FOTOSYNTÉZA
Fotosyntéza je fotochemický proces, při němž fotosynteticky aktivní pigmenty v zelených
částech rostlin přijímají energii světelného záření a přeměňují ji na energii chemickou. Ta je
dále využita při biologických syntézách, což je proces tvorby organických látek (primárně
sacharidů) z látek anorganických, a to z oxidu uhličitého a vody.
Organismy, které mají schopnost fotosyntézy, se nazývají fotoautotrofní. Patří mezi ně
nejen eukaryotní organismy – vyšší rostliny, zelené a hnědé řasy, ale i organismy prokaryotní
– jednobuněčné sinice a zelené a purpurové bakterie. Ostatní biotické složky ekosystémů jsou
organismy heterotrofní, které využívají energií bohaté organické látky vytvořené rostlinami.
Fotosyntéza vyšších rostlin je vázána především na mezofylové buňky v listech a probíhá ve
specializovaných organelách, které se nazývají chloroplasty. V nich probíhá fotosyntéza ve
dvou fázích – světelné a temnotní.
Pro světelnou fázi, ve které probíhají fotochemické reakce, je charakteristická rovnice:
B
►
12 H2O + světelné záření
B
B
12 (H2) + 6 O2.
B
B
B
B
Podstatou těchto primárních reakcí je tedy štěpení vody na světle (proces se nazývá fotolýza
vody nebo také Hillova reakce podle anglického biochemika R.Hilla, jenž v roce 1937
dokázal jeho existenci), které poskytuje elektrony a vodíkové kationy (protony) pro tvorbu
ATP a NADPH + H+.
Temnotní
fázi
fotosyntézy
s charakteristickými
enzymatickými
reakcemi
můžeme
zjednodušeně popsat rovnicí:
6 CO2 + 12 (H2)
B
B
B
B
►
C6H12O6 + 6 H2O.
B
B
B
B
B
B
B
B
Podstatou těchto sekundárních reakcí je fixace a redukce CO2 a tvorba sacharidů, primárně
glukózy.
Sumárně pak můžeme celý proces fotosyntézy vyjádřit základní rovnicí:
B
B
6 CO2 + 12 H2O + světelné záření
B
B
B
B
► C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O.
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
Z ní je zcela zřejmý nezastupitelný význam fotosyntézy pro udržení života na naší planetě,
neboť:
1. Zachycuje sluneční energii a z nejjednodušší sloučeniny uhlíku, tedy CO2, syntetizuje
B
B
organické látky, které jsou nezbytné pro výživu chemotrofů.
2. Je hlavním producentem kyslíku nepostradatelného pro existenci aerobních organismů.
Chloroplasty
U vyšších rostlin jsou chloroplasty organely čočkovitého tvaru o délce 5 až 10 µm a šířce
2 až 4 µm. V mezofylových buňkách listů se jich nachází v průměru kolem 20, ale toto
množství může kolísat v rozmezí hodnot od 10 do 100. Na 1 mm2 listové plochy připadá
přibližně 500 000 chloroplastů. Na povrchu chloroplastu se nachází dvojitá selektivně
permeabilní (polopropustná) membrána o tloušťce asi 10 až 20 nm, ve vnitřní bílkovinné
základní hmotě (stromatu) vznikají komplikovaným naskládáním dalšího typu membrán
lamely nazývané thylakoidy, které tvoří uvnitř chloroplastu shluky zvané grana. Průměrný
chloroplast obsahuje těchto gran asi 50. Předpokládá se, že thylakoidy vytvářejí jednoduchý
integrovaný systém membrán. Thylakoidy gran jsou vzájemně spojeny thylakoidy, které
vycházejí z gran do prostoru stroma a nazývají se thylakoidy stromatu (intergrana). Vnitřní
prostor thylakoidu se nazývá lumen.
Vedle granálních, tzv. mezofylových chloroplastů, nalézáme u rostlin fotosyntetického
cyklu C4 v listech v pochvách kolem cévních svazků agranální chloroplasty. Nacházejí se
např. u kukuřice (Zea mays) nebo cukrovníku (Saccharum officinarum).
Chloroplasty také obsahují malé ribozomy (podobné ribozomům prokaryot) a molekuly
DNA (tzv. extrachromozomální DNA). Vysoká autonomie chloroplastů podporuje hypotézu,
že chloroplasty se vyvinuly z endosymbiotických sinic.Tomu odpovídá i existence dvojité
membrány na jejich povrchu, kdy vnitřní část membrány má zřejmě původ v povrchové
membráně původně samostatného prokaryotního organismu a vnější část membrány má
původ v plazmalemě eukaryotní buňky, která invaginací tuto prokaryotní buňku pohltila.
V chloroplastech jsou fáze fotosyntézy prostorově oddělené. To umožňuje, aby odlišné
reakce probíhaly vedle sebe a přitom se vzájemně neovlivňovaly nebo nepoškozovaly.
Světelná fáze probíhá prostřednictvím dvou fotosystémů na thylakoidech. V thylakoidech
gran je umístěn fotosystém I (PS I) i fotosystém II (PS II). V thylakoidech stromatu je pouze
PS I. Temnotní fáze probíhá v kapalné části chloroplastu, ve stromatu, kde se nacházejí
enzymy pro fixaci CO2.
Absorpce světelného záření rostlinami a fotosyntetické pigmenty
Univerzálním zdrojem zářivé energie v biosféře je termonukleární přeměna vodíku na
hélium na Slunci. Na hranici zemské atmosféry dopadá jen nepatrný podíl této energie. Asi
40–50% přijaté sluneční energie spadá do spektrální oblasti označované jako světlo a jejíž
hranice jsou dány krajními hodnotami vlnových délek vnímaných lidským okem, tedy
nejčastěji intervalem od 360 do 780 nm. U tohoto záření umí lidské oko rozeznat barvu, její
intenzitu a kombinaci barev. Každá barva souvisí s jinou vlnovou délkou. Fialové světelné
záření má vlnovou délku asi 380 až 425 nm, modré 425 až 490 nm, modrozelené 490 až 510
nm, zelené 510 až 550 nm, žluté 550 až 585 nm, oranžové 585 až 640 nm, červené 640 až 700
nm a dlouhovlnné červené 700 až 780 nm. Do výše uvedené oblasti viditelného záření spadá i
radiační energie elektromagnetického záření vlnových délek 380 až 710 nm, které využívají
zelené rostliny pro průběh fotosyntetických procesů. Toto fotosynteticky účinné záření se
označuje jako fotosynteticky aktivní radiace (FAR), která je často definovaná jako oblast
400–700 nm. Její množství je vyjadřováno při fyziologických měřeních buď v kvantových
jednotkách jako hustota toku fotonů (např. v µmol fotonů m-2 s-1) nebo v energetických
jednotkách jako ozářenost ve W m-2.
Důležitou podmínkou fotosyntézy a naprosto nezbytnou součástí obou fotosystémů jsou
fotosyntetické pigmenty. Jsou přítomny na vnitřní straně thylakoidních membrán, mají
funkci fotoreceptorů, tedy zachycovačů energie světelného záření, a rozdělují se na tři
základní skupiny – chlorofyly, karotenoidy a fykobiliny.
Chlorofyly
Jsou nejdůležitější fotosyntetické pigmenty rostlin, přičemž tvoří asi 1% sušiny jejich
zelených částí. Základem struktury chlorofylu jsou porfyriny, což jsou 4 pyrolová jádra
navázaná na hořčík, který se nachází v centru molekuly chlorofylu, a vzájemně spojená
methionovými můstky. Na jednom z jader je připojena fytolová část. V současné době je
známo 7 typů těchto zelených barviv: chlorofyly a, b, c, d, e a bakteriochlorofyly a a b.
Nejvíce rozšířený a nejdůležitější je modrozelený chlorofyl a (sumární vzorec
C55H72O5N4Mg), který se vyskytuje u všech vyšších rostlin, řas a sinic. Nenachází se pouze u
fotosyntetizujících bakterií, které mají bakteriochlorofyl. Žlutozelený chlorofyl b (sumární
vzorec C55H70O6N4Mg) se vyskytuje u vyšších rostlin, zelených řas a krásnooček, ostatní
chlorofyly se nacházejí pouze v řasách. Chlorofyl c je součástí pigmentových komplexů u
chaluh, obrněnek, zlativek a rozsivek a chlorofyl d obsahují některé druhy ruduch.
Poměr mezi chlorofylem a a chlorofylem b je u vyšších rostlin přibližně 3:1, není však
stálý. Jednotlivé pigmenty se v procesu fotosyntézy opotřebovávají a dochází k jejich neustálé
obnově. Denně se obnoví přibližně 5-8% celkového množství chlorofylu. Podmínkou je
světlo,
přítomnost
protochlorofylu
(C55H70O5N4Mg)
a
alespoň
nepatrné
množství
dvojmocného železa. Rostliny rostoucí bez dostatku světla jsou bílé (etiolované). Při
nedostatku železa mají rostliny bledě žlutou barvu. Jedná se o fyziologickou chorobu zvanou
chloróza, při které je proces fotosyntézy velmi pomalý a rostliny mohou i zahynout. Jiným
jevem, který je třeba od chlorózy odlišovat, je albinismus. K němu dochází tehdy, když
rostliny z určitých vnitřních příčin nemohou tvořit chlorofyl a následně hynou. Zvláštním
případem albinismu je panašování, kdy rostliny vytvářejí chlorofyl jen na určitých částech
listů, čehož se využívá v okrasném zahradnictví.
Chlorofyly absorbují fialové a modré světlo s maximem mezi 440 a 480 nm a
oranžovočervené světlo s maximem mezi 650 a 680 nm. Prakticky vůbec nepohlcují zelenou
část spektra. Absorpční spektra mají mírně posunutá, takže se v uvedených částech spektra
velice dobře doplňují. Aktivita chlorofylu a je přitom vyšší než chlorofylu b.
Karotenoidy
Jsou to fotosyntetické pigmenty žluté, oranžové a červené barvy. Je jich známo asi 30 typů
a byly zjištěny u všech organismů schopných fotosyntézy. Tato pomocná fotosyntetická
barviva absorbují světelné záření o vlnových délkách od 400 do 520 nm, tedy fialové a modré
až modrozelené, a zachycená světelná energie je potom přenesena na chlorofyly, kde se
využije v procesu fotosyntézy. Karotenoidy se rozdělují na:
a) bezkyslíkaté žlutooranžové karoteny (C40H56), které mají maximum absorpce v rozmezí
vlnových délek 410 až 485 nm a z nichž se v největším množství vyskytuje β-karoten
(provitamín A) doprovázený různým množstvím α-karotenu;
b) kyslíkaté žlutooranžové xantofyly [C40H54(OH)2], které nejvíce pohlcují záření o
vlnových délkách 450 – 500 nm; v přírodě jsou více rozšířené než karoteny a v rostoucích
listech je jejich množství až dvojnásobné proti karotenům; v zelených listech je
z xantofylů nejběžnější lutein (asi 65% celkového obsahu karotenoidů) a neoxantin (více
než 10%), dále jsou zastoupeny zeaxanthin, violaxanthin a kryptoxantin. Do skupiny
kyslíkatých karotenoidů patří také hnědé barvivo fukoxantin (C40H54-60O6), které je vedle
chlorofylů a a b, β-karotenu a xantofylu (v případě chaluh) fotosynteticky účinným
pigmentem rozsivek a chaluh.
Fykobiliny
Jsou to pigmenty nacházející se spolu s chlorofylem a β-karotenem u sinic (Cyanophyta) a
červených řas (Rhodophyta). Nejznámějšími pigmenty z této skupiny jsou červený fykoerytrin
(C34H?N4O8) absorbující světlo o vlnové délce 450 – 480 nm a modrozelený fykocyanin
(C34H42N4O9) pohlcující záření o vlnové délce 570 – 620 nm. Zachycenou energii světelného
záření přenášejí fykobiliny stejně jako karotenoidy na chlorofyly.
Jak už bylo napsáno v úvodu této kapitoly, dělí se složitý soubor všech dějů probíhajících
při fotosyntéze na tzv. primární procesy zahrnující děje bezprostředně závislé na světle
(světelná fáze fotosyntézy) a sekundární procesy, které na světle bezprostředně závislé nejsou,
mohou ale na světle probíhat (temnotní fáze fotosyntézy).
Světelná fáze fotosyntézy
Probíhá na thylakoidech chloroplastů v základním souboru pigmentů a enzymů, který
nazýváme fotosyntetickou jednotkou. Můžeme ji definovat jako seskupení molekul
chlorofylů, dalších pigmentů, přenašečů elektronů a enzymů uskutečňující najednou příjem 1
molekuly CO2, výdej 1 molekuly O2, přenos 1 elektronu a přeměnu 1 světelného kvanta
v chemickou energii. Aktivita fotosyntetické jednotky zahrnuje veškeré fotosyntetické reakce
od absorpce energie světelného záření přes její přeměnu na volnou chemickou energii a
předání na sloučeniny (ATP a NADPH+H+) schopné ji využívat k syntetickým pochodům.
U vyšších rostlin a řas se fotosyntetická jednotka strukturně skládá ze dvou fotosystémů
(PS II a PS I), komplexu cytochromů b6/f a ATP-syntázy.
Fotosystém II má více pigmentů absorbujících světelné záření v oblasti kratších vlnových
délek, které nesou více energie, a převládá v něm chlorofyl b nad chlorofylem a v poměru asi
1,2:1 až 2:1. Terminálním pigmentem neboli pigmentem reakčního centra tohoto
fotosystému je vždy chlorofyl a s absorpčním maximem při 680 nm, proto se tento chlorofyl
označuje jako P680. Jedině tento pigment je schopen ve
spojení s donory a akceptory
elektronů uskutečnit přeměnu energie světelného záření na energii chemickou. Ostatní
pigmenty (u vyšších rostlin chlorofyly a, chlorofyly b a karotenoidy) slouží jako tzv. sběrače
kvant nebo anténní pigmenty, tedy zachycují kvanta záření a energii svého excitovaného
stavu předávají postupně až na terminální pigment. Fotosystém II katalyzuje rozklad vody za
uvolnění molekulárního kyslíku. Zároveň je poolem molekul plastochinonu funkčně spojen
s komplexem cytochromů b6/f.
Fotosystém I je bohatší na pigmenty absorbujících světelné záření při větších vlnových
délkách a převládá v něm chlorofyl a nad chlorofylem b asi v poměru 6:1 až 10:1.
Terminálním pigmentem je chlorofyl a s maximální absorpcí při vlnové délce 700 nm
(P700). Ostatní pigmenty jsou stejně jako u PS II pomocné, světlosběrné. Fotosystém I
získává elektron pro své reakční centrum z cytochromového komplexu b6/f a jeho přenosem
přes ferredoxin redukuje NADP+.
Cytochrom b6/f přenáší elektrony z PSII na PSI a ATP-syntáza využívá protonový
gradient vytvořený přenosem elektronů k syntéze ATP na vnějším (stromatálním) povrchu
thylakoidní membrány.
Tok světelným zářením excitovaných elektronů a přeměna energie světelného záření na
energii chemickou se uskutečňuje podle všeobecně přijímaného Z-schématu cestou tzv.
cyklické a necyklické fotosyntetické fosforylace (fotofosforylace). Ta je definovaná jako
světelným zářením indukovaná syntéza adenozintrifosfátu z adenozindifosfátu a zbytku
kyseliny fosforečné. Necyklická fotofosforylace je spojena s rozkladem vody na světle.
Systému jsou tím dodávány elektrony a protony. Konečnými produkty jsou ATP a
NADPH+H+ a také při fotolýze vody uvolněný O2. Cyklická fotofosforylace je spojena pouze
P
P
s tvorbou ATP.
Necyklická fotofosforylace
Je to systém transportu elektronů, v kterém se uplatňují oba fotosystémy a kde se
excitované elektrony nevracejí zpět do molekuly terminálního pigmentu, ale využívají se
k redukci NADP+ (koenzymu nikotinamidadenindinukleotidfosfátu) za vzniku redukovaného
NADPH+H+, který je redukčním činidlem v následných cyklech fixace a redukce CO2.
K regeneraci chlorofylu reakčního centra do původního stavu se tedy musí použít elektrony
z oxidace vhodné sloučeniny, kterou je u vyšších rostlin, řas a sinic voda. Celý proces
necyklické fotofosforylace proto začíná fotosyntetickým rozkladem neboli fotolýzou vody.
V ní uvolněné elektrony slouží k průběžnému nahrazování fotonem excitovaných elektronů
terminálního pigmentu P680 ve fotosystému II, který tak opět může přijmout energii
světelného záření. Excitovaný elektron je přijat primárním elektronovým akceptorem (Q – asi
karotenoid) a z něho je dále transportován přes redoxní systémy plastochinon (PQ), komplex
cytochromů b6/f a plastochinonu a plastocyanin (PC) až na terminální pigment P700
v reakčním centru fotosystému I. Transportem „s kopce“ v úseku mezi plastochinonem a
cytochromem f stoupá redoxpotenciál elektronu a uvolněná energie je využita k tvorbě ATP
z ADP a kyseliny fosforečné. Tím je fyzikální energie, tedy energie světelného záření,
převedena na energii chemickou, jež může být rostlinou zužitkována. Na P700 plní elektron
stejnou funkci jako na P680, tedy opět nahradí elektron uvolněný při excitaci molekuly
terminálního pigmentu. Sám je po příjmu fotonu molekulou P700 rovněž vybuzen na vyšší
energetickou hladinu a je přijat primárním elektronovým akceptorem fotosystému I (FeS –
protein), z něhož je transportován na oxidoreduktázu ferredoxin, která jej předává až na
NADP+. Pomocí dvou elektronů a dvou iontů H+, které také pocházejí z fotolýzy vody, je
redukován NADP+ na NADPH+H+. Třetím produktem necyklické fotofosforylace je kyslík
uvolněný fotolýzou z vody.
Je-li v buňce poměr NADPH+H+ k NADP+ vysoký, není produkce dalšího redukovadla
nezbytná. V takovém případě je použita tzv. zkratová cesta s cyklickou fotofosforylací
(cyklickým transportem elektronů).
Cyklická fotofosforylace
Je to systém transportu elektronů začínající a končící v molekule chlorofylu reakčního
centra, která je současně donorem i akceptorem elektronů. Při cyklické fotofosforylaci se
uplatňuje pouze fotosystém I, probíhá bez potřeby vody, je společná pro všechny
fotosyntetizující organismy, a proto ji můžeme považovat z hlediska vývoje za prvotní.
Absorpcí fotonů se terminální pigment P700 dostane do excitovaného stavu (s vyšší
energetickou hladinou) a rychle uvolní elektron, který je bohatý na energii. Tento elektron je
přijat primárním elektronovým akceptorem (FeS) a dále je transportován na ferredoxin.
Z něho je excitovaný elektron převáděn přes komplex cytochromů b6/f a plastochinonu na
plastocyanin, který tento elektron předává zpět na molekulu chlorofylu reakčního centra
(P700), která se tímto regeneruje do původního stavu. Přitom redoxpotenciál elektronu
postupně stoupá a uvolněná energie se akumuluje ve fosfátové vazbě připojené na ADP za
vzniku ATP jako jediného produktu této cesty.
ATP je zásobou energie na rychlé využití v životních procesech. Zelená rostlina může ATP
získat buď fosforylací ADP při fotosyntéze nebo oxidací sacharidů, resp. karboxylových
kyselin při respiračních procesech. Na udržení potřebné hladiny ATP v buňkách by vlastně
měla stačit jen cyklická fotofosforylace. Rostlina by si ale nemohla udělat zásoby, které by
hladinu ATP udržely ve tmě, protože ve tmě množství ATP rychle klesá a v krátkém čase se
vyčerpá. Proto se v buňkách ukládají do zásoby trvalejší energetické látky, a to sacharidy,
zejména škrob a sacharóza. Sacharidy jsou základem pro tvorbu organických látek živých
organismů, jak autotrofů tak i heterotrofů. Biosyntéza sacharidů z CO2 za pomoci redukčního
činidla NADPH+H+ a energie ATP probíhá v temnotní fázi fotosyntézy.
Temnotní fáze fotosyntézy
Temnotní fáze fotosyntézy probíhá v kapalné části chloroplastu (stromatu) a v cytozolu a
zahrnuje řadu enzymových reakcí, které pro svůj průběh nepotřebují energii světelného záření
a probíhají i ve tmě, pokud se nevyčerpají zásoby ATP a NADPH+H+. V současné době se
způsob zapojení CO2 do organických sloučenin v procesu fotosyntézy vysvětluje na základě
dvou mechanismů karboxylace CO2: Calvinova cyklu (tzv. C3-typu fixace CO2) a HatchSlackova cyklu (tzv. C4-typu fixace CO2). Liší se zejména první sloučeninou, v níž je CO2
vázán a také energetickou účinností. Určitou analogií Hatch-Slackova cyklu je mechanismus
příjmu a fixace CO2 známý pod označením „denní cyklus organických kyselin“ nebo také
CAM syndrom (Crassulaceae Acid Metabolism). Vyskytuje se u většiny sukulentů a označení
CAM dostal podle čeledi Crassulaceae, u jejíchž zástupců byl poprvé analyzován.
