní s modernými slovenskými odrodami) zistená u slovenských krajových odrôd, môže byť využitá ako skríningové kritérium tolerancie na sucho.

• Po aplikácii protokolov rýchlej kinetiky fluorescencie chlorofylu a sme zaznamenali rozdielny dopad na asimilačný aparát u jednotlivých skupín ekologicky vzdialených genotypov. Medzi najvýznamnejšie parametre, ktoré odrážajú stabilitu tylakoidných membrán a citlivosť PS II na vysokú teplotu, patrí maximálna fotochemická efektívnosť Fv/Fm a komplexný parameter Performance index (PI). Najvyšší pokles oboch parametrov za sledované obdobie mala skupina genotypov pochádzajúcich z Číny. Najmenšiu redukciu oboch parametrov sme zaznamenali u skupiny japonských a stredoeurópskych genotypov. Celkovo najvyššiu toleranciu k pôsobeniu vysokej teploty sme znamenali u maďarského genotypu GF Forrás. • Účinok vysokej teploty sa najviac odzrkadľuje na svetelných reakciách v PS II. Teplota 40° C spôsobuje poškodenie kyslík vyvíjajúceho komplexu (OEC). Ako indikátor poškodenia OEC môže byť objavenie sa K- kroku v priebehu OJIP krivky (v čase 300 µs). Meranie rýchlej kinetiky fluorescencie chlorofylu a normalizácie fluorescencie v K kroku môžu byť využiteľné ako selekčné kritérium z hľadiska tolerancie na vysokú teplotu. • Osmotická adjustácia determinovaná na základe osmotického prispôsobenia je vhodným dynamickým kritériom pre identifikáciu osmoregulačnej kapacity citlivých i tolerantných genotypov. Je teda vhodným selekčným kritériom pre vytvorenie modelov s rozdielnou osmoprotekčnou kapacitou a predstavuje významný príspevok pre konštrukciu ekostabilných genotypov v podmienkach klimatickej zmeny. Genotypy pochádzajúce z arídnych oblastí (Mottin, Vendur, Verna) sa vyznačovali vysokou mierou osmotického prispôsobenia. Avšak niektoré genotypy (Pio pio, Dagdas, Pehlivan), ktoré boli tak isto vyšľachtené v suchých podmienkach, sa vyznačovali podpriemernou schopnosťou osmotického prispôsobenia. Tieto genotypy sú veľmi skoré a uplatňujú stratégiu úniku pred suchom. Zo slovenských genotypov sa nadpriemernou mierou adjustácie vyznačovala Radošínska Norma a Šamorínska. • Analýza vzťahu medzi poklesom fluorescenčných parametrov a hodnotou osmotickej adjustácie u jednotlivých odrôd dokázala veľmi malú vzájomnú koreláciu. • Testovanie citlivosti juvenilných hydroponicky pestovaných rastlín počas rýchlej dehydratácie aplikáciou PEG 600 a ABA a merania rýchlosti transpirácie priniesli zistenie, že najmenej citlivo reagovala talianska odroda Verna a najcitlivejší bol čínsky genotyp Shaan. Táto metóda je na skríning vodná len vtedy, ak testujeme súbor genotypov s rozdielnou citlivosťou na rýchlu dehydratáciu.

6 )ÁVRHY PRE VYUŽITIE POZ)ATKOV PRE ĎALŠÍ

ROZVOJ VEDY

Výsledky našej dizertačnej práce predstavujú príspevok pre objasnenie vzťahu fyziologických parametrov a tolerancie rastlín na environmentálne stresy. Výsledky nami aplikovaných fyziologických analýz môžu byť použité pre návrh selekčných kritérií genotypov pšenice a iných poľnohospodársky významných rastlín pre konštrukciu ekostabilných genotypov v podmienkach klimatickej zmeny.

Ako uvádza Reynold et al. (2001), genotyp schopný realizovať vysokú produkciu v podmienkach vysokej teploty a limitácie dostupnosti vody musí spĺňať predovšetkým základné požiadavky, ktorými sú dobrá adaptácia na prostredie, odolnosť voči chorobám a škodcom, musí byť vhodným agronomickým typom a spĺňať kvantitatívne a kvalitatívne požiadavky na produkciu.

Z výsledkov vyplýva, že spomedzi nami sledovaných znakov môžeme ekostabilnému genotypu prisúdiť takéto vlastnosti:

• urýchlenie nástupu kritických fenofáz (stress escape) • vyššia miera kutikulárnej rezistencie pre obmedzenie úniku vody z listov • schopnosť realizovať mechanizmy na úrovni primárnych procesov fotosyntézy

vedúce k zvýšenej odolnosti voči vysokým teplotám • vyššie hodnoty osmotického prispôsobenia a s tým spojené dlhšie udržanie si

turgoru, otvorených prieduchov a asimilácie CO2 .

