UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
DIPLOMSKO DELO
MAJA URANIČ
UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA BIOTEHNIŠKA FAKULTETA Študijski program: Biologija in gospodinjstvo
VPLIV STRUKTUR NA POVRŠINI LISTA NA ODBOJNOST SEVANJA PRI
IZBRANIH RASTLINSKIH VRSTAH
DIPLOMSKO DELO
THE INFLUENCE OF LEAF SURFACE STRUCTURES ON LIGHT REFLECTANCE
IN SELECTED PLANT SPECIES
GRADUATION THESIS
Mentorica: prof. dr. Alenka Gaberščik Kandidatka: Maja Uranič
Ljubljana, maj 2015
Diplomsko delo je zaključek univerzitetnega študija na Pedagoški fakulteti smer biologija- gospodinjstvo. Opravljeno je bilo na Katedri za ekologijo in varstvo okolja Oddelka za biologijo Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani.
Komisija za dodiplomski študij Oddelka za biologijo je za mentorja diplomskega dela imenovala profesorico dr. Alenko Gaberščik.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednica: prof. dr. Mateja Germ, univ. dipl. biol.
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, Katedra za ekologijo in varstvo okolja
Mentorica: prof. dr. Alenka Gaberščik
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, Katedra za ekologijo in varstvo okolja
Članica: doc. dr. Tadeja Trošt Sedej
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, Katedra za ekologijo in varstvo okolja
Datum zagovora:
Podpisana se strinjam z objavo svoje naloge v polnem tekstu na spletni strani Digitalne knjižnice Biotehniške fakultete. Izjavljam, da je naloga, ki sem jo oddala v elektronski obliki, identična tiskani verziji.
Delo je rezultat lastnega raziskovalnega dela.
Maja Uranič
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA
ŠD Dd
DK WDK 581.5:535.346(043.2)=163.6
KG odbojnost/prepustnost/kutikula/trihomi/lastnosti listov AV URANIČ, Maja
SA GABERŠČIK, Alenka (mentorica) KZ SI-1000 Ljubljana, Večna pot 111
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo LI 2015
IN VPLIV STRUKTUR NA POVRŠINI LISTA NA ODBOJNOST SEVANJA PRI IZBRANIH RASTLINSKIH VRSTAH
TD Diplomsko delo (univerzitetni študij)
OP VIII, 44 str., 32 sl., 1 pregl., 2 pril., 36 virov IJ sl
JI sl/en
AI V diplomski nalogi smo proučevali optične lastnosti listov izbranih rastlinskih vrst.
Zanimalo nas je, kako strukture na površini listov, to sta kutikula in trihomi, vplivajo na odbojnost. Izbrali smo 10 rastlinskih vrst. Polovica jih je bila brez trihomov, polovica s trihomi. Pri rastlinskih vrstah smo izmerili odbojnost lista s kutikulo in brez nje oziroma s in brez trihomov. Pri listih, kjer smo merili odbojnost s in brez kutikule smo meritve opravili na starih in mladih listih za posamezno vrsto. Odbojnost listov smo merili v območju med 280 in 880 nm. Rezultate smo med seboj primerjali in ugotovili, da imajo izbrani vzorci rastlinskih vrst nekaj skupnih spektralnih lastnosti. Izmerili smo nizko odbojnost v vidnem delu spektra (380–700 nm) z vrhom v zelenem območju vidnega spektra (550 nm) in visoko odbojnost v NIR območju (700–880 nm). Ugotovili smo, da so rezultati meritev zelo variabilni. Vpliv odstranjene kutikule je bil pri izbranih vrstah večji kot vpliv odstranjenih trihomov Kutikula je vplivala predvsem v UV in NIR delu spektra.
Trihomi pa so imeli značilen vpliv pri lasastem dimku v vidnem spektru in NIR.
Starost listov ni vplivala na odbojnost, saj je bila izmerjena odbojnost pri obeh starostnih razredih podobna.
KEY WORDS DOCUMENTATION
DN Dn
DC WDK 581.5:535.346(043.2)=163.6
CX reflectance/transmitance/cuticle/trichomes/leaf properties AU URANIČ, Maja
AA GABERŠČIK, Alenka (supervisor) PP SI-1000 Ljubljana, Večna pot 111
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Biology PY 2015
TI THE INFLUENCE OF LEAF SURFACE STRUCTURES ON LIGHT REFLECTANCE IN SELECTED PLANT SPECIES
DT Graduation Thesis (University studies) NO VIII, 44, 32 fig., 1 tab., 2 ann., 36 ref.
LA sl AL sl/en
AB In this graduation thesis we studied optical properties of leaves of the selected species of plants. We were interested in how structures on the leaves surface (cuticle and trichomes) affect light reflectance. Ten plant species were chosen. For this reason we removed either cuticle or trichomes. We measured reflectance with and without cuticle in the first group of plants, and with and without trichomes in the second. Leaf reflectance was measured in the range from 280 nm to 880 nm.
Comparison of the results showed that chosen plant samples have some spectral properties in common, mostly low reflectance in visible spectrum (380-700 nm) with peak in green range of visible spectrum (550 nm), and high reflectance in NIR area (700-880 nm). We found out that samples were very variable, therefore the importance of structures on the leaf surface structures was not confirmed in all cases. The influence at chosen plant species with removed cuticle was higher then influence of removed trichomes. Cuticle influenced light reflectance in particular in UV and NIR spectra. Trichomes significantly influenced the light reflection in visible and NIR spectrum at Crepis capillaris. The age of leaves did not affect the reflectance, as the measured reflectance was very similar in two age classes.
KAZALO VSEBINE
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ... III KEY WORDS DOCUMENTATION ... IV KAZALO VSEBINE ... V KAZALO SLIK ... VI KAZALO PREGLEDNIC ... VII
1 UVOD ... 1
1.1 HIPOTEZE ... 2
2 PREGLED OBJAV ... 3
2.1 ZNAČILNOSTI ODBOJNIH SPEKTROV ... 4
2.2 KUTIKULA ... 7
2.3 TRIHOMI ... 9
3 MATERIALI IN METODE ... 11
3.1 RAZISKOVANE VRSTE ... 11
3.2 METODE DELA ... 21
3.2.1 Merjenje odbojnih spektrov ... 22
3.2.2 Tehnike odstranjevanja kutikule in trihomov ... 22
3.3 STATISTIČNA OBDELAVA PODATKOV ... 23
4 REZULTATI ... 24
5 RAZPRAVA ... 35
6 SKLEPI ... 39
7 POVZETEK ... 40
8 VIRI ... 42
ZAHVALA PRILOGE
KAZALO SLIK
Slika 1: Hedera helix L. – mladi in stari listi (Foto: Maja Uranič) ... 12
Slika 2: Hedera helix L.– prerez mladega senčnega lista ... 12
Slika 3: Hedera helix L.– prerez starega senčnega lista ... 12
Slika 4: Hedera helix L.– prerez mladega sončnega lista... 13
Slika 5: Hedera helix L.– prerez starega sončnega lista ... 13
Slika 6: Cyclamen purpurascens Miller (Foto: Maja Uranič) ... 14
Slika 7: Prerez starega lista navadne ciklame ... 14
Slika 8: Vinca minor L. (Foto: Maja Uranič) ... 15
Slika 9: Prerez mladega lista navadnega zimzelena ... 15
Slika 10: Prerez starega lista navadnega zimzelena ... 15
Slika 11: Helleborus niger L. (Foto: Maja Uranič) ... 16
Slika 12: Prerez mladega lista črnega teloha ... 16
Slika 13: Prerez starega lista črnega teloha ... 16
Slika 14: Centaurea jacea L. (http://weedypests.wikispaces.com) ... 17
Slika 15: Trihomi na zgornji povrhnjici navadnega glavinca... 17
Slika 16: Knautia arvensis L. (http://www.vlinderhof.com) ... 18
Slika 17: Trihomi na zgornji povrhnjici njivskega grabljišča ... 18
Slika 18: Crepis capillaris L. (http://www.commanster.eu) ... 19
Slika 19: Trihomi na zgornji povrhnjici lasastega dimka ... 19
Slika 20: Symphytum officinale L. (http://www.soboskincare.com) ... 20
Slika 21: Trihomi na zgornji povrhnjici navadnega gabeza ... 20
Slika 22: Betonica officinalis L. (http://www.biolib.cz/) ... 21
Slika 23: Trihomi na zgornji povrhnjici navadnega čistca ... 21
Slika 24: Razlike v debelini kutikule (µm) pri izbranih rastlinskih vrstah (bršljan – senčni listi, bršljan – sončni listi, navadna ciklama, črni teloh, navadni zimzelen). Primerjava starih in mladih listov ... 24
