Fizjologia roślin : wprowadzenie 9788301159696, 8301159693 [PDF]

Zitiervorschau

Fizjologia roślin

Stanisław Lewak Jan Kopcewicz

W Y D A W N I C T W O

N A U K O W E

P W N

Spis treści

1 Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.

Ogólna charakterystyka Komórka roślinna Tkanki roślinne Organy roślin Współzależność struktury i funkcji u roślin

2 Fizjologia przemiany materii 2.1. Gospodarka wodna 2.1.1. Definicja i wprowadzenie 2.1.2. Woda w komórce roślinnej 2.1.2.1. Dyfuzja 2.1.2.2. Osmoza 2.1.2.3. Pęcznienie 2.1.2.4. Znaczenie zjawisk osmotycznych 2.1.3. Migracja wody w roślinie 2.1.3.1. Transpiracja 2.1.3.1.1. Rodzaje transpiracji 2.1.3.1.2. Aparaty szparkowe 2.1.3.1.3. Mierniki transpiracji 2.1.3.1.4. Czynniki wpływające na transpirację 2.1.3.1.5. Znaczenie transpiracji 2.1.3.2. Pobieranie i transport wody 2.1.3.2.1. Mechanizmy migracji wody w roślinie 2.1.3.2.2. Migracja wody w korzeniu 2.1.3.2.3. Transport wody w pędzie 2.1.3.3. Czynniki regulujące migrację wody w roślinie 2.1.4. Bilans wodny rośliny

11 11 12 22 28 33

36 36 36 37 37 37 42 43 43 44 45 46 49 50 51 52 52 54 55 57 57

2.2. Gospodarka mineralna 2.2.1. Definicje i wprowadzenie 2.2.2. Pierwiastki niezbędne dla roślin 2.2.3. Pierwiastki mineralne w glebie 2.2.4. Pobieranie składników mineralnych 2.2.4.1. Pobieranie bierne 2.2.4.2. Pobieranie aktywne 2.2.5. Transport składników mineralnych 2.2.6. Rola pierwiastków mineralnych 2.2.6.1. Funkcje fizjologiczne 2.2.6.2. Objawy niedoboru 2.2.6.3. Znaczenie pierwiastków mineralnych w odżywianiu roślin

2.3. Fotosynteza i anabolizm 2.3.1. Definicja i sens biologiczny 2.3.2. Lokalizacja i struktura aparatu fotosyntetycznego 2.3.3. Reakcje świetlne fotosyntezy 2.3.3.1. Absorpcja światła 2.3.3.2. Transport elektronów 2.3.3.3. Fosforylacja fotosyntetyczna 2.3.4. Wiązanie i redukcja C 0 2 , rośliny C-3 i C-4, fotooddychanie 2.3.4.1. Cykl Calvina-Bensona 2.3.4.2. Fotooddychanie 2.3.4.3. Cykl Hatcha i Slacka 2.3.4.3.1. Fotosynteza u roślin typu C-4 . . . . 2.3.4.3.2. Fotosynteza u roślin typu CAM 2.3.5. Regulacja fotosyntezy przez czynniki środowiska 2.3.5.1. Wpływ światła 2.3.5.2. Rola składu atmosfery 2.3.5.3. Znaczenie dostępności wody 2.3.5.4. Wpływ temperatury 2.3.6. Produkty fotosyntezy i reakcje anaboliczne 2.3.6.1. Biosynteza cukrowców 2.3.6.2. Biosynteza tłuszczowców 2.3.6.3. Biosynteza związków azotowych 2.3.6.4. Metabolity wtórne 2.3.6.4.1. Związki fenolowe 2.3.6.4.2. Terpenoidy 2.3.6.4.3. Azotowe i siarkowe metabolity wtórne

2.4. Oddychanie 2.4.1. Substraty oddychania 2.4.2. Mobilizacja i utlenianie cukrowców 2.4.3. Cykl kwasów trikarboksylowych 2.4.4. Mitochondrialny łańcuch przenoszenia elektronów 2.4.4.1. Fosforylacja oksydacyjna 2.4.4.2. Alternatywna droga oddechowa

58 58 59 61 62 62 64 66 68 68 68 69

78 78 79 79 79 81 83 83 84 85 86 87 87 88 88 90 90 91 91 92 95 96 97 97 99 101

103 103 104 105 107 109 109

Spis treści • 9

2.4.5. Mobilizacja i katabolizm lipidów 2.4.6. Regulacja oddychania 2.4.6.1. Wpływ temperatury 2.4.6.2. Wpływ światła 2.4.6.3. Rola składników atmosfery 2.4.6.4. Inne czynniki wpływające na oddychanie

J Fizjologia wzrostu i rozwoju 3.1. Mechanizmy wzrostu i rozwoju roślin 3.1.1. Wzrost 3.1.2. Różnicowanie i rozwój 3.1.3. Regulacja procesów fizjologicznych 3.1.3.1. Regulacja przez czynniki endogenne 3.1.3.1.1. Substancje wzrostowe 3.1.3.1.2. Hormony roślinne 3.1.3.2. Regulacja przez czynniki środowiskowe 3.1.3.2.1. Morfogenetyczne działanie światła 3.1.3.2.2. Wpływ temperatury 3.1.3.2.3. Wpływ pola grawitacyjnego 3.1.4. Przekazywanie sygnału 3.1.4.1. Wtórne przekaźniki informacji 3.1.4.2. Szlaki przenoszenia informacji

3.2. Kiełkowanie nasion 3.2.1. Nasienie 3.2.2. Kiełkowanie 3.2.3. Procesy zachodzące podczas kiełkowania

3.3. Wegetatywny okres rozwoju 3.3.1. Morfogeneza organów wegetatywnych 3.3.2. Mechanizmy wegetatywnego rozwoju roślin 3.3.2.1. Kontrola genetyczna i hormonalna 3.3.2.2. Wpływ czynników środowiskowych 3.3.2.3. Korelacje procesów rozwojowych 3.3.3. Zjawiska regeneracji u roślin 3.3.4. Rozmnażanie wegetatywne roślin

3.4. Generatywny okres rozwoju 3.4.1. Charakterystyka kwitnienia 3.4.2. Fazy i kontrola kwitnienia 3.4.3. Indukcja kwitnienia 3.4.3.1. Fotoperiodyczna indukcja kwitnienia 3.4.3.2. Termiczna indukcja kwitnienia (wernalizacja) 3.4.3.3. Szlaki indukcji kwitnienia 3.4.4. Ewokacja kwitnienia i morfogeneza kwiatu 3.4.5. Rozwój nasienia i owocu

3.5. Starzenie się roślin 3.5.1. Charakterystyka procesów starzenia się roślin 3.5.1.1. Życie i śmierć roślin

110 112 112 113 113 114

115 115 115 117 119 119 120 120 126 126 130 131 131 132 133

134 135 136 137

139 139 143 144 146 148 148 149

150 150 151 153 153 155 157 160 162

163 163 163

10 • Spis treści 3.5.1.2. Starzenie się organów 3.5.1.3. Objawy starzenia się roślin 3.5.2. Mechanizmy starzenia się roślin 3.5.2.1. Koncepcje deterministyczne i stochastyczne 3.5.2.2. Rośliny mono- i polikarpiczne 3.6. Ruchy roślin 3.6.1. Ruchy autonomiczne 3.6.2. Ruchy jako odpowiedź na zmiany w środowisku 3.6.2.1. Tropizmy są ruchami wzrostowymi 3.6.2.2. Nastie nie zależą od kierunku bodźca

4 Fizjologia stresu 4.1. Stres 4.2. Przebieg odpowiedzi roślin na stresor 4.3. Odporność roślin na stresy 4.3.1. Typy odporności 4.4. Rodzaje stresów 4.4.1. Stres oksydacyjny 4.4.2. Stres wodny 4.4.3. Stres radiacyjny 4.4.4. Stres termiczny 4.4.4.1. Stres cieplny 4.4.4.2. Stres spowodowany niską temperaturą 4.4.5. Stres solny 4.4.6. Stres spowodowany zanieczyszczeniami środowiska 4.4.7. Rośliny - bioindykatory zanieczyszczeń

5 Fizjologia plonowania roślin 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5.

Plon i plonowanie Produkcyjność i produktywność roślin Fizjologiczne podstawy plonowania roślin Nawożenie a plonowanie roślin Czynniki warunkujące wzrost plonów

6 Biotechnologia roślin 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6.

Definicje i wprowadzenie Tradycyjne metody hodowli roślin Roślinne kultury in vitro Inżynieria genetyczna roślin Zastosowania genetycznie zmodyfikowanych roślin uprawnych Kontrowersje wokół biotechnologii roślin

Skorowidz

164 165 166 166 167 169 169 170 171 174

175 175 177 178 179 179 180 181 183 184 184 185 188 189 191

192 192 193 193 196 197

199 199 200 201 203 204 205

207

1 Organizacja struktur alno-funkcjonalna rośliny

1.1. Ogólna charakterystyka roślin Rośliny są podstawą życia na Ziemi. Kumulują energię słoneczną i przekazują ją w formie pożywienia wszystkim innym organizmom, także człowiekowi. Dzięki fotosyntezie uwalniają z wody tlen, który wraz z azotem, należy do głównych składników atmosfery Ziemi. Rośliny oczyszczają atmosferę, pochłaniając z niej dwutlenek węgla. Z gleby i z wody pobierają pierwiastki niezbędne do procesów życiowych, a następnie tworzą związki organiczne, witaminy, substancje biologicznie czynne - to, czego inne organizmy nie wytwarzają, a bez czego nie mogą funkcjonować. Rośliny są więc pierwszym, niezbędnym ogniwem w łańcuchu pokarmowym naszej planety. Rośliny oprócz pokarmu dostarczają także drewna, włókien naturalnych, lateksu, barwników i leków, jako ważne surowce przemysłowe. Organizmy występujące na Ziemi dzielą się najbardziej ogólnie na rośliny, zwierzęta, grzyby i bakterie. Jednak szczegółowe zaklasyfikowanie nie jest w pewnych przypadkach łatwe. Istnieją bowiem organizmy łączące w sobie cechy roślinne i zwierzęce, np. niektóre wiciowce czy śluzówce. Jakie cechy decydują zatem, że dany organizm zaliczany jest do roślin? Organizm roślinny jest autotrofem, tzn. ma zdolność do przeprowadzania procesu fotosyntezy. Istnieją tylko nieliczne heterotrofy roślinne. Rośliny zawierają plastydy, a w chloroplastach barwnik fotosyntetyczny - chlorofil. Komórki roślinne są otoczone ścianą komórkową zbudowaną z celulozy, często wysyconej ligniną. Wnętrze komórki wypełnia cytoplazma i niejednokrotnie duża centralna wakuola (wodniczka). U roślin występuje przemiana pokoleń, haploidalnego i diploidalnego. Jedno z nich jest zazwyczaj silnie zredukowane i nie funkcjonuje samodzielnie. Każda roślina, czy to będzie jednokomórkowy glon, czy potężne drzewo, jest organizmem. Oznacza to, że jest układem wykazującym określone prawidłowości zarówno

1 2 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny

w budowie, jak i w funkcjonowaniu. Roślina jest zbudowana według pewnego wzorca i ma odpowiednią strukturę. Wysoki stopień zorganizowania struktury organizmu polega na tym, że tworzy on układ wielopoziomowy. Istnieją poszczególne poziomy organizacji biologicznej rośliny od poziomu molekularnego i komórkowego, przez tkanki, organy, cały organizm aż do poziomów ponadorganizmalnych, a więc populacyjnych. Poszczególne poziomy organizacji biologicznej rośliny stanowią hierarchiczny układ, w którym przebiegają wszystkie procesy życiowe. Tak więc znajomość budowy rośliny jest niezbędna, aby móc rozpatrywać fizjologiczne procesy zachodzące na poszczególnych poziomach organizacji biologicznej, od poziomu molekularnego do organizmalnego. Ciało rośliny jest zbudowane ze związków chemicznych które są materialną podstawą struktur organizmu. Trzy pierwiastki chemiczne: węgiel, wodór i tlen stanowią około 90% całkowitej świeżej masy rośliny. Na pozostałą część masy składają się: azot, fosfor, potas, wapń, siarka, magnez, żelazo, bor, miedź, mangan, molibden, cynk, chlor i inne pierwiastki które występują w ilościach śladowych. Główne pierwiastki w budowie świeżej (uwodnionej) masy rośliny to: tlen (79,8%), wodór (10,1%), węgiel (9%); inne to 1,1%. Pierwiastki budują najprzeróżniejsze związki chemiczne zarówno organiczne, jak i nieorganiczne, przy czym najważniejszą rolę odgrywają białka, lipidy, cukrowce i ich pochodne. Szczególne miejsce zajmuje woda, ponieważ jej zawartość w różnych organach roślinnych waha się od około 10% w suchych nasionach do ponad 90% w soczystych owocach. Przeciętnie w roślinie znajduje się około 75% wody. Pełni ona ważną rolę strukturalną i tworzy niezbędne środowisko (medium), w którym zachodzą reakcje metaboliczne. Ciało rośliny zbudowane więc jest z substancji organicznych i nieorganicznych (składających się na suchą masę rośliny) oraz z wody.

1.2. Komórka roślinna K o m ó r k a jest to podstawowa jednostka biologiczna zdolna do samodzielnego przejawiania wszystkich cech życia w środowisku nieożywionym. Komórka jest więc niezbędną jednostką strukturalną i funkcjonalną, bez której procesy życiowe zajść nie mogą. Komórka potrafi pobierać związki chemiczne ze środowiska i przekształcać je w substancje budujące własne struktury, co umożliwia jej wzrost, różnicowanie i wytwarzanie komórek potomnych. Zycie organizmu roślinnego rozpoczyna się od komórki zwanej zygotą. Cała późniejsza złożona struktura ciała rośliny wywodzi się z tej jednej komórki. Pierwszym procesem, który do tego prowadzi, jest podział zygoty i kolejne podziały komórek potomnych. W ten sposób powstaje wielokomórkowy zawiązek rośliny - zarodek, umiejscowiony w nasieniu. Rozwijający się zarodek rozpoczyna cykl ontogenetyczny organizmu roślinnego. Komórka jest podstawową jednostką strukturalną wszystkich żywych organizmów, chociaż istnieją duże różnice w budowie różnych komórek. Komórki roślinne, w odróżnieniu np. od zwierzęcych, mają ścianę komórkową, zawierają plastydy oraz duże wakuole (rys. 1.1).

1.2. K o m ó r k a roślinna • 1 3 błona komórkowa

ściana komórkowa

chloroplast

• O , O

siateczka śródplazmatyczna •(( ^ gładka m ^ W ^ — otoczka jądrowa jądro siateczka śródplazmatyczna szorstka

Hys. 1.1. Schemat komórki roślinnej

Komórka wykazuje wysoki stopień organizacji wewnętrznej, który w dużej mierze wynika z tego, że zawiera pełną informację genetyczną, zdolną do samoodtwarzania się w procesie replikacji DNA i wytwarzania różnych rodzajów RNA, które są niezbędne do syntezy pełnego zestawu białek strukturalnych i enzymatycznych. Białka wraz z lipidami, cukrowcami, innymi związkami organicznymi i nieorganicznymi tworzą skomplikowane struktury komórkowe, w których odbywają się różnorodne przemiany metaboliczne. Procesy te wymagają zarówno oddzielenia poszczególnych reakcji metabolicznych od otoczenia, jak i zapewnienia kontaktu i wymiany z tym otoczeniem. Dzieje się tak dzięki istnieniu błon komórkowych oraz pewnych elementów subkomórkowych otoczonych błonami. Błony otaczają nie tylko jądro, organelle, wakuole, ale także całe wnętrze komórki (plazmolema). Błony tworzą w komórce zamknięte, odizolowane od siebie obszary, w których mogą zachodzić bez przeszkód określone reakcje chemiczne katalizowane przez białka enzymatyczne. Cała komórka podzielona jest więc błonami na liczne przedziały (kompartmenty). Wybiórcza przepuszczalność pozwala na przepływ jonów, substancji chemicznych i informacji między poszczególnymi kompartmentami, co umożliwia doprowadzanie substratów I odprowadzanie produktów reakcji do określonych miejsc w komórce. Komórka roślinna jest także układem termodynamicznym otwartym, mając zdolność wymiany energii i substancji chemicznych z otoczeniem. Dopływ energii do komórki i przetworzenie jej w formę biologicznie użyteczną zwiększa poziom energii Nwobodnej w komórce. Komórka jest więc układem biologicznym o wysokim poziomie energii swobodnej, doskonale uporządkowanym, a więc o niskim poziomie entropii. Nieuchronnie pojawiający się z czasem wzrost nieuporządkowania i entropii pociąga za sobą dezorganizację procesów metabolicznych, co może prowadzić do flmierci komórki. W typowej komórce roślinnej wyróżnia się następujące dwa główne elementy Nkładowe: ścianę komórkową i protoplast. W protoplaście otoczonym plazmolemą

1 4 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny

znajduje się cytoplazma ze strukturami cytoplazmatycznymi (rybosomy, retikulum endoplazmatyczne, struktury Golgiego, peroksysomy, glioksysomy), organelle (jądro, plastydy, mitochondria) oraz wakuola(e).

Ściana komórkowa Komórki roślinne otoczone są ścianą komórkową. Zbudowana jest ona z celulozy, substancji pektynowych, hemiceluloz i ligniny. Występują dwa rodzaje ścian komórkowych. Ściany pierwotne w młodych i metabolicznie aktywnych komórkach, zbudowane z celulozy, hemiceluloz i substancji pektynowych, oraz ściany wtórne w komórkach dorosłych, zbudowane z celulozy, substancji pektynowych i ligniny. Pomiędzy ścianami dwóch sąsiadujących komórek w tkance znajduje się blaszka środkowa, zbudowana ze związków pektynowych (rys. 1.2). Młode rosnące komórki otoczone są pierwotną ścianą komórkową. Po zakończeniu wzrostu wydłużeniowego komórki rozpoczyna się synteza ściany wtórnej. Zarówno pierwotna jak i wtórna ściana komórkowa są przepuszczalne dla wody i rozpuszczonych w niej substancji. Znajdują się w nich otworki (jamki) poprzez które przerastają z jednej komórki do drugiej plazmodesmy, czyli wypustki plazmatyczne łączące protoplasty sąsiadujących komórek w obrębie tkanki. Fakt istnienia ścian komórkowych powoduje, że w obrębie tkanek i organów roślinnych tworzą się dwa obszary: Apoplast obejmuje ściany komórkowe i przestwory międzykomórkowe. Symplast tworzą cytoplazmy poszczególnych komórek połączone ze sobą plazmodesmami. Apoplast jest zatem ważnym kanałem przez który przemieszcza się woda wraz z rozpuszczonymi w niej jonami i związkami chemicznymi. blaszka środkowa

Rys. 1.2. Struktura ścian komórkowych

1.2. K o m ó r k a roślinna • 1 5

Protoplast W skład protoplastu wchodzi błona komórkowa wraz z cytoplazmą, strukturami cyloplazmatycznymi, organellami i wakuolą(ami).

lilony komórkowe Zewnętrzną warstwę protoplastu stanowi lipoproteinowa błona - plazmolema, która sąsiaduje ze ścianą komórkową i otacza protoplast. Jest to błona wysoce selektywna, klóra utrzymuje równowagę jonową oraz umożliwia dostęp potrzebnych substancji do komórki. Plazmolema odbiera też i przekazuje sygnały ze środowiska zewnętrznego do wnętrza komórki. Poza plazmolemą w komórce występuje układ błon biologicznych obejmujących błony otaczające organelle, wakuole oraz struktury cytoplazmatyczne. Wszystkie błony w komórce tworzą swoiste kontinuum i regulacja ich przepuszczalności leży u podstaw prawidłowego przebiegu procesów metabolicznych u roślin. Zasadniczym elementem strukturalnym każdej błony biologicznej jest podwójna warstwa cząsteczek fosfolipidów. W tej dwuwarstwie lipidowej tkwią białka błonowe. ( 7.ęść z nich jest związana z powierzchnią błony (białka powierzchniowe), inne zaś są zanurzone w warstwie lipidowej (białka integralne) (rys. 1.3). Białka błonowe umożliwiają selektywny (wybiórczy) transport jonów i substancji przez błony. cukrowiec

podwójna warstwa lipidowa

białka integralne

powierzchniowe

podwójna warstwa lipidowa

biatka integralne

białko powierzchniowe

Rys. 1.3. Struktura btony biologicznej

1 6 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny biatka kanałowe (wodne, jonowe)

biatka nośnikowe

podwójna warstwa lipidowa

gradient elektrochemiczny

dyfuzja prosta

dyfuzja ułatwiona

transport bierny Rys. 1.4. Przepuszczalność błon biologicznych (Wg: Szweykowska 1997. Fizjologia roślin. Wyd. Nauk. (JAM, Poznań, zmodyfikowane)

Błony biologiczne stanowią barierę fizyczną dla jonów i substancji wnikających do cytoplazmy. Są one selektywnie półprzepuszczalne. Przenikanie jonów i małych związków chemicznych przez błony zachodzi w sposób bierny bądź aktywny (rys. 1.4). Bierne p r z e n i k a n i e zachodzi przez dyfuzję prostą, złożoną lub ułatwioną. Dyf u z j a p r o s t a to przemieszczanie się od stężenia większego do mniejszego aż do wyrównania się stężeń po obu stronach błony. Dyfuzja złożona zachodzi wzdłuż gradientu stężenia, d y f u z j a ułatwiona zaś odbywa się z udziałem specjalnych nośników przenoszących jony i substancje przez błony. W błonach funkcjonują także k a n a ł y Jonowe zbudowane z integralnych białek błonowych. Mechanizm kontrolujący otwieranie i zamykanie kanału (bramkowanie) polega na zmianach potencjału elektrycznego błony. Udział biorą także tzw. wtórne przekaźniki informacji (np. Ca 2+ ), lipidowe składniki błon oraz enzymy kontrolujące przyłączanie (kinazy) bądź usuwanie (fosfatazy) reszt fosforanowych z białka kanałowego. Fosforylacja wiedzie do otwarcia, zaś defosforylacja do zamknięcia kanału. W plazmolemie i tonoplaście (błona otaczająca wakuolę) są także akwaporyny, czyli specjalne kanały przez które migruje woda do cytoplazmy bądź wakuoli. Aktywne przenikanie przez błony wymaga dopływu energii metabolicznej, która zapewnia polaryzację elektrochemiczną błon i wytwarzanie siły transportowej. Polaryzacja elektrochemiczna zachodzi z udziałem pomp jonowych, głównie H + -ATPazy, czyli pompy protonowej (rys. 1.5). P o m p a protonowa jednokierunkowo transportuje protony przez błonę, powodując niejednorodne rozmieszczenie protonów po obu stronach błony i powstanie gradientu potencjału elektrochemicznego H + i gradientu pH. Jest to t r a n s p o r t pierwotny. Ze względu na powstałe w poprzek błony komórkowej (plazmolemy) różnice ładunku elektrycznego i pH, protony wracają do komórki, czemu towarzyszyć może transport określonych jonów i cząsteczek. Jest to t r a n s p o r t wtórny o charakterze symportu bądź antyportu. W przypadku symportu zarówno protony jak i transportowane jony bądź substancje przechodzą razem w tym samym

1.2. K o m ó r k a roślinna • 1 7 błona

kierunku (ze środowiska zewnętrznego do wnętrza komórki). Antyport natomiast powoduje, że ruchowi protonów do cytoplazmy towarzyszy jednoczesny transport jonów lub substancji w odwrotnym kierunku, tzn. na zewnątrz komórki (tab. 1.1) Tabela 1.1. Mechanizmy transportu przez btony Rodzaj transportu

Mechanizm transportu

Bierny

1. dyfuzja 2. wymiana jonowa 3. kanaty jonowe

Aktywny

1. pierwotna pompa protonowa 2. transport sprzężony wtórny (kotransport) a) antyport (H+/kation) b) symport (H~/anion, H+/cukier, H+/aminokwas) 3. transport niezależny od innych jonów (uniport)

Cytoplazma, struktury cytoplazmatyczne i organelle Cytoplazma to złożony zbiór różnego rodzaju substancji organicznych i nieorganicznych częściowo rozpuszczonych w wodzie i tworzących układ koloidalny w komórce. Cytoplazma komórek roślinnych zawiera około 75-85% wody, 10-20% białek, 2-3% lipidów i 1% substancji mineralnych. Cytoplazma zajmuje od 10 do 50% objętości całej komórki. Wyróżnia się w niej cytoplazmę podstawową i struktury cytoplazmatyczne. Cytoplazma podstawowa (cytozol) składa się z roztworu wodnego (sole mineralne, cukry, aminokwasy, kwasy organiczne i inne) oraz białek, w tym białek cytoszkieletu.

1 8 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny

25 nm

mikrotubula

|7nm mikrofilament Rys. 1.6. Składniki cytoszkieletu komórki roślinnej

Cytoszkielet to białkowe struktury podporowe tworzące organizację wewnętrzną cytozolu oraz biorące udział w wewnątrzkomórkowym transporcie i ruchach cytoplazmy. Cytoszkielet tworzą tzw. mikrotubule i mikrofilamenty (rys. 1.6). W cytoplazmie podstawowej oprócz cytoszkieletu znajdują się struktury cytoplazmatyczne (rybosomy, retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego, mikrociała), organelle (jądro, plastydy, mitochondria) oraz wakuola. Rybosomy są to składające się z dwóch podjednostek: małej (S) i dużej (L) struktury cytoplazmatyczne zbudowane z około 50-60% białek, 40-50% RNA oraz niedużej ilości lipidów. Występują one w stanie wolnym w cytoplazmie podstawowej, jądrze, chloroplastach i mitochondriach bądź są związane z błonami retikulum endoplazmatycznego i błoną jądrową. Rybosomy łącząc się ze sobą tworzą na błonach retikulum endoplazmatycznego (siateczka śródplazmatyczna szorstka) struktury zwane polisomami. Wolne rybosomy, a także polisomy uczestniczą w procesie syntezy białek (translacji). Retikulum endoplazmatyczne (ER, siateczka śródplazmatyczna) jest to skomplikowany system struktur błonowych przenikających cytoplazmę podstawową we wszystkich kierunkach i tworzących siateczkę kanalików rozszerzających się miejscami w większe pęcherzyki, zwane cysternami. Retikulum jest zbudowane z błon tworzących sieć rurek, kanalików i cystern. Zajmuje około 10% objętości cytoplazmy, zaś błony retikulum stanowią około 50% wszystkich błon komórkowych. W kanałach i cysternach siateczki śródplazmatycznej występują liczne enzymy i zachodzą określone reakcje biochemiczne. Tędy odbywa się także transport substancji między różnymi obszarami cytoplazmy i organellami. A p a r a t Golgiego jest systemem błon złożonych z płaskich cystern, rurek i pęcherzyków. Stos spłaszczonych cystern tworzy podstawową strukturę - diktiosom (rys. 1.7). Na brzegach cystern diktiosomu tworzą się rozszerzenia z których powstają pęcherzyki. Cysterny diktiosomu powstają z błon retikulum endoplazmatycznego. Aparat Golgiego uczestniczy w syntezie składników ścian komórkowych (pektyn, hemiceluloz), jest także miejscem powstawania glikoprotein. Pęcherzyki uczestniczą w transporcie różnych substancji wewnątrz protoplastu oraz w wydalaniu ich na zewnątrz. M i k r o c i a ł a (peroksysomy i glioksysomy). Są to pęcherzykowate, drobne struktury powstające przez odrywanie się od retikulum endoplazmatycznego. Występuje w nich

1.2. Komórka roślinna • 1 9 siateczka ' — śródplazmatyczna (ER)

A

O, o

OO

O

diktiosom

pęcherzyki Golgiego Mys. 1.7. Budowa (A) i tworzenie się (B) aparatu Golgiego (Wg: Szweykowska i Szweykowski 1992. Botanika. PWN, W.itszawa, zmodyfikowane)

enzym katalaza, rozkładająca nadtlenek wodoru na wodę i tlen. Peroksysomy przeprowadzają reakcje utleniania, uczestniczą także w procesie fotooddychania. Glioksysomy zawierają enzymy cyklu glioksalanowego prowadzącego do rozkładu kwasów tłuszczowych i przemiany ich w cukry. Mitochondria występują we wszystkich komórkach, zarówno roślinnych jak i zwierzęcych. Odgrywają główną rolę w przemianach energetycznych komórki (patrz rozdz. 2.4). Kształt mitochondriów jest kulisty, podłużny lub nieregularny. Mają średnicę około 0,5-1,0 jim, długość zaś 5 - 7 nm. Liczba mitochondriów w komórce wynosi od kilkudziesięciu do kilku tysięcy. Mitochondrium jest otoczone dwiema błonami zewnętrzną i wewnętrzną (rys. 1.8). Błona zewnętrzna jest gładka i zawiera więcej lipidów niż białek. Błona wewnętrzna tworzy liczne wpuklenia i pofałdowania (grzebienie mitochondrialne) i zbudowana jest w 70% z białek i 30% z lipidów. W błonie tej znajduje się wiele układów enzymatycznych, w tym syntaza ATP. Wnętrze mitochondrium wypełnia jednorodna gęsta macierz mitochondrialna. Zawiera ona wiele białek i enzymów, i tam zachodzą przemiany oddechowe cyklu Krebsa. W macierzy mitochondrialnej występuje także własny, mitochondrialny kolisty DNA oraz rybosomy typu 70S wraz z enzymami syntezy DNA, RNA i białka. Mitochondria to samopowiclające się organelle, które się namnażają w wyniku wydłużania i dzielenia już Istniejących struktur w trakcie podziału komórki.

A

nr7PRtr7ftń mieH7vhtnnnwa

B

hlona zewnętrzna

błona wewnętrzn

Ry«. 1.8. Budowa (A) i przestrzenny obraz (B) mitochondrium roślinnego

grzebienie

matrikc

2 0 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny tylakoidy gran

podwójna błona

tylakoidy gran

tylakoidy stromy kropla tłuszczu

stroma

grana

granum

tylakoidy stromy

skrobia

Rys. 1.9. Budowa (A) i przestrzenny obraz (B) chloroplastu

Plastydy występują wyłącznie w komórkach roślinnych. Otoczone są podwójną błoną. Występują w różnych typach komórek. W komórkach merystematycznych tworzą się proplastydy, z których następnie rozwijają się inne formy plastydów, jak leukoplasty (gromadzą substancje zapasowe, np. skrobię), c h r o m o p l a s t y (zawierają duże ilości barwników, zwłaszcza karotenoidów) oraz chloroplasty, w których znajduje się chlorofil i zachodzi proces fotosyntezy (p. rozdz. 2.3). Chloroplasty to organelle o długości około 3-10 |im. Oprócz podwójnej błony mają silnie rozwinięty wewnętrzny system błon w postaci równolegle ułożonych spłaszczonych woreczków - tylakoidów, w które wbudowane są barwniki fotosyntetyczne. Tylakoidy (lamele) tworzą grana (stosy) złożone z małych tylakoidów oraz intergrana utworzone z tylakoidów dużych. Tylakoidy duże łączą w stromie (macierzy) poszczególne grana w jeden ciągły system (rys. 1.9). W błony małych tylakoidów wbudowany jest cały aparat jasnej jąderka chromatyna zwarta

chromatyna luźna

ER szorstkie

por otoczki jądrowej —

otoczka jądrowa

kariolimfa

rektikulum endoplazmatyczne gładkie Rys. 1.10. Jądro komórkowe

1.2. K o m ó r k a roślinna • 2 1

fazy fotosyntezy. Przeciętnie w chloroplaście znajduje się około 50 gran. W stromie chloroplastu znajdują się białka, głównie karboksylaza/oksygenaza rybulozo-l,5-bisIbsforanowa (rubisco), która stanowi około 50% wszystkich białek stromy. W stromie występuje też własny DNA kodujący RNA oraz aparat syntezy białka na rybosomach 70S. J ą d r o komórkowe otacza podwójna błona jądrowa (otoczka jądrowa) łącząca się / retikulum endoplazmatycznym. Wnętrze jądra wypełnia nukleoplazma, w której można wyróżnić chromatynę, jąderko(a) i sok jądrowy (kariolimfę) (rys. 1.10). C h r o m a t y n a utworzona z DNA, RNA, białek histonowych i niehistonowych stanowi najważniejszy składnik jądra, w którym zawarta jest informacja genetyczna komórki. Podstawowym elementem strukturalnym jest nukleosom, który powstaje przez owinięcie się nici DNA wokół trzonu zbudowanego z białek histonowych (rys. 1.11). Między nukleosomami znajdują się odcinki helisy DNA. Podczas podziału jądra dochodzi do silnej kondensacji chromatyny i wyłonienia się chromosomów. Każdy chromosom jest podzielony wzdłuż na dwie połówki - chromatydy, połączone ze Nobą w miejscu zwanym centromerem (rys. 1.12). ,ląderko nie jest ograniczone błoną. Zawiera geny syntezy rybosomowego RNA, gdzie zachodzi transkrypcja rRNA, który po połączeniu się z określonymi białkami tworzy rybosomy. Kariolimfa wypełnia wnętrze jądra. Znajdują się w niej liczne białka, wśród nich enzymy związane z syntezą kwasów nukleinowych (polimerazy DNA i RNA) oraz kinazy. Podziały komórek embrionalnych (twórczych) są poprzedzone podziałem jądra. Dzielą się wtedy chromosomy i przemieszczają do jąder potomnych. Proces ten nazywa się mitozą. Niektóre komórki podlegają podziałowi redukcyjnemu (mejoza), czego rezultatem jest powstanie komórek płciowych - gamet (lub zarodników). B

/

DNA białka histonowe DNA

Ry«. 1.11. Struktura chromatyny: A - chromatyna po dekondensacji, B - nukleosomy, C - pojedynczy nukleosom

2 2 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny

satelita przewężenie wtórne

centromer

Rys.1.12. Struktura chromosomu

W a k u o l a otoczona jest błoną, czyli t o n o p l a s t e m . W dojrzałych komórkach centralna wakuola może zajmować nawet 90% całkowitej objętości. Wakuola zawiera sok komórkowy, w którym gromadzą się substancje zapasowe, kwasy organiczne, aminokwasy, cukry, białka, garbniki, flawonoidy, alkaloidy, a także ciała stałe - kryształy (np. szczawianu wapnia), rafidy, druzy oraz krystaliczne białka. W młodych komórkach powstaje duża liczba wakuoli, które w miarę dojrzewania zlewają się w jedną wakuolę centralną (rys. 1.13). Wakuola wywierając ciśnienie na cytoplazmę i ścianę komórkową, odpowiada za stan jędrności komórki (turgor). A

B

wakuola centralna

Rys. 1.13. Wakuola w komórkce A - młodej, B - dojrzalej

1.3. Tkanki roślinne T k a n k a jest zbiorem komórek współdziałających w pełnieniu określonych funkcji w organizmie. Tkanki roślinne podzielić można na tkanki twórcze oraz tkanki stałe. T k a n k i twórcze to różnego rodzaju merystemy, w których odbywają się regularne podziały komór-

1.3. Tkanki roślinne • 2 3

kowe. T k a n k i stałe to zespoły komórek dojrzałych (okrywające, miękiszowe, mechaniczne, przewodzące), w których podziały komórkowe nie zachodzą lub pojawiają się lylko wyjątkowo. Tkanki stałe można także podzielić na tkanki jednorodne (okrywające, miękiszowe), złożone z komórek o podobnej budowie oraz tkanki niejednorodne (np. przewodzące) o różnej budowie komórek (łyko, drewno). Ogólnie można wyróżnić następujące rodzaje tkanek roślinnych: 1) twórcze, 2) okrywające, 3) miękiszowe (parenchymatyczne), 4) mechaniczne, 5) przewodzące.

I kanki twórcze (merystemy) Tkanki twórcze zbudowane są z małych, cienkościennych komórek podlegających ciągłym podziałom mitotycznym. Merystem jako całość zachowuje mniej więcej stałą objętość, gdyż w miarę przybywania komórek te najbardziej oddalone od centrum podlegają procesom różnicowania i przekształcają się w komórki tkanek stałych. Tkanki twórcze dzielą się na merystemy pierwotne i wtórne (rys. 1.14). Merystemy pierwotne to zarodkowe (występujące w zarodkach), archespońalne (w organach rozmnażania, a więc archesporze żeńskim i męskim), interkalarne (wstawowe, u podstawy międzywęźla, np. u traw, skrzypów), merystemy wierzchołkowe (stożki wzrostu) korzenia i pędu (rys. 1.15). Merystemy wtórne to głównie k a m b i u m (miazga twórcza) występujące w wiązkach łyko-drzewnych (kambium wiązkowe) i promieniach rdzeniowych (kambium międzywiązkowe). Kambium wiązkowe wytwarza komórki drewna ł łyka wtórnego, natomiast kambium międzywiązkowe produkuje komórki miękiszowe promieni rdzeniowych. Kambium odpowiada za przyrost rośliny na grubość.

merystemy wierzchołkowe pędu

Rys. 1.14. Położenie merystemów w roślinie

merystemy wierzchołkowe korzenia

Rys. 1.15. Przekrój podłużny stożka wzrostu pędu (A) oraz korzenia (B); 1 - merystem wierzchołkowy , 2 - czapeczka, a - plerom, b - peryblem, c - dermatogen

Tkanką twórczą wtórną jest także felogen (miazga korkotwórcza), który powstaje przez odróżnicowanie komórek miękiszowych (kora pierwotna) bądź okrywających. Wskutek działalności felogenu powstaje wtórna tkanka okrywająca - peryderma, składająca się z felodermy (miękisz korkowy) oraz felemu (korka). Merystemem wtórnym jest również kalus powstający w miejscu urazu mechanicznego rośliny. Ma charakter szybko namnażającej się tkanki parenchymatycznej zasklepiającej powstałe rany. Kalus odgrywa także ważną rolę w procesach organogenezy.

Tkanki okrywające Tkanki okrywające otaczają wszystkie organy roślinne, chroniąc wnętrze rośliny przed ingerencją czynników zewnętrznych. Tkanka okrywająca pierwotna to e p i d e r m a (skórka), peryderma zaś jest tkanką okrywającą wtórną. Epiderma stanowi zazwyczaj pojedynczą warstwę komórek o pochodzeniu miękiszowym. Komórki te bardzo często są wysycone woskiem i kutyną, tworząc na zewnątrz kutykulę albo nabłonek (rys. 1.16). W epidermie pędu znajdują się aparaty szparkowe (patrz rys. 2.8 i 2.9), odgrywające istotną rolę w wymianie gazowej. Epiderma wytwarza też często różnego rodzaju wyrostki, włoski i kolce. W łodygach i korzeniach roślin wieloletnich wykazujących intensywne przyrosty na grubość, spowodowane działalnością kambium, zakłada się też felogen, który wytwarza wtórną tkankę okrywającą - p e r y d e r m ę (korkowicę). Jest to tkanka nieprzepuszczalna dla wody i powietrza. Zarówno epiderma jak i peryderma ochraniają głębiej leżące tkanki łodygi i korzenia przed urazami mechanicznymi oraz patogenami. Skórka korzenia (epiblema)

1.3. Tkanki roślinne • 2 5

kutykula warstwa pektyn ściana wtórna ściana pierwotna miękisz zieleniowy Rys. 1.16. Struktura epidermy liścia u agawy

|est wyspecjalizowana także w pobieraniu wody i soli mineralnych, tworząc strefę wlośnikową.

I kanki miękiszowe (parenchymatyczne) Miękisz jest najbardziej rozpowszechnionym typem tkanki roślinnej. Komórki miękis/.owe stanowią podstawową masę wszystkich organów wegetatywnych (korzenie, łodygi, liście) rośliny. Ściana komórkowa jest cienka i najczęściej ograniczona do ściany pierwotnej. Komórki miękiszowe łatwo ulegają odróżnicowaniu i dają początek merystemom wtórnym. Protoplast jest silnie zwakuolizowany, a cytoplazma często zepchnięta do ściany komórkowej przez centralną wakuolę. W tkance miękiszowej pomiędzy komórkami znajdują się liczne przestwory międzykomórkowe. Miękisz spełnia w roślinie różne funkcje, w związku z czym wyróżnić można: miękisz zasadniczy, zieleniowy, spichrzowy i powietrzny (rys. 1.17). Miękisz zasadniczy wypełnia wolne przestrzenie między innymi tkankami. Miękisz zieleniowy (asymilacyjny, chlorenchyma) występuje głównie w liściach. Komórki zawierają liczne chloroplasty w których odbywa się proces fotosyntezy Miękisz spichrzowy występuje głównie w organach magazynujących jak bulwy, kłącza, korzenie spichrzowe a także w nasionach i owocach Miękisz powietrzny (aerenchyma) występuje u roślin rosnących w warunkach silnego nawodnienia. Magazynuje powietrze.

Tkanki mechaniczne (wzmacniające) Komórki mechaniczne mają zgrubiałe ściany co zapewnia zawierającym je organom odpowiednią elastyczność i sztywność (rys. 1.18). Kolenchyma (zwarcica) jest tkanką złożoną z komórek żywych, mających charakterystyczne zgrubienia ścian. Wyróżnić można różne jej typy, np. kolenchymę kątową i płatową.

2 6 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny

K — miękisz palisadowy

i

miękisz gąbczasty

przestwór międzykomórkowy

ziarno skrobii

Rys. 1.17. Tkanki miękiszowe: A - miękisz asymilacyjny, B - miękisz spichrzowy, C - miękisz powietrzny

Rys. 1.18. Tkanki mechaniczne: A - kolenchyma, B - włókna sklerenchymy, C - komórki kamienne (Wg- Malinowski 1973. Anatomia roślin. PWN, Warszawa, zmodyfikowane)

1.3. Tkanki roślinne • 2 7

Sklerenchyma (twardziea) jest utworzona z martwych komórek o grubych ścianach wtórnych. Wykazuje dużą odporność na rozciąganie, ściskanie, zginanie i skręcanie. Nadaje organom stabilność i odporność na urazy mechaniczne. Sklerenchyma występuje w postaci włókien i sklereidów (komórek kamiennych)

I kanki przewodzące (waskularne) I kankami przewodzącymi są drewno (ksylem) i łyko (floem). Są to tkanki niejednoinilne, złożone z wielu różnych rodzajów komórek (rys. 1.19). Drewno przewodzi głównie wodę ze związkami mineralnymi, łyko zaś związki organiczne (asymilaty).

DREWNO

włókno drzewne

cewka •

^

naczynie f.v cewki

włókna drzewne

jamki

•JjL- jamki

jamki

miękisz drzewny

V

naczynie

ŁYKO

komórki przyrurkowe włókna tykowe

rurka sitowa n płytka sitowa

płytka sitowa rurki sitowe Rys. 1.19. Tkanki przewodzące

miękisz łykowy

\ komórki przyrurkowe

2 8 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny

kambium

W

kolateralna zamknięta

kolateralna otwarta

promienista

bikolateralna

koncentryczna - leptocentryczna

koncentryczna - hadrocentryczna I

I drewno

1

tyko

Rys. 1.20. Wiązki przewodzące

Drewno (ksylem) to przede wszystkim naczynia i cewki, a więc komórki martwe 0 zdrewniałych ścianach, bez przegród poprzecznych, tworzące rury ciągnące się przez całą roślinę. W skład drewna wchodzą także włókna drzewne oraz miękisz drzewny. Łyko (floem) to zespół komórek żywych, wśród których wyróżnić można rurki sitowe, komórki przyrurkowe i miękisz łykowy, oraz włókna łykowe. Drewno i łyko występują zawsze razem, tworząc wiązki przewodzące. W każdej wiązce przewodzącej istnieje charakterystyczny układ drewna i łyka względem siebie, toteż wyróżnia się kilka typów wiązek: kolateralne, bikolateralne, koncentryczne 1 promieniste (rys. 1.20). Wiązki przewodzące tworzą zwarty system, ciągnący się od korzenia przez łodygę do liści i wierzchołków wzrostu. Wiązki w korzeniu i łodydze znajdują się w środkowej części tych organów - walcu osiowym (steli).

1.4. Organy roślin Organizm roślinny zbudowany jest z organów. O r g a n y wegetatywne (odżywcze) to korzeń, łodyga i liść. Łodyga z liśćmi tworzy pęd rośliny na którym powstają organy generatywne (rozrodcze) - kwiat, nasienie i owoc. Korzeń jest podziemną częścią rośliny. Jego funkcją jest umocowanie rośliny w podłożu, pobieranie i transport wody z solami mineralnymi oraz magazynowanie substancji pokarmowych. Typowy korzeń w przekroju podłużnym składa się z kilku stref (rys. 1.21). Wierzchołek korzenia okrywa czapeczka, chroniąca merystem. Nad strefą merystematyczną jest strefa wzrostu wydłużeniowego (elongacyjna) oraz strefa włośnikowa, gdzie

1.4. Organy roślin • 2 9 walec osiowy

kora pierwotna

My» 1.21. Strefy korzenia

lli/ne wlośniki pobierają z gleby wodę z solami mineralnymi. Wyżej w strefie wyrośniętej powstają korzenie boczne. Zarówno strefa włośnikowa jak i wyrośnięta są ol»M/.arami różnicowania się komórek i wytwarzania budowy pierwotnej korzenia. W wyrośniętej strefie korzenia pojawia się w pewnym czasie kambium, co powoduje wlói ny przyrost na grubość i kształtowanie się budowy wtórnej korzenia (rys. 1.22). I^idyga łącznie z korzeniem głównym stanowią oś rośliny pędowej. Jako rusztowanie rośliny, łodyga utrzymuje pęd w pozycji pionowej, pośredniczy w przewodzeniu pokarmów między korzeniem a liśćmi oraz wytwarza organy asymilacyjne (liście) 1 rozmnażania generatywnego (kwiaty). Podobnie jak w korzeniu, komórki powstające w wyniku działalności merystemu wierzchołkowego pędu ulegają różnicowaniu I wytwarza się najpierw budowa pierwotna łodygi, a potem wtórna - jako wynik działalności kambium (rys. 1.23). liudowa wtórna łodygi związana jest także z działalnością felogenu. U roślin ilnewiastych prowadzi to do powstania silnie rozbudowanej wtórnej tkanki okrywającej - pcrydermy. Tkanka ta z czasem zamienia się w martwicę korkową. U wielu •li zew martwica korkowa pęka, tworząc na powierzchni pnia charakterystyczne bruzdy I fragmenty. IJflć to organ przystosowany do przeprowadzania procesu fotosyntezy, transpiracji I wymiany gazowej. Liście są organami bocznymi pędu, powstającymi zewnętrznie (zawiązki, pączki liściowe) w wyniku działalności merystemów wierzchołkowych pędu, Budowa anatomiczna typowego liścia zawiera trzy zasadnicze tkanki: epidermę, miękisz zieleniowy i tkankę przewodzącą. Przestrzeń między górną i dolną skórką

3 0 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny

skórka

kora pierwotna endoderma (śródskórnia) okolnica (perycykl) — protoksylem

walec osiowy

tyko pierwotne

kora pierwotna

metaksylem

tyko wtórne

tyko wtórne tyko

tyko pierwotne

kambium

okolnica

drewno pierwotne

drewno wtórne

Rys. 1.22. Budowa pierwotna i kształtowanie się wtórnej budowy korzenia: A - budowa pierwotna, B, C - fazy tworzenia się budowy wtórnej

liścia wypełniona jest głównie przez miękisz zieleniowy, do którego docierają wiązki przewodzące (patrz rys. 2.14). U roślin dwuliściennych w miękiszu zieleniowym można wyróżnić miękisz palisadowy i gąbczasty. Miękisz palisadowy jest głównym miejscem fotosyntezy, natomiast miękisz gąbczasty tworząc duże przestwory międzykomórkowe ułatwia wymianę gazową, co ma podstawowe znaczenie w procesach fotosyntezy, oddychania i transpiracji. U wielu roślin (trawy, nagozalążkowe, wodne, kserofity) nie ma zróżnicowania na miękisz palisadowy i gąbczasty, a miękisz zieleniowy ma jednolity charakter. Kwiat jest to przekształcony pęd (lub jego część), którego liście uległy przekształceniom i zamieniły się w poszczególne elementy kwiatu. Kwiaty powstają na wierzchołku pędu głównego lub pędów bocznych. Rozwijają się z merystemów wierzchołkowych znajdujących się w pąkach na szczycie pędów lub w pachwinach liści. W wierzchołku wzrostu powstają kolejno nabrzmienia, z których wytwarzają się elementy kwiatu, najczęściej zróżnicowane na działki kielicha i płatki korony, a dalej pręciki i słupki (rys. 1.24). W pręcikach i słupkach powstają komórki rozrodcze (plemnikowe i jajo-

1.4. Organy roślin • 3 1

epiderma kolenchyma miękisz kory pierwotnej

włókna sklerenchymatyczne tyko pierwotne kambium metaksylem

walec osiowy

wiązka przewodząca

drewno pierwotne protoksylem rdzeń promień rdzeniowy drewno pierwotne tyko pierwotne

tyko wtórne drewno wtórne

B

kambium

kambium wiązkowe międzywiązkowe llytt. 1.23. Budowa pierwotna i kształtowanie się wtórnej budowy łodygi: A - budowa pierwotna, B, C - fazy tworzenia ulę hudowy wtórnej

płatek korony

zalążnia zalążek woreczek zalążkowy

działka kielicha

dno kwiatowe Rys. 1.24. Budowa kwiatu

3 2 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny

Rys. 1.25. Budowa nasienia: A - nasienie bielmowe, B - nasienie obielmowe, C - nasienie bezbielmowe (Wg: Szweykowska i Szweykowski 1992. Botanika. PWN, Warszawa, zmodyfikowane)

wa), które po połączeniu się, czyli zapłodnieniu, tworzą zygotę. Zygota rozwija się w zarodek nowej rośliny, który znajduje się w nasieniu. Nasienie powstaje z zapłodnionego zalążka. Zasadnicze części składowe nasienia to zarodek, bielmo i łupina nasienna (rys. 1.25, patrz też rys. 3.11). Zarodek powstaje z zapłodnionej komórki jajowej woreczka zalążkowego. Bielmo, ewentualnie obielmo, są tkankami odżywczymi zużywanymi w trakcie kiełkowania nasienia. Łupina nasienna tworzy się z osłonek zalążka. Nasiona znajdują się w stanie silnego odwodnienia, zawierają bowiem średnio 10-15% wody. Owoc. Równocześnie z tworzeniem się nasienia następuje u roślin okrytozalążkowych przekształcenie się kwiatu w owoc. Typowy owoc składa się z owocni i nasion (rys. 1.26). Owocnia powstaje z rozrośniętej ściany zalążni słupka, a także z innych części owocolistka i kwiatu, jak dno kwiatowe i okwiat. Istnieje wiele rodzajów owoców. Najbardziej znane to owoce mięsiste (np. jagody) i suche (np. strąki) oraz ziarniaki (zbóż), w których owocnia zrośnięta jest z łupiną nasienia, tworząc okrywę

okrywa owocowo-nasienna

A egzokarpium mezokarpium

owocnia nasienie

warstwa aleuronowa

endokarpium tupina nasienna

bielmo skrobiowe

zarodek

Rys. 1.26. Budowa owocu: A - mięsistego, B - ziarniaka (Wg: Stecki (red.) 1966. Botanika. PWN, Warszawa, zmodyfikowane)

1.5. Współzależność struktury i funkcji u roślin • 3 3

owocowo-nasienną. Owoce mięsiste (np. porzeczka, wiśnia) charakteryzują się intensywnym rozwojem owocni w której gromadzą się asymilaty i różne związki organiczne. / biologicznego punktu widzenia owoc jest organem, który zawiera nasiona i służy do Ich ochrony podczas dojrzewania i rozsiewania. Owoce mają także duże znaczenie gospodarcze.

1.5. Współzależność struktury i funkcji u roślin Każda roślina - od jednokomórkowego glonu do potężnej sekwoi - jest organizmem. Wykazywać zatem musi prawidłowości w budowie i funkcjonowaniu. Roślina nie jest przypadkowym zbiorem tworzących ją elementów, lecz ma określoną strukturę. Dla Miuktury tej ważny jest jej stopień zorganizowania. Wysoki stopień zorganizowania stiuktury roślin polega na wytworzeniu układu wielopoziomowego. Z jednej strony Istnieją różne poziomy wewnętrznej organizacji biologicznej rośliny, od molekularnego przez komórki, tkanki, organy, cały organizm do poziomu populacyjnego włącznie. /. drugiej strony istnieje zewnętrzna struktura rośliny, której elementami są poszczególne organy o określonym kształcie i rozmieszczeniu w przestrzeni (korzeń w ziemi, pęd w powietrzu, liście na łodydze). Budowa rośliny zmienia się także w trakcie rozwoju osobniczego. Zmieniają się rozmiary, proporcje między organami, powstają ciągle nowe organy przystosowane do pełnienia określonych funkcji (np. rozmnażania). Zmienia się zatem zarówno struktura wewnętrzna jak i struktura zewnętrzna tośliny. W trakcie całej ontogenezy następuje ciągły rozwój rośliny, który jest wynikiem współzależności między strukturą i funkcją. Rozwój ten jest konsekwencją nieustannych podziałów merystemów, bowiem nowo powstające komórki różnicują się przez całe życie rośliny. To oznacza, że różne części tej samej rośliny są w różnym wieku. Komórki roślinne są poza tym totipotencjalne. Znaczy to, że pojedyncza, /różnicowana komórka wegetatywna może odtworzyć cały organizm, więc genom lukiej komórki zawiera pełną informację o różnicowaniu się i rozwoju rośliny. Trzebił pamiętać także, że komórki roślinne mające ściany komórkowe, tworzące w organizmie apoplast, i są nieruchome w trakcie rozwoju, mogą jednak przekazywać sobie Informację przez plazmodesmy. Istnieją zatem ścisłe związki między budową rośliny a czynnościami, które spełnia. 1'unkcje te, najbardziej ogólnie, podzielić można na czynności wegetatywne (odżywcze) oraz generatywne (rozrodcze). Do pełnienia tych funkcji służą odpowiednie organy wegetatywne (korzeń, łodyga, liść) oraz generatywne (kwiat, nasienie, owoc). W organizmach roślinnych istnieje ścisła współzależność między strukturą i funkcją. Wytłumaczenie mechanizmów funkcjonowania nie jest możliwe bez poznania szczegółów budowy. Nie można zrozumieć np. mechanizmu fosforylacji fotosyntetycznej bez znajomości wewnętrznej struktury chloroplastu. Współzależności budowy i funkcji istnieją na wszystkich poziomach organizacji rośliny. Dotyczą zarówno ukształtowania organów, budowy i rozmieszczenia układów tkankowych, cech komórek, a także składu chemicznego. Jednokomórkowy organizm pełni wszystkie funkcje życiowe. U roślin plechowych zaczyna się już jednak zaznaczać podział czynności między różnymi częściami plechy. U organowców zjawisko to jest bardzo zaawansowane.

3 4 • Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny

Biegunowy rozwój roślin naczyniowych uwarunkowany jest w dużej mierze poszukiwaniem pożywienia. Korzeń rośnie w dół w poszukiwaniu wody i związków mineralnych gleby, pęd rośnie ku górze w poszukiwaniu światła niezbędnego do fotosyntezy (odżywianie) oraz fotomorfogenezy (różnicowanie). Każdy organ rośliny wykazuje współzależność budowy i funkcji. Zasadniczymi funkcjami pełnionymi przez korzeń jest umocowanie pędu oraz dostarczenie roślinie wody i związków mineralnych. Służy temu silny rozwój systemu korzeniowego palowego lub wiązkowego. Korzenie niektórych roślin pełnią jednak jeszcze funkcje dodatkowe, są na przykład organami spichrzowymi (marchew, burak, bulwy korzeniowe). Budowa morfologiczna i anatomiczna tych korzeni jest ściśle dostosowana do pełnionych funkcji magazynujących. Podobnie w przypadku pędu, który pełni zasadnicze funkcje odżywcze w życiu rośliny. To czynność zarówno liści jak i łodygi. Łodyga jako organ pośredni, łączy też korzenie i liście. Jest organem nośnym utrzymującym ciężar liści, kwiatów i owoców. Łodyga musi doprowadzić także wodę i niezbędne substancje do tych organów oraz utrzymywać odpowiednią konfigurację, aby zapewnić liściom dostęp promieniowania słonecznego. Wewnętrzna budowa łodygi służy tym celom. W dużym walcu osiowym znajdują się dobrze wykształcone wiązki przewodzące. W obwodowych częściach łodygi występują w dużych ilościach tkanki mechaniczne, zarówno kolenchyma jak i sklerenchyma. W pniach drzew silnie rozbudowane jest drewno wtórne, a w nim komórki sklerenchymatyczne włókien drzewnych. Pozwala to uzyskać dużą grubość pnia, który utrzymuje ciężar korony oraz doprowadza do niej olbrzymie ilości wody i niezbędnych substancji. Rozgałęzienia łodygi, przybierając różne formy, umożliwiają dostęp światła do fotosyntetyzujących liści. Podstawową funkcją liścia jest proces fotosyntezy oraz transpiracja. Przez liście odbywa się także dyfuzja tlenu niezbędnego w procesie oddychania. Spłaszczony kształt blaszki liściowej tworzy dużą powierzchnię do wymiany gazowej niezbędnej, by przebiegały fotosynteza i oddychanie. Wymianie gazowej służą też znajdujące się w epidermie aparaty szparkowe oraz system przestworów międzykomórkowych. Jednakże w przypadku transpiracji duża powierzchnia blaszek liściowych stanowi niebezpieczeństwo zbytniej utraty wody. Temu przeciwdziałają ściany komórek skórki liścia przesycone kutyną i często okryte woskiem lub włoskami. Liście niektórych roślin ulegają przekształceniom morfologicznym i anatomicznym, pełniąc funkcje spichrzowe (np. liścienie), czepne (np. wąsy grochu), bądź obronne (np. ciernie berberysu). Pędy roślin także ulegają różnorodnym modyfikacjom morfologicznym i anatomicznym, co jest przystosowaniem do pełnienia określonych funkcji. Znane są pędy spichrzowe w postaci kłączy, bulw i cebul. Pędy te zazwyczaj są organami podziemnymi. Także kwiat jest przekształconym pędem. Odcinek pędu, na którym skupione są kwiaty, nazywamy kwiatostanem. Rozmieszczenie kwiatów w kwiatostanie stwarza dobre warunki do zapylenia (a potem rozsiewu nasion). Najkorzystniejsze jest zapylenie krzyżowe, kiedy na słupek danego kwiatu dostaje się pyłek z innego kwiatu. Istnieje zatem w budowie kwiatów wiele przystosowań przeciwdziałających samozapyleniu. Między innymi jest to rozdzielnopłciowość, polegająca na wytwarzaniu od-

1.5. W s p ó ł z a l e ż n o ś ć struktury i funkcji u roślin* 3 5

il/iclnie kwiatów męskich (pręcikowych) i żeńskich (słupkowych). Także dwupienIIOŚĆ - wytwarzanie kwiatów odmiennej płci na odrębnych osobnikach (np. konopi, wierzby). Czasami występuje też heterostylia, czyli tworzenie różnych typów kwiatów lożniących się długością szyjki słupka i nitek pręcikowych (np. pierwiosnka). U niektói ych roślin obserwuje się także niejednoczesne dojrzewanie pręcików i słupka. Tak więc ukształtowanie zarówno zewnętrzne jak i wewnętrzne organizmu roślinnego (morfogeneza) jest wypadkową działania wielu czynników. Istotny wpływ ma si isle przystosowanie morfologiczne i anatomiczne organów do pełnionych funkcji. Na morfogenezę roślin wpływają jednak bardzo mocno także czynniki zewnętrzne. Odtl/i;ilywanie środowiska może być tak silne, że cały wygląd rośliny niejednokrotnie ki iińcowo odbiega od jej ogólnego modelu. Rośliny w walce o przetrwanie wytworzyły wicie przystosowań do określonych warunków środowiska zewnętrznego (rośliny wodne, suchoroślowe, cieniolubne, światłolubne, pnącza, epifity, przystosowania do trofiznui środowiska, przystosowania termiczne, sposoby zapylania, rozsiewania nasion itp.).