Výsledky práce dokumentované v obrazovej prílohe dizertačnej práce sú využiteľné pri výbere a parametrizácii genetických zdrojov obilnín. Zaradenie vybraných znakov do šľachtiteľského procesu by mohlo napomôcť pri tvorbe kvalitných genotypov pre zabezpečenie optimálnej produkcie v prirodzených podmienkach prostredia, ktoré je limitované dostupnosťou vody a pôsobením vysokých teplôt.

7 POUŽITÁ LITERATÚRA

1 Al Khatib, K– Paulsen, G,M. 1984. Mode of high temperature injury to wheat during grain developement. In Physiol. Plant. 1984, 1, 363–368.

2 Baker, N.R.- Rosenquist, E. 2004. Aplication of chlorophyll fluorescence can improve crop production stategies: an examinations of future possibilities. In: Journal of Experimental Botany, 2004, 55, 403, 1607- 1621.

3 Blum A. 1996. Crop responses to drought and the interpretation of adaptation. In: Plant Growth Regulation, 20: 135-148

4 Blum, A., Zhang, J.X. Nguyen, H.T. 1999. Consistent differences among wheat cultivars in osmotic adjustment and their relationship to plant production. In: Field Crop Research, 1999, 64 (3), 287- 291.

5 Bohnert, H.J.- Jensen, R.G.-Nelson, D.E. 1996. Adaptations to environmental stresses. In: The Plant Cell, 1996, 7, 1099-1111.

6 Bradford, J. K.– Hsiao, T.C. 1982. Ecophysiological respones to moderate water stress. In Encyclopedia of plant physiology. Berlin: Springer Verlag, 1982, Vol. 12B. 232-253.

7 Buchanan, B.B.– Gruissem, W.– Jones, R.L. 2000. Biochemistry and molecular biology of plants.– Amer. Soc.Plant.Physiol., Rockville, 2000.

8 Canaaqni, C– Havaux, M.– Malkin, S. 1986. Hydroxylamine, hydrazine and methylamine donate electrons to the photooxidising side of PS II in leaves inhibited in oxygene evolution due to water stress. In: Biochemica et Biophysisca Acta, 1986,151-155.

9 Cave, G. 1981. Water and membranes. The interdependence of their physico-chemical properties in the case of phospholipid head groups.In: Stud. Biophys, 1981, 41-46.

10 Crowe, J. H.– Crowe,L.M. – Chapman, D. 1984. Preservation of membranes in anhydrobiotic organisms. Role of trehalose. In Science, 1984, 701- 703.

11 Cushman, J.C. 2001.Osmoregulation in plants: implications for agriculture. In Am Zool. 2001, 41, 758-796.

12 Dash, S.– Mohanty, N. 2001. Evaluation the asseys for the analysis of thermo-tolerance and recovery potentials of seedling of wheat (Triticum aestivum, L.) cultivars.. In Journal of Plant Physiology. 2001, 158, 1153-1165.

13 Davies, W.J – Zhang, J. 1991.Root signals as the regulation of growth and developement in plants in drying soils. In Annu. Rev. Plant Physiol. Plant mol. Biol. 1991, 55-70.

14 De Ronde, J.A. – Cress, W.A– Krueger, G.H.J. – Strasser, R.J.–Van Staden, J. 2004. Photosyntetic response of transgenic soybean plants, containing an Arabidopsis P5CR gene, during drought and heat stress. In J. Plant Physiol. 2004, 161, 1211-1224.

15 Force, L.- Critchley, C.- Van Rensen, J.J. S. 2003. New fluorescence parameters for monitoring photosynthesis in plants-1. The effect of illumination on the fluorescence parameters of the JIP-test. In: Photosynthesis Research, 2003, 78 (1), 17-33.

16 Frensch, J. 1997. Primary responses of root and leaf elongation to water deficits in the atmosphere and soil solution.- J.exp. Bot. 1997, 12, 985- 999.

17 Havaux, M.– Ernez, M.–Lannoye, R.1988. Sélection de varieté de blé dur (Triticum durum Desf.) et de blé tendre (Triticum aestivum L.) adaptées à la séchresse par la mesure de ´l extinction de la fluorescence de la chrorophylle in vivo. In Agronomie, 1988, 8, 193-198.

