BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO NARAVOSLOVNO TEHNIŠKA FAKULTETA
DIPLOMSKO DELO
KARMEN URANI Č
UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO NARAVOSLOVNO TEHNIŠKA FAKULTETA
Študijski program: Kemija in Biologija
SPEKTRALNE LASTNOSTI LISTOV IZBRANIH VRST RASTLIN NA CERKNIŠKEM JEZERU
DIPLOMSKO DELO
LEAF SPECTRAL PROPERTIES OF SELECTED PLANT SPECIES IN LAKE CERKNICA
GRADUATION THESIS
Mentorica: prof. dr. Alenka Gaberščik Kandidatka: Karmen Uranič
Ljubljana, december 2012
Diplomsko delo je zaključek univerzitetnega študija kemije in biologije. Opravljeno je bilo na Katedri za ekologijo in varstvo okolja Oddelka za biologijo Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani.
Študijska komisija Oddelka za biologijo je potrdila temo in naslov diplomskega dela ter za mentorico imenovala prof. dr. Alenko Gaberščik in za recenzentko doc. dr. Katarino Vogel Mikuš.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednica: doc. dr. Mateja GERM
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo Mentorica: prof. dr. Alenka GABERŠČIK
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo Recenzentka: doc. dr. Katarina Vogel MIKUŠ
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Datum zagovora: december 2012
Delo je rezultat lastnega raziskovalnega dela.
Podpisana se strinjam z objavo svojega diplomskega dela v popolnem besedilu na spletni strani Digitalne knjižnice Biotehniške fakultete. Izjavljam, da je naloga, ki sem jo oddala v elektronski obliki, identična tiskani verziji.
Karmen Uranič
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA
ŠD Dn
DK 581.5(497.12 Cerkniško jezero)(043.2)=163.6
KG Odbojni spektri/modra stožka (Molinia caerulea)/pisana čužka (Phalaris arundinacea)/navadni trs (Phragmites australis)/togi šaš (Carex elata)/lastnosti listov
AV URANIČ, Karmen
SA GABERŠČIK, Alenka (mentor)
KZ SI-1000 Ljubljana, Kardeljeva ploščad 16
ZA Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, Biotehniška fakulteta, Program Biologija in Kemija
LI 2012
IN SPEKTRALNE LASTNOSTI LISTOV IZBRANIH VRST RASTLIN NA
CERKNIŠKEM JEZERU
TD Diplomsko delo (univerzitetni študij) OP XII, 50 str., 1 pregl., 26 sl., 3 pril., 31 vir.
IJ sl
JI sl/en
AI Preučevali smo spektralne lastnosti listov štirih rastlinskih vrst. Meritve anatomskih, biokemijskih in optičnih lastnosti listov smo opravili na rastlinskih vrstah modra stožka (Molinia caerulea), pisana čužka (Phalaris arundinacea), navadni trs (Phragmites australis) in togi šaš (Carex elata). Izmerili smo specifično listno površino, debelino kutikule ter gostoto in dolžino listnih rež in trihomov. Določili smo vsebnost barvil in UV-absorbirajočih snovi ter izmerili odbojnost listov v območju med 280 in 890 nm. Želeli smo ugotoviti, v kakšni meri na odbojnost vplivajo anatomski, morfološki in biokemijski parametri in kateri imajo na odbojnost večji vpliv. Ugotavljali smo še katere od preučevanih vrst se najbolj razlikujejo. Rezultati so pokazali, da v povprečju na odbojnost skoraj v enaki meri vplivajo tako biokemijski kot anatomski in morfološki parametri. Razlike so le v tem, da imajo biokemijski parametri na odbojnost večji vpliv v vidnem delu spektra, morfološki in anatomski parametri pa v UV- in IR- delu spektra. Vzorec odbojnega spektra je bil pri vseh vrstah enak, kar je posledica podobne morfologije, anatomije in biokemije listov. Od naših preučevanih vrst pa se po spektralnih lastnostih najbolj razlikujeta togi šaš (Carex elata), ki ima visoko odbojnost in pisana čužka (Phalaris arundinacea), ki ima nizko odbojnost in visoko absorpcijo. Ugotovili smo, da je to posledica velike razlike v vsebnosti asimilacijskih barvil ter v morfologiji in anatomiji listov med tema dvema vrstama.
KEY WORDS DOCUMENTATION
ŠD Dn
DK 581.5(497.12 Cerkniško jezero)(043.2)=163.6
KG Reflectance spectra/Molinia caerulea/Phalaris arundinacea/Phragmites australis/Carex elata/leaf properties
AV URANIČ, Karmen
SA GABERŠČIK, Alenka (supervisor) KZ SI-1000 Ljubljana, Kardeljeva ploščad 16
ZA Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, Biotehniška fakulteta, Program Biologija in Kemija
LI 2012
IN LEAF SPECTRAL PROPERTIES OF SELECTED PLANT SPECIES IN LAKE CERKNICA
TD Graduation Thesis (University studies) OP XII, 50 p., 1 tab., 26 fig., 3 ann., 31 ref.
IJ sl
JI sl/en
AI We studied the spectral properties of leaves of four plant species. Measurements of anatomical, biochemical and optical properties of leaves were performed on plant species Molinia caerulea, Phalaris arundinacea, Phragmites australis and Carex elata. We measured specific leaf area, cuticule thickness and density and length of leaf stomata and trichomes. We determined pigments and UV-absorbing compounds and measured leaf reflectance within the range of 280 to 890 nm. We aimed to find out how anatomical, morphological and biochemical parameters affected reflectivity and which parameter exerted greater impact. We also determined which of the studied species differed among the species. The results have shown that reflectivity affected both biochemical and anatomical and morphological parameters. The biochemical parameters had a greater impact on the reflectance in the visible part of the spectrum, while morphological and anatomical parameters have a greater impact on UV- and IR- part of the spectrum. Pattern of reflectance spectra is the same in all species as a result of similar morphology, anatomy and biochemistry of leaves. The most different spectral properties were found when comparing Carex elata, which had a high reflectivity, and Phalaris arundinacea, which had low reflectivity and high absorption. We concluded that this was due to large differences in the levels of photosynthetic pigments, and leaf morphology and anatomy between the two species.
