Nik OJDANIČ
VPLIV DODAJANJA SILICIJA NA ODPORNOST NAVADNEGA JEČMENA NA SUŠO
MAGISTRSKO DELO Magistrski študij - 2. stopnja
Ljubljana, 2021
Nik OJDANIČ
VPLIV DODAJANJA SILICIJA NA ODPORNOST NAVADNEGA JEČMENA NA SUŠO
MAGISTRSKO DELO Magistrski študij - 2. stopnja
THE EFFECT OF SILICON ADDITION ON DROUGHT RESISTANCE OF BARLEY
M. SC. THESIS Master Study Programmes
Ljubljana, 2021
Magistrsko delo je zaključek Magistrskega študijskega programa 2. stopnje Ekologija in biodiverziteta. Delo je bilo opravljeno na Katedri za ekologijo in varstvo okolja, v skupini za ekologijo rastlin.
Študijska komisija je za mentorico magistrskega dela imenovala doc. dr. Aleksandro Golob in za recenzentko prof. dr. Katarino Vogel-Mikuš.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednica: prof. dr. Mateja GERM
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Članica: doc. dr. Aleksandra GOLOB
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Članica: prof. dr. Katarina VOGEL MIKUŠ
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo
Datum zagovora:
Nik Ojdanič
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA
ŠD Du2
DK UDK 581.5:633.16:546.28(043.2) KG ječmen, gnojenje, silicij, suša AV OJDANIČ, Nik, dipl. biol. (UN)
SA GOLOB, Aleksandra (mentorica), VOGEL-MIKUŠ, Katarina (recenzentka) KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Magistrski študijski program druge stopnje Ekologija in biodiverziteta
LI 2021
IN VPLIV DODAJANJA SILICIJA NA ODPORNOST NAVADNEGA JEČMENA NA SUŠO
TD Magistrsko delo (Magistrski študij - 2. stopnja) OP XII, 84 str., 9 pregl., 44 sl., 7 pril., 119 vir.
IJ sl JI sl/en
AI Znano je, da sušni stres negativno vpliva na fiziološke in morfološke značilnosti rastlin. V raziskavi smo želeli preveriti, kakšen učinek ima suša na ječmen, in če gnojenje s silicijem v različnih rastnih fazah ublaži posledice suše. V raziskavi smo izvajali meritve na ječmenu, ki je bil izpostavljen suši in na ječmenu, ki je bil dobro zalit. Ječmen smo s silicijem tudi gnojili v treh različnih rastnih fazah, in sicer a) pred razvojem zgornjega lista, ki je nameščen pod klasom, b) od razvoja zgornjega lista, ki je nameščen pod klasom do začetka polnjenja semen in c) po začetku polnjenja semen. Izmerili smo fiziološke in biokemijske lastnosti ječmena, število trihomov spodnje in zgornje povrhnjice, optične lastnosti ter količino dostopnega silicija v tleh.
Ugotovili smo, da je pomanjkanje vode negativno vplivalo na potencialno in dejansko fotokemično učinkovitost fotosistema II, prevodnost listnih rež, vsebnost fotosinteznih pigmentov in antocianov ter na odbojnost in presevnost. Gnojenje ječmena s silicijem ni zmanjšalo negativnih učinkov suše. Možno je, da je bilo v zemlji že dovolj silicija in zato nismo zaznali razlik med s silicijem gnojenim in ne- gnojenim ječmenom. Kljub temu smo zaznali razlike pri gnojenju s silicijem v različnih rastnih fazah. Gnojenje v drugi rastni fazi je povečalo odbojnost fotosintezno aktivnega dela svetlobnega spektra od površine listov ječmena v primerjavi z ječmenom gnojenim v prvi in tretji rastni fazi. Gnojenje v prvi rastni fazi je izboljšalo odbojnost listov ječmena v UV delu spektra.
KEY WORDS DOCUMENTATION ND Du2
DC UDC 581.5:633.16:546.28(043.2) CX barley, fertilizer, silicon, drought AU OJDANIČ, Nik, dipl. biol. (UN)
AA GOLOB, Aleksandra (supervisor), VOGEL-MIKUŠ, Katarina (reviewer) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Master Study Programme in Ecology and Biodiversity
PY 2021
TI THE EFFECT OF SILICON ADDITION ON DROUGHT RESISTANCE OF BARLEY
DT M. Sc. Thesis (Master Study Programmes) NO XIII, 84 p., 9 tab., 44 fig., 7 ann., 119 ref.
LA sl AL sl/en
AB It is well known that drought-induced stress negatively impacts physiological and morphological properties of plants. In this study our aim was to determine the effects of drought on barley and if application of silicon fertilizer at different growth stages alleviates drought stress. Silicon was applied at three stages. Firstly, before the emergence of flag leaf. Then prior to the grain filling phase. Finally, at the start of the grain filling phase.We measured physiological and biochemichal properties, number of trichomes on the upper and lower epidermis, optical properties of barley and content of accessible silicon in soil. In this study it is shown that drought stress negatively impacts potential and effective photochemichal efficiency, stomatal conductance, content of photosynthethic pigments, content of anthocyanins and reflective and transmissive properties of barley leaves. Application of silicon fertilizer did not alleviate drought stress, however, differences in reflective properties were detected between application of silicon at different growth stages. Application of silicon between flag leaf emergence and filling of grains had a better effect on reflectance of photosynthetthically active radiation compared to the other two growth stages. Application of silicon before flag leaf emergence increased reflectance of UV radiation from barley leaves. It is also possible that the concentration of silicon in the soil was such that differences when adding additional silicon were negligible.