Calvinův cyklus (C3-cyklus)
Mezi CO2 jako zdrojem uhlíku a sacharidy jako výslednými produkty fotosyntézy je celá
řada meziproduktů. Pomocí radioaktivně značeného uhlíku(14C) a fosforu (32P) se podařilo
americkému biochemikovi Melvinu Calvinovi objevit dílčí chemické reakce fotosyntézy a
jednotlivé meziprodukty identifikovat. Model cyklu fixace CO2, který zveřejnil se svými
spolupracovníky v roce 1955, dostal proto jeho jméno. V roce 1961 získal prof. Calvin za
tento objev Nobelovu cenu. První reakcí cyklu je navázání molekuly CO2 na 5-ti uhlíkatý
glycid ribulóza-1,5-bisfosfát (RuBP) za vzniku velmi nestálého 6-ti uhlíkatého produktu,
který se okamžitě spontánně rozpadá na 2 tříuhlíkaté molekuly fosfoglycerátu. Tuto
karboxylační reakci uskutečňuje enzym ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza/oxygenáza
(Rubisco), což je asi nejrozšířenější bílkovina celé biosféry. Dále následuje redukční fáze,
kdy se fosfoglycerát redukuje na glyceraldehyd-3-fosfát v několika krocích vyžadujících ATP
a NADPH. Z něho pak izomerací vzniká dihydroxyacetonfosfát. Vytvořené fosfotriózy
umožňují regeneraci akceptoru a biosyntézu ostatních monosacharidů se 4 až 7 uhlíky. Např.
jedna molekula glyceraldehyd-3-fosfátu a jedna molekula dihydroxyacetonfosfátu jsou
spojeny do molekuly fruktóza-6-fosfátu, která může být převedena na další sacharidy,
primárně glukózu. Z ní vznikají rezervní sacharidy – ve stromatu chloroplastů škrob a
v cytoplazmě sacharóza, která je považována za hlavní transportní sloučeninu u vyšších
rostlin. Část fosfotrióz se využije na tvorbu lipidů a aminokyselin nezbytných pro růst rostlin.
Regenerací primárního akceptoru CO2, tedy ribulóza-1,5-bisfosfátu, se cyklus uzavírá.
Škrob, který se tvoří v chloroplastech v podobě zrn se označuje jako asimilační, nebo
tranzitorní. Z chloroplastů je zpravidla v noci (případně i během dne) transportován v podobě
sacharózy do různých částí rostliny. V zásobních orgánech se škrob ze sacharózy opět tvoří.
Hromadí se tam jako škrob zásobní a jeho zrna jsou lokalizována v amyloplastech.
Syntéza lipidů a proteinů je charakteristická pro mladá rostoucí pletiva. V dospělých
pletivech převažuje syntéza sacharidů, pouze 1-5% fosfoglycerátu se mění na proteiny a
lipidy.
Fotorespirace u C3-rostlin
Rostliny C3-cyklu mají schopnost na světle nejen spotřebovávat CO2 a uvolňovat O2
(fotosyntéza), ale dochází u nich i k opačné výměně plynů s okolím – konzumují O2 a
uvolňují CO2. Tento proces se nazývá fotorespirace (světelné dýchání) a s mitochochondriální
respirací má společný pouze výdej CO2. Jinak se jedná o dva rozdílné procesy, o dvě zcela
rozdílné cesty. Fotorespirace je lokalizována do chloroplastů, peroxizomů a mitochondrií a
začíná v chloroplastech vlivem enzymu Rubisco. Ten při fotosyntéze karboxyluje RuBP za
vzniku dvou molekul fosfoglycerátu, ale při nízkém obsahu CO2 a vyšší koncentraci O2 se
chová jako oxygenáza, do reakce místo CO2 vstupuje kyslík, nastává oxidace a vzniká vedle
jedné molekuly fosfoglycerátu také jedna molekula fosfoglykolátu. Tato situace nastává
zejména v horkém suchém prostředí, když rostlina uzavřením průduchů omezuje výpar vody a
tím brání i difůzi CO2. Při normálním složení atmosféry kolem listu (21 obj. % O2; 0,035 obj.
% CO2) je poměr karboxylázové a oxygenázové aktivity Rubisca asi 3:1. V další fázi se
z fosfoglykolátu při jeho defosforylaci odštěpí fosfor a vzniká glykolát, který je substrátem
tzv. glykolátové cesty fotorespirace. Glykolát je z chloroplastů translokován do sousedního
peroxizómu a zde se oxiduje na glyoxylát. Vzniklý peroxid vodíku je odstraněn z peroxizómu
katalázou. Potom se mění glyoxylát transaminací na glycin vstupující do mitochondrie.
Spojením dvou molekul glycinu v mitochondriích vzniká serin a uvolňuje se do okolního
prostředí CO2 a NH3. Tím, že se při fotorespiraci rozkládají meziprodukty fotosyntézy a
uvolňuje se CO2, je jasné, že čistý výtěžek fotosyntézy musí silně klesnout. Ztrácí se tak
přibližně 30 - 50% uhlíku asimilovaného v Calvinově cyklu a zatím není úplně jasné, k čemu
je proto fotorespirace pro rostlinu dobrá. Umožňuje sice tvorbu aminokyselin glycinu a
serinu, ale velmi významné snížení fotosyntetického výkonu C3-rostlin vede k otázce, zda je
to opravdu její jediný nebo hlavní význam. Existují určité náznaky možného energetického
významu fotorespirace, konkrétně vzniku ATP při tvorbě serinu v mitochondriích. V poslední
době se dále předpokládá významná funkce fotorespirace v dusíkatém metabolizmu rostliny.
C3-cyklus je typický pro většinu rostlin mírného pásma a chladnějších oblastí.
B
B
Označujeme je jako C3-rostliny. Fotorespirace u nich výrazně snižuje čistý výtěžek
BB BB
BB BB
fotosyntézy, proto se také mluví o těchto rostlinách jako o fotosynteticky málo výkonných.
V suchých tropických a subtropických oblastech rostou ale některé rostliny (např. tropické
trávy, cukrovník, kukuřice, proso, čirok a další), které jsou schopné negativní účinek
fotorespirace na čistý výtěžek fotosyntézy omezit na minimum a jsou proto fotosynteticky
velmi výkonné. U těchto rostlin se vyvinul mechanismus, jímž je pro Calvinův cyklus
zajištěna vysoká koncentrace CO2 a negativní vliv fotorespirace na čistý výtěžek fotosyntézy
je minimalizován. Objevili ho v druhé polovině 60-tých let M.D. Hatch a C.R. Slak a podle
nich se také nazývá.
Hatch-Slackův cyklus (C4-cyklus)
Rostliny s C4-cyklem vykazují zvláštní listovou anatomii, kdy kolem cévních svazků
vzniká nejdříve věnec z buněk pochvy cévního svazku s vysokým obsahem chlorofylu, potom
vnější věnec buněk mezofylových s nižším obsahem chlorofylu. Toto zvláštní uspořádání
asimilačních buněk se označuje jako věnčité. Chloroplasty v mezofylových buňkách jsou
normálně vystaveny, mají tedy grana tvořená vrstvami thylakoidů. Škrob se v nich obvykle
netvoří. Naproti tomu chloroplasty v buňkách pochvy neobsahují žádná navrstvená grana
(agranální chloroplasty), chybí jim proto i fotosystém II, který je na ně vázaný, a tím i
možnost necyklického transportu elektronů. Škrob se v nich ale hromadí. Jak je to možné,
když pro jeho tvorbu je důležitá přítomnost ATP a NADPH+H+, které se v normálních
chloroplastech vytvářejí necyklickým transportem elektronů? Odpověď dává právě cyklus
C4-dikarboxylových kyselin objevený a popsaný Hatchem a Slackem.
U C4-rostlin se v cytoplazmě mezofylových buněk fixuje CO2 (ze vzuchu nebo uvolněný
při fotorespiraci) do fosfoenolpyruvátu (PEP) za vzniku oxalacetátu (kyseliny oxaloctové).
Proces katalyzuje enzym fosfoenolpyruvátkarboxyláza (PEP-karboxyláza), který je mnohem
citlivější na CO2 než Rubisco, a proto fotosyntéza může probíhat i při velmi nízké koncentraci
CO2 v prostředí (např. když jsou přivřené průduchy při snížené dostupnosti vody pro rostliny).
Uhlíkovým substrátem PEP-karboxylázy není přímo CO2, ale HCO3-. Ve vlastní reakci však
nejprve váže Mg2+, potom PEP a nakonec HCO3-. Oxalacetát je v chloroplastech
mezofylových buněk redukován malátdehydrogenázou na malát (kyselinu jablečnou), který se
transportuje do buňky pochvy cévního svazku. V jejích chloroplastech je štěpen na CO2 a
pyruvát specifickými enzymy za současného vzniku NADPH+H+. Oxid uhličitý je přenášen
na RuBP a NADPH+H+ je probíhajícím Calvinovým cyklem využit k redukci fosfoglycerátu.
Tím je vysvětleno, proč v buňkách pochev cévních svazků mohou chybět grana a tím i tvorba
NADPH+H+ necyklickým elektronovým transportem. Také je vysvětlena přítomnost škrobu,
který vzniká cestou založenou na Calvinově cyklu. Pyruvát přechází zpět do mezofylových
buněk, v jejich chloroplastech je fosforylován na PEP a může být opět využit na primární
poutání CO2. Přeměna pyruvátu na PEP vyžaduje energii ve formě ATP a cesta C4 je proto
energeticky náročná. Tím můžeme vysvětlit skutečnost, že C4-rostliny jsou málo výkonné,
když je světlo limitujícím faktorem fotosyntézy. Naopak, při vysoké intenzitě světelného
záření a vysoké teplotě je tato energetická náročnost více než vyvážena výhodami
mechanizmu C4.
Mechanizmus fotosyntézy u C4-rostlin se tedy vyznačuje prostorovým oddělením primární
fixace CO2 (v cytozolu mezofylových buněk) od sekundární fixace v Calvinově cyklu (v
chloroplastech buněk pochvy cévních svazků). Analogicky je oddělena i produkce
NADPH+H+ (v granálních chloroplastech v mezofylových buňkách) od jeho spotřeby (v
agranálních chloroplastech v buňkách pochvy cévních svazků). NADPH+H+ je v podstatě
transportován ve formě malátu, neboť při redukci oxalacetátu na malát se NADPH+H+
spotřebovává a při dekarboxylaci malátu se tvoří.
Konečným výsledkem prostorového oddělení fixace CO2 je zajištění jeho dostatečného
množství jako základního substrátu pro enzym Rubisco a celý Calvinův cyklus i při
přivřených průduších z důvodu snížené dostupnosti vody. V důsledku toho dochází k
potlačení fotorespirace. Pokud k fotorespiraci přesto dojde, probíhá podle mechanizmu
uvedenému dále.
Fotorespirace u C4-rostlin
U těchto rostlin se dvěma typy fotosyntetizujících buněk začíná fotorespirace
v chloroplastech buněk pochev cévních svazků. Zde vzniklý glykolát je transportován do
peroxizomů těchto buněk a tam je oxidován na glyoxylát. Transaminací glyoxylátu vzniklý
glycin vstupuje do mitochondrií mezofylových buněk, kde spojením dvou jeho molekul
vzniká serin a uvolňuje se CO2. Tento oxid uhličitý je v cytoplazmě fixován do PEP a je opět
využit v syntetických pochodech Hatch-Slackova cyklu a ztráty CO2 fotorespirací jsou
minimalizovány.
Vysoká citlivost PEP k CO2 a schopnost využívat CO2 z fotorespirace vede k vyšší
fotosyntetické výkonnost C4-rostlin. Jak rychlost fotosyntézy, tak i tvorba biomasy je u nich o
30% až 50% vyšší než u rostlin C3. Rostliny s C4-typem fotosyntézy také lépe hospodaří
s vodou, neboť mohou fotosyntetizovat i při přivřených nebo uzavřených průduchových
štěrbinách, kdy je přísun CO2 z vnějšího prostředí nízký. Většina rostlin na Zemi ale patří
k typu C3. Například z celkové produkce biomasy připadá na rostliny C4 asi jen 18%. C4cyklus byl zjištěn u převážně teplomilných druhů rostlin. Rozšíření rostlin s C4-typem fixace
B
B
oxidu uhličitého i do chladnějších oblastí brání vysoká citlivost PEP-karboxylázy a dalších
enzymů Hatch-Slackova cyklu k nízkým teplotám, při kterých jejich aktivita výrazně klesá
nebo se úplně zastavuje. Vysoké zastoupení mají C4 druhy mezi travami, kde z 10 000 druhů
je jich asi polovina C4. Naopak mnohem méně se tyto druhy vyskytují mezi rostlinami
dvouděložnými, kde z celkového počtu asi 165 000 druhů jich pouze kolem 1 000 patří do
skupiny s C4 fotosyntézou. C4 druhy dvouděložných rostlin však patří mezi nejškodlivější a
nejagresivnější plevele. Plných 14 druhů z 18 nejškodlivějších světových plevelů se
vyznačuje fotosyntézou C4. Je pravděpodobné, že při zvýšení teploty v některých oblastech
v důsledku změny klimatu budou se právě tyto druhy plevelů šířit velmi silně. Taxonomické
zastoupení druhů C4 nasvědčuje tomu, že se tento typ vyvinul relativně nedávno z původního
typu fotosyntézy rostlin C3, a to pravděpodobně několikrát během fylogeneze.
Faktory ovlivňující rychlost fotosyntézy
Využití fotosynteticky aktivní radiace (FAR) a CO2 rostlinami při fotosyntéze je
v závislosti na typu rostliny (C3, C4) ovlivňované a limitované celou řadou faktorů vnitřních a
vnějších.
V rámci vnitřních faktorů se jedná o anatomické a morfologické uspořádání asimilačních
orgánů, např. o uspořádání asimilačních buněk v listech, počet chloroplastů a především
obsah chlorofylu a poměr chlorofylu a k chlorofylu b. Posledně jmenované faktory úzce
souvisí se stářím listů. Užší poměr obsahu chlorofylů a nižší rychlost fotosyntézy mají mladé
listy. Maximální rychlost fotosyntézy má list v období, kdy dosahuje 50–80% své konečné
velikosti. Mluvíme o stavu tzv. fotosyntetické dospělosti. V takovém listu se obvykle
nachází 4 až 5 mg chlorofylu na 0,01 m2 listové plochy a poměr chlorofylu a k chlorofylu b je
asi 3-4:1. V této době je v listu i největší obsah rostlinných hormonů podněcujících jeho růst.
Nejvyšší rychlost fotosyntézy je v listech ve střední části lodyhy. Se stárnutím listu se obsah
chlorofylu snižuje až na 1–2,5 mg na 0,01 m2 a zužuje se poměr chlorofylu a k chlorofylu b.
Tím dochází k poklesu rychlosti fotosyntézy a nastává tzv. chlorofylový kompenzační bod.
V tomto stavu je čistá fotosyntéza nulová, protože se množství přijatého CO2 rovná množství
vydaného CO2 při respiračních procesech.
Z vnějších faktorů jsou důležité intenzita a spektrální složení dopadajícího světelného
záření, koncentrace CO2 v atmosféře, teplota prostředí, dostupnost vody pro rostliny a
minerální výživa.
Intenzita a spektrální složení světelného záření
Podle zeměpisné šířky místa, jeho nadmořské výšky, povahy terénu a hustoty oblaků
nastávají velké oblastní a místní rozdíly v hodnotách intenzity světelného záření dopadajícího
na zemský povrch a na rostliny. Takže např. v suchých tropických oblastech s vysokým
tlakem vzduchu a s malou oblačností dopadá na zemský povrch až o 50% více slunečního
světelného záření než činí průměrné množství za celou planetu Zemi. Kromě toho ve vyšších
polohách dopadá na zemský povrch více záření než v nižších polohách v důsledku kratší
dráhy paprsků a menšího stupně vzdušné turbidity Světelné záření dopadající na jednotku
listové plochy za jednotku času měříme jako ozářenost v jednotkách toku energie (W m-2)
nebo jako hustotu toku fotosynteticky aktivních fotonů (µmol m-2 s-1). Maximální hodnoty
intenzity dopadajícího světelného záření se za jasného letního dne pohybují v hodnotách 400–
600 W m-2, nebo-li asi 2000–2500 µmol m-2 s-1. Na kvantitu světelného záření jsou velmi
náročné rostliny světlomilné (heliofyty), které rostou na zcela nezastíněných stanovištích. Při
snížené intenzitě dopadajícího záření u nich výrazně klesá čistá fotosyntéza, která při 5%
z plného slunečního záření dosahuje nulových hodnot. Mluvíme o kompenzační ozářenosti,
tj. takové hodnotě ozářenosti, při které rychlost hrubé fotosyntézy je právě dostatečná na
kompenzaci současně probíhající respirace. U rostlin stínomilných (sciofyt) nastává tento stav
později, asi při 1% plného slunečního záření. Z toho vyplývá, že čím vyšší hodnotu má
kompenzační ozářenost, tím je rostlina více světlomilná. Intenzitě světelného záření se
rostliny přizpůsobují změnou obsahu a skladby fotosyntetických pigmentů. Rostliny světlých
stanovišť mají sice méně chlorofylů než rostliny stínomilné, ale mají jejich lepší skladbu, mají
více chlorofylu a. Jinou charakteristikou pro hodnocení vlivu intenzity světelného záření na
fotosyntézu rostlin je saturační ozářenost. To je hodnota, při které dochází k nasycení
fotosyntézy zářením a další růst ozářenosti již rychlost fotosyntézy nezvyšuje. Této hodnoty
dosahují C3-rostliny asi při intenzitě světelného záření 100-200 W m-2 (odpovídá asi 400-650
µmol m-2 s-1). Většinou světlomilné C4-rostliny někdy nedosáhnou saturační ozářenosti ani při
nejvyšších hodnotách, tedy 400-600 W m-2.
Rostliny využívají ve fotosyntéze světelné záření o vlnových délkách od 400 do 700 nm a
jsou velmi citlivé na jeho spektrální složení. které se mění v závislosti na postavení Slunce
nad horizontem, na obsahu vodních par a tloušťce atmosféry. Jak již bylo uvedeno, pro
fotosyntézu je nejúčinnější záření červené s maximem mezi 650-680 nm a modrofialové
s maximem mezi 440 a 480 nm. Nejméně účinné je záření zelené. Světlomilné rostliny
využívají lépe červené světlo, stínomilné rostliny přizpůsobené rozptýlenému světlu využívají
lépe paprsky modrofialové.
Koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře
Průměrný obsah CO2 ve vzduchu se nyní pohybuje kolem 0,038% a stále se zvyšuje. Toto
množství během roku mírně kolísá. Na severní polokouli je nejvyšší koncentrace CO2 ke
konci zimního období a nejnižší koncem léta, tj. v období maximální fotosyntetické fixace
CO2 rostlinnými společenstvy. Fotosyntéza začíná přibližně při obsahu 0,01% CO2 ve
vzduchu, ale ani 0,38% není pro ni zdaleka dostačující. Ukazuje se, že zvýšení této
koncentrace na deseti až dvacetinásobek může při optimálním zastoupení ostatních faktorů,
zvláště tepla, světelného záření, vody a minerální výživy, rychlost fotosyntézy výrazně
zvyšovat. Takové obohacování vzduchu o CO2 je možné jen v uzavřených prostorách (ve
sklenících), v polních podmínkách můžeme částečně ovlivňovat příjem iontů HCO3- přes
kořeny rostlin. Nejdůležitějším zdrojem půdního oxidu uhličitého je mikrobiální rozklad
organické hmoty. Z toho vyplývá velký význam správného hnojení organickými hnojivy a
pečlivého obdělávání půdy. Musíme si ale uvědomit, že kořeny přijímaný oxid uhličitý
nemůže pokrýt potřebu rostlin.
Teplota prostředí
Teplota prostředí ovlivňuje fotosyntézu velice významně. U většiny rostlin mírného pásma
se zastavuje fotosyntéza při teplotě 0°C nebo mírně pod nulou, u tropických rostlin při +5 až
+10°C. Rostliny C3 mají svoje teplotní optimum pro fotosyntézu nižší (přibližně 18-25°C)
než rostliny C4 (asi 28 až 35°C). Pro C3 rostliny jsou teploty přes 30°C nevýhodné, protože
výrazně vzrůstá oxygenázová aktivita Rubisco a tudíž fotorespirace vede ke značnému snížení
čisté fotosyntézy. Při teplotách nad 40°C pak nastává prakticky u všech rostlin prudký pokles
fotosyntézy, neboť začíná denaturace fotosyntetických enzymů, ale dýchání ještě pokračuje.
V tom je podstata nepříznivého účinku vysokých teplot na rostliny.
Teplota je dominujícím klimatickým parametrem určujícím četnost druhů C4. Zastoupení
druhů C4 v jednotlivých ekosystémech a na jednotlivých lokalitách je nejčastěji určováno
minimální teplotou daného vegetačního období. Čím je tato minimální teplota vyšší, tím větší
zastoupení mezi rostlinami mají druhy C4. V některých studiích se však prokazuje vztah
k denní průměrné nebo maximální teplotě. Denní teploty v rozsahu od 20°C do 28°C tvoří
jakýsi předěl, kdy při nižších teplotách dominují druhy C3, zatímco při vyšších zase C4.
Dostupnost vody pro rostliny
Zvýšení obsahu CO2 v atmosféře až na předpokládaných 500 µl CO2 l-1 vzduchu, případně
i více v příštích desetiletích a stoletích spojený s vyšší teplotou může významně ovlivňovat i
vodní režim rostlin.
Nejvíce vody potřebuje rostlina na úhradu výparu (transpirace), aby pletiva neusychala a
nepřehřívala se. Je-li výdej vody transpirací větší než příjem kořeny, rostlina vadne a zavírají
se průduchy regulující vedle transpirace také vstup CO2 do listu a tím i rychlost fotosyntézy.
