PEDAGOŠKA FAKULTETA
MAJA ORAŽEM
Optične lastnosti skorje svilnatega drena
DIPLOMSKO DELO
LJUBLJANA, 2016
PEDAGOŠKA FAKULTETA BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
Študijski program: Biologija-Gospodinjstvo
MAJA ORAŽEM
Mentorica: prof dr. Alenka GABERŠČIK
Optične lastnosti skorje svilnatega drena
DIPLOMSKO DELO
Ljubljana, 2016
I
Diplomsko delo predstavlja zaključek univerzitetnega študija biologija-gospodinjstvo.
Opravljeno je bilo v laboratoriju Katedre za ekologijo in varstvo okolja na Oddelku za biologijo na Biotehnični fakulteti v Ljubljani.
Študijska komisija na Pedagoški fakulteti je odobrila predlagano temo diplomske naloge z naslovom Optične lastnosti skorje svilnatega drena.
Za mentorico je imenovalo prof.dr. Alenko Gaberščik.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednica: doc.dr. Tadeja TROŠT SEDEJ
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Mentorica: prof.dr. Alenka GABERŠČIK
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Članica: prof.dr. Mateja GERM, univ.dipl.biol.
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Podpisana se strinjam z objave svoje naloge v polnem tekstu na spletni strani Digitalne knjižnice Biotehnične fakultete. Izjavljam, da je naloga, ki sem jo oddala v elektronski obliki, identična tiskani verziji.
Delo je rezultat lastnega raziskovalnega dela.
Maja Oražem
II
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA
ŠD Dd DK UDK
KG odbojnost/presevnost/lastnosti skorje/svilnati dren AV ORAŽEM, Maja
SA GABERŠČIK, Alenka (mentor) KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
ZA Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, Biotehniška fakulteta, Program Biologija- Gospodinjstvo
LI 2016
IN OPTIČNE LASTNOSTI SKORJE SVILNATEGA DRENA TD Diplomsko delo (univerzitetni študij)
OP IX, 35.str., 2 pregl., 12 sl., 39 vir.
IJ sl JI sl/en
AI V diplomski nalogi z naslovom Optične lastnosti skorje svilnatega drena smo proučevali kako anatomske in biokemijske lastnosti vplivajo na optične lastnosti skorje svilnatega drena, pri tem pa smo merili tudi fotokemično učinkovitost. Vejice svilnatega drena so bile nabrane na območju parkirišča Biotehnične fakultete v Ljubljani v zimskem času. Laboratorijske raziskave so bile opravljene v času med 11. in 15. januarjem 2016 v prostorih Biotehnične fakultete. Opravili smo meritve odbojnosti in presevnosti skorje s pomočjo spektrometra. S fluorometrom smo izmerili fotokemično učinkovitost na svetlobi in v temi. Pripravili smo preparate iz skorje in izmerili posamezne dele pod mikroskopom, zanimale so nas predvsem 4 strukture: kutikula, povrhnjica, skorja in floem. Pri biokemijskih analizah smo izmerili količino klorofilov in karotenoidov, antocianov, ter UV absorbirajoče snovi. Vse meritve smo opravili na desetih različnih vejicah svilnatega drena. Rezultati naše raziskave so pokazali, da merjene lastnosti ne razložijo variabilnosti presevnosti in odbojnosti skorje svilnatega drena.
III
KEY WORDS DOCUMENTATION
DN Dd
CX reflectance/transmittance/bark optical properties/ Cornus stolonifera var. flaviramea AU ORAŽEM, Maja
AA GABERŠČIK, Alenka (supervisor) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
PB University of Ljubljana, Faculty of Education, Biotehnical Faculty, Department of Biology
PY 2016
TI OPTICAL PROPERTIES OF Cornus stolonifera var. flaviramea BARK DT Graduation Thesis (University studies)
NO IX, 35 p., 2 tab., 12 fig., 39 ref.
LA sl AL sl/en
AB In the dissertation entitled Optical Properties Of The Bark of Silken Dogwood, we studied the anatomical and biochemical characteristics, which influence the optical properties of the silken dogwood bark. Thereby, we also measured photochemical efficiency. Silken dogwood branches were gathered in the parking lot area of the Biotechnical Faculty of Ljubljana, in winter time. The research was carried out between the 11th and 15th January 2016, in the laboratory of the Biotechnical Faculty. We carried out the measurements of reflectivity and transmittance of the bark with a spectrometer. We used a fluorometer to measure the photochemical efficiency in light and darkness. Samples were also taken from the bark to measure individual parts under a microscope, with our interest mainly directed at 4 structures: cuticle, epidermis, bark and phloem. We used biochemical analysis to measure the quantity of chlorophylls and carotenoids, antocyanins, and UV absorbing substances. All measurements were carried out on ten different branches of silken dogwood. The results of our research have shown, that measured parameters explained low portion of the variability of the transmittance and reflectivity of the silken dogwood bark.
IV
Kazalo vsebine
1 UVOD ... 1
1.1 HIPOTEZE ... 2
2 PREGLED OBJAV ... 2
2.1 OPTIČNE LASTNOSTI RASTLIN... 2
2.2 REFLEKTANCA, TRANSMITANCA IN ABSORBANCA ... 2
2.3 ABSORBCIJA SVETLOBE IN SEVALNE RAZMERE ... 3
2.4 RASTLINSKI PIGMENTI ... 5
2.4.1 KLOROFILI ... 5
2.4.2 KAROTENOIDI ... 6
2.4.3 ANTOCIANI ... 7
2.4.5 UV-ABSORBIRAJOČE SNOVI ... 8
2.5 VPLIV OKOLJSKIH DEJAVNIKOV NA BARVILA V RASTLINAH ... 8
3 SKORJA ... 9
3.1 UPORABA SKORJE ... 13
4 MATERIALI IN METODE ... 13
4.1 OBMOČJE RAZISKAV ... 13
4.2 PREDMET RAZISKAV ... 14
4.3 METODE DELA ... 15
4.3.1 Merjenje fotokemične učinkovitosti ... 15
4.3.2 Merjenje optičnih lastnosti ... 16
4.3.3 Merjenje biokemijskih lastnosti ... 19
4.3.4 Merjenje anatomskih lastnosti ... 21
5 STATISTIČNA OBDELAVA PODATKOV ... 21
6 REZULTATI ... 22
6.1 ANATOMSKE ZNAČILNOSTI ... 22
6.2 ODBOJNOST IN PRESEVNOST SKORJE ... 23
6.3 BIOKEMIJSKE ANALIZE ... 25
6.3.1 Klorofil a in b, ter karotenoidi ... 25
6.3.2 Antociani ... 26
6.3.3 UV absorbirajoče snovi ... 26
6.4 VPLIV ANATOMSKIH IN BIOKEMIJSKIH PARAMETROV NA ODBOJNOST IN PREPUSTNOST SKORJE ... 28
V
7 RAZPRAVA ... 29
7.1 PRIMERJAVA ODBOJNOSTI IN PREPUSTNOSTI ... 29
8 SKLEP ... 30
9 POVZETEK ... 31
10 VIRI IN LITERATURA ... 33
VI
Kazalo grafov in preglednic
GRAF 1 ... 23
GRAF 2 ... 24
GRAF 3 ... 25
GRAF 4 ... 26
GRAF 5 ... 27
GRAF 6 ... 28
TABELA 1 ... 27
TABELA 2 ... 25
VII
Kazalo slik
Slika 1 ... 5
Slika 2 ... 6
Slika 3 ... 7
Slika 4 ... 8
Slika 5 ... 11
Slika 6 ... 15
Slika 7 ... 15
Slika 8 ... 17
Slika 9 ... 18
Slika 10 ... 18
Slika 11 ... 19
Slika 12 ... 22
VIII
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI
Ant antociani
E470, E530, E645, E662 ekstinkcije pri danih valovnih dolžinah FS II fotosistem tipa II
IR infrardeča svetloba K kutikula
Kar karotenoidi
Kl a, Kl b klorofil a, klorofil b
NIR bližnje infrardeče sevanje( 700-1400 nm) P povrhnjica
PAR fotosintezno aktivno sevanje S skorja
ss suha snov
SWIR srednjevalovno infrardeče področje SD standardna deviacija
UV ultravijolično sevanje
UV-A ultravijolično sevanje A z valovno dolžino 320-400 nm UV-B ultravijolično sevanje B z valovno dolžino 280-319 nm UV-C ultravijolično sevanje B z valovno dolžino 100-280 nm
IX
1
1 UVOD
Oddajanje energije sonca v obliki elektromagnetnega valovanja (EM) imenujemo sončevo sevanje. Razmerja med valovnimi dolžinami se spreminjajo pri prehodu svetlobe skozi atmosfero z absorpcijo in refleksijo. Atmosfera deluje kot filter, skozi katerega se svetloba filtrira (Tarman, 1992).
Približno 47% sončevega sevanja pride skozi ozračje in doseže Zemljino površje. Ostali del sevanja, torej več kot polovica, pa se odbije nazaj v vesolje, kot posledica loma svetlobe, absorpcije oblakov, suspendiranih delcev v ozračju in difrakcije zgornjih delov atmosfere (Larcher, 2003).