KAZALO VSEBINE
Str.
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA III
KEY WORDS DOCUMENTATION IV
KAZALO VSEBINE V
KAZALO PREGLEDNIC IX
KAZALO SLIK X
KAZALO PRILOG XII
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI XIII
1 UVOD 1
1. 1 NAMEN DELA 1
1. 2 HIPOTEZE 1
2 PREGLED OBJAV 2
2. 1 GLOBALNE SPREMEMBE 2
2. 1. 1 Klimatske spremembe in globalno segrevanje 2 2. 1. 2 Klimatske spremembe in rastlinske združbe 3 2. 1. 3 Klimatske spremembe in prehransko pomembne rastline 3
2. 2 SUŠA IN VPLIV NA RASTLINE 4
2. 2. 1 Vpliv suše na produktivnost rastline 4
2. 2. 2 Vpliv suše na vodni režim rastlin 5
2. 2. 3 Vpliv suše na fotosintezo 6
2. 2. 4 Prilagoditve rastlin na sušo 8
2. 2. 5 Antioksidativni odgovor na pomanjkanje vode 9
2. 3 SILICIJ IN RASTLINE 10
2. 3. 1 Morfološki odzivi rastlin na sušo in silicij 11 2. 3. 2 Fiziološki odzivi rastlin na sušo in silicij 12 2. 3. 3 Vpliv silicija na privzem mineralnih snovi pri pomanjkanju vode 12
2. 3. 4 Oksidativni stres in silicij 13
2. 3. 5 Ječmen in silicij 14
3 MATERIAL IN METODE 15
3. 1 POSTAVITEV POSKUSA 15
3. 2 GNOJENJE IN ZALIVANJE JEČMENA 17
3. 3 In situ MERITVE 17
3. 3. 1 Fotokemična učinkovitost fotosistema II 17
3. 3. 2 Prevodnost listnih rež 18
3. 4 LABORATORIJSKE MERITVE 18
3. 4. 1 Število trihomov 18
3. 4. 2 Relativna vsebnost vode (RWC) 18
3. 4. 3 Odbojnost in presevnost 19
3. 4. 4 Klorofili in karotenoidi 19
3. 4. 5 Antociani in UV absorbirajoče snovi 20
3. 4. 6 Dostopnost Si v tleh 20
3. 4. 7 Statistična obdelava in prikaz podatkov 21
4 REZULTATI 22
4. 1 REZULTATI MERITEV VLAŽNOSTI PRSTI 22
4. 1. 1 Meritve vlažnosti zgornjih 10 cm tal 22
4. 1. 2 Meritve sond 23
4. 2 FIZIOLOŠKE MERITVE 23
4. 2. 1 Potencialna fotokemična učinkovitost (Fv/Fm) 24 4. 2. 2 Dejanska fotokemična učinkovitost (Yield) 26
4. 2. 3 Prevodnost listnih rež 26
4. 2. 4 PCA fizioloških parametrov 28
4. 3 BIOKEMIJSKE MERITVE 30
4. 3. 1 Vsebnost klorofila a 31
4. 3. 2 Vsebnost klorofila b 31
4. 3. 3 Vsebnost karotenoidov 32
4. 3. 4 Vsebnost antocianov 33
4. 3. 5 PCA biokemijskih parametrov 35
4. 4 TRIHOMI 36
4. 4. 1 Število trihomov spodnje povrhnjice 37
4. 5 ODBOJNOST 38
4. 5. 1 UV-B del spektra 40
4. 5. 2 UV-A del spektra 41
4. 5. 3 Modri del spektra 42
4. 5. 4 Zeleni del spektra 43
4. 5. 5 Rumeni del spektra 44
4. 5. 6 Rdeči del spektra 45
4. 5. 7 NIR del spektra 46
4. 5. 8 PCA odbojnosti 47
4. 6 PRESEVNOST 48
4. 6. 1 UV-B del spektra 50
4. 6. 2 UV-A del spektra 51
4. 6. 3 Modri del spektra 52
4. 6. 4 Zeleni del spektra 53
4. 6. 5 Rumeni del spektra 54
4. 6. 6 Rdeči del spektra 55
4. 6. 7 NIR del spektra 56
4. 6. 8 PCA presevnosti 57
4. 7 KOLIČINA DOSTOPNEGA SI V TLEH 58
4. 8 DVOSMERNA ANALIZA GROZDOV VSEH PARAMETROV 60
5 RAZPRAVA 62
5. 1 VPLIV POMANJKANJA VODE PRI JEČMENU 62
5. 1. 1 Vpliv pomanjkanja vode na fiziološke meritve 62 5. 1. 2 Vpliv pomanjkanja vode na biokemijske parametre 63
5. 1. 2. 1 Vpliv pomanjkanja vode na RWC 63
5. 1. 2. 2 Vpliv pomanjkanja vode na vsebnost pigmentov 63 5. 1. 2. 3 Vpliv pomanjkanja vode na odbojnost in presevnost 65 5. 2 VPLIV UPORABE SILICIJEVEGA GNOJILA OB SUŠNEM STRESU PRI
JEČMENU 65
5. 2. 1 Učinki gnojenja s Si na fiziološke parametre 66 5. 2. 2 Učinki gnojenja s Si na število trihomov spodnje in zgornje povrhnjice 66 5. 2. 3 Učinki gnojenja s Si na biokemijske parametre 67 5. 2. 4 Učinki gnojenja s Si na optične lastnosti listov 67
6 SKLEPI 69
7 POVZETEK 70
8 VIRI 72
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 1: Oznake in lastnosti izpostavitev ... 16
Preglednica 2: Začetek in konec gnojenja s Si za posamezno rastno fazo in število gnojenj znotraj vsake rastne faze ... 17
