VODA IN RASTLINSKA CELICA

VODA IN RASTLINSKA CELICA Univerza v Ljubljani Biotehniška fakulteta Oddelek za agronomijo

Poikilohidre rastline Homojohidre rastline zelo suh zrak kutikula zelo vlažen zrak voda

Rastlinska celica

Lastnosti vode Molekula vode je polarna. Vodikove vezi Fizikalne lastnosti velika specifična toplota (4184 J g -1 K -1 ) velika latentna izparilna toplota ( 44 kj mol -1 ) površinska napetost kohezija vodikove vezi med posameznimi molekulami vode adhezija privlačne sile med molekulami vode in neko površino kapilarnost relativno velika natezna trdnost

Pomen vode sodeluje v večini pomembnejših fizioloških procesov je glavni medij za transport metabolitov je dobro topilo za ione in različne polarne organske metabolite (hidratacijski ovoj okoli ionov oz. nabitih molekul) vodne molekule protein

Pomen vode sodeluje v večini pomembnejših fizioloških procesov je glavnij medij za transport metabolitov je dobro topilo za ione in različne polarne organske metabolite (hidratacijski ovoj okoli ionov oz. nabitih molekul) znotrajcelični tlak (TURGOR) potreben za normalen potek fizioloških procesov, mehanska stabilnost voda je v rastlinski celici tudi reaktant oz. substrat (fotoliza vode v fotosintezi, hidroliza škroba ipd.)

Transport vode difuzija masni tok

Difuzija naključno, a progresivno gibanje molekul s področja z veliko prosto energijo na področje z majhno prosto energijo (če ni drugih sil npr. po koncentracijskem gradientu). Difuzijo opisuje Fick-ov zakon J s (gostota toka) = -D s (δc s /δx) [mol m -2 s -1 ] D s = difuzijski koeficient (konstanta, s katero označujemo zmožnost gibanja neke snovi v določenem mediju m -2 s -1 )

Začetno stanje Vmesno stanje Ravnotežno stanje Koncentracijski profil Koncentracija Položaj v posodi

Difuzija je zelo učinkovit transport, če gre za majhne razdalje, ne pa pri velikih razdaljah. Za celične dimenzije 50 µm = sek, za daljše poti 1m = 30 let! Z difuzijo se voda giblje pri: transportu vode med apoplastom in simplastom transportu vode preko membran transportu vode iz tal v apoplast korenine (delno) pri prehodu vode iz apoplasta v zrak medceličnih prostorov lista pri prehodu iz medceličnih prostorov lista v ozračje

Masni (volumski) tok je gibanje molekul po gradientu tlaka odvisno je od polmera vodnika (r), viskoznosti tekočine (η) in gradienta tlaka (δψ/δx). Hitrost volumskega toka opisuje Poiseuille-ov zakon: Jv Π r = 8 η 4 δ Ψp δ x [m 3 s -1 ] Masni tok je neodvisen od koncentracijskih gradientov, če tinevplivajonaviskoznost.

Z masnim tokom se voda transportira pri: transportu vode v ksilemu transportu vode v tleh transportu vode v apoplastu transportu vode v floemu Masni tok je glavna oblika transporta vode na daljše razdalje.

Rastlinska celica

Oliogosaharidne verige glikoproteinov Zunanjost celice Lipidna dvoplast Notranjost celice Periferni membranski protein Integralni membranski protein Periferni membranski protein Z lipidom sidrani membranski protein

V rastlinsko celico lahko voda prehaja: skozi membrano - z difuzijo skozi pore, ki jih imenujemo akvaporini - z masnim tokom Akvaporini za vodo specifične pore. Celica lahko kontrolira propustnost membrane za vodo, tako da regulira odprtje/zaprtje akvaporinov (fosforilacija AK v proteinu akvaporina).