2 Fizjologia przemiany materii

2.1. Gospodarka wodna 2.1.1. Definicja i wprowadzenie Gospodarka wodna rośliny to procesy fizyczne i metaboliczne związane z pobieraniem, transportem i wydalaniem przez roślinę wody. Woda jest niezbędna do funkcjonowania roślin. Jest rozpuszczalnikiem w którym zachodzą reakcje biochemiczne i tworzą się podstawowe struktury komórkowe. Woda będąc środowiskiem procesów życiowych, jest zarazem istotnym składnikiem każdej żywej komórki. Zawartość wody w różnych organach rośliny waha się w granicach od 70-95% masy rośliny, a tkanki nawet pozornie suche i pozostające w stanie spoczynku np. nasiona czy zarodniki, zawierają jej około kilkanaście procent (tab. 2.1.). Intensywny przebieg procesów życiowych związany jest z dużą zawartością wody w roślinie. Brak wody w środowisku i zmniejszenie się jej zawartości w roślinie prowadzi do więdnięcia i zahamowania procesów życiowych. Dostępność wody jest jednym z zasadniczych czynników decydujących o rozprzestrzenianiu się roślin na naszej planecie. Woda jest bardzo dynamicznym składnikiem rośliny. Na lOOg pobranej wody, 99 g wyparowuje, w roślinie pozostaje związany jedynie 1 g wody. Ilość wody, która przez roślinę przepływa, jest więc wielokrotnie większa od ilości wody w roślinie zawartej. Znaczenie wody w życiu roślin wynika z tego, że jest ona doskonałym rozpuszczalnikiem dla licznych substancji wchodzących z sobą w reakcje metaboliczne. Stanowi ona także swoiste medium, w którym następuje transport związków organicznych i soli mineralnych w obrębie ciała rośliny. Woda jest jednocześnie substratem w wielu reakcjach biochemicznych, a dzięki dużemu ciepłu właściwemu oraz dużemu

2.1. G o s p o d a r k a w o d n a • 3 7

Tabela 2.1. Zawartość wody w organach roślin wyższych (% świeżej masy) Organ

Zawartość wody (%)

Ptatki kwiatów

90-95

Owoce soczyste

80-95

Bulwy, korzenie

70-90

Liście

60-90

Łodygi

40-85

Drewno

35-65

Żołędzie dębu

35-50

Ziarniaki zbóż

12-15

Nasiona i owoce suche

5-15

rleplu parowania uczestniczy w utrzymaniu odpowiedniej temperatury rośliny. Woda wysycając roślinę zapewnia jej także stan jędrności (turgor), decydująco wpływający nu jej wygląd zewnętrzny.

2.1.2. Woda w komórce roślinnej Komórka roślinna ma zdolność pobierania oraz wydalania wody. U podstaw tych zjawisk znajdują się procesy: dyfuzji, osmozy i pęcznienia.

2.1.2.1. Dyfuzja Dyfuzja to proces dążący do jednolitego rozmieszczenienia cząsteczek wody (wyrównania stężeń) na skutek bezładnych ruchów cząsteczek. ('ząsteczki wody znajdują się w stanie nieustannego ruchu. Ruch cząsteczek jest uwarunkowany ich energią kinetyczną zależną od temperatury. Cząsteczki wody przemieszczają się z obszarów komórki, w których stężenie wody jest większe, do obszarów w których stężenie wody jest mniejsze, tzn. zgodnie z gradientem stężenia (rys. 2.1). Dyfuzja umożliwia sprawne przemieszczanie się wody na małą odległość (w komórkach), natomiast nie ma większego znaczenia w migracji wody na duże odległości (z korzeni do liści).

2.1.2.2. Osmoza Osmoza jest to dyfuzja wody przez błonę półprzepuszczalną oddzielającą dwa obszary komórki o różnych stężeniach wody.

3 8 • Fizjologia przemiany materii DYFUZJA

OSMOZA

dyfuzja wody

dyfuzja wody

Rys. 2.1. Model dyfuzji i osmozy (Wg: Czerwiński 1977. Fizjologia roślin. PWN, Warszawa, zmodyfikowane)

Błony biologiczne są błonami selektywnie przepuszczalnymi, tzn. stosunkowo łatwo przepuszczają wodę, a trudno przepuszczają substancje w niej rozpuszczone (rys. 2.2). Tak więc w wyniku osmozy odbywa się w komórce ruch wody w kierunku obszarów, gdzie znajdują się roztwory o większym stężeniu (mniejszej zawartości wody). W przemieszczaniu się wody przez błony biorą udział specjalne białka - akwaporyny. Białka te tworzą swoiste kanały w błonach komórkowych. Umożliwia to ruch wody np. z wakuoli do cytoplazmy, a także przepływ w obrębie symplastu, tj. zbioru sąsiadujących komórek połączonych plazmodesmami.

cytoplazma

Rys. 2.2. Komórka roślinna (B) jako układ osmotyczny porównywalny z osmometrem (A)

2.1. G o s p o d a r k a w o d n a • 3 9

Komórki roślinne zawierają roztwory o różnym stężeniu. W roztworach takich, oddzielonych od siebie błonami, występuje deficyt cząsteczek wody. Następuje zatem osmotyczny dopływ wody, który może być całkowicie zrównoważony przez ciśnienie zwane potencjałem osmotycznym. Potencjał osmotyczny komórki jest tym większy, im większe są stężenie roztworu komórkowego i stopień jego dysocjacji. Potencjał osmotyczny jest miarą siły, z jaką roztwór ssie wodę. Komórki oddzielone od wody i i ozcieńczonych roztworów plazmolemą, a więc błoną o selektywnej przepuszczalności, wykazują siłę ssącą S = P-T Siła ssąca (S) komórki równa się potencjałowi osmotycznemu (P) pomniejszonemu 0 wartość turgoru (T), tzn. napięcia błony i ściany komórkowej (rys. 2.3). Jeśli wysycenie komórki wodą jest małe (T = 0) to S = P, czyli siła ssąca przybiera wartości maksymalne. Natomiast, jeśli wysycenie wodą (turgor) osiąga wielkość maksymalną 1 równoważy potencjał osmotyczny (T = P), to siła ssąca komórki zanika (S = 0). Siln ssąca powoduje wymianę wody między komórkami a także uczestniczy w pobielił ni u wody z gleby.

Hyi». 2.3. Osmotyczny mechanizm wnikania wody do komórki (Wg: Czerwiński 1977. Fizjologia roślin. PWN, WarN/nwa, zmodyfikowane)

W ujęciu termodynamicznym siłę ssącą zastępuje potencjał wody ( f , gr. psi), który jest molarną energią swobodną Gibbsa, jaką mają cząsteczki wody w dowolnym układzie. Potencjał ten wyraża się w jednostkach J • n r 3 lub Pa (1 Pa = 1 N • m~2). Potencjał wody zależy od średniej energii swobodnej i stężenia (liczby cząsteczek w danej objętości). Tak więc potencjał wody komórki ( f ) otrzymamy, dzieląc różnicę potencjału chemicznego wody w roztworze np. wakuoli (/u, gr. mi) i potencjału chemicznego wody czystej (^ 0 ) przez molową objętość wody (V), wynoszącą 18 cm3 V Potencjał wody w komórce ( f ) i siła ssąca komórki (S) mają taką samą wartość, ale przeciwny znak:

4 0 • Fizjologia przemiany materii

f = -S Tak więc potencjał wody w komórce jest zawsze ujemny, zaś zjawiska dyfuzji i osmozy polegają na ruchu substancji (wody) od miejsc, w których potencjał chemiczny ma wartość większą, do miejsc, w których ma wartość mniejszą. Oznacza to ruch wody j w kierunku obszarów o większym stężeniu substancji rozpuszczonych, czyli o mniejszym stężeniu „czystej" wody. Woda wnikając do komórki zwiększa jej objętość, jednak ściana komórkowa hamuje ten proces, przez co wzrasta ciśnienie hydrostatyczne. W pewnym momencie dodatnie ciśnienie hydrostatyczne równoważy ujemny potencjał osmotyczny i różnica chemicznych potencjałów wody komórki sięga zera ("F = Oj po obu stronach błony). W tym momencie ruch wody zanika. Potencjał wody roztworów równa się zeru tylko w przypadku czystej wody, znajdującej się pod ciśnieniem 0,1 MPa, oraz w komórkach znajdujących się w stanie maksymalnego turgoru. Potencjał wody określany jest za pomocą trzech wartości: a) po- j tencjału osmotycznego ( f s ) , który odpowiada potencjałowi osmotycznemu (P) w klasycznym ujęciu (S = P - T), ma jednak znak ujemny. Jest zależny od stężenia substancji rozpuszczonych i temperatury, b) potencjału ciśnieniowego CPp), jest to ciśnienie hydrostatyczne, które przewyższa ciśnienie atmosferyczne i jest identyczne z ciśnieniem turgorowym (T); ma znak dodatni. Potencjał ciśnieniowy zwiększa energię swobodną wody i podwyższa potencjał wody w komórce, c) potencjału matrycowego ( f ^ ) zwanego także potencjałem imbibicyjnym. Powstaje on w wyniku pochłaniania bądź absorpcji wody przez koloidy komórkowe i ma znak ujemny. W zjawiskach osmotycznych uwodnionej komórki nie odgrywa on istotnej roli, ma natomiast znaczenie w pobieraniu i absorpcji wody przez organy odwodnione, np. suche nasiona. Tak więc potencjał wody komórki wyrazić można wzorem: f

=

+

Ruch wody między sąsiadującymi ze sobą komórkami odbywa się zawsze z komórki o wyższym potencjale wody - tzn. mniej ujemnym (komórka X) do komórki o niższym potencjale wody (komórka Y) (rys. 2.4), a więc woda przepływa zgodnie z gradientem potencjału wody. Im bardziej roztwór jest stężony, tym niższy jest jego potencjał wody. Przepływ cząsteczek wody nastąpi, gdy zaistnieje gradient potencjału j wody między sąsiadującymi roztworami przedzielonymi błoną. Dyfuzja wody zachodzi w kierunku bardziej ujemnych wartości potencjału wody. Gdy po dwóch stronach selektywnej błony półprzepuszczalnej znajdą się roztwory o różnych stężeniach, a więc i różnych potencjałach wody, woda będzie dyfundować do roztworu o niższym potencjale wody, tzn. o większym stężeniu ciała rozpuszczonego. Po pewnym czasie ustali się stan równowagi dynamicznej, czyli potencjały wody obu roztworów zrównają się. Ich wartości będą mniejsze od zera, ponieważ są to roztwory, a nie czysta woda. Wzrost potencjału ciśnieniowego ( f p ) hamującego przepływ wody zawsze powoduje wzrost potencjału wody roztworów, natomiast spadek potencjału ciśnieniowego obniża potencjał wody. Przy potencjale ciśnieniowym ( f p ) równym zeru występuje największe stężenie roztworu, a więc najniższy potencjał wody. Jest on równy w tym momencie wartości potencjału osmotycznego ( f s ) . Ciśnienie turgorowe wówczas nie

2.1. G o s p o d a r k a w o d n a • 4 1

komórka X

komórka Y

f w = -0,5 MPa

f w = -0,8 MPa

My». 2.4. Przepływ wody między komórkami (-> kierunek ruchu wody)

występuje i w komórce rozpoczyna się zjawisko plazmolizy, jest to plazmoliza graniczna. Postępującej plazmolizie towarzyszy dalsze obniżanie się potencjału wody I potencjału osmotycznego, a więc także wzrost stężenia soku komórkowego oraz pojawienie się ujemnych wartości potencjału ciśnieniowego ( f p ) . Jeśli na zewnątrz splazmolizowanej komórki znajduje się roztwór hipertoniczny (o nadmiernie dużym stężeniu), to silne kurczenie się protoplastu może doprowadzić do jego oderwania się od ściany komórkowej i pozrywania plazmodesm (rys. 2.5). Wiedzie to do nieuchronnej śmierci komórki. Jeśli jednak proces plazmolizy zostanie w odpowiednim czasie przerwany, a splazmolizowana komórka znajdzie się w roztworze hipotonicznym (tzn. o stężeniu mniejszym od stężenia soku komórkowego), gdzie

1'liiuls. John Willey Inc., New York, zmodyfikowane) potencjał chemiczny wody komórki jest niewielki, to cząsteczki wody dążąc do wyrównania różnic w potencjale chemicznym zaczną wnikać do protoplastu i powiększać jego objętość. Zjawisko plazmolizy zacznie zanikać. Proces ten, przeciwstawny do plazmolizy, nosi nazwę deplazmolizy. Jeśli natomiast komórka roślinna znajduje się w roztworze izotonicznym, tzn. o podobnym stężeniu jak sok komórkowy, to zjawiska osmotyczne nie występują z powodu braku różnic w potencjale chemicznym wody (rys. 2.6).

4 2 • Fizjologia przemiany materii

roztwór izotoniczny

roztwór hipotoniczny

roztwór hipertoniczny

Rys. 2.6. Zjawiska osmotyczne w komórkach znajdujących się w roztworach zewnętrznych o różnych stężeniach (-* kierunek ruchu wody)

Pęcznienie jest to proces hydratacji koloidów, w wyniku którego zwiększa się masa i objętość ośrodka pęczniejącego. Pęcznienie jest wynikiem uwodnienia koloidów oraz zjawisk kapilarnych. W protoplazmie komórki przeważa pęcznienie koloidów, zaś w ścianie komórkowej występują zjawiska kapilarne, polegające na wypełnieniu wodą przestrzeni między mikrofibrylami i przestrzeni międzymicelarnych. Tak więc do elementów komórki, które pobierają wodę przez pęcznienie należą: ściany komórkowe zbudowane z celulozy z zawartością pektyn i hemiceluloz, białka wchodzące w skład protoplastu, skrobia oraz inne wiclocukry i substancje zapasowe. W niektórych częściach rośliny pęcznienie jest głównym sposobem pobierania wody. Tak jest na przykład w nasionach, a także w tkankach służących do pobierania wody i pary wodnej u epifitów (welamen, haustoria). Woda wnika do pęczniejącego ośrodka w drodze dyfuzji. Szybkość pęcznienia jest więc zależna od temperatury. Związane przez pęczniejący ośrodek cząsteczki wody tracą część swojej energii kinetycznej, która zamieniona zostaje na ciepło. Podczas intensywnego pęcznienia powstaje także ciśnienie sięgające kilkudziesięciu megapaskali. Ciśnienie pęcznienia jest w stanie rozsadzić bloki gipsowe z zatopionymi w nich nasionami. Procesy pęcznienia i osmozy są bardzo do siebie podobne. Ciśnienie, dzięki któremu woda może dostać się do ośrodka pęczniejącego, jest wynikiem potencjału wody ( f w ) , jak w przypadku osmozy. Osiągnięcie maksymalnego napęcznienia, odpowiadającego potencjalnemu ciśnieniu pęcznienia X¥x (x, gr. tau), przeciwdziała ciśnienie turgorowe ( f p ) . Tak więc równanie stanu pęcznienia jest analogiczne do równania stanu osmotycznego lub równania potencjału wody M W= - f * X_ _«p 'f p

2.1. Gospodarka wodna • 4 3

Protoplazma jest jednak nie tylko ośrodkiem pęczniejącym, ale także roztworem osmotycznym. Tak więc do komórki zastosować można następujące równania potencjału wody: ściana k o m ó r k o w a : CPw)k = ( f T ) k wakuola: ( f w ) v = («FS)V + («Fp) p r o t o p l a z m a : ( f w ) p r = ( f s ) p r + («PT)pr 4- ( f p )

f j e s t potencjałem osmotycznym, zaś f T potencjałem matrycowym, czyli tą częścią potencjału wody ( f ^ ) , która zależy od ultrastruktury. Ultrastruktura wpływa islolnie na proces pęcznienia. Miedzy ścianą komórkową, wakuolą i protoplazmą ustala się stan równowagi: (^w)k = (^w)v = (

Stan napęcznienia cytoplazmy oraz uwodnienie białek cytoplazmatycznych zależy żalem od stężenia soku komórkowego. Pęcznienie jest pobieraniem wody przez roślinę bez udziału błon komórkowych. Znaczenie tego procesu jest szczególnie ważne w kiełkowaniu nasion, ponieważ umożliwia wniknięcie dużych ilości wody jeszcze przed uruchomieniem procesów osmotycznych. To powoduje pęknięcie okrywy nasiennej oraz wzrost korzonka zarodkowego i pędu młodej siewki. Pęcznienie odgrywa rolę także w gospodarce wodnej poszczególnych organów rośliny. Tak więc ściany komórek mezofilu liścia stykają się / przestworami międzykomórkowymi wypełnionymi powietrzem, obsychają i w drodze pęcznienia pobierają wodę z wnętrza komórki. Tak odbywa się też doprowadzanie wody do powierzchniowych warstw transpirujących komórek, co jest ważnym przejawem mechanizmu powodującego pobieranie, przepływ i utratę wody przez roślinę. Tym bardziej, że siły pęcznienia znacznie przewyższają siły osmotyczne.

2.1.2.4. Znaczenie zjawisk osmotycznych Zjawiska osmotyczne pełnią ważną rolę w gospodarce wodnej i innych procesach życiowych komórki i całej rośliny. Do najważniejszych funkcji zjawisk osmotycznych należy, że: 1. Warunkują pobieranie wody z gleby przez korzenie. 2. Decydują o stanie uwodnienia każdej komórki w obrębie tkanek roślinnych. 3. Uczestniczą w osiągnięciu przez rośliny stanu turgoru, a więc usztywnienia tkanek, co nadaje roślinom określony kształt i pomaga w pokonywaniu znacznych oporów, np. podczas wzrostu korzeni w glebie czy kiełkowania nasion. 4. Osmotyczne pobieranie wody jest ważnym elementem wzrostu komórki i całej rośliny. Powiększanie się objętości komórek jest związane z ich wakuolizacją. 5. Stężenie osmotyczne soku komórkowego jest ważnym czynnikiem odporności roślin na niskie temperatury i suszę. Rośliny o większym stężeniu osmotycznym swych komórek są odporniejsze na niesprzyjające warunki środowiska.

2.1.3. Migracja wody w roślinie Migracja, czyli przemieszczanie się wody w obrębie ciała rośliny, jak również między glebą, rośliną i atmosferą, odbywa się za pomocą trzech podstawowych procesów:

4 4 • Fizjologia przemiany materii

atmosfera f w = -90 MPa

Rys. 2.7. Potencjały wody w glebie, roślinie i atmosferze (-> migracja wody) (Wg: Czerwiński 1977. Fizjologia PWN, Warszawa, zmodyfikowane)

roślin.

dyfuzji, osmozy i przepływu masowego wody w ksylemie. U podstaw tych procesów jest przemieszczanie się wody od potencjału większego do mniejszego. Zjawiska dyfuzji i osmozy już omówiono, przepływ masowy zaś związany jest z wyparowywaniem wody przez organy transpirujące i wysychające. Proces ten uwarunkowany jest potencjałem wody (rys. 2.7). Woda przemieszcza się od wyższego do niższego potencjału. Przemieszczanie się wody w roślinie wyższej wiedzie od gleby i korzeni przez łodygę do liści i atmosfery. Ten przepływ masowy wody wspomagają na krótkich odcinkach drogi dyfuzja, osmoza, kohezja, adhezja, które to zjawiska warunkują przemieszczanie się wody w rurkach kapilarnych, ścianach komórkowych, cewkach, naczyniach. Wszystkie te zjawiska wspierają przepływ masowy wody w roślinach. Przepływ masowy jest głównym mechanizmem przemieszczania się wody na duże odległości w ksylemie, bierze także udział w ruchu wody w glebie oraz w ścianach komórkowych (apoplaście). Zależy on od potencjału wody, a nie od gradientu stężenia wody, jak to jest w przypadku dyfuzji.

2.1.3.1. Transpiracja Transpiracja to wyparowywanie wody przez żywe rośliny. Parowanie powoduje, że cząsteczki wody mające większą energię kinetyczną przechodzą z fazy ciekłej do fazy gazowej. Warunkiem wystąpienia parowania jest niedo-

2.1. Gospodarka wodna • 4 5

Hvl wilgotności w powietrzu. Intensywność parowania wody zależy od temperatury. W zrost temperatury intensyfikuje proces parowania. Szybkość parowania w danej temperaturze jest proporcjonalna do powierzchni parującej i niedosytu wilgotności, n odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia powietrza. I) rośliny wyższej głównym organem transpirującym jest liść. Liść charakteryzuje ulę bowiem największym stosunkiem powierzchni do objętości i względnie słabym /ubezpieczeniem przed utratą wody. Duża powierzchnia blaszki liściowej, niewielka |i I grubość oraz liczne aparaty szparkowe powodują, że transpiracja liścia jest intensywna. Inne organy roślinne mają zazwyczaj dobrze rozwiniętą tkankę okrywającą, (tik epiderma wysycona i pokryta warstwą wosków czy kora u roślin zdrewniałych. 1'ozn tym komórki mezofilu tworzą w liściu luźny układ przestrzenny o licznych przetworach międzykomórkowych, co powoduje powstanie dużej wewnętrznej powierzchni parowania. Jest ona od kilku do kilkudziesięciu razy większa od powierzchni zewnętrznej liścia, co wybitnie sprzyja transpiracji.

2,1. i. 1.1. Rodzaje transpiracji W liściu można wyróżnić dwie powierzchnie parowania. Powierzchnia zewnętrzna |cM to górna i dolna skórka, natomiast powierzchnia wewnętrzna to komórki miękiI/II gąbczastego i palisadowego graniczące z przestworami międzykomórkowymi. W związku z tym wyróżniamy także dwa rodzaje transpiracji: transpirację kutykularną oraz transpirację szparkową. Transpiracja kutykularna jest to parowanie wprost / zewnętrznej powierzchni liścia, czyli ze skórki pokrytej kutykulą (patrz rys. 1.16). Kulykula składa się z celulozy, wosku i kutyny. Warstwa kutykuli jest trudno przepuszczalna dla gazów i wody. Ma jednak ograniczoną zdolność pęcznienia ze względu na hydrofilowe właściwości celulozy. Napęczniała kutykula oddaje część wody do Mlmosfery w postaci pary i pobiera jednocześnie nowe porcje wody z komórek skórki. Natężenie transpiracji kutykularnej zależy od stopnia wykształcenia kutykuli. U roślin Mtinowisk wilgotnych, mających cienką warstwę kutykuli, transpiracja kutykularna nie MAlępujc transpiracji szparkowej. Natomiast u roślin miejsc suchych, zwłaszcza sukulontów, u których występuje gruba warstwa kutykuli, transpiracja kutykularna prawie Mli' zachodzi. Młode liście wykazują stosunkowo dużą transpirację kutykularną, która w miarę ich starzenia się i grubienia kutykuli ulega wyraźnemu ograniczeniu. Nawet il jednej rośliny poszczególne liście różnią się natężeniem transpiracji kutykularnej. I tik więc transpiracja kutykularna ma ograniczony zasięg i większość wody, zazwyczaj ponad 80%, roślina traci w wyniku transpiracji z wewnętrznej powierzchni, a więc lliiiispiracji szparkowej. Woda paruje z powierzchni wilgotnych ścian komórek mezolitu liściowego do przestworów międzykomórkowych, a z nich w postaci pary wodnej ilylunduje przez otwarte szparki do otaczającej atmosfery. Szybkość parowania wody / powierzchni wewnętrznej liścia zależy od niedosytu pary wodnej w przestworach międzykomórkowych. Szybkość dyfuzji pary wodnej przez szparki uwarunkowana jest MMlomiast dyfuzyjnym gradientem zawartości pary wodnej między wnętrzem liścia u atmosferą zewnętrzną. Na intensywność transpiracji szparkowej wpływ ma także liczba, rozmieszczenie i stopień rozwarcia szparek. Ważną rolę odgrywają wewnętrzne mechanizmy kontrolujące ruchy aparatów szparkowych.

4 6 • Fizjologia przemiany materii

2.1.3.1.2. Aparaty szparkowe Szparka jest szczeliną w powierzchni liścia, utworzoną przez dwie komórki szparkowe (zamykające) o szczególnej budowie, różnej od pozostałych komórek skórki. U niektórych roślin występują ponadto komórki przyszparkowe, ściśle współdziałające z komórkami szparkowymi. W skład aparatu szparkowego wchodzą więc komórki szparkowe, przyszparkowe oraz zespół komórek otaczających, które tworzą komorę powietrzną umieszczoną pod szparką. Pomiędzy komórkami szparkowymi istnieje przestwór międzykomórkowy, por szparki, który, gdy jest otwarty, łączy system wentylacyjny liścia z otaczającą atmosferą (rys. 2.8). Są duże różnice w budowie komórek szparkowych (rys. 2.9), np. u roślin jedno- i dwuliściennych. Wszystkie te komórki jednak zawierają chloroplasty oraz mają zróżnicowaną grubość ścian komórkowych. Na przykład ściana granicząca z porem szparki jest grubsza, zaś ściana po

Rys. 2.8. Aparat szparkowy otwarty (A) i zamknięty (B)

A

Rys. 2.9. Aparat szparkowy rośliny dwuliściennej (A) i jednoliściennej (B)

2.1. Gospodarka wodna • 4 7

przeciwnej stronie - cieńsza. Gdy w komórce szparkowej tugor wzrasta, jej ściana cieńsza rozciąga się, wskutek czego por szparki się otwiera i powiększa. W razie zmniejszenia się turgoru ściany komórki szparkowej schodzą się zamykając por (szczelinę) szparki. Tak więc mimo różnic w budowie zasada działania aparatów szparkowych jest taka sama. Komórki szparkowe mają nierównomiernie zgrubiałe ściany, dzięki czemu zmiana turgoru wywołuje zmianę ich kształtu. Zmiana kształtu komórek szparkowych prowadzi zaś do otwarcia bądź zamknięcia się poru szparkowego. Liście poszczególnych gatunków roślin różnią się liczbą aparatów szparkowych n.i jednostkę powierzchni oraz ich rozmieszczeniem. U większości roślin dwuliściennych szparki występują przede wszystkim na dolnej stronie blaszki liściowej, u roślin jcdnoliściennych po obu stronach liścia, natomiast u roślin wodnych, o liściach pływających po powierzchni wody, szparki znajdują się tylko na górnej powierzchni liścia. (ięstość rozmieszczenia aparatów szparkowych wynosi średnio od 100-400 na 1 mm2. I iść przeciętnej wielkości ma zatem kilka milionów szparek. Powierzchnia otwartych szparek stanowi zazwyczaj około 1-5% ogólnej powierzchni liścia. Mimo to jednak Intensywność transpiracji szparkowej zbliża się do szybkości parowania ze swobodnej powierzchni wody, tej samej wielkości i kształtu co liść. Jest tak dlatego, ponieważ Zgodnie z prawem Stephana (1881 r.) intensywność dyfuzji gazu przez małe otworki |cst proporcjonalna do ich średnicy, a nie do powierzchni. Tak więc dyfuzja pary wodnej przez szparki może się odbywać z taką samą szybkością, jak gdyby wcale nie l>vlo skórki z nieprzepuszczalną kutykulą, a dostęp do przestworów międzykomórkowych był zupełnie swobodny. Najważniejszą właściwością komórek szparkowych jest ich zdolność do zmiany kształtu, a więc otwierania się lub zamykania. Szparki są zamknięte w nocy, otwierają się natomiast w godzinach porannych, wraz z pojawieniem się światła. Bezpośrednią przyczyną otwierania i zamykania się szparek są zmiany turgoru w komórkach szparkowych, przyszparkowych i otaczających komórkach skórki, co związane jest ze zmiaUi| w nich potencjału wody. Utrata turgoru powoduje zwiotczenie ścian komórkowych, zmianę kształtu komórek i zamknięcie szparek, natomiast podczas wzrostu turgoru następuje charakterystyczne wygięcie się ścian komórek szparkowych przylegających do siebie, w wyniku czego tworzy się pomiędzy nimi szczelinka (por szparkowy). Stopień otwarcia szparek zależy od współdziałania kilku czynników, takich jak światło, dostępność wody, stężenie CO, wewnątrz liścia oraz równowaga hormonalna. U większości roślin światło, obecność wody i małe stężenie C 0 2 wewnątrz organów stymulują otwarcie szparek, natomiast ciemność, niedostatek wody i zwiększone stężenie C 0 2 w liściach prowadzą do zamknięcia szparek. Niektóre rośliny jednak, jak np. rośliny ('AM, otwierają szparki w nocy, gdy dochodzi do spadku transpiracji. Komórki szparkowe zawierają chloroplasty i ziarna skrobi, zachodzi więc w nich proces fotosyntezy. Przypuszczano zatem, że zmiany turgoru w komórkach szparkowych wynikają ze zmiennego stężenia cukrów w formie glukozy bądź zawartości skrobi. Degradacja skrobi w ciągu dnia powoduje obniżenie potencjału osmotycznego, wzrost turgoru i otwarcie aparatu szparkowego. W okresie nocy zachodzą procesy odwrotne. Jednakże mechanizm ruchu aparatów szparkowych jest dużo bardziej skomplikowany. Wiąże się on z działaniem pomp elektrogenicznych (wytwarzających potencjał), czyli przemieszczaniem się jonów i związków organicznych w obrę-

4 8 • Fizjologia przemiany materii

apoplast

K+

cr komórka szparkowa

H+

szparka otwarta

szparka zamknięta

Rys. 2.10. Mechanizm ruchu aparatów szparkowych

bie aparatu szparkowego (rys. 2.10). Decydującą rolę odgrywają zmiany stężenia jonów potasowych, przyczynowo skorelowane ze stanami otwarcia lub zamknięcia szparki. Jony potasowe stanowią w komórkach szparkowych około połowę substancji osmotycznie czynnych. Zmiany stężenia potasu są wynikiem działania pompy protono- j wej, umożliwiającej transport jonów K + przez otwartą szparkę wbrew gradientowi stę-j żenią. Stymulowana światłem pompa protonowa w plazmolemie uruchamia aktywną! sekrecję jonów wodorowych do apoplastu. Działanie pompy H + wymaga nakładu) energii i aktywności odpowiednich ATPaz. W poprzek plazmolemy w wyniku rozdzie-; lenia się jonów H + /OH~ powstaje pierwotny gradient potencjałów: elektrycznego i pH,i umożliwiający transport jonów potasowych przez kanały potasowe z komórek przyszparkowych bądź apoplastu do wnętrza komórek szparkowych, w miejsce wydalonych do apoplastu jonów wodorowych. W wyniku tego transportu stężenie jonów K + w ko- j morkach szparkowych wzrasta nawet kilkakrotnie, przez co potencjał wody tych komórek staje się bardziej ujemny, będąc powodem pobierania przez nie wody i zwiększania turgoru. Duża część jonów K + jest magazynowana w wakuolach komórek] szparkowych. Wniknięcie do komórek szparkowych dużej ilości kationów K + wymaga, dla utrzymania równowagi jonowej, wniknięcia równoważnej ilości anionów. Anionami tymi są jony chlorkowe (Cl") pobierane z sąsiednich komórek, bądź anion jabłezanowy który powstaje w wyniku degradacji skrobi w komórkach szparkowych. Dysocjując jabłezany dostarczają protonów dla pomp H + oraz jonów jabłczanowych. W ciemności lub gdy brak dostępnej wody, wzrasta import protonów, maleje stężenie jonów K + i Cl" oraz zawartość wody, co powoduje zmniejszenie turgoru i zamknięcie się szparki. Jabłczan ulega wtedy ponownej przemianie w skrobię. W błonach komórek szparkowych istnieją odrębne kanały wpustowe i wypustowe dla jonów K + . W regulacji ich otwierania i zamykania biorą udział jony wapniowe. Jony Ca 2+ mogą zmniejszać aktywność pomp elektrogenicznych, co prowadzi do zamknięcia kanałów wpustowych dla jonów K + , a w rezultacie do zmniejszenia turgoru i zamknięcia się szparki.

2.1. Gospodarka wodna • 4 9

W mechanizmie ruchu aparatów szparkowych uczestniczą także hormony roślinne (p. rozdz. 3.1.3.1.2). Zamknięciu aparatów szparkowych towarzyszy wzrost stężenia endogennego kwasu abscysynowego (ABA). Jego ilość wzrasta także podczas stresu wodnego roślin. ABA modyfikuje przepuszczalność plazmolemy i tonoplastu komórek szparkowych, przez co kanały wypustowe dla jonów K + i Cl" pozostają otwarte. Dochodzi zatem do wypływu tych jonów i zamykania się komórek szparkowych. Kwas indolilooctowy (IAA) natomiast stymuluje otwieranie się szparek, /większa aktywność pompy protonowej i w miejsce wydalanych na zewnątrz H + pobierane są do komórek szparkowych jony K + i Cl". IAA powoduje także hiperpolaryzację plazmolemy i stymuluje syntezę jabłczanów. Na ruchy szparek wpływają również cytokininy. Wytwarzane są one w korzeniach i transportowane do liści, niosąc jednocześnie informację o stopniu dostępności wody w glebie. Małe stężenie cylokinin wpływa na zwiększenie zawartości ABA oraz zmniejszenie stężenia IAA w komórkach szparkowych. 1.1.3.1.3.

Mierniki

transpiracji

Wielkość transpiracji można określić w różnych jednostkach. Do najczęściej stosowanych mierników należą: intensywność transpiracji oraz współczynnik transpiracji. Intensywność transpiracji jest to ilość wyparowanej wody z 1 dm 2 powierzchni liścia w ciągu godziny. Jednostką transpiracji jest więc g • dm 2 • h"1. Na ogół intensywność transpiracji waha się w granicach od 0,1 do 3 g • dm~2 • h~'. StoMijijc ten miernik, można obliczyć dobowe lub sezonowe wyparowanie wody przez roślinę. Ponieważ ogólna powierzchnia liści, zwłaszcza u drzew, jest bardzo duża, ilość wyparowanej wody jest także wielka. Na przykład klon wysokości około 15 m, mający 177 tysięcy liści o łącznej powierzchni 0,4 ha może wyparować w ciągu 1 godziny około 255 kg wody. Intensywność transpiracji zależy od gatunku i wieku rośliny oraz od warunków zewnętrznych (światło, temperatura, wilgotność powietrza). Współczynnik transpiracji jest to ilość wyparowanej wody na 1 gram przyrostu suchej masy rośliny (g H z O • g_l sm). Współczynnik transpiracji wskazuje więc na zależność między wyparowaną wodą u wytworzoną w tym samym czasie masą organiczną. Jest on zatem miarą efektywności wykorzystania wody. Rośliny, które gospodarują wodą oszczędnie, mają mniejszy współczynnik transpiracji od roślin wyparowujących intensywnie wodę. Te ostatnie dają małe plony. Wartość współczynnika transpiracji u roślin uprawnych waha się w zakresie 100-1000. Współczynnik ten jednak mało mówi o rzeczywistej zdolności rośliny do produkcji suchej masy. Całkowicie inna jest sytuacja np. w szklarni, gdzie jest duża wilgotność powietrza, niż na otwartych terenach o dużym niedosycie wil-

5 0 • Fizjologia przemiany materii

gotności i małym natężeniu światła. Współczynnik transpiracji tej samej rośliny będzie się więc znacznie różnił zależnie od warunków.

2.1.3.1.4. Czynniki wpływające na transpirację Transpiracja i ruchy aparatów szparkowych są regulowane łącznie przez wiele czynników różnej natury. Są to zarówno czynniki wewnętrzne rośliny jak i czynniki środowiskowe. Pierwsze to liczba i rozmiary liści, ich struktura anatomiczna (grubość kutykuli, liczba i wykształcenie szparek), a także wykształcenie i wielkość systemu korzeniowego. Czynniki zewnętrzne natomiast to: światło, temperatura, wilgotności powietrza, dostępność wody glebowej, ruch powietrza i stężenie C0 2 . Światło podnosi temperaturę liścia oraz powoduje otwarcie szparek. T e m p e r a t u r a oddziałuje zarówno na stopień otwarcia szparek, jak i na proces parowania wody, dostarczając energii potrzebnej do przejścia wody z fazy ciekłej do gazowej. Wzrost temperatury w zakresie od 0-30° zwiększa transpirację. Zbyt wysoka temperatura powoduje nadmierną utratę wody przez roślinę i doprowadza do stanu stresu wodnego w liściach, wskutek czego dochodzi do przymknięcia się szparek i ograniczenia transpiracji. W warunkach długotrwałej wysokiej temperatury i niedoboru wody glebowej dochodzi do więdnięcia rośliny. Wilgotność powietrza warunkuje proces transpiracji; gdy jest duża, to transpiracja zanika. Niedosyt wilgotności jest natomiast warunkiem koniecznym do wystąpienia transpiracji. Natężenie transpiracji jest w pewnych granicach proporcjonalne do niedosytu wilgotności powietrza. Niedosyt wilgotności powietrza jest to różnica między wilgotnością pełnego nasycenia a wilgotnością aktualną powietrza. Niedosyt związany jest z temperaturą powietrza. Podniesienie temperatury zwiększa niedosyt wilgotności, a przez to zwiększa transpirację. Dostępność wody glebowej jest warunkiem normalnego przebiegu procesu transpiracji. Brak dostępnej wody w glebie zmniejsza zawartość wody w liściach, co jest powodem zamykania się szparek. Niska temperatura gleby bardzo utrudnia pobieranie wody przez roślinę, aż do wystąpienia stanu suszy fizjologicznej. Jest to stan, w którym roślina mimo obecności wody w glebie nie jest w stanie jej pobierać. Ruch powietrza (wiatr) nad powierzchnią parującą zwiększa natężenie transpiracji. Zachodzi to wskutek usuwania warstw powietrza o dużej wilgotności i zastępowania ich powietrzem o większym niedosycie wilgotności. Dodatkowe działanie wiatru to chłodzenie powierzchni liści i mechaniczne wyginanie blaszki liściowej powodujące wydalanie wilgotnego powietrza z przestrzeni międzykomórkowych i zastępowanie go powietrzem mniej wilgotnym. Silny wiatr wywołuje także zamykanie się szparek. Stężenie C 0 2 wpływa pośrednio na transpirację, oddziałując na stopień otwarcia aparatów szparkowych. Nadmiernie duże stężenie C 0 2 w środowisku (np. wzbogacanie w C 0 2 upraw szklarniowych) powoduje zamykanie się szparek. W warunkach naturalnych zawartość C 0 2 w powietrzu (0,03%) jest jednak względnie stabilna.

2.1. G o s p o d a r k a w o d n a • 5 1

t ca o •

E

400 360 320

a) 280 240 200

160 9- 120

j 8

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

10

12

14

16

18

20

22

24

2

4

6

8

godziny doby Hys. 2.11. Dobowe zmiany intensywności transpiracji u kukurydzy (Wg: Czerwiński 1983. Ogólna fizjologia I'WN. Warszawa, zmienione)

roślin.

Transpiracja w warunkach naturalnych wykazuje dobową periodyczność, ponieważ zależy od zmieniających się okresowo czynników zewnętrznych. W nocy transpiracja jest silnie zahamowana, szparki są zamknięte, a niska temperatura zmniejsza parowanie kutykularne. W dzień wraz z rosnącą intensywnością oświetlenia oraz temperaturą, natężenie transpiracji wzrasta, osiągając maksymalne wartości we wczesnych godzinach popołudniowych. Następnie intensywność transpiracji maleje i w nocy zanika (rys. 2.11). 2.1.3.1.5.

Znaczenie

transpiracji

Transpiracja jest przyczynowo związana z budową i obecnością szparek u roślin wyższych. Wywiera na rośliny wpływ zarówno dodatni jak i ujemny. Wpływ dodatni transpiracji polega na: 1. uruchamianiu kohezyjnego mechanizmu pobierania i transportu wody w roślinie, 2. ułatwianiu pobierania i transportu substancji mineralnych od korzeni do wierzchołków pędów, obniżaniu temperatury liści i ochronie ich przed przegrzaniem. Z drugiej strony jednak transpiracja powoduje duże straty wody, której niedostatek hamuje wzrost i rozwój, a w skrajnych przypadkach wywołuje uszkodzenia i nieodwracalne więdnięcie roślin. Tak więc transpiracja, a zwłaszcza transpiracja szparkowa, jest nieuniknionym „ziem koniecznym", wynikiem specjalizacji liścia w kierunku lepszej wymiany gazowej, a więc pobierania C 0 2 i wydalania O,. To ważne przystosowanie liścia do zwiększenia efektywności fotosyntezy w postaci wytworzenia szparek nastąpiło w filogenezie gatunków na etapie paprotników. Konsekwencją było pojawienie się procesu transpiracji szparkowej. Jednakże rośliny mogą się dobrze rozwijać także w warunkach silnego ograniczenia transpiracji (np. w szklarni), co stawia pod znakiem zapylania jej niezbędność.

5 2 • Fizjologia przemiany materii

2.1.3.2. Pobieranie i transport wody Istnieją dwa sposoby pobierania wody przez rośliny. Pierwszy to pobieranie wody) przez cały organizm. Tak pobierają wodę plechowce - z atmosfery czy otoczenia, siłami kapilarnymi i siłami pęcznienia. Również rośliny wyższe wodę z opadów pobierają niejednokrotnie całą nadziemną częścią rośliny. Sposób drugi to pobieranie wody1 wyspecjalizowanymi organami. Rośliny lądowe pobierają wodę systemem korzeniowym i rozprowadzają ją po całym ciele wiązkami sitowo-naczyniowymi, które ciągną się wzdłuż korzeni, łodyg i liści, stanowiąc zamknięty system wiązek przewodzących. Olbrzymie ilości wody, które roślina traci w procesie transpiracji, muszą być i uzupełniane wodą pobieraną z gleby za pośrednictwem systemu korzeniowego. Aby ] sprostać temu zadaniu, musi być on odpowiednio rozwinięty. Systemy korzeniowe (palowe, wiązkowe) poszczególnych roślin osiągają znaczne rozmiary. Całkowita powierzchnia korzeni przewyższa wielokrotnie powierzchnię organów nadziemnych. Dzięki obecności włośników na korzeniach powierzchnia chłonna korzenia jest ol-l brzymia. Włośniki są wypustkami komórek skórki korzenia, mają cienkie i łatwo przepuszczalne, celulozowo-pektynowe ściany komórkowe o wielkiej plastyczności, dzięki czemu penetrują szczelinki między cząstkami gleby, pobierając ze środowiska ; glebowego wodę z solami mineralnymi. Liczba włośników w strefie włośnikowej korcenia jest olbrzymia i wynosi zazwyczaj kilkaset na powierzchni 1 mm 2 epiblemy ko-j rżenia. Tak więc powierzchnia chłonna korzenia ulega wielokrotnemu zwiększeniu. Dzięki włośnikom woda jest zatem z gleby pobierana. Jakie są jednak mechanizmy! tego pobierania? Jakie siły powodują, że woda glebowa jest wciągana do włośników] korzeniowych, a następnie przewodzona przez tkanki korzenia do walca osiowego, gdzie zostaje załadowana do ksylemu wiązek przewodzących i przez łodygę dociera do wierzchołków pędów i liści z których zostaje w końcu wyparowana przez aparaty] szparkowe do atmosfery. 2.1.3.2.1.

Mechanizmy

migracji wody w

roślinie

Gospodarka wodna rośliny obejmuje wiele powiązanych ze sobą procesów. Woda jest pobierana z gleby, następnie transportowana do organów nadziemnych, wykorzystywana do najprzeróżniejszych procesów metabolicznych i wzrostowo-rozwojowych i w końcu wyparowana do atmosfery w procesie transpiracji. Istnieje zatem ciągłość między wodą glebową, wodą w ciele rośliny oraz parą wodną w przestrzeniach międzykomórkowych liści. Woda w glebie i roślinie znajduje się w postaci cieczy. W parę zamienia się dopiero na granicy komórek mezofilu i przestworów międzykomórkowych, skąd w postaci gazowej wyparowywuje przez szparki do atmosfery. Tak więc w układzie: gleba-roślina-atmosfera, odbywa się jednokierunkowy ruch wody, powodowany procesem transpiracji. Motorem napędzającym ten jednokierunkowy masowy przepływ wody jest różnica potencjału wody między roztworem glebowym, rośliną i atmosferą. Najwyższy potencjał wody występuje w roztworze glebowym, zmniejsza się następnie sukcesywnie w komórkach korzeni, łodygi i liścia, osiągając w końcu najniższe wartości w atmosferze (patrz rys. 2.7). Można opisać tę sytuację inaczej - otaczająca atmosfera charakteryzuje się największą siłą ssącą, zaś w rośli-

2.1. Gospodarka wodna • 5 3

nic, poczynając od liści aż do komórek włośnikowych korzeni i gleby, obserwujemy gradient zmniejszającej się siły ssącej. Naturalna tendencja do wyrównania się poziomu cząstkowej energii swobodnej wody na różnych odcinkach drogi między glebą, rośliną i atmosferą powoduje, że strumień wody glebowej dociera aż do liści i w postaci pary wodnej przedostaje się do atmosfery. Jednocześnie ewentualny zanik różnicy potencjału wody (lub siły ssącej) między atmosferą, rośliną i roztworem glebowym powoduje wstrzymanie ruchu wody w roślinie. Dzieje się tak, gdy atmosfera icst wysycona parą wodną, a więc wtedy gdy prężność pary wodnej w atmosferze, w określonej temperaturze, jest maksymalna. Warunki takie wystąpić mogą np. w szklarniowej uprawie roślin. Mechanizm pobierania i przewodzenia wody jest inny w przypadku silnej transpiracji, a inny u roślin które transpirują słabo. Silna transpiracja liścia powoduje powstanie w naczyniach korzenia podciśnienia hydrostatycznego, wskutek czego woda poczynając od włośników przez korę pierwotną i walec osiowy jest wciągana do naczyń wiązki przewodzącej. Korzenie pełnią więc w tej sytuacji rolę bierną, tworząc rozgałęziony układ łączący się na dużej przestrzeni z cząstkami gleby. Korzenie nie pobierają wody, lylko woda jest przez korzenie z gleby wciągana. Główna siła wciągająca wodę do tośliny i podciągająca ją w górę pochodzi z transpirujących liści, zaś w korzeniach i naczyniach ksylemu występuje zmienne podciśnienie hydrostatyczne. Następuje wtedy jednokierunkowy przepływ wody przez roślinę. Przepływ następuje od miejsc o większym (gleba) do miejsc o mniejszym (roślina, atmosfera) potencjale wody. W przypadku braku lub słabej transpiracji oraz w czasie, kiedy nie są jeszcze rozwinięte liście, w korzeniach pojawia się mechanizm zwany aktywnym, wywołujący posiwienie się w korzeniach ciśnienia zwanego parciem korzeniowym. Parcie korzeniowe powoduje wtedy pobieranie wody z gleby, jej ruch w kierunku wiązek przewodzących oraz wypychanie wody w naczyniach do części nadziemnej rośliny. Wielkość parcia korzeniowego jest stosunkowo niewielka i rzadko przekracza 0,2-0,3 MPa. 11 niektórych roślin sięga jednak nawet 0,9 MPa, a takie ciśnienie może podnieść wodę w naczyniach wiązek przewodzących na wysokość około 40 metrów. Przejawami parcia korzeniowego jest gutacja i płacz roślin.

Gutacja to wydzielanie wody przez blaszki liściowe w miejscach zakończenia wiązek przewodzących, gdy atmosfera jest wysycona parą wodną, wiosenny zaś plącz roślin - to wypływanie pod ciśnieniem wodnistego soku z otworów wierconych w pniach drzew. Parcie korzeniowe występuje tylko wtedy, gdy istnieje aktywność metaboliczna korzeni, zanika natomiast w warunkach beztlenowych, niskiej temperaturze oraz pod wpływem inhibitorów oddechowych. Początkowo przypuszczano, że parcie korzeniowe to jest aktywne wyciskanie wody wbrew gradientom potencjałów chemicznych, i parenchymatycznych komórek walca osiowego do naczyń ksylemu. Obecnie przyjmuje się, że nie woda, lecz jony i inne substancje osmotycznie czynne są aktywnie transportowane z walca osiowego do wiązek przewodzących. Powoduje to obniżenie

5 4 • Fizjologia przemiany materii

potencjału wody w naczyniach i jednocześnie podwyższenie w komórkach, z których jony są pobierane. Powstaje więc gradient potencjałów wody między wiązką przewodzącą i otaczającymi komórkami, co jest powodem przepływu wody. Zatem energia metaboliczna wykorzystywana w parciu korzeniowym powoduje transport jonów, a w rezultacie przepływ wody. Istnienie dwóch uzupełniających się mechanizmów pobierania i transportu wody zapewnia roślinom dostęp wody w różnych warunkach środowiskowych. Przeważająca część wody jest pobierana i transportowana pasywnie wraz z prądem transpiracyjnym i znaczenie tego mechanizmu jest bez porównania większe. Podczas silnej transpiracji parcie korzeniowe nie odgrywa istotnej roli. Parcie korzeniowe pełni natomiast funkcję pomocniczą, dostarczając wodę do rozwijających się młodych pąków drzew i krzewów oraz usprawniając te ciągi wodne w naczyniach, które uległy przerwaniu.

2.1.3.2.2. Migracja wody w korzeniu Ilość wody pobranej przez korzeń zależy od wielkości powierzchni chłonnej i różnicy potencjałów wody między korzeniem a glebą: 'gleby -Wkorzenia gdzie: W ^ - ilość wody pobranej przez korzeń w jednostce czasu, A - powierzchnia wymiany, Zr - suma oporów jakie napotyka woda w glebie i w trakcie przechodzenia z gleby do rośliny. Pobrana przez strefę włośnikową woda przemieszcza się w poprzek korzenia przez korę pierwotną do walca osiowego (rys. 2.12). Odcinek drogi pokonywany w korzeniu przez wodę jest niewielki (transport bliski) w porównaniu z przewodzeniem w naczyniach czy cewkach ksylemu wiązek przewodzących {transport daleki).

Rys. 2.12. Migracja wody w korzeniu: A - apoplastem, B - symplastem, C - wakuolami

2.1. G o s p o d a r k a w o d n a • 5 5

Mys. 2.13. Drogi transportu wody w korzeniu i liściu: A - apoplastem, B - symplastem, C - wakuolami (Wg: Szweyhiwska 1997. Fizjologia roślin. Wyd. Nauk. UAM, Poznań, zmodyfikowane)

Miino to opory występujące podczas transportu wody w korzeniu są znaczne. Kierunek ruchu wody wyznaczony jest malejącym gradientem potencjału wody. Istnieje kilka możliwości ruchu wody przez korę pierwotną. Woda może migrować na drodze Imhibicyjnej w kanale apoplastycznym, czyli w kapilarnych przestrzeniach ścian komórkowych i przestworach międzykomórkowych. Przemieszczać się też może przez kanał symplastyczny, czyli od komórki do komórki z udziałem cytoplazmy I plasmodesm. Możliwy jest także ruch wody w drodze osmotycznej od wakuoli do wakuoli (rys. 2.13). Pozwala na to potencjał wody malejący w głąb korzenia. W praklyce woda migruje częściowo ścianami komórkowymi, przedostaje się do cytoplazmy, u / niej do wakuoli bądź z powrotem do apoplastu. Przy intensywnej transpiracji, gdy nita ssąca liści jest duża i przepływ wody przez roślinę intensywny, funkcjonują wszystkie trzy drogi transportu przez tkanki korzenia. Główną przeszkodą i przyczyną znacznych oporów, na które napotyka woda migrująca przez korzeń, jest endodcmia, czyli warstwa komórek otaczająca walec osiowy. Jej komórki ściśle przylegają do siebie, zaś w ścianach komórkowych znajdują się podłużne zgrubienia wysycone ligniną i suberyną, zwane pasemkami Caspary'ego. Zgrubienia te powodują, że ściany komórkowe endodermy są bardzo trudno przepuszczalne dla wody. Przeniknięcie wody do walca osiowego jest więc możliwe albo przez cienkościenne komórki przepustowe endodermy, albo po przejściu do kanału symplastycznego. W walcu osiowym znajdują się wiązki przewodzące, do których wnika woda z otaczających komórek parenchymatycznych. Dzieje się tak wtedy, gdy sok naczyniowy w wiązce przewodzącej ma potencjał wody niższy niż potencjał w komórkach walca osiowego.

2.1.3.2.3. Transport wody w pędzie Woda przemieszcza się wiązkami przewodzącymi w łodydze i liściu, po czym wyparowywuje przez aparaty szparkowe (rys. 2.14). Jest to transport na wielkie odległości, długodystansowy, zwłaszcza w przypadku dojrzałych drzew. Woda transportowana

5 6 • Fizjologia przemiany materii miękisz palisadowy

miękisz gąbczasty

wiązka przewodząca

kutykula epiderma

epiderma kutykula

szparka

Rys. 2.14. Transpiracja pary wodnej przez aparaty szparkowe liścia

jest naczyniami i cewkami, w których panuje podciśnienie hydrostatyczne wywołane transpiracją. Zewnętrzne komórki mezofilu liścia stale tracą wodę. Obniża się w nich potencjał wody, co powoduje, że woda przemieszcza się do nich z głębi mezofilua w rezultacie z ksylemu wiązek przewodzących. Ubytek wody w ksylemie powoduje zwiększenie się podciśnienia hydrostatycznego w naczyniach, które podciąga słup wody w naczyniach do góry. Ubytek wody z ksylemu w liściach uzupełniają włośniki korzeniowe, pobierając wodę z gleby i oddając ją do ksylemu w walcu osiowym korzenia. W rezultacie słupy wody w naczyniach przemieszczają się pod napięciem z gleby do liści. Ciągłość słupów wody jest warunkiem koniecznym, aby transport wody mógł się odbywać. Każdy słup wody w naczyniach posuwa się od korzeni w górę do liścia, woda jednak w swym ruchu musi pokonać siłę ciążenia oraz opór stawiany przez żywe komórki korzenia. Tak więc słupy wody w naczyniach, ciągnięte do góry a hamowane od dołu, podlegają naprężeniu, które grozić może ich przerwaniem. Gdyby ciągi wodne w ksylemie uległy rozerwaniu, dostarczanie wody z korzeni do liści byłoby niemożliwe. Przerwanie słupa wody nie następuje dzięki siłom kohezji między cząsteczkami wody (lepkość). Kohezja jest to spójność cząsteczek, np. wody, a więc siły przyciągania między nimi. Ponadto występuje także zjawisko adhezji - siły przylegania cząsteczek np. wody do wilgotnych ścian naczynia. Siły kohezji i adhezji w naczyniach są bardzo duże, osiągając wartość rzędu 10 MPa. Wyklucza to niebezpieczeństwo przerwania słupa wody w naczyniu, nawet w przypadku bardzo intensywnej transpiracji. Podciśnienie hydrostatyczne w naczyniach ksylemu nigdy zresztą nie osiąga tak dużych wartości, wynosi ono około 2-3 MPa. Podciś-

2.1. Gospodarka wodna • 5 7

nicnie rzędu 3 MPa jest w stanie podnieść słup wody w naczyniach na wysokość około 100 m. Tak więc podciśnienie hydrostatyczne wywołane zjawiskiem transpiracji zupełnie wystarcza, aby woda dotarła do koron nawet najwyższych drzew. Przepływ wody (J) między glebą, rośliną i atmosferą zależy więc od gradientu potencjału wody ( A f w ) i od sumy oporów ( I » , na które napotykają cząsteczki wody przemieszczające się wzdłuż rośliny:

Opisany mechanizm transportu wody w roślinie nosi nazwę teorii kohezyjno•transpiracyjnej.

2.1.3.3. Czynniki regulujące migrację wody w roślinie Migracja wody w roślinie zależy od czynników natury wewnętrznej i czynników środowiskowych. Czynniki wewnętrzne to wielkość powierzchni chłonnej i powierzchni parowania, wykształcenie wiązek przewodzących i odpowiedniej budowy anatomicznej korzeni i liści oraz wykształcenie i sprawność działania aparatów szparkowych. I )o czynników środowiskowych należą stosunki wodne w glebie oraz warunki atmosferyczne, jak światło, temperatura, wilgotność powietrza, wiatr. Wśród czynników wewnętrznych decydującą rolę odgrywa więc odpowiednia budowa morfologiczno-anatomiczna rośliny i dobrze działające mechanizmy funkcjonowania aparatów szparkowych. Jest to niezbędne, aby proces transpiracji mógł stanowić podstawę pobierania i transportu wody w roślinie. Na intensywność pobierania i transportu wody przez roślinę wywiera wpływ także wiele czynników zewnętrznych. Mogą one działać pośrednio, np. na proces transpiracji lub na wzrost systemu korzeniowego, a także bezpośrednio, wpływając np. w strefie systemu korzeniowego na wnikanie wody do włośników. Ważna jest zawartość wody kapilarnej i grawitacyjnej w glebie, temperatura gleby, zawartość tlenu w glebie (jej napowietrzenie), odpowiednie stężenie roztworu glebowego. Ważny jest także aktualny stan atmosfery otaczającej roślinę, a więc dostępność światła, temperatura, niedosyt wilgotności oraz ruchy powietrza. Jeśli wszystkie czynniki - zarówno natury wewnętrznej jak i zewnętrzne są odpowiednie, to roślina bez przeszkód pobiera i rozprowadza w organizmie wodę, co daje jej możliwość funkcjonowania i rozwoju.

