Teoretický úvod: MINERÁLNÍ VÝŽIVA. Praktikum fyziologie rostlin. MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 1

Transkript

1 Teoretický úvod: MINERÁLNÍ VÝŽIVA Praktikum fyziologie rostlin MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 1

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 (nerostných, 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, nezastupitelné, nenahraditelné) anorganické prvky označovány jako makro- nebo mikroelementy. Makroelementy - N, P, K, Ca, Mg, S jsou v 1 kg sušiny obsaženy v množství větším než 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 vývoje, často se projeví specifickými změnami tvaru nebo barvy, zasycháním a nekrózami pletiv. 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 živin, 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 dostupnosti živiny (převzato z Procházka et al. 1998) MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 2

3 Příjem živin se realizuje především kořeny, v menší míře také listy (např. při aplikaci hnojiva na list). K povrchu kořene se ionty živin dostávají třemi mechanismy difusí, hromadným tokem s pohybem vody a intercepcí prorůstáním kořene do oblastí substrátu, kde ještě nejsou živiny vyčerpány (obr. 2). Dostupnost každé živiny ovlivňuje míra její sorpce v půdním komplexu nejdůležitějšími jsou chemická sorpce (tvorba sloučenin o různé rozpustnosti) a fyzikálně-chemická sorpce na povrchu půdních koloidů. Půdní koloidy jsou jílové nebo organické částice s velkým specifickým povrchem ( m 2 g -1 ), které nesou na svém povrchu náboje a reverzibilně poutají ionty ve svém okolí (obr. 3). Obr. 2. Mechanismy přísunu živin k povrchu kořene (převzato z Brady a Weil 2002) Obr. 3. Půdní koloidy kaolinit (zástupce křemičitanových jílů) a mechanismus výměny iontů na povrchu koloidních částic převzato z Brady a Weil 2002 (levý obr.) a Taiz a Zeiger 2002 (pravý obr.) 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 dostupnost živin v prostředí mění svoji morfologii (rychlost růstu jednotlivých kořenů a intenzitu větvení) s cílem optimálně využít nehomogenní nabídku živin v půdním horizontu. MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 3

4 Význam jednotlivých živin Dusík je přijímán z půdy jako ionty NO - 3 nebo NH + 4 nebo v aminokyselinách. V rostlině je dusík obsažen v proteinových i neproteinových aminokyselinách. Proteinové aminokyseliny tvoří proteiny s funkcí enzymatickou, strukturních nebo regulační, neproteinové aminokyseliny jsou výchozími substráty pro syntézu dalších látek, např. kyselina 5-aminolevulová je substrátem 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 fyziologických pochodů včetně asimilace CO 2 a projevuje se inhibicí růstu i vývoje rostliny. Při nedostatku dusíku rostlina investuje do rozvoje kořenového systému na úkor nadzemní části snaha o zajištění dostatečného přísunu limitující živiny. Obr. 4. Růst prýtu a kořenů v závislosti na dostupnosti N v prostředí převzato z Marschner 1995 Fosfor je přijímán z půdy ve formě fosfátového aniontu, který se zabudovává přímo do organických 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 celulózy, 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. propustnost 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 důležité 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. MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 4

