MASARYKOVA UNIVERZITA P Ř Í R O D O V Ě D E C K Á F A K U L T A Zvyšování odolnosti zemědělských plodin vůči suchu využitím vlastností planě rostoucích příbuzných druhů Bakalářská práce ŠIMON JÁGER Vedoucí práce: RNDr. Radek Jupa, Ph.D. Ústav experimentální biologie Program Experimentální a molekulární biologie Brno 2022 MUNI S C I ZVYŠOVÁNÍ ODOLNOSTI ZEMĚDĚLSKÝCH PLODIN VŮČI SUCHU VYUŽITÍM VLASTNOSTÍ PLANĚ ROSTOUCÍCH PŘÍBUZNÝCH DRUHŮ Bibliografický záznam Autor: Název práce: Studijní program: Vedoucí práce: Rok: Počet stran: Klíčová slova: Šimon Jáger Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Ústav experimentální biologie Zvyšování odolnosti zemědělských plodin vůči suchu využitím vlastností planě rostoucích příbuzných druhů Experimentální a molekulární biologie RNDr. Radek Jupa, Ph.D. 2022 84 embólie, kořenový systém, průduchová regulace, sacharidy, sucho, šlechtěné a plané kultivary, transport xylémem, 2 ZVYŠOVÁNÍ ODOLNOSTI ZEMĚDĚLSKÝCH PLODIN VŮČI SUCHU VYUŽITÍM VLASTNOSTÍ PLANĚ ROSTOUCÍCH PŘÍBUZNÝCH DRUHŮ Bibliographic record Author: Šimon Jáger Faculty of Science Masaryk University Department of Experimental Biology Title of Thesis: Improving resistance of crops to drought using traits of their wild relatives Degree Programme: Experimental and Molecular Biology Supervisor: RNDr. Radek Jupa, Ph.D. Year: 2022 Number of Pages: 84 Keywords: carbohydrate, cultivated and wild cultivars, drought, embolism, root system, stomata regulation, xylem transport 3 ZVYŠOVÁNÍ ODOLNOSTI ZEMĚDĚLSKÝCH PLODIN VŮČI SUCHU VYUŽITÍM VLASTNOSTÍ PLANĚ ROSTOUCÍCH PŘÍBUZNÝCH DRUHŮ Abstrakt Postupně se zvyšující výskyt intenzivnějších období sucha během probíhajících klimatických změn má negativní účinky na celkovou odolnost a stabilitu výnosu většiny hospodářsky významných plodin. Šlechtěné moderní odrůdy často vykazují nižší odolnost vůči suchu oproti planým kultivarům, ze kterých byly v minulosti vyšlechtěny. Původní plané druhy proto mají značný potenciál pro zvyšování odolnosti zemědělských plodin k suchu pomocí šlechtění. Tato bakalářská práce shrnuje aktuální informace o rozdílech mezi šlechtěnými a planými kultivary hospodářsky významných plodin v jejich odolnosti vůči suchu. Práce se primárně zaměřuje na rozdíly ve fyziologických a strukturně-funkčních znacích, které se týkají příjmu vody kořenovým systémem, dálkového transportu v xylému, průduchové regulace a využívání zásobních či ochranných látek. Výsledky tohoto srovnání ukazují, že množství planých kultivarů vykazuje znaky související s větším rozvojem kořenového systému, vyšší odolností xylému k embólii a vyšší efektivitou využívání vody a mohly by být využity při zvyšování odolnosti některých plodin k suchu pomocí šlechtění. Informace týkající se významu těchto znaků pro velikost a stabilitu výnosu během sucha však nejsou ve většině případů známy. 4 ZVYŠOVÁNÍ ODOLNOSTI ZEMĚDĚLSKÝCH PLODIN VŮČI SUCHU VYUŽITÍM VLASTNOSTÍ PLANĚ ROSTOUCÍCH PŘÍBUZNÝCH DRUHŮ Abstract The increasing incidence of severe droughts during ongoing climate change negatively impacted the overall resilience and yield stability of the most economically important crops. Modern crop cultivars often show lower drought tolerance than their wild relatives, from which they were bred. Therefore, wild varieties may have considerable potential for increasing the drought tolerance of agricultural crops through breeding. This bachelor thesis summarises current information on the differences between cultivated and wild cultivars of economically important crops in their drought tolerance. The thesis primarily focuses on differences in physiological and structural-functional traits related to water uptake by the root system, long-distance transport in the xylem, stomatal regulation, and the use of storage or protective substances. The results of this comparison show that most wild cultivars exhibit traits related to greater root system development, higher xylem resistance to embolism and higher water use efficiency and they could be used to increase the drought tolerance of some crops through breeding. However, information regarding the importance of these traits for yield magnitude and stability during drought is unknown in most cases. 5 U A S A R r i D O UU I VERZI TA P Ř Í R O D O V Ě D E C K Á F A K U L T A KDTLARSKA 2. 611 37 BRNO I C : DD21622J D i t : C Z D D 2 1 Í 2 2 4 Z A D A N Í B A K A L Á Ř S K É P R Á C E Akademický rak: 2021/2022 Ústav: Přírodo vědecká fakulta Student: Simon Jáger Program: Experimentáln i a moleku lám i biologie Specializace: Experimentální biologie rostlin Ředitel ústavu PřF ML Vám ve smyslu Studijního a zkušebního rádu MU určuje bakalárskou práci s názvem: Název práce: Zvyšováni odolnosti zeměděls kých plodin vůči suchu využit ím vlastnosti planě rosto ucích příbuzných druhů Název práce anglicky: Improving resi stánce ot crops to drought using traits ol their wild relatives Jazyk záverečné práce: čeština Oficiální zadání: Stále Ďaslějaí výskyt inlenzivních období sucha zaznamenaný v posledních dvou desetiletích výrazně zvyšuje nároky na udržitelnou zemědělskou produkci, protože většina v současnosti využívaných modemích kullivarú plodin vykazuje nízkou odolnost vůči suchu. Původní plané druhy, ze kterých byly zemědělsky využívané kultivary plodin vyšlechtěny, často vykazují některé znaky související s jejich potenciálně vyssí odolností vůči stresu suchem. Ačkoliv je zaváděni takových znaků do populace hospodářsky využívaných plodin velmi žádoucí, znalost těchto znaků je i přes pokračující výzkum neucelená a pro mnohé druhy stále povrchni. Hlavním cílem této práce je shrnutí známých informaci o rozdílech mezi planými druhy a příbuznými moderními kultivary hospodářsky významných rostlin z různých skupin (napr. ovocné stromy, obiloviny, olejniny, zelenina). Práce se primárně zaměří na fyziologické a struktumě-lunkční znaky, které mají vliv na hospodaření s vadou (příjem vody kořeny, dálkový transport v xylému, průduchová regulace}, ale také využíváni zásobních či ochranných látek {sacharidy, dehydriny). Literatura: RICHARDS, A. J. Plant breeding systems. London: Chapman & Hall, 1997. xi\. 529. ISBN 0412574500. LAMBERS, Hans a Ratael S. OLlVElRA. Ptaní physioiogicaf ecofogy. Third edition. Cham: Springer, 2019. KXVÍÍ. 736. ISBN 973303O2963B4. TAIZ. Lincoln. Planí physiotogy and development. Oxford: Oxford University Press: 2014. ISBN 97S1605352556. KRAMER, Paul Jackson a John S. BOYER. Water relaticns of planíš and soits. San Diego: Academie Press, 1995. 495 s. ISBN 0124250602. Vedoucí práce: RNDr. Radek Jupa, PhD. Datum zadání práce: 23. 6. 2021 V Brné dne: 2. 5. 2022 SCI Zadání bylo schváleno prostřednictvím IS MU. Simon Jáger, 2. 5. 2022 RNDr. Radek Jupa, Ph.D., 2. 5. 2022 RNDr. Pavel Lizal, Ph.D., 2. 5. 2022 ZVYŠOVÁNÍ ODOLNOSTI ZEMĚDĚLSKÝCH PLODIN VŮČI SUCHU VYUŽITÍM VLASTNOSTÍ PLANĚ ROSTOUCÍCH PŘÍBUZNÝCH DRUHŮ Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji bakalářskou práci vypracoval samostatně pod vedením vedoucího práce s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány. V Brně 15. května 2022 Šimon Jáger 9 ZVYŠOVÁNÍ ODOLNOSTI ZEMĚDĚLSKÝCH PLODIN VŮČI SUCHU VYUŽITÍM VLASTNOSTÍ PLANĚ ROSTOUCÍCH PŘÍBUZNÝCH DRUHŮ Poděkování Na tomto místě bych chtěl poděkovat svému vedoucímu bakalářské práce RNDr. Radkovi Jupovi, Ph.D. za nekonečnou trpělivost, ochotu poradit a především věnovaný čas. Šablona DP 3.4-SCI-programova (2022-01-19) © 2014, 2016,2018-2021 Masarykova univerzita 11 O B S A H Obsah Seznam obrázků 15 Seznam pojmů a zkratek 16 1 Úvod 19 2 Příjem vody kořeny 21 2.1 Vodní potenciál 21 2.2 Příjem a transport vody z anatomického hlediska 21 3 Dálkový transport xylémem 25 3.1 Sekundární stavba xylému 25 3.2 Principy transportu xylémem 28 3.3 Vznik embólie 29 3.3.1 Suchem indukovaná embólie 29 3.3.2 Mrazem indukovaná embólie 30 3.4 Odolnost k embólii a obnovení transportní kapacity 31 4 Průduchová regulace 33 4.1 Reakce na vnější faktory 33 4.2 Stavba průduchů a reakce na vnitřní faktory 34 5 Využívání zásobních a ochranných látek 36 5.1 Nestrukturální sacharidy 36 5.2 Antioxidanty 37 5.3 Dehydriny 37 6 Srovnání šlechtěných a planých druhů 38 6.1 Stavba kořenového systému 38 6.1.1 Obiloviny 39 6.1.2 Luštěniny 41 6.2 Dálkový transport v xylému 43 6.2.1 Ovocné stromy 44 6.3 Průduchová regulace a fotosyntetická aktivita 50 13 O B S A H 6.3.1 Ovocné stromy 51 6.3.2 Obiloviny 53 6.3.3 Luštěniny 54 6.3.4 Zelenina 55 6.4 Zásobní látky 56 6.4.1 Ovocné stromy 56 6.4.2 Obiloviny 59 7 Závěr 60 Použité zdroje 63 14 SEZNAM OBRÁZKŮ Seznam obrázků Obr. 1: Schematický model zobrazující tři typické způsoby radiálního transportu vody a rozpuštěných látek kořenem 22 Obr. 2: Schematické znázornění příčného a radiálního řezu kořenem 23 Obr. 3: Příčný řez větví nahosemenné a krytosemenné dřeviny 26 Obr. 4: Schematické znázornění dvůrkatých ztenčenin z bočního pohledu a snímky z elektronového mikroskopu zobrazující membránu dvůrkatých ztenčenin z čelního pohledu s odstraněnou sekundární buněčnou stěnou 28 Obr. 5: Mechanismus šíření embólie skrz dvůrkatou ztenčeninu 31 Obr. 6: Křivky odolnosti xylému vůči embólii různých druhů dubu 43 Obr. 7: Srovnání vodního potenciál xylému, obsahu vody v půdě a procentuální ztráta transportní kapacity xylému třech kultivarů hrušně 46 Obr. 8: Křivky odolnosti vůči embólii 47 Obr. 9: Vnitřní efektivita využití vody (WUE) u třech kultivarů hrušně 53 Obr. 10: Obsah nestrukturálních sacharidů ve větvích a kořenech dvou kultivarů mandloní 58 15 SEZNAM POJMŮ A ZKRATEK Seznam pojmů a zkratek A - rychlost fotosyntézy A B A - kyselina abscisová B S - buněčná stěna co - primární kůra C R L - celková délka kořenů E - rychlost transpirace en - endodermis ep - epidermis 9s - průduchová vodivost m - margo M R L - maximální délka kořenů N S C - nestrukturální sacharidy P10 - vodní potenciál při 10% ztrátě hydraulické vodivosti P50 - vodní potenciál při 50% ztrátě hydraulické vodivosti P90 - vodní potenciál při 90% ztrátě hydraulické vodivosti Pa - tlak v embolizované cévě pe - pericykl PLC - ztráta hydraulické vodivosti pm - homogenní membrána ztenčeniny Px - tlak v neembolizované cévě R A - plocha kořenového systému R D - průměr kořenů R D W - hmotnost suché biomasy kořenů R O S - reaktivní formy kyslíku rp - radiální parenchym R S R - poměr suché hmotnosti biomasy kořene k suché hmotnosti biomasy nadzemní části 16 SEZNAM POJMŮ A ZKRATEK R T - počet kořenových špiček S O D - superoxid dismutáza t - torus tr - cévice v - cévy va - cévní svazek V P D - deficit tlaku vodní páry W U E - efektivita využití vody - gravitační složka vodního potenciálu *Vm - matiční složka vodního potenciálu *Vp - tlaková složka vodního potenciálu - osmotická složka vodního potenciálu - vodní potenciál 17 ÚVOD 1 Úvod Během posledních dvaceti až třiceti let dochází v celosvětovém měřítku k intenzivnějším projevům klimatických změn. Tyto změny se projevují konstantním meziročním nárůstem průměrných teplot vzduchu, úbytkem srážek a změnami v jejich lokální distribuci i během roku (například nižšími úhrny srážek během zimy; Polade et al., 2017). Stále častějším pozorovatelným projevem změn v klimatu je častější výskyt výkyvů v počasí, které jsou charakteristické vlnami intenzivních veder (Russo et al., 2015). Pokles dostupnosti vody v půdě kvůli nedostatku srážek a vyšší výparné podmínky vedou k tvorbě intenzivnějších a delších období sucha. Delší a častější období sucha během roku mají negativní dopady na růst a vývoj rostlin, narušují stabilitu a fungování celých ekosystémů, a také mají velmi významné negativní dopady na zemědělskou produkci (Orimoloye, 2022). K nejintenzivnějším obdobím sucha zaznamenaných v Evropě v posledních dvaceti letech se řadí roky 2003, 2015, 2018 a 2019 (Boergens et al., 2020). Účinky sucha během těchto let se významně podepsaly na výnosu řady plodin. Například v roce 2018 došlo v celé Evropě k poklesu výnosu obilovin o 8 % oproti předcházejícím pěti rokům (Brás et al., 2021). Důsledky silného sucha v Mexiku v roce 2011 způsobily pokles produkce kukuřice přibližně o 20 % oproti předešlým rokům (Ray et al., 2018). Většina globálních i regionálních klimatických modelů předpovídá stále častější výskyt sucha spojený s rozsáhlejšími projevy na zemědělskou produkci (Hari et al., 2020; Trnka et al., 2011), a proto lze očekávat také stále častější dopady sucha na výnos hospodářsky významných plodin. Udržení stabilního výnosu i během období sucha je možné dosáhnout pomocí pravidelného zavlažování. I přes snahy o minimalizaci spotřeby vody a její maximální využití (např. používání kapkových závlah, zavlažování během kritických fenofází růstu) není udržování stabilní zemědělské produkce pomocí zavlažování dlouhodobě udržitelné. Navíc ve všech regionech ani nemusí být zdroje vody pro zavlažování dostupné v odpovídajícím množství. Z dlouhodobého hlediska se pro udržení stabilní zemědělské produkce během probíhající klimatické změny jeví jako perspektivní strategie šlechtění nových kultivarů zemědělský plodin, které vykazují vyšší odolnost vůči projevům sucha. Současně používané moderní kultivary plodin jsou poměrně náchylné ke stresu suchem (Vikram et al., 2015). Vyšší náchylnost může být výsledkem procesu šlechtění v minulém století, kdy byly kultivary šlechtěné převážně pro dosažení maximálního výnosu, produkci specifických látek a metabolitů a případně vyšší odolnosti vůči škůdcům (Spiertz, 2014), zatímco potřeba šlechtit kultivary odolné vůči suchu byla minimální. V souvislosti s rychle postupující klimatickou změnou je nutné proces šlechtění kultivarů odolnějších vůči suchu maximálně zefektivnit, protože samotný proces šlechtění a selekce vhodných kultivarů může trvat 10 i více let. Ke šlechtění nových kultivarů je nezbytná znalost anatomických a fyziologických mechanismů, které jsou spojené s vyšší odolností rostliny vůči suchu. Planě rostoucí jedinci, ze kterých byly v minulosti moderní šlechtěné kultivary odvozeny, mohou vykazovat znaky, které mohou být spojené nejen s nižší náchylností k odumírání, 19 ÚVOD ale také s udržením stabilního výnosu během sucha. Během procesu šlechtění mohly být tyto znaky ztraceny nebo potlačeny. Některé plané odrůdy tedy mohou představovat vhodný materiál pro šlechtění nových kultivarů s vyšší odolností k působení sucha (Warschefsky et al., 2014). Celková odolnost rostlin vůči suchu je komplexní vlastnost, která je podmíněna celým spektrem fyziologických znaků a jejich vzájemnými interakcemi. Pro lepší přehlednost je možné tyto znaky sdružit do několika funkčních oblastí jakými jsou: i) příjem vody kořeny, ii) dálkový transport vody xylémem, iii) průduchová regulace a iv) využívání zásobních či ochranných látek (např. sacharidy, antioxidanty). Během sucha může být příjem vody kořenovým systémem omezen limitní dostupností vody v půdě, která se typicky nejdříve projeví vysycháním svrchních vrstev půdy. Morfologické a fyziologické znaky kořenového systému umožňující přijímat vodu z hlubších vrstev půdy (tvorba hlubšího kořenového systému) a zároveň omezovat ztráty vody do okolní suché půdy (osmotické přizpůsobení pletiv) mohou být u nově šlechtěných rostlin z hlediska odolnosti k suchu žádoucí. Dálkový transport vody xylémem, který zajišťuje propojení kořenů a nadzemních části rostliny, může být během sucha přerušen kvůli rozvoji embólie, při kterém dochází k šíření vzduchu v systému vodivých elementů. Nevratné přerušení transportu vxylému bývá jedna z nej častějších příčin odumření rostlin během sucha (Hammond et al., 2019), a proto vyšší odolnost xylému k rozvoji embólie může být důležitým znakem u nově šlechtěných kultivarů pro zvýšení jejich odolnosti k suchu. Citlivá průduchová regulace zajištuje rovnováhu mezi příjmem oxidu uhličitého pro fotosyntézu a ztrátou vody během transpirace. Včasné uzavírání průduchů může na jednu stranu omezit ztráty vody a prodloužit délku, po kterou rostliny mohou odolávat období sucha, ale na druhou stranu může omezený příjem CO2 vést k poklesu produkce biomasy a celkového výnosu. Množství a využívání zásobních a ochranných látek se uplatňuje jak při dlouhodobém odolávání rostlin během stresu, tak i při následném zotavení se ze stresu po opětovném obnovení dostupnosti vody v půdě. I přes stále intenzivnější výzkum zaměřující se na identifikaci rozdílů mezi šlechtěnými a příbuznými planě rostoucími kultivary nebyla řada znaků relevantních k vyšší odolnosti k suchu vůbec popsána nebo jejich dopady na odolnost k suchu nejsou dostatečně známé. U řady plodin tyto informace mohou chybět úplně. Nepřehledné a nedostatečné shrnutí těchto informací omezuje další práci zaměřenou na získávání relevantních znaků z planě rostoucích rostlin potřebných pro šlechtění nových kultivarů odolnějších vůči suchu. Hlavním cílem této práce je shrnutí známých informací o rozdílech mezi planými druhy a příbuznými moderními kultivary hospodářsky významných rostlin z různých skupin (např. ovocné stromy, obiloviny, olejniny, zelenina). Práce se primárně zaměří na fyziologické a strukturně-funkční znaky, které mají vliv na hospodaření s vodou (příjem vody kořeny, dálkový transport v xylému, průduchová regulace), ale také využívání zásobních či ochranných látek (sacharidy, dehydriny). 20 PŘÍJEM VODY KOŘENY 2 Příjem vody kořeny 2.1 Vodní potenciál Voda využívaná rostlinami se v půdě nachází mezi půdními částicemi nebo ve formě tenkého filmu navázaného na tyto částice. Pro příjem vody je rozhodující rozdíl vodních potenciálů (•+%) půdy a rostliny. Voda je tažena z místa o vyšším vodním potenciálu do místa o nižším vodním potenciálu. Pokud je půda velmi vyschlá a vodní potenciál půdy je stejný nebo nižší než vodní potenciál rostliny, voda nemůže proudit do rostliny a v některých případech může být voda dokonce tažena z rostliny do půdy. Hodnota vodního potenciálu půdy, kdy už rostlina nedokáže přijímat vodu z půdy a začíná schnout, se nazývá bod trvalého vadnutí. Vodní potenciál se skládá ze čtyř hlavních složek: tlakové C-Pp), osmotické C-Ps), gravitační C-Pg) a matriční C-Pm), a lze jej vypočítat podle následujícího sumárního vzorce: = MJs + MJp + MJg + Tlaková složka vodního potenciálu muže být vzhledem k atmosférickému tlaku jak negativní, tak pozitivní. Pro příjem vody kořeny je důležitý hydrostatický tlak. Negativní hydrostatický tlak vzniká typicky během transpirace, kdy dochází k jeho přenosu v podobě tlakového gradientu z listů transportními dráhami xylému až do kořenů a půdy. K tlakové složce se řadí také turgorový tlak neboli turgor. Turgor je vnitrobuněčný tlak, který zevnitř působí na stěny buňky. Ztráta turgorového tlaku se projeví vadnutím rostliny. Pro radiální transport kořeny je důležitá také osmotická složka vodního potenciálu, která je ovlivněna koncentrací rozpuštěných látek. Osmotický potenciál kořenů se za běžných podmínek pohybuje v rozmezí hodnot -0,5 až -1,5 MPa, jak bylo prokázáno u kukuřice či přenice (Argentel-Martínez et al., 2019; Ogawa & Yamauchi, 2006). S výškou rostlin roste podíl gravitační složky na vodní potenciál. Přibližně každých 10 m vodní potenciál stoupá o 0,1 MPa (Koch et al., 2004). Tato složka se tedy častěji uplatňuje u dálkového transportu v xylému spíše než u příjmu vody kořeny. Matriční složka je významná u vodního potenciálu půdy a v rostlině se obvykle zanedbává. Je ovlivněna obsahem vody v půdě, velikostí a složením půdních částic. 