Transcript KEBR562_06

Malá fyziologie rostlin (KEBR562), ZS 2012
Stav a pohyb vody
v rostlině
Tomáš Hájek
[email protected]
Jiří Šantrůček
Vodní režim rostlin
I.
Co je evidentní: rostliny potřebují vodu
(a my potřebujeme rostliny - motivace studia)
Od stromatolitů po sekvoje (voda a
evoluce, trocha astrobiologie)
Nevyschnout = přežít ?
Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny
Spotřeba vody rostlinami - produkce
Dilema: zemřít žízní nebo vyhladovět ?
Spotřeba vody rostlinami - „Účel“
transpirace
Dostupnost vody a primární produkce ekosystémů
Vodní režim rostlin
Deštný les mírného pásma, Tasmaánie, Austrálie
Stepi Asie, Stipa sp., Chakasie, Rusko
Pobřežní slaniska, Spartina sp., Sapelo, USA
Věčně zmrzlá půda - permafrost
Kola, Jakutsko, Rusko
vlhké subtropy, Sapelo, USA
mangrove., Quinsland, Austrálie
Zasolené suché půdy
Xerofytní les, Severní teritorium, Au.
Xerofytní les, Severní teritorium, Au.
Kamenité polopouště, Caragana sp., Tuva, Rusko
Vodní režim rostlin
Potřeba vody rostlinami – produkce
Vodní režim rostlin
Potřeba vody rostlinami – produkce
„(Déšť) mínus (výpar a odtok z půdy) rovná se (rostlina)“
PROČ D?
Severně (vlevo od vrcholků) a jižně (vpravo od vrcholků) exponované svahy pahorků v podhůří
západního Sajanu (Ruská federace, republika Tuva). Při stejném ročním úhrnu srážek (kolem 300 mm)
jsou severně exponované svahy porostlé modřínem, jižní expozice, s vyšším výparem a menším
množstvím vody dostupné pro rostliny, umožňuje pouze růst stepního travního společenstva. Šedé
plochy na severních stranách druhého a třetího pahorku zleva jsou les po požáru.
Vodní režim rostlin
I.
Co je evidentní: rostliny potřebují vodu
(a my potřebujeme rostliny - motivace studia)
Od stromatolitů po sekvoje (voda a
evoluce, trocha astrobiologie)
Nevyschnout = přežít ?
Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny
Spotřeba vody rostlinami - produkce
Dilema: vyschnout versus vyhladovět
Spotřeba vody rostlinami - „Účel“
transpirace
Vodní režim rostlin
Jak se voda dostala na planetu Zemi?
Voda v kapalném stavu je podmínkou existence života. Ale kde se tu voda vzala ?
Ward a Brownlee: Život a smrt planety Země
Vodní režim rostlin
Evoluční cesta rostlin z vody na souš
Kdy “vznikl” na Zemi život?
Jaké evoluční „inovace“ byly nutné k existenci suchozemských rostlin?
PRŮDUCHY
LIGNIN
Vodní režim rostlin
I.
Co je evidentní: rostliny potřebují vodu
(a my potřebujeme rostliny - motivace studia)
Od stromatolitů po sekvoje (voda a
evoluce, trocha astrobiologie)
Nevyschnout = přežít ?
Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny
Spotřeba vody rostlinami - produkce
Dilema: vyschnout versus vyhladovět
Spotřeba vody rostlinami - „Účel“
transpirace
Obsah vody v organismech – přežití
Boea hygroscopica, desikovaná (dole uprostřed) a hydratovaná forma
(Severní Queensland, Australie)
Trehalosa je disacharid
vzniklý spojením dvou
 glukóz glykosidickou
vazbou (45% sladkost
oproti sacharóze; omezuje
neurodegenerativní procesy
u živočichů).
(Gesneriaceae, podpětovité, např. rod Sanpaulia)
Obsah vody v organismech - přežití
Vodní režim rostlin
I.
Co je evidentní: rostliny potřebují vodu
(a my potřebujeme rostliny - motivace studia)
Od stromatolitů po sekvoje (voda a
evoluce, trocha astrobiologie)
Nevyschnout = přežít ?
Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny
Spotřeba vody rostlinami - produkce
Dilema: zemřít žízní nebo vyhladovět ?
Spotřeba vody rostlinami - „Účel“
transpirace
Kolik vody rostlina potřebuje aby žila a rostla?
