Měření odporu transportních cest a stupně embolizace
Vít Gloser
Cvičení z fyziologie rostlin pro pokročilé

Základní principy xylémového transportu vody  (1)
•· Tok vody v xylému je možný jen po spádu vodního potenciálu, který je řízen převážně změnami
tlaku (jedná se o hmotnostní tok, u kterého je nezbytným předpokladem rozdíl v hydrostatickém
tlaku!)
•· Rychlost toku závisí na rozdílu tlaku na začátku a na konci transportní dráhy, a dále na
vodivosti transportních cest. Vodivost cév a cévic exponenciálně roste s jejich vnitřním průměrem.
•· Tlakového rozdílu v xylému se dosahuje převážně silným snížením tlaku v mikrokapilárách
buněčných stěn při zakončení xylému v listech. V xylému je tudíž téměř stále podtlak (=tlak menší
než atmosférický).
•

Maximální rychlost toku vody xylému exponenciálně roste s vnitřním průměrem cév
•J  =  (pr4 / 8h) (Dp / Dx)
•J =  objemová rychlost toku v trubici  [cm3 s-1 MPa-1]
•r   = poloměr světlosti trubice
•h = viskosita transportované kapaliny (řec. éta),
•Dp / Dx =  tlakový spád = rozdíl tlaku (Dp), vztažený na
•vzdálenost mezi začátkem a koncem transportní dráhy (Dx)

Praktické důsledky Hagen-Poiseuilleova vztahu
Vodivost jedné cévy průměru 40 um může nahradit:
16 cév průměru 20 um nebo
256 cév průměru 10 um

Příklady maximálních  rychlostí toku vody v xylému u různých skupin rostlin
•Jehličnaté stromy                               1 - 2   m h-1
•Listnaté stromy s  úzkými cévami       2 - 6   m h-1
•Listnaté stromy s širokými cévami    20 - 45 m h-1
•Byliny                                                10 - 60 m h-1
•Liány                                                    150    m h-1
•

Pohyb vody v rostlině – hnací síly a regulační body
Difůzní odpor průduchů
Hydraulický odpor xylému
Hydraulický odpor radiálního
transportu v kořeni
Půda
Y ~ -0,1 MPa
Vzduch
Y ~ -95 MPa

Rychlost pohybu vody v rostlině je závislá jednak na velikosti hnací síly – velikosti rozdílu
vodního potenciálu atmosféry a půdy a také na velikosti odporu, který rostlina toku vody klade.
Hlavními regulačními body tedy jsou ta místa na rostlině která mohou odpor měnit a to v poměrně
krátkém čase. Průduchy na listech a změny jejich difúzního odporu jsou asi nejvýraznějším
regulačním bodem na rostlině, ale i hydraulické odpory ve stonku  a v kořenech mohou být významné.

Ukázka různé stavby vodivých elementů xylému



Transportní obchvat (bypass) poškozeného místa cévy



Co to jsou hydraulické metody pro měření odporů v rostlinách?
•Metody využívající měření toku kapaliny přes pletiva rostliny v podmínkách tlakového spádu známé
velikosti k hodnocení funkčních vlastností pletiv nebo celých orgánů.
•

Hlavní oblasti použití hydraulických metod
•Hodnocení vodivosti/odporu xylému v orgánech na segmentech
•Hodnocení vodivosti celých neporušených kořenů nebo listů
•Hodnocení odporu, který klade rostlina transpiračnímu toku
•Hodnocení stupně integrace vodivých pletiv
•Srovnávání odolnosti xylému vůči narušení transportu vznikem kavitací

Měření hydraulické vodivosti stonkového segmentu

Měření skutečné hydraulické vodivosti je založeno na sledování toku roztoku KCl ve vodě stonkovým
segmentem o délce zhruba jednoho metru za stálého tlakového gradientu. Průtok je měřen pomocí
přesné analytické váhy, tlak je sledován tlakovým čidlem a tyto údaje jsou v průběhu měření
zaznamenávány do počítače.

Jak měříme hydraulický odpor kořenového systému a jeho změny ?



Jak měříme hydraulický odpor celé rostliny ?
Root pressure chamber     (Stirzacker and Passiura 1996)

Based on pressure differential between roots and leaves and plant transpiration rate we can
calculate root hydraulic resistance.
Measurement is independent of stomatal regulation in leaves.

Měření stupně integrace vodivých pletiv
•ovlivňuje distribuci vody a živin
•závisí na anatomii  cév a cévních svazků
•metody měření na různé rozlišovací úrovni
–cévy
–orgány
–celé rostliny

Xylem vessels
Pit
H2O
H2O

I.
5 cm
II.
360o
Safranin-O in KCL
20 mM KCl
90o
III
To Balance
360o
20 mM KCl
To Balance
K360 = Axial
K90 = Tangential
K90/K360 = Ratio
Physiology: Conductivity = Flow rate*Pressure-1*Length*Area-1  (kg MPa-1 s-1 m-1)
0.1 MPa