2.1.4. Bilans wodny rośliny Bilans wodny rośliny jest to stopień zrównoważenia procesu pobierania wody z procesem jej utraty w określonym czasie. Jeśli pobieranie wody dorównuje stratom, to bilans jest zrównoważony. Jest to normalny stan roślin w długich okresach prawidłowej wegetacji. Gdy utrata wody przeważa nad jej pobieraniem, wtedy roślina ma ujemny bilans wodny. Jest to stan

5 8 • Fizjologia przemiany materii

bardzo niekorzystny dla rośliny, wewnętrzny deficyt wody w roślinie hamuje lub uniemożliwia metabolizm, co może prowadzić do śmierci rośliny. Gdy pobieranie wody przeważa nad jej utratą, roślina ma bilans dodatni, np. po okresie suszy, gdy częściowo zwiędnięte rośliny uzupełniają po opadach wewnętrzne zapasy wody. Zewnętrznym wskaźnikiem bilansu wodnego jest turgor rośliny, będący wynikiem stopnia uwodnienia jej komórek i tkanek. Rośliny dobrze zaopatrzone w wodę znajdują się w stanie pełnego turgoru, mając natomiast bilans ujemny, rośliny tracą turgor i więdną. Zawartość wody w roślinie zależy od jej gatunku, wieku, pory roku i dnia oraz od czynników środowiskowo-glebowych. Bilans wodny rośliny ulega także pewnym cyklicznym zmianom okołodobowym. Intensywna transpiracja w ciągu letnich godzin południowych powoduje często pojawnienie się ujemnego bilansu wodnego rośliny, ponieważ pobieranie wody z gleby jest mniejsze niż utrata z liści. W godzinach nocnych natomiast transpiracja zanika, uaktywnia się zaś funkcjonowanie parcia korzeniowego, co prowadzi do zrównoważenia bilansu wodnego rośliny. Jeśli przez długi czas utrzymuje się deficyt wody w roślinie, a więc bilans wodny jest ujemny, dochodzi do więdnięcia organów najsilniej tracących wodę. Rozróżniamy różne fazy więdnięcia, w tym więdnięcie początkowe, okresowe i trwale, które prowadzić może do śmierci rośliny. Każda roślina ma w czasie rozwoju okresy szczególnej wrażliwości na niedobór wody. Te okresy krytyczne przypadają zazwyczaj w czasie kwitnienia oraz formowania nasion i owoców. Deficyt wody w tym czasie jest wysoce niekorzystny dla rozwoju organów generatywnych.

2.2. Gospodarka mineralna 2.2.1 Definicje i wprowadzenie Odżywianie mineralne jest to pobieranie ze środowiska pierwiastków i związków chemicznych, które są wykorzystywane do budowy rośliny oraz uzyskiwania przez nią energii. Pierwiastki mineralne pobierane są z gleby za pomocą systemu korzeniowego, a następnie transportowane do części nadziemnej wiązkami przewodzącymi. W glebie występują różne pierwiastki, odzwierciedlając skład chemiczny skorupy ziemskiej. Nie wszystkie są niezbędne do życia roślin. Zycie rośliny jest procesem dynamicznym i polega na ciągłej wymianie energii i materii między jej organizmem a środowiskiem. Oprócz pierwiastków mineralnych roślina pobiera także węgiel, wodór i tlen w postaci gazowej (C0 2 , H 2 0 , O,). Pierwiastki te to organogeny - podstawowe składniki cząsteczek związków organicznych, które rośliny tworzą w procesie fotosyntezy. Te trzy pierwiastki jednak nie wystarczają. Rośliny do tworzenia swego ciała i przeprowadzania skomplikowanych procesów fizjologicznych wymagają również pierwiastków mineralnych. Wszystkie pobierane przez roślinę składniki mają małą

2.2. G o s p o d a r k a mineralna • 5 9

energię swobodną i trzeba nakładu energii, by przetworzyć je w organiczne związki pokarmowe o dużej energii. To przetwarzanie odbywa się w procesie fotosyntezy oraz w przemianach metabolicznych, korzystających z energii chemicznej pochodzenia oddechowego. Tak więc roślina używa pierwiastków odżywczych, zarówno organogenów jak i pierwiastków mineralnych, do produkcji różnorodnych związków organicznych, /.wiązki te wykorzystywane są do budowy ciata, mogą być przetwarzane w procesach metabolicznych i rozkładane w celu uzyskania energii. Pierwiastki w środowisku występują często w związkach chemicznych. Tak więc pierwiastki odżywcze są to pierwiastki chemiczne konieczne dla życia rośliny, które nie mogą być zastąpione przez inne pierwiastki. Natomiast związki odżywcze są to substancje, które zawierają pierwiastki odżywcze i są dostępne dla roślin.

2.2.2. Pierwiastki niezbędne dla roślin Wszystkie pierwiastki występujące w roślinach i budujące ich strukturę można podzielić na kilka grup. Pierwiastki odżywcze niezbędne dla roślin i inne kategorie są następujące: 1. węgiel, wodór, tlen - pierwiastki organogenne; 2. azot, fosfor, potas, wapń, magnez, siarka - makroelementy, występujące w ilościach powyżej 0,01% suchej masy rośliny; 3. żelazo, cynk, bor, miedź, molibden, mangan, chlor - mikroelementy, występujące w ilościach poniżej 0,01% suchej masy; 4. sód, krzem, glin, wanad, kobalt - pierwiastki pożądane, korzystnie wpływające na przebieg niektórych procesów wzrostowo-rozwojowych; 5. pierwiastki zbędne - w liczbie około 40-50. Tabela 2.2. Skład chemiczny pożywki mineralnej Murashige i Skooga do uprawy roślin w kulturach wodnych Związek chemiczny

Stężenie (mg cm 3)

KNO3 NH4NO3 CaCI2 • 2H20 MgS04 •7H 2 0 KH2PO4 Fe-EDTA* MnS04 • 4H20 ZnS04 7H20

H3BO3 KJ Na2Mo04 2H20 CuS04 5H20 CoCU 6H?0 * Kwas etylenodiaminotetraoctowy.

1900 1650 440 370 170 43 22,3 8,6

6,2

0,83 0,25 0,025 0,025

6 0 • Fizjologia przemiany materii Tabela 2.3. Pierwiastki niezbędne do wzrostu i rozwoju roślin Pierwiastek Węgiel Tlen Wodór Azot Potas Wapń Fosfor Magnez Siarka Chlor Żelazo Mangan Cynk Bor Miedź Molibden

Zawartość w suchej masie roślin (%) 45,0 45,0 6,0 1,5 1,0 0,5 0,2 0,2 0,1 0,01 0,01 0,005 0,002 0,002 0,0006 0,00001

Sam fakt pobierania i występowania w roślinie określonej ilości danego pierwiastka niekoniecznie świadczy o jego istotnej roli fizjologicznej. Pierwiastki niezbędne są to pierwiastki, bez których roślina nie może przejść całego cyklu rozwojowego od nasienia do nasienia. Skład chemiczny nie odzwierciedla zatem zapotrzebowania rośliny na niezbędne pierwiastki odżywcze. Zapotrzebowanie rośliny można określić, uprawiając ją na pożywkach o znanym składzie chemicznym (tab. 2.2). Ogólnie można stwierdzić, że 16 pierwiastków, a więc organogeny, mikroelementy i makroclementy, są pierwiastkami bezwzględnie koniecznymi do przebiegu pełnego cyklu życiowego rośliny (tab. 2.3). Tak więc do normalnego przebiegu funkcji życiowych rośliny niezbędna jest obecność w środowisku zewnętrznym wody, C0 2 , 0 2 oraz wielu soli mineralnych. Autotroficzne komórki roślinne pobierają C 0 2 i 0 2 z powietrza, wodór zaś z wody. Wszystkie pozostałe pierwiastki odżywcze pobierane są z gleby przez korzenie w następującej postaci: 1. niemetale N, S, P, B - jako aniony (azotany, siarczany, fosforany, borany); N także jako kation (NH 4 ), 2. metale alkaliczne (litowce) i ziem alkalicznych (berylowce) K, Ca, Mg - jako kationy (K + , Ca 2+ , Mg 2+ ), 3. metale przejściowe Fe, Mn, Cu, Zn, Mo - jako kationy z wyjątkiem molibdenianiu (Mo0 4 2 ~), 4. chlor - jako anion chlorkowy (Cl"). Podział na makro- i mikroelementy jest w dużej mierze umowny. U niektórych roślin zawartość mikroelementów może przekraczać ilości potrzebne do normalnego funkcjonowania.

2.2. Gospodarka mineralna • 6 1

2.2.3. Pierwiastki mineralne w glebie (>leba jest to powierzchniowa warstwa na granicy litosfery i atmosfery Ziemi. Zdolna jest ona do zaspokojenia potrzeb rośliny w zakresie wody i związków mineralnych. Korzeń rośliny styka się z trzema fazami gleby: stałą, ciekłą i gazową. Faza siała składa się z części mineralnej i organicznej, stanowiąc główne źródło pierwiastków niezbędnych dla roślin. Faza ciekła to roztwór glebowy, z którego rozpuszczone składniki gleby mogą być pobierane. Z roztworu glebowego korzenie pobierają wodę i składniki mineralne, głównie w formie jonowej. Faza gazowa to powietrze wypełniające wolne przestrzenie w glebie. Jest ona źródłem tlenu niezbędnego do normalnego przebiegu procesów życiowych w korzeniu. W fazie gazowej gleby znajduje się także azot, C 0 2 i para wodna. Składnikami mineralnymi gleby są kawałki skał macierzystych i minerały, zaś składnikami organicznymi - próchnica oraz pozostałości roślinne i zwierzęce. W glebie żyją także liczne organizmy glebowe. Tak więc roztwór glebowy składa się z wody i rozpuszczonych w niej soli mineralnych. Stężenie roztworu glebowego jest zwykle niewielkie i nie ulega większym wahaniom, gdyż w miarę pobierania jonów przez korzenie, do roztworu glebowego przechodzą jony z kompleksu sorpcyjnego, tj. z powierzchni koloidalnych cząstek glebowych frakcji ilastej gleby. Frakcja ilasta zawiera obdarzone ładunkiem elekIrycznym koloidalne cząstki gleby. Przeważają wśród nich glinokrzemiany o ujemnym ładunku elektrycznym, wiążące elektrostatycznie na swej powierzchni kationy / roztworu glebowego. W stanie rozproszenia koloidalnego są także związki próchniczne oraz krzemionka. Wszystkie koloidy glebowe tworzą kompleks sorpcyjny gleby. Zaadsorbowane kationy, jak Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , H + , mogą być z kolei zastępowane przez inne kationy. Zjawisko to nosi nazwę wymiany jonowej bądź sorpcji wymiennej jonów i zachodzi między fazą ciekłą i stałą gleby. Przeważa wymiana kationów, ponieważ ładunki dodatnie cząstek koloidalnych występują tylko sporadycznie, przez co aniony wiązane są z koloidami glebowymi w dużo mniejszym stopniu. Sorpeja anionów zależy od ich rodzaju i np. fosforany (HP0 4 2 ~) są wiązane przez kompleks sorpcyjny silnie, siarczany słabo, azotany zaś nie są wiązane wcale. Pierwiastki mineralne występują w glebie w trzech formach: 1) niejonowej, /wiązanej z minerałami glebowymi i skałą macierzystą gleby, 2) wymiennej, 3) rozpuszczalnej w roztworze glebowym. W formie niejonowej pierwiastki są niedostępne dla roślin, natomiast zarówno w formie wymiennej jak i rozpuszczalnej w roztworze glebowym - są łatwo dostępne dla roślin. Między tymi trzema formami występowania pierwiastków mineralnych w glebie istnieje stan równowagi dynamicznej. Wietrzenie skały macierzystej i minerałów glebowych uwalnia pierwiastki, które przechodzą do roztworu glebowego bądź do kompleksu sorpcyjnego gleby. Korzenie roślin mogą także zmieniać skład substancji odżywczych swego najbliższego otoczenia - ryzosfery przez wydalanie na zewnątrz różnych substancji ( jak C0 2 , aminokwasy, cukry, enzymy) bądź też za pośrednictwem specjalnej flory korzeniowej (bakterie, grzyby), która bierze aktywny udział w przekształcaniu minerałów glebowych.

6 2 • Fizjologia przemiany materii

2.2.4. Pobieranie składników mineralnych Pobieranie składników pokarmowych jest procesem bardzo skomplikowanym, który przebiega z udziałem sił fizykochemicznych i metabolicznych. Korzenie pobierają zarówno jony, jak i całe, niezdysocjowane cząsteczki mineralne i organiczne, jednak pobieranie jonów ma znaczenie zasadnicze. Składniki pokarmowe pobierane są więc w postaci jonów rozpuszczonych w wodzie. System korzeniowy rośliny pobiera z gleby wodę (p. rozdz. 2.1) ze składnikami mineralnymi. Oba te procesy przebiegają razem, jednak w dużej mierze niezależnie od siebie. Składniki mineralne nie są pobierane przez rośliny w takich proporcjach, w jakich występują w glebie. Roślina pobiera je w sposób selektywny, czyli wybiórczy. Większe stężenie pewnych jonów w komórce niż w roztworze glebowym wskazuje na pobieranie wbrew gradientowi stężenia. Zjawisko to nie jest możliwe bez nakładu energii. Składniki mineralne pobierane są z gleby przez korzenie w dwojaki sposób: 1) bierny - zgodnie z gradientem stężenia (potencjału elektrochemicznego) i 2) aktywny - z udziałem energii metabolicznej, wbrew gradientowi stężeń. W przekroju podłużnym korzenia można wyróżnić kilka stref różniących się budową i właściwościami fizjologicznymi (patrz rys. 1.21). Komórki wszystkich stref korzenia pobierają składniki mineralne, szczególną jednak rolę odgrywa strefa merystematyczna i włośnikowa. Strefa merystematyczna pobiera składniki mineralne głównie na własne potrzeby, natomiast strefa włośnikowa pobiera najwięcej składników mineralnych i przekazuje je do innych organów rośliny. Korzenie roślin wyższych często współżyją z grzybami, jest to zjawisko mikoryzy. Mikoryza zwiększa powierzchnię chłonną korzenia, czego wynikiem jest także ułatwione pobieranie składników mineralnych.

2.2.4.1. Pobieranie bierne W obręb apoplastu, a więc ścian i przestworów międzykomórkowych korzenia, składniki mineralne przedostają się z gleby w sposób bierny. Wnikanie składników w obręb apoplastu odbywa się zgodnie z gradientem stężenia, nie wymaga więc nakładu energii. Pobieranie bierne odbywa się kilku sposobami: w drodze 1) dyfuzji, 2) wymiany jonowej, 3) przepływu masowego z prądem transpiracyjnym wody (tab. 1.1). Dyfuzja odgrywa stosunkowo małą rolę. Jony dyfundują z roztworu glebowego w obręb apoplastu, przemieszczając się wraz z wodą ścianami i przestworami komórkowymi w poprzek korzenia. Właściwe pobieranie jonów przez komórki odbywa się więc ze ścian komórkowych. Wymiana jonowa odgrywa ważniejszą rolę niż dyfuzja w biernym pobieraniu jonów. Wymiana zachodzi między korzeniem i roztworem glebowym bądź korzeniem i koloidami glebowymi. Pobraniu kationów czy anionów przez korzeń towarzyszy wydzielenie przez roślinę równoważnej pod względem ładunku elektrycznego liczby jonów. Wymieniane są więc jony równoważne, dzięki czemu równowaga jonowa między rośliną i glebą zostaje zachowana. Najczęściej wydzielanymi przez roślinę jonami są kationy H + i aniony OH" oraz H C O f . Powstają one w wyniku rozpadu cząsteczki wody (HOH -> H + + OH ) lub kwasu węglowego (H 2 C0 3 H+ + H C O , ) .

2.2. G o s p o d a r k a mineralna • 6 3

Jony przedostają się także do apoplastu przez włośniki wraz z prądem wody napędzanym przez transpirację. Ten przepływ masowy wody może być także stymulowany parciem korzeniowym. Jednakże rola masowego przepływu wody w pobieraniu składników mineralnych była przez długi okres przeceniana. Obecnie uważa się, że Istotną rolę odgrywa tylko w pobieraniu związków niezdysocjowanych na jony. Jony, które w wyniku dyfuzji, wymiany jonowej bądź z prądem transpiracyjnym wody dostały się do apoplastu, wędrują do walca osiowego, a niektóre z nich ulegają uilsorpcji na powierzchni blaszek środkowych, ścian i błon komórkowych. Te wszystkie struktury charakteryzują się sumarycznym ładunkiem ujemnym, ze względu na pi ze wagę zdysocjowanych grup karboksylowych (—COO~) nad grupami z ładunkiem dodatnim. To powoduje, że kationy są łatwo zatrzymywane na tej powierzchni. Dużo Inl wiej niż aniony. Na powierzchni plazmolemy są jednak także obszary z ładunkami dodatnimi (np. grupy —NH 3 + białek), gdzie aniony ulegają adsorpcji. Kationy i aniony zatrzymane na powierzchni struktur komórkowych apoplastu mogą przemieszczać się do wnętrza komórek (symplastu), jednakże migracja jest utrudniona ze względu na selektywne właściwości plazmolemy (rys. 1.4). Transport przez błony w przeważającej mierze jest transportem aktywnym, niemniej jednak Istnieje także transport jonów do wnętrza komórki, a więc przez plazmolemę, zgodnie z elektrochemicznym gradientem stężenia. Jest to transport bierny przez kanały Jonowe (rys. 2.15). W błonach komórkowych występuje wiele typów kanałów jonowych przepuszczających zarówno kationy jak i aniony. Kanały jonowe są to specjalne białka błonowe wykazujące wysoki stopień selektywności w stosunku do poszczególnych jonów, np. jonów wapnia (rys. 2.16). Kanały są bramkowane, a więc otwierają Mi; i zamykają. Mechanizmy bramkowania to zmiana potencjałów błonowych, zmiany naprężenia błony bądź interwencja określonych substancji sygnałowych. Kombinacja tych czynników umożliwia bardzo precyzyjne otwieranie i zamykanie kanałów, co pozwala regulować stężenie jonów w cytoplazmie bądź wakuoli. Transport jonów przez kanały jonowe odbywa się zgodnie z gradientem stężeń tych jonów, a więc jest lo ruch bierny, bez udziału energii metabolicznej. Kanały jonowe występują we wszystkich błonach komórkowych, jak plazmolema, tonoplast, retikulum endoplazmatyczne. Zbudowane są z białek, które tworzą rodzaj tuneli w dwuwarstwie lipidowej błony. Otwarcie kanału jest związane z glikozylacją bądź fosforylacją białka kawymiana substancji między komórką a otoczeniem

transport przez btonę komórkową

bierny

aktywny

transport wraz z fragmentami błony komórkowej

egzocytoza

endocytoza

pinocytoza

fagocytoza

Hya. 2.15. Drogi wymiany składników mineralnych i substancji między komórką i otoczeniem

6 4 • Fizjologia przemiany materii podjednostki białka błonowego Ca2+

Rys. 2.16. Podjednostkowa budowa kanału wapniowego (Wg: Tretyn 1994. Wapń w komórkach PWN, Warszawa, zmodyfikowane)

eukariotycznyc

nałowego i zmianą jego konformacji, ma więc również cechy transportu aktywnego. Czas otwarcia kanału wynosi kilka milisekund. Specyficzność poszczególnych kanałów polega na powinowactwie do określonego jonu, co wynika z jego ładunku elektrycznego, stopnia uwodnienia, wielkości i zdolności jonu do tworzenia wiązań koordynacyjnych z białkami kanałowymi. Szybkość przepływu jonów przez kanał jestj rzędu 106—108 jonów na sekundę i jest nieporównywalnie większa od prędkości pomp i nośników jonowych, a także od bardzo powolnej dyfuzji jonów przez dwuwarstw lipidową błony.

2.2.4.2. Pobieranie aktywne Bierne wnikanie składników mineralnych w obszar apoplastu to wstępna faza pobierania. Jony wprawdzie znajdują się już w obrębie ciała rośliny, lecz nie zostały jesz cze włączone do metabolizmu. Zasadniczym etapem pobierania jonów jest ich przetransportowanie do symplastu, a więc do wnętrza komórek. Niezbędne jest przejście przez plazmolemę. Jest to błona selektywnie przepuszczalna, podobnie jak tonoplast, błony otaczające organelle i błony retikulum endoplazmatycznego. Stężenie jonów w symplaście jest na ogół większe niż w apoplaście, dlatego też bierne wnikanie jonów do wnętrza komórki jest ograniczone. Przemieszczanie się jonów przez błony zachodzi głównie w drodze transportu aktywnego (patrz tab. 1.1). Transport aktywny odbywa się z udziałem specjalnych biaiek nośnikowych, którymi są specyficzne ATPazy uczestniczące w rozkładzie i tworzeniu wysokoenergetycznych wiązań fosforanowych w ATP. Białka nośnikowe funkcjonują jako pompy przenoszące jony przez błony ze znaczną szybkością i niezależnie od ich gradientów elektrochemicznych. Wykorzystanie energii metabolicznej odbywa się w wyniku hy-

2.2. Gospodarka mineralna • 6 5

drolizy ATP przez białka nośnikowe o aktywności ATPazy, fosforylację tego białka i zmianę jego konformacji. W ten sposób funkcjonują pompy pierwotne, przenoszące odpowiednie jony. Aktywny transport jonów przez błony wytwarza odpowiedni gradient elektrochemiczny, który pozwala przenosić jeszcze inne składniki komórkowe. Jest to kotransport, czyli transport sprzężony. Ponieważ jony soli mineralnych mają ładunek elektryczny, nie mogą przejść przez błony komórkowe bez udziału swoistych nośnikowych białek błonowych. Białka nośnikowe to pompy pierwotne, sprzężone transportery wtórne oraz omówione już białka kanałowe, umożliwiające bierne przemieszczanie się jonów. Aktywny transport powodują zatem pompy pierwotne oraz sprzężone transportery czy kotransportery. Pompami pierwotnymi są pompy protonowe (H + ) zlokalizowane w plazmolemie i tonoplaście (patrz rys. 1.5). Pompa protonowa w plazmolemie wykorzystuje ATP jako substrat i wypompowuje jony wodorowe z komórki na zewnątrz. Powoduje to powstanie gradientu elektrochemicznego w poprzek błony o napięciu około -120 mV. Tonoplast ma dwie pierwotne pompy protonowe: ATPazę i pirofosfatazę, pompujące protony H + do wakuoli. Pompy te powodują powstanie potencjału błonowego o wartości około - 9 0 mV. Transport wszystkich innych jonów jest zależny od istnienia tych gradientów elektrochemicznych w poprzek błon. Wyjątkiem są jony Ca 2+ , których transport jest regulowany przez specjalne aktywne pompy wapniowe (Ca 2+ -ATPaza). A więc aktywny transport jonów z apoplastu do symplastu, a także w obrębie poszczególnych komórek, jest wynikiem działania pierwotnych pomp protonowych, które powodują powstanie gradientu elektrochemicznego w poprzek błon. Powstanie gradientu pozwala także uruchomić kotransport, albo inaczej sprzężony transport wtórny (patrz tab. 1.1). Uruchamiają się specyficzne białka błonowe - białka antyl>ortu, które sprzęgają przepływ H + wzdłuż gradientu elektrochemicznego z przemieszczaniem się innego jonu wbrew jego gradientowi elektrochemicznemu (np. nntyport H + /K + ). W tym przypadku jony H + przechodząc na zewnątrz plazmolemy, pozwalają jonom K + wniknąć do środka komórki. Inne białka - białka symportu także sprzęgają transport określonego jonu z protonowym gradientem elektrochemicznym, ale przemieszczanie jonu zachodzi w tym samym kierunku co ruch protonów. Tak więc u podstaw aktywnego mechanizmu migracji jonów z apoplastu do symplastu, a także w obrębie komórki, leży gradient elektrochemiczny, który generują istniejące w błonach pierwotne pompy protonowe (H + -ATPazy). Pompy te wykorzystują ATP jako źródło energii. Pompy protonowe uruchamiają przenoszenie przez błony odpowiednich jonów, są więc także pompami jonowymi. Pompy jonowe są to specjalne białka enzymatyczne, ATPazy, wykazujące powinowactwo do odpowiednich jonów. W wyniku hydrolizy ATP i połączonej z tym fosforylacji białka zmienia ono swą konformację, czego rezultatem jest przemieszczenie jonu na drugą stronę błony, a potem jego uwolnienie. Oprócz jonów także cząsteczki chemiczne przenikają przez błony. Jest to związane z istnieniem w błonach odpowiednich białek receptorowych. Białka te przekształcają się pod wpływem określonych sygnałów w kanały, którymi związki przenikają przez błony. Pewną rolę odgrywają także zjawiska endocytozy i egzocytozy (patrz rys. 2.15).

6 6 • Fizjologia przemiany materii

Są to procesy przenoszenia substancji z jednej strony błony na drugą w pęcherzykach błonowych. Przykładem egzocytozy jest wydostawanie się na zewnątrz plazmolemy zawartości pęcherzyków Golgiego. Przykładem endocytozy jest wypuklanie się plazmolemy do wnętrza komórki razem ze znajdującymi się w płynie jonami (pinocytoza), bądź większymi cząstkami nierozpuszczalnymi (fagocytoza). Taki pęcherzyk odrywa się od plazmolemy, wędruje do cytoplazmy, dzieli się na mniejsze części i w końcu włącza się w metabolizm i struktury komórki.

2.2.5. Transport składników mineralnych Jony soli mineralnych wnikające do korzeni wędrują do walca osiowego kanałem apoplastycznym i symplastycznym (rys. 2.17). Migracja apoplastyczna zachodzi w obrębie ścian i przestworów międzykomórkowych. Woda i składniki mineralne wędrują do endodermy, gdzie muszą przejść przez błony komórkowe do środka komórek kory pierowotnej. Od tego momentu dalsza droga aż do naczyń ksylemu prowadzi kanałem symplastycznym. Komórki endodermy mają ściany komórkowe z pasemkami Caspary'ego wysyconymi suberyną, co powoduje że są nieprzepuszczalne dla wody i składników mineralnych. Powoduje to także, że dalsza droga przedostania się soli mineralnych do ksylemu wiedzie wyłącznie przez kanał symplastyczny. Zapewnia to selektywność transportu jonów do części nadziemnej. Po przejściu przez endodermę, a potem okolnicę, jony gromadzą się w dużych ilościach w komórkach miękiszu (parenchymy) walca osiowego, skąd

naczynie w ksylemie walec osiowy endoderma —

kora pierwotna

migracja apoplastyczna

gleba

migracja symplastyczna

Rys. 2.17. Symplastyczna i apoplastyczna wędrówka składników mineralnych z gleby do wiązek przewodzących korzenia

2.2. G o s p o d a r k a mineralna • 6 7

t udziałem swoistych białek błonowych zostają załadowane do naczyń ksylemu zgodnie z gradientem stężeń. Jony soli mineralnych pobrane przez korzenie mogą wędrować także od włośnikow korzeniowych do walca osiowego k a n a ł e m symplastycznym, z pominięciem apoplastu, wykorzystując plasmodesmy komórek kory pierwotnej. Jest to jednak droga dla jonów trudniejsza i większość z nich jest transportowana wraz z wodą apoplaslem, w obrębie ścian i przestworów międzykomórkowych kory pierwotnej. Jony po wniknięciu do naczyń ksylemu wędrują nimi do liści oraz wierzchołków pędów wraz z transpiracyjnym strumieniem wody (rys. 2.18). W pewnych okresach transport ten stymulowany jest także parciem korzeniowym. W skład roztworu wypełniającego naczynia wchodzą niemal wyłącznie związki nieorganiczne. Związki organiczne są w nikłej mniejszości. Duża szybkość przewodzenia wody ułatwia dystrybucję jonów do różnych organów nadziemnych. Jony docierają w ten sposób do wszystkich części rośliny. Rurki naczyniowe odgałęziają się od głównych wiązek przewodzących łodygi i docierają do pąków oraz liści, w których ponownie odgałęziają się drobne rurki naczyń i cewek przewodzących. Ich zawartość przechodzi do apoplastu liściowego, tak że komórki miękiszu liściowego są otoczone wodą i rozpuszczonymi w niej solami mineralnymi. Z tego roztworu komórki liścia pobierają potrzebne składniki mineralne. Pewna część transportowanych jonów może przenikać z naczyń do żywych komórek sąsiadujących z nimi i migrować w poprzek łodygi, ogonka liściowego czy innego organu. Jest to bliski t r a n s p o r t r a d i a l n y (promieniowy), który lokalnie może powodować zmniejszenie się stężenia określonych jonów w naczyniach oraz zwiększenie ich zawartości w tkankach otaczających naczynia. Ogólnie ilość przewodzonych jonów, a więc ich stężenie w naczyniach ksylemu, /ależy od zasobności gleby oraz intensywności pobierania ich przez roślinę. Natowierzchołek

iodyga

jednokierunkowy transport w ksylemie

korzeń Rys. 2.18. Transport składników mineralnych w roślinie

6 8 • Fizjologia przemiany materii

miast szybkość transportu akropetalnego (ku wierzchołkowi) jest uwarunkowana intensywnością transpiracji. Zależność między szybkością transportu wody i składników mineralnych nie jest jednak bezpośrednia, ponieważ mechanizmy tych zjawisk są różne. Współdziałanie jest tylko częściowe. Wielokrotnie stwierdzano, że nawet w warunkach bardzo silnie ograniczonej transpiracji składniki mineralne są pobierane i transportowane do pędu. Nie neguje to jednak faktu, że przepływ wody ułatwia przemieszczanie się jonów, zarówno przez apoplast jak i symplast, oraz że woda stanowi medium, w którym jony są transportowane zarówno w ksylemie jak i we floemie. Floem bowiem jest drugą, po ksylemie, tkanką przewodzącą, w której oprócz związków organicznych mogą być transportowane także niektóre składniki mineralne. W soku floemowym stwierdzono obecność potasu, fosforanów, azotanów, magnezu, chlorków, jonów amonowych i siarczanowych. Ciągła wymiana wody i jonów między ksylemem i floemem ułatwia dystrybucję jonów w obrębie pędu. Przemieszczanie się jonów do organów rozmnażania bądź reutylizacja (odtransportowanie) ze starzejących się liści do młodych części rośliny, odbywa się głównie floemem. Dystrybucja jonów w roślinie podlega wielu mechanizmom regulacyjnym, nie do końca jeszcze poznanym. Dotarcie składników mineralnych do miejsc ich wykorzystania jest niezbędne, aby roślina mogła normalnie funkcjonować.

2.2.6. Rola pierwiastków mineralnych 2.2.6.1. Funkcje fizjologiczne Pierwiastki mineralne pełnią wiele funkcji fizjologicznych w roślinie; najważniejsze z nich, to że: 1. Wchodzą w skład wielu podstawowych związków organicznych. W skład białek wchodzą azot i siarka. Fosfor jest składnikiem kwasów nukleinowych oraz wielu ważnych nukleotydów i koenzymów (np. NADP, ATP). 2. Niektóre pierwiastki (np. Mg 2+ , Mn 2+ , K + ) są aktywatorami ważnych enzymów, decydując o ich aktywności katalitycznej. 3. Niektóre pierwiastki (np. Fe 2+ , Cu 2+ , Mn 2+ ), mające zdolność zmieniania wartościowości, wchodzą w skład enzymów oksydoredukcyjnych. 4. Jest utrzymywana odpowiednia równowaga między kationami jedno- (K + ) i dwuwartościowymi (Ca 2+ ), co ma istotny wpływ na hydratację koloidów komórkowych. Przewaga jonów K + zwiększa uwodnienie. Niektóre jony (np. HP0 4 2 ~) tworzą układy buforowe, stabilizując odczyn komórki. 5. Pierwiastki występujące w komórkach wpływają decydująco na ich potencjał osmotyczny, siłę ssącą czy potencjał chemiczny wody.

2.2.6.2. Objawy niedoboru Niedobór każdego z ważnych pierwiastków należących do makro- i mikroelementów wywołuje określone zaburzenia, które są przyczyną pojawiających się zmian morfologiczno-anatomicznych. Do najczęstszych objawów niedoboru pierwiastków należą:

2.2. Gospodarka mineralna • 6 9

I zahamowanie wzrostu, ehloroza - zmniejszona zawartość chlorofilu, nekroza - zamieranie, zasychanie liści i wierzchołków wzrostu łodygi, -I czerwono-fioletowe zabarwienie liści, V zaburzenia w powstawaniu nasion i owoców. Najostrzej objawy niedoboru występują w przypadku deficytu N, P, K, Mg i Ca. Symptomy niedoboru można obserwować zarówno na liściach starych, jak i młodych, /uleży to od ruchliwości danego pierwiastka, czyli od jego zdolności do przemieszi /ania się w roślinie. K, N, P, Mg i Zn są pierwiastkami ruchliwymi. Jeśli pojawia się Iu ok, są one wycofywane z liści starszych i transportowane do liści młodych. W starNzych liściach wystąpią wtedy objawy niedoboru. Zjawisko odprowadzania pierwiastków z liści starych do młodych nosi nazwę reutylizacji. Proces ten zachodzi także w okresie starzenia się liści, zwłaszcza przed ich opadaniem. Inaczej jest z pierwiastkami o małej ruchliwości - Ca, Fe, S, B, Cu i Mn. Odłożone w starszych liściach nie zostają z nich odtransportowane do liści młodych. Objawy niedoboru tych pierwiastków występują więc w pierwszej kolejności na liściach młodych.

2.2.6.3. Znaczenie pierwiastków mineralnych w odżywianiu roślin ()becność trzynastu pierwiastków mineralnych (N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Zn, B, Cu, Mo, Mn, Cl) jest bezwzględnie konieczna do pełnej realizacji cyklu życiowego rośliny. Wszystkie te pierwiastki pobierane są przez rośliny wyższe z gleby w postaci jonów lo/puszczalnych w wodzie. Jakie jest więc znaczenie poszczególnych pierwiastków mineralnych dla roślin? Znaczenie to dla całokształtu procesów fizjologicznych rośliny Maje się bardziej zrozumiałe w momencie poznania budowy i roli związków chemicznych, w skład których te pierwiastki wchodzą, oraz przebiegu procesów metabolicznych, w których te związki uczestniczą. Z drugiej strony znaczenie poszczególnych pierwiastków można poznać, badając skutki ich braku w pożywieniu rośliny. Uprawiając rośliny na sztucznym podłożu, można dokładnie kontrolować skład pierwiastkowy gleby czy sztucznych pożywek, z których pierwiastki są pobierane przez roślinę. Eliminacja z podłoża określonego pierwiastka pozwala poznać zmiany, które pojawiają się w funkcjonowaniu rośliny i świadczą o roli danego pierwiastka w roślinie. Dane odnośnie do roli poszczególnych pierwiastków mineralnych w odżywianiu roślin zostaną przedstawione skrótowo; jedynie azot ze względu na ważność został potraktowany szerzej.

Azot (N) Jest dostępny dla roślin w trzech postaciach: 1) mineralnej, jako sole azotanowe i amonowe - jest to główne źródło azotu dla roślin, 2) organicznej - w formie mocznika, 1) cząsteczkowej (N2) - dla roślin żyjących w symbiozie z niektórymi mikroorganizmami. Azot występuje w próchnicy gleby, resztkach obumarłych organizmów oraz w organicznych i mineralnych związkach w postaci azotanów, azotynów, soli amonowych. W powietrzu glebowym znajduje się więcej azotu (N 2 ), niż w powietrzu atmosferycznym. Azot jest też składnikiem skał macierzystych. Pierwotnym źródłem

7 0 • Fizjologia przemiany materii

tego pierwiastka w glebie są związki organiczne powstałe z obumarłych organizmów roślinnych i zwierzęcych. Związki te podlegają procesowi amonifikacji - rozkładowi do mocznika i amoniaku. Źródłem związków azotu są także opady atmosferyczne. Azot związany nie zawsze występuje w glebie w dostatecznej ilości. Toteż nawożenie azotowe jest konieczne w większości intensywnych upraw. Rośliny mogą pobierać i wykorzystywać azot zarówno w formie azotanowej, jak i amonowej. Związki amonowe gleby pochodzą z procesu amonifikacji, w którym powstaje amoniak, natomiast związki azotanowe gleby powstają w procesie nitryfikacji - biologicznego utleniania amoniaku przez bakterie nitryfikacyjne. Z gleb o odczynie słabo kwaśnym rośliny łatwiej i szybciej pobierają azotany, natomiast z gleb o odczynie obojętnym lub słabo zasadowym większe jest pobieranie jonów amonowych. Forma azotanowa nie może bezpośrednio zostać wykorzystana do syntezy związków organicznych, lecz musi być uprzednio zredukowana do formy amonowej. Re d u k c j a azotanów zachodzi w dwu etapach z udziałem odpowiednich enzymów. Przemianę azotanu do azotynu katalizuje reduktaza azotanowa w cytoplazmie: 2H+ + N O ; + 2 e -

—

reduktaza azotanowa

> N02"+H,0 L

L

Etap drugi - przekształcanie azotynu do amoniaku lub jonu amonowego - jest katalizowany przez reduktazę azotynową w chloroplastach: 8H+ + N02"+6e-

Fe ferredoksyna

'

> NH;+2H90

reduktaza azotanowa

Grupą prostetyczną reduktazy azotanowej jest dinukleotyd flawinoadenino 1 (FAD), którego aktywność zależy od obecności molibdenu. Do funkcjonowania re duktazy azotynowej konieczna jest obecność ferredoksyny i jonów żelaza. Redukcja azotanów może przebiegać nie tylko w liściach, ale i w korzeniaci„, Największą sprawność redukcji azotanów wykazują tkanki merystematyczne i młod liście, najmniejszą natomiast organy stare. Amoniak i jon amonowy zostają użyte do syntezy organicznych związków azotowych, głównie syntezy aminokwasów. Podstawową rolę odgrywa synteza glutaminy i glutaminianu, będących następnie głównymi dostarczycielami grup aminowych dla większości syntetyzowanych organicznych związków azotowych. Synteza glutaminianu może odbywać się albo na drodze redukcyjnej aminacji 2-oksoglutaranu z udziałem dehydrogenazy glutaminianowej, albo w cyklu G S - G O G A T , którego reakcje są katalizowane przez dwa enzymy: syntetazę glutaminową (GS) oraz syntazę glutaminianową (GOGAT) (rys. 2.19). Syntetaza glutaminowa występuje w cytoplazmie i plastydach, syntaza glutaminianowa zaś tylko w plastydach. Cykl G S - G O G A T mo że wykorzystywać do syntezy glutaminianu małe stężenia amoniaku i jest główną drogą syntezy tego aminokwasu. Glutaminian i glutamina przekazują następnie grupy aminowe na inne związki organiczne. Kluczowe są reakcje transaminacji, w których grupa aminowa glutaminianu przenoszona jest na odpowiedni 2-oksokwas, powodując powstanie aminokwasu (rys. 2.20). Aminokwasy łącząc się ze sobą, tworzą następnie białka. Rośliny wyższe pobierają związki azotowe z gleby, jednakże niektóre z nich żyją w symbiozie z pewnymi drobnoustrojami mającymi zdolność wiązania azotu cząstecz-

2.2. G o s p o d a r k a m i n e r a l n a • 7 1 1. Redukcyjna aminacja 2-oksoglutaranu COCT

C00"

I

I

C= 0

CH • NH2

CH2

+ NH3 + NADH + H

dehydrogenaza

-

glutaminowa

CH2

+ NAD+ + H 2 0

CH2

CH2

I cocr

I cocr

2-oksoglutaran

glutaminian

2. Cykl GS-GOGAT COO"

COO"

I

I

CH • NH2

CH • NH2

CH2

+ NH3 + ATP

.

gs

I

CH2

+ ADP + PI

I

CH2

CH2

I

I

COO"

c o • NH2

glutaminian

glutamina

COO"

COO"

I

CH • NH2

I

CH2

COO"

I

I

CH • NH2

c = o +

I

I

I

CH2 + NADPH

2CH 2

I

CH2

CH2

CH2

I

I

I

c o • NH2

COO"

glutamina

2-oksoglutaran

COO" glutaminian

Mys. 2.19. Drogi syntezy glutaminianu

COO"

COO"

I I

CH2

I

CH2

I COO"

'

I

C= 0

+

I

CH2

COO" I

COO"

I

CH • NH2

+ NADP

I

CH • NH2 aminotransferaza asparagimanowa

c=o

I

CH2

I +

COO"

I COO"

szczawiooctan

asparaginian

CH2

I 2 CH COO"

2-oksoglutaran glutaminian Rys. 2.20. Reakcja transaminacji prowadząca do powstania aminokwasu (asparaginianu)

7 2 • Fizjologia przemiany materii

kowego z atmosfery. Powietrze atmosferyczne zawiera 78% azotu, ale tylko niewielka część azotu cząsteczkowego jest wiązana przez niektóre mikroorganizmy - bakterie, sinice i promieniowce. Najbardziej wydajna jest symbioza glebowych bakterii Rhizobium, Bradyrhizobium i Azorhizobium z korzeniami roślin motylkowatych. Ocenia się, że mikrobiologicznie wiązane jest około 100-700 min ton azotu rocznie, z czego olbrzymia większość przypada na symbiotyczne bakterie brodawkowe z roślinami motylkowatymi. Oprócz bakterii symbiotycznych także bakterie niesymbiotyczne, jak Azotobacter, Clostńdium, Pseudomonas, Achromobacter, Rhodospirillum, oraz sinice (cyjanobakterie) z rodzajów Anabena, Nostoc i Oscillatońa, przyswajają azot atmosferyczny. Symbiotyczne bakterie brodawkowe z rodzaju Rhizobium żyją w glebie i same nie są zdolne do wiązania azotu. Zdolność tę nabywają, gdy wejdą w symbiozę z korzeniami właściwej rośliny motylkowatej. Bakterie wnikają przez ścianę do wnętrza włośników, tworząc tam nić infekcyjną, która wnika w głąb aż do komórek kory pierwotnej korzenia. Podrażnione w ten sposób korzenie rozwijają brodawki korzeniowe. W brodawkach bakterie intensywnie rozkładają związki organiczne dostarczane przez roślinę motylkowatą. Wydzielona energia służy, między innymi, do wiązani azotu cząsteczkowego. Związany azot jest przyłączany do ketokwasów wytwarzanych przez roślinę motylkowatą. Powstają aminokwasy, które służą następnie do syntezy białek w roślinie, i amidy. Oprócz tego znaczne ilości związków azotowych przedostają się z brodawek korzeniowych do gleby i są wykorzystywane przez inne rośliny rosnące równocześnie bądź później w płodozmianie. Mechanizm wiązania azotu przez mikroorganizmy katalizuje specjalny kompleks enzymatyczny, zwany nitrogenazą. Składa się on z dwu funkcjonalnie powiązanych enzymów: dinitrogenazy i reduktazy dinitrogenazy. Dinitrogenaza jest białkiem o masie cząsteczkowej 180-235 kDa, zależnie od gatunku. Zawiera ono molibden i żelazo. Reduktaza dinitrogenazy jest białkiem mniejszym (ok. 60 kDa), zawierającym tylk żelazo. Reduktaza przekazuje elektrony dinitrogenazie, na której odbywa się przyłączenie N, i jego stopniowa redukcja do NH 3 . Utworzony amoniak odłącza się od nitrogenazy i zostaje włączony do metabolizmu azotowego komórki. Trudność proces1 polega na sile potrójnego wiązania w cząsteczce N2 (N=N), którego rozerwanie wymaga dużego nakładu energii. Energię bakterie uzyskują z rozkładu pirogronianu. Do działania nitrogenazy konieczna jest obecność ATP i Mg 2+ . Utleniona reduktaza dinitrogenazy przyjmuje elektrony od zredukowanej ferredoksyny, po czym tworzy kompleks z dwoma jonami Mg2+ i ATP. W tej postaci łączy się z białkiem dinitrogenazy i przekazuje mu elektrony. Redukcja dinitrogenazy jest powiązana z rozkładem związanego ATP. W ten sposób nitrogenaza zostaje uaktywniona i jest zdolna do wiązania i redukcji N2 (rys. 2.21). Nitrogenaza jest bardzo wrażliwa na tlen, który inaktywuje reduktazę dinitrogenazy. Dlatego proces wiązania azotu musi odbywać się w warunkach beztlenowych. Preferowane są więc bakterie beztlenowe, jak Clostńdium czy Rhodobacter. Bakterie tlenowe i sinice wytwarzają natomiast wewnętrzne mikrośrodowisko beztlenowe w wyspecjalizowanych heterocystach. Komórki roślin wchodzących w symbiozę silnie oddychają i wytwarzają duże ilości leghemoglobiny - białka hemowego wiążącego tlen. Leghemoglobina kontroluje stężenie wolnego tlenu oraz

2.2. G o s p o d a r k a mineralna • 7 3

DINITROGENAZA (210 kDa) N = N—HN=NH—H2N-NH2

Mo

NH,

Fe REDUKTAZA Fe

ferredoksyna Mys. 2.21. Mechanizm wiązania azotu przez mikroorganizmy

ułatwia dyfuzję tlenu z cytoplazmy komórek do silnie oddychających bakteroidów. Tak więc leghemoglobina z jednej strony chroni nitrogenazę przed tlenem, a z drugiej uczestniczy w dostarczaniu energii potrzebnej do redukcji cząsteczki N2. Azot stanowi około 1-3% suchej masy rośliny, jest jednak niezbędny do budowy związków o podstawowym znaczeniu dla jej procesów życiowych. Brak lub niedobór azotu wyraża się zmniejszeniem w roślinie syntezy takich związków jak: aminokwasy, hiałka, kwasy nukleinowe, nukleotydy magazynujące energię (ATP, GTP, UTP, CTP) i transportujące wodór i elektrony w procesach fotosyntezy i oddychania (NAD, NADP, FAD, FMN), alkaloidy, fosfolipidy. Ostatecznym skutkiem głodu azotowego jest śmierć rośliny. Najwcześniej obserwowanymi objawami niedoboru azotu jest postępująca chloroza oraz wzmożona produkcja antocyjanin, co powoduje czerwienienie liści i łodyg. Pędy nadziemne są krótkie i cienkie, rośliny słabo kwitną i wydają mały plon nasion. Aby zapobiec tym procesom, stosuje się nawożenie azotowe. Nawożenie winno być jednak kontrolowane, gdyż nadmiar azotu powoduje wybujały wzrost, który opóźnia dojrzewanie, sprzyja wylęganiu roślin i zmniejsza ich odporność na choroby i szkodniki.

losfor (P) Fosfor jest pobierany przez rośliny w postaci jedno- lub dwuwartościowych jonów fosforanowych H 2 P0 4 ~ lub HP0 4 2 ~ i tworzy w roślinie różne estry kwasu ortofosforowego. W komórkach występuje metaboliczna pula fosforanu nieorganicznego (Pj), biorąca udział w reakcjach fosforylacji oraz syntezy ATP. Podstawową rolą fosforu jest jego udział w przemianach energetycznych oraz w procesach fosforylacji i defoslorylacji białek enzymatycznych. W komórkach roślinnych występuje także pirofosforan (PPj) odgrywający istotną rolę energetyczną w metabolizmie cukrowców. Jony fosforanowe P0 4 3 - nie ulegają w komórkach redukcji, lecz wbudowywane są jako ortofosforany w wiele bardzo ważnych biologicznie związków, jak: koenzymy (CoA, NAD, NADH, FAD, FMN), nukleotydy (ATP, UTP), kwasy nukleinowe (DNA, RNA), estry fosforanowe cukrów (fotosynteza, oddychanie), fosfolipidy (błony komórkowe), zapasowe związki fosforu (fityna). Związki fosforu odgrywają zatem

7 4 • Fizjologia przemiany materii

główną rolę w metabolizmie komórkowym. Biorą udział zarówno w procesach syntezy, jak i rozpadu (fotosynteza, oddychanie, synteza, transport, rozpad związków organicznych), a także szlakach przekazywania sygnałów (patrz rys. 3.9). Podstawowe znaczenie fosforu w gromadzeniu i przekazywaniu energii wynika z możliwości łatwego przyłączania i odłączania elektronów przez ten pierwiastek. Niedobór fosforu wpływa ujemnie na większość procesów życiowych rośliny. Ogólne objawy niedoboru fosforu są częściowo podobne do oznak braku azotu. Obserwuje się również chlorozę, czerwoną pigmentację łodyg i opadanie starszych liści. Ponadto na liściach występują ciemne plamy nekrotyczne oraz niebieskawozielone zabarwienie. Pogłębiający się deficyt fosforu w glebie wiedzie do śmierci rośliny. W intensywnej uprawie roślin niezbędne jest nawożenie fosforowe.

Potas (K) Pierwotnym źródłem potasu w glebie są glinokrzemiany potasowe (muskowit), glinokrzemiany magnezowo-potasowe (biotyt) i skalenie. W procesie wietrzenia minerałów potas jest uwalniany jako jon K + . W tej postaci pobierany jest przez rośliny wbrew gradientowi stężenia. Potas nie tworzy w roślinach związków organicznych i występuje wyłącznie w postaci jonowej. Jest bardzo ruchliwym pierwiastkiem. Przemieszcza się zarówno ksylemem, jak i floemem. W warunkach niedoboru kierowany jest w pierwszej kolejności do rosnących wierzchołków i młodych liści. W komórce roślinnej potas nagromadza się w wakuoli i chloroplastach, występuje jednak także na terenie cytoplazmy i w organellach komórkowych. Jony potasu są aktywatorami bądź kofaktorami kilkudziesięciu enzymów uczestniczących w procesach oddychania i fotosyntezy. Potas aktywuje także tak ważne enzymy jak ATPazy. Duża zawartość jonów potasu jest niezbędna do biosyntezy białek. Jony potasowe są ważnym składnikiem osmotycznym soku komórkowego. Zwiększają pęcznienie koloidów. Ilość potasu w komórce decyduje o wielkości potencjału osmotycznego. Potas odgrywa więc główną rolę w utrzymaniu turgoru w komórce, a także w jego szybkich zmianach, które leżą u podstaw ruchów turgorowych, w tym także ruchu aparatów szparkowych. Potas pełni również istotną funkcję w osmoregulacji komórek, szczególnie w warunkach deficytu wodnego. Jony potasowe są ważnym czynnikiem określającym potencjał błonowy i utrzymującym równowagę elektryczną w komórkach. Potas reguluje gospodarkę wodną całej rośliny. Zmniejsza natężenie transpiracji, przez co roślina jest mniej narażona na straty wody. Niedobór potasu w roślinie zwiększa transpirację, wskutek czego może się pojawić ujemy bilans wodny rośliny. Objawami znacznego niedoboru potasu jest przedwczesne żółknięcie i obumieranie liści. Rośliny mają pokrój zwiędły, krótkie międzywęźla i słabo rozwinięty system korzeniowy. Głód potasowy zmniejsza plonowanie roślin i zimoodporność, a zwiększa podatność na choroby.

Wapń (Ca) Wapń występuje w glebie w postaci rozpuszczonych w wodzie soli wapnia i jonów wapnia związanych przez kompleks sorpcyjny gleby. W tych formach jest łatwo dostępny dla roślin. Wapń pobierany jest w postaci jonowej (Ca 2+ ) i następnie przenoszony ksylemem wraz z prądem transpiracyjnym wody. Wykazuje małą ruchliwość w roślinie,

2.2. Gospodarka mineralna • 7 5

nic jest odprowadzany do młodych organów, a nadmiar wapnia w starszych liściach jest wiązany z kwasem szczawiowym w postaci kryształków szczawianu wapnia. Wapń występuje w roślinach w formie jonowej w powiązaniu z koloidami strukInr komórkowych. Występuje też w związkach chemicznych, zwłaszcza pektynianach wapnia w ścianach komórkowych, również jako protopektynian w blaszce środkowej. W postaci węglanu wapnia inkrustuje powierzchnię niektórych ścian komórkowych. Wapń tworzy także zapasowy związek fitynę, gromadzący się w dużych ilościach np. w ziarniakach zbóż. Rola wapnia w roślinach jest wielostronna. Współtworzy struktury komórkowe. W blaszce środkowej Ca 2+ łączy łańcuchy kwasu pektynowego, powodując silne powiązanie sąsiadujących ścian komórkowych. Zwiększa także sprężystość rośliny i jej odporność na wyleganie. Jony wapnia zmniejszają pęcznienie koloidów, działają odwrotnie niż potas, powodują więc mniejsze uwodnienie rośliny. Wapń funkcjonuje również jako kofaktor niektórych enzymów związanych z hydrolizą ATP i fosfolipidów. Bardzo ważną i uniwersalną funkcją jonów wapnia jest ich uczestnictwo w postaci wtórnego przekaźnika informacji w regulacji podstawowych procesów metabolicznych (patrz 3.1.4). Zmiany poziomu Ca 2+ w cytoplazmie pełnią rolę informacyjną, są wewnątrz- i międzykomórkowym sygnałem uczestniczącym w przekazywaniu określonych informacji. Funkcja wapnia jako przekaźnika sygnałów zależy od jego związania się ze specyficznym białkiem kalmoduliną. Kompleksy Ca 2+ -kalmodulina kontrolują aktywność wielu ważnych enzymów, jak kinazy białkowe, fosfatazy, kinaza NAD, ( a 2+ -ATPaza i wiele innych. Odgrywa to istotną rolę w wielu łańcuchach przekazywania sygnałów kontrolujących przebieg podstawowych procesów fizjologicznych. Deficyt wapnia w roślinie prowadzi do zaburzeń w rozwoju liści i owoców. Brak wapnia w glebie powoduje wzrost jej kwasowości, co jest zjawiskiem szkodliwym dla wielu roślin. Magnez (Mg) Magnez występuje w glebie w postaci jonów magnezowych związanych z kompleksem sorpcyjnym gleby oraz soli magnezowych rozpuszczonych w roztworze glebowym. Obie formy magnezu są łatwo dostępne dla roślin. Pobieranie magnezu następuje w postaci jonu Mg 2+ , który następnie przemieszcza się w roślinie głównie naczyniami ksylemu. Magnez jest ważnym składnikiem chlorofilu. Około połowy magnezu zawartego w liściach występuje w chloroplastach. Magnez jest także składnikiem protopektyn w ścianach komórkowych. Jony magnezu są aktywatorami wielu enzymów /wiązanych z syntezą DNA i RNA, aktywatorami ATPaz i innych enzymów przenoszących grupy fosforanowe, enzymów związanych z fotosyntezą i oddychaniem. Magnez działa antagonistycznie do jonów K + i NH 4 + , zmniejszając ich pobieranie. Jest pierwiastkiem bardzo ruchliwym, bierze również udział w regulacji kwasowości (pH) w komórce. W wakuoli magnez występuje w postaci fosforanów, jako pula rezerwowa tego makroelementu. Magnez ma zdolność tworzenia wiązań chelatowych, służy więc przyswajalności pierwiastków metalicznych, które w kompleksach chelatowych są chronione i przez to dostępne dla roślin. Z gleb lekkich i kwaśnych jon magnezowy jest łatwo wypłukiwany. Rośliny rosnące na takich glebach najczęściej wykazują oznaki jego niedoboru. Pojawia się cha-

7 6 • Fizjologia przemiany materii

rakterystyczna ehloroza na starszych liściach, które szybko obumierają, zaś na liściach młodych pojawiają się ogniska nekrotyczne. Nadmiar magnezu w glebie powoduje natomiast względny niedobór azotu, potasu i wapnia.

Siarka (S) Siarka w glebie występuje głównie w postaci siarczków żelaza (FeS), ołowiu (PbS) oraz siarczanów (gips, anhydryt). Rośliny pobierają siarkę w formie utlenionej, w postaci jonu siarczanowego (S0 4 2- ), który jest transportowany ksylemem. Siarczany ulegają następnie w komórkach redukcji do formy - S H . Grupy sulfhydrylowe (dołowe, - S H ) lub disulfidowe (dwusiarczkowe, - S - S - ) występują w aminokwasach (cysteinie, cystynie i metioninie), a zatem w niektórych białkach i peptydach (np. glutationie). Ponadto grupy - S H występują w ferredoksynie i koenzymie A. Siarka zawarta w aminokwasach i białkach ma duże znaczenie jako składnik enzymów i współdziałających z nimi koenzymów: HS-CoA, kwasu liponowego, pirofosforanu tiaminy, witamin H i B,. Wiązania dwusiarczkowe uczestniczą w uzyskaniu przez białka stabilnej struktury wtórnej, grupy sulfhydrylowe aminokwasów siarkowych wchodzą też w skład centrów aktywnych enzymów. Objawy niedoboru siarki w postaci chlorozy i zmian nekrotycznych są rzadko obserwowane. Pojawiają się prawie wyłącznie na liściach bardzo młodych.

Żelazo (Fe) Gleby zawierają niewielkie, ale na ogół wystarczające dla roślin, ilości żelaza. Rośliny pobierają je w postaci jonu żelazawego (Fe 2+ ), żelazowego (Fe 3+ ) oraz związków chelatowych. Pobieranie jonów żelazowych zachodzi łatwo tylko w glebach kwaśnych, natomiast chelatowe związki żelaza są łatwo przyswajalne niezależnie od odczynu gleby. Żelazo odgrywa ważną rolę jako składnik enzymów oksydoredukcyjnych uczestniczących w przenoszeniu elektronów. Żelazo dwuwartościowe uwalnia elektron, przez co utlenia się do żelaza trójwartościowego, które z kolei przyjmując elektron, redukuje się ponownie do formy dwuwartościowej Fe 2+

+e

Fe 3+

Tę funkcję żelazo pełni w u k ł a d a c h hemowych (cytochromy, grupy prostetyczne katalaz i peroksydaz), w ferredoksynie i nitrogenazie. Żelazo odgrywa ważną rolę w fotosyntezie i oddychaniu, jest także niezbędnym czynnikiem syntezy chlorofilu. W chloroplastach występuje około 80% całej zawartości żelaza w liściach. Występuje tam również fitoerytryna, będąca kompleksowym połączeniem żelaza z białkiem. Stanowi ona zapasową formę żelaza. Głównym objawem niedoboru żelaza jest ehloroza, a więc zanikanie chlorofilu w młodych liściach. Stają się one po pewnym czasie całkowicie białe.

Miedź (Cu) Dostępna dla rośliny miedź występuje w kompleksie sorpcyjnym gleby. Pobierana jest w postaci kationu Cu 2+ lub związków chelatowych i transportowana ksylemem do części nadziemnej.

