Vliv selenu, zinku a kadmia na růstový vývoj česneku kuchyňského (Allium sativum L.)

Transkript

1 Vliv selenu, zinku a kadmia na růstový vývoj česneku kuchyňského (Allium sativum L.)

2 Botanická charakteristika: ČESNEK KUCHYŇSKÝ (ALLIUM SATIVUM L.) Pravlastí je Džungarsko (severní Čína) v Střední Asii, kde i dnes roste v planém stavu, především ve vysokých polohách, dále se vyskytuje ve Středomoří a Kavkazské oblasti. Je rostlinou horskou, mrazuvzdornou, nenáročnou na teplo a světlo. Je typickým představitelem euritopie (schopnost rostlin přizpůsobovat se ekologickým podmínkám). Počet listů je závislý na velikosti stroužku. List je čárkovitý, hladký a žlábkovaný. Cibule česneku je dělená, složená z vyvinutých stroužků, jejichž skupiny jsou od sebe odděleny šupinami listových pochev. Stroužky jsou zásobní a rozmnožovací orgány. Jejich dužnina je tvořena zásobním pletivem dužnatého listu. Má dvojvrstevnou ochrannou slupku, která udává barvu stroužku. Květonosná lodyha je zakončena květenstvím obaleným toulcem. Květenství (lichookolík, strboul) větší část květenství vyplňují květní pacibulky, mezi nimiž jsou stěsnány květy. Počet v jednom strboulu v závislosti na jejich velikosti dosahují až několik set. Významnými látkami česneku jsou aliciny. Hlavní součástí česnekové silice je diallyl disufid. Složení česnekové silice je následující: 6 % diallyldisulfid, 2 % diallyltrisulfid, 6 % allylpropyldisulfid, % diallyltetrasulfid. Obsah jednotlivých látek v česneku silně kolísá v závislosti na odrůdě, původu, půdě, hnojení, počasí a ošetřování. Zejména to platí o obsahu síry, která u jednotlivých druhů kolísá ve velmi širokém rozmezí.

3 Cíl práce zjistit, jak selen, zinek a kadmium působí na růst a vývoj rostlin studovat distribuci prvků vrůzných částech stroužku. Všechny živiny jsou do rostliny transportovány ve formě iontů. Pro jejich přenos na dlouhé vzdálenosti (z kořenů do listů, mezi listy, z listů do kořenů apod.) se v rostlinách nevyvinuly žádné speciální transportní dráhy. Velké množství vody přijímané kořeny a transportované do listů zabezpečuje i velmi rychlý transport rozpuštěných iontů.

4 SELEN Toxický vliv selenu se projevuje typickou chlorózou a zabržděním růstu. Zjistilo se, že selen inhibuje mnoho enzymů a enzymatických systémů. Se je známé oxidační činidlo sulfhydrylových skupin. V biologickém prostředí inhibuje aktivitu dehydrogenázy kyseliny jantarové. Nedostatečný obsah selenu v půdě neumožňuje produkci rostlin s minimální koncentrací tohoto prvku. Už před rokem 1957 se zjistilo, že na živý organismus má negativní vliv nejen nadbytek selenu, ale i jeho nedostatek. Nedostatek Se narušuje antioxidační systém buněk. ZINEK Nejvíce Zn se koncentruje v listech rostlin, dále se kumuluje v některých nižších rostlinách. Mezi Zn a Fe je antagonistický vztah, který se projevuje mírným snížením příjmemznrostlinou. NedostatekZnse vrostlinách projevuje snížením růstu a nízkými výnosy. Nedostatek v listech se projevuje jejich žloutnutím mezi žilkami listů, vznikem rezavohnědých skvrn. Příznakem nedostatku Zn ve výživě rostlin je snížená produkce a biosyntéza chlorofylu, též poruchy tvorby chlorofylu. Nedostatek Zn v rostlinách se projevuje také poruchami metabolismu dusíkatých sloučenin. Obsah Zn mg.l 1 je toxický, v listech způsobuje žlutnutí a odumírání vegetačních vrcholů. KADMIUM Rostliny obsahují obvykle.3.5 mg.kg 1 Cd. Je snadno přijímáno kořenovým systémem, rozváděno svazky cévními, přičemž největší kumulace tohoto prvku v zelených částech rostlin listech. Proto také špenát, salát, nadzemní část cukrové řepy obsahuje nejvíce kadmia. Značně odolná jsou rajčata a brambory. Cd přítomné v roztocích působí chlorózu mladých listů. Toxicita způsobuje omezení růstu, vznikají nekrózy chlorofilu (nedostatek Fe) změna barvy na listech, které jsou slabé, vypadají zavadle a rostlina odumírá. Díky svým chemickým vlastnostem kadmium snadno reaguje s biologicky aktivními molekulami (proteiny, fosfolipidy, puriny, porfiriny, NK a enzymy).

