Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Teoretický úvod:
MINERÁLNÍ VÝŽIVA
Praktikum fyziologie rostlin
2
Teoretický úvod: MINERÁLNÍ VÝŽIVA
Vedle prvků, které tvoří organické látky – C, H a O – funkční struktury rostlin obsahují řadu
dalších prvků, které se v přírodě vyskytují především ve sloučeninách anorganických (nerost-
ných, minerálních). Termín minerální výživa zahrnuje příjem nezbytných anorganických
prvků do rostliny, jejich transport na funkční místo a vestavění do struktur nebo vstup do
metabolických pochodů. Dle množství v sušině rostliny jsou tyto esenciální (nezbytné, ne-
zastupitelné, nenahraditelné) anorganické prvky označovány jako makro- nebo mikroelemen-
ty.
Makroelementy - N, P, K, Ca, Mg, S
jsou v 1 kg sušiny obsaženy v množství větším než 1 000 mg (1 g)
Mikroelementy - Fe, Mn, Zn, Cu, Cl, B, Mo
jsou v 1 kg sušiny zastoupeny v množství menším než 100 mg (0,1 g).
Nedostatek esenciálních minerálních látek působí zpomalení až zastavení růstu, poruchy vý-
voje, často se projeví specifickými změnami tvaru nebo barvy, zasycháním a nekrózami ple-
tiv. Projevy deficience (deficienční syndrom) jsou pro jednotlivé prvky charakteristické, různé
rostliny jsou však k nedostatku jednotlivých prvků různě citlivé. Nedostatek kteréhokoli
z esenciálních prvků je pro existenci rostliny limitující. Nepříznivě působí také nadbytek ži-
vin, v krajním případě hovoříme o toxicitě. Vztah mezi rychlostí fyziologického procesu a
dostupnosti konkrétní živiny demonstruje obr. 1.
Obr. 1. Závislost rychlosti fyziologického procesu na do-
stupnosti živiny (převzato z Procházka et al. 1998)
3
Příjem živin se realizuje především
kořeny, v menší míře také listy (např.
při aplikaci hnojiva na list).
K povrchu kořene se ionty živin do-
stávají třemi mechanismy – difusí,
hromadným tokem s pohybem vody a
intercepcí – prorůstáním kořene do
oblastí substrátu, kde ještě nejsou
živiny vyčerpány (obr. 2). Dostup-
nost každé živiny ovlivňuje míra její
sorpce v půdním komplexu – nejdů-
ležitějšími jsou chemická sorpce
(tvorba sloučenin o různé rozpustnos-
ti) a fyzikálně-chemická sorpce na
povrchu půdních koloidů. Půdní koloidy jsou jílové nebo organické částice s velkým specific-
kým povrchem (10-800 m2 g-1), které nesou na svém povrchu náboje a reverzibilně poutají
ionty ve svém okolí (obr. 3).
Pro příjem živin jsou důležité kořenové vlásky – zvětšují povrch kořene, pronikají do malých
půdních pórů a zajišťují kontakt s půdními částicemi. Kořenový systém navíc reaguje na do-
stupnost živin v prostředí – mění svoji morfologii (rychlost růstu jednotlivých kořenů a inten-
zitu větvení) s cílem optimálně využít nehomogenní nabídku živin v půdním horizontu.
Obr. 2. Mechanismy přísunu živin
k povrchu kořene (převzato z Brady a Weil 2002)
Obr. 3. Půdní koloidy – kaolinit (zástupce křemičitanových jílů) a me-
chanismus výměny iontů na povrchu koloidních částic převzato z Brady a Weil 2002 (levý obr.) a Taiz a Zeiger 2002 (pravý obr.)