KAZALO VSEBINE
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ... III KEY WORDS DOCUMENTATION ... IV KAZALO VSEBINE ... V KAZALO SLIK ... VIII KAZALO PREGLEDNIC ... X KAZALO PRILOG ... XI OKRAJŠAVE IN SIMBOLI ...XII
1 UVOD ... 1
1.1 HIPOTEZE ... 2
2 PREGLED OBJAV ... 3
2.1 SEVALNE RAZMERE ... 3
2.1.1 Vidna svetloba ... 3
2.1.2 UV-sevanje ... 4
2.1.3 IR-sevanje ... 4
2.2 KAJ SE DOGAJA S SVETLOBO KO PADE NA LISTNO POVRŠINO ... 5
2.2.1 Reflektanca (odbojnost) ... 5
2.2.2 Absorpcija ... 5
2.2.3 Transmitanca (presevnost) ... 6
2.3 VPLIV SEVANJA NA STRUKTURO LISTA ... 6
2.3.1. Zgradba lista ... 6
2.4 MEDSEBOJNO DELOVANJE SVETLOBE IN LISTNEGA TKIVA ... 7
2.5 ZNAČILNOSTI LISTA, KI VPLIVAJO NA SPEKTRALNE LASTNOSTI RASTLINE ... 8
2.5.1 Biokemijske značilnosti ... 8
2.5.2 Anatomske in morfološke značilnosti ... 8
3 MATERIALI IN METODE ... 10
3.1 OBMOČJE RAZISKAV ... 10
3.2 PREDMET RAZISKAV ... 10
3.3 METODE DELA ... 13
3.3.1 Anatomske in morfološke analize ... 14
3.3.3.1 Zgradba lista ... 14
3.3.3.2 Specifična listna površina in vsebnost vode ... 14
3.3.3.3 Velikost in število listnih rež in trihomov ... 14
3.3.2 Biokemijske analize ... 15
3.3.3 Merjenje odbojnih spektrov ... 16
3.3.4 Statistična obdelava podatkov ... 17
4 REZULTATI ... 18
4.1 ANATOMSKE ZNAČILNOSTI ... 18
4.1.1 Specifična listna površina ... 19
4.1.2 Debelina lista ... 20
4.1.3 Debelina listne sredice ... 20
4.1.4 Debelina kutikule ... 20
4.1.5 Anatomija rež ... 21
4.1.5.1 Gostota rež ... 22
4.1.5.2 Dolžina rež ... 23
4.1.6 Bodičke ... 23
4.1.6.1 Gostota bodičk ... 24
4.1.6.2 Dolžina bodičk ... 26
4.2 BIOKEMIJSKE ANALIZE ... 27
4.2.1 Klorofili in karotenoidi ... 27
4.2.1.1 Klorofil a in b ... 27
4.2.1.2 Karotenoidi ... 28
4.2.2 Antociani ... 28
4.2.3 UV-absorbirajoče snovi ... 30
4.3 ODBOJNOST LISTA ... 31
4.4 POVEZAVA MED OPTIČNIMI IN BIOKEMIJSKIMI TER ANATOMSKIMI LASTNOSTMI LISTA ... 32
4.4.1 Odbojnost lista ... 32
5 RAZPRAVA IN SKLEPI ... 35
5.1 RAZPRAVA ... 35
5.1.1 Razlike v odbojnih spektrih med preučevanimi vrstami v UV-, vidnem in IR-delu spektra ... 35
5.1.1.1 Odbojnost v UV-delu spektra ... 36
5.1.1.2 Odbojnost v vidnem delu spektra ... 36
5.1.1.3 Odbojnost v IR-delu spektra... 37
5.1.2 Anatomske in biokemijske lastnosti v povezavi z odbojnimi spektri ... 38
5.2 SKLEPI ... 39
6 POVZETEK ... 41
7 PRENOS PRIDOBLJENEGA ZNANJA NA POUČEVANJE V OSNOVNI ŠOLI ... 43
7.1 UČNA PRIPRAVA NA TEMO OPTIČNE LASTNOSTI RASTLINE ... 44
8 VIRI ... 47 ZAHVALA
PRILOGE
KAZALO SLIK
Slika 1: Elektromagnetni spekter (Prirejeno po Taiz 2010). ... 5
Slika 2: Interakcija svetlobe z različnimi celičnimi plastmi (prirejeno po Liew, 2008). ... 7
Slika 3: Travnik poraščen z vrsto Molinia caerulea (levo) in vrsta Molinia caerulea od blizu (desno) (Gaberščik, 2011). ... 11
Slika 4: Sestoj vrste Phalaris arundinacea (levo) in Phalaris arundinacea od blizu (desno) (Gaberščik, 2011). ... 12
Slika 5: Navadni trst (Phragmites australis) (Gaberščik, 2011) ... 12
Slika 6: Togi šaš (Carex elata) (Gaberščik, 2011) ... 13
Slika 7: Prečni prerez lista vrste Phalaris arundinacea. Desetkratna povečava (levo) in štiridesetkratna povečava (desno). ... 18
Slika 8: Prečni prerez lista vrste Phragmites australis. Desetkratna povečava (levo) in štiridesetkratna povečava (desno). ... 18
Slika 9: Prečni prerez lista vrste Molinia caerulea. Desetkratna povečava (levo) in štiridesetkratna povečava (desno). ... 18
Slika 10: Prečni prerez lista vrste Carex elata. Štirikratna povečava (levo) in desetkratna povečava (desno). ... 19
Slika 11: Specifična listna površina (SLA). ... 20
Slika 12: Debelina kutikule ... 21
Slika 13: Listne reže v zgornji povrhnjici listov vrste Phalaris arundinacea. ... 21
Slika 14: Listne reže v spodnji povrhnjici listov vrste Phragmites australis (levo) in vrste Carex elata (desno). ... 22
Slika 15: Gostota rež v zgornji (zeleno-vijolična) in spodnji (rumeno-rdeča) povrhnjici... 22
Slika 16: Dolžina rež v zgornji (zeleno-vijolična) in spodnji (rumeno-rdeča) povrhnjici. ... 23
Slika 17: Bodička v zgornji povrhnjici lista vrste Carex elata... 23
Slika 18: Bodičke v spodnji povrhnjici lista vrste Molinia caerulea. ... 24
Slika 19: Gostota bodičk v zgornji (zeleno-vijolična) in spodnji (rumeno-rdeča) povrhnjici.. 25
Slika 20: Dolžina bodičk na zgornji (zeleno-vijolična) in spodnji (rumeno-rdeča) povrhnjici 26 Slika 21: Vsebnost klorofila a (zelena) in klorofila b (modra). Izražena na površino lista (A) in maso suhe snovi lista (B). ... 27
Slika 22: Vsebnost karotenoidov. Izražena na površino lista (A) in maso suhe snovi lista (B) ... 28 Slika 23: Vsebnost antocianov. Izražena na površino lista (A) in maso suhe snovi lista (B).. 29 Slika 24: Vsebnost UV-A-absorbirajočih snovi (zelena) in UV-B-absorbirajočih snovi
(modra), izražena na površino lista (A) in maso suhe snovi lista (B).. ... 30 Slika 25: Odbojni spektri listov vrst P. australis, M. caerulea, C. elata in P. arundinacea. ... 31 Slika 26: Dendrogram podobnosti odbojnih spektrov pri vrstah P. arundinacea, P. australis, M. caerulea in C. elata. ... 34
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 1: Spearman-ov korelacijski koeficient odvisnosti med posameznimi območji odbojnega spektra in anatomskimi in biokemijskimi parametri listov preučevanih vrst ... 32
KAZALO PRILOG
Priloga A: Razlike med pari različnih lastnosti preučevanih vrst
Priloga B: Debelina lista
Priloga C: Debelina listne sredice
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI
PAR fotosintezno aktivni spekter sevanja (400 ̶ 700 nm)
NIR bližnje infrardeče sevanje (700 ̶ 1400 nm)
SLA specifična listna površina
ANOVA analiza variance
Ant antociani
E470, E530, E645, E662 absorpcije pri posameznih valovnih dolžinah
IR infrardeče sevanje
Kar karotenoidi
Kl a, Kl b klorofil a, klorofil b
R odbojnost
ss suha masa
UV ultravijolično sevanje (100 ̶ 400 nm) UV abs UV-absorbirajoče snovi
UV-A ultravijolično sevanje A UV-B ultravijolično sevanje B
1 UVOD
Svetloba je pomembna za preživetje rastline, saj je primarni vir energije. List je zapletena struktura, ki prestreza svetlobo in jo uporabi za sintezo lastnega tkiva preko procesa fotosinteze. Ker je list v stalni interakciji s svetlobo, je razumevanje optičnih lastnosti listov pomembno za določanje fiziološkega stanja rastline. Sončevo sevanje, ki pride do lista, je valovnih dolžin med 280 ̶ 4000 nm. Sevanje se ne absorbira v celoti, nekaj svetlobe se namreč od lista odbije nazaj v atmosfero, nekaj pa je preseva skozi list.
Različne študije so pokazale, da je odbojnost lista odvisna od morfoloških, anatomskih in biokemijskih lastnosti lista (Klančnik in sod., 2012). Ker je poznavanje biokemije listov izhodišče za razumevanje odbojnosti listov, je veliko študij o odbojnih spektrih raziskovalo predvsem odnos med odbojnostjo in biokemijo listov (Chandrasekharan, 2005). Zaradi trditev nekaterih avtorjev (Ourcival in sod., 1999), da testi odbojnosti na svežih listih ne dajejo le informacij o biokemiji listov, ampak dajejo tudi informacije o anatomiji listov, predvsem v IR-delu spektra, ki nam lahko povedo veliko več o tem, kako rastlina deluje, smo se raziskovanja obojega lotili tudi mi.