5 Nádobový pokus Byly navrženy čtyři řady a do každé nádoby byl umístěn vždy jeden stroužek česneku. Na první řadu se selen, zinek a kadmium aplikovaly bezprostředně. Druhá řada byla ošetřena po 1 dnech růstu česneku a další dvě pak po týdnu od předcházející aplikace. Každá řada obsahovala 7 vzorků, jeden kontrolní (bez přídavku prvku) a dvě opakování pro každý sledované prvek. Selenu a zinku se aplikovalo množství 3 a 6 mg na 1 g stroužku, u kadmia byla zvolená dávka desetinásobně menší. Nádobový pokus každé řady byl ukončen právě 1 dnů po aplikaci prvku. V průběhu pokusu se sledovaly morfologické změny listů, kořenů a vzhled stroužku. Pro vlastní stanovení obsahu jednotlivých prvků byl biologický materiál homogenizován. Každý stroužek byl rozdělen na 5 stejných částí, každá část pak byla homogenizována v 5 ml fosfátového pufru (ph = 7.). Hydroponický experiment byl uskutečněn v období března až května 21 při pokojové teplotě a běžném osvitu

6 Metodika MINERALIZACE Do každého teflonové kyvety bylo naváženo,5 g rostlinného materiálu. Materiál byl mineralizován 5 ml 65 % kyseliny dusičné a 1 ml 31 % peroxidu vodíku. Modul s vzorky byl vložen do mikrovlnné pícky MLS 1 2 a vystaven působení mikrovlnného záření po dobu 16 minut. ATOMOVÁ ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIE Analýza proběhla na atomovém absorpčním spektrometru firmy UNICAM series M. Selen jsme měřili pomocí vyhřívané grafitové kyvety (typ normální). Zinek a kadmium byly měřeny plamenem typu Air-C 2 H. Kalibrace byla provedena standardními roztoky Se, Zn, Cd

7 Fyziologie a morfologie 12 Stáří rostliny: 1 dnů List [mm] Kořen Délka Počet Barva Se 3 mg 1 * 8 Se 6 mg 1 3 Počet kořenů Zn 3 mg Zn 6 mg Cd,3 mg 2 16 * Cd,6 mg Se 3 Se 6 Zn 3 Zn 6 Cd.3 Cd.6 kontrola Kontrola 6 12 * nekróza Koncentrace Se 3 mg.kg 1 způsobuje 1% depresi růstu listů a 92% snížení růstu kořenů, které postupně odumíraly. Při koncentraci 6 mg.kg 1 byla pozorována 33% deprese růstu listu a 92% snížení růstu kořenů. Při koncentraci 3 mg.kg 1 Zn byla pozorována 67% deprese růstu listů. Koncentrace 3 mg.kg 1 Zn neovlivňuje růst kořenů. Vyšší koncentrace (6 mg.kg 1 ) vedla k 267% růstu listu a 5% depresi růstu kořenů. Při aplikovaném množstvím.3 mg.kg 1 Cd došlo k nekróze naopak při koncentraci,6 mg.kg 1 došlo k 17% nárůstu listů. Počet kořenů se při koncentraci,3 mg.kg 1 zmenšil o 25%, při koncentraci,6 mg.kg 1 došlo k 3% zvýšení počtu. Koncentrace,3 mg.kg 1 způsobuje nárůst kořenů o 25%, vyšší koncentrace způsobovala 67% depresi růstu kořenů.

