Neinvazivní měření turgoru listů v reálném čase ZIM sondou

Fyziologie rostlin – praktika 2016
Úloha č. 3: Měření turgoru listů
Neinvazivní měření turgoru listů v reálném čase
ZIM sondou (metoda dle Zimmermanna)
1. Zadání
Změřte relativní změny turgoru u předložených rostlin. Sledujte jak se liší turgor u rostlin s různou
dostupností vody. Vyzkoušejte různé zásahy (osmotický stres v kořenovém systému, poškození pletiv,
injekce osmotika) a zjistěte, zda na ně rostlina reaguje změnami turgoru. Jak rychle se tyto změny šíří
po rostlině? Jak lze vysvětlit pozorované změny a jaký mají význam pro rostlinu? Vypracujte protokol,
s grafickou prezentací zjištěných výsledků a odpovídající diskusí. Před úlohou si prosím přečtěte tento
návod, případně učební texty, které souvisí s vodní bilancí rostlin. Rád bych, abyste před
absolvováním úlohy měli základní vědomosti a představy týkající se vodního provozu rostlin.
(kdo mi před praktikem hezky zodpoví následující otázky, ten mi udělá radost a budu na něj během
praktika nadprůměrně milý ☺):
1/ Dovedete z uvedených pojmů a výkladu vysvětlit, co je to zadržovací kapacita půdy pro vodu a na
čem závisí?
2/ Napadají vás strategie, kterými rostlina může zlepšit příjem vody ze suchých či zasolených půd?
3/ Co to je mykorhiza a jak může rostlině pomoci s jejím vodním provozem?
4/ Rozumíte a dovedete vysvětlit pojmy: rosný bod, turgor, osmotický tlak, polopropustná
membrána, osmóza, plasmolýza, kapilární elevace, koloidy, kořenový vztlak, xylém, cévy, cévice,
kavitace, průduchy, kutikula, transpirace a transpirační proud v souvislosti s rostlinami?
2. Co je turgor a jaký má pro rostlinu význam?
Turgor je vnitrobuněčný tlak, kterým se plazmatická membrána (plasmalema) opírá do buněčné
stěny. Turgor je složka vodního potenciálu. Vodní potenciál Ψw je definován jako aktivita vody
v systému. Čisté (destilované) vodě na povrchu země byl určen vodní potenciál nula a tedy Ψw až na
výjimky nabývá negativních hodnot. Čím zápornější Ψw je, tím nedostatkovější se voda stává a tím
více po ní rostlinná buňka „prahne“. Voda proudí po gradientu Ψw, tedy z míst s méně záporným Ψw
do míst s jeho negativnější hodnotou. Používaný aditivní vztah pro vodní potenciál rostlinné buňky je
následující:
Ψw = Ψs+ Ψp +Ψg + Ψm
Kde Ψw (Ψ se čte [psí]) je vodní potenciál a většina členů rovnice nabývá záporných hodnot!
Fyziologie rostlin – praktika 2016
Úloha č. 3: Měření turgoru listů
Ψs je osmotický potenciál (záporná hodnota osmotického tlaku). Je tedy vždy záporný nebo nulový
(čistá voda má nulu). Čím vyšší koncentrace látek je ve vodě rozpuštěna, tím zápornější je Ψs. Např. u
0,1M roztok NaCl (disociuje na dvě částice), Ψs = - 0,488 MPa, zatímco u 0,1M roztoku sacharózy
(nedisociuje) platí, že Ψs = - 0,244 MPa. (Vztah pro výpočet neuvádím, lze ho najít v učebnicích
fyzikální chemie a dnes i na Wikipedii…a fyzikální nadšenci si jej také snadno odvodí. Pro malé
koncentrace je jednoduchý, pro vyšší značně komplikovaný anžto částice na sebe často narážejí což
už pak nelze zanedbávat).
Ψp je tlakový potenciál (fyziologové mu říkají TURGOR a bude hlavním zájmem naší úlohy) a odpovídá
přímo tlaku vody v buňce. Může být kladný (turgescentní buňka), nulový (volná voda) i záporný (voda
pod napětím – tenzí – jako je tomu například v sacím potrubí čerpadla nebo v cévách kmenů stromů
nad zemí).
Ψg je gravitační potenciál. Je tím vyšší, čím výše se sledované místo nachází nad zemí (místem
hlavního příjmu vody rostlinou). Výšce 10 m přibližně odpovídá Ψg = 0,1 MPa tedy jedna „atmosféra“.
Vztah opět neuvádím. Jde o fyziku učenou v 5. ročníku ZŠ.
Ψm je naopak velmi složitá věc – matriční potenciál. Počítá se nesnadno. Proto zde jen jednoduše:
Většina povrchů (celulóza, půdní koloidy) je hydrofilních a váže vodu. Vrstvy molekul vody, které
přiléhají k takovému povrchu se tedy nechovají jako volná voda, nýbrž jsou vázány a imobilizovány.
V dobře hydratovaném systému, kde je vody výrazně více než povrchů (zjednodušeně) tedy můžeme
Ψm zanedbávat (= považovat za nulový). Naopak v systémech s obrovským povrchem vzhledem
k množství vody (jakými je často například vysýchající půda nebo bobtnající semena) může být
matriční potenciál nejzápornější složkou vodního potenciálu. Uvádí se např., že pro půdní póry o
velikosti 60 µm, které jsou zaplněny vodou činí matriční složka (Ψm) -0,005MPa, zatímco pro póry o
velikosti 0,2 µm je to už -1,5 MPa. Póry o velikosti menší než 0,2 µm tedy vážou vodu tak pevně, že
přestává být pro rostliny dostupná.