Preglednica 3: Povprečna vlažnost površinskega sloja prsti tekom poskusa ... 22
Preglednica 4: Povprečne vrednosti vlažnosti zemlje pred izvajanjem suše pri meritvah z BT sondami ... 23
Preglednica 5: P-vrednosti za rezultate vseh meritev fizioloških parametrov ... 24
Preglednica 6: P-vrednosti za rezultate vseh meritev biokemijskih parametrov ... 30
Preglednica 7: P-vrednosti za rezultateštevila trihomov spodnje in zgornje povrhnjice ... 36
Preglednica 8: P-vrednosti za rezultate vseh meritev odbojnosti ... 38
Preglednica 9: P-vrednosti za rezultate vseh meritev presevnosti ... 48
KAZALO SLIK
Slika 1: Shema vpliva sušnega stresa na fotosintezno aktivnost rastlin (Farooq in sod., 2012).
...7
Slika 2: Pozitivni učinki dodatka Si gnojila pod vplivom suše (Farooq in sod., 2012) ... 11
Slika 3: Končana postavitev poskusa (foto: Ojdanič N., 2021)... 15
Slika 4: Postavitev korit glede na izpostavitve. ... 16
Slika 5: Diagram kvartilov za vrednosti Fv/Fm vseh izpostavitev pri drugih meritvah. ... 25
Slika 6: Diagram kvartilov za vrednosti Fv/Fm vseh izpostavitev pri tretjih meritvah. ... 25
Slika 7: Diagram kvartilov za vrednosti Yield vseh izpostavitev pri tretjih meritvah. ... 26
Slika 8: Diagram kvartilov prevodnosti listnih rež, izražene v mmol H2O/m2s, glede na čas dodajanja Si gnojila pri tretjem merjenju. ... 27
Slika 9: Diagram kvartilov prevodnosti listnih rež vseh izpostavitev, izražene v mmol H2O/m2s, pri prvem merjenju. ... 27
Slika 10: Diagram kvartilov prevodnosti listnih rež obravnav, izražene v mmol H2O/m2s, pri tretjem merjenju. ... 28
Slika 11: Analiza glavnih komponent posameznih vrednosti fizioloških parametrov izmerjenih pri tretjih meritvah. ... 29
Slika 12: Analiza glavnih komponent fizioloških parametrov izmerjenih pri tretjih meritvah. ... 29
Slika 13: Diagram kvartilov vsebnosti klorofila a, izražene v mg/g suhe mase, pri prvem merjenju. ... 31
Slika 14: Diagram kvartilov vsebnosti klorofila b, izražene v mg/g suhe mase, pri prvem merjenju. ... 32
Slika 15: Diagram kvartilov vsebnosti karotenoidov, izražene v mg/g suhe mase, pri prvem merjenju. ... 33
Slika 16: Diagram kvartilov vsebnosti antocianov, izražene v A/g , pri prvem merjenju. .. 34
Slika 17: Diagram kvartilov vsebnosti antocianov, izražene v A/g , pri drugem merjenju. 34 Slika 18: Analiza glavnih komponent vseh vrednosti biokemijskih parametrov izmerjenih pri drugem merjenju. ... 35
Slika 19: Analiza glavnih komponent biokemijskih parametrov izmerjenih pri drugem merjenju. ... 36
Slika 20: Diagram kvartilov števila trihomov spodnje povrhnjice glede na čas dodajanja Si gnojila. ... 37
Slika 21: Linijski grafikon povprečne vrednosti trihomov pri različnem načinu gnojenja in vodnem režimu. ... 38
Slika 22:Graf odbojnosti UV, NIR in vidnega spektra za vse izpostavitve.. ... 39
Slika 23: Diagram kvartilov odbojnosti UV-B dela spektra. ... 40
Slika 24: Diagram kvartilov odbojnosti UV-A dela spektra. ... 41
Slika 25: Diagram kvartilov odbojnosti modrega dela spektra. ... 42
Slika 26: Diagram kvartilov odbojnosti zelenega dela spektra. ... 43
Slika 27: Diagram kvartilov odbojnosti rumenega dela spektra... 44
Slika 28: Diagram kvartilov odbojnosti rdečega dela spektra. ... 45
Slika 29: Diagram kvartilov odbojnosti NIR dela spektra. ... 46
Slika 30: Analiza glavnih komponent vseh vrednosti odbojnosti UV, vidnega in NIR dela spektra. ... 47
Slika 31: Analiza glavnih komponent odbojnosti UV, vidnega in NIR dela spektra. ... 48
Slika 32: Graf presevnosti UV, NIR in vidnega spektra za vse izpostavitve. ... 49
Slika 33: Diagram kvartilov presevnosti UV-B dela spektra. ... 50
Slika 34: Diagram kvartilov presevnosti UV-A dela spektra. ... 51
