Fyziologie rostlin 1

VODNÍ REŽIM

·         voda slouží jako přenašeč chemických látek

·         umožňuje metabolické děje, mechanická termoregulace = výpar H2O, opolození (u nižších rostlin, u řas)

·         3 fáze: příjem vody, vedení vody, výdej vody

·         PŘÍJEM VODY

◦     nižší a vodní rostliny: celým povrchem těla

◦     vyšší rostliny: kořenovým systémem

▪     mimokořenový příjem: přes listy (rosa), nevýznamný

▪     difuze: volné prolínání molekul z vyšší koncentrace do nižší bez výdeje energie, na krátké vzdálenosti, pomalé, apoplast

▪     osmóza: pohyb tekutin přes semipermeabilní membránu z míst z nižší koncentrace do vyšší

◦     savá síla: síla, kterou je nasávána voda, je dána mechanismem osmózy

◦     kořenový systém musí být v hypotonickém prostředí (obsah vakuol vytváří hypertonické prostředí)

◦     kořenový vlásek > rhizodermis > primární kůra > xylém … příčný tok vody

◦     vodní potenciál – dostupnost vody pro rostlinu

◦     turgor: vnitřní napětí buňky, které je dáno přítomností vody ve vakuolách, buňka je plně turgoscentní je-li zcela vyplněna vakuolou, organely jsou zatlačeny na okraj

◦     faktory, které ovlivňují příjem vody: teplota půdy (do 30°C, při 0°C se zpomaluje – obilniny se zastavují, 10°C – teplobytné se zpomalují a zastavují při 4°C), obsah kyslíku v půdě (kvůli energii), koncentrace půdního roztoku (nesmí být hypertonický, solné – nebezpečí), množství vody v půdě a její dostupnost pro rostlunu

·         VEDENÍ VODY

◦     nižší rostliny – difúze, osmóza, vyšší rostliny – vodivá pletiva – xylém

◦     transpirační sání – pasivní dj, vytahovaní vody z listů (Sluncem) > vytváření vodního sloupce (výpar vody táhne vodu nahoru)

▪     jaro: kořenový vztlak (rostlina nemá listy), je dáno osmózou, důkaz – míza, gitace

◦     koheze: síly, které jsou tvořeny vodíkovými můstky, spojují atomy H a O

▪     soudržnost molekul, až 350 atmosfér, význam k tvorbě vodního sloupce

◦     kapilarita: vzlínavost, úzký průměr cév = vzlínání vody, podpůrný děj

·         VÝDEJ VODY (transpirace)

◦     je umožněn plochou listů

◦     čím větší transpirace tím větší je spád savé síly mezi cévami listů a jejich transpirujícím povrchem

◦     transpirační sání je často tak velké, že je proti němu kořenový vztlak zanedbatelný a trans. sání se podílí i na nasávání H2O kořeny – pasivní příjem H2O

◦     2 typy:

▪     kutikulární (pokožková) = 10%, pouze u mladých listů a stonků

▪     stomatární (průduchová) = 90%, odpar vody přes průduchy

◦     rychlost s jakou rostlina odpařuje H2O – intenzita transpirace

◦     před polednem – max hodnoty transpirace, poledne – snižuje, odpoledne – zvyšuje, večer – klesá

◦     faktory, které ovlivňuje výdej vody

▪     vnitřní (fyziologické) – celkový stav rostliny

▪     vnější – teplota a vlhkost vzduchu (vysoká T – vyšší výpar, vyšší vlhkost – větší množství kapek), proudění větru (odhání vodní páry), velikost odpařovací plochy (list) – z obvodu větší než ze středu

◦     vodní bilance: poměr mezi příjmem a výdejem H2O, musí být v rovnováze

▪     nadměrný výpar = vodní deficit

◦     biologický význam transpirace – pro vedení H20 roztok a fotosyntézu

LÁTKOVÝ A ENERG. METABOLISMUS

·         mezi základní vlastnosti všech živých soustav patří neustálá přeměna látek a energie – látkový a energetický metabolismus