OriansBabstZanneFigure5
Betula papyrifera
Acer saccharum
Quercus rubra

Leaf-to-leaf Hydraulics
Opposite-leaved species
Acer saccharum, diffuse-porous
Fraxinus americana, ring-porous
Alternate-leaved species
Betula papyrifera, diffuse-porous
Castanea dentata, ring-porous,
Liriodendron tulipifera, diffuse-porous
Quercus rubra, ring-porous
Method: Pushed 10 mMol KCl at known pressure (0.2MPa) using a nitrogen tank, and measured outflow
(kg/s) from each petiole using an electronic balance (n=4 per species)
 Conductance = flow rate/pressure
N2
KCl
balance

Podle Zimmermann (2000) a Zwieniecki et al. (2001)
Cévy xylému
Membrána dvůrkaté tečky
Mechanismus změn odporu xylému podle koncentrace kationtů

Plně vyvinuté a funkční cévy xylému nejsou sice živé buňky, ale  jak se ukazuje nejsou zadaleka jen
pasivními kanálky pro transport tekutin jak jsme si mysleli. Mohou totiž měnit svoje hydraulické
vlastnosti podle koncentrace transportovaných látek. Tento děj se odehrává na membránách dvůrkatých
teček jejichž fibrily jsou obaleny pektinovými gely, které mění tloušťku podle hydratace. Když je
iontů dostatek …

Funkční analýza anatomie xylému

Stoky jsou nejen dlouhé, ale na podélné ose se jejich struktura výrazně mění. Jak je patrné z
anatomických řezů odebraných ve výšce 2, 4 a 6m nad povrchem půdy směrem k vrcholu rostliny se
počet i velikost cév ve  svazcích zmenšuje. To je přesně vidět na grafech znázorňující relativní
zastoupení cév různých průměrů vlevo. U vrcholu rostliny  jsou zastoupeny zejména cévy menšího
průměru zatímco blíže bázi rostliny je zastoupení cév menšího a většího průměru více rovnoměrné.

Funkční analýza anatomie xylému:
průměr cév a vodivost
Hagen-Poiseuilleův vztah:
K = r4 p / 8h
K – vodivost kapiláry
r – poloměr kapiláry
h – dynamická viskozita kapaliny

Pokud se podrobněji podíváme na zastoupení jednotlivých kategorií cév můžeme na základě vztahu pro
popisující tok kapaliny v ideální kapiláře vypočítat maximální teoretickou vodivost zkoumaného
vzorku. Éta=dynamická viskozita

Vztah mezi vypočtenou a skutečnou hydraulickou vodivostí xylému rostlin chmele

Pokud srovnáme skutečně naměřené  hodnoty hydraulické vodivosti stonku s hodnotami vypočtenými z
anatomických řezů najdeme velmi dobrý korelační vztah, ikdyž v absolutních hodnotách jsou vždy
hodnoty vypočtené vodivosti vyšší.

Proč je skutečná vodivost stonku menší než teoreticky vypočtená?
•Cévy nejsou ideální kapiláry (tření kapaliny o stěny, průřez není kulatý, vnitřní průměr může
kolísat atd.)
•Významný odpor teček na koncových stěnách cév
•
•
•Všechny hodnocené cévy nejsou vodivé

Vztah mezi vodním potenciálem stonku a relativním poklesem hydraulické vodivosti xylému ve stonku
rostlin chmele

Odpověď na tyto otázky částečně poskytuje závislost mezi vodním poteniciálem stonku resp.
Negativním tlakem v xylému a relativním poklesem vodivosti stonku v důsledku kavitace -  přetrhání
vodních sloupců v cévách. Ukazuje se, že chmel je v tomto ohledu dost odolný a za normálních
podmínek (vodní potenciál okolo -1MPa) je narušeno jen asi 10% vodivé kapacity.

Závažnost poruch xylému pro fungování celé rostliny
•Jak velký je pokles vodivosti xylému ve stoncích za průměrné vlhkosti půdy ?
• Kolísá od 20 do 40%
•
•Kolik z narušených cév je opraveno v průběhu noci ?
• Přes 10% transportní kapacity stonku může zůstat neopraveno!
•
•Jak velká část vodivé kapacity stoku je využívána při transpiraci rostlin chmele?
•První odhady ukazují za běžných podmínek dostatku vody 10-30%
•

Samozřejmě nejdůležitější otázky na které v našem výzkumu hledáme odpověď jsou zaměřené fungování
celé rostliny. Týkají se především důsledků poruch xylému

Postup při měření odporu xylému
stonku stupně embolizace
•odběr vzorku
•příprava vzorku
•postup měření
•vyhodnocení záznamu
•výpočty
•hodnocení výsledků
•

Výpočty hydraulické vodivosti
nebo odporu
•Hydraulická vodivost:
• kh = F / (dP/dx)     (kg s-1 m MPa-1 )
•F – rychlost toku vody (kg s-1)
•dP/dx – velikost tlakového gradientu (MPa m-1)
•
•Specifická hydraulická vodivost:
•ks = kh / A
•kh – hydraulická vodivost
•A – plocha příčného řezu segmentu

Cíle experimentu:
•Určit, jak se liší hydraulická vodivost spodní a vrchní části stonku rostlin slunečnice
•
•Zjistit, zda rozdílné množství vody v půdě může ovlivnit množství embolizovaných cév ve stonku
rostlin slunečnice