Slika 25: Dolžina trihomov (µm) pri izbranih rastlinskih vrstah (navadni glavinec; njivsko grabljišče; navadni gabez; lasasti dimek; navadni čistec) ... 25
Slika 26: Gostota trihomov (cm2) pri izbranih rastlinskih vrstah (navadni glavinec, njivsko grabljišče; navadni gabez; lasasti dimek; navadni čistec) ... 25 Slika 27: Odbojni spektri izbranih vrst (bršljan – sončni listi; bršljan – senčni listi; navadni zimzelen; črni teloh; navadna ciklama) pri starih listih s kutikulo ... 26 Slika 28: Odbojni spektri izbranih vrst (bršljan – sončni listi; bršljan – senčni listi; navadni zimzelen; črni teloh; navadna ciklama) pri starih listih brez kutikule ... 27 Slika 29: Odbojni spektri izbranih vrst (bršljan – sončni listi; bršljan – senčni listi; navadni zimzelen; črni teloh) pri mladih listih s kutikulo ... 28 Slika 30: Odbojni spektri izbranih vrst (bršljan – sončni listi; bršljan – senčni listi; navadni zimzelen; črni teloh) pri mladih listih brez kutikule... 29 Slika 31: Odbojni spektri izbranih vrst (navadni gabez; navadni glavinec; njivsko
grabljišče; lasasti dimek; navadni čistec) s trihomi ... 30 Slika 32: Odbojni spektri izbranih vrst (navadni gabez; navadni glavinec; njivsko
grabljišče; lasasti dimek; navadni čistec) brez trihomov ... 31
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 1: Tabela prikazuje rezultate t-testov pri posamezni rastlinskih vrstah s in brez kutikule, s in brez trihomov pri starih in mladih listih. Statistično značilne razlike so prikazane z zvezdico (*). ... 32
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI
CaCO3 kalcijev karbonat
EM elektromagnetno valovanje ER endoplazmatski retikulum IR infrardeče sevanje
K kelvin
k koeficient absorpcije
n odbojni indeks
NIR bližnje infrardeče sevanje
O3 ozon
PAR fotosintezno aktivni del svetlobe z valovno dolžino 400–700 nm SEM vrstični elektronski mikroskop
SiO2 silicijev dioksid ali kremen
t-test dvosmerni Studentov t-test
UV ultravijolično sevanje (100–400 nm)
UV-A ultravijolični del svetlobnega spektra z valovno dolžino 320–400 nm UV-B ultravijolični del svetlobnega spektra z valovno dolžino 280–320 nm UV-C ultravijolični del svetlobnega sevanja z valovno dolžino 100–280 nm
1 UVOD
Optične lastnosti so v korelaciji s fotosintezno aktivno svetlobo v splošnem določene z več listnimi parametri, kot so prepustnost in absorpcija listov ter razpršenost svetlobe znotraj lista. Koliko bo list prepusten oziroma bo absorbiral različno vrsto svetlobe, določajo tudi različne strukture, ki jih najdemo na površini listov. Najbolj pogoste so dlačice in voski.
Le-ti ne določajo le prepustnosti in absorpcije listov, ampak so pomembni tudi za obrambo samega lista, tako pred različnimi škodljivci kot UV-sevanjem. Listi absorbirajo do 95 % UV-sevanja predvsem zaradi prisotnih UV-absorbirajočih snovi. To so flavonoidi, ki se akumulirajo tudi v kutikuli. Učinkovito zmanjšujejo vdor UV-sevanja, vendar pa ne ovirajo fotosinteze. Holmes in Keiller (2002) navajata, da listi z voskasto površino znatno bolj odbijajo svetlobo tako v UV- kot v vidnem spektru. V listih so zračni prostori, ki povzročajo razpršenost svetlobe in podaljšujejo pot svetlobi. Posledica optičnih lastnosti je tudi barva listov, saj različna barvila absorbirajo različne valovne dolžine.
Strukture na listih biologi preučujejo že dalj časa, vendar so šele pred kratkim postale predmet resnega raziskovanja. Kutikula je vrhnja plast v obliki prosojne filmske plasti polimernih lipidov ali topnega voska in predstavlja rastlinskim vrstam primarno zaščito pred izhlapevanjem vodne pare iz tkiv in pred škodljivci. Je vmesnik med povrhnjico in okoljem (Jeffree, 2008).
Poleg kutikule površino lista varujejo tudi trihomi. S svojo raznolikostjo v obliki in velikosti predstavljajo kakovostno obrambo pred herbivori, UV-sevanjem ter prevelikim izhlapevanje vode skozi pore.
V diplomski nalogi smo proučevali odbojnost sevanja od listnih površin različnih rastlinskih vrst. Cilj raziskovalnega dela je bil ugotoviti vpliv kutikularnih voskov in trihomov na odbojnost pri posamezni rastlinski vrsti. Liste smo razdelili v dva sklopa. V prvem smo proučevali vpliv kutikule na odbojnost, v drugem smo se osredotočili na vpliv trihomov. Proučevali smo tudi podobnosti in razlike med odbojnimi spektri pri različnih rastlinskih vrstah .
1.1 HIPOTEZE
Predvidevali smo, da strukture na površini lista značilno vplivajo na odbojnost sevanja. To naj bi bilo odvisno predvsem od debeline kutikule oziroma števila trihomov. Pričakovali smo, da se bodo pojavile razlike med strukturami istega tipa (npr. kutikularni voski, dlačice), in predvidevali, da je pomen struktur na površini lista za odbojnost sevanja pri različnih rastlinskih vrstah različen.
2 PREGLED OBJAV
Oddajanju energije v obliki elektromagnetnega (EM) valovanja pravimo sevanje. Vsako telo, segreto nad absolutno ničlo (0 K), seva (Tome, 2006). Krajša, kot je valovna dolžina, večjo energijo poseduje (Yoshimura, 2010). Največji delež Sončevega sevanja, ki prodre do Zemljine površine predstavljata vidna svetloba in IR-sevanje. Sta tudi glavna vira energije za biosfero. Škodljivo sevanje (pod 280 nm) v celoti zadrži plast ozona v stratosferi. Velik del sevanja seva mimo Zemlje (Tome, 2006).
Sevanje v splošnem delimo na kratkovalovno in dolgovalovno. Prvo prihaja od Sonca in sestoji iz UV sevanja (10°%), vidne svetlobe (okrog 50%) in IR sevanja do 5000 nm (okrog 40%). Dolgovalovno sevanje pa oddaja Zemlja, pretežno v IR spektru (Tome, 2006). UV-sevanje je razdeljeno na naslednje segmente: UV-A 320–400 nm, UV-B 280–
320nm in UV-C 100–280 nm (Yoshimura, 2010). Najmočnejše kratkovalovno sevanje je pri okoli 500 nm in predstavlja valovne dolžine vidne svetlobe. Živali in ljudje ta del vidnega valovanja zaznavamo s fotoreceptorji (Tome, 2006). Za fotosintezo rastline uporabljajo predvsem EM-sevanje med 380 in 710 nm. Temu delu svetlobe zato pravimo fotosintezno aktivni del svetlobe (PAR – photosynthetically active radiation) (Tome, 2006).
Običajno listi višjih rastlin odbijejo le okoli 5% UV- sevanja, preostanek pa popolnoma absorbirajo pri potovanju skozi list, ne glede na rastlinsko vrsto ali spremembo sezone (Yoshimura, 2010).
Nizko energijsko sevanje UV-A meji na vidni spekter pri valovni dolžini 400–700 nm. Ta doseže Zemljino površje brez slabljenja skozi atmosfero (Lavker in sod., 1995, v Yoshimura, 2010).
Stopnja ultravijoličnega B-sevanja (UV-B) (280–320nm), ki doseže Zemljino površino, v zadnjih letih narašča in je rezultat stratosferičnega ozonskega (O3) izčrpavanja.
Povzročitelj tega je atmosfersko onesnaženje (Farman, in sod. 1985). Rastline poznajo
široko paleto različnih metod zaščite pred škodljivimi učinki UV-B-sevanja (Rozema, van de Staaij in Björn, 1997).
2.1 ZNAČILNOSTI ODBOJNIH SPEKTROV
Listi predstavljajo glavno površino izmenjave z okoljem pri rastlinah. Tu se izmenjujejo energija in plini, zato so optične lastnosti listov bistvene za razumevanje prehajanja fotonov v vegetacijo. Zaradi pomembnosti fotosinteze, raziskave potekajo že od sredine prejšnjega stoletja. Večina raziskav je bila usmerjena na spektralne lastnosti (odbojnost in prepustnost) in povezavo z anatomsko ter biokemijsko strukturo (klorofil, voda, suha snov
…). Spektralne lastnosti so odvisne od mnogih dejavnikov, kot na primer od vrste rastline, razvojne stopnje in mikroklimatskega položaja rastline, prisotnosti stresa in podobno (Jacquemoud in Ustin, 2001).