Na temo odbojnosti je bilo narejenih že vrsto različnih raziskav. Raziskovalci so že odkrivali odbojnost suhih in svežih listov (Jacquemoud in sod., 1995). Zanimiva so tudi odkritja o odbojnosti UV-sevanja pri mladih in starih listih rastlin (Yadong Qi in sod., 2003) pa tudi raziskave odbojnosti v povezavi z različnimi stresi, ki delujejo na rastlino (Liew in sod., 2008).
V diplomskem delu smo preučevali optične lastnosti listov modre stožke (Molinia caerulea), pisane čužke (Phalaris arundinacea), navadnega trsa (Phragmites australis) in togega šaša (Carex elata). Preučevali smo torej tri trave in en šaš. Spektralne lastnosti rastlin smo preučevali na podlagi meritev izbranih morfoloških, anatomskih in biokemijskih lastnosti listov ter odbojnih lastnosti.
Preučevali smo rastlinske vrste, ki rastejo na podobnih rastiščih. V nalogi pa smo poskušali ugotoviti, v kakšni meri na odbojnost vplivajo anatomski, morfološki in biokemijski parametri. Zanimalo nas je tudi ali bodo odbojni spektri preučevanih vrst podobni, katere od
preučevanih vrst bodo glede na odbojnosti bolj podobne in kaj vpliva na to različnost oz.
podobnost.
1.1 HIPOTEZE
Odbojni spektri listov izbranih vrst bodo bolj povezani z morfološkimi in anatomskimi lastnostmi lista kot z biokemijskimi dejavniki.
Krivulje odbojnosti bodo pri vseh vrstah podobne.
Od vseh vrst se bo po odbojnih spektrih najbolj razlikovala vrsta C. elata.
2 PREGLED OBJAV 2.1 SEVALNE RAZMERE
Sončevo sevanje pomeni oddajanje energije sonca v obliki elektromagnetnega (EM) valovanja, ki pride do zemeljske površine. Skozi atmosfero prodre konstantna količina svetlobe, ki znaša približno 21,1020 kJ na leto. Pri prehodu svetlobe skozi atmosfero se z absorpcijo in refleksijo spremenijo razmerja med valovnimi dolžinami, atmosfera namreč deluje kot filter svetlobe (Tarman, 1992). V povprečju le približno 47 % sončevega sevanja, ki pride do ozračja, doseže Zemljino površino. Več kot polovica sončevega sevanja pa se odbije nazaj v vesolje kot posledica loma svetlobe in difrakcije v zgornjih delih atmosfere ter tudi kot posledica absorpcije oblakov in suspendiranih delcev v zraku (Larcher, 2003).
Sonce je najpomembnejši vir energije, še posebno vidni del svetlobnega spektra, saj omogoča fotosintezo. Preko fotosinteze se ta sevalna energija veže v rastline v obliki kemične energije.
Tako je sevanje primarni vir energije za sintezo organskih materialov, z uravnavanjem toplotnega in vodnega stanja na Zemlji pa zagotavlja ugodne razmere za življenje na Zemlji (Larcher, 2003).
Zemljino biosfero doseže sevanje valovnih dolžin med 280 in 4000 nm. To sevanja je sestavljeno iz ultravijoličnega sevanja, vidne svetlobe in infrardečega sevanja.
Valovne dolžine, krajše od 290 nm, ne dosežejo zemeljskega površja, ker se popolnoma absorbirajo v stratosferni ozonski plasti. Prodiranje valovnih dolžin, daljših od 4000nm (IR, mikrovalovi, radijski valovi), je odvisno od bipolarnih molekul (H2O, CO2) v sami atmosferi, kjer se ti žarki delno absorbirajo (Trošt Sedej, 2005).
2.1.1 Vidna svetloba
45 % sončeve energije, ki pride na Zemljo, je v spektralnem območju med 400 ̶ 700 nm in jo imenujemo vidna svetloba. To je spekter, ki ga rastline izrabljajo za fotosintezo, torej je fotosintezno aktivni spekter sevanja (PAR) (Larcher, 2003). Vidni del spektra svetlobe je določen na podlagi zaznavnih sposobnosti organizmov. To je del valovanja, ki ga živali in ljudje večinoma zaznamo s fotoreceptorji. Valovno dolžino okoli 400 nm zaznamo kot vijoličasto barvo, valovno dolžino okoli 700 nm kot rdečo barvo, vmesni del spektra je
mavričnih barv (425 ̶ 490 nm modra, 490 ̶ 575 nm zelena, 575 ̶ 585 nm rumena, 585 ̶ 650 nm oranžna barva) (Tome, 2006).
2.1.2 UV-sevanje
Ultravijolično sevanje je kratkovalovno sevanje. Ultravijolični spekter svetlobe je razdeljen na UV-A (320 ̶ 400 nm), UV-B (280 ̶ 320 nm) in UV-C (100 ̶ 280 nm). Krajša kot je valovna dolžina UV-svetlobe, večjo energijo ima (Yoshimura in sod., 2009). Ko sevanje doseže biosfero, je večji del kratkovalovnega sevanja z valovnimi dolžinami, krajšimi od 280 nm (UV-C), ki je najbolj škodljiv za organizme, že odstranjen. Z razgradnjo ozona se povečuje prodiranje sevanja UV-B do biosfere. Sevanje UV-A se le neznatno absorbira v atmosferi in v veliki meri doseže zemeljsko površje (Trošt Sedej, 2005). Raziskave so pokazale, da imajo višje rastline v osnovi nizko odbojnost (do 10 %) in niso presevne v tem delu spektra. Vsaka rastlina ima različne listne strukture, s katerimi se zaščiti proti UV-sevanju, ki lahko poškoduje listno tkivo in s tem fotosintezni aparat v kloroplastih. List absorbira 95 % UV- sevanja, predvsem z UV-absorbirajočimi snovmi, kot so flavonoidi. Flavonoidi so torej varovalne snovi, ki varujejo rastlino pred UV-sevanjem. Akumulirajo se v kutikuli ali v epidermalnih celicah in aktivno zmanjšujejo UV-sevanje. Tako se velik del UV-sevanja absorbira, preostali del sevanja UV (do 10 %) pa doseže kloroplaste v mezofilu, tam UV- sevanje absorbira klorofil a in b in se nato izgubi kot fluorescenca. Rastlina ima veliko mehanizmov, s katerimi ublaži škodljive posledice UV-sevanja. Nizko odbojnost in prepustnost v UV-delu sevanja povzročajo predvsem UV-absorbirajoče substance flavonoidi (Yoshimura in sod., 2009).
2.1.3 IR-sevanje
Infrardeča svetloba je dolgovalovno sevanje (750 ̶ 4000 nm). Površje Zemlje absorbira sončevo sevanje in ponovno odda velik del energije v obliki infrardečega sevanja nazaj v atmosfero. Določeni plini v atmosferi absorbirajo infrardeče sevanje in ga ponovno izsevajo v vseh smereh, tudi nazaj na Zemljo. To je tudi razlog, da sta ozračje in površina Zemlje veliko toplejša, kot bi bila v primeru, da ozračje ne bi imelo absorbentov infrardečega sevanja. IR- sevanje je z ekološkega vidika pomembno, ker je vir toplote na Zemlji (Larcher, 2003).
Slika 1: Elektromagnetni spekter (Prirejeno po Taiz 2010).
2.2 KAJ SE DOGAJA S SVETLOBO, KO PADE NA LISTNO POVRŠINO
Sončno sevanje, ki doseže list, se delno odbije (reflektira) in delno absorbira, preostanek sevanja pa prehaja (transmitira) skozi list.
2.2.1 Reflektanca (odbojnost)
Del svetlobe se odbije od listne površine. Reflektanca oz. odbojnost lista je odvisna od sestave listne površine. Na primer: odbojnost se močno poveča, če je površina lista gosto prekrita z dlačicami. V vidnem območju sevanja listi odbijejo v povprečju 6 ̶ 10 % sevanja (Larcher, 2003).