Transpirace,
princip potometru
m2 (plochy listů)
mmol (vody) m-2 (listu) s-1
Objem, mmol H2O
Čas, s
Spotřeba vody rostlinami - příklady
Nejvyšší rychlosti transpirace naměřené u různých typů rostlin na jejich přirozených stanovištích. Podle Larchera z různých zdrojů.
Skupina rostlin
Dvouděložné byliny
- - na slunných a suchých stanovištích
- - na stinných stanovištích
Trávy, ostřice a sítiny
- - na lukách
- - rákosiny
Opadavé lesní stromy mírného pásma
- - přizpůsobené slunným stanovištím
Stálezelené jehličnany
Listnaté sukulenty a kaktusy
Vodní rostliny s listy nad hladinou
rychlost transpirace mmol(H2O).m–2.s–1
5,2 - 7,5
1,5 - 3,0
3,0 - 4,5
5,0 - 10,0
2,5 - 3,7
1,4 - 1,7
0,6 - 1,8
5,0 - 12,0
Proč rostlina, která nemá vodu, neroste?
(neboli - evoluční dilema: vyschnout nebo vyhladovět ?)
Transpirační koeficient = 1/efektivita využití vody (WUE)
Průměrné transpirační koeficienty různých typů rostlin podle
Larchera (1994) nebo Curtise a Clarka (1950) *.
Rostlina
C3-rostliny
- tykev
- vojtěška
- obilniny
- brambory a řepa
- slunečnice
Dřeviny
- tropické listnaté stromy (kulturní)
- listnaté stromy mírného pásma
- jehličnaté stromy
C4-rostliny
CAM rostliny
Transpirační kvocient
kg (H2O)/kg(sušina)
300 - 850
830*
830*
500 - 650
400 - 650
280 - 680
600 - 900
200 - 350
200 - 300
220 - 350
50 - 100
Vodní režim rostlin
I.
Co je evidentní: rostliny potřebují vodu
(a my potřebujeme rostliny - motivace studia)
Od stromatolitů po sekvoje (voda a
evoluce, trocha astrobiologie)
Nevyschnout = přežít ?
Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny
Spotřeba vody rostlinami - produkce
Dilema: vyschnout versus vyhladovět
Spotřeba vody rostlinami - „Účel“
transpirace
„Účel“ transpirace
1/ Směna vody za CO2 („trade off“)
H2O
2/ Chlazení listu
3/ Doprava minerálních látek, signálů
II.
Vlastnosti vody
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest
Kořen:
Stonek:
List:
apoplast, symplast
endodermis
xylém
cévy
cévice
apoplast
symplast
Buňka: aqaporiny
plasmodesmata
Pohyb vody rostlinou B) - vysvětlení mechnismů toku
(kapilární vzlínavost, hydraulický tok v xylému, embolie,
kavitace, osmóza)
- vodní potenciál - univerzální
hnací síla
Ekofyziologie, Stres
II.
Vlastnosti vody
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest a mechanismů
Kořen:
apoplast
endodermis
xylém
Stonek:
cévy
cévice
List:
apoplast
symplast
Pohyb vody rostlinou B) - vysvětlení mechnismů toku
(kapilární vzlínavost, hydraulický tok v xylému, embolie,
kavitace, osmóza)
- vodní potenciál - univerzální
hnací síla
Ekofyziologie, Stres
Vlastnosti vody
Čím to je, že voda
-Vystoupá do korun stromů?
-Na listech (a ve stavu bez tíže) tvoří „kuličky“?
-Silně ochlazuje vše z čeho se vypařuje?
-Je velmi dobré rozpouštědlo pro cukry,
aminokyseliny, iontové látky …
-Rybník zamrzá od hladiny?
Vlastnosti vody
Energie potřebná na rozbití vodíkové vazby je 20 kJ/mol zatímco kovalentní vazba mezi O a H
má energii 460 kJ/mol. Při normální pokojové teplotě je energie kinetického pohybu molekul vody
přibližně rovna energii vodíkové vazby, a proto se vazby často ruší a znovu vznikají.
Vlastnosti vody
Velké povrchové napětí.
Molekuly na rozmezí
rozhraní voda-vzduch
jsou přitahovány daleko
větší silou dovnitř do vody
než do vzduchu.
