Gospodarka wodna roślin
Bilans wodny roślin
Wyjaśnisz czym jest bilans wodny rośliny.
Scharakteryzujesz rodzaje transpiracji.
Opiszesz wpływ czynników anatomicznych oraz środowiskowych na intensywność transpiracji.
Wyjaśnisz czym jest susza klimatyczna i fizjologiczna oraz omówisz ich przyczyny.
Opiszesz strategie roślin przeciwdziałania stresowi wodnemu.
Prawidłowa gospodarka wodna warunkuje wzrost, rozwój oraz przebieg wszystkich procesów życiowych rośliny. Proces ten obejmuje trzy kluczowe etapy: pobieranie wody z podłoża, jej transport wewnątrz organizmu oraz wydalanie do atmosfery.
Parametrem określającym różnicę między pobieraniem a utratą wody jest bilans wodny. Wyróżnia się trzy stany bilansu wodnego roślin:
bilans zrównoważony (zerowy) - gdy ilość pobieranej wody jest niemal równa jej ubytkom. Jest to stan optymalny, w którym komórki zachowują pełny turgor, co pozwala roślinie na swobodny wzrost, efektywną fotosyntezę oraz utrzymanie pionowej postawy.
bilans dodatni - gdy roślina pobiera więcej wody, niż traci. Taka sytuacja może mieć miejsce w nocy lub przy bardzo wysokiej wilgotności powietrza, gdy parowanie jest ograniczone. Zwiększa się wówczas uwodnienie tkanek, a nadmiar pobranej wody może być usuwany w postaci kropel przez hydatody w procesie gutacji.
bilans ujemny (deficyt wodny) – gdy utrata wody przewyższa jej pobieranie. Prowadzi to do spadku turgoru i stopniowego wiotczenia organów.
Najważniejszymi czynnikami wpływającymi na bilans wodny roślin są transpiracja i dostępność wody w podłożu.
Rodzaje transpiracji i jej regulacja
Transpiracja, czyli utrata wody wskutek jej parowania z nadziemnych części roślin może zachodzić trzema drogami:
przez kutykulę - transpiracja kutykularna,
przez szparki - transpiracja szparkowa,
przez perydermę - transpiracja perydermalna.
Transpiracja kutykularna polega na parowaniu wody bezpośrednio z powierzchni rośliny przez skórkę. Ponieważ kutykulę buduje głównie kutyna – substancja tłuszczowa praktycznie nieprzepuszczalna dla wody – straty tą drogą są niewielkie i wynoszą zazwyczaj od 1% do 10% całkowitej transpiracji. Wartości te zależą przede wszystkim od grubości kutykuli. U kserofitów, zasiedlających środowiska suche i gorące, kutykula jest wyjątkowo gruba, natomiast u mezofitów rosnących w klimacie umiarkowanym, cienka.
Transpiracja szparkowa polega na utracie wody przez aparaty szparkowe. W przeciwieństwie do parowania przez kutykulę, proces ten jest czynnie regulowany przez roślinę. Odbywa się to przede wszystkim poprzez mechanizm otwierania i zamykania szparek, ale także dzięki dostosowaniu ich liczby oraz rozmieszczenia w liściu. W sytuacjach skrajnego deficytu wody, ostateczną strategią obronną rośliny jest zrzucanie liści, co pozwala radykalnie ograniczyć powierzchnię parowania.
W liściach kserofitów aparaty szparkowe są rozmieszczone w sposób ograniczający utratę wody, często wyłącznie na spodniej stronie liścia, w specjalnych zagłębieniach otoczonych włoskami, które tworzą dodatkową barierę ochronną. Z kolei u higrofitów, żyjących w warunkach wysokiej wilgotności, aparaty szparkowe często są rozmieszczone po obu stronach liścia i bywają uniesione ponad powierzchnię epidermy (na niewielkich wypukłościach), co ułatwia parowanie wody w nasyconym wilgocią środowisku.