2.2 Příjem a transport vody z anatomického hlediska Rostlina přijímá vodu z půdy přes epidermální povrch kořene neboli rhizodermis (Obr. 1). Absorpční plochu kořene zvětšují kořenové vlásky, které jsou mikroskopic- 21 PŘÍJEM VODY KOŘENY kým rozšířením rhizodermis. Zároveň umožňují těsný kontakt kořenů s půdou, který je důležitý pro efektivní příjem vody a v ní rozpuštěných živin (Carminati et al., 2017). Knejintenzivnějšímu příjmu vody kořeny dochází v blízkosti jehoapikální části, která díky množství kořenových vlásků a méně vyvinutým apoplastickým bariérám disponuje nižším odporem radiální transportní cesty ve srovnání s ontogeneticky staršími částmi kořene (Gambetta et al., 2013) (Obr. 1). Pokud mají kořeny nižší vodní potenciál než okolní půda, voda vstupuje přes epidermis do kořene, kde pokračuje radiálním transportem směrem ke střednímu válci (Obr. 1). Rostliny mohou využívat tři cesty radiálního transportu z rhizodermis směrem do středního válce: apoplastickou, symplastickou a transmembránovou (Obr. 1 a Obr. 2). Tyto tři cesty mohou být během radiálního transportu kořenem navzájem kombinovány. » apoplastická cesta > symplastická cesta > transmembránová cesta Obr. 1: Schematický model zobrazující tři typické způsoby radiálního transportu vody a rozpuštěných látek kořenem Caspariho proužky (žluté tečky] a suberinové lamely (růžové proužky] v endodermis a v exodermis omezují apoplastický a transmembránový transport vody skrz tyto vrstvy po cestě do středního válce (upraveno z Kim et al., 2018]. Apoplastická cesta vede mimobuněčným prostorem a buněčnými stěnami. Je hojně využívána při vyšších rychlostech transpirace, jelikož transport vody není omezen kapacitou transmembránových přenašečů a umožňuje tak vytvořit hromadný tok 22 PŘÍJEM VODY KOŘENY zpravidla až kendodermis (vnitřní vrstvu primární kůry). V endodermis bývá apoplastický transport zpravidla přerušen Caspariho proužky, které představují lignifikované, pro vodu neprostupné radiální oblasti buněčné stěny (Barberon & Geldner, 2014). Symplastická cesta se uskutečňuje pomocí plasmodesmat, které prostupují skrz buněčné stěny a vytvářejí tak cytoplazmatické kontinuum mezi buňkami (BurchSmith & Zambryski, 2012). Při nižších rychlostech transpirace převažuje symplastický radiální transport nad apoplastickým. Při transmembránovém způsobu radiálního transportu jsou molekuly vody transportovány pomocí specifických transmembránových transportérů, tzv. akvaporínů, do protoplastu buněk, prostupují cytosolem a na jiném místě jsou transportovány z buňky zpět do apoplastu. Apoplastlcká cesta Symplastická cesta Transmembránova cesta Apoplastická cesta Symplastická cesta Transmembránova cesta Apoplastická cesta Symplastická cesta cesta podélný pohled příčný řez Obr. 2: Schematické znázornění příčného a radiálního řezu kořenem a] Schematické znázornění diferenciace endodermis v průběhu ontogenetického vývoje kořene, podélný pohled na kořen [levá část], pohled na endodermální buňky v jednotlivých fázích vývoje [střední část] a příčný řez zobrazující nediferencované a diferencované stádium I a II endodermis [pravá část]. b] Schéma radiálního transportu živin přes endodermis v závislosti na jejím vývojovém stádiu. V nediferencované endodermis může docházet k transportu všemi třemi transportními cestami - apoplastickou, symplastickou i transmembránovou. Ve stádiu I vývoje endodermis je apoplastická cesta blokována Caspariho proužky. Ve stádiu II navíc suberinové lamely blokují transmembránový transport. Červená barva ukazuje prostupnost pro apoplastickou cestu, zatímco modrá barva značí zablokovaný apoplastický transport, va - cévní svazek, pe - pericykl, en - endodermis, co - primární kůra, ep - epidermis [upraveno z Doblas etal., 2017]. 23 PŘÍJEM VODY KOŘENY Ve srovnání s radiálním transportem napříč kortexem vykazuje následný přechod molekul vody přes endodermis určitá specifika v závislosti na jejím ontogenetickém vývoji (Obr. 2). Depozicí ligninu na buněčných stěnách endodermis, a v některých případech i exodermis, vznikají tzv. Caspariho proužky. Caspariho proužky jsou prvním vývojovým stádiem endodermis, popřípadě exodermis, postupně vytváří prstenec okolo buněk, až vyplní apoplastický prostor mezi buňkami (Obr. 2). Tímto způsobem zabraňují průchodu vody apoplastickou cestou do středního válce, a významně tak omezují neselektivní příjem látek. Apoplastickou cestou voda může pokračovat pouze v těsné blízkosti apexu, kde ještě Caspariho proužky nejsou vyvinuté. Například u Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. se za běžných podmínek začínají Caspariho proužky tvořit ve vzdálenosti 11 až 12 buněk, tj. přibližně 900 |im, od apikální meristematické zóny kořene (Alassimone et al., 2010). Vmiste zakládání bočních kořenů bývají Caspariho proužky přerušeny, nicméně neselektivní apoplastický transport je v tomto místě omezen díky tvorbě suberinových lamel, které se postupně vytváří s rostoucím laterálním primordiem (Li et al., 2017). Druhým vývojovým stadiem endodermis jsou suberinové lamely. Suberinové lamely jsou složené z hydrofobních polymerů, které se ukládají v jednotlivých vrstvách (lamelární struktura), a pokrývají celý vnitřní povrch primární buněčné stěny endodermálních či exodermálních buněk. Suberinové lamely zamezují jak apoplastickému tak transmembránovému transportu (Barberon et al., 2016). V exodermis a endodermis kořene se vyskytují průchozí buňky, které nejsou suberinizované a umožňují tak transmembránový transport (Clarkson, 1993). Ve středním válci voda pokračuje až do parenchymatických buněk sousedících s vodivými elementy xylému a poté do samotných vodivých elementů. 24 DÁLKOVÝ TRANSPORT XYLÉMEM 3 Dálkový transport xylémem 3.1 Sekundární stavba xylému Xylém je vodivé pletivo, které se nachází ve všech cévnatých rostlinách. Jeho hlavní funkcí je dálkový transport vody a v ní rozpuštěných látek, ale slouží i jako mechanická opora rostlinného těla či jako zásobárna vody a jiných látek. Sekundární xylém je tvořen třemi základními druhy buněk s různou anatomickou stavbou a funkční specializací: i) parenchymatickými buňkami, ii) dřevními vlákny, iii) vodivými elementy. Živé parenchymatické buňky přítomné v sekundárním xylému dělíme na axiální a radiální parenchym (Obr. 3d). Axiální parenchymatické buňky jsou protáhlé v podélné ose orgánu, zatímco radiální parenchymatické buňky vytvářejí jednořadé až víceřadé radiální paprsky (Spicer, 2014). Radiální parenchymatické buňky propojují floém s vodivými elementy xylému a podílejí se na transportu živin mezi nimi (Pfautsch et al., 2015). Symplastický transport mezi parenchymatickými buňkami je zprostředkován jednoduchými ztenčeninami a plasmodesmaty. Jednoduché ztenčeniny tvoří přerušená sekundární buněčná stěna, membrána tvořená střední lamelou a modifikovanou primární buněčnou stěnou. Mezi další důležité funkce parenchymatických buněk patří skladování vody (Holbrook, 1995) a nestrukturálních sacharidů (NSC) (Hoch et al., 2003). Zároveň se podílejí na odstraňování embólie (viz kapitola 3.4) a u některých druhů také produkci gum a thyl (Kitin et al., 2010). V pozdějších fázích vývoje dochází u většiny parenchymatických buněk k částečné lignifikaci a depozici sekundární buněčné stěny, což vede ke zvýšení mechanické pevnosti a odolnosti parenchymatických buněk, a tedy i xylému. Dřevní vlákna jsou protáhlé buňky, které mají často silou buněčnou stěnou a úzkou buněčnou dutinu (lumen) (Obr. 3d). V dospělosti, po vyvinutí sekundární buněčné stěny, jsou většinou mrtvé a zajišťují především mechanickou oporu xylému (Jacobsen et al., 2005). Dřevní vlákna dělíme na libriformní vlákna, vláknité cévice a živá vlákna. Libriformní vlákna mají především mechanickou funkci, proto obsahují pouze malé množství jednoduchých ztenčenin a jsou vyplněna vzduchem. Zatímco vláknité cévice jsou často spojené s vodivými elementy dvůrkatými ztenčeninami a vyplněné vodou (Sano et al., 2011). Proto se u některých druhů mohou podílet na skladování vody (Suuronen et al., 2013). Vlákna, která zůstávají živá se podílejí na skladování sacharidů (Carlquist, 2014; Sauter etal., 1973; Yamada etal., 2011). Vodivé elementy jsou velmi důležitým typem buněk nacházejícím se v xylému, jelikož zajišťují dálkový transport vody a v ní rozpuštěných látek z kořenů do nadzemních částí rostliny. Kromě toho se podílejí na skladování vody, zajišťují mechanickou pevnost xylému a umožňují dálkový přenos signálů (Hartung et al., 2002). V dospělosti představují vodivé elementy mrtvé, duté buňky bez buněčných membrán a protoplastu. Jejich sekundární buněčné stěny jsou lignifikované a ztloust- 25 DÁLKOVÝ TRANSPORT XYLÉMEM lé, čímž zabraňují jejich kolapsu působením negativního tlaku během transportu a působení vlastní hmotností celé rostliny. Lignin se také podílí na snížení ztrát vody skrz buněčné stěny. Vodivé elementy dělíme na cévice (tracheidy) a články cév (tracheami články), které vytvářejí jednotlivé cévy (Obr. 3d). Cévice se nacházejí jak u krytosemenných, tak u nahosemenných rostlin (Obr. 3c). Vyvinuly se z jediné buňky a typicky dosahují délky od 0,1 cm do 1 cm a průměrů od 5 p.m do 80 p.m (Zwieniecki & Secchi, 2015). Cévy jsou vývojově mladší než cévice a nachází se vxylému krytosemenných rostlin. Jednotlivé cévy jsou tvořeny řetězcem cévních článků. Koncové buněčné stěny těchto článků mají pozměněnou strukturu a označujeme je jako perforační desky. Cévy dosahují délky v rozmezí od 1 cm do 10 m, s průměrem od 15 p.m do 500 |im (Zwieniecki & Secchi, 2015). a) b) Obr. 3: Příčný řez větví nahosemenné a krytosemenné dřeviny a] Příčný řez větví jedle bělokoré, Abies alba. b] Příčný řez větví břízy bělokoré, Betula pendula. č) Detail příčného řezu jedle bělokoré, Abies alba. ď) Detail příčného řezu břízy bělokoré, Betula pendula, ap - axiální parenchym, rp - radiální parenchym, v - céva, tr - cévice, černé měřítko představuje 1 mm, bíle měřítko představuje 50 |im (foto autor]. 26 DÁLKOVÝ TRANSPORT XYLÉMEM K transportu vody mezi přilehlými vodivými elementy dochází skrz dvůrkaté ztenčeniny, kterými jsou navzájem propojeny (Obr. 4). Dvůrkaté ztenčeniny se od jednoduchých odlišují vyklenutím sekundární buněčné stěny nad membránou ztenčeniny (tvořenou střední lamelou a primární buněčnou stěnu), tvořící dutinu ztenčeniny (dvůrek). Stavba dvůrkatých ztenčenin se mírně liší mezi krytosemennými a nahosemennými rostlinami. Ztenčeniny krytosemenných rostlin mají membránu tvořenou hustou sítí mikrofibril s relativně homogenní velikostí interfibrilárních pórů. Proto lze tento typ membrány označit jako „homogenní" (Obr. 4 a, c). Naproti tomu membrána ztenčenin nahosemenných rostlin se skládá ze dvou strukturně odlišných částí. Margo představuje porézní okraj membrány. V centrální části marga se nachází sekundárně ztloustlá kruhovitá část zvaná torus (Obr. 4 b, d). Dvůrkaté ztenčeniny zabraňují šíření vzduchových bublinek do sousedních vodivých elementů xylému. Tento fenomén se nazývá embólie a dochází k němu především při vystavení rostliny stresovým podmínkám (viz kapitoly 3.2 a 3.3). 27 DÁLKOVÝ TRANSPORT XYLÉMEM a) b) Obr. 4: Schematické znázornění dvůrkatých ztenčenin z bočního pohledu a snímky z elektronového mikroskopu zobrazující membránu dvůrkatých ztenčenin z čelního pohledu s odstraněnou sekundární buněčnou stěnou a] Dvůrkatá ztenčenina s homogenní membránou, která je složená ze střední lamely a primární buněčné stěny, b] Dvůrkatá ztenčenina s membránou složenou z lignifikovaného středu (torus] a pórovitého okraje (margo], c] Homogenní membrána ztenčeniny (pm] javoru jasanolistého, Acer negundo, s póry o průměru od 10 do 50 nm. d] Membrána ztenčeniny borovice pokroucené, Pinus contorta, složená z toru (ť) a pórovité okrajové oblasti označované margo (m). Snímek c] byl převzat z Choat et al. (2008]. Snímkem d] byl převzat ze Schoonmaker et al. (2010], schémata ztenčenin c], d] upravena z Jupa (2017]. 3.2 Principy transportu xylémem Transport vody xylémem z kořenů do nadzemních částí rostlin probíhá bez metabolický dodané energie a je vysvětlen teorií koheze a tenze (Dixon & Joly, 1895; Pickard, 1981). Základní hnací silou transportu je tlakový gradient, který se vytváří mezi listy a kořeny. Při odpařování molekul vody z listů dochází k poklesu tlaku pod atmosférický tlak. Negativní tlak se díky kontinuálnímu spojení pomocí vodivých elementů přenáší celým transportním systémem xylému až ke kořenům. V kořenech dochází 28 DÁLKOVÝ TRANSPORT XYLÉMEM k příjmu vody a jejímu transportu až k listům. Během tohoto procesu je sloupec vody ve vodivých elementech vystaven tenzi (napětí), proti které působí síly koheze (soudržnosti) udržující souvislý sloupec vody. Z hlediska termodynamiky hovoříme o tom, že voda je za těchto podmínek v tzv. metastabilním stavu. Při překonání sil koheze ve vodním sloupci může dojít k jeho přetržení a vzniku tzv. kavitace. Kavitace však vzniká při mnohem nižších hodnotách vodního potenciálu (-140 MPa), než které se mohou v cévnatých rostlinách za běžných fyziologických podmínek vyskytovat (max. -20 MPa) (Zwieniecki & Secchi, 2015). Výskyt kavitace je za normálních fyziologických podmínek tedy velmi nepravděpodobný. Na rozdíl od kavitace ale dochází v systému vodivých elementů xylému rostlin vystavených určitým stresovým faktorům k tvorbě a šíření tzv. embólie. Tento jev má za následek přerušení transportu v takto postižených vodivých elementech. 3.3 Vznik embólie Na základě podmínek vzniku rozlišujeme dva základní druhy embólie. Embólii vyvolanou suchem a embólii vyvolanou cykly mrznutí a tání. K suchem indukované embólii dochází nejčastěji v období sucha, kdy v důsledku nedostatku vody v půdě a nadměrného výparu dochází k postupným ztrátám vody z rostlinného těla a poklesu vodního potenciálu. Současně také klesá vodní potenciál ve vodivých elementech xylému. Ke vzniku suchem indukované embólie je nutná přítomnost rozhraní voda-vzduch. Vzduch se vyskytuje v embolizovaných, tedy vzduchem naplněných, vodivých elementech, které se v rostlině vyskytují přirozeně. Takto vzniklou embólii nazýváme nativní embólie a může se jednat o pozůstatek ontogenetického vývoje (narušení vodivých elementů protoxylému) nebo předcházejícího vystavení stresu (Rolland et al., 2015; Venturas et al., 2017). Embólie vzniká i při působení vnějších vlivů, jakými jsou například ohryz herbivorem, mechanické poškození při silném větru nebo při požáru. 3.3.1 Suchem indukovaná embólie K šíření embólie v systému vodivých elementů během vystavení rostliny suchu (tzv. vzniku suchem indukované embólie) dochází nejčastěji skrz dvůrkaté ztenčeniny (Lens et al., 2013a) nebo případně drobnými trhlinkami v buněčné stěně vodivých elementů (Pickard, 1981). Proniknutí embólie z nefunkčního do funkčního (neembolizovaného) elementu nazýváme „air-seeding" (Obr. 5). O průniku embólie skrz ztenčeninu rozhoduje rozdíl tlaků mezi embolizovaným a přilehlým funkčním vodivým elementem a stavba samotné ztenčeniny. V embolizovaném vodivém elementu je tlak roven atmosférickému tlaku, zatímco ve funkčním elementu je tlak nižší než atmosférický a v průběhu vystavení suchu postupně klesá. Čím vyšší je rozdíl těchto tlaků, tím je vyšší riziko vzniku suchem indukované embólie. V okamžiku, kdy rozdíl tlaků do- 29 DÁLKOVÝ TRANSPORT XYLÉMEM sáhne kritické hodnoty, která je daná stavbou ztenčeniny, dochází k okamžitému rozšíření embólie skrz tuto ztenčeninu a embolizaci funkčního vodivého elementu (Lens et al., 2013b; Zwieniecki & Secchi, 2015). Mechanismy související s průnikem embólie skrz ztenčeninu během sucha stále nejsou dostatečně objasněny. Jak se ale zdá, struktura a množství dvůrkatých ztenčenin hrají důležitou roli a ovlivňují náchylnost xylému k suchem-indukované embólii. Podle tzv. „rare piť hypotézy dochází k šíření embólie ztenčeninou, která je k průniku nejnáchylnější (např. kvůli defektní stavbě). Tato teorie je podpořená závislostí mezi rostoucím počtem ztenčenin na vodivý element a náchylností takového elementu k šíření embólie, což lze vysvětlit vyšší pravděpodobností výskytu takové ztenčeniny (Choat et al., 2003; Wheeler et al., 2005). Stavba ztenčeniny ovlivňuje šíření embólie skrz ztenčeninu. U krytosemenných rostlin zabraňují šíření embólie do sousedního vodivého elementu kapilární síly, které působí v interfibrilárních pórech homogenní membrány. Působení kapilárních sil klesá s rostoucí šířkou póru. Proto je rozdíl tlaku mezi embolizovanou a funkční (neembolizovanou) cévou nutný k šíření embólie nižší u membrán ztenčenin s většími interfibrilárními póry. K šíření embólie tedy pravděpodobně dochází skrz největší interfibrilárními póry přítomné v membráně ztenčenin nebo v důsledku jejího poškození (Sperry & Tyree, 1988) (Obr. 5). Princip tohoto mechanismu podporuje fakt, že druhy s širšími membránami ztenčeniny, a pravděpodobně i menšími interfibrilárními póry, jsou více odolné vůči šíření embólie (Kaack et al., 2021; Li et al., 2016). U nahosemenných rostlin je princip ochrany před embólií jiný než u krytosemenných kvůli odlišné stavbě dvůrkatých ztenčenin. Vlivem rozdílu tlaků mezi embolizovanou a neembolizovanou cévicí, dochází k vychýlení membrány směrem k funkční cévici a přilnutí toru k okrajům ztenčeniny (dochází k utěsnění apertury). Je pravděpodobné, že se embólie do sousedních cévic může šířit okolo okraje toru nebo skrz pór toru (Cochard et al., 2009). Pokud je torus mírně vychýlený a nezakrývá aperturu, embólie se snadno rozšíří skrz velké póry marga (Sperry & Tyree, 1990) (Obr. 5). Na rozdíl od krytosemenných rostlin je odolnost tohoto typu ztenčeniny vůči embólii podmíněna především přesahem toru přes okraj ztenčeniny (Bouche et al., 2014). 3.3.2 Mrazem indukovaná embólie Ke vzniku embólie nedochází pouze vlivem sucha na rozhraní voda-vzduch, ale může také vznikat během cyklů mrznutí a tání (Sperry & Sullivan, 1992). Tento typ embólie označujeme jako mrazem indukovaná embólie. Při mrznutí voda ve vodivých elementech xylému zamrzá centripetálně, od stěn do středu. Při tomto procesu led vytlačuje vzduch do centrální části vodivého elementu, kde se formují vzduchové bublinky (Pittermann & Sperry, 2006). Ke vzniku embólie může dojít při následném tání ledu. 30 DÁLKOVÝ TRANSPORT XYLÉMEM Vzniklé vzduchové bublinky se podle okolností mohou zpět rozpustit, uchytit na stěně vodivých elementů nebo expandovat a vytvořit embólii. Druhy s větším průměrem vodivých elementů jsou náchylnější ke vzniku mrazem indukované embólie (Davis et al., 1999), protože ve vodivých elementech s větším průměrem dochází k formaci větších vzduchových bublinek, k jejichž rozpuštění je potřeba vynaložit vyšší tlak okolní xylémové šťávy. a) b) Netěsnost " toru Membrána r : : \ -•Široký i f * pór v i membráně Pa=0 Y Px<0 Prasknutí membrány Obr. 5: Mechanismus šíření embólie skrz dvůrkatou ztenčeninu a] U nahosemenných rostlin, b] U krytosemenných rostlin. (BS] buněčná stěna; (Pa ] tlak v embolizované cévě; fJV) tlak v neembolizované cévě (upraveno z Venturas et al., 2017]. 3.4 Odolnost k embólii a obnovení transportní kapacity Velká ztráta transportní kapacity xylému v důsledku rozsáhlého rozšíření embólie může vést až k odumření takto postiženého orgánu nebo celé rostliny (Anderegg et al., 2012; Brodribb et al., 2010). Rostliny proto využívají řadu mechanismů, které jim umožňují vzniku embólie během sucha předcházet nebo ji případně aktivně odstraňovat. Druhy s vyšší odolností vůči šíření embólie se často vyznačují vyšší hustou dřeva a vyšším poměrem tloušťky buněčné stěny k šířce vodivých elementů (Chave et al., 2009; Hacke et al., 2001). Některé studie také uvádějí pozitivní vliv vyššího množství dřevních vláken na odolnost k embólii (Jacobsen et al., 2005). Nicméně pokud se i přes tyto strukturní vlastnosti rostlin embólie v xylému rozšíří, disponují rostliny různými mechanismy, které umožňují znovuobnovení transportní kapacity xylému. Mezi tyto mechanismy řadíme nejčastěji i) tvorbu nového dřeva, ii) novel refilling, iii) kořenový vztlak. Rostliny, které disponují sekundárním tloustnutím, mohou využívat, ke znovuobnovení a navýšení transportní kapacity xylému po předchozí částečné embolizaci, tvorbu nového xylému. K tvorbě xylému dochází činností sekundárního meristému 31 DÁLKOVÝ TRANSPORT XYLÉMEM svazkového kambia, které produkuje xylém obsahující funkční vodivé elementy naplněné vodou (Brodribb & Cochard, 2009). Další mechanismus je založen na znovunaplnění vodivého elementu vodou a obnovení jeho vodivé funkce snížením osmotického potenciálu v embolizovaném vodivém elementu pomocí osmoticky aktivních látek (sacharidy ionty, aminokyseliny), které jsou aktivně transportovány z přilehlých živých buněk parenchymu do vodivého elementu. Tím ve vodivém elementu dojde ke snížení osmotického potenciálu, který vyvolá pasivní přechod vody z funkčních vodivých elementů a okolních pletiv naplněných vodou. Nejprve se na stěně vodivého elementu vytvoří drobné kapky vody, které se postupně zvětšují, až dojde k úplnému zaplnění vodivého elementu vodou (Brodersen et al., 2010). Tento mechanismus nazýváme „novel refilling." „Novel refilling" probíhá na rozdíl od kořenového vztlaku i během transpirace (Brodersen & McElrone, 2013; Hacke & Sperry, 2003). Některé rostliny využívají k znovuobnovení transportní kapacity v embolizovaných vodivých elementech kořenový vztlak (definovaný jako tlak vyšší než atmosférický), který typicky vzniká v kořenech a přenáší se systémem vodivých elementů do nadzemních částí rostlin. Kořenový vztlak se vyskytuje u některých rostlin výhradně na začátku vegetační sezóny, např. Juglans regia L., Betula pendula Roth (Kolb & Davis, 1994; Van Camp et al., 2017), zatímco jiné druhy jej využívají v každodenním měřítku, např. Helianthus annus L., Lycopsersicum esculentum L.. Působení kořenového vztlaku lze pozorovat na listech jako kapky xylémové šťávy vyloučené na povrch listů hydatody (tzv. gutace) (Eckerson, 1908; Schenk et al., 2021). U kukuřice [Zea mays L.), vinné révy [Vitis ríparía Michx. a Vitis arizonica Engelm.) nebo rýže [Oryza sativa L.) byla pozorována tvorba kořenového vztlaku po zvýšení vodního potenciálu půdy, jehož důsledkem bylo odstranění embólie vzniklé během předchozího období sucha (Gleason et al., 2017; Knipfer et al., 2015; Stiller et al., 2003). Vlastní mechanismus, který stojí za vznikem kořenového vztlaku, není zatím zcela objasněný (Schenk et al., 2021). Předpokládá se, že kořenový vztlak může být vyvolán transportem osmoticky aktivních látek do vodivých elementů xylému nebo zvýšením vnitrobuněčného tlaku (turgoru) v živých parenchymatických buňkách sousedících s vodivými elementy xylému, do nichž jsou transportovány osmoticky aktivní látky. U obou mechanismů dochází k následnému transportu vody do vodivých elementů a nárůstu tlaku v systému vodivých elementů. 