Slika 35: Diagram kvartilov presevnosti modrega dela spektra. ... 52
Slika 36: Diagram kvartilov presevnosti zelenega dela spektra. ... 53
Slika 37: Diagram kvartilov presevnosti rumenega dela spektra. ... 54
Slika 38: Diagram kvartilov presevnosti rdečega dela spektra. ... 55
Slika 39: Diagram kvartilov presevnosti NIR dela spektra. ... 56
Slika 40:Analiza glavnih komponent vseh vrednosti presevnosti UV, vidnega in NIR dela spektra. ... 57
Slika 41: Analiza glavnih komponent presevnosti UV, vidnega in NIR dela spektra. ... 58
Slika 42: Diagram kvartilov dostopnega Si v tleh izraženega v mg Si/kg tal. ... 59
Slika 43: Diagram kvartilov količine dostopnega Si v tleh glede na čas dodajanja Si gnojila ... 59
Slika 44: Barvni diagram z-normaliziranih vrednosti merjenih parametrov za vse izpostavitve. ... 61
KAZALO PRILOG
PRILOGA A: Povprečne vrednosti fizioloških meritev vseh izpostavitev ječmena.
PRILOGA B: Povprečne vrednosti prvih biokemijskih meritev vsebnosti pigmentov in UV absorbirajočih snovi.
PRILOGA C: Povprečne vrednosti drugih biokemijskih meritev vsebnosti pigmentov in UV absorbirajočih snovi in prvih meritev RWC.
PRILOGA D: Povprečne vrednosti števila trihomov na spodnji in zgornji povrhnjici.
PRILOGA E: Povprečne vrednosti odbojnosti UV dela, vidnega dela in NIR dela spektra.
PRILOGA F: Povprečne vrednosti presevnosti UV dela, vidnega dela in NIR dela spektra.
PRILOGA G: Povprečne vrednosti dostopnega Si v tleh.
OKRAJŠAVE IN SIMBOLI
ABA Abscizinska kislina
FV/FM Potencialna fotokemična učinkovitost IPCC Medvladni panel za podnebne spremembe
MDA Malondialdehid
PAR Fotosintezno aktivno sevanje
FS II Fotosistem II
RWC Relativna vsebnost vode
YIELD Dejanska fotokemična učinkovitost
1 UVOD
V prihajajočih desetletjih bodo zaradi klimatskih sprememb sledile številne spremembe v regionalni in lokalni klimi (Cook in sod., 2018). Pojavnost in trajanje sušnih obdobij se bo posledično v določenih območjih povečalo. Suša ima na neprilagojene rastline negativne učinke. Ob povečani jakosti in trajanju suše se negativni učinki kažejo tudi na rastlinah, ki so prilagojene na sušo. Suša negativno vpliva na različne fiziološke procese v rastlinah in posledično zmanjša njihovo produktivnost (Farooq in sod., 2009). Pomanjkanje vode je resna agronomska težava in eden od najpomembnejših dejavnikov, ki zmanjšujejo pridelek kmetijskih rastlin, med katere spada tudi ječmen. Silicij je element, ki je koristen za rastline, ampak ni klasificiran kot esencialni element (Epstein, 2009). Znano je, da dodatek silicija ublaži sušni stres, čeprav je bilo tudi dokazano, da lahko pomanjkanje vode zmanjša njegov privzem v rastline (Ma in sod., 2006). Prav tako je znano, da ima dodajanje silicija v različnih rastnih fazah različne učinke na končno biomaso in pridelek rastlin (Gong in sod., 2008).
1. 1 NAMEN DELA
Namen dela je bilo raziskati, kakšne so fiziološke in biokemijske razlike med ječmenom, ki je bil gojen v sušnih razmerah in ječmenom, ki je bil redno zalivan. Zanimalo nas je, kako se fiziološke, biokemijske in morfološke lastnosti spreminjajo, če ječmen gnojimo s silicijevim gnojilom, in če gnojenje s silicijem ublaži sušni stres. Zanimalo nas je tudi, kakšne so razlike, če ječmen gnojimo s silicijem v različnih rastnih fazah (gnojenje od faze razraščanja listov do razvoja zgornjega lista, ki je prvi nameščen pod klasom v fazi kolenčenja, gnojenje od razvoja zgornjega lista, ki je prvi nameščen pod klasom do faze polnjenja semen in gnojenje po fazi polnjenja semen). Želeli smo ugotoviti, kdaj je najbolj optimalno dodajati silicij, da so pozitivni učinki v primeru suše največji.
