POUŽITÍ METOD STUDIA FYZIOLOGIE ROSTLIN PŘI HODNOCENÍ TOLERANCE JEČMENE A PŠENICE KE STRESU

The use of physiological methods for barley and wheat stress tolerance evaluation

Brigita Zámečníková, Václav Hejnák, Vratislav Novák

Česká zemědělská univerzita v Praze, Katedra botaniky a fyziologie rostlin

Souhrn, klíčová slova

Práce byla zaměřena na výzkum vodního stresu a nadměrné nebo nedostatečné výživy dusíkem. V prvním pokusu bylo sledováno i spolupůsobení těchto stresů. Byl zkoumán vliv těchto stresů na fyziologické odezvy u rostlin ječmene a pšenice. V pokusech bylo ověřována vědecká hypotéza, že působením stresů sníženého vodního potenciálu a nedostatečné nebo nadměrné výživy dusíkem dochází k ovlivnění vodního režimu rostlin a především k ovlivnění intenzity fotosyntézy a transpirace. Dále jsou popsány a vyhodnoceny 2 pokusy: 1) Působení sníženého vodního potenciálu v živném mediu pomocí NaCl a různých koncentrací obsahu dusíku na změny osmotického potenciálu v listech u mladých rostlin ječmene jarního. 2) Působení snížené dostupnosti vody na intenzitu fotosyntézy a transpirace a na efektivitu využití vody u různých genotypů pšenice ozimé pěstované v nádobovém pokusu ve skleníku. V těchto pokusech bylo zjištěno, že působením stresů dochází téměř vždy ke snížení fyziologických funkcí, přičemž se rostliny přizpůsobují růstem. Na základě měření osmotického potenciálu listů a intenzity fotosyntézy a transpirace můžeme za daných podmínek kvantifikovat účinek stresového faktoru na fyziologické pochody v rostlině a použít těchto údajů pro vyhodnocení strategie různých genotypů při přizpůsobování se stresu.

vodní stres, osmotický potenciál, fotosyntéza, transpirace, WUE, pšenice, ječmen

Summary, keywords

The aim of this work was to evaluate the differences of water stress and shortage or surplus of nitrogen fertilization. In the first experiment we studied co-influence of both stress factors. The reactions of physiological function (water relation and photosynthesis) were investigated. A hypothesis was how high and low plant nitrogen nutrition change water relation, transpiration and photosynthesis rate of plants. The results of two experiments were presented: 1) It was measured leaf osmotic potential involved by various NaCl concentrations of nutrient solution and various nitrogen doses in barley plants growing in controlled conditions. 2) The low water supply influence on photosynthetic and transpiration rate in selected different genotypes of winter wheat grown in pots in greenhouse. The studied physiological functions were lowered by applied stresses. The main adaptation was cessation of growth. The physiological values of leaf osmotic potential, photosynthetic and transpiration rate can be used for quantifying influence of the stress factors on physiological function in plants and can be used for evaluation of genotype differences.

water stress, osmotic potential, photosynthesis, transpiration, WUE, wheat, barley

Literární přehled

Vodní stres

Vodní stres je způsoben nedostatečným přísunem vody do rostlin. Mechanismy resistence k suchu tkví především v toleranci rostlin vůči nedostatku vody, kdy např. dochází v buňkách k aktivní akumulaci osmoticky aktivních látek vyšší, než by se předpokládalo při dehydrataci, dochází k tzv. osmotickému přizpůsobení (Salisbury a Ross 1969). Dle Hsiao (1973) nejprve dochází k zastavení růstu, přestože fotosyntéza stále probíhá a její produkty se hromadí ve stávajícím objemu buněk. Tím dochází k akumulaci asimilátů a ke snížení osmotického potenciálu, což umožní další příjem vody. Osmotické přizpůsobení je geneticky podmíněné. Morgan (1984) vyselektoval pšenici s intenzivním a sníženým osmotickým přizpůsobením. Pšenice s vyšším osmotickým přizpůsobením dávají v suchých podmínkách o 40% vyšší výnos.

