Hrvoje Malkoč
OPTIČNE LASTNOSTI SKORJE NAVADNE LESKE
Magistrsko delo
Ljubljana, 2020
UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA Dvopredmetni učitelj biologije in kemije
Hrvoje Malkoč
OPTIČNE LASTNOSTI SKORJE NAVADNE LESKE
Magistrsko delo
Mentorica: izr. prof. dr. Alenka Gaberščik
Ljubljana, 2020
I
Magistrsko delo predstavlja zaključek magistrskega študija 2. bolonjske stopnje Dvopredmetni učitelj biologije in kemije na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani. Opravljeno je bilo na prostem in na Katedri za ekologijo in varstvo okolja na Oddelku za biologijo Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani.
Študijska komisija Pedagoške fakultete je odobrila predlagano temo magistrskega dela z naslovom Optične lastnosti skorje navadne leske. Za mentorico je imenovala izr. prof. dr.
Alenko Gaberščik.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednica: doc. dr. Tadeja Trošt Sedej
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo Mentorica: izr. prof. dr. Alenka Gaberščik
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo Članica: prof. dr. Mateja Germ
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Datum zagovora:
Podpisani izjavljam, da je magistrska naloga rezultat lastnega raziskovalnega dela in se strinjam z objavo svoje naloge na spletni strani Digitalne knjižnice Pedagoške fakultete.
Izjavljam, da je naloga oddana v elektronski obliki, identična tiskani verziji.
Hrvoje Malkoč
II
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA
ŠD DK
KG navadna leska / skorja / listi / odbojnost / presevnost / absorbanca / spektri / pigmenti / potencialna fotokemična učinkovitost
AV MALKOČ, Hrvoje
SA GABERŠČIK, Alenka (mentorica)
KZ SI – 1000 Ljubljana, Kardeljeva ploščad 16
ZA Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta. Dvopredmetni učitelj biologije in kemije
LI 2020
IN OPTIČNE LASTNOSTI SKORJE NAVADNE LESKE TD Magistrsko delo (Magistrski študij – 2. stopnja)
OP IJ sl JI sl/en
AI Optične tehnologije so zelo uporabne za spremljanje vitalnosti rastlin in vplivov stresnih razmer na fotosintezne zmožnosti rastlin. Pregledali smo članke in objave, ki poročajo o optičnih lastnostih listov in skorje različnih rastlinskih vrst, sevalnih razmerah in stresnih vplivih na rastlino. V eksperimentalnem delu smo izvedli štiri nize meritev optičnih lastnosti skorje navadne leske in v prvih dveh nizih v času olistanosti tudi meritve na listih. Zanimalo nas je, kako se spreminjajo optične lastnosti v času olistanosti in tudi kasneje, ko rastlina že odvrže liste. Poleg meritev optičnih lastnosti smo izvedli tudi biokemijske raziskave, s katerimi smo ugotovljali količino klorofilov, karotenoidov, antocianov in UV absorbirajočih snovi. S pomočjo mikroskopa smo izmerili tudi določene anatomske parametre skorje. Na koncu smo rezultate statistično obdelali, da bi ugotovili ali obstajajo povezave med optičnimi, biokemijskimi in strukturnimi lastnostmi, ki smo jih merili na naših vzorcih navadne leske.
Ugotovili smo, da so bile med nizi meritev odbojnosti skorje statistično pomembne razlike, pri presevnosti pa jih ni bilo. Grafa odbojnosti skorje in listov sta se med seboj razlikovala, še posebej pri drugem nizu meritev. Določene strukturne in biokemijske lastnosti so pomembno vplivale na spektre odbojnosti in presevnosti skorje. Znižanje temperature zraka je povzročilo zmanjšanje potencialne fotokemične učinkovitosti fotosistema II.
III
KEY WORD DOCUMENTATION
ND DC
CX common hazel / bark / leaves / reflectance / transmittance / absorbance / spectra / pigments / potential photochemical efficiency
AU MALKOČ, Hrvoje
AA GABERŠČIK, Alenka (supervisor)
PP SI – 1000 Ljubljana, Kardeljeva ploščad 16
PB University of Ljubljana, Faculty of Education, Professor of chemistry and biology PY 2020
TY OPTICAL PROPERTIES OF THE BARK OF A COMMON HAZEL DT M. Sc. Thesis (Master Study Programmes)
NO LA sl AL sl/en
AB Optical technologies are very useful for monitoring plant vitality and the effects of stress conditions on plant photosynthetic capabilities. We reviewed articles and publications that report on the optical properties of leaves and bark of different plant species, radiation conditions and stress effects on the plant. In the experimental part, we performed four sets of measurements of the optical properties of the hazel bark and, in the first two sets, also on the leaves during leafing. We were interested in how the optical properties change during leafing and when the plant sheds its leaves. In addition to measurements of optical properties, we also performed biochemical research to determine the amount of chlorophyll, carotenoids, anthocyanins and UV-absorbing substances. We also used a microscope to measure certain anatomical parameters of the bark. Finally, we statistically processed the results to determine if there are associations between the optical, biochemical, and structural properties we measured on our hazel samples. We found that there were statistically significant differences between the sets of bark reflectance measurements, but there were none between transmittance.
The reflectance graphs of the bark and leaves differ from each other, especially in second set of measurements. Certain structural and biochemical properties thus influenced the reflectance and transmittance spectra of the bark. The decrease in air temperature caused a decrease in potential photochemical efficiency.
IV
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ... 1
1.1 PROBLEM IN CILJ ... 2
1.2 HIPOTEZE ... 2
2 PREGLED OBJAV ... 3
2.1 ZGRADBA IN RAZVOJ RASTLINSKIH TKIV ... 3
2.1.1 Steblo in skorja ... 3
2.1.2 Listi ... 4
2.2 PROCESI V RASTLINAH... 5
2.2.1 Fotosinteza ... 5
2.2.2 Dihanje in izmenjava plinov ... 6
2.3 SPEKTRI ELEKTROMAGNETNEGA SEVANJA ... 7
2.4 RASTLINSKI PIGMENTI ... 8
2.4.1 Klorofili... 8
2.4.2 Karotenoidi ... 10
2.4.3 Antociani ... 11
2.4.4 UV-absorbirajoče snovi ... 12
2.5 OPTIČNE LASTNOSTI RASTLIN ... 13
2.5.1 Odbojnost ali reflektanca ... 13
2.5.2 Presevnost ali transmitanca ... 13
2.5.3 Absorbanca ... 14
2.6 SEVALNE RAZMERE IN STRES ... 14
2.7 VPLIV ANATOMSKIH ZNAČILNOSTI ... 17
3 MATERIALI IN METODE ... 19
3.1 OBMOČJE IN ČAS RAZISKAVE ... 19
3.2 PREDMET RAZISKAVE (RAZISKOVANA VRSTA)... 20
3.3 METODE DELA ... 21
3.3.1 Merjenje anatomskih lastnosti ... 21
3.3.2 Merjenje fotokemične učinkovitosti ... 21
3.3.3 Merjenje optičnih lastnosti ... 22
3.3.4 Merjenje biokemijskih lastnosti ... 23
3.3.4.1 Klorofili in karotenoidi ... 23
V
3.3.4.2 Antociani ... 23
3.3.4.3 UV-absorbirajoče snovi ... 24
3.4 STATISTIČNA OBDELAVA PODATKOV ... 24
4 REZULTATI... 25
4.1 ANATOMSKE (STRUKTURNE) ZNAČILNOSTI ... 25
4.2 FOTOKEMIČNA UČINKOVITOST FOTOSISTEMA II ... 27
4.3 ODBOJNOST IN PRESEVNOST ... 28
4.3.1 Odbojnost listov ... 28
4.3.2 Presevnost listov ... 29
4.3.3 Odbojnost skorje ... 30
4.3.4 Presevnost skorje ... 31
4.4 BIOKEMIJSKE ANALIZE ... 32
4.5 ANALIZA KORELACIJ ... 33
4.6 REDUNDANČNA ANALIZA ... 35
5 RAZPRAVA ... 39
5.1 Anatomske značilnosti ... 39
5.2 Fotokemična učinkovitost ... 40
5.3 Biokemijske analize in vsebnost pigmentov v skorji ... 40
5.4 Odbojnost in presevnost skorje in listov ter povezanost z biokemijskimi in anatomskimi značilnostmi ... 41
6 SKLEPI ... 44
7 LITERATURA ... 45
VI
KAZALO SLIK
Slika 1: Minimalna dnevna temperatura zraka v času nabiranja vejic navadne leske ... 19
Slika 2: Periderm in sekundarni floem pri prečnem prerezu skorje navadne leske ... 25
Slika 3: Lenticela pri prečnem prerezu skorje navadne leske ... 26
Slika 4: Trihomi pri prečnem prerezu skorje navadne leske ... 26
Slika 5: Spektri povprečne relativne odbojnosti listov v prvi in drugi seriji ... 28
Slika 6: Spektri povprečne relativne presevnosti listov v prvi in drugi seriji ... 29
Slika 7: Spektri povprečne relativne odbojnosti skorje ... 30
Slika 8: Spektri povprečne relativne presevnosti skorje ... 31
Slika 9: Redundančna analiza povezanosti med potencialno fotokemično učinkovitostjo ter odbojnostjo skorje navadne leske. Ordinacijski diagram (redundančne analize − RDA) prikazuje neodvisno spremenljivko, označeno z rdečo puščico (Fv/Fm) in odvisne spremenljivke označene z modrimi puščicami (UV-A, UV-B, vijolična, modra, rumena, zelena, rdeča in NIR). Številke predstavljajo vzorce merjenega parametra razdeljene na štiri serije: 1-10 prva serija, 11-20 druga serija, 21-30 tretja serija, 31-40 četrta serija. ... 36