8 Fyziologie a morfologie 12 Stáří rostliny: 28 dnů List [mm] Kořen Délka Počet Barva Se 3 mg 1** 9 8 Se 6 mg 135** 25 Počet kořenů Zn 3 mg Zn 6 mg Cd,3 mg 2*** 75 13*** Cd,6 mg 5** 2 7 Se 3 Zn 3 Cd.3 kontrola Kontrola 2 2 Koncentrace Se 3 mg.kg 1 způsobuje 52% depresi růstu listů a 25% snížení růstu kořenů. Při koncentraci 6 mg.kg 1 byla pozorována % deprese růstu listu a 25% nárůst délky kořenů. Při obou aplikovaných koncentracích Se byla pozorována počínající nekróza listů. Při koncentraci 3 mg.kg 1 Zn byla pozorována 1% deprese růstu listů a nekróza špiček listů. Koncentrace 3 mg.kg 1 Zn způsobuje 25% nárůst délky kořenů. Vyšší koncentrace (6 mg.kg 1 ) vedla k 69% depresi růstu listu a 5% depresi růstu kořenů. Při aplikovaném množstvím.3 mg.kg 1 Cd došlo k 6% depresi růstu listů a při koncentraci,6 mg.kg 1 došlo k 35% depresi růstu listů. Délka kořenů byla beze změn, počet se snížil o 65%. Při koncentraci.3 mg.kg 1 byla pozorována nekróza špiček listů, při koncentraci.6 mg.kg 1 rostliny vykazovaly počínající známky nekrózy. * nekróza ** počínající nekróza *** nekróza špiček listů

9 Fyziologie a morfologie Stáří rostliny: 2 dnů List [mm] Délka Kořen Počet Barva 12 Se 3 mg Se 6 mg Počet kořenů 6 Zn 3 mg Zn 6 mg Cd,3 mg 2** ** 1 12 Cd,6 mg 7** 5 Se 3 Zn 3 Cd.3 kontrola Kontrola 2 2 * nekróza ** počínající nekróza Koncentrace Se 3 mg.kg 1 způsobuje 75% depresi růstu listů a 75% snížení růstu kořenů. Při koncentraci 6 mg.kg 1 byla pozorována 56% deprese růstu listů a 5% deprese délky kořenů. Při koncentraci 3 mg.kg 1 Zn byla pozorována 9% deprese růstu listů a nekróza špiček listů. Koncentrace 3 mg.kg 1 Zn způsobuje 5% nárůst délky kořenů. Vyšší koncentrace (6 mg.kg 1 ) vedla k 75% depresi růstu listu a 25% depresi růstu kořenů. Při aplikovaném množstvím.3 mg.kg 1 Cd došlo k 5% depresi růstu listů a k 25% depresi růstu kořenů. při koncentraci,6 mg.kg 1 došlo k 71% depresi růstu listů a 75% depresi růstu kořenů.

10 Fyziologie a morfologie Závislost fyziologického procesu na obsahu prvků v rostlinách se vyznačuje typickým průběhem. První část strmě stoupající křivky (bod 1) postihuje oblast velkého deficitu (i velmi malé zvýšení koncentrace prvku se projeví výrazným nárůstem sledovaného fyziologického procesu). Saturační hodnota (bod 2) vykazuje konstantní průběh v širokém rozsahu koncentrace, teprve velmi vysoké koncentrace vykazují toxické nebo inhibiční působení (bod 3). bod 1 bod 2 bod 3 Zvýšený růst nadzemní části rostliny je doprovázen inhibicí kořenového systému. Vyšší koncentrace Cd a Zn se projevuje výrazným růstem nadzemních částí rostlin. Koncentrace selenu v rostlinách se pohybuje v bodě 3 závislosti fyziologického procesu Koncentrace zinku v rostlinách se pohybuje v bodě 1 závislosti fyziologického procesu Koncentrace kadmia v rostlinách se pohybuje v bodě 2 závislosti fyziologického procesu 2 % 1 5 list kořen Se 3 Se 6 Zn 3 Zn 6 Cd.3 Cd.6 c [mg.kg 1 ]

11 Transport selenu v stroužku česneku Nejvyšší koncentrace selenu byly pozorovány v části (5) blízké kořenům. V ostatních částech je koncentrace relativně nízká. Selen se akumuluje v kořenech a částech pletiv, ze kterých vychází kořenová soustava. Transport probíhá pravděpodobně nespecificky. c, µg.kg 1 6 listy kořeny 6 1 dnů 28 dnů 2 2 dnů Aplikovaná koncentrace 3 mg.kg c, µg.kg 1 Aplikovaná koncentrace [ mg.kg 1 ] Část stroužku Koncentrace selenu v listech a kořenech (po 2 dnech) Selen je akumulován (při aplikované koncentraci 3 mg.kg 1 ) v kořenech a transpiračním tokem transportován do listů. V případě koncentrace 6 mg.kg 1 dochází pravděpodobně k narušení tohoto transportu.