2.2.2 Absorpcija
Večji del sevanja, ki prodre do lista, se absorbira. Pri potovanju svetlobe skozi list se jakost sevanja v posameznih ravneh celic eksponentno zmanjšuje. Listi absorbirajo v splošnem približno 60 ̶ 80 % PAR, kar je odvisno od zgradbe lista in količine kloroplastov v celicah mezofila. Absorpcija vidne svetlobe je odvisna predvsem od količine klorofila, karotenoidov in antocianov. Zato spektralna krivulja absorbance listov kaže maksimum, ki sovpada z največjo absorpcijsko vrednostjo klorofilov in karotenoidov. Rastline se obnašajo kot črna telesa, ki absorbirajo večino sevanja (Larcher, 2003).
2.2.3 Transmitanca (presevnost)
Transmitanca lista je odvisna od strukture in debeline lista. Mehki fleksibilni listi prepustijo 10 ̶ 20 % sončevega sevanja, zelo tanki listi ga prepustijo 40 %, debeli in grobi listi pa ne prepustijo skoraj nič (manj kot 3 %). Transmitanca je najvišja pri valovni dolžini, kjer je tudi reflektanca visoka, to je v zelenem in infrardečem območju. Zato je sevanje, ki prehaja skozi list, predvsem valovnih dolžin med 500 in 800 nm (Larcher, 2003).
2.3 VPLIV SEVANJA NA STRUKTURO LISTA
Sončevo sevanje vpliva na skoraj vso neživo in živo naravo na Zemlji. Njegova interakcija z atmosfero, vodo in kopnim vzpostavlja podnebni sistem. Enako pomembna komponenta podnebnega sistema pa je interakcija svetlobe z vegetacijo, ki prekriva naš planet. List je najpomembnejši organ rastline, ki je v stalni interakciji s svetlobo. Razumevanje optičnih lastnosti listov (reflektance, transmitance in absorbance) v vidnem in infrardečem spektru sevanja je pomembno za razumevanje vpliva vegetacije na globalno segrevanje. Poznavanje biokemičnih lastnosti listov je izhodišče za razumevanje reflektance, absorbance in transmitance listov. Optično »obnašanje« listov, še posebej v bližnjem infrardečem območju (NIR), je močno odvisno od strukture listov (Chandrasekharan, 2005).
2.3.1. Zgradba lista
List je zapletena struktura, ki ima epidermalno plast (povrhnjico), prekrito s kutikulo. Zunanja plast kutikule je iz epikutikularnega voska. Površinska hrapavost in lomni količnik epikutikularnega voska kontrolira delež odbite svetlobe. V epidermalnem tkivu navadno ni intercelularnih prostorov in celice ležijo ena poleg druge. Mezofil (listna sredica) je sestavljen iz gosto naloženih celic stebričastega tkiva in rahlega gobastega tkiva. Obstajajo pa tudi rastline, ki imajo le gobasti mezofil. Celice stebričastega tkiva so cilindrične oblike. 5 ̶ 20 % volumna stebričastega tkiva predstavljajo zračni prostori. V teh celicah so kloroplasti, ki vsebujejo pigmente, kot so klorofil a in b ter karotenoidi. Koncentracija teh pigmentov vpliva na absorpcijo svetlobe v vidnem delu svetlobnega spektra lista. Gobasto tkivo pa je sestavljeno iz majhnih ovalnih do kroglasto oblikovanih celic, v katerih je manj kloroplastov, 50 ̶ 80 % volumna gobastega tkiva pa je zrak (Baranoski in sod. 1997).
Na prečnem prerezu lista lahko vidimo značilne strukture, kot so intercelularni prostori, napolnjeni z zrakom, različne oblike posameznih celic (celice stebričastega tkiva, epidermalne celice, kutikula), ki imajo pomembno vlogo pri interakciji listov s svetlobo (Chandrasekharan, 2005).
2.4 MEDSEBOJNO DELOVANJE SVETLOBE IN LISTNEGA TKIVA
Svetloba, ki jo usmerjajo konveksne epidermalne celice, se prenese na ovalne celice stebričastega tkiva. Ozki vlažni prostori med temi celicami delujejo kot svetlobna vlakna, ki širijo svetlobo v notranje plasti lista. Oblika celic stebričastega in gobastega tkiva, debelina gobastega tkiva in razmerje mezofilnih celičnih površin, izpostavljenih medceličnemu zračnemu prostoru, ki so izražene na enoto površine listov, lahko vplivajo na prehajanje svetlobe v list, dolžino optične poti in delež absorbirane svetlobe. Odbojnost v območju NIR (700 ̶ 1300 nm) je odvisna od obsega zračnih prostorov v gobastem mezofilu. Stopnja hidratacije lista prav tako vpliva na spektralne lastnosti lista, pri čemer je reflektanca (odbojnost) v vidnem območju suhega lista višja od svežih listov. Absorpcija vode določa obliko infrardeče odbojne krivulje z močnimi absorpcijskimi pasovi okoli valovnih dolžin nad 1400 in 1900 nm. Razviti so bili različni modeli, ki pojasnjujejo prehajanje svetlobe skozi list, vendar je razumevanje teh procesov še vedno omejeno (Liew in sod., 2008).
Slika 2: Interakcija svetlobe z različnimi celičnimi plastmi (prirejeno po Liew, 2008).
2.5 ZNAČILNOSTI LISTA, KI VPLIVAJO NA SPEKTRALNE LASTNOSTI RASTLINE Na spektralne lastnosti vplivajo morfološke, anatomske, biokemijske in fiziološke lastnosti lista.
2.5.1 Biokemijske značilnosti
Ena od biokemijskih značilnosti rastlin so pigmenti. Karotenoidi in klorofili so glavni pigmenti zelenih listov, ki se nahajajo v tilakoidnih membranah kloroplastov (Anatoly in sod., 2002). Različni pigmenti absorbirajo svetlobo različnih valovnih dolžin. Barva, ki jo vidimo, je tista, ki jo pigment odbija. Zeleno barvo lista vidimo zato, ker klorofili absorbirajo vijolično, modro in rdečo svetlobo, prepustijo in odbijejo pa zeleno svetlobo (Campbell in sod., 2008).
Na absorpcijo v vidnem in IR-spektru svetlobe vplivajo kovalentne vezi med kisikom, vodikom in dušikom. Veliko število naravnih pigmentov, ki jih najdemo v rastlinah, je iz tetrapirolovih obročev, s kompleksno vezano kovino. Palete barv izvirajo predvsem iz tetrapirolovih obročev in ne iz vezanih kovin (Liew in sod., 2008). Klorofil je sestavljen iz tetrapirolovih obročev, na katerem je zaestren fitol. V obroč je vezan atom magnezija.
Absorpcijski spekter molekul klorofila kaže dva prevladujoča pasova v rdeči in modri regiji (klorofil a pri 430 in 660 nm in klorofil b pri 460 in 640 nm) ter absorpcijski minimum okoli 550 nm, kar povzroča zaznavanje zelene barve.
Pigmenti imajo velik pomen za fotosintezo, zato je vsebnost klorofila v rastlini dober kazalnik fiziološkega zdravja rastline. Pomanjkanje hranil se kaže v zmanjšani vsebnosti klorofila, ki sočasno povečuje odbojnost vidne (400 ̶ 700 nm) in infrardeče (700 ̶ 1100 nm) svetlobe.
Spremembe v količini klorofila se kažejo v porumenelosti listov (Liew in sod., 2008).
2.5.2 Anatomske in morfološke značilnosti
Odbojnost je odvisna od značilnosti listnih površin ter notranje zgradbe. Epidermalne celice povrhnjice se zelo razlikujejo po strukturi celic in so tesno skupaj, razen na mestih, kjer so listne reže (Liew in sod., 2008).