1. 2 HIPOTEZE
Postavili smo si naslednje hipoteze.
• Suša bo negativno vplivala na fiziološke in biokemijske parametre pri ječmenu.
• Dodani Si bo ublažil negativne učinke suše pri ječmenu.
• Učinek Si bo odvisen od tega, v kateri fazi razvoja rastline, bo dodan.
2 PREGLED OBJAV
2. 1 GLOBALNE SPREMEMBE
2. 1. 1 Klimatske spremembe in globalno segrevanje
Klimatske spremembe so spremembe v vremenskih vzorcih, ki so značilni za Zemljino lokalno, regionalno in globalno klimo. V naravnih razmerah so klimatske spremembe posledica naravnih procesov, katerih gonilna sila so organizmi. Problematika globalnih in klimatskih sprememb se je pojavila v zadnjem stoletju zaradi antropogenih vplivov, ki spremembe precej pospešijo. Eden od glavnih razlogov za klimatske spremembe je globalno segrevanje, ki je v veliki meri posledica antropogeno povzročenih emisij toplogrednih plinov (Lenton in sod., 2019).
Globalno segrevanje ozračja in morske gladine vodi do točk preloma. Točke preloma so dogodki, po katerih se sproži neustavljiva kaskada dogodkov, ki pogosto delujejo kot povratne zanke. Kot primer točke preloma je taljenje večjih ledenih plošč, ki ob taljenju višajo nivo morske gladine. Višanje morske gladine dodatno pospeši taljenje ledenikov (Lenton in sod., 2019). V organizaciji IPCC so leta 2018 ocenili, da bi povišanje povprečne temperature na globalni ravni za več kot 1,5°C v 21. stoletju sprožilo številne točke preloma, kar bi imelo katastrofalne učinke v naravnih ekosistemih in človeški družbi .
Višje povprečne temperature imajo različne učinke v ekosistemih. Višanje temperatur vpliva na izgubo koralnih grebenov, taljenje ledenikov in hitre spremembe znotraj morskih in kopenskih ekosistemov. Pojavnost in intenziteta suš se poveča in povzroča upadanje biomase primarnih proizvajalcev. Manjša biomasa rastlin vodi v zmanjšano vezavo ogljikovega dioksida. Verjetnost požarov naraste in ekosistemi, ki so v preteklosti bili bolj odporni na požare postanejo občutljivi (Turner in sod., 2019).
Zaenkrat so posledice klimatskih sprememb v ekosistemih relativno majhne v primerjavi s posledicami antropogenih motenj kot so izsekavanje gozdov, izguba vegetacije, spremembe v rabi tal, fragmentacija in izguba habitatov. Številne antropogene motnje v ekosistemih lahko tudi posredno vplivajo na povečano hitrost klimatskih sprememb. Pričakovano je, da bodo posledice globalnih sprememb bolj opazne v prihajajočih desetletjih. Pojavnost ekstremnih vremenskih dogodkov v kombinaciji z že znanimi pritiski človeštva bodo povečale občutljivost ekosistemov in oslabile potencial za prilagajanje na prihajajoče spremembe (Malhi in sod., 2019).
2. 1. 2 Klimatske spremembe in rastlinske združbe
Klimatske spremembe bodo v prihajajočih letih različno vplivale na ekosisteme v različnih regijah. Kakšni bodo odzivi rastlinskih družb, je odvisno od sedanjih klimatskih razmer in prilagoditev rastlin na te razmere. V aridnih ekosistemih, kjer so temperature visoke in je omejujoči faktor za rast in razvoj rastlin voda, bo vodni stres dodatno povečan, kar bo zmanjšalo diverziteto rastlin in njihovo biomaso (Huang in sod., 2016). Na območjih z visoko nadmorsko višino, kjer sta omejujoča faktorja toplota in dolžina rastne sezone, bodo učinki višanja temperatur delovali pozitivno. Višje povprečne temperature bodo podaljšale obdobje rastne sezone in odprle nove niše rastlinam, ki zaenkrat v visokih legah ne morejo uspevati (Harrison, 2020). Rastlinske vrste se bodo kot odgovor na klimatske spremembe funkcionalno spremenile, premaknile proti bolj ugodnim območjem, ali bodo pa izumrle.
Predvideva se, da bo strategija razširjanja na daljše razdalje manj verjetna, razen za mobilne generaliste, ki so že prilagojeni na višje temperature (Neilson in sod., 2005). V primeru, da so migracije rastlin proti bolj ustreznem okolju manj verjetne kot izumiranje neprilagojenih rastlin, bodo prihajajoče klimatske spremembe vodile v globalno izgubo rastlinske pestrosti (Harrison, 2020).