Przeprowadź obserwację w laboratorium. Rozwiąż problem badawczy i zweryfikuj hipotezę. Zapisz obserwacje i wnioski w formularzu.
Zapoznaj się z opisem obserwacji w laboratorium. Rozwiąż problem badawczy i zweryfikuj hipotezę. Zapisz wnioski w formularzu.
Temat: Obserwacja rozmieszczenia aparatów szparkowych na powierzchni liścia – wykonanie repliki powierzchni
Problem naukowy: Po której stronie blaszki liściowej występują aparaty szparkowe?
Hipoteza: Aparaty szparkowe w liściach są rozmieszczone w dolnej skórce blaszki liściowej.
Materiał biologiczny:
liść pszenicy;
liść jabłoni;
liść grążela.
Sprzęt laboratoryjny:
szkiełka podstawowe;
szkiełka nakrywkowe;
igła preparacyjna;
żyletka/skalpel;
pipeta automatyczna/pipeta Pasteura;
pręcik szklany;
pęseta;
mikroskop świetlny.
Materiały:
kolodium (roztwór nitrocelulozy w mieszaninie acetonu z eterem dietylowym) lub zamiennie bezbarwny lakier do paznokci;
woda;
kawałek mydła;
bibuła.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DCXX8BP8P
Przebieg doświadczenia:
1. Zostało przygotowanych sześć szkiełek podstawowych i podpisanych: pszenica skórka górna, pszenica skóra dolna, jabłoń skórka górna, jabłoń skórka dolna, grążel skórka górna, grążel skórka dolna.
2. Szkiełka podstawowe zostały odtłuszczone mydłem, a następnie oczyszczone bibułą.
3. Z każdego z zielonych liści trzech gatunków: pszenicy, grążela i jabłoni wykrojony został żyletką kwadrat o powierzchni jednego centymetra sześciennego.
4. Wykrojone skrawki zostały przeniesione pęsetą na trzy szkiełka zegarkowe i za pomocą szklanej bagietki naniesiono na nie bardzo cienką warstwę kolodium.
5. Po odparowaniu acetonu i eteru z kolodium na powierzchni pozostała bardzo cienka błona, którą ostrożnie zdjęto za pomocą pęsety z powierzchni liścia i umieszczono na odpowiednio podpisanym szkiełku: pszenica skórka górna, jabłoń skórka górna, grążel skórka górna.
6. Odwrócono skrawki liści na drugą stronę i ponownie naniesiono na nie kolodium.
7. Po odparowaniu acetonu i eteru z kolodium ostrożnie, za pomocą pęsety zdjęto z powierzchni liścia bonę zaschniętego kolodium i umieszczono ją na odpowiednio podpisanych szkiełkach: pszenica skóra dolna, jabłoń skórka dolna, grążel skórka dolna.
8. Na odciski z kolodium dodano kroplę wody. Delikatnie przykryto materiał badawczy szkiełkami nakrywkowymi.
9. Wybrano kolejne preparaty i położono na stoliku mikroskopu. Na preparacie pszenicy skórki górnej zaobserwowano występowanie aparatów szparkowych. Na preparacie pszenicy skórki dolnej również zaobserwowano występowanie aparatów szparkowych. Na preparacie jabłoni skórki górnej nie zaobserwowano aparatów szparkowych, natomiast na preparacie jabłoni skórki dolnej zaobserwowano aparaty szparkowe. Na preparacie grążela skórki górnej zaobserwowano aparaty szparkowe, natomiast na preparacie grążela skórki dolnej aparatów szparkowych nie było.
Transpiracja perydermalna polega na parowaniu wody przez przetchlinki znajdujące się w zewnętrznej warstwie perydermy - korku. Ten rodzaj transpiracji występuje u roślin drzewiastych, których organy wykazują przyrost wtórny na grubość. Podobnie jak w przypadku transpiracji kutykularnej, proces ten odbywa się w sposób ciągły i pozostaje poza kontrolą organizmu. Udział transpiracji perydermalnej w utracie wody przez roślinę jest niewielki i wynosi ok. 1%.