Slika 10: Redundančna analiza povezanosti med biokemijskimi in anatomskimi dejavniki ter odbojnostjo skorje navadne leske. Ordinacijski diagram (redundančne analize − RDA) prikazuje neodvisni spremenljivki, označeni z rdečimi puščicami (sekundarni floem in antociani) in odvisne spremenljivke označene z modrimi puščicami (UV-A, UV-B, vijolična, modra, rumena, zelena, rdeča in NIR). Številke predstavljajo vzorce merjenega parametra razdeljene na štiri serije: 1-10 prva serija, 11-20 druga serija, 21-30 tretja serija, 31-40 četrta serija. ... 38
VII
KAZALO TABEL
Tabela 1: Sistematska uvrstitev navadne leske ... 20 Tabela 2: Definicija barvnih pasov ... 22 Tabela 3: Povprečna debelina periderma in sekundarnega floema ± standardna deviacija (SD) za vsako serijo (ANOVA; Tukey-jevi testi; p ≤ 0.05; n = 10; program: Past 4.01). ... 27 Tabela 4: Povprečne vrednosti potencialnih fotokemičnih učinkovitosti stebel v relativnih enotah ± standardna deviacija (SD) za vsako serijo (ANOVA/MANOVA; Duncanovi testi; p
≤ 0.05; n = 10; program: IBM SPSS statistics 22.0). ... 27 Tabela 5: Povprečne vrednosti relativnih odbojnosti listov ± standardna deviacija (SD) v prvi in drugi seriji (Studentov t-test; p ≤ 0.05; n = 10; program: Microsoft Excel 2016). ... 28 Tabela 6: Povprečne vrednosti relativnih presevnosti skozi liste ± standardna deviacija (SD) v prvi in drugi seriji (Studentov t-test; p ≤ 0.05; n = 10; program: Microsoft Excel 2016). ... 29 Tabela 7: Povprečne vrednosti relativnih odbojnosti skorje ± standardna deviacija (SD) za vsako serijo (ANOVA/MANOVA; Duncanovi testi; p ≤ 0.05; n = 10; program: IBM SPSS statistics 22.0). ... 30 Tabela 8: Povprečne vrednosti relativnih presevnosti skozi skorjo ± standardna deviacija (SD) za vsako serijo (ANOVA/MANOVA; Duncanovi testi; p ≤ 0.05; n = 10; program: IBM SPSS statistics 22.0)... 31 Tabela 9: Vsebnost barvnih pigmentov v skorji navadne leske, glede na njeno površino ± standardna deviacija (SD) (ANOVA/MANOVA; Duncanovi testi; p ≤ 0.05; n = 10; program:
IBM SPSS statistics 22.0). ... 32 Tabela 10: Koeficienti korelacije med odbojnimi spektri ter anatomskimi in biokemijskimi parametri skorje navadne leske (Pearsonova korelacijska analiza; ** p ≤ 0.01, * p ≤ 0.05; n = 10; programa: IBM SPSS statistics 22.0 in Past 4.01). ... 33 Tabela 11: Koeficienti korelacije med presevnimi spektri ter anatomskimi in biokemijskimi parametri skorje navadne leske (Pearsonova korelacijska analiza; * p ≤ 0.05; n = 10;
programa: IBM SPSS statistics 22.0 in Past 4.01). ... 34 Tabela 12: Lastne vrednosti prvih štirih kanoničnih lastnosti in kumulativni odstotek
pojasnjene variance odbojnosti. ... 35 Tabela 13: Parameter (Fv/Fm), ki statistično pomembno razloži variabilnost odbojnih
spektrov in delež pojasnjene variance (%). ... 35 Tabela 14: Lastne vrednosti prvih štirih kanoničnih lastnosti in kumulativni odstotek
pojasnjene variance odbojnosti. ... 37 Tabela 15: Parametri (sekundarni floem, antociani), ki statistično pomembno razložijo variabilnost odbojnih spektrov in delež pojasnjene variance (%). ... 37
VIII
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI
Kl a klorofil a Kl b klorofil b Kar karotenoidi Ant antociani
UV ultravijolično sevanje
UV-A ultravijolično sevanje A z valovno dolžino 320-400 nm UV-B ultravijolično sevanje B z valovno dolžino 280-319 nm UV-C ultravijolično sevanje B z valovno dolžino 100-280 nm IR infrardeče sevanje
NIR bližnje infrardeče sevanje (700 – 1400 nm) PAR fotosintezno aktivno sevanje (400 – 700 nm) FS II fotosistem II
E470, E530, E645, E662 ekstinkcije pri danih valovnih dolžinah
1
1 UVOD
Brez sevanja, ki pride do nas od sonca, ne bi bilo življenja na Zemlji kot ga poznamo danes.
Rastline so organizmi, ki imajo sposobnost shranjevanja sončne energije v energetsko bogate molekule, ki predstavljajo vir energije za rastline in ostale žive organizme. Ta proces se imenuje fotosinteza in se odvija v kloroplastih, ki se nahajajo v različnih rastlinskih organih, najpogosteje v listih in steblu.
Zaradi klimatskih sprememb in obremenjevanja okolja, ki so posledica rasti števila prebivalstva in povečanih potreb po obdelovalnih površinah in dobrinah, se pojavlja vprašanje, kakšen je vpliv na rastline. Do sedaj so bili v povezavi z optičnimi lastnostmi raziskani že številni biotski in abiotski dejavniki, kot so povečana raven nekaterih plinastih onesnaževalcev, toplotni stres, vodni režim, vpliv slanosti, hranil, težkih kovin, ultravioličnega sevanja, objedanja škodljivcev, herbicidov (Liew idr., 2008).
Prisotnost fotosinteznih in drugih pigmentov v steblih dreves in grmovnic je znana, vendar zaradi plute, ki pokriva stebla se hitro zgodi, da prisotnost klorofila in karotenoidov v lubju uide naši zaznavi. Kot so razkrile preiskave na različnih vrstah olesenelih rastlin, so pri mladih rastlinah klorofil in karotenoidi prisotni v vseh tkivih pod pluto. S starostjo stebel in naraščajočo debelino plute, floema in ksilema, se zmanjšuje prepustnost sevanja v notranjost stebla. Opazimo lahko postopno upadanje količine fotosinteznih pigmentov v tkivih globje v steblu. Pri vrstah, kjer se mrtve celice plute ne kopičijo, pa je lahko klorofil prisoten celo v 100 let starih drevesih, kot je bilo zaznano na primeru bukve (Pilarski & Tokarz, 2006; Witmann idr., 2006).
Optične tehnologije se uporabljajo kot praktična orodja za spremljanje stanja vitalnosti rastlin.
Spremljamo spremembe v spektrih, ki so povezani s specifičnimi obremenitvami oziroma stresom, ki ga doživi rastlina. Da bi to dosegli, je potrebno razumeti biokemijske in anatomske značilnosti, ki vplivajo na reflektanco ali odbojnost, transmitanco ali presevnost in absorbanco listov ali skorje. Številni raziskovalci so poskušali ugotoviti, kako pomanjkanje vode in hranil vpliva na optične lastnosti rastline, toda uspeh teh raziskav je bil omejen. Večina raziskav je bila izvedena v nadzorovanih razmerah in na primeru listov, zato prenos rezultatov v dejanske razmere še vedno predstavlja izziv (Liew idr., 2008).
2
1.1 PROBLEM IN CILJ
Znano je, da se v skorji mladih vej rastlin nahajajo fotosintezni pigmenti, ki poleg pigmentov v listu opravljajo fotosintezo. Še posebej je to pomembno v jesenskem in zimskem času, ko listopadna drevesa in grmovnice izgubijo liste in zato takrat steblo prevzame glavno vlogo pri fotosintezi. Narejeno je bilo več raziskav na temo vpliva različnih stresorjev na optične lastnosti in slednje so bile izmerjene pri velikem številu rastlinskih vrst. Odločili smo se, da bomo merili optične lastnosti skorje navadne leske od jeseni do pomladi. Meritve smo izvedli v štirih nizih. Obenem smo izmerili tudi biokemijske in anatomske lastnosti vzorcev skorje.
Vzorce smo nabrali v obdobju, ko so listi še zeleni, ko listi rumenijo in pozimi, ko so rastline brez listov in so temperature pod ničlo.
Cilj magistrskega dela je bil ugotoviti, kako se razlikujejo optične lastnosti skorje navadne leske, glede na to, v katerem delu leta izvedemo meritve. Zanimalo nas je tudi, katere biokemijske in anatomske lastnosti vplivajo na optične lastnosti skorje.
1.2 HIPOTEZE
Predvidevamo, da se bodo optične lastnosti skorje razlikovale med vzorčevanji, zaradi sprememb v strukturnih in biokemijskih lastnostih skorje.
Predvidevamo, da se bo odbojnost skorje razlikovala od odbojnosti listov navadne leske.
Predvidevamo, da se bo potencialna fotokemična učinkovitost skorje pozimi zmanjšala, zaradi nizkih temperatur.
3
2 PREGLED OBJAV
2.1 ZGRADBA IN RAZVOJ RASTLINSKIH TKIV
Na rast in razvoj dreves vplivajo številni zunanji (okolje, človek) in notranji (geni, hormoni) dejavniki (Gričar, 2017).
Tkiva v drevesu lahko ločimo na trajna (permanentna) in tvorna (meristemska). Meristemske celice se lahko delijo in rastejo, trajna tkiva pa nastanejo iz njih, ko izgubijo sposobnost delitve in se specializirajo za določene naloge (Torelli, 1990).
Glede na lego ločimo vršne (apikalne) in stranske (lateralne) meristeme. Apikalni meristem najdemo na vrhu stebla ali korenine, njihovo delovanje pa se kaže kot rast v višino ali globino.