S pomočjo spektralnih lastnosti listnih površin kot so odbojnost, razpršenost in absorpcija sevanja/svetlobe, lažje razumemo fiziološke odzive rastlin in njihove prilagoditve na okolje. Kakovost svetlobe, ki se odbija od listov, se odraža v barvi listov. Živali in ljudje zaznavamo barve kot posledico optičnih lastnosti objekta. Kadar objekt močno absorbira vse valovne dolžine svetlobe, pravimo, da je črn. Katero barvo vidimo, je odvisno od opazovalca (Glover in Whitney, 2009; Carter in Knapp, 2011).
Glavne sestavine v listih, ki absorbirajo, prepuščajo ali odbijajo dele vidnega spektra, so barvila. Klorofil absorbira svetlobo na rdečem in modrem delu spektra, odbija samo zeleno svetlobo. Zato ljudje vidimo liste zelene. Podobno se dogaja pri cvetovih. Ljudje vidimo svetlobo, ki se odbija, in ne tiste, ki se absorbira. Fenomenu pojavljanja svetlobe v različnih barvah pod različnimi koti pravimo mavričnost (Glover in Whitney, 2009).
Listi lahko odbijajo sevanje preko zrcalnega odboja in pršenja svetlobe ali pa energijo absorbirajo. Ključna je absorpcija fotosinteznih barvil v fotosintezno aktivnem območju (PAR) (400–700 nm) ter absorpcija dolgih valovnih dolžin v vodi. Prisotnost UV-B- absorbirajočih pigmentov, primarno flavonoidov, v povrhnjici z minimalno PAR-
absorpcijo, zagotavlja veliko zaščito pred poškodbami (Liakoura in sod., 2001, v Shepherd in Griffiths, 2006). Barnes in Cardoso - Vilhena (1996, v Shepherd in Griffiths, 2006) navajata, da je tam, kjer je absorpcija visoka, odbojnost nizka in obratno. UV-odbojnost je pri večini rastlinskih vrst manjša od 10%, le pri posameznih vrstah znaša tudi do 70%
(Caldwell, Robberecht in Flint, 1983). Na odbojnost močno vplivajo topografija površine lista, ki jo primarno določajo trihomi in plasti kutikularnega voska, še posebej pri vidnih valovnih dolžinah. Pomembnost kutikularnih voskov je prikazana v več študijah, kjer so odstranili vosek z listov (Cameron, 1970, v Shepherd in Griffiths, 2006).
Listi so dobro prilagojeni na sprejem sevanja z mikro- in nanostrukturami. Mikrostrukture v rastlini lomijo, razpršijo in usmerijo svetlobo v tkivo. Absorpcija svetlobe je pomembna za fotosintezo in pretvorbo svetlobe v kemično energijo. Kljub temu pa lahko prevelika količina svetlobe določene valovne dolžine poškoduje rastline. Fizične lastnosti lista in s tem absorpcija svetlobe so odvisne od pigmentov, ki vplivajo na optične lastnosti in od zračnih žepov, ki povzročajo razpršenje in fotonom podaljšajo pot. Posledica fizičnih lastnosti je dejanska absorpcija elektromagnetnega sevanja z listov in se bistveno razlikuje od absorbance klorofila v raztopini (Lee, 2009).
Razpršenost in absorpcija sta odvisni od valovne dolžine in sta opredeljeni z odbojnim indeksom (n) in koeficientom specifične absorpcije (k) glavnih treh delov (celične stene, klorofila in vode). Optične lastnosti drugih delov (ER, plastidi …) lista so še vedno neznane (Ustin, Jacquemoud, Govaerts, 2001).
Večina rastlinskih kutikul v manjši ali večji meri vsebuje voske. Ti voski imajo precejšnjo strukturno raznolikost in so temeljnega pomena za rastline in njihovo interakcijo z okoljem (Barhtlott in sod., 1998). Predvsem višje rastline so razvile epikutikularne plasti voska do te mere, da skupaj z drugimi listnimi površinskimi strukturami, kot so trihomi, zagotavljajo dobro zaščito proti neugodnimi razmerami in napadi pred škodljivci in patogeni (Barnes, Percy, Paul, Jones, McLaughin, Mullineaux, Creissen in Wellburn, 1996). Epikutikularni voski in trihomi nekaterih vrst vsebujejo tudi UV-B-absorbirajoče komponente (Skaltsa, Verykokidou, Harvala, Karabourniotis in Manetas, 1994). Dolgo časa so menili, da je razvoj plasti voska odvisen od okolja, v katerem rastlinska vrsta raste (Barber, 1955).
Poleg tega naj bi opazovanje določenih rastlinskih vrst pokazalo, da imajo vrste, ki so
izpostavljene visoki stopnji UV-B sevanja, bolj razvite strukture na površini listov, kar je prednost v takem okolju (Karabourniotis, Kyparissis in Manetas, 1994 v Holmes in Keiller, 2002). V raziskavah, kjer so želeli oceniti relativni prispevek trihomov in kutikularnih voskov na odbojnost UV- sevanja, so ugotovili, da so meritve pri 330 nm koristen kazalnik odbojnosti v obeh valovnih območjih, tako UV-B kot UV-A (Holmes in Keiller, 2002).
Holmes in Keiller sta v svoji raziskavi, kjer sta pregledala 10 rastlinskih vrst, ugotovila, da odstranitev voska z listne površine pomembno vpliva na zmanjšanje odbojnosti pri listih z voskom. Prav tako je odstranitev voska povzročila pomembno zmanjšanje odbojnosti pri 330 nm. Pri pregledanih vrstah je bila odbojnost proporcionalno bolj zmanjšana pri 330 nm kot pri 680 nm. Prisotnost voska na listnih površinah ima izrazit učinek na odbojnost pri UV- in fotosinteznih valovnih dolžinah (Holmes in Keiller, 2002).
Rastlinske celice so velike približno 50 µm. Oblika in porazdelitev celic korenito vplivata na optične lastnosti listov in drugih organov. Strukture na površini listov imajo svoje optične lastnosti. Če bi bila površina povsem gladka, prepustna za večino valovnih dolžin, z lomnimi indeksi višjimi od zraka, bi bile optične lastnosti predvidljive. Trihomi na površini listov povečujejo odboj sevanja, še preden ga absorbirajo listna tkiva. Podobno funkcijo ima vosek. In če so voščeni delci majhni, se povečuje razpršenost kratkih valovnih dolžin preko Tyndallovega učinka. Tyndallov efekt pomeni, da se daljše valovne dolžine svetlobe bolj razpršijo v listu, krajše valovne dolžine pa se v večji meri odbijajo od povrhnjice. Primer je modra obarvanost iglic okrasnih iglavcih – modra smreka (Picea glauca) (Lee, 2009).
Znanstveniki že dolgo časa raziskujejo, kako sončno sevanje uravnava rast in razvoj rastlin. Pestrost notranje strukture lista navdušuje biologe že več kot stoletje (Haberlandt, 1884, v Ustin, Jacquemoud, Govaerts, 2001). Prav tako je zanimiva tudi struktura krošenj dreves (Schimper, 1903; Warming, 1909, v Ustin, Jacquemoud, Govaerts, 2001). Listi v zgornjih delih krošnje, kjer je svetlobe več, imajo lahko drugačne lastnosti kot tisti, ki so v senci in so obrnjeni navzdol (Lee, 2009).
Lega listov se lahko spreminja od horizontalne (planofilni) do vertikalne (erektofilni). Prav tako veliko lesnih vrst prilagaja svoje liste glede na razmere v okolju (Smith, Vogelmann, DeLucia, Bell in Shepherd 1997). Viseči listi imajo zmanjšano absorpcijo direktnih žarkov okrog poldneva in jo povečajo spet, ko je sonce nižje. (Field, Chapin, Matson in Mooney, 1992). Listna anatomija visečih sončnih listov postane unifacialna, morfologija pa bolj podobna senčnim listom, medtem ko so vertikalni sončni listi povsem bifacialni (Ustin, Jacquemoud, Govaerts, 2001).
2.2 KUTIKULA
Vsi rastlinski deli so pokriti s povrhnjico. Prekriva jo kutikula. Površina kutikule pa je lahko pokrita z voskom, ki je precej ultrastrukturno in kemijsko raznolik. Večina od njih ima veliko sistematsko pomembnost (Barthlott in sod., 1998). V splošnem termin vosek označuje substance s fizičnimi lastnostmi, ki ustrezajo čebeljim voskom. To so vodoodbojne snovi, razmeroma trdne pri nizkih temperaturah, mehke in gnetljive pri višjih temperaturah, talijo se med 40 in 100 stopinjami Celzija, so topne v maščobnih topilih in visoko odporne proti kemičnim napadom. Njihovo površje, če ga podrgnemo, je običajno bleščeče (Kreger, 1958). Voski so bistveni strukturni elementi površja in temeljno funkcionalno in ekološko pomembni za interakcijo med rastlinami in njihovim okoljem.
Do danes je bilo ugotovljenih 23 tipov voskov. Tanke plasti voskov se zdi, da so vseprisotne, medtem ko so debelejše in skorjaste plasti bolj redke (Barthlott in sod., 1998).