5 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 pohyblivý 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 Ca 2+ asi 1000µM, v endoplazmatickém retikulu asi 10µM. Ve vakuole, kde je koncentrace Ca až 1000 µm, může tvořit s anionty organických i anorganických kyselin nerozpustné soli. V cytosolu se vápník reverzibilně váže s polypeptidem kalmodulinem a výrazně ovlivňuje aktivitu enzymů. Změna jeho koncentrace v cytosolu tak navozuje metabolické 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 vázán v chlorofylu (Obr. 5.), kde hraje důležitou úlohu při interakci se strukturními proteiny anténních komplexů. Ovlivňuje aktivitu některých enzymů, např. Rubisco. Obr. 5. Vazba Mg v chlorofylu převzato z Buchanan et al Síra je přijímána ve formě síranového aniontu SO 2-4, je redukována a zabudovávána do aminokyselin cysteinu a methioninu. Výrazně ovlivňuje konformaci proteinů a umožňuje navázání 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 Fe 2+, v půdě se však často vyskytuje jako Fe 3+. Mechanismus využití trojmocného železa je odlišný u trav oproti ostatním rostlinám. Rostliny dvouděložné a jednoděložné netravního typu redukují Fe 3+ cheláty přítomné v rhizosféře a uvolňují Fe 2+ pro příjem do cytosolu (Obr. 6 vpravo). Trávy vylučují fytosiderofory - specifické neproteinogenní aminokyseliny, které váží Fe 3+. Komplex fytosiderofor-fe 3+ je následně přijímán do rostliny a v cytoplazmě je Fe uvolněno (Obr. 6 vlevo). Také Mn, Cu a Zn jsou přijímány v chelátové formě. MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 5

6 Obr. 6. Mechanismus příjmu Fe u trav (vlevo) a ostatních rostlin (vpravo) převzato z Buchanan et al 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 dýchání. Zinek je důležitou strukturní složkou řady enzymů a transkripčních faktorů, tzv. zinkové prsty. 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 H 3 BO 3. Molybden je přijímán jako anion MoO 2-4. 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 kriterium 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 podmínky a stejný postup. Z rozdílu čerstvé a suché hmotnosti pak lze stanovit obsah vody v materiálu (hydrataci), který se obvykle vyjadřuje v % čerstvé hmotnosti. Dalšími používanými kriterii růstu jsou délka nebo plocha orgánu. MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 6

7 Literatura: Brady, N.C. and Weil, R. R. The Nature and Properties of Soils. Prentice Hall Buchanan, B., Gruissem, W. and Jones, R. (Eds.) - Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologist Marschner, H. - Mineral Nutrition of Higher Plants. Academic Press. London. UK 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 MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 7

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 MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 8

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 živinu, která je v nedostatku 1b) Proveďte biometrickou analýzu rostlin, které byly kultivovány v neúplných živných roztocích 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 nejdůležitější esenciální prvky v přiměřeném množství. Jeden prvek však byl vždy vynechán a rostlina vystavena jeho nedostatku. Laboratorní postup: Potřeby pro úlohy 1a-b: rostliny kukuřice kultivované v kompletním živném roztoku rostliny kukuřice kultivované v neúplných živných roztocích powerpointový klíč k určování deficiencí nůžky měřítko MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 9

10 laboratorní váhy váženky nebo alobal skener program pro analýzu obrazu Lucia G s modulem pro zpracování kořenového systému (RootAnalyzator) 0,1% roztok agaru pinzeta program Excel Úloha 1a) Pomocí powerpointového klíče identifikujte minerální 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 protokolů. 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 stanovte 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. MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 10

11 Tab. 1. Biometrické charakteristiky rostlin délka prýtu (cm) rostlina 1 rostlina 2 rostlina 3 rostlina 4 rostlina 5 průměr směrodatná odchylka kontrola -N -P -Ca -Mg -K - Fe délka kořenového systému (cm) rostlina 1 rostlina 2 rostlina 3 rostlina 4 rostlina 5 průměr směrodatná odchylka kontrola -N -P -Ca -Mg -K - Fe celková čerstvá hmotnost rostliny (g) rostlina 1 rostlina 2 rostlina 3 rostlina 4 rostlina 5 průměr směrodatná odchylka kontrola -N -P -Ca -Mg -K - Fe poměr hmotnosti kořenů a nadzemní biomasy rostlina 1 rostlina 2 rostlina 3 rostlina 4 rostlina 5 průměr směrodatná odchylka kontrola -N -P -Ca -Mg -K - Fe MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 11

12 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? MINERÁLNÍ VÝŽIVA - teoretický úvod 12