Fyziológia rastlín a voda

Fyziológia rastlín a voda
 
Úvod
Kvety, zeleň, tráva, stromy. Organizmy, ktoré vnášajú do nášho života pestrosť a farby. No nielen to. Slúžia aj pri dôležitej chemickej výmene, fotosyntéze, ktorá zabezpečuje produkciu kyslíka na našej planéte. Jednoducho bez nich by sme tu neboli. Na to,  aby mohli existovať, potrebujú vodu. Voda je najdôležitejšia abiotická zložka na Zemi. Tvorí prevažnú väčšinu našej planéty, tiel živočíchov a tiež rastlín. V našej práci vám predstavíme vodu ako jednu z najdôležitejších zložiek autotrofných organizmov – rastlín.
 
Cieľ
Cieľmi práce je:
1.  Oboznámiť verejnosť o dôležitosti vody v tele rastliny.
2.  Oboznámiť verejnosť o základnych fyziologických dejoch v rastlinách za prítomnosti vody.
3.  Skúmať vplyv variabilného príjmu vody na prieduchy rumančeka kamilkového (Chamomilla recutita L.).

1  Fyziológia rastlín
1.1  Klíčenie
Každé semienko obsahuje zárodok k vzniku novej rastliny. Na to, aby vyklíčila nová rastlina potrebujeme semenu poskytnúť vhodné podmienky. Medzi základné životné podmienky v tomto prípade zaraďujeme vodu, teplo a vzduch (svetlo nie je nevyhnutne potrebné). Pri bližšej špecifikácii podmienok zistíme, že voda musí mať určitú kvalitu, hlavne by nemala obsahovať choroboplodné zárodky (aj keď rastlina si pri klíčení vytvára látky proti rozmnoženiu baktérií a plesní) a veľa minerálov, či iných rozpustných látok vo vode. Okrem toho je možné špecifikovať aj teplo v podobe jeho optima pre konkrétnu rastlinu. Niektoré vyžadujú pri klíčení vyššiu teplotu ako iné, niektoré dokonca musia prejsť štádiom podchladenia (oziminy). Podobne je možné špecifikovať aj podmienku prítomnosti vzduchu, pričom zo vzduchu rastlina využíva hlavne kyslík. Oxid uhličitý zatiaľ nevyužíva, keďže nedokáže  fotosyntetizovať. Energiu na svoj rast a vývin čerpá zo zásob uložených v semene. Keď sa zásoby minú, rastlina by mala byť schopná fotosyntézy. Ak by sme semienka nevybrali z vody, začali by síce klíčiť, ale rýchlo by odhnili, pretože potrebujú na rast aj vzduch; keďže sú zaliate vodou, vzduch sa k nim nedostane, klíčiaci proces nepokračuje a rastlina prestane žiť, stáva s organickým odpadom, ktorý napadnú baktérie rozkladu. Preto je potrebné ukladať klíčiace semienka na vlhký povrch, ktorý poskytuje vlahu, ale aj vzduch.
 
1.2  Rast
Na rast je nevyhnutne potrebné určité množstvo vody, pretože  zmenšovanie turgoru je rast  zoslabený a zvädnuté rastliny zastávajú predlžovací rast.  Suchozemské rastliny majú cez väčšiu časť dňa deficit  vody, korene často nestačia prijímať toľko vody, koľko jej listy vyparia. Tento deficit vyrovnávajú až v noci. Voda v rastlinnom tele pôsobí svojím množstvom, stykom s ním a ako vodná para vo vzduchu. Jej účinok sa prejavuje nielen vo vonkajšom tvare rastlín, ale aj v ich anatomickej stavbe. Vlastnosti rastlín zapríčinené vodou sa nazývajú hydromorfózy.
Submerzné rastliny  nemôžu vo vlhkom vzduchu vôbec rásť.  Korene rodu Lemna rastú vo vode, ale už v bahne zastavia rast.  Oproti tomu však suchozemské rastliny voda poškodzuje. Keď sú do nej ponorené listy, ktoré vyrástli vo vzduchu, zahynú a zostanú len nové, ktoré sa vyvinuli vo vode. Prírastky vo vode sú dosť podobné etiolovaným rastlinám.  Čím je vzduch vlhkejší, tým  sa viac na rastlinách prejavuje tzv. vlhkostná etiolizácia. Rastliny sú zelené, trocha sa však podobajú etiolovaným. Na rastliny nepôsobí absolútna vlhkosť, ale relatívna, t.z., že rastlina reaguje na zmenu transpirácie. Rastliny vyrastené vo vlhkom vzduchu majú tenké blany, veľké medzibunkové priestory a málo mechanického pletiva. Veľmi ľahko podliehajú cudzopasníkom, a to aj tým, ktoré zdravé rastliny nenapádajú. Ak sa náhle zvýši vlhkosť vzduchu alebo pôdy, prechodne vystúpi rýchlosť rastu (vlhkorastová reakcia). Submérzne rastliny nemajú prieduchy.  Niektoré vodné rastliny vytvárajú dvojaké listy. Jedny ponorené a druhé plávajúce na povrchu vody. Prvé sú bohato delené, druhé menej alebo sú vôbec nedelené.  Rastlina Sagittaria má dvojaké listy: šípovité, na vode splývajúce alebo vo vzduchu rastúce, a druhé dlhostužkovité, vo vode ponorené, najmä v prúdiacej vode.  Keď voda vystúpi a čepele rastlín s plávajúcimi listami sa dostanú pod vodu, predĺži sa ich stopka, až zasa čepele dosiahnu vodnú hladinu. Bez pochyby je rast stopky podnetom, že čepeľ nemôže transpirovať. Vodné rastliny sú jemnejšie stavané ako rastliny suchozemské a všeobecne majú veľké medzibunkové,  plynmi vyplnené priestory. Ich objem je až 75% celého objemu rastlín.
Sú rastliny, ktorým sa darí na suchu i vo vode. Takýmito obojživelnými rastlinami sú napr. pečeňovky. Prvá žije ponorená vo vode, druhá na nej pláva. Môžu žiť aj na vlhkej pôde a tu majú značne odlišný vzhľad aj anatomickú stavbu.
 