18 He, J. X– Wang, J.– Liang, H.G.1995. Effect of water stress on photochemical function and protein metabolism of photosystem II in wheat leaves. In Physiol. Plant, 1995, 93, 771-777.

19 Hsiao, T.C. 1973. Plant responses to water stress. In Annu. Rev. Plant. Physiol. 1973, 519-570. 20 Ingram, J. – Bartels, D. 1996. The molecular basis of dehydratation tolerance in plants. In Annu.

Rev. Plant. Physiol. Plant. mol. Biol.1996, 377- 403. 21 Jones, C.A. 1985. C4 grasses and cereals. New York: John Wiley and Sons, 1985. 22 Kerstiens, G. et al.2006. Quantification of cuticular permeability in genetically modified plants In:

Journal of Experimental Botany, 2006, 57 (11), 2547- 2552 23 Kicheva, M.I. – Tsonev, D.T. – Popova, L.P.1994. Stomatal a nd non- stomatal limitations to

photosynthesis in two wheat cultivars sujbected to water stress. In Photosynthetica, 1994, 30, 107–116.

24 Lazar D.,Naus J.,Matuoskova M., Flasarova M., 1999 Mathematical Modeling and the role of ATP. In: Pesticide Biochemistry and Physiology, 1999, (3), 200-210.

25 Leshem, Y.Y. 1997. Plant membranes. Biophysical approach to membrane structure and function. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1997.

26 Lu, C. – Zang,J. 1998. Modifications in photosystem II photochemistry in senescent leaves of maize plants. In: Journal of Experimental Botany, 1998, 49,327, 1671-1679.

27 McKersie, B.D.–Leshem, Y.Y. 1994. Stress and stress coping in cultivated plants. Dordrecht: Kluwer Scientific Publihers, 1994.

28 Ministerstvo životného prostredia (MŽP) SR. 2007. Vplyv zmeny klímy na zložky životného prostredia. Príspevok k operatívnej porade, Bratislava, 15.3.2007. In: Enviromagazín, č.2, 2007, 26-29.

29 Mishra, R.K.- Singhal, G.S.1993. Photosynthetic activity and peroxidation of tylacoid lipids during photoinhibition and high temperature treatment of isolated wheat chloroplasts. In Journal of plant physiology, 1993, 141, 286-292.

30 Morgan, J.M. 1984. Osmoregulation and water stress in highter plants. In: Annu. Rev. Plant Physiol. 1984, 35, 299, 319.

31 Morgan, J.M. 1992. Osmotic components and properties associated with genotypic differencies in osmoregulation in wheat. In Australian journal of plant physiology. 1992,19, 67-76.

32 Munns, R. – Passioura, J. B. – Guo, J. – Chazen, O. – Cramer, G. R. 2000. Water relations and leaf expansion: importance of time scale. In: Journal of Experimental Botany, 2000, 51,350,pp. 1495-1504.

33 Nilsen, E.T.– Orcutt, D.M. 1999. The physiology of plants under stress. Abiotic factors. John Wiley and Sons, New York, 1999.

34 Nyachiro, J.M. – Briggs, K.G. – Hoddinott, J. – Johnson-Flanagan, A.M. 2001,. Chlorophyll content, chlorophyll fluorescence and water deficit in spring wheat. In Cereal Research Community. 2001, 29, 135-142.

35 Olšovská, K. 2008. Fyziologicko-produkčné aspekty sucha v rastlinách. Habilitačná práca, SPU Nitra, 2008, 125 s.

36 Park, Y.I, Park, M.C.– Hong, Y.N. 1994. Correlative changes between photosyntetic activities and chlorophyll fluorescence in wheat chloroplasts exposed to high temperature. In Journal of Plant Biology. 1994, 37, 37- 42.

37 Paulsen, G.M. 1994. High temperature responses in crop plants. In Physiology and determination of crop yield. Eds Boote, J.K.- Bennet J.M. – Sinclair, T.R.- Paulsen, G.M. Madison, WI: ASA, CSSA, SSSA, 1994, 365-389.

38 Popovic, R. – Dewez, D. – Juneau, P. 2003. Application of chlorophyll fluorescence in ecotoxicology: Heavy metals, herbicides and air pollutants. In: Practical application of chlorophyll fluorescence in plant biology. Boston,Dordrecht, London: Kluwer academic press, 2003, 151-184. ISBN 1-4020-7440-9.

39 Procházka, S.– Macháčková, J. – Krekule, J.- Šebánek, J. 1998. Fyziologie rostlin. 1. vyd. Praha: Academia, 1991, 484 s. ISBN 80- 200 0586-2

40 Quarie, S.A.- Stojanovic, J.- Pekic, S. et al, 1999. Improving drought restistance in small- grained cereals: A case study, progres and prospects. In: Plant Growth Regulation, 1999, 29, 1-21.