·         přeměna látek:

◦     anabolismus: endotermní děj, jednoduché látky na složité, spotřeba energie

◦     katabolismus: exotermní děj, rozklad složitých látek na jednodušší, uvolňuje se energie

FOTOSYNTÉZA

·         fotoautotrofie je děj, při kterém rostliny získávají svou energii fixací energie záření procesem fotosyntézy, tímto způsobem se zpřístupní nejen energie pro metabolismus rostliny, ale také pro všechny organismy na planetě

·         významný proces, využívá energie záření k tvorbě energeticky bohatých org.l. z jednoduchých anorganických látek (CO2, H2O)

·         předpokládá se, že nejprve začaly fotosyntézu využívat fotosyntetické bakterie a sinice

·         jediný biologický děj, které využívá energii mimozemského původu

·         organismy byly původně heterotrofní

·         naprostá většina rostlin získává veškerou energii z primárního energetického zdroje (sluneční záření) a veškerý uhlík z CO2, proto se nazývají fotoautotrofní organismy

·         procesy vedoucí k vazbě CO2, do organických sloučenin s využitím radiační (sluneční) energie se nazývá fotosyntetická asimilace (asimilace=přizpůsobování)

·         6 CO₂ + 12 H₂O –světlo,chlorofyl-->C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O

·         2 základní varianty:

◦     bakteriální typ (neuvolňuje kyslík)

◦     rostlinný typ (uvolňuje kyslík, zelené rostliny a sinice)

·         fotosynteticky účinné světlo: 400-700 nm vlnové délky

·         existují různé fotosyntetické barviva, které zachycují různé světelné záření

·         zelené rostliny absorbují hlavně záření modré (modrofialové) a červené barvy

·         FOTOSYNTETICKÁ BARVIVA

◦     chlorofyl a (absorbuje červené a modré části spektra, velké množství, má schopnost přejít do ionizovaného (excitovaného) stavu)

◦     chlorofyl b (přijímá modrozelené a červenooranžové části spektra, má schopnost zachycovat sluneční energii, ale musí ji předat chlorofylu a)

◦     karotenoidy (pouze přijímá sluneční energii a předává ji dál)

◦     u vyšších rostlin je zastoupení chlorofylu a : b 2:1 (až 3:1) v chloroplastu

◦     obsah asimilačního barviva je u různých rostlin různé, mění se během vegetačního období i během dne

◦     nejvýznamnější morfologickou strukturou je list (vytváří velkou plochu, je tenká = transpirační dráha je rychlejší)

·         MECHANISMUS

◦     Primární děje

▪     probíhají v membránách thylakoidů, závislé na světle

▪     cíl: ATP (energeticky bohaté vazby), fotolýza vody pomocí slunečního záření, pohlcení světla fotosyntetickými barvivy, vznik redukovaného koenzymu NADP

▪     1. cyklický fotofosforylace – Fotosystém I. - elektrony se dostávají na vyšší energetickou úroveň (excitovaný stav), vystřelí z molekuly chlorofylu a pomocí přenašečů opisují kruh – navazují na H3PO4 a vznikají nové energetické vazby, elektron se zbavuje energie a vrací se na své místo, tento děj probíhá v membránách thylakoidů

▪     2. Fotolýza vody – necyklický fotofosforylace – fotosystém II. - kyslík se musí zbavit elektronů, ty jsou zachycovány pomocí jiných přenašečů a jsou umístěny do chlorofylu, po vystřelení se pojí k enzymu NADP+

▪     výsledek: uložení energie slunečního záření do ATP a redukované formy přenašečů NADPH, uvolnění kyslíku z H2O 

◦     Sekundární děje

▪     do CO2 vstupuje (složitě) H+ pomocí množství energie a koenzymu NADPH + enzym Rubisco (v Calvinově cyklu, katalyzátor)

                        CO2 > Calvinův cyklus > cukry (škroby)