Stres způsobený nedostatkem a nadbytkem dusíkaté výživy

Ačkoliv v atmosféře je přibližně 80 % dusíku, většina rostlin absorbuje N z půdního roztoku v prvé řadě jako anorganický nitrátový iont NO3-, případně jako amoniakální iont NH4+. NO3- je redukován na NH4+ před zabudováním do aminokyselin, proteinů a ostatních dusíkatých organických molekul např. auxinů (IAA), cytokininů a chlorofylů (Hopkins 1995). Růst rostlin a další fyziologické pochody podle některých autorů nejsou ovlivněny formou hnojení NH4+ nebo NO3- (Bloom 1988). Existují ovšem i jiné práce, které ukazují, že optimální pro růst většiny rostlin je kombinovaná výživa NO3-/NH4+, zatímco při použití NH4+ výživy dochází ke snižování tvorby nadzemní biomasy ve srovnání s NO3- výživou (Plhák 1996). Nedostatek N urychluje diferenciaci rostlin a dobu kvetení a zvyšuje tvorbu kořenového systému. Nadbytek N stimuluje bohatý růst nadzemní části a často zpožďuje kvetení zemědělských plodin. Rovnováha mezi růstem kořenů a nadzemních částí je jedním z mechanismů používaných rostlinami při adaptaci k vnějším podmínkám (Taiz a Zeiger 1991)

Metody

Metodika použití koncentrací dusíku v živném roztoku

Koncentrace dusíku byly zvoleny následovně: poloviční dávka 0,5N; základní dávka 1N; 2,5 násobná dávka 2,5N a 4 násobná dávka4N oproti koncentraci v Knopově živném roztoku. Zvýšené dávky N byly dodány formou NH4NO3. Vzhledem k tomu, že při odběru NH4 iontů dochází k okyselování prostředí, bylo udržováno pH na úrovni 5,8 pomocí zředěného NaOH. Kromě toho byl vždy po třech dnech celý roztok vyměněn.

Metodika měření osmotického potenciálu v listech mladých rostlin jarního ječmene Rubín

Rostliny byly pěstovány ve vodní kultuře v Knopově živném roztoku. Vodní stres byl navozen pomocí NaCl, který byl aplikován v koncentracích 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 a 0,3 mol, což odpovídá vodnímu potenciálu - 0,14; - 0,28; - 0,49; - 0,93 a - 1,37 MPa.Osmotický potenciál listů byl měřen zdokonalenou metodou psychrometrickou tzv. dew point metodou (metodou rosného bodu) přístrojem Wescor HR-33T, v komůrce L-52 ze šťávy získané ze zmrazených listů.

Metodika kultivace odrůd ozimé pšenice v nádobovém pokusu

Pět odrůd ozimé pšenice Maris Marksman (MM), Regina (R), Mexiko 50/B 21 (ME), Chlumecká 12 (CH) a Karlik (KA) bylo pěstováno ve skleníku v nádobách se zeminou do plné zralosti. Byly aplikovány dvě úrovně závlahy - pro variantu suchou to byla průměrná zálivka 17 % objemu půdní vlhkosti, což odpovídá vodnímu potenciálu půdy -1,28 MPa, pro variantu mokrou činila průměrná zálivka 31 % objemu půdní vlhkosti, což odpovídá vodnímu potenciálu použité půdy - 0,123 MPa.

Metodika měření fotosyntézy a transpirace na praporcových listech ozimé pšenice

Měření proběhlo v řízených podmínkách klimatizované komory při osvětlení 300 m mol.m-2.s-1, teplotě 22 oC a vlhkosti vzduchu 40-60 % na přístroji LCA4 (infračervený plynový analyzátor pro měření koncentrace CO2, firma Eijkelkamp, Holandsko).

Sledované charakteristiky:

Intenzita (rychlost) fotosyntézyA

[m mol m-2 s-1 ] (1)

kde D c je rozdíl v CO2 koncentrací na vstupu a výstupu komory [m mol mol-1 ]

us je množství průtoku vzduchu na m2 listové plochy [mol m-2 s-1 ]

Intenzita (rychlost) transpirace E

[mol m-2 s-1 ] (2)

kde D W je rozdíl koncentrací vodní páry [mol mol-1 ]

us je množství průtoku vzduchu na m2 listové plochy [mol s-1 m-2].