Izraz vosek opredeljuje mešanico homolognih serij dolgih verig alkanov, alkoholov, aldehidov, maščobnih kislin in estrov z nekaj dodatki (Heredia in Dominguez, 2009).
Prvo celovito raziskavo epikutikularnih voskov je opravil de Bary (1871). V okviru svoje mikroskopske raziskave je raziskoval okoli 60 vrst in razvrstil epikutikularne voske v 4 kategorije: plasti ali skorje, palčke, zrnca in zvrhano nasute obloge (Juniper in Bradley, 1958, v Barthlott in sod., 1998).
Kasnejši celovit pregled razvrstitve epikutikularnih voskov pa je naredil Jeffree (1986).
Voske je razdelil na 14 morfoloških tipov voska, glede na rezultate, pridobljene v raziskavah, kjer je bilo raziskanih okrog 480 vrst. Uporabljal je vrstični elektronski
mikroskop (SEM) (Barthlott in sod., 1998). Epikutikularni voski so bili pogosto obravnavani kot kristali in termin voščeni kristali je postal razširjen v literaturi. De Baryjevo (1871) razmišljanje je bilo potrjeno vsaj pri nekaterih vrstah (Kreger, 1948, v Barthlott in sod., 1998).
Molekularna organizacija voskov še vedno ni v celoti znana. Barthlott in Wollenweber (1981) sta predlagala uporabo termina kristaloid. Frolich in Barthlott (1988) sta kasneje sprejela 12 različnih tipov voska in prvič štela orientacijo kristalov voska kot pomembno (Barthlott in sod., 1998). Epikutikularni voski omogočajo mikromorfološko raznolikost.
Zato sta primerna razvrstitev in terminologija potrebni za sistematiko. V splošnem lahko naredimo delitev med tankim filmom, ki je obravnavan kot končna plast na povrhnjici in naloženo voščeno strukturo. Slednja se lahko razvije kot strnjena plast, skorja ali posamični kristaloidi različnih debelin. Kristaloidi so različni, vendar značilno različnih oblik in velikosti in se lahko pojavljajo v posebnih ureditvah in kombinacijah (Barthlott in sod., 1998).
Razlikujemo med naslednjimi plastmi kutikule:
Gladke plasti so običajno debele manj kot 1 µm brez vidnih površinskih struktur.
Zaznane so z mikroskopom SEM, predvsem zaradi umetnih razpok, ki jih ločujejo od še tanjših plasti (Jaffree, 1986, v Barthlott in sod., 1998).
Skorja je precej debelejši sloj (več kot 1 µm) z več ali manj vidnimi strukturami na površju. Skorja je bolj masivna plast (do 10 µm pri Copernicia cowellii) in značilna za več sukulentov. Lahko gre za strnjeno plast ali pa produkt erozije kristaloidov.
Razpokane plasti so običajno debelejše, pojavljajo se spontano in so vidne kot terasast relief. Značilne so za sukulente (Barthlott in sod., 1998).
Kristaloidi so običajno značilnih oblik, velikosti in orientacije glede na površje. Štrlijo iz površine voščenih filmov. Običajno so značilni za točno določene taksonomske skupine in njihova oblika je dokaj konstantna (Barthlott in sod., 1998). Sem uvrščamo:
Zrnca so neenakomerno razporejeni, pogosto okrogli kristaloidi.
Ravni kristaloidi, s površjem povezani z njeno ozko stranjo. So zelo pogosti in najdeni v vseh velikih rastlinskih skupinah (mahovi, praproti, golosemenke in kritosemenke). Na površje so lahko prilepljeni pod različnimi koti.
Palčke so masivne mnogokotne skulpture v prerezu. Lahko so krožne, trikotne ali mnogokotne.
Tubuli so cilindrični, prazni kristaloidi, ki se na koncu odpirajo. Večina jih ima enotno dimenzijo (0,5–5 µm dolgi, 0,2–0,3 µm premer ).
2.3 TRIHOMI
Trihomi imajo različne vloge. Služijo kot obramba proti herbivorom ter ščitijo liste pred izhlapevanjem vode iz rež. Pri večini rastlinskih vrst gostota trihomov pri mladih listih naraste, če so bili ti prej poškodovani (Dalin in sod., 2008). Trihomi so lasasti izrastki, ki se razvijejo iz celic epidermisa (Werker, 2000, v Dalin in sod., 2008). Medtem ko ima večina rastlinskih vrst trihome ves čas, jih nekateri proizvajajo kot odziv na poškodbe (Dalin in sod., 2008). Morfologija in gostota trihomov variira od vrste do vrste, med populacijami ter med individualnimi rastlinskimi vrstami. Zgradba trihomov ima lahko razpon od enoceličnih do večceličnih. Po obliki so lahko ravni, spiralni, zaviti, razvejani (Southwood, 1986; Werker, 2000, v Dalin in sod., 2008). Prav tako so lahko živi ali mrtvi, kalcinirani ali vsebujejo kremen (Esau, 1977, v Holmes in Keiller, 2002). Do katere mere in v katero smer se bodo razvili, je odvisno predvsem od rastlinske vrste in okolja (Filella in Peñuelas 1999). Običajno jih razvrščamo v žlezne in nežlezne. Nežlezni trihomi nimajo glavic in je njihova glavna funkcija fizična obramba pred insekti (Baur, Binder in Benz, 1991). Nekateri trihomi pa sproščajo sekundarne metabolite. To so lahko strupi, repelenti, smole, sluzi in pasti za žuželke in druge organizme. Tem trihomom pogosto rečemo žlezni trihomi (Duffey, 1986, v Dalin in sod., 2008). Največkrat so večcelični, kjer večje število celic tvori pecelj in glavico. Ko celica dozori, metaboliti preidejo v prostor med steno celuloze in kutikulo. Ko se kutikula poškoduje, se metaboliti izločijo (Darling, 2014).
Trihomi lahko povečajo odpornost na abiotični stres. Lahko povečajo toleranco na sušo z zmanjšanjem absorpcije sončnega sevanja in povečanjem listnega površja z mejnimi plastmi (Benz in Martin, 2006) ter olajšajo kondenzacijo zračne vlage na površju listov
(Jeffree, 1986, v Dalin in sod., 2008). Lahko ščitijo žive celice pred poškodbami UV- sevanja (Skaltsa, Verykokidou, Harvala, Krabourniotis, in Manetas, 1994) in nizkimi temperaturami (Agrawall, Conner in Stinchcombe, 2004). Trihomi imajo veliko vlog in njihova gostota je lahko odziv na spremembe več okoljskih dejavnikov. Rastlinske vrste z večjo gostoto trihomov najdemo v suhih in mrzlih okoljih, kjer je UV-sevanje intenzivno in je večja možnost poškodb s strani herbivorov (Løe, Toräng, Gaudeul in AAgren, 2007).
Vigneron in sod. (2005) (po Glover in Whitney (2009)) ugotavljajo, da je zaščita pred UV–
sevanjem primarna funkcija laskov na površini lističev planike.
Nekatere epidermalne celice se razvijejo v trihome, druge pa se razvijejo v navadne celice (Kivimäki, Kärkkäinen, Gaudeul, Løe in AAgren, 2007). Pogosto so sestavljeni iz celuloze in drugih substanc, ki predstavljajo nizko hranilno vrednost za insekte (Levin, 1973, v Dalin in sod., 2008). Celične stene trihomov lahko olesenijo in otrdijo zaradi prisotnosti kremena (SiO2) ali kalcijevega karbonata (CaCO3) (Darling, 2014).
3 MATERIALI IN METODE 3.1 RAZISKOVANE VRSTE
Zanimale so nas strukture na površini lista, kot sta kutikula in trihomi v povezavi z optičnimi lastnostmi listov. Zato smo izbrali ustrezne vrste vzorcev. Izbrali smo rastlinske vrste, ki rastejo v naši bližini.
Rastlinske vrste, pri katerih smo preučevali vpliv kutikule na odbojnost, so bile naslednje:
navadni bršljan, navadna ciklama, navadni zimzelen in črni teloh.
Navadni bršljan ali Hedera helix L. uvrščamo v družino Araliaceae – bršljanovk. Je olesenela plezava vzpenjavka. Vzpenja se lahko kamorkoli. Doseže lahko do 30 metrov visoko ali pa prekrije tla (Bavcon, 2013). Najdemo ga v gozdovih in ob starih zidovih, od nižin do montanskega pasu (Martinčič in sod.,1999). Njegovi listi so vedno zeleni, usnjati (Bavcon, 2013), enostavni in spiralasto razvrščeni. Lahko so dlanasto 3- do 5-krpi do dlanasto 3- do 5-razdeljeni. Cvetovi so od 5- do 10-števni. Venčni listi so rumenozeleni in združeni v kobulasta socvetja (Martinčič in sod.,1999), značilni za starejše in plezave rastline (Bavcon, 2013). Plodnica je večinoma 5-predalasta. Plod so črne jagode (Martinčič in sod., 1999), ki so hrana za ptiče (Bavcon, 2013). Proučevali smo njegove sončne in senčne liste.