41 Quinn, P.J.– Williams, W.P. 1985. Environmentally induced changes in chloroplast membranes and their effects on photosyntetic function. In Barber, J- Baker, N.R.(ed.): Photosyntetic mechanisms and the environment. Amsterdam – New York – Oxford: Elsevier, 1985, 1-47.

42 Rathinasabapathi, B. 2000. Mertabolic engineering for stress tolerance: installing osmoprotectant synthesis pathway. In: Annals of Botany, 2000, 86, 709-716.

43 Repková J. 2007. Bioindikácia fyziologického stavu rastlín v ekosystéme v podmienkach enviromentálneho stresu. Dizertačná práca. VES SPU Nitra, 2007, 117s

44 Sayed, O.H. – Earnshaw, M.J. – Emes, M.J. 1989a. Photosynthetic responses of different varietes of wheat to high temperature. II. Efect of heat stress on photosynthetic electron transport. In Journal of experimental botany. 1989a., 633-638.

45 Sayed, O.H. – Emes, M.J.– Earnshaw, M.J. – Butler, R.D.1989b. Photosynthetic responses of different varietes of wheat to high temperature I. Efect of growth temperature on development and photosyntetic performance. In Journal of experimental botany. 1989b., 625-631.

46 Sayed, O.H. 1992. Photosynthetic acclimation to high temperature in wheat. In Acta Bot. Neerl. 1992, 41, 299 –304.

47 Sayed, O.H. 2003. Chlorophyll fluoroscence as a tool in cereal crop research. In Photosyntetica, 2003,41 (3), 321-330.

48 Sayed, O.H.– Emes, M.J.– Butler, R.D.– Earnshaw, M.J.1986. High temperature induced changes in chloroplast ultrastructur

49 Serraj, R.- Sinclair, T.R. 2002. Osmolyte accumulation: can it really help to increaser crop yield under drought conditions? In: Plant, Cell and Environment, 2002, 25, 333- 341.

50 Shangguan, Z.– Shao, M.G.– Dycmans, J. 2000. Effects of nitrogen nutrition and waterdeficit on net photosynthetic rate and chlorophyll fluorescence in winter wheat. In Journal of plant physiology, 2000, 15, 46-51.

51 Sharp, R. E.– Davies, W. J.1989. Regulation of growth and developement of plants growing with a restricted supply of water. In Hamlyn, G.J.– Flowers,T.J.– Jones, M.B. (ed.): Plants under stress. Cambridge: Cambridge university press, 1989, 71-93

52 Schulze, E.D. 1986. Carbon dioxide and water vapor exchange in response to drought in the atmosphere and in the soil.In Annu. Rev. Plant. Physiol, 1986, 247- 274.

53 Sinclair, T. R. 2000. Model analysis of plant traits leading to prolonget crop survival during severe drougth. In: Field Crops Research, 2000, 68, 211-217.

54 Strasser, J.R.- Srivastava, A.- Tsimilli Michael, M. 2000. The fluorescence transient as a tool to characterise and screen photosynthetic samples. In: Probing Photosynthesis Mechanisms, Regulation and Adaptation. London and >ew York: Taylor and Francis, 2000, 25, 445-483.

55 Strasser, R. J. – Srivatsava, A. – Govindjee.1995. Polyphasic chlorophyll a fluorescence transient in plants and cyanobacteria. In: Photochemistry and Photobiology , 1995, 61, 32-42.

56 Strasser, R.J. - Tsimilli-Michael, M. 2001. Structure- function relationship in the photosynthetic apparaturs: a biophysical approach. In: Pardha Saradhi (ed.) Biophysical Processes in Living systems. Enfield: Science Publishers Inc.,2001,273-303.

57 Turner, N.C.1997. Further progress in crop water relations. In: Advances in Agronomy, 1997, 58,293-338.

58 Weis, E.- Berry, J.A. 1988. Plants and high temperature stress. In Soc. Ex. Biol. 1988, 42, 329-346. 59 Xu, X.L.– Wang, Z.M.– Zhang, J.P. 2001. Effect of heat stress on photosyntetic characteristics of

different green organs of winter wheat during grain filling stage. In Acta Bot. Sin. 2001, 43, 571-577.

60 Yordanov, I. – Georgieva, K. – Velikova, V. – Tsonev, T. – Merakchiiska-Nikolova, M. –Paunova, S. – Stefanov, D.2001. Response of the photosynthetic apparatus of different wheat genotypes to drouht: I. Labotarory experiments under control light and temperature conditions. In: Dokl. Bolg. Akad. >auk, 2001, 54, 79-84.