4
Význam jednotlivých živin
Dusík je přijímán z půdy jako ionty NO3- nebo NH4
+ nebo v aminokyselinách. V rostlině je
dusík obsažen v proteinových i neproteinových aminokyselinách. Proteinové aminokyseliny
tvoří proteiny s funkcí enzymatickou, strukturních nebo regulační, neproteinové aminokyseli-
ny jsou výchozími substráty pro syntézu dalších látek, např. kyselina 5-aminolevulová je sub-
strátem pro syntézu látek obsahujících pyrolové jádro, tj. chlorofylů a cytochromů. Dusík je
obsažen v purinových a pyrimidinových bazích nukleových kyselin a v řadě dalších látek
primárního i sekundárního metabolismu. Nedostatek dusíku ovlivňuje řadu důležitých fyzio-
logických pochodů
včetně asimilace CO2
a projevuje se inhibicí
růstu i vývoje rostli-
ny. Při nedostatku
dusíku rostlina inves-
tuje do rozvoje koře-
nového systému na
úkor nadzemní části –
snaha o zajištění do-
statečného přísunu
limitující živiny.
Fosfor je přijímán z půdy ve formě fosfátového aniontu, který se zabudovává přímo do orga-
nických sloučenin. V rostlině je fosfát součástí látek s vysokým obsahem energie - ATP,
UTP, GPT, CPT a TTP. Tyto sloučeniny slouží k syntéze nukleových kyselin nebo reagují
s množstvím dalších molekul, jejichž vnitřní energie se tím zvyšuje a je tak umožněn jejich
vstup do dalších metabolických procesů (např. fosforylace kyseliny 3-fosfoglycerové na 1,3-
bisfosfoglycerovou před redukcí na 3-P-glyceraldehyd, vznik UDP-glukózy pro tvorbu celu-
lózy, ADP-glukózy pro vznik škrobu, CDP-fosfatidátu pro vznik membránových fosfolipidů).
Vedle změn vnitřní energie molekula navázáním fosfátu získává záporný náboj. U proteinů
fosforylace mění jejich konformaci, která ovlivňuje jejich funkční vlastnosti, např. propust-
nost akvaporinových kanálů, enzymatickou aktivitu (místo navázání fosfátu určuje funkci
kináz dependentních na cyklinech v průběhu buněčného cyklu) nebo lokalizaci v buňce
(transport fytochromu z cytosolu do jádra a přenos signálu). Fosforylační kaskády jsou důle-
žité při přenosu signálů. Strukturně je fosfát vázán v nukleových kyselinách a ve fosfolipidech
membrán. V semenech je fosfát uložen ve formě kyseliny fytové, substituované vápníkem a
hořčíkem. Fosforylovaný inositol hraje významnou roli při přenosu signálu.
Obr. 4. Růst prýtu a kořenů v závislosti na dostup-
nosti N v prostředí převzato z Marschner 1995
5
Obr. 5.
Vazba Mg v chlorofylu převzato z Buchanan et al. 2000
Draslík je přijímán ve formě K+ a neváže se do stabilních struktur. Hraje důležitou úlohu
v osmotických poměrech buňky a při objemovém růstu buňky. Ovlivňuje aktivitu některých
enzymů, které katalyzují reakce fotosyntetické a respirační. Draslík je v rostlině velmi pohyb-
livý a jeho deficience se projevuje především na starších částech rostliny.
Vápník je přijímán jako dvoumocný kation, strukturně je vázán v buněčné stěně a střední
lamele především s pektiny. V membránách ovlivňuje soudržnost fosfolipidů a schopnost
membrán vázat proteiny. Koncentrace vápníku v cytosolu je udržována velmi nízká (asi 0,2μ
M), v buněčné stěně je hladina Ca2+ asi 1000μM, v endoplazmatickém retikulu asi 10μM. Ve
vakuole, kde je koncentrace Ca2+ 100 až 1000 μM, může tvořit s anionty organických i anor-
ganických kyselin nerozpustné soli. V cytosolu se
vápník reverzibilně váže s polypeptidem kalmoduli-
nem a výrazně ovlivňuje aktivitu enzymů. Změna
jeho koncentrace v cytosolu tak navozuje metabolic-
ké změny, které jsou součástí přenosu signálu.