K přechodnému nedostatku vody a poklesu fotosyntézy dochází v poledních hodinách za
horkých slunných dní. Mnohem horší je ale dlouhodobější nedostatek vody. Voda se totiž
účastní přímo fotosyntetických reakcí, fotolýza vody je zdrojem elektronů a vodíkových
protonů pro další průběh fotosyntézy, a dále vytváří v rostlině příznivé podmínky pro průběh
nejrůznějších fyziologických procesů a biochemických reakcí, včetně fotosyntézy. Tato
funkce je velmi důležitá, proto odvodnění rostlinných pletiv vlivem sucha může vést
k hlubokým fyziologickým poruchám nebo i k zahynutí rostliny.
Za nejvýznamnější kompenzační efekt zvýšené atmosférické koncentrace CO2 je možné
považovat zvýšení efektivnosti využití vody (WUE). Zvýšenou koncentrací CO2 navozená
snížená vodivost průduchů redukuje rychlost transpirace. Vzhledem k tomu, že zvýšená
nabídka CO2 uvnitř asimilačního pletiva, jež je důsledkem nárůstu obsahu CO2 v okolí listu,
vede ke zvýšené fotosyntéze, je možné pozorovat nárůst hodnoty WUE. Vztah mezi nárůstem
hodnoty WUE a koncentrací CO2 v atmosféře je lineární, ovšem vyšší produkce sušiny při
vyšší koncentraci CO2 zřejmě povede i přes příznivější WUE k celkově větší spotřebě vody
na produkci biomasy. Na mnoha stanovištích by to znamenalo jejich aridizaci způsobenou
vyčerpáním zásob vody, na něž je zatím příslušná vegetace adaptována, a to ještě před
ukončením vegetace.
Minerální metabolismus rostlin
Stav minerální výživy rovněž výrazně ovlivňuje rychlost fotosyntézy. Stres způsobený
nedostatečnou minerální výživou může úplně eliminovat pozitivní účinek ostatních faktorů
prostředí. Důležité prvky minerální výživy, jako je dusík, draslík, fosfor, hořčík a železo
bezprostředně ovlivňují tvorbu a funkci fotosyntetického aparátu. Dusík tvoří podstatnou
součást chlorofylu a je nezbytný pro tvorbu aminokyselin. Draslík je důležitý pro funkci
enzymů. V jeho přítomnosti využívají rostliny při biosyntéze chlorofylu mnohem efektivněji
železo, dále ovlivňuje tvorbu glycidů a syntézu bílkovin. Fosfor je nezbytný pro
fotofosforylaci, kdy za jeho účasti se tvoří makroergické sloučeniny, z nichž hlavně ATP je
důležitým dárcem energie pro různé fyziologické procesy (např. pro syntézu organických
látek, příjem živin apod.). Hořčík je důležitou stavební součástí chlorofylu, pro jehož tvorbu
je nezbytná přítomnost alespoň nepatrného množství železa, které se navíc uplatňuje při
přenosu elektronů mezi fotosystémem II a I. Rychlost fotosyntézy ovlivňují také některé
mikroelementy, např. měď a zinek. Měď stabilizuje molekuly chlorofylů a nedostatek zinku
snižuje počet chloroplastů a tím i obsah chlorofylu.
DÝCHÁNÍ
Dýchání je základní podmínkou života rostlin a je jednou z nejcharakteristějších
vlastností organismu. Nelze jej oddělit od života ,neboť jeho zastavení znamená smrt.
Dýchání je fyziologický proces, v němž si rostlinná buňka biologickou fixací
organických substrátů zabezpečuje energii na anabolické procesy.
Jedná se o složitý biologický proces, který se skládá:
a) systém oxidační-redukčních reakcí řízených příslušnými enzymatickými systémy a
katalyzátory. Úlohou enzymů je aktivovat kyslík, zabezpečit přenos protonů a
elektronů na kyslík a využít energii oxidovaného substrátu na syntézu ATP.
b) disimilační procesy, kterými se přeměňují původní organické látky až na minerální
složky – oxid uhličitý a vodu.
c) Tvorbu meziproduktů, intermediárních látek, které se využívají v metabolizmu
buňky, zejména v biosyntetických dějích.
Vnějším projevem dýchání je gazometrická výměna mezi organizmem a prostředím,
charakterizovaná přijímáním kyslíku a vylučováním oxidu uhličitého. Prodýchávání glukózy
může být vyjádřeno rovnicí:
C6H1206 +6 02 6 CO2 + 6 H2O +2 870 kJ
Uvedená sumární rovnice dýchání není zcela přesná, neboť se jedná o velice
komplikovaný proces. Jedná se o sérii více jak 50ti reakcí, které jsou katalyzovány celou
řadou enzymů. Jedná se o postupnou přeměnu molekul, která vede ke konverzi energie a její
uskladnění do ATP a hromadění intermediárních uhlíkatých sloučenin. Mezi ně patří
aminokyseliny pro syntézu bílkovin, nukleotidy pro syntézu nukleových kyselin, uhlíkaté
prekurzory pro porfyriny pigmentů a další. Když jsou vytvořené uvedené meziprodukty,
konverze primárních respiračních substrátů na oxid uhličitý a vodu není úplná. Zda se
přemění atom uhlíku v prodýchávaných substrátech na oxid uhličitý nebo na některé
z početných meziproduktů je závislé na mnoha faktorech.
Centrální postavení dýchání v metabolizmu rostlin i ostatních živých organismů je dáno
tím, že spojuje procesy metabolizmu sacharidů, bílkovin, aminokyselin, nukleových kyselin a
tuků a tedy je jedním ze základních regulátorů syntetické funkce organismu, včetně růstu
rostlin. Makroergické vazby vznikající v dýchacím procesu se mohou využívat např.
v transmembránovém transportu, při pohybu cytoplazmy, dělení buněk apod.
Mnoho energie se uvolňuje ve formě tepla. Při nízkých teplotách může toto teplo
stimulovat metabolizmus, čím se zvyšuje jeho účinnost v porovnání s teplem přenášeným do
atmosféry anebo do půdy.
Základním zdrojem energie jsou tedy oxidační procesy. Kyslík potřebný k aerobnímu
dýchání se dostává do rostliny přes průduchy, lenticely i pokožkou. Místem buněčného
dýchání, kde je lokalizovaný dýchácí řetězec a citrátový cyklus jsou mitochondrie.
ENERGETICKÉ SUBSTRÁTY A RESPIRAČNÍ KVOCIENT
Energeticky bohaté organické látky, které rostlina využívá jako substráty dýchání se
složitou cestou biologické oxidace rozkládající ne jednoduché organické molekuly. Tyto
substráty, v případě, že je buňka dobře zásobena kyslíkem, se mohou zapojit do citrátového
cyklu a úplně zoxidovat na vodu a oxid uhličitý, přičemž se získá značné množství energie.
Dýchacím subtstrátem jsou látky různého chemického složení. Je to možné tím, že:
1) v buňce se nachází různé katalytické mechanizmy dovolující rozklad těchto látek,
2) oxidačně- redukční přeměny mohou v buňce probíhat několika, vzájemně se lišícími
cestami,
3) oxidace látky může v buňce probíhat buď přímo za přítomnosti specifických
enzymů či nepřímo.
Jako respirační substráty mohou být škrob, fruktózy, sacharóza a další cukry, tuky,
organické kyseliny a za specifických podmínek i bílkoviny.
Hlavním respiračním substrátem jsou sacharidy. Polysacharidy se obvykle rozkládají na
glukózu, jejíž hladina je v rostlině neustále udržována, tedy i v případě, že je zaznamenán
úbytek jiných cukrů. Jestliže je oxidace glukózy úplná, objem pohlceného kyslíku se rovná
objemu vyloučeného oxidu uhličitého. Tento poměr mezi vydaným oxidem uhličitým a
přijatým kyslíkem se nazývá respirační kvocient (RQ) a je roven 1. Pro semena olejnin,
obsahující tuk a olej bohatý na vodík a chudý na kyslík, jejich respirační kvocient je nižší než
0,6.
Mnohé rostlinné druhy, které obsahují tuky a oleje bohaté na vodík a chudé na kyslík
mají při klíčení hodnotu respiračního kvocientu 0,7, ale při dozrávání semen tj. v období
tvorby tuků je hodnota vyšší než 1.
Jestliže se prodýchávají bílkoviny pohybují se hodnoty respiračního kvocientu
v rozmezí mezi 0,7 až 0,8. Při prodýchávání organických kyselin RQ stoupají. Např. kyselina
oxaloctová má RQ roven 4.
Stanovení respiračního kvocientu umožňuje získat informace a typu oxidované
sloučeniny. Tento problém je velmi komplikovaný, protože v tom samém času mohou být
oxidované různé typy sloučenin a tak se průměrné hodnoty RQ závisí na podílu
prodýchávaných substrátů.
Hodnoty RQ nejsou stálé. Pokles je možné zaznamenat tehdy, když se v pletivech
hromadí sloučeniny přechodného charakteru. Pokles je tím větší, čím je větší podíl
prodýchávaného substrátu zůstává v neoxidovaném stavu. Zvýšení je možné pozorovat tehdy,
když je do pletiv stížený nebo omezený přístup kyslíku. Hodnotu respiračního kvocientu
ovlivňují též vnější podmínky, věk jednotlivých orgánů a ontogenetický stav rostlin.
Kvantitativní stránku dýchacího procesu vyjadřuje rychlost dýchání. Mezi nejběžnější a
nejvíce používané metody stanovení rychlosti dýchání patří metody gazometrické. Proto
rychlost dýchání nejčastěji vyjadřujeme množstvím spotřebovaného kyslíku anebo
vyloučeného oxidu uhličitého hmotností jednotkou dýchacího materiálu za jednotku času.
Rychlost dýchání je hodnota značně variabilní. Závisí na specifických vlastností druhu i
jednotlivé orgány a jejich pletiva mají rozdílnou rychlost dýchání. Změny rychlosti dýchání
jsou spojeny s jejich vývojovým stavem, růstovou fází, inzercí listů v rámci rostliny, obsahem
vody, růstových látek, zejména auxinu a giberelinu.
MECHANIZMUS DÝCHÁNÍ
Oxidační proces rozdělil Krebs do pěti etap. V přípravné etapě dochází k rozkladu
složitých makromolekul na menší degradační produkty bez zisku využitelné energie.
Bílkoviny se hydrolyzují až na úroveň aminokyselin, polysacharidy na jednoduché jednotky
využitelné v metabolizmu. Monosacharidy, karboxylové kyseliny, glycerol, aminokyseliny
podléhají přeměně, která je částečně spojená s oxidací, a tedy i se ziskem energie. Při této
přeměně vzniká acetyl - CoA . Oxidací substrátu je ukončen citrátový cyklus. Uhlík
metabolitů se uvolňuje ve formě oxidu uhličitého, protony a elektrony přecházejí dýchacím
řetězcem až na kyslík, se kterým tvoří vodu. Konečná fáze oxidace substrátů je spojena
s fosforylačními procesy, čímž je zabezpečena syntéza ATP.
MITOCHONDRIÁLNÍ STRUKTURY A DÝCHÁNÍ
Pyruvát a NADH vytvořené v glykolýze se oxiduje v mitochondriích, které jsou
specializované na biologickou oxidaci substrátu. Od cytoplazmy je odděluje dvojitá
povrchová membrána. Vnější mitochondriální membrána je hladká, nečleněná a dobře
propustná pro malé molekuly. Vnitřní mitochondriální membrána ohraničuje vnitřní prostor
mitochondrie vyplněný matrixem a směrem dovnitř vytváří mitochondriální kristy. Tvar a
počet mitochondriálních krist je variabilní a zvyšuje se s metabolickou aktivitou mitochondrií.
Vztah mezi tvorbou mitochondriálních krist a respirační aktivitou není závazné a tvorba
membrán předchází syntéze enzymů respiračního řetězce.
Vnitřní mitochondriaální membrána má na straně sousedících s matrixem oxizómy.
Předpokládá se, že se podílejí na konverzi anorganického fosfátu na ATP. nazývají se proto
ATPazový komplex. Důležitou součástí této membrány si komponenty elektrotransportního
systému v odpovídajícím pořadí přenosu elektronů ze substrátu na kyslík ve směru
potenciálního spádu. V současnosti je už známá přesná lokalizace některých složek
respiračního řetězce.
GLYKOLÝZA
Glykolýza je anaerobní proces odbourávání sacharidů. V tomto procesu se glukóza
aktivuje a dále se přeměňuje přes několik mezistupňů. Glykolýza probíhá v cytosolu,
nepotřebuje kyslík a ze všech stupňů respirace je vývojově nejstarší.
Při glykolýze se jedná o dvě skupiny reakcí:
1) přeměna výchozích sacharidů na triózy bez zisku energie. Průběh závisí na
výchozím sacharidu.
2) Oxidace trióz s akumulací části energie uvolněné při oxidaci.
Jako základní substráty ke glykolýze jsou využívány zejména glukóza a fruktóza, které
vstupují do reakcí. Vznikají rozkladem sacharózy a škrobu. Syntéza a rozklad škrobu začíná
v plastidech, takže cukr ze škrobu pak vstupuje do cytosolu. Do začátku glykolitických reakcí
vstupuje hexóza, která je dvakrát fosforylována a pak rozdělena.
Vzniknou dvě molekuly tří uhlíkatých cukrů a glyceraldehyd – 3 – fosfát. Jedná se o
dvě ze tří hlavních nevratných reakcí glykolitické cesty. Aby vznikly dvě sloučeniny je
zapotřebí dodání 2 molekul ATP a působení enzymů hexokinázy a fosfofruktokinázy.
Glyceraldehyd-3- fosfát umožňuje získat energii pro další glykolýzu. Enzym glyceraldehyd-3fosfát dehydrogenáza, která katalyzuje oxidaci glyceraldehydu na karboxy kyselinu a uvolní
se potřebná energie k redukci NAD+ (jedná se o organický kofaktor, který ve spolupráci
s enzymy umožňuje redox reakce) na NADH (uchovává volnou energii vytvořenou během
stupňů oxidace v Krebsově cyklu).
Fosforylací karboxylové kyseliny vznikne 1,3 bisfosfoglycerát. V dalším stupni
glykolýzy za pomocí enzymu fosfoglycerátkinázy vzniknou dvě molekuly ATP. v dalších
reakcích dojde ke vzniku fosfoenolpyruvátu. Enzym pyruvátkináza katalyzuje vznik dalšího
ATP a vznikne poslední stupeň glykolýzy kyselina pyrohroznová – pyruvát. Při této třetí
nevratné reakci glykolýzy vzniknou 2 molekuly ATP na každou molekulu glukózy vstupující
do reakce. V průběhu glykolýzy dále vznikají celuloza, tuky, mastné kyseliny, bílkoviny,
fytohormony – gibereliny a ABA.
První výsledný produkt glykolýzy ke pyruvát. Jeho další přeměna závisí na zásobování
buňky kyslíkem. Za anaerobních podmínek se pyruvát mění na laktát nebo etanol.
V cytoplazmě se tak regeneruje NAD+. Za aerobních podmínek se pyruvát přesouvá
z cytoplazmy do mitochondrií, kde se v citrátovém cyklu úplně oxiduje na oxid uhličitý a
vodu.
Druhý výsledný produkt glykolýzy NADH se může reoxidovat v dýchacím řetězci
v mitochondriích. Pro NADH je však vnitřní mitochondriální membrána nepropustná. Proto
se nemůže oxidovat NADH – dehydrogenázou dýchacího řetězce lokalizovaného na vnitřní
straně vnitřní membráně mitochondrie. Mitochondrie rostlin mají na rozdíl od živočichů ve
vnitřní membráně obrácené k cytosolu lokalizovanou ještě druhou NADH-dehydrogenázu,
která potom může oxidovat cytoplazmatické NADH.
Účinnost glykolýzy je z energetického hlediska malá. Význam glykolýzy je především
v profukci pyruvátu, NADH a důležitých meziproduktů, které mohou být substrátem pro jiné
reakce.
Tok látek při glykolýze reguluje aktivita důležitého enzymu glykolýzy, kterým je
fosfofruktokináza. Jedná se o ireverzibilní enzym glykolýzy, který neumožňuje zpětnou
reakci, tj. resyntézu glukózy z pyruvátu. Fosfofruktikináza je iniciátorem toku látek do
glykolýzy podle potřeb buňky a kontroluje glykolýzu.
KVAŠENÍ
Kvašení je proces přeměny pyruvátu při nedostatečném množství kyslíku. Proces má
malou energetickou výtěžnost, ale vznikají v něm významné oxidační produkty zejména
z hlediska průmyslového využití. Proces uskutečňují nezelené mikroorganizmy – bakterie,
kvasinky, plísně. Nejznámějšími představiteli kvašení jsou kvasinky. Kvasinky se nakonec
stávají obětí svých vlastních produktů, přestože jsou schopné přežít i vysoké koncentrace 120
g/l etanolu v roztoku, nakonec se přestanou množit a zahynou. Kvašením se dá vyrobit
maximálně 12 % alkohol. Buňky vyšších rostlin jsou také schopny produkovat alkohol
v podmínkách nedostatku kyslíku. Přežívají však pouze koncentraci 30 g/l etanolu.
Rozkladem různých organických substrátů, zejména sacharidů v anaerobních podmínkách si
organizmy zabezpečují energii pro svůj život. Při kvašení se substráty neodbourávají na oxid
uhličitý a vodu, ale pouze na oxidační produkty s vyšším obsahem energie. Konečným
akceptorem protonu a elektronu při kvašení není kyslík, ale organická látka.
Existuje celá řada kvašení. Mezi základní patří etanolové a mléčné kvašení. Mléčné
kvašení bývá zjišťována u hlíz brambor a kořenů trav. Má mení roli než alkoholové kvašení.
Používá se při výrobě jogurtů, kysaného mléka, kysaného zelí, kvašení okurek. V krmivářství
se využívá při výrobě siláže a při zpracování lnu a konopí. Další kvašení je představováno
máselným, celulózovým, octovým, metanovým kvašením, vyrbí se i kyselina mravenčí,
propionová, butanol, aceton. Kvašení se objevuje i v pletivech vyšších rostlin, zejména
v silnějších kořenech v hůře provzdušněných meristémech. Nedostatkem kyslíku mohou trpět
i kořeny intenzivně zalévaných rostlin, semena pod vodou a rostliny v podmínkách stresu.
Buňky mají schopnost regulovat intenzitu degradace substrátu (Pasterův efekt).
Anaerobní rozklad glukózy na etanol nebo laktát můžeme zapsat následujícími
rovnicemi:
C6H12O6 + 2ADP + 2P ----- 2 C2H5OH + 2ATP + 2CO2
C6H12O6 + 2ADP + 2P ----- 2 C3H6O3 + 2ATP
CITRÁTOVÝ CYKLUS
Konečný produkt glykolýzy pyruvát nemůže přecházet přes vnitřní membránu
mitochondrií jako nedisociovaná kyselina. Předpokládá se, že jeho přenos do matrix
mitochondrie zprostředkovává specifický přenašeč. V matrix mitochondrie katalyzuje
počáteční oxidaci pyruvátu multienzymový komplex pyruvátdehydrogenázy sestávající ze
třech enzymů: pyruvátdekarboxylázy (koenzym TPP), dihydrolipoátdehydrogenázy (s
koenzymem FAD), lipoáttransacetylázy (s koenzymem kyselinou lipoovou). Vzniká NADH,
uvolní se první molekula CO2 a acetyl S-CoA (aktivovaná kyselina octová), který vstupuje do
citrátového cyklu.
Citrátový čili Krebsův cyklus je složitý cyklický děj, do kterého se zapojuje devět
reakčních stupňů katalyzovaných enzymových systémů dehydrogenáz, dekarboxyláz a
oxidáz. V metabolizmu buňky je to děj velmi efektivní a probíhá v mitochondriích.
Acetyl-CoA, který vznikl oxidační dekarboxylací pyruvátu nebo v jiných oblastech
látkového metabolismu se zapojuje do citrátu. Acetyl přenesený koenzymem A se postupně
odbourává na oxid uhličitý a vodu, přičemž aktivátorem reakce je Mg2+.
Citrátový cyklus musí splnit tyto tři funkce:
1. oxidaci organických kyselin a produktů anaerobního odbourávání sacharidů, acetylCoA a dalších látek. Kdyby se tyto látky v buňce neoxidovali, hromadili by se a
mohla by nastat inhibice enzymů se zpětnou vazbou, co by mohlo látkový
metabolismus zastavit.
2. Tvorbu meziproduktů (dikarboxylových a trikarboxylových kyselin) jako prekurzor
jiných látek a zároveň jejich využití jako výchozích látek v dalších metabolických
dějích.
3. Zabezpečení hlavního zdroje vodíku pro respirační řetězce a biosyntézu
dostatečného množství ATP na energetické potřeby buňky.
Z uvedených funkcí vyplývá, že citrátový cyklus má v metabolizmu organizmu
centrální
postavení.
Je
nejenom
významným
disimilačním
mechanizmem
a
zprostředkovatelem anabolických procesů, ale i metabolických poolem při napojení
biosyntézy organických sloučenin dusíku.
V citrátovém
cyklu
vznikají
další
důležité
sloučeniny,
zejména
bílkoviny,
aminokyseliny, porfyriny jako jsou chlorofyly, fytochromy, cytochromy. Pokud je pyruvát
oxidován až do konce a dojde k tvorbě 8 molekul NADH a 2 molekul FADH2
v mitochondriální matrix, pak tyto sloučeniny vstupují do další fáze dýchání – do dýchacího
řetězce.
