Pobieranie i transport wody w roślinie

Przez roślinę stale przepływa woda, a kierunek tego przepływu wyznacza gradient jej potencjału między roztworem glebowym (skąd roślina czerpie wodę) a atmosferą. Części nadziemne roślin lądowych tracą wodę do atmosfery, gdzie potencjał wody jest na ogół dużo niższy (bardziej ujemny) niż w tkankach roślinnych. Straty wody są stale uzupełniane w wyniku pobierania wody z gleby przez system korzeniowy.

R8ETYKEqKMib6

Ilustracja przedstawia przepływ wody przez roślinę z gleby do atmosfery. Na obrazku narysowane jest wysokie drzewo liściaste widoczne w przekroju. W glebie znajduje się rozbudowany system korzeniowy a nad powierzchnią ziemi pień i liście. Od korzeni przez pień aż do liści przebiegają strzałki z napisem H2O; przy górnej strzałce występuje symbol H2O para wodna. Na poziomie najniższym znajduje się napis: potencjał wody w roztworze glebowym Psi wu równa się minus 0,3 megapaskala. Przy powierzchni gleby widoczny jest napis: potencjał wody w komórkach korzeni Psi wu równa się minus 0,6 megapaskala. Na poziomie liści widoczny jest napis: potencjał wody liści Psi wu równa się minus 7 megapaskali; nad koroną drzewa widać napis: potencjał wody w atmosferze Psi wu równa się minus 100 megapaskali.

Symulacja 1

Wybierz na symulacji wartość potencjału wody w atmosferze oraz wartość potencjału wody w glebie, a następnie przekonaj się, czy przy wybranych przez ciebie wartościach woda będzie pobierana i transportowana wzdłuż korzenia i pędu.

Zapoznaj się z opisemsymulacji wartość potencjału wody w atmosferze oraz wartość potencjału wody w glebie, a następnie przekonaj się, czy przy wybranych przez ciebie wartościach woda będzie pobierana i transportowana wzdłuż korzenia i pędu.

R1EVy9KRgHyDA

Symulacja dotyczy wartości potencjału wody w atmosferze oraz wartości potencjału wody w glebie i sprawdzenia przy wybranych wartościach, czy woda będzie pobierana i transportowana wzdłuż korzenia i pędu. Po lewej stronie symulacji jest roślina z zielonymi liśćmi oraz korzeniami znajdującymi się w glebie. Po prawej stronie można zmieniać wartości potencjału wody w atmosferze, następnie jest stała wartość potencjału wody w liściach, następnie w łodydze, w korzeniach, na końcu jest kilka wartości, które można zmieniać - dotyczą potencjału wody w glebie. Wartości stałe: potencjał wody w liściach wynosi minus 1,5 megapaskala, w łodydze minus 0,7 megapaskala, w korzeniach minus 0,4 megapaskala. Przy potencjale wody w atmosferze kolejno minus 80 megapaskali, minus 50 megapaskali oraz minus 10 megapaskali i potencjale wody w glebie kolejno minus 5, minus 2 oraz minus 1 megapaskali pojawia się informacja: Jeśli potencjał w dwóch sąsiadujących ze sobą komórkach będzie różny, to różnica potencjału sprawi, że woda przepłynie z komórki o potencjale wyższym do komórki o potencjale niższym, a więc zgodnie z gradientem potencjału wody. Przy wartościach potencjału wody w glebie rzędu minus 0,3 oraz minus 0,1 woda płynie z korzenia przez łodygę. Przy potencjale wody w atmosferze rzędu minus 1 megapaskal oraz minus 0,1 megapaskala i przy potencjałach wody w glebie kolejno dla tych wartości minus 5, minus 2, minus 1, minus 0,3 oraz minus 0,1 megapaskala pojawia się informacja: Jeśli potencjał w dwóch sąsiadujących ze sobą komórkach będzie różny, to różnica potencjału sprawi, że woda przepłynie z komórki o potencjale wyższym do komórki o potencjale niższym, a więc zgodnie z gradientem potencjału wody.