zunanjost celice vodne molekule akvaporin fosfolipidna dvoplast citoplazma

Osmoza Biološke membrane (plazmalema, tonoplast) so selektivno prepustne. Skozi plazmalemo lažje prehajajo voda in druge nenabite manjše molekule, za večje in nabite molekule je prehajanje težje, za to so potrebni posebni prenašalni mehanizmi. Oliogosaharidne verige glikoproteinov Zunanjost celice Lipidna dvoplast Notranjost celice Periferni membranski protein Integralni membranski protein Periferni membranski protein Z lipidom sidrani membranski protein

Osmoza Biološke membrane (plazmalema, tonoplast) so selektivno prepustne. Skozi plazmalemo lažje prehajajo voda in druge nenabite manjše molekule, za večje in nabite molekule je prehajanje težje, za to so potrebni posebni prenašalni mehanizmi. Osmoza je neto tok vode skozi selektivno prepustno membrano, ki razmejuje dve raztopini z različnimi koncentracijami topljenca. Gibanje vode koncentracijski gradient + gradient tlaka Smer in hitrost toka sta odvisna od seštevka obeh gradientov, ki ga opisuje gradient vodnega potenciala.

osmotski tlak Pfeffer-jeva celica: «polpropustna membrana«glina + CuFe(CN)6 20% vodna raztopina sladkorja 100% voda Rastlinska celica: koncentracija topljencev v notranjosti celice je navadno 0.5 do 1 mol večja kot v zunanjosti celice, med organeli je koncentracija precej izenačena koncentracija v apoplastu 10-20 10-3 molalna

Vodni potencial! i) topljenci, ii) tlak, iii) interakcije vodnih molekul s površino ter iv) gravitacija predstavljajo v rastlini glavne dejavnike, ki vplivajo na razpoložljivost vode Naštete vplive opišemo z vodnim potencialom Vodni potencial (Ψ w ) je mera za razpoložljivost vode v nekem sistemu. enota za vodni potencial je pascal (Pa Nm -2 J m -3 ). Ψ w izražamo ga kot razliko med potencialom v danih pogojih in potencialom, izmerjenim v standardnih pogojih. Referenčni vodni potencial ima čista voda pri atmosferskem tlaku in okoljski temperaturi.

Ψ s... potencial raztopine = osmotski potencial, ( < 0)! Ψ s = - RTc s van't Hoff-ova enačba: R = plinska konstanta, 8.31 J mol -1 K -1 m -3 T = absolutna temperatura, K c s = osmolalnost raztopine, mol kg -1 ( količina topljencev) veliko topljencev protoplast malo topljencev celična stena

! Ψ p...potencial tlaka = hidrostatski tlak raztopine, pozitiven tlak veča vodni potencial, negativni ga zmanjšuje Potencial tlaka v celicah = turgorski tlak ali turgor ( > 0). turgor

Ψ m... matrični potencial = potencial matriksa, opisuje zmanjšanje razopoložljivosti vode na račun tvorbe tankega sloja vode (1-2 sloja molekul vode) na površini struktur npr. celične stene.! celična stena Ψ m = -2T / r T površinska napetost vode 7.28 x 10-8 MPa m r polmer meniskov, ki jih oblikuje voda

celulozna mikrofibrila (prečno) Ψ m = -2T / r T površinska napetost vode 7.28 x 10-8 MPa m r polmer r = 2.98 µm Ψ m = -0.05 MPa

celulozna mikrofibrila (prečno) Ψ m = -2T / r r = 0.0974µm Ψ m = -1.5 MPa

Ψ g... gravitacijski potencial potencial, ki ga ima voda zaradi dviga na določeno višino ψ g = ρ w gh (10m 0.1 MPa)

Vodni potencial! Na vodni potencial vplivajo štirje glavni dejavniki: koncentracija (s) potencial raztopine = osmotski potencial Ψ s tlak (p) potencial tlaka Ψ p gravitacija (g) gravitacijski potencial Ψ g interakcije vodnih molekul s površino (m) matrični potencial Ψ m ψ w = ψ s w + = ψ p s + ψ g p + (ψ m )

Sistem z velikim ψ w bo vodo oddajal sistemu z manjšim ψ w. Tudi v celico in iz nje voda prehaja glede na gradient vodnega potenciala. ψ w ψ w