Slika 1: Hedera helix L. – mladi in stari listi (Foto: Maja Uranič)
Slika 2: Hedera helix L.– prerez mladega senčnega lista
Slika 3: Hedera helix L.– prerez starega senčnega lista
Slika 4: Hedera helix L.– prerez mladega sončnega lista
Slika 5: Hedera helix L.– prerez starega sončnega lista
Druga vrsta je bila Cyclamen purpurascens Miller [C. europaeum auct.] – navadna ciklama. Uvrščamo jo v družino Primulaceae – jegličevke. Našli jo bomo v listnatih in mešanih gozdovih ter na grušču od nižine do subalpskega pasu. Je zelnata trajnica z gomoljasto koreniko. Njeni listi so pritlični, srčaste ali ledvičaste oblike in nazobčani.
Spodnji del lista je navadno rdeč oziroma viola (Martinčič in sod.,1999). Zgornji listi so temno zeleni z značilnim svetlim vzorcem. So zimzeleni (Spohn, 2007). Steblo je enocvetno, visoko 5–15 cm. Cvetovi so kimasti, venčni listi zavihani in škrlatni (Martinčič in sod.,1999). V Sloveniji je zaščitena in jo je prepovedano izkopavati v naravi. Prav tako je na seznamu konvencije CITES1 (Bavcon, 2013).
Če se gomolj ciklame odtrga iz tal, se lahko skotali po tleh in obrne tako, da so korenine spodaj, zasnova za poganjek pa zgoraj. Rastlina tako začne znova. Če izgubi gomolj, funkcijo korenike prevzame steblo (Bavcon, 2013).
1 CITES je angleška okrajšava za Konvencijo o mednarodni trgovini z ogroženimi prosto živečimi živalskimi in rastlinskimi vrstami (Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora).
Sporazum je znan tudi kot Washingtonska konvencija. Veljati je začela leta 1975 (Agencija Republike Slovenije za okolje, b. d.).
Slika 6: Cyclamen purpurascens Miller (Foto: Maja Uranič)
Slika 7: Prerez starega lista navadne ciklame
Naslednja vrsta je navadni zimzelen. Uvrščamo ga v družino Apocynaceae – pasjestrupovke. Njegovo latinsko ime je Vinca minor L. Je zelnata trajnica. Našli pa ga bomo v nižinah pa vse do montanskega pasu, in sicer med grmovji, v svetlih gozdovih in na obrobju le-teh. Njegovi listi so enostavni, celorobi in podolgosuličasti ter nasprotno nameščeni. Običajno so razporejeni navzkrižno in brez prilistov (Martinčič in sod.,1999).
Njegovi cvetovi so značilni za pasjestrupovke, in sicer so vetrničasti. So peteroštevni, modri in pokončni. Plodni so le pokončni poganjki, medtem ko so polegli listi brez cvetov in neplodni. Prašnice so na notranji strani venčne cevi in nanjo prirasle s kratkimi prašnimi nitmi. Na sredini je podnica z vratom in sploščeno brazdo. Robovi so lepljivi s štiridelnim šopom dlačic na sredini (Bavcon, 2013). Običajno imajo cvetove posamič, velike 2–3 cm,
sama rastlina pa je velika 15–20 cm. Razmnožuje se vegetativno, s pritlikami. Pogosto prekriva večje površine v gozdovih. Za uspevanje potrebuje le malo svetlobe. Je strupena (Spohn, 2007).
Slika 8: Vinca minor L. (Foto: Maja Uranič)
Slika 9: Prerez mladega lista navadnega zimzelena Slika 10: Prerez starega lista navadnega zimzelena
Črni teloh uvrščamo v družino Ranunculacea – zlatičevke. Njegovo latinsko ime je Helleborus niger L. Našli ga bomo predvsem v svetlih gozdovih, kjer so grmovnata pobočja in kamnita travišča, vse od nižine do subalpskega pasu. Njegovo steblo je nerazvejano, brez zelenih stebelnih delov in enocvetno. V zgornjem delu ima 1–3 belkaste luskaste liste. Cvetno odevalo je belo, po cvetenju lahko postane rdečkasto ali zelenkasto.
(Martinčič in sod.,1999). Na steblih ima 1–2 cvetova, velika 5–10 cm. Ima številne prašnike (Spohn, 2007). Je indikator tal, njegovo rastišče je bazično, bolj natančno
dolomitno. Ima velike zimzelene dlanasto deljene in dokaj usnjate liste in je zelo strupena rastlina (Bavcon, 2013).
Slika 11: Helleborus niger L. (Foto: Maja Uranič)
Slika 12: Prerez mladega lista črnega teloha Slika 13: Prerez starega lista črnega teloha
Rastlinske vrste pri katerih smo merili vpliv trihomov na odbojnost lista so bile naslednje:
navadni glavinec, njivsko grabljišče, lasasti dimek, navadni gabez in navadni čistec.
Navadni glavinec (Centaurea jacea L). Spada med nebinovke –Asteraceae in je prizemna steblasta trajnica. V višino zraste 30–60 cm. Lahko je dlakava ali ne. Njegova stebla so enostavna ali razrasla v zgornji polovici. Pod koški so olistana. Zgornji listi so suličasti in sedeči. Spodnji pa jajčasti, so suličasti in pecljati, lahko so razmaknjeno nazobčani. Koški so posamezno na vrhu poganjkov. Ovojek 12–18 mm dolg in približno toliko širok.
Priveski srednjih ovojkovih listov 2–4 mm dolgi, svetlo do temno rjavi in popolnoma prekrivajo zelene dele ovojkovih listov. Po robu so lahko nazobčani ali celi in suhokožnati.
Cvetovi so cevasti, dvospolni, rdečkasti in obrobno povečani. Plodovi (rožke) 3 mm dolgi, beli do svetlo rjavi in nimajo kodeljice. Cvetijo od junija do septembra (Seliškar in Wraber, 1986). Našli ga bomo na travnikih, pašnikih, v grmovju, svetlih gozdovih in na nabrežjih vse od nižine pa do montanskega pasu (Martinčič in sod., 1999). Njegovi trihomi so enocelični.
Slika 14: Centaurea jacea L.
(http://weedypests.wikispaces.com)
Slika 15: Trihomi na zgornji povrhnjici navadnega glavinca
Vrsto Knautia arvensis (L.) Coulter ali njivsko grabljišče uvrščamo v družino ščetičevk – Dipsacaceae. Je trajnica ali dvoletnica s koreniko. V prvem letu iz nje zrastejo jalove listne rožice, v drugem letu pa cvetoča pokonča stebla, ki zrastejo 25–75 cm. Pokrita so s ščetinastimi in puhastimi dlakami, nekaj je žlezastih. Spodnji listi so pecljati, suličasti, celorobi in redkodlakavi. Stebelni listi so zgoščeni v spodnjem delu stebla, so sedeči in dlakavi. Cvetovi so združeni v glavičasta socvetja (2–4 cm), podprta s suličastimi, dlakavimi ovojkovimi listi brez krovnih lusk. Cvetovi so lahko dvospolni ali ženski. Čaša je iz 8 resastih ščetin. Barva cvetov je rahlo vijolična. Venec je zrasel in je 4-števen. Plod njivskega grabljišča je valjast in dlakav. Cveti od maja do septembra. (Seliškar in Wraber, 1986). Raste predvsem na travnikih in pašnikih vse od nižine pa do montanskega pasu (Martinčič in sod., 1999). Ima večcelične trihome.
Slika 16: Knautia arvensis L.
(http://www.vlinderhof.com)
Slika 17: Trihomi na zgornji povrhnjici njivskega grabljišča
Lasasti dimek ali Crepis capillaris (L.) Wallr. [C. virens L.], spada v družino radičevk – Cichoriaceae. Je enoletnica suhih rastišč. Listi niso deljeni do sredinske žile, morebitni roglji so širši. Cvetovi so v številnih krogih. Venec je po notranji strani včasih progast.
Koški so pred cvetenjem pokončni. Cvetovi so jezičasti in dvospolni. Socvetišča imajo ščetinice. Rožke so dolge 1,4–3,8 mm. Ovojkovi listi na notranji strani so goli, na zunanji strani pa imajo žlezaste dlake. Zunanjih ovojkovih listov je 7–9, tretjina ali polovica je tako
dolgih kot notranjih. Raste predvsem na obdelanih tleh, v vinogradih in ledinah ter suhih travnikih. (Martinčič in sod., 1999). Njegovi trihomi so večcelični.
Slika 18: Crepis capillaris L.