Czynniki środowiskowe wpływające na intensywność transpiracji
Poza właściwościami anatomicznymi liści, takimi jak grubość kutykuli, liczba i rozmieszczenie szparek, na intensywność transpiracji wpływają również czynniki środowiskowe: wilgotność, temperatura, wiatr, światło oraz dostępność wody.
Wilgotność i temperatura
Intensywność transpiracji jest ściśle powiązana z temperaturą, która bezpośrednio wpływa na wilgotność względną powietrza. Wraz ze spadkiem temperatury maleje maksymalna ilość pary wodnej, jaką może przyjąć atmosfera. Przykładowo, gdy temperatura spadnie z 20°C do 18°C, wilgotność względna powietrza (przy stałej zawartości pary) wzrośnie o około 7%. Wyższa wilgotność otoczenia podwyższa potencjał wody w atmosferze, co zmniejsza różnicę ciśnień między liściem a otoczeniem i w efekcie hamuje parowanie. I odwrotnie – wzrost temperatury obniża wilgotność względną, co drastycznie zwiększa siłę „wyciągającą” wodę z rośliny.
Wiatr
Wiatr usuwa cienką warstwę pary wodnej, która zalega na powierzchni liścia, w wyniku czego zmniejsza się wokół nich wilgotność powietrza. Z kolei im mniejsza wilgotność, tym większa intensywność transpiracji.
Światło
Światło, w szczególności światło niebieskie, uruchamia mechanizm napływu wody do komórek szparkowych, co skutkuje otwarciem się szparek i wzrostem wzrostem transpiracji.
Dostępność wody w glebie
Niedostatek wody obniża transpirację, gdyż mała zawartość wody w liściach skutkuje odwodnieniem tkanek i zamykaniem się aparatów szparkowych. Mechanizm ten zależy od turgoruturgoru komórek szparkowych: jego obniżenie podczas suszy prowadzi do zmiany kształtu komórek szparkowych i zamknięcia szparki. Z kolei duża zawartość dostępnej dla roślin wody powoduje wzrost intensywności transpiracji.
Przeprowadź doświadczenie, a następnie wykonaj polecenia.
Zaplanuj i przeprowadź doświadczenie, które pozwoli ci rozwiązać poniższy problem badawczy. Postaw hipotezę i ją zweryfikuj. Zapisz instrukcję, obserwacje i wyniki doświadczenia oraz sformułuj wnioski.
Temat: Oznaczanie intensywności transpiracji metodą wagową
Problem badawczy: Jak zmieni się objętość wody pokrytej warstwą oleju w zlewce z liśćmi selera naciowego po 48 godzinach?
Materiał biologiczny:
liście selera naciowego
Odczynniki:
olej roślinny
woda
Sprzęt laboratoryjny:
2 zlewki o pojemności 100 ml
Przeprowadzono doświadczenie, którego tematem było oznaczanie intensywności transpiracji metodą wagową.
Problemem badawczym była zmiana objętości wody pokrytej warstwą oleju w zlewce z liśćmi selera naciowego po czterdziestu ośmiu godzinach.
Wykorzystano materiał biologiczny, czyli liście selera naciowego. Odczynniki – wodę i olej roślinny.
A także sprzęt laboratoryjny: dwie zlewki o pojemności stu mililitrów.
Postawiono hipotezę badawczą, według której objętość wody pokrytej warstwą oleju w zlewce z liśćmi selera zmaleje.
Do zlewki z wodą wsadzono liście selera. Zielone liście selera naciowego mają mocno powcinane, ząbkowane brzegi. Są niewielkie. Druga zlewka pozostała bez rośliny. Obie zlewki pokryto warstwą oleju. Po 48 godzinach zaobserwowano, że objętość wody w zlewce po wyciągnięciu liści selera zmalała o pięć mililitrów.