Tvorijo primarna tkiva, kot so povrhnjica (epiderm), primarna skorja stebla (korteks), prevodna tkiva, osrednji stržen in liste (Dengler, 2001).
2.1.1 Steblo in skorja
Ko je rastlina še v zelnati (primarni) zgradbi, je njeno steblo sestavljeno iz povrhnjice (epidermisa), pod katero je primarna skorja (korteks), ki služi kot krovno tkivo. V prvem letu rasti v lesnatih rastlinah namesto primarnih prevodnih tkiv začnejo lateralni meristemi (prevodni in plutni kambij) proizvajati sekundarna prevodna tkiva. Lateralnim meristemom zato rečemo tudi sekundarni meristemi. Omogočijo debelitev in posledično večanje prostornine prevodnega sistema in oblikovanje mehanskih in zaščitnih tkiv. Prevodni kambij tvori navzven celice žive skorje ali ličja (sekundarni floem), navznoter pa celice lesa (sekundarni ksilem). V primeru, da so razmere normalne, je ksilemski prirastek večji in predstavlja največji del debelinske rasti dreves (Torelli, 1990).
Pri drevesnih vrstah zmernega in hladnega pasu lahko opazimo ciklično delovanje kambija (aktivnost in mirovanje), ki je povezano z menjavanjem toplih in hladnih obdobij. Zimsko obdobje mirovanja, ko celične delitve v kambiju ne potekajo, je pomembna prilagoditev lesnatih rastlin na podnebje z nizkimi zimskimi temperaturami. Meristemi postanejo znova aktivni spomladi, ko se celice začnejo znova deliti, meristemska aktivnost pa se konča pozno poleti (Gričar, 2017).
Za raziskovanje skorje ni takega zanimanja kot za les, saj ima manjši delež v drevesu in ni toliko komercialno uporabna. Ima zapleteno kemijsko zgradbo in je občutljivejša na zunanje spremembe, kar lahko povzroči težave pri dolgoročnih raziskavah (Gričar, 2017).
Skorja se od drugih delov drevesa loči po anatomiji, nastanku in kemijski sestavi. Kemijska sestava je povezana z ontogenijo, starostjo, višino ter okoljskimi razmerami, pod katere spadajo tudi objedanje, požari in bolezni. Naloge zunanjega, mrtvega dela skorje so zaščita notranjih tkiv pred izsušitvijo, mehanskimi poškodbami in ostalimi biotskimi in abiotskimi dejavniki. V
4
njej se lahko tvorijo različni sekretorni kanali, po katerih pritečejo snovi za zaščito drevesa, kot je na primer smola (Dermastia, 2007).
Skorja sestavlja 10-20 % debla in 20-35 % drevesa, če računamo deblo, veje in korenine.
Nastane z debelinsko rastjo dreves, njena tkiva pa so produkti vaskularnega (prevodnega) kambija in plutnega kambija oziroma felogena. Oba kambija sodita med sekundarne, lateralne meritsteme. Felogen proizvaja sekundarno krovno tkivo (periderm), prevodni kambij pa sekundarni floem (ličje). Tako lahko skorjo delimo na notranji, živi del ali ličje, ki je produkt vaskularnega kambija in na zunanji, mrtvi del, ki mu rečemo tudi ritidom in je produkt plutnega kambija (Torelli, 1990).
Glavna naloga živega dela skorje je prenos organskih hranil v nefotosintezne dele rastline na dolge razdalje. Prevodna tkiva zavzemajo do 60 % živega dela skorje, floem ima lahko tako skozi različna obdobja v letu funkcijo nadzora rasti določenih delov rastline. Ko je fotosintezna dejavnost največja, se ogljikovi hidrati prenašajo iz listov v veje, deblo in korenine, kjer se lahko skladiščijo ali porabijo za rast in razvoj. V času mirovanja se v ličju skladiščijo snovi.
Zaloge ogljikovih hidratov se spomladi, po končanem mirovanju, premaknejo v rastne vršičke, kjer se porabljajo dokler se ne vzpostavi normalna fotosintetska funkcija (Dermastia, 2007).
Na vsebnost fotosinteznih pigmentov v steblih neposredno vplivajo optične lastnosti plute.
Zlasti je pomembna količina in spektralna sestava sevanja, ki ga pluta prepušča in ki doseže klorofil znotraj stebla. V fotosintezno aktivnem območju (PAR) se prepustnost plute povečuje z naraščanjem valovne dolžine. Sevanje, ki doseže celice klorofila v steblu, je še posebno majhno v vijolično-modrem rangu (400-500 nm), največje vrednosti doseže v rdečem območju (650-700 nm) (Tokarz & Pilarski, 2005).
Ko steblo oleseni, se intenzivnost fotosinteze v njemu zmanjša, saj se zmanjša dostopnost svetlobe v fotosintezno aktivnem območju (PAR) do fotosinteznih tkiv in poveča se absorpcija.
Pluta namreč povzroči slabše prehajanje sevanja, ki je potrebno za normalen potek fotosinteze v skorji (Kocurek & Pilarski, 2012).
2.1.2 Listi
List lahko primerjamo s solarno ploščo, saj so fotosintezne celice, ki jih vsebuje, organizirane v ploščato, tanko strukturo. Na ta način je zajemanje svetlobe maksimizirano, prav tako taka oblika lista omogoči, da je lahko vsak del lista dobro preskrbljen z vodo in ogljikovim dioksidom. Ogljikov dioksid vstopa skozi pore (listne reže). List vsebuje tudi prevajalno tkivo, ki omogoča tudi mehansko podporo listu (Braybrook & Kuhlemeier, 2010).
V običajnih bifacialnih listih je adaksialna (zgornja) stran lista sestavljena iz povrhnjice z razmeroma debelo kutikulo in gosto naloženimi celicami stebričastega mezofila, ki optimizirajo zajemanje svetlobe. Abaksialna (spodnja) stran lista je sestavljena iz povrhnjice z mnogimi listnimi režami in gobastimi mezofilnimi celicami, ki izboljšajo izmenjavo plinov,
5
dostopnost vode in uravnavanje transpiracije. Prevajalno tkivo je v bifacialnih listih na sredini, pri čemer je tkivo ksilema na zgornji, floema pa na spodnji strani (Taiz idr., 2014).
Večina listov je prilagojenih za procesiranje svetlobe, ki prihaja od zgoraj. Prehajanje svetlobe v bifacialnem listu je usklajeno med epidermisom, palisadnim in gobastim mezofilom.
Palisadno tkivo olajša prodiranje neposrednje svetlobe, ki nato prodira v gobasti mezofil, kjer se naključno razprši, del se je odbije nazaj v stebričasto tkivo (Knapp idr., 1988).
Pomembno je, da meritve vedno izvajamo na zgornji strani lista ali skorje, ki je osvetljena v naravi, ker bi drugače lahko dobili precej drugačne rezultate. Na zgornji strani lista je namreč pod epidermisom stebričasto tkivo, sestavljeno iz celic z veliko kloroplasti, ki so tesno skupaj.
V nasprotju je na spodnji strani pod epidermisom gobasto tkivo z veliko zraka med celicami in z manj kloroplasti (Woolley, 1971).
2.2 PROCESI V RASTLINAH
2.2.1 Fotosinteza
V naravi je preživetje odvisno od občutljivosti, s katero organizem lahko zaznava svoje okolje.
Okoljski vir, ki je najpomembnejši za rastline je svetloba, ki jo rastlina uporabi pri fotosintezi in je ključ preživetja posameznega organizma in vrste. Fotosintezna optimizacija je bila omogočena z razvojem zelo občutljivih mehanizmov zaznavanja (Lange idr., 1981).
Fotosinteza je biokemijski proces, ki ne poteka samo v rastlinah, temveč tudi v nekaterih bakterijah. Fotosintezni organizmi uporabljajo svetlobo kot vir energije za nastanek organskih molekul. Fotosintezne celice opravljajo pretvorbo ogljikovega dioksida in vode v sladkorje in kisik in nato z njimi učinkovito oskrbujejo heterotrofne celice (Braybrook & Kuhlemeier, 2010). Sončno energijo, ki se uporabi pri fotosintezi, zbirajo fotosintezni pigmenti.
Fotosintezni organizmi so razvili različne fotosintezne pigmente, ki spadajo v tri glavne skupine: klorofili, karotenoidi in fikobilini (Kirk, 1994). Od teh je klorofil a edini fotosintezni pigment, ki je prisoten v vseh skupinah fotosinteznih organizmov in ga je tudi največ. Poleg tega je klorofil a edini pigment, ki je bistven za fotosintezo, saj fotokemične reakcije vključujejo izključno posebne vrste klorofila a (P680 ali P700), kjer pride do prvih korakov prenosa elektronov (Nobel, 2009).
Fotosintezo sestavljajo številni posamezni procesi, ki delujejo skupaj z visoko učinkovitostjo.
Postopek lahko razdelimo na tri stopnje: fotokemične korake, prenos elektronov, na katere je vezana tvorba ATP, in biokemične reakcije, ki obsegajo vključitev CO2 v ogljikove hidrate.
Fotokemijske reakcije, ki jih pogosto imenujemo primarni dogodki fotosinteze, vodijo do prenosa elektronov po zaporedju molekul, kar ima za posledico tvorbo NADPH in ATP.
Fotosinteza je izjemno učinkovit postopek shranjevanja energije, ko upoštevamo vse vključene procese in izgubo energije pri vsakem od njih. Skoraj vse encime, ki sodelujejo v reakcijah fotosinteze, najdemo tudi v nefotosinteznem tkivu, zato je edinstvena značilnost fotosinteze pretvorba sevalne energije v kemično energijo (Nobel, 2009).