2.2. Gospodarka mineralna • 7 7

Miedź jest pierwiastkiem niezbędnym w wielu procesach metabolicznych, np. w fotosyntezie. Wchodzi w skład enzymów oksydoredukcyjnych przenoszących elektrony na tlen cząsteczkowy. Występuje w oksydazach - cytochromowej, fenolowej, nskorbinianowej. Znajduje się także w plastocyjaninie, dehydrogenazach oraz peroksydazie. Funkcjonowanie tych enzymów oraz przenośników elektronów jest /wiązane ze zdolnością miedzi do zmiany wartościowości: Cu +

Cu 2+ +e

()bjawem niedoboru miedzi jest choroba nowin u zbóż, szczególnie owsa. Występuje ona na glebach bielicowych (brak miedzi), bądź torfowych (miedź związana). Symptomy to bielenie liści młodych, a następnie kłosów i opóźnienie dojrzewania zbóż. Mangan

(Mn)

Mangan występuje w glebie w postaci dwu-, trój- i czterowartościowej, jednak formą lozpuszczalną i przyswajalną z kompleksu sorpcyjnego jest Mn 2+ . Mangan aktywuje wiele enzymów, tworząc wiązania chelatowe między białkiem a substratem. W szczególności aktywuje dehydrogenazy i dekarboksylazy w cyklu kwasów trikarboksylowych (oddychanie). Aktywuje także enzymy fazy świetlnej fotosyntezy związane z fotodysocjacją wody i wydzielaniem tlenu oraz enzymy biorące udział w redukcji azotanów. Najbardziej pospolitym objawem niedoboru manganu jest chloroza. Cynk

(Zn)

( ynk pobierany jest przez rośliny z kompleksu sorpcyjnego gleby w postaci jonu dwuwartościowego (Zn 2 + ). Jest on składnikiem bądź wpływa na aktywność wielu enzymów. Wchodzi w skład anhydrazy węglanowej, dehydrogenazy alkoholowej, karboksypeptydazy oraz dysmutazy ponadtlenkowej. Cynk bierze udział w syntezie białek i regulacji metabolizmu cukrowców. Wchodzi w skład błon komórkowych i rybosomów. Niektóre białka mają domeny zawierające cynk, np .palce cynkowe, które odgrywają istotną rolę w procesie transkrypcji genów. Brak cynku hamuje także syntezę ważnego aminokwasu - trypto1'anu, z którego powstaje kwas 3-indolilooctowy, główna auksyna u roślin. Objawem braku cynku jest wytwarzanie skróconych międzywęźli oraz małych liści, na których już we wczesnym okresie rozwoju pojawia się cętkowana chloroza. Molibden

(Mo)

Molibden występuje w glebie i jest pobierany przez rośliny w postaci anionu Mo0 4 2 ~. Transportowany jest ksylemem do części nadziemniej rośliny. Rola molibdenu wiąże się głównie z metabolizmem azotowym. Wchodzi on w skład nitrogenazy oraz reduktazy azotanowej. Molibden ma właściwości oksydoredukcyjne, które pozwalają mu uczestniczyć w symbiotycznym wiązaniu azotu atmosferycznego (nitrogenaza) oraz w redukcji azotanów do amoniaku (reduktaza azotanowa). Największe zapotrzebowanie na molibden wykazują rośliny motylkowate współżyjące z bakteriami oraz rośliny korzystające z azotanów jako źródła azotu. Objawy niedoboru molibdenu to zwijanie się brzegów liści oraz chloroza z nekrozą.

7 8 • Fizjologia przemiany materii

Hor (B) Hor występuje w glebie jako jon B 0 3 v i w tej postaci jest pobierany przez rośliny. Jon boranowy tworzy w roślinie labilne połączenia estrowe z cukrowcami i ich pochodnymi. Jest pierwiastkiem mało ruchliwym, w roślinie przemieszcza się ksylemem z prądem transpiracyjnym wody. Znaczna część boru pozostaje w ścianach komórek korzenia i pędu, gdzie jest związana z polisacharydami, tworząc właściwą strukturę ścian komórkowych. Bor jest także regulatorem przemian węglowodanów, zwłaszcza w procesie oddychania. Brak boru hamuje rozwój generatywny, szczególnie kiełkowanie pyłku. Bor stymuluje wbudowywanie fosforu do kwasów nukleinowych, redukcję azotanów, gospodarkę hormonalną roślin, uczestniczy w zjawiskach geotropizmu i podziałach mitotycznych komórek. Objawy niedoboru to zahamowany wzrost roślin, obumieranie stożków wzrostu i łamliwość liści. Szczególnie wrażliwy na brak boru jest burak. Choroba tej rośliny wywołana brakiem boru nosi nazwę zgorzeli liści sercowych buraka. Chlor

(Cl)

W glebie chlor występuje w postaci chlorków. Z roztworu glebowego jest pobierany w formie jonu Cl" i jako anion jest transportowany w ksylemie. Chlor bierze udział w fazie jasnej fotosyntezy - w procesie rozkładu (fotolizy) wody przez PSII. Ponadto chlorki stymulują H + -ATPazę, uczestniczą w osmoregulacji komórek, ruchach szparek, stabilizacji chloroplastów i syntezie białek. Oznaki niedoboru chloru to zielonożółte plamki na blaszce liściowej.

2.3. Fotosynteza i anabolizm 2.3.1. Definicja i sens biologiczny Fotosynteza jest procesem przemiany energii świetlnej w energię wiązań chemicznych. Proces ten zachodzi u wszystkich roślin zielonych oraz u niektórych pierwotniaków i bakterii. W reakcjach fotosyntezy uczestniczy dwutlenek węgla i woda. Kosztem energii świetlnej następuje fotoliza H 2 0 i redukcja C0 2 . W większości przypadków pierwotnymi produktami fotosyntezy są węglowodany (cukry) i tlen zgodnie z równaniem: nC02 + nH20

> (CH 2 0)„ + n02

gdzie (CH 2 0)„ oznacza cząsteczkę cukrowca o n atomów węgla, np. w cząsteczce glukozy AI = 6. Fotosynteza jest podstawowym procesem zapewniającym, w obecnych warunkach, utrzymanie życia na Ziemi. Stanowi główne źródło energii metabolicznej dla wszystkich organizmów żyjących na naszej planecie. Niemal wszystkie związki organiczne powstają bezpośrednio lub pośrednio w wyniku fotosyntezy.

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 7 9

Fotosynteza zachodzi w wyspecjalizowanych organellach komórkowych - chloloplastach. Jej mechanizm jest znacznie bardziej skomplikowany niż to przedstawiono w uproszczonym równaniu. W procesie fotosyntezy można wyróżnić dwie zasadnicze fazy: fazę fotochemiczną - świetlną, zależną od światła, oraz fazę metaboliczną ciemną, niezależną bezpośrednio od światła.

2.3.2. Lokalizacja i struktura aparatu fotosyntetycznego Liście są wyspecjalizowanymi organami, w których zachodzi fotosynteza. Może ona przebiegać również w innych tkankach zielonych, jak łodyga, owoce, liście nie. Blaszka liściowa ma dużą powierzchnię w stosunku do swej objętości, co umożliwia maksymalną absorpcję światła. Duża powierzchnia liścia i silnie rozwinięte przestwory międzykomórkowe, a także obecność w liściu szparek umożliwiają dostęp atmosferycznego C0 2 , parowanie wody i uwalnianie się tlenu (patrz rozdz. 2.1.3.1, wymiana gazowa). Komórki mezofilu w liściach zawierają chloroplasty. Są to stosunkowo duże organelle otoczone podwójną błoną (rozdz. 1.2 i rys. 1.9). W stromie chloroplastu znajduje się rozbudowany system wewnętrznych błon - tylakoidów. Tylakoidy w kształcie spłaszczonych woreczków ułożone są w stosy tworząc grana (tylakoidy gran) lub też Iworzą luźno związane intergrana - tylakoidy stromy. W stromie chloroplastu znajduje się także plastydowy DNA (chlDNA) kodujący niektóre białka, rybosomy 70S I pozostałe elementy aparatu syntezy białka. Złożona struktura chloroplastu warunkuje rozdzielenie przestrzenne faz fotosyntezy; faza świetlna zachodzi w błonach tylakoidów, natomiast faza ciemna - w stromie. Ponadto rozbudowana struktura lameInrna (błoniasta) zwiększa znacznie aktywną powierzchnię, zatem wydajność reakcji lolochemicznych (inicjowanych przez światło).

2.3.3. Reakcje świetlne fotosyntezy Podczas świetlnej fazy fotosyntezy następuje przekształcenie energii świetlnej w energię wiązań chemicznych związków bogatych w energię: ATP i NADPH. Klapami tej fazy są: absorpcja światła, transport uwolnionych elektronów, redukcja NADP + (fosforanu dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego) i fosforylacja ADP. Podczas fazy świetlnej zachodzi również fotoliza wody.

2 . 3 . 3 . 1 . Absorpcja światła Światło czynne fotosyntetycznie obejmuje zakres długości fal (A.) 400-700 nm. Jest to len zakres promieniowania słonecznego, który odpowiada światłu widzialnemu, przy

8 0 • Fizjologia p r z e m i a n y materii

ezym efektywne fotosyntetycznie jest głównie światło niebieskie (X 400-500 nm) i światło czerwone (A. 600-700 nm). Kwant światła niebieskiego niesie znacznie więcej energii niż kwant światła czerwonego. Za absorpcję światła czynnego fotosyntetycznie odpowiadają barwniki znajdujące się w błonie tylakoidów. Spełniają one funkcję receptorów światła. Podstawowymi barwnikami fotosyntetycznymi są chlorofile, które wykazują maksymalną absorpcję światła o X około 550 i 660 nm. Ponadto większość chloroplastów zawiera także C2H5 I

CH3-C

CH3 I

H

C

N

// HC^

O

1 IH

\ " |f \

/ Mg

N— C COOCH3

/

•N/

N = C /

\\ •#. a\

^ . c\

1

1

?

S

,v IV

V / c \

H\

H2C V

H,Cv\ /CH \ 2 H^ \ ^/CH2 H,C

H2CX

\

/CH2

H^ \ /CH 2 H,C

CH,

CH,

CH, CH

H 2 C'

C

II

H2CN CH,

^ C

X-CH3

H2CX

V H \

CH, CH,

CH3

CH3

I

C

I

CH CH

Q CH

CH)2 CH ^ C

L

CH

CH

CH

CH ^ C

L

CH3

1 ^c.

A-

.CH3 S CH

2

^ C H ||

H 3 C-C^

Rys. 2.22. Budowa niektórych barwników fotosyntetycznych: A - chlorofil a, B - p-karoten

CH2

.CH 2

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 8 1

barwniki pomocnicze, głównie karoteny i ksantofile, które poszerzają zakres długości lal światła absorbowanego przez chloroplast, a zaabsorbowaną energię przekazują do chlorofilu. Karotenoidy pełnią w chloroplastach również rolę ochronną przed uszkodzeniami lipidów błon tylakoidów w wyniku fotoutleniania. Budowę najważniejszych barwników czynnych w fotosyntezie przedstawiają wzory na rysunku 2.22. Wynikiem absorpcji kwantu światła przez barwnik jest jego wzbudzenie, tzn. przejście na wyższy poziom energetyczny. Polega na tym, że jeden z elektronów cząsteczki barwnika, lub kompleksu zawierającego ten barwnik, zmienia swoją orbitę na hardziej oddaloną od dotychczasowej. Barwniki uczestniczące w fotosyntezie tworzą na błonie tylakoidu zorganizowane kompleksy barwnikowo-lipidowo-białkowe. W kompleksie takim uczestniczy do S00 cząsteczek chlorofili a i b oraz barwniki pomocnicze, ale tylko dwie cząsteczki chlorofilu a tworzą centrum reakcji fotochemicznej. Pozostałe cząsteczki barwników tworzą system anten energetycznych; energia wzbudzenia jest z nich przenoszona w drodze rezonansowego transferu energii do chlorofili centrum reakcji. W centrum reakcji fotochemicznej następuje trwałe rozdzielenie ładunków - wybicie elektronu z wzbudzonej cząsteczki chlorofilu. Powrót do stanu wyjściowego związany jest z wydzieleniem energii w postaci światła (fluorescencja) lub ciepła, a przede wszystkim z przeniesieniem elektronu na odpowiedni akceptor, co rozpoczyna ciąg reakcji prowadzących do powstania związków bogatych w energię: ATP i NADPH.

2.3.3.2. Transport elektronów W chloroplastach roślin wyższych występują dwa różne kompleksy barwników zawierające różne typy centrów reakcji współpracujących z różnymi zespołami barwników towarzyszących oraz z różnymi białkami. Tworzą one dwa fotoukłady: PS I i PS II (ang. photosystem I, II). W każdym chloroplaście występuje kilkaset fotoukładów, przy czym PS I jest zlokalizowany głównie na tylakoidach stromy, podczas gdy PS II na tylakoidach gran. Białka fotoukładów stanowią istotny element systemów antenowych i pośredniczą w przekazywaniu energii wzbudzenia elektronowego do centrum reakcji fotochemicznej. Zawierają one również miejsca wiązania kolejnych przenośników elektronów. Białka PS II są też czynnikiem zespalającym tylakoidy w granach. Wśród białek PS II na uwagę zasługuje kompleks enzymatyczny współpracujący z jonami Mn 2+ , Ca 2+ i Cl", katalizujący fotolizę wody. Para elektronów uwolnionych w wyniku wzbudzenia centrum reakcji fotochemicznej fotoukładu PS II jest przenoszona na łańcuch transportu elektronów. Pozbawione części elektronów walencyjnych cząsteczki chlorofilu a, jako silne reduktory, odrywają elektrony od cząsteczki wody w myśl reakcji: 2 H20

>02 + 4 H + + 4e"

Powstający w wyniku fotolizy tlen jest jednym z produktów fotosyntezy, uwalnianym do środowiska w drodze dyfuzji, protony (jony H + ) przemieszczają się do światła tylakoidu, natomiast elektrony włączają się do łańcucha transportu elektronów i stanowią siłę motoryczną fosforylacji ADP do ATP.

8 2 • Fizjologia przemiany materii

Przeniesienie elektronów z cząsteczki wody na utlenioną formę NADP (NADP + ) zachodzi w fotosyntetycznym łańcuchu transportu elektronów, w którym uczestniczą oba fotoukłady oraz szereg przenośników niezwiązanych z fotoukładami. Pierwotnym akceptorem elektronów wybitych z chlorofilu a w fotoukładzie PS II jest feofityna (Phe, porfiryna różniąca się od chlorofilu brakiem magnezu). Następnie, zgodnie z gradientem potencjału oksydoredukcyjnego, elektrony przemieszczają się na chlorofile PS I. Zachodzi to za pośrednictwem szeregu przenośników elektronów, z których część (Q a i Q u - formy plastochinonu związane ze specyficznymi białkami) stanowi element kompleksu PS II, a część związana jest bezpośrednio z błoną tylakoidu. Należy tutaj wolny plastochinon, kompleks cytochromowy zawierający m.in. cytochromy b„ i / oraz centrum żelazo-siarkowe, a także plastocyjanina, z której elektrony są przenoszone bezpośrednio na chlorofile centrum reakcji fotochemicznej PS I. Wybicie elektronu z chlorofilu a w centrum reakcji fotochemicznej fotoukładu PS I przez kolejny kwant energii świetlnej umożliwia przyjęcie elektronu z piasto- j cyjaniny. Wzbudzona cząsteczka chlorofilu o silnie ujemnym potencjale redoks jest zdolna przekazać wybity elektron na NADP + . Odbywa się to z udziałem kolejnego szeregu przenośników elektronów, wśród których wyróżnia się białka żelazo-siarkowe i fcrredoksynę. Ta ostatnia redukuje NADP + do NADPH z udziałem enzymu reduktazy ferredoksyna-NADP + . Transport elektronów i zmiany potencjału oksydoredukcyjnego w świetlnej fazie fotosyntezy przedstawiono schematycznie na rysunku 2.23. FOTOUKŁAD I

1,5

S

(P-680^)

E

UJ

Phe

^ -0,5

0

^Ao A, V

kompleks cytochromowy b6f

FB-F

hv

A^Fd-Fp~NADP

+

cyt b

1 OH ~u

hv

>>

J2 O f 0,5 w o £ a

(P-700*)

FOTOUKŁAD II

PQ

_ „ cytb _.„--' ^cyt f

2H?0

I I IM 11 światto

f 11 11 I f światto

Rys. 2.23. Schemat fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów. P-680 i P-700 - formy chlorofilu znajdujące się w centrach reakcji PSII i PSI, * - stan wzbudzony, Phe - feofityna, QA i QB - związane cząsteczki plastochinonu, PQ - pula wolnego plastochinonu, FeS - centrum żelazo-siarkowe, cyt b i cyt f - cytochromy b i f, PC - plastocyjanina, \ - cząsteczka chlorofilu, A, - witamina K,; Fx, FB, FA - centra żelazo-siarkowe, Fd - ferredoksyna, Fp - reduktaza ferredoksyna-NADP'. Linia przerywana wskazuje na przebieg cyklicznego transportu elektronów (Wg: Strzałka 2002. W: Fizjologia roślin. Warszawa, PWN, zmodyfikowane)

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 8 3

Skutkiem reakcji świetlnych fotosyntezy zachodzących z udziałem obu fotoukładow jest powstawanie tlenu cząsteczkowego, protonów oraz redukcja NADP + zgodnie z sumaryczną reakcją: 2 H 2 0 + 2 NADP + — >

0 2 + 2 H + + 2 NADPH

2.3.3.3. Fosforylacja fotosyntetyczna Fosforylacja fotosyntetyczna jest zasadniczym sposobem magazynowania energii świetlnej w postaci związku bogatego w energię (ATP), w wyniku funkcjonowania fotosyntezy. Równolegle do transportu elektronów w świetlnej fazie fotosyntezy powstaje ATP w wyniku fosforylacji ADP. Między wnętrzem pęcherzyków tylakoidów a stromą powstaje znaczna różnica stężenia jonów H + , która jest wynikiem z jednej strony gromadzenia się w tylakoidach protonów pochodzących z fotolizy wody oraz przenoszonych ze stromy w procesie utleniania zredukowanego plastochinonu, a z drugiej /używania protonów stromy do przekształcania NADP + w NADPH. Ten gradient stężenia jonów H+ (różnica pH) stanowi siłę napędową procesu fosforylacji. Reakcja zachodzi z udziałem kompleksu enzymatycznego syntazy ATP, zwanej również czynnikiem sprzęgającym, który jest zlokalizowany w błonie tylakoidu. W wyniku funkcjonowania opisanego już łańcucha transportu elektronów, oprócz NADPH powstaje ATP. Proces powstawania ATP określa się mianem fotofosforylacji niecyklicznej. Sumaryczne równanie świetlnych reakcji fotosyntezy wygląda więc następująco: 4 H 2 0 + 4 NADP + + 6 ADP + 6 Ps —

2

0 2 + 4 H + + 4 NADPH + 6 ATP

W niektórych sytuacjach fizjologicznych, gdy zapotrzebowanie na ATP jest większe niż na NADPH, uruchamia się cykliczny transport elektronów, w którym uczestniczy lylko PS I. Elektron wybity przez kwant energii świetlnej z centrum reakcji fotochemicznej układu PS I przemieszcza się przez szereg przenośników do ferredoksyny i zamiast redukować NADP + , zostaje przekazany do kompleksu cytochromowego i następnie wraca przez plastocyjaninę do centrum reakcji fotochemicznej PS I. Drogę tę uwidoczniono na rysunku 2.23 w postaci linii przerywanej. W wyniku cyklicznego transportu elektronów nie powstaje NADPH, natomiast powstaje ATP (fotofosforylacja cykliczna).

2.3.4. Wiązanie i redukcja C 0 2 , rośliny C-3 i C-4, fotooddychanie W ciemnej fazie fotosyntezy energia uzyskana w fazie świetlnej jest wykorzystywana do asymilacji nieorganicznego dwutlenku węgla przez rośliny włączania go w związki organiczne.

8 4 • Fizjologia p r z e m i a n y materii

U większości roślin wiązanie C 0 2 zachodzi w stromie chloroplastów przez cykl Calvina-Bensona, zwany również cyklem C-3, gdyż pierwotnym jego produktem jest związek trójwęglowy. W procesie tym można wyróżnić etap karboksylacji - przyłączenia C 0 2 do organicznego akceptora, etap redukcji powstałego związku oraz etap regeneracji akceptora.

2.3.4.1. Cykl Calvina-Bensona Dwutlenek węgla dyfundujący do stromy chloroplastu jest wiązany przez akceptor pięciowęglowy cukier rybulozo-l,5-bisfosforan (RuBP, ribulose bisphosphate). Reakcję tę (karboksylacja) katalizuje enzym karboksylaza/oksygenaza RuBP (rubisco, ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase), a trwałym produktem są dwie cząsteczki kwasu 3-fosfoglicerynowego (PGA), uważanego za pierwotny produkt fotosyntezy. Białko rubisco stanowi do 50% wszystkich białek liścia i jest prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnionym białkiem na Ziemi. PGA ulega następnie fosforylacji do kwasu 1,3-bisfosfoglicerynowego z udziałem ATP. W następnym etapie cyklu kwas 1,3-bisfosfoglicerynowy jest redukowany do aldehydu 3-fosfoglicerynowego z udziałem NADPH. Węgiel w tym związku jest zredukowany w takim samym stopniu, jak w cukrach, toteż w znacznej części jest zużywany do syntezy cukrowców. Z 6 cząsteczek CO, po związaniu się z 6 cząsteczkami RuBP powstaje 12 cząsteczek PGA, z których dwie stanowią produkt fotosyntezy netto, przekształcając się w cząsteczkę heksozy, natomiast pozostałe 10 wchodzi w cykl regeneracji akceptora C 0 2 i w wyniku szeregu reakcji odtwarza 6 cząsteczek RuBP, zużywając przy tym kolejne cząsteczki ATP. Cykl Calvina-Bensona przedstawiono schematycznie na rysunku 2.24. rybulozo-1 -bisfosforć

fi-

C0 2

KARBOKSYLACJA 3-fosfoglicerynian REGENERACJA ATP

ATP, NADPH REDUKCJA ADP + PJ, NADP

aldehyd 3-fosfoglicerynowy (fosfotrioza) asymilaty Rys. 2.24. Zasadnicze etapy cyklu Calvina-Bensona. Asymilacja CO, u roślin typu C-3

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 8 5

Aldehyd 3-fosfoglieerynowy opuszcza chloroplast dzięki znajdującemu się w osłonce chloroplastu, wyspecjalizowanemu przenośnikowi białkowemu, który równocześnie przenosi z cytozolu do chloroplastu fosforan nieorganiczny. Ten przeciwległy transport (antyport) jest możliwy dzięki temu, że w cytozolu zachodzi synteza dwucukru sacharozy, podczas której uwalnia się fosforan (patrz rozdz. 2.3.6.1).

2.3.4.2. Fotooddychanie Fotooddychanie jest procesem utleniania rybulozo-l,5-bisfosforanu (RuBP) stymulowanym przez światło. Termin fotooddychanie jest nieprecyzyjny, gdyż w procesie tym, mimo że jest pobierany tlen i wytwarzany C 0 2 , nie uwalnia się energia metaboliczna w postaci ATP, co jest nieodłącznym atrybutem wszystkich procesów oddechowych. Utlenianie (oksygenacja) rybulozo-l,5-bisfosforanu (RuBP) jest katalizowane przez rubisco - ten sam enzym, który katalizuje karboksylację tego substratu. Kierunek katalizowanej reakcji zależy od stosunku stężeń [C0 2 ] : [0 2 ]. Powinowactwo enzymu do C 0 2 jest znacznie większe niż do tlenu; przy jednakowych stężeniach obu gazów karboksylacja dominuje nad utlenianiem w stosunku 80:1, natomiast w stanie równowagi płynów komórkowych z otaczającym powietrzem, gdzie [C0 2 ] : [0 2 ] wynosi około 0,04, intensywność karboksylacji przewyższa intensywność utleniania tylko trzykrotnie. Oznacza to, że w roślinach, w których zachodzi fotooddychanie, następuje utrata, np. dla plonu rolniczego, 25% zasymilowanego C 0 2 . Utlenianie RuBP, które prowadzi do powstania cząsteczki kwasu 2-fosfoglikolowego obok kwasu 3-fosfoglicerynowego (PGA), zachodzi w stromie chloroplastu /godnie z reakcją:

C5H8Os (— P)2 —C2H4O3 RuBP

— p + C3H4O4 — P

2-P-glikolan

PGA

3-lbsfoglicerynian (PGA) jest wykorzystywany w cyklu Calvina-Bensona, a 2-fosfoglikolan ulega defosforylacji do kwasu glikolowego. Dalsze jego przekształcenia zachodzą w peroksysomach i mitochondriach - organellach, do których kolejno przemieszcza się on i jego pochodne. Rysunek 2.25 przedstawia schemat tych przekształceń. W peroksysomach kwas glikolowy jest utleniany do glioksalanu, a następnie przekształcany w aminokwas glicynę w reakcji transaminacji z kwasem glutaminowym. Z dwóch cząsteczek glicyny przetransportowanych do mitochondriów powstaje cząsteczka innego aminokwasu - seryny w wyniku dekarboksylacji i dezaminacji, po czym seryna wraca do peroksysomów, gdzie w wyniku kolejnej serii przemian przekształca się w kwas glicerynowy. Ten ostatni związek może przeniknąć do chloroplastu i włączyć się w przemiany cyklu Calvina. Omawiane przemiany określa się terminem cyklu fotooddechowego lub cyklu C-2, gdyż większość jego elementów to związki dwuwęglowe. Sumarycznie, z dwóch

8 6 • Fizjologia przemiany materii

CHLOROPLAST

RuBP

£

PGA U

fosfoglikolan

ł

glikolan

glicerynian

C

NAD+

2

N HoOo^ glioksalan

t

ATP glicerynian

glikolan + P,

PEROKSYSOM

ADP

glutaminian

NADH hydroksypirogronian

• oksoglutaran glicyna

seryna

NAD+ NADH

MITOCHONDRIUM 2 glicyna

C0 2 + NH3 + seryna

Rys. 2.25. Fotooddychanie - współdziałanie między chloroplastem, peroksysomem i mitochondrium

pięciowęglowych cząsteczek RuBP powstają w cyklu fotooddechowym trzy trójwęglo we cząsteczki PGA i wydziela się 1 cząsteczka C0 2 . Ponadto zużyta zostaje jedna cząs teczka ATP i dwie cząsteczki NADH (zredukowane). Wobec faktu, że fotooddychanie prowadzi do strat zarówno zasymilowanego węgla, jak i zmagazynowanej energii, znaczenie fizjologiczne tego procesu budzi kontrowersje. W niektórych sytuacjach, np. w warunkach dużej intensywności światła, a małej zawartości C0 2 , deficytu wody lub w warunkach niskiej temperatury fotooddychanie może stanowić zawór bezpieczeństwa, rozładowując nadmiar energii i zapewniając prawidłowe działanie całego systemu.

2.3.4.3. Cykl Hatcha i Slacka Jak już wspomniano, asymilacja C 0 2 u większości roślin zachodzi w cyklu Calvina-Bensona. W roślinach tych z reguły zachodzi fotooddychanie. Wiele roślin wywodzących się ze strefy zwrotnikowej, gdzie głównym ograniczeniem wzrostu i rozwoju bywa w pewnych okresach dostępność wody, wykształciło dodatkowy mechanizm wiązania C0 2 . Polega on na znacznym zwiększeniu stężenia C 0 2 w chloroplastach prowadzących cykl Calvina i tym samym przesuwa równowagę reakcji katalizowanych przez rubisco w stronę karboksylacji. Mechanizm ten, od nazwisk odkrywców, jest nazywany cyklem Hatcha i Slacka lub cyklem C-4, gdyż pierwotnymi produktami asymilacji są czterowęglowe kwasy organiczne.

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 8 7

W cyklu C-4 funkcjonują kolejno dwie reakcje karboksylacji. Pierwotnym akceplorem C 0 2 jest bogaty w energię związek fosfoenolopirogronian (PEP, phosphoenolpvruvate), który w reakcji katalizowanej przez karboksylazę fosfoenolopirogronianową (PEPC, phosphoenolpyruvate carboxylase) przekształca się w czterowęglowy kwas s/czawiooctowy: CH 2 = COP — C O O + c o 2

O O C — C O — C H 2 — C O O - + Pi

fosfoenolopirogronian

szczawiooctan

Kwas szczawiooctowy ulega redukcji do kwasu jabłkowego, który w odpowiednim miejscu i czasie ulega dekarboksylacji, dostarczając C 0 2 w bezpośrednim sąsiedztwie chloroplastu, w którym odbywa się karboksylacja RuBP i rozpoczyna się cykl Calvina. Duże stężenie C 0 2 i małe 0 2 prowadzi do przesunięcia równowagi reakcji katalizowanych przez rubisco niemal całkowicie w kierunku karboksylacji i dzięki temu u roślin, w których funkcjonuje cykl Hatcha i Slacka, nie występuje fotooddychanie i asymilacja CO,zachodzi z dużą wydajnością. 1.3.4.3.1.

Fotosynteza

u roślin typu

C-4

Dostępność C 0 2 do fotosyntetyzujących komórek jest regulowana przez stopień otwarcia szparek. Otwarcie szparek umożliwia fotosyntezę, lecz równocześnie ułatwia Iranspirację, co prowadzi do utraty wody przez roślinę. U wielu roślin ciepłego klimatu narażonych na suszę, jak trzcina cukrowa, kukurydza i inne trawy, a także n pewnych dwuliściennych, karboksylacja PEP i RuBP są rozdzielone przestrzennie. Jest to uwarunkowane charakterystyczną budową anatomiczną tych roślin; wokół wiązek przewodzących (nerwów liściowych) mają one pierścień specjalnych komórek pochwy okołowiązkowej zawierających chloroplasty. Otaczające je komórki miękiszu liścia (mezofilu), które również zawierają chloroplasty, łączą się z komórkami pochwy okołowiązkowej licznymi plazmodesmami. Cytoplazma komórek miękiszu zawiera enzym PEPC, który ma duże powinowactwo do C 0 2 i wiąże z PEP dwutlenek węgla, nawet gdy stężenie tego gazu jest niewielkie. Wytworzony szczawiooctan ulega redukcji do jabłezanu i przemieszcza się do komórek pochw okołowiązkowych, gdzie napotyka enzym jabłezanowy, kata-

KOMÓRKA POCHWY OKOŁOWIĄZKOWEJ

K0MÓRKA MEZOFILU szczawiooctan

CO,

jablczan

jabłezan

HCO ® •

fosfoenolopirogronian —»- pirogronian Rys. 2.26. Fotosynteza u roślin lypu C-4. Cykl Hatcha i Slacka

COo

JL

pirogronian

cykl Calvina

8 8 • Fizjologia przemiany materii

lizujący jego oksydacyjną dekarboksylację. Powstały CO, jest wiązany przez rubisco, natomiast drugi produkt tej reakcji - kwas pirogronowy wraca do komórek mezofilu, gdzie ulega fosforylacji do PEP i służy do wiązania następnej cząsteczki C 0 2 . Cykl fotosyntezy w roślinach typu C-4 przedstawiono rysunku 2.26. 2.3.4.3.2.

Fotosynteza

u roślin typu

CAM

Podobna w zasadzie strategia - zapewnienia przebiegu wydajnej fotosyntezy ze zminimalizowaniem strat wody - wytworzyła się u niektórych roślin gruboszowatych (Crassulaceae), ale także niektórych Cactaceae i Bromeliaceae. Różnica polega na tym, że karboksylacje PEP i RuBP nie są oddzielone przestrzennie jak u roślin C-4, lecz przebiegają w różnych porach doby. W nocy, gdy temperatura otoczenia jest względnie niska, szparki są szeroko otwarte i nie stanowią przeszkody zarówno w dopływie C0 2 , jak i transpiracji. Z braku światła nie zachodzą wtedy świetlne reakcje fotosyntezy, a C 0 2 jest włączany do PEP, tworząc szczawiooctan, który po redukcji do jabłczanu gromadzi się w dużych wakuolach komórek miękiszu liścia. W ciągu dnia, gdy światło umożliwia funkcjonowanie cyklu Calvina, a szparki są zamknięte, kwas jabłkowy opuszcza wakuolę i ulega dekarboksylacji. C 0 2 w stężeniu znacznie większym niż atmosferyczne jest wiązany przez rubisco, a powstały kwas pirogronowy po ufosforylowaniu wraca do cyklu Hatcha i Slacka. Rośliny fotosyntetyzujące w ten sposób określa się terminem rośliny typu CAM (crassulacean acid metabolism), lub rośliny kwasowe gdyż gromadzący się w wakuolach kwas jabłkowy powoduje silnie kwaśny odczyn soku. Występowanie różnych strategii fotosyntetycznej asymilacji C 0 2 jest wynikiem ewolucyjnej adaptacji roślin do różnych warunków klimatycznych. Rośliny typu C-4 i CAM zużywają znacznie mniej wody podczas włączania C 0 2 do RuBP (odpowiednio 250 i 50 cząsteczek H 2 0 na jedną cząsteczkę C0 2 , wobec 500 cząsteczek u roślin typu C-3). Jest to okupione znacznie większym zużyciem ATP; na jedną cząsteczkę zasymilowanego C 0 2 rośliny typu C-4 zużywają 4-5 cząsteczek ATP, a rośliny CAM - około 6 cząsteczek, wobec 3 cząsteczek ATP zużywanych przez rośliny C-3. Natomiast zużycie NADPH jest takie samo u wszystkich trzech typów roślin (2 cząsteczki).

2.3.5. Regulacja fotosyntezy przez czynniki środowiska Na przebieg fotosyntezy w warunkach naturalnych mają wpływ czynniki środowiskowe. Omówione poprzednio reakcje są sprzężone ze sobą, zachodzą w sposób zintegrowany i dostosowany do intensywności i barwy światła, temperatury, dostępności wody, a także do stężenia dwutlenku węgla w atmosferze. Na przebieg fotosyntezy ma również wpływ dostępność niektórych soli mineralnych, wreszcie czynniki antropogeniczne, jak herbicydy i insektycydy oraz przemysłowe zanieczyszczenia atmosfery i gleby. 2.3.5.1. W p ł y w światła Fotosyntetyzujące rośliny mogą wykorzystywać tylko niewielką część energii promieniowania Słońca. Wykorzystanie to nie przekracza 5%, gdyż barwniki uczestniczące

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 8 9

w fotosyntezie absorbują tylko niewielką część widma słonecznego w zakresie między K 400 a 700 nm. Ta część widma stanowi promieniowanie fotosyntetycznie czynne (IMiAR, photosynthetically active radiation), a reszta (ok. 70%) nie jest absorbowana; światło ulega odbiciu lub przechodzi przez liść. Ponadto 25% energii zaabsorbowanej przez liść zamienia się w ciepło wykorzystywane w transpiracji (patrz rozdz. 2.1.3.1) Natężenie światła padającego na roślinę zależy od takich czynników jak szerokość geograficzna, pora roku, pora dnia, zachmurzenie oraz środowisko, w którym /yjc roślina. Natężenie światła może sięgać od wartości poniżej umożliwiającego fotosyntezę, np. na dnie niektórych lasów, do wartości powyżej 1000 W • m2 w strefie równikowej. U roślin różnych środowisk obserwujemy mechanizmy przystosowawcze, które umożliwiają optymalne wykorzystanie energii świetlnej. Badając intensywność fotosyntezy (wiązanie C 0 2 ) w zależności od wzrastającego natężenia światła, obserwujemy początkowo, w ciemności i przy słabym oświetleniu, wydzielanie CO,, co świadczy o przewadze intensywności oddychania nad fotosyntezą. Po pewnym zwiększeniu oświetlenia nie obserwuje się ani wydzielania, ani wiązania C0 2 , co wskazuje na zrównoważenie intensywności procesów oddechowych i fotosyntezy . Natężenie światła prowadzące do tego stanu nazywamy świetlnym punktem kompensacyjnym fotosyntezy. Dalsze zwiększenie oświetlenia powoduje początkowo proporcjonalne zwiększenie intensywności fotosyntezy (wiązania CO,) aż, przy stosunkowo dużej wartości oświetlenia, następuje wysycenie światłem i dalsze zwiększanie jego natężenia nie powoduje zwiększenia intensywności fotosyntezy. Świadczy to, że wówczas inne czynniki niż światło ograniczają intensywność fotosyntezy. Omawianą zależność przedstawiono na rysunku 2.27A. Zarówno punkt kompensacyjny, jak i punkt wysycenia światłem zależą od gatunku rośliny oraz od warunków, w jakich się rozwijała. U roślin cieniolubnych lub rosnących w cieniu, wartości obu tych parametrów są stosunkowo małe. Natomiast rośliny światłolubne, rosnące na intensywnym świetle wykazują wartości duże. Dotyczy to zwłaszcza wysycenia światłem. Przystosowanie się roślin do warunków świetlnych jest wynikiem różnic w budowie liści oraz w strukturze aparatu fotosyntetycznego. Liście roślin cieniolubnych są

'o

500

1000 C0 2 (ul I-1)

Rys. 2.27. Wpływ natężenia światła (A) i stężenia CO? (B) na fotosyntezę

1500

9 0 • Fizjologia przemiany materii

eieńsze od liści roślin światłolubnych, mają proporcjonalnie więcej chlorofilu b niż a i więcej chlorofilu w każdym centrum reakcji fotochemicznej. Bardzo duże natężenia światła i długi czas ekspozycji mogą być niekorzystne dla roślin. Zachodzi wtedy fotoinhibicja (hamowanie fotosyntezy przez nadmiar światła) i destrukcja aparatu fotosyntetycznego. Jedną ze strategii obrony niektórych roślin przed tego rodzaju uszkodzeniami jest ustawianie się liści w płaszczyźnie równoległej do kierunku promieniowania, a nawet przemieszczenie się chloroplastów do ścian komórki równoległych do kierunku padania światła.

2.3.5.2. Rola składu atmosfery Atmosfera Ziemi zawiera około 78% azotu, około 21% tlenu, około 1% argonu i innych gazów szlachetnych, zazwyczaj około 1-2% pary wodnej i tylko poniżej 0,04% dwutlenku węgla. Z gazów tych tlen jest produktem, a C 0 2 i woda - substratami fotosyntezy. Powietrze atmosferyczne to podstawowe źródło CO, dla roślin lądowych, natomiast wodę pobierają one głównie z gleby przez system korzeniowy. Dostępność dwutlenku węgla, podobnie jak światła, jest podstawowym warunkiem przebiegu fotosyntezy. Intensywność fotosyntezy i jej wydajność zależą od stężenia CO, w stromie chloroplastu, które z kolei zależy od stężenia C 0 2 w powietrzu i od barier na drodze dyfuzji tego gazu z atmosfery do chloroplastu. Główną barierę stanowią aparaty szparkowe. Szybkość wnikania C 0 2 do przestrzeni (przestworów) międzykomórkowych miękiszu palisadowego zależy od oporu mało ruchliwej warstwy powietrza przylegającej do powierzchni liścia (opór warstwy granicznej) i od stopnia otwarcia szparek. Ostatnią barierą jest opór ściany i błony komórkowej oraz dyfuzja CO, w cytozolu. Badając zależność intensywności fotosyntezy od stężenia C 0 2 w sposób podobny, jak to już opisano dla zależności tego procesu od natężenia światła (rozdz. 2.3.5.1), obserwuje się występowanie p u n k t u k o m p e n s a c y j n e g o stężenia C 0 2 , czyli takiego stężenia C0 2 , przy którym jego fotosyntetyczna asymilacja jest równoważona przez jego wydzielanie. Przy oświetleniu o stosunkowo niewielkim natężeniu obserwuje się również wartość stężenia wysycającego, gdzie czynnikiem ograniczającym fotosyntezę zaczyna być intensywność światła, a nie stężenie C0 2 . Zależność tę przedstawiono na rysunku 2.27B. Tlen, który, jak wspomniano, jest produktem fotosyntezy, zmniejsza intensywność fotosyntezy. Zwiększenie stężenia 0 2 powoduje zmniejszenie asymilacji C0 2 , natomiast prowadzenie fotosyntezy przy mniejszym niż atmosferyczne stężeniu tlenu zwiększa jej intensywność.

2.3.5.3. Znaczenie dostępności wody Woda jest jednym z substratów fotosyntezy. Ponadto uwodnienie protoplastu (odpowiednia wartość potencjału wody) warunkuje prawidłowy przebieg podstawowych procesów metabolicznych, a tym samym wpływa pośrednio na fotosyntezę, która w więdnących roślinach przebiega ze zmniejszoną intensywnością. Jednakże najwyraź-

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 9 1

niejszy wpływ na fotosyntezę ma zamykanie się szparek w warunkach suszy glebowej, w wyniku deficytu wodnego. Powoduje to zmniejszenie lub całkowite zahamowanie dyfuzji C 0 2 do przestworów międzykomórkowych i zahamowanie fotosyntetycznej asymilacji tego gazu. U niektórych roślin powstał w wyniku ewolucji mechanizm omijający tę barierę (patrz rozdz. 2.3.4.3.1 i 2.3.4.3.2).

2.3.5.4. Wpływ temperatury Zjawiska fizyczne fotosyntezy, np. reakcje fotochemiczne i przenoszenie energii wzbudzenia elektronów, nie zależą od temperatury i zachodzą nawet w bardzo niskiej i bardzo wysokiej temperaturze, jeśli pozostałe warunki przebiegu tych zjawisk (np. struktura aparatu fotosyntetycznego) pozostają funkcjonalne (nie uszkodzone). Natomiast reakcje biochemiczne podlegają prawu van't Hoffa, według którego podniesienie temperatury o 10°C powoduje 2-3-krotne zwiększenie szybkości reakcji. Dotyczy to reakcji cyklu Calvina-Bensona, reakcji cyklu Hatcha i Slacka, a także większości przemian /wiązanych z fotoodychaniem. Zmiany intensywności fotosyntezy pod wpływem zmian temperatury są więc wynikiem zmian szybkości reakcji biochemicznych. Różne gatunki roślin są zdolne do prowadzenia fotosyntezy w różnych zakresach temperatury. Opisują to wartości kardynalne temperatury: minimum, optimum i maksimum. Większość roślin wykazuje optimum termiczne w zakresie 15-30°C, ale dla porostów alpejskich i arktycznych wynosi ono niewiele ponad 0°C, a dla traw tropikalnych (rośliny typu C-4) sięga 40°C. Fotosynteza ustaje w temperaturze powyżej M)°C. Jest to spowodowane denaturacją białek enzymatycznych i innymi uszkodzeniami aparatu fotosyntetycznego.

2.3.6. Produkty fotosyntezy i reakcje anaboliczne Reakcje anaboliczne to reakcje syntezy związków organicznych. U roślin fotosyntetyzujących pierwszym trwałym zsyntetyzowanym związkiem (metabolitem) jest kwas 3-fosfoglicerynowy (PGA). Związek ten, przez aldehyd 3-fosfoglieerynowy, przekształca się w 6-fosfofruktozę i daje początek drodze syntezy cukrów. Z nich, w wyniku szeregu reakcji, powstają szkielety węglowe wielu metabolitów w organizmie rośliny. PGA może także, po przekształceniu się 3-fosfoglicerol, stać się elementem struktury lipidów, a ponadto PGA przekształca się, przez fosfoenolopirogronian, w pirogronian, który zajmuje centralne miejsce w metabolizmie anabolicznym. Zależności te schematycznie zobrazowano na rysunku 2.28. Wśród tysięcy metabolitów powstających w żywej roślinie rozróżniamy metabolity pierwotne i wtórne. Metabolity pierwotne są to związki, które występują w każdym żywym organizmie i pełnią podstawową funkcję w przemianach warunkujących procesy życiowe.

9 2 • Fizjologia przemiany materii

wielocukrowce . skrobia, celuloza, pektyny itp. lipidy (triacyloglicerole)

cukry proste kwas szikimowy fenole alanina seryna glicyna cysteina

poliprenoidy

tryptofan

/ fenyloalanina lignina tyrozyna

glutamina aspargina arginina

Rys. 2.28. Szlaki anaboliczne wywodzące się z pierwotnych produktów fotosyntezy

Należą tutaj związki wielkocząsteczkowe, jak kwasy nukleinowe, białka i polisacharydy, a także lipidy (tłuszcze) oraz inne związki małocząsteczkowe, jak cukry proste, kwasy organiczne, nukleotydy, aminokwasy, porfiryny. Metabolity wtórne stanowią szereg zróżnicowanych grup związków, których rola biologiczna nie do końca została poznana. Zaliczamy do nich substancje o działaniu regulacyjnym, barwniki, alkaloidy, terpenoidy, garbniki, żywice i wiele innych.

2.3.6.1. Biosynteza cukrowców Substancją wyjściową w powstawaniu cukrowców jest aldehyd 3-fosfoglicerynowy wytwarzany z PGA w chloroplastach w procesie fotosyntezy. Zależnie od potrzeb rośliny przekształca się on w tych organellach w skrobię asymilacyjną lub jest transportowany z udziałem specyficznego białkowego przenośnika do cytozolu (patrz rozdz. 2.3.4.1). Z dwóch cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego w wyniku szeregu przekształceń powstają heksozy (fruktoza i glukoza) oraz inne cukry proste i oligosacharydy (głównie sacharoza), a po przemieszczeniu się do innych tkanek - wielocukrowce, jak skrobia, celuloza. Transport produktów fotosyntezy z tkanek fotosyntetyzujących (głównie liści, donory asymilatów) do innych tkanek i organów rośliny (akceptory asymilatów) jest transportem aktywnym, tzn. zachodzi z wykorzystaniem energii metabolicznej (głównie ATP). Drogą transportu jest floem - system rurek sitowych. Oligosacharydy

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 9 3 APOPLAST pH 5,5

BŁONA

RURKA SITOWA pH 8,0

ATP /

ADP + P| \

Hys. 2.29. Mechanizm załadunku floemu z udziałem nośnika białkowego i pompy protonowej

(przede wszystkim sacharoza) powstające w komórkach fotosyntetyzujących przemieszczają się w bezpośrednie sąsiedztwo rurek sitowych do komórek towarzyszących przez plazmodesmy (symplast) oraz na drodze apoplastycznej - przez system ścian komórkowych. Ta część drogi to transport bierny na zasadzie gradientu stężenia. Ładowanie komórek floemu odbywa się często wbrew stromemu gradientowi stężenia sacharozy z udziałem nośnika białkowego i pompy protonowej zlokalizowanej w błonie komórki sitowej. Zachodzi to z nakładem znacznej ilości energii generowanej przez ATPazę pompy. Pompa protonowa wytwarza gradient protonów, który stanowi siłę motoryczną, powodującą powrót protonów wraz z transportowaną sacharozą do światła rurki sitowej (aktywny kotransport). Rysunek 2.29 przedstawia sposób ładowania rurek sitowych. Skutkiem wzrostu stężenia sacharozy w początkowym odcinku floemu jest wnikanie wody do rurki, powodowane różnicą potencjału wody między wnętrzem rurki i apoplastem, oraz wzrost ciśnienia turgorowego, czego skutkiem jest przemieszczanie się roztworu w kierunku akceptora. Przemieszczanie to, przepływ masowy, zachodzi ze stosunkowo znaczną szybkością. Rozładunek floemu w organach akceptorowych (rosnące organy, tkanki spichrzowe) przebiega zgodnie z gradientem stężenia sacharozy w drodze aktywowanej lub ułatwionej dyfuzji (patrz rozdz. 2.1.2). Reakcje anaboliczne cukrowców są katalizowane przez dobrze poznane enzymy, a biorą w nich udział cząsteczki aktywowane bądź jako estry fosforanowe cukrów, bądź też jako pochodne nukleozydowe (aktywacja cukrów przez przyłączenie nuklcotydu, najczęściej reszty urydynodifosforanu - UDP). Synteza sacharozy polega na reakcji UDP-glukozy z fruktozo-6-fosforanem (F-6-P) w myśl reakcji: UDP-glukoza + F-6-P

> U D P -l- fosforan sacharozy

> sacharoza + P;

Sacharoza jest głównym produktem fotosyntezy przemieszczającym się w roślinie.

9 4 • Fizjologia przemiany materii

Sacharoza jest transportowana z miejsca produkcji (organy fotosyntetyzujące) do miejsca wykorzystania (uzyskiwanie energii metabolicznej, syntezy) i składowania w niektórych organach spichrzowych (np. korzeń buraka cukrowego, owoce). Skrobia jest wielocukrem występującym wyłącznie w roślinach, gdzie stanowi główny materiał zapasowy. Występuje ona w chloroplastach (skrobia asymilacyjna), ale także w plastydach tkanek niefotosyntetyzujących, a w znacznych ilościach w wyspecjalizowanych organach spichrzowych (np. ziarniaki zbóż, bulwy ziemniaka, liczne nasiona). W tym ostatnim przypadku plastydy gromadzące skrobię nazywają się amyloplastami. Skrobia asymilacyjna powstaje w ciągu dnia, gdy produkcja aldehydu fosfoglicerynowego przekracza możliwości jego eksportu z chloroplastu. Natomiast w nocy podlega ona fosforolizie do glukozo-6-fosforanu, który jest wykorzystywany przez roślinę do celów energetycznych (patrz rozdz. 2.4) i do syntez. Podobnie skrobia zgromadzona w organach spichrzowych ulega fosforolizie lub hydrolizie, których produkty są wykorzystywane podczas wzrostu rośliny, kiełkowania nasion itp. Synteza skrobi jest uwarunkowana obecnością krótkiego polisacharydu zbudowanego z kilku reszt a-D-glukozy zwanego starterem lub akceptorem. Do startera przyłączają się, w reakcji katalizowanej przez syntazę skrobiową, kolejne cząsteczki glukozy aktywowanej w postaci ADP-glukozy lub UDP-glukozy. Tworzy się w ten sposób spiralnie zwinięty łańcuch amylozy złożony z kilkuset do kilku tysięcy reszt glukozy połączonych wiązaniem a-glikozydowym między atomami węgla 1 i 4. Z amylozy powstaje, pod działaniem enzymu rozgałęziającego, amylopektyna, w cząsteczce której występują rozgałęzienia łańcucha co około 12 reszt glukozy. Amyloza i amylopektyna tworzą ziarna skrobiowe o kształcie charakterystycznym dla poszczególnych gatunków. Celuloza jest podstawowym polisacharydem ścian komórkowych roślin. Pełni ona rolę głównego elementu strukturalnego, zapewniając sztywność ściany, chroniąc zawartość komórki przed uszkodzeniami mechanicznymi i nadając kształt komórce. Celuloza jest związkiem organicznym występującym w biosferze w największej ilości. Cząsteczka celulozy jest zbudowana z kilkudziesięciu tysięcy reszt (5-D-glukozy połączonych wiązaniem P-glikozydowym między atomami węgla 1 i 4. Struktura ta powoduje, że w odróżnieniu od skrobi łańcuchy celulozy są wyprostowane, pofałdowane i maksymalnie wydłużone. Celuloza występuje w ścianie komórkowej w postaci wiązek (mikrofibryli), w których kilkadziesiąt łańcuchów celulozy jest stabilizowanych przez wiązania wodorowe. Ściana zawiera ponadto inne polisacharydy (hemicelulozy, pektyny), ligniny (patrz rozdz. 2.3.6.4.1) - stanowiące w tkankach zdrewniałych do 30% suchej masy tkanki - oraz białka. Synteza celulozy zachodzi w sposób podobny do syntezy skrobi; zaktywowane przez przyłączenie nukleotydu (UTP lub GTP) cząsteczki glukozy powstają w pęcherzykach Golgiego, skąd przemieszczają się poza plazmolemę i tam dołączają się kolejno do startera z udziałem syntazy celulozowej.

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 9 5

2.3.6.2. Biosynteza tłuszczowców Tłuszczowce (lipidy) są hydrofobowymi substancjami małocząsteczkowymi, których charakterystyczną cechą strukturalną jest zawartość reszt alifatycznych kwasów o długim (do 30 atomów węgla) nierozgałęzionym szkielecie węglowym, zwanych kwasami tłuszczowymi (FA, fatty acid). Wśród tłuszczowców wyróżnia się tłuszcze proste i tłuszcze złożone. Tłuszcze proste są estrami alkoholu i FA. Wśród nich wyróżnia się tłuszcze właściwe (triacyloglicerole), które są estrami glicerolu i FA oraz woski, w których kwas tłuszczowy estryfikuje jednowodorotlenowy długołańcuchowy alkohol alifatyczny. Do tłuszczów złożonych należą fosfolipidy (fosfoglicerole) oraz glikolipidy. Obie grupy związków są estrami glicerolu i kwasów tłuszczowych, przy czym w cząsteczkach fosfolipidów dwie grupy hydroksylowe glicerolu są zestryfikowane przez FA, a trzecia icsztą kwasu fosforowego, który z kolei jest związany z organiczną zasadą azotową (clanoloamina, cholina), aminokwasem (seryna) lub cyklicznym alkoholem wielowodorotlenowym (inozytol). Natomiast w cząsteczkach glikolipidów dwie grupy hydroksylowe glicerolu są zestryfikowane przez FA, a pozostała grupa —OH jest związana ^likozydowo z resztą cukru - galaktozy lub galaktozylo-galaktozy, tworząc odpowiednio monogalaktozylodiacyloglicerole (MGDG) i digalaktozylodiacyloglicerole (DGDG). Kysunek 2.30 obrazuje strukturę zasadniczych grup tłuszczowców. Tłuszcze właściwe odgrywają w roślinach rolę substancji zapasowych. Występują one w cytozolu komórek roślinnych w organellach zwanych sferosomami lub ołeosomami. W niektórych tkankach, jak owoce i nasiona roślin oleistych triacyloglicerole mogą stanowić do 70% suchej masy. Tłuszcze roślinne są płynne w temperaturze pokojowej dzięki dominującej zawartości reszt nienasyconych FA. Mają one olbrzymie A

H 2 C — O — C — R,

II

11

O

H C — O — C —R2

I

11

O || o

H 2 C — O — C — R 33

2

B

H2C—O—C —Ri

II

11

O

H C — O — C —R2

I

11

O

H 2 C — O — P ( O H ) - — ORd

kwas fosfatydowy fosfatydylocholina fosfatydyloetanoloamina fosfatydyloinozytol

R4 = R4 = R4 = R4 =

H CH2—CH2—N+(CH3)3 CH 2 —CH 2 —NH 2 C 6 H,i0 5

II

O C

H 2 C — O — C — R-, \

I

11

O

HC — O — C — R2

I

11

O II O

H 2 C — O — C — R cs

monogalaktozylodiacyloglicerol (MGDG) R5 = reszta galaktozy digalaktozylodiacyloglicerol (DGDG) R5 = reszta galaktozylogalaktozy

Rys. 2.30. Schemat budowy tłuszczowców. A - ttuszcze właściwe, B - ttuszcze złożone, fosfolipidy, C - tłuszcze /łożone, galaktolipidy; R„ R, i R, - reszty kwasów tłuszczowych

9 6 • Fizjologia przemiany materii

znaczenie w gospodarce żywieniowej, a także w przemyśle. Nieprzepuszczalne dla wody i gazów woski znajdujące się na powierzchni rośliny pełnią rolę ochronną. Natomiast tłuszcze złożone stanowią ważny składnik strukturalny błon biologicznych. Fosfolipidy, dzięki obecności polarnej (hydrofilowej) reszty fosforanowej oraz hydrofobowych łańcuchów reszt FA, warunkują (wraz z białkami) dwuwarstwową budowę wszystkich błon cytoplazmatycznych z wyjątkiem błon chloroplastowych, gdzie rolę tę odgrywają glikolipidy. Synteza kwasów tłuszczowych (FA) w organach fotosyntetyzujących zachodzi w chloroplastach, natomiast w korzeniach i nasionach - w proplastydach. Substratem tej syntezy jest acetylokoenzym A (acetylo-CoA) - aktywny octan pochodzący z pirogronianu (patrz. rys. 2.28). Acetylo-CoA jest źródłem jednostek dwuwęglowych, które łącząc się kolejno, tworzą łańcuch FA. Jest to przyczyną, że naturalne FA zawierają parzystą liczbę atomów węgla. Ciąg reakcji karboksylacji, przyłączania specyficznego białka przenoszącego reszty acylowe, odwodnienia i redukcji z udziałem szeregu enzymów przebiega na retikulum endoplazmatyczym i w stromie chloroplastu. 2.3.6.3. Biosynteza związków azotowych Szlaki syntezy szkieletów węglowych większości aminokwasów wywodzą się z wczesnych produktów fotosyntezy. Glicyna i seryna powstają z fosfoglikolanu i PGA w cyklu fotoddechowym (patrz rozdz. 2.3.4.2). Trójwęglowe aminokwasy - alanina, cysteina, a także seryna powstają z pirogronianu (patrz rys. 2.28). Bardziej skomplikowane drogi syntezy prowadzą z produktów przejściowych cyklu Calvina-Bensona do szkieletów węglowych histydyny, tryptofanu, fenyloalaniny i tyrozyny. Natomiast czteroi pięciowęglowe aminokwasy dwukarboksylowe - kwas asparaginowy i glutaminowy powstają z produktów przejściowych cyklu Krebsa (TCA, tricarboxylic acid cycle, patrz rozdz. 2.4). Dają one początek asparaginie i glutaminie, a także argininie i prolinie oraz treoninie, izoleucynie, metioninie i lizynie. Bezpośrednie prekursory aminokwasów powstające w omówiony sposób mają strukturę a-ketokwasów (2-oksokwasów) alifatycznych (np. kwas pirogronowy, glioksalowy, szczawiooctowy, 2-oksoglutarowy). Ostatnią reakcją w szlakach biosyntezy aminokwasów jest zastąpienie grupy karbonylowej tych kwasów przez grupę aminową. Odbywa się to przez transaminację: grupa NH 2 glutaminianu jest przenoszona przez odpowiednią aminotransferazę na 2-oksokwas w myśl równania: C O O -CH (NH 2 ) (CH 2 ) 2 COO- + C O O CO CH 3 glutaminian

>

pirogronian

» C O O -CH (NH 2 ) CH 3 + COO -CO (CH 2 ) 2 COOalanina

2-oksoglutaran

Kwas glutaminowy i glutamina pełnią u większości roślin funkcję magazynu azotu aminowego, który powstaje w wyniku redukcji azotanów i azotynów do amoniaku (patrz rozdz. 2.2.6.3). W niektórych roślinach podobną rolę pełni asparaginian i asparagina. Większość związków organicznych zawierających azot jest syntetyzowana w roślinie z aminokwasów powstających w omówiony sposób. Na szczególną uwagę zasłu-

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 9 7

gują tutaj zasady purynowe i pirymidynowe, które są podstawowymi elementami struktury nukleotydów budujących kwasy nukleinowe, stanowiących nośniki energii metabolicznej oraz są składniki wielu koenzymów, pełniąc ważne role regulacyjne w metabolizmie rośliny. Szkielet puryn budowany jest z aminokwasów glicyny, asparaginy i glutaminy. Natomiast w syntezie pirymidyn bierze udział asparaginian i glutamina. Również aminokwasy są prekursorami chlorofili i innych pochodnych letrapirolu (porfiryny jak hem, cytochromy i fitochromy). Biosynteza porfiryn rozpoczyna się od przekształcenia kwasu glutaminowego w niewystępujący w białkach kwas 8-aminolewulinowy (ALA, 5-aminolevulinic acid).