DÝCHACÍ ŘETĚZCE A OXIDAČNÍ FOSFORYLACE
Dýchací řetězce jsou umístěny na vnitřní membráně mitochondrií. Dýchací řetězec
představuje funkčně
a strukturně uspořádaný transport protonů a elektronů odebraných
z oxidovaného substrátu a dopravených do řetězce ve formě redukovaných koenzymů NAD+ a
FAD+ a jejich přenesení na kyslík. Transport probíhá v soustavě oxidačně-redukčních reakcí a
realizuje se postupným přenosem elektronů pocházejících z vodíku NADH+H+ z jednoho
nosiče elektronů na druhý až v konečné fázi na kyslík. Přenos se uskutečňuje přes
flavoproteiny, které transportují elektrony přes cytochromy b, c, a. Protony se na začátku
řetězce uvolňují do prostředí. Zařazení jednotlivých nosičů jde od místa s vyšším
elektronovým tlakem na redoxní systém s nižším elektronovým tlakem. Na konci řetězce se
elektrony a protony znovu spojují a v reakci redukují molekulový kyslík na vodu. Energie se
v jednotlivých redoxních stupňů oxidace využívá na tvorbu ATP. řetězec transportu elektronů
v membránách mitochondrií je spojený se syntézou ATP prostřednictvím protonového
elektrochemického potenciálu v membráně.
NADH + H+ + ½ O2 ------ NAD+ + H2O
Umožňují to elektronové přenašeče proteinové povahy, které tvoří 4 multiproteinové
kompexy I – IV. Každý z nich je lokalizován na vnitřní mitochondriální membráně.
KOMPLEX I: elektrony z NADH vytvořené v matrix během citrátového cyklu jsou
oxidovány, přenesou elektrony na ubichinon do mezimembránového prostoru pomocí FMN
(flavinmononukleotid) a FeS proteinu s redox potenciály.
KOMPLEX II: zajišťuje přenos elektronů ze sukcinátu na ubichinon pomocí FADFADH2 + FeS protein.
KOMPEX III: se nazývá cytochromreduktáza, obsahuje přenašeče cytochromy b, c1 a
FeS proteiny, zprostředkovává přenos elektronů z ubichinonu na další přenašeč cytochrom c.
KOMPEX IV: se nazývá cytochromoxidáza, obsahuje cytochromu a, které
zprostředkovávají přenos elektronů na kyslík – poslední akceptor.
Za normálních podmínek je respirační řetězec spojený s aerobní fosforylace – při
oxidaci NADH+ se tvoří molekuly ATP, při oxidaci FADH+ se tvoří jen molekuly ATP.
Protony a elektrony substrátu neprocházejí soustavou dýchacího řetězce na kyslík, je spojení
přerušeno a výsledkem je snížení efektivnosti dýchání. Takto uvolněná energie se přeměňuje
na teplo.
Transport elektronů a s ním spojená oxidační fosforylace probíhá pouze tehdy, kdy se
do mitochondriální matrix trvale transportuje ADP a Pi z cytoplazmy. Oproti tomu vzniklé
ATP difunduje znovu do matrix a odtud se musí transportovat do cytoplazmy, aby byl
k dispozici energetickým reakcí buňky. Vnější membrána mitochondrií obsahuje póry,
kterými přecházejí anorganické ionty a metabolity. Avšak vnitřní membrána tvoří překážku
mezi mitochondriálním kompartmentem a cytosolem a je nepropustná pro většinu iontů, pro
Pi, pro NAD a různé intermediáty. Proto v této bariéře musí učinkovat specifické přenašeče,
kterými jsou většinou membránové bílkoviny.
OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE
V respiračním řetězci jsou tři stupně fosforylace:
I.
v oblasti flavoproteinů,
II.
mezi cytochromy b560, c552,
III.
mezi cytochromy a3.
U všech tří stupňů redoxního potenciálu se vytvoří 1 ATP na 2 transportované
elektrony, celkově při oxidativní fosforylaci 32 ATP. množství vytvořeného ATP
během oxidace různých substrátů je v určitém poměru k množství spotřebovaného
kyslíku, což vyjadřuje kvocient P/O. Tento kvocient ukazuje kolik bylo vytvořeno ATP
molekul na 2e-.
VYUŽITÍ ENERGIE DÝCHÁNÍ
Rostliny využívají energii dýchání vázanou v makroergických vazbách c celém svém
životě. Od vývinu embrya až po dospělou rostlinu se zvyšuje spotřeba energie na dlouživý
růst, dělení buněk, diferenciaci, ale i na obnovení svého metabolizmu. Zabezpečuje energií
ATP.
Značný přísun energie vyžaduje biosyntéza složitých komponentů protoplazmy. Na
úkor energie uvolněné dýcháním probíhá také příjem látek z vnějšího prostředí do buňky
proti gradientu koncentrace, transport a přemisťování látek v buňce a pletivech rostlin jako i
pohyb rostliny. Tato energie má vztah i k odolnosti rostlin k chladu. Energie dýchání je
dostupná pro všechny živé organizmy. Organizmus využije jen část této energie na tvorbu
ATP a zbylou energii vyloučí ve formě tepla.
FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ DÝCHÁNÍ
TEPLOTA
Závislost dýchání na teplotě podmiňuje jeho enzymatický systém. Obecně platí, že se
zvyšující se teplotou narůstá i dýchání. Hranicí těchto teplot jsou teploty od 0 do 40 °C. při
teplotě 0 °C je intenzita dýchání nízká. Závisí na rostlinném druhu, neboť u mnoha rostlin
v této teplotě probíhají obranné reakce. Nastává hydrolýza polysacharidů na rozpustné
sacharidy. Tím dochází ke snižování osmotické hodnoty buňky, zvyšuje se stabilita koloidů.
Víceleté rostliny dýchání nepřerušují, ale pouze zpomalují – teplota - 25 °C.
Maximální teploty pro dýchání jsou kolem 45 až 50 °C. Teploty nad touto hranicí
působí destruktivně.
Optimální teplota je takové, která umožňuje vysokou aktivitu dýchání, ale nezpůsobující
její pokles poškozováním enzymů protoplazmy.
VODA
Voda má vliv na hydrataci protoplazmy a na přípravu substrátu. Optimální průběh
dýchání závisí na přísunu vody do buňky a na schopnosti buňky zadržovat vodu. Vodní deficit
rostlin způsobuje na jeho počátku zvýšení dýchání. Jestliže trvá delší dobu může dojít
k narušení spojení oxidace s fosforylací. Snižuje se energetická bilance buňky.
Vazba voda a dýchání je důležitá především u semen a lišejníku,neboť dojde-li
k poklesu obsahu vody může nastoupit tzv. latentní stav.
Krátkodobé nadbytečné množství vody způsobuje zvýšení rychlosti dýchání. Rostliny
pěstované v suších podmínkách dýchají intenzivněji než rostliny s dostatkem vláhy.
SVĚTLO
Vliv viditelného světla na dýchání závisí na jeho kvalitě a délce osvětlení. Nepříznivý
vliv se projevuje při nadměrném toku záření, kdy může dojít k fotooxidaci buněčných struktur
a tím k porušení jejich funkce.
Primární děje fotosyntézy závisí na FAR. ATP, NADH vytvořené fotosyntézou se
přesouvají do temnostní fáze, kde se využívají. Energetické ekvivalenty z fotosyntézy se
využívají v dýchání. Je zde nepřímý vliv světla na dýchání.
Osvětlení pletiv vyšších rostlin, neobsahující chlorofyl, vede nejprve ke značnému
zvýšení dýchání. Vzestup není trvalý, a co nejdříve se vyrovnává.
ATMOSFÉRA
Pro dýchání je nejdůležitější tlak kyslíku, na němž závisí jeho pronikání do pletiv. Jaký
typ oxidace bude v pletivu probíhat, závisí na dostupnosti a obsahu kyslíku. Pokles kyslíku
vede v rostlinách k anaerobnímu dýchání. Limitující obsah kyslíku při aerobním dýchání je
asi 5 %. Záleží na typu pletiva a schopnosti ho využívat a na typu oxigenáz a jejich afinity ke
kyslíku. V některých případech mohou oxidační procesy probíhat i při obsahu 3 – 1 %
(mrkev).
Nejcitlivěji na nedostatek kyslíku reagují mitochondrie. Během 24 hodin nastávají
změny v ultrastruktuře krist mitochondrií. Při dlouhodobějším nedostatku dochází k bobtnání
mitochondrií, k fragmentaci mitochondriálních membrán až k jejich úplnému porušení.
V kořenech nastává alkoholové nebo mléčné kvašení. Etanol inhibuje syntézu bílkovin a
ribonukleových kyselin, porušuje morfologickou stavbu a biochemickou aktivitu mitochondrií
a syntézu mastných kyselin a tím i celou energetiku buňky.
Potlačuje se fosforylace.
Metabolickou adaptací v půdách chudých na kyslík je i to, že se zvyšuje koncentrace
acetaldehydu během anaerobiosy neindukuje se tvorba alkoholdehydrogenázy. Netvoří se
tedy etanol, ale šikimátová, jablečná a mléčná kyselina.
Zvlát citlivé jsou na oxid uhličitý listy na jaře. Adaptace rostlin na nepříznivé podmínky
je zvýšení obsahu cytochromu, zvýšení aktivity mitochondrií, alternativní cesta dýchání.
MINERÁLNÍ ŽIVINY
Důležitými prvky je vodík – hydrolytické a transaminační procesy. Hořčík při přenosu
fosfoesterů, Fe a Cu v cytochromu. Vápník podmiňuje stabilitu membránových struktur
mitochondrií.
Jestliže je rychlost fotosyntézy maximální je rychlost dýchání minimální, vyjma
určitého úseku dne. Jestliže je živin nadbytek nebo nedostatek intenzita dýchání se zvyšuje.
VLIV MECHANICKÉHO POŠKOZENÍ ROSTLIN
Následkem poranění či infekce nastává dočasná stimulace dýchání a to v místě
poranění, ale i v místě napadení patogenem, i v celé rostlině. Tato několikrát vyšší aktivita
dýchání je dána přestavbou terminálních oxidázových systémů, obvykle askorbinooxidáza,
případně jina terminální oxidáza. V normálních podmínkách se jedná o cytochromoxdázu.
I těžké kovy působí na intenzitu dýchání. Zvyšuje se produkce oxidačních enzymů a
dalších látek -
IAA, etylén, etylénbromid, etylénchlorid – dozrávání plodů.
Rychlost
dozrávání se může zkrátit na polovinu.
Insekticidy, herbicidy také zvyšují dýchání.
DÝCHÁNÍ PLETIV
Pletiva rostlin dýchají různou intenzitou a mají též rozdílnou aktivitu oxidačních
enzymů. Závisí to na fyziologickém stavu orgánů a vnějších podmínkách. Vysokou intenzitu
dýchání mají rostoucí orgány. V zásobních pletivech závisí rychlost dýchání na teplotě a
vlhkosti. Nejintenzivněji dýchají zrna při 22 % vlhkosti a asi při teplotě 45 °C. vysokou
intenzitu dýchání mají tyčinky a blizna.
DÝCHÁNÍ ORGÁNŮ
V kořenu probíhá glykolýza. Glykolýza a kvašení probíhají v meristémech. Zvýšená
hladina alkoldehydrogenázy přítomná v meristému katalyzuje vznik acetaldehydu, jeho
redukci na etanol, který se hromadí v buňkách. Tento stav má vysoký respirační kvocient. Jeli dostatečná zásoba kyslíku tak se etanol přestává v buňce hromadit a současně se upravuje i
RQ na 1. kvašení probíhá v kořeni zároveň s dýcháním. Vyskytuje se především v silných,
provzdušněných kořenech.
Prodlužovací fáze využívá přímou cestu rozpadu glukózy – pentózový cyklus, který
zásobuje
cytoplazmu
NADH.
Dále
se
tvoří
nukleové
kyseliny,
xilóza,
lipidy,
fosfoenolpyruvát a další. Např. nejvyšší aktivita glukózo-6-fosfátdehydrogenázy se zjistila
při přechodu buněk z fáze dělení do fáze prodlužovací.
Za aerobních podmínek pyruvát, jako produkt glykolýzy, vstupuje z cytoplazmy do
mitochondrií kořenů. Jeho přechod do matrix je uskutečněn pomocí speciálního nosiče.
Aktivita enzymů citrátového cyklu v kořenech není objasněna.
List představuje aparát ve kterém probíhá fotosyntéza a tvorba asimilátů a současně
zodpovídá za jejich transport do místa spotřeby. Dýchání listů se od dýchání kořenů se jen
málo liší, pletiva listů jsou více zásobena kyslíkem. Zejména budou aktivovány aerobní
procesy dýchání.
Přípravná fáze zahrnuje biologickou oxidaci a přísun substrátu a obvykle probíhá cestou
glykolýzy. Jiná cesta přichází do úvahy teprve tehdy, když se rostlina nachází v nepříznivých
podmínkách života. V těchto podmínkách rostliny využívají přímé cesty – pentózového cyklu.
ONTOGENETICKÝ STAV
V průběhu ontogeneze se dýchání mění v závislosti na potřebě energie, která
zabezpečuje růstové procesy, transport asimilátů apod. velmi intenzivně dýchají meristémy a
v buňky v prodlužovací zóně růstu. Ve vegetativní fázi růstu, kdy je listová plocha o
maximální rozloze, nastává pokles dýchání a potom jeho rychlost zůstává na normální
hladině. K její aktivaci dochází opět v období kvetení, při tvorbě a dozrávání plodů. Ke konci
ontogeneze nastává v listech opět vzestup úrovně dýchání.
Typ dýchání se mění i během ontogeneze. Při klíčení semen převládá mléčné a
etanolové kvašení. V meristematických buňkách převládá glykolýza a citrátový cyklus.
V následné prodlužovací fázi vedle glykolýzy nastupuje i pentózový cyklus. Pro dospělou
rostlinu je typická glykolýza a na ní vázané následné cesty prodýchávání pyruvátu.
RYCHLOST DÝCHÁNÍ RŮZNÝCH SYSTEMATICKÝCH A EKOLOGICKÝCH
SKUPIN ROSTLIN
I druhová příslušnost ovlivňuje rychlost dýchání. Např. při 12 °C spotřebuje lupina bílá
73,7 mikrolitrů kyslíku, bob – 96,6 a pšenice 291,0 mikrolitrů kyslíku na 1 g sušiny za
hodinu. Světlomilné rostliny dýchají intenzivněji než stínomilné. Vysokohorské rostliny, které
rostou v podmínkách sníženého obsahu kyslíku, se jeho nedostatku přizpůsobují aktivitou
oxidačních enzymů a proto dýchají rychleji než podobné druhy z nížin. Arktické rostliny
v porovnání s rostlinami z teplejších oblastí dýchají při nízkých teplotách rychleji. Sukulenty
přijímají ve tmě kyslík a oxid uhličitý zabudovávají do CAM cyklu.
ZTRÁTY ZPŮSOBENÉ DÝCHÁNÍM
V zemědělství při skladování sklizených produktů dochází ke ztrátám prodýcháváním.
U cukrové řepy se skladování projevuje snížením cukernatosti. Proto by měly být bulvy málo
poškozené, včasně dopraveny do cukrovaru a šetrně sklízeny. U obilovin je dýchání
limitováno vlhkostí. Při vlhkosti vyšší než 14 % dochází k intenzivnějšímu dýchání a
k zahřívání skladovaného zrna. U brambor může při nižších teplotách docházet k přeměně
škrobu na cukry, které pak při zvýšení teploty rychle prodýchávají sušinu a způsobují
náchylnost hlíz k chorobám. U ovoce dochází ke ztrátě cukrů a ztráty kvality a je časté
napadení chorobami.
Růst a vývoj rostlin
Soubor kvantitativních a kvalitativních procesů, které se uskutečňují v průběhu
individuálního životního cyklu organizmu nazýváme morfogeneze.
Morfogeneze je výsledkem mnoha cytologických, morfologických a fyziologických
procesů. Cytologické a morfologické procesy se uskutečňují na submikroskopické,
mikroskopické a makroskopické úrovni. Jejich výsledkem je změna počtu a velikosti
buněčných struktur, buněk, pletiv a orgánů.
Morfogeneze je bezprostředně závislá na fyziologicko-biochemických procesech, které
jsou zdrojem substrátů a energie, potřebné na funkční činnost formujícího se organizmu. Tyto
fyziologické změny jsou základem změn morfologických a ty jsou představovány změnami
v habitu a zpětně evokují změny ve fyziologických reakcích.
Kvantitativní změna je doprovázená změnami kvalitativními a naopak. Proto je velice
obtížné definovat jednotlivé procesy odděleně.
Zjednodušená definice růstu může být následující: Růst je zvětšování hmoty
protoplazmy na základě její syntetických procesů, v jejichž důsledku dochází ke změně
formy, tvaru a velikosti. Růst je tedy proces kvantitativní.
Růst je tedy jedním z nejzákladnějších znaků živých organismů. Změny ve velikosti,
tvaru a formy musí být nevratné a proto za růst nelze považovat např. bobtnání semen. Je však
nutné zdůraznit, že ne vždy musí být růst charakterizován bezprostředně změnou objemu resp.
zvětšováním buněk. Např. počáteční růst embrya ze zygoty se děje pouze dělením původní
zygoty na menší buňky dceřinné, aniž se zvětšuje celková velikost embrya.
Růst rostlin, nebo jejich částí se měří pomocí těchto čtyř parametrů:
1) čerstvá hmotnost resp. přírůstek čerstvé hmotnosti za čas
2) hmotnost sušiny,
3) měření délky a šířky – je vhodné při posuzování růstu orgánů rostoucích v jednom
směru,
4) určování plochy – používá se k posouzení růstu orgánů rostoucích ve dvou směrech:
vhodné pro listy.
Růst je většinou spojen se změnou tvaru a fyziologické aktivity, tedy s diferenciací.
Identické buňky, které vznikají mitotickým dělením v apikálních, či jiných meristémech se
zvětšují a současně na tento růst navazuje jejich diferenciace. Tím vznikají z původních
identických buněk buňky odlišné tvarem i funkcí – např. buňky parenchymu, xylém či
floému. Pro různé druhy buněk však lze v jejich vývoji nalézt společná vývojová stádia a to
především v počátku jejich vývoje, resp. růstu. Buňky vznikající v meristému rostou nejprve
tzv. plazmatickým růstem. Toto stádium označujeme jako embryonální růstová fáze. U buněk,
které zůstávají meristematické, následuje po zdvojení obsahu protoplastu dělení. U buněk,
které budou dále růst, následuje fáze prodlužovacího růstu. Tato fáze je charakteristická
rychlým zvětšováním objemu buněk, příjmem vody, doprovázeným vznikem vakuol a
syntézou buněčné stěny.
Jakmile dochází ke zpomalení růstu, dochází k divergenci vývoje jednotlivých buněk.
Zatímco na jedné straně obsah základních složek cytoplazmy jako např. enzymů a nukleových
kyselin stoupá, ve všech buňkách dochází na straně druhé k vytváření rozdílu
v proporcionalitě určitých enzymů v jednotlivých buňkách podle charakteru jejich
metabolismu.
Proces růstu a diferenciace probíhá u rostlin současně. V experimentálních podmínkách
je nutné tyto dva procesy oddělit. Aplikací určitých sloučenin je možné inhibovat diferenciaci
buněk, zatímco jejich růst bude pokračovat. Růst bez diferenciace je možné dosáhnout
kultivací kalusu na určitém médiu.
Diferencované buňky se stávají stavebními jednotkami pletiv. Buňky v jednotlivých
pletivech potom stárnou a odumírají.
Růst rostlinných orgánů je způsoben jak buněčným dělením, tak i buněčným růstem.
Např. jeden apikální meristém kořene kukuřice dává vznik 17 500 buňkám za hodinu, nebo
420 000 buňkám za den. V průběhu vývoje meristematické buňky kořene v buňku
parenchymu se tato zvětší asi 30x. několikanásobné zvětšení objemu buněk v procesech jejich
diferenciace je však běžné. Např. u loubenice obecné se zvětší objem původních buněk 350
000x a v extrémních případech např. při vzniku buněk sloužících jako zásobárny vody u
některých sukulentů, může být toto zvětšení až 100 000x.
Jednotu růstu a diferenciace nazýváme vývoj. Jedná se o časový sled růstových a
diferenciačních změn.
Individuální vývoj jedince – ontogeneze je soubor zákonitých
postupných
kvantitativních a kvalitativních změn, které začínají oplodněním vaječné buňky mateřského
organizmu a vznikem zygoty a končí fyziologickou smrtí.
Růst a vývoj je ovlivňován vnitřními a vnějšími vlivy.
KRITÉRIA VÝVOJE A VÝVOJOVÉ FÁZE
Vývoj je konvenčně rozdělen do etap charakterizujících morfologický stav rostlin – tak
definujeme klíčení, když kořínek prorazí testu a dosáhne určité délky, objevení se prvního
listu, květu, zrání semen a plodů. Tyto etapy se nazývají fenologickými fázemi.
Podrobnější informaci o vývojovém stavu vrcholového meristému, které předcházejí
okem viditelným změnám nadzemní části rostliny – mikrofenologické fáze
Vývoj tedy můžeme rozčlenit do následujících etap:
a)
etapu embryonální. Tato je vymezena úsekem vývoje od vzniku zygoty do
zformování embrya. Obvykle probíhá u bylin, v optimálních teplotních
podmínkách, je závislá na signálech vnějšího prostředí a vykazuje i nízkou
fenotypickou variabilitu. Jen výjimečně má diskontinuální charakter (dub,
kaštan) či pokračuje i v období po vyklíčení semen (neúplný vývoj embrya je
typický pro čeleď Pirolaceae, Ficarna vesca, Caltha palustris).
b)
Etapu juvenilní (vegetativní). Definována je jako období, kdy rostlina není
schopna přejít do reprodukční fáze, a to i v podmínkách, které to jinak
umožňují. Klíčení semen, které juvenilní etapu zahajuje, je často závislé na
teplotních a světelných signálech prostředí, tj. jeho časování je dáno
sezónními vlivy počasí. Délka této etapy je řízena vnitřními mechanismy a na
podmínkách vnějšího prostředí závisí jen málo.
c)
Etapu zralosti. Rostlina je schopna přejít autonomně či pod vlivem signálů
prostředí do reproduktivní fáze. Zahrnuje tedy nejenom iniciaci květních
orgánů, ale i vývoj květů až do oplození, s nimž je spojen proces vzniku
zygoty. U bylin je maximální závislost na podmínkách vnějšího prostředí.
d)
Etapu stárnutí. Jedná se o etapu zániku organizmu s výraznou autonomní
regulací. Samo zakládání a zrání semen a plodů vyvolává projevy stárnutí a
eventuální zánik.