Sončevo sevanje je glavni vir življenja na Zemlji (Taiz in Zeigner, 2002). Je primarni vir energije, ki služi za sintezo organskih snovi, uravnavanje količine vode in dovajanje toplote.
(Trošt-Sedej, 2005).
Optične lastnosti listov se merijo z namenom, da ugotovijo, kakšen je vpliv okoljskih dejavnikov na lastnosti rastline (koncentracijo barvil, hranil, količino vode, prisotnost stresa) (Liew, 2008).
Z vidika fotosinteze, energijske bilance in obnašanja rastlinojedih žuželk so pomembne tudi optične lastnosti skorje. Skorja lesnatih vrst vsebuje kloroplaste, kateri absorbirajo sevanje.
Svilnati dren (Cornus stolonifera var. flaviramea; sinonim Cornus sericea L.) je grm, ki ima rumeno obarvana stebla. Namen diplomske naloge je raziskati biokemijske in anatomske parametre ter optične lastnosti (odbojnost in presevnost) drenove skorje, ter kakšna je njena fotokemična učinkovitost. Cilj naloge je tudi ugotoviti kako in v kolikšni meri merjeni parametri vplivajo na odbojnost in prepustnost skorje svilnatega drena.
2
1.1 HIPOTEZE
1. Predvidevamo, da se bodo optične lastnosti skorje spreminjale zaradi razlik v biokemijskih in anatomskih parametrih.
2. Predvidevamo, da bosta največja presevnost in odbojnost v vidnem delu spektra.
3. Predvidevamo, da bodo pigmenti najbolj vplivali na odbojnost in prepustnost skorje.
2 PREGLED OBJAV
2.1 OPTIČNE LASTNOSTI RASTLIN
Najpomembnejši del svetlobnega spektra je vidni del, saj omogoča fotosintezo. Sevalno energijo rastlina shrani v obliki kemične energije (Larcher, 2003).
Sevanje, ki pade na rastlino, se odbije, absorbira ali pa preseva skozi tkivo (Jacquemound in sod., 1989).
Objekt odbija svetlobo glede na vpadni kot svetlobe in lomni količnik objekta in medija, ki ga obdaja. Sprememba lomnega količnika vpliva na odboj in lomljenje svetlobe pri objektih s heterogeno površino. Tkivo rastline z reliefno oblikovano površino in zračnimi medceličnimi prostori ter hidriranimi celičnimi stenami dobro prepušča svetlobo (Woolley, 1971).
2.2 REFLEKTANCA, TRANSMITANCA IN ABSORBANCA
Izrazi, ki opredelijo optične lastnosti, so transmitanca, reflektanca in absorbanca.
Transmitanca oz. presevnost je odvisna od strukture in debeline skorje. Pri listih velja, da zelo tanki listi prepuščajo 40% sevanja, mehki prepuščajo 10-20%, debeli listi pa skoraj ne prepuščajo sevanja, to je manj kot 3%. Sevanje, ki prehaja skozi list oz. skorjo, je valovnih dolžin med 500 in 800 nm. Za transmitanco listov velja, da je najvišja v zelenem in infrardečem območju sevanja (Larcher, 2003). Presevnost je delež svetlobe, katera se preseva skozi tkivo (Wolley, 1971).
3
Reflektanca oz. odbojnost je parameter, s katerim označujemo količino odbite svetlobe od lista oz. skorje. Biokemijske in strukturne lastnosti skorje določajo odbojnost (Underwood in sod., 2007). Listi v vidnem delu spektra odbijejo povprečno 6-10% sevanja (Larcher, 2003).
Absorbanca je obratno sorazmerna s skupno količino reflektance in transmitance (Levizou in sod., 2005). Velik del sevanja, ki prodira skozi skorjo, se absorbira. Pri prehodu svetlobe skozi skorjo se jakost svetlobe zmanjšuje. Količina klorofila, karotenoidov in antocianov vpliva na absorpcijo vidne svetlobe (Larcher, 2003).
2.3 ABSORPCIJA SVETLOBE IN SEVALNE RAZMERE
Na zemeljsko biosfero prodira sevanje, ki vsebuje valovne dolžine med 280 nm in 105 nm.
Sevanje, ki doseže zemljino površje je sestavljeni iz vidnega, ultravijoličnega in infrardečega sevanja. Zemljinega površja ne dosežejo valovne dolžine krajše od 280 nm, saj se dokončno absorbirajo v stratosferski ozonski plasti. Bipolarne molekule (CO2 in H2O) pa omogočajo prodiranje valovnih dolžin daljših od 105 nm (Trošt-Sedej,2005).
Kratkovalovno sevanje je sestavljeno iz vidne svetlobe (50%), UV sevanja (10%) in IR- sevanja do 3000 nm (40%). V IR-spektru Zemlja oddaja dolgovalovno sevanje. Med glavna vira energije za biosfero štejemo vidno svetlobo in IR-sevanje. Plast ozona v stratosferi zadrži v celoti škodljivo sevanje (pod 280 nm), del sevanja pa ta plast seva mimo Zemlje. Okoli 500 nm je najmočnejše kratkovalovno sevanje, ta del predstavlja valovne dolžine vidne svetlobe (Tome, 2006).
V spektralnem območju med 400 in 700 nm se nahaja 45% sončne energije, ki pride na Zemljo. Ta del imenujemo vidna svetloba. Gre za fotosintezno aktivni del spektra(PAR), ki ga rastline izrabljajo za fotosintezo (Larcher, 2003). Vidno svetlobo zaznavamo kot barve, ki jih razdelimo na modro (400-500 nm), zeleno (500-600 nm) in rdečo (600-700 nm) (Yoshimura in sod., 2010). Del vidne svetlobe ima velik pomen, ker so organizmi nanj posebno prilagojeni. Rastline vidni del svetlobe uporabljajo za fotosintezo, kar imenujemo fotosintezno aktivno sevanje(PAR), živali pa so kot prilagoditev na vidni del svetlobe razvile fotoreceptorje (Taiz in Zeiger, 2002).
4
Meritve presevnosti in odbojnosti se uporabljajo za določanje in preučevanje mehanizmov regulacije UV-sevanja. Pri višjih rastlinah je približna 5% odbojnost in presevnost, ki vpliva na zmanjšanje UV sevanja v spektralni regiji. Ultravijolično sevanje spada med kratkovalovno sevanje in je razdeljeno na več območij: UV-A (320- 400 nm), UV-B (280-320 nm) in UV-C (100-280 nm). S krajšanjem valovne dolžine se energija valovanja povečuje.
Ozon, ki se nahaja v stratosferi, popolnoma zadrži UV-C sevanje, delno UV-B, UV-A sevanje pa prodira nemoteno do Zemljinega površja (Yoshimura in sod., 2010). V namen zaščite pred UV-B sevanjem so rastline razvile različne mehanizme. Koncentracija karotenoidov, debelina listov in gostota trihomov na določeni nadmorski višini vpliva na zaščito pred UV–B sevanjem (Fielella in Peñuelas,1999). 95% UV sevanja list absorbira, predvsem z UV absorbirajočimi snovmi, kot so flavonoidi. Ti rastlino varujejo pred UV- sevanjem. Delujejo v epidermalnih celicah in kutikuli, s tem pa zmanjšujejo UV-sevanje (Yoshimura in sod., 2001).
Dolgovalovno sevanje predstavlja infrardeča svetloba. Raziskave kažejo, da velik del sončevega sevanja pride na Zemljo in se absorbira nazaj v obliki infrardečega sevanja. V atmosferi določeni plini absorbirajo IR-sevanje in ga pošljejo v vse smeri, tudi nazaj na Zemljo. Iz tega razloga se tudi površje in ozračje segrevata. IR-sevanje predstavlja vir toplote na Zemlji (Lacher, 2003). Valovne dolžine od 700 nm do 1 mm obsega infrardeča svetloba.
Bližnja infrardeča svetloba (NIR) vsebuje pas od 700 nm do 1400 nm, srednja infrardeča svetloba (SWIR) pa pas od 1400- 2400 nm (Liew in sod., 2008).
Biokemijske in anatomske značilnosti skorje vplivajo na interakcijo svetlobe z različnimi plastmi celic. Del svetlobe se od skorje odbije, preseva ali pa absorbira skozi (Liew in sod., 2008). Tipičen zelen list ima majhen odboj, med 400 in 700 nm v vidnem delu spektra.
Listom daje zeleno barvo višji zeleni odboj valovnih dolžin med 500 in 600 nm. Pigmenti sevanja ne absorbirajo več, tam kjer je odboj posebno močan v bližnje infrardečem sevanju (NIR), med 700 in 1300 nm in srednje infrardečem sevanju(MIR), med 1300 in 2600 nm. V predelu, kjer rastline izrabljajo svetlobo za fotosintezo, je absorpcija visoka, to se nahaja v modrem, od 400-500 nm in rdečem delu spektra, od 600-700 nm (Blackburn, 2006 in Pinnel, 2007). Pojav rdeči rob je značilen za povečano količino odbojnosti nad 680 nm. Je merilo za količino klorofila v celicah in meri fotosintetsko aktivnost (Ozawa, 2011). Na porast odbojnosti v vidnem in infrardečem delu spektra vpliva primanjkljaj nutrientov, zaradi katerih pride do zmanjšane koncentracije klorofila (Ayala Silva in Beyl, 2005).