▪     existují dva způsoby vázání CO2

·         primárním akceptorem je pětiuhlíkatý cukr (ribulozodifosfát), meziprodukt se rozpadne na dvě molekuly kyseliny fosfoglycerové, C3 rostliny (mírné klima)

·         primárním akceptorem je fosfoenolpyruvát, ten se mění na oxalacetát (čtyři uhlíky), C4 rostliny (kukuřice, cukrovník, proso, šachor, sucho-vysoká míra slunečního záření)

◦     efektivita: 1-2%

·         Faktory ovlivňující fotosyntézu

◦     vnější: světlo (spektrální složení, intenzita), CO2, teplota (u nás je optimální 15-25°C), H2O

◦     vnitřní: množství chlorofylu, stáří listů, minerální výživa

·         Význam

◦     každoročně vzniká přes 250 mld tun organických látek (sacharidy), 60% produkují suchozemské rostliny

◦     základ rostlinné výroby – výživa lidstva

◦     ukládání CO2 ve fosilních rostlinách – nerostné suroviny

◦     tvorba atmosféry – biodiverzita (rozmanitost živočišných druhů)

◦     podílí se na zpomalování růstu koncentrace CO2

DÝCHÁNÍ (respirace)

·         rostlina potřebuje uvolnit energetické vazby a přeměnit látky (škroby na tuky, bílkoiny), opačný děj fotosyntézy

·         disimilace – katabolické procesy (dochází k uvolňování E)

·         probíhá v mitochondriích

·         C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + H₂O + E

·         typy:

◦     anaerobně (bez přístupu vzduchu) = pravé kvašení (fermentace), př.: alkoholové kvašení, C₆H₁₂O₆ + →2 CH₃CH₂OH + 2CO₂  + málo E

◦     aerobně

▪     nepravé kvašení (octové):  CH₃CH₂OH +  O₂ → CH₃COOH + H₂O  + více E

▪     pravé dýchání (respirace)

·         složitý děj, vícestupňový

·         1. Glykolýza: probíhá anaerobně, enzymy (katalyz.) se nacházejí v cytoplazmě

◦     C₆H₁₂O_{6 →} kyselina pyrohroznová + malé E (2 molekuly ATP)

·         2. Krebsův cyklus: kys. pyrohroznová + enzym, postupně se uvolňuje CO2 (dekarboxylace) a H2 (dehydrogenace), H2 se spojuje s O2 a vstupuje do dýchacího řetězce (vzniká 2 H2O) + energie (36 molekul ATP)

◦     enzymy katalyzující tento děj – na membránách mitochondrií

◦     za přístupu kyslíku, dochází k přeměně látek

◦     faktory, které ovlivňují dýchání

▪     vnitřní: stav rostliny (stáří), obsah H2O v pletivech, množství zásobních látek (asimilátů), schopnost oxidace

▪     vnější: teplota a vlhkost(t=4°C-30°C, vlhkost->zvyšuje rychlost)

◦     respirační koeficient – intenzita dýchání

▪     na základě spotřeby O2

▪     na základě množství produkovaného CO2

▪     RQ = uvolněný CO2 / přijatý O2 = 1 (cukry) < 1 (0,7 – tuky) < 1 (0,8 – bílkoviny)

VÝŽIVA ROSTLIN

·         rozlišujeme:

◦     fotoautotrofní (zajišťuje ji fotosyntéza)

◦     heterotrofní (původnější, tam, kde neprobíhá autotrofie, nezelené části rostlin)

◦     minerální

·         HETEROTROFNÍ VÝŽIVA

◦     primitivnější než fotosyntéza, původnější, závislý na existenci jiných organismů

◦     zdroj C a energie = org. Látky ze sévho okolí

◦     dle stupně heterotrofie a dle zdroje org.l.rozlišujeme:

▪     saprofyti: využívají odumřelé organismy

·         hemisaprofyti = příležitostně žijí saprofyticky, jinak autotrofní, prvoklíčky některých mechů