(http://www.commanster.eu)
Slika 19: Trihomi na zgornji povrhnjici lasastega dimka
Navadni gabez ali Symphytum officinale L. uvrščamo v družino srhkolistnic – Boraginaceae. Navadni gabez je zelnata trajnica. Štirirobo steblo je poraslo s togimi dlakami. Liste ima enostavne, pretežno celorobe, brez prilistov in spiralasto nameščene, jajčaste ali suličaste oblike. Zgornji listi so podaljšani ob steblu navzdol. Cvetovi so dvospolni. Venec je vijoličastorožnate barve, je cevasto zvonast, peterozob in približno 1–
1,5 cm dolg. Venec je brez goltnih lusk. Korenine navadnega gabeza so vretenaste, lahko ima koreniko, nikoli pa niso gomoljasto odebeljene. Našli ga bomo na travnikih, pašnikih, v svetlih gozdovih in na nabrežjih od nižine do montanskega pasu (Martinčič in sod., 1999). Ima večcelične trihome.
Slika 20: Symphytum officinale L.
(http://www.soboskincare.com)
Slika 21: Trihomi na zgornji povrhnjici navadnega gabeza
Navadni čistec ali Betonica officinalis L. [Stachys officinalis (L.) Trevisan] uvrščamo v skupino ustnatic – Lamiaceae. Je zelišče s štirirobim in prileglodlakavim steblom. Listi so razvrščeni nasprotno. Stebelni listi so sedeči ali kratkopecljati. Listi rozete pa dolgopecljati s srčastim dnom. Peclji spodnjih listov so lahko tudi do 4-krat daljši od listne površine. Ob rozeti rastejo cvetoči poganjki. Socvetje je do 10-cvetno. Cvetni venec je daljši od čaše.
Čašni zobci pri dnu niso zrasli v obročast rob. Spodnja venčna ustna je brez gub.
Polprašnici sta skoraj vzporedni. Venčna cev je včasih dvoustna. Plod razpade v 4 plodiče.
Raste na gozdnih travnikih in posekah, obronkih gozdov od nižine do montanskega pasu.
(Martinčič in sod., 1999). Njegova prisotnost kaže na pusta, s hranili revna tla. Zraste pa lahko kar 30–100 cm v višino (Spohn, 2007). Trihomi so večcelični.
Slika 22: Betonica officinalis L.
(http://www.biolib.cz/) Slika 23: Trihomi na zgornji povrhnjici navadnega čistca
3.2 METODE DELA
Delo je potekalo na terenu in v laboratoriju. Vzorci izbranih rastlinskih vrst so bili nabrani v maju leta 2014. Vzorce, pri katerih smo odstranjevali kutikulo, smo nabrali na Rašici pri Ljubljani (4688.26N 143035.53E). Vsako vrsto posebej smo dali v plastično vrečko in tako omogočili rastlinam, da so ostale sveže za nadaljnjo obdelavo. Pripeljali smo jih v laboratorij. Pri vrstah, kjer je bila pomembna kutikula, smo bili pozorni na to, da smo izbrali stare in mlade liste za vsako vrsto posebej. Nabrali smo po petnajst primerkov vsake vrste. V okolici Biotehnične fakultete (460304.4N 142811.8E) smo nabrali rastlinske vrste z dlakavimi listi. Pri vsaki nabrani vrsti smo takoj pridobili želene podatke v laboratoriju.
Pri vseh vzorcih smo opravili meritve odbojnih spektrov. Za vsako vrsto po deset vzorcev.
3.2.1 Merjenje odbojnih spektrov
Odbojne spektre smo merili s spektrofotometrom Jaz Modular OpticalSensing Suite (Ocean Optics, Inc., Dunedin, Florida, USA). Svetlobni vir UV-VIS-NIR (DH-2000, Ocean Optics, Inc., FL, USA) smo preko optičnega kabla povezali s sfero, ki smo jo pri merjenju postavili pravokotno na zgornjo listno površino. Sfero smo preko drugega optičnega kabla povezali s spektrofotometrom. Spektrofotometer smo priključili na računalnik. Najprej smo izmerili referenčni spekter, tako da smo svetlobni žarek usmerili na bel standard. S tem smo inštrument kalibrirali na 100 % odbojnost. Nato smo izmerili še temni spekter, tako da smo izklopili svetlobni vir. Sledile so meritve odbojnih spektrov na listih. S svetlobnim žarkom smo osvetlili zgornjo stran vzorčnega lista, tako da smo se izognili žili. Rezultate merjenj smo obdelali v računalniškem programu SpectraSuite.
Za vsako rastlinsko vrsto smo izmerili po 10 vzorcev. Merili smo liste z in brez kutikule.
Tako mlade kot stare liste. Pri listih s trihomi smo merili odbojnost samo s oziroma brez trihomov.
3.2.2 Tehnike odstranjevanja kutikule in trihomov
Uporabili smo dve tehniki. Pri prvi smo z zgornje strani lista odstranili kutikulo, pri drugi pa smo prav tako z zgornje strani lista odstranili trihome.
Naprej smo merili odbojne spektre starih in mladih listov s kutikulami. Nato smo uporabili tehniko odstranjevanja voska. Vosek smo zaradi varnosti odstranjevali v digestoriju. List smo najprej s čopičem nežno očistili. Nato smo zobno ščetko namočili v kloroform in nežno pogladili po listu. Sprali smo z destilirano vodo ter nežno posrkali ostalo vodo s papirnato brisačo. Takoj po odstranitvi voska z lista smo zopet izmerili odbojnost tako pri starih kot mladih listih (Barnes in sod. 1996).
Pri listih s trihomi smo ravno tako najprej izmerili odbojne spektre s trihomi in nato brez njih. Trihome smo odstranili z ostro britvico. Pri tem smo bili zelo previdni, da nismo poškodovali listne površine. Pogledali smo pod mikroskopom oziroma lupo in opravili meritve spektrov na listih brez trihomov (Barnes in sod. 1996).
Vse podatke smo sproti vnašali v računalniški program Excel, kjer smo jih ustrezno obdelali in dobili povprečne vrednosti debeline kutikule, gostoto ter dolžino trihomov.
Dobljene podatke smo nato statistično obdelali.
3.3 STATISTIČNA OBDELAVA PODATKOV
Pridobljene podatke meritev smo sproti vpisovali v Excel, kjer smo izračunali povprečja in standardne deviacije. Podatke smo predstavili v grafih. Opravili smo analizo variance (ANOVA). Med seboj smo primerjali stare in mlade liste ter liste s kutikulo in brez nje in liste s trihomi in brez njih. Spektre smo razdelili na svetlobne oziroma barvne pasove: UV- B (280–319,95 nm), UV-A (320–399,73 nm), vijolična svetloba (400–454,94 nm), modra svetloba (455–499,88 nm), zelena svetloba (500–579,74 nm), rumena svetloba (580–
619,86 nm), rdeča svetloba (620–699,94 nm) in infrardeča oziroma NIR (700–887,19 nm).
Statistično značilne razlike med vrstami pri odbojnih spektrih smo iskali s Studentovim t- testom oziroma Mann-Whitneyevim testom. Verjetnost značilnih razlik smo izrazili s p 0,05 in p 0,01. V grafih smo statistične razlike označili z zvezdicami.
4 REZULTATI
Izmerili smo debelino kutikule ter dolžino in gostoto trihomov. Podatke smo grafično prikazali (Sliki 24 in 25).
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00
bršljan (senčni listi)
bršljan (sončni listi)
navadna ciklama
črni teloh navadni zimzelen rastlinske vrste
debelina kutikule v µm stari mladi
Slika 24: Razlike v debelini kutikule (µm) pri izbranih rastlinskih vrstah (bršljan – senčni listi, bršljan – sončni listi, navadna ciklama, črni teloh, navadni zimzelen). Primerjava starih in mladih listov; prikazane so povprečne vrednosti ± SD; n = 14.
Slika 24 prikazuje izmerjene debeline kutikule starih in mladih listov za posamezno rastlinsko vrsto. Mladi listi bršljana (sončni in senčni) imajo nekoliko debelejšo kutikulo od starejših listov. Mladih listov ciklame v času nabiranja ni bilo, tako da ne moremo primerjati debeline kutikule. Iz grafa je razvidno, da imata črni teloh in navadni zimzelen na starih listih nekoliko več voska kot na mladih listih. Najdebelejšo izmerjeno kutikulo imajo listi ciklame, najmanj pa senčni listi bršljana.
0 200 400 600 800 1000 1200
navadni glavinec njivsko grabljišče navadni gabez lasasti dimek navadni čistec rastlinske vrste
dolžina trihomov v µm
Slika 25: Dolžina trihomov (µm) pri izbranih rastlinskih vrstah (navadni glavinec; njivsko grabljišče; navadni gabez; lasasti dimek; navadni čistec). Prikazane so povprečne vrednosti ± SD; n = 14.