5
2.4 RASTLINSKI PIGMENTI
Pigmenti kažejo biokemijske značilnosti rastlin (Anatoly in sod., 2002). Med najbolj pomembne organske molekule na Zemlji spadajo klorofili, ki omogočajo opravljanje fotosinteze pri rastlinah. Bistven pomen za rastline in preživetje sesalcev predstavljajo karotenoidi. Druge pigmentne skupine pa so pomembne v povezavi z fiziologijo rastlin in živali (Blackburn, 2006).
2.4.1 KLOROFILI
V fotosinteznem tkivu višjih rastlin najdemo prevladujoča barvila, ki se imenujejo klorofili.
Ti so zgrajeni iz tetrapirolovega obroča, na katerega je vezan centralni del magnezija, na njem pa je zaestren dolg hidrofolni fitolni rep. Klorofil a prevladuje v zelenih rastlinah, medtem ko je klorofil b pomožno barvilo. Predstavlja samo eno tretjino in manj skupne vrednosti klorofilov v rastlini (Liew in sod., 2008; Taiz in Zeiger, 2002).
Pigmenta imata najboljšo absorpcijo v modrem in rdečem delu spektra. Klorofil a ima dva absorpcijska vrhova, ki sta pri 430 in 660 nm, klorofil b pa ima absorpcijska vrhova pri 450 in 640 nm. Te vrednosti veljajo za pigmente v topilu, pigmenti v celicah klorofilov pa imajo absorpcijske vrhove pri klorofilu a pri vrednostih 435 nm in 670-680 nm, pri klorofilu b pa pri 480 in 650 nm (Rabinowitch in Govindjee, 1969; Lichtenthaler, 1987). Baltzer in Thomas(2005) sta ugotovila, da spremembe hranil vplivajo na odbojne spektre preko sprememb v količini barvil. Klorofili so tudi pokazatelji zdravja rastlin (Liew in sod., 2008).
Slika 1 Prikaz relativne absorbance klorofila a in b (VIR: Harvardforest. com)
6
Slika 2 Strukturna formula klorofila a (VIR: Harvardforest. com)
2.4.2 KAROTENOIDI
Druga skupina asimilacijskih barvil, ki jih najdemo v kloroplastih, so karotenoidi. Od klorofilov se kemijsko razlikujejo po tem, da so tetraterpeni. Ti se absorbirajo v modrem delu spektra, od 400-500 nm. Spadajo med pomožna barvila, ki sprejemajo energijo v obliki svetlobe in jo pošljejo klorofilu a (Yoshimura, 2001). Delimo jih na karotene, ki so rumene do rdeče barve, in na ksantofile, ki so rumenih barv (Taiz in Zeiger, 2002). Najbolj pogosti karotenoidi v funkcionalnih kloroplastih so beta karoteni, neoksantin in violaksantin, ter lutein (Yoshimura, 2001). Glavna funkcija karotenoidov je v procesu fotosinteze zaščita pred fotodestrukcijo, so tudi zbiralci svetlobe, katerih naloga je posredovanje energije klorofilom (Demmig-Adams, 1996).
7
Slika 3 Strukturna formula β- karotena (VIR: Harvardforest. com)
2.4.3 ANTOCIANI
V številnih rastlinskih organih najdemo skupino vodotopnih, pigmentiranih flavonoidov, ki jih imenujemo antociani. Od večine drugih flavonoidov se antociani razlikujejo po tem, da se integrirajo z valovnimi dolžinami sončevega spektra (Harborne, 1967). Antociani so tretja večja pigmentna skupina v rastlinah. Imajo funkcijo urejanja fotosinteze in zaščite rastlin pred fotoinhibicijo in foto poškodbami. Delujejo tudi kot osmotski regulatorji in ščitijo rastline pred stresnimi dejavniki, kot so suša ali nizke temperature (Blackburn, 2006). V območju sončnega energijskega maksimuma najbolje absorbirajo v območju zelenih in rumenih valovnih dolžin, od 500-600 nm , ter v območju modrega in rdečega dela spektra, od 400-500 nm. To se nahaja med območji močne absorpcije klorofilov in karotenoidov v modrem delu spektra in na območju močne absorcije klorofilov v rdečem delu spektra (Merzlyak in sod., 2008). Antociane najpogosteje najdemo v mezofilnih celicah gobastega tkiva, pri nekaterih vrstah pa se nahajajo tudi v celicah povrhnjice in pod povrhnjico, v parenhimu (Gould in Quinn, 1999).
8
Slika 4 Strukturna formula antociana (VIR: Harvardforest. com) 2.4.5 UV-ABSORBIRAJOČE SNOVI
V rastlinah pa najdemo tudi UV- absorbirajoče snovi, med katere spadajo flavonoidi. Ti ščitijo rastlino pred škodljivim UV-sevanjem. Poleg flavonoidov v skupino rastlinskih fenolov spadajo še flavoni, flavonoli in antociani. Nahajajo se v epidermalnih celicah in z absorpcijo zavirajo prodiranje UV-B sevanja skozi povrhnjico (Taiz in Zeiger, 2002).
Flavonoidi ščitijo list pred škodljivimi vplivi UV-sevanja. Majhen del vseeno pride do kloroplastov, kjer sevanje absorbirajo klorofili, izseva pa se v obliki fluorescence. K zmanjšanju škodljivih vplivov UV- sevanja bistveno pripomore vegetacija. Ta daje zaščito tako kopenskim kot vodnim ekosistemom (Yoshimura, 2010).
2.5 VPLIV OKOLJSKIH DEJAVNIKOV NA BARVILA V RASTLINAH
V zimskih mesecih rastlinam navadno odpadejo listi. Za razliko od listov so veje in stebla veliko bolj prilagojena na ekstremne zimske razmere. Zimzelene rastline pa v ta namen razvijejo posebne voske, ki zaščitijo liste pred mrazom. V različnih sezonah oz. letnih časih se spreminja tudi količina pigmentov. V poletnih mesecih se na primer količina klorofila močno poveča, jeseni, ko dnevi postajajo krajši, se proizvodnja klorofila upočasni, kar velja tudi za ostala barvila. V zimskih mesecih pa je količina barvil omejena (Chadde, 1952).
9
Raziskave, ki so jih izvajali na rdečem boru v zimskem času, so pokazale, da se količina klorofilov in karotenoidov zmanjša, zaradi stresnih razmer, na katere se mora prilagoditi rastlina pozimi. Poveča se verjetnost prenosa energije iz vzburjenega klorofila, beta karoten pa naj bi preprečeval fotodinamične učinke fotosinteznega aparata (Öquist, 1989).
Raziskave so tudi pokazale, da lahko poplave, dehidracija, ozon, herbicidi ali žuželke, ki spadajo med stresne dejavnike, vplivajo na optične lastnosti rastline. Zaradi stresa pride do sprememb v odboju, presevnosti in absorptivnosti. Te spremembe pa se dajo razložiti s stresnimi spremembami v koncentraciji klorofila. To posebej velja v daljno rdečem in zeleno rumenem delu spektra. Tukaj namreč ni vpliva karotenoidov in ostalih pomožnih pigmentov, ki lahko zakrijejo učinek zmanjšanja vsebnosti klorofila v modrem delu spektra in ni močne absorpcije klorofila (Carter in Knapp, 2001).
3 SKORJA
V steblu/deblu rastline najdemo različna krovna tkiva:
epidermis ali povrhnjico stebla najdemo v primarni oz. zelenati zgradbi, pod njo se nahaja primarna skorja ali korteks, ki ima funkcijo krovnega tkiva.
V lesnati oz. sekundarni zgradbi epiderm zamenja periderm, pod katerim so v začetku ostanki primarne skorje. Pod njo se tvori sekundarna skorja ( ličje, sekundarni floem). Pri nekaterih vrstah, kot je npr. navadni beli gaber, sekundarna skorja in periderm sledita raztezanju do konca življenja. Nato iz odmrlega periderma nastane terciarna skorja oz. lubje.
Plast periderma je oblikovana tako, da je neprepustna za vodo in pline, na nekaterih delih pa je prekinjena z lenticelami, ki delujejo kot listne reže v povrhnjici in omogočajo difuzijo plinov. Najpomembnejša funkcija periderma je zmanjšati izgubo vode in topljencev iz notranjih tkiv in zaščita rastline pred neugodnimi pogoji okolja (Plant Anatomy, 2016).
Iz sekundarne debelitve se v določenem obdobju pri večini vrst razvije v sekundarni skorji globinski periderm. Njegovo oplutenelo tkivo preskrbuje vsa tkiva izven njega. To je predvsem tkivo odmrle sekundarne skorje, iz katere nastane terciarna skorja, ritidom ali lubje, ki predstavlja mrtvo krovno tkivo. Vsa tkiva, ki so izven kambija, pri lesnatih rastlinah imenujemo skorja (Bačič, 2016).