Silná soudržnost = koheze
mezi molekulami vody díky
vodíkovým vazbám
Silná adheze = přilnavost
mezi různými polárními
molekulami
např. NH2, O v organických
molekulách (př. celulóze)
a molekulami vody
Vodní režim rostlin
II
Vlastnosti vody
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest a mechanismů
Kořen:
Stonek:
List:
apoplast
endodermis
xylém
cévy
cévice
apoplast
symplast
Pohyb vody rostlinou B) - vysvětlení mechnismů toku
(kapilární vzlínavost, hydraulický tok v xylému,
embolie, kavitace, osmóza)
- vodní potenciál - univerzální
hnací síla
Ekofyziologie, Stres
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest a mechanismů
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest - kořen
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest - kořen
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest – z buňky do buňky
aquaporin
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest – stonek
(perforovaná přepážka)
(ztenčeniny, tečky)
(cévice)
(cévní článek)
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest – stonek
Tečky
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest – stonek
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest – stonek
Je tlak v xylému větší než atmosférický
nebo menší než atmosférický ?
Gutace
Hodně vody, nízká transpirace
Kavitace
Embolie
Nedostatek vody, velká transpirace
Pohyb vody rostlinou A) přehled cest – stonek
rychlost
Stálezelené jehličnany
Opadavé dřeviny – roztroušeně porézní
Opadavé dřeviny – kruhově porézní
Byliny
Pohyb vody rostlinou A) přehled cest – list
Listová žilnatina typická pro dvouděložné rostliny (Eucalyptus crenulata)
Pohyb vody rostlinou A) přehled cest – list
Schéma difuse vody z amfistomatického listu (Eucalyptus pauciflora)
II
Vlastnosti vody
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest a mechanismů
List: výpar, difuse, kapilarita, osmóza;
apoplast
symplast
Stonek: podtlak, kohese; cévy
cévice
Kořen: kohese, osmóza; apoplast
endodermis
xylém
Pohyb vody rostlinou B) - vysvětlení mechnismů toku
(kapilární vzlínavost, hydraulický tok v xylému, embolie,
kavitace, osmóza)
- vodní potenciál - univerzální
hnací síla
Ekofyziologie, Stres
Pohyb vody rostlinou B) vysvětlení mechnismů toku
Pohyb vody rostlinou B) vysvětlení mechnismů toku
Jak se voda dostane do korun stromů? Kapilární vzlínavostí (elevací)?
2r ·
V rovnováze:
2rs = r2 hg
h = 2/ rg
h= ?
Pohyb vody rostlinou B) vysvětlení mechnismů toku
Voda se do koruny stromu
(listů) desítky metrů nad zemí
nedostane kapilárním
vzlínáním – cévy a cévice jsou
příliš široké
Pohyb vody rostlinou B) vysvětlení mechnismů toku
Voda se do koruny stromu (listů)
desítky metrů nad zemí nedostane
kapilárním vzlínáním ale „vroste“
tam, bude se čerpat silou
povrchového napětí (adhesí)
pokud jsou vodní cesty ve
stonku „zavodněny“.
Pohyb vody rostlinou B) vysvětlení mechnismů toku
Čím to, že voda
vystoupá do korun stromů?
Jaký bude v osmometru/buňce tlak ?
Van’t Hoffův zákon
„Van’t Hoffův zákon – při konstantní teplotě je
osmotický tlak zředěného roztoku úměrný
koncentraci počtu molekul rozpuštěné látky“
 = c·i·R ·T
Koncentrace sacharózy v kořenech cukrovky:
c = 1 mol L-1
R = 8.314 J K-1 mol-1 (univ. plyn. konstanta)
c [mol m-3]
i: stupeň disociace (např. 2 pro NaCl, 1 pro sacharózu)
T [K]
 [J m-3]=[Pa] – osmotický potenciál (tlak)
Jak se voda dostane do korun stromů? Mohou jí kořeny vytlačit osomoticky?
Osmóza
osmotický tlak
Produkt celulózní buněčné stěny
Roztok cukru
Čistá voda
Polopropustná membrána
h
hg=P
[P] ~ [kg m s-2 m-2] = [N m-2] = [J m-3] = Pa
Jaký bude v osmometru/buňce tlak ?
Pohyb vody rostlinou B) vysvětlení mechnismů toku
vodní potenciál:
voda je pod tenzí:
–10 až –300 MPa
(= 90–10 % RH)
–1 až –3 MPa
(odpovídá 99
až 98 % RH)
–0.5 až –3 MPa
(odpovídá 99
až 99.6 % RH)
–0.02 až –3 MPa
(odpovídá 99.99
až 98 % RH)
Fyziologie rostlin - Vodní režim 1 Pohyb vody rostlinou - vodní potenciál
Vodní
potenciál
= hybná síla toku
kapalné vody
Pohyb vody rostlinou – vodní potenciál
Univerzální hnací síla toku kapalné vody = vodní potenciál 
 j  0j 
RT  ln a j 
PVj 
FEz j 
ghmj
složka
koncentrační
tlaková
elektrická
gravitační
H O 
2
0
H2O
 c  R  T VH2O  P VH2O  g  h  H2OVH2O
    P  g
Pohyb vody rostlinou – vodní potenciál
Definice vodního potenciálu buňky:
volná energie v m3 vody
 =  + p
 = vodní potenciál ( MPa)
 (s) = osmotický pot.
