Laboratoř stresové fyziologie rostlin

Základní informace​ ​

Stresová fyziologie rostlin

 

Co nás zajímá a proč? ​

Na zvyšujícím se stupni znečištění terestrických i akvatických ekosystémů se vedle oxidů síry a dusíku, ozónu, CO2 nebo toxických kovů nemalou měrou podílejí i organické polutanty. Poškození životního prostředí v řadě oblastí na celém světě je varovným signálem, že dlouhodobé působení toxikantů, pocházejících zejména z antropogenních zdrojů, ovlivňuje strukturu a funkci ekosystémů, diverzitu rostlinných druhů, vede ke snížení produkce a kvality biomasy a v neposlední řadě i ke snížení produkce kyslíku. Vysoký stupeň znečištění v některých oblastech může vést až k nevratné degradaci přírodního prostředí.

 

 

Laboratoř stresové fyziologie rostlin je zaměřena na studium vlivu perzistentních organických polutantů typu polycyklických aromatických uhlovodíků (PAHs) a toxických kovů (Cd, Zn, Cu, Al) na rostliny, které jako dominantní složka terestrických ekosystémů mají schopnost tyto látky přijímat, transportovat, metabolizovat a akumulovat. Jejich prostřednictvím mohou xenobiotika vstupovat do vyšších úrovní potravního řetězce.

 

 

I přes významnou rizikovost těchto látek není doposud věnována dostatečná pozornost hodnocení jejich účinku na živé organismy a poznání jejich osudu ve všech složkách biosféry. Cílem našeho výzkumu je přispět dílčím způsobem k prohloubení dosavadních znalostí o působení této významné skupiny environmentálních kontaminantů na vegetaci.

 

Co je známo?

Polycyklické aromatické uhlovodíky:

 

• pochází jak z přírodních, tak zejména z antropogenních zdrojů,

• vznikají zejména při nedokonalém spalování organické hmoty (plasty, fosilní paliva, biomasa),

• jsou tvořeny dvěma a více kondenzovanými benzenovými jádry,

• mají lipofilní povahu a vykazují rozdílné fyzikálně-chemické vlastnosti,

• jejich deriváty, zejména epoxidy, jsou vysoce toxické, karcinogenní, mutagenní a teratogenní a to jak pro mikroorganismy, tak i pro vyšší živé systémy, včetně člověka,

• jsou přijímány různými cestami do rostlinného organismu,

• v závislosti na době a intenzitě působení mohou vyvolávat akutní, chronické i latentní poškození rostlin, zejména v interakci s dalšími environmentálními faktory,

• ovlivňují všechna stadia růstu a vývoje od klíčení po reprodukci změnami a poškozením biochemických a fyziologických procesů.

 

Vlastnosti PAHs a jejich biologická aktivita může být ovlivněna biotickými (např. mikrobiální aktivita nebo oxidace za účasti cytochromu P450) a abiotickými (např. záření, teplota, vlhkost, acidita, obsah organické složky) faktory. V nedávné době bylo prokázáno, že jedním z nejvýznamnějších abiotických faktorů je ultrafialové záření (UV-A, UV-B), které způsobuje fotomodifikaci PAHs. Produkty fotomodifikace jsou mnohem toxičtější než původní sloučeniny, a to díky zvýšené rozpustnosti, reaktivitě a biodostupnosti. K nejrizikovějším částem rostlin patří listy, které jsou vystaveny suché nebo mokré depozici obsahující PAHs a současně slunečnímu záření.

 

Dosavadní výsledky

 

V naší laboratoři byla testována fyziologická odezva (test klíčivosti semen, test elongace kořene) rostlin salátu (Lactuca sativa L.) na benzo[a]pyren (BaP) a fluoranthen (FLT). V závislosti na koncentraci byl zaznamenán inhibiční, ale i stimulační účinek těchto sloučenin na klíčivost, růst primárního kořene a produkci biomasy. Toxicita BaP a FLT nebyla ovlivněna acidifikací prostředí, v přítomnosti humátu sodného (NaHU) byla snížena. Pokusy prokázaly významné mezidruhové rozdíly (Allium cepa L., Helianthus annuus L., Lactuca sativa L., Picea abies (L.) Karst., Sinapis alba L., Lycopersicum esculentum L., Triticum aestivum L. a Zea mays L.) v citlivosti k PAHs. Lipofilita FLT se významně uplatnila při inhibici klíčivosti semen s vysokým obsahem lipidů. U rostlin kukuřice (Zea mays L.) byla prokázána akropetální translokace FLT, který primárně ovlivnil obsah fotosyntetických pigmentů (zejména chlorofyl a), následně příjem CO2 a růst rostlin. Z výsledků je zřejmé i snížení rychlosti příjmu živin (N a P).