32 PRŮDUCHOVÁ REGULACE 4 Průduchová regulace Průduchy jsou epidermální struktury rostlin sloužící k výměně plynů s okolním prostředím. Jedná se převážně o výměnu oxidu uhličitého (CO2), který je nezbytný pro správné fungování fotosyntézy, kyslíku (O2), který rostlina potřebuje k buněčnému dýchání a výdej vodní páry, který je nezbytný pro zásobování nadzemních částí rostlin vodou a živinami. Z hlediska odolnosti rostlin vůči suchu je citlivá průduchová regulace zcela zásadním mechanismem pro udržení rovnováhy mezi omezením ztrát vody a využíváním uhlíkatých látek. Průduchy jsou regulovány různými exogenními podněty, například ozářeností a spektrálním složením, vzdušnou vlhkostí, vodním potenciálem půdy, a také endogenními podněty, mezi které mimo jiné patří koncentrace oxidu uhličitého v listech, přítomnost a koncentrace fytohormonů, reaktivních forem kyslíku nebo pokles turgoru v listech (Daszkowska-Golec & Szarejko, 2013; Farquhar & Sharkey, 1982; Sierla et al., 2016; Tombesi et al., 2015). 4.1 Reakce na vnější faktory Během sucha působí na rostliny především zvýšený deficit tlaku vodní páry (Vapour Pressure Defficit - VPD) a snížený vodní potenciál půdy. Deficit tlaku vodní páry je definován jako rozdíl mezi množstvím vlhkosti ve vzduchu a maximálním množnou vlhkostí, kterou vzduch může pojmout. Se zvyšují se teplotou vzduchu roste i maximální možná vlhkosti vzduchu (Lawrence, 2005), proto se zvýšení teploty a pokles relativní vlhkosti vzduchu projevuje zvýšením VPD. Zavírám průduchů v reakci na nárůst VPD a pokles vodního potenciálu půdy rostliny výrazně omezují snížení vodního potenciálu jejich pletiv a tím předcházejí rozvoji embólie vxylému, rozvoji oxidativního stresu a poškození buněčných struktur vlivem dehydratace (Martin-StPaul et al., 2017). Nicméně i při zavřených průduších dochází k postupnému snižování vodního potenciálu pletiv díky ztrátám vody skrz kutikulární transpiraci a kůru (Zhang et al., 2021). Citlivost zavírání průduchů v reakci na sucho se mezidruhově liší. Podle reakce průduchů na změny vodního potenciálu půdy a VPD můžeme rostliny zjednodušeně rozdělit na isohydrické a anisohydrické (Tardieu & Simonneau, 1998). Isohydrické druhy zpravidla citlivě zavírají průduchy již při mírném poklesu vodního potenciálu půdy nebo při mírném zvýšení VPD, čímž mohou výrazně snížit ztráty vody transpiraci a udržet relativně vysoký vodní potenciál svých pletiv, ovšem za cenu poklesu fotosyntézy a syntézy sacharidů. Naopak anisohydrické druhy nechávají průduchy otevřené i při větším poklesu vodního potenciálu. To jim umožňuje pokračovat v příjmu oxidu uhličitého a v produkci biomasy avšak za cenu větší míry rizika poškození (Attia et al., 2015; McDowell et al., 2008; Woodruff et al., 2015). Dalo by se říct že is- 33 PRŮDUCHOVÁ REGULACE ohydrické druhy se vyhýbají dehydrataci, zatímco anisohydrické druhy dehydrataci tolerují (Lavoie-Lamoureux et al., 2017). Citlivé uzavírání průduchů v reakci sucho je důležitý prvek, který pomáhá rostlinu chránit před rychlým rozvojem embólie během sucha. Efektivita ochrany průduchové regulace před vznikem embólie může být vyjádřena jako rozdíl mezi vodním potenciálem způsobujícím zavírání průduchů a hodnotou vodního potenciálu, při které dochází k rozvoji embólie. Tato veličina se anglicky označuje jako „safety margin" a lze ji volně přeložit jako „bezpečnostní rezerva." Rostliny odolnější k rozvoji embólie mívají širší safety margin než druhy náchylnější k embólii (Martin-StPaul et al., 2017). Pouze u několika málo druhů dochází k zavírání průduchů zároveň s rozvojem embólie (Martin-StPaul et al., 2017). 4.2 Stavba průduchů a reakce na vnitřní faktory Samotný průduch se skládá ze dvou svěracích buněk, které mezi sebou vytváří průduchovou štěrbinu. Svěrací buňky obsahují chloroplasty a jsou obklopeny buňkami vedlejšími, které se podílejí na výměně iontů mezi svěracími buňkami a tudíž na procesu uzavírání/otevírání průduchů (Bergmann & Sack, 2007). Dospělé svěrací buňky typicky neobsahují žádná plasmodesmata, proto většina iontů, které vstupují a vystupují z buňky jsou transportovány skrz iontové kanály, transportéry a iontové pumpy umístěné v plazmatické membráně (Wille & Lucas, 1984). Otevírání průduchů je způsobeno nárůstem turgoru ve svěracích buňkách. Transport draslíku a dalších osmoticky aktivních iontů z vedlejších do svěracích buněk způsobí pokles osmotického potenciálu, který vyvolá příjem vody skrz akvaporíny do svěracích buněk. Spolu s nárůstem turgoru uvnitř svěracích buněk dochází k jejich oddálení a otevření průduchové štěrbiny. Při zavírání průduchů jsou ionty transportovány ze svěracích buněk a následná ztráta turgoru svěracích buněk vyvolá uzavření průduchové štěrbiny. Průduchy rostlin můžeme rozdělit na několik typů dle velikosti, tvaru a uspořádání vedlejších buněk (Van Cotthem, 1970). U většiny rostlin se nacházejí oválné nebo ledvinovité (typ Helleborus) svěrací buňky obklopené buňkami vedlejšími, zatímco svěrací buňky většiny trav (tedy také obilovin) a některých dalších rostlin mají piškotovitý tvar (typ Gramineaé) s dvěma přilehlými buňkami vedlejšími. Piškotovitý tvar společně s buňkami vedlejšími umožňuje průduchům vytvořit větší průduchovou štěrbinu a vyvolat rychlejší odpověď na měnící se podmínky prostředí ve srovnání s ostatními typy průduchů (Chen et al., 2017; Franks & Farquhar, 2007). Mezi hlavní látky zprostředkovávající zavírání průduchů během vystavení rostliny vysokým výparným podmínkám a nízké vlhkosti půdy patří fytohormon kyselina abscisová (ABA) Proto jí bude v následujícím textu věnováno více pozornosti než ostatním fytohormonům, které se tohoto procesu účastní, jako například kyselina jasmonová, gibereliny, auxiny, cytokininy, brassinosteroidy nebo ethylen 34 PRŮDUCHOVÁ REGULACE (Daszkowska-Golec & Szarejko, 2013; Pospíšilova, 2003). K syntéze kyseliny abscisové dochází v plastidech a následně cytosolu buňky (Finkelstein, 2013; Schwartz et al., 2003). Při snížené vlhkosti vzduchu byla pozorována její syntéza přímo v listech (Bauer et al., 2013; Ikegami et al., 2009). Naopak při poklesu vodního potenciálu v půdě je kyselina abscisová syntetizována přímo v kořenech, zejména v kořenové špičce, a následně je transportována xylémem do nadzemních částí rostlin k průduchům (Davies & Zhang, 1991; Sauter et al., 2001), kde se podílí na jejich zavíraní a stimuluje tvorbu kyseliny abscisové přímo v listech. Zvýšená syntéza ABA v listech pak udržuje průduchy uzavřené (Tombesi et al., 2015). Signální dráha průduchové regulace zprostředkovaná ABA je spjatá s řadou dalších interagujících faktorů. Signální role ABA během sucha souvisí se změnami pH apoplastu listu. Pokles vodního potenciálu listu během sucha vyvolává alkalizaci apoplastu (Karuppanapandian et al., 2017). Při alkalizaci apoplastu dochází ke stimulaci syntézy ABA a zvýšení její koncentrace ve svěracích buňkách (Wilkinson & Davies, 1997), která vyvolává zavírání průduchů (Geilfus et al., 2015). Mezi další faktory, které se podílí na průduchové regulaci během sucha, patří zvýšení produkce reaktivních forem kyslíku (ROS) (Mittler, 2002). Některé studie ukazují, že ABA vyvolává produkci peroxidu vodíku (H2O2) ve svěracích buňkách. Zvýšená koncentrace peroxidu vodíku vyvolává zvýšení koncentrace Ca2+ v cytosolu buňky a zavírání průduchů hyperpolarizací Ca2+ kanálů (Mori & Schroeder, 2004; Pel et al., 2000). Signální peptidy hrají důležitou roli při regulaci průduchů. Peptidy CLE zprostředkovávají odpověď rostlin na vnější stimuly. Syntéza peptidu CLE25 je zvýšená v kořenech vystavených nedostatku vody, CLE25 je z kořenu transportován do listů, kde aktivuje biosyntézu kyseliny abscisové, která následně způsobí zavírání průduchů (Takahashi et al., 2018). Kromě chemických signálů zprostředkovávaných fytohormony mohou u některých druhů vyvolávat uzavírání průduchů hydraulické signály přenášené xylémem z kořenů k listům při poklesu vodního potenciálu v půdě. Důsledkem hydraulického signálu dojde v listech k poklesu turgoru, na který reagují průduchy zavíráním (Huber et al., 2019; Tombesi et al., 2015). 35 VYUŽÍVÁNÍ ZÁSOBNÍCH A OCHRANNÝCH LÁTEK 5 Využívání zásobních a ochranných látek 5.1 Nestrukturální sacharidy Výsledkem dlouhodobého uzavření průduchů je postupná ztráta vody z rezerv a postupné využívání nestrukturálních sacharidů z uložených v zásobách rostliny. Nestrukturální sacharidy (NSC) plní v rostlinách zásobní a ochrannou funkci a pomáhají rostlinám přežívat v nepříznivých podmínkách prostředí. Na rozdíl od strukturálních sacharidů, které tvoří pevné komponenty buňky jako je například buněčná stěna, představují nestrukturální sacharidy mobilní zdroj uhlíku a i po svém uložení mohou být znovu transportovány a metabolizovány (Chuste et al., 2020; Tixier et al., 2018). Mezi nestrukturální sacharidy řadíme sacharidy rozpustné ve vodě a polysacharidy, které rozpustné ve vodě nejsou. Ve vodě rozpustné sacharidy, mezi které patří například sacharóza, glukóza, fruktóza, jsou rostlinou přímo využitelné a podílejí se mimo jiné na tvorbě nových pletiv a orgánů, ochraně před embólií, osmotickém přizpůsobení, respiraci a transportu vody (Hartmann & Trumbore, 2016; Klein & Hoch, 2015; Martínez-Vilalta et al., 2016). V buňkách však rostliny mohou akumulovat pouze omezené množství rozpustných NSC vzhledem k jejich osmotickým účinkům, které ve vysokých koncentracích snižují osmotický potenciál a narušují homeostázu buňky. Z tohoto důvodu rostliny ukládají přebytečné zásoby NSC do polysacharidu, které slouží jako krátkodobá nebo dlouhodobá zásoba energie, a kterou mohou rostliny v případě nedostatku rozpustných sacharidů přeměnit na rozpustné sacharidy (MacNeill et al., 2017). Mezi tyto polysacharidy hlavně patří škrob a u některých druhů také fruktany. Fruktany se vyskytují typicky u jednoděložných rostlin a některých dvouděložných rostlin (Banguela & Hernández, 2006). Podobně jako škrob se i fruktany podílejí na ukládání energie do zásob, na ochraně proti suchu, mrazu, ale také na osmoregulaci (Benkeblia, 2022; Hendry, 1993; Vijn & Smeekens, 1999). Během sucha dochází u vyšších rostlin k osmotickému přizpůsobení jejich pletiv (osmotic adjustment), tedy k akumulaci osmotický aktivních látek (ve vodě rozpustných cukrů, anorganických iontů a dalších látek) v buňkách (Sánchez et al., 1998; Turner, 2018). Osmotické přizpůsobení pletiv má pozitivní vliv na udržení turgoru tím, že umožňuje příjem vody kořeny z vyschlé půdy a naopak omezuje její ztráty (Blum, 2017; Chimenti etal., 2002; Morgan & Condon, 1986). Během sucha dochází nejdříve k poklesu turgoru a zpomalení růstu a až následně ke zpomalení fotosyntézy. Proto v prvních fázích sucha může přechodně docházet ke zvýšení obsahu NSC v pletivech rostlin (Herms & Mattson, 1992; Muller et al., 2011). Dlouhotrvající účinky sucha naopak vedou k poklesu obsahu škrobu, zatímco obsah rozpustných sacharidů se příliš nemění (Chuste et al., 2020). V extrémních případech dlouho trvajícího sucha může dojít až k odumření celé rostliny v důsledku silného vyčerpání rozpustných i nerozpustných NSC (Chuste et al., 2020; McDowell, 36 VYUŽÍVÁNÍ ZÁSOBNÍCH A OCHRANNÝCH LÁTEK 2011). Celkový obsah nestrukturálních sacharidů má prokazatelný vliv na odolnost rostlin vůči suchu. Například u přenice byl prokázán vyšší obsah rozpustných sacharidů u kultivaru s vyšší odolností vůči suchu ve srovnání s kultivarem citlivým na sucho. U dolnějšího kultivaru byl vyšší obsah NSC také mimo jiné spojen s vyšším výnosem během sucha (Hou et al., 2018). Obsah NSC také úzce souvisí s transportem v xylému, jak ukazuje závislost mezi obsahem NSC a odolností xylému vůči ztrátě vodivosti během sucha (Tomasella et al., 2020), nebo mezi obsahem rozpustných sacharidu a schopností obnovit transportní kapacitu vodivých elementů xylému po embólii (Savi et al., 2016). 5.2 Antioxidanty Zvýšená akumulace reaktivních forem kyslíku během sucha může vést také k poškození buněčných kompartmentů a případně až ke smrti buňky (Gill & Tuteja, 2010). Proto je pro rostlinu nesmírně důležité udržovat hladinu ROS v minimální koncentraci pomocí aktivity různých antioxidantů enzymatické povahy, například glutathionu, katalázy, peroxidázy, superoxid dismutázy (SOD) (Bowler et al., 1992; Noctor & Foyer, 1998), nebo sacharidů, jejichž antioxidační vlastnosti byly potvrzeny několika studiemi (Bolouri-Moghaddam et al., 2010; Cherkas et al., 2020; Faraji & Lindsay, 2004). Sacharidy se navíc uplatňují při opravách oxidativního poškození buněčných struktur (Couée et al., 2006). 5.3 Dehydriny Další významnou skupinou látek podílející se na ochraně rostliny jsou dehydriny. Dehydriny jsou skupina proteinů náležící do skupiny II LEA proteinů. Ačkoliv funkce dehydrinů nebyla ještě úplně pochopena, mnoho studií prokazuje jejich důležitou roli při toleranci kabiotickým stresům (Liu et al., 2015; Yu et al., 2018). K jejich akumulaci ve vegetativních orgánech rostlin typicky dochází v reakci na sucho, zasolení či nízkou teplotu (Battaglia et al., 2008). Jako typický příklad lze uvést zvýšení syntézy dehydrinů v rostlině tabáku virginského [Nicotiana tabacum) L., která vedla ke zvýšené odolnosti vůči suchu a chladu (Bao et al., 2017). 37 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ 6 Srovnání šlechtěných a planých druhů 6.1 Stavba kořenového systému Z hlediska odolnosti rostliny vůči suchu zajišťuje kořenový systém řadu klíčových funkcí, které se mohou významně podílet jak na dlouhodobém přežívání rostliny, tak ovlivňovat růst a případně i výnos rostliny za podmínek limitní dostupnosti vody v půdě (Chen et al., 2015; Palta & Yang, 2014). Kořeny jsou prvním orgánem rostliny, který zaznamená pokles vodního potenciálu půdy (Marii et al., 2013) a zprostředkovává reakci nadzemních orgánů (např. zavírání průduchů). Vlastnosti kořenového systému mají zásadní roli pro udržení rovnováhy mezi příjmem vody z vysychající půdy a omezením ztát vody do okolního prostředí. Současně také slouží jako důležitá zásobárna vody a živin. Při dlouhodobém vystavení rostliny suchu může docházet ke změně morfologie kořenového systému (délka, průměr, větvení a distribuce kořenů), ke změně anatomické stavby kořenového systému (apoplastické bariéry) nebo ke změně dalších znaků ovlivňující příjem vody (exprese akvaporínů). Pro kvantitativní hodnocení struktury kořenového systému se používá řada parametrů. Tyto parametry mohou být důležitým ukazatelem odolnosti rostlin vůči nízké dostupnosti vody v půdě. Mezi tyto parametry patří například: • celková délka kořenů (CRL - cumulative root length) • maximální délka kořenů (MRL - maximal root length) • plocha kořenového systému (RA - root area) • hmotnost suché biomasy kořenů (RDW - root dry weight) • poměr suché hmotnosti biomasy kořenů k suché hmotnosti biomasy nadzemní části rostliny (RSR - root to shoot ratio) • průměr kořenů (RD - root diameter) • počet kořenových špiček (RT - number of root tips) Hlubší kořenový systém (> MRL) rostlinám umožňuje dosažení vody z hlubších vrstev půdy, které během sucha vysychají pomaleji než svrchní vrstvy půdy. Prodlužování kořene do hlubších vrstev půdy (> MRL), zvyšování CRL a RA během neletálního působení stresu suchem bylo pozorováno u více druhů rostlin, a proto je povařováno za důležitý adaptační mechanismus zvyšující účinnost příjmu vody kořeny (Barati et al., 2020; Gallardo et al., 1996; Pirnajmedin et al., 2015). Důležitý ukazatel odolnosti rostlin vůči suchu je také RSR. Většina rostlin při nízké dostupnosti vody v půdě přesouvá živiny do kořenů a investuje energii do tvorby jejich biomasy. Proto bývá RSR během působení sucha typicky vyšší než v rostlinách pěstovaných za dostatku vody (Gorim & Vandenberg 2017). Průměr kořenů a počet kořenových 38 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ špiček jsou důležitými znaky ovlivňujícími příjem vody při její snížené dostupnosti v půdě. Oblasti mladých kořenů v blízkosti kořenové špičky jsou místem, kde dochází k nejintenzivnějšímu příjmu vody (Comas et al., 2013; Materechera et al., 1992). Naopak ontogeneticky starší a širší kořeny mohou sloužit jako zásoba vody a dalších látek a umožňují růst do hlubších vrstev půdy, zatímco jemné kořeny zvětšují absorpční plochu kořene, a tím umožňují efektivnější příjem vody z půdy za dostatku vody v půdě. Během vystavení rostliny suchu může dojít k odumírání jemných kořenů a kořenových špiček (Brunner et al., 2015). Jejich odumření může zabránit nadbytečným ztrátám vody z kořenů do půdy. Proto během působení půdního sucha hrají zásadní roli širší kořeny, které se podílejí na sladování zásobních látek a vody a umožňují tvorbu nových kořenů (Brunner et al., 2015). Rozdíly ve znacích kořenového systému u šlechtěných odrůd plodin a jejich planě rostoucích příbuzných jsou nejčastěji popsány u menších, jednoletých druhů plodin (např. ječmen setý, čočka jedlá), u kterých není studium kořenů tak technicky náročné ve srovnání s rozsáhlejším kořenovým systémem dřevin. 