Jak se rostliny přizpůsobují nepříznivým podmínkám?

Rostliny jsou velmi často vystaveny nepříznivým faktorům prostředí. Mezi takové faktory patří půdní a atmosférické sucho, nízké a vysoké teploty, nadbytek solí a nedostatek kyslíku v půdě, působení škodlivých plynů atd. Různé rostliny reagují na nepříznivé faktory prostředí různě. Někteří dobře snášejí působení extrémních faktorů, jiní trpí vážně a jiní tyto vlivy nesnášejí a umírají. V tomto ohledu se rozlišují odolné a nestabilní druhy a odrůdy rostlin. Schopnost rostlin udržet si relativně stabilní stav (homeostázu) za měnících se podmínek prostředí se nazývá stabilita. Je založena na genetické adaptabilitě na měnící se podmínky prostředí – přizpůsobování.

Když je rostlina vystavena nepříznivým podmínkám, vzniká v ní napjatý stav – stres, mobilizace ochranných sil těla. Důležitá je rychlost, s jakou se nežádoucí účinek zvyšuje. S pomalým rozvojem nepříznivých podmínek se jim tělo snadněji přizpůsobuje, a kalení, těch. reverzibilní fyziologická adaptace na změněné podmínky. Odolnost rostlin se v přírodě liší. Může to být založeno na vyhýbání se akci nepříznivý faktor. Například rostliny s krátkou vegetační dobou stihnou vyprodukovat plnohodnotná semena ještě před začátkem sucha. Mnoho rostlin má ochranná zařízení, která snižují ztrátu vody: vysoce vyvinutá kutikula, malé pubescentní listy, zapuštěné průduchy atd. Dalším typem udržitelnosti je vytrvalost, tedy schopnost v procesu adaptace přeskupit jak rychlost, tak směr metabolických procesů tak, že za změněných podmínek jsou možné životní procesy.

Odolnost rostliny vůči nepříznivým faktorům závisí na fázi jejího vývoje. Rostliny jsou nejodolnější, když jsou v klidu. U dřevin je fáze klíčení semen, tvorba a růst semenáčků kritický období. V tomto období jsou rostliny velmi citlivé na nepříznivé podmínky a výrazně snižují svou produktivitu.

Odolnost proti mrazu. Mrazuvzdornost je chápána jako schopnost rostlin bez újmy snášet teploty pod 0°C. Příčinou poškození rostlin při mrazu je dehydratace cytoplazmy způsobená tvorbou ledu v mezibuněčných prostorech. Poté dochází k denaturaci membránových proteinů. Porušení struktury membrány vede ke ztrátě selektivní permeability a buněčné smrti.

Ani v nejkrutějších zimách však mnoho rostlin, včetně dřevin, neuhyne. Jejich mrazuvzdornost je spojena s řadou fyziologických a biochemických přestaveb zaměřených na zachování struktury cytoplazmy a jejích vlastností. Zvýšená mrazuvzdornost je usnadněna hromaděním různých ochranných látek – cukrů, volných aminokyselin, solí organických a anorganických kyselin. Tyto látky snižují bod tuhnutí roztoků v buňce a snižují množství volné vody schopné tvorby ledu.

Dřeviny se v zimě postupně připravují na nízké teplotní podmínky. Proces otužování začíná dlouho před nástupem chladného počasí. Startovacím signálem otužování je zkrácení délky dne, pokles teploty a přechod rostlin do klidového stavu. Proces otužování, který začal na podzim, pokračuje i v zimě. Největší mrazuvzdornost mají dřeviny při největších mrazech. Patří sem bříza, osika, olše šedá, smrk, borovice, jedle, modřín a mnoho dalších dřevin.

Zimní odolnost. Komplexní odolnost rostlin vůči všem nepříznivým faktorům zimy se nazývá zimní odolnost. V zimě nebo brzy na jaře se mohou vyskytnout nepříznivé jevy jako ubývání, promáčení, vyboulení a zimní sucho.

rozklad pozorováno u ozimých a ovocných plodin. Zvlášť výrazné je to v zimě, kdy na rozmrzlou zem padá hustá sněhová pokrývka. Kořenový systém stromových kultur a spodní část kmenů má teplotu kolem 0°C a nadzemní část nad sněhem má nízkou zápornou teplotu. Za takových podmínek je pozorováno intenzivní dýchání a plýtvání rezervními látkami u kořenů a na dně kmene. Živé prvky kůry a kambia těchto částí odumírají vyčerpáním a toxikózou způsobenou působením škodlivých metabolických produktů.

vsáknutí ven pozorováno na jaře, kdy po tání sněhu zůstávají některé rostliny pod vodou. U rostlin se zvyšuje anaerobní dýchání a umírají vyčerpáním a otravou. Když voda z tajícího ledu zamrzne, vytvoří se ledová krusta, která zvyšuje anaerobiózu a čistě mechanicky poškozuje rostliny.

