BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
Barbara Ferlin
OPTIČNE LASTNOSTI LISTOV IN VSEBNOST FITOLITOV V LISTIH JEČMENA IN PIRE
Magistrsko delo
Ljubljana, 2017
Študijski program: Predmetno poučevanje, biologija in gospodinjstvo
Barbara Ferlin
OPTIČNE LASTNOSTI LISTOV IN VSEBNOST FITOLITOV V LISTIH JEČMENA IN PIRE
Magistrsko delo
Mentorica: prof. dr. Alenka Gaberščik
Ljubljana, 2017
I
Magistrsko delo je zaključek magistrskega študija 2. bolonjske stopnje na Pedagoški fakulteti, smer Predmetno poučevanje: Biologija – Gospodinjstvo. Opravljeno je bilo na Katedri za ekologijo in varstvo okolja Oddelka za biologijo Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani. Vzorci rastlin so bili nabrani na njivi v vasi Vihre, blizu mesta Krško na JV Slovenije, in obdelani v laboratoriju katedre.
Študijska komisija Pedagoške fakultete je odobrila predlagano temo magistrskega dela z naslovom Optične lastnosti listov in vsebnost fitolitov v listih ječmena in pire. Za mentorico magistrskega dela je imenovala prof. dr. Alenko Gaberščik.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednica:
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Mentorica: prof. dr. Alenka Gaberščik
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Članica:
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Datum zagovora:
Delo je rezultat lastnega raziskovalnega dela.
Podpisana se strinjam z objavo svoje naloge v polnem tisku na spletni strani Digitalne knjižnice Biotehniške fakultete. Izjavljam, da je naloga, ki sem jo oddala v elektronski obliki, identična tiskani verziji.
Barbara Ferlin
II
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA
ŠD Du2
DK
KG Ječmen/pira/odbojnost/presevnost/optične lastnosti listov/fitoliti
AV FERLIN, Barbara
SA GABERŠČIK, Alenka (mentor) KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
LI 2017
IN OPTIČNE LASTNOSTI LISTOV IN VSEBNOST FITOLITOV V LISTIH JEČMENA IN PIRE
TD Magistrsko delo (Magistrski študij – 2. stopnja) OP VIII, 55 str., 11 preg., 6 sl., 137 vir.
IJ sl
JI sl/en
AL Proučevali smo, kako prisotnost silicijevih struktur oziroma fitolitov in druge strukturne ter biokemijske lastnosti vplivajo na optične lastnosti listov ječmena (Hordeum vulgare L.) in pire (Triticum spelta L.). Meritve smo opravili v dveh obdobjih, saj nas je zanimalo, kakšne so razlike med listi na začetku in višku rastne sezone kot tudi razlika med listi ječmena in pire v posameznem obdobju.
Odbojnost in presevnost smo izmerili v območju od 280 nm do 880 nm.
Morfološka analiza listov je vključevala debelino lista, debelino zgornje povrhnjice, debelino mezofila in debelino spodnje povrhnjice. Določili smo tudi specifično listno površino ter pregledali velikost listnih rež in bodičk, tako v zgornji kot tudi v spodnji povrhnjici. Biokemijske analize so obsegale meritve vsebnosti fotosinteznih barvil, karotenoidov, antocianov in UV-absorbirajočih snovi. Ugotovili smo, da se odbojni in presevni spektri izbranih vrst razlikujejo med listi na začetku in višku rastne sezone. Prav tako prihaja do razlik med izbranima vrstama v isti razvojni fazi. Rezultati so pokazali, da na odbojne in presevne spektre vplivajo morfološke in biokemijske lastnosti listov. Pri ječmenu so optične lastnosti pogojene tudi s povišano koncentracijo fitolitov, kar pri piri nismo uspeli dokazati. Rezultati so pokazali tudi, da listi pire in ječmena vsebujejo različne vsebnosti fitolitov. Ugotovili smo tudi, da je pri listih ječmena v višku rastne sezone vsebnost fitolitov višja, kar pa ne velja za liste pire.
III
KEY WORDS DOCUMENTATION
DN Du2
DC
CX Hordeum vulgare L./Triticum spelta L./reflectance/transmittance/leaf optical properties/phytolits
AU FERLIN, Barbara
AA GABERŠČIK, Alenka (supervisor) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Biology
PY 2017
TI OPTICAL PROPERTIES OF OF LEAVES AND PHYTOLITE CONTENT IN
BARLEY AND SPELT.
DT M. Sc. Thesis (Master Study Programmes) NO VIII, 55 p., 11 tab., 6 fig., 137 ref.
LA sl
AL sl/en
AB
We studied how the presence of silicon structures or phytolites and other structural and biochemical properties affect the optical properties of barley (Hordeum vulgare L.) and spelt (Triticum spelta L.) leafs. The measurements were made in two periods, as we were interested in the differences between the leaves at the beginning and in peak growing season, as well as the difference between the leaves of barley and spelt in each period. The reflectance and transmittance were measured in the range of 280 nm to 880 nm. The morphological analysis of the leaves included leaf thickness, upper epidermal thickness, mesophilic thickness and lower epidermal thickness. We also determined the specific leaf surface and examined the size of the leaf stomata and prickle hairs, both in the upper and lower epidermis. Biochemical analyzes consisted of measurements of photosynthetic pigments namely - carotenoids, anthocyanins and UV-absorbing substances. We have found out that the refllectance and transmittance spectra of the selected species differred between the leaves at the beginning and peak growing season. There were also changes among the selected species in the same developmental phase. The results showed that the morphological and biochemical properties of the leaves affected reflectance and transmittance spectra. In barley, optical properties also depent on phytolith concentration, which we did not prove in spelt. The results also showed that leaves of barley and spelt contained different amounts of phytoliths. We also found out that in the case of barley, the content of phytoliths was higher in the peak growing season, which was not the case with spelt.
IV KAZALO VSEBINE
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ... II KEY WORDS DOCUMENTATION ... III KAZALO VSEBINE ... IV KAZALO PREGLEDNIC ... VI KAZALO SLIK ... VII OKRAJŠAVE IN SIMBOLI ... VIII
1 UVOD ... 1
1.1 CILJ ... 2
1.2 HIPOTEZE ... 2
2 PREGLED OBJAV ... 3
2.1 OPTIČNE LASTNOSTI LISTOV ... 3
2.1.1 REFLEKTANCA OZIROMA ODBOJ SVETLOBE ... 3
2.1.2 ABSORBANCA OZIROMA ABSORPCIJA SVETLOBE ... 4
2.1.3 TRANSMITANCA OZIROMA PREPUSTNOST SVETLOBE ... 5
2. 2 SILICIJ ... 6
2.2.1 KEMIJSKE LASTNOSTI SILICIJA ... 6
2.2.2 SILICIJ V TLEH ... 6
2.2.3 SILICIJ V RASTLINAH ... 7
2.2.4 FITOLITI ... 8
2.3 SILICIJ IN DRUŽINA TRAV ... 9
2.3.1 VPLIV FITOLITOV NA OPTIČNE LASTNOSTI TRAV ... 11
3 MATERIALI IN METODE ... 13
3.1 RAZISKOVANO OBMOČJE ... 13
3.2 RAZISKOVANI VRSTI ... 13
3.2.1 JEČMEN ... 13
3.2.2 PIRA ... 14
3.3 METODE DELA IN RAZISKOVALNI PRISTOP ... 14
3.3.1 VZOREC ... 14
3.3.2 OPIS POSTOPKA ZBIRANJA PODATKOV ... 14
V
3.3.3. POSTOPKI OBDELAVE PODATKOV ... 18
4 REZULTATI ... 19
4.1 RELATIVNA ODBOJNOST IN PRESEVNOST LISTA ... 19
4.2 MORFOLOŠKE ZNAČILNOSTI LISTOV ... 25
4.3 BIOKEMIJSKE ZNAČILNOSTI LISTOV ... 27
4.4 FIZIOLOŠKE ZNAČILNOSTI LISTOV... 28
4.5 KORELACIJE MED MORFOLOŠKIMI IN BIOKEMIJSKIMI LASTNOSTMI LISTOV TER OPTIČNIMI LASTNOSTMI LISTOV ... 29
5 RAZPRAVA ... 38
5.1 OPTIČNE LASTNOSTI LISTOV PREUČEVANIH VRST ... 38
5.2 VPLIV FITOLITOV NA OPTIČNE LASTNOSTI LISTOV OBEH VRST... 38
5.3 VPLIV MORFOLOŠKIH IN BIOKEMIJSKIH LASTNOSTI NA OPTIČNE LASTNOSTI LISTOV OBEH VRST ... 39
5.4 PRIMERJAVA PREUČEVANIH VRST GLEDE NA RAZVOJNO FAZO ... 42
6 SKLEPI ... 44
7 POVZETEK ... 45
8 VIRI ... 46