Konveksnost celic povrhnjice deluje tako, da zbirajo svetlobo, s čimer se poveča možnost za prestrezanje fotonov svetlobe v mezofilu. Površinska struktura kutikule je lahko gladka,
razbrazdana ali razpokana. Razlikuje se po debelini, ki je odvisna od vrste rastline in okoljskih dejavnikov. Prav debelina kutikule občutno vpliva na količino odbite svetlobe (Liew in sod.,2008). Raziskave Slatona in sodelavcev so pokazale, da je debelina kutikule, ki je večja od 1 µm, ključni dejavnik odboja v območju NIR (Slaton in sod., 2001).
Enocelične in večcelične epidermalne strukture, ki jih imenujemo trihomi (dlačice), so lahko prisotne na obeh površinah lista, torej na zgornji in na spodnji strani lista. Struktura trihomov zelo variira glede na vrsto. Gostota trihomov je povezana s temperaturo na rastišču in obratno sorazmerna s količino hranil. Velika gostota trihomov lahko spremeni odbojni spekter v vidnem območju. Trihomi močno povečajo površino odboja v vidnem območju, njihov vpliv v območju NIR pa je spremenljiv (Liew in sod., 2008). Velikost, oblika in gostota trihomov se od vrste do vrste razlikujejo. V raziskavi, kjer so preiskovali poraščenost listov na štirih različnih geografskih območjih, so ugotovili, da je kljub temu, da je pogostost teh listnih struktur podobna na vseh raziskovanih področjih, njihova gostota veliko večja v sušnih krajinah, saj je razvoj teh listnih struktur povezan z vodnim gospodarjenjem pri rastlinah (Johnson 1968). Trihomi pa tudi neposredno povečajo odbojnost, saj raziskave kažejo, da večja kot je gostota trihomov na listu, večji delež sevanja se odbije (Ehleringer 1984). Listi rastlin se razlikujejo po debelini mezofila. Sončni listi imajo lahko celice stebričastega tkiva iz več plasti, ki omogočajo višjo fotosintezno aktivnost, senčni listi pa imajo le eno plast stebričastega tkiva, zato je fotosintezna aktivnost manjša (Ourcival 1999).
3 MATERIALI IN METODE 3.1 OBMOČJE RAZISKAV
Rastline smo nabrali na območju Cerkniškega jezera (Rešeto).
Sredi Notranjske, v prostornem kraškem podolju v JZ delu Slovenije, se med Javornikom in Snežnikom na eni strani ter Bloško planoto na drugi strani odpira široka ovalna dolina z rodovitnim Cerkniškim kraškim poljem in s presihajočim jezerom (Kebe 2001). Je največje presihajoče jezero v Evropi s površino 26 km². V največjem obsegu je dolgo 10,5 km in široko 4,7 km. Največja globina jezera je okoli 10 m, gladina pa niha od 546 do 551 m nadmorske višine.
Dno Cerkniškega jezera od avgusta pa nekje do oktobra presahne in je suho, dobrih devet mesecev na leto pa je kotanja Cerkniškega jezera napolnjena z vodo. Cerkniško jezero se namreč napolni po jesenskem deževju in spomladi, ko se tali sneg, presiha pa maja ali junija.
Terensko delo je potekalo v mesecu avgustu, ko je bilo jezero suho. V tako ekstremnem okolju lahko preživijo le rastline, ki so takim razmeram dobro prilagojene (Gaberščik, Urbanc-Berčič, 2003). Vegetacija je tu odvisna od količine vode. Suholjubne rastline rastejo na obrobju polja, prave vodne rastline so maloštevilne. Najbolje se tu znajdejo amfibijske rastline in močvirske, ki lahko rastejo tako v vodnem kot v kopenskem okolju (Germ, 2003).
V diplomskem delu smo preučevali močvirske vrste.
Presihanje in polnjenje jezera predstavljata za območje posebne značilnosti, in sicer kraški značaj, velika količina padavin (1700 ̶ 1800 mm), obsežno povodje in topnost kamninske podlage. Matična kamnina je karbonat – večinoma apnenec, ki na nekaterih predelih prehaja v dolomit. Karbonatna podlaga povzroča visoko trdoto in alkaliteto vode (Gaberščik, Urbanc- Berčič, 2003). Na tem območju, kjer je Cerkniško jezero, spremljamo prehod med mediteranskim in celinskim podnebjem in prav zato je tu veliko padavin. Presihanje vode povzročajo požiralniki, estavele in tudi izhlapevanje. Okoli jezera je hribovit del, zato polje deluje kot lijak (kotanja), v katerega se steka voda.
3.2 PREDMET RAZISKAV
Preučevali smo štiri rastlinske vrste: modro stožko (Molinia caerulea), pisano čužko (Phalaris arundinacea), navadni trs (Phragmites australis) in togi šaš (Carex elata).
Modra stožka (Molinia caerulea)
Modra stožka spada v družino trav (Poaceae). Uspeva na vlažnih in pustih tleh po vsej Sloveniji. Zraste od 30 do 100 cm in cveti od julija do septembra (Stergaršek in sod., 2009).
Listne ploskve ima dolge manj kot 30 ̶ 50 cm in široke manj kot 7 mm. Socvetje je dolgo 5 ̶ 30 cm in klaski 4 ̶ 7 mm. Rastišče modre stožke so močvirni travniki, barja, pusta vlažna tla in gozdne jase (Jogan, 1999). Modra stožka je na območju Cerkniškega jezera zelo pogosta, raste na dvignjenih mestih, kamor vsakoletne poplave ne sežejo ali pa so poplavljeni le kratek čas. Najbolje uspeva na podlagi z veliko organskih snovi, raste pa tudi na mineralnih in celo skeletnih tleh. Na Cerkniškem jezeru jo najdemo v barjanskih združbah in združbah mokrotnih travnikov (Martinčič in Leskovar, 2003).
Slika 3: Travnik poraščen z vrsto Molinia caerulea (levo) in vrsta Molinia caerulea od blizu (desno) (Gaberščik, 2011).
Pisana čužka (Phalaris arundinacea)
Pisana čužka spada v družino trav (Poaceae). Socvetje te trajnice je dolgo 7 ̶ 25 cm (Jogan, 1999). Uspeva na vlažnih travnikih, občasno poplavljenih tleh. Je več kot 1 m visoka trava, ki je na videz podobna trsu, vendar ima svetlejše in ožje socvetje od trsa. Cveti od junija do avgusta in uspeva na sončnih in vlažnih območjih. Je trajnica, ki se razrašča z dolgimi živicami (Stergaršek in sod., 2009). Na Cerkniškem jezeru jo najdemo v močvirskih združbah (Martinčič in Leskovar, 2003).
Slika 4: Sestoj vrste Phalaris arundinacea (levo) in Phalaris arundinacea od blizu (desno) (Gaberščik, 2011).
Navadni trs (Phragmites australis)
Navadni trs spada v družino trav (Poaceae). Uspeva na vlažnih travnikih, močvirjih in tudi plitvih vodah. Je približno 1m visoka trava, ki lahko tvori obsežne sestoje. Je kozmopolitska trajnica, ki se širi s podzemnimi poganjki - živicami. Ima votlo do 1 cm široko steblo, ki je pri dnu olesenelo. Listi so dolgi do 0,5 m in sivozelene barve, klaski pa tvorijo široka socvetja rdečkastorjave barve (Stergaršek in sod., 2009). Navadni trs je prevladujoč predstavnik rastlinstva na Cerkniškem jezeru (Gaberščik, Urbanc-Berčič, 2003). Na njem tvori obsežne močvirske združbe (Martinčič in Leskovar, 2003).
Slika 5: Navadni trst (Phragmites australis)(Gaberščik, 2011).
Togi šaš (Carex elata)
Togi šaš spada v družino ostričevk (Cyperaceae). Uspeva v močvirjih, vodnih jarkih in bregovih voda (Martinčič, 1999). Na Cerkniškem raste v močvirskih združbah (Martinčič in Leskovar, 2003).
Slika 6: Togi šaš (Carex elata) (Gaberščik, 2011).
