Sezónní změny v reakci vodivosti xylému na iontové složení xylémové šťávy u vybraných dřevin

Bc. Pavlína Doubková

Master's thesis

Seasonal changes in response of xylem conductance to ionic composition of xylem sap in selected woody species

Abstract:

Změna hydraulické vodivosti xylému v závislosti na iontovém složení xylémové šťávy (tzv. iontový efekt) je důležitý, avšak málo prozkoumaný fyziologický mechanismus, který významným způsobem ovlivňuje dálkový transport vody v rostlinách. Velikost iontového efektu se v průběhu roku mění v závislosti na podmínkách prostředí a aktuálních požadavcích na zásobování nadzemních částí rostliny vodou, často se také mezidruhově liší. Ačkoliv mechanismus vyvolávající iontový efekt nebyl doposud zcela objasněn, mezidruhové rozdíly ve velikosti iontového efektu do značné míry souvisí s anatomickou stavbou xylému, zejména vodivých elementů. Tato diplomová práce se věnuje porovnání základních anatomických parametrů xylému větviček mezi vybranými druhy temperátních dřevin s rozdílnou pórovitostí dřeva (roztroušeně vs. kruhovitě pórovitá stavba xylému) a zkoumá spojitosti mezi těmito parametry a velikostí iontového efektu. Dále se tato práce zaměřuje na hledání rozdílů ve velikosti iontového efektu měřeného v průběhu roku mezi dřevinami s roztroušeně a kruhovitě pórovitou stavbou dřeva. Hydraulická měření nezbytná ke stanovení velikosti iontového efektu byla provedena na větvích tří druhů s roztroušeně pórovitou stavbou xylému (Acer pseudoplatanus, Carpinus betulus, Fagus sylvatica) a tří druhů s kruhovitě pórovitou stavbou xylému (Fraxinus excelsior, Quercus robur, Robinia pseudoacacia) v průběhu každého lichého měsíce. Anatomické analýzy byly současně provedeny na druzích A. pseudoplatanus, C. betulus, Q. robur a R. pseudoacacia. Anatomická pozorování naznačují, že vybraní zástupci s kruhovitě pórovitou stavbou dřeva mají cévy o větších průměrech a délce ve srovnání s druhy s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva. Xylém druhů s kruhovitě pórovitou stavbou dřeva navíc obsahoval prokazatelně vyšší relativní podíl živých parenchymatických buněk (o 10 %) a větší kontaktní plochu mezi cévami a parenchymem (o 7 %). Pozitivní lineární závislosti mezi velikostí iontového efektu a (i) množstvím axiálního parenchymu, (ii) celkovým množstvím parenchymu v xylému, (iii) kontaktní plochou parenchymatických buněk s cévami a iv) relativním podílem kůry (která je z velké části tvořena živými parenchymatickými buňkami) naznačují, že stavba dřeva s vyšším podílem živých parenchymatických buněk může podmiňovat velikost iontového efektu. Zkoumání sezónních změn ve velikosti iontového efektu ukázalo, že iontový efekt je zejména v půběhu vegetační sezóny prokazatelně vyšší u druhů s kruhovitě pórovitou stavbou dřeva (o ~10 %). Výsledky této studie naznačují, že druhy s kruhovitě pórovitou stavbou dřeva by mohly využívat iontový efekt k rychlejší obnově vodivé kapacity xylému po zimě a celkovému zvýšení efektivity zásobování nadzemních částí vodou během vegetační sezóny.

Abstract:

Changes of xylem hydraulic conductivity dependent on the ionic composition of xylem fluid (ionic effect) is an important, but not well explored physiological mechanism that significantly influences the long-distance transport of water in plants. The size of the ionic effect varies in the course of the year according to environmental conditions and current demand for water supply to aboveground plant parts. It also often varies among species. Although the mechanism of ionic effect still has not been completely clarified, the interspecies differences in the size of the ionic effect are tightly related to the anatomical structure of xylem, in particular conductive elements. This diploma thesis deals with the comparison of basic anatomical parameters of twigs xylem among selected species of temperate woody plants with different porosity of wood (diffuse versus ring-porous xylem structure) and examines the connection between these parameters and the size of the ionic effect. Further, this work is focused on finding differences in the size of the ionic effect measured in the course of the year between woody species with a diffuse and ring-porous xylem structure. Hydraulic measurements, which are necessary to determine the magnitude of the ionic effect, were performed on three species with diffuse-porous xylem structure (Acer pseudoplatanus, Carpinus betulus, Fagus sylvatica) and three species with a ring-porous xylem structure (Fraxinus excelsior, Quercus robur, Robinia pseudoacacia) every odd month of the year. At the same time anatomical analyzes were performed on A. pseudoplatanus, C. betulus, Q. robur and R. pseudoacacia. Anatomical observations suggest that selected ring-porous species have vessels with larger diameters and lengths compared to species with a diffuse-porous wood structure. Moreover, xylem of species with a ring-porous wood structure showed a larger relative proportion of living parenchymal cells (by 10 %) and a larger contact area between vessels and parenchyma (by 37 %). The positive linear relationship between the size of an ion effect and (i) the proportion of axial parenchyma (ii) the total proportion of parenchyma in xylem, (iii) the contact area of the parenchyma cells and vessels and iv) the relative proportion of a cortex (which is mainly constituted by live parenchymal cells) indicate that the wood structure with a higher proportion of living parenchymal cells may determine the size of the ionic effect. Examination of seasonal changes in the size of the ionic effect showed that the ionic effect is clearly higher in species with ring-porous xylem structure (~ 10 %), especially during the vegetation season. The results suggest that species with a ring-porous wood structure could use the ionic effect for fast restoration of the xylem conductive capacity after winter and for increase of the efficiency of water supply toaboveground parts during the growing season.

Keywords

anatomie xylému, hydraulická vodivost, iontový efekt, kruhovitě pórovitá stavba dřeva, parenchym, roztroušeně pórovitá stavba dřeva, vodní potenciál, xylém, diffuse-porous wood, hydraulic conductivity, ionic effect, parenchyma, ring-porous wood, water potential

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 5. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 19. 6. 2018
• Supervisor: doc. RNDr. Vít Gloser, Ph.D.
• Reader: RNDr. Milan Baláž, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Ecological and Evolutionary Biology / Upper Secondary School Teacher Training in Biology