10
10-20% debla in 20-35% drevesa (korenine, veje, deblo) predstavlja skorja. Ta se od drugih delov drevesa loči po nastanku, kemijski sestavi in anatomiji. Z debelinsko rastjo dreves nastane skorja, zajema pa vsa tkiva vaskularnega kambija. Tkiva v skorji so produkt dveh meristemov, vaskularnega kambija, ki proizvaja celice ličja in predstavlja sekundarni floem, in plutnega kambija, ki proizvajajo celice plute. Pri listavcih in iglavcih je anatomska zgradba skorje bolj zapletena od zgradbe lesa. V primerjavi z lesom ima skorja nižjo toplotno prevodnost, je manj anizotropna in ima slabše mehanske lastnosti. Številne naloge pomembne za rast in preživetje drevesa v skorji predstavljajo tkiva. Živi del skorje ima nalogo prenašanja organskih hranil v dolgih razdaljah v nefotosintezne dele rastline. S sezono se smer transporta spreminja. Ogljikovi hidrati se v času največje fotosintezne dejavnosti prenašajo iz listov v korenine, deblo in veje, kjer se uporabijo za rast in razvoj, ali pa se skladiščijo. Po končanem mirovanju, to je v spomladanskem času, pa se zaloge ogljikovih hidratov premaknejo v rastne vršičke. V času mirovanje se snovi skladiščijo v ličju, prevodna tkiva pa predstavljajo 60%
del notranjega dela v skorji. Zunanji oz. mrtvi del skorje ima toplotno in vlažnostno izolacijsko vlogo, saj notranja tkiva ščiti pred mehanskimi poškodbami, izsušitvijo in biotskimi dejavniki, kot so herbiovori in abiotskimi dejavniki, npr. požari. V skorji pa najdemo tudi sekretorne strukture, katerih funkcija je izločanje snovi, ki dajejo kemijsko zaščito drevesu. Taka snov so smolnati kanali. V skorji je glavni sladkor glukoza, katerega količina se s starostjo manjša (Gričar,2011).
11
Slika 5 Notranjost /prerez skorje mlade vejice (VIR: Presentation Plant organs.com)
Raziskava, ki sta jo delala Campbell in Borden ( 2005) na iglavcih in kritosemenkah, pri katerih sta primerjala odbojnost dreves ter posledice diskriminacije gostiteljev s skorjo in hrošči, je pokazala, da debelina skorje in odbojnost vplivata na preprečitev škodljivega UV sevanja. Debelina in oblika skorje pa vpliva tudi na odzivnost različnih insektov.
Optične lastnosti in vsebnost fotosinteznih pigmentov v listih in skorji jablane se spreminja skozi leto. Optične lastnosti skorje se spreminjajo s svojo starostjo. Skozi leto so izmerili svetlobno reflektanco 14,2 %, pri 3-letni razliki pa je ta znašala 10,2 %. Največja količina klorofilov in karotenoidov je bila v listih meseca avgusta, pri skorji pa je bila največja vrednost teh pigmentov spomladi pri mladi jablani, stari 1-3 leta. Sončno sevanje je eden od osnovnih dejavnikov v fotosintetskem razvoju rastlin. Rastline, ki rastejo v nizki izpostavljenosti svetlobi, imajo nižjo število celic s kloroplasti v primerjavi z rastlinami, ki so izpostavljeni visokim vrednostim svetlobe (Tokarz in Pilarski, 2005).
12
Pri raziskavi optičnih, absorptivnih in fluorescenčnih lastnostih mladih skorij 5 lesnatih rastlin so odkrili, da vloge delov skorje izhajajo iz odzivanja na okoliško svetlobo. Vrstna specifična morfologija skorje in razporeditev pigmentov vzdolž skorje vplivajo na radialno prevajanje svetlobe v različnem obsegu. Vidna svetloba je v veliki meri izčrpana skozi notranjost zunanje skorje in korteksa poganjkov. Optične lastnosti zunanjega in notranjega dela skorje povzročajo svetlo okolje znotraj skorje, ta pa se od zunaj razlikuje po jakosti in spektralni sestavi. Modra svetloba sproži fotosinteski transport elektronov v plasti celičnega korteksa, osnovni sloji ksilema in stržena pa energijo dobivajo iz daljših valovnih dolžin, iz zelene in rdeče svetlobe. Raziskava torej kaže na spreminjanje količine in kakovosti svetlobe pri prehodu skozi skorjo (Wittmann in Pfanz, 2005).
Zunanja skorja južnih rumenih borov je kompleksna struktura, ki je sestavljena iz izmeničnih plasti floema in periderma. Pri raziskavi so merili skupno odbojnost skupaj z s Fourierjevo transformacijskim infrardečim spektrometrom. Primerjava spektrov obeh plasti ni pokazala bistvenih razlik. Notranja in zunanja plast periderma je bila precej drugačna. Vpliv na spektralne lastnosti dajo tudi smola in maščobne kisline. Poleg plutovinastih celic v skorji rumenega bora najdemo tudi hidrofobne snovi (Eberhardt, 2007).
Skorja in tkiva v skorji so pomembna fotosintezna sredstva, ki preprečujejo hipoksije in anoksije v razvoju stebelnega tkiva. Ta raziskava temelji na meritvah fluorescence klorofila, pri prehodu kisika iz skorje pri bukvi. Stebla in stebelna tkiva zmanjšujejo uhajanje kisika iz stebla. Meritve so opravili pri aksialni oskrbi s kisikom, pri tem je bila pot oskrbe s ksilemskim sokom ovirana. Razmere so pokazale pomanjkanje kisika v notranji skorji. Pri osvetlitvi skorje se fotosinteza hitro poveča in s tem tudi koncentracija kisika v notranji skorji narašča. Najvišja fotosintezna aktivnost je bila izmerjena v najbolj oddaljenih tkivih skorje.
Olesenel del skorje pa je imel nižjo fotosintezno aktivnost. Raziskava torej potrjuje pomembnost skorje in njenih tkiv pri oskrbi s kisikom (Wittmannand in Pfanz, 2014).
Pri študiji optičnih lastnosti sadnih dreves so ugotovili, da je odbojnost stebel dreves zmanjšala za 9-15 % pri padcu obsevanja. S starostjo debel se je absorpcija večala,
13
prepustnost sevanja skorje pa se je zmanjševala (Pilarski in Tokarz, 2005).
Raziskave, ki so jih delali na 1-3 in 10 let starih skorjah bukve, pri čemer so merili odbojnost, absorpcijo in prepustnost sevanja, so pokazale, da se je odbojnost povečala z večanjem valovne dolžine, zmanjšala pa s starostjo drevesa. Absorpcija skorje se je zmanjšala s povečanjem valovne dolžine, vpliva starosti drevesa pa pri absorpciji niso opazili (Pilarski in sod., 2008).
3.1 UPORABA SKORJE
Skorja dreves je komercialno manj uporabna kot les. Predstavlja odpadni produkt za kurjenje in skladiščenje. Letno se v lesni industriji proizvedejo velike količine skorje, ki jo uporabljajo za pridobivanje termične energije. Kemijska sestava skorje je zelo raznolika, ena od pomembnejših industrijskih uporab skorje je za izdelavo tanina, ki je pomemben v usnjarski industriji in tudi v zdravilstvu. Akcesorne snovi v skorji se uporabljajo za ionske izmenjevalce, lepila za les, lužila za les ipd. Funkcija skorje je tudi v pridobivanju redkih maščobnih kislin in alkoholov ter voskov. Skorja je uporabna tudi za namene izdelovanja ivernih plošč, v komercialne namene pa se skorja uporablja za začimbe, kozmetiko, barvila, zdravila, talne in stenske obloge (Gričar, 2011).
4 MATERIALI IN METODE
4.1 OBMOČJE RAZISKAV
Vejice svilnatega drena so bile nabrane na območju parkirišča Biotehnične fakultete v Ljubljani v zimskem času. Laboratorijske raziskave so bile opravljene v času med 11. in 15.
januarjem 2016 v prostorih Biotehnične fakultete. Opravili smo meritve odbojnosti in presevnosti skorje, fotokemično učinkovitost, pripravili smo preparate iz skorje in izmerili posamezne dele pod mikroskopom. Izmerili smo tudi količino klorofilov in karotenoidov, antocianov ter UV absorbirajoče snovi. Vse meritve smo opravili na desetih različnih vejicah svilnatega drena. Rezultate sem nato zbrala v tabelah in po ustreznih izračunih izdelala grafe.
14 4.2 PREDMET RAZISKAV
DRUŽINA DRENOVK-Cornaceae
V družino drenovk spadajo drevesa, grmi in zelišča. Imajo preproste liste, ki so navadno razporejeni nasproti drug drugega. Majhni cvetovi so združeni v socvetja, pri nekaterih vrstah so ta obdana s 4 velikimi, belimi cvetovi. Cvetovi so radialno simetrični, 4-8 vilni. Imajo lahko 4-15 prašnikov, plod je mesnat (go botany, 26.1.2016
https://gobotany.newenglandwild.org/family/cornaceae/).
