Studium adaptačních změn ve fotosyntéze a transpiraci rostlin Hordeum vulgare L. při vodním stresu

Transkript

1 ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů Katedra botaniky a fyziologie rostlin Studium adaptačních změn ve fotosyntéze a transpiraci rostlin Hordeum vulgare L. při vodním stresu Disertační práce Autor: Školitel: Ing. Simona Dušková doc. Ing. Václav Hejnák, Ph.D. Praha 2009

2 Prohlášení Prohlašuji, že jsem disertační práci na téma Studium adaptačních změn ve fotosyntéze a transpiraci rostlin Hordeum vulgare L. při vodním stresu vypracovala samostatně a použila jsem pouze pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. V Praze dne 31. srpna 2009 Simona Dušková

3 Poděkování Děkuji především svému školiteli doc. Ing. Václavu Hejnákovi, Ph.D. za značnou podporu při psaní této disertační práce, za odborné konzultace a cenné rady při řešení dané problematiky v průběhu mého doktorského studia na katedře botaniky a fyziologie rostlin FAPPZ ČZU v Praze. Za cenné rady v době mého doktorského studia a při tvorbě mé práce bych také ráda poděkovala členům této katedry. Zvláštní poděkování patří Ing. Janě České, CSc. za řadu odborných botanických rad a konzultací. Mé veliké poděkování patří prof. Dr. José Luisi Arausovi z katedry rostlinné biologie, pracoviště fyziologie rostlin na Barcelonské univerzitě ve Španělsku, jenž mi umožnil v rámci mé zahraniční stáže pracovat ve vynikajícím vědeckém prostředí, nabýt tak velmi cenné vědecké zkušenosti a získat řadu výsledků, jejichž větší část prezentuji v předkládané práci. Mé poděkování patří Dr. Jaume Flexasovi z katedry biologie, pracoviště fyziologie rostlin na Univerzitě Baleárských ostrovů, Palma de Mallorca za bohaté zkušenosti nabyté v rámci kurzu pro doktorské studium, který probíhal v Barceloně, a za cenné odborné konzultace jak na akademické půdě Barcelonské univerzity, tak na půdě Univerzity Baleárských ostrovů. Kdyby nebylo mého kamaráda a kolegy ze studií na fakultě, Zbyňka Milce, nikdy bych nenavázala kontakty s Dr. Matthew Reynoldsem z institutu CIMMYT v Mexiku s Barcelonskou univerzitou. Mé díky za všechnu pomoc v průběhu práce na experimentu v Barceloně, a to nejen tu vědeckou, patří kolegům a kamarádům z doktorského studia, zvláště Martě da Silvo Sabino Lopes, Gemmě Molero Milan, Llorençovi Cabrera, Ikeru Aranjuelo a v neposlední řadě Perle Chávez. Mé srdečné díky patří doc. Ivanu Nagyovi, CSc. za mnohahodinové konzultace nad statistickým zpracováním výsledků. Za finanční příspěvek v rámci stipendia na zahraniční stáž v Barceloně bych ráda poděkovala Hlávkově nadaci Nadání Josefa, Marie a Zdeňky Hlávkových. Za finanční příspěvek, který jsem obdržela v rámci Programu podpory mezinárodní mobility studentů na výše zmíněnou stáž, bych také velice ráda poděkovala oddělení mezinárodních vztahů FAPPZ ČZU v Praze, jmenovitě proděkanu pro mezinárodní vztahy a informační technologie, prof. Ing. Svatopluku Matulovi, CSc. Hlávkova nadace a oddělení mezinárodních vztahů mi přiděleným stipendiem umožnily pokrýt větší část nákladů na tuto stáž. Speciální poděkování za pomoc s vyřízením administrativních záležitostí patří Mgr. Marii Kafkové z oddělení mezinárodních vztahů a Ing. Janě Križkové, které patří mé díky i za pomoc při řešení řady záležitostí v průběhu doktorského studia, z katedry botaniky a fyziologie rostlin FAPPZ ČZU v Praze. Značná část mé práce byla podporována z prostředků Výzkumného záměru MŠMT MSM Setrvalé zemědělství, kvalita zemědělské produkce, krajinné a přírodní zdroje, z prostředků grantu FRVŠ č. 2858/2006/G4 Podpora tvůrčí práce studentů při výuce fyziologie rostlin v bakalářských studijních programech a v neposlední řadě z prostředků projektu Studium adaptačních změn ve fotosyntéze a transpiraci rostlin rodu Hordeum při vodním stresu podporovaného Grantovou agenturou FAPPZ ČZU v Praze pod číslem 21110/1312/ Můj muž, Jan Přikryl, a má rodina pro mne byli tou největší podporou. Nebýt této podpory, tato práce by nevznikla. Děkuji za všechnu pomoc, péči, lásku a porozumění.

4 Obsah Seznam obrázků Seznam tabulek Seznam vybraných zkratek a symbolů iii v viii 1 ÚVOD 1 2 STAV PROBLEMATIKY Historie výzkumu fotosyntetických limitací Fotosyntéza Fotosynteticky aktivní radiace Fotosynteticky aktivní pigmenty a absorpce záření Světelné reakce fotosyntézy a její biochemie Průduchy vs. parametry výměny plynů Efektivita využití vody Gazometrické metody Stres a jeho charakteristika Vodní deficit (sucho) indukující vodní stres Kritéria hodnocení míry vodního stresu Adaptační mechanismy rostlin při stresu a výhledy Limitující faktory fotosyntézy Vliv vodního stresu na fotosyntézu Vliv vodního stresu na fotosyntézu rostlin ječmenů Vliv energie světelného záření na rostlinu a fotosyntézu Vliv koncentrace CO 2 na rostlinu a fotosyntézu CÍLE PRÁCE 29 4 MATERIÁL A METODY Rostlinný materiál Jersey Malz Valtický Metody Stanovení vodního stavu v rostlinách Gazometrická měření Stanovení hmotnosti sušiny Metodika vyhodnocení výsledků i

5 Obsah Použité programové vybavení VÝSLEDKY Vodní stav v rostlinách (RWC) Gazometrická měření Rychlost fotosyntézy P N Stomatální vodivost g s Rychlost transpirace E Závislosti vybraných parametrů výměny plynů Okamžitá efektivita využití vody (WUE) Vnitřní efektivita využití vody (WUE i ) Závislost parametrů výměny plynů na intenzitě ozáření Závislost parametrů výměny plynů na koncentraci CO Hmotnost sušiny DISKUSE Vodní stav v rostlinách (RWC) Gazometrická měření Parametry výměny plynů a efektivita využití vody Závislost parametrů výměny plynů na intenzitě ozáření Závislost parametrů výměny plynů na koncentraci CO Hmotnost sušiny ZÁVĚRY Vodní stav v rostlinách (RWC) Gazometrická měření Efektivita využití vody (WUE, WUE i ) Závislost parametrů výměny plynů na intenzitě ozáření Závislost parametrů výměny plynů na koncentraci CO Hmotnost sušiny Shrnutí DOPORUČENÍ PRO DALŠÍ ROZVOJ VĚDNÍHO OBORU 87 Seznam literatury 89 SAMOSTATNÉ PŘÍLOHY A KLIMATICKÉ CHARAKTERISTIKY 104 B EFEKTIVITA VYUŽITÍ VODY 107 ii