6.1.1 Obiloviny Ječmen setý, Hordeum vulgare L., je čtvrtou nejpěstovanější obilovinou na světě, jehož semena slouží k přípravě jídla a jsou důležitým zdrojem krmiva pro dobytek. Ječmen je přirozeně odolný vůči suchu a řadí se mezi jednou z nejodolnějších obilovin vůči suchu vůbec (Ahmed et al., 2016). I přes to má sucho negativní účinky na jeho produkci (Jamieson et al., 1995). I z tohoto důvodu je ječmen vzhledem k jeho velkému zemědělskému významu důležitým cílem výzkumu zaměřujícího se na zvyšování odolnosti této plodiny vůči suchu (Barati et al., 2020; Barati et al., 2015; Gorim & Vandenberg, 2017; Gorim & Vandenberg 2019; Kreszies et al., 2020). Jak se ukazuje, kořenový systém planého ječmene je bohatým zdrojem genetické diverzity, která by mohla být využita pro výšení odolnosti této plodiny vůči suchu (Ivandic et al., 2000; Manjuet al., 2019). Barati et al. (2015) studovali rozdílnou reakci kořenového systému na sníženou dostupnost vody v půdě u 28 různých genotypů šlechtěného ječmene, Hordeum vulgare L., a jim příbuzných 29 genotypů planého kultivaru ječmene Hordeum spontaneum (K. Koch) Thell. Rostliny ječmene byly pěstovány ve venkovních podmínkách v plastových nádobách. Vliv sníženého obsahu vody v půdě autoři pozorovali na třech vývojových stadiích ječmene (klíčící rostliny, rostliny ve vegetativním a reproduktivním stádiu). Na klíčících rostlinách ječmene pozorovali změny vlivem sníženého obsahu vody v půdě. Část rostlin ve vegetativním stádiu vystavili tři týdny po vyklíčení zvýšené a část rostlin snížené dostupnosti vody. Následně po 30 dnech kultivace byly rostliny odebrány k vyhodnocení RSR, který byl u v průměru vyšší u planě rostoucích kultivarů ječmene ve srovnání s vyšlechtěnými genotypy za snížené i zvýšené dostupnosti vody v půdě. U rostlin ječmene s dostatkem vody bylo RSR v rozmezí od 39 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ 0,03 do 0,3, zatímco u rostlin vystavených suchu bylo v některých případech vyšší než 0,4. Další měření provedli autoři na rostlinách v reproduktivním stádiu. Rostliny kultivovali 4 týdny v optimálních podmínkách, poté snížili dostupnost vody po dobu 45 dní, část rostlin ponechali s dostatkem vody pro kontrolní měření. Z průměru hodnot rostlin vystavených snížené dostupnosti vody v půdě i rostlin rostoucích po dobu celého experimentu při zvýšeném obsahu vody v půdě je patrné, že genotypy planého ječmene mají v průměru vyšší CRL, MRL a RA než šlechtěné genotypy. Některé genotypy vykazovaly společně vyšší odolnost vůči sníženému obsahu vody v půdě ve vegetativní a reproduktivním stadiu, ale odolnost při klíčení se značně lišila. V pozdější studii Barati et al. (2020) byly provedeny dva experimenty, ve kterých autoři srovnávali morfologické znaky kořenového systému a výnos u 7 šlechtěných a 23 planých genotypů ječmene. Rostliny byly pěstované za venkovních podmínek v plastových nádobách při dostatku a při snížené dostupnosti vody v půdě. Z hlediska morfologických znaků kořene autoři vyzdvihli tři genotypy planého ječmene, Hsp06, Hsp74, Hsp79, které měly v průměrů vyšší RDW, RA, CLR a RSR při kultivaci za zvýšené i snížené dostupnosti vody než šlechtěné kultivary, což jim může umožnit stabilnější příjem vody během nižší dostupnosti vody v půdě. Z výsledků druhého experimentu vyplývá, že genotypy šlechtěného ječmene typicky dosahovaly vyššího výnosového potenciálu během zvýšené i snížené dostupnosti vody půdy. Nicméně plané genotypy většinou vykazovaly vyšší stabilitu výnosu, tedy menší změny výnosu při nedostatku vody v půdě ve srovnání s kontrolními podmínkami. Genotyp planého ječmene Hsp71 měl ve srovnání se všemi zkoumanými genotypy vyšší jak výnosový potenciál, tak stabilitu výnosu. Kreszies et al. (2020) ve své studii simulovali vliv nízké dostupnosti vody na vývoj seminálního kořene u mladých rostlin tří kultivarů šlechtěných [Hordeum vulgare; genotypy Baxe, Morex a Golden Promise) a tří kultivarů planých kultivarů ječmene [Hordeum spontaneum) - ICB181160 (z Íránu), ICB181243 (z Pákistánu) a ICB181466 (z Jordánska). Šest dní staré rostliny byly pěstované v hydroponickém prostředí s přídavkem polyetylenglykolu (PEG 8000) po dobu dalších šesti dnů. Během kultivace byly rostliny vystaveny vodnímu potenciálu roztoku na úrovni -0,8 MPa. Při kontrolním měření byl seminální kořen planých kultivarů ve většině případů průkazně delší než u šlechtěných kultivarů. Šlechtěné i plané kultivary ječmene, kromě kultivaru z Pákistánu, měly významně vyšší RSR při vystavení sníženému vodnímu potenciálu ve srovnání s kontrolním měřením. Kromě celkového přizpůsobení morfologické stavby kořenového systému bylo prokázáno, že planý a šlechtěný ječmen využívají jiné strategie anatomického přizpůsobení kořene při sníženém vodním potenciálu prostředí. V těchto podmínkách došlo u všech genotypů šlechtěného ječmene ke zvýšení suberinizace seminálních kořenů. Tyto strukturní změny mohou omezovat nekontrolované ztráty vody z kořene do okolního prostředí. Naopak kultivary planého ječmene vykazovaly v průměru nižší míru suberinizace seminálního kořene než šlechtěné genotypy, případně u planých 40 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ genotypů došlo ke zvýšené suberinizaci v určité vzdálenosti seminárního kořene od kořenové špičky. Změny v suberinizaci byly hodnoceny ve třech oblastech kořene: oblast A (0 % - 25 % délky od kořenové špičky), oblast B (25 % - 50 % délky od kořenové špičky) a oblast C (50 % - 100 % délky od kořenové špičky). Je zajímavé, že u planého genotypu z Jordánska se při sníženém vodním potenciálu pěstebního média v oblasti C ve 20 % seminálních kořenů vytvořily Caspariho proužky v exodermis společně se suberinovými lamelami v endodermis. U žádného jiného genotypu nebyl v této fázi vývoje kořenů pozorován rozvoj exodermis. Vývoj apoplastických bariér se může významně podílet na příjmu vody kořeny a zároveň omezovat její ztráty do okolního prostředí. Pro srovnání hydraulických vlastností kořenů autoři vybrali jeden šlechtěný kultivar ječmene, Morex, a jeden planý kultivar, ICB181243 (z Pákistánu), u kterých srovnávali míru hydraulické vodivosti radiálního transportu seminálního kořene v oblastech A a B během dobré a snížené dostupnosti vody. Hydrostatická hydraulická vodivost byla při kontrolním měření průkazně vyšší u šlechtěného genotypu Morex ve srovnání s planým genotypem z Pákistánu. Při kultivaci rostlin za sníženého vodního potenciálu média (-0,8 MPa) došlo k poklesu hydrostatické hydraulické vodivosti u šlechtěného genotypu Morex, zatímco u planého genotypu z Pákistánu se nezměnila. Tento rozdíl pravděpodobně souvisí se zvýšenou suberinizaci seminálního kořene u šlechtěného genotypu, zatímco planý genotypy zvýšenou suberinizaci v oblastech A a B nevykazoval. Ze studie vyplývá, že plané genotypy ječmene, Hordeum spontaneum, jsou lépe přizpůsobené ke snížené dostupnosti vody v substrátu udržováním konstantního příjmu vody na rozdíl od šlechtěného ječmene, Hordeum vulgare. 6.1.2 Luštěniny Čočka jedlá, Lens culinarís Medik., je jednoletá luštěnina z čeledi bobovité, s vysokým obsahem bílkovin v semenech. Plané kultivary čočky jsou původem ze suchých oblastí, a to z nich dělá vhodné kandidáty pro zkoumání znaků podmiňujících vyšší odolnost k suchu (Gorim & Vandenberg, 2017). Gorim & Vandenberg (2017) pozorovali rozdílné morfologické změny kořene u šlechtěného kultivaru čočky, Lens culinarís Medik, (genotyp Eston) a několika jiných planých kultivarů čočky [Lens orientalis Boiss. genotypy PI 572376 a IG 72643; Lens tomentosus Ladiz. genotyp IG 72805; Lens odemensis Ladiz. genotyp IG 72623; Lens lamottei Czefr. genotyp IG 72815; Lens ervoides Brign. genotypy IG 72815 a L-01- 827A). Rostliny byly pěstované ze semen a kultivované v řízených podmínkách za různé dostupnosti vody v půdě. Šlechtěný a plané kultivary čočky dosahovaly podobných hodnot RSR během dostatku vody i při jejím sníženém obsahu v půdě. Šlechtěná odrůda čočky, Lens culinarís, vykazovala za dostatku vody nejvyšší DRW a CLR v půdě ve vrstvě 20-40 cm hluboko, ale v hloubce 40-60 cm se hmotnost a celková délka kořenů snížila na průměrnou ve srovnání s planými kultivary ve studii. Mělký křeno- 41 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ vý systém šlechtěného kultivaru Lens culinaris v případě nedostatku povrchové vláhy a během dlouho trvajícího sucha neumožňuje dostatečné zásobení rostliny vodou, což se může negativně projevit i na výnosu. Naopak plané kultivary Lens ervoides IG 72815, Lens orientalis PI 572376 a Lens odemensis IG 72623 reagovaly na sníženou dostupnost vody v půdě rozvojem kořenů v hlubších vrstvách půdy. Prvně zmíněný planý kultivar Lens ervoides IG 72815 dosahoval ve hloubkách půdy 40-60 cm nejvyšších hodnot RDW a společně s planým kultivarem Lens orientalis PI 572376 tyto kultivary za snížené dostupnosti vody v půdě vykazovaly oproti šlechtěnému a dalším planým kultivarům jednu z nejvyšších hodnot CRL ve vrstvě od 40 cm do 60 cm. Stejné šlechtěné i plané genotypy čočky byly studované také ve studii Gorim & Vandenberg (2019). V této studii autoři zkoumali vliv snížené dostupnosti vody v půdě na průměr kořenů a počet kořenových špiček. Kořeny rozdělili podle průměru do třech kategorií: 0-0,5 mm (velmi jemné kořeny), 0,5-2,0 mm (jemné kořeny), 2,0- 5,0 mm (silné kořeny). Studie hodnotila zastoupení kořenů jednotlivých kategorií ve třech různých vrstvách půdy (vrstva A: do 20 cm, vrstva B: 20-40 cm, vrstva C: 40-60 cm). Během pěstování při snížené dostupnosti vody v půdě se u šlechtěných i planých genotypů značně snížil počet kořenových špiček u velmi jemných kořenů v hloubce 20-40 cm, kromě planého kultivaru Lens ervoides IG 72815, kde se naopak jejich počet značně zvýšil. Zvýšení počtu kořenových špiček během sucha je dalším možným adaptačním mechanismem rostlin na sucho. Během sníženého vodního potenciálu půdy měl šlechtěný kultivar čočky Lens culinaris, společně s dalšími dvěma planými kultivary čočky [Lens orientalis PI5723766 a Lens ervoides IG 72815) nejvíce velmi jemných a jemných kořenů ve vrstvě A ve srovnání s ostatními planými kultivary. Zatímco ve vrstvě B měl šlechtěný kultivar nižší podíl jemných kořenů než plané kultivary. Kromě toho tři plané kultivary, Lens orientalis PI 572376, Lens odemensis IG 72623 a Lens ervoides IG 72815, dosahovaly vyššího CRL ve srovnání se šlechtěným i dalšími planými kultivary ve všech průměrech kořenů, které se nacházely v hlubších vrstvách, což je v souladu s výsledky ze studie Gorim & Vandenberg (2017). Během snížené dostupnosti vody v půdě rostliny investují energii spíše do růstu kořenového systému, zatímco méně do nadzemních částí rostliny. U většiny plodin je vyšší produkce biomasy vegetativních orgánů spojena s vyšším výnosem, nicméně neplatí to ve všech případech. Planá odrůda čočky, Lens ervoides IG 72815, vykazovala vyšší produkci biomasy vegetativních orgánů během snížené dostupnosti vody v půdě, ale pozitivní vliv na vývoj generativních orgánů byl v tomto případě minimální. Opětovné zalití pouze zvýšilo produkci biomasy, ale nevedlo ke zvýšení produkce semen. Naopak vyšlechtěná odrůda Lens culinaris dosahovala vyššího výnosu dokonce i během sucha. Podobně jako u čočky, také z výsledků studie Barati et al. (2020) provedené na ječmeni vyplývá, že vyšší výnos ječmene není přímo závislý na RSR a DRW. Vyšší výnos při snížené dostupnosti vody v půdě však úzce souvisí s CRL. Hlubší a rozsáhlejší kořenový systém nemusí být tedy vždy spojen s vyšším výnosem, ale spíše s vyšší stabilitou výnosu během sucha. 42 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ 6.2 Dálkový transport v xylému Dlouhodobé vystavení rostliny limitní dostupnosti vody v půdě a vysoce výparným podmínkám vede k postupnému poklesu vodního potenciálu xylému a k následnému rozvoji embólie ve vodivých elementech xylému, která vede k postupné ztrátě transportní kapacity vodivých drah xylému. Míra ztráty transportní kapacity xylému v důsledku embólie se nejčastěji vyjadřuje jako procentuální ztráta vodivosti (PLC; %). Procentuální ztrátu vodivosti lze kvantifikovat jako relativní poměr mezi rozdílem maximální a nativní hydraulické vodivosti a maximální hydraulickou vodivostí xylému. Selhání transportu v xylému (tzn. při PLC=80-100 %) pak může vyústit v odumření jednotlivých orgánů nebo celé rostliny. K hodnocení odolnosti vodivých elementů xylému vůči rozvoji embólie během sucha nejčastěji používáme parametry odvozené ze závislosti mezi vodním potenciálem xylému a PLC (tzv. křivka odolnosti xylému vůči embólii; Obr. 6) 100 80 2 6 0 U —1 * 40 20 0 -10 -8 - 6 - 4 - 2 0 V o d n í potenciál x y l é m u (MPa) Obr. 6: Křivky odolnosti xylému vůči embólii různých druhů dubu Černá horizontální linie představuje P50, šedé horizontální linie v horní části a spodní části grafu představují P90 a P10, tedy voní potenciál xylému odpovídající 90% a 10% ztrátě hydraulické vodivosti. Zelená křivka, Q_robur, představuje druh náchylnější k embólii ve srovnání s Q_ilex, červen křivka, který představuje druh odolnější k embólii (upraveno z Lobo et al., 2018]. Křivka odolnosti xylému vůči embólii má typicky sigmoidní tvar. Při vysokých hodnotách vodního potenciálu xylému (tzn. blízko 0 MPa) je vidět její pozvolný vzestup, značící, že vodivé elementy jsou embolizovány minimálně a embólie se šíří v xylému se změnou vodního potenciálu jen pomalu. Tato část křivky představuje rozmezí optimálních hodnot vodních potenciálu pro rostlinu, během kterých nejsou vystavené 43 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ stresu. Při dalším poklesu vodní potenciálu xylému dochází k rychlému šíření embólie v systému vodivých elementů a ztrátě vodivosti xylému. Křivka má v tomto rozmezí vodních potenciálu větší sklon. Vodní potenciál xylému, při kterém dochází k urychlenému rozvoji embólie, většinou odpovídá přibližně 10% PLC (P10). Při dalším poklesu vodního potenciálu xylému dochází k postupné embolizaci všech vodivých elementů a kompletní ztrátě vodivosti. Ztráta vodivosti vyšší než 90 % PLC (P90) se udává jako letální pro většinu krytosemenných druhů rostlin. (Gleason et al., 2016; Hammond et al., 2019). Parametr P50 je důležitým ukazatelem pro srovnávání odolnosti xylému vůči embólii mezi jednotlivými druhy rostlin nebo jejich orgány. Parametr P50 vyjadřuje hodnotu vodního potenciálu xylému, při které dochází k 50% ztrátě hydraulické vodivosti xylému. U rostlin odolnějších vůči embólii bývá křivka odolnosti vůči embólii, stejně jako P50, posunutá směrem k zápornějším hodnotám vodního potenciálu xylému ve srovnání s rostlinami náchylnějšími k embólii (viz srovnání křivek Quercus ilex a Quercus rubra; Obr. 6). 6.2.1 O v o c n é stromy Srovnání odolnost xylému vůči embólii mezi planě rostoucími a příbuznými vyšlechtěnými kultivary bylo nejčastěji studováno u větví ovocných stromů, zejména u rodů Malus, Pyrus a Prunus (Beikircher et al., 2013; Gerbi et al., 2022; Paudel et al., 2019, 2020). Tyto rody sdružují zástupce ovocných stromů se značným celosvětovým významem pro produkci ovoce. Ovoce produkované stromy z rodu Malus a Prunus se řadí mezi jádroviny, zatímco rod Pyrus produkuje peckoviny. Celosvětová produkce ovoce stromy z rodu Malus (jabloně) přesáhla 85 mil. tun v roce 2020, u rodu Prunus (slivoně, meruňky, broskvoně a mandloně) téměř 45 mil tun a u rodu Pyrus (hrušně) přes 23 mil. tun (FAOSTAT). Mezi nejrozšířenější zástupce rodu Malus patří jabloň domácí, Malus domestica. Do rodu Prunus řadíme mimo jiné šlechtěné kultivary slivoň švestku, Prunus domestica; broskvoň obecnou, Prunus persica; meruňku obecnou, Prunus armeniaca; třešeň ptačí Prunus avium nebo mandloň obecnou, Prunus dulcis. Rod Pyrus zahrnuje mimo jiné šlechtěný kultivar hrušeň obecná, Pyrus communis. Rod Malus: Srovnání výsledků studií Choat et al. (2012) a Beikircher et al. (2013) naznačují možnou vyšší odolnost xylému plané odrůdy jabloně ve srovnání s vyšlechtěnými odrůdami. Beikircher et al. (2013) zkoumali odolnost třech šlechtěných kultivarů jabloně domácí [Malus domestica Borkh.) vůči suchu: Braeburn, Golden Delicious, Red Delicious. Z křivek odolnosti xylému vůči embólii měřených na vzorcích větví je patrná vyšší odolnost xylému vůči embólii u kultivaru Golden Delicious (P50 = -3,81 MPa) ve srovnání s kultivary Braeburn (P50 = -3,46 MPa) a Red Delicious (P50 = -2,73 MPa). Naproti tomu planý druh jabloně, jabloň lesní, Malus sylvestris Mill., dosahoval o více než 2 MPa nižších hodnot P50 ve srovnání 44 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ s nejodolnějším šlechtěným kultivarem Golden Delicious (P50 = -6,01 MPa; Choat et al., 2012). P50 posunuté do více negativních hodnot u planého druhu jabloně, Malus sylvestrís, naznačuje její vyšší odolnost vůči suchu ve srovnání s třemi uvedenými šlechtěnými kultivary jabloně domácí, Malus domestica. Rod Pyrus: Paudel et al. (2019) zkoumali vliv sníženého obsahu vody v půdě na transport vody v xylému u šlechtěných kultivarů (hrušeň obecná, Pyrus communis L. a hrušeň písečná, Pyrus pyrifolia (Burm. f.) Nakai) a jejich planě rostoucího příbuzného kultivaru (hrušeň syrská, Pyrus syriaca Boiss.). Experimenty byly prováděny na přibližně 8-10 let starých jedincích rostoucích v půdě na dvou sousedících venkovních stanovištích. Zatímco šlechtěné kultivary byly pěstované v sadech, jedinci planého kultivaru hrušně rostly volně v nedalekém porostu makchie. Během jedné vegetační sezóny byly stromy vystavené postupně se snižujícímu se obsahu vody v půdě po dobu 35 dní (až na minimální hodnotu obsahu vody v půdě 10 %), po kterém následovalo zalití a rehydratace všech stromů (Obr. 7 b). Během vysychání půdy došlo u šlechtěných kultivarů hrušně k rapidnímu poklesu vodního potenciálu xylému ve větvích o více než -1,5 MPa (z -1,6 na -2,5 MPa). Planý kultivar hrušně vykazoval pozvolnější pokles pouze o -0,2 MPa (z -3,9 na -4,1 MPa), který však mohl souviset s pozvolnějším poklesem obsahu vody v půdě ve srovnání s vyšlechtěnými kultivary (Obr. 7 a). Nižší pokles vodního potenciálu půdy u planého kultivaru mohl ovlivnit také srovnávání dalších naměřených hodnot. Za dobré dostupnosti vody měly šlechtěné kultivary vyšší rychlost transpirace než planý kultivar, která jim umožňovala rychlejší transport živin a vody z půdy, zatímco při poklesu vodního potenciálu půdy a následně xylému došlo u šlechtěných kultivarů k rapidnímu poklesu transpirace. Nicméně planý kultivar hrušně vykazoval pozvolnější pokles rychlosti transpirace než šlechtěné kultivary hrušně. 45 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ 1.8.2017 1.9.2017 1.10.2017 1.11.2017 1.12.2017 1.1.2018 1.2.2018 1J.2018 1.4.2018 1.4.2018 Datum Obr. 7: Srovnání vodního potenciál xylému, obsahu vody v půdě a procentuální ztráta transportní kapacity xylému třech kultivarů hrušně a] Vodního potenciál xylému. b] Obsah vody v půdě - SWC c) Procentuální ztráta transportní kapacity xylému - PLC. Pyrus communis a Pyrus pyrífolia - šlechtěné kultivary hrušně; Pyrus syriaca - planý kultivar hrušně, šedá oblast představuje období, během kterého byly rostliny vystavené nízké dostupnosti vody v půdě (upraveno z Paudel et al. 2019]. 46 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ S výrazným poklesem vodní potenciálu xylému u šlechtěných rostlin byla spojena také ztráta hydraulické vodivosti, a to přibližně o 20 %. Planě rostoucí kultivar měl vyšší procentuální ztrátu vodivosti xylému ještě před vystavením období sucha (cca 20% PLC) a procentuální ztráta vodivosti byla během tohoto období menší ve srovnání s vyšlechtěnými kultivary (cca +5% PLC). Na konci období sucha dosahovaly vyšlechtěné i planý kultivar podobného PLC (přibližně 23 %) (Obr. 7 c). Ačkoliv tyto rozdíly mohly být částečně ovlivněny nižší dostupností vody v půdě před začátkem vysychání, z naměřených dat je evidentní, že šlechtěné varianty dosahují rychlejší ztráty hydraulické vodivosti během sucha. Jak se zdá, tak vyšší ztráta hydraulické vodivosti u šlechtěných kultivarů souvisí s nižší odolností xylému větví vůči ztrátě vodivosti během sucha. Na základě srovnání křivek odolnosti vůči embólii je patrné, že P50 u šlechtěných kultivarů bylo -4,3 MPa, zatímco u planě rostoucího kultivaru P50 odpovídalo -6,4 MPa (Obr. 8). -10 -8 -6 -4 -2 Vodní potenciál xylému (MPa) Obr. 8: Křivky odolnosti vůči embólii Srovnání u dvou šlechtěných kultivarů hrušně [Prunus communis a Prunus pyrifoliá) a planě rostoucího kultivaru hrušně [Prunus syriaca). Přerušovaná horizontální linie představuje P50 (upraveno z Paudel et al.,2019). Při opětovném zvýšení dostupnosti vody v půdě došlo u všech kultivarů hrušně ke zvýšení vodního potenciálu xylému, který dobře korespondoval s poklesem PLC. Dynamika těchto změn se ale lišila mezi šlechtěnými a planě rostoucími kultivary. U šlechtěných kultivarů hrušně došlo po zvýšené dostupnosti vody v půdě ke snížení PLC v řádu několika málo dní, zatímco u planého kultivaru hrušně došlo k postupnému snížení PLC až s odstupem 2-3 měsíců od obnovení dostupnosti vody v půdě (Obr. 7 c). 