Stare veje imajo lenticele ali listne brazgotine pogosto vidne, mlade pa imajo zaobljene, 4- brazdne listne brazgotine (Qiuyun in Boufford, 2005).
Svilnati dren (Cornus stolonifera var. flaviramea; sinonim Cornus sericea L.) je vrsta, ki ima najlepšo barvo vej pozimi. Spada med grme, ki jih je potrebno vsako leto oz. vsako drugo leto obrezati, saj tako veliko lažje rastejo. Obrezuje se ena četrtina oz. ena tretjina grma v pozno zimskem ali zgodnje spomladanskem času. Pomen obrezovanje grma je v tem, da z obrezovanjem vejice dobijo lepo zlato-rumene barvo in so bolj zdrave od neobrezanih vejic.
Spomladi grmi cvetijo in sicer imajo značilne bele oz. sivkaste majhne cvetove (Thoreau, 1817-1862).
Vrsta Cornus stolonifera var. flaviramea; sinonim Cornus sericea L. spada med listopadne grme in zraste 3-8 m visoko. Najbolje se gojijo v organsko bogatih in srednje vlažnih tleh na soncu. Grmi so primerni za delanje sence in so tolerantni na širok spekter tal, vključno z močvirnatimi pogoji (Missouri botanical garden, 28.1.2016).
Grmi so najlepši in zasijejo v svoji zlato-rumeni barvi lubja v času od zime do zgodnje spomladi. Spomladi grmi zacvetijo v bele cvetove z belimi jagodami in zelenimi listi.
Primerni so za vlažna mesta, kjer druge rastline trpijo zaradi pomanjkanja drenaže. S svojo barvo privabljajo številne ptice in metulje. Latinsko ime te vrste nam daje pomislek na rdečo barvo lubja, toda če podrobno razčlenimo ime Cornus pomeni žilavost lesa, stolonifera se nanaša na podzemne korenine, Flaviramea pa pomeni rumeno-razvejan (Beaulieu, 2014).
Vrsta izvira iz Severne Amerike in se običajno razmnožuje s podtaknjenci. V slovenščino prevedeno ime se imenuje svilnati dren, zaradi dlak, ki se pojavijo na mladih vejicah in zgornjih listnatih površinah. Problemi, ki se lahko pojavljajo pri tej vrsti, so bolezni listov in vej ter napad različnih insektov. Široke korenine pomagajo v okoljevarstvenih namenih in
15
sicer preprečujejo erozijo tal. Uporabljajo pa se tudi v namene zasaditve grmovnih mej (Missouri botanical garden, 28.1.2016).
Slika 6 Svilnati dren(Cornus stolonifera/sericea var. flaviramea) v zimskem času( Lasten vir)
4.3 METODE DELA
4.3.1 Merjenje fotokemične učinkovitosti
S fluorometrom PAM-2100 (Walz) smo merili fotokemično učinkovitost fotosistema II (FS II). Izmerili smo potencialno in dejansko fotokemično učinkovitost, tako na osvetljenih kot tudi na zatemnjenih delih vej.
Slika 7 Fluorometer PAM-2100(Walz)(VIR: Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo)
16 4.3.1.1 Potencialna fotokemična učinkovitost
Vejice svilnatega drena smo pred meritvijo dali v temen prostor.
Prejemniki elektronov v FS II so pri zatemnjenih vejah oksidirani, zaradi tega so reakcijski centri odprti in lahko pri osvetlitvi sprejemajo sončno energijo. Izmerili smo fluorescentni signal, ta izvira iz klorofila b antenskih pigmentov in ga imenujemo osnovna oz. minimalna fluorescenca temotno adaptiranega vzorca (Fo). Fluorescentni signal se poveča, ko osvetlimo list z saturacijskim žarkom. Ta signal imenujemo maksimalna fluorescenca temotno adaptiranega vzorca (Fm). Variabilna fluorescenca je razlika med Fm in Fo in je pokazatelj velikosti redukcije Qa. Razmerje med Fm/Fv je pokazatelj potencialne fotokemične učinkovitosti FSII (Krause in Weis, 1991).
4.3.1.2 Dejanska fotokemična učinkovitost
Vejice smo pred meritvijo izpostavili svetlobi močne svetilke.
Dejansko fotokemično učinkovitost smo torej merili pri močni svetlobi in sicer tako, da smo na veje namestili ščipalke. Ta fotokemična učinkovitost se izraža kot yield (Y), ki je količnik variabilne in maksimalne fluorescence (Y=Fms-Fs/Fms). Razlika med maksimalno in minimalno fluorescenco (Fms-Fs) osvetljenega vzorca predstavlja variabilna fluorescenca (Krause in Weis, 1991).
4.3.2 Merjenje optičnih lastnosti
Na našem materialu, torej na skorji svilnatega drena, smo merili odbojnost in prepustnost s pomočjo prenosnega spektrometra ( Jaz Modular Optical Sensing Suite, Ocean Optics, inc., Dunedin, USA). Ta je bil z integracijsko sfero ( ISP-30-60-R) povezan preko optičnega kabla (QP600-1-SR-BX). Vzorce skorje smo pravokotno položili na integracijsko sfero, katero smo povezali z optičnim kablom in spektrometrom. Pred meritvami smo opravili kalibracijo integracijske sfere, s pomočjo svetlobnega vira UV-VIS-NIR(DH-2000, Ocean Optics, inc., Dunedin, USA) smo izračunali referenčne vrednosti ob osvetlitvi naprave z bele svetlobo in
17
uporabi bele referenčne ploščice (Spectralon®,Labsphere, North Sutton, USA) . To predstavlja 100 % odbojnost. Ob zatemnitvi naprave pa vrednosti predstavljajo 0% odbojnost.
Za izračun odbojnih spektrov smo uporabili razmerje med količino odbite svetlobe vzorca in bele referenčne ploščice. Za merjenje presevnosti smo spektrometer usmerili s pomočjo svetlobnega žarka, ki je prehajal v notranjost integracijske sfere. Za izračun presevnih spektrov smo uporabili razmerje zmanjšanja jakosti svetlobnega žarka pri prehajanju skozi vzorec. Svetlobni elektromagnetni spektri imajo ločljivost naprave 0,3 nm, odbojnost in prepustnost pa smo merili pri valovnih dolžinah od 280-880 nm. Podatke iz spektrometra smo nato računalniško obdelali v programu Spectra Suite (Ocean Optics, Inc., Florida, USA) in jih uporabili za izračune. Datoteke so vsebovale podatke o sredini intervala valovne dolžine ob intenziteti svetlobe, izračunane ob ustreznem intervalu. Za meritve smo uporabili 10 različnih vzorcev skorje. Spektre smo za lažjo obdelavo razdelili na barvne pasove: UV-A,UV-B, modro, vijolično, rumeno, zeleno, rdeče in NIR območje.
Slika 8
Spektrometer ( Jaz Modular Optical Sensing Suite, Ocean Optics, inc., Dunedin, USA)(VIR:
Oceanooptics.com)
18 Slika 9
Integracijska sfera ( ISP-30-60-R) (VIR: Oceanooptics.com)
Slika 10
Optični kabel (QP600-1-SR-BX). (VIR: Oceanooptics.com)
19 Slika 11
Svetlobni vir UV-VIS-NIR(DH-2000, Ocean Optics, inc., Dunedin, USA) (VIR:
Oceanooptics.com)
4.3.3 Merjenje biokemijskih lastnosti
Za biokemijske analize smo merili količino klorofilov, karotenoidov, antocianov in UV- absorbirajoče snovi. Pred meritvami smo z luknjačem iz skorje pripravili kroge s površino 6 mm, te smo pred uporabo zamrznili v zamrzovalnik.
4.3.3.1 Klorofili in karotenoidi
Vsebnost klorofilov a in b ter karotenoidov določamo po metodi Lichtenthaler in Buschmann (1987). V terilnici smo strli vzorec, katerega smo ekstrahirali z 10 mL acetona (100%(v/v)) in centrifugirali v centrifugirkah za klorofile (4000 rpm, 4°C, 4 min). Po končanem centrifugiranju smo izmerili prostornine ekstraktov. To smo storili z napravo VIS spektrofotometrom, pri valovnih dolžinah 470, 645 in 662 nm. Vsebnost klorofilov (Kl a in Kl b) in karotenoidov (Kar) izrazimo glede na suho maso, ter površino vzorca.
Za izračun smo uporabili naslednje enačbe:
Kl a[ mg g -¹ ss] = ca * V/ss = (11.24 E662- 2.04 E645) * V/ss Kl b[ mg g -¹ ss] = cb * V/ss = (20.13 E645- 4.19 E662) * V/ss Kar[ mg g -¹ ss] = (1000 E470-1.9 ca-63.14 cb) * V/ss/214
20 ca,b = koncentracija klorofila a, oziroma klorofila b V = volumen ekstrakta [ml]
ss = suha masa vzorca [ g]
E = ekstinkcija pri izbrani valovni dolžini 4.3.3.2 Antociani
Po enačbi, ki sta jo objavila Drumm in Mohr (1978), smo določali vsebnost antocianov.