Wysunięto wniosek, że dzięki transpiracji doszło do odparowania wody przez liście.
Głównym organem transpiracji są liście, z których para wodna uchodzi przez szparki.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DCXX8BP8P
Zdjęcie przedstawia metalowy stół laboratoryjny, na którym znajdują się trzy zlewki. Jedna z nich zawiera olej roślinny, a dwie pozostałe wodę. Obok zlewek znajduje się kilka liści zielonego selera naciowego. Mają one mocno powcinane, ząbkowane brzegi. Są niewielkie. Z tyłu przy ścianie znajdują się pipety automatyczne w prostokątnym, przezroczystym pojemniku oraz szkło laboratoryjne.
Susza klimatyczna i susza fizjologiczna
Większość roślin lądowych jest nieustannie narażona na okresowe niedobory wody w podłożu. Mogą one wynikać z fizycznego braku wody lub jej niedostatecznej ilości spowodowanych niedoborem opadów – zjawisko to nazywamy suszą klimatyczną.
Rośliny mogą jednak doświadczać również sytuacji, w której woda jest obecna w glebie, lecz pozostaje dla nich nieosiągalna. Stan ten określa się mianem suszy fizjologicznej.
To stosunkowo długotrwały okres z brakiem opadów atmosferycznych lub z dużym ich niedoborem (w porównaniu ze średnimi wartościami wieloletnimi), co skutkuje brakiem lub niedostateczną ilością wody w glebie.
Susza klimatyczna występuje najczęściej na obszarach sawannowych, charakteryzujących się porą suchą trwającą od 3 do 10 miesięcy i niewielką ilością opadów atmosferycznych w porze deszczowej, oraz na obszarach stepowych, cechujących się gorącym latem, mroźną zimą, niewielką ilością opadów atmosferycznych i dużymi wahaniami temperatury powietrza.
Coraz częstsze susze spowodowane są również globalnym ociepleniem oraz bezpośrednią działalnością człowieka, taką jak: wycinanie lasów równikowych i zakrzewień sawannowych, zaburzenie naturalnej retencji wody poprzez niszczenie szaty roślinnej, osuszanie terenów podmokłych oraz regulacja rzek.
To stan, w którym roślina nie może pobrać wody pomimo jej obecności w glebie. Przyczynami suszy fizjologicznej mogą być:
zasolenie gleby,
niska temperatura,
brak tlenu w glebie.
Pobieranie wody przez korzeń zachodzi tylko wtedy, gdy potencjał wody w jego komórkach jest niższy niż w glebie. Wysokie stężenie rozpuszczonych w podłożu soli drastycznie obniża potencjał wody roztworu glebowego, zwiększając siły osmotyczne zatrzymujące w nim wodę. W takiej sytuacji, potencjał wody w komórkach korzenia jest wyższy niż w glebie i mimo fizycznej obecności wody, roślina nie jest w stanie jej pobrać (susza fizjologiczna). Prowadzi to do spadku turgoru w komórkach korzenia, co natychmiast hamuje ich wzrost. Ponieważ korzenie przestają się wydłużać i eksplorować nowe warstwy podłoża, zdolność rośliny do pozyskiwania wody zostaje dodatkowo ograniczona.
Do przyczyn suszy fizjologicznej należą także niska temperatura oraz mroźne wiatry. Zjawisko to często nasila się po suchej jesieni, gdy niewielka ilość opadów nie pozwala roślinom zgromadzić odpowiednich zapasów wody przed zimą. W mroźne dni silny wiatr zwiększa transpirację, natomiast zamarznięta gleba uniemożliwia korzeniom pobieranie wody. Szczególnie niebezpieczna jest wczesna wiosna. Intensywne nasłonecznienie pobudza transpirację z nadziemnych częściach rośliny, ale korzenie nadal nie mogą pobierać wody z zamarzniętej gleby. Na ten rodzaj suszy fizjologicznej najbardziej narażone są rośliny zimozielone (bukszpany, rododendrony i rośliny iglaste), które nie zrzucają liści na zimę i transpiaracja zachodzi u nich przez cały rok.