p = turgorový potenciál
=P-
Jednotky: [Joule · m-3]
= [N · m-2] = [Pa]
Höflerův diagram – složky vodního potenciálu
Vodní potenciál je pro
rostlinu něco jako krevní
tlak pro člověka
Určuje: 1/ odkud kam voda poteče
(z míst s  bližším nule do míst se zápornějším  ).
Spoluurčuje: 2/ kolik vody poteče (je hnací
silou toku)
(tok je úměrný gradientu  )
Je ukazatelem: 3/ Zásobenosti vodou
Měření vodního potenciálu - Scholanderova tlaková bomba
vodní potenciál,  MPa]
-3
-4
-6
Stepní rostliny
Středozemní dřeviny
Jehličnaté stromy
-2
-1
Rostliny slanisk
Mangrove
Kulturní rostliny
Listnaté stromy
-5
Luční rostliny
Ekofyziologie – vodní potenciál
Vodní potenciál rostlin vybraných ekotypů
0
halofyty
II.
Vlastnosti vody
Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest a mechanismů
List: výpar, difuse, kapilarita, osmóza;
apoplast
symplast
Stonek: podtlak, kohese; cévy
cévice
Kořen: kohese, osmóza; apoplast
endodermis
xylém
Pohyb vody rostlinou B) - vysvětlení mechnismů toku
(kapilární vzlínavost, hydraulický tok v xylému, embolie,
kavitace, osmóza)
- vodní potenciál - univerzální
hnací síla
Ekofyziologie, Stres
Stres - vodní potenciál
Sekvence pochodů při vodním stresu
Kavitace, embolie
Abscisová kyselina
Osmotické přizpůsobení
Osmot. aktivní látky
Rychlost fotosyntézy
Vodivost průduchů
Syntéza proteinů
Syntéza bun. stěn
Změna elasticity b. stěny
 [Mpa]
Růst objemu buněk
Čistá voda
dobře zavlažené mírný vodní
rostliny
stres
silný vodní stres, aridní klima
Limitace toku vody - ekofyziologie
Ekologicko-fyziologické důsledky 1:
- protože hydraulická vodivost L vzrůstá se čtvrtou mocninou
poloměru r cévy, „vyplatí“ se rostlině mít při nezměněné celkové
ploše funkčního xylému menší počet širších cév než hodně úzkých
(menší stavební náklady, větší L, větší rychlost růstu - liány).
ALE:
- ke kavitaci a embolii dochází hlavně v důsledku tání a mrznutí.
V ledu není vzduch rozpustný a vytvoří bublinky. Jejich velikost je
úměrná množství zmrzlé vody. To je tím větší, čím je céva širší.
Proto širší cévy jsou více náchylné ke kavitaci a embolii. Proto
jsou liány v mírném klimatickém pásmu s nebezpečím mrazu
mnohem méně četnější než např v subtropickém deštném lese.
TEDY:
šířka cév je výsledek fyziologického kompromisu („trade-off“)
mezi rychlostí růstu (ta roste se zvětšujícím se r) a pravděpodobností přežití
Limitace toku vody - ekofyziologie
Ekologicko-fyziologické důsledky 2:
- opadavé dřeviny mohou mít tzv. „kruhově porézní“ stavbu
kmene (ring porous) nebo „difusně porézní“ (diffuse porous).
Kruhově porézní tvoří na začátku sezóny širší cévy a na konci užší,
jejich letokruhy jsou zřetelně rozlišitelné. Difusně porézní vytvářejí
cévy s různým průměrem náhodně, jejich letokruhy jsou nezřetelné.
- cévy kruhově porézních druhů během zimy prodělají kavitaci a
jsou nefunkční. Proto musí vytvořit nové cévy v časném předjaří
ještě před vyrašením listů. Tyto cévy jsou ale velmi náchylné ke
kavitaci při pozdních jarních mrazech. Proto kruhově porézní
druhy raší asi o 2-3 týdny později než difusně porézní druhy.
Mají ale větší hydraulickou vodivost L, a proto rychleji rostou.