Analýza tvorby buněk sekundárního xylému a floému borovice lesní (Pinus sylvestris L.) v reakci na stres suchem

Ing. Marek Fajstavr

Doctoral thesis

Analysis of secondary xylem and phloem cells formation on Scots pine (Pinus sylvestris L.) in response to drought stress

Abstract:

Borovice lesní (Pinus sylvestris L.) je dlouhodobě hospodářsky preferovanou dřevinou nejen z hlediska svojí dřevní produkce, ale i díky její toleranci k extrémním klimatickým faktorům, ekologické nenáročnosti a rezistenci vůči stresu suchem. V posledních letech vlivem působení měnících se klimatických podmínek dochází k chřadnutí této hospodářsky významné dřeviny. Její přírůst v přirozeném ekotypu je ovlivněn adaptabilitou ke zvyšující se intenzitě teplotních extrémů (horkých vln). Kombinace nedostatku srážek s extrémně vysokými teplotami vzduchu (i v jarním období) výrazně ovlivňuje rezistenci této dřeviny vůči stresu suchem.Tato práce je zaměřena na analýzu fází tvorby buněk sekundárního xylému a floému borovice lesní v závislosti na fyziologických a morfologických změnách vlivem působícího stresu suchem. V rámci tvořícího se radiálního buněčného přírůstu v jednotlivých vegetačních obdobích v letech 2013–2016 bylo vyhodnoceno, jak se na tvorbě, diferenciaci a celkové struktuře buněk projevila synergie konkrétních faktorů ovlivňujících celkovou anatomickou stavbu letokruhu a vitalitu zkoumané dřeviny. Během čtyř vegetačních období 2013–2016 byly na výzkumné ploše v Soběšicích v týdenních intervalech odebírány mikrovývrty (průměr 1,8 mm) dřeva a lýka (včetně kambiální zóny) pomocí raznicového přírůstoměru Trephor. Z těchto mikrovývrtů byly vyrobeny trvalé mikroskopické preparáty příčného řezu, na kterých byla provedena analýza kambiální aktivity, buněčné tvorby, buněčné diferenciace v čase a vyhodnocení morfometrických parametrů vytvořených buněk xylému a floému. Zjistili jsme, že v každém monitorovaném vegetačním období se projevil stres suchem, který byl reflektován poklesem půdního vodního potenciálu (pod -1 MPa) i intenzitou transpirace, což vedlo ke stresové reakci kambia. Reakce kambiální zóny na stres suchem se projevila sníženou aktivitou (náhlé snížení počtu dělivých buněk) a následně během opětovného výskytu srážek reaktivací, kdy bylo opět pozorováno zvýšení počtu dělivých buněk. Tento faktor inicioval tvorbu intra-annual density fluctuations (IADF), tj. tvorbu tzv. nepravého letokruhu. Citlivá reakce kambia na stres suchem ovlivnila dobu buněčné produkce, počet vytvořených buněk a rovněž i dobu diferenciace jednotlivých tracheid, což se projevilo na redukci radiálních rozměrů a tloušťce buněčné stěny tracheid. Uměle vyvolaný stres kmenovým kroužkováním zintenzivnil spolupůsobící faktor sucha a v oblasti pod kroužkováním se do dvou týdnů po provedeném zásahu zastavila kambiální aktivita. Vytvořené buňky nebyly plně diferencovány, a tak v letokruhu chyběla zóna typicky tlustostěnných buněk letního dřeva. Následující vegetační období se vytvořil radiální přírůst pouze v oblasti nad kroužkováním (bez zóny letního dřeva) a v druhé polovině vegetačního období stromy postupně odumřely. Aktivita rostlinného hormonu IAA byla rovněž ovlivněna suchem v letním období, kdy jeho koncentrace klesla pod hranici měřitelnosti (2 µg vzorek-1). V době poklesu koncentrace IAA se začaly tvořit letní tracheidy a byla ukončena tvorba floémových buněk. Syntéza a aktivita rozpustných nízkomolekulárních sacharidů korelovala s průběhem kambiální aktivity a buněčných diferenciačních fází, kdy se dynamika koncentrace shodovala i s načasováním tvorby jednotlivých fází tvorby buněk. U floémových buněk nebyla pozorována významná variabilita v morfologických rozměrech. Fenologie jehlic indikovala fáze tvorby buněčné stěny a iniciaci tvorby letních tracheid. Vzhledem k tomu, že jehlice byly plně vytvořeny v období tvorby jarních tracheid, ta

Abstract:

k jejich fenologie nereflektovala stres suchem, který byl zaznamenán hlavně v letním období. Stejně tak přírůst floému byl vytvořen v jarním období.Dlouhodobě je prezentováno, že jehličnaté dřeviny vlivem hydraulické bezpečnosti reagují na stres suchem vytvořením tlustějších buněčných stěn letních tracheid. V rámci výzkumu této práce bylo však pozorováno, že vodní deficit ovlivnil kambiální aktivitu, která se projevila na intenzitě tvorby buněk a na době jejich diferenciace. V důsledku tohoto procesu se vytvořily tracheidy s užší buněčnou stěnou a menším radiálním rozměrem. Borovice lesní reaguje na stres suchem spíše menším počtem vytvořených tracheid s užšími buněčnými stěnami v poměru s radiálním rozměrem. Tímto způsobem adaptace tak postupně dochází ke strukturálním změnám vytvořeného letokruhu, kdy typicky jarní a letní tracheidy (klasifikované podle radiálních rozměrů a tlouštěk buněčných stěn) se mohou tvořit nezávisle na sezonalitě růstu. Obzvláště v případech tvorby IADF nebo v kombinaci s případem, kdy ani není vytvořeno letní dřevo, se začíná vyskytovat problém s platností klasifikace podle tzv. Morkova kritéria. Pochopení vlivu konkrétních metabolických a fyziologických změn na tvorbu dřeva a lýka borovice lesní pomáhá objasnit problematiku zalesnění a celkové dřevní produkce této hospodářsky významné dřeviny.