6
Fiksacijo ogljika (pretvorba ogljika iz anorganske v organsko obliko) poleg dostopnosti svetlobe urejajo še drugi dejavniki, kot so količina in porazdelitev klorofila, koncentracija CO2
v listih in transport metabolitov. Odvisna je tudi od porazdelitve absorbirane svetlobe znotraj lista (Vogelmann, 1993).
Intenzivnost in spektralna sestava obsevanja neposredno vplivata na količino in sestavo fotosinteznih pigmentov, ti pa neposredno vplivajo na fotosintezno aktivnost stebel. Stebla so fotosintezno aktivna skozi vse leto in, kot so pokazale preiskave različnih drevesnih vrst, je njihov delež v bilanci ogljika v drevesih lahko znaten. V obdobju, ko je drevo neolistano, zlasti tik pred razvojem listov, ko so velike potrebe po asimilatih (organskih snoveh) spomladi, so stebla lahko edini vir asimilatov (Pilarski idr., 2007).
V sadjarstvu gostota sajenja, obrezovanje in oblikovanje dreves, zagotavljajo bistveno večji dostop obsevanja do klorofilnega sloja skorje, v primerjavi z drevesi v gozdovih, zato je lahko fotosintezno delovanje stebel sadnih dreves večjega pomena za bilanco ogljika rastline, kot pri gozdnih drevesih (Pilarski idr., 2007).
Dokazano je, da so stebla fotosintezno aktivna skozi vse leto in lahko asimilirajo atmosferski ogljikov dioksid. Intentzivnost fotosinteze se razlikuje med vrstami in različno starimi rastlinami. V primeru španskega bezga je v obdobju vegetacije fotosinteza trajala do 13 ur na dan, v odbobju brez listov pa je trajala 2-3 ure na dan. Fotosinteza je bila zabeležena tudi pri temperaturah pod ničlo (-3 °C), vsebnost CO2 v steblu je bila manjša na svetlobi kot v temi.
Pred spomladanskim razvojem listov se je fotosintezna aktivnost stebel občutno povečala (Pilarski, 2002).
2.2.2 Dihanje in izmenjava plinov
Celično dihanje je proces, ki poteka v vsaki živi celici in sicer gre za metabolne (katabolne) reakcije v celici, s katerimi pridobiva iz organskih molekul biokemijsko energijo. Oksidant v reakcijah je molekularni kisik, organske molekule, ki se porabljajo pa so glukoza, aminokisline in maščobne kisline. Sprošča se energija v obliki adenozin trifosfata (ATP), ki služi kot vir energije v različnih celičnih procesih (Schmidt-Rohr, 2020).
Rastline dobijo kisik, ki ga potrebujejo za dihanje in ogljikov dioksid, ki ga potrebujejo za fotosintezo, skozi listne reže, ki so majhne odprtine, ki se po potrebi odpirajo in zapirajo in se nahajajo predvsem v spodnji povrhnjici lista. Kisik, ki nastane kot produkt fotosinteze, tudi prehaja iz rastline v okolje skozi listne reže, prav tako prehajajo tudi drugi plini in voda. Kjer ni listnih rež, je list navadno prekrit z voskasto prevleko, ki rastlino varuje pred izsušitvijo in onemogoča, da bi plini prosto prehajali. Ko skozi listne reže izpareva voda, se rastlina ohlaja, hkrati pride do vleka vode in hranil iz korenin v višje predele rastlin (Willmer & Fricker, 1996).
Zaradi odsotnosti rež v povrhnjici stebla je možnost vezave ogljikovega dioksida iz zunanjega zraka manjša. Ogljikov dioksid iz zunanjosti ne prodre globje v tkiva, zato celice, ki so globje, uporabijo ogljikov dioksid, ki nastane pri celičnem dihanju ali pa je raztopljen v soku ksilema (Kocurek & Pilarski, 2012).
7
2.3 SPEKTRI ELEKTROMAGNETNEGA SEVANJA
Elektromagnetni spekter obsega elektromagnetne valove s frekvencami v rangu od manj kot enega hertza do 1025 hertza, kar pomeni valovne dolžine od več tisoč kilometrov do velikosti jedra atoma. Meje med območji spektra elektromegnetnega valovanja niso strogo določene, saj je spekter zvezen. Začenjši od nizkofrekvečnega dela spektra (velika valovna dolžina) si sledijo radijsko valovanje, mikrovalovi, infrardeče valovanje, vidna svetloba, ultraviolično valovanje, rentgenski žarki in gama žarki, ki imajo visoko frekvenco (nizka valovna dolžina).
Elektromagnetni valovi v vsakem od teh pasov imajo različne značilnosti, na primer, kako nastajajo, kako medsebojno vplivajo na snov in kakšne so njihove praktične aplikacije (Kumar
& Dangi, 2016). V večini naštetih frekvenčnih pasov lahko tehniko, imenovano spektroskopija, uporabimo za fizično ločevanje valov različnih frekvenc, pri čemer dobimo spekter.
Spektroskopija se uporablja za preučevanje interakcij elektromagnetnih valov s snovjo (Bruno
& Svoronos, 2005).
Elektromagnetno valovanje sevajo vsa materialna telesa s temperaturo nad absolutno ničlo.
Valovna dolžina in intenziteta valovanja sta odvisna od absolutne temperature in sicer telesa z višjo temperaturo imajo večjo intenziteto sevanja in krajšo valovno dolžino, kot telesa z nižjo temperaturo (Tršan & Božič, 2007).
Svetloba potuje v paketih energije, imenovanih fotoni. Vsak foton ima določeno energijo, povezano z določeno frekvenco oziroma valovno dolžino. Beseda svetloba se pogosto uporablja za širši spekter elektromagnetnega sevanja, ki se nanaša na širjenje valov, ki imajo tako električne kot magnetne komponente. Valovna dolžina svetlobe je obratno sorazmerna z njeno energijo (Nobel, 2009).
Vidni spekter je del elektromagnetnega spektra, ki je vidno človeškemu očesu in mu rečemo vidna svetloba ali najpogosteje kar svetloba. Vidna svetloba je sestavljena iz valovnih dolžin od 380 nm (vijolična) do 740 nm (rdeča) in na njih se lahko odziva tipično človeško oko. Ko so prisotne vse valovne dolžine vidne svetlobe, naše oči zaznajo belo svetlobo. Če odstranimo (absorbiramo) katero koli valovno dolžino, zaznamo preostalo kombinacijo valovnih dolžin svetlobe kot komplementarno barvo. Če se absorbira vijolična bomo zaznali rumeno, če se absorbira modra bomo videli oranžno, rdečo bomo videli če se absorbira modrozelena, vijolično če se absorbira zelena, modro če se absorbira oranžna in zeleno če se absorbira rdeča (Bruno & Svoronos, 2005).
Zemljino površje doseže zgolj 47 % sončevega sevanja (Larcher, 2003). Oblaki delujejo kot neselektivni difuzni filtri, ki odbijajo velik delež neposredne sončne svetlobe. Nastali spekter kaže povečanje deleža modre (razpršene) svetlobe, vendar se pri daljših valovnih dolžinah (600 - 800 nm) zelo malo spreminja (Lange idr., 1981).
Spektri vidne svetlobe zvezno prehajajo en v drugega, vendar jih lahko poimenujemo kot približek. Določene barve, ki jih vidimo, so mešanica večih valovnih dolžin, če vsebujejo samo eno valovno dolžino, pa jim rečemo spektralne barve. Deli vidnega spektra so vijolični (380-
8
450 nm), modri (450-485 nm), modrozeleni (485-500 nm), zeleni (500-565 nm), rumeni (565- 590 nm), oranžni (590-625 nm)) ter rdeči (625-740 nm) (Bruno & Svoronos, 2005).
Ultravijolično sevanje ima razpon valovnih dolžin od 10 nm do 400 nm in sestavlja 10 % celotnega sevanja, ki pride od sonca. Ko preučujemo vpliv ultravioličnega sevanja na okolje, razdelimo sevanje na UV-A (400-315 nm), ki je dolgovalovno in ga ozonski plašč ne absorbira, UV-B (315-280 nm), ki je srednjevalovno in je večinoma absorbirano v ozonskem plašču ter kratkovalovno UV-C sevanje (280-100 nm), ki se popolnoma absorbira v ozonu in je baktericidno. Ekstremno ultravijolično sevanje (121-10 nm) je pa popolnoma ionizirajoče in že vstopa v rentgensko območje. UV-B sevanje je izjemnega pomena za rastline zaradi njegovega vpliva na rast in razvoj (Space Environment Technologies, 2007).
Infrardeče sevanje je del spektra, ki ga naše oči ne zaznavajo, ker se nahaja tik izven našega območja zaznavanja in sicer ima previsoko valovno dolžino. Vseeno pa ga lahko čutimo kot toploto. Sevajo ga vsa telesa nad absolutno ničlo in sicer višja kot je tempratura predmeta, več je infrardečega sevanja, ki ga ta oddaja. S pomočjo infrardečih kamer smo ljudje razširili sposobnost zaznavanja svetlobe iz vidnega v srednji in dolgovalovni infrardeči spekter (Tršan
& Božič, 2007).
Infrardeče valovanje predstavlja dolgovalovno sevanje, ki doseže površino Zemlje. Velik del energije s površja se odda nazaj v atmosfero, kjer se dosti sevanja absorbira v atmosferskih plinih (ogljikov dioksid, metan idr.), sevanje se nato odbija v vse smeri, tudi nazaj na zemljo.