1.3  Vodný režim rastlín
1.3.1 Príjem vody
Vodné rastliny prijímajú vodu celým povrchom tela, vyššie rastliny koreňovou sústavou. Koreňové vlásky pokrývajúce koreň zväčšujú absorpčnú plochu. Príjem vody je ovplyvňovaný rôznymi faktormi:   a) Teplota. So zvyšovaním teploty po určitú hranicu (asi 30°C) sa príjem vody zvyšuje a nad ňu spomaľuje. Pri nula stupňoch sa u väčšiny rastlín príjem vody zastavuje. Niektoré rastliny neprijímajú vodu už pri ochladení na 4°C (rajčiaky, uhorky, tekvica).  b) Koncentrácia pôdneho roztoku. Rastlinám sa nedarí dobre v pôdach s vysokým obsahom solí (slané pôdy). Sú však druhy, ktoré takúto pôdu obľubujú (slanomilné rastliny - halofyty). c) Množstvo vody v pôde. Nedostatok i nadbytok vody sú príčinou zníženia príjmu. Ak je v pôde veľa vody, má koreňový systém nedostatok kyslíka, preto sa znižuje intenzita jeho dýchania.

Príjem vody do rastlinného tela môže prebiehať pasívne alebo aktívne. Pasívny príjem vody sa uskutočňuje v čase, keď má rastlina listy. Pri vyparovaní vody cez listy vzniká v rastline podtlak, ktorý spôsobí pasívne nasávanie vody z pôdy cez koreňové vlásky. Pri pasívnom príjme preniká voda do drevnej časti cievneho zväzku priestormi medzi jednotlivými bunkami. Takýmto spôsobom prijme rastlina vyše 90% všetkej vody. Aktívny príjem vody prevláda na jar, keď rastlina ešte nemá vytvorené listy. Pri tomto spôsobe rastlina prijíma vodu na princípe osmózy.
 
1.3.2 Transport vody v tele rastliny
Pohyb vody z koreňa do listov sa označuje ako transpiračný prúd, lebo jeho pohyb je do značnej miery spôsobený vyparovaním vody v listoch čiže transpiráciou. Je to pohyb vody proti gravitácii a okrem transpiračnej sacej sily listov ho zabezpečuje aj koreňový výtlak. Koreňový výtlak je schopnosť koreňa vytláčať vodu v cievach proti gravitácii. Je spôsobený osmotickými silami cytoplazmy buniek koreňa. Pri rastlinách bylinného typu tieto sily na rozvoz vody stačia, ale pri drevinách dosahujúcich výšku niekoľko desiatok metrov už nepostačujú. Voda musí v cieve prekonávať prekážky ako sú: vlastná tiaž vodného stĺpca, trenie a steny ciev, odpor vzduchových bublín v cievach a pod. Pri pohybe vody sa teda uplatňujú aj ďalšie faktory, a to adhézia (priľnavosť) vody na steny ciev, kohézne sily t.j. súdržnosť molekúl vody a kapilarita. Kohézne sily vodného stĺpca spôsobujú, že vodný stĺpec je prakticky nepretržitý.
 
