Vztah mezi strukturou rostlinného orgánu a jeho funkcí

Většina fyziologických procesů v rostlinách je přísně lokalizována: fotosyntéza probíhá v chloroplastech, transpirace má úzkou vazbu na rozložení, plošnou hustotu a otevřenost průduchů, transportní procesy na dlouhé vzdálenosti se neobejdou bez specializovaných cévních svazků...V rámci tohoto cvičení budete mikroskopovat dva rostlinné orgány, kořeny a listy, jejichž vnější a vnitřní uspořádání má úzký vztah k  jejich fyziologickým funkcím. Konkrétně budete pozorovat :

  1. endodermis, popřípadě hypodermis či exodermis kořene
  2. kořenové vlásky; úloha je spojená s výpočtem sorpční plochy kořenového vlášení
  3. organizaci cévních svazků listů C4 rostlin

 

1. Lignifikace endodermis kořene, exodermis a hypodermis

Princip:
Endodermis se vyvíji v kořenech již v poměrně malé vzdálenosti za apikálním meristémem. Může prodělat celkem tři vývojové fáze, ovšem už první z nich plně zabezpečuje nejdůležitější funkci endodermis: tvoří bariéru volnému apoplastickému pohybu vodných roztoků směrem do středního válce, což těsně souvisí s příjmem živin. Tato první vývojová fáze je charakteristická impregnací radiálních primárních buněčných stěn endodermis ligniny a suberiny, tedy látkami hydrofobní povahy, měnícími buněčnou stěnu původně pro vodní roztoky propustnou  na nepropustnou. Místa depozice suberinů a ligninů jsou na příčném řezu kořenem viditelná jako tmavší místa, která nazýváme Casparyho proužky.

U některých rostlinných druhů mohou být subepidermální vrstvy primární kůry anatomicky odlišné od zbylých vrstev primární kůry (kortexu). Nazýváme je hypodermis, popř. exodermis. Termín exodermis používáme, pokud buňky zevního kortexu procházejí stejnými vývojovými fázemi jako endodermis. Pokud tomu tak není, používáme termín hypodermis. Exodermis je vždy jednovrstevná, zatímco hypodermis bývá vícevrstevná a může jako jednu z vrstev obsahovat exodermis; v tomto případě mluvíme o složené hypodermis. Tak jako endodermis, i exodermis tvoří bariéru volnému apoplastickému toku látek. Naproti tomu hypodermis má funkci mechanickou a ochrannou.

Lignin v buněčných stěnách endodermis, exodermis či hypodermis budete dokazovat pomocí často používaného histochemického barvení floroglucinolem (1% roztok floroglucinolu v 96% etanolu). Reakce probíhá v kyselém prostředí, lignifikované buněčné stěny se barví skořicově až sytě červeně.

Rostlinný materiál:
Endodermis: předklíčené, nejméně několik dní staré rostliny Zea mays, Vicia faba; vzdušné kořeny Monstera deliciosa.
Exodermis a hypodermis: předklíčené, nejméně několik dní staré rostliny Zea mays pěstované ve vodní kultuře; vzdušné kořeny Oncidium sp., popř. jiných epifytických orchidejí.

Vlastní provedení:
Od každého rostlinného druhu zhotovíme několik dostatečně kvalitních příčných ručních žiletkových řezů, které shromažďujeme ve vodě na hodinovém sklíčku. Poté odsajeme přebytek vody, přidáme několik kapek roztoku floroglucinolu a malou kapku koncentrované HCl (okyselení roztoku). Necháme několik minut vybarvovat. Preparáty montujeme do vody a bezprostředně pozorujeme - intenzita zabarvení se ve vodě postupně snižuje. Preparáty ovšem nesmíme montovat do vlastního barvícího roztoku - mohlo by dojít k naleptání objektivů mikroskopu kyselinou! 

 

2. Pozorování kořenového vlášení, výpočet plochy sorpčního povrchu kořene

Princip:
Kořenové vlášení (soubor kořenových vlásků, což jsou vychlípeniny buněk kořenové epidermis) má důležitou roli v příjmu vody a minerálních živin z půdy. Podstatným způsobem totiž zvyšuje objem půdy, z nichž jsou tyto živiny sorbovány. To má zásadní význam zejména u živin v půdě málo mobilních, jako jsou fosfátové ionty. Kořenové vlášení navíc zvětšuje zevní povrch kořene, což opět vede ke zvýšené sorpci vody a živin rostlinou. Délka, hustota a životnost kořenových vlásků má tedy pro růst rostlin zásadní význam. Kořenovým vlášením přitom není pokryt celý povrch všech kořenů rostliny - kořenové vlásky vyrůstají a posléze odumírají v určité vzdálenosti od apexu kořene. Rostliny rostoucí v zamokřených půdách (případně pěstované hydroponicky) mívají redukované kořenové vlášení, které může případně i zcela chybět.