6 Seznam obrázků 2.1 Absorpční spektrum chlorofylů a a b v etherovém extraktu (převzato z Hall a Rao, 1999) Přehled energetických ztrát při fotosyntéze v listu, jehož teplota je 25 C (převzato z Hall a Rao, 1999) Efekt environmentálních stresových faktorů na produktivitu rostlin. Obrázek a) znázorňuje dočasný stres (temporary stress), b) permanentní stres (permanent stress) (převzato z Larchera, 2003) Dynamický model znázorňující jednotlivé fáze stresu a odpověď organismu na působící stresové faktory (převzato z Larchera, 2003) Koncepční model tolerance k suchu na příkladu ideálního genotypu pšenice (Triticum aestivum L.) (převzato z Jackson, 2001) Ideální světelná křivka závislosti P N na intenzitě ozáření PAR i (převzato z Long et al., 1996; Long a Hällgren, 1993 a upraveno autorkou) Průběh ideální P N C i křivky (převzato z Long a Bernacchi, 2003) Kontrolní (vlevo) a stresovaná (vpravo) varianta odrůdy Jersey Kontrolní (vlevo) a stresovaná (vpravo) varianta odrůdy Malz Kontrolní (vlevo) a stresovaná (vpravo) varianta odrůdy Valtický Závislost P N na g s u zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost E na g s u zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost P N na C i u zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost P N na g s u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost E na g s u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost P N na g s u stresovaných variant zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost E na g s u stresovaných variant zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost P N na g s u kontrolních a rehydratovaných variant zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost E na g s u kontrolních a rehydratovaných variant zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost P N na C i u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost P N na C i u stresovaných variant zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce iii

7 Seznam obrázků 5.15 Závislost P N na C i u kontrolních a rehydratovaných variant zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost P N na intenzitě ozáření (PAR i ) u zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost g s na intenzitě ozáření (PAR i ) u zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost P N na intenzitě ozáření (PAR i ) pro kontrolní a stresované varianty jarního ječmene v roce Závislost g s na intenzitě ozáření (PAR i ) pro kontrolní a stresované varianty jarního ječmene v roce Závislost C i na intenzitě ozáření (PAR i ) u zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost C i na intenzitě ozáření (PAR i ) pro kontrolní a stresované varianty jarního ječmene v roce Závislost P N na intercelulární koncentraci CO 2 (C i ) u zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost g s na intercelulární koncentraci CO 2 (C i ) u zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost C i na koncentraci CO 2 v prostředí (C a ) u zkoumaných odrůd jarního ječmene v roce Závislost C i na koncentraci CO 2 v prostředí (C a ) pro kontrolní a stresované varianty jarního ječmene v roce Závislost P N na intercelulární koncentraci CO 2 (C i ) pro kontrolní a stresované varianty jarního ječmene v roce Závislost g s na intercelulární koncentraci CO 2 (C i ) pro kontrolní a stresované varianty jarního ječmene v roce A.1 Průběh průměrných teplot a průměrné relativní vzdušné vlhkosti ve skleníku v roce A.2 Průběh průměrných teplot a průměrné relativní vzdušné vlhkosti ve skleníku v roce B.1 Efektivita využití vody WUE kontrolní a stresované varianty zkoumaných odrůd v roce 2006 v jednotlivých ontogenetických fázích B.2 Efektivita využití vody WUE kontrolní a stresované varianty zkoumaných odrůd v roce 2007 v jednotlivých ontogenetických fázích B.3 Efektivita využití vody WUE i kontrolní a stresované varianty zkoumaných odrůd v roce 2006 v jednotlivých ontogenetických fázích B.4 Efektivita využití vody WUE i kontrolní a stresované varianty zkoumaných odrůd v roce 2007 v jednotlivých ontogenetických fázích iv

8 Seznam tabulek 2.1 Úrovně energie viditelného světla v závislosti na vlnové délce slunečního záření (převzato z Hall a Rao, 1999) Hodnoty vodního potenciálu listů u běžných mezofytních druhů rostlin (převzato z Gloser a Prášil, 1998) Relativní obsah vody (RWC) [%] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2006 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Relativní obsah vody (RWC) [%] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2007 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Porovnání RWC mezi stresovanou a kontrolní variantou zkoumaných odrůd pro pokusy z let 2006 a 2007 (t-test, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota; * statisticky významný rozdíl) RWC u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v letech 2006 a 2007 pro faktory genotypu a ontogenetické fáze a interakce obou faktorů (dvoufaktorová ANOVA, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota) Rychlost fotosyntézy (P N ) [µmol CO 2 m 2 s 1 ] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2006 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Rychlost fotosyntézy (P N ) [µmol CO 2 m 2 s 1 ] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2007 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Porovnání P N mezi stresovanou a kontrolní variantou zkoumaných odrůd pro pokusy z let 2006 a 2007 (t-test, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota; * statisticky významný rozdíl) P N u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v letech 2006 a 2007 pro faktory genotypu a ontogenetické fáze a interakce obou faktorů (dvoufaktorová ANOVA, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota) Stomatální vodivost (g s ) [mol CO 2 m 2 s 1 ] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2006 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Stomatální vodivost (g s ) [mol CO 2 m 2 s 1 ] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2007 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Porovnání g s mezi stresovanou a kontrolní variantou zkoumaných odrůd pro pokusy z let 2006 a 2007 (t-test, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota; * statisticky významný rozdíl) v

9 Seznam tabulek 5.12 g s u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v letech 2006 a 2007 pro faktory genotypu a ontogenetické fáze a interakce obou faktorů (dvoufaktorová ANOVA, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota) Rychlost transpirace (E) [mmol H 2 O m 2 s 1 ] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2006 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Rychlost transpirace (E) [mmol H 2 O m 2 s 1 ] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2007 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Porovnání E mezi stresovanou a kontrolní variantou zkoumaných odrůd pro pokusy z let 2006 a 2007 (t-test, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota; * statisticky významný rozdíl) E u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v letech 2006 a 2007 pro faktory genotypu a ontogenetické fáze a interakce obou faktorů (dvoufaktorová ANOVA, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota) Okamžitá efektivita využití vody (WUE) [µmol CO 2 /mmol H 2 O] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2006 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Porovnání WUE mezi stresovanou a kontrolní variantou zkoumaných odrůd pro pokusy z let 2006 a 2007 (t-test, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota; * statisticky významný rozdíl) Okamžitá efektivita využití vody (WUE) [µmol CO 2 /mmol H 2 O] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2007 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) WUE u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v letech 2006 a 2007 pro faktory genotypu a ontogenetické fáze a interakce obou faktorů (dvoufaktorová ANOVA, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota) Vnitřní efektivita využití vody (WUE i ) [µmol CO 2 /mmol H 2 O] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2006 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Porovnání WUE i mezi stresovanou a kontrolní variantou zkoumaných odrůd pro pokusy z let 2006 a 2007 (t-test, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota; * statisticky významný rozdíl) Vnitřní efektivita využití vody (WUE i ) [µmol CO 2 /mmol H 2 O] u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2007 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) WUE i u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v letech 2006 a 2007 pro faktory genotypu a ontogenetické fáze a interakce obou faktorů (dvoufaktorová ANOVA, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota) Hmotnost sušiny nadzemní části rostlinných orgánů u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2006 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) Hmotnost sušiny nadzemní části rostlinných orgánů u kontrolních a stresovaných variant zkoumaných odrůd v roce 2007 (ANOVA, Tukeyho test, α = 0,05; průměr ± SOV) vi