Posledično se površje in ozračje Zemlje segrevata, če je toplogrednih plinov, več je segrevanje bolj intenzivno (Larcher, 2003). Infrardeča svetloba obsega valovne dolžine od 700 nm do 1 mm. Kar zadeva pomembnosti za rastline jo ločimo na bližnjo infrardečo svetlobo (NIR), ki obsega valovne dolžine od 700 nm do 1400 nm ter srednjo infrardečo svetlobo (SWIR) poimenovano tudi kratkovalovna, ki ima valovne dolžine od 1400 nm do 2400 nm (Liew idr., 2008).
2.4 RASTLINSKI PIGMENTI
Pigmenti se ne porazdelijo homogeno v listnem tkivu, tako da svetloba, ki ima enako dolžino poti, v tkivu naleti na različne količine pigmenta. Svetloba, ki vstopi v rastlinsko tkivo, prehaja po kompleksni in nepredvidljivi poti, zaradi notranjega odboja in pršenja svetlobe (Fukshansky idr., 1993).
2.4.1 Klorofili
Klorofil je najpomembnejši dejavnik, ki vpliva na spektre odbojnosti in presevnosti v rastlini.
(Baltzer & Thomas, 2005). Klorofil a je prevladujoči pigment, klorofil b pa dodatni pigment, ki predstavlja tretjino ali manj celotnega klorofila v rastlini, kar je odvisno od okoljskih razmer (Liew idr., 2008).
9
V odraslih asimilatornih tkivih rastlin, kot je mezofil lista, vakuole pokrivajo velik del celičnega volumna in imajo številne fiziološke funkcije; v starajočih listih je ena od funkcij zadnji korak razgradnje klorofila. Razgradnja klorofila je namreč predpogoj za razstrupitev potencialno fototoksičnih pigmentov znotraj vakuol in remobilizacije dušika, ki je bil prisoten v kloroplastih. To omogoči prežitevje rastline v času senescence (Hörtensteiner, 2006).
Agusti idr. (1994) so ugotovili, da se hkrati z naraščanjem koncentracije klorofila, zmanjša učinkovitost zajemanja svetlobe na posamezno molekulo klorofila. To velja za številne fotosintezne organizme, od cianobakterij do dreves in je posledica notranjega senčenja, ko so koncentracije klorofila visoke.
Razmerje Kl a/Kl b je v senci manjše kot na soncu, saj tako omogoči boljši privzem rdeče svetlobe, ki jo v senčnih delih primanjkuje (Lange idr., 1981).
Dejstvo, da lahko stebla vsebujejo klorofil, ni vedno neposredno razvidno. Zunanje plasti skorje so večinoma rjave (hrast), sive (bukev) ali celo bele (breza), vendar je reden pojav da so skorje vejic mlajših dreves zelene. Tu ne gre za alge, ki lahko kolonizirajo najbolj zunanji mrtvi del skorje, temveč za zunanji mrtvi del skorje vejic (Pfanz & Aschan, 2001).
S povečevanjem starosti stebel je opaziti zmanjšanje vrednosti razmerja Kl a/Kl b, zaradi povečanja vsebnosti klorofila b v primerjavi s klorofilom a. Poleg tega naraščajoča vsebnost karotenoidov s starostjo stebel kaže na njihovo pomembno vlogo pri absorpciji prodirajočega sevanja. Na vseh pregledanih drevesih je zmanjšanju obsevanja, ki je prodrlo do klorofilnega sloja lubja, sledilo povečanje vsebnosti karotenoidov (Pilarski idr., 2007).
V mladih steblih lahko opazimo, da sta sestava in vsebnost klorofila podobna tistim v listih.
Poleg starosti na zmanjšanje razmerja Kl a/Kl b vpliva tudi, ko gremo od površine proti nortanjosti stebla (Kocurek & Pilarski, 2012).
Rastline lahko povečajo delež vpadne svetlobe, ki jo absorbirajo, s povečanjem gostote klorofilnih zrn, vendar optična teorija (Lambert-Beerov zakon) predvideva, da je to povečanje asimptotično. Povečanje svetlobe, ki jo absorbira klorofil je neznatno, ko je količina klorofila a večja od približno 300 mg m-2, kar bi v raztopini moralo absorbirati 99 % vpadne svetlobe.
Fotosintezna tkiva mnogih kopenskih rastlin, zlasti senčnih listov, pogosto dosežejo in včasih presežejo gostoto 300 mg m-2 klorofila a. Gostota klorofila fotosinteznih tkiv kaže le na njihov potencialni zajem svetlobe, saj se svetloba, ki jo absorbira klorofil a zmanjša, ko je znotraj kloroplastov, celic in tkiv, v primerjavi s klorofilom v raztopini (Lange idr., 1981).
Fotosintezno tkivo mora vsebovati približno 1000 mg m-2 klorofila a, da bi absorbiralo 99 % vpadne svetlobe, kar je trikratna količina v primerjavi s tisto v raztopini. Visoka gostota klorofila vodi do velike, vendar neučinkovite absorpcije, ne glede na to ali so te visoke količine posledica visoke koncentracije klorofila ali debelih tkiv. Svetloba, zbrana na enoto fotosinteznega tkiva, odraža učinkovitost naložbe v fotosintezna tkiva in posledično potencialno omejitev rasti fotosinteznih organizmov (Agusti idr., 1994).
10
2.4.2 Karotenoidi
Karotenoidi so tetraterpeni, ki jih najdemo v membranah kloroplastov vseh zelenih tkiv in v stromi kromoplastov v rumenih, oranžnih in rdečih tkiv. V grobem jih delimo na ksantofile in karotene. Izoliranih je bilo več kot 600 različnih karotenoidov, našli so jih v rastlinah, glivah, bakterijah in živalih. Slednje jih niso sposobne same proizvesti, jih pa lahko uporabijo (Su idr., 2002). V kloroplastih se lahko nahajo naslednji karotenoidi: β-karoten, lutein, violaksantin in neoksantin, ter manjše količine zeaksantina, anteraksantina in α-karotena. Razmerja med temi pigmenti so si podobna pri vseh višjih rastlinah (Bramley, 1981). Če se poveča vsebnost katerega od zaščitnih karotenoidov, je to prilagoditev na stresne razmere, če je pa pritisk prevelik, pa lahko pride do poškodb karotenoidov in posledično se zmanjša njihova količina (Šircelj, 2008).
Naloga karotenoidov v kloroplastih je zbiranje svetlobe, odvajanje odvečne svetlobe iz fotosistema, stabilizacija membran in pigmentno-proteinskih kompleksov ter odstranjevanje škodljivih molekul, predvsem škodljivih vrst kisika, ki nastanejo, ko na rastlino deluje stresor.
Pomen karotenoidov v kromoplastih pa je predvsem privabljanje opraševalcev in raznašalcev semen ter plodov (Šircelj, 2008).
V času senescence rastlinsko tkivo spremeni barvo kot rezultat sprememb v količini in razmerjih med rastlinskimi pigmenti. Pogosto so razlike v barvi posledica degradacije klorofila ne pa tudi karotenoidov, kar povzroči rumeno obarvanost listov in nekaterih zrelih plodov (Merzlyak idr., 1999). Medtem ko se klorofili postopoma razkrajajo, karotenoidi skupaj z na novo sintetiziranimi rdečimi antociani in temno obarvanimi produkti oksidacije fenolov ustvarijo značilno obarvanost jesenskih listov. Karotenoidi se ohranijo v različnem obsegu glede na vrsto in okoljske značilosti (Hörtensteiner, 2006).
Klorofili absorbirajo svetlobo in jo prenašajo v fotosintezni aparat. Karotenoidi (rumeni pigmenti) lahko prav tako prispevajo energijo k fotosinteznemu sistemu, tako da absorbirajo modro svetlobo (400-500 nm) in jo prenesejo na klorofile. Prenos je zelo učinkovit, saj so si karotenoidi in klorofili v tilakoidah blizu. Ko pa presegajoča svetlobna energija presega energijo, potrebno za fotosintezo, določena skupina karotenoidov, ki sestavljajo ksantofilni cikel, razprši odvečno energijo in tako se rastlina izogne poškodbam fotosinteznega sistema. S pomočjo ksantofilnih ciklov se odvečna sončna energija pretvori v toploto, to se zgodi še preden nastanejo škodljivi oksidanti (Demmig-Adams & Adams, 1996).
Poorter idr. (2000) so v raziskavi ugotovili, da so koncentracije karotenoidov v povprečju 60
% višje v sončnih kot v senčnih listih. To je možno razložiti s tem, da imajo karotenoidi dvojno vlogo, namreč poleg tega, da prestrežejo svetlobo, ksantofilni karotenoidi omogočajo tudi učinkovito odvajanje toplote, ko se absorbira odvečna svetloba. Iz vzbujenega klorofila sprejmejo odvečno energijo in jo odvajajo v obliki toplote ter tako preprečijo fotooksidativne poškodbe rastlinskega tkiva.
Ocenjevanje vsebnosti karotenoidov v listih na podlagi odbojnosti je veliko težje kot ocenjevati vsebnost klorofila, zaradi prekrivanja vrhov absorpcije klorofila in karotenoidov in zaradi večje
11
koncentracije klorofila kot karotenoidov v večini listov. Posledično se je odbojnost izkazala za bolj uspešno pri oceni razmerja med karotenoidi in klorofili, v primerjavi z oceno absolutne vsebnosti karotenoidov. Večina indeksov za oceno razmerja Kar/Kl temelji na primerjavi odbojnosti v območju vrha absorpcije karotenoidov (400–500 nm) z odbojnostjo v rdečem območju, na katerega vpliva samo klorofil (Sims & Gamon, 2002).