47 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ Rozdíly v odolnosti xylému mezi planými a vyšlechtěnými kultivary mohou částečně souviset s průměrem a hustotou cév. Průměr cév byl u obou šlechtěných kultivarů hrušně průkazně vyšší než k planého kultivaru, Pyrus syríaca. Hustota cév byla významně vyšší u šlechtěného kultivaru, Pyrus communis, ve srovnání se šlechtěným kultivarem, Pyrus pyrifolia a planým kultivarem, Pyrus syríaca. Ačkoliv rozdíly v těchto anatomických znacích nemusí přímo souviset s odolností xylému vůči šíření embólie během sucha (na rozdíl od strukturních vlastností ztenčenin a stupně propojení cév), vyšší hustota cév může vést k vyšší propojenosti cév a vyšší průměr cév umožňuje vyšlechtěným kultivarům efektivnější transport vody v xylému během dobré dostupnosti vody v půdě (viz kapitola č. 3.2). Z experimentu vyplývá, že planý kultivar, Pyrus pyrifolia, má vyšší odolnost vodivých elementů xylému k embólii během sníženého obsahu vody v půdě než oba šlechtěné kultivary, Pyrus communis a Pyrus pyrifolia. Rod Prunus: Cochard et al. (2008) zkoumali odolnost xylému vůči embólii u 6 šlechtěných [Prunus cerasifera Ehrh., Prunus cerasus L., Prunus persica (L.) Batsch, Prunus domestica L., Prunus armeniaca L., Prunus dulcis DA. Webb) a 4 planých druhů [Prunus padus L., Prunus spinosa L., Prunus avium L., Prunus mahaleb L.) rodu Prunus. Mezi druhy byla zjištěna široká variabilita v odolnosti xylému vůči embólii, nicméně mezi vybranými druhy měly v průměru vyšší odolnost vůči embólii právě ty šlechtěné. Nejvyšší odolnost byla pozorována u šlechtěné slivoně myrobalán, Prunus cerasifera (P50 = -6,3 MPa), mandloně obecné, Prunus dulcis (P50 = -6,lMPa), meruňky obecné, Prunus armeniaca (P50 = -6 MPa) a slivoně švestky, Prunus domestica (P50 -5,8 MPa). Naopak planě rostoucí jedinci trnky obecné, Prunus spinosa (P50 -5,4 MPa) a střemchy obecné, Prunus padus (P50 -3,5 MPa) měly xylém více náchylný vůči embólii. I když mezidruhové rozdíly ukazují obecně nižší odolnost xylému vůči embólii u studovaných planých druhů rodu Prunus, je důležité zmínit, že studované šlechtěné druhy uváděné v této studii nebyly z druhů planých přímo vyšlechtěné. Paudel et al. (2020) srovnávali vliv snížené dostupnosti vody v půdě na šlechtěné a plané kultivary mandloně a slivoně, konkrétně šlechtěný kultivar mandloň obecná Prunus dulcis (Mill.) D. A. Webb a jejich planý příbuzný kultivar Prunus ramonensis Danin, šlechtěný kultivar slivoň švestka, Prunus domestica L. a planý příbuzný kultivar slivoň medvědí, Prunus ursina Kotschy. Celkový experimentální design byl obdobný jako u výše zmíněné studie, Paudel etal. (2019). Tito autoři studovali přibližně 20 let staré stromy rostoucí na území Izraele. Šlechtěné kultivary byly pěstované v pravidelně zalévaných sadech, zatímco plané kultivary rostly volně v blízkosti sadu. Stromy byly vystavené přibližně stejně dlouhému období snížené dostupnosti vody v půdě, po kterém následovalo opětovné zalití stromů. Při nízkém obsahu vody v půdě (přibližně 10 %), kterému byly rostliny vystaveny, následoval prudký pokles vodního potenciálu xylému u šlechtěné slivoně o 1,3 MPa (z -2,1 MPa na -3,4 MPa), zatímco u planého kultivaru slivoně klesl pouze o 0,4 MPa (z -3,4 na -3,8 MPa). U 48 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ šlechtěného kultivaru mandloně klesl vodní potenciál xylému o 0,7 MPa (z -1,8 na -2,5 MPa), zatímco u planého kultivaru mandloně byl pokles vodního potenciálu xylému minimální. S poklesem vodní potenciálu xylému také souvisí vyšší ztráta hydraulické vodivosti, která klesla, stejně jako vodní potenciál xylému, výrazněji u šlechtěných ve srovnání s planými kultivary. Nejvyšší ztrátu hydraulické vodivosti měly šlechtěné kultivary mandloně (o 20 %) a slivoně (o 15 %). Zatímco u planých kultivarů byla ztráta hydraulické vodivosti nižší (přibližně o 5 %). Podobně jako u stromů rodu Pyrus, také xylém planých druhů mandloní byl odolnější vůči vzniku embólie ve srovnání s vyšlechtěnými mandloněmi (P50 -2,3 MPa u šlechtěného vs. -3,2 MPa u planého kultivaru). Na snížený obsah vody v půdě reagovaly šlechtěné kultivary citlivěji, prudkým poklesem transpirace, zatímco u planého kultivaru slivoně, Prunus dulcis, transpirace nebyla ovlivněna, a dokonce mírně stoupala. Na následné zvýšení dostupností vody v půdě reagovaly oba šlechtěné kultivary zvýšením vodního potenciálu xylému a poklesem PLC. Plané kultivary naopak vykazovaly pozvolnější pokles. Rychlost transpirace u šlechtěných kultivarů při zvýšeném obsahu vody v půdě stoupla, zatímco u planého kultivaru slivoně nebyla ovlivněna. Celkově výsledky srovnání průběhu vodního potenciálu xylému a ztráty hydraulické vodivosti ve větvích mezi planými a vyšlechtěnými kultivary vykazují značnou podobnost s hrušněmi porovnávaných ve výše zmíněné studii Paudel et al. (2019). Planý kultivar mandloně vykazoval vyšší míru odolnosti xylému vůči embólii než šlechtěný kultivar. Pro relevantní hodnocení vzájemného srovnání odolnosti dálkového transportu planého a šlechtěného kultivaru mandloně vůči suchu v této studii je nutné vzít v potaz různý obsah vody v půdě během období sucha. Obsah vody v půdě planého kultivaru mandloně byl nízký již před obdobím sucha a během něj vůbec neklesal, což mohlo výrazně ovlivnit také menší důsledky na pokles vodního potenciálu xylému a rozvoj embólie. Gerbi et al. (2022) ve své studii analyzovaly vliv klesajícího vodního potenciálu půdy u stromů mandloní a slivoní. Tito autoři vybrali šlechtěný kultivar mandloně, podnož, Prunus dulcis x Prunus persica (GF677) a její příbuzný planý kultivar mandloně, Prunus ramonensis Danin. Ze slivoní zvolili šlechtěný kultivar slivoně, podnož, Prunus cerasifera x Prunus persica (S2729) a její planý příbuzný kultivar slivoň medvědí, Prunus ursina Kotschy. Dva roky staré stromky, asi 1 metr vysoké byly pěstované ve skleníku po dobu 50 dní. Během této periody byly vystavené postupně klesajícímu vodnímu potenciálu půdy po dobu 30 dnů. Šlechtěné i planě rostoucí kultivary mandloně i slivoně měly na začátku měření podobnou hodnotu vodního potenciálu xylému pohybující se mezi -1,2 a -1,9 MPa. U obou šlechtěných kultivarů GF677 a S2729 byl pozorován o něco rychlejší pokles vodního potenciálu xylému, který na konci suché periody dosáhl hodnoty -7,3 MPa. Naproti tomu plané kultivary mandloně a slivoně vykazovaly pomalejší pokles vodního potenciálu xylému. Po 30 dnech vysychání půdy dosáhl planý kultivar mandloně, Prunus ramonensis, hodnoty -6,6 MPa a planý kultivar slivoně, Prunus ursina, -6,1 MPa. Rozdíly v poklesu vodního po- 49 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ tenciálu xylému mezi planými a šlechtěnými kultivary nicméně nebyly průkazné zejména kvůli velké variabilitě dat. Vodní potenciál půdy klesl pod 5 % u obou druhů. Výraznější rozdíly mezi planými a šlechtěnými kultivary byly naměřeny pro ztrátu hydraulické vodivosti xylému u větví. Vlivem sníženého vodního potenciálu xylému došlo u všech kultivarů ke staticky významnému nárůstu PLC. Ztráta vodivosti byla vyšší jak u šlechtěných slivoní, tak mandloní vzhledem k jejich planým příbuzným. Zajímavé ale je, že PLC planého kultivaru mandloně, Prunus ramonensis, byla po většinu období sucha stabilně nízká a nepřesahovala 25 %. Ovšem na konci období sucha došlo k náhlému zvýšení PLC až k 90 %. Tato ztráta vodivosti byla pro tento druh evidentně kritická, protože po opětovném zalití nedošlo k poklesu PLC a cévy planého kultivaru mandloně, Prunus ramonensis, nakonec zůstaly plně embolizované. U ostatních studovaných kultivarů, včetně obou šlechtěných, došlo po zvýšení vodního potenciálu půdy k postupnému snížení PLC. Tyto výsledky dokládají zvýšenou odolnost xylému větví u planých kultivarů během jejich expozici snížené dostupnosti vody v půdě. Tento argument je podpořen také nižší hodnotou PCL50 u obou planých kultivarů (-2,8 vs -4,1 MPa v případě mandloně a -3,3 vs. -4,7 MPa v případě slivoní]. Zároveň tyto výsledky mohou naznačovat i sníženou schopnost obnovení transportní kapacity u některých planých druhů dřevin. Předchozí dvě studie srovnávající šlechtěný a planý kultivar (Paudel et al., 2019, 2020) studovaly plané kultivary rostoucí v přírodě, zatímco šlechtěné kultivary rostoucí v sadu, kde byly v průběhu růstu dobře zalévány. Je tedy možné, že naměřené rozdíly mezi planými a vyšlechtěnými kultivary jsou výsledkem rozdílné aklimace těchto kultivarů nebo alespoň k těmto rozdílům aklimace různých znaků na rozdílné podmínky prostředí přispívá (stavba kořenového systému, stavba xylému, citlivost průduchové regulace atd.). Tudíž planě rostoucí a vyšlechtění jedinci rostoucí za stejných podmínek nemusí vykazovat tak výrazné rozdíly v poklesu vodního potenciálu a odolnosti xylému vůči embólii. Pro relevantní srovnání znaků podmiňující odolnost xylému planých a vyšlechtěných kultivarů vůči suchu je potřeba více studií zohledňující pěstování rostlin za stejných podmínek (Gerbi et al., 2022). 6.3 Průduchová regulace a fotosyntetická aktivita Citlivá průduchová regulace je v reakci na vodní deficit klíčová pro udržení rovnováhy mezi ztrátou vody a udržením příjmu CO2. Udržování plně otevřených průduchů během období s neomezenou dostupností vody umožňuje maximalizovat tvorbu asimilátů a turgor na vysoké úrovni, a tím tak maximalizovat rychlost růstu vegetativních i generativních orgánů. Zavírání průduchů se snižující se dostupností vody v půdě se projevuje poklesem průduchové vodivosti (gs) [mmol nr2 s-1 ] a rychlostí transpirace [E] [p.mol nr2 s- 1 ]. Omezení ztrát vody výparem může prodlužit schopnost rostliny odolávat účinkům sucha (Lemaire et al., 2021). Zároveň jsou ale rostliny od- 50 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ kázané na intenzivní využívání vlastních zásob vody a sacharidů, protože s poklesem gs dochází i k poklesu rychlosti čisté fotosyntézy [A] [u,mol nr2 s_ 1 ], tedy rychlosti asimilace CO2. Citlivost průduchové regulace lze vyjádřit pomocí veličiny zvané efektivita využití vody (WUE) [u,mol CO2 mmol- 1 H2O], která je typicky definována jako poměr mezi A a gs (vnitřní WUE, angl. intrinsic water use efficiency, vztažená na úroveň listu) nebo A a E (okamžitá WUE, angl. instantaneous water use efficiency, vztažená na úroveň celého jedince). Obě tyto veličiny prakticky vyjadřují poměr mezi množstvím asimilovaného CO2 a množstvím vody ztracené při transpiraci za určitý čas. V některých studiích (např. Górny, 2001) se setkáme také s tzv. integrovanou efektivitou využití vody (angl. integrated water use efficiency) definovanou jako poměr mezi hmotností suché nadzemní části rostliny a množstvím transpirované vody [mg mol- 1 ]. Vyšší hodnoty WUE tedy souvisí s citlivější průduchovou regulací rostlin. Rozdíly v průduchové regulaci a rychlostech čisté fotosyntézy mezi šlechtěnými a příbuznými planými kultivary v reakci na vodní deficit byly zkoumány u řady různých plodin, včetně ovocných stromů, obilovin, luštěnin a některé zeleniny. Na druhou stranu máme pouze omezené množství informací o mechanismech, které jsou za tyto rozdíly v průduchové regulaci zodpovědné, především roli signální regulace pomocí fytohormonů. 6.3.1 O v o c n é stromy Výzkum v oblasti ovocných stromů se nejvíce zaměřoval na stromy z čeledi růžovitých [Rosaceaé). Tímto výzkumem se zabývaly například tyto tři studie (Gerbi et al., 2022; Paudel et al., 2019, 2020), ve kterých jsou patrné rozdíly mezi planými a šlechtěnými kultivary v průduchové regulaci v souvislosti s vystavením nízkému obsahu vody v půdě. Gerbi et al. (2022) srovnávali dva roky staré jedince kultivarů šlechtěné mandloně [Prunus dulcis x Prunus persica - GF677) a slivoně [Prunus cerasifera x Prunus persica - S2729) s příbuznými kultivary planých mandloní [Prunus ramonensis Danin) a slivoní (slivoň medvědí, Prunus ursina Kotschy). Paudel et al. (2020) měřili přibližně 20 let starý šlechtěný kultivar slivoně (slivoň švestka, Prunus domestica L.) a příbuzný planě rostoucí kultivar (slivoň medvědí, Prunus ursina Kotschy). V dřívější studii Paudel et al. (2019) porovnávali zhruba 10 let staré jedince dvou šlechtěných kultivarů hrušně (hrušeň obecná, Pyrus communis L. a hrušeň písečná, Pyrus pyrifolia (Burm. f.) Nakai) s příbuzným planě rostoucím kultivarem (hrušeň syrská, Pyrus syriaca Boiss.). Podmínky kultivace těchto stromů byly popsány v předchozí kapitole (kapitola 6.2). Ve všech třech studiích měly před vystavením suchu všechny planě rostoucí kultivary studovaných stromů nižší rychlosti čisté fotosyntézy než jim příbuzné šlechtění kultivary. Nicméně při vystavení nízkému obsahu vody v půdě plané kultivary nevykazovaly žádný nebo pouze mírný pokles rychlosti čisté fotosyntézy ve srovnání s jimi příbuznými šlechtěnými kultivary. V obou studiích Paudel et al. (2019, 2020) 51 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ pozorovali při následném zvýšení obsahu vody v půdě u šlechtěných kultivarů rychlejší obnovení rychlosti fotosyntézy ve srovnání s příbuznými planě rostoucími kultivary. U většiny studovaných druhů změny v rychlosti čisté fotosyntézy dobře korelovaly s rychlostmi transpirace. Pouze ve studii Gerbi et al. (2022) planý kultivar mandloně [Prunus ramonensis] vykazoval vyšší rychlost transpirace ještě před snížením dostupnosti vody a došlo i k jejímu rychlejšímu poklesu při nízké dostupnosti vody v půdě ve srovnání se šlechtěným kultivarem [Prunus dulcis x Prunus persica). Efektivita využití vody byla stanovena pouze ve dvou studiích (Gerbi et al., 2022; Paudel et al., 2019). U planého kultivaru hrušně [Pyrus syriaca] byla vnitřní WUE vyšší po téměř celý experiment oproti šlechtěným hrušním [Pyrus communis a Pyrus pyrifolia] (Paudel et al., 2019) (Obr. 9). Podobně i planý kultivar mandloně [Prunus ramonensis] vykazoval při delším působení sníženého obsahu vody v půdě vyšší WUE ve srovnání se šlechtěným kultivarem mandloně [Prunus dulcis x Prunus persica). Na druhou stranu šlechtěný kultivar slivoně [Prunus cerasifera x Prunus persica) dosahoval na začátku období se sníženou dostupností vody v půdě o něco vyšší vnitřní WUE, která ovšem na konci tohoto období klesla na úroveň planého kultivaru slivoně [Prunus ursina) (Gerbi et al., 2022). Z těchto výsledků můžeme usuzovat, že většina studovaných planě rostoucích kultivarů hrušní a mandloní lépe hospodaří s vodou než jejich šlechtěné příbuzné kultivary, ovšem toto tvrzení neplatí u slivoní, jak je vidět z výsledků studie Gerbi et al. (2022). Schopnost hospodařit s vodou by mohla být ovlivněna také lokalitou původu rostliny, protože planý kultivar mandloně Prunus ramonensis vykazující nejvyšší vnitřní WUE pochází z pouštní oblasti a mohl by být proto adaptovaný na sušší podmínky. 52 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ Datum Obr. 9: Vnitřní efektivita využití vody (WUE) u třech kultivarů hrušně Srovnání šlechtěných [Pyrus communis a Pyrus pyrifolia) a planého [Pyrus syriaca) kultivaru hrušně, šedá oblast představuje období, během kterého byly rostliny vystavené nízké dostupnosti vody v půdě (upraveno z Paudel et al. 2019]. 6.3.2 Obiloviny Změny v průduchové regulaci a fotosyntetické aktivitě v reakci na snížený obsah vody v půdě byly u obilovin nejintenzivněji studovány u šlechtěných a planě rostoucích kultivarů ječmene (Ghotbi-Ravandi etal., 2021; Gunasekera etal., 1994; Górny, 2001; Mejri et al., 2016; Zhang et al., 2015). Gunasekera et al. (1994) srovnávali dva šlechtěné kultivary ječmene Noga a Ruth s 15 planě rostoucími kultivary, které dále rozdělili na kultivary adaptované na sucho a kultivary náchylné k poškození suchem. Šest týdnů staré rostliny vystavili sníženému vodnímu potenciálu půdy (-1,2 MPa) a pozorovali pokles rychlosti fotosyntézy. Nevyšší, více než 60% ztráta fotosyntetické aktivity byla naměřena u šlechtěných kultivarů náchylných na sucho. Průkazně nižší ztrátu fotosyntetické aktivity měly oba kultivary šlechtěného ječmene, Noga a Ruth (přibližně 40 %) a skupina šlechtěných kultivarů odolných vůči suchu (přibližně 30 %), které se mezi sebou nelišily. Stojí za zmínku, že šlechtěný kultivar ječmene odolný k suchu (číslo 1176) vykazoval nejvyšší adaptaci na snížený vodní potenciál ve srovnání se všemi ostatními testovanými kultivary, včetně planých. Ve studii Górny (2001) bylo vybráno 13 šlechtěných a tři planě rostoucí kultivary ječmene, původem z různých míst Evropy a Blízkého východu. Při vystavení sníženému obsahu vody v půdě (udržován na 7,5 % relativního obsahu vody, tzn. 30 % kapacity půdy) vykazovaly vyšší rychlost čisté fotosyntézy tři šlechtěné kultivary ječmene původem ze Sýrie a Maroka (14,0; 13,7 a 11,8 umol irr2 s_ 1 ) ve srovnání 53 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ s třemi planě rostoucími kultivary pocházejícími z Palestiny (10,7; 10,1 a 8,2 [imol nr 2 s- 1 ). Právě jeden z těchto planě rostoucích kultivarů vykazoval vůbec nejnižší rychlost fotosyntézy ze všech šlechtěných i planých kultivarů. Je zajímavé, že okamžitá efektivita využití vody, vypočítaná z průměrů všech rostlin během jejich kultivace, byla vyšší u 11 ze 13 šlechtěných kultivarů oproti třem planě rostoucím. Vyšší rychlost fotosyntézy a efektivita využití vody u šlechtěných druhů může být částečně ovlivněna místem původu rostlin, stejně tak jako nepoměrně vyšší počtem zkoumaných šlechtěných kultivarů ve srovnání s planě rostoucími. Výsledky této studie však dobře ilustrují, že ne veškeré planě rostoucí druhy vykazují vyšší odolnost vůči suchu z hlediska průduchové regulace a využívání vody během sucha. Studie Mejri et al. (2016) ukazuje rozdílnou reakci na snížený obsah vody v půdě u šlechtěného kultivaru ječmene [Hordeum vulgare L.) a planě rostoucího ječmene [Hordeum marítimum L.). Po dvou měsících kultivace ve skleníku byly rostliny vystavené snížené dostupnosti vody v půdě, a po 28 dnech jeho trvání byla změřena rychlost čisté fotosyntézy, průduchová vodivost a okamžitá WUE, které byly vyšší u planě rostoucího kultivaru ječmene jak při sníženém, tak i zvýšeném obsahu vody v půdě. Vyšší rychlost fotosyntézy souvisí i s vyšší produkcí suché biomasy rostlin planě rostoucího ječmene ve srovnání se šlechtěným ječmenem nezávisle na dostupnosti vody. Zároveň byly pozorovány mírnější účinky sucha na pokles produkce biomasy u planě rostoucího kultivaru při snížené dostupnosti vody. Ghotbi-Ravandi et al. (2021) pozorovali významně nižší průduchovou vodivost při vystavení rostlin sníženému obsahu vody v půdě (na 10 % kapacity obsahu vody v půdě po 21 dní) u šlechtěného ječmene citlivého na sucho [Hordeum vulgare L.; Moroc9-75) ve srovnání s planě rostoucím ječmenem [Hordeum spontaneum (K. Koch) Thell.; HS) a šlechtěným ječmenem tolerantním k suchu [Hordeum vulgare L.; Yusof), mezi kterými nebyl průkazný rozdíl. Naopak při dostatku vody vykazoval šlechtěný kultivar ječmene citlivý k suchu (Yusof) významně vyšší průduchovou vodivost ve srovnání s ostatními dvěma kultivary ječmene (Moroc9-75 a HS). Studie hodnotící účinky sucha na průduchovou regulaci šlechtěných a planě rostoucích rostliny dalších hospodářsky významných obilovin, jako je rýže [Oryza] nebo pšenice [Triticum), v literatuře prakticky chybí. 6.3.3 Luštěniny Rostliny rodu cizrna [Cicer L.) jsou jednoleté nebo vytrvalé luštěniny z čeledi bobovité původem ze západní Asie. Jejich plody jsou bohaté na bílkoviny a dobrým zdrojem vitamínů a minerálů. Největším světovým producentem cizrny je Indie, která je také jejím největším konzumentem. Ve studii Nayyar et al. (2005) byly jednoleté rostliny šlechtěného [Cicer arietinum L.; kultivar GPF2) a planě rostoucího kultivaru cizrny [Cicer reticulatum Ladiz.) vystaveny počátkem reproduktivního stádia po dobu 14 dní sníženému obsahu vody 54 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ v půdy a poté u nich byl mimo jiné měřen obsah kyseliny abscisové (ABA) v listech. U planého kultivaru cizrny byl zaznamenán prudší nárůst a pokles obsahu ABA ještě během sucha, ve srovnání se šlechtěnou cizrnou. Ta vykazovala pomalejší nárůst, ale po 14 dnech snížené dostupnosti vody, dosahovala vyššího obsahu ABA než planý kultivar. Pozorované změny v obsahu ABA by mohly vést k citlivějšímu uzavírání průduchů při sníženém obsahu vody v půdě a případně i jejich urychlenému otevření při opětovném zvýšeném obsahu vody v půdě u planě rostoucí cizrny ve srovnání se šlechtěnou cizrnou. K ověření této hypotézy by bylo potřeba znát změny v průduchové vodivosti, která v této studii nebyla měřena. Ve studii Nayyar et al. (2005) byly jednoleté rostliny šlechtěného [Cicer arietinum L.; kultivar GPF2) a planě rostoucího kultivaru cizrny [Cicer reticulatum Ladiz.) vystaveny počátkem reproduktivního stádia po dobu 14 dní sníženému obsahu vody v půdy a poté u nich byl mimo jiné měřen obsah kyseliny abscisové (ABA) v listech. U planého kultivaru cizrny byl zaznamenán prudší nárůst a pokles obsahu ABA ještě během sucha, ve srovnání se šlechtěnou cizrnou. Ta vykazovala pomalejší nárůst, ale po 14 dnech snížené dostupnosti vody, dosahovala vyššího obsahu ABA než planý kultivar. Pozorované změny v obsahu ABA by mohly vést k citlivějšímu uzavírání průduchů při sníženém obsahu vody v půdě a případně i jejich urychlenému otevření při opětovném zvýšeném obsahu vody v půdě u planě rostoucí cizrny ve srovnání se šlechtěnou cizrnou. K ověření této hypotézy by bylo potřeba znát změny v průduchové vodivosti, která v této studii nebyla měřena. 