3.3 METODE DELA
Delo je potekalo od avgusta do decembra 2011. Na terenu smo v času presihanja nabrali primerke rastlinskih vrst. Rastline smo shranili v vrečke, da bi ostale sveže, ter jih prepeljali v laboratorij, kjer smo opravili raziskave. Tu smo opravili meritve odbojnih spektrov. Nato smo rastline pripravili za nadaljnje raziskave. Pripravili smo poltrajne preparate za anatomske in morfološke raziskave ter za biokemijske analize. Vse analize smo opravili na desetih vzporednih vzorcih.
3.3.1 Anatomske in morfološke analize 3.3.3.1 Zgradba lista
Zgradbo lista smo določili s pomočjo prečnih prerezov listov, ki smo jih naredili iz sveže nabranih rastlin. Mikroskopske preparate smo naredili tako, da smo naredili prečni prerez lista, ga položili na kapljico laktoglicerola na objektnem stekelcu ter ga pokrili s krovnim stekelcem in pregledali pod mikroskopom. Na vsakem prerezu lista smo izmerili debelino lista, debelino kutikule, debelino zgornje in spodnje povrhnjice ter debelino stebričastega in gobastega tkiva.
3.3.3.2 Specifična listna površina in vsebnost vode
Specifično listno površino smo dobili tako, da smo iz sveže nabranih listov rastlin izrezali krožce znane površine in nato sveže krožce stehtali in jih dali v sušilnik na 105 °C za 24 ur.
Po sušenju smo krožce ponovno stehtali in tako dobili še suho maso ter izračunali specifično listno površino (SLA). SLA je količnik med površino vzorca in njegovo suho maso [cm2mg-
1].
Vsebnost vode v rastlini smo določili tako, da smo z rastline vzeli po tri liste in jim določili svežo maso. Nato smo jih za 24 ur dali v sušilnik na 105 °C in po sušenju določili še suho maso. Tako smo iz dobljenih podatkov izračunali vsebnost vode iz razlike sveže in suhe mase.
3.3.3.3 Velikost in število listnih rež in bodičk
Število in velikost listnih rež smo določali pri vsaki vrsti na desetih listih iste vrste. Reže in bodičke (bodička je posebej preoblikovana kratka celica v povrhnjici trav, gre pravzaprav za poseben tip zelo kratkega togega trihoma, katerega stena je okremenjena (Jogan, 2002)) smo določali na zgornji in spodnji povrhnjici lista. Preparate smo pripravili tako, da smo sveže nabrane liste premazali s tanko plastjo laka, počakali, da se posuši, nato smo list prelepili s prozornim lepilnim trakom, ga previdno odstranili in prilepili na objektno stekelce. Tako smo dobili odtis povrhnjice lista. Preparat smo pregledali pod svetlobnim mikroskopom (Olympus CX41). Z računalniškim programom Cell smo prešteli število rež in bodičk na enem mm2 ter izmerili njihove dolžine v µm.
3.3.2 Biokemijske analize
Določali smo vsebnost klorofila a in b, karotenoidov, antocianov in UV-absorbirajočih snovi.
Vsebnost klorofila a in b ter karotenoidov smo določali po metodi Lichtenthaler in Buschmann (2001a, 2001b). V terilnici smo strli vzorce listov znane površine ter jih ekstrahirali v 10 ml acetona, centrifugirali (4 min, 4000 obratov) in odčitali volumen ekstraktov. Nato smo izmerili ekstinkcije z UV-VIS-spektrofotometrom (Lambda 25, Perkin- Elmer, Norwalk, CT, USA) pri valovnih dolžinah 470, 645 in 662 nm. Vsebnost klorofilov (Kl a+b) in karotenoidov (Kar) smo izrazili na suho maso in površino vzorca.
Formula
Kl a [mg g-1 ss; mg cm-2] = ca * V * 10-3 * ss-1; ca = 11,24 E662 - 2,04 E645
ca * V * 10-3 * P-1
Kl b [mg g-1 ss; mg cm-2] = cb * V * 10-3 * ss-1; cb = 20,13 E645 - 4,19 E662 cb * V * 10-3 * P-1
Kar [mg g-1 ss; mg cm-2] = c(x+c) * V * 10-3 * ss-1; E470 - 1,9 ca - 63,14 cb) / 214 c(x+c) * V * 10-3 * P-1
E – ekstinkcija pri dani valovni dolžini; V – prostornina ekstrakta [ml]; ss – suha masa [g];
P – površina vzorca [cm-2]
Vsebnost antocianov smo določali po Khareju in Guruprasadu (1993). V terilnici smo strli vzorce listov znane površine ter jih ekstrahirali v 10 ml ekstrakcijskega medija (metanol : HCl (37 %) = 99 : 1 (v/v)), centrifugirali (4 min, 4000 obratov) in odčitali volumen ekstraktov.
Nato smo vzorce shranili v temi (24 ur, 3 ̶ 5 °C). Ekstinkcije smo izmerili pri 530 nm z VIS- spektrofotometrom (Lambda 25, Perkin-Elmer, Norwalk, CT, USA). Vsebnost antocianov (Ant) smo izrazili v relativnih enotah.
Formula
Ant (relativna enota) = E530 * V * ss-1;
E530 * V * P-1
E – ekstinkcija pri dani valovni dolžini; V – prostornina ekstrakta [ml]; ss – suha masa [g];
P – površina vzorca [cm-2]
Vsebnost UV-B- in UV-A-absorbirajoče snovi (UV-B 280 ̶ 320 nm, UV-A 320 ̶ 400 nm) smo določali po Caldwellu (1968). Vzorce listov znane površine smo strli v terilnici, ekstrahirali v 10 ml ekstrakcijskega medija (metanol : destilirana voda : HCl (37 %) = 79 : 20 : 1 (v/v/v)), centrifugirali (10 min, 4000 obratov) ter odčitali volumen ekstraktov. Ekstinkcije smo določili s spektrofotometrom (UV/VIS-spektrofotometer, Lambda 12, Perkin-Elmer, Norwalk, CT, USA) pri 280–400 nm. Vsebnosti UV-absorbirajočih snovi smo izračunali kot integral ekstinkcijskih vrednosti od 280 do 320 nm ter jih izrazili v relativnih enotah.
Formula
UV abs (relativna enota) = I * V-1 * ss-1; I * V-1 * P-1
I – integral ekstinkcijskih vrednosti v intervalu 280 ̶ 320 nm (UV-B abs) ter 320 ̶ 400 nm (UV-A abs);
V – prostornina ekstrakta [ml]; ss – suha masa [g]; P – površina vzorca [cm-2]
3.3.3 Merjenje odbojnih spektrov
Odbojnost listov smo izmerili s spektrofotometrom Jaz Modular Optical Sensing Suite (Ocean Optics, Inc., Dunedin, Florida, ZDA).
Čiste liste svežih rastlin smo namestili pod integracijsko sfero ISP-30-6-R (Ocean Optics, Inc., FL, ZDA), ki smo jo povezali s spektrofotometrom z optičnim kablom QP600-1-SR-BX (Ocean Optics, Inc., Dunedin, Florida, ZDA). Spektrofotometer smo priključili na računalnik,
kjer smo z zapisi operirali v programu SpectraSuite (Ocean Optics, Inc., FL, ZDA). Pred začetkom merjenja spektrov smo izmerili referenčni spekter z uporabo bele referenčne ploščice Spectolon in s tem instrument kalibrirali na 100% odbojnost, nato pa izmerili še spekter v temi in posneli morebitne šume. Potem smo začeli z meritvami odbojnih spektrov listov. Za vsako vrsto smo izmerili odbojnost in prepustnost na desetih listih. Na vsakem listu smo naredili po tri paralelke, in sicer na osrednjem delu lista, izogibali pa smo se žilam.
Spektre smo merili v območju valovnih dolžin med 280 in 890 nm.