10 Seznam tabulek 5.27 Porovnání jednotlivých rostlinných orgánů nadzemní části mezi kontrolní a stresovanou variantou zkoumaných odrůd pro pokusy z let 2006 a 2007 (t-test, α = 0,05; vyjádřeno jako p-hodnota; * statisticky významný rozdíl) vii

11 Seznam vybraných zkratek a symbolů Parametry výměny plynů, gazometrické veličiny, charakteristiky P N rychlost čisté fotosyntézy [µmol CO 2 m 2 s 1 ] E rychlost transpirace [mmol H 2 O m 2 s 1 ] g s stomatální vodivost [mol CO 2 m 2 s 1 ] C a koncentrace CO 2 v prostředí [µmol CO 2 mol 1 ] C i intracelulární koncentrace CO 2 [µmol CO 2 mol 1 ] PAR i ozářenost[µmol ν m 2 s 1 ] Zkratky a symboly ABA kyselina abscisová ATP adenosintrifosfát C 3 rostliny s C 3 typem fotosyntézy C 4 rostliny s C 4 typem fotosyntézy CAM rostliny s CAM typem fotosyntézy FAR fotosynteticky aktivní radiace NADPH redukovaný nikotinamidadenindinukleotidfosfát PSI fotosystém 1 PSII fotosystém 2 RuBP ribulosa-1,5-bisfosfát Rubisco ribulosa-1,6-bisfosfátkarboxylasa/oxygenasa RWC relativní obsah vody TPU dostupnost/využití triosafosfátů VIS viditelné světlo záření WUE okamžitá efektivita využití vody WUE i vnitřní efektivita využití vody Označení pokusného dne d 0 den 0 5 pravých listů (15.DC); fáze předstresová d 6 6. den počátek odnožování (21.DC); fáze předstresová s 4 4. den po navození stresu počátek sloupkování (31.DC); fáze stresu s den po navození stresu sloupkování (33.DC); fáze stresu s den po navození stresu plné sloupkování (39.DC); fáze stresu s den po navození stresu kvetení a konec metání(59 61.DC); fáze stresu r 3 3. den po rehydrataci začátek naduřování pochvy horního listu (43.DC); fáze postresová r den po rehydrataci počátek metání (51.DC); fáze postresová r den po rehydrataci kvetení a konec metání (59 61.DC); fáze postresová viii

12 Seznam vybraných zkratek a symbolů Fyzikální konstanty a veličiny hν energie fotonu (součin Planckovy konstanty a frekvence fotonu) λ vlnová délka [nm] Statistické charakteristiky r 2 koeficient determinance mse střední kvadratická chyba SOV směrodatná odchylka výběru ix

13 1 ÚVOD Na Zemi má 35 % pevniny aridní nebo semiaridní podmínky a srážky jsou v těchto oblastech pro zemědělství zcela nedostačující. Ani v regionech s dobrou zásobeností vodou nejsou však delší periody sucha vyloučeny v důsledku nerovnoměrnosti a nepravidelnosti srážek, a proto se ve všech zemědělských regionech dá počítat jak s krátkodobým, tak s dlouhodobým výskytem nedostatku vody, tedy sucha. Zemědělské regiony postižené suchem mívají obvykle ztráty výnosu až do 50 %, ale i více. Vývoj takových rostlin, které jsou více tolerantní k vodnímu deficitu a tudíž mají schopnost udržet si svůj potenciál produktivity, bude zásadním požadavkem pro zvýšení produktivity zemědělských plodin ve 21. století. Porozumění tomu, jak rostlinné buňky dokáží tolerovat ztrátu vody, je rozhodujícím předpokladem pro rozvoj strategií, které mohou ovlivnit zemědělskou, ale i zahradnickou produktivitu a přežití rostlin v podmínkách snížené dostupnosti vody (Jenks a Hasegawa, 2005). V dnešní době, jak uvádí Jackson (2001), kdy se sucho a vysoká teplota v důsledku klimatických změn stávají stále větší hrozbou i v oblastech, kde se donedávna jejich negativní dopady objevovaly jen sporadicky, je studium adaptačních mechanismů vedoucích k dosažení zvýšené tolerance k suchu při zachování vysokého výnosu stále prioritou výzkumu. Nicméně i v jednadvacátém století jde stále o záležitost velmi složitou, ale jako jedna z možností se ukazuje cesta využití vhodných fyziologických znaků a vlastností pro šlechtění rostlin pod vlivem abiotických stresů. Produkční proces je v přirozeném prostředí periodicky anebo systematicky ovlivněn jedním, často však řadou limitujících faktorů prostředí, které v rostlinách způsobují stres (Piterková a Tománková, 2005; Brestič a Olšovská, 2001). Tyto stresory mohou nejen zpomalovat životní funkce rostlin, ale také poškozovat jednotlivé orgány a v krajním případě vést až k jejímu uhynutí. Častěji působí jen na část rostliny, kde dochází k tzv. lokální stresové reakci. Ta pak může sekundárně působit i na ostatní orgány (Piterková a Tománková, 2005). Mezi nejčastější limitující faktory prostředí patří nedostatek vody způsobující v rostlině vodní stres (Pospíšilová et al., 2000; Brestič a Olšovská, 2001; Švihra, 1984; Boyer, 1982). Kulturní rostliny jsou v určitých obdobích růstu citlivé na zásobení vodou a právě tato období rozhodujícím způsobem ovlivňují jejich výslednou produkci. Reakce 1