Ravnotežje = ni neto toka vode preko membrane ψ w ψ w

+ čista voda pri atm. tlaku raztopina pri atm. tlaku ψ p raztopina pri različnem tlaku ψ w - ψ s čista voda pri povečanem tlaku + ψ w -

Čista voda 0.1 M razt. saharoze Neturgescentna celica Celica po vzpostavitvi ravnotežja

Turgescentna celica 0.3 M razt. saharoze Celica po vzpostavitvi ravnotežja

ψ w = ψ s + ψ m ψ w = ψ s + ψ p

! ψ w = ψ s + ψ m ψ s ψ w = 0 ψ m ψ w ψ w = ψ s + ψ p (- 0.9 MPa) + (+ 0.3 MPa) ψ w = 0 = - 0.6 MPa ψ s ψ w ψ p

Posamezne komponente vodnega potenciala so spremenljive Ψ S celica -0.5 MPadobro zalivane rastline (solata, kumare fižol) - 0.8 do -1.2 MPa bolj tipično -2.5 MPakorenine sladkorne pese, jagode vinske trte - halofiti apoplast -0.1 do 0 MPa Ψ P celica 0.1 do 1 MPa dobro zalivane rastline apoplast ksilem - 1 MPa ali manjši (spremenljiv, odvisen od transpiracije, lahko tudi pozitiven = koreninski tlak)

Kaj se dogaja z vodnim potencialom in njegovimi komponentami, ko celica izgublja vodo? Vodni potencial (MPa) popoln turgor naklon Relativni celični volumen Höflerjev diagram turgor = 0 ΔΨ= ε (ΔV/ V) ε prostorninski razteznostni modul Elastičnost cel. stene ( ε = elastičnost) ε ni konstanten, ampak pada s padcem turgorja celica izgubi relativno malo vode vendar se to zelo pozna na padcu turgorja (Ψp).10% Ψp = 0 kostaε in Ψp majhna, na vodni potencial najbolj vplivajo spremembe Ψs

Prostorninski razteznostni moduli se pri različnih rastlinah razlikujejo in odražajo prilagoditev tkiva različnih vrst na zmanjšano razpoložljivost vode

korenina koreninski lasek voda peščeni delec glineni delec zrak

Gravimetrično določena količinavodev tleh(θ m ): razmerje med maso vode v talnem vzorcu in njegovo suho maso (%) Volumska (prostorninska) vsebnost vode v tleh (θ v ) θ m množena z navidezno gostoto tal (%)

Vodni potencial tal! Ψ w = Ψ s + Ψ m Ψ s - 0.02 MPa normalna tla - 0.2 MPa slana tla Ψ m blizu 0 MPa tla nasičena z vodo -1 do -2 MPa izsušena tla fine teksture Ψ m = - 2T / r T površinska napetost 7.28 x 10-8 MPa

talni delec Ψ m = -2T / r T površinska napetost vode 7.28 x 10-8 MPa m r polmer r = 2.98 µm Ψ m = -0.05 MPa

talni delec Ψ m = -2T / r r = 0.0974µm Ψ m = -1.5 MPa

Poljska kapaciteta - količina vode, ki ostane v tleh potem, ko iz z vodo nasičenih tal odteče voda zaradi gravitacije Točka venenja - je tisti vodni potencial tal, pri katerem rastlina ne more več vzpostaviti turgorja, četudi popolnoma omeji transpiracijo (npr. preko noči, čeprav je zalita). To pomeni, da je vodni potencial tal mnajši ali enak osmotskemu potencialu (ψ s ) rastline

Vodni potencial tal (-MPa) pesek glina peščena ilovica Vsebnost vode (utežni %)

Gibanje vode v tleh Infiltracija (nasičen tok vode navzdol, po dežju ali zalivanju) nenasičen tok vode - horizontalno, h koreninam - navzgor (izparevanje, razlike v T horizontov ) Voda s v tleh giblje z masnim tokom. Rastlina s črpanjem vode v bližini korenin zmanjša vodni potencial tal, nastala tlačna razlika pa je osnova za masni tok. Hitrost toka je odvisna od velikosti tlačne razlike in od hidravlične prevodnosti tal. Ta je odvisna od teksture in od vsebnosti vode v tleh (več vode, boljša prevodnost)

poljska kapaciteta točka venenja vodni potencial tal (MPa) Hidravlična prevodnost tal (m h -1 MPa -1 )