2.4.3 Antociani
Antociani, rdeči pigmenti v rastlinah, preprečujejo fotoinhibicijo (poškodbe, ki bi lahko nastopile zaradi prevelike količine svetlobe). Absorbirajo presežno sončno sevanje, ki bi ga drugače absorbirali pigmenti kloroplasta. Zaradi razlogov, ki jih še ne razumemo v popolnosti, se višje rastline bistveno razlikujejo v sposobnosti sinteze antocianov. Značilna rdeča antocianska pigmentacija je pogosta v mladih in starajočih se listih, dodatno se povečuje s povečanjem UV sevanja, fotosintezno aktivnim sevanjem (PAR), ekstremnimi temperaturami, sušo, pomanjkanjem hranil in ostalimi stresnimi dejavniki. Razporeditev antocianov v tkivih se razlikuje med vrstami, najpogosteje so v celičnih vakuolah (Merzlyak idr., 2008).
Antociani (roza, vijolični in rdeči pigmenti) ščitijo liste pred odvečno svetlobo ali UV sevanjem. Študija lokacije antocianov v listih širokega spektra vrst je pokazala, da so antociani pogostejši v mezofilu in spodnji povrhnjici kot v zgornji povrhnjici, kjer bi bili najbolj učinkoviti za zaščito pred svetlobo (Gould & Quinn, 1999). Antociani lahko služijo tudi kot odstranjevalci reaktivnih kisikovih spojin ali kot protiglivne spojine. V mladih listih, ki imajo tudi nizko stopnjo fotosinteze, je vsebnost antocianov zelo visoka (Gamon & Surfus, 1999).
Visoka je tudi v listih rastlin, kjer je rast omejena z nizko temperaturo ali drugimi stresi in v starajočih listih nekaterih rastlin (Chalker-Scott, 1999).
Absorpcija antocianov se prekriva s klorofilom, podobno kot pri karotenoidih. Zato je razmerje med odbojnostjo v rdečem in zelenem območju spektra učinkovito za oceno razmerja med antociani in klorofili (Gamon & Surfus, 1999). Kljub temu, da je razmerje med rdečo in zeleno bilo povezano z vsebnostjo antocianov v listih, ki vsebujejo antociane in klorofil, je bilo to razmerje šibko in se je spremenilo glede na absolutno vsebnost antociana in klorofila (Sims &
Gamon, 2002).
Pri navadni leski najdemo antociane v epidermalnih celicah. Pod zgornjo povrhnjico najdemo palisadni parenhim iz dvojnega sloja celic, ki predstavlja do 60 % debeline lista. V njemu so zelenorumeni lečasti kloroplasti, vsebuje jih tudi tri do pet slojni gobasti parenhim, ki se nahaja pod palisadnim. Antociani so pri navadni leski v jesenskem času v palisadnem parenhimu, spomladi pa jih najdemo v vakuolah zgornje in spodnje povrhnjice. Zaradi epidermalne lokacije antocianov spomladi, ki deluje kot zaščita, prodre do tilakoid zmanjšana količina sončnega sevanja. V tem času antociani zmanjšajo absorpcijo svetlobe v fotosinteznem aparatu leske kar štirikratno, med 400 in 600 nm ter okoli 550 nm (Merzlyak idr., 2008).
Vakuolarni antociani se kopičijo v količinah, ki so primerljive s kloroplastnim pigmentom in jih presegajo v zgodnjih fazah ontogeneze, v stresnih razmerah ali jeseni, ko se fotosintezni
12
aparat razkroji. To bi moralo zagotoviti dolgoročno zaščito pred fototoksičnostjo, ki jo uravnava klorofil, produkti njegove razgradnje in drugi fotosenzibilizatorji, prisotni v listnem tkivu (Hörtensteiner, 2006).
2.4.4 UV-absorbirajoče snovi
Majhen odstotek sončnega spektra sestavlja ultravijolična svetloba, ki je večinoma škodljiva za rastline. Zmanjševanje plasti stratosferskega ozona je povzročilo občutno povečanje ultravijoličnega B sevanja (280-320 nm), ki doseže površino Zemlje. Na rastline ima UV-B sevanje škodljiv vpliv, saj moti fotosintezne reakcije in nukleinske kisline v mezofilu listov.
Rastlinski epidermis vsebuje UV absorbirajoče pigmente, ki onemogočijo večino UV-B svetlobe, da bi prodrla v globje sloje tkiva. Zmožnost absorpcije UV-B svetlobe je povezana z življenjsko dobo listov, pri zimzelenih rastlinah epidermis absorbira vso UV-B svetlobo, zato so iglavci najbolj uspešni v absorbiranju UV sevanja, za njimi so lesnate dvokaličnice in trave, zelnate dvokaličnice pa so najmanj uspešne (Day idr., 1992).
Fenolne spojine imajo sposobnost močne absorpcije ultravijolične svetlobe (Boulet idr., 2017).
Lignin, ki je strukturni gradnik celične stene, je fenolna spojina, vendar ga ni možno ekstrahirati v vodi ali v organskih topilih. Najbolj razširjena skupina ekstraktibilnih fenolnih spojin v rastlinskem svetu so flavonoidi, ki rastlino ščitijo pred ultravijoličnim sevanjem, privlačijo opraševalce, pomagajo pri obrambi proti fitopatogenom in imajo antioksidantni učinek (Oven idr., 2011). Flavonoidi ščitijo rastline pred poškodbami, ki nastanejo zaradi ultravijolične svetlobe, ker absorbirajo UV sevanje in delujejo kot zaščitno sredstvo in ker izpostavljenost UV sevanju povzroča višje ravni flavonoidov v rastlinah (Sisa idr., 2010).
Caldwell (1971) je pokazal na povezavo med vsebnostjo flavonoidov v rastlinah in zunanjim UV sevanjem. Alpinske rastline in tropske rastline iz regij, ki so izpostavljene intenzivnemu UV sevanju, imajo višjo vsebnost flavonoidov kot rastline iz drugih regij. Rastline, ki so izpostavljene sončni svetlobi, imajo krajše internodije ter manjše in debelejše liste kot rastline, ki rastejo v senci. Med drugim je kopičenje flavonoidov znak rastlinskega stresa (Winkel- Shirley, 2002). UV sevanje spodbuja biosintezo flavonoidov z antioksidativnimi lastnostmi na račun flavonoidov, ki ne veljajo za antioksidante ter flavonoidov, ki dobro ščitijo pred UV sevanjem. To nakazuje, da fotozaščita flavonoidov vključuje tudi odstravnjevanje reaktivnih kisikovih spojin, ki nastanejo zaradi izpostavljenosti močnemu UV sevanju (Sisa idr., 2010).
13
2.5 OPTIČNE LASTNOSTI RASTLIN
2.5.1 Odbojnost ali reflektanca
Ko svetloba doseže list, se je nekaj odbije nazaj proti opazovalcu. Ta svetloba se odbije bodisi od kutikule bodisi iz mezofila (Vogelmann, 1993). Listna reflektanca zagotavlja pomemben vir podatkov za spremljanje zdravja rastline, pod vplivom raznih biotskih in abiotskih obremenitev. Te obremenitve vplivajo na anatomske in biokemijske lastnosti, ki posledično povzročijo spremembe v optičnih lastnostih. Ključne regije spektra odbojnosti (odsevnega spektra) so modra regija (400 – 499 nm), na katero močno vpliva absorpcija klorofilov in karotenoidov, modrozeleni rob (500 – 549 nm), ki vodi do zelenega vrha pri 550 nm in rdeči rob (650 – 699 nm), kjer se začne prehod iz rdeče v NIR, ki je povezan z močno absorpcijo klorofila (Liew idr., 2008).
Na odbojnost v območju med 400 in 700 nm, torej v vidnem spektru, vpliva predvsem raven barvnih pigmentov, kot so klorofil, karotenoidi in antociani. V bližnjem infrardečem spektru (NIR), med 700 in 1400 nm, je pomembna struktura celice, v srednjem infrardečem spektru med 1400 in 2000 nm pa vsebnost vode v tkivih (Liew idr., 2008).
Pri nizkih odbojnostih so spektri v območju blizu 500 nm in 670-680 nm zelo podobni pri številnih rastlinskih vrstah. Večje razlike med vrstami se pojavijo, ko je pigmenta malo in je odbojnost visoka (Merzlyak idr., 1999). Na določenih delih vidnega spektra ni močne odbojnosti zaradi pigmentov, ki absorbirajo vidno svetlobo. V violičnem in ultravioličnem delu spektra je absorbanca visoka, odbojnost je nizka, presevnosti pa skoraj ni (Woolley, 1971).
2.5.2 Presevnost ali transmitanca
Presevnost merimo tako, da usmerimo sevanje neposredno na vzorec in potem na drugi strani merimo kakšno sevanje pride skozi vzorec. Presevnost je pri skorji in listih odvisna predvsem od njihovih anatomskih značilosti, kot je debelina. Ker je presevnost v rastlinskem tkivu povezana z odbojnostjo je njena vrednost najvišja v spektralnih pasovih, kjer je visoka odbojnost, kar je v zelenem in v NIR delu spektra (Larcher, 2003).
Optične lastnosti stebel so odvisne od rastlinske vrste. Raziskave, opravljene na sadnih drevesih (hruška, višnja, češnja, navadna sliva in oreh), kažejo občutne razlike med njimi.
Presevnost plute v skorji letošnjega stebla je bila od 14 % pri češnji in navadni slivi, 20 % pri višnji in hruški do 2 6% pri orehih. V tri leta starem steblu se je presevnost zmanjšala na 15 % pri hruški, na 10 % pri višnji, navadni slivi in orehu ter le na 6 % pri češnji (Pilarski idr., 2007).