2.3.6.4. Metabolity wtórne Jest to grupa wytwarzanych przez rośliny wyższe substancji o niesłychanie zróżnicowanej budowie, licząca kilkadziesiąt tysięcy dotąd poznanych przedstawicieli. Rola biologiczna tych związków nie zawsze została poznana, niemniej należą tutaj substancje ważne w oddziaływaniach między różnymi roślinami (fitoaleksyny) oraz między roślinami i innymi organizmami, np. w ochronie (obronie) przed roślinożercami, ii także o znaczeniu regulacyjnym. Wiele substancji należących do tej grupy ma duże znaczenie farmakologiczne i przemysłowe. Poszczególni przedstawiciele metabolitów wtórnych bądź występują powszechnie w niektórych grupach roślin, bądź też w niektórych tylko taksonach, a często tylko w specyficznych tkankach lub organach rośliny i na określonym etapie jej rozwoju. Skład metabolitów wtórnych rośliny jest często stosowany jako jedno z kryteriów w taksonomii roślin. Metabolity wtórne grupuje się na podstawie ich podobieństw strukturalnych i szlaków anabolicznych prowadzących do ich powstawania. Wyróżnia się następujące ważniejsze (powszechnie występujące) grupy tych związków: związki fenolowe, terpenoidy i metabolity zawierające azot. 2.3.6.4.1.

Związki

fenolowe

Są to związki aromatyczne zawierające jedną lub więcej grup hydroksylowych oraz inne podstawniki, jak grupy karboksylowe (kwasy fenolowe), karbonylowe, metoksylowe. Rozróżnia się fenole proste, małocząsteczkowe, o jednym lub kilku pierścieniach aromatycznych, niekiedy powstaje heterocykliczny pierścień furanowy, oraz wielkocząsteczkowe złożone związki fenolowe. Fenole proste występują w postaci wolnej lub jako glikozydy. Przykłady prostych związków fenolowych przedstawiono na rysunku 2.31. Większość z nich wywodzi się z fenyloalaniny i tyrozyny, aminokwasów powstających na szlaku kwasu szikimowego (patrz rys. 2.28). Pierwszym etapem ich syntezy jest deaminacja tych aminokwasów zachodząca w myśl reakcji: C()H5 — CH 2 — CH(NH 2 ) — C O O H fenyloalanina

> C 6 H 5 — C H = CH — C O O H + NH 2 kwas cynamonowy

katalizowanej przez enzym amoniakoliazę fenyloalaniny. Kwas cynamonowy powstający z fenyloalaniny jest pierwszym związkiem z grupy fenylopropanoidów, związków

94 • Fizjologia przemiany materii

a

COOH

OH

COOH

O II

CH

HO^C^ OCH3 wanilina

kwas salicylowy

OH kwas galusowy HO

OH

H

HO OH kwas kawowy

COOH

OH kwas chlorogenowy

Rys. 2.31. Przykłady prostych roślinnych związków fenolowych

o szkielecie węglowym C 6 +C 3 , i ulega kolejnym reakcjom hydroksylacji do kwasów /;-kumarowego, kawowego i ferulowego. Z kwasu cynamonowego i jego hydroksylowych pochodnych mogą także powstawać pochodne kwasu benzoesowego (związki C,,+C,) przez skrócenie łańcucha bocznego o dwa atomy węgla. Innym sposobem biosyntezy związków aromatycznych w roślinach jest kondensacja trzech cząsteczek malonylo-CoA. Przykładem wykorzystania tej drogi jest synteza flawonoidów. Związki te stanowią jedną z najliczniejszych grup metabolitów wtórnych. Podstawową strukturą flawonoidów jest układ dwóch pierścieni aromatycznych połączonych trójwęglowym mostkiem (szkielet węglowy C 6 +C 3 +C ń ). Układ ten powstaje z cząsteczki /?-kumaroilo-CoA i trzech cząsteczek malonylo-CoA zgodnie z reakcją: 3 H O O C —CH, — C O —S-CoA + CoA-S — CO — CH = CH — C H . O H malonylo-CoA

kumaroilo-CoA

Q,H 2 (OH) 3 — CO — CH = CH — C 6 H 4 OH chalkon

> naryngenina flawon

Strukturę flawonu i pochodzenie jej elementów przedstawiono na rysunku 2.32. Poszczególne grupy flawonoidów różnią się stopniem utlenienia pierścienia furanowego, a przedstawiciele tych grup - rodzajem, liczbą i rozmieszczeniem podstawników we wszystkich pierścieniach tworzących omawianą strukturę. Flawony, flawonole i antocyjaniny są barwnikami kwiatów i owoców, a także występują w liściach; związki pierwszych dwóch grup mają barwę żółtą, natomiast antocyjaniny - rozmaite odcienie niebieskiego, fioletu i czerwieni. Barwne kwiaty przywabiają owady przenoszące pyłek. Barwniki flawonoidowe pełnią także rolę ochronną przed promieniowaniem nadfioletowym, absorbując światło w tym zakresie widma. Rysunek 2.32 przedstawia przykłady tych metabolitów.

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 9 9

OH

O kempferol

gosypetyna R^ — R2 — H R 1 = OH Ro = H R1 = R2 = OH R,= O—CH 3 R2 = H Ri= O—CH 3 R2 = OH R-J = R2 = O CH3

pelargonidyna cyjanidyna delfinidyna peonidyna petunidyna malwidyna

przyktady antocyjanidyn (ich glikozydy to antocyjaniny) Rys. 2.32. Struktura flawonoidów: u góry - podstawowy układ występujący w tej grupie związków, aromatyczny pierścień A pochodzi ze szlaku kwasu malonowego, natomiast pierścień B i heterocykliczny pierścień C - ze szlaku Kwasu szikimowego; niżej - przykłady flawonoidów

Złożone, wielkocząsteczkowe związki fenolowe są produktami polimeryzacji lub kondensacji fenoli prostych. Przede wszystkim należy tu wymienić ligninę, która jest polimerem fenylopropanoidów. Lignina stanowi ważny element strukturalny ścian komórkowych (patrz rozdz. 1.2) i w związku z tym dyskusyjne może być zaliczanie jej do metabolitów wtórnych zgodnie z definicją przedstawioną na początku rozdziału 2.3.6. Garbniki, zwane też taninami, tworzą dwie grupy związków. Garbniki hydrolizujące, które są poliestrami kwasów fenolowych i zawierają również reszty cukrów, ulegają hydrolizie pod działaniem rozcieńczonych kwasów. Druga grupa to garbniki {taniny) skondensowane, nie ulegające w tych warunkach hydrolizie. Są one produktami kondensacji wielu cząsteczek prekursorów flawonoidowych, a ich masa cząsteczkowa sięga kilku tysięcy daltonów. Garbniki mają zdolność wiązania się z białkami, toteż przypisuje się im rolę regulacyjną (inhibitory niektórych enzymów). Ponadto pełnią one funkcję ochronną przed patogenami i odstraszają roślinożerców. Zdolność wiązania białek przez garbniki jest wykorzystywana od stuleci w przemyśle garbarskim. 2.3.6.4.2.

Terpenoidy

To duża grupa metabolitów wtórnych wyróżniających się obecnością w ich strukturze pięciowęglowego elementu o budowie węglowodoru izoprenu. Stąd równoległa nazwa

1 0 0 • Fizjologia przemiany materii

tych związków - izoprenoidy. Poznano ponad 20 000 przedstawicieli tej grupy, wśród których są nie tylko związki o podstawowym znaczeniu dla metabolizmu komórki, jak sterole będące składnikami błon, przenośniki elektronów i protonów w procesach oddychania tkankowego i fotosyntezy - ubichinony i plastochinony, hormony roślinne (gibereliny i kwas abscysynowy) czy barwniki fotosyntetyczne (karotenoidy i fitolowa część cząsteczek chlorofili), lecz także (liczniejsze) terpenoidy pełniące szczególne, nie zawsze poznane, funkcje. Należą tutaj dziesięciowęglowe (zbudowane z dwóch 5-węglowych jednostek izoprenowych) monoterpeny i 15-węglowe seskwiterpeny stanowiące składniki olejków eterycznych oraz 20-węglowe diterpeny, 30-węglowe triterpeny (steroidy i saponiny), 40-węglowe tetraterpeny (np. karotenoidy), a także wielkocząsteczkowe politerpeny, z których najbardziej znane to kauczuk i gutaperka. Terpenoidy mogą występować w formie łańcuchowej (liniowej), ale również tworzą formy cykliczne, które są bardziej rozpowszechnione. Przykłady wzorów niektórych terpenoidów przedstawiono na rysunku 2.33.

CH3 a-pinen

CH3

kamfen

CH / \ CH3 CH3 mentol

/J-sitosterol Rys. 2.33. Przykłady budowy terpenoidów

Podstawową drogą powstawania terpenoidów jest szlak kwasu mewalonowego, który występuje w cytozolu. Trzy cząsteczki acetylokoenzymu A (Ac-CoA) kondensują do sześciowęglowego kwasu mewalonowego, który po dekarboksylacji i dwukrotnej fosforylacji z udziałem ATP przekształca się w pirofosforan izopentenylu (IPP). IPP i jego izomer pirofosforan dimetyloallilu (DMAPP) stanowią aktywne jednostki izoprenowe, których kondensacja prowadzi do powstawania wszystkich struktur terpenoidowych. Przemiany te schematycznie przedstawiono na rysunku 2.34.

2.3. Fotosynteza i anabolizm • 1 0 1 3 CH3—CO —S-CoA

acetylo-CoA

I

3 CH3—C(OH) — CH2 — CH2— OH CH2

kwas mewalonowy

COOH CH 2 =C(CH 3 )— CH2—CH2 —O—P—P pirofosforan izopentenylu (IPP)

CH3—C(CH3) = CH — C H 2 — O — P — P pirofosforan dimetyloallilu (DMAPP)

Hys. 2.34. Schemat powstawania aktywnego izoprenu

W plastydach roślin zielonych i u niektórych bakterii występuje alternatywna droga syntezy aktywnego izoprenu. Droga ta wywodzi się z pirogronianu i aldehydu losfoglicerynowego i jest wykorzystywana w biosyntezie terpenoidów plastydowych. IPP i DMAPP podlegają kondensacji, tworząc charakterystyczne łańcuchy węglowodorowe z grupą metylową przy co czwartym atomie węgla i wieloma podwójnymi wiązaniami. Struktura ta jest widoczna nie tylko w terpenoidach łańcuchowych, lecz także w cyklicznych oraz w bardziej skomplikowanych związkach, jak steroidy. 2.3.6.4.3.

Azotowe

i siarkowe

metabolity

wtórne

Są dużą i niesłychanie zróżnicowaną grupą substancji. Wyróżnia się tutaj alkaloidy, /wiązki cyjangenne (cyjanogeny) i glukozynolany. Wszystkim tym związkom przypisuje się rolę czynników chroniących rośliny przed infekcjami grzybowymi i bakteryjnymi oraz odstraszających roślinożerców Alkaloidy - zasadowe (alkaliczne) substancje organiczne zawierające azot i zdolne do wywierania silnego wpływu na organizm człowieka i zwierząt. Ta ostatnia właściwość alkaloidów znana jest od czasów starożytnych. To duża i najbardziej zróżnicowana grupa metabolitów wtórnych; dotąd poznano ponad 10 000 alkaloidów. Występują one głównie w roślinach dwuliściennych. Wiele alkaloidów znalazło zastosowanie w medycynie, inne są istotnymi składnikami używek. Toteż rośliny zawierające alkaloidy są ważnym i poszukiwanym surowcem przemysłowym. Alkaloidy dzieli się na klasy na podstawie występujących w ich strukturze układów heterocyklicznych zawierających azot. Tak więc są alkaloidy pirydynowe, purynowe, indolowe, tropanowe, izochinolinowe i inne. Biosynteza alkaloidów przebiega różnymi drogami, jednak przynajmniej niektóre elementy ich budowy powstają z powszechnie występujących w roślinach aminokwasów. Przykłady budowy niektórych alkaloidów przedstawiono na rysunku 2.35. Związki cyjanogenne są pochodnymi a-hydroksynitryli, w których grupa hydroksylowa podstawiona jest resztą cukru (glikozydy cyjanogenne) lub nasyconego kwasu tłuszczowego (cyjanolipidy). Powstają one z aminokwasów powszechnie występujących w roślinach. Na rysunku 2.36 przedstawiono przykłady budowy cyjanogenów.

1 0 2 • Fizjologia przemiany materii C

HO NCH,

CH,

N

Rys. 2.35. Przykłady wzorów alkaloidów: A - nikotyna, B - kokaina, C - morfina, D - strychnina, E - chinina, F - kofeina

O — gencjobioza C HX

X

C=N

H 3 C^ / O — glukoza C HaC^

X

C=N

H 2 C—O —C—R R—C—O —CH,—C

\

CHo—C = N

Rys. 2.36. Przykłady wzorów związków cyjanogennych: glikozydy cyjanogenne A - amygdalina i B - linamaryna oraz C - cyjanolipid; R - reszta kwasu tłuszczowego

Związki cyjanogenne występują dość powszechnie w roślinach, niekiedy ich zawartość sięga kilku procent świeżej masy. Do tej pory poznano kilkaset cyjanogenów. Związki te nie są toksyczne, natomiast produkt ich hydrolitycznego rozpadu - cyjanowodór (HCN) to silna trucizna dla większości zwierząt. Jest on inhibitorem oksydazy cytochromowej, przez co blokuje procesy oddechowe. Enzymy hydrolizujące cyjanogeny występują w innych komórkach lub przedziałach komórkowych niż związki cyjanogenne, toteż rośliny cyjanogenne nabierają właściwości trujących dopiero po zmiażdżeniu tkanki. Glukozynolany, zwane także olejkami gorczycznymi, są tioglukozydami kwasu izotiocyjanowego i występują w wielu gatunkach roślin krzyżowych (Cruciferae). Lotne produkty ich hydrolizy (tiocyjaniany i izotiocyjaniany) nadają tym roślinom charakterystyczny zapach i smak, stanowiący czynnik odstraszający dla wielu roślinożcrców, a dla innych - czynnik przywabiający. Synteza metabolitów wtórnych, które przez wiele lat były uważane za produkty nadmiaru potencjału syntetycznego roślin fotosyntetyzujących, a więc w znacznym

2.4. Oddychanie • 1 0 3

siopniu samożywnych, za coś w rodzaju „śmietnika", w którym składowane są niepotrzebne roślinie produkty, jest w rzeczywistości źródłem bogactwa substancji pełniących ważne funkcje ekologiczne. Ponadto okazało się, że metabolity wtórne mają również znaczenie regulacyjne. Polifenolowe taniny regulują aktywność wielu enzymów, wiążąc w sposób specyficzny i odwracalny niektóre białka. Synteza niektórych hormonów roślinnych (patrz rozdz. 3.1) przebiega tymi samymi drogami metabolicznymi co omawianych metabolitów wtórnych, np. gibereliny i kwas abscysynowy powstają na szlaku kwasu mewalonowego.

2.4. Oddychanie O d d y c h a n i e jest procesem oksydacyjnego rozkładu substancji organicznych (substratów oddychania) do związków prostszych, w wyniku którego powstaje energia magazynowana w postaci związków wysokoenergetycznych. I inergia ta jest następnie wykorzystywana do prowadzenia i podtrzymywania innych procesów życiowych. Końcowymi produktami oddychania są dwutlenek węgla i woda (ewentualnie tlenki innych pierwiastków) oraz ATP. Oddychanie jest powszechnie występującym procesem u wszystkich organizmów /ywych. Jest ono wręcz uznawane za wskaźnik przebiegu procesów życiowych. Za\ chodzi nawet wówczas, gdy inne procesy życiowe są zahamowane. Oddychanie tlenowe u roślin ma przebieg podobny jak u wszystkich innych organizmów. Niemniej występują tutaj pewne modyfikacje, które różnią proces oddychania u roślin i np. u zwierząt. W przypadku najczęściej występującego substratu l glukozy proces oddychania można wyrazić sumarycznym równaniem: C 6 H 1 2 0 6 + 6 O, + 38 ADP + 38 P,

ł 6 C 0 2 + 6 H 2 0 + 38 ATP

W rzeczywistości proces ten jest znacznie bardziej skomplikowany i przebiega w kilku etapach, wśród których można wyróżnić glikolizę zachodzącą w cytoplazmie, oraz cykl kwasów trikarboksylowych i łańcuch oddechowy przebiegające w mitochondriach. Rozkład związku organicznego do produktu o prostszej budowie i dwutlenku węgla, zachodzący bez udziału tlenu, ale z wytworzeniem energii metabolicznej, to oddychanie beztlenowe - fermentacja. Przykładem może być powstawanie etanolu z glukozy zgodnie z równaniem:

C6HI206

> 2 C 2 H 5 OH + 2 CO, + 2 ATP

2.4.1. Substraty oddychania Najważniejszymi bezpośrednimi substratami oddychania są cukry proste, głównie glukoza. Niemniej w wielu sytuacjach fizjologicznych komórka roślinna może wykorzystywać w tym celu inne źródła zredukowanego węgla. Należą tutaj złożone węglowodany: oligosacharydy - głównie sacharoza, polisacharydy - skrobia i fruktozany, a także lipidy - głównie triacyloglicerolc, oraz kwasy organiczne i białka. Stanowią one w wielu

1 0 4 • Fizjologia przemiany materii

tkankach zapasy zredukowanych związków węgla, nagromadzone w wyniku działania fotosyntezy i następujących po niej przemian anabolicznych. Toteż określa się je często jako substancje spichrzowe lub zapasowe. Aby związki te weszły w szlak przemian oddechowych, muszą wpierw ulec hydrolizie: cukry złożone do cukrów prostych, lipidy do kwasów tłuszczowych, a białka do aminokwasów. Ten niezbędny etap katabolizmu substancji spichrzowych nazywa się ich mobilizacją (uruchomieniem). Pewnych informacji o tym, jakie substancje są substratami oddychania danej tkanki, organu lub nawet całej rośliny, dostarcza pomiar współczynnika oddechowego. Współczynnik ten (zwany także ilorazem o d d e c h o w y m , R Q , respiratory ąuotient) jest stosunkiem ilości w y d z i e l o n e g o C O , d o ilości p o b r a n e g o tlenu ( C 0 2 / 0 2 ) . G d y substratem są cukry, wartość R Q jest zbliżona d o 1 (patrz równanie powyżej). D l a lipidów - znacznie bardziej zredukow a n e g o substratu wartość R Q jest znacznie mniejsza, natomiast dla substratów o większym niż cukry stopniu utlenienia, jak kwasy organiczne, R Q jest wyraźnie większe od jedności.

2.4.2. Mobilizacja i utlenianie cukrowców Mobilizacja polisacharydów (jak skrobia, fruktozany, hemicelulozy, pektyny) oraz oligosacharydów (sacharoza , maltoza, rafinoza i wiele innych) rozpoczyna się od hydrolizy lub fosforolizy tych związków do, odpowiednio, monosacharydów lub ich fosforanów. W procesie tym uczestniczą cytoplazmatyczne amylazy, które wraz z glukozydazami prowadzą rozkład skrobi do glukozy. W chloroplastach występuje fosforyh skrobiowa, której produktem jest glukozo-l-fosforan. Oligosacharydy są hydrolizo wane przez glikozydazy. Sacharoza przekształca się w glukozę i fruktozę w wyniku f osfod ihyd roksyaceton glukoza

fruktozo-1,6-bisfosforan

CH2OH H2C O • P HC=0

I

HCOH

I

H2C • O P aldehyd 3-fosfoglicerynowy

HCOH

I

H2CO • P pirogronian

Rys. 2.37. Schemat przebiegu glikolizy

fosfoenolopirogronian (PEP)

3-fosfoglicerynian (PGA)

2.4. O d d y c h a n i e • 1 0 5

d/iałania inwertaz, lub też w glukozo-1-fosforan i fruktozę w reakcji katalizowanej przez zespół innych enzymów (syntazę sacharozy i odpowiednią pirofosforylazę). W kolejnym etapie katabolizmu cukrowców, zwanym glikolizą (lub szlakiem Embdcna-Meyerhofa-Parnasa), fruktoza, glukoza lub glukozo-1-fosforan przekształcają się w fruktozo-1,6-bisfosforan. W wyniku szeregu kolejnych przekształceń ze związku lego powstają dwie cząsteczki pirogronianu. Zyskiem energetycznym glikolizy jest iilworzenie dwóch cząsteczek ATP oraz redukcja jednej cząsteczki N A D + d o NADH podczas degradacji jednej cząsteczki glukozy. Schemat przekształceń szlaku glikolizy przedstawiono na rysunku 2.37. Glikoliza jest główną, ale nie jedyną drogą utleniania monosacharydów w komórkach roślinnych. W oksydacyjnym szlaku pentozofosforanowym (PPP, pentose phosphate pathway) glukozo-6-fosforan może ulegać utlenieniu do kwasu 6-fosfoglnkonowego, który w wyniku dekarboksylacji przekształca się w pentozę - rybulo/o-5-fosforan. Związek ten jest prekursorem rybozo-5-fosforanu, z którego powstają ryboza i deoksyryboza niezbędne do syntezy RNA i DNA, a także erytrozo-4-fosfoIIIIHI - substratu do syntez związków aromatycznych. Końcowym produktem szlaku PPP jest pirogronian, podobnie jak w glikolizie. Szlak pentozofosforanowy nie doMlnrcza ATP, natomiast wynikiem energetycznym degradacji jednej cząsteczki glukozy jest redukcja cząsteczki NADP + do NADPH. Przebieg szlaku pentozofosforanowego przedstawiono, w znacznym uproszczeniu na rysunku 2.38.

Hy». 2.38. Uproszczony schemat przebiegu cyklu pentozofostoranowego (PPP)

2.4.3. Cykl kwasów trikarboksylowych Końcowy produkt glikolizy i/lub szlaku PPP - pirogronian jest degradowany w cyklu kwasów trikarboksylowych (TCA, tńcarboxylic acid cycle), zwanym również cyklem kwasu cytrynowego lub cyklem Krebsa. Końcowymi produktami cyklu są

1 0 6 • Fizjologia przemiany materii

dwutlenek węgla (3 cząsteczki z jednej cząsteczki pirogronianu), NADH (4 cząsteczki), FADH, (1 cząsteczka) i ATP (1 cząsteczka). Sumarycznie można zapisać TCA: CH 3 — CO — COO- + 2 H 2 0 + 4 NAD + + FAD + ADP + P;

»

pirogronian

> 3 C 0 2 + 4 NADH + FADH 2 + ATP + H + Reakcje cyklu zachodzą w matriks mitochondrialnej, toteż pierwszą reakcją TCA jest przeniesienie pirogronianu z cytoplazmy do wnętrza mitochondrium. Ulega on tam oksydacyjnej dekarboksylacji i powstaje acetylokoenzym A w myśl reakcji: CH, — C O — C O O + NAD + + HS-CoA -> CH 3 — C O —S-CoA + NADH + C 0 2 pirogronian

koenzym A

acetylokoenzym A

Acetylokoenzym A (acetylo-CoA, aktywny octan) reaguje ze szczawiooctanem, a powstały cytrynian ulega dalszym przemianom zgodnie ze schematem (rys. 2.39). Jeśli powstawanie cytrynianu przyjąć za pierwszą reakcję TCA, to ostatnią reakcją, zamykającą cykl, jest utlenienie jabłezanu do szczawiooctanu. Spośród przedstawionych na rysunku 2.39 przemian na szczególną uwagę zasługuje reakcja powstawania bursztynianu z bursztynylo-koenzymu A (bursztynylo-CoA). Jest to jedyna w cyklu reakcja fosforylacji substratowej, w wyniku której powstaje ATP. W komórce roślinnej glikoliza, szlak PPP i cykl kwasów trikarboksylowych pełnią nie tylko rolę kataboliczną - degradacji cukrów i dostarczania energii w postaci zredukowanych nukleotydów, magazynowanej następnie jako ATP. Poszczególne produkty pośrednie tych szlaków są wykorzystywane jako substancje wyjściowe w syntezach wielu ważnych metabolitów, warunkując w ten sposób prawidłowy przebieg reakcji anabolicznych. Tak więc szkielety węglowe wielu aminokwasów i pirymidyn pochodzą z pośrednich metabolitów TCA, kwasy tłuszczowe i izoprenoidy są syntetyzowane z acetylo-CoA, związki fenolowe - z fosfoenolopirogronianu, glutaminian - z oksoglutaranu, a asparaginian - ze szczawiooctanu. W tkankach rosnących roślin do 50% związków węgla wchodzących do szlaku oddechowego nie zostaje całkowicie zdegradowane do C 0 2 i wody, a produkty ich częściowego utlenienia są zużywane do syntez. Sytuacja ta może prowadzić do uszczuplenia puli regenerowanego w cyklu TCA szczawiooctanu, substratu pierwszej reakcji cyklu, do zubożenia cyklu w metabolity pośrednie, a w krańcowych przypadkach - do zahamowania metabolizmu oddechowego i gromadzenia się acetylo-CoA. Zapobiega temu uzupełnianie puli szczawiooctanu dzięki reakcji karboksylacji katalizowanej przez odpowiednią karboksylazę fosfoenolopirogronianu (powstałego w wyniku glikolizy) z wytworzeniem szczawiooctanu. Cytozolowy szczawioctan musi zostać zredukowany do jabłezanu, aby przeniknąć przez błonę mitochondrialną do mitochondrium, gdzie ulega utlenieniu z powrotem do szczawiooctanu, zasilając pulę tego substratu TCA. Ta ostatnia reakcja jest katalizowana przez dehydrogenazę jabłezanową dekarboksylującą zależną od NAD + (enzym jabłezanowy, malic enzyme). Odwracalny system szczawiooctan-jabłczan nosi nazwę szlaku jabłezanowego i jest również wykorzystywany przez rośliny o fotosyntezie typu C-4 (patrz rozdz. 2.3.4.3).

2.4. O d d y c h a n i e • 1 0 7 CH3 CO ~ S-CoA

COO"

CHOH

Hys. 2.39. Cykl kwasów trikarboksylowych (TCA)

2.4.4. Mitochondralny łańcuch przenoszenia elektronów Wytworzone w wyniku glikolizy i cyklu kwasów trikarboksylowych NADH i FADH 2 /.ostają utlenione w warunkach tlenowych do NAD + i FAD. W reakcji tej tlen cząsteczkowy ulega redukcji do H 2 0 , a znaczna część uzyskanej energii swobodnej zostaje użyta do produkcji ATP z ADP i fosforanu nieorganicznego (Pj) w procesie fosforylacji oksydacyjnej. W utlenieniu nukleotydów i redukcji tlenu biorą udział przenośniki elektronów i protonów, uszeregowane zgodnie z wartościami potencjałów oksydoredukcyjnych i tworzą łańcuch przenoszenia elektronów lub łańcuch oddechowy, przedstawiony schematycznie na rysunku 2.40.

1 0 8 • Fizjologia przemiany materii PRZESTRZEŃ MIĘDZYBŁONOWA

Rys. 2.40. Mitochondrialny iańcuch transportu elektronów (Wg: Buchanan, Gruissen i Jones 2000. Biochemistry Molecular Biology of Planłs 1, 688. Courier Comp., zmodyfikowane)

and

Przenośniki elektronów znajdują się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej i są zgrupowane w cztery podstawowe kompleksy, każdy zbudowany z wielu białek. Kompleksy przenośników kontaktują się zarówno z przestrzenią międzybłonową, jak i z matriks mitochondrialną. Oprócz białkowych kompleksów w skład funkcjonalnego łańcucha przenośników wchodzą dwa małocząsteczkowe przenośniki elektronów: ubichinon, przemieszczający się w błonie między kompleksami II i III, oraz cytochrom c, znajdujący się w wodnej fazie przestrzeni międzybłonowej. Pierwszy z czterech kompleksów przenośników odbiera elektrony z NADH, drugi - z FADH 2 , natomiast trzeci i czwarty uczestniczą w przekazywaniu elektronów na tlen. Dehydrogenaza NADH, główny składnik kompleksu I, znajduje się w błonie mitochondrialnej po stronie matriks, utleniając NADH powstały w cyklu TCA. Uwolnione elektrony przemieszczają się na ubichinon. W reakcji tej uczestniczą także inne składniki kompleksu: mononukleotyd flawinowy (FMN) i kilka białek zawierających centra żelazo-siarkowe (Fe-S). Dehydrogenaza bursztynianiowa, podstawowy składnik kompleksu II, jest enzymem cyklu TCA i znajduje się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Elektrony uwolnione w wyniku utlenienia bursztynianu przemieszczają się również na ubichinon z udziałem dinukleotydu flawinoadeninowego (FAD) i białek żelazo-siarkowych jako pośrednich przenośników. Zredukowany w kompleksach I i II ubichinon jest powrotnie utleniany w kompleksie III, a elektrony są przenoszone na cytoehrom c za pośrednictwem białek żelazo-siarkowych, cytochromu b i cytochromu c,. Niezwiązany z błonami mitochondrialnymi cytochrom c, po zredukowaniu przez kompleks III, oddaje elektrony do kompleksu IV, który jest oksydazą cyłochromową (oksydazą terminalną, końcową). Kompleks ten, zbudowany z wielu białek zawierających centra miedziowe i cytochromy typu a, przenosi elektrony na tlen cząsteczkowy, redukując go do H 2 0 .

Oprócz kompleksów łańcucha przenoszenia elektronów w mitochondriach roślinnych znajdują się na zewnętrznych powierzchniach błon tych organelli kompleksy zewnętrznych dehydrogenaz NADH i NADPH. Utleniają one te nukleotydy pochodzące z cytozolu, co umożliwia sprzężenie cytoplazmatycznego NADPH i NADH z redukcją ubichinonu.

2.4. Oddychanie • 1 0 9

2.4.4.1. Fosforylacja oksydacyjna Fosforylacja oksydacyjna jest głównym etapem procesu oddychania tlenowego prowadzącym do magazynowania energii w postaci bogatego w energię związku, którym jest ATP. Asymetryczne rozmieszczenie w błonie mitochondrialnej poszczególnych składników kompleksów łańcucha oddechowego powoduje, że protony (jony H + ) powstające w wyniku utleniania N A D H i bursztynianu w kompleksach I i II, a także utleniania cytochromu c gromadzą się w przestrzeni międzybłonowej (patrz rys. 2.40). Powoduje to zakwaszenie tej przestrzeni (obniżenie pH) i gradient elektrochemiczny (stężenia jonów H + ) w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej, który jest ilość stabilny ze względu na niewielką przepuszczalność tej błony dla jonów H + . (iradient ten stanowi siłę napędową fosforylacji ADP, która jest katalizowana przez enzym syntazę ATP. Enzym ten, a właściwie kompleks enzymatyczny, zwany niekiedy kompleksem V, znajduje się w błonie mitochondrialnej i umożliwia powrót protonów do matriks (pompa protonowa), wykorzystując energię gradientu elektrochemicznego do energochłonnej syntezy ATP. Funkcja i budowa mitochondrialnej syntazy ATP jest podobna do analogicznego enzymu obecnego w błonach lylakoidów (p. rozdz. 2.3.3.3). Utlenianie cząsteczki glukozy w drodze glikolizy, przez cykl TCA i w łańcuchu transportu elektronów prowadzi do powstania 32 cząsteczek ATP. Dwie cząsteczki powstają podczas glikolizy, dwie następne w cyklu TCA (fosforylacja substratowa), a 28 - w łańcuchu przenoszenia elektronów. Utlenienie mola glukozy do C 0 2 i H 2 0 wyzwala 2880 kJ, natomiast do syntezy 32 moli ATP z ADP potrzeba 1606 kJ. Wydajność energetyczna oddychania wynosi więc około 56%.

2.4.4.2. Alternatywna droga oddechowa Mitochondrialny łańcuch przenoszenia elektronów w komórkach roślin osiowych, a także wielu glonów, grzybów i niektórych pierwotniaków, zawiera enzym, który katalizuje utlenianie ubichinonu, przenosząc elektrony bezpośrednio na tlen, z pominięciem kompleksów III i IV (oksydazy cytochromowej). Enzym ten nie występuje w mitochondriach zwierzęcych i w odróżnieniu od oksydazy cytochromowej nie jest wrażliwy na działanie niektórych trucizn, takich jak cyjanki i azydki. Po zahamowaniu „normalnej" cytochromowej drogi przenoszenia elektronów, np. przez te trucizny, co u zwierząt powoduje skutki letalne, oddychanie tlenowe roślin może nadal przebiegać dzięki funkcjonowaniu wspomnianego enzymu. Oddychanie takie, któremu towarzyszy znaczne zmniejszenie produkcji ATP, nazywamy alternatywną drogą oddechową lub oddychaniem odpornym na cyjanek, a odpowiadający za nie enzym - oksydazą alternatywną. Jedyna udokumentowana funkcja fizjologiczna, którą pełni alternatywna droga oddechowa, to termogeneza. Energia powstająca podczas utleniania ubichinonu nie jest gromadzona jako ATP i zostaje rozproszona w postaci ciepła. Niektóre rośliny,

1 1 0 • Fizjologia przemiany materii

głównie z rodziny obrazkowatych (Araceae), wykorzystują wiosną to ciepło do ogrzania kwiatów. Skutkiem tego jest podniesienie ich temperatury o kilkanaście stopni powyżej temperatury otoczenia, co sprzyja wydzielaniu substancji zapachowych przywabiających owady i ułatwia zapylenie. Termogeneza jest jednak zjawiskiem rzadko spotykanym u roślin, a alternatywna droga oddechowa występuje powszechnie. Toteż wydaje się, że powinna ona odgrywać jakąś ważną rolę w metabolizmie wszystkich roślin. Przypisuje się jej funkcję swojego rodzaju „wentylu bezpieczeństwa": po wysyceniu lub zablokowaniu drogi cytochromowej (np. w obecności cyjanku) uruchamiana jest droga alternatywna, zapobiegając w ten sposób nadmiernej produkcji ATP w stosunku do zapotrzebowania komórki. Jednakże funkcja ta nie może być jedyną, gdyż wykazano, że alternatywna droga oddechowa może funkcjonować równolegle do drogi cytochromowej. Inną postulowaną rolą drogi alternatywnej jest przeciwdziałanie niekorzystnym skutkom warunków stresowych, jak niska temperatura, susza, zasolenie podłoża. W warunkach tych jest zahamowane oddychanie mitochondrialne, a gromadzenie się nadmiernej ilości zredukowanego ubichinonu sprzyja powstawaniu reaktywnych form tlenu (ROS, patrz rozdz. 4), które uczestniczą w destrukcji struktur komórkowych. Utlenianie zredukowanego ubichinonu w wyniku aktywacji alternatywnej drogi oddechowej przeciwdziała powstawaniu ROS.

2.4.5. Mobilizacja i katabolizm lipidów Tłuszcze zapasowe (głównie triacyloglicerole) to ważne substancje zapasowe roślin, obok skrobi i w pewnym stopniu białek. Gromadzą się głównie w nasionach i w wielu przypadkach zawartość i skład tłuszczów decydują o wartości plonu rolniczego, jako źródła olejów jadalnych i przemysłowych. Tłuszcze gromadzą się w cytoplazmie liścieni lub bielma w postaci kropli oleju otoczonych pojedynczą błoną, tworząc organelle zwane oleosomami, lub sferosomami. Ulegają one szczególnie intensywnej mobilizacji i następującym po niej przemianom podczas kiełkowania nasion. Ponieważ tłuszcze, jako hydrofobowe, nie są transportowane w roślinie - ich mobilizacja i przemiany do związków rozpuszczalnych muszą zachodzić w miejscu magazynowania. Mobilizacja lipidów zapasowych rozpoczyna się od hydrolizy katalizowanej przez lipazy. Produktami są glicerol i kwasy tłuszczowe. Hydroliza przebiega w oleosomach, które łączą się z innymi organellami - glioksysomami. Glioksysomy są strukturalnie identyczne z peroksysomami, obecnymi w komórkach fotosyntetyzujących, różniąc się od nich składem enzymatycznym. O ile lipazy znajdują się w błonach oleosomów, o tyle enzymy katabolizmu kwasów tłuszczowych pochodzą z glioksysomów. Jeden z produktów hydrolizy triacylogliceroli - glicerol jest po fosforylacji i utlenieniu włączany do szlaku katabolicznego węglowodanów (glikoliza). Natomiast uwolnione kwasy tłuszczowe podlegają w glioksysomach degradacji do acetylokoenzymu A (Ac-CoA) w drodze p-oksydacji. |i-oksydacja zachodzi u roślin w sposób identyczny jak u innych organizmów, z tą różnicą, że przebiega w glioksysomach, a nie w mitochondriach jak np. u zwierząt. Kwas tłuszczowy aktywowany przez przyłączenie CoA (acylo-CoA) ulega utlenieniu na atomie węgla w pozycji {) do acetylo-CoA i kwasu o łańcuchu węglowym krótszym o 2 atomy od kwasu wyjściowego, ten jest z kolei aktywowany przez następną cząsteczkę CoA i powstały nowy

2.4. O d d y c h a n i e • 1 1 1

acylo-CoA ulega utlenieniu, co skraca łańcuch kwasu tłuszczowego o kolejne 2 atomy węgla. Ten zespół reakcji zachodzi zgodnie z równaniem: R —CH, —CH, — C O —CoA + CoA + ATP > > (R-2) — CH 2 — CH 2 — CO — CoA + CH 3 — C O —CoA + AMP + P, acetylo-CoA

Utlenienie acylo-CoA jest związane z redukcją NAD + do NADH i FAD do FADH 2 , które są utleniane w mitochondrialnym łańcuchu przenoszenia elektronów (rozdz. 2.4.4). Kaskada reakcji p-oksydacji przebiega tak długo, aż cala cząsteczka wyjściowego kwasu tłuszczowego przekształci się w Ac-CoA. Na przykład z kwasu o 18 atomach węgla powstaje 9 cząsteczek Ac-CoA.

Rys. 2.41. Cykl glioksalanowy i jego pozycja w procesie rozktadu-kwasów tłuszczowych u roślin. Współdziałanie glioksysomu z mitochondrium i z metabolizmem cytoplazmatycznym (Wg: Salisbury i Ross 1993. Plant Physiology. Woodsworth Publ. Comp., Belmont, zmodyfikowane)

1 1 2 • Fizjologia przemiany materii

Powstały w wyniku p-oksydacji acetylokoenzym A jest utleniany w cyklu glioksalanowym, który także zachodzi w glioksysomach. Przemiany tego cyklu przedstawiono schematycznie na rysunku 2.41. Podobnie jak w cyklu TCA, Ac-CoA reaguje ze szczawiooctanem, tworząc cytrynian, który następnie izomeryzuje do izocytrynianu. Ten ostatni nie ulega jednak dekarboksylacji, jak w cyklu TCA, ale jest rozszczepiany na bursztyn ian i glioksalan w reakcji katalizowanej przez liazę izocytrynianową, enzym specyficzny dla cyklu glioksalanowego. Bursztynian przemieszcza się do mitochondrium gdzie jest włączany do cyklu TCA. Natomiast glioksalan reaguje z drugą cząsteczką Ac-CoA, tworząc jabłezan w reakcji katalizowanej przez syntazę jabłezanową - drugi / enzymów specyficznych dla cyklu glioksalanowego. Jabłezan, po utlenieniu do szezawioctanu, może być włączony do cyklu TCA lub też przetransportowany do cytozolu i tam, po dekarboksylacji i fosforylacji, przekształcony w fosfoenolopirogronian i użyty do syntezy cukrów w procesie glukoneogenezy, która jest w znacznym stopniu odwróceniem glikolizy. Powstawanie cukrów (głównie sacharozy) z lipidów ma duże znaczenie w niektórych sytuacjach fizjologicznych, jak wczesne etapy kiełkowanie nasion, które zawierają tłuszcze jako materiał zapasowy. Mobilizacja i utlenianie węglowodanów wymaga mniej skomplikowanego aparatu enzymatycznego i mniejszego nakładu energii niż degradacja lipidów. Powstałe z tłuszczów cukrowce stanowią pulę wtórnego materiału spichrzowego, który może być, stosunkowo niewielkim kosztem, źródłem energii metabolicznej i związków organicznych dla rozwijającej się siewki o ograniczonej jeszcze zdolności do fotosyntezy.

2.4.6. Regulacja oddychania Intensywność oddychania zależy od potrzeb energetycznych komórki, a zatem od zapotrzebowania na ATP i zredukowane nukleotydy adeninowe. Regulacja intensywności procesów oddechowych odbywa się zasadniczo w drodze sprzężenia zwrotnego: im większe zużycie nośników energii, z tym większą intensywnością zachodzi oddychanie. Intensywność oddychania różnych organów i tkanek może się znacznie różnić i jest skorelowana z intensywnością przemiany materii. Intensywność oddychania zmienia się w trakcie ontogenezy rośliny. W suchych, spoczynkowych nasionach i zarodnikach niemal nie można wykryć oddychania. Tkanki merystematyczne młodych, rosnących roślin oddychają znacznie intensywniej niż dojrzałe, starsze organy. Intensywność oddychania zależy także od czynników środowiska. 2.4.6.1. Wpływ temperatury Jak wynika z poprzednich części tego rozdziału, oddychanie jest złożone z szeregu procesów chemicznych katalizowanych przez wiele enzymów, toteż jego intensywność w znacznym stopniu zależy od temperatury otoczenia. Poniżej 5°C oddychanie przebiega z niewielką szybkością, natomiast w wyższej temperaturze obserwuje się ponad dwukrotne zwiększenie szybkości tego procesu po wzroście temperatury o każde 1()°C. Powyżej temperatury około 35-40° szybkość oddychania zwiększa się

2.4. Oddychanie • 1 1 3

wolniej, a powyżej 45-50° intensywność oddychania maleje. Jest to spowodowane uszkodzeniami tkanki i postępującą denaturacją białek enzymatycznych, a także nagromadzaniem szkodliwych produktów oddychania, np. reaktywnych form tlenu (ROS). Świadczy o tym m.in. obserwacja, że intensywność oddychania stymulowana przez wyższą temperaturę maleje w miarę upływu czasu. Godne uwagi jest, że optimum temperaturowe oddychania (ok. 35-40°) leży /wykle wyżej niż optimum dla fotosyntezy (ok. 25-30°). W naszych warunkach klimatycznych powoduje to w upalne dni przewagę procesów dysymilacji C 0 2 (oddychanie) nad procesami asymilacji (fotosynteza), co prowadzi do straty produkcji biomasy, a tym samym do zmniejszenia plonu rolniczego. W czasie sezonu wegetacyjnego temperatura wykazuje znaczne wahania w cyklu dobowym, przekraczające niekiedy kilkanaście stopni. Większość roślin zaadaptowała się do tych zmian i nie powodują one zakłóceń w rozwoju. Kiełkowanie nasion niektórych roślin i wzrost siewek przebiega nawet niekiedy lepiej w zmieniających się warunkach termicznych niż w stałej temperaturze. Z drugiej strony rośliny wrażliwe, np. kukurydza, źle znoszą poranne chłody wiosną, co stwarza konieczność ich późniejszego wysiewu, a zatem skrócenia okresu wegetacyjnego.

2.4.6.2. Wpływ światła Wpływ światła na oddychanie jest mniej jednoznaczny niż omówiony wpływ temperatury. Wynika to z faktu, że substrat oddychania - tlen jest jednym z produktów fotosyntezy, procesu zależnego od światła, a produkt oddychania, dwutlenek węgla jest substratem dla fotosyntezy. Ponadto może zachodzić współdziałanie między chloroplastami i mitochondriami: oddechowy CO, może być reasymilowany przez fotosyntetyzujące chloroplasty, a O, wyzwalany w trakcie fotosyntezy - zużywany w oddychaniu. Nie należy także zapominać o pobieraniu tlenu przez system fotooddychania (patrz rozdz. 2.3.4.2). W ciemności całość substratów utlenianych przez mitochondria pochodzi z substancji zapasowych (głównie węglowodany i lipidy). Natomiast na świetle udział tych substratów nie przekracza 50%; pozostałe 50% substancji utlenianych to produkty fotosyntezy i fotoutleniania: pirogronian, jabłczan, szczawiooctan, glicyna i NAD(P)H. Dotyczy to tkanek i organów fotosyntetyzujących, np. liści. W tkankach niefotosyntetyzujących, jak korzenie czy merystemy, jedynym substratem oddychania są substancje zapasowe. Przez wiele lat panował pogląd, że światło hamuje oddychanie mitochondrialne, stymulując jednocześnie fotooddychanie. ATP powstający w fotosyntezie miałby hamować fosforylację oksydacyjną. Po wykazaniu, że mitochondria roślinne kontynuują na świetle aktywność oddechową, pogląd ten wydaje się daleko idącym uproszczeniem.

2.4.6.3. Rola składu atmosfery W naturalnych warunkach wzrostu roślin lądowych, przy 21% zawartości 0 2 w atmosferze, dostępność tlenu - substratu oddychanta^uie stanowi ograniczenia dla tego procesu. Sprzyja temu również duża szybkość penetracji 0 2 d o liści oraz bardzo duże

1 1 4 • Fizjologia przemiany materii

powinowactwo do tlenu, jakie ma oksydaza cytochromowa, ostatni enzym w mitochondrialnym łańcuchu przenoszenia elektronów. Obniżający intensywność oddy* chania wpływ braku tlenu obserwuje się dopiero, gdy jego stężenie w powietrzu zmniejszy się do paru procent, np. w glebach ciężkich o złej strukturze. Niemal całkowite zahamowanie dostępu tlenu zachodzi w przypadku zalania korzeni wodą. Rozpoczyna się w nich wtedy proces fermentacji, występuje zakłócenie transportu hormonów, soli mineralnych i węglowodanów oraz zaburzenie gospodarki wodnej. Prowadzi to m.in. do zakłócenia przebiegu fotosyntezy. Dostępność tlenu stanowi poważny problem dla oddychania roślin wodnych. Zawartość O, w wodzie nie przekracza 0,7% objętości. Tak małe stężenie i powolna dyfuzja tlenu w wodzie mogą stanowić ograniczenie procesów oddechowych. Rośliny wodne wykształciły system wentylacyjny zbudowany z wypełnionych powietrzem przestworów międzykomórkowych, których obecność minimalizuje skutki ograniczonej dostępności tlenu.

Zmniejszanie zawartości 0 2 w atmosferze powoduje zahamowanie oddychania, ale - paradoksalnie - równocześnie wywołuje gwałtowne zwiększenie produkcji C0 2 . Skutek ten, zwany efektem Pasteura od nazwiska odkrywcy, jest wynikiem zniesienia w warunkach beztlenowych hamowania glikolizy przez tlen. Zahamowanie oddychania obserwuje się również w przypadku dużego stężenia dwutlenku węgla w atmosferze. Jest to najprawdopodobniej skutkiem hamowania przez C 0 2 reakcji dekarboksylacji w cyklu TCA, katalizowanych przez dehydrogenazy izocytrynianową i oksoglutaranową. Efekt ten jest wykorzystywany w przechowalnictwie owoców.

2.4.6.4. Inne czynniki wpływające na oddychanie Oddychanie jest procesem wrażliwym na inne, poza już wymienionymi, czynniki środowiska. Zranienie tkanki lub zakażenie patogennymi grzybami czy bakteriami może kilkakrotnie zwiększyć intensywność oddychania. Zwiększony metabolizm oddechowy dostarcza energii i substratów do syntez substancji uczestniczących w procesach naprawczych i reakcjach obronnych rośliny. Natomiast obecne w środowisku zanieczyszczenia, w tym trucizny, mogą wywierać wpływ hamujący na oddychanie. Do najlepiej poznanych i najskuteczniejszych trucizn oddechowych należą cyjanki, azydki, fluorki, tlenek węgla, nitrofenole.

\

3 Fizjologia wzrostu i rozwoju

M . Mechanizmy wzrostu i rozwoju roślin W czasie ontogenezy roślin zachodzą procesy wzrostu i rozwoju. Wzrost to nieodwracalny przyrost liczby, objętości lub masy komórek, ilości protoplazmy, białka lub kwasów nukleinowych, a także rozmiaru rośliny lub jej organów (długości, szerokości, średnicy). Rozwój wynika z wzrostu i różnicowania się komórek i jest podstawą morfogenezy - prowadzi do powstania nowych organów, tkanek i organelli. Wzrost jest procesem ilościowym, a rozwój to proces jakościowy.

3.1.1. Wzrost Większość tkanek roślinnych zachowuje zdolność do wzrostu przez całe życie. Stanowi to istotną różnicę w stosunku do organizmów zwierzęcych. Głównym miejscem, w którym odbywa się wzrost, są merystemy. Tkanki te w wierzchołkach pędów wegetatywnych i korzeni (merystemy apikalne) zachowują zdolność do wzrostu przez całe życie rośliny. Podobną zdolność mają merystemy interkalarne oraz boczne, kambium i felogen. Ten typ wzrostu stanowi wzrost nieograniczony. Natomiast wzrost ograniczony (zdeterminowny) wykazują liście, kwiaty, owoce, nasiona - organy, które po osiągnięciu określonych rozmiarów przestają rosnąć. Kinetyka wzrostu - zarówno nieograniczonego, jak i ograniczonego - ma charakter fazowy, który w większości przypadków obrazuje krzywa sigmoidalna zależności między mierzonym parametrem wzrostu a czasem; wyróżnić można fazę zwłoki (lag phase), fazę wykładniczą oraz

1 1 6 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

wiek siewki (dni) Rys. 3.1. Krzywa wzrostu siewek gorczycy (Sinapis alba) (Wg: Mohr i Schopfer 1992. Handbuch physiologie. Springer-Verlag, Berlin, zmodyfikowane)

der

Pflanzen-

fazę spowolnionego wzrostu, a w końcu fazę stacjonarną. Kinetykę wzrostu przedstawiono na rysunku 3.1. Wzrost rośliny jest wynikiem podziału komórek i ich wzrostu objętościowego i/lub elongacyjnego (na długość). Oba procesy zachodzą równolegle i najczęściej równocześnie. W pewnym zakresie wzrost może zachodzić bez udziału zwiększania liczby komórek, natomiast tylko w wyjątkowych sytuacjach rozwój (różnicowanie) następuje bez równocześnie przebiegających procesów wzrostowych. Podział komórek merystematycznych umożliwia wzrost organu. Największą szybkość wzrostu obserwuje się w strefie podwierzchołkowej (strefa wydłużania się, strefa wzrostu) organów osiowych - pędu i korzenia. Jest to wynikiem zwiększenia objętości części komórek powstałych podczas podziału. Wzrost komórek polega na ^obieraniu wody, na rozciąganiu ściany komórkowej, na rozbudowie i modyfikacjach stniejących struktur oraz na syntezie nowych składników komórki. Szybkość i sposób vzrostu komórek zależy od czynników wewnętrznych oraz środowiskowych. Należą utaj czynniki genetyczne, pozycja komórki w organie, dostępność wody, warunki wietlne, termiczne i żywieniowe oraz stężenie substancji regulatorowych (w tym lormonów). Wielkość komórki roślinnej jest determinowana przez wielkość, strukturę i właściwości ściany komórkowej. Wzrost komórki wymaga rozluźnienia tej struktury, zwiękzenia jej elastyczności, co pozwala zmniejszyć ciśnienie turgorowe (potencjał wody / komórce) i pobierać wodę, która gromadzi się głównie w wakuoli. Zwiększenie plasyczności ściany oraz odkładanie nowego materiału budulcowego pomiędzy istniejącymi fcmentami strukturalnymi ściany prowadzi do zwiększenia jej powierzchni (rozciągięcie ściany) i jest kolejnym etapem zmniejszania ciśnienia turgorowego. Procesom /m sprzyja kwasowość (niskie pH) środowiska (apoplastu) i obecność hormonu ausyny. Mechanizm tego procesu związany jest z obecnością w ścianie komórkowej ktywnych białek. Tak więc enzym metyloesteraza pektynowa moduluje stopień usie-

3.1. Mechanizmy wzrostu i rozwoju roślin • 1 1 7

ciowania ściany, blokując lub odblokowując grupy karboksylowe pektyn. Grupa innych białek - ekstensyn (endotransglikozydazy ksyloglukanowe) katalizuje przeniesienie reszty diglikozydu ksyloglikanu z jednego łańcucha hemicelulozy na drugi, ułatwiając rozsunięcie się mikrofibryl celulozowych. Natomiast grupa niskocząsteczkowych białek - ekspansyn działa w sposób nieenzymatyczny, osłabiając wiązania między mikrolibrylami celulozowymi i hemicelulozami oraz umożliwiając wzajemne przemieszczanie się mikrofibryl. Oba rodzaje białek aktywuje auksyna, synteza niektórych ekpansyn |est indukowana przez cytokininy, a niektórych ekstensyn - przez etylen. Ekspansyny wykazują większą specyficzność tkankową niż ekstensyny. Niskie pH ściany sprzyja iiktywności zarówno ekspansyn, jak i ekstensyn. Jednak dla wzrostu komórek optymalne wartości pH mieszczą się w zakresie 5,5-6,0. W warunkach większej kwasowości (pl I poniżej 4,8) dominują podziały komórek i różnicowanie. Szybkość i charakter wzrostu komórki roślinnej są regulowane przede wszystkim na poziomie genetycznym. Biorą w tym udział geny kodujące nie tylko wspomniane białka, lecz także inne białka uczestniczące w formowaniu się i modyfikacjach cytoszkieletu, białka biorące udział w syntezie celulozy i innych polisacharydów ściany oraz składników protoplastu, a także białka podstawowego metabolizmu komórki. Aktywacja (a także dezaktywacja) transkrypcji tych genów odbywa się najczęściej z udziałem specyficznych czynników transkrypcyjnych. Również czynniki środowiskowe regulują procesy wzrostowe roślin. Oczywistą rolę odgrywa temperatura, która wywiera decydujący wpływ na szybkość reakcji enzymatycznych, a tym samym przemian metabolicznych i wzrostu. Należy tutaj też światło, które hamuje wzrost, a także może zmieniać jego kierunek. Niebagatelną rolę odgrywają chemiczne składniki środowiska, jak skład atmosfery, np. stężenie dwutlenku węgla i tlenu decydujące o przebiegu procesów uzyskiwania energii (fotosynteza i oddychanie) oraz składniki nieorganiczne podłoża (dostępność wody, odżywianie mineralne) i niektóre składniki organiczne. Jak już wspomniano, procesy wzrostowe występują podczas całego życia rośliny. Nie znaczy to jednak, że roślina rośnie bez przerw. W jej cyklu rozwojowym występują okresy całkowitego zahamowania lub znacznego ograniczenia wzrostu. W okresach tych zostaje wyraźnie ograniczony metabolizm rośliny, a zatem są całkowicie lub częściowo zahamowane wszystkie funkcje fizjologiczne. Okres taki nazywamy lazą spoczynkową rośliny, a stan odwracalnego zahamowania aktywności wzrostowej - stanem spoczynku. Zdolność zapadania w spoczynek jest dziedzicznie utrwaloną cechą przystosowawczą, umożliwiającą roślinie przetrwanie niesprzyjających warunków klimatycznych (np. suszy, niskiej temperatury itp.). Zdolność ta jest także przyczyną sezonowej i dobowej okresowości wzrostu roślin. W spoczynek mogą zapadać całe rośliny albo tylko ich części, np. pąki, pędy, kłącza, bulwy czy nasiona.

3.1.2. Różnicowanie i rozwój Budowa rośliny, a tym samym funkcjonowanie jej elementów oraz rośliny jako całości, jest zdeterminowana przez zasób informacji zawartej w genomie. Informacja ta określa również, jakimi drogami z niezróżnicowanej zygoty, a następnie zarodka, tworzą się struktury tkanek i organów oraz podejmują właściwe im funkcje. Całość

1 1 8 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

tej informacji znajduje się w każdej żywej komórce somatycznej; komórki te są totlpotencjalne (wyjątkiem są tutaj komórki członów rurek sitowych, które tracą jądro podczas dojrzewania). Część informacji genetycznej jest wykorzystywana przez cały czas życia rośliny i niosą ją stale aktywne geny konstytutywne, które kontrolują podstawowe procesy życiowe rośliny. Natomiast pozostałe geny, ulegając regulacji, są aktywne tylko w określonych stadiach rozwojowych, w określonych tkankach lub w określonych warunkach środowiska komórek. I tylko ta część informacji genetycznej jest wykorzystywana przez poszczególne komórki w trakcie rozwoju w procesie różnicowania. O tym, jaka część informacji zawartej w DNA jądrowym (a także mitochondrialnym i plastydowym) jest na danym etapie rozwojowym (w określonym czasie i miejscu) wykorzystywana (aktywna), decyduje program genetyczny, tworząc wzorce rozwojowe. Los komórki powstałej w wyniku podziału komórki macierzystej (kierunek jej różnicowania) zależy od czynników indukujących różnicowanie. Indukcja pozycyjna jest wynikiem oddziaływania sąsiadujących komórek i naprężeń mechanicznych. Induktorem może być także gradient różnych czynników środowiskowych (np. natężenia światła, pola grawitacyjnego, temperatury, wilgotności) lub czynników wewnętrznych (np. potencjałów błonowych, kwasowości, wewnątrztkankowego stężenia C0 2 , stężenia hormonów lub innych specyficznych metabolitów), które noszą nazwę morfogenów. Wynikiem indukcji różnicowania jest wybranie przez komórkę wzorca rozwojowego, to znaczy jest uruchamiany mechanizm sekwencyjnej (kolejnej) ekspresji grupy genów, których produkty determinują kierunek rozwoju tej komórki i jej komórek potomnych, realizując program rozwojowy. Istotną rolę w tym procesie odgrywają geny homeotyczne, które koordynują jego przebieg. Realizacja pełnego programu rozwojowego (morfogenezy) ma charakter hierarchiczny; na określonym etapie indukowanego przez morfogen cyklu różnicowania (wzorca) następuje indukcja kolejnego, bardziej szczegółowego programu, który z kolei powoduje inicjację realizacji następnego lub kilku równoległych wzorców. Rozwój organizmu roślinnego o złożonej budowie anatomicznej i wielu funkcjach jest wynikiem działania szeregu różnych programów. Ich włączanie zależy nie tylko od dostępnej informacji genetycznej i czynnika indukującego (pochodzącego ze środowiska, lub morfogenu produkowanego przez sąsiednie komórki), ale także od gotowości komórek do podjęcia realizacji kolejnego programu. Gotowość ta, wyrażająca się odpowiednim składem i strukturą cytoplazmy, jest w znacznym stopniu skutkiem działania uprzedniego programu, stojącego wyżej w hierarchii regulacji rozwoju, i może odznaczać się znaczną selektywnością w podejmowaniu realizacji nowych programów. Należy również brać pod uwagę równoległe wykonywanie kilku programów rozwojowych, które mogą współdziałać ze sobą. Skutkiem uruchomienia tego mechanizmu może być zmiana aktywności określonych enzymów, nierównomierna grubość ścian komórki i jej asymetryczny wzrost, formowanie się struktur cytoplazmatycznych i powstawanie organelli, np. chloroplastów, synteza metabolitów specyficznych dla danego typu komórek, ale także tworzenie się rozgałęzień, zawiązków liściowych i kwiatowych, włosków na liściach luh włośników na korzeniach i wszystkich pozostałych struktur, tkanek i organów rośliny. *

3.1. Mechanizmy wzrostu i rozwoju roślin • 1 1 9

W procesie różnicowania się komórek i organów roślinnych podstawową rolę odgrywają podziały komórkowe. O ile w wyniku podziału namnażającego powstają dwie identyczne komórki siostrzane, o tyle podział formujący (różnicujący) prowadzi do utworzenia komórki wyspecjalizowanej, w znaczący sposób różniącej się od komórki siostrzanej. Następnie podziały namnażające zapewniają wzrost liczby komóick odpowiedniej linii, a kolejne podziały formujące pozwalają realizować dalsze etapy programu rozwojowego. Pierwszym etapem różnicowania w rozwoju rośliny jest powstanie polarności zygoty. Polaryzację komórki obserwuje się jeszcze przed pierwszym podziałem komórkowym, którego wynikiem jest powstanie dwóch komórek różnej wielkości i o różnym przebiegu dalszego różnicowania. Polarność utrzymuje się przez cały okres wegetacji rośliny i odpowiada za jej biegunową budowę. Zarówno mechanizm indukcji polarności, jak i jej przekazywanie komórkom, tkankom i organom rosnącej i rozwijającej się rośliny poznano w niewielkim stopniu. Niemniej przypuszcza się udział jonów Ca 2+ w utrzymywaniu polarności oraz rolę elementów cytoszkieletu w realizacji powstawania biegunowej struktury komórek.