Przyczyną suszy fizjologicznej może być również brak tlenu w glebie, np. wskutek zalania. Tlen jest korzeniom niezbędny do przeprowadzania oddychania komórkowego, które dostarcza energii (ATP) potrzebnej do aktywnego pobierania soli mineralnych z podłoża. W takiej sytuacji potencjał wody w komórkach korzenia staje się wyższy niż roztworu glebowego, a woda z podłoża niedostępna.
Stres wodny i sposoby łagodzenia jego skutków
Jednym ze skutków deficytu wody jest stres wodny, czyli niedobór wody w tkankach. Zjawisko to powstaje, gdy zawartość wody spada poniżej wartości krytycznej dla danego gatunku rośliny. Prawie każdy proces przebiegający w komórkach roślinnych ulega zmianom pod wpływem deficytu wody.
Czynniki decydujące o natężeniu stresu wodnego:
ilość utraconej wody;
szybkość odwadniania;
czas trwania deficytu wody.
Rośliny rosnące w warunkach deficytu wody są zazwyczaj mniejsze, pozbawione turgoru, o jasnym zabarwieniu, bardziej wrażliwe na choroby i ataki szkodników, a także gorzej zaopatrzone w składniki pokarmowe.
Rośliny wykorzystują co najmniej kilka strategii obronnych przed stresem wodnym. Jedną z nich jest uruchomienie mechanizmów osmoregulacji. Umożliwiają one roślinie kontrolę potencjału osmotycznego komórek. Proces ten polega na gromadzeniu, np. w wakuoli substancji obniżających potencjał wody w komórce. W uruchomieniu procesów obrony przed skutkami odwodnienia uczestniczą niektóre fitohormony, w szczególm.in. etylen i kwas abscysynowy.
Przeanalizuj symulację interaktywną, a następnie określ, jaki rodzaj suszy (fizjologiczna czy klimatyczna) został na niej przedstawiony. Odpowiedź uzasadnij.
Przeanalizuj opis symulacji interaktywnej, a następnie określ, jaki rodzaj suszy (fizjologiczna czy klimatyczna) został na niej przedstawiony. Odpowiedź uzasadnij.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DCXX8BP8P
Symulacja interaktywna ilustruje wpływ stężenia roztworu glebowego na pobieranie wody przez roślinę. Na ekranie startowym widoczna jest niewielka roślina z długą łodygą oraz liśćmi rosnącymi po obu jej stronach. Roślina jest umocowana korzeniami w glebie, która na symulacji jest w przekroju – widoczne są korzenie znajdujące się pod ziemią. W prawym górnym rogu symulacji znajduje się ramka z napisem psi indeks dolny w roztworu glebowego. Poniżej znajduje się oś zaznaczonymi dwoma punktami – minus 0,9 megapaskala oraz minus 0,1 megapaskala. Po zaznaczeniu na osi punktu o wartości minus 0,9 megapaskala pojawia się poniżej napis: „Duże stężenie soli w środowisku zmniejsza dostępność wody dla rośliny, gdyż zwiększają się siły osmotyczne utrzymujące wodę w roztworze glebowym. Potencjał wodny roztworu glebowego staje się bardzo niski. W wyniku ograniczonego pobierania wody maleje turgor, co natychmiast prowadzi do zahamowania wzrostu komórek na długość.” Jednocześnie na grafice liście rośliny opadają, a w przekroju ziemi pojawiają się liczne, mniejsze i większe niebieskie punkty. Na niektórych z nich widoczny jest symbol plus, a na niektórych symbol minus. Do korzeni prowadzą też dwie półokrągłe, niebieskie strzałki, które przekreślone są czerwonym krzyżykiem. Po zaznaczeniu na osi punktu o wartości minus 0,1 megapaskala pojawia się napis: „W obrębie rośliny odbywa się stale przepływ wody, którego kierunek zależy od gradientu potencjału wody, powstającego między poszczególnymi częściami rośliny. Woda przepływa zawsze z komórki, w której potencjał wody jest wyższy od komórki o niższym potencjale, a więc zgodnie z gradientem potencjału wody”. Na grafice pojawiają się jednocześnie cienkie, niebieskie linie, które wnikają w korzenie, wędrując wzdłuż łodygi przez liście i kolejno wydostają się do góry poza roślinę w formie trzech krętych, równoległych do siebie linii.
