Významnost anatomické integrace xylému v podmínkách limitující dostupnosti vody v prostředí

Bc. Dita Krabičková

Master's thesis

The significance of the anatomical integration of xylem under limiting water availability in environment

Abstract:

Odolnost rostlin vůči působení sucha úzce souvisí s bezchybným fungováním dálkového transportu vody v xylému (dřevě). Proces aklimace rostlin na podmínky sucha je proto doprovázen řadou změn ve struktuře xylému, které vedou k omezení ztrát vody a zvýšení odolnosti xylému vůči embolii. Stupeň laterálního kontaktu cév (Fvv) xylému je důležitý parametr, který významně ovlivňuje transport a distribuci vody v rostlině. Vliv sucha na Fvv a jeho důsledky na odolnost rostlin vůči embolii jsou však zatím málo objasněny. Cílem této práce bylo zjistit, k jakým strukturním změnám v xylému dochází vlivem působení sucha, a jak tyto změny ovlivňují Fvv a náchylnost dřevin k suchem indukované embolii. Strukturní změny v xylému byly zkoumány jak na stoncích jednoletých semenáčků stromů kultivovaných za různé dostupnosti vody, tak na letokruzích ve větvích dospělých jedinců několika druhů dřevin rostoucích v přirozených podmínkách prostředí. Měření náchylnosti xylému ke vzniku embolie a stanovení tzv. hydraulic safety margins (HSM) probíhalo na mladých větvích dospělých jedinců. Vlivem působení sucha docházelo jak u semenáčků, tak u dospělých jedinců ke zmenšení průměru cév (o 1-5 µm), zatímco hustota cév se zvyšovala (o 10-100 cév mm-2). Změny Fvv nevykazovaly jednoznačný trend ani u jedné skupiny vzorků (+2 až -4 %), což naznačuje, že suchem vyvolaná změna Fvv je daná především geneticky. Dále bylo prokázáno, že druhy s vyšším Fvv jsou náchylnější ke kritickému selhání transportu vody v xylému, jak ukazuje pozitivní korelace mezi Fvv a P88 (vodní potenciál xylému odpovídající 88% ztrátě hydraulické vodivosti). Pozitivní korelace mezi Fvv a sklonem PLC křivky (závislost mezi vodním potenciálem a ztrátou hydraulické vodivosti xylému) naznačuje, že Fvv významně ovlivňuje dynamiku šíření embolie v xylému. Prokázaná pozitivní závislost mezi Fvv a velikostí HSM napovídá, že druhy, jejichž xylém je náchylnější k embolizaci, využívají méně konzervativní strategie v hospodaření s vodou, což může způsobit rychlejší selhání transportu v xylému během sucha. Tyto druhy pravděpodobně využívají jiné ochranné mechanismy, které umožňují předcházet vzniku embolie a účinně ji odstraňovat. Výsledky této práce přispívají k lepšímu pochopení vývoje xylému během sucha a pomohou k lepšímu předvídání dopadů sucha na funkci xylému.

Abstract:

The resistance of plants to the effects of drought is closely related to the function of the longdistance water transport in xylem (wood). The process of plant acclimation to drought is associated with changes in xylem structure resulting in reduced water losses and increased xylem resistance to embolism. The degree of intervessel lateral contact (Fvv) is an important parameter that significantly affects the transport and distribution of water in plant body. However, the effects of drought on Fvv and its consequences for plant resistance to embolism remain poorly understood. The aim of this thesis was to describe drought-induced changes in xylem structure and assess their effects on Fvv and vulnerability of woody species to droughtinduced embolism. The structural changes in xylem were analysed in stems of tree seedlings cultivated under different water availability and in branches of several mature woody species growing under natural conditions. Xylem vulnerability to embolism and hydraulic safety margins (HSM) were measured on young branches of mature trees. As a result of drought, vessel diameter was reduced (by 1-5 µm) both in seedlings and adults, while vessel density was increased (by 10-100 vessels mm-2). However, there was no trend in change of Fvv observed across species in either of the sample groups (+2 to -4 %) suggesting that the drought-induced change in Fvv is primarily genetically driven. Furthermore, species with higher Fvv were more prone to critical failure of xylem transport as evident from the positive correlation between Fvv and P88 (xylem water potential representing 88% loss of hydraulic conductivity). The positive correlation between Fvv and the slope of the PLC curve (the relationship between xylem water potential and loss of hydraulic conductivity) suggests that Fvv significantly affects the dynamics of embolism spread in xylem. Based on the positive relationship between Fvv and HSM, species with greater vulnerability of xylem to embolism exploit less conservative water strategies, which can cause rapid failure of xylem transport during drought. These species probably utilize other mechanisms to prevent and remove embolism. Results of this thesis contribute to a better understanding of xylem development during drought and help to predict the effects of drought on xylem function.

Keywords

anatomie xylému, dřevo, embolie, hydraulic safety margins, hydraulická vodivost, laterální kontakt cév, letokruh, náchylnost k embolii, sucho, drought, embolism, hydraulic conductivity, hydraulic safety margin, intervessel lateral contact, tree ring, vulnerability to embolism, wood, xylem anatomy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 21. 6. 2019
• Supervisor: doc. RNDr. Vít Gloser, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Experimental Biology / Special Biology