14 1. ÚVOD rostlin na vodní stres je dána geneticky podmíněnou citlivostí jednotlivých genotypů k vodnímu stresu (tzv. adaptační schopností) a dále intenzitou a délkou stresových faktorů, které na rostliny působí. Rostliny reagují na sucho (vodní deficit) zapojením řady obranných mechanismů (Yordanov et al., 2000). Jedná se o inhibici růstu, akumulaci řady látek (např. ABA, prolín, manitol, sorbitol), formování komponent zachytávajících reaktivní formy kyslíku, uzavírání průduchů a s tím související snížení rychlosti transpirace, pokles vodního potenciálu v pletivech, pokles rychlosti fotosyntézy a syntézu nových proteinů. Již při nízkých poklesech potenciálu dochází ke zpomalení dlouživého růstu, a to při stále probíhající fotosyntéze, který se při dalším mírném poklesu turgoru může zcela zastavit (Yordanov et al., 2000; Gloser a Prášil, 1998; Hsiao, 1973). Jak uvádějí Pospíšilová et al. (2000), dokonce i nízký pokles vodního potenciálu může vést k vážným fyziologickým poruchám syntetických procesů, struktury proteinů a aktivity enzymů. Christmann et al. (2005); Hopkins a Hüner (2004); Lawlor (2002); Cornic a Massacci (1996); Chaves (1991) uvádějí, že nejčastější reakcí na působení sucha je uzavírání průduchů následkem kumulace ABA v listech, hovoříme o tzv. stomatální limitaci. Následně pak dochází ke snížení dostupnosti CO 2 pro fotosyntézu, což vede k poklesu fotosyntetické kapacity listů, ale rostlina se tím tak brání nadměrným ztrátám vody. Především jde však o schopnost zvýšení efektivity využití vody (WUE) pro fotosyntézu zvláště v prvních fázích dehydratace (Schulze a Hall, 1982), a proto se využívá jako hodnotící kritérium suchovzdornosti genotypů (Condon et al., 2004; Ni a Pallardy, 1991). Snížení fotosyntézy je způsobeno i limitacemi nestomatálními (Escalona et al., 1999), kdy se jedná o snížení aktivity enzymu Rubisco (Parry et al., 2002; Tezara et al., 2002; Castrillo et al., 2001; Fredeen et al., 1995; Socias et al., 1993; Sage et al., 1989) a snížení kapacity pro regeneraci RuBP (Thimmanaik et al., 2002; Tezara et al., 1999), což jsou zásadní limitační faktory fotosyntézy pod vlivem vodního stresu. Zkoumanou plodinou v této práci jsou tři odrůdy jarního ječmene (Hordeum vulgare L.) - odrůda Jersey, Malz a Valtický. Sladovnický ječmen je v Čechách a na Moravě obilninou s velkou pěstitelskou a šlechtitelskou tradicí. Jeho pěstování je spojeno s výrobou vysoce jakostních sladů a piva světově uznávané kvality. Langer (2004) uvádí, že základem úspěchu českého sladovnického ječmene byly především místní starohanácké a staročeské populace ječmene, které se vyvinuly během staletí pěstování v neobyčejně příznivých podmínkách. Na jejich základě byly potom postupně vyšlechtěny velmi kvalitní odrůdy nejen v Čechách a na Moravě, ale i v mnoha jiných zemích. Domácí odrůdy byly přizpůsobeny místním podmínkám a dávaly dobré výnosy vysoce ceněné suroviny pro sladovny, a proto vždy tvořily podstatnou část sortimentu pěstovaných odrůd. Cílem práce je s využitím gazometrické metody objasnit některé fyziologické změny vyvolané na úrovni listů působením vodního stresu. U vybraných odrůd jarních ječmenů je cílem posoudit odrůdové rozdíly v reakci a citlivosti na vodní stres v průběhu jejich ontogeneze za konstantní a zvýšené koncentrace CO 2 v prostředí a v podmínkách zvýšené intenzity ozáření a pomocí uvedené metody případně posoudit souvislosti mezi změnami parametrů výměny plynů. Výsledky této práce budou přínosem v metodologii detekce vodního stresu a hodnocení vlivu stresových faktorů v rámci modelování produkčního procesu jednotlivých odrůd s využitím gazometrické metody. Tyto výsledky mohou s využitím uvedené metody přispět k detailnějšímu fyziologickému popisu odrůd jarních ječmenů v reakci na vodní stres, a tak mohou být využitelné ve šlechtitelském procesu při šlechtění rostlin na suchovzdornost. 2

15 2 STAV PROBLEMATIKY 2.1 Historie výzkumu fotosyntetických limitací Jedny z prvních aparatur na měření rychlosti fotosyntézy byly konstruovány na konci dvacátých a ve třicátých letech minulého století při zkoumání limitujících faktorů fotosyntézy. Jako příklad může sloužit aparatura používaná Smithem (1937), s jejíž pomocí zkoumal závislost rychlosti fotosyntézy na ozáření a koncentraci CO 2 u vodních rostlin rodu Cabomba. Britský fyziolog Blackman (1905) předpokládal, že fotosyntéza je ze všech působících vnějších faktorů prostředí limitována výhradně jediným faktorem, a to např., je-li fotosyntéza limitována CO 2, není již limitována světlem. Blackman tedy objasnil reakci asimilace CO 2 na podmínky vnějšího prostředí, neboť ta je limitována buď dostupností CO 2, a potom je nezávislá na intenzitě světla, nebo je limitována světlem, a potom nereaguje na CO 2 limitaci. Hill a Whittingham (1955) předpokládali existenci jak limitace biochemické, tak limitace na úrovni difúze CO 2. Postupně však bylo prokázáno (Castrillo et al., 2001; Parry et al., 2002; Tezara et al., 2002, 1999; Thimmanaik et al., 2002), že terestrické C 3 rostliny nejsou limitovány difúzí na takové úrovni, jak Hill a Whittingham předpokládali. Lilley a Walker (1975) se však přiklonili ke správnosti Blackmanovy teorie a vycházeli z toho, že fotosyntéza je primárně limitována dostupností CO 2 a intenzitou světla a že v extrémních případech jeden z limitujících faktorů je uvažován jako zásadní a primárně limitující. V řadě studií (Parkinson a Penman, 1970; Jarman, 1974; Caemmerer a Farquhar, 1981; Leuning, 1983) pak byla difúze plynů popsána jako komplexní proces zahrnující výstup a interakce mezi vodní párou, CO 2 a okolním vzduchem. Farquhar et al. (1980) ve své práci ukázali, že i při světelné limitaci fotosyntézy by stále měla existovat reakce na změny CO 2. Tuto reakci považují za důsledek kompetice o vazebné místo mezi CO 2 a O 2 a za příznivých podmínek světelné limitace ji lze pozorovat v rozmezí koncentrací µmol CO 2 mol 1. Limitace, jež mohou omezit rychlost fotosyntézy, rozdělil Sharkey (1985) do tří základních tříd: (1) příjem nebo využítí CO 2, (2) příjem nebo využití světelné energie a (3) přísun nebo využití fosfátů. Nejpřístupnější způsob studia první třídy limitací spočívá ve zjištění toho, 3