Dále se budeme věnovat pouze turgoru, tedy tlakové složce vodního potenciálu (Ψp). Našim
zájmem bude nejen proto, že jej budeme měřit, ale také proto, že má v životě rostlin centrální
význam. Turgor udržuje nesklerenchymatická pletiva rostlin pevná a vzpřímená. Podobně tlak
vzduchu zajišťuje pevnost pneumatiky silničního vozidla. Rostlinná buňka je navíc schopna růst jen při
kladném turgoru. Pokud rostlina ztratí příliš mnoho vody, začíná vadnout. Tento obecně známý děj je
důsledkem poklesu či ztráty turgoru. Pokud rostlina i nadále ztrácí (vypařuje) více vody, než přijímá,
může turgor poklesnout do záporných hodnot. Kladný turgor může nabývat poměrně vysokých
hodnot (více než ve zmiňované pneumatice kamionu), protože buněčná stěna, do které se
plasmalema opírá, je velmi pevná. Naopak již lehce záporný turgor představuje pro buňku problém.
Buněčný obsah (protoplast) se scvrkává a plasmalema se odděluje od buněčné stěny. Hovoříme o
plasmolýze. Plasmolýza může (ale v mírné podobě nemusí) vést ke smrti buňky a rostliny či
rostlinného orgánu (listu).
3. Jak se turgor měří?
Turgor je tlak v kapalině a jeho přímé měření je možné na základě fyzikálních metod měření tlaku.
Například existují miniaturní sondy, které „nabodnou“ protoplast buňky a měří vnitrobuněčný tlak.
Turgor také můžeme počítat, pokud známe další složky vodního potenciálu (viz úloha 2). Většina
metod měřejí je však invazivních. To znamená, že narušíme celistvost rostliny, často ji musíme přímo
usmrtit. Metoda měření, které se budeme věnovat v této úloze je geniálně jednoduchá a neinvazivní.
Fyziologie rostlin – praktika 2016
Úloha č. 3: Měření turgoru listů
4. ZIM sonda
Akronym „ZIM“ označuje výrobce sondy, kterým je pan Ulrich Zimmermann. Sonda se stala
komerčně dostupnou kolem roku 2010 (vidíme, že stále lze přicházet na poměrně jednoduché a
elegantní vynálezy). ZIM sonda sestává ze dvou permanentních magnetů, které sondu upevňují na
protilehlých stranách listu. Vzdáleností magnetů můžeme plynule měnit sílu, kterou je čepel listu
stlačována. Tato síla musí být dostatečná na to, aby sonda „neupadla“ a dobře měřila (senzor musí
být po celé ploše v kontaktu s listovou čepelí). Zároveň nesmí být příliš velká, aby nedošlo
k poškození listu. Pro různé listy tak můžeme nastavit právě vhodnou sílu. Intuitivně si představíte, že
subtilní list huseníčku (Arabidopsis thaliana) bude vyžadovat nižší přítlak, než například houževnatý
list kávovníku (Coffea arabica). Na jedné ploše sondy je polymer, který mění elektrické vlastnosti na
základě tlaku, který na něj listová čepel působí. V tom spočívá princip měření (podrobněji není
princip nikde vysvětlen – asi je součástí obchodního tajemství). Sonda neposkytuje přesné absolutní
hodnoty turgoru. Dokáže však velmi citlivě zaznamenávat jeho změny (relativní hodnoty).
Až tři ZIM-sondy mohou být (kablíkem) připojeny na jeden krátkovlný vysílač (ZIM-transmitter). Ten
vysílá hodnoty až na vzdálennost 1000 metrů k centrální jednotce (ZIM-radio controller). Zde
nacházíme asi nejpozoruhodnější kreativitu výrobce. Centrální jednotka může přijímat hodnoty až ze
250 vysílačů a tedy 750 ZIM-sond! Můžeme tak současně měřit mnoho rostlin, připadně prostorové
změny turgoru na rozsáhlé rostlině, např stromu. Nápaditosti však není ještě konec. Centrální
jednotka využívá GSM síť a hodnoty vysílá do ústředí (v Rakousku). Hodnoty tak mohou být dostupné
přes internet kdekoli na světě. Centrální jednotka tak – logicky – může být mimo civilizaci a vyžaduje
pouze pokrytí signálem mobilního operátora. Napájení lze zprostředkovat z akumulátoru nebo solární
baterie. Odvrácenou stranou (měsíce) je placenost GSM služeb. Výrobce však tvrdí, že posílání dat
dnes vyjde na jednotky Euro za měsíc, což je jistě vzhledem k dalším nákladům na výzkum
zanedbatelné.
Obrázek 1. ZIM-sonda, její konstrukce a princip (vlevo) a umístění na listu (vpravo).
Fyziologie rostlin – praktika 2016
Úloha č. 3: Měření turgoru listů
Obrázek 2. Schéma datového přenosu ZIM systému (podrobněji viz text: 3. ZIM-sonda).
Obrázek 3. Příklad naměřených hodnot změn tlaku (turgor je nepřímo úměrný vynášeným
hodnotám) a kořenového příjmu vody rajčete během slunného dne. „Top“ znamená ZIM-sondu
umístěnou v horní části rostliny, „Middle“ ve střední a „Bottom“ ve spodní. „Wateruptake“ (hodnoty
na pravé svislé ose) je rychlost příjmu vody kořeny. Podle Lee a kol. 2012.