6.3.4 Zelenina Lilek rajče [Solanum lycopersicum L.) patří do čeledi lilkovité (Solanaceae), které mají celosvětový hospodářský význam. Lilek rajče je důležitým zdrojem vitamínů a karotenoidů. Nicméně rostliny lilku rajče jsou poměrně náchylné k poškození suchem, a proto je žádoucí zvyšování jeho odolnosti vůči suchu. Egea et al. (2018) studovali reakci šlechtěného lilku rajče, Solanum lycopersicum L. a planě rostoucího lilku rajče, Solanum pennellii Correll, na nížený obsah vody v půdě. U mladých rostlin byla po dobu 8 dnů přerušena zálivka, kdy relativní obsah vody v listu klesl u šlechtěného kultivaru z 98 % na 81%, zatímco u planého kultivaru z 89 % na 85 %. Současně byla při sníženém obsahu vody v půdě zaznamenána průkazně nižší průduchová vodivost i rychlost transpirace u planě rostoucího kultivaru oproti šlechtěnému lilku. Ve studii Fullana-Pericás et al. (2018) byly stanovovány rozdíly průduchové vodivosti měřené na roubovaných rostlinách lilku rajče pěstovaných za dostatku vody v půdě po celou dobu experimentu. Jako podnože byly použity dva šlechtěné kultivary lilku rajče, Solanum lycopresicum; kultivary Beaufort a Maxifort, a jeden planě rostoucí kultivar, Solanum pimpinellifolium L.. Na tyto podnože byl naroubován šlechtěný kultivar lilku rajče Ramellet. Během experimentu byla průduchová vodivost význam- 55 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ ně vyšší u šlechtěných podnoží ve srovnání s planě rostoucí podnoží, zatímco vnitřní WUE byla naopak významně vyšší u planě rostoucí podnože ve srovnání se dvěma šlechtěnými podnožemi. 6.4 Zásobní látky Ze zásobních látek jsou v souvislosti s odolností planých a šlechtěných kultivarů plodin vůči suchu nejčastěji studované nestrukturální sacharidy. Během vystavení rostlin účinkům sucha dochází k poklesu syntézy sacharidů a k intenzivnějšímu využívání sacharidů uložených v rezervách jako zásobní látky. Rozdíly v množství sacharidů a rychlostech jejich využívání během sucha mezi šlechtěnými a planě rostoucími kultivary pak mohou ovlivnit délku, po kterou jsou tyto rostliny schopny odolávat suchu a také schopnost zotavit se ze stresu suchem po opětovném zalití (Guo et al., 2021). Během využívání zásob sacharidů dochází k hydrolýze (degradaci) škrobu na rozpustné sacharidy, které rostlina může dál využívat pro metabolické procesy. Současně se zvyšování koncentrace sacharidů v cytoplazmě buněk podílí na osmotickém přizpůsobení pletiva k suchu. Při zvýšení dostupnosti vody pro rostliny dochází k opětovnému obnovení fotosyntézy a syntéze sacharidů (Ruehr et al., 2019). Další typickou reakcí na sníženou dostupnost vody je zvýšená akumulace prolinu, který se také podílí na osmotickém přizpůsobení a navíc se může podílet i na syntéze antioxidantů potřebných k eliminaci ROS, k jejichž akumulaci během sucha přirozeně dochází (Bhaskara et al., 2015; Farrant et al., 2007; Heuer, 2016). Akumulace ROS během sucha stimuluje syntézu antioxidantů, např. glutathionu, askorbát peroxidázy nebo superoxid dismutázy, které omezují oxidativními poškození buněčných struktur (Farrant, 2007). Citlivost syntézy antioxidantů na tvorbu ROS během sucha může poskytovat výhodu při ochraně buněčných struktur a usnadnit jejich následné zotavení. 6.4.1 O v o c n é stromy Změny v obsahu nestrukturálních sacharidů během snížené dostupnosti vody v půdě a následného zotavení byly zkoumány u šlechtěných a planě rostoucích kultivarů ovocných stromů ve třech studiích (Gerbi et al., 2022; Paudel et al., 2019, 2020), které byly již zmíněny v přechozích kapitolách této práce (kapitola 6.2 a 6.3). U všech druhů dřevin zkoumaných v těchto studiích byla koncentrace rozpustných sacharidů ve větvích nižší (okolo 1,5 % suché hmotnosti vzorku), ve srovnání s obsahem škrobů (okolo 8 % suché hmotnosti vzorku). Ve studii Paudel et al. (2020) šlechtěná slivoň švestka, Prunus domestica, vykazovala vyšší dynamiku změn v koncentraci nestrukturálních sacharidů ve větvích a kořenech v reakci na změny obsahu vody v půdě než planě rostoucí kultivar, Prunus ursina (Obr. 10). Planý kultivar dosahoval celkově nižších koncentrací nestrukturálních sacharidů ve větvích i v kořenech, které byly během období se sníženou dostup- 56 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ ností vody překvapivě stabilní pravděpodobně díky udržování fotosyntetické aktivity. Zajímavé je srovnání změn koncentrace sacharidů v kořenech, kdy během sucha byly sacharidy uskladněné v kořenech šlechtěného kultivaru využívány, zatímco planého kultivaru ne. Po obnovené dostupnosti vody v půdě došlo u šlechtěného kultivaru k rychlému nárůstu koncentrací sacharidů na původní úroveň. Tyto výsledky naznačují, že šlechtěný kultivar slivoně švestky může být více náchylný k vyčerpání sacharidů během období sucha. Jiný trend ve využívání NSC se projevil u mandloní. U šlechtěné mandloně, Prunus dulcis, vystavené obdobným podmínkám jako u slivoní i u planě rostoucí mandloně, Prunus ramonensis, byl pokles obsahu NSC menší než u slivoní a oba dva druhy vykazovaly podobné koncentrace sacharidů ve větvích i kořenech. U šlechtěného kultivaru mandloně bylo patrné o něco vyšší využívání zásob sacharidů v kořenech, a naopak nižší pokles ve větvích v porovnání s planým kultivarem. Zatímco v této studii byla měření koncentrace sacharidů prováděna na přibližně 20 let starých jedincích, další studie, Gerbi et al. (2022), ukazuje výsledky změn obsahu škrobu u dvouletých semenáčků šlechtěné mandloně, Prunus dulcis x Prunus persica - GF677, se stejně starou planě rostoucí mandloní, Prunus ramonensis. Při sníženém obsahu vody v půdě došlo k poklesu obsahu škrobu ve větvích, ovšem mezi šlechtěnou a planou mandloní byl pozorován ještě menší rozdíl v míře poklesu než u starších stromů ve studii Paudel et al. (2020). Větve semenáčků navíce obsahovaly přibližně třikrát nižší obsah škrobu ve srovnání s větvemi dospělých stromů, a mohou být tak více náchylné na stres suchem. Výsledky těchto studií poukazují na potřebu srovnávat koncentrace sacharidů a jiných zásobních látek mezi planě rostoucími a šlechtěnými kultivary v průběhu jejich ontogenetického vývoje pro lepší pochopení náchylnosti vůči stresu suchem během různých fází růstu dřevin. 57 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ Datum Obr. 10: Obsah nestrukturálních sacharidů ve větvích a kořenech dvou kultivarů mandloní Srovnání šlechtěné [Prunus domestica) a plané [Prunus ursina) mandloně, šedá oblast představuje období se sníženou dostupností vody v půdě (upraveno z Paudel et al. 2020]. Na rozdíl od výše zmíněných slivoní a mandloní byl u planých hrušní pozorován zcela opačný trend ve využívání zásob sacharidů během období s limitní dostupností vody. Planá hrušeň, hrušeň syrská, Pyrus syriaca, ve studii Paudel etal. (2019) během sucha vykazovala vyšší pokles obsahu škrobu ve srovnání se dvěma šlechtěnými hrušněmi (hrušeň obecná, Pyrus communis a hrušeň písečná, Pyrus], zatímco pokles rozpustných sacharidů byl mírnější relativně k oběma šlechtěným kultivarům. Výsledky této a předešlých studií ukazují na značné mezirodové rozdíly ve využívání sacharidů během období sucha mezi šlechtěnými a planými kultivary. 58 SROVNÁNÍ ŠLECHTĚNÝCH A PLANÝCH DRUHŮ 6.4.2 Obiloviny Studie zaměřené na využívání zásobních a ochranných látek u šlechtěného a planého ječmene během sníženého obsahu vody v půdě se zaměřovaly především na změny rozpustných sacharidů (Ahmed, Cao, et al., 2013; Ahmed, Dai, et al., 2013; Mejri et al., 2016), osmotické přizpůsobení (Gunasekera et al., 1994; Mejri et al., 2016), obsah prolinu (Ahmed, Dai, et al., 2013; Kreszies et al., 2020; Mejri et al., 2016) a syntézu antioxidantů (Ahmed, Cao, et al., 2013; Ahmed, Dai, et al., 2013). Jak planě rostoucí kultivary tak i šlechtěné kultivary ječmene ve většině případů reagují zvýšením obsahu rozpustných sacharidů při snížení dostupnosti vody v půdě (Ahmed, Cao, et al., 2013; Ahmed, Dai, et al., 2013; Mejri et al., 2016). Ve studii Mejri et al. (2016) vykazoval planě rostoucí ječmen [Hordeum maritimum) po 28 dnech snížené dostupnosti vody vyšší obsah rozpustných sacharidů ve srovnání se šlechtěným kultivarem [Hordeum vulgare], s čímž dobře korespondoval i nižší osmotický potenciál a tedy i vyšší míra osmotického přizpůsobení ve srovnání se šlechtěným kultivarem. Šlechtěný kultivar však obsahoval vyšší množství prolinu bez ohledu na dostupnost vody v půdě ve srovnání s planě rostoucím kultivarem. Obdobné výsledky osmotického přizpůsobení byly prokázány u planě rostoucích kultivarů ječmene ve studii Gunasekera et al. (1994), ve které planě rostoucí kultivary adaptované na sucho měly mírně vyšší úroveň osmotického přizpůsobení (tj., nižší osmotický potenciál) ve srovnání s dvěma šlechtěnými kultivary. Menší rozdíly v obsahu rozpustných sacharidů mezi šlechtěným (CM72) a planým (XZ5) kultivarem ječmene při nízké dostupnosti vody byly pozorovány ve studii Ahmed, Cao, et al. (2013). V obdobné studii (Ahmed, Dai, et al., 2013) se stejnými kultivary ječmene byl obsah rozpustných sacharidů dokonce vyšší u šlechtěného ječmene ve srovnání s planě rostoucími. I přes menší rozdíly v obsahu rozpustných sacharidů mezi šlechtěným (CM72) a planým kultivarem (XZ5) ječmene tyto studie prokázaly poměrně zajímavé rozdíly vbiosyntéze superoxid dismutázy (SOD). Při delším vytavení sníženému vodnímu potenciálu půdy (40 dní; 8% obsah vody v půdě) byl patrný vyšší obsah SOD u šlechtěného (CM72) kultivaru oproti planě rostoucímu (XZ5) kultivaru ječmene. Při vystavení nízkému obsahu vody v půdě po kratší dobu (20 dní; 4 % obsahu vody v půdě) byl obsah SOD podobný jak u šlechtěného, tak u planého kultivaru ječmene (Ahmed, Cao, et al., 2013; Ahmed, Dai, et al., 2013). Je možné, že vyšší obsah SOD souvisel s vyšší akumulací ROS u šlechtěného kultivaru. Bohužel rozdíly v akumulaci ROS nebyly ve studiích prováděny, takže není možné stanovit citlivost syntézy SOD v reakci na množství ROS u obou kultivarů. 59 ZÁVĚR 7 Závěr Tato práce se zabývá shrnutím známých informací o rozdílech ve fyziologických a strukturně-funkčních znacích mezi planými a šlechtěnými kultivary různých hospodářsky významných druhů plodin v souvislosti s jejich odolností vůči suchu. Pro lepší přehled jsou tyto znaky srovnávány v nej důležitějších oblastech podmiňujících odolnost rostlin vůči suchu, kterými jsou: i) příjem vody z půdy kořenovým systémem, ii) dálkový transport vody v xylému, iii) průduchová regulace, iv) využívání zásobních a ochranných látek (sacharidy, antioxidanty). Ze všech hospodářsky významných plodin jsou rozdíly mezi šlechtěnými a planými kultivary v těchto znacích v současné době nejlépe popsány u některých druhů ovocných stromů z čeledi Rosaceae (hrušně, slivoně, mandloně, jabloně), obilovin (ječmen, pšenice) a luštěnin (čočka). Naopak mnohem méně informací o odolnosti planých a šlechtěných kultivarech je k dispozici u dalších plodin s celosvětovým významem nebo tyto informace zcela chybí. To se týká zejména některých obilovin (kukuřice, rýže, oves), olejnin (slunečnice, řepka, mák), některých luštěnin (sója) a většiny zeleniny (brambor, paprika, okurka, cuketa a další). Rozdíly ve stavbě a příjmu vody kořenovým systémem mezi planými a šlechtěnými kultivary jsou dobře popsány u obilovin (především ječmene) a luštěnin (u čočky). Srovnání vlastností kořenového systému u planých a šlechtěných kultivarů většinou chybí u dřevin nebo jsou dostupné pouze pro semenáčky některých druhů (García-Pérez et al., 2021; Padilla et al., 2007). Transport vody v xylému a jeho význam pro odolnost vůči suchu je naopak dobře popsán u ovocných stromů (pravděpodobně také díky snadnější manipulaci s drevnatými orgány při hydraulických měřeních), zatímco minimum informací o odolnosti xylému vůči selhání během sucha je obecně k dispozici u jednoděložných plodin a rostlin s dužnatými orgány. Rozdíly v citlivosti průduchové regulace jsou poměrně dobře popsány u ovocných stromů, obilovin i luštěnin. Existuje nicméně pouze málo studií, které by objasňovaly endogenní faktory, které tyto rozdíly podmiňují (např. hormonální regulace). Zásobní a ochranné látky a jejich využívání jsou popsány u ovocných stromů a obilovin. Tyto studie se zaměřují především na obsah nestrukturálních sacharidů, zatímco účinky oxidativního stresu a využívání ochranných mechanismů (antioxidanty) jsou popsány spíše výjimečně. Většina planých kultivarů ovocných stromů vykazuje při vystavení nižší dostupnosti vody vyšší odolnost xylému vůči embólii, vyšší vnitřní efektivitu využívání vody, podobnou rychlost fotosyntézy a transpirace a spíše nižší obsah NSC ve srovnání se šlechtěnými kultivary. Plané kultivary ječmene jsou charakteristické produkcí rozvinutějšího kořenového systému (vyšší RSR, CRL, RA, RDW) a naopak nižší mírou suberinizace kořenů za sníženého obsahu vody v půdě ve srovnání se šlechtěnými kultiva- 60 ZÁVĚR ry. Podobně většina planých kultivarů ječmene vykazovala během snížené dostupnosti vody v půdě vyšší rychlost fotosyntézy a transpirace, vyšší efektivitu využití vody a vyšší obsah sacharidů, ale nižší obsah SOD a prolinu ve srovnání se šlechtěnými kultivary. Planý kultivar čočky dosahuje vyššího podílu kořenů v hlubších vrstvách půdy ve srovnání se šlechtěným kultivarem. Planě rostoucí zástupci z rodu Vigna vykazují během sucha vyšší průduchovou vodivost i rychlost fotosyntézy, zatímco plané kultivary rajčat vykazují nižší průduchovou vodivost, a naopak vyšší vnitřní WUE oproti šlechtěným kultivarům. Většina výše popsaných planých kultivarů disponuje řadou anatomických a fyziologických znaků, které mohou zprostředkovávat vyšší odolnost těchto rostlin vůči suchu. Z tohoto pohledu představují plané druhy plodin vhodný materiál pro zvyšování odolnosti plodin k suchu během procesu šlechtění. Avšak i když se většina studií zmíněných v této bakalářské práci zaměřuje přímo na jednotlivé fyziologické znaky podmiňující odolnost plodin vůči stresu suchem, často nezohledňují stabilitu výnosu během sucha, s výjimkou několika málo studií týkajících se především obilovin (ječmene) (Barati etal., 2020) a luštěnin (čočky) (Gorim & Vandenberg, 2017). Navazující výzkum by se měl zaměřit na význam nej důležitějších znaků podmiňujících vyšší odolnost planých kultivarů vůči suchu pro stabilitu výnosu během sucha. Ačkoliv tato bakalářská práce pravděpodobně nezohlednila veškeré studie, které jsou v této oblasti výzkumu současnosti k dispozici, z dostupných výsledků vyplývá, že další práce by se měly zaměřit na další hospodářsky významné plodiny (zejména přenice, rýže nebo kukuřice), u kterých je v této oblasti k dispozici jen minimum informací. U jednoděložných plodin a plodin s dužnatými orgány by bylo vhodné zaměřit pozornost na rozdíly ve stavbě a transportu xylému. U dřevin by bylo také žádoucí doplnit chybějící informace o rozdílech ve stavbě kořenového systému a celkové efektivitě příjmu vody, případně provést u dospělých stromů srovnání xylémového transportu za stejných vnějších podmínek (obsah vody v půdě, ozářenost, srážky), které v literatuře chybí. V neposlední řadě je k dispozici málo informací o celkové odolnosti planých kultivarů vůči oxidativnímu stresu, který během sucha může hrát významnou roli. 61 POUŽITÉ ZDROJE Použité zdroje Ahmed, I. M., Cao, F., Zhang, M., Chen, X., Zhang G., & Wu, F. (2013). Difference in Yield and Physiological Features in Response to Drought and Salinity Combined Stress during Anthesis in Tibetan Wild and Cultivated Barleys. PLoS ONE, 8(10), 1-14. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077869 Ahmed, I. M., Dai, H., Zheng W., Cao, F., Zhang, G., Sun, D., & Wu, F. (2013). Genotypic differences in physiological characteristics in the tolerance to drought and salinity combined stress between Tibetan wild and cultivated barley. Plant Physiology and Biochemistry, 63, 49-60. https://doi.Org/10.1016/j.plaphy.2012.ll.004 Ahmed, I. M., Nadira, U. A., Zhang G., & Wu, F. (2016). Exploration and Utilization of Drought-Tolerant Barley Germplasm. In Exploration, Identification and Utilization of Barley Germplasm. Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-0- 12-802922-0.00005-4 Alassimone, J., Naseer, S., & Geldner, N. (2010). A developmental framework for endodermal differentiation and polarity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107[11), 5214-5219. https://doi.org/10.1073/pnas.0910772107 Anderegg W. R. L., Berry, J. A., Smith, D. D., Sperry, J. S., Anderegg L. D. L., & Field, C. B. (2012). The roles of hydraulic and carbon stress in a widespread climateinduced forest die-off. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 109(1), 233-237. https://doi.org/10.1073/pnas.1107891109 Argentel-Martínez, L., Garatuza-Payan, J., Yepez, E. A., Arredondo, T., & de los SantosVillalobos, S. (2019). Water regime and osmotic adjustment under warming conditions on wheat in the Yaqui Valley, Mexico. Peer], 2019[6). https://doi.org/10.7717/peerj.7029 Attia, Z., Domec, J. C, Oren, R., Way, D. A., & Moshelion, M. (2015). Growth and physiological responses of isohydric and anisohydric poplars to drought. Journal of Experimental Botany, 66(14), 4373-4381. https://doi.org/10.1093/jxb/ervl95 Banguela, A., & Hernandez, L. (2006). Fructans: From natural sources to transgenic plants. Biotecnologia Aplicada, 23(3), 202-210. Bao, F., Du, D., An, Y., Yang W., Wang J., Cheng, T., & Zhang, Q. (2017). Overexpression of Prunus mume dehydrin genes in tobacco enhances tolerance to cold and 63 POUŽITÉ ZDROJE drought. Frontiers in Plant Science, S(FEBRUARY), 1-12. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00151 Barati, M., Majidi, M. M., Pirnajmedin, F., Mirlohi, A., Sarfaraz, D., & Osivand, A. (2020). Drought tolerance in cultivated and wild barley genotypes: The role of root system characteristics. Journal of Agricultural Science and Technology, 22(5), 1359-1370. Barati, Mohammad, Majidi, M. M., Mirlohi, A , Pirnajmodini, F., & Sharif-Moghaddam, N. (2015). Response of cultivated and wild Barley germplasm to drought stress at different developmental stages. Crop Science, 55(6), 2668-2681. https://doi.org/10.2135/cropsci2015.04.0229 Barberon, M., & Geldner, N. (2014). Radial transport of nutrients: The plant root as a polarized epithelium. Plant Physiology, 166{2], 528-537. https://doi.org/10.1104/pp.114.246124 Barberon, M., Vermeer, J. E. M., De Bellis, D., Wang, P., Naseer, S., Andersen, T. G., Humbel, B. M., Nawrath, C, Takano, J., Salt, D. E., & Geldner, N. (2016). Adaptation of Root Function by Nutrient-Induced Plasticity of Endodermal Differentiation. Cell, 164{3), 447-459. https://doi.Org/10.1016/j.cell.2015.12.021 Battaglia, M., Olvera-Carrillo, Y., Garciarrubio, A., Campos, F., & Covarrubias, A. A. (2008). The enigmatic LEA proteins and other hydrophilins. Plant Physiology, 148[V), 6-24. https://doi.org/10.1104/pp.108.120725 Bauer, H., Ache, P., Lautner, S., Fromm, J., Hartung W., Al-Rasheid, K. A. S., Sonnewald, S., Sonnewald, U., Kneitz, S., Lachmann, N., Mendel, R. R., Bittner, F., Hetherington, A. M., & Hedrich, R. (2013). The stomatal response to reduced relative humidity requires guard cell-autonomous ABA synthesis. Current Biology, 23(1), 53-57. https://doi.Org/10.1016/j.cub.2012.ll.022 Beikircher, B., De Cesare, C, & Mayr, S. (2013). Hydraulics of high-yield orchard trees: A case study of three Malus domestica cultivars. Tree Physiology, 33(12), 1296- 1307. https://doi.org/10.1093/treephys/tpt096 Benkeblia, N. (2022). Insights on Fructans and Resistance of Plants to Drought Stress. Frontiers in Sustainable Food Systems, 6(March), 1-12. https://doi.org/10.3389/fsufs.2022.827758 Bergmann, D. C, & Sack, F. D. (2007). Stomatal development. Annual Review of Plant Biology, 58,163-181. