Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Stav a pohyb vody v rostlině Tomáš Hájek Jiří Šantrůček.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Stav a pohyb vody v rostlině Tomáš Hájek Jiří Šantrůček."— Transkript prezentace:

1 Stav a pohyb vody v rostlině Tomáš Hájek Jiří Šantrůček

2 I. Co je evidentní: rostliny potřebují vodu Evoluční cesta rostlin z vody na souš přežít (?) Nevyschnout = přežít (?) Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny produkce Spotřeba vody rostlinami – produkce Dilema: zemřít žízní nebo vyhladovět ? účel“ Spotřeba vody rostlinami – „účel“ transpirace

3

4 Potřeba vody rostlinami – produkce

5 I. Co je evidentní: rostliny potřebují vodu Evoluční cesta rostlin z vody na souš přežít (?) Nevyschnout = přežít (?) Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny produkce Spotřeba vody rostlinami – produkce Dilema: zemřít žízní nebo vyhladovět ? účel“ Spotřeba vody rostlinami – „účel“ transpirace

6 Voda v kapalném stavu je podmínkou existence života. Ale kde se tu voda vzala ? Jak se voda dostala na planetu Zemi?

7 Evoluční cesta rostlin z vody na souš

8 I. Co je evidentní: rostliny potřebují vodu Evoluční cesta rostlin z vody na souš přežít (?) Nevyschnout = přežít (?) Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny produkce Spotřeba vody rostlinami – produkce Dilema: zemřít žízní nebo vyhladovět ? účel“ Spotřeba vody rostlinami – „účel“ transpirace

9 Bezcévné rostliny tolerující úplné vysušení

10 Trehalosa Haberlea rhodopensis (Gesneriaceae) – jedna z velmi mála evropských cévnatých rostlin tolerujících vysušení Cévnaté rostliny tolerující úplné vysušení

11

12 Semena, výtrusy či pyl jsou poikilohydrickým vývojovým stadiem jinak homoiohydrických rostlin. Cévnaté rostliny tolerující úplné vysušení

13 I. Co je evidentní: rostliny potřebují vodu Evoluční cesta rostlin z vody na souš přežít (?) Nevyschnout = přežít (?) Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny produkce Spotřeba vody rostlinami – produkce Dilema: zemřít žízní nebo vyhladovět ? účel“ Spotřeba vody rostlinami – „účel“ transpirace

14 Listy transpirují

15 Transpirace, princip potometru Objem, mmol H 2 O m 2 (plochy listů) Čas, s mmol (vody) m -2 (listu) s -1

16 Spotřeba vody rostlinami - příklady Pro zajímavost, jaký je výpar z volné vodní hladiny?

17 Proč rostlina, která nemá vodu, neroste? Transpirační koeficient = 1/efektivita využití vody (WUE) (neboli - evoluční dilema: vyschnout nebo vyhladovět ?)

18 I. Co je evidentní: rostliny potřebují vodu Evoluční cesta rostlin z vody na souš přežít (?) Nevyschnout = přežít (?) Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny produkce Spotřeba vody rostlinami – produkce Dilema: zemřít žízní nebo vyhladovět ? účel“ Spotřeba vody rostlinami – „účel“ transpirace

19 1)Směna vody za CO 2 („trade off“) 2)Chlazení listu 3)Doprava minerálních látek, signálů

20 II. Vlastnosti vody Pohyb vody rostlinou: Přehled cest Kořen: apoplast, symplast endodermis, xylém Stonek:cévy, cévice List: apoplast, symplast Buňka:aquaporiny, plasmodesmata Pohyb vody rostlinou: Vysvětlení mechnismů toku (kapilární vzlínavost, hydraulický tok v xylému, embolie, kavitace, osmóza) Vodní potenciál: univerzální hnací síla Ekofyziologie, Stres

21 II. Vlastnosti vody Pohyb vody rostlinou: Přehled cest Kořen: apoplast, symplast endodermis, xylém Stonek:cévy, cévice List: apoplast, symplast Buňka:aquaporiny, plasmodesmata Pohyb vody rostlinou: Vysvětlení mechnismů toku (kapilární vzlínavost, hydraulický tok v xylému, embolie, kavitace, osmóza) Vodní potenciál: univerzální hnací síla Ekofyziologie, Stres

22 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 a tak pomalu? Je tekutá, když podobné molekuly jsou plynné? Vlastnosti vody

23 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.

24 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, zejm. kyslíkem v organických molekulách (např. celulóze) a molekulami vody Vlastnosti vody

25 II. Vlastnosti vody Pohyb vody rostlinou: Přehled cest Kořen: apoplast, symplast endodermis, xylém Stonek:cévy, cévice List: apoplast, symplast Buňka:aquaporiny, plasmodesmata Pohyb vody rostlinou: Vysvětlení mechnismů toku (kapilární vzlínavost, hydraulický tok v xylému, embolie, kavitace, osmóza) Vodní potenciál: univerzální hnací síla Ekofyziologie, Stres

26

27 Vodivé cesty v kořeni

28

29 Vodivé cesty v buňce = Aquaporin

30 (cévice)(cévní článek) (ztenčeniny, tečky) (perforovaná přepážka) Vodivé cesty ve stonku

31 Vodivé cesty ve stonku: Tečky

32

33 Je tlak v xylému větší než atmosférický nebo menší než atmosférický ? Gutace Kavitace Embolie Hodně vody, nízká transpiraceNedostatek vody, velká transpirace Vodivé cesty ve stonku

34 rychlost Opadavé dřeviny – roztroušeně porézní Opadavé dřeviny – kruhově porézní Stálezelené jehličnany Byliny Pohyb vody ve stonku