3.1.3. Regulacja procesów fizjologicznych Wszystkie zjawiska i procesy zachodzące w roślinie ulegają skoordynowanej, kompleksowej regulacji zarówno przez czynniki wewnętrzne, endogenne, jak i przez czynniki środowiska, egzogenne. Do pierwszej grupy należą czynniki regulujące ekspresję genów i sterujące programem rozwojowym rośliny przez selektywną syntezę białek. Trzeba tutaj pamiętać, że każda komórka roślinna zawiera trzy różne genomy: jądrowy, mitochondrialny i plastydowy. Do tej samej grupy zaliczamy czynniki icgulujące przebieg procesów metabolicznych, aktywność enzymów, transport i inne. Do czynników środowiskowych zaś należą warunki świetlne, termiczne, pole grawitacyjne, dostępność wody i składników mineralnych podłoża oraz gazów atmosfery. Zalicza się tu także czynniki biotyczne: oddziaływanie innych organizmów na rozwój i funkcjonowanie rośliny.

3.1.3.1. Regulacja przez czynniki endogenne W regulacji procesów fizjologicznych uczestniczyć może niemal każda substancja. Jeśli regulacja odbywa się na zasadzie zapewnienia lub ograniczenia dostępu substancji odżywczych (np. produktów fotosyntezy, związków azotowych, soli mineralnych) mówimy o regulacji troficznej (żywieniowej) i o substancjach troficznych. Substancję, której jedyną, a w każdym razie podstawową rolą jest funkcja regulacyjna, nazywamy regulatorem wzrostu i rozwoju roślin; często używa się skróconego terminu regulatory wzrostu. Regulatory wzrostu są w zasadzie związkami maiocząsteczkowymi o bardzo zróżnicowanej budowie chemicznej. Ich obecność w roślinie warunkuje inicjację i harmo-

1 2 0 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

nijny przebieg wzrostu, podziałów komórkowych i różnicowania, a co za tym idzie wszystkich faz rozwojowych rośliny. Regulatory wzrostu uczestniczą również w realizacji odpowiedzi roślin na bodźce środowiskowe. Regulatory wzrostu nie uczestniczą w metabolizmie podstawowym rośliny, należą więc do metabolitów wtórnych ( patrz rozdz. 2.3.6). 3.1.3.1.1.

Substancje

wzrostowe

Wśród regulatorów wzrostu wyróżniamy substancje wzrostowe, które powodują efekty fizjologiczne w stosunkowo dużych stężeniach (powyżej 10-4 mol • l"1). Zaliczamy więc tu niektóre związki fenolowe, terpenoidy, poliaminy, peptydy i inne. Ich wspólną cechą jest występowanie tylko w niektórych gatunkach lub grupach roślin. Wśród substancji wzrostowych na szczególną uwagę zasługują substancje biologicznie czynne, powstające w wyniku zakłócenia normalnego funkcjonowania rośliny i powodujące jej specyficzne odpowiedzi. Należą tutaj substancje powstające w wyniku infekcji patogenów bakteryjnych, grzybowych czy wirusowych i pełniące tam rolę obronną. Do substancji wzrostowych zalicza się także wydzielane przez rośliny substancje rozpoznawane przez inne (konkurujące) rośliny (fitoaleksyny) lub bakterie (np. symbiotyczne Rhisobium) i działające na te organizmy. 3.1.3.1.2.

Hormony

roślinne

Regulatory wzrostu powszechnie występujące w roślinach wyższych, aktywne w bardzo małych stężeniach (już od 10-6 mol • 1_1) i zdolne do przemieszczania się w roślinie stanowią grupę hormonów roślinnych (fitohormonów). Hormony roślinne, podobnie jak zwierzęce, wykazują zasadniczo działanie w innym miejscu organizmu (organie, tkance, komórce lub przedziale komórkowym) niż powstają. Poznano dotąd siedem klas hormonów roślinnych. Związki należące do każdej z tych klas mają podobną strukturę i wywierają podobne, jeśli nie identyczne, skutki fizjologiczne oraz są syntetyzowane na tej samej drodze. Rysunek 3.2 ukazuje budowę przedstawicieli tych klas. Auksyny; podstawową auksyną jest kwas indolilo-3-octowy (IAA, indolyl-3-acetic acid\ rys. 3.2A). Znane są inne auksyny indolowe, a także nie zawierające układu indolowego (np. kwas fenylooctowy), występujące jednak mniej powszechnie niż IAA. Najlepiej poznanymi procesami regulowanymi przez auksyny są: wzrost wydłużeniowy (elongacyjny) komórek, ruchy roślin, różnicowanie komórek, ukorzenianie się, dojrzewanie owoców, starzenie się. Auksyny indolowe powstają z aminokwasu tryptofanu w szeregu reakcji utlenienia, dezaminacji i dekarboksylacji. Etylen (eten; rys. 3.2G), dwuwęglowy gaz, jest jedynym przedstawicielem tej klasy l^rmonów. Uczestniczy w regulacji wzrostu, dojrzewania owoców, starzenia się oraz

3.1. M e c h a n i z m y wzrostu i rozwoju roślin • 1 2 1

Rys. 3.2. Budowa niektórych hormonów roślinnych: A - kwas indolilo-3-octowy, auksyna, B - giberelina A3, C - przedstawiciel cytokinin, D - kwas abscysynowy, E - kwas jasmonowy, F - jeden z brasinosteroidów, G - etylen

w regulacji odpowiedzi roślin na stresy. Etylen powstaje z aminokwasu metioniny. W środowisku roślin znajduje się również etylen powstający w wyniku degradacji substancji organicznych. Gibereliny (GA, gibberellic acid\ rys. 3.2B) są najliczniejszą klasą hormonów roślinnych. Dotąd poznano około 100 aktywnych substancji, pochodnych sześciopierścieniowcgo węglowodoru - giberelanu, które różnią się stopniem utlenienia (liczbą grup wodorotlenowych, liczbą wiązań nienasyconych) oraz obecnością lub brakiem pierścienia laktonowego, natomiast wykazują podobną aktywność biologiczną. Gibereliny uczestniczą w regulacji wzrostu, kiełkowania nasion, kwitnienia, zawiązywania owoców i spoczynku. Gibereliny powstają na szlaku kwasu mewalonowego i należą do diterpenoidów (patrz rozdz. 2.3.6.4.2). Cytokininy (fitokininy; rys. 3.2C); wszyscy członkowie tej grupy są izopentenylowymi pochodnymi adeniny. W odróżnieniu od cukrowych pochodnych innych hormonów, glikozydy (rybozydy) cytokinin i ich fosforany (rybotydy) wykazują aktywność

1 2 2 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

biologiczną. Cytokininy uczestniczą w regulacji podziałów komórkowych (cytokinezy), różnicowania komórek, wzrostu, spoczynku, transportu asymilatów, starzenia się. Cytokininy powstają z adeniny i pirofosforanu dimetyloallilu (patrz rozdz. 2.3.6.4.2). Kwas abscysynowy (ABA, abscisic acid; rys. 3.2D) jest jedynym znanym przedstawicielem tej grupy hormonów. Uczestniczy on w regulacji wzrostu, kiełkowania nasion, spoczynku, opadania liści i owoców, starzenia się, a także odpowiedzi roślin na stresy. ABA powstaje na szlaku kwasu mewalonowego i należy do seskwiterpenoidów (patrz rozdz. 2.3.6.4.2). Kwas jasmonowy (JA Jasmonic acid\ rys. 3.2E) to główny przedstawiciel nielicznej klasy jasmonidów. Jest on zaangażowany w regulacji wzrostu, kiełkowania, morfogcnezy i starzenia się, a także reakcji roślin na stresy. JA powstaje z kwasu linolenowego, uwalnianego z lipidów roślinnych w wyniku szeregu reakcji utleniania, dehydratacji i cyklizacji. Ilrasinosteroidy (BS, brassinosteroid\ rys. 3.2F) - duża (ponad 40 przedstawicieli) i zróżnicowana klasa hormonów; uczestniczą w regulacji wielu procesów, jak wzrost i rozwój, niektóre przemiany metaboliczne, fotosynteza i odpowiedzi roślin na stresy i infekcje. BS są syntetyzowane na szlaku kwasu mewalonowego i należą do triterpenoidów. Schemat (rys. 3.3) ilustruje pochodzenie hormonów i niektórych innych regulatorów wzrostu roślin. Z powyższej prezentacji hormonów roślinnych wynika, że wszystkie wykazują działanie plejotropowe: każdy z nich uczestniczy w regulacji wielu procesów fizjologicznych. Co więcej, w regulacji każdego procesu bierze udział zespół hormonów - kompleks hormonalny, w którym najczęściej można wyróżnić hormon(y) pełniący(e) rolę lominującą i hormony współdziałające. W kompleksie takim uczestniczą hormony itymulujące przebieg procesu obok hormonów hamujących, toteż mówimy o równovadze hormonalnej sterującej procesem. Sytuacja taka odbiega w sposób zasadni-

t

(bialka) cukry

aminokwasy

Ac-CoA

3.3. Schemat biosyntetycznych zależności hormonów i niektórych innych regulatorów wzrostu roślin. Skróty: JA - kwas abscysynowy, BS - brasinosteroidy, CK - cytokininy, GA - gibereliny, JA - kwas jasmonowy, /A kwas mewalonowy

3.1. M e c h a n i z m y wzrostu i rozwoju roślin • 1 2 3 wzrost cytoplazmatyczny

podział komórki

wzrost elongacyjny

różnicowanie

starzenie się

O

CK

IAA CK

ABA

C2H4' IAA

GA

IAA/CK

ABA C2H4

Rys. 3.4. Schemat równowagi hormonalnej uczestniczącej w regulacji kolejnych stadiów ontogenezy komórki rośliniK3j. Skróty: ABA - kwas abscysynowy, C?H4 - etylen, CK - cytokinina, GA - giberelina, IAA - auksyna. Cienkie strzałki poziome wskazują na efekt przeciwstawny do efektu hormonu dominującego, przedstawionego przez strzałki pionowe

czy od sposobu działania hormonów zwierzęcych, gdzie każdy hormon uczestniczy w regulacji określonego procesu fizjologicznego. Schemat (rys. 3.4) obrazuje udział poszczególnych hormonów w regulacji kolejnych etapów rozwoju komórki roślinnej. Stężenie hormonu

jest precyzyjnie

regulowane

W większości procesów fizjologicznych regulowanych przez hormony zależność między stężeniem podanego hormonu lub stężeniem endogennego regulatora a jego efektem ma charakter prostoliniowy lub wykładniczy, przynajmniej w pewnym zakresie stężeń. Zwiększanie stężenia hormonu powyżej pewnego maksymalnego poziomu nie powoduje już dalszego zwiększenia intensywności efektu, a w niektórych przypadkach prowadzi do zmiany charakteru efektu. Wskazuje to, że procesy wpływające na aktualne stężenie hormonu w komórce, tkance czy organie mogą decydować o intensywności i kierunku wzrostu i rozwoju rośliny. Rysunek 3.5 ukazuje zasadnicze grupy procesów prowadzących do zwiększenia stężenia hormonu (biosynteza, uwalnianie z form nieaktywnych, transport do komórki) oraz do zmniejszenia tego stężenia (degradacja, wiązanie w formy nieaktywne, transport z komórki). Stosunek intensywności tych procesów określa aktualne stężenie hormonu.

synteza

transport do

degradacja

stężenie hormonu

transport z

nieaktywne formy związane (koniugaty) Rys. 3.5. Schemat /nln/noAcI mlęd/y procesami kształtującymi stężenie hormonu w komórce

1 2 4 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

Drogi syntezy poszczególnych hormonów zostały nieźle poznane, co już zasygnalizowano, omawiając kolejne klasy tych regulatorów, natomiast o katabolizmie tych związków wiemy znacznie mniej. Degradacja auksyn, katalizowana przez kompleks enzymatyczny oksydazy IAA prowadzi głównie do nieaktywnego kwasu indolilo-3-karboksylowego, etylen utlenia się do glikolu etylenowego, a stopniowe utlenianie (hydroksylacja) giberelin prowadzi do katabolitów o coraz mniejszej aktywności biologicznej, kończąc się rozerwaniem struktury pierścieniowej. Degradacja cytokinin polega na oksydacyjnym oderwaniu reszty izopentenylowej, a powstała adenina zostaje włączona do ogólnego metabolizmu rośliny. Pierwszym etapem degradacji ABA jest utlenienie jednej z grup metylowych przy pierścieniu cykloheksenowym i powstanie nieaktywnego katabolitu - kwasu fazeinowego. Niewiele wiadomo o produktach degradacji jasmonidów i brasinosteroidów.

Poznano natomiast wiele nieaktywnych biologicznie pochodnych hormonów, zwanych k o n i u g a t a m i hormonów, a powstających w wyniku wiązania się tych regulatorów z cukrami, aminokwasami, krótkimi peptydami i innymi związkami małocząsteczkowymi. Jest to proces odwracalny, dzięki czemu koniugaty stanowią rezerwową pulę nieaktywnego związku, z której hormon może być uwalniany w miarę potrzeb (patrz rys. 3.5). Podanie roślinie egzogennego hormonu prowadzi do powstawania koniugatów; ich synteza stanowi więc element systemu detoksyfikacyjnego rośliny. Koniugaty mogą również pełnić funkcję formy transportowej hormonów. Koniugaty auksyn to estry glikozylowe IAA z glukozą lub mezo-inozytolem oraz amidy z kwasem asparaginowym lub krótkimi peptydami. Koniugaty estrowe występują częściej u roślin jednoliściennych (trawy), natomiast amidy - u dwuliściennych. Gibereliny tworzą koniugaty z glukozą, która może być związana glikozydowo z jedną z grup hydroksylowych hormonu, także estry glikozylowe, w których reszta cukrowa estryfikuje grupę karboksylową. Głównym koniugatem kwasu abscysynowego jest jego ester glukozowy, niemniej równolegle występuje też glukozyd ABA. Glikozydy (rybozydy i rybotydy) cytokinin nie mogą być uważane za koniugaty, ponieważ wykazują aktywność biologiczną zbliżoną do cytokinin. Podobnie występujący równolegle z kwasem jasmonowym jego ester metylowy ma taką samą aktywność jak wolny JA. Natomiast etylen nie tworzy koniugatów.

Synteza i degradacja hormonów oraz powstawanie koniugatów i ich hydrolityczne rozszczepienie mogą zachodzić w różnych tkankach, zależnie od sytuacji fizjologicznej. Niemniej niektóre tkanki są uprzywilejowane, jeśli idzie o syntezę i uwalnianie hormonów z koniugatów. Na przykład IAA powstaje głównie w wierzchołkach pędów i młodych liści, a synteza cytokinin zachodzi przede wszystkim w korzeniach i rozwijających się nasionach i owocach. Transport

hormonu

jest istotnym

elementem

jego

aktywności

Większość hormonów przemieszcza się w roślinie zgodnie z opisanymi mechanizmami, tzn. przez ksylem i floem. Wyjątkiem jest tutaj etylen i ester metylowy kwasu asmonowego, które jako substancje niepolarne i lotne przemieszczają się w drodze Jyfuzji przez błony i przestrzenie międzykomórkowe. Koniugaty hormonów - lepiej 'ozpuszczalne w wodzie od wolnych regulatorów - często pełnią funkcję ich form

r 3.1. Mechanizmy wzrostu i rozwoju roślin • 1 2 5

transportowych. O kierunku transportu hormonu w znacznym stopniu decyduje miejsce jego produkcji oraz położenie i właściwości komórek docelowych, w których hormony wykonują swoje zadanie (przekazanie informacji) i które pełnią funkcję iikceptora hormonu. Na szczególną uwagę zasługuje polarny transport auksyny. W tkankach pędu część puli IAA przemieszcza się w kierunku podstawy (bazypetalnie) wbrew gradientowi stężenia i niezależnie od przemieszczania się w naczyniach. Polarny transport auksyny zależy od obecności tlenu. Dzięki transportowi hormonu z wierzchołka pędu do korzenia zachowana jest polarność organizmu i jego skoordynowany, harmonijny rozwój (np. korelacje wzrostowe). W mechanizmie polarnego transportu decydującą rolę odgrywa pułapka jonowa. W stosunkowo kwaśnym apoplaście IAA występuje w postaci niezjonizowanej i może przenikać do komórek przez błonę zgodnie z gradientem stężenia. Natomiast w cytoplazmie, o wyższym pH, ulega jonizacji i jako polarny jon nie może tą samą drogą opuścić komórki. Umożliwiają mu to zdolne do polarnego transportu specyficzne białkowe przenośniki IAA", które znajdują się w plazmolemie na bazalnej (dolnej) stronie komórek.

Komórki roślin są kompetentne

i zawierają

receptory

hormonów

Jak już wspomniano, intensywność odpowiedzi rośliny na hormon zależy od stężenia tego związku w komórce, które z kolei zależy od intensywności procesów przedstawionych na rysunku 3.5. Gdy intensywność degradacji, koniugacji i eksportu z komórki jest względnie niewielka, hormon gromadzi się w komórce, następuje jego sekwestracja. Jeśli jednocześnie ze zdolnością do sekwestracji komórki wykazują wyraźną odpowiedź nawet na niewielkie stężenia hormonu, czyli odznaczają się dużą wrażliwością na hormon, pełnią funkcję komórek docelowych. Ze względu na plejotropowe działanie hormonów wrażliwość na hormon może się różnie kształtować w stosunku do różnych efektów fizjologicznych. Mówimy wtedy o kompetencji komórek lub tkanek w stosunku do danego hormonu i danej odpowiedzi fizjologicznej. Kompetencja tkanek jest wynikiem obecności w ich komórkach specyficznych receptorów hormonów. Są to białka, które mają zdolność 1) odróżnienia cząsteczki hormonu wśród tysięcy związków organicznych docierających do komórki, 2) związania się z hormonem w sposób odwracalny (niekowalencyjny) i 3) nabycia - w wyniku /wiązania się z hormonem - aktywności biologicznej umożliwiającej zainicjowanie ciągu zdarzeń prowadzących do odpowiedzi fizjologicznej. Receptory hormonów są wbudowane w błonę komórkową, najczęściej po jej zewnętrznej stronie, bądź też znajdują się we wnętrzu komórki. W tym ostatnim przypadku związanie hormonu z receptorem musi być poprzedzone przemieszczeniem się hormonu (transportem) do wnętrza komórki lub do jednego z jej przedziałów (np. jądra). Receptory auksyn (ABP, awcin binding proteins) znajdują się w plazmolemie, ale także w siateczce śródplazmatycznej. ABP są białkami o masie około 40 kDa, o bardzo podobnej budowie, różniącymi się jednak wrażliwością na hormon. Receptory giberelin, białka o masie około 70 kDa, występują na zewnętrznej stronie błony komórkowej. Natomiast receptor etylenu jest białkiem transbłonowym zbudowanym z dwóch identycznych podjednostek o masie 79 kDa każda. Zewnątrzbłonowy fragment tego białka wiąże etylen, natomiast wewnątrzkomórkowa część cząsteczki uczestniczy w dalszym przekazywaniu sygnału. Podobną budowę mają mniej dokładnie zbadane receptory cytokinin i brasinosteroidów.

1 2 6 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

3.1.3.2. Regulacja przez czynniki środowiskowe Wśród czynników środowiskowych, podobnie jak w przypadku czynników endogennych, wyróżnić można czynniki wpływające na wzrost i rozwój rośliny w drodze troficznej oraz na takie, których jedyną funkcją jest oddziaływanie regulacyjne. Dostępność wody jest jednym z najważniejszych czynników środowiskowych odgrywających rolę zarówno czynnika troficznego, jak i regulacyjną (patrz rozdz. 2.1). Również światło pełni podwójną funkcję; jest czynnikiem troficznym, warunkując przebieg fotosyntezy, zapewniając roślinie dostarczanie energii i wielu metabolitów (patrz rozdz. 2.3). Z drugiej strony warunki świetlne kontrolują intensywność i kierunek wzrostu oraz wiele procesów metabolicznych, a także różnicowania komórek i tkanek - niezależnie od fotosyntezy. Cechy, które różnią rośliny rozwijające się na świetle od roślin rosnących w ciemności, nazywamy fotomorfozami. Całość procesów wzrostu i rozwoju roślin indukowanych przez światło niezależnie od fotosyntezy nazywamy fotomorfogenezą. Warunki świetlne, podobnie jak temperatura środowiska, w którym żyje roślina, zmieniają się w cyklu dobowym i rocznym. Natomiast pole grawitacyjne i magnetyczne oddziałuje w sposób ciągły. Inne czynniki środowiskowe mogą wpływać na wzrost i rozwój roślin okazjonalnie. Należą tutaj inne czynniki abiotyczne, jak okresowy brak lub nadmiar wody (susza lub powódź), a przede wszystkim czynniki biotyczne: obecność pasożytów, infekcje bakteryjne, wirusowe i grzybowe, roślinożercy, obecność innych roślin, a także zanieczyszczenia przemysłowe i inne. Ponadto efekt określonego czynnika środowiskowego może być różny zależnie od organu oraz odmienny w różnych fazach rozwojowych. Stąd w cyklu rozwojowym mogą pojawiać się okresy szczególnej wrażliwości na ten czynnik (lub jego brak) - okresy krytyczne. 3.1.3.2.1.

Morfogenetyczne

oddziaływanie

światła

Fotomorfogenezą jest to całość procesów rozwojowych, fizjologicznych i metabolicznych, które są indukowane przez światło niezależnie od fotosyntezy. Długość dobowego okresu świetlnego jest różna w różnych szerokościach geograficz«t nych i zmienia się w cyklu rocznym. Światło słoneczne osiągając powierzchnię Ziemi zmienia ponadto swój skład widmowy zależnie od pory roku i dnia. Zależy to głównie od długości drogi optycznej światła w atmosferze ziemskiej, w której składniki gazowe (N2, 0 2 i C0 2 ) absorbują przede wszystkim promieniowanie nadfioletowe i w znacznym stopniu niebieskie, natomiast pyły pochłaniają promieniowanie krótkofalowe. Toteż o świcie i o zmroku światło słoneczne jest znaczne bogatsze w czerwone składniki widma niż w niebieskie. Na skład widmowy światła docierającego do powierzchni liści wpływa również sąsiedztwo innych roślin; okrywa liści (baldachim lub okap roślinny) przepuszcza do roślin najniższego piętra głównie światło dalekiej czerwieni. Aby światło mogło wywrzeć efekt morfogenetyczny, musi zostać zaabsorbowane przez roślinę. W roślinach występują receptory promieniowania czynnego morfo-

3.1. M e c h a n i z m y wzrostu i rozwoju roślin • 123

genetycznie, podobnie jak omówione receptory hormonów (patrz rozdz. 3.1.3.1.2 Receptory te uczestniczą w indukcji odpowiedzi roślin na różną barwę światła i n zmieniającą się długość czasu naświetlenia w cyklu dobowym. Receptory bodźc świetlnego czynnego morfogenetycznie są chromoproteinami - białkami związanyn / cząsteczką barwnika. Różnią się one od barwników uczestniczących w fotosyntezi (patrz rozdz. 2.3) zarówno budową i funkcją biologiczną, jak długością fali świetlne którą są zdolne absorbować, a także stężeniem; zawartość w komórkach barwnikó\ czynnych fotomorfogenetycznie jest kilka rzędów wielkości mniejsza od zawartość chlorofili i innych barwników uczestniczących w fotosyntezie. Receptory promieniowania

długofalowego

-

fitochromy

Najwcześniej odkrytym i najlepiej poznanym receptorem światła czynnego morfoge nctycznie jest fitochrom, a właściwie rodzina kilku fitochromów. Obecność tyci barwników stwierdzono w komórkach wszystkich roślin. Fitochromy uczestnicz, w indukcji i regulacji wzrostu, kiełkowania nasion, deetiolacji - zieleniania się ni świetle roślin etiolowanych, wyrosłych w ciemności (wypłonionych), a także kwitnie nia i wielu innych procesów rozwojowych. Fitochrom jest dimeryczną chromoproteiną, której identyczne polipeptydowc podjednostki o masie 121-129 kDa łączą się końcami C za pomocą labilnych wiązań jonowych i hydrofobowych, a w pobliżu końca N każdej podjednostki jest przyuczona do reszty cysteinowej grupa chromoforowa. Poszczególne fitochromy różnią się nieco strukturą części peptydowej, natomiast część chromoforowa jest identyczna u wszystkich członków tej rodziny. Chromoforem tym jest tetrapirolowy barwnik filochromobilina, której budowę przedstawiono na rysunku 3.6. biatko -cysteinaCOOH

HOOC

I

H2C \ H,C

CH?

I

CHO /

HpC \

CHT

I.

/

H

/CH2

>

• C ^ N ^ O H

H

Hy». 3.6. Budowa chromoforu fitochromu. Chromofor wiąże się z resztą cysteinową biatka

Fitochrom występuje (i funkcjonuje) w dwóch formach molekularnych różniących NIĘ własnościami spektralnymi: P r wykazuje maksymalną absorpcję światła w zakreNIC czerwieni (r, red, Xmax = 660 nm), natomiast P f r - w zakresie dalekiej czerwieni (fr, fur red, Xm.M = 730 nm). Naświetlenie rośliny lub izolowanego fitochromu światłem o odpowiedniej długości fali powoduje przejście jednej formy w drugą: 660 n m

P r

r




730 nm

P

r

fr

1 2 8 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

Pr

Pfr

Rys. 3.7. Budowa dimerycznej cząsteczki fitochromu przedstawiająca strukturalne zmiany podczas fotokonwers|l Owalne pola - domeny białkowe, czarny prostokąt - grupa chromoforowa

Proces ten nazywa się fotokonwersją. W czasie fotokonwersji następują zmiany w przestrzennej strukturze chromoforu, czego wynikiem są zmiany konformacji peptydowego składnika fotoreceptora. Zmiany te ilustruje rysunek 3.7. Naświetlenie roślin światłem czerwonym lub daleką czerwienią powoduje ustalenie się stanu równowagi między obiema formami fitochromu (stanu fotostacjonarnego) z przewagą odpowiednio Pfr lub Pr. Stan fotostacjonarny fitochromu ustala się również w wyniku naświetlania światłem niemonochromatycznym (np. światłem białym). Udział obu form fitochromu zależy wtedy od stosunku w widmie świetlnym intensywności promieniowania czerwonego do dalekiej czerwieni. Przyjmuje się, że P fr jest aktywną formą fitochromu. U rosnących w ciemności roślin etiolowanych (wypłonionych), po naświetleniu błyskiem światła czerwonego zostaje zahamowany wzrost międzywęźli i pojawiają się zielone, rosnące liście (rys. 3.8). Jeśli po błysku czerwieni naświetlić roślinę światłem dalekiej czerwieni, to objawów tych brak i roślina pozostaje etiolowana. Podobną odwracalność efektó światła czerwonego i dalekiej czerwieni obserwuje się np. podczas kiełkowania nasion wrażliwych na światło (fotoblastycznych) i podczas innych procesów regulowa« nych z udziałem fitochromu (tab. 3.1). Tabela 3.1. Fotoodwracalność kiełkowania nasion sałaty (odm. Grand Rapids). R - 1,5 min naświetlanie światłem czerwonym (X 640-680 nm), FR - 4 min naświetlanie daleką czerwienią (>. > 710 nm) Kolejność naświetlania Ciemność R FR R, FR R, FR, R R, FR, R, FR R, FR, R, FR, R R, FR, R, FR, R, FR R, FR, R, FR, R, FR, R

% kiełkowania 4 98 3 2 97 0 95 1 98

3.1. M e c h a n i z m y wzrostu i rozwoju roślin • 125

Mys. 3.8. Młoda roślina ziemniaka, która wyrosta w ciemności (po lewej) i na świetle (po prawej). Cyframi oznaczoi ki)ln|ne międzywęźla. U roślin hodowanych w ciemności (etiolowanych) obserwuje się wydłużone międzywęźla, zr ilukowaną powierzchnię liści i brak chlorofilu

Jak już wspomniano, fitochromy tworzą kilkuczłonową grupę barwników. Są one kodt wane przez rodzinę genów i, nie różniąc się właściwościami spektralnymi, różnią się funl cją fizjologiczną. Fitochrom A, występujący w stosunkowo największych ilościach, je syntetyzowany w formie Pr. Po naświetleniu światłem czerwonym (lub światłem biały zawierającym niewielką składową podczerwieni) fitochrom A ulega fotokonwersji do al lywnej formy Ptr w wystarczającym stopniu, aby powstały stan fotostacjonarny zainicjow ciąg zdarzeń prowadzący do indukcji procesu fizjologicznego (np. deetiolacji). PlrA ulej na świetle dość szybkiej degradacji, tracąc aktywność. Toteż zyskał on miano fitochrom labilnego. Pozostałe fitochromy, których np. u Arabidopsis thaliana wykryto 4, występu w roślinach w ilościach kilkadziesiąt razy mniejszych niż fitochrom A i są trwałe na świ< tle. Stanowią one populację fitochromu stabilnego.

Receptory promieniowania

krótkofalowego

Daleki nadfiolet ( U V - B , X 280-320 n m ) i nadfiolet bliski ( U V - A , X 320-400 nm II także światło niebieskie (X < 400 n m ) m o ż e p o w o d o w a ć w roślinach wiele odpowii dzi morfogenetycznych, takich jak z a h a m o w a n i e wzrostu i podziałów k o m ó r e k , d< ctiolację, ruchy fototropiczne, indukcję kwitnienia, indukcję syntezy barwników (n imtocyjanin), zmniejszenie t e m p a fotosyntezy, a także wywierać na rośliny wpływ di

1 3 0 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

strukcyjny. Fotoreceptorami absorbującymi promieniowanie w tym zakresie są barwniki kryptochromy i fototropina. Są to chromoproteiny, w których łańcuch polipeptydowy połączony jest z chromoforem flawinowym, przy czym w kryptochromach jest nim dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD), a w fototropinie - mononukleotyd flawinowy (FMN). Cząsteczki kryptochromów zawierają drugi barwnik, pterynę, działającą jako antena zbierająca elektrony. Pod wpływem światła nadfioletowego (UV-A i IJV-I3) oraz światła niebieskiego chromofory flawinowe odpowiednich receptorów przechodzą w formę aktywną, która inicjuje serię zdarzeń prowadzącą do odpowiedzi fizjologicznej. Zaktywowane światłem fotoreceptory przechodzą w ciemności w formę nieaktywną. W większości procesów indukowanych przez światło niebieskie i nadfioletowe uczestniczą kryptochromy. Wyjątkiem są tutaj ruchy fototropiczne, w których funkcję fotoreceptora pełni fototropina. Poza reagowaniem na barwę światła większość roślin rozpoznaje również względną długość okresów oświetlenia i ciemności w cyklu dobowym. Jest to strategia przystosowania się do życia w strefach geograficznych o określonym następstwie pór roku. Zjawisko to nazywa się fotoperiodyzmem i wyraża się indukcją zakwitania różnych roślin o różnych porach roku (patrz rozdz. 3.4.3.1), a także zapadaniem w stan spoczynku, wytwarzaniem bulw i kłączy, krzewieniem się, opadaniem liści itp. Wyróżnia się kilka grup roślin ze względu na ich odpowiedź na zmiany długości okresu świetlnego w cyklu dobowym: • rośliny dnia krótkiego (SDP, short day plants), u których indukcja fotoperiodyczna zachodzi, gdy w cyklu dobowym długość fazy ciemnej (nocy) przekracza wartość krytyczną dla danej rośliny; zwykle wartość ta jest większa niż 12 godzin. • rośliny dnia długiego (LDP, long day plants), u których indukcja fotoperiodyczna następuje, gdy długość okresu świetlnego (dnia) przekracza wartość krytyczną; zwykle powyżej 12 godzin. • rośliny dnia krótkiego-długiego (SLDP) oraz długiego-krótkiego (LSDP), u których indukcja fotoperiodyczna wymaga dnia krótkiego i długiego w odpowiedniej kolejności. • rośliny obojętne fotoperiodycznie (DNP, day neutral plants), nie reagujące na zmiany długości dnia.

3.1.3.2.2. Wpływ temperatury Temperatura środowiska, w którym rośnie i rozwija się roślina, zmienia się w cyklu rocznym (pory roku) oraz w cyklu dobowym (dzień-noc). Temperatura w ciągu dnia zależy także od naświetlenia (pochmurne lub pogodne niebo), wiatru, opadów, zagęszczenia roślin i innych czynników środowiska. Roślina ma pewne, ale ograniczone możliwości regulacji własnej temperatury; zwiększona transpiracja (patrz rozdz. 2.1.3.1) jest jednym z mechanizmów obniżania temperatury liści. Innym sposobem unikania przegrzania jest ustawianie się liści równolegle do kierunku promieni słonecznych, co zmniejsza powierzchnię absorbującą ciepło. U niektórych roślin wytworzyła się zdolność intensywnego przekształcania energii metabolicznej w ciepło w pewnych okresach rozwoju (kwitnienie Araceae) - termogeneza (poatrz rozdz. 2.4.4.2).

3.1. Mechanizmy wzrostu i rozwoju roślin • 1 3 1

Zmiany temperatury w znaczącym stopniu wpływają na szybkość procesów metabolicznych, a tym samym na szybkość wzrostu. Szybkość ta, w pewnych granicach temperatury, podwaja się, gdy temperatura wzrasta o 10°C, zgodnie z regułą van't lloffa. Poza wpływem na metabolizm temperatura otoczenia oddziałuje na rośliny lako bodziec morfogenetyczny. Równolegle do bodźca świetlnego ekspozycja wielu i ośliń na niską temperaturę (5-10°C) warunkuje lub przyspiesza ich kwitnienie, działając termoindukcyjnie (wernalizacja, patrz rozdz. 3.4.3.2), a także powoduje ustąpienie spoczynku pąków i nasion. Zarówno wpływ temperatury otoczenia na szybkość procesów metabolicznych u różnych roślin, jak i działanie termoindukcyjne są wyrazem przystosowania się tych toślin do warunków stref klimatycznych, z których pochodzą. Większość roślin strefy umiarkowanej wykazuje optimum wzrostu w zakresie 20-30°C. Natomiast dla roślin wysokogórskich i podbiegunowych nie przekracza ono 10°C, a rozwój ich może się odbywać nawet w temperaturze poniżej 0°.

i. 1.3.2.3. Wpływ pola grawitacyjnego Pole grawitacyjne (przyspieszenie g = 9,81 m • s~2) oddziałuje na rośliny w sposób ciągły, wpływając na kierunek i szybkość wzrostu. Poszczególne organy, tkanki, a nawet komórki wykazują różną wrażliwość na zmiany kierunku i siły pola grawitacyjnego. Najczęściej obserwowaną odpowiedzią roślin na bodziec grawitacyjny jest zmiana kierunku wzrostu prowadząca do wygięcia korzenia lub pędu (patrz rozdz. 3.6.2), toteż zjawisko to nazywamy geotropizmem (lub grawitropizmem). Niemniej używany jest równolegle s/erszy termin grawimorfizm, obejmujący wszystkie odpowiedzi na ten bodziec. Receptorem pola grawitacyjnego w roślinach są struktury wewnątrzkomórkowe, statolity, mające gęstość większą niż cytoplazma. Są one zbudowane z ziaren siarczanu baru (niektóre glony), węglanu wapnia lub skrobi (najczęściej w roślinach wyższych). Komórki zawierające statolity (statocysty) znajdują się w czapeczce korzeniowej, podwierzchołkowych regionach pędów, a u glonów w szczytowej części ryzoidów. Podczas zmian położenia statocysty w stosunku do kierunku działania pola grawitacyjnego statolity przemieszczają się, naciskając na struktury położone w pobliżu błony komórkowej (np. kanały retikulum endoplazamatycznego) i inicjując ciąg zdarzeń prowadzący do zmiany szybkości wzrostu.

3.1.4. Przekazywanie sygnału Zarówno czynniki wewnętrzne (rozdz. 3.1.3.1), jak i czynniki środowiskowe (rozdz. 3.1.3.2) stanowią bodźce, które zawierając informacje pełnią funkcje sygnałowe. Roślina odbiera te sygnały za pomocą receptorów, które znajdują się bądź w błonie komórkowej, bądź też wewnątrz komórki. W tym drugim przypadku aktywacja receptora wymaga wniknięcia bodźca do wnętrza komórki i (często) do jednego z jej przedziałów (np. jądra). Przeniesienie informacji zawartej w bodźcu do miejsca (układu) uczestniczącego bezpośrednio w inicjacji procesu (zjawiska) fizjologicznego /uchodzi za pośrednictwem szeregu wtórnych przekaźników, co stanowi łańcuch przekazywania sygnału.

1 3 2 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

Receptor błonowy może być związany z białkowym kanałem jonowym znajdującym się w tej samej błonie. Aktywacja receptora przez przyłączenie cząsteczki Uganda (regulatora, np. hormonu) powoduje zmiany w konformacji białka kanału prowadzące do zwiększenia przelotowości kanału lub też do jego zamknięcia. W innych przypadkach receptor wykazuje aktywność enzymatyczną, która ulega zmianie po związaniu z ligandem. Zaktywowany receptor ma najczęściej aktywność kinazy białkowej, która katalizuje fosforylację białka docelowego, stanowiącego kolejne ogniwo łańcucha przekazywania sygnału. Trzecim sposobem inicjacji takiego łańcucha jest oddziaływanie kompleksu ligand-receptor na sąsiadujące w błonie białko wiążące (JOP (białko G). W wyniku tego oddziaływania z trimerycznego białka G odłącza się jedna z podjednostek (G a ) niosąca resztę GTP, która powstaje z GDP. Kompleks ( i T P - G n z kolei aktywuje enzymy uczestniczące w syntezach wtórnych przekaźników informacji.

3.1.4.1. Wtórne przekaźniki informacji Wtórnymi przekaźnikami informacji w komórce są aktywne substancje powstające w wyniku aktywacji receptora przez bodziec (np. światło, zmiana temperatury lub dostępności wody, hormon lub inny regulator, ale także atak patogena). Fosfatydyloinozytol (PI, phosphatidylinositol), który jest składnikiem błon komórkowych (rozdz. 2.3.6.2), przekształca się w wyniku działania szeregu kinaz aktywowanych przez GTP-G a kolejno w fosfatydyloinozytolo-4-fosforan (PIP), a następnie w fosfatydyloinozytolo-4,5-bisfosforan (PIP 2 ). Ten ostatni związek, ulegając hydrolizie przez fosfolipazę C, przekształca się w inozytolo-l,4,5-trisfosforan (IP 3 ) oraz 1,2-diacyloglicerol (DAG). Oba te związki są aktywnymi wtórnymi przekaźnikami informacji (rys. 3.9). DAG, pozostając związany z błoną, pełni funkcję aktywatora enzymu kinazy białkowej C, natomiast rozpuszczalny IP 3 uczestniczy w regulacji stężenia jonów wapnia, które odgrywają także rolę wtórnego przekaźnika. W cytozolu stężenie wapnia jest bardzo małe (200-300 nmol • 1_1) i utrzymuje się na tym poziomie w wyniku stałego pompowania Ca 2+ przez pompy wapniowe na zewnątrz komórki (do apoplastu), do wakuoli i do cystern retikulum endoplazmatycznego, które pełnią rolę magazynów jonów wapnia. W błonie komórkowej i błonach retikulum znajduH2C — R

H 2 C—R

I

I

HC — R ,

HC — R , H2C — O — ( ? ) /

/ OH

fosfatydyloinozytolo-4,5-bisfosforan (PIP2)

H2C—o fosfolipaza C

diacyloglicerol (DAG)

inozytolo-1,4,5-trisfosforan (•Pa)

Rys. 3.9. Lipidy inozytolowe biorą udział w przekazywaniu informacji w komórce, R, R, - reszty kwasów tłuszczowych

3.1. M e c h a n i z m y wzrostu i rozwoju roślin • 1 3 3

ją się receptory IP3, które po związaniu się z inozytolotrisfosforanem (IP 3 ) umożliwiają uwalnianie jonów Ca 2+ do cytozolu i znaczne, aczkolwiek przejściowe, zwiększenie ich stężenia. Odpowiednio duże stężenie tego kationu (rzędu 1 |imol • 1~') powoduje aktywację białek wiążących Ca 2+ .

Wśród białek wiążących jony wapnia (i aktywowanych w ten sposób) najważniejsza jest kalmodulina. Aktywowana kalmodulina nie wykazuje aktywności enzymatycznej, natomiast ma zdolność wiązania się z wieloma docelowymi białkami enzymatycznymi, modulując lub wręcz warunkując ich aktywność. Należą tutaj niektóre enzymy metabolizmu nukleotydów (fosfodiesterazy i cyklazy), kinazy i fosfatazy białkowe, enzymy /wiązane z transportem jonów Ca 2+ , a także niektóre białka cytoszkieletu. Do wtórnych przenośników informacji należą także cykliczne nukleotydy (cAMP i cGMP), które powstają z ATP i GTP pod działaniem cyklaz aktywowanych przez kompleks Ca-kalmodulina.

3.1.4.2. Szlaki przenoszenia informacji Zarówno wymienione, jak i inne wtórne przenośniki informacji uczestniczą w łańcuchach przekazywania (transduction) sygnałów przyjętych przez receptory. Różne szlaki

kanały jonowe WZROST

cytoszkielet

ROZWÓJ

Rys. 3.10. Niektóre z poznanych zależności w sieci przekazywania sygnatu u roślin (Wg: Buchanan, Gruissem i Jones 2000. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. Courier Comp., zmodyfikowane)

1 3 4 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

współdziałają ze sobą w komórce, tworząc sieć i n f o r m a c y j n ą , której docelowym elementem jest regulacja ekspresji genów uczestniczących w poszczególnych procesach metabolicznych i zjawiskach fizjologicznych. Główną rolę odgrywa tutaj fosforylacja i defosforylacja specyficznych białek. Wtórne przekaźniki informacji uczestniczą w modulacji aktywności kinaz i fosfataz białkowych, enzymów katalizujących fosforylację i defosforylację białek, których aktywność zależy od stopnia ufosforylowania. W komórce roślinnej występuje około 1000 różnych kinaz białkowych. Rozróżniają one białka, które po ufosforylowaniu uczestniczą w regulacji metabolizmu i wzrostu komórek, a także (przede wszystkim) w procesie przekazywania informacji. Na uwagę zasługuje tutaj grupa kinaz białkowych zwanych MAPK (mitogen activated protein kinases). Kodowane przez około 20 genów białka tworzą kaskadę enzymatyczną: ufosforylowanie jednego enzymu nadaje mu aktywność specyficznej autofosforylującej kinazy, która po przyłączeniu reszty fosforanowej do kolejnej kinazy nadaje jej właściwości katalityczne, w tym zdolności do autofosforylacji. Tak więc kinaza MAPKKK działa na MAPKK, a ta następnie na MAPK. Proces ten prowadzi do powstania serii enzymów o różnej specyficzności, pełniących kolejne zadania związane z przekazywaniem sygnałów.

Rysunek 3.10 przedstawia schematycznie sieć przekazywania informacji w komórce.

3.2. Kiełkowanie nasion Ontogeneza rośliny rozpoczyna się od powstania zygoty. Niemniej przyjmuje się, że początkiem rozwoju jest kiełkowanie nasienia. Przyczyn takiego poglądu należy szukać w tym, że a) od nasienia (a nie od zygoty) rozpoczyna się niezależny byt nowego pokolenia, b) nasiona są podstawowymi jednostkami dyspersyjnymi, uczestnicząc w zasiedlaniu przez rośliny terenów nieraz odległych od rośliny macierzystej, oraz że c) nasiona są zarówno środkiem produkcji (nasiona siewne), jak i jej celem. Nasiona są główną formą plonu rolniczego, stanowiąc podstawę żywienia człowieka i zwierząt.

Fizjologiczna definicja kiełkowania nasion brzmi: kiełkowanie jest zespołem procesów zachodzących w nasieniu, których wynikiem jest aktywacja zarodka prowadząca do inicjacji wzrostu siewki.

Rolnicza definicja kiełkowania idzie dalej i brzmi: kiełkowanie jest zespołem procesów zachodzących w nasieniu, w wyniku których powstaje normalna, zdrowa roślina. Niekiedy definicja ta idzie jeszcze dalej i wynikiem (końcem) kiełkowania jest według niej powstanie samożywnej (fotosyntetyzującej) rośliny. W myśl obu definicji kiełkowanie rozpoczyna się inicjacją procesów metabolicznych, natomiast kończy się dla fizjologów, gdy rozpoczyna się wzrost kiełka, a dla rolników - gdy rozwinie się siewka.

3.2. Kiełkowanie nasion • 1 3 5

3.2.1. Nasienie Nasienie składa się z trzech zasadniczych części funkcjonalnych: z zarodka, tkanki spichrzowej i łupiny nasiennej. W strukturze anatomicznej nasienia wyróżnia się, obok zarodka i łupiny, bielmo (endospermę) i obielmo (peryspermę). Budowę niektórych nasion przedstawiają rysunki rys. 3.11 oraz 1.25. Tylko zarodek powstający z zygoty zawiera materiał g e n e t y c z n y obojga rodziców, który b ę d z i e przekazywany d o wszystkich k o m ó r e k somatycznych p o d c z a s o n t o g e n e z y rośliny. Triploidalne b i e l m o powstaje w wyniku p o ł ą c z e n i a się w t ó r n e g o jądra w o r e c z k a z a r o d k o w e g o z inną k o m ó r k ą p l e m n i k o w ą ( p o d w ó j n e z a p ł o d n i e n i e ) , toteż g e n e t y c z n i e nie jest identyczne z z a r o d k i e m . Łupina n a s i e n n a powstaje z o s ł o n e k zalążka i jej materiał g e n e tyczny jest wyłącznie p o c h o d z e n i a macierzystego.

Najważniejszą częścią nasienia jest zarodek, z którego rozwija się cała roślina. Wyróżniamy w nim zawiązek pędu (plumula), zaczątek części nadziemnej - hipokotyl i epikotyl (odpowiednio część podliścieniowa i nadliścieniowa) i zawiązek korzenia (korzeń zarodkowy), co określa się terminem oś zarodkowa. Ponadto częścią zarodka jest jeden lub więcej liścieni (pierwsze liście zarodkowe). Funkcję organu spichrzowego pełnią liścienie (najczęstszy przypadek u dwuliściennych) lub bielmo (trawy) albo obielmo. Natomiast rola łupiny nasiennej to głównie ochrona nasienia przed uszkodzeniami mechanicznymi i patogenami, a także izolacja od środowiska i regulacja wymiany wody i gazów między nasieniem a otoczeniem. A Fasola

B Sałata (nietupka - owoc)

łupina nasienna

okrywa owocu

korzeń pierwsze liście

zarodek

koleoryza Rys. 3.11. Budowa niektórych nnalon. Kolorem szarym zaznaczono tkankt spichrzowe

1 3 6 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

O właściwościach fizjologicznych nasienia, poza cechami anatomicznymi, decyduje w znacznym stopniu skład substancji zapasowych gromadzonych w tkankach spichrzowych. Kiełkujące nasienie, a także siewka przed osiągnięciem zdolności do fotosyntezy - to organizm heterotroficzny; materiały do budowy nowych tkanek i energię metaboliczną czerpie z rezerw wyprodukowanych przez inny organizm roślinę macierzystą. Nasiona mączyste gromadzą skrobię jako główny materiał zapasowy. Natomiast podstawowym materiałem zapasowym nasion oleistych są lipidy. Zarówno nasiona mączyste jak i oleiste mają duże znaczenie ekonomiczne, stanowiąc źródło węglowodanów i tłuszczów do celów spożywczych i przemysłowych. Nasiona stosunkowo nielicznych gatunków gromadzą oprócz lipidów znaczne ilości białek. W nasionach mączystych zawartość białek jest z reguły mniejsza iż w nasionach oleistych. Poza wymienionymi głównymi substancjami zapasowymi nasiona wielu roślin są źródłem licznych substancji zarówno ważnych dla rozwijającej się później rośliny, jak i cennych z punktu widzenia żywieniowego i przemysłowego. Przykładami mogą być: fityna - sól magnezowo-wapniowo-potasowa polifosforanu inozytolu, która odgrywa rolę rezerwy organicznego fosforanu i jonów Ca 2 + , Mg 2 + i K + , oraz białka zapasowe zawierające a m i n o kwasy egzogenne, które są niezbędnie w naszej diecie, ponieważ nie są syntetyzowane w organizmie człowieka i zwierząt hodowlanych.

Około 90% gatunków roślin wytwarza nasiona oleiste, jednakże wśród nasion użytkowych wyraźnie przeważają nasiona mączyste. Tłuszcze są najbardziej wartościowym materiałem jako substrat energetyczny (mają najmniejszą wartość współczynnika RO - patrz rozdz. 2.4.1), natomiast włączenie cukrowców i białek do szlaków metabolicznych wymaga uruchomienia znacznie mniej skomplikowanego aparatu enzymatycznego. Nasiona tych dwóch grup wykorzystują rezerwy podczas kiełkowania według różnych strategii umożliwiających zachowanie żywotności i zwiększających szanse powstania z nich zdrowych roślin.

3.2.2. Kiełkowanie Podczas ostatnich etapów embriogenezy większość nasion ulega daleko posuniętemu odwodnieniu; zawartość wody maleje w nich do kilku procent (patrz rozdz. 2.1.1). Ten fakt, wraz gromadzeniem się w nasieniu substancji hamujących kiełkowanie (kwas abscysynowy, inhibitory fenolowe), stanowi główny mechanizm zapobiegający kiełkowaniu nasion w owocu lub w środowisku ubogim w wodę. Inne mechanizmy pełniące podobną funkcję to różne rodzaje spoczynku wielu nasion (patrz rozdz. 3.1.1). Dojrzałe nasienie nie jest zdolne do natychmiastowego kiełkowania, bo znajduje się w stanie spoczynku narzuconego przez brak wody i głębokiego - powodowanego przez mechanizmy wewnętrzne. Nasiona niektórych gatunków nie ulegają w czasie dojrzewania tak daleko posuniętemu odwodnieniu - zawartość wody nie maleje w nich poniżej 20%. Dalsze o d w o d n i e n i e powoduje zamieranie zarodka. Wiele drzew naszego klimatu wytwarza takie nasiona nieznoszące dehydratacji (ang. recalcitrant seeds). Należy tutaj np. dąb, orzech wioski, leszczyna, wierzba, a ponadto wiele roślin klimatu tropikalnego.

3.2. Kiełkowanie nasion • 1 3 7

Kiełkowanie rozpoczyna się, gdy nasienie znajdzie się w warunkach umożliwiających pęcznienie, czyli pobieranie wody (imbibicja). Niski potencjał wody w suchym nasieniu powoduje powstanie podczas pęcznienia ciśnienia imbibicyjnego o wartości do 100 MPa. Podczas pęcznienia ustępuje spoczynek narzucony i rozpoczynają się procesy ustępowania spoczynku głębokiego. O ile ustępowanie spoczynku narzuconego trwa do kilku dni, o tyle eliminacja spoczynku głębokiego może trwać kilka miesięcy i wymagać spełnienia dodatkowych warunków. Na przykład nasiona wielu drzew owocowych z rodziny Rosaceae muszą, aby wykiełkowały, przebywać w stanie napęczniałym w temperaturze 5-10°C przez kilka do kilkunastu tygodni. Natomiast spoczynek głęboki nasion (ziarniaków) wielu traw ustępuje w wyniku przechowywania ich przez podobny czas w stanie suchym (przed imbibicją). Pierwszym makroskopowym objawem zakończonego kiełkowania jest przebicie się przez tkanki okrywające i pojawienie się korzenia zarodkowego, co jest wynikiem wzrostu. Podobnie jak wszystkie procesy fizjologiczne, również kiełkowanie zależy od czynników środowiskowych. Optymalna temperatura kiełkowania na ogół jest niższa niż optymalna temperatura wzrostu i różni się u roślin różnych stref klimatycznych. Dla roślin klimatu chłodnego (np. nasion grochu lub wyki) mieści się w granicach l-5°C, dla ryżu i tytoniu - około 10°C, a dla roślin klimatu ciepłego (np. melona) I6-19°C. Kiełkowanie większości nasion zależy także od warunków naświetlenia. Rośliny takie nazywamy fotoblastycznymi i rozróżniamy fotoblastię dodatnią - gdy światło stymuluje kiełkowanie, i fotoblastię ujemną - gdy naświetlenie wywiera wpływ hamujący. Na kiełkowanie wpływa również stężenie tlenu w środowisku. Obecność O, jest niezbędna do kiełkowania wszystkich nasion, niemniej nasiona różnych gatunków reagują rozmaicie na zmniejszenie stężenia tego gazu poniżej 21%. Natomiast znaczne stężenie C02 (powyżej 15%) z reguły hamuje kiełkowanie.

3.2.3. Procesy zachodzące podczas kiełkowania W przebiegu kiełkowania wyróżnia się trzy zasadnicze fazy, określane jako faza imhibicji, faza kataboliczna i faza anaboliczna, ze względu na charakter procesów metabolicznych dominujących w każdej z tych faz. Faza imbibicji charakteryzuje się gwałtownym wzrostem oddychania, równolegle do pobierania wody. W początkowym okresie oddychania beztlenowego następuje uruchamianie mitochondrialnego aparatu enzymatycznego (dojrzewanie mitochondriów) i oddychanie beztlenowe zostaje zastąpione przez oddychanie tlenowe. Substratem oddychania w tym okresie są monosacharydy występujące we wszystkich nasionach w ograniczonej ilości. Również w tej fazie następuje aktywacja innych enzymów, w pierwszej kolejności - enzymów hydrolizujących polisacharydy ścian i polisacharydy zapasowe (głównie skrobię). W fazie katabolicznej zostaje uruchomiona hydroliza i degradacja wszystkich pozostałych wielkocząsteczkowych materiałów zapasowych, tzn. tłuszczów i białek. Procesy te są kontynuowane przez cały czas kiełkowania, niekiedy także we wczesnych etapach rozwoju siewek, ale dominują w fazie katabolicznej. W ostatniej fazie kiełkowania anabolicznej, gdy uruchomiona jest większość procesów metabolicznych, dominują syntezy białek i innych metabolitów niezbędnych do inicjacji wzrostu.

1 3 8 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

Przemiany, o których wspomniano, wymagają pojawienia się określonych aktywności enzymatycznych we właściwej kolejności i we właściwym miejscu (tkance, komórce lub przedziale komórkowym). Niektóre białka enzymatyczne uczestniczące w procesach warunkujących kiełkowanie są syntetyzowane podczas embriogenezy i ulegają aktywacji w wyniku uwodnienia nasienia (np. enzymy glikolizy oraz lipazy). Synteza białka (translacja i przekształcenia potranslacyjne) rozpoczyna się w kiełkujących nasionach jeszcze przed zakończeniem fazy imbibicji, zanim uaktywni się proces transkrypcji. Ulega wtedy translacji mRNA nagromadzony w dojrzewającym nasieniu, ale nieaktywny translacyjnie. Aktywacja części tego RNA jest wynikiem zmniejszenia stężenia ABA podczas imbibicji. Inna część mRNA jest aktywowana w drodze poliadenylacji. Natomiast synteza nowego mRNA rozpoczyna się w fazie katabolicznej, ()pisane tutaj przemiany zmierzające do syntezy białek specyficznych dla kiełkowania są wynikiem przełączania się w ostatnim etapie embriogenezy (dehydratacji nasienia) programu rozwojowego „embriogeneza" na program „kiełkowanie". Aktywność enzymów uczestniczących w procesach kiełkowania regulują również hormony. Giberelina powstająca w zarodku zbóż podczas imbibicji dyfunduje do warstwy aleuronowej, gdzie aktywuje aparat syntezy białka, indukując transkrypcję genu a-amylazy, enzymu hydrolizująccgo skrobię w bielmie ziarniaka. ABA hamuje ten proces. Podobnie jest indukowana synteza pozostałych enzymów hydrolitycznych. Natomiast aktywność wielu innych białek enzymatycznych, których synteza nie jest regulowana w ten sposób, stymulują (lub hamują) hormony.