VI KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 1: Povprečne vrednosti ± SD posameznih parametrov v sklopu listne morfologije pri obeh proučevanih rastlinskih vrstah na začetku in višku rastne sezone. Različne črke označujejo statistično značilne razlike med štirimi navedenimi vrednostmi za vsak posamezen parameter (N = 10, Bonferroni post hoc test; p ≤ 0,05). ... 25 Preglednica 2: Povprečne vrednosti ± SD posameznih parametrov v sklopu listne biokemije pri obeh proučevanih rastlinskih vrstah na začetku in višku rastne sezone. Različne črke označujejo statistično značilne razlike med štirimi navedenimi vrednostmi za vsak parameter (N = 10, Bonferroni post hoc test; p ≤ 0,05). ... 27 Preglednica 3: Povprečne vrednosti ± SD posameznih parametrov v sklopu listne fiziologije pri obeh proučevanih rastlinskih vrstah na začetku in višku rastne sezone. Različne črke označujejo statistično značilne razlike med štirimi navedenimi vrednostmi za vsak parameter (N = 10, Bonferroni post hoc test; p ≤ 0,05). ... 28 Preglednica 4: Vrednosti Pearsonovega korelacijskega koeficienta, ki prikazujejo stopnjo korelacije med presevnostjo v določenih spektralnih pasovih in morfološkimi/biokemijskimi lastnostmi pri listih ječmena v začetku in višku rastne sezone; p ≤ 0,05 (modro), N = 10. ... 30 Preglednica 5: Vrednosti Spearmanovega korelacijskega koeficienta, ki prikazujejo stopnjo korelacije med odbojnostjo zgornje strani listov v določenih spektralnih pasovih in
morfološkimi/biokemijskimi lastnostmi pri listih ječmena v začetku in višku rastne sezone; p ≤ 0,05 (modro), N = 10. ... 31 Preglednica 6: Vrednosti Pearsonovega korelacijskega koeficienta, ki prikazujejo stopnjo korelacije med presevnostjo v določenih spektralnih pasovih in morfološkimi/biokemijskimi lastnostmi pri listih pire v začetku in višku rastne sezone; p ≤ 0,05 (modro), N = 10. ... 32 Preglednica 7: Vrednosti Spearmanovega korelacijskega koeficienta, ki prikazujejo stopnjo korelacije med odbojnostjo zgornje strani listov v določenih spektralnih pasovih in
morfološkimi/biokemijskimi lastnostmi pri listih pire v začetku in višku rastne sezone; p ≤ 0,05 (modro), N = 10... 33 Preglednica 8: Vrednosti Pearsonovega korelacijskega koeficienta, ki prikazujejo stopnjo korelacije med presevnostjo v določenih spektralnih pasovih in morfološkimi/biokemijskimi lastnostmi pri listih ječmena in pire v začetku rastne sezone; p ≤ 0,05 (modro), N = 10. ... 34 Preglednica 9: Vrednosti Spearmanovega korelacijskega koeficienta, ki prikazujejo stopnjo korelacije med odbojnostjo zgornje strani listov v določenih spektralnih pasovih in
morfološkimi/biokemijskimi lastnostmi pri listih ječmena in pire v začetku rastne sezone; p ≤ 0,05 (modro), N = 10. ... 35 Preglednica 10: Vrednosti Spearmanovega koeficienta, ki prikazujejo stopnjo korelacije med presevnostjo v določenih spektralnih pasovih in morfološkimi/biokemijskimi lastnostmi pri listih ječmena in pire na višku rastne sezone; p ≤ 0,05 (modro), N = 10. ... 36 Preglednica 11: Vrednosti Spearmanovega korelacijskega koeficienta, ki prikazujejo stopnjo korelacije med odbojnostjo zgornje strani listov v določenih spektralnih pasovih in
morfološkimi/biokemijskimi lastnostmi pri listih ječmena in pire na višku rastne sezone; p ≤ 0,05 (modro), N = 10. ... 37
VII KAZALO SLIK
Slika 1: Povprečne vrednosti relativne odbojnosti [%] zgornje površine listov mladih in starih listov ječmena na začetku (mladi listi) in višku (zreli listi) rastne sezone; n = 10. ... 19 Slika 2: Povprečne vrednosti relativne odbojnosti [%] zgornje površine listov mladih in starih listov pire na začetku (mladi listi) in višku (zreli listi) rastne sezone; n = 10. ... 20 Slika 3: Povprečne vrednosti relativne odbojnosti [%] spodnje površine listov mladih in starih listov ječmena na začetku (mladi listi) in višku (zreli listi) rastne sezone; n = 10. ... 21 Slika 4: Povprečne vrednosti relativne odbojnosti [%] spodnje površine listov mladih in starih listov pire na začetku (mladi listi) in višku (zreli listi) rastne sezone; n = 10. ... 22 Slika 5: Povprečne vrednosti relativne presevnosti [%] skozi liste mladih in starih listov
ječmena na začetku (mladi listi) in višku (zreli listi) rastne sezone; n = 10. ... 23 Slika 6: Povprečne vrednosti relativne presevnosti [%] skozi liste mladih in starih listov pire na začetku (mladi listi) in višku (zreli listi) rastne sezone; n = 10. ... 24
VIII OKRAJŠAVE IN SIMBOLI
abs absorbirajoče snovi Ant antociani
Ca kalcij cm centimeter
E470, E510, E645, E662 absorpcije pri posameznih valovnih dolžinah g gram
H4SiO4 monosilicijeva kislina HCl klorovodikova kislina Kar karotenoidi
kJ kilojoule Kl a klorofil a Kl b klorofil b m meter
m2 meter na kvadrat mg miligram
ml mililiter mm milimeter n število meritev
NIR bližnja infrardeča svetloba (700–887 nm) nm nanometer
PAR fotosintezno aktivni spekter sevanja rpm število vrtljajev na minuto
SD standardna deviacija Si silicij
SiO2 silicijev dioksid
UV ultravijolično sevanje (280–400 nm) UV abs UV-absorbirajoče snovi
UV-A ultravijolično sevanje A z valovno dolžino 320–400 nm UV-B ultravijolično sevanje B z valovno dolžino 280–320 nm
° C stopinj celzija µm mikrometer
1 1 UVOD
Življenje na Zemlji je odvisno od sončevega sevanja (Taiz in Zeiger, 2010), ki ustvarja razmere, ugodne za življenje. Na zemeljskem površju fotoni zadenejo rastline, zato prihaja do interakcij sevanja z rastlinskimi organi (Larcher, 2003). Te interakcije so odvisne od valovnih dolžin sevanja, anatomskih in biokemijskih značilnosti lista in vsebnosti vode v tkivih (Woley, 1971; Yoshimura in sod., 2010; Buschmann in sod., 2012; Klančnik in sod., 2013, 2014b) ter optičnih lastnosti rastlin, ki jih opisujemo s pojmi reflektanca, absorbanca in transmitanca (Levizou in sod., 2005).
Silicij (Si) je drugi najbolj razširjen element v zemeljski skorji (Epstein, 1999). Kljub temu da ga ne uvrščamo med esencialne elemente (Guntzer in sod., 2012), je za rastline pomemben, saj lahko njegovo pomanjkanje vpliva na nepravilno rast, razvoj in reprodukcijo rastlin (Epstein, 1999). Rastline silicij privzemajo iz tal v obliki monosilicijeve kisline (Knight and Kinrade 2001), ki se nato v obliki silicijevih struktur oziroma fitolitov nalaga v rastlinskih tkivih (Piperno, 2006). Fitoliti na površini in v listnem tkivu vplivajo na prehajanje in odboj svetlobe, kar vpliva na optične lastnosti listov (Klančnik in sod., 2014b).
Ječmen (Hordeum vulgare L.) in piro (Triticum spelta L.) uvrščamo v družino trav (Poaceae), ki so večinoma zelnate rastline, redkeje olesenele. Steblo je votlo, nerazraslo ter izrazito kolenčasto. Listi so nameščeni dvoredno, listno dno tvori listno nožico.
Listna ploskev, ki objema steblo, je črtalasta do suličasta. Listi so vzporedno žilnati, površina pa je zaradi razvitih bodičk, prisotnih na povrhnjici, raskava (Martinčič in sod., 2007). Pomemben strukturni element trav je silicij (Klančnik in sod., 2014), saj je bistvenega pomena za rast, mehansko trdnost, togost, zaščito pred izgubo vode, zaščito pred predatorji in obrambo pred mikrobi (Neethirajan in sod., 2009; Vicari in Bazely, 1993; Massey in Hartley, 2006).
Znano je, da strukturiranost listne površine močno vpliva na usodo sevanja, ki pade na list, vendar je o vplivih prisotnosti Si, silicijevih struktur oziroma fitolitov na optične lastnosti listov malo znanega. Ker je silicij pomemben strukturni element trav (Poaceae), ki se v visokih koncentracijah kopiči na površini listov in v listnem tkivu, bomo v magistrskem delu preučevali, kako prisotnost silicijevih struktur oziroma fitolitov in tudi druge strukturne ter biokemijske lastnosti vplivajo na optične lastnosti listov ječmena in pire. Raziskavo smo opravili v dveh obdobjih, saj nas je zanimalo, kakšne so razlike med listi na začetku in višku rastne sezone kot tudi razlika med listi ječmena in pire v posameznem obdobju.
2 1.1 CILJ
Cilj magistrskega dela je ugotoviti, kako prisotnost silicijevih struktur oziroma fitolitov in druge strukturne in biokemijske lastnosti vplivajo na optične lastnosti listov ječmena in pire in kakšne so razlike med listi na začetku in višku rastne sezone.
1.2 HIPOTEZE
1. Predvidevamo, da se bodo optične lastnosti listov razlikovale med listi na začetku in višku rastne sezone, kar bo pogojeno s strukturnimi in biokemijskimi spremembami ter vsebnostjo fitolitov.
2. Predvidevamo, da ječmen in pira vsebujeta različne koncentracije fitolitov, kar vpliva na energijsko bilanco rastline, strukturno trdnost in predstavlja zaščito rastline.
3. Predvidevamo, da bo pri listih v višku rastne sezone količina fitolitov v listih ječmena in pire višja, saj ima silicij strukturno in zaščitno vlogo.