Většinou je daná vývojová etapa charakteristická pro celou rostlinu, i když je možné
pozorovat vývojový gradient, kdy vrcholová oblast je vývojově nejstarší a bazální naopak
nejmladší. S projevy vývojového gradientu se setkáváme, srovnáme-li např. morfogenetický
potenciál úžlabních pupenů po délce stonku: nejvýše postavené pupeny diferencují květy,
zatímco bazální listy. Výjimečně se setkáváme u téhož jedince, většinou dřeviny, se
současným projevem několika vývojových etap. Tak u kakaovníku může probíhat současně
rašení vegetativních pupenů, kvetení a různé fáze zrání plodů.
Doposud
neexistují
obecně
platné
fyziologické,
biochemické
a
biofyzikální
charakteristiky či aspoň znaky daného vývojového stavu a jeho změn.
Buněčná kompetence – jedná se o způsobilost buňky reagovat specifickým způsobem
na daný vývojový signál vnitřního či vnějšího původu.
Buněčná determinace – jedná se o výsledek reakce buněčné kompetence. Všechny
determinované buňky mají stejný vývojový program, bez ohlodu zda jsou na celistvé rostlině
či izolovány. K indukci dochází tehdy, když vývojový signál působí na kompetentní buňku a
vyvolává specifickou odpověď.
FÁZE RŮSTU A JEJICH LOKALIZACE
U některých druhů nižších rostlin se setkáváme s neomezenou schopností růstu. U
vyšších cévnatých rostlin existence celulózní buněčné stěny a pevné vazby v pletivech určuje,
že první růstová fáze – fáze meristematická (dělivá) se uskutečňuje jen v tenkostěnných,
nediferencovaných meristematických buňkách, které jsou lokalizovány v tzv. růstových
centrech.
Embryonální růstová fáze je soustředěna na pletiva meristematická a to na apikální (na
vrcholech lodyh a kořenů), interkolární (např. nad lodyžními uzlinami v kolénkách trav) a
sekundární (kambium a felogen). Meristematické buňky jsou poměrně malé, se všemi
rozměry shodnými. Mají tenkou buněčnou stěnu a velké jádro, jsou bohaté na cytoplazmu,
postrádají vakuoly a ve meristematických buňkách nejsou interceluláry.
Dělící se buňka prochází buněčným cyklem, při kterém dochází ke zvětšování objemu
buňky, replikaci genetického materiálu a cytoplazmy mezi dvě vznikající dceřinné buňky.
Buněčný cyklus se skládá z vlastního mitotického dělení – M- fáze, interfáze – G1, S a G2.
K buněčnému růstu dochází v průběhu interfáze. Buněčný cyklus trvá průměrně 16 – 24
hodin, ale může trvat podstatně déle v důsledku prodloužení interfáze G1. Tento proces je
citlivý na teplotu. Za optimální teploty trvá mitóza 0,5 – 3 hodiny. Kritickou fází je S-fáze,
kdy dochází k replikaci DNA. Nástup této fáze je patrně ovlivněn působením cytoplazmy na
jaderný materiál.
V průběhu interfáze nedochází pouze k replikaci, ale dochází i k syntéze dalších
součástí chromozómů, složek mitotického aparátu, zvyšuje se počet mitochondrií. Syntéza
dalších složek jádra a cytoplazmy dále probíhá v G1 a G2 fázi RNA se tvoří od pozdní
telofáze, přes celou interfázi do počátku profáze.
Replikace DNA je pro uskutečnění dělení nezbytná, ale sama o sobě nestačí k zajištění
mitózy. Přirozený signál, který indukuje přechod z G2 do M-fáze není znám. Jedna hypotéza
předpokládá vliv velikosti buňky - není prokázána, ustupuje se od ní.
Buněčný cyklus může být regulován především v G1 a G2. K přechodu buňky do M a
S fáze je nutná energie. Z rostlinných hormonů ovlivňují buněčné dělení cytokininy. Tyto
působí přímo na buněčný cyklus a pravděpodobně stimulují genetickou aktivitu na úrovni
translace. Zasahují do metabolismu ribonukleových kyselin, stimulují vznik ribozómů a
polyribozómů a inhibují syntézu enzymů, zajišťujících degradaci nukleáz. Obvykle podporují
dělení diferencovaných buněk, zatímco v rychle se dělících buňkách dělení inhibují.
Nejpravděpodobnější je působení cytokininů v G2 nebo na přechodu mezi G2 a M-fáze.
Auxin modifikuje mitotickou aktivitu buněk, počínaje kvasinkami a konče svalovými
buňkami skotu. I u lidských nádorových onemocnění je vysoká hladina auxinu. Důkaz u
rostlin není tak častý jako v případě cytokininů. Auxin např. stimuluje tvorbu adventivních
kořenů. U in vitro bylo dokázáno, že auxin je nezbytný pro replikaci DNA, mitózu a
cytokinezi. Ovlivňují syntézu enzymů nezbytných pro replikaci DNA.
Druhou růstovou fází je fáze elongační (prodlužovací), kterou prochází část buněk po
rozdělení. V této
fázi dochází k tvorbě vakuol, postupně se vytvoří centrální vakuola.
Prodlužovací růstová fáze souvisí se zvyšováním plasticity buněčné stěny.
Zvětšování buněk je často mnohonásobné – 100x a představuje první pozorovatelnou
fázi buněčné diferenciace. Prodlužovací růst buněk je doprovázen, resp. způsoben velkým
příjmem vody, což se projevuje vznikem vakuol a jejich splynutí ve velkou centrální vakuolu.
Současně s tímto procesem dochází k syntéze složek buněčné stěny. Buňka zůstává v průběhu
prodlužovací fáze plně turgescentní a příjem vody je způsoben především zvýšením plasticity
buněčné stěny, ne tedy vzestupem osmotického tlaku vakuol. Dochází i k nárůstu obsahu
cytoplazmy a často i ke zvýšení počtu buněčných organel.
Prodlužující se buňka má tedy trvale nebo přechodně vyšší obsah proteinů, lipidů a
RNA než buňka meristematická. Je zde aktivní metabolismus a biosyntéza jednotlivých
kompartment buňky. Mění se chemické složení buněčné stěny, zvyšuje se počet mitochondrií
a jejich krist. Rovněž dochází ke zvětšování endoplazmatického retikula a zvětšení počtu
ribozómů.
Prodlužovací růstová fáze je regulována hormonálně. Nejedná se pouze o vliv auxinu,
ale i o působení giberelinů a cytokininů. Cytokininy stimulují prodlužování buněk listů a
děloh, gibereliny ovlivňují prodlužování buněk radikuly klíčícího embrya.
Zvětšování buněk v průběhu prodlužovací fáze růstu je dále ovlivněno příjmem vody. O
přijmu vody buňkou rozhoduje její vodní potenciál. Intenzita přijmu vody buňkou se zvyšuje
s rostoucí absolutní hodnotou vodního potenciálu. Jeho hodnota se může zvýšit buď zvýšením
osmotického tlaku buněčné šťávy, nebo poklesem turgoru. Prodlužování buněk je většinou
spojeno právě s přechodným poklesem turgoru. Vazebná místa mezi makromolekulárními
složkami buněčné stěny se uvolňují a stěna se plasticky roztahuje.
Po ukončování prodlužování dojde opět k obnovení vazby mezi jednotlivými
makromolekulami buněčné stěny. Zvýšením plasticity buněčné stěny stoupne vodní potenciál
buňky. Při plastickém roztahování buněčné stěny v souvislosti s jejím růstem se dostávají
různé fibrily buněčné stěny natolik od sebe, že je nezbytné jejich zesílení.
Fáze prodlužovacího růstu:
1) zvýšení plasticity buněčné stěny,
2) příjem vody vakuolou a zvětšení objemu buňky buněčným prodlužováním,
3) zesílení roztažení buněčné stěny ukládáním nového materiálu.
MĚŘENÍ RŮSTU A ANALÝZA RŮSTOVÝCH KŘIVĚK
Pro určení rychlosti růstu jsou nejvhodnější jednobuněčné organismy, u nichž je růst
dán počtem rozdělených buněk. U vyšších rostlin obecně stanovujeme rychlost růstu
jednotlivých orgánů a vyjadřujeme ji buď prostorovým nebo prodlužovacím růstem.
Jestliže chceme vyjádřit rychlost růstu celistvého organismu, stanovujeme sušinu jeho
jednotlivých orgánů, kterou poté sumarizujeme či stanovujeme hmotnost celé biomasy.
V relativním vyjádření jsou tyto ukazatele poměrně přesné, protože při dynamických
stanoveních vyjadřují přírůstek na úrovni syntetické činnosti protoplazmy.
Kromě změny velikosti či hmotnosti je růst úzce spojen i s vlastností integrity, pozitivní
změnou v počtu orgánů a složitými procesy diferenciace. Při měření růstu si často
uvědomujeme velký rozdíl v jeho rychlosti. Např. rostlina chmele vytvoří za vegetační období
ovíjivý stonek, který může dosáhnout délky 12 m. za stejné období naroste semenáček dubu
0,12 m.
Rychlost růstu vyjadřujeme v absolutních a relativních jednotkách -
viz růstové
charakteristiky.
Ze zemědělského hlediska je zajímavé zjišťovat údaje o sušině z jednotky plochy
v určitých časových intervalech. Jakmile výsledky měření vyjádříme graficky v závislosti na
čase, dostáváme integrální křivku sigmoidního tvaru – S křivku.
Na křivce je možné určit 3 fáze:
1. logaritmickou – kdy sušina stoupá exponenciálně v závislosti na čase,
2. lineární – maximální rychlost růstu v závislosti na čase,
3. senescenční (stárnutí) – charakterizována poklesem rychlosti růstu a jeho postupnou
inhibicí.
Diferenciální průběh křivky vyjadřujeme změnou absolutní rychlosti růstu v závislosti
na čase. Rychlost růstu po dosažení svého maxima klesá k nule. Při měření růstu se setkáváme
také s pojmy růstová zóna. Je to místo nejintenzivnějšího prodlužování či plošného růstu
orgánů.
ŽIVOTNÍ CYKLUS ROSTLINY
DENNÍ A ROČNÍ RŮSTOVÉ RYTMY
Průběh růstového procesu není tak plynulý, jak by vyplývalo z křivky růstu. Detailnější
analýza ukázala, že růst je často přerušován a zvýšená rychlost bývá vystřídána růstovou
depresí. Tyto výkyvy v rychlosti růstu není možné předvídat, jsou způsobené vnějšími,
především klimatickými faktory.
Pravidelně se opakující změny můžeme připsat střídání ročních období či střídaní dne i
noci. Periodické změny, ke kterým dochází v rámci ročních a denních rytmů označujeme jako
periodicita, která je jedním z charakteristických projevů života.
ROČNÍ PERIODICITA
V ontogenezi každého jedince se uplatňuje především roční periodicita, podle toho zda
se jedná o jednoletou či víceletou rostlinu se ontogeneze, která se skládá z fáze vegetativní a
reproduktivní růstu a vývoje uskutečňuje 1x či se cyklicky vícekrát opakuje.
Životní cyklus může trvat několik týdnů, měsíců, let, ale i několik století i tisíciletí.
V životních cyklech víceletých rostlin se pravidelně opakují kratší roční cykly.
Na základě toho rozlišujeme rostliny:
a)
monokarpické – jejich životní cyklus může trvat několik týdnů (efemery), nebo
jeden rok či jedno vegetační období v jehož závěru přinášejí potomstvo.
Zvláštní skupinu tvoří jednoleté rostliny s ozimou formou, které se vysévají na
podzim a v roce následujícím vytvoří potomstvo. Některé rostliny jsou
dvouleté. V prvním roce rostou pouze vegetativně a ve druhém roce života
vytváří semena a odumřou. Do skupiny monokarpických rostlin patří i víceleté
rostliny, u nichž se více let opakuje vegetativní fáze, která je pouze jednou
vystřídána fází reproduktivní. Tato fáze je ukončena smrtí jedince (agave).
b)
Polykarpické rostliny jsou typické tím, že ukončení reproduktivní fáze není
spojeno s odumřením jedince. Patří sem byliny, jejichž životní cyklus se
každoročně opakuje. Keře, stromy – opadavé. Několik let jsou ve fázi
vegetativní, poté přejdou do fáze reproduktivní a poté již jdou souběžně obě
fáze vývoje.
DENNÍ PERIDOCITA
Rostliny přizpůsobují svůj růstový rytmus i tzv. denní diurnální periodicitě. Z denních
měření růstu jsou známé křivky simulující intenzivnější růst v noci než ve dne. Na základě
těchto poznatků sestrojil Linné svoje květinové hodiny.
Jak je tedy řečeno i delší denní rytmy jsou závislé na dvou fyzikálních faktorech –
teplotě a světlu. Oba tyto faktory mají induktivní charakter, tedy jakmile je reakce
nastartována nemusí již tento faktor dále působit. Periodicita má tedy endogenní charakter a je
řízena mechanismy – biologické hodiny.
FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ RŮST A VÝVOJ
TEPLOTA:
Rostliny na změny teploty velice citlivě reagují, teplotu můžeme měnit jen v poměrně
malém rozpětí 5 – 35 °C, jinak dochází k poškození rostlin. V tomto rozmezí je růst řízen na
základě Van Hoffova vztahu, kdy se teplota zvýší o 10 °C, tak se hodnota Q10 – krát. Tento
koeficient má hodnoty od 2 – 3.
Teplota optimální je taková, při níž je rychlost růstu nejvyšší. Teplota minimální je
teplota při níž růst začíná. Při dlouhodobějším působení nízkých či vysokých teplot může
dojít k posunu těchto bodů. Je to dáno patrně posun teplotních optim některých enzymů. Při
zvyšování teploty nad 30 °C růstová rychlost již většinou klesá, až při dosažení tzv.
Maximální teploty růst ustává. Tyto kardinální body teploty nejsou konstantami, ale mění se
v závislosti na stáří rostliny. I když se liší v závislosti na rostlinném druhu, přesto vykazují
určité nízké rozhraní. Např. u hrachu je minimum 1 – 5 °C, optimum 20 – 25 °C a maximum
25 – 31 °C. optimum růstu kořenů je nižší než u prýtů a zvláště nízké optimum bývá pro
květy.
Požadavky jednotlivých rostlinných druhů na teplotu můžeme vyjádřit vegetačními
termickými konstantami. Tyto udávají součet průměrných denních teplot vegetačního období.
Pšenice ozimá má 2560 – 3080 °C, brambor 2300 – 3000 °C, ječmen jarní 1700 – 2500 °C,
kukuřice 2370 – 3000 °C, tabák 3200 – 3600 °C.
Dalším vlivem je termoperiodizmus, tedy střídání denních a nočních teplot. U brambor
se zakládají hlízy nízkou noční teplotou, podobně i plody u rajčat. Rostlina Laothenia
charysostoma rostoucí v horském údolí a na okraji pouště v Kalifornii přežila pouze dva
měsíce při teplotě ve dne 25 °C a v noc 20 °C. Při teplotách nižších rostla déle – 100 dnů a při
teplotě v noc 26 °C uhynula okamžitě.
S teplotou souvisí i záření, které se projevuje – indukcí kvetení, vernalizací …
ZEMSKÁ TÍŽE:
Zemská tíže působí na utváření rostlin: kořeny a prýty umístěné horizontálně se ohýbají
a obnovují růst ve směru působení zemské tíže – gravitropizmus.
Další morfogenetickými změnami jsou barymorfózy. Na vodorovných větvích
prorůstají pupeny na horní straně silněji než na straně spodní (gravimorfizmus). U jehličnanů
vzniká na spodní straně větví, tzv. červené dřevo, které je bohaté na tlustostěnné tracheidy.
Dorziveventralita listů – odlišnost spodní a svrchní strany listů. Projevy polarity a změny
souměrnosti květů.
VNITŘNÍ FAKTORY
RŮSTOVÉ REGULÁTORY A FYTOHORMONY:
Růst byl zpočátku vysvětlován na základě procesů minerální výživy.
Julius von Sachs (1832 – 1897) vyslovil domněnku o existenci chemických signálů –
morfogenů, kterými mohou vzájemně komunikovat jednotlivé orgány rostlin.
R. Dostál (1885 – 1973) použití experimentálně morfologických přístupů. Růst klíčních
rostlin hrachu po odstranění vzrostného vrcholu a dělohy. Přijalo se označení růstové
regulátory.
Tento obecný název nerozlišuje látky přirozené od látek syntetických. Přirozené
regulátory růstu lze rozdělit do dvou skupin: rostlinné hormony – fytohormony a další látky
s regulační aktivitou. Další dělení na inhibitory a stimulátory je částečně zavádějící, neboť
určitá látka může při jedné koncentraci působit inhibičně, ale při její změně naopak
stimulačně.
Aplikace růstových regulátorů
Regulační aktivita nějaké endogenně se vyskytující látky se obvykle testuje jako účinek její
aplikace. Ve většině případů se však zvyšuje koncentrace testované látky v rostlině, mění
se průběh přirozených koncentračních gradientů a může se vyvolat i stresová reakce.
Často se testují na segmentech rostlin. Toto testování má však také své úskalí, které je
představováno tím, že část rostliny je vyjmuta z korelačních vlivu celistvých rostlin. Proto
může dojít ke zcela odlišným reakcím než u celistvé rostliny.
Základní pojmy
Na základě určitých analogií s působením hormonů živočišných je pět skupin
endogenních růstových regulátorů považováno za rostlinné hormony: auxiny, cytokininy,
gibereliny, kyselina abscisová a etylén.
Mimo tyto uvedené se v rostlinách vyskytuje množství látek s růstově regulační
aktivitou, které mezi hormony řazeny nejsou. Jejich účinnost může být ve vyšších
koncentracích nebo neznáme zcela jejich obecné působení. Jsou to zejména: brassinosteroidy,
polyaminy, kyselina jasmonová, oligosachariny a fenolické látky.
Rostlinné hormony se od živočišných liší v mnoha aspektech. Rostliny nemají
specifické žlázy z vnitřní sekrecí, kde by se hormony vytvářely. Většina fytohormonů je
syntetizována na mnoha místech v rostlině. Koncentrační závislost účinku fytohormonů není
tak zřejmá jako u živočichů. Fytohormony jsou výrazně méně specifické než hormony
živočišné.
Mechanizmus účinku
Účinku hormonu musí vždy předcházet vazba na receptor, kterým je bílkovina. Hormon
se může vázat na receptor umístěný na membráně a signál je předáván do buňky systémem
druhých poslů. Další možností je to. Že hormon proniká do buňky, váže se na rozpustný
receptor v cytoplazmě a takto vzniklý komplex proniká do jádra, kde se vyvolává exprese
některých genů.
S výjimkou jednoho receptoru pro auxin se však u žádné z bílkovin nepodařilo prokázat
receptorovou funkci, což je důvodem toho, že jsou nazývány vazebná místa.
U živočichů je znám systém druhých poslů: systém cyklického adenozinmonofosfátu,
systém fosfoinozitový. Oba se spouští vazbou hormonu na membráně, je nutný vápník.
V průběhu posledních desetiletí byl nashromážděn dostatek důkazů, že signální systémy
u rostlin jsou téměř úplně stejné jako u živočichů, pouze s rozdílem pravděpodobného
vazebného místa pro IP3 na tonoplastu.
Fytohormony jsou také schopny ve velmi krátké době vyvolat či zastavit expresi
některých genů.
Ve studiu fytohormonů se také uplatňují genetické metody - využití mutantů, využití
metod molekulární genetiky, transgenní rostliny.
Nyní se již budeme zabývat jednotlivými fytohormony, tedy jejich vznikem,
transportem a účinkem.
AUXINY
Auxin je nejdéle známým rostlinným hormonem, jeho existence byla prokázána ve 20
letech 20. století. Objev auxinu vyšel ze studia fototropizmu a gravitropizmu. Byl objeven
v letech 1926 – 28 Wentem, který zkoumal koleoptile ovsa a prokázal, že špičky koleoptilí
produkují látku, která stimuluje prodlužovací růst. Dostal jméno auxin, což v řečtině znamená
růst, zvětšovat se. Chemické složení bylo objeveno mnohem později a to v roce 1933 Köglem,
který v lidské moči detekoval heteroauxin – kyselinu indolyl –3 – octovou. Později byla
objevena u kvasinek a v roce 1946 u vyšších rostlin.
Mezi přirozené auxiny řadíme: kyselinu indolyl - 3 – octovou (IAA), kyselinu indolyl –
3 – máselnou (IBA), 4 –chlor – IAA, kyselina fenyloctová (PAA) – plody ovocných dřevin,
vyšší koncentrace a nižší účinnost než IAA.