Omawiane procesy metaboliczne zachodzą w różnych częściach nasienia. Toteż harmonijny przebieg kiełkowania wymaga precyzyjnego współdziałania procesów zachodzących w tkankach spichrzowych (hydroliza rezerw), osi zarodkowej (uzyskiwaBODZIEC (uwodnienie, światto, temperatura)

SYSTEM WYZWALAJĄCY UĄCYJ

OŚ ZARODKOWA

WZROST SYGNAŁ (hormon) cukry i kwasy tłuszczowe

synteza, aktywacja, sekrecja

t

amylazy lipazy proteazy

TKANKA SPICHRZOWA

celulaza i pektynaza

uwolnienie

aminokwasy

skrobia ttuszcze biatka

Rys. 3.12. Schemat współdziałania podstawowych procesów podczas kiełkowania nasion (Wg: Amen 1968. Bot. Rev.,24: 1-31, zmodyfikowane

3.3. Wegetatywny okres rozwoju • 1 3 9

nie energii, synteza białek), w ścianach komórkowych (degradacja polisacharydów). Schemat (rys. 3.12) przedstawia zależności między głównymi procesami przebiegającymi w kiełkującym nasieniu. Układ wyzwalający (rys. 3.12) stanowią receptory bodźców warunkujących rozpoczęcie kiełkowania (błony komórkowe i koloidy - hydratacja, fitochrom - światło, błony - temperatura). Percepcja bodźca powoduje powstanie sygnału (np. zwiększenie stężenia hormonu) i przekazywanie go do tkanek, gdzie rozpoczynają się procesy metaboliczne. Dotarcie sygnału do adresata (np. do tkanki spichrzowej) powoduje zwiększenie aktywności specyficznych enzymów, a produkty ich działania są transportowane do tkanek, w których są zużywane jako substraty oddechowe i do syntez. Przebieg syntezy nowych składników komórkowych z odpowiednią szybkością decyduje o aktywacji zarodka, umożliwiając jego wzrost.

3.3. Wegetatywny okres rozwoju 3.3.1. Morfogeneza organów wegetatywnych Zasadniczy zarys budowy rośliny powstaje bezpośrednio po zapłodnieniu komórki jajowej, w trakcie wczesnych podziałów zygoty i postępującego rozwoju zarodka, który to proces nosi nazwę embriogenezy (rys. 3.13). W wielkim skrócie przebieg embriogenezy rozpoczyna się podziałem zygoty na komórkę apikalną i bazalną, po czym następują podziały komórki apikalnej do stadium oktanu (ośmiu komórek ułożonych w dwóch warstwach), stadium zarodka globularnego (utworzenie warstw tkanek) oraz zarodka sercowatego (gotowa struktura z zawiązkami wszystkich elementów budujących siewkę). W zarodku sercowatym wyróżnić można uwypuklenia liścieniowe pomiędzy którymi znajduje się merystem pędowy. Środkowa część zarodka tworzy liipokotyl (część podliścieniową łodygi), zaś z dolnych warstw komórek rozwija się

merystem wierzchołkowy pędu

globularnego

sercowatego

Rys. 3.13. Embriogeneza u roślin dwuliściennych (Wg: Wolpert (red.) 1998 Principles of development. Oxford, zmodyfikowane)

Univ. Press,

1 4 0 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

wierzchołki wzrostu pędów bocznych

wierzchołki wzrostu korzeni bocznych

wzrostu korzenia głównego Rys. 3.14. Rozmieszczenie tkanek twórczych pierwotnych w wierzchołkach wzrostu korzenia i pędu

korzeń. Wyjściowa komórka bazalna daje początek kaliptrogenowi, czyli merystemowi czapeczki korzenia. Uformowany całkowicie zarodek znajduje się w nasieniu, które w sprzyjających warunkach może skiełkować (patrz rozdz. 3.2), a więc wytworzyć młodą siewkę. Kiełkowanie nasion rozpoczyna rozwój wegetatywny i młoda siewka początkowo znajduje się w okresie młodocianym (juwenilnym). W tym czasie roślina tworzy wyłącznie organy wegetatywne tj. korzenie, łodygi i liście. Jest to proces morfogenezy wegetatywnej, prowadzący do zrealizowania genetycznie zakodowanego wzorca rozwojowego gatunku, do którego dana roślina należy. Początkowy rozwój młodej siewki opiera się na podziałach komórkowych tkanek twórczych pierwotnych (patrz rozdz. 1.3) znajdujących w wierzchołkach wzrostu zarówno korzenia, jak i pędu (rys. 3.14). W korzeniu komórki inicjalne dzieląc się wytwarzają coraz to nowe partie komórek, które stopniowo oddalają się od obszaru intensywnych podziałów. Z czasem aktywność mitotyczna komórek zmniejsza się i ustaje. Komórki zaczynają się powiększać i różnicować. W ten sposób powstają kolejno wszystkie występujące w korzeniu tkanki (patrz rozdz. 1.4). Powstaje więc epiblema (skórka) ze strefą włośnikową, kora pierwotna, endoderma, okolnica (perycykl) i walec osiowy z wiązkami przewodzącymi (rys. 3.15). Korzenie boczne tworzą się z ośrodków merystematycznych istniejących w okolnicy, powyżej strefy włośnikowej. Rosnący korzeń boczny przebija oliaminy, tokoferole i sterydy oddziałują pozytywnie na kwitnienie roślin wymaganych wernalizacji. Wernalizacja wiąże się z wpływem obniżonej temperatury na przepuszczalność »łon komórkowych oraz ekspresję genów wernalizacyjnych (rys. 3.27). Niska tempeatura wpływa również na metabolizm hormonalny, zwłaszcza giberelin i cytokinin.

3.3. W e g e t a t y w n y okres rozwoju • 1 5 7 — wernalizacja

\

wierzchołek wzrostu

zmiany stanu bton komórkowych

I

przemiany metaboliczne i hormonalne

I

zmiana wrażliwości wierzchołka wzrostu

I

demetylacja genów

I

ekspresja genów kwiatowych

MORFOGENEZA KWIATU Rys. 3.27. Przebieg procesu wernalizacji

3.4.3.3. Szlaki indukcji kwitnienia Zastosowanie technik biologii molekularnej umożliwiło identyfikację, charakterystykę oraz poznanie funkcji genów związanych z indukcją kwitnienia. Badania prowadzone na mutantach Arabidopsis thaliana pozwoliły wyszczególnić cztery zasadnicze drogi czy też szlaki indukcji kwitnienia: fotoperiodyczny, wernalizacyjny, autonomiczny oraz hormonalny (rys. 3.28). U podstaw funkcjonowania wszystkich szlaków indukcji kwitnienia leży modulacja aktywności szeregu genów kwitnienia, czego skutkiem są zmiany zachodzące w ekspresji genów integratorowych, które są wspólne dla poszczególnych dróg prowadzących do zakwitania. Najistotniejsza jest kontrola transkrypcji trzech genów integratorowych: FT (.FLOWERING LOCUS T), SOC1 (SUPRESSOR OF OVEXPRESION OF COl) i LFY (.LEAFY), determinujących wzorzec różnicowania wierzchołka wzrostu. Każdy ze szlaków kontrolują zmiany aktywności genów wrażliwych na czynniki środowiskowe (światło, temperatura) lub czynniki natury endogennej (hormony, regulatory). Wśród nich wyróżnić można geny zegara okołodobowego (szlak fotoperiodyczny) czy geny o aktywności modulowanej niską temperaturą (szlak wernalizacyjny). W szlaku autonomicznym i hormonalnym (giberelinowym) działają jeszcze inne geny, przynajmniej częściowo niezależnie od pozostałych. Kontrola indukcji kwitnienia regulowana jest zarówno na poziomie zmian aktywności transkrypcyjnej genów, obróbki potranslacyjnej, jak i współdziałania ich produktów białkowych. Ekspozycja roślin na światło (szlak fotoperiodyczny) w określonej fazie rytmu okołodobowego może nie tylko indukować, ale takżehamować różnicowanie genera-

1 5 8 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

I

I geny O

białka

KWITNIENIE Rys. 3.28. Szlaki metaboliczne kontrolujące kwitnienie (zaznaczono wpływ genów na aktywność innych: strzałki stymulacja, tępo zakończone odcinki - hamowanie)

lywne, a mechanizmem, za pomocą którego światło reguluje czas kwitnienia, jest zel»ar okołodobowy. W zegarze tym można wyróżnić trzy zasadnicze elementy: 1) drogę wejścia, 2) rdzeń systemu, czyli wewnętrzny oscylator zdolny do generowania 24-goJzinnych rytmów zmian biochemicznych i rozwojowych, 3) drogę wyjścia, pozwaającą wprowadzić wygenerowany rytm do systemów wykonawczych (rys. 3.29). Do elementów drogi wejścia zalicza się fitochromy, kryptochromy i flawoproteny z rodziny Zeitlupe. W wewnętrznym oscylatorze ważną rolę odgrywają cztery cluczowe geny: LHY (JLATE ELONGATED HYPOCOTYL), CCA1 (CIRCADIAN :LOCK ASSOCIATED 1), TOC1 (TIMING OF CAB EXPRESION) oraz ELF4 EARLY FLOWERING4), które regulują nawzajem swoją ekspresję na zasadzie ijemnego sprzężenia zwrotnego. Rytmy wygenerowane w wewnętrznym oscylatorze ą przekazywane przez drogi wyjścia do systemów wykonawczych. Jednym z ważnych

3.3. W e g e t a t y w n y okres rozwoju • 1 5 9 SYGNAŁY WEJŚCIOWE środowiskowe — np. światło, temperatura

oscylator wewnętrzny

SYGNAŁY WYJŚCIOWE np. substancje sygnałowe

SYGNAŁ ZWROTNY

komórki i tkanki docelowe Rys. 3.29. Zasada funkcjonowania zegara okotodobowego

elementów drogi wyjścia, sprzęgającym zegar okołodobowy z indukcją kwitnienia, jest białko GI (GIGANTEA), pośredniczące między oscylatorem a genem CO (CONSTANS). Aktywność transkrypcyjna tego genu, a także stabilność jego produktu białkowego, znajdują się pod stałą kontrolą zegara okołodobowego. Białko CO aktywuje ekspresję genów integratorowych determinujących wzorzec różnicowania komórek merystemu wierzchołkowego (rys. 3.30). Jest zatem swoistym łącznikiem między wczesnymi elementami indukcji a kluczowymi czynnikami procesu ewokacji tworzenia kwiatu. Ekspresja genu CO zachodzi najefektywniej w komórkach liścia, zaś aktywność produktu białkowego jest największa w wiązkach przewodzących. Okazało się, że białko CO aktywuje ważny gen integratorowy FT. Miejscem pierwotnej ekspresji tego genu są wiązki przewodzące, a dokładniej komórki floemu liści oraz wierzchołka. Są to miejsca, w których dochodzi do bezpośredniej aktywacji fotoperiod

I

fotoreceptory (fitochromy, kryptochromy, białka Zeitlupe) KWITNIENIE liść

I

I geny O

białka

łodyga

Rys. 3.30. Powstawanie oraz transport sygnału kwitnieniowego (FT) w indukcji fotoperiodycznej

1 6 0 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

genu FT przez białko CO. Powstaje tam transkrypt (mRNA FT) oraz białko FT, które transportowane jest z liścia do wierzchołka wzrostu. A więc białko FT jest mobilnym sygnałem, mitycznym poszukiwanym florigenem, niosącym informację z liścia do wierzchołka wzrostu o zaistnieniu stanu indukcji kwitnienia (rys. 3.30). Zarówno w temperaturowym (wernalizacja) jak i autonomicznym (brak wpływu czynników środowiskowych) szlaku kwitnieniowym główną rolę odgrywa gen FLC (FLOWERING LOCUS C), którego produkt białkowy jest uniwersalnym represorem kwitnienia (patrz rys. 3.28). Tak więc termiczna czy autonomiczna indukcja kwitnienia polega na zahamowaniu aktywności genu FLC i utrzymaniu tego stanu przez niezbędny czas. Białko FLC stanowi zatem wspólny element szlaku wernalizacyjnego i autonomicznego, a jego głównym zadaniem jest hamowanie ekspresji genów integratorowych FT i SOC1. Wernalizacja i szlak autonomiczny, przez usunięcie białka FLC odblokowują ekspresję SOC1 i FT, czego rezultatem jest kwitnienie rośliny. Szlak hormonalny dotyczy przede wszystkim giberelin, które są aktywne w procesie fotoperiodycznej i termicznej indukcji kwitnienia. Gibereliny, jako jedyne znane fitohormony, są w stanie zastąpić działanie pozostałych szlaków indukcyjnych. Ekspresję genów związanych z tworzeniem kwiatów aktywuje szlak giberelinowy albo bezpośrednio przez aktywację genu LFY, albo pośrednio, przez pozytywną regulację genu SOC1 (patrz rys. 3.28). Istotnym elementem szlaku giberelinowego są także białka MYB. Są to czynniki transkrypcyjne, które promują aktywność genów docelowych odpowiedzi na gibereliny. Powstaje kompleks odpowiedzi giberelinowej G A R C (GA-RESPONSIVE COMPLEX).

3.4.4. Ewokacja kwitnienia i morfogeneza kwiatu W wierzchołku wzrostu w wyniku indukcji fotoperiodycznej (rośliny dnia krótkiego i długiego), termicznej (rośliny wymagające wernalizacji), naturalnego zakończenia okresu młodocianego (rośliny autonomiczne) bądź działania substancji aktywnych (gibereliny) zachodzi ewokacja kwitnienia. Ewokacja kwitnienia są to zmiany metaboliczne i strukturalne prowadzące do przekształcenia merystemu wegetatywnego w generatywny, które stanowią niezbędny etap wstępny do następującej potem morfogenezy kwiatu. Ewokacja rozpoczyna się nasileniem aktywności mitotycznej i wzrostem zawartości DNA i białek histonowych, po czym następują zmiany hormonalne i histologiczno-cytologiczne merystemu wierzchołkowego pędu (rys. 3.31). Zmiany te prowadzą do przekształcenia się wegetatywnego wierzchołka wzrostu w generatywny, który przygotowany już jest do inicjacji zawiązków kwiatowych oraz morfogenezy kwiatu. Morfogeneza kwiatu polega na rozwoju zawiązków kwiatowych w merystemach wierzchołkowych pędu. Kwiaty powstają na wierzchołku pędu głównego lub pędów bocznych, co wiąże się z zakończeniem ich wzrostu wydłużeńiowego.

3.3. W e g e t a t y w n y okres rozwoju • 1 6 1 sygnał kwitnieniowy (induktor kwitnienia)

wegetatywny wierzchołek wzrostu zwiększenie ilości RNA , DNA, biatek histonowych

< —> o < § $

fale mitoz zmiany metabolizmu i hormonalne

LU

zmiany ultrastrukturalne merystemów

I

zmiany histologiczno-cytologiczne strefy dystalnej i proksymalnej merystemu

generatywny wierzchołek wzrostu

i o

er

zmiany hormonalne

I

ekspresja genów kwiatowych inicjacja zawiązków kwiatowych

I morfogeneza kwiatu Rys. 3.31. Przebieg ewokacji (inicjacji) i dyferencjacji (różnicowania) kwitnienia

Za formowanie się określonych części kwiatu (działki kielicha, płatki korony, słupki, pręciki) w merystemach wierzchołkowych odpowiada ekspresja genów tożsamości części kwiatu, opisywana u Arabidopsis thaliana w postaci modelu ABCE (rys. 3.32). Model ten zakłada, że działki kielicha powstają na skutek aktywności genów AP1 (APETALA1) i SEP (SEPALLATA), płatki korony wymagają aktywności genów AP3 (APETALA3), PI (PISTILLATA), SEPiAPl, pręciki - aktywności genów AP3, PI, SEP i AG (AGAMOUS), słupki zaś - aktywności genów AG i SEP. Oprócz genów ważną rolę w morfogenezie kwiatu odgrywają substancje hormonalne. Auksyny stymulują rozwój słupkowia, zaś gibereliny rozwój pręcikowia. Obupłciowe rośliny ogórka zawierają więcej endogennych giberelin niż rośliny żeńskie oraz więcej auksyn niż rośliny męskie. Fitohormony modulują zatem płeć tworzących się kwiatów. Na przebieg morfogenezy kwiatu wpływają także czynniki środowiskowe. Wilgotna gleba, bogata w związki azotowe, niska temperatura, krótkie dni, tlenek węgla

1 6 2 • Fizjologia wzrostu i rozwoju PRĘCIKI

PŁATKI

stymulują rozwój słupkowia. Mala zawartość azotu w glebie, długie dni, podwyższona temperatura wpływają natomiast pozytywnie na rozwój pręcikowia. Morfogeneza kwiatu podlega więc wielopoziomowej kontroli zarówno przez czynniki wewnętrzne (geny, fitohormony) jak i środowiskowe (światło, temperatura). Czynniki te kontrolują także rozwój powstających w kwiecie nowych organów generatywnych - nasion i owoców.

3.4.5. Rozwój nasienia i owocu W kwiecie zachodzą procesy mikro- i megasprogenezy które prowadzą do powstania komórek generatywnych. Procesy te wiodą następnie do zapylenia, zapłodnienia, rozwoju zarodka i bielma oraz wykształcenia się nasienia i owocu (patrz rozdz. 1.4). W młodych i niedojrzałych nasionach zachodzą liczne procesy biochemiczne prowadzące do powiększania się zawartości suchej masy. Stopniowo maleje także zawartość wody i zwiększa się gęstość cytoplazmy. Pojawiają się duże ilości witamin i fitohormonów (auksyny, gibereliny i cytokininy). Fitohormony syntetyzowane są zarówno w zarodku jak i bielmie. Stymulują one podziały komórkowe. Rozwijające się bielmo jest bogatym źródłem giberelin, auksyn, cytokinin, poliamin i witamin. W następnej fazie dojrzewania nasion stopniowo maleje intensywność procesów metabolicznych, a także zawartość cytokinin i giberelin. W nasionach dojrzałych pojawiają się większe ilości kwasu abscysynowego i etylenu. Nasiona dojrzałe morfologicznie często nie są jeszcze zdolne do kiełkowania, przechodzą okres dojrzewania fizjologicznego (posprzętnego), ewentualnie znajdują się w okresie spoczynku. Biologiczna jakość nasion zależy od stopnia ich dojrzałości oraz od cech genetycznych rośliny macierzystej. Wraz z rozwojem nasion, u roślin okrytonasiennych zaczyna rozwijać się także owoc. W wyniku skutecznego zapylenia następuje zawiązanie owocu, które polega na zapobieganiu opadaniu wierzchołka generatywnego oraz pobudzeniu rozwoju zalifżni i dna kwiatowego. W momencie podwójnego zapłodnienia powstaje zarówno zarodek jak i bielmo oraz zachodzą intensywne podziały komórkowe w nasieniu i ota-

3.5. Starzenie się roślin • 1 6 3

czającej je zalążni. Młody owoc rozwija się dalej dzięki szybkiemu powiększaniu się objętości komórek. Decydująca rolę odgrywają w tym czasie auksyny i gibereliny. Podczas końcowych etapów wzrostu owoców zwiększa się w nich zawartość cukrów i ich pochodnych. W wykształconym w pełni owocu zachodzą procesy dojrzewania, szczególnie widoczne w owocach mięsistych. Skrobia przekształca się w cukry proste, zachodzi hydroliza substancji pektynowych oraz zmiany zabarwienia owocu wskutek rozkładu chlorofilu i pojawienia się karotenoidów, flawonoidów i antocyjanin. Dochodzi także do dużych zmian aktywności wielu enzymów. Wiążę się to z takimi procesami jak zmiękczanie tkanek, zmiana zabarwienia, tworzenie aromatu i smaku. Istotną rolę w tych procesach odgrywają także fitohormony, a zwłaszcza etylen, kwas abscysynowy, auksyny, gibereliny i cytokininy. Etylen i kwas abscysynowy przyspieszają procesy dojrzewania, natomiast gibereliny, cytokininy i auksyny proces dojrzewania opóźniają. Rozwój nasienia i owocu jest zatem złożonym ciągiem procesów metabolicznych pod kontrolą układu genetycznego i hormonalnego oraz zmieniających się warunków środowiskowych.

3.5. Starzenie się roślin 3.5.1. Charakterystyka procesów starzenia się roślin Długość życia osobniczego roślin jest bardzo zróżnicowana: od kilkunastu dni u efemeryd pustynnych do kilku tysięcy lat u niektórych drzew. Długowiecznością wyróżniają się takie drzewa jak Pinus aństata (ponad 5 tysięcy lat), Seąuoia sempervivens (ponad 3 tysiące lat), cis, cyprys, jałowiec, limba, dąb (ponad tysiąc lat). Długowieczne są także byliny rozrastające się przez rozłogi. Dochodzi niejednokrotnie u nich do zatarcia granicy między osobnikami a populacją rozwijającą się przez rozmnażanie wegetatywne. Klony Festuca rosną na niektórych stanowiskach od około tysiąca lat. Niezależnie od długości życia poszczególnych roślin w pewnym okresie dochodzi jednak do osłabienia natężenia procesów życiowych. Następuje okres starzenia się zakończony śmiercią. Rośliny wpisują się zatem w naturalny przebieg ontogenezy każdego organizmu, a przebieg ten wynika z samej istoty życia.

3.5.1.1. Zycie i śmierć roślin U roślin ścisłe zdefiniowanie starzenia się i śmierci napotyka poważne trudności. Co bowiem oznacza starzenie się i śmierć u wolnożyjącego, jednokomórkowego organizmu roślinnego rozmnażającego się przez podział? U roślin wielokomórkowych zjawiska te stają się już bardziej rozpoznawalne. U roślin wyższych natomiast obserwujemy starzenie się i opadanie liści, kwiatów, owoców, a u roślin wieloletnich obumieranie nawet całości części nadziemnych, co wcale nie musi pociągać za sobą śmierci całej rośliny. W żywej roślinie powszechnie spotykana jest obecność komórek czy tkanek martwych. Wręcz celem niektórych procesów morfogenetycznych jest wytworzenie wysoce wyspecjalizowanych martwych tkanek (np. -drewno, sklerenchyma, korek),

1 6 4 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

pełniących podstawowe funkcje w roślinie wyższej. Z drugiej strony u roślin istnieją pierwotne i wtórne tkanki twórcze, złożone z komórek embrionalnych. Komórki te, nawet w bardzo starych roślinach, są ciągle młode, żywe i witalne. Organizm roślinny jako całość starzeje się i obumiera, natomiast tkanki merystematyczne zachowują charakter embrionalny i ciągle się odtwarzają. Powstaje zatem pytanie, czy rośliny starzeją się z przyczyn wewnętrznych, czy też osłabienie i końcowy zanik ich życia jest wynikiem wpływu środowiska zewnętrznego i oddziaływań korelacyjnych między organami.

3.5.1.2. Starzenie się organów U wielu roślin starzenie się i śmierć całego organizmu jak i poszczególnych organów (liście, kwiaty i owoce) ma charakter sezonowy. Corocznie także drzewa tracą określone organy boczne, obumiera również cała nadziemna część niektórych wieloletnich roślin zielnych (np. orlicy, szczawiu, pokrzywy). Starzenie się i opadanie organów jest więc zjawiskiem normalnie występującym w czasie ontogenezy roślin. Najbardziej widoczne i wnikliwie badane jest starzenie się liści (rys. 3.33). Pierwszym widocznym objawem starzenia się liścia jest jego żółknięcie na skutek postępującego rozkładu chlorofilu, co ujawnia obecność innych barwników, zwłaszcza karotenów, ksantofili oraz antocyjanin. Towarzyszą temu uszkodzenia struktury błon

liść

czynnik genetyczny

wptyw środowiska

wptyw innych liści i organów rośliny

zmiana równowagi hormonalnej i dystrybucji substancji pokarmowych zmniejszenie zawartości cytokinin, giberelin, auksyn, poliamin

zwiększenie zawartości etylenu, ABA, kwasu jasmonowego

zahamowanie doptywu jonów i asymilatów

rozchwianie procesów metabolicznych (rozkład chlorofilu i makrocząsteczek, osłabienie fotosyntezy i oddychania, dezintegracja procesów biochemicznych, nagromadzenie produktów rozpadu) dezorganizacja struktury cytologicznej (zmiany właściwości błon, cytoplazmy, organelli) powstanie warstwy odcinającej odcięcie i śmierć liścia tys. 3.33. Zmiany metaboliczne w trakcie starzenia się liścia

3.5. Starzenie się roślin • 1 6 5

tylakoidów chloroplastów, zmniejszanie intensywności fotosyntezy oraz aktywności wielu enzymów, w tym rubisco. Potem zachodzi fragmentacja retikulum endoplazmatycznego i zanik rybosomów. Następuje także destrukcja mitochondriów i zmniejszenie intensywności fosforylacji oksydacyjnej. W końcu dochodzi do rozerwania tonoplastu i błony jądrowej, co prowadzi do nieodwracalnych zmian w strukturze cytoplazmy i jądra. Tylakoidy chloroplastów zamieniają się w pęcherzyki zawierające kropelki związków lipidowych. W trakcie tych zmian ultrastrukturalnych nagromadzają się metabolity wtórne oraz związki toksyczne. Zmniejsza się natomiast zawartość białek, które są rozkładane do aminokwasów i amidów. Te substancje przemieszczają się do młodych liści bądź innych organów (np. nasion, owoców). Zaawansowanemu procesowi starzenia się liścia towarzyszy stopniowa destrukcja kwasów nukleinowych. Ze starych liści są także eksportowane jony ruchliwych pierwiastków - takich jak azot, fosfor, potas - do młodych liści, pędów lub innych organów. W starych liściach pozostają w większej ilości tylko jony mało ruchliwe, jak magnez czy wapń. Czynnikami wewnętrznymi kontrolującymi przebieg starzenia się liścia jest układ genetyczny i układ hormonalny. Etylen, kwas abscysynowy i kwas jasmonowy przyspieszają starzenie, natomiast cytokininy, gibereliny i auksyny ten proces hamują. W starym liściu maleje zawartość tych fitohormonów, natomiast pojawiają się większe ilości etylenu, kwasu abscysynowego i jasmonianów, które stymulują procesy prowadzące w rezultacie do odcinania i opadania liści. Substancje te wpływają na aktywność takich enzymów jak celulazy i pektynazy, które powodują rozpuszczanie blaszek środkowych w warstwie odcinającej, co jest bezpośrednią przyczyną opadnięcia liścia. Tak więc u podstaw procesów starzenia się liści leżą przyczyny natury genetycznej, hormonalnej, a także wpływ środowiska oraz wpływ innych liści i organów rośliny. Okazuje się bowiem, że istnieje konkurencja między liśćmi młodymi i starymi na roślinie. Wytworzenie się liści młodych przyspiesza starzenie się liści starych. Pojawia się współzawodnictwo o substancje hormonalne i pokarmowe.

3.5.1.3. Objawy starzenia się roślin Nie można określić jednoznacznie, od którego momentu rozpoczyna się proces starzenia się rośliny. Zależy to od gatunku, typu rośliny (mono- czy polikarpiczna), organu, czynników środowiskowych oraz przyjęcia określonych kryteriów oceny. Istnieją jednak liczne symptomy starzenia się o charakterze uniwersalnym. Do objawów takich można zaliczyć: 1. osłabienie wzrostu korzenia i pędu, 2. zmniejszenie sprawności pobierania soli mineralnych przez korzenie, 3. zanik wrażliwości fotoperiodycznej, 4. rozkład chlorofilu i ograniczenie intensywności fotosyntezy oraz oddychania, 5. ograniczenie transportu asymilatów, hormonów, wody i soli mineralnych, 6. nagromadzanie się etylenu, kwasu abscysynowego, jasmonianów oraz substancji toksycznych, 7. postępująca dezintegracja metabolizmu i struktur anatomiczno-morfologicznych rośliny.

1 6 6 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

3.5.2. Mechanizmy starzenia się roślin Prawidłowy rozwój rośliny jest możliwy, gdy funkcjonuje w niej odpowiednia ilość biologicznie aktywnych komórek. Komórki te muszą się dzielić, rosnąć i różnicować w różne zespoły tkankowe. Niektóre komórki dojrzewają i obumierają. Może być to proces pasywny (nekrotyczny) bądź aktywny. Procesem aktywnym jest programowana śmierć komórki (apoptoza). Apoptoza stanowi więc część określonego programu rozwojowego, np. wytworzenia drewna złożonego z komórek martwych. Starzenie się i śmierć komórek są procesami kontrolowanymi przez dużą liczbę genów, białka powstające w wyniku ich ekspresji odgrywają podstawową rolę w przebiegu procesów starzenia się komórek. Wielkie znaczenie zarówno w naturalnej (pasywnej) jak i programowanej śmierci komórek mają reaktywne formy tlenu, które pojawiają się w wyniku redukcji tlenu cząsteczkowego. Nagromadzenie się reaktywnych form tlenu wywołuje oksydacyjną degradację lipidów, zmiany patologiczne w przebiegu metabolizmu i zanik homeostazy komórkowej, co prowadzi do śmierci komórki. Starzenie się komórek i tkanek powoduje w rezultacie starzenie się całego organizmu roślinnego.

3.5.2.1. Koncepcje deterministyczne i stochastyczne Istnieją dwie grupy hipotez dotyczących przyczyn starzenia się roślin. Koncepcje deterministyczne zakładają, że proces starzenia się jest naturalną konsekwencją realizacji programu rozwoju osobniczego i jest zakodowany w genomie rośliny. Geny kierują aktywnością metaboliczną komórek według zaprogramowanego w czasie i przestrzeni wzorca rozwojowego. Różnicowanie się i morfogeneza rośliny jest więc przejawem postępującego rozwoju i starzenia się organizmu. Najbardziej znaną hipotezą deterministyczną jest koncepcja Krenkiego, według której proces starzenia się, tj. obniżania potencjału życiowego, jest zjawiskiem obiektywnym, które rozpoczyna się wraz z pierwszymi podziałami zygoty i trwa nieprzerwanie przez całe życie rośliny. Proces ten przerywany jest przez czasowe okresy odmładzania związane z nowymi podziałami komórkowymi, powodującymi chwilowe zwiększanie się potencjału życiowego, Jednak w miarę upływu czasu proces ogólnego obniżenia potencjału życiowego organizmu prowadzi do jego starzenia się i śmierci. Koncepcje deterministyczne nie definiują jednak, co to jest potencjał życiowy i na czym polega jego obniżanie (starzenie), czy też podwyższanie (odmładzanie). Można oczywiście przyjąć, że duży potencjał życiowy oznacza małą entropię i wysoki poziom energetyczny komórek, natomiast mały potencjał życiowy to duża entropia i obniżenie poziomu energetycznego, ale tak ogólne założenie ma charakter wyłącznie teoretyczny i jest trudne do bliższego opisu metaboliczno-molekularnego. Koncepcje stochastyczne zakładają, że podstawową przyczyną starzenia się są nagromadzające się uszkodzenia kwasów nukleinowych, co powoduje pojawianie się aberracji chromosomowych i mutacji somatycznych. Uszkodzenia takie prowadzą do pogarszania się informacji genetycznej, czego konsekwencją jest zmniejszanie się aktywności metabolicznej i postępujące starzenie się organizmu. Wiele pośrednich

3.5. Starzenie się roślin • 1 6 7

danych, jak powstawanie błędnych RNA czy niefunkcjonalnych białek enzymatycznych, potwierdza koncepcje stochastyczne. Wydaje się zatem, że proces starzenia jest ogólnie zaprogramowany genetycznie, jednak wielki wpływ na jego przebieg ma działanie różnych czynników środowiskowych. Uważać można także, że szybko dzielące się niezróżnicowane komórki, czyli merystemy, jako takie nie starzeją się. Można je utrzymać nieskończenie długo w hodowli in vitro bądź odciąć od rośliny macierzystej wraz z sadzonką, co jest punktem wyjścia do powstania nowej rośliny. Zatem roślina mająca aktywne merystemy powinna żyć nieskończenie długo. Tak jednak nie jest, a decydują o tym - w różnym stopniu - uwarunkowania genetyczne, środowiskowe oraz korelacyjny wpływ różnych organów rośliny.

3.5.2.2. Rośliny mono- i polikarpiczne Rośliny monokarpiczne - kwitnące i owocujące jeden raz w ciągu swego życia - i rośliny polikarpiczne - wielokrotnie kwitnące i owocujące - różnią mechanizmy starzenia się. Do roślin monokarpicznych zalicza się wszystkie rośliny jednoroczne, dwuletnie, a także niektóre rośliny wieloletnie, jak agawa lub bambus, które rosną wegetatywnie przez wiele lat, po czym kwitną, owocują i bezpośrednio po tym obumierają. Agawa w warunkach naturalnych żyje wegetatywnie około dziesięciu lat, po czym zakwita, owocuje i w tym samym roku umiera. Jeśli nie dopuści się do wytworzenia kwiatów, agawa może żyć w stanie wegetatywnym nawet sto lat. Tak więc starzenie się i śmierć roślin kwitnących raz w życiu są genetycznie zdeterminowane i wiążą się ściśle z rozmnażaniem generatywnym. Jest to śmierć zaprogramowana w zapisie genetycznym gatunku (rys. 3.34). roślina

czynnik genetyczny

korelacyjny wptyw organów rośliny

wptyw środowiska

kwitnienie i owocowanie

wielokrotne kwitnienie i owocowanie

szybka degradacja funkcji i struktury

wolna degradacja funkcji i struktury

śmierć

śmierć

rośliny monokarpiczne

rośliny polikarpiczne

Rys. 3.34. Starzenie się roślin mono- i polikarpicznych

1 6 8 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

Jakie są przyczyny, że u roślin monokarpicznych wytworzenie kwiatów i owoców wywołuje przyspieszenie procesów starzenia i śmierć organizmu? Jedną z ważnych przyczyn jest niewątpliwie współzawodnictwo o składniki pokarmowe. Wytworzenie i rozwój kwiatów, nasion i owoców wymaga olbrzymiej mobilizacji i dostępności materii organicznej i nieorganicznej. Tworzące się organy generatywne zużywają większość pozyskiwanych substancji pokarmowych. Wynikiem zmniejszającego się dopływu asymilatów do korzeni jest zahamowanie ich dalszego wzrostu i pobierania wody z solami mineralnymi. Prowadzi to do wielkich zaburzeń w gospodarce wodnej i pokarmowej całego organizmu, co staje się bezpośrednim powodem przyspieszonego starzenia się i śmierci rośliny. Ważną przyczyną starzenia się roślin monokarpicznych jest także fakt, że organy generatywne są miejscem zwiększonej syntezy etylenu, kwasu abscysynowego i jasmotlianów. Substancje te przemieszczają się do organów wegetatywnych, gdzie modyfikują przebieg podstawowych procesów metabolicznych, czego wynikiem jest degradacja funkcji i struktury komórek oraz postępujący proces starzenia się rośliny. Inaczej problem starzenia się wygląda u roślin polikarpicznych - wieloletnich roślin zielnych i drzewiastych. Rośliny te wielokrotnie kwitną i owocują, żyjąc czasem wiele dziesiątków, a nawet setek lat. Kwitnienie nie wywołuje więc u tych roślin objawów przyspieszonego starzenia się. Obfitość kwitnienia i owocowania wielu drzew utrzymuje się przez dłuższy czas na wysokim poziomie, a wyraźnie maleje dopiero u drzew starych. Z wiekiem rośliny zmniejsza się jednak długość międzywęźli pędów, pojawia się także większa ilość pędów skróconych. U roślin polikarpicznych postępujące starzenie zależy przede wszystkim od korelacyjnego wpływu organów rośliny oraz od czynników środowiskowych (rys. 3.34). U drzew dochodzi do zwiększania się odległości między wierzchołkami pędów a korzeniami. Prowadzi to do dużych strat energii na niezbędny transport zarówno z korzeni do pędów, jak i na odwrót. Corocznie rośliny tracą także wiele materii organicznej na tworzenie organów generatywnych. Stopniowo dochodzi zatem do dysproporcji rozwojowych, stagnacji procesów morfogenezy i różnicowania oraz do obumierania pąków i ośrodków wzrostowych. Na procesy te silnie wpływają czynniki środowiskowe, takie jak: oświetlenie, temperatura, dostępność wody, skład chemiczny i struktura gleby oraz urazy mechaniczne i biologiczne. Wszystkie czynniki stymulujące intensywny wzrost masy wegetatywnej, jak obfite nawożenie azotowe i dobre zaopatrzenie w wodę zwiększają długość życia, natomiast susza, brak azotu i duża zawartość fosforu - czas życia skracają. Czynniki środowiskowe mają więc decydujący wpływ na przebieg procesów starzenia się roślin polikarpicznych. Wpływają na korelacje międzykomórkowe, międzytkankowe i międzyorganowe, od których zależy funkcjonowanie całości organizmu roślinnego, Szczególną rolę w procesie starzenia odgrywają fitohormony (patrz rozdz. 3.1.3.1.2), Zwiększa się u starych roślin produkcja etylenu, kwasu abscysynowego, kwasu jasmo* nowego i innych inhibitorów rozwojowych. Natomiast zawartość auksyn, giberelin, cytokinin, poliamin pozostaje na niskim poziomie. Stwarza to warunki korzystne dla przyspieszenia procesów starzenia się i obumierania roślin.

3.(). Kuchy roślin • 1 6 9

3.6. Ruchy roślin Ruch to zmiana położenia obiektu w stosunku do punktu lub układu odniesienia. U większości roślin ruch jest ograniczony do zmiany położenia ich części (organów) w stosunku do reszty organizmu. Zdolność swobodnego przemieszczania się w środowisku mają tylko niektóre rośliny - jednokomórkowe i kolonijne glony oraz niektóre komórki rozrodcze. Ruchy roślin wyższych polegają na wygięciu organu, skręceniu lub obrocie i są najczęściej wynikiem pobudzenia wywołanego przez określony bodziec pochodzący ze środowiska. Niemniej istnieją ruchy powstające niezależnie od działających bodźców, zwane ruchami autonomicznymi.

3.6.1. Ruchy autonomiczne Niezależne od zmian środowiska ruchy mogą być wynikiem nierównomiernego wzrostu organu (patrz dalej riichy wzrostowe) lub też zmianami turgoru {ruchy turgorowe). Ruchy nutacyjne wykonywane są najczęściej przez pędy, liście i wąsy czepne. Są to wzrostowe ruchy wahadłowe lub kołowe, często mają one charakter ruchów szukających, umożliwiających roślinie odszukanie podpory, a roślinom pasożytniczym odnalezienie żywiciela. Turgorowymi ruchami nutacyjnymi są nyktynastie, zwane także ruchami sennymi. Niektóre liście, płatki kwiatowe i pręciki wykonują ruchy (opadanie - podnoszenie się) w cyklu zbliżonym do dobowego, lecz niemal niezależnie od zmian oświetlenia i temperatury. Ruchy te są sterowane przez endogenny rytm, który jest wynikiem funkcjonowania zegara biologicznego (patrz rozdz. 3.4.3.3). Mechanizm tych ruchów jest związany ze zmianami turgoru w komórkach poduszeczek umieszczonych przy podstawie lub wierzchołku ogonków liściowych (komórki motoryczne, patrz rozdz. 3.6.2.2). Za ruchy autonomiczne uważa się także ruchy wywołane zmianami czynników fizycznych w roślinie. Należą tutaj ruchy kohezyjne wynikające z sił kohezji cząsteczek wody w niektórych tkankach poddanych wysuszaniu. Ruchy takie przejawiają się np. otwieraniem puszek zarodnikonośnych mchów i paprotników oraz worków pyłkowych roślin nasiennych. Ruchy higroskopijne są wynikiem pęcznienia lub wysychania ścian komórkowych (niekiedy nawet martwych komórek), co prowadzi do zróżnicowania długości tych ścian na skutek różnic ich zdolności pęcznienia. Ruchami takimi są np. otwieranie się strąków roślin motylkowatych, torebek nasiennych pierwiosnka i fiołka, a także rozchylanie się łusek szyszek sosny. Napięcia mechaniczne powstające między pobierającymi dużo wody (łatwo pęczniejącymi) warstwami owocni a jej warstwami stawiającymi opór mechaniczny są przyczyną ruchów eksplozyjnych (rozsiewanie się niecierpka)./Napięcia te prowadzą do rozerwania organu i wyrzucenia nasion, nieraz na znaczne odległości.

1 7 0 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

3.6.2. Ruchy jako odpowiedzi na zmiany w środowisku Bodźce środowiskowe takie jak światło, siła ciążenia, różnica temperatury, zmiana składu atmosfery lub dostępności wody, obecność substancji organicznych, siły mechaniczne (np. dotyk) wywołują we wrażliwych komórkach określone zmiany. Jest to faza percepcji bodźca. Zmiany te zapoczątkowują szereg reakcji fizjologicznych (faza pobudzenia), umożliwiających realizację ruchu (faza reakcji). W percepcji bodźca biorą udział receptory komórkowe; niektóre z nich omówiono w rozdziale 3.1.3. W roślinach wyższych percepcja bodźca zachodzi najczęściej w innych komórkach niż komórki reagujące, toteż w fazie pobudzenia powstają sygnały umożliwiające przekazanie informacji do komórek docelowych. Odbywa się to dzięki powstawaniu potencjału czynnościowego (różnicy ładunków elektrycznych po obu stronach błony komórkowej), który rozprzestrzenia się do innych tkanek i komórek. Przekazywanie sygnału (informacji) zachodzi również z udziałem hormonów, przede wszystkim auksyn (patrz rozdz. 3.1.3.1.2). Ten sposób przekazywania sygnału jest wyraźnie powolniejszy niż przenoszenie się potencjału czynnościowego. Zdolność roślin do reagowania ruchem na bodźce jest uwarunkowana genetycznie. Wrażliwość na bodziec może się zmieniać w pewnym stopniu w czasie ontogenezy i zależnie od warunków środowiska. Wielkość odpowiedzi rośliny w zasadzie nie zależy od intensywności bodźca, pod warunkiem, że intensywność ta przekroczy pewną wartość progową.

Ruchy indukowane przez bodźce klasyfikujemy zależnie od 1) rodzaju bodźca, 2) typu odpowiedzi na bodziec i 3) mechanizmu odpowiadającego za ruch. Tak więc: • Tropizmy są ruchami, których kierunek zależy od kierunku działania bodźca. Wygięcia tropiczne są wynikiem różnic szybkości wzrostu przeciwległych stron organu: od kierunku działania bodźca i przeciwległej. Mechanizm taki nazywamy ruchem wzrostowym. Wygięcia tropiczne nie zanikają po ustaniu bodźca. • Nastie są ruchami niezależnymi od kierunku działania bodźca. Niektóre nastie są ruchami wzrostowymi, natomiast wiele innych to ruchy turgorowe. Są one spowodowane różnicami turgoru poszczególnych komórek i wywołane zmiany ustępują po ustaniu działania bodźca. • Taksje są ruchami, których kierunek zależy od kierunku działania bodźca, podobnie jak tropizmy. Taksje są jednak ruchami całych jednokomórkowych organizmów (glonów) lub ich kolonii, a także niektórych komórek rozrodczych oraz organelli we wnętrzu komórek. Mechanizm ruchu taksji jest odmienny niż ruchów tropicznych i nastycznych. W ruchach komórek mających wici biorą udział białka (tubuliny) i zużywana jest energia metaboliczna (ATP). Ruchy organelli są wynikiem sterowanego przez bodziec ruchu cytoplazmy. Ten sam bodziec może indukować ruchy należące do różnych grup. Na przykład światło może powodować wygięcia fototropiczne (np. w koleoptylach i rosnących pędach), indukować ruchy fotonastyczne (np. ruchy liści, otwieranie się kwiatów), ale może być także przyczyną fototaksji (np. przemieszczanie się chloroplastów w komórce). W ruchach, których kierunek zależy od kierunku działania bodźca (tropizmy i taksje), wyróżniamy ruchy skierowane do bodźca - dodatnie oraz ruchy (wy-

3.6. Kuchy r o ś l i n * 1 7 1 Tabela 3.3. Typy ruchów roślin wywoływanych przez bodźce środowiskowe Bodziec Światło Grawitacja Bodziec chemiczny Temperatura Dostępność wody Potencjał elektryczny Bodziec mechaniczny Zranienie

Tropizm fototropizm geotropizm chemotropizm termotropizm hydrotropizm elektrotropizm tigmotropizm traumotropizm

Nastia fotonastia sejsmonastia chemonastia termonastia

Taksja fototaksja chemotaksja

sejsmonastia

gięcia) w kierunku przeciwnym - ujemne, zgodne z gradientem bodźca. W wielu przypadkach reakcją na bodziec jest wygięcie tropiczne pod pewnym kątem w stosunku do kierunku działania bodźca. Mówimy wtedy o odpowiedzi plagiotropicznej. Szczególnym przypadkiem plagiotropizmu jest diatropizm - ruch ustawiający organ pod kątem 90° w stosunku do kierunku działania bodźca. W tabeli 3.3 przedstawiono rodzaje ruchów indukowanych przez różne bodźce. 3 . 6 . 2 . 1 . T r o p i z m y są ruchami w z r o s t o w y m i Fototropizm jest wynikiem przystosowania się rośliny do nierównomiernego oświetlenia. Przy nierównomiernym oświetleniu wiele jej organów wygina się tak, aby uzyskać pozycję, w której oświetlenie jest równomierne. Dodatni fototropizm wykazują pędy oraz koleoptyle traw. Korzenie często reagują fototropicznie ujemnie. Liście i rozłogi wykazują diafototropizm, natomiast pędy boczne - plagiofototropizm. Na rysunku 3.35 pokazano schematycznie kierunek wyginania się organów rośliny dwuliściennej pod wpływem bocznego oświetlenia. Widmo czynnościowe fototropizmu wykazuje maksimum w zakresie światła niebieskiego. Receptorem bodźca świetlnego jest fototropina (patrz rozdz. 3.1.3.2.1). W wyniku badań nad koleoptylami traw wykazano, że najbardziej wrażliwa na bodziec jest szczytowa część organu, gdzie znajduje się największe stężenie receptora, natomiast wygięcie fototropiczne następuje w strefie wzrostu poniżej wierzchołka, która jest w znacznie mniejszym stopniu wrażliwa na światło. Podczas wzrostu w wierzchołku jest syntetyzowany hormon auksyna (p. rozdz. 3.1.3.1.2), który przemieszcza się bazypetalnie w drodze transportu polarnego. Przemieszczanie to nie odbywa się w sposób symetryczny; stężenie IAA (auksyny) na oświetlonej stronie pędu lub koleoptyla jest znacznie mniejsze niż na stronie zacienionej. Powoduje to szybszy wzrost strony zacienionej niż naświetlonej i w rezultacie wygięcie organu w stronę światła.

1 7 2 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

Rys. 3.35. Fototropizm siewki gorczycy (Sinapis alba). (Wg: Boysen-Jensen i Mohr 1969. Lehrbuch der Pflanzenphysiologie. Springer-Verlag, Berlin, zmodyfikowane)

W jaki sposób światło, a właściwie zaktywowany przez światło receptor powoduje asymetrię rozmieszczenia auksyny, nie jest całkowicie jasne. Może to być indukowany światłem poprzeczny transport hormonu albo zahamowanie przez światło transportu bazypetalnego auksyny. Bierze się także pod uwagę możliwość degradacji 1AA pod wpływem światła albo wiązania go w nieaktywne koniugaty.

Geotropizm, poprawniej zwany grawitropizmem, jest wynikiem przystosowania się rośliny do bytowania w warunkach przyciągania ziemskiego. Po zmianie położenia rośliny z naturalnej pozycji pionowej na poziomą - siła przyciągania ziemskiego działa w poprzek organów. Reakcją rośliny jest zmiana kierunku wzrostu; następują wygięcia geotropiczne. Geotropizm dodatni wykazują korzenie główne, a także np. chwytniki przedrośli paproci. Ujemnie geotropicznie reagują pędy główne, natomiast kłącza, rozłogi, stolony ziemniaka wykazują diageotropizm, Niektóre liście, korzenie boczne pierwszego rzędu i boczne gałęzie wykazują plagiogeotropizm, a korzenie boczne dalszych rzędów oraz gałęzie są ageotropiczne (nie wykazują odpowiedzi na działanie pola grawitacyjnego). Schemat (rys. 3.36) wskazuje położenie różnych organów rośliny rosnącej w polu grawitacyjnym. Miejscem percepcji bodźca grawitacyjnego w korzeniu jest czapeczka korzeniowa otaczająca wierzchołek wzrostu, a receptorami są statolity znajdujące się w jej wyspecjalizowanych komórkach statocystach. Natomiast reakcja na bodziec pojawia się w strefie wydłużania korzenia położonej w pobliżu. Przemieszczające się w wyniku zmiany kierunku siły ciążenia statolity, wchodząc w kontakt z cysternami retikulum endoplazmatycznego znajdującymi się po

3.6. k u c h y roślin • 1 7 3

geotropizm ujemny

geotropizm dodatni

Rys. 3.36. Geotropizm pędu i korzenia po umieszczeniu siewki w pozycji poziomej

„dolnej" stronie komórek czapeczki, powodują powstanie sygnału, który przenosi informację do strefy wydłużania. Sygnałem tym jest niesymetryczne rozmieszczenie auksyny - hormonu, który transportowany bazypetalnie do czapeczki powraca następnie do strefy wydłużania, gdzie ustala się gradient stężenia IAA skierowany /.godnie z kierunkiem grawitacji. Tkanki korzenia są dużo bardziej wrażliwe na działanie auksyny niż tkanki pędu, a ponieważ stężenie auksyny po dolnej stronie strefy wydłużania korzenia znacznie przekracza stężenie optymalne dla stymulacji wzrostu, powoduje ona spowolnienie wydłużania się korzenia z tej strony i wygięcie całego organu. Udział auksyny w mechanizmie powstawania wygięć geotropicznych, podobnie jak w przypadku wygięć fototropicznych, został zaproponowany w latach 20. ubiegłego stulecia przez N.G. Chołodnego i F.W. Wenta. W ostatnich latach teoria ta uzyskała dodatkowe argumenty dzięki identyfikacji białek (i kodujących je genów) regulujących międzykomórkowe przemieszczanie się auksyn.

Równolegle do auksyn, rolę sygnału przenoszącego informację o pobudzeniu geotropicznym przypisuje się innemu hormonowi, kwasowi abscysynowemu (ABA), który przemieszcza się w sposób asymetryczny z pobudzonego geotropicznie wierzchołka korzenia do strefy wydłużania i tam hamuje wzrost. Ponadto udowodniony został udział w tym procesie systemu: jony Ca 2 + -kalmodulina (patrz rozdz. 3.1.4.1). Wśród innych tropizmów, wymienionych w tabeli 3.3, na uwagę zasługuje tigmotropizm. Jest to ruch wzrostowy wywołany dotykiem, np. natrafieniem rosnącego pędu, korzenia, wąsa itp. na przeszkodę. Korzenie wykazują z reguły tigmotropizm ujemny. Chemotropizm jest reakcją wzrostową na obecność w atmosferze, wodzie lub podłożu substancji chemicznej. Chemotropizm odgrywa ważną rolę w odżywianiu mineralnym rośliny, a dla roślin pasożytniczych jest często warunkiem utrzymania się przy życiu. Szczególną formą chemotropizmu jest hydrotropizm - reakcja m obecność (lub brak) wody w środowisku.

1 7 4 • Fizjologia wzrostu i rozwoju

3.6.2.2. Nastie nie zależą od kierunku bodźca Nastie są odpowiedzią na pojawienie się bodźca lub na zmianę jego natężenia. Reakcja nastyczna nie zależy od kierunku bodźca, lecz jest uwarunkowana przez cechy morfologiczne i fizjologiczne reagującego organu. Niektóre z nastii są ruchami wzrostowymi; wygięcie jest wynikiem niejednakowej szybkości wzrostu po dwóch stronach organu. Ruchem termonastycznym jest otwieranie się kwiatów krokusa lub tulipana, a fotonastią - otwieranie się kwiatów szczawiku lub goryczki. Ruch włosków chwytnych niektórych roślin owadożernyeh (np. rosiczki) jest sejsmonastią lub chemonastią, zależnie od tego, czy zostały one podrażnione (wzbudzone) przez dotyk, czy zapach owada. Mechanizm tych ruchów jest podobny jak w przypadku ruchów tropicznych. Nastie turgorowe są spowodowane zmianami uwodnienia, a w rezultacie - turgoru wyspecjalizowanych komórek: motorycznych w ruchach liści, lub szparkowych w ruchach szparek. Stosunkowo dobrze poznano ruchy sejsmonastyczne liści. Na przykład liście mimozy (czułka wstydliwego, Mimosa pudica) podrażnione przez dotknięcie, wstrząs, a także prądem elektrycznym, wysoką temperaturą lub czynnikiem chemicznym opadają w ciągu ułamka sekundy, po czym reakcja rozprzestrzenia się na sąsiednie liście, a kilkanaście minut po ustaniu działania bodźca wszystkie liście podnoszą się do pozycji wyjściowej. U podstawy ogonków liściowych mimozy znajdują się miękiszowe zgrubienia - komórki motoryczne, które w stanie niepobudzonym mają pełny turgor. W wyniku działania bod/ ca w komórkach liści pojawiają się różnice potencjału błonowego, które przemieszczujł) się w roślinie, tworząc falę potencjału czynnościowego docierająca do komórek motorycznych jako sygnał (informacja) o bodźcu. Powoduje on zmianę przepuszczalności bfoli tych komórek, utratę turgoru i opadanie liścia.

Szczególnym przypadkiem ruchów nastycznych jest otwieranie i zamykanie szparek. Ruch ten umożliwia regulację przepływu gazów atmosferycznych i pary wodnej ze środowiska do komórek liści i w przeciwną stronę oraz jest istotnym elementem regulacji takich procesów fizjologicznych jak transpiracja, fotosynteza i oddychanie roślin (patrz, rozdz. 2.1.3.1.2). Ściany komórek szparkowych wyróżniają się nierównomierną grubością i specyficzną strukturą umożliwiającą przy pełnym ich turgorze otwarcie szparki. Zamykanie się szparek jest wynikiem utraty wody prze/ komórki szparkowe i zmniejszenia ich turgoru. Hydropasywne zamykanie szparek jcnt spowodowane utratą wody do atmosfery. Zamykanie hydroaktywne jest wynikiem reakcji metabolicznych indukowanych przez odwodnienie całego liścia i zwiększony podaż kwasu abscysynowego. Stopień otwarcia szparek jest regulowany przez zmianę czynników środowiska. Komórki szparkowe reagują na zmiany natężenia i jakości światła, zmiany temperatury, wilgotności powietrza, wewnątrzkomórkowego stężeniu C 0 2 oraz na zmiany stężenia kwasu abscysynowego.

% Fizjologia stresu

Omawiając kolejno procesy metaboliczne i zjawiska fizjologiczne u roślin, zwracaliśmy uwagę na wpływ warunków środowiska na przebieg tych procesów. Optymalne warlości czynników, które składają się w zespół warunków środowiskowych, zapewniają optymalny przebieg procesów wzrostu i rozwoju roślin, wystąpienie poszczególnych faz rozwojowych, przetrwanie osobników i gatunków, a także uzyskanie maksymalnego plonu. Jeśli natężenie jednego lub kilku z tych czynników odbiega od optymalnego, następują zakłócenia w funkcjonowaniu rośliny, powstają uszkodzenia struktur i zaburzenia metabolizmu, co w krańcowych przypadkach prowadzi do obumarcia tkanek, organów lub śmierci całej rośliny. Możliwość egzystencji rośliny (rozwoju osobniczego i zachowania gatunku) w warunkach określonego środowiska zależy od stopnia jej dostosowania do tych warunków. Dostosowanie to decyduje o możliwości zasiedlania przez różne rośliny rozmaitych, nieraz ekstremalnych środowisk.

4.1. Stres Zmiana natężenia czynnika oddziałującego na roślinę lub pojawienie się nowego niesprzyjającego czynnika powoduje jej odpowiedź - reakcję na czynnik. Reakcja ta, najczęściej o charakterze negatywnym, to reakcja stresowa prowadząca do stanu stresowego, a czynnik powodujący ten stan - to czynnik stresowy (stresotwórczy), zwany także stresorem. Stresorem może być każdy czynnik abiotyczny działający w nadmiarze lub w niedoborze, lub czynnik biotyczny wywołany działalnością innych organizmów. W tabeli 4.1

1 7 6 • Fizjologia stresu Tabela 4.1. Przykłady czynników stresowych środowiska i skutków ich działania Stresor

Skutki stresu

Promieniowanie UV

stres oksydacyjny, uszkodzenia błon, białek i DNA

Promieniowanie fotosyntetycznie aktywne (w nadmiarze)

destrukcja aparatu fotosyntetycznego, stres oksydacyjny

Temperatura zbyt wysoka zbyt niska

szok cieplny, denaturacja białek, zakłócenia gospodarki wodnej, rozregulowanie metabolizmu a) uszkodzenia błon, zakócenie homeostazy jonowej, rozregulowanie metabolizmu, stres oksydacyjny, b) pozakomórkowa krystalizacja lodu prowadząca do dehydratacji komórek, c) krystalizacja lodu w komórkach prowadząca do zniszczenia struktur komórkowych

Niedobór wody

zahamowanie wzrostu pędu, więdnięcie, przyspieszone starzenie, zakłócenia gospodarki jonowej

Zasolenie

ograniczenie dostępności wody, zakłócenie gospodarki jonowej, toksyczne skutki jonów

Jony metali ciężkich

zaburzenia w funkcjonowanie błon oraz w fotosyntetycznym i mitochondrialnym transporcie elektronów, stres oksydacyjny, inaktywacja wielu enzymów

przedstawiono przykłady stresowych czynników środowiska i niektóre skutki ich działania. Działanie stresora może być specyficzne, gdy atakuje on ściśle określony cel, lub niespecyficzne, gdy odpowiedzi na różne stresory są podobne. Przykładem określonego celu dla stresora - intensywnego oświetlenia - są błony tylakoidów (patrz rozdz, 2.3 i rys. 1.9), natomiast przykładem reakcji niespecyficznej jest synteza niektórych hormonów (kwasu abscysynowego, etylenu i jasmonianów, patrz rozdz. 3.1.3.1.2), która ulega znacznej intensyfikacji w odpowiedzi na tak różne stresy jak susza, chłód i mróz, wysoka temperatura, stres solny, zakażenia bakteryjne. Zależnie od natężenia stresora, to znaczy od jego intensywności i czasu działania, powstające uszkodzenia mogą mieć charakter przejściowy (uszkodzenia odwracalne) lub też trwały (uszkodzenia nieodwracalne). W pierwszym przypadku uszkodzono struktury po ustąpieniu oddziaływania czynnika stresowego podlegają regeneracji i przebudowie, zakłócenia metaboliczne ustępują, a roślina może uzyskać odporność na powtórne działanie stresora. Natomiast uszkodzenia nieodwracalne pozostają po ustaniu działania stresora, co prowadzi do dysfunkcji zaatakowanych organów luh całej rośliny i w rezultacie do śmierci. Działanie czynników stresowych eliminuje niekiedy całe populacje roślin, odmian i gatunków z pewnych siedlisk, a nawet ze stref klimatycznych na naszej planecie, a ponadto przynosi znaczne straty w plonowaniu roślin uprawnych.