Rostlinný materiál:
Předklíčené, několik dní staré rostliny Zea mays, Vicia faba, Pisum sativum, Helianthus annuus...

Vlastní provedení:
Kořenové vlášení pozorujeme jednak v intaktním stavu pomocí binokuláru (preparačního mikroskopu), jednak pomocí mikroskopické techniky světlého pole, kdy pozorujeme jednotlivé příčné ruční řezy kořenů s kořenovým vlášením namontované do vody.

Pro výpočet plochy sorpčního povrchu kořene musíme zjistit následující znaky kořene:
  • délku zóny kořenového vlášení, kterou stanovíme s pomocí milimetrového měřítka, v případě potřeby s využitím binokuláru, s přesností na mm; stanovíme zvlášť délku zóny kořenového vlášení s vyvíjejícími se vlásky (L1) a s plně vyvinutými vlásky (L2)
  • průměr kořene ve středu zóny kořenového vlášení (d) a délku typického plně vyvinutého kořenového vlásku (LR); zjistíme po zhotovení příčných ručních řezů kořenem pomocí mikroskopu; hodnoty obou znaků odhadneme z proporcí k průměru zorného pole mikroskopu při daném použitém objektivu (hodnotu sdělí vyučující; d a LR odhadněte s přesností na desetiny mm)

Pro výpočet budeme:

K výpočtu využijte následující rovnice:

Plocha rhizodermis (bez plochy kořenových vlásků) v zóně vyvíjejícího se kořenového vlášení S1 = L1 × π × d [mm2]
Plocha rhizodermis (bez plochy kořenových vlásků) v zóně plně vyvinutého kořenového vlášení S2 = L2 × π × d [mm2]
Celková plocha rhizodermis (bez plochy kořenových vlásků) SRH = S1 + S2 [mm2]
Plocha kořenových vlásků v zóně kořenového vlášení s vyvíjejícími se vlásky (zóna L1) SKV1 = S1 × 20 × (LR × π × 0,05] × 0,5 [mm2]
Plocha kořenových vlásků v zóně kořenového vlášení s plně vyvinutými kořenovými vlásky (zóna L2) SKV2 = S2 × 20 × (LR ×  π × 0,05] [mm2]
Celková plocha kořenového vlášení SKV = SKV1 + SKV2 [mm2]
Poměrné zvětšení zevního povrchu kořene o povrch kořenového vlášení SREL = (SKV / SRH) × 100 [%]

 

3. Organizace cévních svazků C4 rostlin

Princip:
Většina rostlin na Zemi má tzv. C3 cyklus fotosyntetické asimilace CO2. U některých rostlin, zejména v teplejších klimatických pásmech, se vyvinul přídatný enzymatický aparát, který umožňuje tzv. Hatch-Slackovu dráhu fixace CO2, kterou označujeme také jako C4. Výhoda tohoto fotosyntetického cyklu spočívá v potlačení oxygenázové aktivity enzymu známého pod akronymem Rubisco, tedy v potlačení fotorespirace. Jeho principem je prostorové oddělení primární fixace CO2 z atmosféry v buňkách listového mezofylu (enzymatický aparát, známý pod akronymem Pepco, má vysokou afinitu vůči CO2) od dekarboxylace a následné finální fixace CO2 v buňkách pochev cévních svazků (nízká afinita Rubisco vůči CO2, ovšem vysoký parciální tlak CO2).  Detailní chemismus C4 fixace CO2, stejně tak jako CAM cyklus, je probrán v rámci přednášek kurzu Fyziologie rostlin, popřípadě zkuste tento anglický text.

Rostlinný materiál:
Listy C4 rostlin: např. Zea mays, Cyperus papyrus, Saccharum officinarium...

Vlastní provedení:
Od každého rostlinného druhu zhotovíme několik dostatečně kvalitních příčných ručních žiletkových řezů, které shromažďujeme ve vodě na hodinovém sklíčku. Namontujeme do vody a pozorujeme technikou světlého pole. Pozor! Cévní svazky s pochvami buněk nemusí být úplně vyvinuté!

Prezentace výsledků