Vse izbrane rastlinske vrste imajo podobno dolžino trihomov (Slika 26). Najdaljši izmerjeni so trihomi njivskega grabljišča. Najkrajše pa ima navadni gabez. Graf kaže največje odstopanje od povprečne vrednosti pri njivskem grabljišču.
0 100 200 300 400 500 600
navadni glavinec njivsko grabljišče navadni gabez lasasti dimek navadni čistec rastlinske vrste
gostota trihomov na cm2
Slika 26: Gostota trihomov (cm2) pri izbranih rastlinskih vrstah (navadni glavinec, njivsko grabljišče;
navadni gabez; lasasti dimek; navadni čistec). Prikazane so povprečne vrednosti ± SD; n = 14.
Gostota trihomov pri navadnem gabezu in navadnem čistcu je višja kot pri ostalih treh rastlinskih vrstah (Slika 27). Imata tudi največji standardi odklon. Iz grafa je razvidno, da imata njivsko grabljišče in lasasti dimek najmanjšo gostoto trihomov.
ODBOJNI SPEKTRI KUTIKULE IN TRIHOMOV
Rezultate odbojnosti smo prikazali z grafi. Upoštevali smo rezultate v območju od UV- sevanja, vidnega območja do območja bližnjega infrardečega sevanja (280–880 nm).
0 10 20 30 40 50 60 70 80
280 380 480 580 680 780 880
valovna dolžina [nm]
relativna odbojnost
Slika 27: Odbojni spektri izbranih vrst ((█)bršljan – sončni listi; (█) bršljan – senčni listi; (█) navadni zimzelen; (█) črni teloh; (█) navadna ciklama) pri starih listih s kutikulo; prikazane so povprečne vrednosti;
n = 14.
Iz grafa (Slika 28), ki prikazuje odbojnost pri starih listih s kutikulo je razvidno, da ima največjo odbojnost pri vseh spektrih navadni zimzelen. V delu vidnega spektra (400–700 nm) se sicer vse krivulje med sabo zelo približajo, vendar ima navadni zimzelen vseeno večjo odbojnost od ostalih vrst. Vrh dosežejo v zelenem delu spektra pri 550 nm. V začetku UV-območja (280–400 nm) so odbojnosti nekoliko večje kot v vidnem delu spektra, razen pri ciklami in črnemu telohu. Njuna odbojnost je v tem območju že nekoliko
negativna. V NIR-območju (700–880 nm) so lepo vidne razlike v odbojnosti posamezne rastlinske vrste (Preglednica 1). Največjo odbojnost ima navadni zimzelen, sledijo pa ji senčni listi bršljana, črni teloh, ciklama in sončni listi bršljana.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
280 380 480 580 680 780 880
valovna dolžina [nm]
relativna odbojnost
Slika 28: Odbojni spektri izbranih vrst ((█) bršljan – sončni listi; (█) bršljan – senčni listi; (█) navadni zimzelen; (█) črni teloh; (█) navadna ciklama) pri starih listih brez kutikule; prikazane so povprečne vrednosti; n = 14.
Pri starih listih brez kutikule je razvidno, da imajo vse rastlinske vrste približno enako stopnjo odbojnosti (Slika 29). V UV-območje (280–400 nm) vsaka vrsta vstopa z drugačno odbojnostjo, nato pa se združijo v skoraj enotno krivuljo v vidnem delu spektra. Razlike so minimalne. Vrh dosežejo v zelenem delu spektra (550 nm). Nekoliko višji vrh doseže le navadni zimzelen. Odbojnost se začne povečevati v NIR-območju (700–880 nm). Najvišjo odbojnost ima navadni zimzelen. Z minimalnimi razlikami mu sledita črni teloh in senčni listi bršljana ter ciklama in sončni listi bršljana.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
280 380 480 580 680 780 880
valovna dolžina [nm]
relativna odbojnost
Slika 29: Odbojni spektri izbranih vrst ((█) bršljan – sončni listi; (█) bršljan – senčni listi; (█) navadni zimzelen; (█) črni teloh) pri mladih listih s kutikulo; prikazane so povprečne vrednosti; n = 14.
Pri mladih listih s kutikulo so jasno razvidne minimalne razlike v odbojnosti (Slika 30).
Krivulje skoraj vseh rastlinskih vrst, razen črnega teloha, so podobne. Predvsem v vidnem delu spektra (400–700 nm). V UV-območju ima črni teloh najnižjo odbojnost. V vidnem delu spektra ostalim rastlinskim vrstam sledi tudi teloh. Vrh dosežejo v zelenem območju (550 nm). Odbojnosti so nizke. S približevanjem območju NIR (700–880 nm) se odbojnost vseh rastlinskih vrst povečuje. Najvišjo doseže navadni zimzelen, najnižjo črni teloh.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
280 380 480 580 680 780 880
valovna dolžina [nm]
relativna odbojnost
Slika 30: Odbojni spektri izbranih vrst ((█) bršljan – sončni listi; (█) bršljan – senčni listi; (█) navadni zimzelen; (█) črni teloh) pri mladih listih brez kutikule; prikazane so povprečne vrednosti; n = 14.
Pri mladih listih brez kutikule ima zopet najvišjo odbojnost pri vseh valovnih dolžinah navadni zimzelen (Slika 31). V območju UV (280–400 nm) so jasno vidne razlike v odbojnosti med rastlinskimi vrstami, nato pa se približajo druga drugi v vidnem delu spektra (400–700 nm). Vrh dosežejo v zelenem območju (550 nm). Najvišji vrh doseže črni teloh. V NIR-območju (700–880 nm) se odbojnosti zopet nekoliko razlikujejo in so lepo vidne razlike med njimi (Preglednica 1).
0 10 20 30 40 50 60 70 80
280 380 480 580 680 780 880
valovna dolžina [nm]
relativna odbojnost
Slika 31: Odbojni spektri izbranih vrst ((█) navadni gabez; (█) navadni glavinec; (█) njivsko grabljišče; (█) lasasti dimek; (█) navadni čistec) s trihomi; prikazane so povprečne vrednosti; n = 14.
Vse rastlinske vrste s trihomi imajo relativno nizko in izenačeno odbojnost v vidnem spektru (400–700 nm) (Slika 32). Vrh dosežejo v zelenem delu spektra (550 nm), le navadni čistec ima nekoliko nižji vrh od ostalih. Najvišja odbojnost se pokaže v NIR- območju (700–880 nm). Najnižjo med rastlinskimi vrstami ima lasasti dimek, najvišjo pa navadni glavinec. Razlike so zelo majhne. Pri UV-valovnih dolžinah (280–380 nm) so vrednosti različne, vendar še vedno nizke (Preglednica 1). Najvišjo odbojnost ima navadni čistec, medtem ko imajo njivsko grabljišče, lasasti dimek in navadni glavinec približno enako odbojnost, le navadni gabez ima nekoliko nižjo.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
280 380 480 580 680 780 880
valovna dolžina [nm]
relativna odbojnost
Slika 32: Odbojni spektri izbranih vrst ((█) navadni gabez; (█) navadni glavinec; (█) njivsko grabljišče; (█) lasasti dimek; (█) navadni čistec) brez trihomov; prikazane so povprečne vrednosti; n = 14.
V začetnem delu UV-spektra (280–400 nm) so odbojnosti rastlinskih vrst z odstranjenimi trihomi razpršene od najvišje (navadni čistec), do najnižje (navadni gabez) (Slika 33).
Odbojnost je podobna v vidnem območju spektra (400–700 nm) z vrhom v zelenem delu spektra pri 550 nm. Razlike v odbojnosti med vrstami so minimalne. V območju NIR (700–880 nm) so vrednosti najvišje (Preglednica 1). Le spekter lasastega dimka je nekoliko nižji od ostalih rastlinskih vrst.
Preglednica 1: Tabela prikazuje rezultate t-testov pri posameznih rastlinskih vrstah s in brez kutikule ter s in brez trihomov pri starih in mladih listih. Statistično značilne razlike so prikazane z zvezdico (*).