V těchto procesech vápník funguje jako tzv. druhý
posel.
Hořčík je přijímán jako dvoumocný kation a v této
podobě je distribuován po rostlině. Strukturně je vá-
zán v chlorofylu (Obr. 5.), kde hraje důležitou úlohu
při interakci se strukturními proteiny anténních kom-
plexů. Ovlivňuje aktivitu některých enzymů, např.
Rubisco.
Síra je přijímána ve formě síranového aniontu SO42-, je redukována a zabudovávána do ami-
nokyselin – cysteinu a methioninu. Výrazně ovlivňuje konformaci proteinů a umožňuje navá-
zání dalších ligandů (vazba chromoforu s proteinem ve fytochromu). V kombinaci s železem
tvoří tzv. Fe-S centra, struktury důležité pro přenos elektronu při fotosyntéze
v cytochromovém komplexu a ve fotosystému I a v dýchacím řetězci. Je důležitou složkou
některých koenzymů – koenzymu A, thiaminu a biotinu.
Železo je přijímáno snáze jako Fe2+, v půdě se však často vyskytuje jako Fe3+. Mechanismus
využití trojmocného železa je odlišný u trav oproti ostatním rostlinám. Rostliny dvouděložné
a jednoděložné netravního typu redukují Fe3+cheláty přítomné v rhizosféře a uvolňují Fe2+ pro
příjem do cytosolu (Obr. 6 vpravo). Trávy vylučují fytosiderofory - specifické neproteinogen-
ní aminokyseliny, které váží Fe3+. Komplex fytosiderofor-Fe3+ je následně přijímán do rostli-
ny a v cytoplazmě je Fe uvolněno (Obr. 6 vlevo). Také Mn, Cu a Zn jsou přijímány v chelá-
tové formě.
6
Mangan je důležitou složkou proteinového komplexu rozkládajícího vodu (OEC), který je
asociován s fotosystémem II.
Měď je důležitá složka struktur přenášejících elektron, např. plastocyaninu v primární fázi
fotosyntézy nebo v cytochromoxidázovém komplexu v elektrontransportním řetězci při dý-
chání.
Zinek je důležitou strukturní složkou řady enzymů a transkripčních faktorů, tzv. zinkové prs-
ty.
Chlór hraje důležitou roli v osmotických poměrech buňky a stabilizuje komplex rozkládající
vodu ve fotosyntetickém aparátu.
Bór je nezbytný pro syntézu nukleových kyselin a růst pylových láček. Přijímán je jako
H3BO3.
Molybden je přijímán jako anion MoO42-. Je vázán v enzymech, např. v nitrátreduktáze.
Hodnocení růstu
Růst je dynamický proces probíhající v čase, proto se jeho parametry sledují během určitého
období. Sledují-li se 2 nebo více souborů, lze provést srovnání ve stejném čase. Jako kri-
terium růstu se nejčastěji užívá suchá hmotnost = sušina = hmotnost dehydratovaného
materiálu, tj. vysušeného do konstantní hmotnosti při 105°C.
Čerstvá hmotnost je méně spolehlivé kriterium růstu. Velmi důležité je, aby byl materiál po
odebrání vážen co nejdříve a aby u všech srovnávaných variant byly dodrženy stejné podmín-
ky a stejný postup. Z rozdílu čerstvé a suché hmotnosti pak lze stanovit obsah vody v mate-
riálu (hydrataci), který se obvykle vyjadřuje v % čerstvé hmotnosti.
Dalšími používanými kriterii růstu jsou délka nebo plocha orgánu.
Obr. 6. Mechanismus příjmu Fe u trav (vlevo) a ostatních rostlin (vpravo) převzato z Buchanan et al. 2000
7
Literatura:
Brady, N.C. and Weil, R. R. The Nature and Properties of Soils. Prentice Hall. 2002
Buchanan, B., Gruissem, W. and Jones, R. (Eds.) - Biochemistry and Molecular Biology of Plants.
