Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Malá fyziologie rostlin (KEBR562), ZS 2012 Stav a pohyb vody v rostlině Tomáš Hájek Jiří Šantrůček.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Malá fyziologie rostlin (KEBR562), ZS 2012 Stav a pohyb vody v rostlině Tomáš Hájek Jiří Šantrůček."— Transkript prezentace:

1 Malá fyziologie rostlin (KEBR562), ZS 2012 Stav a pohyb vody v rostlině Tomáš Hájek Jiří Šantrůček

2 Vodní režim rostlin I. Co je evidentní: rostliny potřebují vodu (a my potřebujeme rostliny - motivace studia) evoluce, trocha astrobiologie) Od stromatolitů po sekvoje (voda a evoluce, trocha astrobiologie) přežít ? Nevyschnout = přežít ? Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny produkce Spotřeba vody rostlinami - produkce Dilema: zemřít žízní nebo vyhladovět ? „Účel“ Spotřeba vody rostlinami - „Účel“ transpirace

3 Dostupnost vody a primární produkce ekosystémů Pobřežní slaniska, Spartina sp., Sapelo, USA mangrove., Quinsland, Austrálie vlhké subtropy, Sapelo, USA Deštný les mírného pásma, Tasmaánie, Austrálie Xerofytní les, Severní teritorium, Au. Stepi Asie, Stipa sp., Chakasie, Rusko Kamenité polopouště, Caragana sp., Tuva, Rusko Zasolené suché půdy Věčně zmrzlá půda - permafrost Kola, Jakutsko, Rusko Vodní režim rostlin

4 Potřeba vody rostlinami – produkce Vodní režim rostlin

5 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. „(Déšť) mínus (výpar a odtok z půdy) rovná se (rostlina)“ PROČ  ? Potřeba vody rostlinami – produkce Vodní režim rostlin

6 I. Co je evidentní: rostliny potřebují vodu (a my potřebujeme rostliny - motivace studia) evoluce, trocha astrobiologie) 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

7 Voda v kapalném stavu je podmínkou existence života. Ale kde se tu voda vzala ? Jak se voda dostala na planetu Zemi? Ward a Brownlee: Život a smrt planety Země Vodní režim rostlin

8 Evoluční cesta rostlin z vody na souš PRŮDUCHY Kdy “vznikl” na Zemi život? Jaké evoluční „inovace“ byly nutné k existenci suchozemských rostlin? Vodní režim rostlin LIGNIN

9 I. Co je evidentní: rostliny potřebují vodu (a my potřebujeme rostliny - motivace studia) evoluce, trocha astrobiologie) Od stromatolitů po sekvoje (voda a evoluce, trocha astrobiologie) přežít ? Nevyschnout = přežít ? Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny produkce Spotřeba vody rostlinami - produkce Dilema: vyschnout versus vyhladovět „Účel“ Spotřeba vody rostlinami - „Účel“ transpirace Vodní režim rostlin

10 Boea hygroscopica, desikovaná (dole uprostřed) a hydratovaná forma (Severní Queensland, Australie) Obsah vody v organismech – přežití (Gesneriaceae, podpětovité, např. rod Sanpaulia) Trehalosa je disacharid vzniklý spojením dvou  glukóz glykosidickou vazbou (45% sladkost oproti sacharóze; omezuje neurodegenerativní procesy u živočichů).

11 Obsah vody v organismech - přežití

12

13 I. Co je evidentní: rostliny potřebují vodu (a my potřebujeme rostliny - motivace studia) evoluce, trocha astrobiologie) Od stromatolitů po sekvoje (voda a evoluce, trocha astrobiologie) přežít ? Nevyschnout = přežít ? Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny produkce Spotřeba vody rostlinami - produkce Dilema: zemřít žízní nebo vyhladovět ? „Účel“ Spotřeba vody rostlinami - „Účel“ transpirace Vodní režim rostlin

14 Kolik vody rostlina potřebuje aby žila a rostla? Transpirace, princip potometru Objem, mmol H 2 O m 2 (plochy listů) Čas, s mmol (vody) m -2 (listu) s -1

15 Spotřeba vody rostlinami - příklady

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

17 I. Co je evidentní: rostliny potřebují vodu (a my potřebujeme rostliny - motivace studia) evoluce, trocha astrobiologie) Od stromatolitů po sekvoje (voda a evoluce, trocha astrobiologie) přežít ? Nevyschnout = přežít ? Poikilohydrické a homoiohydrické rostliny produkce Spotřeba vody rostlinami - produkce Dilema: vyschnout versus vyhladovět „Účel“ Spotřeba vody rostlinami - „Účel“ transpirace Vodní režim rostlin

18 „Účel“ transpirace 1/ Směna vody za CO 2 („trade off“) 2/ Chlazení listu 3/ Doprava minerálních látek, signálů H2OH2O

19 II. Vlastnosti vody Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest Kořen: apoplast, symplastBuňka: aqaporiny endodermisplasmodesmata 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

20 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

21 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?