Symulacja dotyczy wartości potencjału wody w atmosferze oraz wartości potencjału wody w glebie i sprawdzenia przy wybranych wartościach, czy woda będzie pobierana i transportowana wzdłuż korzenia i pędu. Po lewej stronie symulacji jest roślina z zielonymi liśćmi oraz korzeniami znajdującymi się w glebie. Po prawej stronie można zmieniać wartości potencjału wody w atmosferze, następnie jest stała wartość potencjału wody w liściach, następnie w łodydze, w korzeniach, na końcu jest kilka wartości, które można zmieniać - dotyczą potencjału wody w glebie. Wartości stałe: potencjał wody w liściach wynosi minus 1,5 megapaskala, w łodydze minus 0,7 megapaskala, w korzeniach minus 0,4 megapaskala. Przy potencjale wody w atmosferze kolejno minus 80 megapaskali, minus 50 megapaskali oraz minus 10 megapaskali i potencjale wody w glebie kolejno minus 5, minus 2 oraz minus 1 megapaskali pojawia się informacja: Jeśli potencjał w dwóch sąsiadujących ze sobą komórkach będzie różny, to różnica potencjału sprawi, że woda przepłynie z komórki o potencjale wyższym do komórki o potencjale niższym, a więc zgodnie z gradientem potencjału wody. Przy wartościach potencjału wody w glebie rzędu minus 0,3 oraz minus 0,1 woda płynie z korzenia przez łodygę. Przy potencjale wody w atmosferze rzędu minus 1 megapaskal oraz minus 0,1 megapaskala i przy potencjałach wody w glebie kolejno dla tych wartości minus 5, minus 2, minus 1, minus 0,3 oraz minus 0,1 megapaskala pojawia się informacja: Jeśli potencjał w dwóch sąsiadujących ze sobą komórkach będzie różny, to różnica potencjału sprawi, że woda przepłynie z komórki o potencjale wyższym do komórki o potencjale niższym, a więc zgodnie z gradientem potencjału wody.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D6H95UU9E

Pobieranie wody przez rośliny

Rośliny mogą pobierać wodę ze środowiska dwoma sposobami: 

• przez cały organizm (np. w przypadku mchów, a czasem roślin naczyniowych, gdy wodę pobiera cały pęd);

• przez wyspecjalizowane organy (np. korzenie roślin wyższych, pokryte włośnikamiwłośnikiwłośnikami).

Mchy

Mchy

Mchy pozyskują wodę z wilgotnego otoczenia. W warunkach wysokiej wilgotności powietrza mogą zawierać od 3 do 15 razy więcej wody niż wówczas, gdy powietrze jest suche. Woda zostaje pobrana szybko, ponieważ listki niektórych mchów, np. mchu płonnika nie zawierają skórki górnej, a komórki miękiszu tworzą szeregi komórek, między które wnika woda – roślina nasiąka wodą w ciągu kilku minut i po półgodzinie osiąga maksymalne uwodnienie.

Pędy roślin naczyniowych

Pędy roślin naczyniowych

Pędy roślin naczyniowych pokryte są kutykuląkutykulakutykulą, która ogranicza parowanie i zarazem utrudnia pobieranie wody z wilgotnego otoczenia. Dlatego też pędy pobierają wodę tylko przez wyspecjalizowane komórki, hydatody (przepuszczalne dla wody miejsca w epidermie, poprzez które zachodzi również wydalanie wody z tkanki), a także przez pozbawione kutyny podstawy specjalnych włosków na epidermie lub łuski zdolne do pęcznienia (np. u bromeliowatych – Bromeliaceae).

R1SxbQ2m8cvIE

Zdjęcie przedstawia oplątwę brodaczkowa pod powiększeniem 20x, ukazującym łuski zdolne do pęcznienia. Łuski są usytuowane wzdłuż łodygi rośliny, pomiędzy nimi widać owalne otwory.

U paprotników i roślin nasiennych organem przystosowanym do pobierania wody ze środowiska jest korzeń. Woda pobierana jest przez włośniki na drodze osmozy, natomiast jony soli mineralnych są selektywnie transportowane do wnętrza komórek skórki korzenia za pomocą przenośników w błonie komórkowej. 