Podsumowanie
Bilans wodny rośliny to różnica ilości wody pobranej przez roślinę z podłoża oraz ilości wody wydalonej do atmosfery.
Wyróżnia się trzy stany bilansu wodnego: zrównoważony (zerowy), dodatni i ujemny.
Najważniejszymi czynnikami wpływającymi na bilans wodny roślin są dostępność wody w podłożu oraz transpiracja.
Wyróżnia się trzy rodzaje transpiracji: kutykularną (przez kutykulę), szparkową (przez aparaty szparkowe) oraz perydermalną (przez przetchlinki).
Ze względu na znaczenie dla bilansu wodnego najważniejsza jest transpiracja szparkowa, której intensywność jest regulowana przez roślinę.
Czynniki wpływające na transpirację można podzielić na: anatomiczne oraz środowiskowe. Do czynników anatomicznych należą: powierzchnia liści, grubość kutykuli, powierzchnia liści oraz liczba i rozmieszczenie aparatów szparkowych. Do czynników środowiskowych należą: wilgotność i temperatura, wiatr, światło oraz dostępność wody w podłożu.
Niedobór wody w glebie spowodowany czynnikami klimatycznymi nazywany jest suszą klimatyczną.
Susza fizjologiczna to stan, w którym woda jest w glebie, jednak jest ona niedostępna dla roślin. Przyczynami suszy fizjologicznej są: zasolenie gleby, niska temperatura powodująca zamarzanie roztworu glebowego oraz brak tlenu w glebie.
Stres wodny to niedobór wody w tkankach. Natężenie i skutki stresu wodnego zależą od: ilości utraconej wody, tempa odwadniania oraz czasu trwania deficytu wody.
Podstawową strategią roślin chroniącą przed stresem wodnym jest osmoregulacja polegająca na syntezie i deponowaniu, np. w wakuoli substancji osmotycznie czynnych. Obniża to potencjał osmotyczny i ułatwia utrzymanie wody oraz turgoru.
Ćwiczenia utrwalające
Transpiracja to: Możliwe odpowiedzi: 1. Kontrolowane wydzielanie kropel wody na brzegach liściowych., 2. Parowanie wody z roślin głównie przez aparaty szparkowe., 3. Parowanie wody z roślin w warunkach wysokiej wilgotności powietrza., 4. Niekontrolowanie wydzielanie kropel wody na łodygach.
W wielu miejscach w Polsce do posypywania ulic i chodników w czasie zimy stosuje się sól drogową. Składa się ona w ponad 90% z chlorku sodu, a jej działanie polega na obniżaniu temperatury zamarzania wody do ok. −5°C. Słone zaspy długo zalegają na poboczach, co ma bardzo negatywny wpływ na roślinność. Na wiosnę młode pędy drzew i krzewów usychają, liście ciemnieją i odpadają. Po paru latach stosowania soli drogowej drzewa zaczynają umierać.
Wróć do polecenia na stronie „Na dobry początek” i dopisz brakujące definicje. Pamiętaj, żeby nie kopiować słownika, ale wyjaśnić każde słowo kluczowe w miarę możliwości swoimi słowami.