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?