3 2 PREGLED OBJAV
2.1 OPTIČNE LASTNOSTI LISTOV
Rastline se ves čas prilagajajo intenzivnosti in spektralni kakovosti svojega primarnega vira življenja – svetlobe (Ruban, 2009). Skozi atmosfero, ki deluje kot filter svetlobe, prodre konstantna količina svetlobe, ki znaša približno 21,1020 kJ na leto (Tarman, 1992). Zemljino površje, kjer prihaja do interakcij sevanja z vegetacijo, doseže le 47 % sončevega sevanja (Larcher, 2003). Del fotonov se ob stiku z listno površino odbije, preostanek pa vstopa v notranjost lista. V notranjosti lista se del fotonov absorbira, medtem ko del fotonov prehaja skozi list (Liew in sod., 2008). Usoda fotonov ob stiku z listno površino je odvisna od njihove valovne dolžine, anatomskih in biokemijskih značilnosti lista ter vsebnosti vode v tkivih (Woley, 1971; Yoshimura in sod., 2010;
Buschmann in sod., 2012; Klančnik in sod., 2013, 2014a). Tako lahko tudi pri rastlinah govorimo o optičnih lastnostih, ki jih opišemo s pojmi reflektanca, absorbanca in transmitanca (Levizou in sod., 2005). Reflektanco izrazimo kot količino odbite svetlobe glede na celotno vpadno svetlobo, medtem ko transmitanco izrazimo kot delež svetlobe, ki preseva, ko zadene nek predmet (Woolley, 1971). Absorbanca je obratno sorazmerna z reflektanco in transmitanco (Levizou in sod., 2005).
Listi višjih rastlin, ki interagirajo s svetlobo, imajo lastne optične lastnosti (Yoshimura in sod., 2010), vendar so si optične lastnosti listov višjih rastlin v splošnem podobne.
Do različnih optičnih lastnosti prihaja zaradi specifičnih razlik v zgradbi listov in različnih kemijskih lastnosti listov (Jacquemoud in Baret, 1990), kar pa je osnova za prepoznavanje rastlinskih vrst na podlagi t. i. »spektralnih podpisov« (Knapp in Carter, 1998; Castro-Esau, 2006). Optične lastnosti se lahko razlikujejo tudi znotraj vrste kot posledica variabilnosti v ontogeneznem razvoju in v okoljskih dejavnikih, v katerih rastlina uspeva, kot so na primer hranila, svetloba in voda (Klančnik in sod., 2014a).
2.1.1 REFLEKTANCA OZIROMA ODBOJ SVETLOBE
Odbojnost oziroma reflektanca je količina svetlobe, ki se deloma odbije neposredno od listne površine, deloma pa vstopi v mezofil in se preko vmesnih površin znotraj mezofila odbije skozi povrhnjico nazaj v okolje (Knipling, 1970; Larcher, 2003;
Vogelmann, 1993). Tako prihaja do površinskega (zrcalnega) ali razpršenega (difuznega) odboja fotonov. Površinsko odbojnost lista določa svetloba, ki se zrcalno odbije od njegove površine (Vogelmann, 1993). V kolikšni meri se sevanje odbije zrcalno ali razpršeno, je odvisno od vpadnega kota fotonov, strukturiranosti listne površine ter razlik v lomnih količnikih med mejnima plastema, zrakom in listno površino. Površinski odboj prevladuje pri svetlečih listih, medtem ko je pri nesvetlečih listih večji delež razpršenega odboja (Wooley, 1971). Grant (1987) navaja, da se razpršeni odboj poveča, kadar so na listni površini prisotne fine strukture, ki so manjše od valovnih dolžin sevanja. Larcher (2003) pa navaja, da se površinski odboj lahko poveča z gosto pokritostjo s trihomi ali voski. Razlike v vzorcih spektralne odbojnosti lahko v veliki meri pripišemo razlikam v listni morfologiji (Fyfe, 2004), ne gre pa zanemariti tudi biokemijskih lastnosti oziroma vsebnosti rastlinskih pigmentov (Liew in sod., 2008).
Listi višjih rastlin v povprečju odbijejo 6–10 % vpadne vidne svetlobe, v primeru da so listi zelo svetleči, pa še enkrat toliko. Listi najmočneje odbijejo zeleno svetlobo (10–20
4
%), medtem ko je odboj oranžne in rdeče svetlobe nižji (3–10 %). Glavni dejavnik, ki vpliva na odbojnost v vidnem delu spektra, je absorpcija listnih pigmentov. Odboj svetlobe je najmanjši pri ultravijoličnem sevanju, ki se skoraj popolnoma absorbira (Larcher, 2003), in najvišji v bližnjem in srednjem infrardečem delu spektra, kjer odbojnost določa predvsem notranja struktura lista, saj so listni pigmenti prosojni (Grant, 1987; Vogelmann, 1993). Biokemijske lastnosti listov oziroma natančneje klorofili, karotenoidi in antociani imajo največji vpliv na odbojnost pri valovni dolžini od 400 do 700 nm, medtem ko imajo morfološke lastnosti listov, kot so kutikula, povrhnjica, ostala listna tkiva in vsebnost vode, največji vpliv na odbojnost svetlobe pri valovni dolžini 700 do 1400 nm (Baltzer in Thomas, 2005; Vogelmann, 1993).
2.1.2 ABSORBANCA OZIROMA ABSORPCIJA SVETLOBE
Večina sončevega sevanja, ki prehaja preko listne povrhnjice lista, se absorbira.
Intenziteta sevanja pa se v listu eksponentno zmanjšuje (Larcher, 2003). Absorpcijske značilnosti listov so odvisne predvsem od svojih biokemijskih lastnosti oziroma pigmentov, ki se nahajajo v listnem tkivu (Liew in sod., 2008), in od koncentracij različnih kemijskih snovi, kot so proteini, voda, lignin in celuloza (Curran, 1989). Te snovi absorbirajo določene valovne dolžine sevanja, kar zmanjša odboj v teh delih spektra.
Rastline zelo učinkovito absorbirajo v celotnem UV-spektru (Gates in sod., 1965), saj se od listne površine odbije manj kot 3 % sevanja (Larcher, 2003), in v vidnem svetlobnem spektru (Gates idr., 1965), kjer listi rastlin v povprečju absorbirajo 60–80 % sončevega sevanja. Absorpcija je najvišja v modrem in rdečem delu spektra, najmanjša pa v zelenem delu spektra (Klančnik in sod, 2012; Klančnik in sod., 2013). Vzorec spektralne odbojnosti in absorpcije zelenih listov v vidnem svetlobnem spektru je določen predvsem s koncentracijo klorofilov, čeprav je opazen tudi vpliv karotenoidov (Baltzer in Thomas, 2005) in antocianov (Neill in Gould, 1999). Spektralne krivulje absorpcije listov kažejo maksimum, ki sovpada z absorpcijskim maksimumom klorofilov in karotenoidov (Larcher, 2003). V bližnjem infrardečem delu spektra je manjša absorpcija kot v območju vidne svetlobe, najmanjša absorpcija pa je v infrardečem delu spektra, saj se od listne površine odbije okoli 70 % sevanja (Larcher, 2003).
Klorofili so pomembni pigmenti, ki vplivajo na količino absorbiranega sončevega sevanja. Foliarna koncentracija klorofilov nadzoruje fotosintezni potencial in posledično tudi primarno produkcijo (Blackburn, 2006). Razmerje med klorofilom a, ki je glavni pigment in prispeva k rdeči fluorescenci v listih, ter klorofilom b, ki je pomožni pigment, je odvisno od abiotskih dejavnikov, predvsem od svetlobe (Blackburn, 2006;
Taiz in Zeiger, 2010). Oba pigmenta najdemo v kloroplastih in imata različen absorpcijski vrh (Taiz in Zeiger, 2010). Modrozelen klorofil a ima absorpcijska vrhova pri 430 in 660 nm, medtem ko se absorpcijska vrhova rumenozelenega klorofila b nahajata pri 450 in 650 nm (Orych in sod., 2013). Omenjene vrednosti absorpcijskih vrhov veljajo za pigmente v topilu, medtem ko absorpcijski vrhovi klorofilov v celicah ležijo bližje skupaj in so pri klorofilu a pri 435 nm in 670–680 nm ter pri klorofilu b pri 480 nm in 650 nm (Rabinowitch in Govindjee, 1969).
Za absorpcijo valovnih dolžin, ki jih klorofili ne absorbirajo, so odgovorna pomožna fotosintezna barvila (Bartley in Scolnik, 1995). Mednje uvrščamo karotenoide, ki jih
5
glede kemijske strukture delimo na karotene in ksantofile (Delgado-Vargas in sod., 2000). Karotenoidi absorbirajo svetlobo v spektru med 400 in 500 nm, kar jim daje značilno rumeno, oranžno ali rdečo barvo. Pri fotosintezi absorbirajo tudi svetlobo v modrozelenem območju in s tem razširijo uporabni del svetlobnega spektra (Taiz in Zeiger, 2010). V procesu fotosinteze imajo dve glavni funkciji, bodisi delujejo kot zbiralci svetlobe, katere energijo posredujejo klorofilu, bodisi kot zaščita pred fotooksidativno škodo (Delgado-Vargas in sod., 2000), saj z absorpcijo presežne energije svetlobe preprečijo nastanek škodljivih reaktivnih oblik kisika (Taiz in Zeiger, 2010).
Antociani so glikozidna barvila (Taiz in Zeiger, 2010), ki jih uvrščamo med vodotopne flavonoide (Blackburn, 2006). Prepoznamo jih kot pigmente rdeče, roza, vijolične in modre barve (Taiz in Zeiger, 2010). Najmočneje absorbirajo svetlobo v rumenem in zelenem delu elektromagnetnega spektra sončne svetlobe (500–600 nm) (Gould, 2004).
Prav tako absorbirajo v vrzeli med območjem močne absorpcije karotenoidov in klorofilov v modrem delu vidnega spektra (400–500 nm) in območjem močne absorpcije klorofilov v rdečem delu vidnega spektra (Merzlyak in sod., 2008).