Výpočet charakteristiky WUE (water use efficiency) schopnosti využití vody:

WUE je obvykle definována jako celková sušina produkovaná rostlinami na jednotku spotřebované vody (zahrnuje i evaporaci z půdy). Hmotnost sušiny je převážně tvořena asimiláty, které se vytvořily z fotosynteticky fixovaného CO2. Příjem CO2 tedy souvisí s transpirací rostlin. Lze tedy vyjádřit WUE také jako vztah mezi příjmem CO2 a množstvím vytranspirované vody, (Boyer, 1996). Přitom nezáleží jen na anatomii rostlin a průběhu fyziologických procesů v rostlinách, ale zároveň na fyzikálních faktorech (teplotě listu, odporu hraniční vrstvy epidermis, gradientu vodní páry, koncentračním gradientu CO2 atd.). WUE tak odráží vztah rostlina - prostředí.

Výsledky a diskuze

Hodnoty osmotického potenciálu listů (obr. 1) ukazují, že u varianty 1N a 2,5N, které se obsahem dusíku blíží patrně optimální dávce v živném roztoku, si listy udržely turgor i při hodnotě vodního potenciálu roztoku - 1,37 MPa. Tím si můžeme vysvětlit, proč se osmotické potenciály listů u těchto variant snižují rovnoměrně s koncentrací NaCl v roztoku, přičemž si udržují přibližně konstantní rozdíl -1,5 MPa od vodního potenciálu roztoku. U varianty 4N, ovlivněné nadbytkem dusíku, dochází k prudkému snižování osmotického potenciálu listů od hodnoty vodního potenciálu -0,93 MPa v živném roztoku. Tato varianta je tedy citlivější ke snížení osmotického potenciálu roztoku než varianty 1N a 2,5N. Varianta stresovaná nedostatkem dusíku (0,5N) je k osmotickému potenciálu roztoku nejcitlivější. Již od koncentrace 0,04 mol NaCl (-0,22 MPa) dochází k prudkému snížení osmotického potenciálu listů a listy ztrácejí turgor. Z toho můžeme odvodit, že množství přijatého dusíku ovlivňuje nejenom růst a diferenciaci rostlin, ale také jejich schopnost odolávat stresu způsobeného nedostatkem vody a zasolením. Garabet et al. (1998) a El Hafid et al. (1998) se domnívají, že výsledná odolnost rostlin vůči nedostatku vody je dána jejich schopností osmotického přizpůsobení a je odlišná pro jednotlivé genotypy. Závěrem mohu konstatovat, že nedostatek nebo nadbytek N snižují odolnost rostlin vůči nedostatku vody.¨

Obr. 1 Vliv obsahu N a koncentrace NaCl v mediu na osmotický potenciál v listech mladých rostlin ječmene jarního pěstovaného v řízených podmínkách ve srovnání s osmotickým potenciálem živného media.

Pro podrobnější poznání vzájemných vztahů mezi transpirací, fotosyntézou a tvorbou sušiny u rostlin ozimé pšenice jsme v druhém experimentu studovali vliv snížené zálivky na tyto parametry u praporcového listu pěti pokusných odrůd. Praporcový list u pšenice se značně podílí na tvorbě asimilátů, které jsou translokovány do klasu (Peška 1980). Účelem těchto měření bylo zjistit, jestli je u jednotlivých odrůd možné sledovat odlišnou nebo podobnou strategii při vyrovnávání se s nedostatkem vody.

Obr. 2: Intenzita fotosyntézy naměřená na praporcových listech u 5-ti odrůd pšenice ozimé pěstované v podmínkách optimální závlahy (mokrá varianta) a se sníženou zálivkou (suchá varianta).

Obr. 4: Intenzita transpirace naměřená na praporcových listech u 5-ti odrůd pšenice ozimé pěstované v podmínkách optimální závlahy (mokrá varianta) a se sníženou zálivkou (suchá varianta).