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.58.032806.104023 Bhaskara, G. B., Yang, T. H., & Verslues, P. E. (2015). Dynamic proline metabolism: 64 POUŽITÉ ZDROJE Importance and regulation in water limited environments. Frontiers in Plant Science, 6(JUNE), 1-7. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00484 Blanchard-Gros, R., Bigot, S., Martinez, J. P., Lutts, S., Guerriero, G., & Quinet, M. (2021). Comparison of drought and heat resistance strategies among six populations of solanum Chilense and two cultivars of solanum lycopersicum. Plants, 10(8). https://doi.org/10.3390/plantsl0081720 Blum, A. (2017). Osmotic adjustment is a prime drought stress adaptive engine in support of plant production. Plant Cell and Environment, 40(1), 4-10. https://doi.org/10.llll/pce.12800 Boergens, E., Giintner, A , Dobslaw, H., & Dahle, C. (2020). Quantifying the Central European Droughts in 2018 and 2019 With GRACE Follow-On. Geophysical Research Letters, 47(14). https://doi.org/10.1029/2020GL087285 Bolouri-Moghaddam, M. R., Le Roy, K., Xiang, L., Rolland, F., & Van Den Ende, W. (2010). Sugar signalling and antioxidant network connections in plant cells. FEBSJournal, 277(9), 2022-2037. https://doi.0rg/lO.llll/j.1742- 4658.2010.07633.x Bouche, P. S., Larter, M., Domec, J. C, Burlett, R., Gasson, P., Jansen, S., & Delzon, S. (2014). Abroad survey of hydraulic and mechanical safely in the xylem of conifers. Journal of Experimental Botany, 65(15), 4419-4431. https://doi.org/10.1093/jxb/eru218 Bowler, C, Montagu, M. van, & Inze, D. (1992). Superoxide dismutase and abiotic stress tolerance. Physiology and Molecular Biology of Plants, 43, 83-116. Bras, T. A., Seixas, J., Carvalhais, N., & Jagermeyr, J. (2021). Severity of drought and heatwave crop losses tripled over the last five decades in Europe. Environmental Research Letters, 16(6). https://doi.org/10.1088/1748-9326/abf004 Brodersen, C. R., & McElrone, A. J. (2013). Maintenance of xylem network transport capacity: A review of embolism repair in vascular plants. Frontiers in Plant Science, 4(APR), 1-11. https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00108 Brodersen, C. R, McElrone, A. J., Choat, B., Matthews, M. A., & Shackel, K. A. (2010). The dynamics of embolism repair in xylem: In vivo visualizations using highresolution computed tomography. Plant Physiology, 154(3), 1088-1095. https://doi.org/10.1104/pp.110.162396 Brodribb, T. J., Bowman, D. J. M. S., Nichols, S., Delzon, S., & Burlett, R. (2010). Xylem function and growth rate interact to determine recovery rates after exposure to extreme water deficit. New Phytologist, 188(2), 533-542. 65 POUŽITÉ ZDROJE https://doi.0rg/lO.llll/j. 1469-8137.2010.03393.X Brodribb, T. ]., & Cochard, H. (2009). Hydraulic failure defines the recovery and point of death in water-stressed conifers. Plant Physiology, 149(1), 575-584. https://doi.org/10.1104/pp.108.129783 Brunner, I., Herzog, C, Dawes, M. A., Arend, M., & Sperisen, C. (2015). How tree roots respond to drought. Frontiers in Plant Science, 6QULY), 1-16. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00547 Burch-Smith, T. M., & Zambryski, P. C. (2012). Plasmodesmata Paradigm Shift: Regulation from Without Versus Within. Annu. Rev. Plant Biol, 63, 239-260. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042811-105453 Carlquist, S. (2014). Fibre dimorphism: Cell type diversification as an evolutionary strategy in angiosperm woods. Botanical Journal of the Linnean Society, 174(1), 44-67. https://doi.org/10.llll/boj.12107 Carminati, A., Passioura, J. B., Zarebanadkouki, M., Ahmed, M. A., Ryan, P. R., Watt, M., & Delhaize, E. (2017). Root hairs enable high transpiration rates in drying soils. NewPhytologist, 2008, 771-781. https://doi.org/10.llll/nph.14715 Chave, J., Coomes, D., Jansen, S., Lewis, S. L., Swenson, N. G., & Zanne, A. E. (2009). Towards a worldwide wood economics spectrum. Ecology Letters, 12(4), 351- 366. https://doi.Org/10.llll/j.1461-0248.2009.01285.x Chen, Y., Rengel, Z., & Dalovic, I. (2015). Phenotyping for Root Traits. In Phenomics in Crop Plants: Trends, Options and Limitations (Issue April). https://doi.org/10.1007/978-81-322-2226-2 Chen, Z. H., Chen, G., Dai, F., Wang Y., Hills, A., Ruan, Y. L., Zhang G., Franks, P. J., Nevo, E., & Blatt, M. R. (2017). Molecular Evolution of Grass Stomata. Trends in Plant Science, 22(2), 124-139. https://doi.Org/10.1016/j.tplants.2016.09.005 Cherkas, A., Holota, S., Mdzinarashvili, T, Gabbianelli, R, & Zarkovic, N. (2020). Glucose as a major antioxidant: When, what for and why it fails? Antioxidants, 9(2), 1-20. https://doi.org/10.3390/antiox9020140 Chimenti, C. A., Pearson, J., & Hall, A. J. (2002). Osmotic adjustment and yield maintenance under drought in sunflower. Field Crops Research, 75(2-3), 235- 246. https://doi.org/10.1016/S0378-4290(02)00029-l Choat, B., Ball, M., Luly, J., & Holtum, J. (2003). Pit membrane porosity and water stress-induced cavitation in four co-existing dry rainforest tree species. Plant Physiology, 131(1), 41-48. https://doi.org/10.1104/pp.014100 66 POUŽITÉ ZDROJE Choat, B., Jansen, S., Brodribb, T.J., Cochard, H., Delzon, S., Bhaskar, R., Bucci, S.J., Feild, T. S., Gleason, S. M., Hacke, U. G., Jacobsen, A. L., Lens, F., Maherali, H., Martinez-Vilalta, J., Mayr, S., Mencuccini, M., Mitchell, P. J., Nardini, A., Pittermann, J.,... Zanne, A. E. (2012). Global convergence in the vulnerability of forests to drought. Nature, 491(7426), 752-755. https://doi.org/10.1038/naturell688 Chuste, P. A., Maillard, P., Breda, N., Levillain, J., Thirion, E., Wortemann, R., & Massonnet, C. (2020). Sacrificing growth and maintaining a dynamic carbohydrate storage are key processes for promoting beech survival under prolonged drought conditions. Trees - Structure and Function, 34(2), 381-394. https://doi.org/10.1007/s00468-019-01923-5 Clarkson, D. T. (1993). Roots and the delivery of solutes to the xylem. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences, 341(1295), 5-17. https://doi.org/10.1098/rstb.1993.0086 Cochard, H., Barigah, S. T., Kleinhentz, M., & Eshel, A. (2008). Is xylem cavitation resistance a relevant criterion for screening drought resistance among Prunus species? Journal of Plant Physiology, 165(9), 976-982. https://doi.Org/10.1016/j.jplph.2007.07.020 Cochard, H., Holtta, T., Herbette, S., Delzon, S., & Mencuccini, M. (2009). New insights into the mechanisms of water-stress-induced cavitation in conifers. Plant Physiology, 151(2), 949-954. https://doi.org/10.1104/pp.109.138305 Comas, L. H., Becker, S. R., Cruz, V. M. V., Byrne, P. F., & Dierig, D. A. (2013). Root traits contributing to plant productivity under drought. Frontiers in Plant Science, 4(N0V), 1-16. https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00442 Couee, I., Sulmon, C, Gouesbet, G., & El Amrani, A. (2006). Involvement of soluble sugars in reactive oxygen species balance and responses to oxidative stress in plants. Journal of Experimental Botany, 57(3), 449-459. https://doi.org/10.1093/jxb/erj027 Daszkowska-Golec, A., & Szarejko, I. (2013). Open or close the gate - Stomata action under the control of phytohormones in drought stress conditions. In Frontiers in Plant Science (Vol. 4). https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00138 Davies, W. J., & Zhang, J. (1991). Root signals and the regulation of growth and development of plants in drying soil. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 42(1), 55-76. https://doi.org/10.1146/annurev.pp.42.060191.000415 Davis, S. D., Sperry, J. S., & Hacke, U. G. (1999). The relationship between xylem 67 POUŽITÉ ZDROJE conduit diameter and cavitation caused by freezing. American Journal of Botany, 86(10), 1367-1372. https://doi.org/10.2307/2656919 Dixon, H., & Joly, J. (1895). On the ascent of sap. Philosophical Transactions ofthe Royal Society B: Biological Sciences, 186, 563-576. Eckerson, S. (1908). The Physiological Constants of Plants Commonly Used in American Botanical Laboratories. Botanical Gazette, 45(1), 50-54. Egea, I., Albaladejo, I., Meco, V., Morales, B., Sevilla, A., Bolarin, M. C, & Flores, F. B. (2018). The drought-tolerant Solanum pennellii regulates leaf water loss and induces genes involved in amino acid and ethylene/jasmonate metabolism under dehydration. Scientific Reports, 8(1), 1-15. https://doi.org/10.1038/s41598- 018-21187-2 FAOSTAT (2022) Food and Agriculture Ogranization of the United Nations (FAO). [online] Crop and livestock product [cit. 2022-05-14] https://www.fao.Org/faostat/en/#data/QCL Faraji, H., & Lindsay, R. C. (2004). Characterization of the antioxidant activity of sugars and polyhydric alcohols in fish oil emulsions. Journal ofAgricultural and Food Chemistry, 52(23), 7164-7171. https://doi.org/10.1021/jf035291k Farquhar, G. D., & Sharkey, T. D. (1982). Stomatal Conductance and Photosynthesis. Annual Review of Plant Physiology, 33(1), 317-345. https://doi.org/10.1146/annurev.pp.33.060182.001533 Farrant, J., Brandt, W., & Lindsey, G. (2007). An overview of mechanisms of desiccation tolerance in selected angiosperm resurrection plants. Plant Stress, January 2007, 71-82. Farrant, J. M. (2007). Mechanisms of Desiccation Tolerance in Angiosperm Resurrection Plants. In Plant Desiccation Tolerance (Issue January 2007). https://doi.org/10.1002/9780470376881.ch3 Finkelstein, R. (2013). Abscisic Acid Synthesis and Response. In The Arabidopsis Book (Vol. 11). https://doi.org/10.1199/tab.0166 Franks, P. J., & Farquhar, G. D. (2007). The mechanical diversity of stomata and its significance in gas-exchange control. Plant Physiology, 143(1), 78-87. https://doi.org/10.1104/pp.106.089367 Fullana-Pericas, M., Ponce, J., Conesa, M., Juan, A , Ribas-Carbo, M., & Galmes, J. (2018). Changes in yield, growth and photosynthesis in a drought-adapted Mediterranean tomato landrace (Solanum lycopersicum 'Ramellet') when 68 POUŽITÉ ZDROJE grafted onto commercial rootstocks and Solanum pimpinellifolium. Scientia Horticulturae, 233(February), 70-77. https://doi.Org/10.1016/j.scienta.2018.01.045 Gallardo, M., Jackson, L. E., & Thompson, R. B. (1996). Shoot and root physiological responses to localized zones of soil moisture in cultivated and wild lettuce (Lactuca spp.). Plant, Cell and Environment, i9(10), 1169-1178. https://doi.Org/10.llll/j.1365-3040.1996.tb00432.x Gambetta, G. A., Fei, J., Rost, T. L., Knipfer, T., Matthews, M. A , Shackel, K. A., Andrew Walker, M., & McElrone, A. J. (2013). Water uptake along the length of grapevine fine roots: Developmental anatomy, tissue-specific aquaporin expression, and pathways of water transport. Plant Physiology, 163(3), 1254-1265. https://doi.org/10.1104/pp.113.221283 Garcia-Perez, J. L., Oliet, J. A., Villar-Salvador, P., & Guzman, J. E. (2021). Root growth dynamics and structure in seedlings of four shade tolerant mediterranean species grown under moderate and low light. Forests, i 2 ( l l ) . https://doi.org/10.3390/fl2111540 Geilfus, C. M., Mithöfer, A., Ludwig-Müller, J., Zörb, C, & Muehling, K. H. (2015). Chloride-inducible transient apoplastic alkalinizations induce stomata closure by controlling abscisic acid distribution between leaf apoplast and guard cells in salt-stressed Vicia faba. New Phytologist, 208(3), 803-816. https://doi.org/10.llll/nph.13507 Gerbi, H., Paudel, I., Zisovich, A., Sapir, G., Ben-Dor, S., & Klein, T. (2022). Physiological drought resistance mechanisms in wild species vs. rootstocks of almond and plum. Trees - Structure and Function, 36(2), 669-683. https://doi.org/10.1007/s00468-021-02238-0 Ghotbi-Ravandi, A. A., Sedighi, M., Aghaei, K., & Mohtadi, A. (2021). Differential Changes in D l Protein Content and Quantum Yield of Wild and Cultivated Barley Genotypes Caused by Moderate and Severe Drought Stress in Relation to Oxidative Stress. Plant Molecular Biology Reporter, 39(3), 501-507. https://doi.org/10.1007/slll05-020-01264-5 Gill, S. S., & Tuteja, N. (2010). Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiology and Biochemistry, 48(12), 909-930. https://doi.Org/10.1016/j.plaphy.2010.08.016 Gleason, S. M., Westoby, M., Jansen, S., Choat, B., Hacke, U. G., Pratt, R. B., Bhaskar, R., Brodribb, T. J., Bucci, S. J., Cao, K. F., Cochard, H., Delzon, S., Domec, J. C, Fan, Z. X., Feild, T. S., Jacobsen, A. L., Johnson, D. M., Lens, F., Maherali, H.,... Zanne, A. E. (2016). Weak tradeoff between xylem safety and xylem-specific hydraulic 69 POUŽITÉ ZDROJE efficiency across the world's woody plant species. New Phytologist, 209(1), 123- 136. https://doi.org/10.llll/nph.13646 Gleason, S. M., Wiggans, D. R., Bliss, C. A., Young J. S., Cooper, M., Willi, K. R., & Comas, L. H. (2017). Embolized stems recover overnight in zea mays: The role of soil water, root pressure, and nighttime transpiration. Frontiers in Plant Science, S(April), 1-11. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00662 Gorim, Linda Y., & Vandenberg A. (2017). Evaluation of wild lentil species as genetic resources to improve drought tolerance in cultivated lentil. Frontiers in Plant Science, S(June). https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01129 Gorim, Linda Yuya, & Vandenberg A. (2019). Variation in total root length and root diameter of wild and cultivated lentil grown under drought and re-watered conditions. Plant Genetic Resources: Characterisation and Utilisation, 17(1), 45- 53. https://doi.org/10.1017/S1479262118000278 Gunasekera, D., Santakumari, M., Glinka, Z., & Berkowitz, G. A. (1994). Wild and cultivated barley genotypes demonstrate varying ability to acclimate to plant water deficits. Plant Science, 99(2), 125-134. https://doi.org/10.1016/0168- 9452(94)90169-4 Guo, X., Peng, C, Li, T., Huang, J., Song H., Zhu, Q., & Wang, M. (2021). The effects of drought and re-watering on non-structural carbohydrates of pinus tabulaeformis seedlings. Biology, 10(4), 1-17. https://doi.org/10.3390/biologyl0040281 Gorny, A. G. (2001). Variation in utilization efficiency and tolerance to reduced water and nitrogen supply among wild and cultivated barleys. Euphytica, 117, 59-66. https://doi.Org/10.1023/A:1004061709964 Hacke, U. G., & Sperry, J. S. (2003). Limits to xylem refilling under negative pressure in Laurus nobilis and Acer negundo. Plant, Cell and Environment, 26(2), 303-311. https://doi.Org/10.1046/j.1365-3040.2003.00962.x Hacke, U. G., Sperry, J. S., Pockman, W. T., Davis, S. D., & McCulloh, K. A. (2001). Trends in wood density and structure are linked to prevention of xylem implosion by negative pressure. Oecologia, 126(4), 457-461. https://doi.org/10.1007/s004420100628 Hammond, W. M., Yu, K., Wilson, L. A., Will, R. E., Anderegg, W. R. L., & Adams, H. D. (2019). Dead or dying? Quantifying the point of no return from hydraulic failure in drought-induced tree mortality. New Phytologist, 223(4), 1834-1843. https://doi.org/10.llll/nph.15922 70 POUŽITÉ ZDROJE Hari, V., Rakovec, 0., Markonis, Y., Hanel, M., & Kumar, R. (2020). Increased future occurrences of the exceptional 2018-2019 Central European drought under global warming. Scientific Reports, 10(1), 1-10. https://doi.org/10.1038/s41598-020-68872-9 Hartmann, H., & Trumbore, S. (2016). Understanding the roles of nonstructural carbohydrates in forest trees - from what we can measure to what we want to know. In The Newphytologist (Vol. 211, Issue 2, pp. 386-403). https://doi.org/10.llll/nph.13955 Härtung, W., Sauter, A., & Hose, E. (2002). Abscisic acid in the xylem: Where does it come from, where does it go to? Journal of Experimental Botany, 53(366), 27-32. https://doi.org/10.1093/jxb/53.366.27 Hendry, G. A. F. (1993). Evolutionary origins and natural functions of fructans - a climatological, biogeographic and mechanistic appraisal. New Phytologist, 123(1), 3-14. https://doi.Org/10.llll/j.1469-8137.1993.tb04525.x Herms, D. A., & Mattson, W. J. (1992). The dilemma of plants: To grow or defend. Quarterly Review of Biology, 67(3), 283-335. https://doi.org/10.1086/417659 Heuer, B. (2016). Role of proline in plant response to drought and salinity. Handbook of Plant and Crop Stress, Third Edition, November 2010, 213-238. https://doi.org/10.1201/bl0329-12 Hoch, G., Richter, A., & Körner, C. (2003). Non-structural carbon compounds in temperate forest trees. Plant, Cell and Environment, 26(7), 1067-1081. https://doi.Org/10.1046/j.0016-8025.2003.01032.x Hou, J., Huang, X., Sun, W., Du, C, Wang C, Xie, Y., Ma, Y., & Ma, D. (2018). Accumulation of water-soluble carbohydrates and gene expression in wheat stems correlates with drought resistance. Journal of Plant Physiology, 231(1S), 182-191. https://doi.Org/10.1016/j.jplph.2018.09.017 Huber, A. E., Melcher, P. J., Pineros, M. A., Setter, T. L., & Bauerle, T. L. (2019). Signal coordination before, during and after stomatal closure in response to drought stress. New Phytologist, 224(2), 675-688. https://doi.org/10.llll/nph.16082 Ikegami, K, Okamoto, M., Seo, M., & Koshiba, T. (2009). Activation of abscisic acid biosynthesis in the leaves of Arabidopsis thaliana in response to water deficit. Journal of Plant Research, 122(2), 235-243. https://doi.org/10.1007/sl0265- 008-0201-9 Iseki, K, Takahashi, Y., Muto, C, Naito, K, & Tomooka, N. (2018). Diversity of drought tolerance in the genus vigna. Frontiers in Plant Science, 9(June), 1-18. 