Odolnost proti mrazu. Mrazuvzdornost je chápána jako schopnost rostlin bez újmy snášet teploty pod 0′ C Důvodem poškození rostlin při mrazu je dehydratace cytoplazmy způsobená tvorbou ledu v mezibuněčných prostorech. Poté dochází k denaturaci membránových proteinů. Porušení struktury membrány vede ke ztrátě selektivní permeability a buněčné smrti.

Ani v nejkrutějších zimách však mnoho rostlin, včetně dřevin, neuhyne. Jejich mrazuvzdornost je spojena s řadou fyziologických a biochemických přestaveb zaměřených na zachování struktury cytoplazmy a jejích vlastností. Zvýšená mrazuvzdornost je usnadněna hromaděním různých ochranných látek – cukrů, volných aminokyselin, solí organických a anorganických kyselin. Tyto látky snižují bod tuhnutí roztoků v buňce a snižují množství volné vody schopné tvorby ledu.

Dřeviny se v zimě postupně připravují na nízké teplotní podmínky. Proces otužování začíná dlouho před nástupem chladného počasí. Startovacím signálem otužování je zkrácení délky dne, pokles teploty a přechod rostlin do klidového stavu. Proces otužování, který začal na podzim, pokračuje i v zimě. Dřeviny mají největší mrazuvzdornost v největších mrazech. Patří sem bříza, osika, olše šedá, smrk, borovice, jedle, modřín a mnoho dalších dřevin.

Zimní odolnost. Komplexní odolnost rostlin vůči všem nepříznivým faktorům zimy se nazývá zimní odolnost. V zimě nebo v předjaří se mohou vyskytnout nepříznivé jevy jako ubývání, promáčení, vyboulení a zimní sucho.

rozklad pozorováno u ozimých a ovocných plodin. Zvlášť výrazné je to v zimě, kdy na rozmrzlou zem padá hustá sněhová pokrývka. Kořenový systém stromových kultur a spodní část kmenů má teplotu asi 0°C a nadzemní část nad sněhem má nízkou zápornou teplotu. Za takových podmínek je pozorováno intenzivní dýchání a plýtvání rezervními látkami u kořenů a na dně kmene. Živé prvky kůry a kambia těchto částí odumírají vyčerpáním a toxikózou způsobenou působením škodlivých produktů látkové výměny.

vsáknutí ven pozorováno na jaře, kdy po tání sněhu zůstávají některé rostliny pod vodou. V rostlinách se zvyšuje anaerobní aktivita

lapají po dechu a umírají vyčerpáním a otravou. Když voda z tajícího ledu zamrzne, vytvoří se led kůra, který zvyšuje anaerobiózu a čistě mechanicky poškozuje rostliny.

vypouklý rostlin vzniká nerovnoměrným promrzáním půdy při silných mrazech a tvorbou vrstvy ledu v půdě, která nadzvedává vrchní vrstvu půdy. V tomto případě jsou kořeny roztrhané. Po rozmrazení se půda usadí, rostliny skončí na povrchu a uschnou.

Z zimní sucho stromy a keře trpí. Jsou pod vysušujícím vlivem větru a slunce a ze zmrzlé půdy nepochází žádná voda.