16 2. STAV PROBLEMATIKY 2.1 Historie výzkumu fotosyntetických limitací jak se mění rychlost asimilace CO 2 v závislosti na parciálním tlaku CO 2 uvnitř listu. Druhá třída fotosyntetických limitací je pozorovatelná na kvantovém výtěžku fotosyntézy. Třetí limitace je nejsnadněji detekovatelná jako ztráta citlivosti fotosyntézy na dostupné O 2. Poslední, třetí, limitaci lze dle Sharkeyho experimentů vysvětlit tak, že snížení parciálního tlaku O 2 pod normál mělo stimulovat asimilaci CO 2 nejméně o 10 %. Tato stimulace však nebyla pozorována a fotosyntéza byla v tento okamžik limitována využitím triosafosfátů. Dopady vodního stresu na inhibici fotosyntézy, tak jak byly postupně objevovány, v důsledku uzavírání průduchů popisuje Berkowitz (2000). Autor uvádí, že fotosyntetická inhibice je jedním z primárních a nejvíce zřejmých důsledků efektu vodního stresu na rostlinný metabolismus. Popisuje, že pozorování vedla před mnoha desetiletími k závěru, že uzavírání průduchů, které limituje výměnu plynů (např. výpar vody z rostliny a příjem CO 2 do listu) mezi listem a vnějším prostředím, je projevem působícího vodního stresu na rostliny. Vědci si představovali, že omezení výměny plynů v důsledku uzavírání průduchů je významnou poruchou fotosyntetického procesu vyvolané působením vodního stresu, protože tato reakce omezuje přísun CO 2 do míst karboxylace v chloroplastech. Ačkoliv pokles stomatální vodivosti (g s ), jež je reakcí na vodní deficit v prostředí, inhibuje fotosyntetickou kapacitu, byl tento jev dlouho dobu považován za adaptaci na vodní stres. Berkowitz (2000) popisuje nejen stomatální účinky vodního stresu na fotosyntézu, ale také účinky nestomatální. Vědecké práce G. Farquhara, T. Sharkeyho a kolegů v osmdesátých letech daly vznik matematickým modelům popisující několik parametrů, které přispěly ke studiu fotosyntetických limitací. Tyto modely umožnily odhadnout hodnoty C i z měření hodnot P N a g s. Aplikace tohoto modelu na rostliny pod vlivem vodního stresu vedla k velmi zajímavému zjištění, že u většiny plodin vodní deficit, který měl za následek uzavírání průduchů a fotosyntetickou inhibici, je asociován se vzrůstem C i. Tento objev vedl k závěru, že uzavírání průduchů nebylo jedninou (v některých případech dokonce primární) poruchou ve fotosyntetickém procesu u rostlin pod vlivem vodního stresu. Hromadění CO 2 v mezibuněčných prostorech tedy naznačuje, že jeho využití z mezibuněčných prostor (např. enzymy, které se účastní fotosyntetické asimilace a redukce uhlíku) je na rozdíl od přísunu CO 2 z okolního prostředí do listu do větší míry inhibováno. Četné studie s izolovanými chloroplasty, protoplasty a buňkami vystavenými nízkému vodnímu potenciálu v podmínkách in vitro spolu se studiemi chloroplastů a surových extraktů enzymů připravených z rostlin vystavených působení vodního stresu, naznačují, že nedostatek vody v buňce ovlivňuje tu část aparátu chloroplastů, která se účastní fotosyntézy. Avšak vzrůstající C i u stresovaných rostlin poskytlo nejlepší důkaz in situ, že důsledky buněčné dehydratace na biochemii chloroplastů jsou významnou limitací fotosyntézy u rostlin vystavených vodnímu deficitu. Mnoho výzkumníků pracujících v tomto oboru bylo proto znepokojeno, když byla zpochybněna platnost odhadů C i u rostlin vystavených vodnímu stresu. Na konci osmdesátých a počátkem devadesátých let bylo zaznamenáno, že když byla do listů dodávána exogenní ABA (vědělo se, že při vodním stresu se endogenní ABA účastní uzavírání průduchů) nebo bylo umožněno, aby se listy rychle dehydratovaly, příjem CO 2 povrchem listu byl nerovnoměrný. Ukázalo se, že tento mechanismus nerovnoměrného příjmu CO 2 listem je důsledkem heterogenního uzavírání průduchů na povrchu listu. Tento jev nejednotného uzavírání průduchů mohl vést k artefaktům ve vývoji P N C i křivek u listů stresovaných rostlin. Nicméně novější studie ukázaly, že když se vodní deficit u rostlin rozvíjí pomalu, výše zmíněný jev nenastává. V současné 4

17 2. STAV PROBLEMATIKY 2.2 Fotosyntéza době jsou odhady C i zjištěné na základě měření výměny plynů u rostlin pod vlivem vodního stresu s jistou skepsí přijímány jako důkaz, že vodní deficit podstatně ovlivňuje kapacitu chloroplastů pro fotosyntézu. Výzkumy rovněž ukázaly, že listy rostlin pod vlivem vodního stresu zásobované vzduchem s velmi vysokou koncentrací CO 2 (např µmol CO 2 mol 1 ) nepřekonají zcela stresem indukovanou inhibici fotosyntézy. Vysoká koncentrace CO 2 by měla překonat jakoukoliv stomatální limitaci fotosyntézy i přesto, že je známo, že vysoká koncentrace CO 2 způsobuje větší uzavírání průduchů. Tyto výsledky poskytují dodatečný důkaz in situ, že fotosyntetická inhibice vlivem vodního stresu je způsobena alespoň z části poruchami v biochemických procesech chloroplastů. Nestomatální účinky vodního stresu na proces fotosyntézy, jak Berkowitz (2000) v závěru poznamenal, byly v minulosti souhrnně zařazovány ke vzrůstu mezofylové rezistence. Všechny jiné (rostlinné) faktory mimo stomatální rezistenci, které přispívají k rychlosti fotosyntézy, byly sloučeny dohromady a označeny jako mezofylová rezistence. Tento pojem se ve starší literatuře ujal jako označení fyzikální rezistence jednak pro difúzi CO 2 z prostor naplněných vzduchem v podprůduchové dutině do buněk mezofylu a jednak pro přesun intercelulárního CO 2 a/nebo HCO 3 cytosolem do chloroplastu. Vědci si v současné době představují, že hlavní komponentu celkové mezofylové rezistence tvoří fotochemické a biochemické procesy podílející se na fixaci CO 2 v chloroplastu. 2.2 Fotosyntéza Udržení každé formy života je závislé na přísunu energie a hmoty z prostředí. Příjem většiny energie a velké části hmoty se v rostlinách děje v procesu fotosyntézy. Fotosyntéza patří k nejstarším a nejdůležitějším biologickým pochodům na Zemi. Představuje složitý soubor procesů, jimiž autotrofní organizmy (převážná většina rostlin) využívají energii kvant světelného záření a molekul vody k zabudování molekul CO 2 z atmosféry do energeticky bohatých organických sloučenin, přičemž dochází při tomto procesu k uvolnění molekulárního kyslíku do ovzduší. Fotosyntetická tvorba nových organických látek a kyslíku má tedy zásadní význam pro udržení života na Zemi. Velmi zjednodušeně je fotosyntéza od počátku 20. století charakterizována následující sumární rovnicí (Hall a Rao, 1999): 8 hν + 6CO H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O (2.1) Ze vztahu (2.1) vyplývá, že fotosyntetické procesy v rostlinách mohou zůstat aktivní pouze při dostatečně vysoké intenzitě ozáření (přijmutím 8 fotonů) a kontinuálním příjmu molekul CO 2 a H 2 O (Roháček, 2006; Atkin et al., 2000; Hall a Rao, 1999; Taiz a Zeiger, 1991). Na úrovni celého listu se fotosyntéza projevuje tvorbou asimilátů (glukózy), tedy zvýšením hmotnosti sušiny, difúzním tokem CO 2 do listu a zároveň dochází k uvolnění O 2 do atmosféry. Světelná energie je rostlinami zachycována ve světelných reakcích fotosyntézy (cyklická fosforylace probíhající v PSI a necyklická fosforylace probíhající v PSI i PSII) a CO 2 je asimilován a redukován v temnotních reakcích (Calvinův cyklus). Produkty fotosyntetické fixace CO 2, jimiž jsou zvláště transportní sacharidy, jsou prodýchány nebo využity na stavbu rostlinných struktur. Fotosyntéza probíhá ve specializovaných buněčných organelách chloroplastech s dvojitou biomembránou, které obsahující uzavřený membránový systém thylakoidů obsahující fotosynteticky aktivní pigmenty. Lu- 5