Absorpcija je seveda odvisna od količine antocianov v listnih tkivih, ki se med vrstami razlikuje, in relativne količine ostalih pigmentov (Merzlyak, 2008). Antociani rastlinam omogočajo odpornost proti stresnim dejavnikom, kot so suša (Blackburn, 2006), pomanjkanje hranil in ekstremne temperature (Merzlyak in sod., 2008), hkrati pa nudijo tudi zaščito pred fotoinhibicijo oziroma premočnim sevanjem v vidnem delu svetlobnega spektra in pred UV-sevanjem (Blackburn, 2006). Antociani ublažijo fotooksidativne poškodbe na listih, saj so učinkoviti lovilci prostih radikalov in reaktivnih kisikovih intermediatov (Gould, 2004).
V rastlinskih listih se nahajajo tudi UV-absorbirajoče snovi, flavonoidi, ki liste višjih rastlin ščitijo pred škodljivimi vplivi valovnih dolžin UV-sevanja (Yoshimura in sod., 2010). S kopičenjem v epidermalnih celicah ščitijo rastlinske celice pred UV-sevanjem (280–320 nm), ki lahko povzroči oksidativni stres in mutacije DNA (Taiz in Zeiger, 2010). Posledično je v UV-delu spektra zaradi absorbirajočih snovi močna absorpcija, okoli 95 % (Rozema in sod., 1997).
Fotosintezni pigmenti pomembno vplivajo na optične lastnosti rastlin, saj močno absorbirajo vidno svetlobo (Rabinowitch in Govindjee, 1969) in svetlobo v UV- spektralnem območju (Woolley, 1971), ki jo izsevajo kot fluorescenco. Fotosintezni pigmenti zato določajo optične lastnosti v PAR- in UV-spektru (Yoshimura in sod., 2010).
2.1.3 TRANSMITANCA OZIROMA PREPUSTNOST SVETLOBE
Transmitanca je na celotnem spektru svetlobe pogojena s celično strukturo lista (Jacquemoud in Baret, 1990) in debelino lista. Zelo tanki listi prepustijo več kot 40 % sončevega sevanja, mehki in upogljivi listi prepustijo 10–20 % sončevega sevanja, medtem ko debelejši in grobi listi prepustijo manj kot 3 % sončevega sevanja.
Transmitanca sovpada z reflektanco, kar pomeni, da je presevnost najvišja v valovnih pasovih, kjer je visoka tudi odbojnost, to pa je v zelenem in zlasti tudi v bližnjem infrardečem delu svetlobnega spektra (Larcher, 2003). Za višje rastline je značilno, da imajo v celotnem UV-območju zelo nizko presevnost (Yoshimura in sod., 2010), z izjemo rastlin, ki so izpostavljene visokemu UV-sevanju. Barnes in sod. (2008) so v
6
svoji raziskavi ugotovili, da se pri nekaterih rastlinah vzpostavi celo diuralna dinamika prepuščanja v UV-območju, ki je najmanjše sredi dneva.
2. 2 SILICIJ
2.2.1 KEMIJSKE LASTNOSTI SILICIJA
Silicij je kemijski element s simbolom Si in vrstnim številom 14. Nahaja se v skupini 14 (IVA) in ga uvrščamo med polkovine, saj ima lastnosti kovin in nekovin (Housecroft in Sharpe, 2005). Elementarni silicij je trden, sive barve s kovinskim sijajem in ima oktaedrično kristalno obliko (Silicon (Si), 2016). Ima visoko temperaturo tališča (1,410
°C) in vrelišča (2,355 °C). Silicij tvori različne izotope, najbolj znani izotopi so Si28, Si29 in Si30 (Silicon (revised), Chemical Elements: From Carbon to Krypton, 2006), med katerimi je najpogostejši izotop Si28, ki predstavlja 92,2 % elementa v naravi (»Silicon (Si)«, 2016).
Zaradi reaktivnosti se elementarni silicij v naravi ne pojavlja, ga pa najdemo v skalah, pesku, glini in prsti bodisi v kombinaciji s kisikom kot silicijev dioksid bodisi v kombinaciji s kisikom in drugimi elementi (aluminij, magnezij, kalcij, natrij, kalij in železo) kot silikate. Elementarni silicij in večina spojin, ki vsebujejo silicij, je nestrupenih, z izjemo alfa SiO2, ki povzroča resno bolezen pljuč (Silicon (Si), 2016).
2.2.2 SILICIJ V TLEH
Silicij je drugi najbolj pogost element v zemeljski skorji (Epstein, 1999), saj predstavlja 28,8 % celotne mase (Wedepohl, 1995). Vsak kilogram prsti vsebuje od 50 do 400 g silicija (Kovda, 1973). Balakhnina in Borkowska (2013) navajata, da v peščenih tleh najdemo več silicija na kilogram prsti kakor v glinenih tleh, saj je vsebnost silicija v tleh odvisna od tipa tal. Vsebnost silicija v tleh se prav tako niža z dolgotrajno obdelavo tal (Datnoff in sod., 1997).
Silicij se v tleh lahko nahaja v trdni, tekoči ali adsorbirani fazi. Oblike silicija v trdni fazi razdelimo na tri skupine: kristalno obliko, amorfno obliko ter delno kristalizirano in mikrokristalno obliko (Matichencov in Bocharnikova, 2001; Sauer in sod., 2006).
Kristalno obliko, ki predstavlja največji delež silicija v trdni fazi, razdelimo na primarne silikate, sekundarne silikate (Matichencov in Bocharnikova, 2001) in kremenčev material (Sauer in sod., 2006). Amorfno obliko razdelimo na biogeno obliko (npr.
fitoliti) in amorfno obliko nebiološkega izvora (npr. kremenčevo steklo). V tekoči fazi se silicij lahko nahaja v obliki monosilicijeve kisline (H4SiO4), polisilicijeve kisline ali v obliki kompleksov z anorganskimi in organskimi spojinami ter organsko silicijevimi spojinami (Matichenkov in Bocharnikova, 2001).
V talni raztopini je silicij najpogosteje prisoten v obliki monosilicijeve kisline (Lindsay, 1979) v koncentracijah od 0,1 do 0,6 mM, kar je primerljivo s koncentracijami drugih makronutrientov, kot sta kalcij in kalij (Epstein, 1994). V večjih koncentracijah H4SiO4
poteče polikondenzacija in nastanejo trdni delci (Currie in Perry, 2007). Količina H4SiO4 v tekoči fazi je poleg koncentracije odvisna še od pH, temperature, vsebnosti vode in organskih snovi ter redukcijskih procesov (Savant in sod., 1997). Koncentracija H4SiO4 v talni raztopini se spreminja tudi sezonsko znotraj ekosistemov. V travniških ekosistemih je koncentracija H4SiO4 najvišja spomladi in poleti, medtem ko je pri
7
gozdnem ekosistemu koncentracija najvišja jeseni, ko drevesa odvržejo svoje liste (Volkova, 1980).
Conley (2002) ocenjuje, da je 60–200 Tmol silicija na leto spravljenega v rastlinah.
2.2.3 SILICIJ V RASTLINAH
Silicij je v rastlinah prisoten v količinah, ki so primerljive s koncentracijami drugih makronutrientov (Epstein, 1999), kot so kalcij, magnezij in fosfor (Sheikh Abdul Shakoor, 2014), a je kljub temu velikokrat prezrt s strani raziskovalcev (Epstein, 1994).
Rastline silicij privzemajo iz tal v obliki monosilicijeve kisline (H4SiO4) (Knight and Kinrade 2001), ki se nato vgradi v celično steno, v medcelične prostore in trihome kot amorfni silicij (Cooke in Leishman, 2011). Privzem silicija je lahko pasiven ali aktiven, najdemo pa tudi vrste, ki silicij aktivno izločajo iz rastline (Cornelis in sodelavci, 2011).
Sangster (1978) ter Hodson in sod. (2005) navajajo, da je koncentracija silicija v rastlinah bolj kot s substratom (koncentracija silicija v tleh in pH prsti) povezana s filogenijo rastlin. Enakega mnenja sta tudi Ma in Takahashi (2002), saj navajata, da je za razliko od drugih elementov silicij prisoten skoraj v vseh tleh, tako da okoljska merila ne vplivajo na kopičenje silicija v rastlinah. Van Hoest (2006) navaja, da se lahko tudi med različnimi deli iste rastline pojavijo razlike v akumulaciji silicija.
Količina silicija v rastlini se med različnimi rastlinskimi vrstami močno razlikuje, saj lahko silicij predstavlja od 0,1 % do 10 % suhe mase rastline (Epstein, 1999; Hodson in sod., 2005). De Saussure (1804) je že leta 1804 analiziral količino silicija v pepelu rastlin in ugotovil, da se koncentracija silicija razlikuje glede na rastlinsko vrsto, daleč najvišje vrednosti pa je ugotovil v družini trav, okoli 4 % (Currie and Perry, 2007;
Hodson in sod., 2005). Glede na količino silicija na suho maso snovi in razmerja Si/Ca razdelimo rastlinske vrste v tri skupine. Med rastline, ki zelo učinkovito kopičijo silicij, uvrščamo rastlinske vrste, ki vsebujejo več kot 1 % silicija na suho maso snovi in imajo razmerje Si/Ca manjše od 1. V skupino rastlin, ki izločajo silicij, uvrščamo rastlinske vrste, ki vsebujejo manj kot 0,5 % silicija na suho maso snovi in imajo razmerje Si/Ca manjše od 0,5. Rastlinske vrste, ki jih ne moremo uvrstiti niti v prvo niti v drugo skupino, so rastline, ki zmerno učinkovito kopičijo silicij (Ma in Takahashi, 2002). Med rastline, ki zelo učinkovito kopičijo silicij, uvrščamo predvsem enokaličnice, kot so bambus (Bambuseae), ječmen (Hordeum vulgare L.), riž (Oryza sativa), sirek (Sorghum bicolor), sladkorni trs (Saccharum officinarum) in pšenica (Triticum aestivum) (Liang in sod., 2007; Ma in sod., 2001; Ma and Takahashi, 2002). V skupino rastlin, ki zmerno učinkovito kopičijo silicij, pa uvrščamo red bučevci (Cucurbitales) in red koprivovci (Urticales) (Hodson in sod., 2005).