Odolnost vůči suchu. Sucho se vyznačuje obdobím bez dešťů, poklesem relativní vlhkosti a zvýšením teplot půdy a vzduchu. Může být krátkodobý i dlouhodobý. V každém případě může u špatně adaptovaných rostlin dojít k nevratným změnám metabolismu a ultrastruktury. Při atmosférickém suchu se zvyšuje transpirace, ztrátu vody nestihnou nahradit kořeny a listy vadnou. Při suchu půdy se negativní vliv dehydratace ještě zesílí a růst se zastaví. Dlouhotrvající sucho vede k úhynu plodin a výsadeb. Odolnost vůči suchu rostliny se nazývají jejich schopnost odolávat dehydrataci a přehřátí, snášet atmosférické a půdní sucho s co nejmenším poškozením sebe a svých potomků. Typicky je odolnost vůči suchu kombinována s vysokou kapacitou buněčné cytoplazmy zadržovat vodu a relativně vysokým osmotickým tlakem buněčné mízy. Rostliny odolné vůči suchu se vyznačují xeromorfní strukturou listů, charakterizovanou zmenšením velikosti listové čepele a buněk mezofylu, velkým počtem průduchů a žilek na jednotku povrchu listu atd. V procesu evoluce, xerofyty – rostliny dobře přizpůsobené suchým stanovištím. Zvláštní skupinu představují efeméry – jednoleté raně dozrávající rostliny, které stihnou vyrůst, vykvést a vytvořit semena ještě před začátkem sucha. Stálý nedostatek vláhy v lesostepních a zejména stepních podmínkách vede nejen k poklesu produktivity dřevin, ale i k urychlení individuálního vývoje.

Odolnost vůči plynu. Průmyslové emise často obsahují plyny škodlivé pro rostliny – oxid siřičitý a anhydrid kyseliny sírové, oxid uhelnatý, fluor chlor, páry kyseliny chlorovodíkové atd. Ještě větším zdrojem znečištění ovzduší je motorová doprava. Pod vlivem plynných toxických látek jsou narušeny téměř všechny fyziologické funkce těla. Rostliny výrazně snižují svou produktivitu. Lišejníky jsou zvláště citlivé na plyny. Již jedna setina koncentrace jaderných zbraní, která je toxická pro vyšší rostliny, značně brzdí růst a vývoj lišejníků. To vysvětluje jejich absenci ve velkých městech. Z dřevin jsou na SO nejcitlivější, a NE jehličnany, odolné – túje, jalovec, anglický dub, americký javor, černý bez a některé další. Škodlivé plyny, hromadící se v atmosféře, silně okyselují dešťovou vodu. Pod vlivem „kyselých dešťů“ se stav lesů a jejich produktivita velmi zhoršily. Navíc poškozují úrodnost půdy.

Tuhé látky znečišťující ovzduší – cementový prach, oxidy těžkých kovů a saze svým vlivem také škodlivě působí na rostliny, dochází k oslabení fotosyntézy, zvýšenému dýchání listů, narušení výměny vody. V zóně působení prachových částic se výrazně snižují dekorativní vlastnosti dřevin.

Kontrolní otázky

1. Co je základem odolnosti rostlin vůči nepříznivým podmínkám prostředí?

2. Co je otužování?

3. Jak se rostliny vyhýbají nepříznivým podmínkám? 4. Jaký je rozdíl mezi pojmy „mrazuvzdornost“ a „zimovzdornost“? 5. Jaké jsou metody boje proti uvadnutí, smáčení a vyboulení rostlin?

6. Jak se rostliny vyhýbají ničivým účinkům sucha?

7. Jaký je nepříznivý vliv průmyslových emisí na rostliny?

8. Proč jehličnany trpí především ve velkých městech?

Ruští biologové identifikovali mechanismus, který pomáhá rostlinám „varovat“ jejich různé části před nebezpečím. Ukázalo se, že to dělají pomocí speciálních elektrických signálů, které snižují aktivitu fotosyntézy, což pravděpodobně připravuje tělo na přechod do režimu přežití během období sucha, jasného světla a tepla. To znamená, že takové elektrické signály by mohly být potenciálně použity ke konzervaci plodin v extrémních podmínkách. Výsledky práce podpořené grantem Ruské vědecké nadace (RSF) najdete na stránkách Frontiers in Plant Science.

Rostliny mohou přežít v extrémně extrémních podmínkách prostředí prostřednictvím procesu adaptace. Nepříznivé faktory prostředí (sucho, extrémní teplo atd.) spouští fyziologickou reakci, která pomáhá rostlině přizpůsobit se novým podmínkám. Aby však změny ovlivnily celý rostlinný organismus, je potřeba speciální informační síť – jakási obdoba nervového systému zvířat.

Rostlinné buňky tedy v reakci na vnější podnět generují elektrické signály. Pomáhají sdělit zbytku rostliny, dokonce i těm, které se nacházejí daleko od dráždidla, že se něco stalo, například že jeden list byl napaden škůdcem. Elektrické impulsy jsou výsledkem změn koncentrace iontů uvnitř a vně rostlinné buňky. Posun v rovnováze iontů vede k depolarizaci nebo hyperpolarizaci – akumulaci kladného nebo záporného náboje uvnitř buňky, resp. Tyto změny se dále šíří po rostlinných pletivech. Nepostižené tkáně se tak mohou „připravit“ a spustit ochranné mechanismy.