1.3.3 Výdaj vody
Rastlina z prijatej vody využíva k látkovej premene len malú časť, asi 1%. Ostatnú vodu vracia späť do prostredia. Výdaj vody sa uskutočňuje cez listy, buď vo forme kvapiek - gutácia alebo vo forme vodnej pary - transpirácia. Gutácia nastáva, ak je v prostredí vysoká vlhkosť vzduchu a rastlina nemôže vodu odparovať. Na jej vytláčaní sa zúčastňuje koreňový výtlak. Transpirácia, vyparovanie vody z rastliny, sa uskutočňuje hlavne cez listy. Povrch listu pokrýva rôzne silná vrstvička kutínu, ktorý zabraňuje prenikaniu vody. Cez kutikulu sa preto môže odpariť len malá časť vody - kutikulová transpirácia. Prevažná časť vody sa odparuje cez špeciálne zariadenia určené k tomuto účelu - prieduchy. Vtedy hovoríme o prieduchovej transpirácii. Prieduchová transpirácia sa deje regulovaným spôsobom. Veľkosť transpirácie ovplyvňuje teplota a vlhkosť vzduchu, množstvo dostupnej vody, svetlo a niektoré vnútorné faktory, ako napr. hrúbka kutikuly a umiestnenie prieduchov.
 
1.4  Fotosyntéza
Je to najdôležitejší životný proces v rastline. Pri fotosyntéze z jednoduchých anorganických látok(CO2 a H2O) za prítomnosti svetla a asimilačného farbiva (najčastejšie chlorofylu) a pri potrebnej teplote vznikajú organické látky, popri čom sa uvoľňuje kyslík. Fotosyntéza udržiava relatívne stály pomer kyslíka a oxidu uhličitého v ovzduší (O2 21% a CO2 0,03%). Proces fotosyntézy u vyšších rastlín prebieha v chloroplastoch, kde sa na membránach tylakoidov nachádza chlorofyl a a chlorofyl b. Okrem chlorofylu sa fotosyntézy zúčastňujú aj iné farbivá ako napríklad karotenoidy. Medzi základné karotenoidy patria karotény (napr. β-karotén) a xantofyly. Hlavným asimilačným farbivom je chlorofyl a, ktorý ako jediný má schopnosť absorbovať dopadajúci fotón. Chlorofyl a označujeme ako aktívny chlorofyl. Ostatné asimilačné farbivá sú pomocné. Tvoria akúsi "sieť", do ktorej zachytávajú dopadajúce fotóny, ktoré vedú k molekule chlorofylu a. Rozlišujeme dva fotosystémy:
1.  fotosystém I - uplatňuje sa pri pohlcovaní svetla s vlnovou dĺžkou 700 nm a väčšou
2.  fotosystém II - uplatňuje sa pri absorbovaní svetla s vlnovou dĺžkou 680 nm a kratšou

Chemický priebeh fotosyntézy možno vyjadriť sumárnou rovnicou: 6CO2 + 12H2O + 2830 kJ + chlorofyl → C6H12O6 + 6H2O + 6O2
Fotosyntézu charakterizujú dva procesy:
Primárne procesy (fotochemická fáza (Prílohy, obr. č. 1)) vyžadujú prítomnosť svetla. Ich podstatou je premena žiarivej energie na energiu chemických väzieb. Počas primárnych procesov prebieha fotofosforylácia a fotolýza vody. Fotofosforylácia začína pohltením svetelnej energie molekulou chlorofylu. Z chlorofylu sa tým uvoľnia elektróny, ktoré zachytí oxidačno-redukčný enzým ferredoxín. Z neho sa elektróny prenášajú späť na chlorofyl reťazou oxidačno-redukčných enzýmov. Energia, ktorú pri tom elektrón vyžiari, sa využíva na tvorbu makroergických fosfátových väzieb v molekule ATP (adenozíntrifosfát). Keďže pri tomto procese vykonávajú elektróny cyklus: chlorofyl – ferredoxín – oxidačno-redukčné enzýmy – chlorofyl a súčasne dochádza ku vzniku makroergických fosfátových väzieb, čiže ku fosforylácii, označujeme túto časť fotosyntézy ako cyklická fotofosforylácia. Fotolýza vody je dej, pri ktorom nastáva svetelný rozklad vody:
H2O → ½O2 + 2H+ + 2e-
Uvoľnený kyslík sa dostáva do atmosféry. Vzbudené elektróny sa prenesú na ferredoxín, ktorý redukuje koenzým NADP (nikotínamidadeníndinukleotidfosfát) za spotreby iónov H+:
NADP + 2H+ + 2e- → NADPH+H+
Výsledkom primárnych procesov fotosyntézy je teda vznik ATP a NADPH+H+, ktoré sa využívajú v sekundárnych procesoch fotosyntézy.
Sekundárne procesy (syntetická fáza Prílohy, obr. č. 2) nevyžadujú prítomnosť svetla a sú preto označované aj ako tmavá fotosyntézy. Počas týchto procesov dochádza k fixácii CO2 a vzniku sacharidov. Zdrojom energie na túto premenu je ATP a redukovadlom NADPH+H+. Poznáme dva mechanizmy fixácie CO2:
1.  C3-rastliny - primárnym akceptorom CO2 je ribulóza-1,5-bisfosfát
2.  C4-rastliny - primárnym akceptorom CO2 je fosfoenolpyruvát
1.5  Dýchanie
Počas fotosyntézy rastliny vytvárajú sacharidy, látky bohaté na energiu. Pri dýchaní si rastlina rozkladom týchto asimilátov zabezpečuje energiu na uskutočnenie životných procesov (syntéza organických látok, príjem živín, rast a iné). Dýchanie je teda nevyhnutnou podmienkou života rastlín. Dýchanie je proces aeróbny, a preto vyžaduje prítomnosť kyslíka. Ten sa do rastliny dostáva cez celý povrch tela. Pri dýchaní sa uvoľňuje ako metabolit CO2 a voda. Tie sú odvádzané z tela prieduchmi.Chemicky možno proces dýchania sacharidov zapísať sumárnou rovnicou:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 2820 kJ
 