Syntetické auxiny: naftalenové kyseliny - α - naftyloctová kyselina (NAA),
Chlorfenoxykyseliny: kyselina 2, 4 – dichlorfenoxyoctová (2,4 – D)
2,4,5 – trichlorfenoxyoctová kyseliny (2,4,5 – T)
2 – metyl – 4 – chlorfenoxyoctová (MCPA)
benzoové kyseliny: 2,3,6 – a 2,4, 5 – trichlorbenzoová, dicamba
deriváty kyseliny pikolinové – picloram
HLADINA AUXINU V ROSTLINÁCH
Již z klasických pokusů vyplývá, že IAA je syntetizována ve vrcholu koleoptilí a
transportována bazipetálně. Hladina auxinu se tedy snižuje u jednoděložných rostlin od
vrcholu k bázi a podobně je tomu i u rostlin dvouděložných, ale s tím rozdílem, že nejvyšší
hladina je v subapikální zóně, která nejrychleji roste. Auxin je rovněž syntetizován v mladých
listech, květních orgánech a vyvíjejících se plodech, zejména v semenech. Obsah IAA
koreluje s růstovou intenzitou, a to nejenom u stonků a koleoptilí, ale i listů. V kambiu stromů
stoupá obsah IAA na jaře v souvislosti s růstem pupenů a dosahuje maxima v době
nejintenzivnější činnosti kambia. Obsah IAA bývá vysoký u mladých, intenzivně rostoucích
orgánů a se stářím klesá. Je ovlivňován zářením. Hladina IAA vykazuje nejen oscilace
diurnální, ale také endogenní.
METABOLIZMUS AUXINU
Biosyntéza IAA vychází z aminokyseliny L-tryptofanu a může probíhat několika
drahami: indolypyruvátovou (Prokaryota), tryptaminovou (Poaceae) či indolylacetaldoximovou (Brassicaceae, Tovariaceae, Resedaceae). Konjugací IAA označujeme reakci
hormonu s další nízkomolekulární látkou. Z konjugátů IAA jsou známy: O-(indolyl-3-acetyl)
-β-D-glukoza, N – (indolyl- 3 – acetyl) asparagová kyselina a O – (indolyl – 3 – acetyl)
myoinozitol. Úloha konjugátů nebyla doposud objasněna. U kukuřice slouží estery IAA
s myoinozitolem jako významný zdroj IAA pro rostoucí stonek v prvních fázích růstu. Patrně
chrání hormon před degradací a jsou transportní formou hormonu.
IAA se odbourává buď cestou dekarboxylační či cestou nedekarboxylační.
TRANSPORT
IAA je transportována bazipetálně a tento typ transportu převyšuje cestu akropetální.
Rychlost pohybu je asi 3 – 15 mm/hod v segmentech koleoptilí obilovin, 5 – 10 mm /hod
v segmenetch stonků dvouděložných rostlin a 1 – 2 mm/hod v kořenových segmentech.
V kořenech je auxin transportován převážně akropetálně.
Jedná se o specifikcý aktivní proces, který vyžaduje energii. Je zajištěn specifickými
přenašeči umístěných v plazmalemě bazálních pólů buňky. Aktivní polární transport IAA se
uskutečňuje v parenchymatickém pletivu. Hladina IAA je v xylému minimálně a naopak ve
floému byly nalezeny i dosti vysoké koncentarce IAA. Je pravděpodobné, že IAA může být
ze starších listů transportována floémem do vrchní části rostliny.
Transport IAA je nejlépe popsán chemiosmotickým modelem, podle kterého je energie
dodávána protonovou pumpou, která přenáší protony z cytoplazmy do buněčné stěny, která se
okyseluje. Tím je IAA vně buňky méně disociovaná než v cytozolu. Transport IAA závisí na
transportu vápníku.
Účinek auxinů je inhibován 5 látkami, ale jejich účinek není stejný. Jedná se o kyselinu
2,4,6 – trichlorfenoxyoctovou, 2,4- dichlorfenoxyizomáselnou, 2,4,6- trichlorbenzoovou,
trans-skořicovou a p- chlorfenoxyizomáselnou. Transport IAA je specificky bržděn TIBOU,
N-(1-naftyl)-ftalomovou kyselinou a fluorenolem. Mezi další inhibitory patří flavonoidy:
kvercetin, apigenin, kamferol.
ÚČINKY AUXINŮ
Auxiny
stimulují
prodlužovací
růst.
Regulují
tropizmus
(gravitropizmus
a
fototropizmus). Pod vlivem gravitace či jednostranného osvětlení dochází k nerovnoměrné
laterální distribuci IAA a v důsledku toho k nerovnoměrnému růstu a ohybu.
Apikální dominance – aktivace růstu je spojena obvykle s poklesem hladiny auxiny a
zvýšením hladiny cytokininů v úžlabních pupenech. Podobně je auxinem udržována
dominance plodů – plod , který transportuje nejvíce auxinu bazipetálně, nejvíce roste a brzdí
růst dalších plodů. Transport auxinu má svoji úlohu i v regulaci opadu listů a plodů. Buňky
opadavé zóny jsou živé, dokud je funkční transport IAA touto zónou. Transport auxinu je
rovněž důležitý pro udržení polarity.
Auxiny stimulují tvorbu adventivních kořenů.
Auxiny stimulují dělení buněk.
Auxiny jsou rovněž důležité pro vyvíjející se plody. Nezralá semena syntetizují IAA, ta
se hromadí v plodu a zvyšuje jeho schopnost atrahovat asimiláty.
U transgenních rostlin se zvýšenou tvorbou IAA je možné pozorovat redukovaný růst,
zvýšenou apikální dominanci a zvýšenou tvorbu kořenů.
VYUŽITÍ AUXINŮ V RV
Herbicidy – (2,4-D, MCPA)
Stimulace zakořeňování
Tkáňové kultury
CYTOKININY
K objevu cytokininů vedl rozvoj technik rostlinných explantátů. Buňky v těchto
kulturách se mohly dělit pouze za přítomnosti určitých látek, které podle své hlavní funkce,
stimulace buněčného dělení byly pojmenovány cytokininy. Jejich nejbohatším zdrojem je
autoklávovaná DNA, z nichž byl izolován 6-fusfurylaminopurin –kinetin. Jedná se o látky,
které v přítomnosti auxinu stimulují buněčné dělení.
První přirozený cytokinin byl nalezen v nezralém endospermu kukuřice a dostal jméno
zeatin.
V současné době je známo více než 30 přirozených cytokininů. Strukturně vycházejí
z adeninu substituovaného na aminoskupině v poloze 6. nejvyšší aktivitu mají látky, které
jsou substituovány v poloze N-6, mající izoprenoidní řetězec s dvojnou vazbou. Poloha N-9
dává vznik ribozidům, které mají sníženou aktivitu ve srovnání s volnými bázemi. Ribotin
vzniká tak, že v poloze 5 je vazba fosforečné kyseliny na ribózu.
V podnínkách in vitro se nejčastěji používají 6 –benzyladenin (BA) – 1972
v topolových listech
6-benzyladenin purin (BAP)
aromatické cytokininy – o -, m - topoliny
Syntetické cytokininy: aromatické deriváty močoviny a tiomočoviny.
Antagonisté cytokininů: deriváty pyrolové a pyrazolové.
METABOLIZMUS CYTOKININŮ
Biosyntéza cytokininů probíhá v kořenech. Z kořenů jsou cytokiny transportovány do
nadzemních částí xylémem. Přeseto mohou za určitých podmínek určité části rostlin
produkovat cytokininy samy. Nejvyšší hladinu cytokininů navházíme v intenzivně se dělících
a rostoucích pletivech. Jejich koncentraci může ovlivňovat vyšší hladina auxinu a etylenu,
které potlačují akumulaci cytokininů.
Cytokininy se vyskytují v rostlinách jako volné látky a jako součást molekul tRNA, a to
vždy na 3´konci antikodonu. Přímá cesta vzniku cytokininů je známá pouze u transgenních
rostlin a u bakterií.
Vzájemná přeměna cytokininů:
a) vratná přeměna bází na ribozidy a ribotidy,
b) vratná O-glykolyzace – acetylace postranního řetězce,
c) N-glykolizace purinu a konjugace s alaninem v poloze N-9
d) Vratná redukce postranního řetězce.
O-glukozidy jsou v porovnání s N-glukozidy biologicky aktivnější.
Cytokininy se degradují přes oxidaci cytokininoxigenázou.
TRANSPORT
Cytokininy jsou syntetizovány převážně ve vrcholové části kořenů. Odtud jsou
transportovány xylémem do nadzemní části rostlin, a to zejména do listů, v nichž přechází do
floému a mohou být transportovány do dalších orgánů. Jejich transport je fotoperiodicky
regulován (fytochromem) a je pravděpodobně velmi těsně propojen s polárním transportem
IAA. Dekapitace rostlin fazolu působí velmi značné zvýšení koncentrace cytokininů
v xylému, kterou lze snížit aplikací NAA. Transport IAA z vrcholu k bázi rostliny a opačně
směrovaný transport cytokininů hrají významnou úlohu v regulaci morfogeneze.
ÚČINKY CYTOKININŮ
Hlavním
účinkem
cytokininů
je
stimulace
buněčného
dělení.
Ve
všech
meristematických, intenzivně se dělících pletivech se nachází vysoké koncentrace cytokininů.
Ovlivňují některé reakce buněčného cyklu – pravděpodobná stimulace kináz. Replikace Dna
v S-fázi mitózy. Urychlují přepis DNA a synchronizují buněčné dělení v pletivech.
Regenerační procesy v podmínkách in vitro společně s auxiny. Závisí na poměru těchto
dvou fytohormonů, jakým směrem se regenerace bude ubírat. Vyrovnaný poměr vede ke
vzniku kalusu, nadbytek cytokininů vede k regeneraci prýtů a nadbytek auxinů k regeneraci
kořenů.
Většina rostlinných pletiv po explantaci vyžaduje k dalšímu dělení a růstu cytokininy
v médiu. Po určité době však tento požadavek u rostlin mizí a rostliny jsou dále schopny žít
bez cytokininů v médiu. Tento jev je nazýván habituace. Jedná se pravděpodobně o
autoinduktivní působení cytokininů, tedy zvýšení syntézy endogenních cytokininů po přidání
cytokininu do média.
Cytokininy porušují apikální dominanci a vedou k rozvětvování stonku. Obsah
cytokininů se po dekapitaci zvyšuje v úžlabním pupenu. Stimulují nejenom růst, ale i
zakládání pupenů (mechy, len).
Cytokininy výrazně zpomalují stárnutí.
Cytokininy zvyšují kapacitu sinku pletiv. Po jejich aplikaci můžeme pozorovat pohyb
značených aminokyselin a cukrů do místa aplikace. Udržují vysokou metabolikcou aktivitu
pletiv.
V průběhu dozrávání obilek pšenice se přechodně zvýší obsah cytokininů s maximem 3
– 4 dny po antézi. Aplikace cytokininů v době kvetení zvyšuje výslednou hmotnost obilek.
Stimulují diferenciaci plastidů, tvorbu chlorofylů a škrobu, zvyšují toleranci vůči
extrémním podmínkám prostředí, iniciace tvorby semen a inhibice zakořeňování.
Vyskytují se transgenní rostliny s vysokým obsahem cytokininů.
Byla izolována řada vazebných proteinů, rozpustných i membránově vázaných. Žádný
z těchto proteinů nesplňuje požadavky na receptor. Přenos signálu je znám nedostatečně.
Vzrůst koncentrace iontů vápníku a následné zvýšení fosforylace proteinů předcházejí
diferenciaci pupenů u mechu Funaria sp. Indukovanou cytokininem. Při působení na
chloroplasty je jako signální molekula pravděpodobně využíván cAMP.
Cytokininy ovlivňuji syntézu některých specifických enzymů - nitrátreduktázy.
VYUŽITÍ CYTOKININŮ V RV
Rostlinné biotechnologie.
Stimulace větvení okrasných dřevin
Společně s gibereliny tvarování plodů některých odrůd jabloní
Zvyšování počtu zrn v klasech
Prodloužení období fotosyntetické aktivity
Zvýšení odnožování
Odolnost rostlin vůči stresovým podmínkám
GIBERELINY
Gibereliny byly již od třicátých let minulého století známy jako původci choroby rýže
zvané bakanae, při které se výrazně urychluje dlouživý růst, což vede k etiolizaci, poléhání a
případně i k uhynutí rostlin. Choroba je způsobena houbou Giberrella fujikuroi. Struktura
giberelinů byl objasněna až v padesátých letech, kdy se objasnila struktura GA3. V současné
době je známo více než 100 různých molekul s giberelinovým skeletem.
GIBERELINY V ROSTLINÁCH
Gibereliny můžeme rozdělit podle struktury na gibereliny s 19 a 20 uhlíky, přičemž
gibereliny C-19 mohou vznikat z derivátů C-20 vytvořením laktonového kruhu za odštěpení
oxidu uhličitého. Jednotlivé gibereliny se liší počtem a polohou hydroxylových a
karboxylových skupin. Tyto gibereliny vykazují různou aktivitu v různých růstových a
vývojových procesech. Soubor aktivních giberelinů se v rostlině mění a je odlišný i v rámci
jednotlivých orgánů. Málo aktivní gibereliny jsou považovány za prekurzory či metabolity
odbourávání aktivních giberelinů. Gibereliny se tvoří pravděpodobně ve všech rostlinných
orgánech, přičemž nejvyšších hladin dosahují místa aktivního růstu a nově se tvořících
orgánů. Gibereliny jsou transportovány ve floému, ale byly také detekovány v xylému. Což
svědčí o jejich syntéze v kořenech. Význam transportu není objasněn.
METABOLIZMUS GIBERELINŮ
Biosyntéza giberelinů vychází z kyseliny mevalonové, která vzniká kondenzací 3
molekul acetylkonenzymu A, za dodání ATP a dekarboxylace vzniká dimetylallylpyrofosfát.
Přes řadu kondenzačních reakcí vzniká C-10, C-15 a C-20. C-20 se cyklizuje na prekurzor a
po třech oxidacích vzniká GA12 a z něho s odvozují další známé gibereliny.
Inhibitory syntézy giberelinů lze rozdělit do dvou skupin:
a)
inhibirtory cyklizace geranylgeranylpyrofosfáti na kauren (prekurzor). Do této
skupiny patří kvarterní amoniové báze – CCC, AMO-1618, Phosphon D
b)
inhibitory oxidačních a hydroxylačních reakcí vedoucích k tvorbě aktivních
giberelinů. Nejznámnější jsou ancymidol, paclobutrazol.
Katabolizmus, tedy úplné odbourávání giberelinů není známo. Nejčastější reakcí je
hydroxylace v poloze 2, případně oxidace C-20 na karboxylovou skupinu. Není známo,
zda je tato reakce vratná a co se z metabolity dále děje.
Některé z giberelinů se nechovají jako volné karboxylové kyseliny, ale jsou vázané.
Jedním z vázaných giberelinů je GA8-glukozid. Většina vázaných giberelinů obsahuje
glukózu a jedná se tedy o glukozidy, glukózastery. Ttao konjugace se vyzužívá k regulaci
hladiny volných hormonů. Vysoká hladina konjugátů je v nezralých semenech, ve floému,
ÚČINKY GIBERELINŮ
Gibereliny stimulují prodlužovací růst pouze nadzemních orgánů, kořeny neovlivňují.
Prodlužují růst u intaktních rostlin. Gibereliny stimulují přechod z fáze G1 do fáze S, kterou
zkracují. Zakrslý mutanti rýže, hrachu a slunečnice, tyto rostliny mají nízkou hladinu
giberelinů. Nejvýznamnějším giberelinem je GA1.
Některé rostliny musí projít určitým obdobím nízkých teplot, aby se staly citlivé
k fotoperiodě a mohly kvést. Reakci rostlin na jarovizaci provází vždy zvýšený prodlužovací
růst a v mnoha přídpadech lze jarovizační stimul eliminovta aplikací giberelinů. Je
předpoklad, že nízká teplota ovlivňuje syntézu nebo metabolizmus giberelinů.
Aplikace giberelinů indukuje kvetení dlouhodenních rostlin, které ve vegetativním stavu
vytvářejí přízemní listovou růžici. Gibereliny také ovlivňují pohlaví květu. Jejich aplikace
zvyšuje u mnoha rostlin(okurka, špenát a jehličnany) tvorbu samčích květů a silně potlačuje
tvorbu samičích.
Po aplikaci giberelinů se zkracuje juvenilní perioda (některé rostliny nekvetou, pokud
nedosáhnou určitého stádia vývoje – břečťan, Tisovcovité, Borovicovité a Cypřišovité).
Dlouhý den obecně více podporuje syntézu giberelinů v porovnání s krátkým dnem.
Fotoperioda a teplota mohou měnit nejen hladiny giberelinů, ale i citlivost pletiv vůči nim.
Gibereliny jsou významným endogenním regulátorem klíčení. V embryu se hromadí
gibereliny ve vázané formě po nabobtnání se uvolní a emryo začíná syntetizovat gibereliny de
novo. U ječmene bylo prokázáno, že jsou volné gibereliny transportovány do aleuronové
vrstvy, kde indukují α-amylázu, ta přechází do endospermu a počne odbourávat zásobní
cukry. Indukce tohoto enzymu je velmi účinně inhibována ABA.
Vazebná místa byla nalezena v cytoplazmě, ale také na membránách proteinových
tělísek a na plazmalemě. Vazebný protein s nejvyšší specifitou pro gibereliny byl nalezen
v aleuronové vrstvě obilek ječmene.
VYUŽITÍ GIBERELINŮ V RV
Zvýšení násady plodů u ovocných dřevin
Sladovnictví - zvýšení podílu sladu
U cukrové třtiny zvýšení výnosu cukru – prodloužení internodií
Zkrácení juvenilního období
Retardanty růstu – Retacel
KYSELINA ABSCISOVÁ
Doposud jsme se zabývali látkami, které růst spíše stimulují než inhibují, ale
v rostlinném těle se vyskytují i látky, které růst naopak inhibují. Z listů dormantního javoru
(Acer pseudoplatanoides) byla izolována frakce s inhibičními účinky na růst segmentů
koleptilí a nazvána dormin – rok 1965. V roce 1968 byla u bavlníku z jeho opadlých plodů
izolována látka nazvaná abscisin (abscis – opad). Zjistilo se, že se jedná o dvě stejné
sloučeniny a tato sloučenina dostala jméno kyselina abscisová.
STRUKTURA A VÝSKYT ABA
Kyselina abscisová je seskviterpen s 15 uhlíkatým skeletem a cyklickou částí molekuly.
Má několik izomerů, přičemž zcela funkční je (+) S-izomer. Většina chemických změn vede
ke ztrátě aktivity, výjimku tvoří epoxysloučniny, které mají vysokou aktivitu a jedná se o
xantoxin, která je vlastně prekurzorem ABA.
Nejvíce ABA se tvoří v dormantních orgánech, ale i v mladých, rychle rostoucích
pletivech. Její tvorba je vyšší za krátkého dne a silně stoupá při nedostatku vláhy.
Dále se kyselina abscisová tvoří v kořenových špičkách, ale v menším množství i
v mnoha dalších orgánech. Transportuje se z kořenů do nadzemní části v xylému a v rámci
nadzemních orgánů ve floému. Nejvíce ABA je obsaženo v chloroplastech, zatímco glykozidy
se hromadí ve vakuole.
METABOLIZMUS ABA
Biosyntéza ABA vychází ze stejných prekurzorů jako gibereliny a obě biosyntetické
cesty mají část společnou. Věřilo se, že ABA vzniká z 15 uhlíkatého terpenu z něhož
částečnou cyklizací vzniká xantoxin. U vyšších rostlin toto nebylo prokázáno. Možná u
nižších. Rozdělení cesty giberelinů a ABA začíná v místě geranylgeranylpyrofosfátu, kdy
v případě ABA vznikají karotenoidy. Karotenoidy jsou poté oxidačně štěpeny za vzniku dvou
molekul xantoxinu a dialdehydu C-10, xantoxin je nakonec oxidován na ABA. Syntézu ABA
je možné inhibovat fluoridonem, který inhibuje syntézu karotenoidů.
Aba je odbourávána oxidačně za vzniku kyselin fazeové a dihydrofazeové. Další cesta
a produkty nejsou známy. I ABA tvoří konjugáty. Nejvýznamnějším konjugátem je 1´- a 4´O - β-glukozid. Úloha konjugátů není známa
ÚČINKY ABA
Rostoucí pletiva a orgány reagují většinou na aplikaci ABA snížením růstové rychlosti.
Stimuluje však buňky opadavé zóny, který poté vyvolá rychlý opad.
Ve zralých pletivech brzdí ABA metabolikcou aktivitu, stimuluje degradační procersy, a
tak urychluje proces stárnutí.
V dormantních pupenech, semenech a hlízách nacházíme obvykle vysoký obsah ABA.
U semen brání předčasnému vyklíčení vyvíjejícího se embrya. Ve zralých semen zpočátku její
obsah stoupá a ve druhé polovině zrání klesá, ale stoupá podíl vázané ABA. Klíčení nastupuje
tehdy, když klesne obsah ABA pod určitou hladinu. Délka dormance je dána poměrem
ABA/gibereliny. ABA ve zrajících semenech indukuje tvorbu specifikcých zásobních
proteinů.
Při nedostatku vody vyvolává ABA uzavření průduchů a mino to zvýší hydraulickou
vodivost kořenů. Nedostatek vody vyvolává rychlý nárůst koncentrace ABA v kořenech a
listech. Kyselina abscisová je považována za faktor obrany rostlin vůči stresům. Reguluje
gravitropizmus a regulaci heterofylie.
Vazebné místo se nachází na vnějším povrchu plazmalemy svěracích buněk průduchů.
Další vazebné místo e nachází v aleuronové vrstvě obilek.
Průduchy se uzavírají v důsledku vazby ABA na receptor, kdy se měmí vlastnosti
membrány a toky iontů. ABA indukuje syntézu proteinového inhibitoru α-amylázy.
Vznik stresových bílkovin – jejich úloha je jako tzv. chaperonů, bílkovin, které brání
nejdůležitější bílkoviny buňky před ztrátou konformace a aktivity.