Vědci dříve předpokládali, že rostlina vysílá signály primárně prostřednictvím depolarizace – depolarizace elektrických signálů. Tento typ signalizace byl však pozorován výhradně v kritických situacích, například při popálení. V roce 2009 vědci zjistili, že rostliny mohou také přenášet signály prostřednictvím hyperpolarizace, například v reakci na mírné poškození listů. V současné době není význam a fyziologická role tohoto typu signalizace plně pochopena. Dříve skupina vědců ze Státní univerzity národního výzkumu Nižnij Novgorod pojmenovaná po N.I. Lobačevskij (Nižní Novgorod) prokázal, že hyperpolarizující elektrické signály jsou reakcí rostlin na slabé podněty charakteristické pro přírodní podmínky, například mírné zahřívání (asi 40 °C).

V této práci tito vědci přesně zkoumali, jak hyperpolarizující elektrické signály ovlivňují rostliny. Fotosyntéza byla vybrána jako hlavní indikátor stavu těla, protože je klíčovým procesem v životě rostlinných organismů.

Aktivitu fotosyntetických reakcí lze hodnotit na základě toho, jak efektivně rostlina využívá sluneční energii. Část je uložena v chemických vazbách organických sloučenin a přebytek je vyzařován v podobě oku neviditelné záře – fluorescence. Pokud je energie přijatá zvenčí příliš velká (například kvůli příliš jasnému světlu), může to spustit procesy destruktivní pro rostlinu. K ochraně fotosyntetického aparátu se energie vynakládá jiným způsobem, a to rozptýlením ve formě tepla. V důsledku toho klesá fluorescence, a tak je možné posoudit, jak moc je rostlina namáhána.

V experimentu vědci zkombinovali mírné zahřívání (asi 40 °C) a ozařování modrým světlem, které lze pozorovat v reálných podmínkách během horka a sucha. Kromě toho existují důkazy, že modré světlo spouští vlnu elektrických impulzů v rostlinné tkáni. Fluorescence chlorofylu byla zaznamenána pomocí speciální kamery. Elektrické signály byly měřeny elektrodami, které byly v kontaktu s rostlinnou tkání v zóně ozařování a ohřevu. Vědci také analyzovali změny ve fyziologické reakci rostliny na podněty pod vlivem sucha (7 nebo 14 dní bez zálivky).

Výsledky práce ukázaly, že v různých kombinacích místní zvýšení teploty a vystavení světlu stimulovaly rostliny ke generování hyperpolarizujících elektrických signálů, a to i za mírného sucha (7 dní bez vody). Jejich závažnost přímo souvisela se snížením účinnosti fotosyntézy. Zajímavé je, že za podmínek velkého sucha (14 dní bez vody) byly zaznamenané signály méně intenzivní a nebyly pozorovány žádné změny fotosyntetických reakcí, což potvrzuje jejich zapojení do regulace fotosyntézy rostlin.

Vědci došli k závěru, že studované signály hrají důležitou roli v adaptaci na nepříznivé, ale obecně snesitelné podmínky prostředí. Potlačují fotosyntézu, což pomáhá rostlině místo růstu a vývoje přejít do režimu úspory energie. Navíc bylo možné ukázat: pokud je rostlina vystavena silným dráždivým látkám, dochází k přenosu nebezpečných signálů jiným způsobem.

«Výsledky naší studie ukázaly alternativní způsob adaptace rostlin na nepříznivé faktory prostředí. Do budoucna se plánuje vypracování komplexního matematického modelu šíření hyperpolarizačních signálů v rostlině. Plánujeme také analyzovat fyziologické mechanismy výskytu a šíření takových signálů, které nám v budoucnu umožní objevit potenciální cíle pro jejich regulaci. Výzkum v této oblasti pomůže vyvinout nové metody pro udržení produktivity zemědělských rostlin v nepříznivých podmínkách“, shrnul vedoucí projektu, podpořeného grantem Ruské vědecké nadace, Lyubov Yudina, kandidát biologických věd, docent katedry biofyziky Ústavu biologie a biomedicíny Státní univerzity v Nižním Novgorodu pojmenovaného po N.I. Lobačevského.

Informace a fotografie poskytla tisková služba Ruské vědecké nadace