VODA in RASTLINA (sprejem, transport in oddajanje vode) Univerza v Ljubljani Biotehniška fakulteta Oddelek za agronomijo

Prečni prerez stebla zračni prostori v listu epidermis skorja -korteks stržen ksilem floem žilni kambij Prečni prerez korenine epidermis skorja - korteks pericikel ksilem prečni prerez korenine endodermis floem ksilem žilni kambij koreninski lasek tla

Lastnosti korenin, pomembne za učinkovito absorpcijo vode velika skupna dolžina in površina ustrezno razmerje med površino korenin (A R ) in površino listov (A L ) A R : A L = 0.24-10

Vsebnost vode v tleh vpliva na razrast korenin suha tla vlažna tla

Ex - neizgrajen eksodermis En - endodermis s Casparijevo progo (CB) P - protoksilem (izgrajen) EM - zgodnji metaksilem (izgrajen) LM - neizgrajen pozni metaksilem Ex - izgrajen eksodermis endodermis z asimetrično odebeljenimi celičnimi stenami, izgrajen protoksilem in zgodnji metaksilem, neizgrajen pozni metaksilem Isto, kot pri (B) z izgrajenim poznim metaksilemom Prečni rez primarne korenine koruze (Zea mays) v različnih razvojnih stadijih, UV mikroskopija, berberinm, analinsko modro, tuloidinsko modro.

suberinizacija in lignifikacija zmanjšujeta prevodnost Počasno vstopanje vode in soli zaradi zmanjšane prevodnosti izoblikovan (diferenciran) metaksilem začetek suberinizacije in lignifikacije endodermisa Najhitrejše vstopanje vode in soli centralni cilinder - žila primarna skorja (korteks) diferenciacija protoksilema cona podaljševanja diferenciacija primarnega floema meristematska cona Počasno vstopanje vode in soli Relativno nepropustno za vodo koreninska čepica

Radialni transport vode! endodermis Casparijev trak simplastna pot + transcelična pot pericikel korteks ksilem floem epidermis apoplastna pot

Radialni transport vode - shema! Protoplast (Σ = SIMPLAST) Celična stena (Σ = APOPLAST) SIMPLASTNA POT vakuola APOPLASTNA POT Casparijeva proga rizodermis korteks (skorja) endodermis parenhim centralnega cilindra ksilem

Upornost radialnemu toku vode naj bi bila enakomerno razporejena po radialnem preseku korenine (?). Endodermis s svojo suberinizirano celično steno predstavlja upor toku vode skozi apoplast. Endodermis predstavlja oviro za vračanje ionov iz centralnega cilindra v korteks. Zaradi kopičenja ionov v centralnem cilindru se tu zmanjša osmotski potencial, z vstopom vode pa naraste potencial tlaka. Omenjenui mehanizem omogoča učinkovito absorpcijo vode in mineralnih hranil. Rezultat omejevanja ionov v centralnem cilindru je tudi koreninski tlak.

Aksialni transport - transport po ksilemu perforirane končne celične stene traheje! traheide piknje

Aksialni transport vode (transport vode po ksilemu) Hidravlična prevodnost elementov ksilema je dobra (ni membran). Tlak, ki je potreben, da pri znani geometriji ksilemskih elementov (r = 40 µm, 25-200 µm) dosežemo eksperimentalno izmerjene hitrosti toka (4 mm s -1, 0.3-13), je ocenjen na 0.02 MPa m -1. za transport vode v 100 m visoko drevo potrebujemo ca. 3 MPa tlačne razlike Od kod ta tlačna razlika? tlak v koreninah ali podtlak v nadzemnem delu