61 Yucel, M.– Burke, J.J.– Nguyen, H.T.1992 Inhibition and recovery of photosystem II following exposure of wheat to heat shock. In Environ. Ex. Bot.1992, 32, 125-135

62 Zgalla, H.- Steppe, K.- Lemeur, R. 2005. Photosynthetic, physiological and biochemical responses od wheat plants to PEG- induced water deficit. In: J. of integrative plant biology. 2005. 47, 12, 18- 26.

63 Živčák, M. 2006. Využitie diverzity fyziologických reakcií pre skríning genotypov pšenice tolerantných na sucho. Dizertačná práca, SPU Nitra, 2006, 158 s.

64 Živčák, M.- Brestič, M.- Olšovská, K. 2008. Kutikulárna transpirácia listov genotypov pšenice ako faktor tolerancie na sucho. In: Vedecký príspevok „Vliv biotických a abiotických stresorů na vlastnosti rostlin“. Konferencia. Praha, VURV, október 2007, 241-245

65 Živčák, M.- Hunková, H. – Frenecová, J.- Olšovská, K.- Brestič, M. 2006. Dynamika rastu súčasných a krajových odrôd pšenice letnej, forma ozimná vo vzťahu k úniku pred suchom. In: „>ové poznatky z genetiky a šľachtenia poľnohodpodárskych rastlín“. Zborník z 13. vedeckej konferencie Piešťany, VÚRV. 2006, 166-167, 205 s.

8 PUBLIKOVA)É PRÁCE SÚVISIACE

S PROBLEMATIKOU

• Olšovská, K., Živčák, M., Brestič, M., Repková J., Pivková, J. 2007. Are Slovak wheat landraces more tolerant to drought compared with present genotypes? / In: Acta physiologiae plantarum. - Heidelberg : Springer Berlin, 1978-. - ISSN 0137-5881. - Vol. 29, suppl. 1 (2007), s. 87

• Pivková, J., Olšovská, K., Brestič, M., Živčák, M. 2008. Využitie fluorescencie chlorofylu pri testovaní termostability genotypov pšenice = The use of chlorophyll fluorescence in testing of thermostability of different wheat genotypes / In: Vliv abiotických a biotických stresorů na vlastnosti rostlin 2008 : sborník příspěvků, Praha-Ruzyně, 12.2.2008 - 13.2.2008. - Praha : Výzkumný ústav rostlinné výroby, 2008. - ISBN 978-80-87011-18-8. - S. 277-280

• Pivková, J., Brestič, M. 2007. Bioindikácia stresu vo fotosyntetickom aparáte pšenice letnej (Triticum aestivum) = Bioindication of stress in photosyntetic apparatus of winter wheat (Triticum aestivum) / In: II. vedecká konferencia doktorandov s medzinárodnou účasťou pri príležitosti 1. ročníka Veľtrhu VEDA - VZDELÁVA>IE - PRAX a Európskeho týždňa vedy : Nitra, 16. november 2007. - Nitra : Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2007. - ISBN 978-80-8069-959-8. - S. 67-71

• Brestič, M., Pivková, J. ,Živčák, M. 2008. Genotypové rozdiely citlivosti fotosyntetického aparátu na prostredie = Genotype differences of sensibility of photosynthetic apparatus in relation to the environment / In: >ové poznatky z genetiky a šľachtenia poľnohospodárskych rastlín : zborník z 15. vedeckej konferencie, 12.-13. november 2008. - Piešťany :

SCPV - Výskumný ústav rastlinnej výroby, 2008. - ISBN 978-80-88872-88-7.- S. 87-89

• Brestič, M., Pivková, J. 2008. Kutikulárna transpirácia ako kritérium hodnotenia tolerancie na sucho = Cuticular transpiration as an evaluation criteria of drought tolerance / In: III. vedecká konferencia doktorandov s medzinárodnou účasťou, Nitra, 28. november 2008. - Nitra : Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2008. - ISBN 978-80-552-0138-2. - S. 181-185

• Olšovská, K., Brestič M., Živčák, M. Repková J., Pivková, J. Are Slovak wheat landraces more tolerant to drught compared with present genotypes? / In: Eco-physiological aspect of plants responses to stres factores : book of abstracts: 7th international conference, September 19-22, 2007 Cracow, Poland. - Cracow : The Franciszek Górski Institute of Plant Physiology Polish Academy of Sciences Cracow, 2007. - ISBN 978-83-86878-21-5. - S. 87