4.2. Przebieg o d p o w i e d z i roślin na stresor • 1 7 7

4.2. Przebieg odpowiedzi roślin na stresor Czynnik stresowy stanowi bodziec, który działając na roślinę, inicjuje szereg przemian stanowiących odpowiedź na stresor. W odpowiedzi tej wyróżnia się następujące po sobie fazy, określane jako syndrom reakcji stresowej (rys. 4.1). faza

— czas trwania

-

Rys. 4.1. Fazowy przebieg odpowiedzi rośliny na czynnik stresowy (Wg: Seyle 1936. Naturę, 138: 32, zmodyfikowane)

W fazie alarmu czynnik stresowy powoduje destabilizację struktur (zmiany struktury i właściwości błon i białek) i funkcji (zaburzenia przebiegu wielu procesów metabolicznych, w tym metabolizmu energii) niezbędnych do normalnego przebiegu procesów życiowych. Gwałtowna destabilizacja może doprowadzić do nagłego załamania integralności komórek i ich ciężkich uszkodzeń, zanim zostaną uruchomione mechanizmy obronne. W fazie tej dominują procesy kataboliczne nad anabolicznymi, zakłócone zostają stosunki wodne i równowaga jonowa oraz bilans energii w oraganellach komórkowych, a także funkcjonowanie podstawowych dróg metabolicznych, jak fotosynteza i oddychanie. W fazie alarmu powstaje stres oksydacyjny (przewaga szybkości wytwarzania reaktywnych form tlenu, ROS nad ich usuwaniem), a także zachodzą zmiany w ekspresji niektórych genów [genów wczesnej odpowiedzi na stres) oraz w syntezie i metabolizmie białek. Jeśli natężenie bodźca nie jest zbyt duże i roślina dysponuje mechanizmami obronnymi, następuje ich uruchomienie prowadzące do eliminacji pierwotnych skutków stresu (rozładowanie nadmiaru energii metabolicznej, usunięcie produktów metabolizmu niezużytych we wczesnym okresie stresu). Mechanizmy te to np. system antyutleniaczy, alternatywna droga oddechowa, fotooddychanie (patrz rozdz. 2.4). Funkcjonowanie tych mechanizmów rozpoczyna następną fazę odpowiedzi na stresor fazę restytucji. W fazie tej następuje indukcja procesów naprawczych i/lub obronnych. Uruchomienie ekspresji niektórych genów prowadzi do syntezy białek i innych substancji przeciwdziałających skutkom stresu i pełniących rolę ochronną. Zmiany metabolizmu powodują przebudowę struktur komórkowych i dostosowanie osmotyczne (patrz rozdz. 2.1.2.4). Stanowi to początek kolejnej fazy odpowiedzi rośliny na stresor - fazy odporności.

1 7 8 • Fizjologiaplonowaniaroślin

Odporność roślin to zdolność do zachowania integralności struktur i podtrzymania procesów życiowych w niekorzystnych (stresowych) warunkach środowiska. W warunkach umiarkowanego stresu odporność wielu roślin może się zwiększyć do pewnych granic; rośliny takie ulegają aklimatyzacji (hartowaniu). Aklimatyzacja jest procesem dostosowywania się rośliny do warunków stresowych, w którym następuje utworzenie nowej równowagi metabolicznej i zwiększenie stabilności układu. Zbyt długie przebywanie rośliny w warunkach stresu lub zwiększenie jego intensywności może powodować zmniejszenie odporności, którego przyczyną staje się deficyt nośników energii (ATP i NADPH) i metabolitów pośrednich (w tym produktów fotosyntezy i oddychania). Jest to ostatnia faza odpowiedzi rośliny na stresor - faza wyczerpania, która prowadzi do nieodwracalnych uszkodzeń chronicznych. Odpowiedź rośliny na stresor może być lokalna - działaniu czynnika stresowego ulega fragment rośliny zaatakowany wybiórczo przez stresor bądź wyróżniający się małą odpornością. Przykładem pierwszej możliwości jest miejscowa infekcja patogenu, a drugiej - uszkodzenie zawiązków kwiatowych przez przymrozek. Odpowiedź na stresor może być także systemiczna, gdy tkanka zaatakowana przez stresor przekazuje informację (sygnał alarmowy) do innych tkanek i organów, które odpowiadają w taki sposób, jakby same były przedmiotem bezpośredniego ataku. Nośnikiem informacji o stresie są elementy systemu przekazywania sygnału (patrz rozdz. 3.1.4), a w szczególności kaskada kinaz białkowych i fosfatazy białek oraz hormony (ABA, etylen i JA) i niektóre metabolity (np. kwas salicylowy). U wielu roślin po ustąpieniu warunków stresowych może zachodzić regeneracja utraconych (lub tylko uszkodzonych) organów. Natomiast powrót zahartowanej (uodpornionej) rośliny do warunków sprzed hartowania może być dla niej czynnikiem stresotwórczym, powodującym nową odpowiedź na ten z kolei stresor.

4.3. Odporność roślin na stresy Na odporność rośliny na określony stres składają się: • Genetycznie uwarunkowane właściwości struktur organizmu, które decydują o ich podatności (wrażliwości) lub wytrzymałości (odporności) na działanie tego czynnika stresowego. Właściwości te są określane jako odporność konstytutywna (wrodzona) i wynikają z programu genetycznego właśnie realizowanego przez poszczególne komórki, co powoduje, że ta składowa odporności może być różna w różnych tkankach i zmieniać się w trakcie rozwoju rośliny. • Zdolności organizmu do naprawy uszkodzeń spowodowanych przez czynnik stresowy i do regeneracji. Po ustąpieniu stresu rozpoczynają się procesy naprawy

4.4. Rodzaje stresów • 1 7 9

uszkodzonych elementów systemu syntezy RNA i białek. Z niezróżnicowanej tkanki kalusowej tworzącej się wokół zranień pędu mogą wytworzyć się nowe elementy przewodzące, a uszkodzenie pierwotnego systemu korzeniowego może indukować tworzenie się korzeni przybyszowych. • Zdolności przystosowawcze organizmu roślinnego. Należy tutaj, wspomniana już (rozdz. 4.2), zdolność do aklimatyzacji (hartowania), polegająca na powstawaniu w odpowiedzi na czynnik stresowy niedziedziczonych zmian struktury i funkcji osobnika, które pozwalają zminimalizować uszkodzenia powodowane stresem. Aklimatyzacja polega na tym, że czynnik stresowy modyfikuje program genetyczny realizowany przez osobnika. Natomiast adaptacja jest wynikiem zmian w genomie powstających w toku ewolucji, jako rezultat mutacji, uzyskiwanych także w drodze zabiegów hodowlanych. Adaptacja roślin polega na powstawaniu takich dziedzicznych zmian struktury i funkcji organizmu, które pozwalają unikać uszkodzeń powodowanych stresem lub zminimalizować je. Adaptacja zwiększa prawdopodobieństwo przeżycia osobnika oraz sukcesu reprodukcyjnego w określonym środowisku, często o parametrach odbiegających od optymalnych, co zwiększa prawdopodobieństwo zachowania gatunku w tych warunkach.

4.3.1. Typy odporności Odporność roślin na warunki stresowe, niezależnie czy jest ona skutkiem adaptacji, czy aklimatyzacji do środowiska, może wynikać z dwóch różnych strategii dostosowawczych i stąd rozróżniamy dwa typy odporności: • Strategia unikania stresu. Roślina może zapobiegać penetracji czynnika stresowego do wrażliwych tkanek przez dostosowania rozwojowe, np. dostosowanie cyklu życiowego do sezonowych zmian warunków środowiska, wytworzenie tkanki okrywającej lub modyfikacje składu i struktury ścian komórkowych ograniczające transpirację i penetrację patogenów. • Strategia tolerowania stresu. W roślinie poddanej działaniu stresu zostają uruchomione mechanizmy zapobiegające skutkom działania czynnika stresowego lub przynajmniej minimalizując te skutki tak, aby nie dochodziło do nieodwracalnych uszkodzeń. Mechanizmy takie to m.in. aktywacja systemów przeciwdziałających stresowi oksydacyjnemu, systemów umożliwiających dostosowanie osmotyczne, aktywacja alternatywnych dróg metabolicznych, aktywacja syntezy niektórych białek lub też fitoaleksyn przeciwdziałających rozprzestrzenianiu się infekcji.

4.4. Rodzaje stresów Poprzednio zwrócono uwagę, że poszczególne stresory powodują określone odpowiedzi rośliny, przy czym odpowiedź może być specyficzna dla danego stresora lub też podobna w wyniku działania różnych stresorów. Poniżej omawiamy pokrótce odpowiedzi rośliny na różne warunki stresowe. Nie należy jednak zapominać, że działanie rożnych stresów bywa powiązane. Rośliny, które nabyły odporność na jeden stres mogą wykazywać zwiększoną odporność na działanie innego czynnika, co wskazywa-

1 8 0 • Fizjologiaplonowaniaroślin

loby na wspólne podłoże odporności na różne stresy. Mówimy wtedy o odporności krzyżowej (cross tolerance lub crossprotection).

4.4.1. Stres oksydacyjny Stres oksydacyjny powstaje, gdy wytwarzanie reaktywnych form tlenu (ROS, reac• tive oxygen species lub AOS, active oxygen species) przeważa nad ich usuwaniem. Skutkami tego stresu są uszkodzenia oksydacyjne białek prowadzące do ich fragmentacji, niekontrolowanej agregacji i zmian ich konformacji oraz ładunku elektrycznego. Również D N A ulega uszkodzeniom oksydacyjnym, przy czym miejscem ataku ROS może być zarówno fragment cukrowy polinukleotydu, jak i zasada azotowa. Wywołuje to do delecje i mutacje, które mogą być letalne. Trzecim ważnym miejscem uszkodzeń oksydacyjnych są błony komórkowe. Peroksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych w cząsteczkach lipidów rozpoczyna łańcuch przekształceń katabolicznych, co prowadzi do daleko posuniętych zmian w strukturze i funkcjonowaniu błon. Powstawanie stresu oksydacyjnego powodują takie czynniki jak duża dostępność tlenu po okresie niedotlenienia, promieniowanie UV, nadmiar promieniowania czynnego fotosyntetycznie, ucisk mechaniczny i zranienia, atak patogenu, a także zbyt wysoka lub niska temperatura, deficyt wody i niektórych soli mineralnych, stres solny oraz zanieczyszczenia atmosferyczne i niektóre herbicydy. Występowanie stresu oksydacyjnego towarzyszy niemal wszystkim odpowiedziom na stresy wywołane przez inne stresory. Reaktywne formy tlenu są produktami częściowej redukcji tlenu cząsteczkowego. Tlen singletowy powstaje w fotoukładzie PS II, gdy zahamowany jest fotosyntetyczny transport elektronów z wzbudzonego chlorofilu. Tworzy się także podczas peroksydacji nienasyconych kwasów tłuszczowych katalizowanej przez lipooksygenazę. Rodnik ponadtlenkowy powstaje również w chloroplastach - pod wpływem nadmiaru energii świetlnej; ponadto w mitochondriach - wskutek zaburzeń transportu elektronów z powodu wysokiego poziomu redukcji ubichinonu. Jest też tworzony w innych przedziałach komórkowych i w ścianie w wyniku reakcji katalizowanych przez oksydazy NAD(P)H. Rodnik hydroksylowy powstaje głównie przez redukcję z udziałem jonów Fe 2+ nadtlenku wodoru, który tworzy się w peroksysomach - podczas utleniania glikolanu (fotooddychanie, rozdz. 2.3.4.2), w glioksysomach - w procesie P-oksydacji kwasów tłuszczowych, a także w chloroplastach, gdy zahamowany jest transport elektronów pochodzących z fotolizy wody na 0 2 .

W roślinach funkcjonują antyoksydacyjne mechanizmy ochronne, które zapobiegają powstawaniu stresu oksydacyjnego w tkankach poddanych działaniu różnych czynników stresowych. Mechanizmy umożliwiają unieczynnianie ROS, utleniając je do H 2 0 . Wyróżniamy antyoksydanty nieenzymatyczne i enzymatyczne. Do antyoksydantów (przeciwutleniaczy) nieenzymatycznych zalicza się małocząsteczkowe związki pełniące rolę wychwytywaczy (wymiataczy, scavenger) ROS. Należą tu: cytoplazmatyczny tripeptyd glutation, tokoferole znajdujące się w błonach, plastydowe karotenoidy i wakuolarne flawonoidy, a także alkohole wielowodorotlenowe (poliole, np. sorbitol), prolina i poliaminy.

4.4. Rodzaje stresów • 1 8 1

Antyoksydanty enzymatyczne to zarówno enzymy biorące bezpośrednio udzia! w usuwaniu ROS (dysmutazy ponadtlenkowe, katalazy i peroksydazy), jak i enzymy uczestniczące w przemianach redoks glutationu i kwasu askorbinowego (reduktazy glutationu i dehydroaskorbinianu).

4.4.2. Stres wodny Stres wodny jest rozumiany jako niedobór wody w tkance roślinnej. Wielkość niedoboru określa się najczęściej jako stosunek aktualnej zawartości wody do jej maksymalnej zawartości (WSD, water saturation deficit). Stres wodny powstaje, gdy wartość WSD zmaleje poniżej pewnej wartości krytycznej, wywołując pierwsze widoczne uszkodzenia lub początek zaburzeń jakiejś funkcji. Wartość ta zależy w znacznym stopniu od odporności rośliny na stres wodny. Skutkiem stresu wodnego są zaburzenia niemal wszystkich procesów zachodzących w komórce roślinnej. Zahamowanie wzrostu części nadziemnych jest najwcześniejszą odpowiedzią rośliny na stres wodny. W głównej mierze jest to wynikiem zmniejszenia ciśnienia turgorowego w rosnących komórkach. Długotrwały stres powoduje także przyśpieszone starzenie się liści i ich zrzucanie, co jest wynikiem m.in. zwiększonej produkcji etylenu. Innym skutkiem deficytu wody w pędach jest stymulacja wzrostu i rozwoju systemu korzeniowego. Jest to wynik lepszego zaopatrzenia części podziemnych w produkty fotosyntezy niewykorzystane przez nierosnące pędy i prowadzi do lepszego zaopatrzenia rośliny w wodę. To dostosowanie się rośliny do ograniczonej podaży wody wyraża zmiana stosunku masy pędów do masy korzeni na korzyść tej ostatniej. Intensywność fotosyntezy ulega zahamowaniu później (przy większym deficycie wody) niż wzrost. Jest to spowodowane nie tylko zamknięciem szparek i ograniczeniem dostępu C 0 2 , lecz także zmniejszeniem aktywności karboksylacyjnej rubisco, co powoduje zahamowanie asymilacji CO : . Ponieważ reakcje świetlne fotosyntezy są zakłócone w tych warunkach w niewielkim stopniu, następuje względna nadprodukcja ATP i NADPH + , co powoduje modyfikacje fotosyntetycznego metabolizmu związków węgla - zahamowanie produkcji cukrów i zwiększenie produkcji niektórych bardziej zredukowanych metabolitów. Zwiększa się intensywność fotoddychania, a przy większym natężeniu światła nadmiar energii jest rozpraszany w postaci ciepła i fluorescencji chlorofilu, a także powstają ROS, co powoduje wtórny stres oksydacyjny.

Oddychanie mitochondrialne jest znacznie mniej wrażliwe na stres wodny niż fotosynteza. W niektórych tkankach stres wywołuje zwiększenie intensywności oddychania, co może być wynikiem gromadzenia się substratów oddechowych przy zahamowaniu syntezy skrobi i ograniczeniu procesów transportu. W warunkach stresu wodnego następuje również zaburzenie metabolizmu związków azotowych: zahamowanie aktywności reduktazy azotanowej ogranicza pulę jonów NH 4 + , a tym samym syntezę wielu białek i innych związków azotowych. Z drugiej strony stres wodny indukuje syntezę dehydryn, białek pełniących rolę stabi-

1 8 2 • Fizjologiaplonowaniaroślin

lizatorów struktury innych białek, uszkodzonych przez warunki stresowe, w tym białek enzymatycznych. W warunkach silnego stresu dehydratacyjnego pojawiają się uszkodzenia strukturalne komórek, które są wynikiem dezorganizacji protoplazmy. W trakcie odwadniania komórki następuje jej skurczenie, to powoduje zmiany oddziaływań między ścianą komórkową a plazmolemą, co prowadzi z kolei do powstawania naprężeń wywołujących zmiany jej właściwości (np. otwarcie kanałów jonowych zależnych od naprężenia) i uszkodzenia mechaniczne. Znaczne odwodnienie komórek (do poniżej 20% zawartości H 2 0 w stanie pełnego turgoru) powoduje zmiany struktury fosfolipidów błony (zmiany fazy), pociągające za sobą utratę selektywnych właściwości błon. Podobne konsekwencje ma proces utleniania lipidów błon, zachodzący w tych warunkach. Ponadto odwodnienie komórki wywołuje zwiększenie stężenia soli, w rezultacie zmieniając strukturę trzeciorzędową białek i rozłożenie ładunków na ich powierzchni, co oczywiście prowadzi do modyfikacji lub utraty ich właściwości. Jedną ze strategii obronnych rośliny przed stresem wodnym jest unikanie odwodnienia przez dostosowanie osmotyczne. Mechanizmy osmoregulacji, umożliwiające kontrolę potencjału osmotycznego komórki, polegają na gromadzeniu w wakuoli osmolitów - substancji, które obniżają potencjał wody w komórce i pozwalają w ten sposób pobierać wodę z otoczenia. Osmolity to czwartorzędowe sole amoniowe (betainy), niektóre aminokwasy (np. prolina), poliole (mannitol, pinitol), a także cukry proste (glukoza, fruktoza). Stężenie tych związków zwiększa się również w cytoplazmie, gdzie pełnią rolę ochronną (substancji kompatybilnych), chroniąc struktury komórkowe przed ujemnymi skutkami odwodnienia. Dostosowanie osmotyczne nie jest jedynym sposobem unikania odwodnienia. Inne dostosowania umożliwiające wegetację roślin na terenach, na których występuje susza, to dobrze rozwinięty system korzeniowy, wydajne przewodzenie wody (krótsze międzywęźla, zwiększony przekrój naczyń), ograniczenie transpiracji (zamykanie szparek, zwiększenie grubości kutykuli, pokrycie liści kutnerem, zmniejszenie rozmiarów i liczby liści oraz ich zrzucanie), a także magazynowanie wody (sukulenty, rośliny wykazujące fotosyntezę typu C-4, patrz rozdz. 2.3.4.3). Najdalej posuniętym sposobem unikania odwodnienia jest przystosowanie cyklu rozwojowego rośliny do sezonowo występujących okresów suszy. W niektórych regionach, np. na pustyniach, występują rośliny, które rozpoczynają i kończą wzrost i rozmnażanie w ciągu krótkich okresów (tygodnie), w których woda jest dostępna w środowisku, a okres suszy (miesiące) przeżywają w stanie odwodnionym jako nasiona, bulwy lub kłącza. Komórki roślin odpornych na odwodnienie (tolerujących brak wody) są zdolne do szybkiego wyrównywania zawartości wody ze środowiskiem, kurcząc się równomiernie. Nie mają zwykle centralnej wakuoli i w miarę wysychania nie dochodzi do zniszczenia ich struktury, natomiast wszystkie procesy metaboliczne ulegają stopniowemu ograniczeniu aż do osiągnięcia stanu anabiozy - niemal całkowitego zaniku aktywności metabolicznej. Podczas stopniowego odwadniania są syntetyzowane specyficzne białka - dehydryny stabilizujące - wraz z oligosacharydami z grupy rafinozy - strukturę komórki, a u niektórych gatunków doprowadzające do jej żelatynizacji. Ponowne uwodnienie szybko uaktywnia procesy metaboliczne i przywraca zdolność

4.4. Rodzaje stresów • 1 8 3

rośliny do wzrostu. Do roślin takich należą plechowce, mchy, niektóre nagonasienne rośliny naczyniowe i nieliczne okrytonasienne. Krańcową zdolność przeżywania niemal całkowitego odwodnienia wykazują niektóre rośliny pustynne klimatu gorącego - rośliny zmartwychwstające (resurection plants). Ich liście osiągają podczas suszy (wilgotność względna ok. 30%) stan powietrznie suchy, podczas gdy rośliny uprawne klimatu umiarkowanego osiągają krytyczną wartość odwodnienia przy wilgotności około 95%.

Ograniczenie procesów metabolicznych w wyniku stresu dehydratacyjnego do niemal niewykrywalnego poziomu występuje również u roślin klimatu umiarkowanego i arktycznego. Dotyczy to nasion wielu roślin, które tolerują odwodnienie do kilku procent zawartości wody (spoczynek nasion), a także kłączy, pędów i liści. Zdolność pędów (a także liści niektórych gatunków) do tolerowania odwodnienia wykazuje zmiany sezonowe. Jest ona największa zimą, a najmniej tolerancyjne są wiosenne szybko rosnące tkanki. Wiele roślin może się zahartować (zaaklimatyzować) do warunków deficytu wodnego, jeśli w trakcie wzrostu zostaną poddane umiarkowanemu stresowi wodnemu trwającemu przez kilka dni. W regulacji tego procesu uczestniczą hormony, jak etylen i kwas abscysynowy (ABA), który bierze udział w indukcji ekspresji niektórych genów.

4.4.3. Stres radiacyjny Stres radiacyjny występuje, gdy roślina otrzymuje więcej energii świetlnej w postaci promieniowania fotosyntetycznie czynnego, niż zdolna jest spożytkować w procesie fotosyntezy (stres świetlny), lub w postaci promieniowania krótkofalowego, którego nie jest w stanie przekształcić w energię wiązań chemicznych. W normalnych warunkach krótkofalowe promieniowanie nadfioletowe (UV ultra-violet) UV-A (^ 315-400 nm) i UV-B (X 280-315 nm) dociera do powierzchni Ziemi w znikomym natężeniu dzięki obecności w atmosferze ozonu, który absorbuje to promieniowanie. Perspektywa zwiększenia natężenia UV nabiera aktualności wobec zmniejszania się zawartości ozonu w atmosferze w wyniku emisji zanieczyszczeń przemysłowych. Długotrwała ekspozycja roślin na UV-A (o dłuższej fali) powoduje w komórkach efekty fotooksydacyjne, a UV-B ponadto - uszkodzenia błon. Objawami stresu UV są m.in. zahamowanie wzrostu, zahamowanie krążenia cytoplazmy, zmiany wielu aktywności enzymatycznych oraz zmniejszenie wydajności fotosyntezy i oddychania mitochondrialnego, co prowadzi do zmniejszenia ładunku energii. W wyniku silnego oświetlenia światłem fotosyntetycznie czynnym nadmiar energii powoduje fotoinhibicję, a w skrajnym przypadku - fotodestrukcję barwników fotosyntetycznych i struktury tylakoidów. Pierwotnym miejscem uszkodzeń jest fotoukład PS II, gdzie jedno z białek uczestniczących w przekazywaniu energii (białko D,) ulega destrukcji. Bezpośrednim tego skutkiem jest zmniejszenie wydajności fotosyntezy. Równolegle mogą występować uszkodzenia tkanek zawierających chloroplasty, wskutek czego powstają bezbarwne plamy na powierzchni liści.

1 8 4 • Fizjologiaplonowaniaroślin

Rośliny rosnące w środowiskach zacienionych, wśród nich glony, porosty, mchy i paprocie, należą do roślin fotolabilnych, które ulegają uszkodzeniom już po krótkiej ekspozycji na silne oświetlenie. Natomiast rośliny fotostabilne, rosnące na otwartych przestrzeniach, mają przystosowania do działania silnego światła. Jeśli jednak równocześnie są poddane działaniu innego stresu (jak wysoka lub niska temperatura, susza, nadmierne zasolenie lub niedobór azotu w podłożu, infekcje lub działanie substancji toksycznych), pojawia się fotoinhibicja i fotodestrukcja. Podłożem zwiększonej wrażliwości na światło roślin fotostabilnych w warunkach innego stresu są zaburzenia w fotosyntetycznym transporcie elektronów i ograniczenie ciemniowych reakcji redukcji CO,. Adaptacja roślin do warunków silnego napromieniowania światłem czynnym fotosyntetycznie polega na wykształceniu zdolności do unikania skutków tego promieniowania przez: 1. zmiany kąta ustawienia blaszek liściowych i rozmieszczanie się chloroplastów w komórce tak, aby padało na nie mniej światła, 2. wytworzenie gęstych włosków na górnej powierzchni liści i pogrubienie ścian komórkowych epidermy i komórek pod epidermą, co sprzyja rozpraszaniu światła, 3. zwiększenie zawartości substancji ochraniających (pochłaniających światło): antocyjanin w komórkach epidermy liści, karotenoidów w plastydach.

4.4.4. Stres termiczny Stres termiczny występuje, gdy roślina znajdzie się w temperaturze odbiegającej od temperatury optymalnej dla prawidłowego przebiegu jej procesów życiowych. Temperatura optymalna jest różna dla roślin różnych gatunków i odmian, a także dla grup roślin przystosowanych do wegetacji w różnych środowiskach i strefach klimatycznych. Temperatura zbyt wysoka (supraoptymalna) lub zbyt niska (suboptymalna) może powodować uszkodzenia struktur, doprowadzić do zakłócenia metabolizmu, co wywołuje osłabienie wzrostu i żywotności, a w końcu zamieranie komórek, tkanek, organów i całego osobnika. Błony komórkowe są najważniejszym receptorem bodźca termicznego. Podwyższenie temperatury, osłabiając wiązania wodorowe między komponentami błon, zwiększa płynność warstw lipidowych tych błon. Obniżenie temperatury powoduje zmiany w odwrotnym kierunku: wywołuje usztywnienie błon i wzrost energii aktywacji enzymów zlokalizowanych w błonach. Zmiana płynności błon modyfikuje strukturę i funkcję białek błonowych, a także powoduje zmiany w gospodarce wodnej komórek i może być przyczyną wtórnego stresu wodnego.

4.4.4.1. Stres cieplny Stres wywołany wysoką temperaturą, zwany także szokiem cieplnym, powoduje zakłócenie podstawowych procesów metabolicznych rośliny, a w krańcowym przypadku - denaturację białek, czego rezultatem jest destrukcja protoplazmy i śmierć komórek. Wrażliwość poszczególnych procesów metabolicznych na szok cieplny jest różna, co

4.4. Rodzaje stresów • 1 8 5

prowadzi do zakłóceń równowagi metabolicznej: deficytu lub nadmiaru niektórych metabolitów. Najbardziej wrażliwe są procesy przebiegające w błonach. Zwiększenie płynności błon i zmiany oddziaływań między lipidowymi i białkowymi składnikami błon powodują utratę funkcji błon. Zakłóceniom ulega funkcjonowanie kanałów i pomp jonowych, transport metabolitów, uzyskiwanie energii i inne procesy, a wśród nich fotosynteza i oddychanie. Rośliny różnią się wrażliwością na wysoką temperaturę. Rośliny wrażliwe ulegają uszkodzeniom pod wpływem temperatury 30-45°C. Należy tutaj większość roślin lądowych o delikatnych liściach, rośliny naczyniowe rosnące pod wodą, glony i porosty w stanie uwodnienia. Natomiast rośliny względnie odporne mogą przeżyć krótką ekspozycję na temperaturę 50-60°C. Absolutny limit termiczny przeżycia wynosi dla niektórych z nich 70°C. Należą do tej grupy rośliny stanowisk słonecznych i suchych, zdolne do nabywania odporności. Rośliny nie są absolutnymi rekordzistami w znoszeniu wysokiej temperatury. Prokariotyczne sinice i bakterie żyjące w wodzie gejzerów wytrzymują odpowiednio temperatury do 75 i 90°C, a hipertermofilne archebakterie z głębi oceanów - do 110°C.

Przystosowania roślin do życia w wysokiej temperaturze to unikanie przegrzania, któremu sprzyja pokrycie powierzchni liści kutnerem lub wytworzenie na niej warstwy wosku odbijającego światło. Intensywna transpiracja roślin dobrze zaopatrzonych w wodę zapobiega przegrzaniu liści. Ponadto inne przystosowania podobne do tych, które ograniczają transpirację w warunkach deficytu wody (np. małe rozmiary liści, ich ustawienie równolegle do kierunku padania promieni słonecznych), stanowią elementy strategii unikania przegrzania. Natomiast tolerowanie wysokiej temperatury przez rośliny klimatu tropikalnego i wiele roślin strefy klimatu umiarkowanego jest związane ze zwiększoną termostabilnością wielu enzymów oraz z większym udziałem nasyconych kwasów tłuszczowych w lipidach błon. Zwiększa to stabilność błon, zapobiegając ich upłynnianiu pod wpływem wysokiej temperatury. Również indukowana przez wysoką temperaturę synteza białek szoku cieplnego (HSP, heat shock protein), które chronią struktury komórkowe przed skutkami stresu, odgrywa istotną rolę w tolerowaniu wysokiej temperatury. Aklimatyzacja roślin do wysokiej temperatury (hartowanie) zachodzi stosunkowo łatwo w wyniku krótkiego (nieraz kilkugodzinnego) traktowania ich temperaturą wywołującą już reakcję stresową, ale jeszcze nie letalną. Dla większości roślin lądowych jest to temperatura niewiele przekraczająca 35°C, dla traw 38-40°C. Utrata odporności (rozhartowanie) zachodzi wolniej; konieczny jest kilkudniowy wzrost w temperaturze zbliżonej do optymalnej. Podczas aklimatyzacji roślin zachodzi przebudowa błon: zastąpienie nienasyconych kwasów tłuszczowych w cząsteczkach lipidów przez reszty kwasów nasyconych. 4 . 4 . 4 . 2 . Stres s p o w o d o w a n y niską temperaturą Ze względu na zakres temperatury letalnej oraz na mechanizmy zaangażowane w odporność roślin na niską temperaturę wyróżnić można trzy grupy roślin.

1 8 6 • Fizjologiaplonowaniaroślin

• Rośliny wrażliwe na chłód, które ulegają uszkodzeniom i giną w temperaturze wyższej od 0°C (5°, 10°, a nawet 15°C). Należy tutaj większość roślin zielnych i niektóre rośliny drzewiaste gorącego klimatu, glony ciepłych wód oceanicznych oraz pewne grzyby. W grupie tej można wyróżnić rośliny, których wszystkie organy są wrażliwe na chłód, oraz rośliny, u których uszkodzeniom ulegają tylko niektóre organy (primordia i pąki kwiatowe, owoce, a także niekiedy inne organy, np. korzenie). • Rośliny wrażliwe na zamarzanie tolerują obniżenie temperatury poniżej 0°C, ale ulegają uszkodzeniom poniżej temperatury, w której rozpoczyna się krystalizacja wody w komórkach. Należy tutaj wiele roślin strefy umiarkowanej, rośliny drzewiaste strefy subtropikalnej i tropikalnej oraz glony chłodnych wód oceanicznych i słodkich. Rośliny tej grupy dysponują często mechanizmami obniżającymi temperaturę krystalizacji wody, co pozwala uniknąć powstawania wewnątrzkomórkowego lodu i przeżyć w umiarkowanie ujemnej temperaturze. • Rośliny tolerujące zamarzanie zdolne są, po okresie wzrostu, przeżyć pozakomórkową krystalizację wody i związane z tym odwodnienie komórek. Należą tu dwu- i wieloletnie rośliny lądowe zasiedlające tereny o mroźnych zimach, mchy i niektóre glony. Niektóre rośliny tej grupy tolerują spadki temperatury do -50°C, a nawet do -70°C. Uszkodzenia wywołane chłodem (niską dodatnią temperaturą) to przede wszystkim zakłócenia krążenia cytoplazmy i procesu fotosyntezy (uszkodzenie błon tylakoidów i dysfunkcja fotoukładu PS II), a następnie innych błon i rozregulowanie metabolizmu. Podłożem uszkodzeń spowodowanych chłodem jest zmiana struktury i funkcjonowania niektórych domen w błonach, co jest wynikiem przejścia dwuwarstwy lipidowej z fazy płynno-krystalicznej w usztywnioną fazę żelu. Wkutek tego zwiększa się szybkość powstawania reaktywnych form tlenu (ROS) i pojawia się wtórny stres oksydacyjny. Równolegle do zmian struktury błon następuje ich depolaryzacja i otwarcie kanałów wapniowych, wywołując nagłe zwiększenie stężenia jonów Ca 2+ w cytoplazmie, co prowadzi do zakłóceń metabolicznych. Jeśli rośliny wrażliwe na chłód podda się działaniu niskiej temperatury powyżej poziomu letalnego, mogą ulegać aklimatyzacji - zwiększa się ich odporność na ten stresor. Podczas aklimatyzacji (hartowania) zwiększa się zawartość nienasyconych kwasów tłuszczowych w fosfo- i glikolipidach błon, co powoduje obniżenie temperatury, w której następuje zmiana struktury błon. Uszkodzenia wywołane mrozem są związane z krystalizacją wody (powstawaniem lodu) w tkankach. Krystalizacja wody w komórce prowadzi do zniszczenia struktur protoplastu i najczęściej do śmierci komórki. Jednakże najwcześniej (w najwyższej temperaturze) zamarza woda w tych częściach rośliny, gdzie ma ona najwyższy (najmniej ujemny) potencjał wody, a więc w peryferycznie położonych wiązkach naczyniowych i przestworach międzykomórkowych w częściach nadziemnych, gdzie powstałe zakłócenia są znacznie mniej szkodliwe. Podobnie wygląda sytuacja podczas zamarzania wody w przestrzeniach międzytkankowych, np. między łupiną nasienną a zarodkiem w nasieniu lub między łuskami pąka. Tworzenie się lodu jest w pewnym stopniu regulowane przez obecność z jednej strony czynników przyspie-

4.4. Kotlzujc stresów • 1 8 7

szających powstawanie zarodków lodu (nukleację), a z drugiej - luźno związanych ze ścianą komórkową białek, które opóźniają krystalizację i modyfikują kształt powstających kryształów. Pozakomórkowa (i pozatkankowa) krystalizacja wody powoduje zmniejszenie prężności pary wodnej i powstanie gradientu potencjału wody między środowiskiem pozakomórkowyn a wnętrzem komórki. Woda przemieszcza się zgodnie z tym gradientem, co prowadzi do odwodnienia komórki, jej skurczu i powstania wtórnego stresu wodnego (dehydratacyjnego) ze wszystkimi jego konsekwencjami (patrz rozdz. 4.4.2). Stres ten jest główną przyczyną uszkodzeń mrozowych. Odporność roślin na mróz jest w pewnym stopniu wynikiem zapobiegania zamarzaniu, opóźniania lub niedopuszczania do strat ciepła. Izolacja wrażliwych wierzchołków wzrostu pędów przez gęsto rosnące liście roślin rozetowych jest jednym ze sposobów opóźniania przechłodzenia. Innym sposobem jest zimowanie płożących się roślin pod warstwą liści lub ściółki. Jednak podstawowym mechanizmem odporności jest unikanie zamarzania komórki przez obniżenie temperatury powstawania lodu, przede wszystkim dzięki obecności substancji rozpuszczonych w soku wakuolarnym. W małych, ściśle upakowanych i słabo zwakuolizowanych komórkach woda może ulec głębokiemu przechłodzeniu: nie powstają kryształy lodu mimo schłodzenia do temperatury niższej niż punkt zamarzania soku komórkowego. Odporność na chód i mróz roślin tych stref klimatycznych, w których występują sezonowe zmiany temperatury, wykazuje okresowe wahania: najmniejsza w okresie wiosennego intensywnego wzrostu, zwiększa się jesienią, gdy wzrost jest hamowany przez obniżającą się temperaturę w warunkach skracającego się dnia. Zwiększenie odporności w tym okresie wiąże się często z zapadaniem organów (np. pąków) i całych roślin w stan spoczynku. Aklimatyzacja do mrozu roślin drzewiastych rozpoczyna się od indukowanego krótkim fotoperiodem gromadzenia skrobi zapasowej i prostych tłuszczów w komórkach parenchymatycznych pni i gałęzi. Substancje te są wykorzystywane w następnym etapie aklimatyzacji, indukowanym przejściowymi spadkami temperatury do około 0°C, w procesach zwiększających tolerancję na dehydratację: do przebudowy i zmian właściwości fizykochemicznych podstawowych struktur komórkowych i do syntezy specyficznych białek. Z kolei silne odwodnienie komórek - następujące pod wpływem długotrwałego spadku temperatury poniżej 0°C - umożliwia ich przeżycie nawet w bardzo niskiej temperaturze. Aklimatyzacja dwu- i wieloletnich roślin zielnych zachodzi w temperaturze 2-5°C i rozpoczyna się od zahamowania wzrostu elongacyjnego, gromadzenia materiałów zapasowych i związków osmotycznie czynnych, zmian aktywności wielu dróg metabolicznych i zwiększenia stopnia nienasycenia lipidów błon. Prowadzi to do wznowienia ograniczonego wzrostu, często do zmiany pokroju pędów i liści, a przede wszystkim do zwiększenia o kilka °C odporności na niską temperaturę. Pod wpływem przejściowego działania przymrozków (-1 do -3°C) przebudowuje się ostatecznie struktura błon komórkowych, ułatwiając częściową dehydratację protoplastu i w ten sposób zapobiegając uszkodzeniom mrozowym.

1 8 8 • Fizjologiaplonowaniaroślin

4.4.5. Stres solny Stres spowodowany zbyt dużym stężeniem soli (głównie NaCl) występuje u roślin zasiedlających niektóre środowiska wilgotne, np. bagniste rejony u wybrzeży mórz, a także suche rejony w głębi lądu, w których szybkość parowania znacznie przewyższa natężenie opadów (np. obrzeża pustyń). Zasolenie może być również wynikiem działalności człowieka (np. zimowe solenie dróg). Rośliny zajmujące siedliska zasolone to halofity (słonorośla), w odróżnieniu od roślin z terenów niesionych, które nazywamy glikofitami, a niekiedy gliptofitami. Większość roślin uprawnych to glikofity. Różnią się one zakresem odporności na zasolenie, podobnie jak halofity. Wyróżnia się halofity fakultatywne (znoszące zasolenie) i obligatoryjne (wymagające do wzrostu stężenia NaCl powyżej 0,5%). Niektóre halofity mogą gromadzić w wakuolach NaCl w stężeniach do 10%. Skutkami dużego stężenia soli w glebie (stresu solnego) są: 1. Ograniczenie dostępności wody dla rośliny. Zmniejszone pobieranie wody powoduje odwodnienie komórek, obniżenie ciśnienia turgorowego i zahamowanie wzrostu. Zahamowanie wzrostu korzeni dodatkowo ogranicza pobieranie wody. 2. Zwiększone stężenie jonów w komórce wywołuje zmianę stanu fizycznego wody oraz modyfikuje jej oddziaływanie z błonami i białkami. Prowadzi to do stabilizacji quasi-krystalicznej struktury wody, zmniejszając powierzchnię kontaktu wody z fosfolipidami, lub/także do destabilizacji białek, co sprzyja tworzeniu się w błonach struktur micelarnych zamiast struktury dwuwarstwowej. 3. Nadmiar niektórych jonów (szczególnie Na + i Cl") prowadzi do zakłóceń w gospodarce jonowej rośliny, ograniczając pobieranie innych jonów niezbędnych do prawidłowego rozwoju. Gdy wymienione skutki stresu przekroczą poziom, który toleruje roślina, dochodzi do zaburzeń funkcjonalnych i uszkodzeń. Stresem zostaje dotknięta gospodarka wodna rośliny, transport jonów i metabolitów, fotosynteza, oddychanie i fosforylacje. Zwiększa się produkcja reaktywnych form tlenu (ROS) i dochodzi do wtórnego stresu oksydacyjnego. Objawia się to żółknięciem liści, pojawianiem się plam nekrotycznych i zamieraniem tkanek. Zahamowaniu ulegają podziały komórek kambium i stożków wzrostu. Odporność roślin na zasolenie polega na usuwaniu nadmiaru soli z organizmu lub/i tolerowanie skutków zwiększonego stężenia soli. • Unikanie zasolenia to przede wszystkim regulacja transportu jonów, który odbywa się przez kanały jonowe (Na + i Cl"), przez antyport Na + /H + , oraz z udziałem pompy protonowej, H + -ATPazy. Regulacja ta zachodzi 1) w plazmolemie komórek epidermy korzenia, gdzie jony i woda wnikają do rośliny, 2) w tonoplaście i plazmolemie gruczołów solnych, które uczestniczą w wydzielaniu soli na zewnątrz, 3) w tonoplaście komórek korzenia i pędu, gdzie następuje transport jonów i ich sekwestracja. Prowadzi to do akumulacji soli w wakuolach (kompartmentacja), co zabezpiecza cytoplazmę oraz chloroplasty i mitochondria przed negatywnymi skutkami działania soli, a ponadto obniża potencjał osmotyczny soku wakuolarnego i ułatwia przepływ wody z otoczenia do komórki.

4.4. Rodzaje stresów • 1 8 9

• Tolerowanie zasolenia przez niektóre rośliny jest wynikiem syntezy i akumulacji substancji kompatybilnych (niektóre aminokwasy czwartorzędowe aminy, poliole i niektóre cukry). Obecność tych substancji utrzymuje równowagę osmotyczną między cytoplazmą i wakuolą, a także chroni strukturę białek i błon przed ujemnymi skutkami działania soli. Ponadto w roślinach poddanych kilkugodzinnemu działaniu zwiększonego stężenia soli rozpoczyna się synteza białek stresu solnego, m.in. osmotyn, które pełnią rolę ochronną w stosunku do struktur komórkowych. Białka te wykazują duże podobieństwo do białek indukowanych przez inne stresy.

4.4.6. Stres powodowany zanieczyszczeniami środowiska W atmosferze ziemskiej, glebie i wodach znajduje się wiele substancji, których stężenie może osiągnąć poziom toksyczny dla roślin. Niektóre z tych substancji mają pochodzenie naturalne, jak wulkaniczna emisja S0 2 , powstawanie tlenków azotu w wyniku wyładowań elektrycznych, wydzielanie H 2 S przez środowiska bagienne lub produkowanie przez rośliny jednego gatunku (a także przez inne organizmy np. bakterie) substancji szkodliwych dla innych roślin. Wiele substancji zanieczyszczających środowisko jest wynikiem działalności człowieka (presja antropogeniczna). Wśród nich wyróżnia się zanieczyszczenia ksenobiotyczne - substancje obce dla rośliny, powstające w wyniku nadmiernego zużycia paliw kopalnych, procesów przemysłowych, motoryzacji, chemikaliów stosowanych w rolnictwie (np. pestycydy, herbicydy, insektycydy) i gospodarstwie domowym. Natomiast zanieczyszczenia biotyczne to produkty rozpadu odpadów organicznych powstających np. w gospodarstwach hodowlanych, w przemyśle spożywczym, a także w wyniku zbyt intensywnego nawożenia. Należą tutaj węglowodory (głównie metan) i amoniak. Działanie toksycznych zanieczyszczeń (polutantów) w stężeniach szkodliwych dla roślin oczywiście zachodzi w pobliżu miejsc wytwarzania i/lub składowania. Większość polutantów może być też przemieszczana na znaczne odległości z wiatrem, w wodzie podskórnej, z prądem rzek i prądami morskimi, co powoduje nieraz skażenie znacznych obszarów. Uwalnianie polutantów ze źródła i ich rozprzestrzenianie określa się jako emisję, natomiast ich pojawienie się w jakimś środowisku (na skutek wytwarzania lub dopływu) - jako imisję. Zanieczyszczenia znajdujące się w powietrzu, jako gaz lub zawiesina, dostają się do roślin przez rozwarte szparki, a niektóre (np. S 0 2 i NÓ 2 ) - przez kutykulę. Natomiast polutanty glebowe i rozpuszczone w wodzie są pobierane przez system korzeniowy, podobnie jak jony (patrz rozdz. 2.2). Pobrane przez roślinę substancje toksyczne powodują uszkodzenia objawiające się 1) zahamowaniem wzrostu, 2) zmniejszeniem lub stymulacją aktywności wielu enzymów, czego skutkiem jest rozregulowanie metabolizmu, np. zaburzenia w przebiegu fotosyntezy, i wtórny stres oksydacyjny, 3) zakłóceniem transportu metabolitów. Jeśli stężenia polutantów są większe, a czas ekspozycji dłuższy, to uszkodzenia te przejawiają się w postaci plam nekrotycznych na liściach, obumierania organów i w końcu śmiercią rośliny. Charakter uszkodzeń zależy od rodzaju polutanta, ale także od wrażliwości rośliny. Skażenie środowiska, w którym rosną rośliny uprawne, powoduje zawsze obniżenie plonu rolniczego, a często również skażenie tego plonu.

1 9 0 • Fizjologiaplonowaniaroślin

Niektóre polutanty po wniknięciu do rośliny włączają się do istniejących dróg metabolicznych. Na przykład S 0 2 i H 2 S po utlenieniu do siarczanów włączają się w asymilacyjny metabolizm siarki, którego końcowym etapem są aminokwasy cysteina i metionina. Jednak ograniczona wydajność tej drogi powoduje, że jeśli stężenie polutanta jest duże, to z S 0 2 gromadzącego się w cytoplazmie powstaje kwas siarkawy, który hamuje fotosyntetyczny metabolizm węgla, wiążąc się z rubisco (patrz rozdz. 2.3). Ponadto H 2 S0 3 utlenia się do H 2 S0 4 , przy czym tworzą się rodniki nadtlenkowe (ROS), co wywołuje wtórny stres oksydacyjny, a także prowadzi do zakwaszenia środowiska komórki. Podobnie tlenki azotu N O i N 0 2 po uwodnieniu do jonów N0 2 ~ i N0 3 ~ ulegają redukcji w chloroplastach do jonów NH 4 + , które są włączane do aminokwasów. Jednakże równolegle następuje pod wpływem promieniowania UV fotoliza N 0 2 do NO i aktywnego tlenu, który reaguje z 0 2 , tworząc ozon (0 3 ). Wytwarzanie ozonu z udziałem tlenków azotu jest przyczyną powstawania, wraz z innymi zanieczyszczeniami atmosfery, mglistej zawiesiny - smogu. Tlenki siarki i azotu utleniając i uwadniając się w atmosferze tworzą kwasy siarkowy, siarkawy, azotowy i azotawy, które opadając na ziemię powodują znaczne szkody w roślinności. Zjawisko to znane jest jako kwaśne deszcze. Współczynnik kwasowości (pH) takiego deszczu wynosi około 5, a w krańcowych przypadkach spada nawet do 3. Kwaśne deszcze wymywają z liści i gleby kationy ważne dla życia rośliny, jak Mg +2 , K + , Ca + 2 (patrz rozdz, 2.2.2). Skutkiem kwaśnych deszczów jest zmiana struktury gleby i jej zakwaszenie, zanik grzybów mikoryzowych, a przede wszystkim uszkodzenie organów asymilacyjnych i zahamowanie fotosyntezy, spowodowane zahamowaniem aktywności enzymów fotosyntctycznych w niskim pH i brakiem niektórych mikroelementów. Występuje chloroza liści, spowolnienie wzrostu i zwiększenie podatności na atak pasożytów i szkodników.

Inną grupą polutantów są substancje szkodliwe, które po wniknięciu do rośliny nie włączają się w jej metabolizm. Należą tutaj przede wszystkim jony metali ciężkich (Cd, Cr, Fe, Hg, Pb, Zn) występujące w znacznych stężeniach w glebach, które pokrywają skały kruszconośne albo znajdują się w pobliżu hałd, zakładów metalurgicznych, a także w glebach i kurzu w pobliżu szos (głównie Pb). Metale ciężkie gromadzą się w tkankach roślin i krążą w łańcuchu pokarmowym, stwarzając zagrożenie dla roślinożerców, a w kolejności także dla człowieka. Toksyczne skutki zbyt dużych stężeń jonów metali ciężkich powodują zaburzeniu w funkcjonowaniu błon, inaktywację wielu enzymów uczestniczących w metabolizmie podstawowym komórki, a także zakłócenia fotosyntetycznego i mitochondrialnego transportu elektronów, co prowadzi do rozregulowania bilansu energetycznego i zahamowania wzrostu rośliny. Większość roślin reaguje na niewielkie stężenia tych jonów. Niemniej u niektórych gatunków powstały mechanizmy pozwalające uniknąć szkodliwych skutków tych zanieczyszczeń i umożliwiające wzrost w skażonych środowiskach. Mechanizmy te to: 1. redukcja pobierania, 2. unieruchomienie (immobilizacja) toksycznych jonów w ścianie komórkowej, 3. utrudnienie przemieszczania się jonów przez zewnętrzne warstwy protoplazmy, 4. chelatowanie toksycznych jonów w cytoplazmie przez białka (tioneiny) i polipeptydy (fitochelatyny), których syntezę indukują metale ciężkie; kompleks fitochelatyny z metalem przemieszcza się do wakuoli,

4.4. kodzuje slresów • 191

5. unieruchamianie (kompertmentacja) jonów metali w wakuoli przez wiązanie ich w kompleksy z hydroksykwasami organicznymi, fenolami i glikozydami, 6. usuwanie toksycznych jonów poza komórkę w drodze aktywnego transportu. Niektóre rośliny są zdolne do akumulacji metali ciężkich (bez objawów uszkodzeń) w stężeniach sięgających 0,8 g • kg 1 . Rośliny takie (metalofity), uprawiane w skażonych metalem środowiskach, są wykorzystywane do usuwania polutanta z gleby (fitoremediacja). Poza wspomnianymi już, w środowisku mogą znaleźć się inne substancje szkodliwe dla roślin, np. herbicydy służące do tępienia chwastów, produkty destylacji ropy naftowej służące do ochrony roślin sadowniczych przed przymrozkami, powstające również w rafineriach lipofilowe węglowodory policykliczne, a także aldehydy używane w produkcji polimerów i wiele innych substancji stanowiących zanieczyszczenia antropogeniczne.

4.4.7. Rośliny - bioindykatory zanieczyszczeń Tak jak kiedyś ptaki trzymane w klatkach w kopalniach ostrzegały swoim zachowaniem przed niebezpieczeństwem powodowanym przez pojawienie się gazów wybuchowych, również rośliny wrażliwe na zanieczyszczenia są wykorzystywane do informowania o szkodliwych zanieczyszczeniach w środowisku. Mówimy o roli bioindykacyjnej roślin. Bioindykatorami są organizmy lub zespoły organizmów, które są wrażliwe na zanieczyszczenia i reagują na nie albo zaburzeniami procesów życiowych, albo akumulacją polutanta. Organizmy wskaźnikowe reagują na zmianę warunków środowiska zmianą szybkości wzrostu. Zmiany w składzie flory są dobrym wskaźnikiem długotrwałego stresu. Organizmy testowe charakteryzują się dużą, selektywną wrażliwością na pewne rodzaje zanieczyszczeń. Pozwalają wykryć obecność fitotoksycznych substancji w środowisku, a także określić ich stężenie, wykorzystując biochemiczne, fizjologiczne i morfologiczne kryteria wrażliwości. Dzięki specyficznym reakcjom niektórych roślin (organizmy testowe) można śledzić (jakościowo, ale także ilościowo) powstawanie sytuacji stresowych.

5 Fizjologia plonowania roślin

•JM

5.1. Plon i plonowanie

M

Plon jest to część rośliny uprawnej stanowiąca określoną wartość gospodarczą. Może nim być albo cała część nadziemna rośliny, np. warzywa liściowe (szpinak, sałata), organy spichrzowe, np. cebule, bulwy ziemniaka, korzenie marchwi, łodygi trzciny cukrowej, organy reprodukcyjne, np. owoce jabłoni, ogórka, pomidora, strąki fasoli, grochu, nasiona lnu czy ziarniaki zbóż. Plonem są także kwiaty ozdobne czy cała wegetatywna część rośliny przeznaczona na paszę dla zwierząt (np. kukurydza). Plony często dzieli się na plony biologiczne i rolnicze. Plon biologiczny jest to cała masa biologiczna (biomasa) wytworzona przez rośliny podczas ich życia. Plon rolniczy natomiast to użyteczna i użytkowana masa biologiczna roślin zbierana przez człowieka z upraw roślin hodowanych w celach gospodarczych. W plonie rolniczym rozróżnić można plon główny i plon uboczny. Plon główny są to te części czy organy, które stanowią główny obiekt zainteresowania (np. korzenie buraków, ziarniaki zbóż), natomiast plon uboczny stanowią inne części roślin, np. słoma, plewy, liście buraków lub nasiona lnu włóknistego. Plony ocenia się za pomocą dwu kryteriów: ilości (wielkości) i jakości. Wielkość lub ilość plonu (urodzaj) wynika z plenności uprawianych roślin. Plenność jest to dziedziczna właściwość gatunków lub odmian decydująca o tym, że stosunek biomasy użytecznej gospodarczo do masy ogólnej jest u takich roślin korzystny. Jakość plonów można rozpatrywać w trzech aspektach: konsumpcyjnej wartości plonu, paszowe^ (pastewnej) wartości plonu, bądź wartości technologiczno-przemysłowej. Inaczej ocenia się jakość plonów roślin przyprawowych, smakowych czy też kwiatowych.

5.3. Fizjologiczne podstawy plonowania roślin • 1 9 3 fotosynteza całkowita

fotosynteza netto plon użytkowy (rolniczy)

straty suchej masy (oddychanie, fotooddychanie, stresy abiotyczne i biotyczne)

sucha masa części nieużytkowej

Rys. 5.1. Udziaf fotosyntezy w produkcji biomasy i plonu rolniczego

Ilość i jakość plonów zależy od właściwości genetycznych roślin oraz od panujących warunków środowiskowych, wśród których bardzo ważne jest światło, temperatura, skład chemiczny i jakość gleby oraz dostępność wody. Istotny wpływ na plon mają także choroby infekcyjne, patogeny oraz szkodniki. Na plonowanie, czyli ilość i jakość plonu roślin uprawnych, znaczący wpływ ma też agrotechnika (uprawa roli, nawożenie, zabiegi pielęgnacyjne, zbiór plonu). Plonowanie jest to więc zdolność roślin do wytwarzania biomasy znajdującej określone zastosowanie gospodarcze. Na plonowanie wielki wpływ wywierają: cechy genetyczne roślin, warunki glebowe i klimatyczne, przebieg procesów fizjologicznych w trakcie wegetacji oraz technologia uprawy. Ostateczna ilość i jakość plonów jest wynikiem oddziaływania tych wszystkich czynników. W produkcji biomasy i plonu rolniczego decydującą rolę odgrywa proces fotosyntezy (patrz rozdz. 2.3; rys. 5.1). Podstawowe znaczenie ma intensywność i czas trwania fotosyntezy, jak również wielkość powierzchni fotosyntetyzującej.

5.2. Produkcyjność i produktywność roślin P r o d u k c y j n o ś ć roślin jest to ogólna ilość wytworzonej biomasy roślin niezależnie od jej przydatności użytkowej. Produktywność roślin natomiast to ilość wytworzonej biomasy użytkowej (plonu rolniczego) w jednostkach suchej masy przypadających na jednostkę powierzchni gleby w określonym czasie. Wielkość plonowania i ilość uzyskanych plonów są uwarunkowane zarówno produkcyjnością jak produktywnością i plennością roślin. Wysoko produkcyjne rośliny wytwarzają dużo biomasy, lecz plenne są tylko te, u których stosunek biomasy użytecznej do ogólnej jest korzystny.

5.3. Fizjologiczne podstawy plonowania roślin Wielkość produkcji biomasy jest wynikiem akumulacji związków organicznych, mineralnych i wody. Udział składników mineralnych jest mały i wynosi zaledwie kilka procent. Sucha masa wytworzonej biomasy jest różnicą między aktywnością fotosyntetyczną a łącznymi stratami wywołanymi procesami dysymilacji (patrz rozdz. 2.4;

1 9 4 • Fizjologia plonowania roślin

oddychanie i 2.3.4.2 fotooddychanie). Oceniając produktywność roślin, bierze się pod uwagę wielkość wytworzonej suchej masy w określonym czasie (doba, rok). Produktywność jest zatem wynikiem wpływu różnych czynników środowiskowych na intensywność procesów fotosyntezy i dysymilacji. Najważniejszymi są światło, temperatura, stan gleby, dostępność wody. Produktywność zespołów roślinnych jest to ilość biomasy wytworzona w jednostce czasu przez rośliny występujące na określonej powierzchni. W rolnictwie przelicza się produktywność na hektar uprawy. Jako miarę czasu przyjmuje się okres wegetacji bądź rok kalendarzowy. Obecnie do upraw rolniczych wykorzystuje się około 180 gatunków roślin. Dominuje jednak tylko kilka gatunków (pszenica, jęczmień, ryż, kukurydza, soja, ziemniak, burak cukrowy, maniok), które dostarczają około 90% żywności pochodzenia roślinnego (tab. 5.1). Tabela 5.1. Średnie plony ważnych roślin uprawnych (t • ha"') w 1988 r. (Wg: Starek 2002. Fizjologia roślin. PWN, Warszawa, zmodyfikowane) Średnia* światowa

Roślina Pszenica Żyto Jęczmień Kukurydza Soja Ziemniaki Burak cukrowy

2,31 1,98 2,21 3,20 1,69 14,87 34,52

* Według FAO 1989

Do pomiaru produktywności fotosyntezy i oceny wielkości wyprodukowanej biomasy stosuje się analizę wskaźnikową wzrostu. Dotyczyć ona może pojedynczych roślin, łanu lub całego zespołu roślinnego. W przypadku pojedynczych roślin stosuje się wskaźnik ulistnienia roślin LAK. Jest to stosunek powierzchni organów asymilacyjnych (A) do całej masy rośliny (W):

LAR=A

w

Porównując masę liści (WL) z masą całej rośliny (W) uzyskujemy wskaźnik masy liści (LWR) W Innym wskaźnikiem jest jednostkowa produktywność liści (ULR). Jest to przyrost suchej masy rośliny (dW) przeliczony na jednostkę czasu (dt) i jednostkę powierzchni liściowej (A)

5.3. Fizjologiczne podstawy plonowania roślin* 1 9 5 ULR

= ± . ^ A dt

Wskaźnik ten wyraża różnicę między intensywnością procesów fotosyntezy a intensywnością procesów dysymilacyjnych. Wskaźnikiem przedstawiającym względną intensywność wzrostu roślin jest RGR. Jest to przyrost suchej masy (dW) w przeliczeniu na jednostkę aktualnie istniejącej masy (W) w określonym czasie (dt) R G R = ± ™ W dt Wskaźnik ten znajduje także zastosowanie do oznaczania dynamiki rozkładu i wykorzystywania związków zapasowych podczas kiełkowania nasion, bulw i innych organów rozmnażania. W badaniach produktywności i plonowania zbiorowisk (tanów) stosowane są wskaźniki: powierzchni liści łanu (LAI), intensywności asymilacji netto łanu (NARc), oraz szybkości wzrostu łanu (CGR). Wskaźnik powierzchni liści łanu jest to stosunek powierzchni organów asymilacyjnych łanu (A