14
2.5.3 Absorbanca
Del svetlobe, ki jo tkivo absorbira, se imenuje absorbanca in jo lahko izračunamo, če smo izmerili odbojnost in presevnost:
A = 1 – R – T
Svetloba, ki zadene kateri koli objekt se odbije, preseva ali absorbira. Če vzamemo primer lista soje, ki ima seštevek presevnosti in odbojnosti 96 % pri valovnih dolžinah med 800 nm in 1100 nm, lahko izračunamo da je manj kot 4 % svetlobe, ki zadane list absorbirano (Woolley, 1971).
Izjemna lastnost višjih rastlin je, da samo klorofilni pigmenti prispevajo k absorpciji svetlobe v rdečem območju vidnega spektra; pri krajših valovnih dolžinah, zlasti v zeleno-modri regiji pa absorbirajo karotenoidi in flavonoidi vključno z antociani. Klorofili imajo močan vrh absorbance poleg rdečega tudi v modrem delu spektra. Ker se modri vrh prekriva z absorbcijo karotenoidov, se za oceno vsebnosti klorofila na splošno ne uporablja. Največja absorbanca v rdečem območju se pojavi med 660 in 680 nm (Merzlyak idr., 2008).
Biološki materiali so glavni absorbanti svetlobe v ultravijoličnem in vidnem območju, voda pa v infrardečem spektru. Površinska odbojnost na povrhnjici je večinoma neodvisna od valovne dolžine, vendar je zelo pomembna pri valovnih dolžinah, kjer list kaže močno absorpcijo, kot na primer v ultravijolični in vijolični regiji (Woolley, 1971).
Dolžina poti je kombinacija svetlobe, ki prehaja skozi rastlinska tkiva, ne da bi bila absorbirana (učinek sita) in svetlobo, ki je razpršena in ima povečano dolžino poti (učinek obvoza). Pojava imata nasprotne rezultate: učinek sita zniža absorpcijo, zlasti pri absorpcijskih maksimumih ali blizu njih, medtem ko učinek obvoza poveča absorpcijo in je najbolj izražen pri valovnih dolžinah, ki se slabo absorbirajo. Poznavanje dolžine poti bi omogočilo neinvazivne spektroskopske preiskave koncentracij pigmenta v živih tkivih. Uporabna je tudi za pregled fotosinteznih prilagoditev znotraj rastlinskega tkiva, ki nadzorujejo količino absorpcije svetlobe z anatomskimi spremembami, ki spreminjajo dolžino poti (Vogelmann, 1993).
2.6 SEVALNE RAZMERE IN STRES
Problem tradicionalnih metod raziskave pigmentov z ekstrakcijo barvil in spektrofotometrijo je v tem, da uničijo liste, zato ne moremo meriti spremembe skozi čas v istem listu. Poleg tega so časovno zamudne in drage, zato se za oceno zdravja ekosistemov uporablja spektralna odbojnost, ki je hitra, nedestruktivna in se lahko uporablja za različno velike sisteme (Sims &
Gamon, 2002).
V poznem devetnajstem in začetku dvajsetega stoletja je tehnološki napredek začel omogočati pregled sprememb v spektrih listov, ki se pojavijo zaradi stresa. Raziskovanje spektralnih značilnosti se je od šestdesetih močno povečalo, skupaj z razvojem instrumentov in zanimanjem za potencial odkrivanja stresa na daljavo. Zaradi takega zanimanja so odbojnost
15
listov preučevali bolj intenzivno kot vplive stresa na prepustnost ali absorpcijo (Carter &
Knapp, 2001).
Skozi zgodovino raziskav spektrov je bilo ugotovljeno, da se stopnja spektralnega odziva na določen stresor razlikuje med vrstami. Odbojnost listov se s stresom spreminja bolj dosledno pri vidnih valovnih dolžinah (400–720 nm) kot na preostalem spektru (730–2500 nm).
Povečana odbojnost v skrajno rdečem spektru 690–720 nm je splošna reakcija pri večini rastlinskih vrst in posledica mnogih stresorjev. Zagotavlja zgodnejšo in doslednejšo indikacijo stresa kot odbojnost v drugih regijah spektra sončne svetlobe. Prav z opazovanjem optičnih lastnosti na ozkem spektralnem pasu blizu 700 nm je moč najbolje oceniti koncentracijo klorofila v listu. Optični odziv na stres v skrajno rdečem spektru lahko razložimo s tem, da zaradi stresa listi izgubljajo klorofil in z njim tudi njegove absorpcijske lastnosti. Že pri relativno majhnih razlikah v koncentraciji klorofila je moč opaziti bistveno povečanje odbojnosti in presevnosti ter zmanjšanje absobrance v skrajno rdečem spektru. Ob močnejši izgubi klorofila se absorpcijski spekter še naprej zožuje, odbojnost pa se poveča na širšem delu vidnega spektra. Absorpcija klorofila v zelenem, rumenem in oranžnem spektru (535–640 nm) je večja kot pri 700 nm, vendar razmeroma šibka v primerjavi z glavnimi pasovi absorpcije klorofila v modrem spektru in blizu 680 nm. Odbojnost blizu 550 nm v zeleno rumenem spektru je tudi lahko dober pokazatelj učinka stresa na rastlino, vendar je odbojnost blizu 700 nm v skrajno rdečem spektru vseeno bolj zanesljiva in natančna (Carter & Knapp, 2001).
Znano je, da listi, ki so med rastjo izpostavljeni močni svetlobi, postanejo debelejši in imajo povečano vsebnost klorofila glede na površino listov. Če sklepamo, da se nič drugega ne spreminja, se bo povečana debelina listov in pigmentacija spremenila v nasprotnih smereh;
večja debelina listov poveča dolžino poti fotona, medtem ko se dolžina poti fotona zmanjšuje s povečano vsebnostjo pigmenta (Vogelmann, 1993).
Lee idr. (2000) so ugotovili, da absorbanca in vsebnost klorofila naraščata v rastlinah, ki rastejo v pomanjkanju svetlobe, v primerjavi s tistimi, ki dobijo normalno ali povečano količino svetlobe. Poorter idr. (2000) pa so ugotovili, da imajo sončni listi primerljivo odbojnost in nižjo presevnostjo kot senčni listi, posledično je absorbanca v sončnih listih nekoliko višja, toda senčni listi so imeli večjo učinkovitost absorbance na enoto biomase kot sončni listi. Senčni listi so tanjši in bolj horizontalni ter z nižjo maso lista na enoto površine. Imajo visoko vsebnost klorofila na enoto mase lista, kar jim omogoči možnost absorbance primerljivo s sončnimi listi.
Razlike v odbojnosti, presevnosti in absobanci med 400–500 nm, 670–680 nm in NIR spektri so ponavadi majhne tako za liste pod vplivom stresorjev kot za zdrave liste. Zdi se, da so koncentracije karotenoidov in drugih pomožnih pigmentov običajno v listih podvrženim stresu dovolj visoke, da absorpcija v območju 400–500 nm ostane podobna tisti v zdravih listih (Merzlyak idr., 1999).
Zamrzovanje listja ali drugega rastlinskega tkiva je povečalo odbojnost tega tkiva, tako da je kristaliziralo vodo in s tem vplivalo na indeks loma svetlobe. Zamrzovanje je spremenilo tudi obliko krivulj odbojnosti in prepustnosti v infrardečem delu spektra, pri čemer se položaji absorpcijskih pasov vode premaknejo na daljše valovne dolžine. Led je porušil celične
16
membrane, tako da je odtajevanje omogočilo, da v medcelične prostore priteče nekaj vode, kar je zmanjšalo odbojnost (Woolley, 1971).
Dostopnost hranil je pomembnejša pri rastlinah, ki rastejo v razmerah z malo svetlobe, saj lahko tvorijo več fotosinteznih pigmentov in zaradi boljše fotosinteze rastejo, kljub pomanjkanju svetlobe. Povečana dostopnost hranil rastlini povzroči povečanje ravni dušika in klorofila v celicah. Posledično bi to lahko privedlo do zmanjšane odbojnosti. Svetloba ima verjetno večji vpliv na optične lastnosti kot hranila, saj vpliva na več mehanizmov v rastlini.
Večinski vpliv na optične lastnosti, kot posledica svetlobe in hranil se izrazi kot sprememba v količini klorofila. Toda poleg klorofila so tudi ostali dejavniki, ki povzročijo značilne spremembe, eden od njih je koncentracija karotenoidov. Ti so po kontentracijah druga barvila takoj za klorofili in absorbirajo svetlobo v modri regiji spektra, natančneje 500-520 nm (Baltzer
& Thomas, 2005).
Carter (1993) je ugotovil, da se rastline odzovejo na akutni stres s povečano odbojnostjo, predvsem v zelenem delu spektra okrog 550 nm ter v rdečem delu spektra okrog 700 nm valovne dolžine. Spremembe pri teh valovnih dolžinah so opazne pri številnih biotskih in abiotskih stresnih dejavnikih in pri vseh rastlinskih vrstah vključenih v raziskavo. Najmanjše spremembe so v vijolični regiji (400-450 nm) in pri klorofilnem vrhu (~670 nm).