Obr. 3: Graf vypočtených hodnot účinnosti využití vody (WUE - water use efficiency) pro 5 odrůd ozimé pšenice pěstované v podmínkách optimální (mokrá varianta) a snížené zálivky (suchá varianta).

Z grafů (obr. 2 a 3) je možné konstatovat, že naměřené hodnoty intenzity fotosyntézy (kromě odrůdy Mexico 50/B 21) i transpirace byly u všech odrůd vyšší u optimálně zalévané varianty. Z výsledků pokusů vyplývá, že měření okamžité intenzity fotosyntézy a transpirace nevypovídá sice o celkové výnosové schopnosti u rostlin v podmínkách abiotických stresů, ale zejména o strategii přizpůsobování se stresu. Při sledování rozdílů u odrůd pšenice podle hodnot efektivity využití vody (WUE) na obr. 4 bylo zjištěno, že existují tři skupiny genotypů, které se vyrovnávají různým způsobem s nedostatkem vody. První skupina snižuje efektivitu využití vody rostliny a jsou citlivější na nedostatek vody (Maris Marksman a Regina), druhá skupina zvyšuje efektivitu využití vody a odrůdy jsou schopné i menší množství vody lépe využít (Chlumecká 12 a Mexico 50/B 21), třetí skupina nemění efektivitu využití vody (Karlik).

Závěr

V prvním pokusu byl sledován vliv vodního stresu a čtyř koncentrací obsahu dusíku v živném roztoku na mladých rostlinách ječmene jarního. Rostliny kultivované v podmínkách vodního stresu snižuje osmotický potenciál listů, přičemž bylo zjištěno, že nedostatek nebo nadbytek dusíku snižují odolnost rostlin vůči nedostatku vody.

V druhém pokusu bylo pět kultivarů pšenice ozimé pěstováno ve skleníku v nádobovém pokusu při dvou režimech závlahy do plné zralosti. Na plně vyvinutých praporcových listech byla měřena intenzita fotosyntézy a transpirace a vypočtena hodnota WUE. Zjistili jsme, že při nedostatku vody téměř všechny kultivary snižují intenzitu fotosyntézy (kromě odrůdy Mexico 50/B 21) a všechny snižují intenzitu transpirace. Z vypočtených hodnot WUE bylo zjištěno, že výsledná odolnost vůči nedostatku vody rostlin je dána především jejich schopností osmotického přizpůsobení a je pro jednotlivé genotypy různá.

Poznatky o strategii rostlin a jejich přizpůsobování se stresovým podmínkám lze využít nejen k fyziologickému výzkumu rostlin, ale i v dalších oborech, například při studiu nebo výběru vlastností jednotlivých genotypů v genovém inženýrství a ve šlechtitelství.

Použitá literatura

Bloom, A.J., 1988: ISI Atlas of Science 1: 55-59

Boyer, J.S., 1996: Delaware, Advances in Agronomy, 56, 189-215

El Hafid, R., Smith, D.H., Karrou, M., Samir, K.S.O., 1998: Canadian Journal of Plant Science, 78 (2) pp. 227-237,

Garabet, S., Wood, M., Ryan, J.S.O., 1998: Field Crops Research, 57 (3) 309-318

Hopkins W. G., 1995 : Introduction to Plant Physiology. John Wiley and Sons. USA

Hsiao, T.C.,1973: Annual Review of Plant Physiology 24:519-570.

Morgan, J.A.,1984: Plant-Physiology. 76: 1, 112-117.

Plhák, E., 1996: Rostlinná výroba, 42, 6, 269-274

Peška, J., 1980: Sborník z konference “Využití nukleárních metod a ionizujícího záření v genetice, šlechtění a fyziologii rostlin. VŠZ. Brno

Salisbury, F. B., Ross, C. W., 1969 Plant Physiology, California. USA.

Taiz, L. Zeiger, E., 1991: Plant Physiology. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. USA.

Kontaktní adresa

Ing. Brigita Zámečníková, katedra botaniky a fyziologie rostlin, Česká zemědělská univerzita, Kamýcká 129, Praha 6, 165 21, tel. 02 2438 2521, e-mail zamecnik@czu.cz