Koreninski tlak in gutacija Pozitivni hidrostatski tlak se vzpostavi v ksilemu zaradi akumulacije ionov v ksilemski tekočini (zmanjšanje Ψs privzem vode Ψp). Pojavi se pri dobro zalivanih rastlinah v pogojih velike zračne vlage oz. majhne transpiracije. Znaša lahko od 0.05 do 0.5 MPa. Ksilemski tlak lahko povzroči izhajanje vode iz hidatod na listih, pojav imenujemo gutacija

Nastanek koreninskega tlaka Ioni mineralnih hranil se aktivnim transportom sprejmejo v simplast in nakopičijo v centralnem cilindru korenine. Endodermis preprečuje uhajanje ionov iz centralnega cilindra, v katerem zaradi kopičenja ionov pada osmotski potencial. Pride do osmotskega učinka, t.j. vstopa vode v centralni cilinder, to pa poveča hidrostatski tlak nastane koreninski tlak

Ali je gonilna sila toka vode po ksilemu podtlak, ki nastaja v nadzemnih delih rastline? evaporacija

vakuola celična stena plazmalema vodni film kloroplast citoplazma izhlapevanje

vakuola celična stena plazmalema vodni film kloroplast izhlapevanje polmer krivine (µm) hidrostatski tlak (MPa) citoplazma plazmalema zrak evaporacija evaporacija evaporacija celulozne mikrofibrile - prečno meja voda/zrak citoplazma celična stena voda v cel. steni

Transpiracijski tok razlaga kohezijsko-tenzijska teorija Kohezijsko-tenzijska teorija! Gonilna sila za tok vode po ksilemu je podtlak (tenzija), ki nastaja zaradi izhlapevanja vode iz površine celičnih sten mezofilnih celic. Nastajajo mikroskopsko majhni meniski vode, katerih polmer je z večjim izsuševanjem vedno manjši. Temu ustrezno pa narašča negativni tlak (Ψ p = -2T/r). Da je tok pod takšnim podtlakom mogoč, je potrebna posebna anatomska prilagoditev prevajalnih celic. Sekundarne odebelitve celičnihstenomogočajo potrebno mehansko trdnost. Kohezijske sile med molekulami vode omogočajo, da se stolpec vode ne prekine.

evaporacija vode iz celičnih sten zmanjšanje Ψ v celicah kohezija vodnih molekul v ksilemu, kapilarna geometrija ksilema embolije manjši Ψ v koreninah v primerjavi s tlemi, privzem vode povečana absorpcijska površina

Sprejem vode v korenino (absorpcija vode)! Absorpcija vode v rastlino poteka na osnovi razlike v vodnem potencialu tal in korenine. Ta gradient pa ima pri rastlinah, ki hitro oddajajo vodo in rastlinah, ki jo oddajajo počasi, različni osnovi: majhna transpiracija aktivna ali osmotska absorpcija vode velika transpiracija vlek vode skozi korenine Tok vode iz tal v korenine in navzgor v nadzemni del rastline lahko opišemo kot tok tekočine skuzi niz elementov, ki gradijo rastlino. Ti elementi imajo različno hidravlično prevodnost in se pojavljajo v zaporedju (upornosti se seštevajo) ali vzporedno (prevodnosti se seštevajo).

vodni potencial in njegove komponente (MPa) Ψw Ψp Ψs Ψg Ψzrak zrak RH% (50%) intercelular lista celična stena mezofila (na vukuola, mezofil (na 10m) ksilem, list (na 10m) ksilem, korenine (ob površini) vakuola, korenine (ob tla ob koreninah tla 10 mm od korenin - 95.2-95.2-0.8-0.8-0.8-0.7-0.2 0.1-0.8 0.2-1.1 0.1-0.8-0.8-0.1 0.1-0.6-0.5-0.1 0-0.6 0.5-1.1 0-0.5-0.4-0.1 0-0.3-0.2-0.1 0 Opomba: Ψzrak = (RT/Vw) ln(rh)