35 Listová žilnatina typická pro dvouděložné rostliny (Eucalyptus crenulata) Pohyb vody v listu

36 Schéma difuse vody z amfistomatického listu (Eucalyptus pauciflora) Pohyb vody v listu

37 II. Vlastnosti vody Pohyb vody rostlinou: Přehled cest Kořen: apoplast, symplast endodermis, xylém Stonek:cévy, cévice List: apoplast, symplast Buňka:aquaporiny, plasmodesmata Pohyb vody rostlinou: Vysvětlení mechnismů toku (kapilární vzlínavost, hydraulický tok v xylému, embolie, kavitace, osmóza) Vodní potenciál: univerzální hnací síla Ekofyziologie, Stres

38 Jak se voda dostane z půdy až do korun stromů? Mechanismus toku vody rostlinou

39 Jak se voda dostane do korun stromů? Kapilární vzlínavostí (elevací)? 2  r · V rovnováze: 2  rs  =  r 2 h  g h = 2  / r  g h= ? Mechanismus toku vody rostlinou

40 Voda se do koruny stromu (listů) desítky metrů nad zemí nedostane kapilárním vzlínáním – cévy a cévice jsou příliš široké (řádově 10–100 μm). 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“ Mechanismus toku vody rostlinou

41 Čím to, že voda vystoupá do korun stromů? Mechanismus toku vody rostlinou

42 Čistá voda Polopropustná membrána Roztok cukru h P = πr 2 h ρ g / πr 2 = h ρ g P (kg m s -2 m -2 ) = (N m -2 ) = (J m -3 ) = Pa Osmotický tlak produkt celulózní buněčné stěny Jaký bude v osmometru/buňce tlak ? Jak se voda dostane do korun stromů? Mohou jí kořeny vytlačit osomoticky? Mechanismus toku vody rostlinou: osmóza

43  = –(c·i·R ·T) R = 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), je vždy záporný Van’t Hoffův zákon „Van’t Hoffův zákon – při konstantní teplotě je osmotický tlak zředěného roztoku úměrný koncentraci počtu molekul rozpuštěné látky“ Jaký bude v osmometru/buňce tlak ? Koncentrace sacharózy v kořenech cukrovky je c = 1 mol L -1 Mechanismus toku vody rostlinou: osmóza

44

45 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 až 98 % RH) vodní potenciál: Vodní potenciál

46 = hybná síla toku kapalné vody

47 Univerzální hnací síla toku kapalné vody = vodní potenciál  Vodní potenciál

48 Lze po zjednodušení uvažovat jen:  =  +  p  = vodní potenciál (MPa)  (  s) = osmotický pot.  p = turgorový potenciál Jednotky: [Joule · m -3 ] = [N · m -2 ] = [Pa] Definice vodního potenciálu buňky: volná energie v m 3 vody pp  Vodní potenciál

49 Vodní potenciál je pro rostlinu něco jako krevní tlak pro člověka Určuje: odkud kam voda poteče (z míst s  bližším nule do míst se zápornějším  ). Spoluurčuje: kolik vody poteče (je hnací silou toku) (tok je úměrný gradientu  ) Je ukazatelem: zásobenosti vodou Vodní potenciál

50 Měření vodního potenciálu – Scholanderova tlaková bomba Vodní potenciál

51 Vodní rostliny Luční rostliny Kulturní rostliny Byliny suchých lesů Listnaté stromy Jehličnaté stromy Středmořské dřeviny Stepní rostliny Sukulenty Mangrove Rostliny slanisk halofyty Vodní potenciál rostlin vybraných ekotypů Vodní potenciál

52 II. Vlastnosti vody Pohyb vody rostlinou: Přehled cest Kořen: apoplast, symplast endodermis, xylém Stonek:cévy, cévice List: apoplast, symplast Buňka:aquaporiny, plasmodesmata Pohyb vody rostlinou: Vysvětlení mechnismů toku (kapilární vzlínavost, hydraulický tok v xylému, embolie, kavitace, osmóza) Vodní potenciál: univerzální hnací síla Ekofyziologie, Stres

53 Desiccation and Survival in Plants: Drying Without Dying. Edited by Michael Black, H. W. Pritchard Tady a teď

54 Vodní/osmotický potenciál Homoiohydrie vs. poikilohydrie  avoidance vs. tolerance (ressurection plants – cévnaté rostliny schopné přežít vyschnutí) Ztráta turgoru až desintegrace biomembrán a denaturace proteinů ABA – průduchy, otužení; ABA-nezávislá aktivace genů Otužení – syntéza osmolytů, enzymů a antioxidantů (ROS) a nedenaturujících protektivních proteinů (dehydriny, LEA) Sucho  mráz  zasolení Desikační stres = stres suchem

55 Sekvence pochodů při vodním stresu Růst objemu buněk Syntéza bun. stěn Syntéza proteinů Rychlost fotosyntézy Vodivost průduchů Osmot. aktivní látky Abscisová kyselina Čistá voda dobře zavlažené rostliny mírný vodní stres silný vodní stres, aridní klima  [Mpa] Kavitace, embolie Osmotické přizpůsobení Změna elasticity b. stěny Desikační stres

56 Ekologicko-fyziologické důsledky 1: menší počet širších cév menší stavební náklady, větší L, větší rychlost růstu širší cévy jsou více náchylné ke kavitaci a embolii trade-off 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

57 Ekologicko-fyziologické důsledky 2: kruhově porézní difusně porézní kruhově porézní druhy raší asi o 2-3 týdny později 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. Limitace toku vody


Stáhnout ppt "Stav a pohyb vody v rostlině Tomáš Hájek Jiří Šantrůček."

Podobné prezentace


Reklamy Google