Pomer medzi vydýchaným CO2 a prijatým O2 sa nazýva respiračný kvocient (RQ). Pri rozklade sacharidov je pomer RQ rovný jednej (6CO2 : 6O2). Ak by rastlina predýchavala nejakú inú zlúčeninu, pomer by bol iný.
Ak je substrátom dýchania sacharid napr. glukóza, prebieha tento proces v niekoľkých fázach:
 
1. Anaeróbna glykolýza
Pri anaeróbnej glykolýze sa molekula glukózy rozštiepi, ako konečný produkt vzniknú 2 molekuly kyseliny pyrohroznovej CH3-CO-COOH a uvoľní sa energia postačujúca na vytvorenie 2 molekúl ATP. Tejto tvorbe ATP hovoríme substrátová fosforylácia.
C6H12O6 → 2CH3-CO-COOH + 2ATP
 
2. Aeróbna dekarboxylácia kys. pyrohroznovej
V tejto časti nastáva enzymatická premena (enzým pyruvátdehydrogenáza) kyseliny pyrohroznovej za postupného odštepovania CO2 (dekarboxylácia) a uvoľňovania energie. Výsledkom je vznik zlúčeniny acetylkoenzým A, čiže aktivovanej kyseliny octovej (CH3-CO-SCoA). Tento proces prebieha v mitochondriách bunky.
CH3-CO-COOH → CO2 + CH3-CO-ScoA
 
3. Cyklus kys. citrónovej (citrátový cyklus, Krebsov cyklus (Prílohy, obr. č. 3))
Do tohto cyklu vstupuje acetylkoenzým A. Dochádza k oxidácii posledných dvoch atómov uhlíka na oxid uhličitý. Toto sa deje prechodom cez 9 redoxných systémov za účasti enzýmov. Cyklus končí vytvorením oxalacetátu. Redukované koenzýmy prechádzajú do ďalšej fázy dýchania, do koncového dýchacieho reťazca.
 
4. Biologická oxidácia vodíka (koncový dýchací reťazec)
Do dýchacieho reťazca sú pomocou redukovaných koenzýmov (najmä NADH+H+) prenesené ióny vodíka. V dýchacom reťazci dochádza k ich oxidácii na vodu. Energia, uvoľnená pri tejto biologickej oxidácii sa využíva na fosforyláciu, teda tvorbu ATP. Keďže energia potrebná na vznik makroergických fosfátových väzieb ATP sa uvoľňuje oxidáciou, hovoríme o oxidatívnej fosforylácii. Odbúraním jednej molekuly glukózy sa vytvorí v celom cykle dýchania 38 molekúl ATP. Časť uvoľnenej energie sa vyžiari vo forme tepla. Krebsov cyklus aj biologická oxidácia vodíka prebiehajú v mitochondriách.
 
2  Skúmanie vplyvu príjmu vody na kvalitatívny stav prieduchov
2.1  Cieľ
Cieľom pokusu bolo skúmať vplyv rôzneho príjmu vody na kvalitatívny stav prieduchov rastliny.
 