Transport wody w roślinie

W obrębie rośliny wyróżnia się dwa rodzaje transportu wody i rozpuszczonych w niej soli mineralnych: 

• transport krótkodystansowy (od komórki do komórki),

• transport długodystansowy (w elementach przewodzących drewnadrewno (ksylem)drewna, czyli ksylemudrewno (ksylem)ksylemu). 

Transport krótkodystansowy w poprzek korzenia 

Przemieszczanie się wody i soli mineralnych w poprzek korzenia jest przykładem transportu krótkodystansowego i zachodzi trzema szlakami: 

• symplastycznym - przez protoplasty komórek połączone plazmodesmami;

• apoplastycznym - przez ściany komórkowe i przestwory międzykomórkowe;

• transmembranowym - woda i jony wielokrotnie pokonują błonę komórkową, wychodząc z jednej komórki i wchodząc do kolejnej. Transport transmembranowy wody zachodzi na drodze osmozy.

Transport apoplastyczny ulega zablokowaniu w endodermie (śródskórni), ze względu na występowanie w ścianach jej komórek pasemek Caspary’egopasemka Caspary'egopasemek Caspary’ego. Ich obecność zapobiega także cofaniu się wody z ksylemu do komórek kory pierwotnej korzenia oraz zmusza roztwór ze szlaku apoplastycznego do przejścia przez błonę komórkową komórek endodermy, co pozwala roślinie na selektywną kontrolę pobieranych soli mineralnych. Po opuszczeniu endodermy woda wraz z rozpuszczonymi w niej jonami mineralnymi przenika do elementów przewodzących drewna (ksylemu).

RNPB5AOO4JJ7T

Schemat przedstawia przekrój poprzeczny przez korzeń z przedstawionymi schematycznie drogą symplastyczną (różowe strzałki) i apoplastyczną (niebieskie strzałki). Na schemacie zaznaczono komórki roślinne w postaci nieregularnych, przypominających owal kształtów. Poczynając od prawej strony zaznaczono pośrodku struktury kolorem niebieskim komórki drewna. Oddziela je od pozostałej części warstwa połączonych ze sobą podłużnie ułożonych komórek endodermy (śródskórni). Dalej w lewą stronę znajdują się komórki kory pierwotnej, a na krawędzi komórki ryzodermy. Z jednej z tych komórek odchodzi włośnik - podłużna obła struktura. Przez włośnik biegnie niebieska linia opisana jako kanał apoplastyczny oraz czerwona linia opisana jaka kanał symplastyczny. Od jednej i drugiej linii odchodzą czerwone i niebieskie strzałki biegnące przez cały korzeń, które kończą się w komórkach drewna.

Transport długodystansowy w elementach przewodzących ksylemu

Transport długodystansowy wody wraz z rozpuszczonymi w niej solami mineralnymi zachodzi w komórkach przewodzących drewna - cewkach i naczyniach. Wyróżnia się dwa mechanizmy przemieszczające wodę w ciągach przewodzących: 

• siłę transpiracyjną (siłę ssącą liści), która jest głównym mechanizmem translokacji wody w ksylemie,

• parcie korzeniowe. które odgrywa znaczącą rolę w przypadku ograniczonego działania siły transpiracyjnej.

Siła transpiracyjna

Siła transpiracyjna, nazywana również siłą ssącą liści, jest wynikiem transpiracji, czyli parowania wody z nadziemnych części roślin, głównie liści. 

Wskutek transpiracji następuje ciągły ubytek wody z komórek liścia. W rezultacie w naczyniach i cewkach powstaje ujemne ciśnienie hydrostatyczne (podciśnienie), które działa jak pompa ssąca, podciągając wodę z korzeni. Zjawisko to jest związane z powstaniem gradientu potencjału wody – w wyniku transpiracji potencjał wody w liściach obniża się, co powoduje przepływ wody z obszarów o wyższym potencjale (gleba, korzenie) do obszarów o niższym potencjale (liście).