2. 1. 3 Klimatske spremembe in prehransko pomembne rastline
Večja pojavnost in trajanje suše je posledica klimatskih sprememb in eden od glavnih dejavnikov, ki vzbuja skrb pri pridelovanju agronomsko pomembnih rastlin. Sušo uvrščamo med ekstremne vremenske pojave in jo lahko umestimo v dve različni kategoriji, in sicer meteorološko sušo, ki je posledica zmanjšane količine padavin in visoke temperature in hidrološko sušo, ki je posledica znižanja nivoja podtalnice. Z antropogenega vidika lahko sušo delimo na kmetijsko sušo in družbeno-ekonomsko sušo. Pri kmetijski suši govorimo o zmanjšanju pridelka zaradi pomanjkanja padavin in povišane evaporacije. Družbeno- ekonomska suša predstavlja posledice, ki jih povzročata meteorološka in hidrološka suša v človeški družbi (Nath in sod., 2016). Suša ima posreden in neposreden vpliv na živilski sistem in produkcijo hrane. Neposredno vpliva na letni pridelek poljščin in posredno na živinorejo. Pri živinoreji je vpliv največji pri prosto rejeni živini, saj se krmna vrednost rastlin v okolju ob suši zniža.
Suša ima različne vplive v različnih regijah sveta in posledično so regije različno občutljive na sušo. V agronomskem smislu gledano so najbolj občutljive tiste regije, kjer se padavine sezonsko pojavljajo. Dober primer je Indija, kjer v poletnem času pade približno 80% letnih padavin (Parthasarathy in sod., 1987). Indija je država, v kateri je agronomski sektor v celoti odvisen od letne količine padavin in pojavnost suše predvsem v poletnem času pušča ogromne posledice v živilskem sistemu. V najslabših letih je celoten kmetijski pridelek države zaradi suše zmanjšan za več kot 20% (Nath in sod., 2016).
V prihajajočih letih bodo sušno najbolj ogrožena aridna območja v regijah, kjer je značilna mediteranska klima. Ta območja so v agronomskem smislu v veliki meri odvisna od sezonskega pojavljanja padavin predvsem v zimskem in poletnem času (Tsakiris in Tigkas, 2007). Primer izgub prehransko pomembnih rastlin zaradi suše v mediteranskem podnebju je letno nihanje donosa zimskih sort žit v Španiji. Vremenske razmere Iberskega polotoka so variabilne in pojavnost suš je visoka (Moreno 2005). Posledično je produkcija žitaric v Španiji v največji meri odvisna od dolžine trajanja suše v zimskem letnem času (Rodríguez- Puebla in sod., 2007).
Leta 2012 so bile Združene države Amerike podvržene dolgotrajni suši, ki je povzročila ogromno škodo v kmetijstvu. Izgube donosa agronomsko pomembnih rastlin so bile primerljive z izgubami leta 1930 zaradi serije peščenih viharjev v osrednjem delu Združenih držav Amerike (Lal in sod., 2012). Največje izgube so zabeležili pri pridelovanju koruze, navadnega sireka, bombaža in soje. Za 1820 okrožij so bile razglašene izredne razmere, najbolj prizadeto območje je bilo znotraj zvezne države Teksas. V Teksasu so v sušnem obdobju zabeležili tudi številne požare, ki so negativno vplivali na krmišča za živali v prosti reji (Lal in sod., 2012).
Suša je bila že v 20. stoletju pomemben dejavnik v kmetijstvu in ostaja tudi v 21. stoletju. V prihajajočih desetletjih pričakujejo podaljšanje sušnih obdobij in večjo frekvenco pojavljanja. V prihodnosti bodo za živilski sistem potrebne spremembe v kmetijski praksi z namenom prilagajanja na sušna obdobja.
2. 2 SUŠA IN VPLIV NA RASTLINE 2. 2. 1 Vpliv suše na produktivnost rastline
Rast rastlin je odvisna od deljenja celic, diferenciacije celic in njihove rasti. Celična rast je odvisna od fizioloških, morfoloških, ekoloških in genetskih lastnosti in od kompleksnih interakcij med njimi. Pomanjkanje vode ima znaten vpliv na te lastnosti (Farooq in sod., 2009). Od številnih različnih abiotskih dejavnikov, ki povzročajo stres, je suša najbolj uničujoča, saj v primerjavi z ostalimi dejavniki povzroča največji padec v produktivnosti rastlin (Lambers in sod., 2008). V splošnem smislu suša povzroči zmanjšano stopnjo celičnih delitev in posledično se zmanjša površina listov, dolžina stebla in dolžina korenin. Poleg tega suša povzroči motnje v delovanju listnih rež in spremeni vodni režim rastline.