American Society of Plant Physiologist. 2000.
Marschner, H. - Mineral Nutrition of Higher Plants. Academic Press. London. UK. 1995
Procházka a kol. Fyziologie rostlin. Academia Praha 1998 (kapitola Vodní provoz, autor J. Šantrůček)
Taiz, L. and Zeiger, E. Plant Physiology. Sinauer Associates, Inc., Publichers. 2002.
8
Zadání praktických úloh k tématu:
MINERÁLNÍ VÝŽIVA
Přehled úloh k vypracování:
Úkol 1: Vizuální projevy nedostatku živin
1a) Pomocí powerpointového klíče identifikujte minerální živinu, která je v nedostatku
1b) Proveďte biometrickou analýzu rostlin, které byly kultivovány v neúplných živných
roztocích
1c) Pomocí analýzy obrazu charakterizujte kořenový systém rostlin kultivovaných
v plném živném roztoku a roztoku N-deficientním
9
Úkol 1:
Vizuální projevy nedostatku živin (deficienční syndrom)
Cíl:
Demonstrovat význam jednotlivých živin pro růst rostlin.
Hypotéza, kterou během práce ověříme:
Nedostatek určité živiny má charakteristický vizuální projev, který
souvisí s významem (funkcemi) dané živiny v rostlině i možnostmi
její retranslokace v rámci rostlinného těla.
Dílčí úlohy:
1a) Pomocí powerpointového klíče identifikujte minerální živi-
nu, která je v nedostatku
1b) Proveďte biometrickou analýzu rostlin, které byly kultivo-
vány v neúplných živných roztocích
1c) Pomocí analýzy obrazu charakterizujte kořenový systém
rostlin kultivovaných v plném živném roztoku a roztoku N-
deficientním
Princip: Rostlina potřebuje pro svůj optimální rozvoj dostatek všech esenciálních prvků
(makro- i mikroelementů). Její růst je proto vždy limitován tou živinou, které je v prostředí
nejméně (zákon minima). Při nedostatku se rozvíjí syndrom deficience, soubor vizuálních
znaků (např. snížená rychlost růstu, morfologické odlišnosti, barevné změny, zasychání listů),
charakteristický pro každou živinu v závislosti na jejích funkcích v rostlině a možnostem
recyklace v rámci rostlinného těla. Vhodnou metodou pro navození a studium deficience je
kultivace rostlin v živném roztoku, postrádajícím některý z esenciálních prvků.
V tomto případě byly rostliny kultivovány v živném roztoku Hoagland 3. Tento roztok
anorganických solí je koncipován tak, aby svým složením poskytoval rostlinám všechny nej-
důležitější esenciální prvky v přiměřeném množství. Jeden prvek však byl vždy vynechán a
rostlina vystavena jeho nedostatku.
10
Laboratorní postup:
Potřeby pro úlohy 1a-c: rostliny kukuřice kultivované v kompletním živném roztoku
rostliny kukuřice kultivované v neúplných živných roztocích
powerpointový klíč k určování deficiencí
nůžky
měřítko
laboratorní váhy
váženky nebo alobal
skener
program pro analýzu obrazu NIS Elements s modulem pro zpracování kořenového systému (RootAna-
lyzator)
0,1% roztok agaru
pinzeta
program Excel
Úloha 1a) Pomocí powerpointového klíče identifikujte minerál-
ní živinu, která je v nedostatku
Provedení úlohy 1a):
V nádobách jsou připraveny rostliny kultivované v kompletním živném roztoku (kontrolní
rostliny) a rostliny deficientní. Rostlinný materiál si dobře prohlédněte a pro každý soubor
rostlin určete pomocí powerpointového klíče, která živina je v nedostatku. Zaznamenejte
všechny vizuální projevy nedostatku (vzrůst, morfologie, barva listů, zasychání). Všímejte si,
která část rostliny je nejvíce ovlivněna a zkuste vysvětlit proč. Vše zaznamenejte do protoko-
lů.