Kljub temu da ga ne uvrščamo med esencialne elemente (Guntzer in sod., 2012), je za rastline pomemben, saj lahko njegovo pomanjkanje vpliva na nepravilno rast, razvoj in reprodukcijo rastlin (Epstein, 1999). Silicij deluje tudi kot hranilo, ki zmanjšuje vplive mnogih negativnih abiotskih dejavnikov, kot so pomanjkanje vode, zastrupitev s težkimi kovinami, pomanjkanje hranilnih snovi, temperaturne spremembe in slanosti (Ma, 2003). Prav tako je pomemben in učinkovit pri zaščiti pred rastlinojedci (Reynolds, Keeping in Meyer, 2009). V obliki silicijeve kisline ima več biokemijskih funkcij, kot npr. povečevanje produktivnosti encimov za obrambo pred negativnimi vplivi (Liang in sod., 2007), medtem ko ima silicij v oborjeni obliki več fizikalnih
8
funkcij, kot npr. zmanjševanje transpiracije skozi plast kremena pod kutikulo (Ma in Takahashi, 2002).
V raziskavi Cooke in Leishman (2011), kjer so preučevali povezavo med listno dolgoživostjo in relativno koncentracijo silicija, so odkrili, da je v kratkoživečih listih prisotna večja koncentracija silicija kot v dolgoživečih vrstah. Koncentracija silicija je višja pri vseh enoletnicah kot pri trajnicah za večino rastlinskih vrst. Pri travah (Poaceae), kjer so listi kratkoživeči, je silicij uporabljen kot energijsko varčnejši, vendar razpoložljiv material, za razliko od nekaterih dvokaličnic z dolgoživečimi listi, kjer je bolje investirati v kvalitetnejši gradnik, kot je lignin.
2.2.4 FITOLITI
Določene vrste rastlin imajo edinstveno sposobnost za odlaganje silicija znotraj celic ter med celicami in oblikovanje tako imenovanih fitolitov (Ruprecht, 1866), ki so poznani tudi kot rastlinski opal, silicijeve celice, silicijevi delci ali silicijeve strukture (Cook in Leishman, 2011). Fitoliti nastanejo, kadar se koncentracija silicijeve kisline v rastlinski celici močno poveča in zato poteče polimerizacija, pri kateri nastane amorfen silicij (SiO2·nH2), ki se odloži v celične stene, lumen celice ali medcelični prostor (Piperno, 2006). Sestavljeni so iz amorfnega SiO2 in vode, ki predstavlja 4–9 % mase (Eksambekar, 2009). V fitolitih najdemo tudi manjše količine elementov kot so aluminij, železo, mangan, fosfor, baker, dušik in ogljik, ki predstavljajo 1–5 % mase (Piperno, 2006). So brezbarvni ali svetlo rjave barve (Eksambekar, 2009).
Mehanizem tvorbe fitolitov do danes še ni dobro raziskan (Piperno, 2006). Nekateri raziskovalci nastajanje fitolitov povezujejo s transpiracijo. Silicij, ki se odlaga v celicah, je tako le odpadni produkt transpiracije, zato pri travah najdemo več fitolitov na mestih, kjer poteka intenzivnejša transpiracija (Motomura in sod., 2002). Drugi raziskovalci pa menijo, da rastline aktivno kopičijo silicij v celicah z namenom povečanja mehanske stabilnosti tkiv (Balasta in sod., 1989), zaščite pred mikroorganizmi (Belanger in sod., 1995) in rastlinojedi (McNaughton in sod., 1985). Piperno (2006) ter Sangster in sod.
(2001) so ugotovili, da rastline aktivno kopičijo silicij s pomočjo specializiranih celic, ki hitro izgubijo jedro in citoplazmo.
Silicij se lahko nalaga kjerkoli v rastlini (Cook in Leishman, 2011), vendar Lanning in Eleuterius (1981) pravita, da so med vsemi vegetativnimi deli rastline korenine tiste, ki kopičijo najmanj silicijevega dioksida, medtem ko listi kopičijo dvakrat toliko silicijevega dioksida kot steblo. Prav tako silicij ni enakomerno razporejen med različnimi tipi celic in različnimi tkivi (Motomura in sod., 2004). Visoke koncentracije silicija najdemo v stenah epidermalnih celic, buliformnih celicah, celicah zapiralkah in različnih trihomih (Klančnik in sod., 2014b). Delci silicija posnemajo obliko celičnih in medceličnih prostorov, v katerih se nalagajo, zato so fitoliti različnih oblik in velikosti, kar je pogojeno tudi z rastlinsko vrsto (Cook in Leishman, 2011). Vsaka rastlina proizvede fitolite, ki so lahko taksonomsko pomembni na ravni družine, rodu ali vrste (Thorn, 2008).
Proizvodnja fitolitov je razširjena pri enokaličnicah in dvokaličnicah (Eksambekar, 2009), vendar je izrazitejša pri enokaličnicah. Dahlgren in Clifford (1982) navajata, da najvišje vrednosti silicija najdemo pri nekaterih enokaličnih družinah, vključno s Palmovkami (Arecaceae), Ingverjevkami (Zingiberaceae), Bromelijevkami (Bromeliaceae), Kukavičevkami (Orchidaceae) in Ostričevkami (Cypraceae).
9
Thiagalingam in sod. (1977) navajajo, da najvišje vrednosti silicija najdemo v družini trav in pri različnih pridelkih žit.
2.3 SILICIJ IN DRUŽINA TRAV
Najznačilnejša lastnost družine trav je akumulacija silicija (Motomura in sod., 2002).
Uvrščamo jo v skupino akumulatorji silicija (Müller, 2003), saj vsebujejo več kot 1 % silicija na suho maso snovi (Ma in Takahashi, 2002).
Rastlinska biomineralizacija s Si se je razvijala več kot 400 milijonov let (Trembath- Reichert in sod., 2015) in je še danes eden najmanj razumljenih procesov, pri katerem gre za nalaganje silicija v tkiva rastlin (He in sod., 2014).
Obstaja več mehanizmov privzema in transporta silicija v rastlinah. Poznamo dve nasprotujoči si hipotezi, ki govorita o odlaganju silicija v rastlinskem tkivu. Prva hipoteza zagovarja pasiven privzem silicija, medtem ko druga predvideva, da je privzem silicija aktiven (Kumar in sod., 2017b). Pasiven privzem silicija se opira na pasiven privzem vode in prehajanje vode skozi rastlino s pomočjo transpiracije (McNaughtan in sod., 1985), ki je najvišja ravno v listih rastlin. Odlaganje silicija je največje na koncu transpiracijske poti, v celičnih stenah epidermalnega tkiva (Motomura in sod., 2004), kar kaže na to, da izhlapevanje vode povzroča, da koncentracija silicijeve kisline narašča in da spodbuja formacijo silicija v fitolite (Kumar in sod., 2017a). Čeprav večina vode izhlapi iz mezofila in izstopi skozi listne reže v atmosfero, silicij nikoli ne doseže vseh celic (Motomura in sod., 2004). Druga hipoteza se opira na dejstvo, da se odlaganje silicija zgodi v nekaj urah (Blackman, 1969; Kaufman in sod., 1969), pa tudi v segmentih lista z zelo omejenim transpiracijskim pretokom (Sangster in Parry, 1971;
Kumar in sod., 2017a), kar namiguje na to, da je proces metabolično kontroliran. Pri aktivnem privzemu silicija gre za absorbiranje silicija iz tal skozi koreninske kanale v obliki monosilicijeve kisline in kopičenje le-te v obliki fitolitov (Vicari in Bazely, 1993;
Massey in Hartley, 2006b). Za prenos silicijeve kisline iz tal v korenine rastlin je odgovoren vodni kanal, imenovan LSi1, ki je bil prvič odkrit v rižu (Ma in sod., 2006), nato v koruzi, ječmenu, buči (Ma in sod., 2011), pšenici (Montpetit in sod., 2012), sireku (Markovich in sod., 2015)in v drugih rastlinah. Potem ko silicijeva kislina vstopi v eksodermalne in endodermalne celice (Ma in sod., 2007), silicijevo kislino iz skorje do ksilema (Guntzer in sod., 2012) ˝izvozi˝ prenašalec Lsi2 (Ma in sod., 2007), ki je odgovoren za prenos silicija. Ma in Takahashi (2002) sta ugotovila, da je pri rižu več kot 90 % silicijeve kisline natovorjene v ksilem, ki se nato s transpiracijskim tokom premika k poganjku, kjer je prenašalec LSi6 odgovoren za privzem silicija iz ksilema (Yamaji in sod., 2008).Prenašalci, ki prenašajo silicij do celic, kjer se dokončno odlaga, pa še niso znani (Ma in Yamai, 2015).Oblika absorpcije je odvisna od rastlinske vrste in količine silicija v prsti (Liang in sod., 2006). Fiziološki mehanizem privzema silicija je kompleksen proces, saj študije kažejo (Epstein, 1999; Müller, 2003), da na privzem silicija iz tal vplivajo tudi zunanji dejavniki. Fizikalni in kemijski dejavniki, kot so nizke temperature in nizek pH tal, inhibirajo privzem silicija iz tal v rastline (Liang in sod., 2006). Nekateri avtorji menijo, da tvorbo in odlaganje silicijevih struktur ne moremo razložiti le z eno ali drugo hipotezo, saj sta lahko obe vključeni istočasno (Kumar in sod., 2017b).