Zmanjšana stopnja celičnih delitev in upočasnjena celična rast je rezultat oslabljene aktivnosti različnih encimov, izgube turgorja in pomanjkanja energije zaradi zmanjšane stopnje fotosinteze (Taiz in Zeiger, 2010). Suša tudi zmanjša indeks listne površine (LAI), ki kaže na sposobnost lista za asimilacijo svetlobe. Posledice naštetega so motnje v različnih fazah rasti rastlin, ki negativno vplivajo na njihovo biomaso (Farooq in sod., 2012). V antropogenem smislu gledano je glavna grožnja suše zmanjšan pridelek agronomsko
pomembnih rastlin, kar vodi v zmanjšano preskrbo s hrano in ima ogromne družbeno- socialne posledice. Kakšen vpliv ima suša na morfološke, fiziološke in biokemijske procese znotraj rastlin, je močno odvisno od rastne faze rastline in od jakosti stresa, ki ga povzroča suša.
Poleg tega, da je učinek suše odvisen od rastne faze rastline, je potrebno tudi upoštevati, da suša na različne rastline ne vpliva enako, saj so določene rastline bolje prilagojene na sušni stres kot ostale in posledično so lahko odzivi zelo različni. Kot primer različnih odzivov na sušo je upočasnjeno oziroma predčasno cvetenje rastlin. Suša pri koruzi (Abrecht in Carberry, 1993), kvinoji (Geerts in sod., 2008) in rižu (Fukai, 1999) povzroči zakasnjeno cvetenje. V kontrastu z omenjenimi rastlinami suša pri soji (Desclaux in Roumet, 1996), pšenici in ječmenu (McMaster in Wilhelm, 2003) povzroči predčasno cvetenje. Omenjena interakcija med sušo in časom cvetenja nakazuje na to, da suša močno vpliva na fenologijo rastlin. Predčasen prehod iz vegetativne faze v reproduktivno fazo, kot je značilno za sojo, pšenico in ječmen neposredno vpliva na zmanjšano količino pridelka (Farooq in sod., 2012).
2. 2. 2 Vpliv suše na vodni režim rastlin
Relativna vsebnost vode, osmotski potencial, učinkovitost porabe vode in stopnja transpiracije so parametri, ki se močno razlikujejo med rastlinami, ki so izpostavljene sušnemu stresu in rastlinami, ki imajo na razpolago dovolj vode (Kirkham, 2004). Vpliv suše na te parametre je odvisen tudi od časa trajanja suše in jakosti suše. Vsebnost vode v tkivih rastlin se linearno manjša z višanjem jakosti suše ali trajanja suše (Reddy in sod., 2004).
Relativna vsebnost vode (RWC) je razmerje med dejansko vsebnostjo vode v tkivu in vrednostjo popolne saturacije z vodo v tkivu izraženo v obliki deleža. Pri sončnicah so Ouvrard in sod. (1996) v poljskem poskusu ugotovili, da je RWC pri sončnicah, ki so bile izpostavljene suši, bilo nižje kot pri rastlinah, ki so bile gojene v normalnih razmerah. Poleg tega so ugotovili, da je učinek suše različen glede na različne genotipe sončnic, namreč genotipi, ki so bili bolj tolerantni na sušni stres so imeli večji RWC in osmotski potencial.
Učinkovitost uporabe vode je razmerje med producirano suho snovjo in količino vode, ki jo rastlina porabi. V poskusu na pšenici so Abbate in sod. (2004) prišli do zaključka, da je učinkovitost uporabe vode večja v sušnih razmerah. Večje vrednosti učinkovitosti uporabe vode pri suši so bile na račun zaprtja listnih rež in manjše transpiracije, kar je posledično pomenilo, da so bile izgube vode zaradi evapotranspiracije manjše. Ohranjanje učinkovitosti uporabe vode preko zapiranja listnih rež je fiziološki odziv rastlin na pomanjkanje vode (Farooq in sod., 2009).
Stopnja transpiracije je zaradi sušnega stresa manjša. Kot odziv na sušo rastline zaprejo listne reže z namenom manjše izgube vode zaradi evapotranspiracije. Abscizinska kislina
(ABA) je rastlinski hormon, ki deluje kot signalna molekula za zapiranje listnih rež. Sinteza ABA se sproži, ko korenine zaznajo padec v vlažnosti prsti. ABA se transportira v liste in deluje kot signalna molekula, ki jo zaznajo celice zapiralke v katerih se zmanjša osmotski tlak. Manjši osmotski tlak vodi v padec turgorja, ki povzroči zapiranje listnih rež (Boursiac in sod., 2013). Zaprte listne reže zmanjšajo osmotski potencial in posledično je privzem vode skozi korenine tudi manjši. Transpiracija je tudi mehanizem, ki omogoča ohlajanje listne površine. V sušnih razmerah, ko so listne reže zaprte, in ko je stopnja transpiracije manjša, se poveča temperatura listne površine (Siddique in sod., 2001).