12 Transport zinku v stroužku česneku 8 kořeny Koncentrace zinku jsou ve všech částech srovnatelné. Transport probíhá pravděpodobně nespecificky, prostou difusí (zinek tvoří cheláty s transportéry železa). c, µg.kg dnů 28 dnů 2 dnů 2 listy 8 Aplikovaná koncentrace 3 mg.kg c, µg.kg 1 Aplikovaná koncentrace [ mg.kg 1 ] Část stroužku Koncentrace zinku v listech a kořenech (po 2 dnech) Pohyblivost zinku v rostlinách je malá. Zinek je akumulován (při aplikované koncentraci 3 a 6 mg.kg 1 ) v kořenech a pravděpodobně difuzí nespecificky transportován do okolních pletiv, kde tvoří cheláty s transportéry železa a tak se transpiračním tokem dostává do listů.

13 Transport kadmia v stroužku česneku Nejvyšší koncentrace byly detekovány v pletivech ze kterých vychází základy listů a kořenů. Jedná se pravděpodobně o specifický transport (fytochelatiny). c, µg.kg 1 kořeny 25 1 dnů dnů 2 dnů listy Aplikovaná koncentrace.3 mg.kg c, µg.kg 1 1 Aplikovaná koncentrace [ mg.kg 1 ] 5 Koncentrace kadmia v listech a kořenech (po 2 dnech) Část stroužku Kadmium je akumulováno (při aplikované koncentraci.3,.6 mg.kg 1 ) v kořenech, kde je jeho další transport blokován, do rostliny je vsak v malém množstvím transportován na metalloproteinech (fytochelatiny).

14 Závěr Česnek vyniká schopností hromadit těžké kovy, jejichž koncentrace může dosahovat více než stonásobku přirozeného stavu. Selen je rostlinami přijímán z půdy a stává se součástí potravního řetězce zvířat i člověka. Toxicita selenu se projevuje typickou chlorózou, zabržděním růstu, mnohdy vykazuje mutagenní a teratogenní účinky. Významnou vlastností selenu je, že může nahradit v molekule fytoncidů síru, čímž dojde k ovlivnění antibakteriálních vlastností rostliny. Nedostatek zinku se projevuje vznikem rezavohnědých skvrn mezi žilkami listů. Dochází k poruchám biosyntézy chlorofylu a metabolismu dusíkatých látek. Toxická dávka způsobuje žloutnutí a odumírání vegetačních vrcholů listů. Vysoké koncentrace kadmia způsobují omezení růstu rostliny, vznikají chlorotické nekrózy na listech, které jsou slabé, vypadají zavadle a rostlina postupně odumírá. U velmi nízkých koncentrací kadmia byla pozorována stimulace vývoje a růstu cibulovitých rostlin. Literatura Konvička, O.: Česnek (Allium sativum L.). Těšínská tiskárna a. s., Olomouc, 1998 Streit, B.: Lexikon Ökotoxikologie. VCH, Weinhein, New York, Basel, Cambridge, Tokyo, 199 Koutník, V.: Obsahové látky v cibulové zelenině. Výživa a potraviny (5), ročník 5 září, říjen, Praha, 1995 Veliký, I.: Makroelementy v teórii a praxi. Slovenské vydavatelstvo pödohospodárskej literatúry, Bratislava, 196 Koutná, D., Galiová M., Zlochová, V: nepublikované výsledky, 21 Bergmann, H.: Ernährungsstörungen bei Kulturpflanzen. Veb Gustav Fischer Jena, Jena, 1988

15 Literatura Konvička, O.: Česnek (Allium sativum L.). Těšínská tiskárna a. s., Olomouc, 1998 Streit, B.: Lexikon Ökotoxikologie. VCH, Weinhein, New York, Basel, Cambridge, Tokyo, 199 Koutník, V.: Obsahové látky v cibulové zelenině. Výživa a potraviny (5), ročník 5 září, říjen, Praha, 1995 Veliký, I.: Makroelementy v teórii a praxi. Slovenské vydavatelstvo pödohospodárskej literatúry, Bratislava, 196 Koutná, D., Galiová M., Zlochová, V: nepublikované výsledky, 21 Bergmann, H.: Ernährungsstörungen bei Kulturpflanzen. Veb Gustav Fischer Jena, Jena, 1988