VYUŽITÍ ABA V RV
Využití je poměrně obtížné, spíše při zvýšení odolnosti rostlin vůči stresům.
ETYLÉN
První zmínka, že etylén působí na opad listů je z roku 1901. důkaz o tom, že se etylém
tvoří u rostlin byl poprvé popsán ve 30.letech minulého století, ale vlastní mezník pro
objevení a detekování etylénu jako fytohormonu je rok 1959 – plynová chromatografie.
Etylén je nejjednodušší uhlovodík s dvojnou vazbou, jako jediný fytohormon je plynný.
Etylén se snadno oxiduje až do vzniku formaldehydu. Reaguje s těžkými kovy. Nejblíže
k etylénu má propylén.
METABOLIZMUS ETYLÉNU
Etylén vzniká ve vyšších rostlinách a ve většině nižších rostlin z L-metioninu. Jako
první meziprodukt vzniká S-adenozylmetionin. Ten se dále mění na kyselinu 1aminocyklopropan-1-karboxylovou a metyltioadenozin. Ten se mění zpět na metionin.
Kyselina je dále měněna až na etylén. Enzym ovlivňují tuto reakci je lokalizován
v cytoplazmě a jako kofaktor vyžaduje pyridoxalfosfát. Má krátkou životnost a v in vitro je
značně nestálý. Jeho syntéza je ovlivněna řadou faktorů, včetně auxinu. Enzym je inhibován
kyselinou aminooxyoctovou a aminoetoxyvinylglycinem.
Tvorba etylénu je ovlivněna řadou faktorů: záření, teplota, koncentarce kyslíku a oxidu
uhličitého. Je indukována stresory, auxinem. Tvorba etylénu podléhá zpětnovazebným
regulacím.
Etylén je odbouráván na etylenoxid – etylenglykol – glukozid a oxid uhličitý. Katalýza
vyžaduje přítomnost mědi.
Etylén nemůže konjugovta, zato konjuguje jeho prekurzor a to s kyselinou malonovou.
ÚČINKY ETYLÉNU
Etylén má vazebné místo v cytoplazmě. Vazebné bílkoviny byly nalezeny na
endoplazmatickém retikulu a v membránách proteinových tělísek. Vazbu zprostředkovávají
ionty mědi a inhibují ionty stříbra a cykloalkeny. Mechanismus antagonistických vztahů není
znám.
Etylén zvyšuje průchodnost membrán pro barviva betacyaninu a aktivuje příjem
některých látek. Etylén zvyšuje sekreci α-amylázy.
Působí na indukci syntézy polygalakturonázy v průběhu dozrávání plodů, celulázy při
stimulaci opadu listů a plodů a peroxidázy při stimulaci stárnutí děloh.
VYUŽITÍ ETYLÉNU V RV
Dozrávání ovoce v řízené atmosféře
retardant do obilovin pod názvy: kyselina-2-chloretylfosfonová
udržování řezaných květů při skladování
RŮST A VÝVOJ - ZÁŘENÍ
Viditelné záření je nejdůležitějším faktorem prostředí ovlivňující růst a vývoj rostlin. Na
jednostranné ozáření či gradient záření či k vyšší ozářenosti reagují rostliny usměrněným
růstem ke zdroji záření či k vyšší ozářenosti se nazývá fototropizmus. Rostliny jsou schopny
rozeznat délku dne a noci a reagovat tak na změny ročních období. Tento jev je znám jako
fotoperiodizmus a má rozhodující význam při regulaci řady vývojových procesů u rostlin.
Ostatní odezvy rostlin na dopadající záření se zařazují po pojem fotomorfogeneze. Tu lze
definovat jako vývojovou strategii rostlin vystavených záření nebo jako integrovaný časový a
prostorový sled růstových a vývojových změn indukovaných zářením.
Rostliny reagují pouze na světlo o určité vlnové délce tzv. akční spektra.
Nejaktivnějšími oblastmi spektra záření, které nejvíce ovlivňuje růst a vývoj rostlin, je oblast
červeného záření – 660 – 730 nm a záření modré 370 – 450 a 480 nm. Růstově aktivní je také
často oblast UV-B záření – 280 – 320 nm. Pro příjem těchto signálů je rostlina vybavena
specifickými receptory. Ty jsou známy pro oblast záření červeného, modrého a UV- A a UVB. Jediným dobře prostudovaným fotoreceptorem je receptor červeného záření – fytochrom.
Znalost ostatních receptorů je dosud velmi malá.
RECEPTORY ZÁŘENÍ
FYTOCHROM
V roce 1952 Borthwick se spolupracovníky objevil účinek krátkovlnného červeného a
dlouhovlnného červeného záření na klíčení nažek salátu. Tento receptor byl nazván
fytochrom.
Fotoperiodismus patří mezi jevy řízené tzv. biologickými hodinami. Délku dne resp.
čas dopadajícího záření a také jeho kvalitu detekuje rostlina v červené oblasti spektra (660 –
730 nm) prostřednictvím fotoreverzibilního chromoproteinu, který se nazývá fytochrom.
Zářením 660 nm je převeden do biologicky aktivní formy a zářením 730 nm zpět do formy
původní.
Fytochrom A se vyskytuje převážně v etiolovaných pletivech a po ozáření rostliny se
rychle rozkládá a pravděpodobně zodpovídá za regulaci k dlouhovlnému červenému záření o
vlnové délce 730 nm (dlouživý růst, etiolozace).
Fytochrom B (stejně jako C, D a E) se vyskytuje převážně v zelených pletivech a je
poměrně stabilní. Zřejmě zodpovídá za regulaci kvetení a tuberizaci u citlivých rostlin.
Tvorba fytochromu je geneticky podložena, přičemž gen pro fytochrom kóduje vznik
neaktivní formy fytochromu P660 (Pr). Ten se přeměňuje absorpcí slunečního záření nebo
absorpcí červeného záření o vlnové délce 660 nm na fyziologicky aktivní formu P730 (Pfr),
která např. podmiňuje kvetení dlouhodenních rostlin.
A obráceně, absorpcí záření tmavočerveného o vlnové délce 730 nm nebo za působení
tmavé periody (tedy během noci) se aktivní forma P730 přeměňuje na fyziologicky neaktivní
formu P660, která umožňuje kvetení krátkodenních rostlin a zabraňuje kvetení dlouhodenních
rostlin.
Fytochrom je nejpravděpodobněji lokalizován v cytoplazmě a reguluje, jak je uvedeno
výše, řadu funkcí.
Značná část fotomorfogenetických projevů rostliny je spojena s informací o poměru
R/FR, uváděném obvykle jako Z = 660 nm/730 nm (lze uvádět i v jednotkách ozáření).
Změny v podmínkách ozáření (v kvalitě i intenzitě záření) jsou závislé na průběhu dne,
ročním období a podmínkách stanoviště. Hodnota Z dosahuje v slunečním záření úrovně asi
1,19, při západu slunce za soumraku se snižuje (stoupá podíl FR a klesá podíl R) asi na 0,96 a
při zastínění porostem lze naměřit hodnoty 0,20 – 0,04.
Pro samotný účinek fytochromu je rozhodující poměr formy aktivní k celkovému
obsahu fytochromu. Při určitém poměru je fytochrom neaktivní.
Světelný signál fytochromu ve formě fotoreceptoru zpracuje a indukuje metabolické
procesy, které vedou k syntéze řady proteinů (enzymů) a naopak syntézu jiných inhibuje.
Řadu projevů spojovaných s účinky záření a tmy ovlivňují fytohormony. Ty mohou
působit samostatně, nezávisle nebo mohou představovat i článek v sekvenčním řetězci, na
jehož začátku je recepce signálu záření fytochromem.
MODRÉ ZÁŘENÍ
Toto záření ovlivňuje zejména fototropizmus, regulaci dlouživého růstu stonku a
otevírání průduchů listů. U řas a hub modré záření iniciuje tvorbu některých orgánů –
kloboučků a konídií.
V řadě případů integruje modré záření se zářením červeným. Při fototropických
reakcích fytochrom ovlivňuje citlivost rostlin k působení modrého záření. Receptor modrého
záření reaguje obvykle při velmi malých intenzitách ozáření a mohl by se proto účastnit
reakce rostlin na zastínění, případně v percepci svítání a stmívání.
Struktura tohoto receptoru není známá. Kryptochrom – hypotetické centrum, kterré se
skládá z flavoproteinu a cytochromu b. dále by se mohlo jednat o pteriny, karotenoidy
(zeaxantin). U krásnoočka byl objeven rodopsin. Existují genové studie.
Reakce na modré záření:
a)
otevírání průduchů je vyvoláno okamžitou hyperpolací plazmatické
membrány svěracích buněk a otevřením draslíkového kanálu.
b)
Při inhibici dlouživého růstu byla zjištěna aktivace některých genů a tvorba
nových proteinů.
c)
Aktivují
se
G-proteiny,
tj.
proteinů
vážících
a
hydrolyzujících
guanozintrifosfát.
ULTRAFILALOVÉ ZÁŘENÍ
Dělí se na tři typy UV-C – 200 – 280 nm, UV-B – 280 – 320 nm a UV-A – 320 – 380
nm. Obecně je toto záření škodlivé, čím kratší vlnové délky tím škodlivější. Působí změny ve
struktuře DNA, vznikají mutace. Je zapojeno do syntézy flavonoidů. Uvažuje se o společném
receptoru s modrým zářením, ale také o samostatných receptorech.
FOTOPERIODIZMUS
Jedná se o metabolickou, růstovou či vývojovou odezvu rostlin na délku dne. Doba po
kterou jsou rostliny vystaveny záření ve 24hodinovém cyklu se nazývá fotoperioda.
Fotoperioda je pro rostlinu signálem o roční době a jako taková určuje u mnoha rostlin trvání
vegetativní fáze vývoje a řídí přechod do fáze reproduktivní. Kvetení je tedy ovlivněno
fotoperiodou, ale také další procesy, např. internodia jsou velmi často kratší během krátkého
dne (kratší den než 10 hodin), dále to souvisí s jarovizací a tvorbou přízemní růžice listů,
tvorba stonků u jahod probíhá na dlouhém dni (delší než 12 hodin). Dlouhý den stimuluje
vznik cibulí a krátký den vznik hlíz, procesy související se stárnutím, zráním a počátkem
dormance.
Od konce 19. století byl fotoperiodizmus pokládán za faktor ovlivňují fyziologické jevy
rostlin, především fotosyntézu. Teprve v roce 1912 byla délka dne popsána jako limitující
faktor pro kvetení. Na základě dalších pokusů byly rostliny rozděleny do několika skupin
podle nutné doby osvětlení, aby vykvetla – dlouhodenní, krátkodenní a fotoperiodicky
neutrální.
Fotoperiodická indukce je ovlivněna stářím a teplotou. Teplota nejen ovlivňuje délku
fotoperiody nutnou k indukci kvetení, ale může zcela změnit typ rostliny z krátkodenní na
dlouhodenní a naopak. Rostliny mohou svou fotoperiodickou citlivost měnit se stářím. U
většiny rostlin existuje období, které je kratší či delší, při němž nejsou schopny reagovat na
fotoperiodickou indukci kvetení. Tato etapa se nazývá juvenilita.
Dlouhodenní a krátkodenní rostliny jsou hojně zastoupeny v oblastech středních
zeměpisných šířek, přičemž se zastoupení krátkodenních rostlin zvyšuje ve směru od západu
k východu. Dlouhodenní rostliny jsou adaptovány na iniciaci květů v jarním období a
nekvetou na podzim ani brzy na jaře. Naopak krátkodenní rostliny se adaptovaly na zvýšené
srážky v pozdním létě, přičemž jejich optimum kvetení spadá do doby zkracujících se dní.
Měření času ve fotoperiodizmu je na základě jedné z představ řízeno biologickými
hodinami či tím, že měření času spočívá v době ukončení nějaké dosud neznámé reakce. Po
ukončení jedné fáze nastane fáze další nebo se cyklus musí zahájit opět.
Rostliny si však udržují rytmické procesy i ve stálých podmínkách a to vyžaduje
představu nepřetržitého měření času. Systém endogenní rytmicity funguje na rozdíl od
mechanismů přesýpacích hodin jako oscilátor.
RYTMICITA U ROSTLIN
Nejdéle známým rytmickým procesem u rostlin je pohyb listů. U fazolu v poledne
zaujímají listy pozici nejvzpřímenější, v půlnoci nejsvislejší. Tento jev byl popsán již roku
1729 ve Francii.
V roce 1936 bylo měření času a regulace rytmicity popsáno na základě dvou střídajících
se fází: fází světlomilnou (fotofilní) a fází stínomilnou (skotofilní).
Rytmicita v průběhu 24hodinového cyklu se nazývá cirkadiální rytmy. Každý rytmus
je charakterizován následujícími veličinami.
-
Amplitudou: poloviční vzdálenost od maximální k minimální hodnotě.
-
Cyklem: vrací-li se daný proces do původního stavu.
-
Časovačem: signál odvozený od vnější oscilace, který ovlivňuje fázi endogenního
rytmu.
-
Fází: jedná se o určitý časový bod od počátku cyklu.
-
Periodou: doba trvání jednoho cyklu.
-
Spontánním rytmem: rytmus, který nezávisí na vnějších podmínkách a ve stálých
podmínkách vykazuje svoji přirozenou periodu.
-
Zavedení rytmu: rytmus je zkoumán na základě přechodu světlo – tma a naopak.
ENDOGENNÍ RYTMY
Tyto rytmy souvisí s podmínkami vnějšího prostředí. Rytmy je na základě
fotoperiodismu rozdělit na:
a) rytmy ultradiální: kratší než 20 hodin, jsou poměrně vzácné,
b) rytmy cirkadiální: perioda v rozmezí od 20 – 28 hodin,
c) rytmy infradiánní: perioda delší než 28 hodin.
Mechanizmus regulace je dán studiem přenosu signálů, tedy i druhých poslů a genů.
Mechanizmus je dán na základě přenosu protonů a činností H+ -ATPázy, činností druhých
poslů cAMP. Jsou známy i geny, které toto řídí.
Fytochrom se podílí také na řadě rytmických pohybů. U pohybujících se fazolových
listů byly prokázány složky fytochromu R. Doplnění záření o složku FR rytmicitu ruší.
FOTOMORFOGENEZE ROSTLIN
Procesy fotomorfogeneze mají komplexní povahu. V jejich regulaci kooperují různé
receptory a mohou zahrnovat i všechny reakce fytochromu. Nemají univerzální charakter. U
nižších rostlin se setkáváme se širším spektrem růstových a vývojových jevů regulovaných
zářením. Mají proto i větší rozmanitost receptorů.
Záření ovlivňuje pohyby plazmodií, inhibuje vegetativní růst a vyvolává sporulaci již u
hlenek. Fotorecepční systémy byly popsány u hub pro modrou a červenou a UV_B část
spektra.
U sinic a řas může záření ovlivňovat všechny růstové a vývojové funkce. U zelených,
hnědých řas a aněkterých ruduch byl zjištěn fytochrom, jehož funkce je spojena s klíčením
oospor či s tvorbou spor. Řasy a sinice obsahují také fotoreverzibilní systémy, což jsou jiné
pigmenty než světelné receptory.
DEETIOLIZACE
Ve tmě rostlina investuje svůj rezervní materiál uložený v hlízách do dlouživého růstu
internodií při potlačení tvorby fotosyntetického aparátu – netvoří se chlorofyl, listy jsou
zakrnělé. Mluvíme též o skotomorfogenezi. Jedná se o adaptaci dosažení světla. Ve druhém
případě – fotomorfogeneze se jedná o tvorbu fotosyntetického aparátu, tedy o syntézu
chlorofylů a tvorbu listů. Tento přechod mezi těmito dvěma fázemi se nazývá deetiolozace.
Poprvé byla studována v roce 1904 Pfefferem. Na základě nových vědomostí a technologií je
možné usoudit, že projevy etiolozace a deetiolizace jsou zprostředkovány stavem fytochromu
a receptoru modrého záření a jejich změnami.
Plastogeneze, tedy tvorba chloroplastů, je závislá na vzniku chloroplastů z proplastidu.
Z proplastidů ve tmě vznikají etioplasty , to jsou organely, které mají plastidové stroma,
prolamelární tělísko a membránové útvary. Klíčovým momentem vzniku chloroplastu je
indukce syntézy chlorofylu a bílkovin světlosběrného systému. U mechorostů, řas, většiny
kapraďorostů a některých nahosemenných rostlin může vzniknout chlorofyl i ve tmě, u těchto
etiochloroplastů vznikají na tylakoidech grana.
Charakteristickým morfologickým projevem deetiolizace je i otevírání plumulárního
háčku při klíčení. Při tomto jsou nutné změny v počtu a velikosti buněk a jedná se o jev
regulovaný fytochromem.
Fytohormony ovlivňují řadu projevů spojovaných i s účinky záření a tmy, např. růst
hypokotylu (gibereliny, auxin a etylén), diferenciaci listů a tvorbu chlorofylů ve tmě
(cytokin). Odpověď na účinky fytohormonů není zcela jasně odpovězena. Existuje také
možnost nezávislého působení hormonů a záření.
Fotomorfogeneze na přirozených stanovištích je dána především fytochromovými
systémy a receptory modrého záření. Jedná se především o:
1) změny v podmínkách ozářenosti v průběhu dne a noci,
2) změny podmínek ozáření spojené s krytem v místě stanoviště – půda, voní sloupec,
3) ovlivnění podmínek ozáření vlastním porostem.
Morfogenetické efekty mohou být často spojeny s rychlostí fotosyntézy. Jedná se o
změny morfologické a anatomické stavby listů v závislosti na intenzitě ozáření. Listy při
vysoké ozářenosti mají obvykle menší plochu, jsou silnější, členitější, mají delší buňky a větší
počet buněk palisádového parenchymu.
Spolehlivost všech systémů je závislá na kvalitě záření.
CELISTVOST ROSTLIN
Jednotlivé buňky, pletiva a orgány těla rostliny představují obdivuhodně sladěný
harmonický celek. Studiem celistvosti se zabývá experimentální morfologie. Na této integritě
se významnou měrou podílí i fytohormonu. Kořeny a nejmladší listy stimulují růst ostatních
částí rostlin, kdežto dospělé listy a zásobní orgány zpravidla růst ostatních rostlinných částí
brzdí. Stimulační růstové vlivy jsou při tom spojeny především s gibereliny, cytokininy,
nízkou koncentrací auxinu. Inhibiční vlivy pak hlavně s ABA, etylénem a vysokou
koncentrací auxinu.
Celistvost je důležitým ukazatelem i zemědělství a často je nutné tuto integritu
regulovat – větvení stonků, kořenů, násada květů a plodů. Základním projevem celistvosti
rostlin je korelace rostlinného růstu. Porušená celistvost rostliny se obnovuje regenerací.
K projevům celistvosti patří také polarita.
Polarita je vlastností buňky, pletiva, orgánu i celistvé rostliny, která se projevuje tím,
že pomyslná osa buňky tvoří protilehlé póly, jejichž vlastnosti jsou odlišné. Již velmi mladé
embryo má část kořenovou a část prýtovou. Tyto rozdíly mohou být strukturálně,
fyziologicky a biochemicky dané. V bazální části je vyšší koncentrace IAA než v části
apikální. Tento gradient umožňuje růst kořenů a jejich diferenciaci. Také iontové nosiče vápníku – jsou rozděleny polárně.
Polarita může být determinována i vnějšími faktory – jednosměrné působení světla.
Jedná se spíše o gradient světelného záření.
Na stonkových řízcích se na apikální části tvoří pupeny – ochuzeno o auxiny, na bazální
části kořeny - obohacené o auxiny. Podobný jev je možné nalézt u kořenů.
U zásobních kořenů je také příčná polarita. Listy vykazují vyšší zastoupení cytokininů a
giberelinů v apikální části listové čepele. Souvisí s ontogenezí.
Regenerace je vnitřní fyziologickou vlastností na jejíž základě může orgán nebo
organizmus nahradit ztracenou nebo izolovanou část a obnovit svou celistvost.
KORELACE
Jedná se o základní projev celistvosti a je dán rozdílným růstem jednotlivých
rostlinných orgánů. Tyto jevy jsou do značné míry regulovány hormony.
KLÍČENÍ
Klíčení je obnovení metabolické aktivity semen vedoucí k prodlužování buněk radikuly
a hypokotylu embrya. Semena v endogenní dormanci mohou klíčit až po jejím uplynutí.
Semenům bez endogenní dormance postačí pouze zbobtnat ve vodě, za splnění osttaních
podmínek – světlo, teplota, obsah kyslíku. S příjmem vody se naruší dormance a v semeni
dochází k přijmu vody koloidními systémy, nabuzení činnosti enzymů atd. Některá semena
mohou předčasně klíčit a tím dochází ke zkrácení běžného procesu dozrávání. Bobtnat mohou
i semena stará, neklíčivá a mrtvá. U živých semen dochází k aktivaci dýchání a stupňování
enzymatické a hormonální reakce, tím se imobilizují zásobní látky v semeni.
Toto všechno se děje ještě dříve než dojde k viditelnému klíčení, tedy k objevení a růstu
radikuly embrya skrz prasklou testu semene. Kořínek přitom roste zpočátku jen
prodlužováním buněk vytvořených v embryu. Teprve poté začíná mitotická aktivita
kořenového meristému.
TYPY KLÍČNÍCH ROSTLIN
Klíčení začíná vždy růstem kořínku. Ten po určitou dobu nejdříve brzdí růst
nadzemních částí klíčních rostlin. U dvouděložných rostlin je klíčení buď epigeické nebo
hypogeické. V prvém případě jsou dělohy nad zemí a ve druhém v zemi. Hypokotyl je krátký
a vlastní klíční lodyžka je v podstatě nadděložní část.