Silicij se nalaga v vse organe trav. Najbolj silicificirana tkiva so ponavadi v koreninskem endodermisu, listni povrhnjici in spodnji povrhnjici ovršnih listov socvetja
10
(Kumar in sod., 2017b). Nalaga se tudi v kratkih celicah, epidermalnih dolgih celicah, celicah zapiralkah, varovalnih celicah, buliformnih celicah in različnih trihomih (Klančnik in sod., 2014b). Fitolite lahko najdemo tudi v mezofilu vendar v manjšem številu kot v epidermisu (Motomura in sod., 2004). Silicifikacija v buliformnih celicah in mezofilu je značilna predvsem pri zrelih listih, včasih tudi pri senescentnih listih (Sangster, 1970; Dinsdale in sod., 1979). Večinoma silicijev dioksid prepoji celične stene, ki ležijo neposredno na celičnih stenah matriksa. Sestava silicificiranega matriksa se razlikuje med različnimi vrstami in različnimi tipi celic in tako vpliva na vzorec silicificiranja (Kumar in sod., 2017b).
V listih trav najdemo tako imenovane silicijeve celice, ki so ene izmed prvih tipov celic, v katerih poteče silicifikacija, včasih še preden je tkivo izpostavljeno atmosferi (Kumar in sod., 2017b). Najdemo jih kot pasove oziroma odseke (Sangster, 1970) in so metabolično zelo aktivne celice. Imajo veliko jedro ter večje število mitohondrijev in ribosomov. Dobro so povezane s sosednjimi celicami plute (cork cells), vendar slabše s sosednjimi dolgimi celicami (Lawton, 1980). Proces mineralizacije se začne v ekstramembranskem prostoru in se nadaljuje centripetalno. Mineral, ki se oblikuje, je omejen s celično steno na eni strani in z membrano na drugi strani. Skrčena citoplazma ohranja svojo sposobnost preživetja, odložen silicij v obliki fitolitov pa ne vpliva na difuzijo med celicami (Kumar in sod., 2017). V mrtvih silicijevih celicah, ki so prisotne v živih listih, se odlaganje silicija ne pojavlja (Markovich in sod., 2015; Kumar in sod., 2017a).
Silicij je pomemben strukturni element trav(Klančnik in sod., 2014b), saj je bistvenega pomena za rast, mehansko trdnost, togost, zaščito pred izgubo vode, zaščito pred predatorji in obrambo pred mikrobi (Neethirajan in sod., 2009; Vicari in Bazely, 1993;
Massey in Hartley, 2006b). Koristen je za odpornost na patogene snovi (Fawe in sod., 1998), hkrati pa spreminja tudi stehiometrijo in vsebnost ogljika v rastlinah. Silicij ima pozitivne učinke tudi na proizvodnjo biomase trave (Eneji in sod., 2008). Ker celične stene trav vsebujejo več fenilpropanoidov in manj pektinov v primerjavi z dvokaličnicami (Guerriero in sod., 2016), silicij navzkrižno poveže polimere v celični steni in poveča mehansko trdnost (Currie in Perry, 2009; He in sod., 2013; Kido in sod., 2015), podobno kot ima pri nekaterih celicah vlogo lignin (Salmén, 2015). Silicij ima pomembno vlogo tudi pri blažitvi stresa, ker vpliva na povečano proizvodnjo antioksidantov in zmožnosti imobilizacije kovinskih ionov (Klančnik in sod., 2014b).
Schaller in sod. (2012) so z raziskavo odkrili, da različne koncentracije silicija spremenijo vsebnost rastlinske celuloze, lignina in fenola glede na funkcijo rastlinskega tkiva. Vsebnost celuloze se zaradi silicija v tkivih s stabilizacijsko funkcijo zmanjša, medtem ko je vsebnost celuloze okrepljena v tkivih brez stabilizacijske funkcije.
Presežek silicija v navadnem trstu zmanjša fenolne spojine v fotosintezno aktivnem tkivu, medtem ko povečuje njihovo vsebnost v steblu.
Ker akumulacijo silicija pri travah povezujejo z mnogimi koristnimi lastnostmi, je bilo v zadnjem času opravljenih veliko raziskav, kjer so preučevali, kako silicijeve strukture vplivajo na obrambo pred mikrobi. Pri pšenici so dokazali pozitiven vpliv silicijevih struktur pri naslednjih boleznih: praškasta plesen (žitna pepelovka), Septoria (Phaeosphaeria nodorum in Mycosphaerella graminicola) in eyespot (Oculimacula yallundae) (Guntzer in sod., 2012). Sprva so tudi menili, da silicijeve strukture delujejo le kot mehanske prepreke (Cheng, 1982; Jones in Handreck, 1967), kasneje pa so ugotovili, da ima silicij pomembno vlogo tudi pri mehanizmih obrambe, vključno s
11
kopičenjem lignina, fenolnih spojin in fitoaleksinov (Epstein 1999; Fawe in sod. 2001;
Ma in Yamaji, 2006).
Preučevali so tudi, kako silicijeve strukture vplivajo na obrambni mehanizem trav.
Ugotovljeno je bilo, da imajo voluharji in insekti vpliv na kopičenje silicijevega dioksida v tkivu trav, saj rastline akumulirajo več silicijevega dioksida, kadar se te živali hranijo z njimi (Massey in sod., 2008). Visoka koncentracija silicijevega dioksida v tkivu trav povzroči zobno obrabo pri voluharjih (Vicari in Bazely, 1993) in poslabšanje čeljusti insektov (Massey in Hartley, 2009).
2.3.1 VPLIV FITOLITOV NA OPTIČNE LASTNOSTI TRAV
Visoke koncentracije silicija, ki se v obliki fitolitov imobilizirajo v celične stene, celični lumen in medcelične prostore (Epstein, 1999) ali pa se v amorfni obliki pojavijo kot dvojna plast silikatov v epidermisu (Hodson in Sangster, 1988, Currie in Perry, 2007), lahko vplivajo na optične lastnosti listov, saj vplivajo na prehajanje in odboj svetlobe (Klančnik in sod., 2014b). V preteklosti so postavili hipotezo, da silicijeve strukture delujejo kot »okna«, ki naj bi olajšala prenos svetlobe skozi povrhnjico vse do fotosintetskega tkiva, vendar so hipotezo s pomočjo meritev zavrgli (Kaufman in sod., 1985; Agarie in sod., 1996). Amorfni silicij, ki tvori dvojno plast silikatov, je namreč po strukturi podoben steklu, za katerega pa je znano, da zmanjša prepustnost UV-dela svetlobnega spektra (Tuchinda in sod., 2006). Do sklerenhima in mezofila tako zaradi večjih količin silicija v povrhnjici prodrejo nižje jakosti UV-sevanja (Goto in sod., 2003). V UV-delu spektra fitoliti absorbirajo zaradi nepopolne polimerizacije, točkovnih defektov v kristalih in vezanih OH-skupin (Kitamura in sod., 2007).
Posledično pravijo, da dvojna plast silicija deluje kot steklena plast, ki zmanjšuje prenos UV-sevanja v povrhnjico (Gatto in sod., 1998). Silicijeve strukture v listni površini imajo zelo nizko UV-absorpcijo. Ravno zato so rastline z visoko vsebnostjo silicijevih struktur odporne na UV-sevanje (Fang in sod., 2006). Raziskave še niso dokazale, ali je silikatna dvojna plast stranski učinek kopičenja silicija ali gre za aktiven proces, s katerim rastline ustvarijo silikatno dvojno plast. Izgradnja dvojne plasti silikatov je za rastline tudi energetsko ugodnejša od sinteze antocianov in karotenov (Schaller in sod., 2013).
Raziskovalci so pokazali povezave med vsebnostjo silicija in optičnimi lastnostmi.
Yao in sod. (2011) so v raziskavi dokazali, da silicij zaščiti pšenične kalčke pred UV-B- sevanjem. Dodatek silicija je povečal skupno biomaso in vsebnost klorofila a in b.
Povečala se je tudi količina topnih sladkorjev, antocianov in flavonoidov, medtem ko se je količina malondialdehida zmanjšala. Rezultati so pokazali, da silicij zmanjša škodo, povzročeno s strani UV-B-sevanja, na pšenične kalčke tako, da se poveča vsebnost antioksidativnih spojin in koncentracijo silicija v listih.
Študija Goto in sod. (2003) je pokazala nižjo UV-absorpcijo v povrhnjici, sklerenhimu in metaksilemu pri rastlinah riža z dodatkom silicija v primerjavi z neobdelanimi rastlinami.
Agarie in sod. (1996) so v raziskavi, ki je bila opravljena na listih riža, ugotovili, da vsebnost fitolitov ne vpliva na optične lastnosti lista v vidnem svetlobnem spektru, saj je bila odbojnost in presevnost v listih z dodatkom silicija in v listih brez dodatka skoraj enaka, medtem ko nekoliko vpliva v NIR-območju. Ugotovljeno je bilo tudi, da silicij
12
ne vpliva na anatomske značilnosti znotraj lista. Prečni prerez listov z različno vsebnostjo silicija ni pokazal nobenih pomembnih razlik v organizaciji mezofila.
Klančnik in sod. (2014c) so v svoji raziskavi preučevali vpliv inkrustiranih struktur na ali blizu listne površine. Raziskava je bila opravljena na travah navadni trst, pisana čužka, modra stožka in rušnata mastnica ter na vrsti šaša togi šaš, kjer so ugotovili, da nalaganje silicija in magnezija v zgornji povrhnjici in nalaganje kalcija v mezofilu znatno vplivata na presevnost svetlobe, medtem ko nalaganje kalcija v zgornji povrhnjici vpliva na odbojnost svetlobe. Dokazali so, da gostota in dolžina trihomov ter debelina kutikule in povrhnjice vplivajo na odboj in presevnost pri izbranih rastlinskih vrstah. Ugotovili so, da se pri travah silicij nalaga tudi v bodičkah, kar pri togem šašu niso opazili.