Iz preglednice so razvidne statistično značilne razlike znotraj rastlinskih vrst. Rezultati t- testov so pokazali statistično značilne razlike v vseh delih spektra (UVB, UVA, vidni del spektra in NIR) pri črnem telohu. Tako pri mladih listih s in brez kutikule (Priloga A, slika 6) kot pri starih in mladih listih brez kutikule (Priloga A, slika 13). Pri starih listih (s in brez kutikule) črnega teloha so statistično značilne razlike v UVB (280-320 nm), UVA (320-400 nm) in v vijoličnem (400-455 nm), modrem (455-500 nm) ter rdečem (620-700 nm) delu vidnega spektra (Priloga A, slika 5). Stari in mladi listi črnega teloha s kutikulo pa so si statistično značilno različni v vijoličnem (400-455 nm), zelenem (500-580 nm), modrem (455-500 nm) in rdečem (620-700 nm) delu vidnega spektra ter v NIR območju (700-880 nm) (Priloga A, slika 14). Pri starih sončnih listih navadnega bršljana (s in brez kutikule) se je statistično značilna razlika pokazala samo v UVB spektru (280-320 nm) (Priloga A, slika 1), medtem ko se mladi listi razlikujejo tudi v zelenem (500-580 nm) območju vidnega spektra in v NIR območju (700-880 nm) (Priloga A, slika 2). Stari senčni listi navadnega bršljana (s in brez kutikule) so statistično značilno različni v UVB (280- 320 nm) in UVA (320-400 nm) območju (Priloga A, slika 3). Mladi senčni listi navadnega bršljana pa so statistično značilno različni le v modrem (455-500 nm) delu vidnega spektra (Priloga A, slika 4). T-testi kažejo, da so odbojni spektri starih listov (s in brez kutikule) navadnega zimzelena statistično značilno različni le v rdečem (620-700 nm) delu vidnega spektra ter v NIR območju (700-880 nm) (Priloga A, slika 7). Mladi listi (s in brez voska) pa se statistično značilno razlikujejo v UVB (280-320 nm) in UVA (320-400 nm) območju ter v vijoličnem (400-455 nm) in modrem (455-500 nm) delu vidnega spektra (Priloga A, slika 8). V času nabiranja navadna ciklama ni imela mladih listov zato smo testirali le stare liste s in brez kutikule. Rezultati so pokazali statistično značilne razlike v UVB (280-320 nm) in UVA (320-400 nm) območju, v vijoličnem (400-455 nm) območju ter v NIR območju (700-880 nm) (Priloga A, slika 9). Pri vsaki rastlinski vrsti smo testirali tudi stare in mlade liste s in brez kutikule. Pri sončnih listih navadnega bršljana (s kutikulo) sta stari in mladi list statistično značilno različna v modrem (455-500 nm) delu vidnega spektra in v NIR območju (700-880 nm) (Priloga A, slika 10) medtem ko se listi brez kutikule statistično značilno razlikujejo v UVA (320-400 nm) območju, v zelenem (500-580 nm) in rumenem (580-620 nm) območju vidnega spektra in v NIR območju (700-880 nm) (Priloga A, slika 11). Pri senčnih listih navadnega bršljana (s kutikulo) podatki niso pokazali nobene statistično značilne razlike (Priloga A, slika 12). So se pa pokazale razlike pri
njegovih listih brez kutikule. Te razlike so v celotnem delu vidnega spektra (400-700 nm) in v UVA (320-400 nm) območju (Priloga A, slika 13). Pri navadnem zimzelenu so t-testi pri listih s kutikulo pokazali statistično značilne razlike v UVB (280-320 nm) in UVA (320-400 nm) območju (Priloga A, slika 16). Več statistično značilnih razlik imajo njegovi listi brez kutikule in sicer v UVB (280-320 nm) in UVA (320-400 nm) območju, v vijoličnem (400-455 nm) in modrem (455-500 nm) območju vidnega spektra ter v NIR območju (700-880 nm) (Priloga A, slika 17).
Pri rastlinskih vrstah s in brez trihomov je statistično značilnih razlik manj. T-teste smo opravili za vsako vrsto posebej. Pri navadnem gabezu (Priloga B, slika 18) in navadnem glavincu (Priloga B, slika 19) rezultati niso pokazali nobene statistično značilne razlike.
Listi s in brez trihomov pri njivskem grabljišče (Priloga B, slika 20) in navadnem čistcu (Priloga B, slika 22) se statistično značilno razlikujejo le v NIR območju (700-880 nm).
Največ statistično značilnih razlik so t-testi pokazali pri lasastem dimku in sicer v celotnem delu vidnega spektra (400-700 nm) z izjemo rdečega območja (620-700 nm) in v NIR območju (700-880 nm) (Priloga B, slika 21).
5 RAZPRAVA
Listi različnih vrst imajo poleg morfoloških, anatomskih, biokemijskih in fizioloških tudi specifične optične značilnosti. Te so določene z več listnimi parametri. Ti parametri so prepustnost in absorpcija listov ter razpršenost svetlobe znotraj lista (Carter in Knapp, 2001). Strukture na površini listov določajo, koliko bo list prepusten oziroma bo absorbiral različno vrsto svetlobe. V diplomski nalogi smo preučevali različne rastlinske vrste, pri katerih smo merili odbojnost sevanja listnih površin. Zanimala nas je povezanost med odbojnostjo in površinskimi listnimi strukturami izbranih rastlinskih vrst. Zanimalo nas je tudi ali imajo strukture na površini listov različen pomen in ali se pojavljajo razlike med strukturami istega tipa. Odbojnost smo merili pri rastlinskih vrstah z voščeno listno površino in takih s trihomi.
Želeli smo ugotoviti razlike v odbojnosti ne samo med rastlinskimi vrstami, ampak tudi med starejšimi in mlajšimi listi. Rezultati so pokazali, da obstajajo statistično značilne razlike med starimi in mladimi listi znotraj rastlinskih vrst (Priloga A). Te razlike so se pokazale pri črnemu telohu. Njegovi mladi listi se statistično značilno razlikujejo v odbojnosti tako od starejših kot tudi med listi s in brez voska, v vseh delih spektra (280- 880 nm). Pri ostalih rastlinskih vrstah smo dokazali statistično značilne razlike med starimi in mladimi listi v nekaterih delih spektra. Med rastlinskimi vrstami so bile razlike minimalne. Kažejo se sicer težnje razlik v zmanjšanju odbojnosti vendar gre za veliko raztresenost podatkov znotraj analiz.
Izmerjena debelina kutikule starih in mladih listov se ni bistveno razlikovala med vrstami.
Predvidevali smo, da mladi listi v času nabiranja vzorcev – spomladi, še niso dovolj razviti in je zato tudi njihova kutikula tanjša in da bo kutikula starejših listov debelejša, vendar so naša predvidevanja rezultati potrdili le pri črnem telohu in navadnem zimzelenu. Dokazali smo, da se listi različnih rastlinskih vrst razvijajo različno. Kljub temu pa imajo njihove listne površine podobne spektralne lastnosti. Predvidevamo, da zato, ker so bile vse rastlinske vrste nabrane v istem habitatu. Zgradba in razporeditev kutikule se spreminja med vrstami, organi in stopnjo rasti, vendar je sestavljena iz kutikularnega voska,
naloženega na površino povrhnjice. Glede na njene sestavine lahko opredelimo kutikulo kot hidrofobni in nereaktivni poliester s pripadajočimi voski (Heredia in Dominguez, 2009).
Čeprav smo predvidevali večjo odbojnost sevanja pri starejših listih zaradi bolj razvitih površinskih struktur (debelejša plast kutikularnega voska), tega nismo uspeli dokazati pri vseh vrstah. Pri vseh vzorcih ne glede na starost listov smo zaznali težnje nizke odbojnosti v vidnem delu spektra (380–750 nm). Če bi želeli razumeti natančno vlogo kutikularnih voskov, bi morali pogledati njihovo kemijsko sestavo v povezavi s fizično strukturo (Heredia in Dominguez, 2009). Rezultati meritev odbojnosti listnih površin so pri črnem telohu in navadni ciklami pokazali razlike v UV-območju (280–400 nm). Stari listi s kutikulo v tem delu spektra svetlobo predvsem absorbirajo, medtem ko listi brez kutikule svetlobo odbijajo (Slika 28).
Višja odbojnost se pojavlja v vidnem območju spektra (380–750 nm) in sicer v zelenem delu spektra (500–580 nm). Vrh v zelenem delu spektra je pričakovan (Rossotti, 1983 v Carter, 1993). Več raziskav je pokazalo, da stresu izpostavljene rastline povišajo stopnjo odbojnosti v rdečem delu spektra (okoli 700 nm). Vendar pa s spremembo odbojnosti ne moremo natančno določiti narave, trajanja in vrste stresa, saj se rastline odzivajo na različne vrste stresa zelo podobno (Baltzer in Thomas, 2005).
Poleg kutikule nas je zanimalo, ali imajo pomembno vlogo v odbojnosti tudi druge strukture na površini listov. Osredotočili smo se na trihome. Najprej smo izmerili njihovo dolžino. Ugotovili smo, da se izbrane rastlinske vrste med seboj bistveno ne razlikujejo v dolžini trihomov. Dolžina trihomov je odvisna predvsem od vrste in okolja (Holmes in Keiller, 2002). Poleg dolžine nas je zanimala še gostota trihomov. Ta je bila razmeroma visoka, čeprav listi na prvi pogled niso bili videti močno dlakavi. Le pri navadnem čistcu je bilo s prostim očesom in dotikom zaznati nekoliko gostejše dlačice kot pri ostalih.
Velika gostota trihomov vpliva na odbojnost v vidni regiji. Trihomi močno povečajo odboj od listne površine v vidnem delu spektra, medtem ko imajo različen vpliv v NIR območju (Liew in sod. 2008).