 

Krátkodobá (48 hod.) expozice rostlin ječmene (Hordeum vulgare L.) FLT způsobila stejný inhibiční účinek (biomasa, fotosyntetické pigmenty) jako dlouhodobé (28 dní) chronické zatížení prostředí. Obsah FLT v rostlinných orgánech koreloval s obsahem FLT v prostředí, nejvyšší obsah byl zjištěn v kořenech. Klíčivost semen salátu (Lactuca sativa L.), cibule (Allium cepa L.) a rajčete (Lycopersicum esculentum L.) i růstové charakteristiky klíčních rostlin byly využity také pro indikaci toxicity fotomodifikované formy FLT. Produkty fotomodifikace vyvolaly prokazatelně vyšší inhibici než intaktní FLT.

 

Intaktní a zejména fotomodifikovaná forma fluoranthenu ovlivnila primární procesy fotosyntézy Helianthus annuus, Pisum sativum, Vicia faba a Zea mays. Fluoranthen ovlivnil i primární procesy fotosyntézy symbiotických řas lupenitých lišejníků Lasallia pustulata (L.) Mérat. a Umbilicaria hirsuta (Sw. ex Westr.) Hoffm. Metodou indukované fluorescence chlorofylu bylo prokázáno významné zvýšení základní fluorescence (F0), pokles poměru variabilní ku maximální fluorescenci (FV/FM) a kvantového výtěžku elektronového transportu fotosystému II (ΦII). Pokusy potvrdily významnou akumulační schopnost lišejníků pro sloučeniny typu PAHs a mezidruhové rozdíly v citlivosti.

 

Hodnocení růstu rostlin je významnou fyziologickou charakteristikou dokumentující ovlivnění organismu toxickými látkami. Neposkytuje však informace o rychlosti jejich příjmu, transportu a akumulaci, ani o možných místech a mechanismech jejich působení na subcelulární úrovni. V experimentu využívajícím 14C značeného FLT byla prokázána schopnost rostlin Pisum sativum přijímat FLT kořeny i listy a translokovat 14C-aktivitu do ostatních částí rostliny. Již po 2 hodinách expozice bylo při kořenovém příjmu zjištěno zvýšení hladiny 14C-aktivity na bázi stonku, avšak při simulaci foliárního příjmu byla zaznamenána zvýšená hladina 14C-aktivity především v apikálních částech rostliny, jak v kořenové špičce, tak vzrostném vrcholu stonku.

 

Vizuálním symptomům poškození organismu a změnám v růstu způsobených toxikanty předchází změny v biochemických a fyziologických procesech. Mnohé z nich mohou být využity jako biomarkery pro včasnou indikaci působení xenobiotik. K hodnocení vlivu stresoru je často využívána nedestruktivní metoda indukované fluorescence chlorofylu. Dostatečná citlivost této metody byla námi u řady rostlinných druhů v případě expozice FLT prokázána až při vyšším stupni zatížení prostředí. Naproti tomu za citlivou lze považovat metodu měření aktivity Hillovy reakce, kdy významná inhibice produkce O2 byla prokázána už při nižším zatížení.

 

Kultivace rostlin hrachu v tkáňových kulturách in vitro umožnila posoudit také vliv znečištění prostředí na hladinu významné skupiny růstových regulátorů - cytokininů, jejichž obsah zvyšoval se stupněm zatížení prostředí.

 

Aktuální problematika

 

Na zvyšujícím se stupni antropogenního znečištění akvatického i terestrického prostředí se v současné době podílejí i léčiva, která jsou nedostatečně degradována v čistírnách odpadních vod a zůstávají ve vodách i odpadních kalech. Ty jsou často v zemědělství využívány jako hnojiva či závlaha polí. Nepočetné studie naznačují, že rostliny jsou schopné tato xenobiotika přijímat. Možné účinky na rostliny, zejména na ty biochemické a fyziologické procesy, které se podílejí na růstu a vývoji rostlin, jsou však téměř neznámé.

 

V současné době se proto zabýváme odezvou okřehku (Lemna minor) na přítomnost dvou protizánětlivých léků, diklofenaku a paracetamolu, které jsou často v prostředí detekovány ve vyšších koncentracích. První výsledky pokusů dokládají, že běžně hodnocené parametry fytotoxicity, jako je počet rostlin, biomasa nebo velikost listové plochy, nejsou dostatečně citlivé v porovnání s významnými změnami probíhajícími na úrovni pletiv a buněk. Přítomnost léčiv vede například ke zvýšené produkci reaktivních forem kyslíku a ke změnám v ochranných antioxidačních mechanizmech.