2.2  Teoretické východiská
Prieduchy
Prieduch (Prílohy, fot. č. 1) alebo stóma je štruktúra v pokožkových pletivách nadzemných častí rastlín regulujúca výmenu plynov a vyparovanie vody. Zohráva dôležitú úlohu pri príjme oxidu uhličitého a pri transpirácii.
Tvoria ju dvojice buniek fazuľovitého (obličkovitého) tvaru medzi ktorými je prieduchová štrbina. Veľkosť štrbiny určuje turgor zatváravých buniek, takže čím viac sú bunky naplnené vodou, tým viac sú od seba oddelené. Prieduchové bunky majú na strane štrbiny zhrubnutú bunkovú stenu. Na rozdiel od buniek pokožky obsahujú aj chloroplasty. Cez prieduchovú štrbinu vydáva rastlina do prostredia prebytočnú vodu a taktiež uskutočňuje výmenu plynov (O2, CO2). Prieduchy sa nachádzajú najmä na spodnej strane listov, ale vodné rastliny s plávajúcimi listami na hladine ich majú na vrchnej strane.
 
Rumanček kamilkový (Chamomilla recutita L.)
Rumanček kamilkový (Prílohy, fot. č. 2) je jednoročná bylina vysoká 15 až 50 cm. Celá rastlina charakteristicky vonia.
Stonka je priama, vetvená a málo olistená. Listy sú jemné, striedavo prisedavé, 2x alebo 3x sperené, s úzko čiarkovitými špicatými úkrojkami. Kvetné úbory tvoria zlatožlté trúbkovité a biele jazykovité kvety na predĺžených stopkách a sú usporiadané do laty.
Kvitne od júna do septembra. Plodom je nažka sotva 1 mm dlhá.
Rastie ako poľná burina a na rumoviskách. V poslednej dobe sa pestuje i v poľných kultúrach. Nie je náročný na pôdu, preferuje ale hlinité pôdy s vyšším obsahom živín. Na Slovensku a v Česku rastie celkom hojne na celom území od nížin až do podhoria.
V liečiteľstve sa používa sušený kvet. Odvar či čaj z rumančeka pôsobí proti zápalovým chorobám, pri chorobách tráviaceho traktu, znižuje bolesť, hojí rany a bráni tvorbe jaziev. Hojne sa využíva i v kozmetickom priemysle.
 
2.3  Metódy
Ako výskumnú rastlinu sme použili  rumanček kamilkový. Na jeho listoch sme skúmali kvalitatívny stav prieduchov pri rôznom rytmyckom príjme vody rastlinou. Rumanček bol pestovaný v živnom agare (Pastýrik et al.) a po dobu 15 dní sme rastiny polievali v rôznych časových intervaloch a každé tri dni sme odobrali vzorku zo spodnej strany lista a preskúmali ju pod svetelným mikroskopom.
Pestovali sme 8 rastlín (2 na každý časový interval) a zalievali sme ich v 6 rôznych časových intervaloch:
1. 1x denne o 7:00
2.  1x denne v nerytmyckých časových intervaloch (vzhľadom na dni pozorovania)
3. 2x denne o 7:00 a 19:00 
4.  2x denne v nerymtmyckých časových intervaloch
Každý tretí deň sme odobrali vzorky z listov rastliny a pozorovali ich pod svetelným mikroskopom pri zväčšení 15x250. Na listoch sme si všimali vždy 3 náhodne vybraté prieduchy. Na prieduchoch sme si všimali: farbu, tvar, pohyb a iné atypické zmeny. Deformované prieduchy sme nakreslili a zaznačili sme si ich stav do tabuľky. Výsledky sme vyhodnotili do tabuľky a grafu.
 
2.4  Výsledky a analýza
V grafe č. 1 sú vyhodnotené výsledky, kde si môžeme všimnúť, že najvýhodnejšie pre prieduchy rastliny je polievať 1x denne v pravidelných časových intervaloch týždňa.  Poškodenia prieduchov, ktoré sme pozorovali boli prevažne: strata pigmentácie a znemožnenie pohybu. Predpokladáme, že strata farby je spôsobená príliš veľkým príjmom vody, prípadne príliš nízkym, vyschnutím, a nepravidelným čerpaním vody rastliny zo substrátu, na ktorom bola pestovaná.

2.5  Záver pokusu
Pokusom sme dokázali pozitívny účinok pravidelného a primeraného príjmu vody rastlinou na prieduchy listov. Výsledky pokusu môžu byť použité pri zalievaní rastlín prípadne pri ďaľších žiackych výskumoch.