·         holosaprofyti = živí se jedině saprofyticky, bakterie, houby

▪     paraziti: berou živiny z živých organismů, na nichž/v nichž žijí (vnitřní-endoparazitismus, vnější-ektoparazitismus)

·         příležitostní (fakultativní) – rostliny žijí i bez hostitele, světlík lékařský, kokrhely

·         hemiparazité – mívají chlorofyl (fotosyntetizují), hostiteli odebírají pouze H2O a min.l.pomocí haustorí, jmelí, ochmet (na dubu)

·         holoparazité – živí se výhradně paraziticky, podbílek šupinatý, kokotice evropská, zárazy

▪     mixotrofie: přechodný typ výživy, mezi autotrofní a heterotrofní, masožravé rostliny (veg.org.přizpůsobené k lapání bezobratlých), rašeliniště (rosnatka, láčkovka,...)

▪     symbióza: soužití dvou org., oba z toho mají prospěch, žijí v úzkém fyz. Stavu

·         lišejníky: řasa (sinice; asimiláty) + houba (voda, ochrana, min.l.)

·         symbióza hlízkových bakterií (rhizobimu s kořeny bobovitých rostlin), bakterie je schopná vázat dusík (vytváří infekční vlákno, naruší kořen, vytvoří hlízky)

·         mykorhiza = ekto nebo endo, soužití hub a kořenů rostlin (vyšších), kořeny dodávají asimiláty, houba – voda, min.l., vitamíny

◦     ektomykorhiza = houba nahrazuje kořenové vlášení, křemenáč osikový, hřib dubový, hřib smrkovy

·         mohou být symbiózy s živočichy (komár pisklavý přechovává ve svém trávicím systému kvasinky, které zkvašováním cukru uvolňují CO2 → zabraňují srážení krve, symbióza bakterie v TS býložravců)

·         MINERÁLNÍ VÝŽIVA

◦     zahrnuje procesy příjmu, vedení a využití minerálních živit, které rostlina potřebuje

◦     analýza popela: rozbor minerálních látek (vysušení, spálení)

◦     rozdělení látek:

▪     makrobiogenní (stavební funkce, desítky %): C,O2,H2,N2,S,Mg,Ca,K,P

▪     mikrobiogenní (katalytický funkce, setiny %): Cu,Zn,Mo,Mn,B,Cl2

▪     stopové: výjimečně

◦     mimokořenová váživa: výjimečně

◦     hyfrofonie: pěstování rostlin ve vodných roztocích

◦     C: základní stávební prvek, získává se z půdních roztoků hydrogenuhličitanů

◦     O2: z ozvrduší, dýchání

◦     H2: z vody, stavební prvek, energetický metabolismus

◦     N2: z roztoků NO3^(-1) nebo amonných solí, podporuje růst zeleně listové, součást aminokyselin

◦     P: z roztoků fosforečnanů, součást NK, vitamínů, bílkovin

◦     K: z draselných solí, zvyšuje příjem vody v protoplazmě (buněčné šťávě vakuol)

◦     Mg: z hořečnatých iontů, součást chlorofylu, aktivují činnost enzymů, nezbytný při fotosyntéze, dýchání, syntéze NK, bílkovin

◦     Ca: z půdních roztoků vápenatých iontů, při nedostatku se zpomaluje růst kořenů i celých rostlinách

◦     Fe: katalyzátor, v chloroplastech, nedostatek vede k snížení intenzity dýchání a fotosyntézy, ke žloutnutí listů a jejich odpadu

◦     hnojiva: používají se ke zlepšení výživy kulturních rostlinách

▪     statkový (org.): hnůj, močůvka, kompost, kejda

▪     průmyslová

·         dusíkatá (ledky, močovina, amoniak)

·         fosforečná (superfosfát)

·         draselná  (KCl, K2SO4)

·         vápenatá (mletý vápenec, pálené vápno)

·         kombinovaná