Vzorce, ki smo jih strli v terilnici, smo ekstrahirali z 10 mL ekstrakcijskega medija (metanol:
HCl (37 %) = 99:1 (v/v)). Nato smo po cintrifugiranju (4000 rpm, 4°C, 4 min odčitali prostornine danih ekstraktov. Vzorce smo nato shranili v temi 24 ur na 3-5 °C. Z VIS spektrofotometrom smo pri 510 nm izmerili ekstinkcije vzorcev. Za izražanje vsebnosti antocianov smo uporabili relativne enote.
Uporabili smo dane formule:
Ant( relativna enota) = E530 · V· ss -1 ; E 530 · V · P -1 E530- ekstinkcija pri valovni dolžini 530 nm
V- prostornina ekstrakta [mL]
ss- suha masa [g] oz. P-površina vzorca [ cm ֿ ²]
4.3.3.3 UV-absorbirajoče snovi
Po Caldwellu (1968) določamo vsebnost UV-A in UV-B absorbirajočih snovi (UV-A 320- 400 nm, UV-B 280-320 nm). V terilnici smo strli sveže vzorce, ki smo jih nato ekstrahirali v 10 mL ekstrakcijskega medija. Ta je vseboval metanol: destilirano vodo: HCl(37%) = 79:20:1 (v/v)). Medij smo potem še 20 minut inkubirali. Sledilo je centrifugiranje (4000 rpm, 10°C, 10 min) in nato odčitali prostornine ekstraktov. Spektrofotometrično (UV/VIS spektrofotometer) smo določili ekstinkcije pri valovnih dolžinah od 280 do 400 nm, pri tem smo uporabili kvarčne kivete. Te se uporabljajo namenoma za merjenje UV. Po integral
21
ekstinkcijskih vrednostih od 280 do 320 nm, ter 320 do 400 nm smo izračunali vsebnost UV absorbirajočih snovi. Vsebnost UV absorbirajočih snovi smo izrazili v relativnih enotah.
Uporabili smo naslednje formule:
UV abs (relativna enota) = I ·V-1 · ss -1; I ·V-1· P-1
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] oz. P- površina vzorca [ cm-2] 4.3.4 Merjenje anatomskih lastnosti
Iz skorje svilnatega drena smo izdelali tanke preparate, ki so bili poltrajni, ker smo jim dodali glicerol. S pomočjo svetlobnega mikroskopa Olympus CX41, ki je bil povezan s svetlobno kamero Olympus XC30, računalniškega programa Cell ( CellSens, Olympus, Japan), ter potrebnega pribora za mikroskopiranje ( stekelca, kapalke, britvice, itd.) smo opravili ustrezne meritve. Pod mikroskopom smo na 10 različnih preparatih merili debelino povrhnjice, kutikule, skorje in floema. Vse meritve smo izvedli s pomočjo računalniškega programa pri 100- kratni povečavi. Dobljene podatke smo nato vnesli v tabelo Microsoft Excel.
5 STATISTIČNA OBDELAVA PODATKOV
Podatke, ki smo jih dobili z meritvami, smo najprej vnesli v Microsoft Excel tabelo. Iz podatkov, ki so vsebovali vrednosti odbojnosti in presevnosti ter količino barvil (klorofilov, karotenoidov, antocianov in UV absorbirajočih snovi) smo izračunali povprečja in standardne deviacije. Iz teh izračunov smo potem izdelali posamezne grafe. Določili smo tudi barvne pasove: UV-B (280-319 nm), UV-A (320-399 nm), vijolična (400-454 nm), modra (455-499 nm ), zelena (500-579 nm ), rumena (580-619 nm), rdeča (620-699 nm) in NIR (700-887 nm).
22
6 REZULTATI
6.1 ANATOMSKE ZNAČILNOSTI
Slika 12
Prerez skorje svilnatega drena (Lasten vir)
Na prečnem prerezu skorje svilnatega drena lahko vidimo kutikulo (K) čisto pri vrhu, tik pod njo je povrhnjica (P), ki pokriva vse primarne dele rastlinskega telesa. Njena naloga je sprejemanje in oddajanje vode, izmenjava plinov, zaščita pred sončnim sevanjem ter pred drugimi organizmi. Pod njo je skorja (S), naloga skorje je pretakanje hranilnih snovi, zaščita pred prevajalnimi tkivi, zaščita rastline pred mrazom, sončnimi žarki in žuželkami. Pod skorjo pa se nahaja floem (F), ki skrbi za prevajanje vode in suhe snovi npr. saharoze, dušika itd. Pri mladih vejicah so strukture še v nastajanju.
23 6.2 ODBOJNOST IN PRESEVNOST SKORJE
Pri 10 različnih vzorcih smo merili povprečja intenzitet odbojnosti in presevnosti skorje.
GRAF 1: Spektri povprečnih vrednosti relativnega odboja; n=10
Iz grafa 1 je razvidno, da je odbojnost skorje dosegla svoj maksimum pri valovni dolžini 580 nm. To pomeni, da ima odbojnost doseženo največjo vrednost v rumenem delu spektra.
Minimum pa je pri odbojnosti pri valovni dolžini 680 nm, torej v rdečem delu spektra. Iz grafa lahko razberemo, da ima odbojnost svoj minimum in maksimum v vidnem delu spektra.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
280 380 480 580 680 780 880
Relativna odbojnost [%]
Valovna dolžina [nm]
24
GRAF 2: Spektri povprečnih vrednosti relativne presevnosti; n=10
Iz grafa 2 je razvidno, da ima presevnost skorje svoj maksimum pri valovni dolžini 580 nm, torej v rumenem delu spektra. Minimum pa presevnost doseže pri 680 nm. To pomeni v rdečem delu spektra. Iz grafa vidimo, da presevnost doseže najvišji in najnižji vrh pri vidnem delu spektra.
Če primerjamo grafa odbojnosti in presevnosti med seboj, lahko opazimo, da imata oba grafa svoj maksimum v rumenem delu spektra. Minimum pa je pri obeh grafih v rdečem delu spektra. Torej sta minimum in maksimum pri obeh grafih izven UV območja, nahajata se v vidnem delu spektra. V NIR območju, torej med valovnimi dolžinami 700-887 nm, je odbojnost malo manjša kot presevnost. Vendar pa nad 680 nm tako odbojnost kot presevnost strmo naraščata. Minimum pri grafih predstavlja močna absorpcijska območja, v katerih rastlinski pigmenti vpadno svetlobo absorbirajo. Maksimum pa predstavlja območje, kjer se svetloba od rastlinskih pigmentov predvsem odbija ali pa prehaja skozi.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
280 380 480 580 680 780 880
Relativna presevnost [%]
Valovna dolžina [nm]
25
TABELA 1: Prikaz povprečij presevnosti in odbojnosti pri barvnih pasovih BARVNI PASOVI ODBOJNOST(povprečje ±
standardna deviacija)
PRESEVNOST(povprečje
± standardna deviacija)
UV-B 7,77 ± 1,11 0,48 ± 0,14
UV-A 6,81 ± 0,80 0,36 ± 0,14
VIJOLIČNA 6,73 ± 0,84 6,92 ± 5,18
MODRA 7,46 ± 1,09 14,50 ± 9,68
ZELENA 13,18 ± 3,01 34,78 ± 13,73
RUMENA 14,83 ± 3,54 42,74 ± 14,78
RDEČA 11,73 ± 1,92 33,23 ± 13,63
NIR 56,50 ± 5,76 57,44 ± 41,69
6.3 BIOKEMIJSKE ANALIZE 6.3.1 Klorofil a in b, ter karotenoidi
GRAF 3: Vsebnost klorofila a in b, ter karotenoidov v vzorcu; n=10
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Klorofil a Klorofil b Karotenoidi
Vsebnost FS pigmentov [mg/m2]
26
Graf 3 prikazuje vsebnost klorofilov in karotenoidov na površino skorje [mg/m²]. Prikazane so povprečne vrednosti 10 vzorcev. Iz grafa je razvidno, da je v vzorcih največja koncentracija klorofila b, manj je klorofila a, najmanj pa karotenoidov. Razmerje med P:SD je pri klorofilu a 93,4 : 20,09, pri klorofilu b 115,56 : 35,61 in pri karotenoidih 40,02 : 5,93.
6.3.2 Antociani
GRAF 4: Vsebnost antocianov v vzorcu; n=10
Graf 4 prikazuje vsebnost antocianov na površino skorje [mg/m²]. Prikazane so povprečne vrednosti 10 vzorcev. Razmerje med P:SD je pri antocianih 0,17 : 0,035.
6.3.3 UV absorbirajoče snovi
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Antociani
Vsebnost ant. [rel. enote/cm2]
27
GRAF 5: Vsebnost UV absorbirajočih snovi( UV-A in UV-B) v vzorcu; n=10
Graf 5 prikazuje vsebnost UV-A in UV-B absorbirajočih snovi na površino skorje [relativna enota/ cm²]. Prikazane so povprečne vrednosti 10 vzorcev. Iz grafa je razvidno, da je v vzorcu več UV-B absorbirajočih snovi kot UV-A absorbirajočih snovi. Razmerje med P:SD je pri UV-A absorbirajočih snoveh 26,52 : 6,31, pri UV-B absorbirajočih snoveh pa 57,88 : 10,23.