18 2. STAV PROBLEMATIKY 2.2 Fotosyntéza men thylakoidů obsahuje asi 1/8 objemu organely (Heldt et al., 1973) a zbytek vyplňuje stroma Fotosynteticky aktivní radiace Jednou ze základních životních podmínek pro autotrofní rostliny je zachycení dostatečného množství zářivé energie vhodného spektrálního složení a přiměřené hustoty zářivého toku (Larcher, 1995; Kubín, 1973). Elektromagnetické spektrum záření, které jsou schopny autotrofní organismy absorbovat a využít pro svůj růst a vývoj, představuje cca %. Jedná se o oblast označovanou jako viditelné světlo (VIS), přesněji její část označovanou jako fotosynteticky aktivní radiace (FAR) v intervalu vlnových délek od 400 do 700 nm zahrnující okrajovou část spektra ultrafialového záření a oblast viditelného světla. Jedná se o oblast, ve které dochází k absorpci záření asimilačními pigmenty a tedy k fotosyntéze. Pro fotosyntézu z této části spektra rostliny využívají modrou a červenou část (Sharkey a Ogawa, 1987), která je na energii nejbohatší, jak je znázorněno na obrázku 2.1. Jak ve své publikaci uvádí Larcher (2003), z hlediska fyziologické aktivity u rostlin je třeba upozornit na oblast VIS 5 ( nm, což odpovídá fialové a modré části spektra), při jejímž působení dochází k fotochemickým reakcím, podpoře vegetativního růstu a částečně kvetení, dále pak na pásmo VIS 3 ( nm, což odpovídá oranžové a červené části spektra) vykazující tzv. druhé maximum fotosyntézy s maximální účinností při fotochemických reakcích a iniciaci kvetení a konečně na oblast Far Red ( nm, což je charakteristické pro tmavočervenou oblast přecházející do infračerveného záření) vyznačující se specifickými morforegulačními vlivy. Za pozornost stojí i relativně malá fyziologická účinnost záření u rostlin v oblasti pásma VIS 4 ( nm, což odpovídá zelené a žluté části spektra). Maximum účinnosti využití zářivé energie modrého světla v oblasti FAR, jak uvádí Nátr (1998), odpovídá hodnotě asi 22 % (experimentálně naměřeno v krátkodobých pokusech), červeného světla pak 33 %. Naproti tomu celosvětový průměr ročního využití veškerého dopadajícího slunečního záření ve fotosyntéze je asi 0,1 % a pro oblast FAR činí 0,2 %. Obdobné hodnoty naměřené v porostech kulturních rostlin za celou dobu vegetace se pohybují v rozmezí od 0,5 % do 3 %. V oblasti celého FAR bývá v průměru 6 12 % záření odraženo a % listem prochází Fotosynteticky aktivní pigmenty a absorpce záření Roháček (2006); Atkin et al. (2000); Hall a Rao (1999) uvádějí, že všechny fotosyntetizující organismy obsahují jeden nebo více organických pigmentů absorbujících energii viditelného záření, která spouští fotochemické reakce fotosyntézy. Chlorofyly a karotenoidy jsou nejvýznamnější organické pigmenty uložené v thylakoidních membránách chloroplastů tvořících grana. Karotenoidy jsou pomocnými fotosyntetickými pigmenty, které zachycují světelná kvanta v oblasti vlnových délek spektra do 510 nm, což je v oblasti kratších vlnových délek spektra o něco více než je absorpční schopnost chlorofylu. Absorbované kvantum záření pak přenášejí na chlorofyl. Jedna z významných funkcí karotenoidů je odstraňování radikálů kyslíku, které vznikají v průběhu fotosyntézy a působí destruktivně jak na reakční centra chlorofylů, tak na lipoproteiny v thylakoidní membráně. 6

19 2. STAV PROBLEMATIKY 2.2 Fotosyntéza Chlorofyl a (modrozeleně zbarvený) je přítomen ve všech fotosyntetizujících organismech produkujících O 2, chlorofyl b (žlutozeleně zbarvený) pak v listech vyšších rostlin a zelených řas. Metabolismus chlorofylu a jeho biosyntézu můžeme stručně shrnout do tří fází (Tanaka a Tanaka, 2003): (1) syntéza chlorofylu a, (2) vzájemná konverze chlorofylu a a chlorofylu b, kterou označujeme jako chlorofylový cyklus, (3) rozklad chlorofylu a. Jak uvádějí Hall a Rao (1999); Taiz a Zeiger (1991), chlorofyly absorbují záření v oblasti vlnových délek nm (fialovomodrá) a nm (oranžovočervená), karotenoidy pak v oblasti nm (fialovomodrá) až 510 nm (modrozelená oblast). Jak uvádí obrázek 2.1, absorpční maximum v etherovém extraktu v oblasti červeného spektra je pro chlorofyl a 660 nm a pro chlorofyl b 643 nm. V acetonovém extraktu jde o vlnové délky 663 a 645 nm. Absorpční maximum v acetonovém extraktu v oblasti modrého spektra je pro chlorofyl a 420 nm a pro chlorofyl b 435 nm. Světlomilné rostliny využívají lépe červené světlo, stínomilné rostliny přizpůsobené rozptýlenému světlu využívají lépe spektrum modrofialové barvy. 150 Chlorofyl b Koeficient absorpce [mmol -1 cm -1 ] Chlorofyl a Vlnová délka [nm] Obrázek 2.1: Absorpční spektrum chlorofylů a a b v etherovém extraktu (převzato z Hall a Rao, 1999) Světelné reakce fotosyntézy a její biochemie Pro fotosyntézu je využito pouhých 5 % energie slunečního záření, které dopadne na povrch listu (viz obrázek 2.2), velké množství energie je z rostlinného organizmu ztraceno v podobě tepla při procesu respirace a fotorespirace (Hall a Rao, 1999). Absorpce světla chlorofylem je reprezentována rovnicí (Atkin et al., 2000) Chl + hν Chl, 7