71 POUŽITÉ ZDROJE https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00729 Ivandic, V., Hackett, C. A., Zhang Z. J., Staub, J. E., Nevo, E., Thomas, W. T. B., & Forster, B. P. (2000). Phenotypic responses of wild barley to experimentally imposed water stress. Journal of Experimental Botany, 5i(353), 2021-2029. https://doi.org/10.1093/jexbot/51.353.2021 Jacobsen, A. L., Ewers, F. W., Pratt, R. B., Paddock, W. A., & Davis, S. D. (2005). Do xylem fibers affect vessel cavitation resistance? Plant Physiology, 139(1), 546- 556. https://doi.org/10.1104/pp.104.058404 Jamieson, P. D., Martin, R. J., & Francis, G. S. (1995). Drought influences on grain yield of barley, wheat, and maize. New ZealandJournal of Crop and Horticultural Science, 23(1), 55-66. https://doi.org/10.1080/01140671.1995.9513868 Jupa, R. (2017). Significance of Selected Structural Traits of Xylem for Its Reliable Function [online] [cit. 2022-05-14] https://is.muni.cz/th/xyqls/ Kaack, L., Weber, M., Isasa, E., Karimi, Z., Li, S., Pereira, L., Trabi, C. L., Zhang, Y., Schenk, H. J., Schuldt, B., Schmidt, V., & Jansen, S. (2021). Pore constrictions in intervessel pit membranes provide a mechanistic explanation for xylem embolism resistance in angiosperms. New Phytologist, 230(B), 1829-1843. https://doi.org/10.llll/nph.17282 Karuppanapandian, T., Geilfus, C. M., Miihling, K. H., Novak, 0., & Gloser, V. (2017). Early changes of the pH of the apoplast are different in leaves, stem and roots of Vicia faba L. under declining water availability. Plant Science, 255, 51-58. https://doi.Org/10.1016/j.plantsci.2016.ll.010 Kitin, P., Voelker, S. L., Meinzer, F. C, Beeckman, H., Strauss, S. H., & Lachenbruch, B. (2010). Tyloses and phenolic deposits in xylem vessels impede water transport in low-lignin transgenic poplars: A study by cryo-fluorescence microscopy. Plant Physiology, 154(2), 887-898. https://doi.org/10.1104/pp.110.156224 Klein, T., & Hoch, G. (2015). Tree carbon allocation dynamics determined using a carbon mass balance approach. New Phytologist, 205(1), 147-159. https://doi.org/10.llll/nph.12993 Knipfer, T., Eustis, A., Brodersen, C, Walker, A. M., & Mcelrone, A. J. (2015). Grapevine species from varied native habitats exhibit differences in embolism formation/repair associated with leaf gas exchange and root pressure. Plant, Cell and Environment, 38(8), 1503-1513. https://doi.org/10.llll/pce.12497 Koch, G. W., Stillet, S. C, Jennings, G. M., & Davis, S. D. (2004). The limits to tree height. Nature, 428(6985), 851-854. https://doi.org/10.1038/nature02417 72 POUŽITÉ ZDROJE Kolb, K.J., & Davis, S. D. (1994). Drought tolerance and xylem embolism in cooccurring species of coastal sage and chaparral. Ecology, 75(3), 648-659. https://doi.org/10.2307/1941723 Kreszies, T., Eggels, S., Kreszies, V., Osthoff, A., Shellakkutti, N., Baldauf, J. A., ZeislerDiehl, V. V., Hochholdinger, F., Ranathunge, K., & Schreiber, L. (2020). Seminal roots of wild and cultivated barley differentially respond to osmotic stress in gene expression, suberization, and hydraulic conductivity. Plant Cell and Environment, 43(2), 344-357. https://doi.org/10.llll/pce.13675 Lavoie-Lamoureux, A., Sacco, D., Risse, P. A., & Lovisolo, C. (2017). Factors influencing stomatal conductance in response to water availability in grapevine: a metaanalysis. Physiologia Plantarum, i59(4), 468-482. https://doi.org/10.llll/ppl.12530 Lawrence, M. G. (2005). The relationship between relative humidity and the dewpoint temperature in moist air: A simple conversion and applications. Bulletin of the American Meteorological Society, 86(2), 225-233. https://doi.org/10.1175/BAMS-86-2-225 Lemaire, C, Blackman, C. J., Cochard, H., Menezes-Silva, P. E., Torres-Ruiz, J. M., & Herbette, S. (2021). Acclimation of hydraulic and morphological traits to water deficit delays hydraulic failure during simulated drought in poplar. Tree Physiology, 41(11), 2008-2021. https://doi.org/10.1093/treephys/tpab086 Lens, F., Tixier, A., Cochard, H., Sperry, J. S., Jansen, S., & Herbette, S. (2013a). Embolism resistance as a key mechanism to understand adaptive plant strategies. Current Opinion in Plant Biology, 16(3), 287-292. https://doi.Org/10.1016/j.pbi.2013.02.005 Lens, F., Tixier, A., Cochard, H., Sperry, J. S., Jansen, S., & Herbette, S. (2013b). Embolism resistance as a key mechanism to understand adaptive plant strategies. In Current Opinion in Plant Biology (Vol. 16, Issue 3, pp. 287-292). https://doi.Org/10.1016/j.pbi.2013.02.005 Li, B., Kamiya, T., Kalmbach, L., Yamagami, M., Yamaguchi, K., Shigenobu, S., Sawa, S., Danku, J. M. C, Salt, D. E., Geldner, N., & Fujiwara, T. (2017). Role of L0TR1 in Nutrient Transport through Organization of Spatial Distribution of Root Endodermal Barriers. Current Biology, 27(5), 758-765. https://doi.Org/10.1016/j.cub.2017.01.030 Li, S., Lens, F., Espino, S., Karimi, Z., Klepsch, M., Schenk, H. J., Schmitt, M., Schuldt, B., & Jansen, S. (2016). Intervessel pit membrane thickness as a key determinant od embolism resistance in angiosperm xylem. IAWA Journal, 37(2), 152-171. https://doi.org/10.1163/22941932-20160128 73 POUŽITÉ ZDROJE Liu, H., Yu, C, Li, H., Ouyang B., Wang, T., Zhang, J., Wang X., & Ye, Z. (2015). Overexpression of ShDHN, a dehydrin gene from Solanum habrochaites enhances tolerance to multiple abiotic stresses in tomato. Plant Science, 231, 198-211. https://doi.Org/10.1016/j.plantsci.2014.12.006 Lobo, A., Torres-Ruiz, J. M., Burlett, R., Lemaire, C, Parise, C, Francioni, C, Truffaut, L., Tomášková, I., Hansen, J. K., Kjaer, E. D., Kremer, A., & Delzon, S. (2018). Assessing inter- and intraspecific variability of xylem vulnerability to embolism in oaks. Forest Ecology and Management, 424(February), 53-61. https://doi.Org/10.1016/j.foreco.2018.04.031 MacNeill, G. J., Mehrpouyan, S., Minow, M. A. A., Patterson, J. A., Tetlow, I. J., & Ernes, M. J. (2017). Starch as a source, starch as a sink: The bifunctional role of starch in carbon allocation. Journal of Experimental Botany, 68(16), 4433-4453. https://doi.org/10.1093/jxb/erx291 Manju, Kaur, V., Sharma, K., & Kumar, A. (2019). Identification of promising sources for drought tolerance in cultivated and wild species germplasm of barley based on root architecture. Journal of Environmental Biology, 40(3), 309-315. https://doi.Org/10.22438/jeb/40/3/MRN-995 Marii, S., Cascaes, M., Matos Pereira, L. de, Antunes, T., & Castro Franc, S. de. (2013). Water Stress and Agriculture. In Responses of Organisms to Water Stress. https://doi.org/10.5772/53877 Martin-StPaul, N., Delzon, S., & Cochard, H. (2017). Plant resistance to drought depends on timely stomatal closure. Ecology Letters, 20(11), 1437-1447. https://doi.org/10.llll/ele.12851 Martínez-Vilalta, J., Sala, A., Asensio, D., Galiano, L., Hoch, G., Palacio, S., Piper, F. I., & Lloret, F. (2016). Dynamics of non-structural carbohydrates in terrestrial plants: A global synthesis. Ecological Monographs, 86(4), 495-516. https://doi.org/10.1002/ecm.1231 Materechera, S. A., Alston, A. M., Kirby, J. M., & Dexter, A. R. (1992). Influence of root diameter on the penetration of seminal roots into a compacted subsoil. Plant and Soil, 144(2), 297-303. https://doi.org/10.1007/BF00012888 McDowell, N. G. (2011). Mechanisms linking drought, hydraulics, carbon metabolism, and vegetation mortality. Plant Physiology, 155(3), 1051-1059. https://doi.org/10.1104/pp.110.170704 McDowell, N., Pockman, W. T., Allen, C. D., Breshears, D. D., Cobb, N., Kolb, T., Plaut, J., Sperry, J., West, A., Williams, D. G., & Yepez, E. A. (2008). Mechanisms of plant survival and mortality during drought: Why do some plants survive while others 74 POUŽITÉ ZDROJE succumb to drought? New Phytologist, 178(4), 719-739. https://doi.Org/10.llll/j.1469-8137.2008.02436.x Mejri, M., Siddique, K. H. M., Saif, T., Abdelly, C, & Hessini, K. (2016). Comparative effect of drought duration on growth, photosynthesis, water relations, and solute accumulation in wild and cultivated barley species. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 179(3), 327-335. https://doi.org/10.1002/jpln.201500547 Michele Holbrook, N. (1995). Stem Water Storage. Plant Stems, 151-174. https://doi.org/10.1016/b978-012276460-8/50009-6 Mittler, R. (2002). Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends in Plant Science, 7(9), 405-410. https://doi.org/10.1016/S1360-1385(02)02312-9 Morgan, J., & Condon, A. (1986). Water Use, Grain Yield, and Osmoregulation in Wheat. Functional Plant Biology, 13(4), 523. https://doi.org/10.1071/pp9860523 Mori, I. C, & Schroeder, J. I. (2004). Reactive oxygen species activation of plant Ca2+ channels. A signaling mechanism in polar growth, hormone transduction, stress signaling, and hypothetically mechanotransduction. Plant Physiology, 135(2), 702-708. https://doi.org/10.1104/pp.104.042069 Muller, B., Pantin, F., Genard, M., Turc, O., Freixes, S., Piques, M., & Gibon, Y. (2011). Water deficits uncouple growth from photosynthesis, increase C content, and modify the relationships between C and growth in sink organs. Journal of Experimental Botany, 62(6), 1715-1729. https://doi.org/10.1093/jxb/erq438 Nayyar, H., Kaur, S., Smita, Singh, K. J., Dhir, K. K., & Bains, T. (2005). Water stressinduced injury to reproductive phase in chickpea: Evaluation of stress sensitivity in wild and cultivated species in relation to abscisic acid and polyamines. Journal of Agronomy and Crop Science, 191(6), 450-457. https://doi.Org/10.llll/j.1439-037X.2005.00184.x Noctor, G., & Foyer, C. H. (1998). Ascorbate and Glutathione: Keeping Active Oxygen under Control. Annual Review of Plant Biology, 49, 249-279. https://doi.Org/10.1146/annurev.arplant.49.l.249 Ogawa, A., & Yamauchi, A. (2006). Root osmotic adjustment under osmotic stress in maize seedlings 1. Transient change of growth and water relations in roots in response to osmotic stress. Plant Production Science, 9(1), 27-38. https://doi.Org/10.1626/pps.9.27 Orimoloye, I. R. (2022). Agricultural Drought and Its Potential Impacts: Enabling Decision-Support for Food Security in Vulnerable Regions. Frontiers in 75 POUŽITÉ ZDROJE Sustainable Food Systems, 6(February). https://doi.org/10.3389/fsufs.2022.838824 Padilla, F. M., Miranda, J. D. D., & Pugnaire, F. I. (2007). Early root growth plasticity in seedlings of three Mediterranean woody species. Plant and Soil, 296(1-2), 103- 113. https://doi.org/10.1007/slll04-007-9294-5 Palta, J. A., & Yang J. (2014). Crop root system behaviour and yield. Field Crops Research, 165(3), 1-4. https://doi.Org/10.1016/j.fcr.2014.06.024 Paudel, I., Gerbi, H., Wagner, Y., Zisovich, A., Sapir, G., Brumfeld, V., & Klein, T. (2020). Drought tolerance of wild versus cultivated tree species of almond and plum in the field. Tree Physiology, 40(4), 454-466. https://doi.org/10.1093/treephys/tpzl34 Paudel, I., Gerbi, H., Zisovich, A., Sapir, G., Ben-Dor, S., Brumfeld, V., & Klein, T. (2019). Drought tolerance mechanisms and aquaporin expression of wild vs. cultivated pear tree species in the field. Environmental and Experimental Botany, i67(May), 103832. https://doi.Org/10.1016/j.envexpbot.2019.103832 Pel, Z. M., Murata, Y., Benning, G., Thomine, S., Kliisener, B., Allen, G. J., Grill, E., & Schroeder, J. I. (2000). Calcium channels activated by hydrogen peroxide mediate abscisic acid signalling in guard cells. Nature, 406(6797), 731-734. https://doi.org/10.1038/35021067 Pfautsch, S., Holtta, T., & Mencuccini, M. (2015). Hydraulic functioning of tree stems Fusing ray anatomy, radial transfer and capacitance. Tree Physiology, 35(7), 706- 722. https://doi.org/10.1093/treephys/tpv058 Pickard, W. F. (1981). The ascent of sap in plants. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 37(C), 181-229. https://doi.org/10.1016/0079- 6107(82)90023-2 Pirnajmedin, F., Majidi, M. M., & Gheysari, M. (2015). Root and physiological characteristics associated with drought tolerance in Iranian tall fescue. Euphytica, 202(1), 141-155. https://doi.org/10.1007/sl0681-014-1239-5 Pittermann, J., & Sperry, J. S. (2006). Analysis of Freeze-Thaw Embolism in Conifers. The Interaction between Cavitation Pressure and Tracheid Size. Plant Physiology, 140(1), 374-382. https://doi.org/10.1104/pp.105.067900.to Polade, S. D., Gershunov, A , Cayan, D. R., Dettinger, M. D., & Pierce, D. W. (2017). Precipitation in a warming world: Assessing projected hydro-climate changes in California and other Mediterranean climate regions. Scientific Reports, 7(1), 1- 10. https://doi.org/10.1038/s41598-017-11285-y 76 POUŽITÉ ZDROJE Pospisilova, J. (2003). Partiticaption of phytohormones in regulation of leaf stomatal conductance. Biologia Plantarum, 46(4), 491-506. Ray, R. L., Fares, A., & Risch, E. (2018). Effects of Drought on Crop Production and Cropping Areas in Texas. Agricultural & Environmental Letters, 3(1), 170037. https://doi.org/10.2134/ael2017.ll.0037 Rolland, V., Bergstrom, D. M., Lenne, T., Bryant, G., Chen, H., Wolfe, J., Holbrook, N. M., Stanton, D. E., & Ball, M. C. (2015). Easy come, easy go: Capillary forces enable rapid refilling of embolized primary xylem vessels. Plant Physiology, 168(4), 1636-1647. https://doi.org/10.1104/pp.15.00333 Ruehr, N. K., Grote, R., Mayr, S., & Arneth, A. (2019). Beyond the extreme: Recovery of carbon and water relations in woody plants following heat and drought stress. Tree Physiology, 39(8), 1285-1299. https://doi.org/10.1093/treephys/tpz032 Russo, S., Sillmann, J., & Fischer, E. M. (2015). Top ten European heatwaves since 1950 and their occurrence in the coming decades. Environmental Research Letters, 10(12), 124003. https://doi.org/10.1088/1748-9326/10/12/124003 Sanchez, F. J., Manzanares, M., De Andres, E. F., Tenorio, J. L., & Ayerbe, L. (1998). Turgor maintenance, osmotic adjustment and soluble sugar and proline accumulation in 49 pea cultivars in response to water stress. Field Crops Research, 59(3), 225-235. https://doi.org/10.1016/S0378-4290(98)00125-7 Sano, Y., Morris, H., Shimada, H., Ronse De Craene, L. P., & Jansen, S. (2011). Anatomical features associated with water transport in imperforate tracheary elements of vessel-bearing angiosperms. Annals of Botany, 107(6), 953-964. https://doi.org/10.1093/aob/mcr042 Sauter, A., Davies, W. J., & Hartung W. (2001). The long-distance abscisic acid signal in the draughted plant: The fate of the hormone on its way from root to shoot. Journal of Experimental Botany, 52(363), 1991-1997. https://doi.org/10.1093/jexbot/52.363.1991 Sauter, J. ]., Iten, W., & Zimmermann, M. H. (1973). Studies on the release of sugar into the vessels of sugar maple (Acer saccharum). Canadian Journal of Botany, 51(1), 1-8. https://doi.org/10.1139/b73-001 Savi, T., Casolo, V., Luglio, J., Bertuzzi, S., Trifilo', P., Lo Gullo, M. A., & Nardini, A. (2016). Species-specific reversal of stem xylem embolism after a prolonged drought correlates to endpoint concentration of soluble sugars. Plant Physiology and Biochemistry, 106,198-207. https://doi.Org/10.1016/j.plaphy.2016.04.051 Schenk, H. J., Jansen, S., & Holtta, T. (2021). Positive pressure in xylem and its role in 77 POUŽITÉ ZDROJE hydraulic function. New Phytologist, 230(1), 27-45. https://doi.org/10.llll/nph.17085 Schwartz, S. H., Qin, X., & Zeevaart, J. A. D. (2003). Elucidation of the indirect pathway of abscisic acid biosynthesis by mutants, genes, and enzymes. Plant Physiology, 131(4), 1591-1601. https://doi.org/10.1104/pp.102.017921 Sierla, M., Waszczak, C, Vahisalu, T., & Kangasjarvi, J. (2016). Reactive oxygen species in the regulation of stomatal movements. Plant Physiology, 171(3), 1569-1580. https://doi.org/10.1104/pp.16.00328 Sperry, J. S., & Sullivan, J. E. M. (1992). Xylem embolism in response to freeze-thaw cycles and water stress in ring-porous, diffuse-porous, and conifer species. Plant Physiology, 100(2), 605-613. https://doi.Org/10.1104/pp.100.2.605 Sperry, J. S., & Tyree, M. T. (1988). Mechanism of Water Stress-Induced Xylem Embolism. Plant Physiology, 88(3), 581-587. https://doi.Org/10.1104/pp.88.3.581 Sperry, J. S., & Tyree, M. T. (1990). Water-stress-induced xylem embolism in three species of conifers. Plant, Cell & Environment, 13(S), 427-436. https://doi.Org/10.llll/j.1365-3040.1990.tb01319.x Spicer, R. (2014). Symplasmic networks in secondary vascular tissues: Parenchyma distribution and activity supporting long-distance transport. In Journal of Experimental Botany (Vol. 65, Issue 7, pp. 1829-1848). https://doi.org/10.1093/jxb/ert459 Spiertz, H. (2014). Agricultural sciences in transition from 1800 to 2020: Exploring knowledge and creating impact. European Journal of Agronomy, 59(2014), 96- 106. https://doi.Org/10.1016/j.eja.2014.06.001 Stiller, V, Lafitte, H. R., & Sperry, J. S. (2003). Hydraulic properties of rice and the response of gas exchange to water stress. Plant Physiology, 132(3), 1698-1706. https://doi.org/10.1104/pp.102.019851 Suuronen, J. P., Peura, M., Fagerstedt, K., & Serimaa, R. (2013). Visualizing water-filled versus embolized status of xylem conduits by desktop x-ray microtomography. Plant Methods, 9(1), 1-13. https://doi.org/10.1186/1746-4811-9-ll Takahashi, F., Suzuki, T., Osakabe, Y., Betsuyaku, S., Kondo, Y, Dohmae, N., Fukuda, H., Yamaguchi-Shinozaki, K., & Shinozaki, K. (2018). A small peptide modulates stomatal control via abscisic acid in long-distance signaling. Nature, 556(7700), 235-238. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0009-2 78 POUŽITÉ ZDROJE Tardieu, F., & Simonneau, T. (1998). Variability among species of stomatal control under fluctuating soil water status and evaporative demand: modelling isohydric and anisohydric behaviours. Journal of Experimental Botany, 49(90001), 419- 432. https://doi.org/10.1093/jexbot/49.suppl_l.419 Tixier, A., Orozco, J., Roxas, A. A., Earles, J. M., & Zwieniecki, M. A. (2018). Diurnal variation in nonstructural carbohydrate storage in trees: Remobilization and vertical mixing. Plant Physiology, 178[4), 1602-1613. https://doi.org/10.1104/pp.18.00923 Tomasella, M., Petrussa, E., Petruzzellis, F., Nardini, A., & Casolo, V. (2020). The possible role of non-structural carbohydrates in the regulation of tree hydraulics. In International Journal of Molecular Sciences (Vol. 21, Issue 1). https://doi.org/10.3390/ijms21010144 Tombesi, S., Nardini, A., Frioni, T., Soccolini, M., Zadra, C, Farinelli, D., Poni, S., & Palliotti, A. (2015). Stomatal closure is induced by hydraulic signals and maintained by ABA in drought-stressed grapevine. Scientific Reports, 5,12449. https://doi.org/10.1038/srepl2449 Trnka, M., Olesen, J. E., Kersebaum, K. C, Skjelvág, A. 0., Eitzinger, J., Seguin, B., Peltonen-Sainio, P., Rótter, R., Iglesias, A., Orlandini, S., Dubrovský, M., Hlavinka, P., Bálek, J., Eckersten, H., Cloppet, E., Calanca, P., Gobin, A., Vučetič, V., Nejedlik, P., ... Žalud, Z. (2011). Agroclimatic conditions in Europe under climate change. Global Change Biology, 17(7), 2298-2318. https://doi.Org/10.llll/j.1365- 2486.2011.02396.x Turner, N. C. (2018). Turgor maintenance by osmotic adjustment: 40 years of progress. Journal of Experimental Botany, 69(13), 3223-3233. https://doi.org/10.1093/jxb/eryl81 Van Camp, J., Hubeau, M., Van Den Bulcke, J., Van Acker, J., & Steppe, K. (2017). Cambial pinning relates wood anatomy to ecophysiology in the African tropical tree Maesopsis eminii. Tree Physiology, 38{2], 232-242. https://doi.org/10.1093/treephys/tpxl51 Van Cotthem, W. R. J. (1970). A classification of stomatal types. 63, 235-246. Venturas, M. D., Sperry, J. S., & Hacke, U. G. (2017). Plant xylem hydraulics: What we understand, current research, and future challenges. In Journal of Integrative Plant Biology (Vol. 59, Issue 6, pp. 356-389). https://doi.org/10.llll/jipb.12534 Vijn, I., & Smeekens, S. (1999). Fructan: More than a reserve carbohydrate? Plant Physiology, 120(2), 351-359. https://doi.Org/10.1104/pp.120.2.351 79 POUŽITÉ ZDROJE Vikram, P., Swamy, B. P. M., Dixit, S., Singh, R., Singh, B. P., Miro, B., Kohli, A., Henry, A., Singh, N. K., & Kumar, A. (2015). Drought susceptibility of modern rice varieties: An effect of linkage of drought tolerance with undesirable traits. Scientific Reports, 5(October), 1-18. https://doi.org/10.1038/srepl4799 Warschefsky, E., Varma Penmetsa, R, Cook, D. R., & Von Wettberg E. J. B. (2014). Back to the wilds: Tapping evolutionary adaptations for resilient crops through systematic hybridization with crop wild relatives. American Journal of Botany, 101(10), 1791-1800. https://doi.org/10.3732/ajb.1400116 Wheeler, J. K, Sperry, J. S., Hacke, U. G., & Hoang N. (2005). Inter-vessel pitting and cavitation in woody Rosaceae and other vessel led plants: A basis for a safely versus efficiency trade-off in xylem transport. Plant, Cell and Environment, 28(6), 800-812. https://doi.Org/10.llll/j.1365-3040.2005.01330.x Wilkinson, S., & Davies, W. J. (1997). Xylem Sap pH Increase: A Drought Signal Received at the Apoplastic Face of the Guard Cell That Involves the Suppression of Saturable Abscisic Acid Uptake by the Epidermal Symplast. Plant Physiology, 113, 559-573. Wille, A. C, & Lucas, W. J. (1984). Ultrastructural and histochemical studies on guard cells. Planta, 160(2), 129-142. https://doi.org/10.1007/BF00392861 Woodruff, D. R., Meinzer, F. C, Marias, D. E., Sevanto, S., Jenkins, M. W., & Mcdowell, N. G. (2015). Linking nonstructural carbohydrate dynamics to gas exchange and leaf hydraulic behavior in Pinus edulis and Juniperus monosperma. New Phytologist, 206(1), 411-421. https://doi.org/10.llll/nph.13170 Yamada, Y., Awano, T., Fujita, M., & Takabe, K. (2011). Living wood fibers act as largecapacity "single-use" starch storage in black locust (Robinia pseudoacacia). Trees - Structure and Function, 25(4), 607-616. https://doi.org/10.1007/s00468-010- 0537-3 Yu, Z., Wang, X., & Zhang, L. (2018). Structural and functional dynamics of dehydrins: A plant protector protein under abiotic stress. International Journal of Molecular Sciences, 19(11), 16-18. https://doi.org/10.3390/ijmsl9113420 Zhang, M., Jin, Z. Q., Zhao, J., Zhang G., & Wu, F. (2015). Physiological and biochemical responses to drought stress in cultivated and Tibetan wild barley. Plant Growth Regulation, 75(2), 567-574. https://doi.org/10.1007/sl0725-014-0022-x Zhang, Y., Du, Z., Han, Y., Chen, X., Kong, X., Sun, W., Chen, C, & Chen, M. (2021). Plasticity of the Cuticular Transpiration Barrier in Response to Water Shortage and Resupply in Camellia sinensis: A Role of Cuticular Waxes. Frontiers in Plant Science, ii(January), 1-17. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.600069 80 POUŽITÉ ZDROJE Zwieniecki, M. A., & Secchi, F. (2015). Threats to xylem hydraulic function of trees under "new climate normal" conditions. In Plant Cell and Environment (Vol. 38, Issue 9, pp. 1713-1724). https://doi.org/10.llll/pce.12412 81 POUŽITÉ ZDROJE 82