Klančnik in sod. (2014b) so v raziskavi, ki je bila opravljena na travah navadni trst, pisana čužka, modra stožka, rušnata masnica in vrsti šaša togi šaš, ugotovili, da pri navadnem trstu, pisani čužki in modri stožki višje vsebnosti fitolitov najdemo v zrelih listih, medtem ko so le-te nižje pri razvijajočih se listih. Pridobljeni podatki so pokazali pozitivno korelacijo med silicijem v zgornji kutikuli, zgornji povrhnjici in dlakami ter odbojnostjo, kar kaže na to, da silicijeve strukture razpršijo sevanje in zmanjšajo prodor v globlje tkivo listov. Z raziskavo so dokazali tudi, da površinske strukture vplivajo na odbojnost v ultravijoličnem spektru svetlobe. Pozitivna korelacija med dolžino dlak in odbojnostjo v ultravijoličnem spektru svetlobe kaže na svojo pomembnost pri razprševanju svetlobe. Na presevnost svetlobe najbolj vpliva debelina spodnje kutikule kot tudi gostota bodičk v spodnji povrhnjici. Pri navadnem trstu so vzorčenje na zrelih listih opravili dvakrat v sezoni, v juniju in juliju, in potrdili povečano kopičenje silicija v času rastne sezone. Hkrati so ugotovili tudi, da se silicij odlaga v obliki dvojne silikatne plasti.
13 3 MATERIALI IN METODE
3.1 RAZISKOVANO OBMOČJE
Krška ravan je najbolj južna pokrajina slovenskega panonskega sveta, s povprečno nadmorsko višino 161 m. Na severu meji na panonsko Bizeljsko in Krško gričevje, na vzhodu sega vse do reke Sotle, na jugu na dinarske Gorjance in na zahodu na dinarsko Novomeško pokrajino. Sestavljajo jo Krško polje, Brežiško polje, Šentjernejsko polje in Zakrakovje, ki se nadaljuje v Krakovski gozd (Perko in Orožen Adamič, 1998).
Naselje Vihre leži na velikem prodnem Krškem polju (Perko in Orožen Adamič, 1998), ki ima značaj obsežnega prodnega vršaja, ki je skoraj brez vodotokov (Sever, 2006). Tu je značilno zmerno celinsko podnebje, s povprečno letno temperaturo med 9 in 10 °C.
Povprečna količina padavin je okrog 1100 mm, s padavinskim viškom v juniju in novembru ter padavinskim nižkom januarja in oktobra. Pogosto piha fen, ki na območju zmanjšuje vlažnost in povečuje sušo. Na holocenskem pesku in produ ob večjih vodotokih najdemo obrečne prsti, medtem ko se je na pleistocenskem produ razvila rjava prst (Perko in Orožen Adamič, 1998), zato je to ena izmed najbolj rodovitnih pokrajin v Sloveniji (Sever, 2006).
3.2 RAZISKOVANI VRSTI
Naš objekt raziskave sta bila ječmen (Hordeum vulgare L.) in pira (Triticum spelta L.).
3.2.1 JEČMEN
Ječmen (Hordeum vulgare L.) uvrščamo v družino Poaceae, rod Hordeum (Martinčič in sod., 2007) in je med vsemi žiti geografsko najbolj razširjen (Kocjan Ačko, 2015). Je enoletna rastlina (Martinčič in sod., 2007) s šopastimi koreninami, ki slabše črpajo vodo in hranila, zato boljše uspevajo na globokih, srednje težkih in rodovitnih tleh. Slabše uspevajo na lahkih, peščenih, zelo težkih in kislih tleh (Kocjan Ačko, 2015). Ječmen je glede na podnebne razmere zelo prilagodljiv, saj uspeva tako pri nizkih temperaturah (Tajnšek, 1980) kot tudi pri višjih temperaturah. Suša ga prizadene le, če nastopi v začetnih razvojnih stadijih ali če traja dlje kot 14 dni. V času kolenčenja in klasenja posevku škodujejo tudi obilnejše padavine, saj povzročijo, da se rastline poležejo (Kocjan Ačko, 2015).
Ječmen ima kolenčasto, večinoma nerazrastlo in votlo steblo. Listi so razvrščeni dvoredno (Martinčič in sod., 2007) in so sestavljeni iz listne nožice, listne ploskve, jezička in ušesca. Listna ploskev je gladka (Tajnšek, 1980) in suličasta ter vzporedno žilnata (Martinčič in sod., 2007). Jeziček je kratek do srednje dolg in rahlo nazobčen.
Ušesca so velika, brez dlačic in velikokrat objemajo steblo (Tajnšek, 1980). Socvetje gradijo delna socvetja, klaski. Pri ječmenu je klasasto socvetje gosto, valjasto ali jajčasto in ni razprostrto (Martinčič in sod., 2007). Na klasku je po en cvet, ves klasek pa prekrivata spodnja in zgornja ogrinjalna pleva. Na klaskovem vretencu je pritrjen cvet, ki je sestavljen iz krovne pleve in predpleve ter pestiča in treh prašnikov (Tajnšek, 1980).
14 3.2.2 PIRA
Piro (Triticum spelta L.) uvrščamo v družino Poaceae, rod Triticum, ki združuje le gojene rastline, ki so jih vzgojili iz divjerastočih rastlin iz rodu Aegilops (Martinčič in sod., 2007). Je enoletna rastlina (Martinčič in sod., 2007) s šopastimi koreninami, ki dobro črpajo vodo in hranila (Kocjan Ačko, 1999), zato uspeva tako v rodovitnih kot tudi v slabo rodovitnih tleh, kjer pH niha med 6.0 in 7.5 (Oplinger in sod., 1990). Pira je hvaležna poljščina, saj se prilagodi različnim podnebnim razmeram. Zanjo je značilna večja odpornost proti mrazu in debeli snežni odeji. Ostre rastne razmere vplivajo na višjo odpornost pire proti boleznim, kot je rja (McVey, 1990).
Pira ima izrazito kolenčasto, večinoma nerazrastlo in votlo steblo (Martinčič in sod., 2007) ter lahko zraste vse do 170 cm (Kocjan Ačko, 1999). Listi so razvrščeni dvoredno in so sestavljeni iz listne nožice, listne ploskve in ušesc, ki objemajo steblo. Listna ploskev je suličasta do črtalasta in vzporedno žilnata. Na različnih delih rastline najdemo tudi bodičke, zato je površina raskava. Socvetje gradijo delna socvetja, klaski.
Pri piri je klasasto socvetje gosto, jajčasto in ni razprostrto (Martinčič in sod., 2007). Na vsakem klasku so trije do šest cvetov, v cvetu so trije prašniki in pestič. Najpogosteje se oblikujeta dve zrni (Kocjan Ačko, 1999).
3.3 METODE DELA IN RAZISKOVALNI PRISTOP
V magistrskem delu bomo uporabili kavzalno eksperimentalno metodo in kvantitativni raziskovalni pristop.
3.3.1 VZOREC
Raziskava bo temeljila na namenskem vzorcu, ki ga bodo predstavljali listi rastlin ječmena in pire. Raziskavo bomo izvedli v dveh ponovitvah. Liste na začetku rastne sezone bomo imenovali mladi listi, liste na višku rastne sezone, ki so listi cvetočih rastlin, pa bomo imenovali zreli listi. Vse meritve bomo opravili na prvem popolnoma razvitem listu. Le odklon lista bomo merili na prvem in drugem popolnoma razvitem listu.
3.3.2 OPIS POSTOPKA ZBIRANJA PODATKOV 3.3.2.1 Optične lastnosti listov
Na listih sveže nabranih rastlin smo najprej merili odbojnost in presevnost. Meritve smo izvedli na desetih listih vsake rastline tako na začetku kot višku rastne sezone. Iz vsake rastline smo previdno odrezali prvi popolnoma razvit list, ki smo ga očistili in pred meritvami osušili. Meritve smo pri vseh listih opravili na osrednjem delu listne ploskve.
Za meritve odbojnosti in presevnosti smo uporabili prenosni spektrometer (Jaz ModularOpticalSensing Suite, Ocean Optics, Inc., Dunedin, USA), ki smo ga preko optičnega kabla (QP600-1-SR-BX) povezali z integracijsko sfero (ISP-30-6-R). Merili smo valovne dolžine v območju 280–880 nm z 0,3 nm ločljivostjo. Vir svetlobe (DH- 2000 Ocean Optics, Inc., Dunedin, FL, USA), s katerim smo osvetljevali listno ploskev, je sestavljen iz vidne svetlobe, ultravijolične svetlobe in svetlobe bližnjega infrardečega valovanja (UV-VIS-NIR-svetlobni vir). Napravo smo pred merjenjem optičnih lastnosti umerili.
15
Spektrometer smo umerili na 100% odbojnost s pomočjo bele referenčne ploščice (Spectralon®, Labsphere, North Sutton, USA). Pri merjenju odbojnosti smo integracijsko sfero položili na adaksialno stran vsakega lista, ki smo ga osvetljevali s svetlobnim virom, ko smo merili odboj iz zgornje strani lista. Ko smo merili odboj iz spodnje strani lista, pa smo integracijsko sfero položili na abaksialno stran vsakega lista.
Svetloba, ki se je odbila od lista, je prehajala v integracijsko sfero in preko optičnega vlakna v spektrometer. Odbojne spektre vzorca smo izračunali kot razmerje med količino svetlobe, odbite od vzorca in bele referenčne ploščice pod istim osvetljevanjem.