Formula
R = (Rᵥ - Rt) / (Rs - Rt)
Rᵥ ̶ odboj svetlobe z listne površine; Rt ̶ referenca temebrez prisotnega lista in vira svetlobe;
Rs – referenca bele svetlobe brez prisotnega lista
3.3.4 Statistična obdelava podatkov
Iz pridobljenih podatkov raziskovalnega dela smo naredili izračune ter rezultate predstavili grafično in v preglednicah. Normalnost porazdelitve podatkov smo testirali s Shapiro-Wilk- ovim testom. Naredili smo analizo variance, kadar so bili podatki normalno razporejeni, smo uporabili test ANOVA, kadar pa razporeditev podatkov ni bila normalna, smo uporabili Kruskal-Wallis-ov test. Pri tej analizi smo ugotavljali razlike med vrstami glede na anatomske, morfološke in biokemične značilnosti. Zanimala nas je stopnja povezanosti med odbojnostjo lista in posameznimi preučevanimi lastnostmi lista, stopnjo povezanosti smo izrazili s Spearman-ovim korelacijskim koeficientom (r). Testi so bili narejeni v programu SPSS Statistics 19.0 (SPSS, Inc., IBM Company, ZDA). Narejena je bila klasterska analiza podobnosti med vrstami z uporabo Wardove metode s kvadratom evklidske razdalje (R 2.13.1).
V grafih so statistično značilne razlike rezultatov prikazane s črkami. Verjetnost značilnih razlik v preglednicah pa je označena z zvezdicami (* p ≤ 0.05 in ** p ≤ 0.01).
4 REZULTATI
4.1 ANATOMSKE ZNAČILNOSTI
Slika 7: Prečni prerez lista vrste Phalaris arundinacea. Desetkratna povečava (levo) in štiridesetkratna povečava (desno). S-sklerenhimske celice; E-epidermalne celice; M-mezofil; MC-mehurjaste celice
Slika 8: Prečni prerez lista vrste Phragmites australis. Desetkratna povečava (levo) in štiridesetkratna povečava (desno). S-sklerenhimske celice; E-epidermalne celice; M-mezofil; MC-mehurjaste celice
Slika 9: Prečni prerez lista vrste Molinia caerulea. Desetkratna povečava (levo) in štiridesetkratna povečava (desno). S-sklerenhimske celice; E-epidermalne celice; M-mezofil; MC-mehurjaste celice
S M E
E MC
E
E
S M
MC
E
E M
S
MC
Slika 10: Prečni prerez lista vrste Carex elata. Štirikratna povečava (levo) in desetkratna povečava (desno).
S-sklerenhimske celice; E-epidermalne celice; M-mezofil
Na prečnih prerezih listov trav lahko vidimo listno sredico (mezofil), ki je obarvana zeleno ali rjavo, v njej so fotosintezna barvila. Na prerezih se vidijo tudi listne žile. Ob žilah in nad njimi so oporna tkiva (sklerenhim), ki dajejo listu trdnost. Vidni sta zgornja in spodnja povrhnjica lista (epiderm), pod večjo povečavo pa je lepo vidna tudi kutikula. Pri vseh vrstah močno izstopajo tako imenovane mehurjaste (buliformne) celice, ki omogočajo, da rastlina ob sušnih razmerah zvije svoje liste in se s tem obvaruje pred preveliko izgubo vode. Pri šašu je oporno tkivo močno razvito, buliformnih celic ni, mezofil pa ni enoten, saj ga prekinjajo obsežni prazni prostori in oporni elementi.
4.1.1 Specifična listna površina
Največjo specifično listno površino (SLA) ima vrsta M. caerulea, sledi ji vrsta P.
arundinacea in C. elata, vrsta P. australis ima najmanjšo specifično listno površino.
Posamezne vrste se v specifični listni površini med seboj statistično značilno razlikujejo (p ≤ 0,01), razen vrst P. arundinacea in M. caerulea (Slika 11).
E
E S
M
Slika 11: Specifična listna površina (SLA). Podatki so prikazani kot okvirji z mediano, ki predstavljajo polovico podatkov, ročaji predstavljajo neizstopajoče podatke; n=10. Črke a, b, c označujejo statistično značilne razlike v vrednostih SLA med posameznimi vrstami (p≤0,01) (rezultati testa ANOVA).
4.1.2 Debelina lista
Med vrstami ni statistično značilnih razlik, debelina lista vseh preučevanih rastlin je zelo podobna. Statistično opazna razlika je le med vrstama M. caerulea in C. elata (p ≤ 0,05) (Priloga B).
4.1.3 Debelina listne sredice
Tako kot pri debelini lista tudi v debelini listne sredice ni statistično značilnih razlik (Priloga C).
4.1.4 Debelina kutikule
Statistično značilna razlika v debelini kutikule se pojavlja le pri vrsti C. elata, ki ima občutno najdebelejšo kutikulo (p ≤ 0,01). Ostale vrste pa se med seboj v debelini kutikule ne razlikujejo (Slika 12).
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
P. arundinacea P. australis M. caerulea C. elata
SLA (cm²mg¯¹)
a
b
a
c
Slika 12: Debelina kutikule. Prikazane so povprečne vrednosti, ročaji predstavljajo neizstopajoče podatke; n = 10.
Črki a, b označujeta statistično značilne razlike v vrednostih debeline kutikule med posameznimi vrstami (p ≤ 0,01) (rezultati Kruskal-Wallis testa).
4.1.5 Anatomija rež
Slika 13: Listne reže v zgornji povrhnjici listov vrste Phalaris arundinacea.
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
P. arundinacea P. australis M. caerulea C. elata
Debelinakutikule (µm)
a a a
b
4.1.5.1 Gostota rež
Slika 14: Listne reže v spodnji povrhnjici listov vrste Phragmites australis (levo) in vrste Carex elata (desno).
Vrsti P. arundinacea in M. caerulea imata gostoto rež približno enako na obeh straneh lista.
Vrsta P. australis ima na spodnji povrhnjici več rež kot na zgornji. Vrsta C. elata ima reže le na spodnji povrhnjici. Gostota listnih rež na zgornji povrhnjici je največja pri vrsti P. australis sledita ji M. caerulea in P. arundinacea. Gostota listnih rež na spodnji povrhnjici pa je
najvišja pri vrsti P. australis, sledijo ji C. elata, P. arundinacea in M. caerulea. Gostota rež med posameznimi vrstami se značilno razlikuje (p ≤ 0,01) razen v zgornji povrhnjici pri vrstah P. arundinacea in M. caerulea, kjer je gostota rež podobna (Slika 15)
Slika 15: Gostota rež v zgornji (zeleno-vijolična) in spodnji (rumeno-rdeča) povrhnjici. Vrsta C. elata nima rež na zgornji povrhnjici. Podatki so prikazani kot okvirji z mediano, ki predstavljajo polovico podatkov, ročaji
predstavljajo neizstopajoče podatke; n = 10. Črki a, b označujeta statistično značilne razlike v gostoti rež zgornje povrhnjice, črke s, u, t označujejo statistično značilne razlike v vrednosti gostote rež spodnje povrhnjice (p ≤ 0,01) (rezultati Kruskal-Wallis testa).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
P. arundinacea P. arundinacea P. australis P. australis M. caerulea M. caerulea C. elata
Gostota rež (mm¯²)
a s
b
u
a s
t
4.1.5.2 Dolžina rež
Pri vseh preučevanih vrstah so v povprečju zelo podobne dolžine rež v zgornji in spodnji povrhnjici. Najdaljše reže ima vrsta P. arundinacea, najkrajše pa vrsta P. australis. Dolžina rež se statistično značilno razlikuje pri vseh vrstah tako v zgornji kot tudi v spodnji povrhnjici (p ≤ 0,01), razen pri vrstah P. arundinacea in M. caerulea, kjer ni statistično značilnih razlik (Slika 16).
Slika 16: Dolžina rež v zgornji (zeleno-vijolična) in spodnji (rumeno-rdeča) povrhnjici. Vrsta C. elata nima rež na zgornji povrhnjici. Podatki so prikazani kot okvirji z mediano, ki predstavljajo polovico podatkov, ročaji predstavljajo neizstopajoče podatke; n = 10. Črki a, b označujeta statistično značilne razlike v vrednostih dolžine rež v zgornji povrhnjici, črke s, u, t označujejo statistično značilne razlike v vrednostih dolžine rež v spodnji povrhnjici (p ≤ 0,01) (rezultati Kruskal-Wallis testa).