Ponieważ transpiracja jest procesem biernym, transport wody w ksylemie nie wymaga nakładu energii metabolicznej (ATP). Siłą napędową tego zjawiska jest energia słoneczna, która umożliwia parowanie wody z nadziemnych części rośliny, nadając bieg całemu procesowi . 

Sprawne przemieszczanie się wody w elementach przewodzących ksylemu wspomagają siły kohezji i adhezji.

Siły kohezji powodują wzajemne przyciąganie się cząsteczek wody, wynikające z tworzenia się pomiędzy nimi wiązań wodorowych. Umożliwia to utrzymanie w ksylemie ciągłości słupa wody pod ciśnieniem, pomimo jego dużego ciężaru oraz działania grawitacji.

Siły adhezji, czyli siły przyciągania między cząsteczkami wody a ścianami naczyń ksylemu pomagają utrzymać wodę przy ścianach naczyń i cewek oraz przeciwdziałają jej opadaniu pod wpływem grawitacji.

Parcie korzeniowe

Parcie korzeniowe jest dodatnim ciśnieniem hydrostatycznym, które tłoczy sok ksylemowy od korzenia w górę rośliny. Ciśnienie to powstaje dzięki transportowi aktywnemu jonów nieorganicznych z komórek miękiszowych walca osiowego do wnętrza elementów ksylemu (wbrew gradientowi stężeń, z nakładem energii). Powoduje to obniżenie potencjału wody w soku ksylemowym, co wymusza osmotyczny napływ wody z tkanek sąsiednich. Wzrost objętości cieczy w ograniczonej przestrzeni cewek i naczyń generuje siłę, która tłoczy wodę w górę rośliny.

Parcie korzeniowe ma szczególne znaczenie w nocy, podczas ciepłych dni z dużą wilgotnością powietrza oraz wczesną wiosną, gdy roślina nie ma jeszcze liści, ponieważ wtedy transpiracja jest mocno ograniczona lub nie zachodzi wcale. W pozostałych okresach, pełni funkcję wspomagającą względem głównej siły transportu pionowego wody - siły transpiracyjnej. 

Gutacja

Skutkiem parcia korzeniowego jest m.in. gutacja, czyli pozbywanie się nadmiaru wody poprzez jej wydzielanie w postaci kropel. Woda jest wydzielana przez specjalne struktury - hydatodyhydatodyhydatody, znajdujące się na brzegach i wierzchołku liści w miejscach zakończenia wiązek przewodzących.

R1JSXFIEhnOSh

Zdjęcie przedstawia zieloną łodygę skrzypu polnego. Na jego kłączach, w regularnych odległościach od siebie znajdują się przeźroczyste krople.

RlSdUliyP1aey

Zdjęcie przedstwia przybliżenie na zielony liść rośliny. Na jego krawędzich znajdują się okrągłe, przeźroczyste krople.

RvALE49YUhWKp

Zdjęcie przedstawia grzyby o białym kapeluszu, przypominającym puchaty koc. W otworach jego kapelusza widoczne są krwistoczerwone krople cieczy, które odbarwiają kapelusz na jasnoróżowy kolor.

Dla zainteresowanych

Poza gutacją, skutkiem parcia korzeniowego jest również eksudacja, zwana „płaczem roślin”. Zjawisko to polega na wydzielaniu się płynu z uszkodzonej powierzchni pędu lub korzenia. Wydzielony płyn (eksudat) zawiera rozpuszczone w wodzie jony soli mineralnych i proste związki organiczne, a także niektóre fitohormony. Eksudacja wynika z silnego parcia korzeniowego i jest właściwością nielicznych gatunków roślin. U drzew umiarkowanego klimatu (np. klonów, brzóz) pojawia się na wiosnę przed rozwojem liści, u palm – przed zakwitaniem.

Zjawisko „płaczu roślin” wykorzystywane jest do pozyskiwania soku z drzew, głównie z brzozy brodawkowatej (Betula pendula) i klonu zwyczajnego (Acer platanoides).