Pri grafih biokemijskih analiz so prikazana povprečja in standardne deviacije. Povprečje pomeni srednjo vrednost vseh 10 vzorcev. Standardna deviacija pa prikazuje, za koliko vrednosti barvil odstopajo od povprečne vrednosti.
TABELA 2: Prikaz barvnih pigmentov glede na površino skorje. Vrednosti prikazujejo povprečje ± standardna deviacija
Pigmenti Povprečje ± standardna deviacija
Klorofil a (mg/ m²) 93, 6 ± 20,09
Klorofil b (mg/ m²) 115,56 ± 35,61
Karotenoidi (mg/ m²) 40,02 ± 5,93
Antociani (mg/ m²) 0,17 ± 0,035
UV-A (relativna enota/ cm²) 26,52 ± 6,31 UV-B( relativna enota/ cm²) 57,88 ± 10,23
0 10 20 30 40 50 60 70 80
UV-A as UV-B as
Vsebnost UV as snovi [rel. enote/cm2]
28
6.4 VPLIV ANATOMSKIH IN BIOKEMIJSKIH PARAMETROV NA ODBOJNOST IN PREPUSTNOST SKORJE
Vpliv anatomskih in biokemijskih parametrov na odbojnost in prepustnost skorje smo raziskovali s pomočjo RDA analize.
Analiza redundance (RDA) je metoda namenjena za pridobivanje in povzemanje razlik v nizu spremenljivk odziva. Te je mogoče razložiti z nizom pojasnjevalnih spremenljivk. RDA neposredna gradient analizna tehnika povzema linearne povezave med sestavnimi deli odvisnih spremenljivk, ki so odveč z naborom pojasnjevalnih spremenljivk (Buttigieg in Ramette, 2014).
GRAF 6: Redundančna analiza povezanosti odbojnih spektrov in lastnosti skorje svilnatega drena (n=10).
-1.0 1.0
-1 .0 1 .0
UV-B VIOLUV-A MODRA ZELENA
RUMENA
RDE.A
NIR
UV-Bas
Kl b
Kar 1
2
3 4
5 6 7
8
9
10
29
Graf nam prikazuje analizo odbojnosti v povezavi s lastnostmi skorje. Koti med vektorji (odvisnimi spremenljivkami), ki jih predstavljajo modre puščice in neodvisnimi spremenljivkami, ki jih predstavljajo rdeče puščice, kažejo na odnos med spremenljivkama.
Če rdeča in modra puščica kažeta v nasprotno smer, nam to pove, da je korelacija med njima negativna. Korelacija med klorofilom b in odbojem rumenega dela spektra nam pove, da ko vsebnost klorofila b narašča, se odboj v rumenem delu spektra povečuje in obratno. Pri karotenoidih in odbojem v UV-B delu spektra je kot malo večji od 90 °C, kar pomeni, da je povezava med tema dvema spremenljivkama šibka. To pomeni nepomembna.
7 RAZPRAVA
Glavni namen diplomske naloge je bil raziskati vpliv biokemijskih in anatomskih lastnosti skorje na odbojnost in prepustnost vrste Cornus sericea var. flaviramea. Raziskovali smo tudi vsebnost barvnih pigmentov na 10 vzorcih svilnatega drena. Raziskave smo opravili v zimskem času, ko so fotosintetske sposobnosti znižane na minimum.
Najprej smo s florometrom izmerili fotokemično učinkovitost na svetlobi in v temi. Nato smo spektrometrom merili odbojnost in prepustnost. Pripravili smo preparate, s katerimi smo pod mikroskopom raziskovali anatomske lastnosti skorje. Na koncu smo opravili biokemijske analize, s pomočjo ustreznih aparatur in pripomočkov smo merili vsebnost klorofilov in karotenoidov, antocianov, ter UV absorbirajočih snovi pri različnih valovnih dolžinah.
7.1 PRIMERJAVA ODBOJNOSTI IN PREPUSTNOSTI
Če primerjamo odbojnost in prepustnost med seboj, lahko iz grafa 1 in 2 razberemo, da imata tako odbojnost kot prepustnost svoj maksimum v rumenem delu spektra, minimum pa v rdečem delu spektra. Torej v vidnem delu spektra, izven UV območja. V NIR območju elektromagnetnega valovanja pa je odbojnost v primerjavi s presevnosti malo manjša.
Absorpcija vidne svetlobe v vidnem delu spektra je odvisna od količine klorofilov, karotenoidov in antocianov, kar je potrdil tudi Larcher, 2003.
Največja presevnost in odbojnost sta v vidnem delu spektra, ker ima rastlina varovalne dejavnike, ki jo ščitijo pred škodljivim UV sevanjem. Med te dejavnike štejemo flavonoide, ti
30
absorbirajo 95% škodljivega sevanja, preostali del pa absorbirajo klorofili v mezofilu (Yoshimura in sod., 2009).
V NIR območju imajo večji vpliv anatomske lastnosti skorje (De Belie in sod., 2003). V našem primeru anatomske lastnosti niso zanesljivi pokazatelj, saj so vejice še zelo mlade in se še razvijajo.
Analiza presevnosti nam je pokazala, da nobena spremenljivka ne razlaga variabilnosti v presevnih spektrih. Pri odbojnosti pa smo značilne povezave našli. Pri grafu 6 lahko vidimo, da vsebnost UV-B as in modre puščice kažejo v isto smer. To pomeni, da večji kot je kot pri UV-B as, večji bo tudi odboj. Povezava je največja z rumenim delom spektra, ker je kot med puščicama najmanjši. Podobno povezano najdemo med Kl b in Kar ter odbojem v NIR, tudi te puščice kažejo bolj ali manj v isto smer. Iz tega lahko razberemo, da več kot bo pigmentov npr. Kl b, manjši bo odboj, ker se absorbira več svetlobe in je manj možnosti, da se bo svetloba odbila nazaj skozi površino.
8 SKLEP
V diplomski nalogi z naslovom Optične lastnosti skorje svilnatega drena smo proučevali biokemijske in anatomske parametre, optične lastnosti drenove skorje ter njeno fotokemično učinkovitost. V namen raziskave smo si zadali tri hipoteze, ki smo jih poskušali z naštetimi meritvami potrditi.
Hipoteza 1: Predvidevamo, da se bodo optične lastnosti skorje spreminjale, zaradi razlik v biokemijskih in anatomskih parametrih.
Pri anatomskih meritvah so bile vidne strukture, kot so kutikula, povrhnjica, skorja in floem, ki so se med primerki razlikovale. To velja tudi za biokemijske lastnosti. Tudi optične lastnosti so bile pri različnih vejicah različne, zato to hipotezo lahko potrdimo.
31
Hipoteza 2: Predvidevamo, da bosta največja presevnost in odbojnost v vidnem delu spektra.
Tako odbojnost in presevnost sta dosegla svoj maksimum v rumenem delu spektra. To pomeni pri valovni dolžini 580 nm. Prav tako sta oba parametra dosegla svoj minimum izven UV območja, v vidnem delu spektra. Našo hipotezo s tem tudi potrdimo.
Hipoteza 3: Predvidevamo, da bodo pigmenti najbolj vplivali na odbojnost in prepustnost skorje.
V diplomski nalogi smo merili količine rastlinskih pigmentov-klorofil a in b, karotenoide, antociane in UV-absorbirajoče snovi. S pomočjo RDA analize smo ugotovili, da je bila negativna povezava med klorofilom b in rumenim delom spektra. Med karotenoidi in UV-B spektrom pa je bil kot večji in s tem povezava bolj šibka. To velja za odbojnost. Pri presevnosti pa ni nobena spremenljivka značilno razložila variabilnosti presevnih spektrov.
Torej to hipotezo lahko le delno potrdimo.
9 POVZETEK
V diplomski nalogi z naslovom Optične lastnosti skorje svilnatega drena smo proučevali, kako anatomske in biokemijske lastnosti vplivajo na optične lastnosti skorje svilnatega drena, pri tem pa smo merili tudi fotokemično učinkovitost. Vejice svilnatega drena so bile nabrane na območju parkirišča Biotehnične fakultete v Ljubljani v zimskem času, kjer so fotosintetske sposobnosti znižane na minimum. Laboratorijske raziskave so bile opravljene v času med 11.
in 15. januarjem 2016 v prostorih Biotehnične fakultete. Opravili smo meritve odbojnosti in presevnosti skorje s pomočjo spektrometra. S florometrom smo izmerili fotokemično učinkovitost na svetlobi in v temi. Pripravili smo preparate iz skorje in izmerili posamezne dele pod mikroskopom, zanimale so nas predvsem 4 debeline struktur: kutikule, povrhnjice, skorje in floema. Pri biokemijskih analizah smo izmerili količino klorofilov in karotenoidov, antocianov ter UV absorbirajočih snovi. Vse meritve smo opravili na desetih različnih vejicah svilnatega drena.