4.1.6 Bodičke
Slika 17: Bodička v zgornji povrhnjici lista vrste Carex elata.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
P. arundi nacea P. arundi nacea P. austral is P. austral is M. caerule a M. caerule a C. elata
Dolžina rež (µm)
a s
b u
a s
t
4.1.6.1 Gostota bodičk
Slika 18: Bodičke v spodnji povrhnjici lista vrste Molinia caerulea.
Vrsti M. caerulea in C. elata imata na zgornji povrhnjici več rež kot na spodnji povrhnjici.
Vrsta P. australis ima več bodičk na spodnji povrhnjici kot na zgornji, P. arundinacea pa ima bodičke le na spodnji povrhnjici. Nobena od preučevanih vrst nima gostote bodičk vsaj približno enake na obeh straneh lista. Po pregledu vseh preučevanih vrst opazimo, da ima vrsta P. australis v primerjavi z ostalimi največjo gostoto bodičk tako na zgornji kot na spodnji povrhnjici, vrsta M. caerulea pa ima najmanjšo gostoto bodičk na zgornji in spodnji povrhnjici. Pri vseh vrstah, ki imajo bodičke na zgornji povrhnjici, je gostota zelo podobna.
Na spodnji povrhnjici pa po gostoti bodičk močno izstopa P. australis, ki jih ima daleč največ. Ostale vrste so si po gostoti bodičk na spodnji povrhnjici zelo podobne. Gostota bodičk se statistično značilno razlikuje tako na zgornji (p ≤ 0,05) kot na spodnji povrhnjici (p
≤ 0,01) (Slika 19).
Slika 19: Gostota bodičk v zgornji (zeleno-vijolična) in spodnji (rumeno-rdeča) povrhnjici. Vrsta P. arundinacea nimabodičk na zgornji povrhnjici. Podatki so prikazani kot okvirji z mediano, ki predstavljajo polovico
podatkov, ročaji predstavljajo neizstopajoče podatke; n = 10. Črka a označuje statistično značilne razlike v gostoti bodičk zgornje povrhnjice, črki s, t označujeta statistično značilne razlike v gostoti bodičk na spodnji povrhnjici (p ≤ 0,05) (rezultati testa ANOVA in Kruskal-Wallis).
0 100 200 300 400 500 600 700 800
P. arundinacea P. australis P. australis M. caerulea M. caerulea C. elata C. elata
Gostota bodičk (mm¯²)
s
a
t a
s
a
s
4.1.6.2 Dolžina bodičk
Najdaljše bodičke na spodnji povrhnjici ima vrsta C. elata, sledijo ji vrste P. arundinacea, M.
caerulea in P. australis. Enak je vrstni red dolžine bodičk na spodnji povrhnjici, z izjemo vrste P. arundinacea, ki bodičk na zgornji povrhnjici nima. Dolžina bodičk se statistično značilno razlikuje pri vseh vrstah v zgornji kot tudi v spodnji povrhnjici (p ≤ 0,01) (Slika 20).
Slika 20: Dolžina bodičk na zgornji (zeleno-vijolična) in spodnji (rumeno-rdeča) povrhnjici. Vrsta P.
arundinacea nima bodičk na zgornji povrhnjici. Podatki so prikazani kot okvirji z mediano, ki predstavljajo polovico podatkov, ročaji predstavljajo neizstopajoče podatke; n = 10. Črke a, b, c označujejo statistično značilne razlike v dolžini bodičk na zgornji povrhnjici, črke r, s, t, u označujejo statistično značilne razlike v dolžini bodičk na spodnji povrhnjici (p ≤ 0,01) (rezultati Kruskal-Wallis testa).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
P. arundinace a P. australis P. australis M. caerulea M. caerulea C. elata C. elata
Dolžina bodičk (µm)
r
a s
b
t
c
u
4.2 BIOKEMIJSKE ANALIZE 4.2.1 Klorofili in karotenoidi 4.2.1.1 Klorofil a in b
Vsebnost klorofila a je v primerjavi s klorofilom b večja pri vseh vrstah. Najvišjo vsebnost klorofila a imata vrsti P. arundinacea in P. australis, najmanjšo pa vrsti M. caerulea in C.
elata. Vsebnost klorofila b je med vrstami podobna, višjo vsebnost klorofila b ima le vrsta P.
arundinacea (Slika 21).
A
B
Slika 21: Vsebnost klorofila a (zelena) in klorofila b (modra). Izražena na površino lista (A) in maso suhe snovi lista (B). Podatki so prikazani kot okvirji z mediano, ki predstavljajo polovico podatkov, ročaji predstavljajo neizstopajoče podatke; n = 10. Črke a, b, c označujejo statistično značilne razlike v vrednosti klorofila a, črke s, t, u označujejo statistično značilne razlike v vrednostih klorofila b (p ≤ 0,01) (rezultati testa ANOVA in Kruskal- Wallis).
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14
P. arundinacea P. arundinacea P. australis P. australis M. caerulea M. caerulea C. elata C. elata
Vsebnost klorofilaainb (mg/cm²)
a
s
a
s
b t b
u
0 5 10 15 20
P. arundinacea P. arundinacea P. australis P. australis M. caerulea M. caerulea C. elata C. elata
Vsebnost klorofilaainb (mg/g)
a
s
b
t c
t c
t
4.2.1.2 Karotenoidi
Vsebnost karotenoidov se med vrstami razlikujejo z značilno razliko (p ≤ 0,01), razen med vrstama M. caerulea in C. elata, kjer med vrstama ni statistično značilne razlike v vsebnosti karotenoidov. Največjo vsebnost karotenoidov imata vrsti P. arundinacea in P. australis, najmanjšo vsebnost pa imata vrsti M. caerulea in C. elata (Slika 22).
A
B
Slika 22: Vsebnost karotenoidov. Izražena na površino lista (A) in maso suhe snovi lista (B). Podatki so prikazani kot okvirji z mediano, ki predstavljajo polovico podatkov, ročaji predstavljajo neizstopajoče podatke; n = 10.
Črki a, b označujeta statistično značilne razlike v vsebnosti karotenoidov, izraženih na površino lista, črke s, t, u označujejo statistično značilne razlike v vsebnosti karotenoidov, izraženih na maso suhe snovi (p ≤ 0,01) (rezultati testa ANOVA in Kruskal-Wallis).
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
P. arundinacea P. australis M. caerulea C. elata
Vsebnost karotenoidov (mg/cm²) a
a
b b
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
P. arundinacea P. australis M. caerulea C. elata
Vsebnost karotenoidov (mg/g)
s
t
u u
4.2.2 Antociani
Vsebnost antocianov se med vrstami razlikuje z značilno razliko (p ≤ 0,01), razen med vrstama M. caerulea in C. elata, kjer tako kot pri vsebnosti karotenoidov tudi v vsebnosti antocianov ni statistično značilnih razlik (Slika 23).
A
B
Slika 23: Vsebnost antocianov. Izražena na površino lista (A) in maso suhe snovi lista (B). Podatki so prikazani kot okvirji z mediano, ki predstavljajo polovico podatkov, ročaji predstavljajo neizstopajoče podatke; n = 10.
Črke a, b, c označujejo statistično značilne razlike v vsebnosti antocianov, izraženih na površino lista, črke s, t, u označujejo statistično značilne razlike v vsebnosti antocianov, izraženih na maso suhe snovi (p ≤ 0,01) (rezultati Kruskal-Wallis testa).
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
P. arundinacea P. australis M. caerulea C. elata
Vsebnost antocianov (mg/cm²)
a
b
c
c
0 100 200 300 400 500 600
P. arundinacea P. australis M. caerulea C. elata
Vsebnost antocianov (mg/g)
s
t
u
u