20 2. STAV PROBLEMATIKY 2.2 Fotosyntéza kde chlorofyl ve svém základním (nejnižším) energetickém stavu Chl absorbuje foton o energii hν a tím přechází do vyšší energetické hladiny, excitovaného stavu Chl. Distribuce elektronů v molekule excitovaného chlorofylu je odlišná od molekuly chlorofylu v základním stavu. Absorpce modrého spektra excituje chlorofyl do vyšší energetické hladiny, než absorpce červené části spektra, protože energie fotonů se zkracováním vlnové délky roste (viz tabulka 2.1). Chlorofyl Chl je ve vyšší excitované hladině extrémně nestabilní a velmi rychle energii opět ztrácí vyzářením tepla do prostoru. Tím se dostává do nejnižší excitované hladiny, kde zůstává stabilní po dobu několika nanosekund (10 9 s). V tomto stavu má excitovaný chlorofyl několik možností, jak s absorbovanou energií světla naloží (Hall a Rao, 1999; Atkin et al., 2000; Maxwell a Johnson, 2000; Taiz a Zeiger, 1991): 1. tato energie je vyzářena v podobě světla (fotonů) zpět (jde pouze o 1 až 2 % z celkové absorpce světla), čímž se chlorofyl dostává do základního stavu proces známý jako fluorescence, 2. nadbytek energie se uvolní opět v podobě tepla, 3. energie excitovaného stavu je využita na průběh fotochemických reakcí (fotochemie) fotosyntézy. Tabulka 2.1: Úrovně energie viditelného světla v závislosti na vlnové délce slunečního záření (převzato z Hall a Rao, 1999). Vlnová délka [nm] Barvy spektra Energie fotonů [J mol 1 ] 700 červená 17, oranžovočervená 18, žlutá 19, modrá 23, fialová 29, Chemické reakce fotosyntézy jsou nejrychleji probíhající doposud známé reakce vzhledem k jejich kompetici s ostatními možnými reakcemi v excitovaném stavu chlorofylu. Pokud se jeden z těchto tří procesů nad ostatními prosadí, vede to k poklesu účinnosti těch ostatních. Světlem rozdělené náboje na fotosystémech PSI a PSII uvádí do pohybu transport elektronů z vody (Atkin et al., 2000). Výsledkem světelných reakcí je energie uložená v redukčních ekvivalentech NADPH a v energii koncentračního gradientu protonů mezi thylakoidy a stromatem. Tato energie je přeměňována ATPázou v thylakoidní membráně na formu bezprostředně využitelnou v metabolismu. Calvinův cyklus je rozdělen do tří základních fází: (1) karboxylační zabudování CO 2 do RuBP působením enzymu Rubisco (lokalizován ve stroma chloroplastu), který je patrně nejrozšířenějším proteinem na Zemi, (2) redukční, (3) regenerační výsledkem je vznik cirkulujícího substrátu RuBP, tedy jeho regenerace a navrácení zpět do cyklu jako výchozího substrátu. Na základě vzniklého počtu uhlíků prvního stabilního produktu rozdělujeme rostliny na C 3 (např. pšenice, ječmen, řepa, tabák) a C 4 (kukuřice, čirok, proso, lebeda). Speciálním případem jsou rostliny s metabolismem CAM (z angl. crassulacean acid metabolism). 8

21 2. STAV PROBLEMATIKY 2.2 Fotosyntéza Energetické ztráty % Zbývající energie % ztrát díky fotonům slunečního záření mimo fotosynteticky aktivní oblast (400 nm nm) 30% ztrát díky nekompletní absorbci nebo absorbci jinými součástmi, než jsou chlorplasty 24% ztrát díky degradaci absorbovaných fotonů na excitační energii při 700 nm 68% ztrát díky konverzi excitační energie v 700 nm na chemickou energii a d-glukózu 35-45% ztrát temnotním dýcháním a fotorespiraci ČISTÁ EFEKTIVITA FOTOSYNTÉZY Obrázek 2.2: Přehled energetických ztrát při fotosyntéze v listu, jehož teplota je 25 C (převzato z Hall a Rao, 1999). Primární fixace CO 2 v C 3 rostlinách a sekundární fixace v C 4 a CAM rostlinách probíhá v Calvinově cyklu. Čistá rychlost fotosyntézy (P N ) je sumou rychlosti karboxylace RuBP, fotorespirace a temnotního dýchání. Enzym Rubisco zprostředkovává karboxylaci/oxygenaci RuBP. Aktivita enzymu vykazuje denní průběh a závisí na prostředí (Kobza a Seemann, 1989). Biochemické modely fotosyntetické asimilace CO 2 u C 3 a C 4 rostlin byly popsány v řadě prací (Caemmerer a Farquhar, 1981; Farquhar et al., 1980; Berry a Farquhar, 1978; Peisker, 1976; Hall a Björkman, 1975) Průduchy vs. parametry výměny plynů Kearns a Assmann (1993) uvádějí, že signály, které řídí otevřenost průduchů jsou koncentrace CO 2, vlhkost, fytohormony, červená a modrá složka spektra. Hlavní difúzní odpor v asimilační dráze CO 2 představují průduchy. Vodivost mezofylu listu je asi 1,4 větší, než vodivost plně otevřených průduchů a je mezi druhy pozitivně korelována s fotosyntetickou kapacitou (Loreto et al., 1992). Průduchy reagují uzavíráním na zvýšení intracelulární koncentrace CO 2, ale nebyla zaznamenána jejich citlivost na koncentraci CO 2 na povrchu listu a v průduchové štěrbině (Mott, 1988). Mott a Parkhurst (1991) zjistili, že přímo reagují na rychlost transpirace (E) (ztrátu vody) a nepřímo na relativní či absolutní vlhkost vzduchu. To znamená, že při snížení vlhkosti vzduchu došlo primárně ke zvýšení E, což sekundárně způsobilo snížení g s, tedy uzavírání průduchů. Na základě výsledků, které publikovali Mott a Parkhurst (1991); Aphalo a Jarvis (1991); Ball a Berry (1990), byla zjištěna 9