22 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.

23 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. NH 2, O v organických molekulách (př. celulóze) a molekulami vody Vlastnosti vody

24 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 Vodní režim rostlin

25 Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest a mechanismů

26 Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest - kořen

27

28 Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest – z buňky do buňky aquaporin

29 (cévice)(cévní článek) (ztenčeniny, tečky) Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest – stonek (perforovaná přepážka)

30 Tečky Pohyb vody rostlinou A) - přehled cest – stonek

31

32 Je tlak v xylému větší než atmosférický nebo menší než atmosférický ? nebo menší než atmosférický ? Gutace Kavitace Embolie Hodně vody, nízká transpiraceNedostatek vody, velká transpirace

33 Pohyb vody rostlinou A) přehled cest – stonek rychlost Opadavé dřeviny – roztroušeně porézní Opadavé dřeviny – kruhově porézní Stálezelené jehličnany Byliny

34 Listová žilnatina typická pro dvouděložné rostliny (Eucalyptus crenulata) Pohyb vody rostlinou A) přehled cest – list

35 Schéma difuse vody z amfistomatického listu (Eucalyptus pauciflora) Pohyb vody rostlinou A) přehled cest – list

36 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

37 Pohyb vody rostlinou B) vysvětlení mechnismů toku Jak se voda dostane z půdy až do korun stromů?

38 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= ? Pohyb vody rostlinou B) vysvětlení mechnismů toku

39 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

40 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

41 Čím to, že voda vystoupá do korun stromů? Pohyb vody rostlinou B) vysvětlení mechnismů toku

42  = 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) 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: c = 1 mol L -1

43 Čistá voda Polopropustná membrána Roztok cukru h h  g = P [P] ~ [kg m s -2 m -2 ] = [N m -2 ] = [J m -3 ] = Pa Osmóza osmotický tlak Produkt celulózní buněčné stěny Jaký bude v osmometru/buňce tlak ? Jak se voda dostane do korun stromů? Mohou jí kořeny vytlačit osomoticky?

44 Pohyb vody rostlinou B) vysvětlení mechnismů toku 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:

45 Fyziologie rostlin - Vodní režim 1 Pohyb vody rostlinou - vodní potenciál Vodní potenciál = hybná síla toku kapalné vody

46 Pohyb vody rostlinou – vodní potenciál Univerzální hnací síla toku kapalné vody = vodní potenciál 

47  =  +  p  = vodní potenciál ( MPa)  (  s) = osmotický pot.  p = turgorový potenciál  = P -  Jednotky: [Joule · m -3 ] = [N · m -2 ] = [Pa] Definice vodního potenciálu buňky: volná energie v m 3 vody volná energie v m 3 vody Pohyb vody rostlinou – vodní potenciál

48 Höflerův diagram – složky vodního potenciálu

49 Vodní potenciál je pro rostlinu něco jako krevní tlak pro člověka odkud kam voda poteče Určuje: 1/ odkud kam voda poteče (z míst s  bližším nule do míst se zápornějším  ). kolik vody poteče (je hnací silou toku) Spoluurčuje: 2/ kolik vody poteče (je hnací silou toku) (tok je úměrný gradientu  ) Zásobenosti vodou Je ukazatelem: 3/ Zásobenosti vodou

50 Měření vodního potenciálu - Scholanderova tlaková bomba

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

52 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

53 Sekvence pochodů při vodním stresu Stres - vodní potenciál 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

54 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 pravděpodob- ností přežití Limitace toku vody - ekofyziologie

55 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.


Stáhnout ppt "Malá fyziologie rostlin (KEBR562), ZS 2012 Stav a pohyb vody v rostlině Tomáš Hájek Jiří Šantrůček."

Podobné prezentace


Reklamy Google