Spektrometer smo umerili na 100% presevnost s pomočjo svetlobnega žarka, ki je neposredno prehajal v notranjost integracijske sfere. Pri merjenju presevnosti smo osvetljevali adaksialno stran vsakega lista, zato smo na abaksialno ali spodnjo stran lista namestili integracijsko sfero, ki je zajela vso skozi vzorec prepuščeno svetlobo.
Presevne spektre smo izračunali kot razmerje zmanjšanja jakosti svetlobnega žarka po prehodu skozi vzorec.
Za operiranje spektralnih zapisov smo uporabili program SpectraSuite (Ocean Optics, Inc., Florida, USA). Podatke smo obdelali in jih izvozili v datoteke. Datoteke vsebujejo zapis o sredini intervala valovne dolžine in pripadajoče intenzitete svetlobe, ki je bila izmerjena v tem intervalu. Sledili so statistični preračuni.
3.3.2.2 Morfološke meritve Zgradba lista
Iz prečnih prerezov listov smo naredili poltrajne preparate v glicerolu. Prereze smo naredili na srednjem delu listov. Meritve smo opravili s pomočjo svetlobnega mikroskopa (Olympus CX41), s katerim sta bili povezani digitalna kamera (Olympus XC30) in programska oprema (CellSens, Olympus, Japan). Izmerili smo debeline celotnega lista, mezenhima ter zgornje in spodnje povrhnjice. Pri merjenju smo se izogibali žilam, listnim režam, buliformnim celicam in robnim delom lista. Prereze smo pod svetlobnim mikroskopom pregledali in na vsakem listu pri 100x povečavi trikrat izmerili debelino celotnega lista, mezenhima ter zgornje in spodnje povrhnjice.
Specifična listna površina
Iz sveže nabranih listov smo izrezali krožce z znano površino. Sveže krožce smo stehtali, jih zavili v folijo in jih sušili pri 105 °C 24 ur v sušilniku (Sterimatic ST-11, Instrumentaria, Zagreb). Po sušenju smo krožce ponovno stehtali in določili specifično listno površino kot količnik med površino krožca in njegovo suho maso.
Gostota in velikost listnih rež in bodičk
Srednji del vseh listov smo po zgornji in spodnji strani premazali s prozornim lakom za nohte. Ko se je lak posušil, smo ta del lista prelepili s prozornim lepilnim trakom.
Lepilni trak smo nato odlepili in ga prilepili na objektno stekelce. Tako pripravljene preparate smo pregledali pod svetlobnim mikroskopom (Olympus CX41) pri 100x povečavi.
Izolacija fitolitov
Za izolacijo fitolitov smo liste ječmena in pire sušili 24 ur pri 105 °C v sušilniku (Sterimatic ST-11, Instrumentaria, Zagreb). Posušenim listom smo dodali 5 ml HNO3 in
16
pustili čez noč. Vsak vzorec smo prenesli v »teflonke« in dodali še 5 ml HNO3 in 4 ml H2O2. Vse vzorce smo nato postavili v mikrovalovno pečico za 15 minut, najprej na 200
°C in nato na 150 °C pri tlaku 45 bar. Rastlinski preostanek se je usedel na dno, odvečno tekočino pa smo odlili. Vzorce smo sprali z destilirano vodo in HCl, zato da smo odstranili kalcijev oksalat. Vzorce smo na koncu prefiltrirali skozi teflonski filter.
Filtre smo nato posušili in stehtali.
Strukturna trdnost
S pomočjo kotomera smo merili odklon prvega in drugega popolnoma razvitega lista od stebla rastlin.
3.3.2.3 Biokemijske meritve Klorofili in karotenoidi
Vsebnosti klorofilov in karotenoidov smo določali po metodi Lichtenthaler in Buschmann (2001a, 2001b). Vzorce smo strli v terilnici, ekstrahirali v 5 mL acetona (100 % (v/v)) in centrifugirali (4000 rpm, 4 °C, 4 min) v centrifugirkah za klorofil. Po centrifugiranju smo odčitali prostornine ekstraktov. Ekstinkcije smo izmerili z VIS- spektrometrom (Lambda 25, Perkin-Elmer, Norwalk, CT, USA) pri valovnih dolžinah 470, 645 in 662 nm. Vsebnost klorofilov (Kl a in b) ter karotenoidov (Kar) smo izrazili na površino vzorca. Za izračun smo si pomagali s spodaj navedenimi formulami:
Kl a[mg m⁻²] = ca*V*10⁻³ *P⁻¹ = (11,24 E662-2,04 E645)*V*10⁻³ *P⁻¹
Kl b [mg m⁻²] = cb*V*10⁻³ *P⁻¹ = (20,13 E645-4,19 E662)*V*10⁻³ *P⁻¹ Kar [mg m⁻²] = (1000E470-1,9ca-63,14cb)*V*10⁻³ *P⁻¹/214
Tabela okrajšav:
ca,b – koncentracija klorofila a oziroma b V – volumen ekstrakta [ml]
P – površina vzorca [m²]
E – absorpcija pri izbrani valovni dolžini Antociani
Vsebnosti antocianov smo določili po metodi Khare in Guruprasad (1993). Vzorce smo strli v terilnici, ekstrahirali v 5 mL ekstrakcijskega medija metanol : HCl (37 %) = 99 : 1 (v/v). Vzorce smo centrifugirali (4000 rpm, 4 °C, 4 min) v centrifugirkah. Po centrifugiranju smo odčitali prostornine ekstraktov in jih za 24 ur shranili v temi, pri 3–
5 °C. Ekstinkcije smo izmerili z VIS-spektrometrom (Lambda 25, Perkin-Elmer, Norwalk, CT, USA) pri valovni dolžini 510 nm. Vsebnost antocianov (Ant) smo izrazili v relativnih enotah na površino vzorca. Za izračun smo si pomagali s formulo:
Ant (relativna enota) = E510*V*P⁻¹ Tabela okrajšav:
E510 – absorpcija pri valovni dolžini 510 nm V – prostornina ekstrakta [ml]
P – površina vzorca [m²]
17 UV-absorbirajoče snovi
Vsebnost UV-B- in UV-A-absorbirajočih snovi smo določili po metodi Caldwell (1968). Vzorce smo strli v terilnici, ekstrahirali v 10 mL ekstrakcijskega medija metanol : destilirana voda : HCl (37 %) = 79 : 20 : 1 (v/v) in jih 20 minut inkubirali v temi.
Vzorce smo centrifugirali (4000 rpm, 4 °C, 4 min) v centrifugirkah. Po centrifugiranju smo odčitali prostornine ekstraktov. Absorbance ekstraktov smo izmerili z UV/VIS- spektrometrom (Lambda 25, Perkin-Elmer, Norwalk, CT, USA) v spektralnem razponu 320–400 (UV-A) in 280–319 (UV-B) nm, pri tem smo si pomagali s »kvarčnimi«
kivetami. Vsebnost UV-absorbirajočih snovi smo izrazili v relativnih enotah na površino vzorca. Za izračun si bomo pomagali s formulo: UV abs (relativna enota) = I*V-1 *P-1
Tabela okrajšav:
I – integral absorpcijskih vrednosti v intervalu 280–319 nm (UV-B abs) ter 320–400 nm (UV-A abs)
V – prostornina ekstrakta [ml]
P – površina vzorca [m²]
3.3.2.4 Fiziološke meritve Fotokemična učinkovitost
Potencialno in dejansko fotokemično učinkovitost fotosistema II smo merili s fluorometrom (PAM 2500 Portable Chlorophyll Fluorometer, WALZ). Meritve smo opravili direktno na njivi na začetku in višku rastne sezone, kjer smo vsakič izbrali 10 listov vsake rastlinske vrste. Meritve smo ponovili 3x in nato izračunali povprečje. Pred merjenjem potencialne fotokemične učinkovitosti smo na vse izbrane liste pritrdili ščipalke za temotno adaptacijo. 15-minutna adaptacija zadošča za oksidacijo prejemnikov elektronov FSII, zato lahko ob osvetlitvi sprejemajo svetlobno energijo.
Na zatemnjenem delu lista smo izmerili fluorescentni signal, ki ga imenujemo minimalna fluorescenca temotno adaptiranega vzorca (F0). Ob osvetlitvi lista s saturacijskim pulzom bele svetlobe so sprejeli svetlobno energijo, zato se je fluorescentni signal povečal in nato hitro upadel. Ta signal imenujemo maksimalna fluorescenca temotno adaptiranega vzorca (Fm). Razlika med F0 in Fm je variabilna fluorescenca (Fv). Zato potencialno fotokemično učinkovitost FS II izražamo s parametrom Fv/Fm. Dejansko fotokemično učinkovitost smo merili pri danih svetlobnih razmerah. Na izbrane liste smo pritrdili ščipalko in izvedli meritev s pomočjo saturacijskega pulza bele svetlobe, s katerim smo sprožili redukcijo prejemnikov elektronov v FSII. Dejansko fotokemično učinkovitost izražamo kot yield (Y). Gre za količnik variabilne in maksimalne (Fms) fluorescence osvetljenega vzorca, kjer variabilna fluorescenca predstavlja razliko med maksimalno in minimalno (Fs) fluorescenco osvetljenega vzorca.
Prevodnost listnih rež
Prevodnost listnih rež smo merili s pomočjo porometra (DECAGON, Model SC-1, ZDA) direktno na njivi okoli 11. ure dopoldne. Na začetku rastne sezone je bilo 20,7
°C, medtem ko je bila temperatura na višku sezone višja, in sicer 26,9 °C. Na deset izbranih listov vsake rastlinske vrste vzdolž celotne njive smo pripeli nastavek v obliki ščipalke tako, da je bil senzor za merjenje na spodnji strani lista. Po nekaj trenutkih nam