Úloha 1b) Proveďte biometrickou analýzu rostlin, které byly
kultivovány v neúplných živných roztocích
Provedení úlohy 1b):
1. Proveďte detailní analýzu rostlinného materiálu v jednotlivých variantách. U každé rostliny stanov-
te následující charakteristiky:
délka prýtu (nadzemní části rostliny) - měřte měřítkem od obilky ke špičce nejdelšího listu
délka kořenového systému - měřte měřítkem od obilky ke špičce nejdelšího kořene
čerstvá hmotnost prýtu
čerstvá hmotnost kořenů
2. Hmotnost prýtu a kořenů použijte pro výpočet celkové čerstvé hmotnosti rostliny a poměru R/S (z
anglického root/shoot), tj. poměru hmotnosti kořenů a nadzemní části.
3. Délkové parametry, celkovou hmotnost rostliny a R/S poměr zaznamenejte do tabulky 1, pomocí
programu Excel vypočítejte průměrné hodnoty a směrodatné odchylky. Výsledky vyjádřete graficky.
11
Tab. 1. Biometrické charakteristiky rostlin
délka prýtu (cm)
kontrola -N -P -Ca -Mg -K - Fe
rostlina 1
rostlina 2
rostlina 3
rostlina 4
rostlina 5
průměr
směrodatná odchylka
délka kořenového systému (cm)
kontrola -N -P -Ca -Mg -K - Fe
rostlina 1
rostlina 2
rostlina 3
rostlina 4
rostlina 5
průměr
směrodatná odchylka
celková čerstvá hmotnost rostliny (g)
kontrola -N -P -Ca -Mg -K - Fe
rostlina 1
rostlina 2
rostlina 3
rostlina 4
rostlina 5
průměr
směrodatná odchylka
poměr hmotnosti kořenů a nadzemní biomasy
kontrola -N -P -Ca -Mg -K - Fe
rostlina 1
rostlina 2
rostlina 3
rostlina 4
rostlina 5
průměr
směrodatná odchylka
12
Úloha 1c) Pomocí analýzy obrazu charakterizujte kořenový sys-
tém rostlin kultivovaných v plném živném roztoku a roztoku N-
deficientním
Provedení úlohy 1c):
1. Pro analýzu použijte kořeny rostlin z úlohy 2a.
2. Kořeny naskenujte pomocí skeneru, který byl speciálně upraven pro metodu snímání ve vod-
ním sloupci. Jako medium použijte 0,1% agar, který umožní lepší rozprostření kořenů díky
větší hustotě. Kořenový systém pečlivě rozprostřete, minimalizujete tak křížení kořenů a ob-
tížnost následného vyhodnocení analýzou obrazu.
3. Získaný obrázek analyzujte v programu Lucia G s modulem RootAnalyzator. Postupujte podle
přiloženého návodu. Získaná data exportujte do programu Excel. Ze získaných dat vyhodnoťte
následující parametry:
celkovou délku kořenového systému
délku osy hlavního kořene
počet postranních kořenů 1. řádu a 2. řádu
Určením těchto parametrů získáte představu o uspořádání kořenového systému v závislosti na pod-
mínkách kultivace. V protokolech vyhodnoťte, zda rostlina preferovala spíše délkový růst hlavního
kořene nebo rozvoj laterálních (postranních) kořenů.
Vyhodnocení experimentu:
Vypracujte protokol, ve kterém vyhodnotíte získaná data. Zamyslete se nad
vztahem mezi dostupností živin a morfologií rostliny.
Zkuste odpovědět na následující otázky:
O čem vypovídá změna R/S poměru rostliny? Proč je pro rostliny výhodné zvýšit R/S poměr
při nedostatku dusíku?
Jaké to má důsledky pro přežívání rostliny v měnících se podmínkách prostředí?