DORMANCE ROSTLIN A POHYBY ROSTLIN
Odpočinek (dormance) může být definován jako dočasné zastavení viditelných
projevů růstu. Nezbytnost odolat nízkým teplotám během zimy, horkým a suchým
podmínkách léta vedla u rostlin k vytvoření životní cykličnosti, v níž se střídá období růstové
aktivity s obdobím odpočinku neboli dormance.
Vegetační vrcholy zastaví růst, u listnatých dřevin opadnou listy a dřeviny se tak stanou
odolnými vůči suchu a chladu. Posledně vytvořené listové základy pupenů se přemění na
šupiny. Řada rostlin přečkává v podobě cibulí, hlíz, oddénků. Jednoleté rostliny přečkávají
v podobě semen.
V oblastech tropického deštného pralesa se často vyskytuje periodické rašení stromů –
kakaovník, jehož součástí jsou i výrazné projevy dormance. V tomto případě se jedná o
adaptaci spojenou s cyklickou směnou růstových center a odpovídající redistribucí stavebních
i energií bohatých látek.
Dormance tedy umožňuje přežít nepříznivé období dané zeměpisné šířky či
optimalizovat růstové procesy s ohledem na jejich časovou a prostorovou organizaci.
ODPOČINEK PUPENŮ
Dormance je spojena s dočasným potlačením růstu. Avšak zakládání a diferenciace listů
a květů v pupenech může pokračovat i během dormance. Pokud je odpočinek způsoben
nepříznivými vnějšími podmínkami, hovoříme o exogenním odpočinku. V našich
zeměpisných šířkách pupeny dřevin odpočívají v únoru a březnu vlivem nízkých teplot,
v příznivých podmínkách jsou schopny vyrašit. V případě jejich odběru v listopadu a prosince
větévky rašit nebudou, neboť dormance je vynucena z vnitřních příčin – hormonální. V tomto
případě hovoříme o odpočinek endogenní.
Jedním z faktorů, které mohou navodit endogenní odpočinek pupenů, může být krátký
den. Platí to pro břízu, trnovník, svídu. Tyto rostlinné druhy rostou v podmínkách dlouhého
dne nebo nepřetržitého osvětlení. Reakce na krátký den je tedy ovlivněna fytochromem.
Vstup pupenů do endogenní dormance je možné určit postupným odstraňováním listů
na dekapitovaných prýtech. Jestliže vyrůstají pupeny, tak ještě není rostlina v endogenní
dormanci. Jedná se zde o vliv auxinů. Obecně vstupují pupeny stromů do dormance tím dříve,
čím je strom starší. Jabloň – ½ srpna až září, lípa, kalina – červenec, javor klen a jasanolistý –
září.
Výstup pupenů z endogenní dormance je obecně indukován nízkými teplotami.
Větévky ve vyšší teplotě začnou rašit.
ETAPY DORMANCE
Období, kdy pupeny do dormance vstupují a kdy není ještě plně vyvinuta endogenní
dormance se nazývá predormance. Po této fázi nastupuje fáze či období vlastní dormance.
Po vlastní dormanci nastupuje poslední fáze, kdy pupeny z dormance vystupují pod vlivem
chladu. Tato fáze se nazývá postdormance. Postdormanci je možné u šeříku a zlatice zkrátit
ponořením do teplé vody 30 – 35 °C po dobu 9 – 12 hodin či působením éteru.
TEPLOTA A ODPOČINEK PUPENŮ
Pro druhy přizpůsobené klimatu s periodicky se vracejícím horkým a suchým obdobím
je důležité, aby nerašily při vysokých teplotách, jimiž by mohly být poškozeny. Mezi tyto
rostliny je možné zařadit tulipán a hyacint – jejich cibule nejsou schopny rašit
v predormanci a postdormanci při vysoké teplotě. Z ovocných dřevin sem řadíme broskvoně
a meruňky – v postdormanci raší při 9 °C, vystoupí-li teplota nad tuto teplotu rašení se
zastavuje a je indukována tzv. druhotná dormance.
Na straně druhé existují rostliny, které jsou přizpůsobeny klimatu s chladnějšími
periodami. Tyto rostliny neraší při nízkých teplotách, jejich teplotní rozmezí v postdormanci
je nízké. Raší i při vyšších teplotách, které je v jejich odpočinku se normálně nevyskytují.
Jedná se např. o břízu, buk, adaptované hlízy bramboru.
Existuje i třetí skupina rostlin, které neraší ani při extrémně nízkých či vysokých
teplotách.
LÁTKOVÉ VLIVY DORMANCE
Pletiva v dormanci mají útlum metabolizmu. Pletiva mají nízkou úroveň dýchání,
nízký obsah RNA, který se zvyšuje až na konci postdormance. Nízká hladina etylénu souvisí
s hlubokou dormancí. Při vstupu do dormance se začíná zvyšovat hladina ABA. Vstup pupenů
do endogenní dormance však nesporně souvisí s poklesem hladiny endogenních giberelinů.
REGULACE DORMANCE PUPENŮ
Vliv exogenně aplikovaných fytohormonů na dormanci pupenů odpovídá endogenním
fytohormonálním změnám. Exogenní inhibitory (CCC a vyšší hladina auxinů) dormanci
zesilují. Exogenně aplikovaný giberelin zkracuje endogenní dormanci pupenů a nutí pupeny
k rašení již v září – černý rybíz, jírovec.
Cytokininy ruší endogenní dormanci u šeříku, javoru klenu, buku, dubu, jabloní.
Exogenně aplikovaný etylén je v optimálních nižších koncentracích schopen rušit
dormanci pupenů.
ODPOČINEK SEMEN A PLODŮ
V případě semen hovoříme o semenné dormanci, která účelně zabraňuje semenům, aby
klíčila v nevhodnou dobu, zpravidla před zimou, jež by klíční rostliny zničila.
Příčinou neklíčivých semen mohou být nepropustné obaly, nevyvinuté embryo.
Nejčastější příčina odpočinku semen a plodů je shodná s odpočinkem pupenů. V semenech a
plodech se vyskytuje velké množství inhibičních látek – ABA, kyselina benzoová, skořicová,
kumarin a kyseliny jasmonová.
K odstranění inhibičních látek se používá stratifikace. Jedná se o působení chladu na
semena. Semena, která vyžadují stratifikaci: jabloň, javor, líska, hloh, buk, jasan, smrk,
borovice, u borovice chlad urychluje klíčení a u jasanu je nezbytný pro klíčení. U dubu klíčí
žaludy na podzim bez chlazení tak, že vytvoří kořen, ale růst epikotylu je závislý na chladu.
Během stratifikačního chlazení dochází postupně k odbourávání ABA a k růstu hladiny
giberelinů.
Posklizňové dozrávání je charakterizováno tím, že semena některých rostlin neklíčí
ihned po odloučení od mateřské rostliny, v suchých semenech proto mohou proběhnout
procesy, které nastartují normální klíčení. Jedná se vlastně o postdormanci semen.
U obilek ječmene dochází v průběhu dozrávání ke snížení hladiny giberelinů a postupně
stoupá ABA. Po sklizni ještě chvíli obsah giberelinů klesá, ale později během posklizňového
dozrávání opět stoupá. Zahříváním a vysušením můžeme dobu odpočinku zkrátit.
Porůstání – klíčení semen přímo v klase během deštivého počasí. Nežádoucí.
Dormance u hlíz je také ovlivněna vnějšími signály jako je krátký den. Dormance je
také ovlivněna fytohormony. U hlíz a cibulí klesá obsah giberelinů a narůstá obsah
inhibičních látek. Etylén a cytokininy exogenně dodané ruší dormanci hlíz a cibulí.
STÁRNUTÍ
Rostliny stárnou a tento proces vede nakonec k odumření buněk, pletiv a orgánů a
celých rostlin. Jejich ontogeneze tedy končí smrtí. Procesy stárnutí, odumírání a smrti jsou
geneticky podmíněny a projevují se od úrovně vnitrobuněčné až po úroveň celého organizmu.
U vytrvalých bylin odumírá každoročně v podmínkách mírného pásma celá nadzemní
část rostliny, kořeny však přežívají a dávají vznik novým pupenům. U jednoletých rostlin
odumírá celá rostlina, vyjma semen.
Monokarpické druhy, kvetoucí a plodící jednou za život a pak odumírají, jsou buď
jednoleté, dvouleté nebo i vytrvalé.
Polykarpické druhy, které kvetou a plodí opakovaně, mají délku života různě dlouhou.
Stárnou květy, plody a listy, jenž se odlučují. U stálezelených dřevin vydrží listy několik let.
Stárnutí je růstově korelační jev. Tento jev je možné pozorovat na spodních listech, kdy
tyto listy začnou záhy odumírat vlivem kompetice mezi listy a rostoucími částmi lodyhy. Na
intaktní rostlině začnou listy od báze žloutnout, toto stárnutí lze omezit dekapitací vrcholu.
Vrchol stonku odebírá těmto listům živiny a působí na ně regulačně. Proces stárnutí může být
dále zbrzděn opakovaným odřezáváním květů a mladých plodů.
Na podzim u opadavých dřevin stárnou a odumírají listy současně bez rozdílu jejich
stáří a postavení na stonku. Stárnutí je zde ovlivněno nízkou teplotou a krátkým dnem,
snížením auxinů a giberelinů a zvýšením ABA.
Stárnutí buněk, orgánů a celé rostliny je geneticky zakódováno jak ukazují práce
s mutanty. Během stárnutí dochází ke změnám genové exprese.
Senescenci urychluje ABA a jasmonová kyselina, ale také etylén, krátký den,
nedostatek živin, stresy.
U živočišných organismů byly nalezeny geny pro tzv. programovanou smrt buňky, jejiž
projevem je apoptóza – zprohýbání membrán, agregace chromatinu, zmenšování buňky. Je i u
rostlinných buněk.
Proces stárnutí je rychlejší ve tmě než na světle. Světlo brzdí proces stárnutí vlivem
otevírání průduchů. Stárnutí je dále iniciováno enzymy, které jsou ve vakuole a jsou odděleny
od cytozolu tonoplastem. V tonoplastu vznikne otvor a enzymy mohou rozkládat cytozol.
Cytokininy udržují integritu tonoplastu.
OPAD LISTŮ, KVĚTŮ A PLODŮ
Opadu listů zpravidla předchází vznik odlučovací vrstvy na bázi řapíku. Tato vrstva je
omezena na několik řad buněk, které reagují charakteristickým způsobem na působení auxinu
a etylénu. Etylén opad listů zavádí a auxiny působí opačně. Na základě těchto znalostí
existuje pojem cílová buňka a pletivo.
V odlučovací vrstvě se enzymaticky rozkládají pektiny stěn buněk, čímž se list snadno
odlomí. I když opadu listů často předchází jeho stárnutí, nejsou tyto dva jevy související se
stejnými vnějšími a vnitřními podmínkami.
Čepel listová korelačně brzdí odloučení řapíku. Opad řapíku brzdí vedle auxinů také
benzolinon a urychluje ABA, TIBA, CCC a etylén.
K defoliaci ve školkách se používá CEPA, k urychlování zrání semen se používají
desikanty.
I v případě květů a plodů se vytváří odlučovací vrstva na bázi květních či plodových
stopek. Před opadem se v plodech zvyšuje aktivita celulázy a pektinázy, která je ještě
zesilována vlivem etylénu.
V plodech v tomto období bývá nízká hladina auxinu.
POHYBY ROSTLIN
Rostlina orientuje své orgány v prostoru tak, aby nejlépe sloužily k její výživě a
k udržení života. U rostlin stejně jako u živočichů se to děje pohyby. Rostliny jsou však oproti
živočichům pevně spojeny s půdou, vyjma nižších rostlin, a proto se u nich vytvořily jiné
druhy pohybů než u živočichů.
ROZDĚLENÍ POHYBŮ ROSTLIN
Pohyby rostlin je možné rozdělit takto:
1) pohyby fyzikální – hygroskopické
- kohézní
2) pohyby vitální – lokomoční (taxe)
- ohybové – paratonické – tropizmy a nastie
- autonomní – nutační a variační
POHYBY FYZIKÁLNÍ
Fyzikálně se pohybují odumřelé části rostlin, např. šišky, lusky nebo úbory.
Příkladem hygroskopických pohybů jsou pohyby úborů pupavy bezlodyžné nebo pohyby
šupin šišek jehličnanů. Za vlhka se uzavírají a za sucha se otevírají.
Vnější vrstva zákrovních listenů u pupavy bobtná vodou a také u šišky se spodní
strana šupin vlhkem roztahuje a suchem zkracuje. Lusky bobovitých rostlin se po
rozpuknutí šroubovitě stáčejí a vymršťují tak semena. Také osiny kavylu zavrtávají
obilky do země hygroskopickým pohybem. Podobně i zuby na plodech silenky a zvonku
se vlhkem uzavírají. U nažek smetanky je chmýří nažek rozloženo a za vlhka se stahuje
dovnitř.
Mezi kohezní pohyby lze zařadit otevírání sporangií kapradin, které mají na
povrchu nápadný prstenec složený z buněk se silnou stěnou. Voda se zde pomalu
odpařuje a kohezní silou se výtrusnice roztrhne. Podobný jev je možné nalézt u
prašníků.
POHYBY VITÁLNÍ
Vitální pohyby se rozlišují na pohyby z místa na místo – lokomoční, které jsou typické
pro nižší rostliny a bičíkovce, a na pohyby rostlin pevně přisedlých. Tyto druhy pohybů se
dělí podle toho zda se rostlina pohybuje za zdrojem podráždění – tropizmy nebo z podnětu
tohoto podráždění – nastie.
Jedná-li se o ohybové pohyby tak hovoříme o pohybech paratonických.
Pohyby lokomoční (taxe) zahrnují pohyby organizmů z místa na místo. Jsou typické pro
bakterie, bičíkovce a některé řasy, hlenky a konečně i pro zoospory a gamety četných řas a
hub. Z nahosemenných rostlin jsou zaznamenány u jinanu, kde je volná pohyblivost
spermatozoidů. Pohyby lokomoční se uskutečňují pomocí brv a bičíků. Pohyb za světlem –
fototaxe.
Chemotaxe: mají význam při výživě rostlin a při aktivní pohybu samčích pohlavních
buněk.
Hydrotaxe – u hlenek, plazmodia opouštějí vysychající místo a pohybují se za vlhkem.
Termotaxe – reakce na změnu teploty.
Gravitaxe - reakce na gravitaci.
TROPIZMY
U tropizmů rozhoduje podráždění nejen o vyvolání pohybu, ale i o jeho směru.
Tropizmy se rozdělují na pozitivní a negativní. Pozitivní pohyb je ve směru podráždění a
negativní proti směru. Aby došlo k pohybu musí uplynout tzv. prezenční doba, tedy intenzita
podráždění a jeho doba působení musí dosáhnout prahové hodnoty.
U tropizmů se rozlišuje:
a) percepce podráždění – příjem vnějšího signálu nějakým receptorem.
b) Indukce vyvolaná vnějším podrážděním – rozdíl mezi jednou a druhou stranou
orgánu u něhož dochází k ohybu. Změny elektropotenciálů a hormonů (auiny).
c) Reakce na podráždění – spočívá v ohybu vznikající rychlejším růstem jedné strany.
FOTOTROPIZMUS
Jedná se o ohyb způsobený jednostranným působením světla. Není rozhodují směr
světla, ale jeho intenzita. Jednostranně osvětlený orgán se proto ohne v důsledku nestejné
rychlosti prodlužovacího růstu osvětlené strany.
Pozitivní fototropizmus je ohyb ve směru působení světla. Postranní větve na lodyhách
jsou plagiotropické – rostou kolmo ke světlu. Z lesních dřevin na světlo je necitlivá jedle, ale
listnáče jsou citlivé i v průběhu ontogeneze.
Kořeny jsou negativně fototropické – rostou ve směru od světla. Zvyšuje-li se dále
intenzita jednostranného osvětlení může nastat negativní fototropická reakce a pokračuje-li
dále nastává nová pozitivní fototropická reakce.
Ve fototropizmu se jeví jako fotoreceptor kryptochrom, neboť při této reakci jsou
účinné paprsky ultrafialové a modré o vlnové délce 445 nm.
Auxiny mají vliv na fototropizmus. U hypokotylů slunečnice bylo zjištěno, že
v neosvětlené části se tvoří gibereliny a v osvětlené xantoxiny. Růstová inhibice byla
zaznamenána u ředkvičky a látka byla pojmenována raphanusamin.
GEOTROPIZMUS
Jedná se o pohyb vyvolaný zemskou tíží. Hlavní kořen a stonek jsou ortogeotropické –
rostou paralelně ve směru zemské tíže. Diageotropické – např. šlahouny jahodníku rostou
v pravém úhlu k působení zemské tíže.
Plagiotropické – postranní kořeny svírají pro každý rostlinný druh stejný úhel a teprve
kořeny dalších řádů nejsou již geotropicky citlivé, jsou ageotropické.
Zemskou tíži je možné nahradit odstředivou silou.
Rostliny mohou mít v buňkách svých geotropicky citlivých orgánů přesýpavá tělíska,
jež se pohybují při vychýlení buňky ve směru působení zemské tíže a tímto pohybem
spojeným s tlakem na cytoplazmu umožňuje percepci tíže. Buňky se nazývají statocyty a
přesýpavá tělíska statolity. V případě odstranění kořenového špičky ustávají kývavé pohyby
kořene, které se nazývají cirkumnutace.
Po percepci tíže dochází k nerovnoměrnému rozdělení auxinů, dále se nerovnoměrně
rozdělují i gibereliny. Inhibitorem by mohla být ABA a to ve spojení s vápníkem. Asymetrie
vzniká i na základě gravielektrické odezvy.
LATERÁLNÍ GEOTROPIZMUS IVÍJIVÝCH ROSTLIN
Samotný ovíjivý vrchol je negativně geotropický a laterálně geotropický, kdy vnější
strana ohnuté části roste rychleji než strana vnitřní, jedná se o ohyb do strany.
Nejintenzivnější je na apikální části stonku. Rostliny podle ohybu rozdělujeme na levotočivé
(fazol) a pravotočivé (chmel).
DALŠÍ TROPIZMY
Chemotropizmus je ohyb orgánu rostliny způsobený chemickými látkami, působícími
z jedné strany nebo z jedné strany silněji než z druhé, a to ve směru i proti směru
koncnetračního spádu. Kationty vyvolávají negativní a anionty pozitivní. Jedná se například o
pohyby parazitických a saprofytických hub do těla hostitele a listy masožravých rostlin.
Aerotropizmus je zvláštním případem chemotropizmu, kdy např. hyfy aerobních plísní
rostou z prostředí chudého na kyslík do prostředí na kyslík bohatého.
Tigmopizmus = Haptotropizmus je reakce orgánu rostliny na jednostranný dotyk. Jedná
se především o pohyb rostlin ovíjivých, kdy se jejich lodyha tře o lodyhu další rostliny. Tyto
pohyby počínají v době, kdy rostlina dosáhne asi 1/3 délky. Svlačec. Způsobuje kyselina
jasmonová.
Hydrotropizmus je vyvolán jednostranně působící vlhkostí. Kořeny tak rostou směrem
k vlhčím místům. Tento pohyb může převládnout nad geotropizmem.
Traumatropizmus – kořeny na vrcholku jednostranně poškozené začínají růst na straně
poškozené = negativní.
Elektrotropizmus je reakce na elektrické pole. Kořen má pozitivní a lodyha negativní.
NASTIE
Jedná se o pohyby podnícené podrážděním, které nerozhodují o směru pohybu.
Nastie můžeme rozdělit do dvou skupin a to na pohyby růstové, které souvisí
s nerovnoměrným růstem orgánů a pohyby variační - změny tlakového potenciálu v buňkách.
Epinastie nastává tehdy, když roste morfologicky horní strana orgánu rychleji než
spodní. Ohyb dolů.
Hyponastie je jev opačný
Fotonastie je vyvolána změnou intenzity světelného ozáření. Pozorujeme ji především u
květů a květenství, kdy květy rozkvétají na světle a za tmy se uzavírají. Květinové hodiny
Termonastie vyvolává změna teploty. Tulipán, sněženka, šafrán.
Tigmonastie je reakce na dotyk. Velice citlivě reaguje na dotyk posed ve vrcholové části
stonku.
Variační nastie jsou představovány například pohyby svěracích buněk průduchů.
Nyktinastie jsou spánkové pohyby, které jsou vyvolané střídáním dne a noci. Šťavel,
fazol.
Seismonastie je nápadná reakce na otřes, náraz, dotyk, poranění. Citlivka sklápí při
otřesu listy. Signál tohoto pohybu se šíří do báze řapíčků pomocí tzv. turgorinů. Tedy jakých
si specifických fytohormonů.
Hydronastie je způsobena změnou vlhkosti v atmosféře a vyvolává uzavírání květů.
Drchnička.
Chemonastie je ohyb tentakulí i čepelí listů hmyzožravých rostlin, často se může jednat
o chemotropizmus.
POHYBY ROSTLIN SAMOVOLNÉ – AUTONOMNÍ
Tyto pohyby se rozlišují na růstové a variační.
Nutační autonomní pohyby pozorujeme především u klíčních rostlin, jejichž lodyžní
vrcholy se kývají ze strany na stranu. Jedná se patrně o fytohormonální vliv.
Zřetelné autonomní oscilace, projevující se kýváním ze strany na stranu je možné
zaznamenat také u kořenů.
Autonomní pohyby nelze zaznamenat u mechů a nejnižších rostlin.
Download

FOTOSYNTÉZA