Sok z brzozy, zwany w Polsce oskołą, oprócz wody zawiera głównie fruktozę, a ponadto składniki mineralne. Spożywany jest zarówno w formie świeżej, jak i sfermentowanej, w postaci napoju niskoalkoholowego. Oskoła stosowana jest też w kosmetyce, jako środek oczyszczający i poprawiający kondycję skóry. Z kolei cukrem zawartym w soku klonowym jest głównie sacharoza. Uzyskany napój wykorzystywany jest w leczeniu nadciśnienia tętniczego i nieprawidłowego trawienia. W wyniku odparowania wody z soku powstaje syrop klonowy, którego produkcja kojarzy się przede wszystkim z Kanadą.

RCIftG0JGWc0e1

Zdjęcie wykonano wczesną wiosną, w pogodny dzień. Przedstawia las klonowy. Na trawie leży niewielka ilość śniegu. Na drzewach, które nie mają jeszcze liści przymocowane są niewielkie, czarne wiadra. W tradycyjny sposób tak zbiera się oskołę, czyli sok z drzew. W tle widoczne są nieliczne drzewa iglaste.

Podsumowanie

• Przez roślinę stale przepływa woda, a kierunek tego przepływu wyznacza różnica jej potencjału między roztworem glebowym (skąd roślina czerpie wodę) a atmosferą (do której ostatecznie trafia po odparowaniu z liści).

• Rośliny pobierają wodę całą powierzchnią ciała (mszaki) lub przez wyspecjalizowane organy, głównie korzenie (paprotniki i rośliny nasienne).

• Transport wody w roślinie dzieli się na: krótkodystansowy i długodystansowy.

• Transport krótkodystansowy zachodzi trzema szlakami: symplastycznym, apoplastycznym i transmembranowym.

• Woda pobierana przez korzenie z gleby transportowana jest przez warstwy tkanek korzenia do elementów przewodzących drewna (cewek i naczyń), którymi przemieszczana jest do nadziemnych części.

• Transport długodystansowy w cewkach i naczyniach warunkowany jest działaniem dwóch mechanizmów: siły transpiracyjnej i parcia korzeniowego.

• Siła transpiracyjna jest główną siłą transportu długodystansowego; powstaje w liściach w wyniku transpiracji, czyli parowania wody z ciała rośliny. Jest to ujemne ciśnienie hydrostatyczne zasysające wodę zgodnie z gradientem jej potencjału.

• Przemieszczanie wody przez siłę transpiracyjną wspomagają siły adhezji i kohezji zapewniające utrzymanie ciągłego słupa wody w elementach przewodzących drewna i przeciwdziałające jego grawitacyjnemu opadaniu.

• Parcie korzeniowe jest dodatnim ciśnieniem hydrostatycznym tłoczącym wodę z korzeni do części nadziemnych. Jest to proces aktywny (zależny) od hydrolizy ATP) odgrywający kluczową rolę w translokacji wody w warunkach ograniczających transpirację. 

• Efektem parcia korzeniowego jest zjawisko gutacji.

Ćwiczenia utrwalające

Ćwiczenie 4

R18ELSyP3iFiT

Ilustracja

Powyższe zdjęcie przedstawia ryzodermę rośliny z rodzaju lilia (Lilium).

RbPxStkDR2kz0

Zaznacz na schemacie strefę korzenia, której ryzoderma wygląda tak jak na rysunku powyżej.

Zaznacz na schemacie strefę korzenia, której ryzoderma wygląda tak jak na rysunku powyżej.

Ćwiczenie 4

R1D96o6sZ1kwI

Ułóż we właściwej kolejności części korzenia palowego. Rozpocznij od części znajdującej się na górze, przy powierzchni ziemi. Elementy do uszeregowania: 1. strefa włośnikowa, 2. stożek wzrostu, 3. strefa wydłużenia, 4. strefa korzeni bocznych

Ułóż we właściwej kolejności części korzenia palowego. Rozpocznij od części znajdującej się na górze, przy powierzchni ziemi. Elementy do uszeregowania: 1. strefa włośnikowa, 2. stożek wzrostu, 3. strefa wydłużenia, 4. strefa korzeni bocznych