22 2. STAV PROBLEMATIKY 2.2 Fotosyntéza korelace mezi stomatální vodivostí g s a vlhkostí vzduchu na povrchu listu, která je ale pouze zprostředkována, je třeba ji uvažovat pouze empiricky, tedy neexistuje přímá závislost. Z výsledků je zřejmé, že g s a otevřenost průduchů jsou determinovány E, nikoliv vlhkostí vzduchu. Při experimentech Mott a Parkhurst (1991) také zjistili, že zvýšení E způsobilo lokální vodní deficit, což navodilo heterogenní uzavírání průduchů (angl. patchy effect). V důsledku toho se snížilo jak E, tak rychlost fotosyntézy P N, a to při konstantní koncentraci intercelulárního CO 2 (C i ). Snížení E v důsledku snížené vlhkosti vzduchu (Mott a Parkhurst, 1991; Sheriff, 1984), které způsobilo pokles P N při konstantním C i, bylo také způsobeno heterogenním uzavíráním průduchů. Toto uzavírání nastává v důsledku měnící se vlhkosti vzduchu (Daley et al., 1989). Pokud nedochází ke změnám v mezofylové kapacitě pro P N, je heterogenní uzavírání průduchů nejpravděpodobnější příčinou poklesu P N při konstantním C i (Mott a Parkhurst, 1991; Terashima et al., 1988). Na velkou variabilitu v otevřenosti průduchů v rámci jednoho listu ve své práci poukázal již Laisk (1983). Sharkey a Seemann (1989) ve své práci rovněž zjistili, že vlivem sucha nebo zvýšení koncentrace ABA dochází na povrchu zvláště bifaciálních listů k různorodému uzavírání průduchů. Gunasekera a Berkowitz (1992) však zjistili, že fenomén heterogenního uzavírání průduchů vlivem sucha není obecným jevem a nenastává u trav. Lauer a Boyer (1992) přímým měřením intercelulární koncentrace CO 2 v listu ukázali, že heterogenní uzavírání průduchů nemusí být vždy příčinou limitace fotosyntézy. Morison (1987) uvádí, že průduchy reagují na koncentraci CO 2 jak na světle, tak ve tmě, kdy fotosyntetické reakce neprobíhají. Otevírají se při snížení koncentrace CO 2 a naopak uzavírají při zvýšené koncentraci CO 2 a tím napomáhají udržovat hladinu C i kolem 230 µmol CO 2 mol 1 u rostlin C 3 a 100 µmol CO 2 mol 1 u rostlin C 4. Z výsledků Mansfielda (1990) je patrné, že vysoká koncentrace CO 2 v okolním prostředí (C a ) způsobila snížení turgoru ve svěracích buňkách průduchu, což vedlo k jejich uzavírání. Z jeho pokusů je zřejmé, že ABA indukuje uzavírání průduchů v důsledku působení vodního stresu. Uvádí, že u některých druhů je toto uzavírání heterogenní. Sharkey a Ogawa (1987) uvádějí, že signálem pro otevření průduchů je při ozáření listu jak červená, tak modrá složka spektra. Ke snížení vodivosti průduchů dochází při senescenci listu (Čatský et al., 1985) a pod vlivem vodního stresu (Hopkins a Hüner, 2004; Lawlor, 2002; Cornic a Massacci, 1996; Chaves, 1991) Efektivita využití vody Efektivita využití vody může být definována mnoha způsoby v závislosti na vybraném způsobu měření. Všechny potenciální definice WUE však vztahují spotřebu vody na zvolenou jednotku produkce, tedy např. moly uhlíku získané při fotosyntéze P N výměnou za vodu použitou na transpiraci E. Fyziologická definice WUE odpovídá tzv. okamžité efektivitě využití vody na základě výměny plynů v listu P N /E (Condon et al., 2004). Poměrem P N /g s (Zámečník, 2007) je vyjádřena tzv. vnitřní efektivita využití vody (WUE i ), kterou lze posoudit stomatální vliv na hodnoty fotosyntézy. Pro zemědělce a agronomy bývá zvolenou jednotkou produkce nejspíše výnos sklizené produkce vztažený k objemu vody dostupné rostlině v podobě srážek, případně zavlažování. Tuto agronomickou definici WUE, která je vlastně rovnicí výnosu, lze 10

23 2. STAV PROBLEMATIKY 2.2 Fotosyntéza vyjádřit pomocí jednoduchého vztahu (Condon et al., 2004): Výnos = ET T ET W HI, kde ET označuje evapotranspiraci, T/ET poměr vody aktuálně transpirované rostlinou, W je transpirační efektivita produkce biomasy a HI sklizňový index. Tato definice není založena na principu rezistence k suchu, ale spíše na širší souvislosti procesů, kterými rostliny skutečně dosahují výnosu v podmínkách nedostatku vody (Richards et al., 2002; Condon a Richards, 1993; Passioura, 1977). Žádná z částí této rovnice výnosu není zcela nezávislá na ostatních (Condon a Richards, 1993), ale každá může být cílem genetického zlepšení. Hamdy et al. (2003) považují zvýšení WUE zemědělských plodin za nutnost a to jak v uměle zavlažovaných oblastech, tak v oblastech, kde jediným přísunem vody je voda srážková. V rámci světového rozložení vodních zásob je cca 80 % z veškeré vody využité v zemědělství v současné době spotřebováno na zavlažování, což není z dlouhodobého hlediska únosné. Wang a Below (1996) uvádějí některé strategie, jejichž aplikace by zlepšila efektivitu využití vody v zemědělství. Jednou z těchto strategií je pěstování takových genotypů, které dokáží s vodou efektivně hospodařit a mají tedy vyšší WUE. V procesu šlechtění na vyšší WUE mohou být využity tři klíčové mechanismy (Condon et al., 2004; Hamdy et al., 2003): 1. dopravit více dostupné vody do samotné rostliny a neztrácet ji evaporací z půdy, průsaky nebo zanecháním vláhy v kořenovém systému v půdě při sklizni, 2. zlepšit efektivitu transpirace rostlin, tj. za vodu, která je rostlinou transpirována, získat více uhlíku (biomasy), 3. větší část dosažené biomasy zužitkovat do sklizeného produktu. Význam každého z těchto mechanismů se bude lišit v závislosti na dostupnosti vody během jednotlivých fází produkčního cyklu. Jak uvádí Condon et al. (2004), zaměření na specifické fyziologické znaky ve šlechtitelském procesu může vést ke zvýšení agronomického WUE. Vlivy každého znaku musí být ale posuzovány v kontextu podmínek prostředí, ve kterých rostlina roste. Vysoké hodnoty WUE můžou být v určitých podmínkách prostředí spojovány s vyšším výnosem, ale v jiných podmínkách prostředí nemusí mít vliv žádný nebo tento vliv může být dokonce negativní. V Austrálii dosahují nejvyšších výnosů odrůdy pšenice vyšlechtěné na vysoké WUE. Šlechtitelská strategie, která se vědomě zaměřuje na kombinaci vysoké rané vitality a vysokého WUE a která by mohla ještě zvýšit výnos u pšenic, nemusí být u jiných druhů vůbec nutná musíme brát v úvahu vliv rozsahu a načasování period nedostatku vody vzhledem k vývojovým fázím kritickým pro tvorbu výnosu, a to, jestli opravdu existuje pro danou plodinu souvislost mezi vysokým WUE a pomalou rychlostí růstu. Tato souvislost bude pravděpodobně záviset na tom, do jaké míry jsou změny poměru P N /E indukovány ať už změnou ve vodivosti průduchů nebo změnou ve fotosyntetické kapacitě a efekt obou současně na rychlost růstu plodin. V dnešní době jsou sice k dispozici relativně jednoduché pracovní postupy pro stanovení vlivu obou veličin na rostlinu, je ale potřeba uvážit vliv i dalších možných interakcí: např. u podzemnice olejné má růst poměru P N /E kladný vliv na růst biomasy, ale negativně ovlivňuje sklizňový index HI. Brestič a Olšovská (2001) uvádějí, že genotypy tolerantní k suchu mohou vykazovat stejné hodnoty WUE jako druhy citlivé na dehydrataci. Rozdíl mezi genotypy je v tom, 11