V zadnjem času prihajajo v ospredje novi načini zajemanja podatkov o presevnosti in odbojnosti, ki so popolnoma neinvazivni za rastlino. Potreba po novih načinih je posledica naraščujoče svetovne populacije, saj zaradi povečanega povpraševanja po pridelkih proizvajalci hrane stalno spremljajo zdravje pridelkov. Obstajajo spremenljivke, povezane z zdravjem pridelkov, kot so fluorescenca klorofila, klorofil, kalcij in dušik. Prav vsebnost klorofila v listih je spremenljivka, ki se pogosto uporablja za določitev zdravja rastline, saj je bilo dokazano, da obstaja velika korelacija med vsebnostjo klorofila in zdravjem rastline. Da bi dobili najboljše rezultate, bi bilo potrebno rastlino pred merjenjem postaviti v svetlobno nadzorovane razmere, da se določi ureditev kloroplasta. Uporablja se napredna tehnologija zajemanja slik, vsebnost klorofila se oceni z uporabo linearne regresije, pri čemer sta parametra presevnost in odbojnost lista. Zgolj s cenovno ugodno kamero in preprosto optično postavitvijo je bilo mogoče doseči oceno vsebnosti klorofila v lističu na vsakih 200 ms. Problem šuma zaradi naravne svetlobe se popravi s pomočjo uvedbe umetnih virov svetlobe. Glavna pomanjkljivost splošno uporabljenih sistemov je, da absorpcijo oceni le na eni točki analiziranega lista, pri čemer izračuna vsebnost klorofila le znotraj majhnega volumna lista. Da bi rešili to težavo, je treba opraviti meritve na različnih lokacijah. Povprečna vrednost vseh izmerjenih točk ustreza približni vsebnosti klorofila v analiziranem rastlinskem organu (Pérez- Patricio idr., 2018).
17
2.7 VPLIV ANATOMSKIH ZNAČILNOSTI
Na spremembe optičnih lastnosti listov lahko neposredno vplivajo spremembe v anatomiji listov, zaradi njihove pomembne vloge v porazdelitvi svetlobe znotraj lista (Vogelman idr., 1996). Na primer, konveksne epidermalne celice lahko pomagajo pri zbiranju in fokusiranju svetlobe, kar lahko poveča verjetnost, da kloroplasti prestrežejo fotone (Bone idr., 1985; Myers idr., 1994). V kolikšni meri epidermalna celica koncentrira svetlobo je odvisno od ukrivljenosti zunanje celične stene, premera celice in količine absorbcije in razpršitve svetlobe tako znotraj epidermalne celice kot v tkivih pod njo. Na pogled bolj hrapava površina sestavljena iz bolj ukrivljenih epidermalnih celic pomaga ujeti žarke, ki vstopajo pod nizkim kotom in ki bi se od gladke površine verjetno odbili (Vogelmann, 1993).
Poleg tega lahko oblika palisadnih celic mezofila, ki so dolge in cilindrične, vpliva na prodiranje svetlobe globje v list. Gobaste celice, ki so bolj sferične oblike in imajo več stika med celičnimi stenami in medceličnimi zračnimi prostori, pa to svetlobo razpršijo. Spremembe v obliki celic gobastega mezofila lahko vplivajo na dolžino optične poti; več kot je takega tkiva, več je notranje odbojnosti in boljša je absorbanca. To povečanje absorbance in fotosinteze s pomočjo medcelične odbojnosti brez dodatnega proizvajanja fotosinteznih pigmentov pomaga vzdrževati rastlino v obdobjih, ko je malo raspršene svetlobe (DeLucia idr., 1996; Vogelmann, 1993). Na primeru lista špinače je dokazano, da se 90 % svetlobe znotraj modrega (450 nm) in rdečega spektra (680 nm) absorbira že v prvih dveh slojih palisadnih celic, tako da v mezofilu prevladujeta zelena (550nm) in dolgovalovna rdeča svetloba, ki se manj absorbirata in zato prodirata globje v tkivo (Vogelmann, 1993).
S pomočjo odbojnosti lahko ocenimo vsebnost klorofilov, razmerje med klorofilom in karotenoidi in vsebnost vode. Vsebnost klorofila je odvisna od nivoja svetlobe v času rasti, vodnega stresa in dušikovih hranil. Odbojnost pa je odvisna tudi od anatomskih značilnosti lista, kot so relief površine in notranja zgradba (Levizou idr., 2005).
Notranja celična struktura, zlasti stik med zrakom in celicami so še posebej pomembni pri določanju odbojnosti v območju NIR (700-1300nm) zaradi razlik v lomnih količnikih med hidriranimi celicami in medceličnimi zračnimi prostori, ki povzročijo razpršitev svetlobe.
Posledično imajo večje anatomske spremembe močnejši vpliv na optične lastnosti izven spektra vidne svetlobe. Kar se tiče anatomskih sprememb gre predvsem za površino celic mezofila, ki je v stiku z medceličnimi zračnimi prostori izraženo na enoto listne površine (Slaton idr., 2001). Z analizo odbojnosti listov v območju NIR lahko ocenimo učinke anatomskih lastnosti listov na odbojnost, v nasprotju s kemičnimi sestavinami listov, kot sta klorofil in voda, ki ju ocenimo z meritvami v območju vidnega in srednjega infrardečega spektra (Curran idr., 1992).
Učinki stresnih razmer na različne rastline so bili ocenjeni s sezonskimi meritvami, z okoljskimi gradienti ali z manipulacijo okoljskih parametrov. V večini raziskav so sklepali, da se površina lista ne spremeni bistveno, dokazano pa je, da prisotnost trihomov in njihova gostota bistveno vpliva na odbojnost. Gostota trihomov se poveča s povišano temperaturo, pomanjkanjem vode in premajhno vsebnostjo hranil. Pri večini rastlin, ki imajo trihome, so ti
18
pogosteje prisotni na mladih in manjših listih. Ko so listom odstranili trihome, se je zmanjšala odbojnost. Če ima list več večje število trihomov je učinek podoben, kot če je vsebnost fotosinteznih pigmentov nizka. Meritve v vidnem delu spektra odbojnosti, predvsem v skrajnem rdečem robu so manj občutljive na spremembe v gostoti trihomov. Trihomi tako povečajo odbojnost v celotnem vidnem območju spektra, vendar je njihov učinek v NIR spremenljiv. Na odbojnost vplivajo tudi spremembe v prisotnost voskov na površini lista.
Prisotnost voskov poveča odbojnost skozi celotni vidni del spektra in NIR regije spektra, čeprav je njihov učinek največji pri krajših valovnih dožinah (Levizou idr., 2005).
Odbojnost posušenega lista je ponavadi večja od odbojnosti svežega lista pri vseh valovnih dolžinah, značilna krivulja odbojnosti v NIR se razlikuje od tiste pri svežem listu, zato se zdi, da lahko splošno obliko krivulje svežega listja v infrardečem delu spektra uravnava količina vode. Pri različnih rastlinskih vrstah je opaziti različne odzive na zmanjšanje relativne vsebnosti vode v tkivu, za to je lahko med drugim odgovorna tudi oblika celic in sprememba v stiku celic tkiva z zrakom, ko se skrčijo zaradi pomanjkanja vode. Odbojnost listov ni močno odvisna od debeline listov, ki močneje vpliva na presevnost, zlasti pri nekaterih valovnih dolžinah, kjer voda ali listni pigmenti absorbirajo energijo (Woolley, 1971).
Prilagoditev na močno svetlobo pogosto vodi v debelitev kutikule, katere glavna funkcija je omejitev izgube vode. Spremembe v kutikuli lahko privedejo do sprememb v površinski odbojnosti, tako da je povečanje odbojnosti zaradi močne osvetlitve lahko zaradi kutikule.
Debelina kutikule je edina izmerjena anatomska značilnost, ki kaže znatno korelacijo z optičnimi lastnostmi v vidnem delu spektra (Baltzer & Thomas, 2005). Debela fotosintezna tkiva prestrežejo večino svetlobe in tako zmanjšajo svetlobo, ki je na voljo tekmecem. Večja zmogljivost shranjevanja in preprečevanja izgub hranil in vode pa je še posebej pomembna v neugodnih razmerah. Rastline z debelimi tkivi izkoristijo te prednosti na račun zmanjšanja koncentracije klorofila, da se izognejo neučinkovitemu prestrezanju svetlobe posameznih molekul klorofila, kar ima za posledico nizko absorpcijo svetlobe na enoto mase in s tem počasno rast in visoke potrebe po svetlobi. Zato imajo rastline z debelimi fotosinteznimi tkivi zmanjšan potencial za rast, vendar bolje uspevajo v neugodnih pogojih, kot rastline s tankimi fotosinteznimi tkivi (Lambers & Poorter, 1992).
19
3 MATERIALI IN METODE 3.1 OBMOČJE IN ČAS RAZISKAVE
Raziskava je potekala od septembra 2019 do marca 2020. Vejice smo nabrali v naravi in jim nato izmerili optične lastnosti v laboratorijih na Oddelku za biologijo Biotehniške fakultete. V laboratoriju smo opravili tudi biokemijske raziskave. Meritve optičnih lastnosti so bile opravljene dan po nabiranju in sicer 24. septembra, 25. novembra, 13. januarja in 17. februarja.
Isti dan smo tudi izmerili debelino skorje ter zamrznili vzorce skorje, da smo jih lahko uporabili za biokemijske raziskave.
Območje nabiranja je bilo na območju Otočca (45.83394, 15.22021 in 45.83614, 15.21441).
Vejice smo vedno nabrali na istem mestu ter jih namočili v vodo. Vsakič smo opravili meritve na desetih vejicah.
Na Sliki 1 lahko vidimo, da smo vejice za meritve pri prvi seriji nabrali 24. septembra, takrat so listi bili zeleni, ko smo nabrali vejice 25. novembra, pa so bili listi rumeni, minimalne dnevne temperature zraka pa nižje kot pri prvi meritvi. Tretjo meritev smo izvedli 13. januarja med daljšim obdobjem minimalnih dnevnih temperatur zraka, ki so bile pod ničlo. 17. februarja, ko smo izvedli četrto meritev, je bila minimalna dnevna tempreratura zraka že večino dni nad ničlo. Podatki so pridobljeni iz arhiva meritev na https://meteo.arso.gov.si/, merilna postaja pa je v Novem mestu (45.8018, 15.1773) na nadmorski višini 220m.
Slika 1: Minimalna dnevna temperatura zraka v času nabiranja vejic navadne leske