Rezultati naše raziskave so pokazali, da merjene anatomske lastnosti ne razložijo variabilnosti v presevnosti in odbojnosti skorje svilnatega drena, saj so bile vejice še zelo mlade in v razvijanju, poleg tega so bile fotosintetske lastnosti prilagojene na zimski čas. RDA analiza
32
presevnosti nam je pokazala, da nobena spremenljivka značilno ne vpliva na variabilnost presevnih spektrov. Pri odbojnosti pa smo značilne povezave našli. Povezava je največja z rumenim delom spektra, ker je kot med puščicama najmanjši. Povezavo najdemo tudi med Kl b in Kar ter odbojem v NIR, tudi te puščice kažejo bolj ali manj v isto smer. S spektrometrom smo izmerili odbojnost in presevnost v območju valovne dolžine med 280 in 887 nm.
Odbojnost in presevnost sta dosegli svoj maksimum v rumenem delu spektra, to je v vidnem delu spektra, pri valovni dolžini 580 nm. Minimum pa je bil prav tako pri odbojnosti in presevnosti enak, pri 680 nm, v rdečem delu spektra. V NIR območju, torej med valovnimi dolžinami 700-887 nm, je odbojnost malo manjša kot presevnost. Vendar pa nad 680 nm tako odbojnost kot presevnost strmo naraščata. Torej zaključimo lahko, da bi za bolj zanesljive zaključke morali raziskati večjo število vzorcev in narediti raziskave v različnih letnih časih.
33
10 VIRI IN LITERATURA
1. Anatoly A.G., Yoav Z., Olga B.C., Mark N.M. 2002. Assessing Carotenoid Content in Plant Leaves with Reflectance Spectroscopy. Photochemistry and Photobiology, 75(3): 272-281
2. Ayala-Silva T., Beyl C.A.2005. Changes in spectral reflectance of wheat leafs in response to specific macronutrient deficiency. Adv. Space res., 35,305-317
3. Bačič T., Stragulc Krajšek S., Jogan N. Acta Biologica Slovenica. Sivi dren (Cornus sericea L.) - nova invazivna vrsta v flori Slovenije. Ljubljana, Oddelek za biologijo BF UL, 58,2: 13-21
4. Baltzer J.L., Thomas S.C.2005. Leaf optical responses to light and soil nutrient availability in temperate deciduous trees. American Journal of Botany, 92: 214-223 5. Beaulieu D. 28.1.2016. Pridobljeno s
http://landscaping.about.com/od/shrubsbushes/p/yellow_dogwoods.htm
6. Blackburn G. A. 2006. Hyperspectral remote sensing of plant pigments. Journal of Experimental Botany. 58,4: 855-864
7. Buttigieg PL, Ramette A. 2014. A Guide to Statistical Analysis in Microbial Ecology:
a community-focused, living review of multivariate data analyses. FEMS Microbiol Ecol. 90: 543–550.
8. Carter G.A., Knapp A.K.2001. Leaf optical properties in higher plants: Linking spectral characteristics to stress and chlorophyll concentration. American Journal of Botany, 88, 4: 677-684
9. Chadde, J. 1952. Leaf Changes. Michigan Nature Association, 517-655.
10. Demmig-Adams B., Gilmore A. M., Adams III W.W. 1996. In vivo functions of carotenoids in higher plants. The Journal of the Federation of American Societies for Experimental Biology, 10,4: 403-412
11. De Belie N., Pedersen D.K., Martens M., Munck L., De Baerdemaeker J. 2003. Use of Visible and near- infrared Redlectance Measurements to assess sensory changes in Carrot texture and sweetness during heat treatment. Biosystem engineering, 85, 2:213- 225.
12. Fielella I., Peñuelas J.1999.Altitudinal differences in UV absorbance, UV reflectance and related morphological traits of Quercus ilex and Rhododendron ferrugineum in the Mediterranean region. Plant Ecology, 145,1:157-165.
13. Gould K.S., Brian D. Q. 1999. Do anthocyanins protect leaves of New Zealand native species from UV-B?. New Zealand Journal of Botany, 37: 175-178
14. Go Botany. 26.1.2016. Pridobljeno s
https://gobotany.newenglandwild.org/family/cornaceae/
15. Gričar J. 2011. Kemijska zgradba skorje in njena uporaba. Ljubljana, Gozdarski inšitut Slovenije, 63, 1-2: 8 in 63, 11-12:405
34
16. Harborne J.B. 1976. Comparative biochemistry of the flavonoids-VI. : Flavonoid patterns in the bignoniaceae and the Gesneriaceae. Phytochemistry, 12,6: 1643-1651 17. Jocquemound S., Baret F., Guyot G. 1989. Modelization of leaf optical properties for
interpreting high spectral resolution reflectance measurements. Proc. 9th EARSEL Symposium, 472-483
18. Krause, G.H in Weis, F. 1991. Chlorophyll fluoroscence and photosynthesis: the basics. Plant physiol. 42, 313-349.
19. Larcher W. 2003. Physiological plant ecology: ecophysiology and stress physiology of functional groups. 4 th edition. Berlin; Heidelberg; New York, Springer, cop.:
32,48,53, 363 str.
20. Liew O.W., Chong P.C.J., Li B., Asundi A.K. 2008. Signature optical cues: Emerging technologies for monotoring plant health. Sensors, 8: 3205-3239
21. Levizou E., Drilias P., Psaras G.K., Maneta Y. 2005. Nondestructive assessment of leaf chemistry and physiology through spectral reflectance measurements may be misleading when changes in trichome density co-occur. New Phytologist, 165,2: 463- 472
22. Lichtenthaler H.K. 1987. Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic biomembranes. Methods in enzymology,148: 350-382
23. Merzlyak M.N., Chivkunova O.B., Solovchenko A.E., Naqvi K.R. 2008. Light absorption by anthocyanins in juvenile, stressed, and senescing leaves. Journal of Experimental Botany, 59,14: 3903-3911
24. Missouri botanical garden. 28.1.2016. Pridobljeno s
http://www.missouribotanicalgarden.org/PlantFinder/PlantFinderDetails.aspx?kemper code=c340
25. Ozawa A., Oomizo N., Fujinami R., Imaichi R., Hajime Imai H. 2011. Spectroscopic studies on aquatic angiosperm. Optical Review,18,1:69-71
26. Qiuyun X., Boufford D.E. 2005. Cornaceae. Flora of China ,14: 206–221
27. Öquist, G.1989. Effects of Winter Stress on Chlorophyll Organization and Function in Scots Pine. Journal of Plant Physiology, 122, 169-179.
28. Pinnel N. 2007. A method for mapping submerged macrophytes in lakes using hyperspectral remote sensing. Doktorska diserticija. Limnologische Station, WZW, Department für Ökologie, München, Technische Universität: 164 str.
29. Plant Anatomy. 20.1. 2016. Pridobljeno s
http://www.mhhe.com/biosci/pae/botany/crang/periderm/index.html
30. Rabinowitch E., Govindjee 1969. Photosynthesis. New York, Wiley: 273 str.
31. Taiz L., Zeiger E. 2002. Plant Physiology. 3 th izd. Sunderland, Massachusetts, Sinauer Associates Incorporated: 690
32. Tarman K. 1992. Osnove ekologije in ekologije živali. Ljubljana. Državna založba Slovenije: 77-78
33. Tome D. 2006. Ekologija: organizmi v prostoru in času. Ljubljana, Tehniška založba Slovenije: 51,55 str.
34. Thoreau H.D. 26.1.2016. Pridobljeno s http://www.paghat.com/yellowtwig.html 35. Trošt Sedej T. 2005. Ekologija rastlin. Priročnik za vaje. Ljubljana, Študentska
založba: 35-37
35
36. Underwood E.C., Ustin S.L., Ramirez C.M. 2007. A comparison of spatial and spectral image resolution for mapping invasive plants in coastal California.
Enviromental management, 39,1: 63-83
37. Wolley J.T. 1971. Reflectance and Trnsmittance of Light by Leaves. Plant Physiol., 47, 656-662
38. Yoshimura H., Zhu H., Wu Y., Ma R. 2010. Spectral properties of plant leaves pertaining to urban landscape design of broad-spectrum solar ultraviolet radiation reduction. Int. J. Biometeorol., 54, 179-191
39. Yoshimura H. 2001. Spectral properties of leaf affected by carotenoid components.
Journal of Japanese Society of Revegetation Technology, 26,4: 327-336
ZAHVALA
Diplomsko delo je rezultat mojega zadnjega dejanja na prvi stopnji univerzitetnega študija biologije in gospodinjstva na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani.
Ob tej priložnosti bi se rada zahvalila moji mentorici prof.dr. Alenki Gaberščik za vso pomoč, nasvete, prijaznost in hitre odgovore pri nastajanju mojega diplomskega dela.
Hvala Davidu Gradinjanu za vse nasvete in pomoč v laboratoriju in pri statistični obdelavi podatkov.
Hvala tudi mojemu fantu Roku, staršem, starim staršem, bratu in vsem prijateljicam za spodbudo, podporo in potrpežljivost tekom študija.