Abstract:

Scots pine (Pinus sylvestris L.) is a long-term economically preferred woody species not only from the standpoint of its wood production but also thanks to its tolerance to extreme climatic factors, environmental modesty, and resistance to drought stress. In recent years, however, due to the action of the changing climatic conditions, this economically significant woody species withers. Its increment in the natural ecotype is affected by the adaptability to the increasing intensity of temperature extremes (prolonged heat waves). The combination of the lack of precipitation and extremely high air temperatures (even in the spring season) will significantly affect the resistance of this woody species to drought stress.This thesis is focused on the analysis of the secondary xylem and phloem cells formation of Scots pine depending on the physiological and morphological changes due to the affecting drought stress. Within the scope of the forming radial cells in individual growing seasons (2013–2016), it has been evaluated how the synergy of the specific factors affecting the overall anatomic structure of the annual ring and the vitality of the examined woody species was expressed in the formation, differentiation, and overall structure of the cells. During the four growing seasons (2013–2016), micro-cores (diameter 1.8 mm) were taken in weekly intervals in the research area in Sobesice of xylem and phloem (including the cambial zone) using the Trephor increment borer. From these micro-cores, permanent microscopic slides of the cross-section were made, on which the analysis of the cambial activity, cell formation, cell differentiation with time, and the evaluation of the morphometric parameters of the formed of xylem and phloem cells were performed. It was found that in each monitored growing season, the drought stress has shown, which was reflected by the dropped of the soil water potential (below -1 MPa) and the intensity of transpiration, which led to the stress reaction of the cambium. The reaction of the drought-stressed cambial zone has been expressed by the decreased activity (a sudden drop of the number of dividing cells) and subsequently, during the recurrence of precipitation, by the reactivation when an increase of the number of dividing cells was observed again. This factor initiated the formation of the intra-annual density fluctuations (IADF), i.e. the formation of the so-called false annual ring. The sensitive reaction of the cambium to the drought stress affected the cell production time, the number of formed cells, and also the time of differentiation of individual tracheids, which was expressed by the reduction of the radial dimensions and cell wall thickness of the tracheids. The artificially induced stress by stem girdling intensified the concurrent drought factor and in the area below the girdling, the cambial activity has stopped within two weeks after the performed treatment. The formed cells were not fully differentiated, so the zone of typically thick-walled cells of latewood was missing in the annual ring. The following growing season, the radial increment was only formed in the area above the girdling (without the latewood zone) and in the second half of the growing season, the trees gradually died. The activity of the plant hormone IAA was also affected by the drought in the summer season, when its concentration dropped below the measurability threshold (2 µg sample-1). At the time of the IAA concentration drop, latewood tracheids began to form and the phloem cell formation was completed. The synthesis and activity of the soluble low-molecular carbohydrates correlated with the course of the cambial activity and the cell differentiation phases, where the dynamics of the concentration also matched the timing of the formation of the individual cell formation phases. With phloem cells, a significant variability in the morphological dimensions has not been observed compared to xylem cells. The phenology

Abstract:

of the needles indicated the cell wall formation phases and the initiation of the latewood tracheids. Due to the fact that the needles were fully formed in the season of the spring tracheids formation, their phenology did not reflect the drought stress which was recorded mainly in the summer season. Also, the increment of phloem was formed in the spring season.It has been presented for a long time that coniferous woody species react to the drought stress by thicker cell walls formation of the latewood tracheids. However, it has been observed within the scope of the research of this thesis that the water deficit affected the cambial activity, which has expressed itself on the intensity of the cell formation and the time of their differentiation. Due to this process, tracheids with smaller radial dimensions and a narrower cell wall were formed. This gradually causes structural changes of the formed annual ring, where the typically earlywood and latewood tracheids (classified according to radial dimensions and thicknesses of cell walls) may form independently on the growth seasonality. Especially in cases of IADF formation or in combination with the case where latewood is not even formed, a problem with the validity of the classification according to the so-called Mork’s criterion begins to occur. The understanding of the effect of the specific metabolic and physiological changes on xylem and phloem formation of Scots pine helps to clarify the issues of forestation and overall wood production of this economically significant woody species.

Keywords

kambium, buňka, tracheida, sítková buňka floému, stres suchem, kroužkování, Pinus sylvestris L., xylém, floém, tloušťka buněčné stěny

Keywords

cambium, cell, Pinus sylvestris L, xylem, phloem, girdling, drought stress, tracheid, phloem sieve cell, cell wall thickness

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 9. 2018

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Vladimír Gryc, Ph.D.

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme / field:
Botany / Forest Phytology