Vodni potencial atmosfere Razmerja med koncentracijo vodne pare (c wv ), tlakom vodne pare (p wv ), relativno vlago (RH) in vodnim potencialom (Ψ) c wv (mol m-3) p wv (kpa) RH Ψw (MPa) 0.961 2.34 1 0.00 0.957 2.33 0.996-0.54 0.951 2.32 0.990-1.36 0.923 2.25 0.960-5.51 0.865 2.11 0.900-14.2 0.480 1.17 0.500-93.6 0 0 0 - neskončno Podatki so izračunani po enačbi: Ψw = (RT/V w ) ln(rh) za temperaturo 20 C Za transpiracijo je odločilna razlika v c wv, oz. razlika v p wv, ne pa RH. Ta razlika je temperaturno odvisna.

Transpiracija! voda prehaja iz lista v atmosfero predvsem skozi listne reže mehanizem tega transporta je difuzija, osnova pa koncentracijski gradient vodne pare, ki ga lahko opišemo tudi z uporabo koncepta vodnega potenciala Ψw = (RT/V w ) ln(rh). deficit tlaka vodne pare razlika razlika v koncentraciji v tlaku vodne vodne pare pare C p wv (list) C wv (zrak) wv (list) - p wv (zrak) transpiracija: E = ------------------------------- (mol m -2 s -1 ) r s + r b upornost listnih rež upornost mejne plasti zraka

odprtina listne reže c wv (zrak) upornost mejne plasti zraka (r b ) upornost listnih rež (r s ) kutikula c wv (list)

Transpiracija in upornost mejne plasti zraka veter veter r s - velika r s -majhna r s - velika

Listne reže epidermalne celice radialno orientirane celulozne mikrofibrile epidermalne celice radialno orientirane celulozne mikrofibrile celici zapiralki pora celici zapiralki pora celici spremljevalki kompleks reže

anatomska zgradba število razporeditev vgreznjenost

Regulacija transpiracije Mehanizem delovanja listnih rež mehanizem odpiranja/zapiranja je sprememba Ψs (črpanje K + v celico) in posledično sprememba Ψp v celicah zapiralkah)! [K + ] v celici Ψ s Ψ P odprtje reže [K + ] v celici Ψ s Ψ P zaprtje reže

Regulatorni dejavniki, ki uravnavajo zapiranje/odpiranje rež koncentracija CO 2 v celicah ( CO 2 odprtje rež) svetloba (posredno preko fotosintezne aktivnosti + vpliv modre svetlobe) vodni potencial lista (zapiranje pri vodnem potencialu - 0.7 do -1.5 MPa, tudi podnevi - neposredni učinki, hormonalna kontrola preko abscizinske kisline) temperatura, hlajenje veter

Dnevne spremembe prevodnosti listnih rež Relativna odprtina listni rež Čas dneva

Vpliv okoljskih dejavnikov na prevodnost listnih rež Relativna povprečna odprtina listne reže

Dnevni hod transpiracije ob različni vsebnosti vode v tleh (krivulje 1-5): reže odprte reže zaprte Evaporacija 1 - neomejena transpiracija 2 - omejevanje transpiracije z opoldanskim zapiranjem rež 3 - popolno zaprtje rež opoldne 4 permanentno zaprtje rež, le kutikularna transpiracija 5 močno zmanjšana transpiracija zaradi poškodb membran Transpiracija kutik. stomat. sončni vzhod poldne sončni zahod siva površina prikazuje območje, v katerem je transpiracija izključno kutikularna

Prevodnost listnih rež uravnava hormon abscizinska kislina

sončna svetloba epidermalne celica evaporacija celica zapiralke H 2 O CO 2 reže se zaprejo K + H 2 0 ABA K + H 2 0 Ψ Ψ ABA H 2 O reže se odprejo vstop CO 2 fotosinteza zniža CO 2

Prevodnost listnih rež ter kompromis fotosinteza / transpiracija! H 2 O CO 2 Učinkovitost izrabe vode -2-1 fotosinteza [ μmol CO m s ] proizvodnja organske mase 2 WUEPh = WUE [g suhe snovi kg H O] -2-1 transpiracija [mmol H O m s ] = -1 p 2 poraba vode 2