Omejen privzem hranil iz tal kot so natrij, kalij in fosfor je pogost pojav, kadar se rastline spopadajo s pomanjkanjem vode. Poleg tega je voda ključna pri premeščanju vodotopnih hranil med različnimi tkivi rastline (Singh in Singh, 2004). Privzem hranil iz tal je odvisen od interakcij med tlemi in površino korenin. Na privzem vpliva morfologija in stopnja rasti korenin, kinetika privzema hranil v korenine in količina, ter dostopnost hranil v tleh (Gutierrez-Boemand in Thomas, 1999). Ob pomanjkanju vode se privzem hranilnih snovi upočasni oziroma zmanjša, ker vodni potencial zemlje upočasni stopnjo difuzije med zemljo in površino korenin.
Omejitev transpiracije kot odgovor na sušo z namenom zadrževanja vode v rastlini vpliva na stopnjo fotosinteze, ki je pri zaprtih listnih režah manjša. Posledično manjša stopnja transpiracije vodi v manjšo produkcijo energije, ki je potrebna za privzem NO3-, NH4, PO43-
in SO42- (Grossman in Takahashi, 2001).
2. 2. 3 Vpliv suše na fotosintezo
Fotosinteza je biokemijski proces, v katerem rastline izrabljajo sončno energijo, ki jo pretvorijo v kemično. Ta energija se nato porabi pri pretvorbi fiksiranega ogljikovega dioksida v organsko obliko ogljika. Je eden od pomembnejših faktorjev, ki vplivajo na rast rastlin in njihovo končno biomaso. Celoten proces fotosinteze je občutljiv na sušo, saj številne posledice sušnega stresa kot so zmanjšana listna površina, zapiranje listnih rež, poškodbe encimov, ki sodelujejo pri karboksilaciji in sintezi ATP in poškodbe fotosinteznega aparata neposredno vplivajo na učinkovitost fotosinteze (Yamane in sod., 2003). Fiksacija CO2 je pri rastlinah, ki so izpostavljene suši oslabljena. Zapiranje listnih rež je eden od najbolj splošnih odzivov rastlin na sušo in omogoča boljše zadrževanje vode na račun manjše fiksacije CO2 (Medrano in sod., 2002). Ob zmerni jakosti suše je površina listnih rež, ki so odprte, zmanjšana zaradi zmanjšanega vodnega potenciala in turgorja v listnih režah. Asimilacija CO2 in prevodnost listnih rež se z večanjem jakosti suše manjšata (Iqbal in sod., 2009). Značilno je, da suša povzroči poškodbe ključnih encimov, ki sodelujejo v fotosintezi. Pogoste so okvare Rubisco encima, fosfoenolpiruvat karboksilaze, piruvat fosfat dikinaze in NADP-malat dehidrogenaze (Farooq in sod., 2009).
Ob zaprtju listnih rež se znotraj lista spremeni razmerje med CO2 in O2. V primeru, da je na voljo več CO2, encim Rubisco deluje kot karboksilaza. V primeru, ko je na voljo več O2 ima Rubisco večjo afiniteto do kisika in deluje kot oksigenaza. Pod sušnim stresom je razmerje med kisikom in ogljikovim dioksidom pomaknjeno proti kisiku in namesto fotosinteze prevlada fotorespiracija (Ghannoum, 2009). Fotorespiracija ima ugodne učinke na rastlino v primeru pomanjkanja vode, saj omogoča sproščanje energije in posledično zmanjša fotoinhibicijo. Eden od stranskih produktov fotorespiracije je aminokislina glicin, ki se uporablja za sintezo glutationa, ki deluje kot antioksidant. Poleg tega še obnavlja zalogo ribuloze difosfata, ki se uporabi v Calvinovem ciklu (Farooq in sod., 2012). Kljub temu, da lahko fotorespiracija deluje pozitivno na rastlino, je v preveliki meri lahko škodljiva. Eden od produktov fotorespiracije je vodikov peroksid (H2O2), ki nastaja v peroksisomih in povzroča oksidativne poškodbe v fotosintetskih tkivih. Pri C3 rastlinah fotorespiracija proizvede 70% celotnega H2O2 v sušnih razmerah (Noctor in sod., 2002). Poleg H2O2 se poveča tudi količina ostalih reaktivnih kisikovih spojin kot so superoksidni anionski radikali, hidroksilni radikali, alkoksi radikali in singletni kisik. Reaktivne kisikove spojine so toksične in v odsotnosti obrambnih mehanizmov povzročajo poškodbe proteinov, lipidnih struktur, raznih makromolekul in DNA (Rout and Shaw, 2001).
Sušne razmere vplivajo na količino klorofila, karotenoidov in ksantofilov v rastlini. Ti pigmenti so bistveni za fotosintezo, saj omogočajo sprejem sončne svetlobe in njeno pretvorbo v kemično energijo. Sušni stres zmanjša količino klorofila a in klorofila b v listih (Asrar in Elhindi, 2011). Prav tako zmanjša potencialno in dejansko fotokemično učinkovitost rastlin. Dejanska fotokemična učinkovitost je manjša zaradi zaprtih listnih rež in zmanjšane fiksacije CO2. Če suša traja dalj časa, potem se potencialna učinkovitost zmanjša zaradi poškodb fotosinteznega aparata. Podaljšan sušni stres tudi oslabi fluorescenco klorofilov, ki je mehanizem za odvajanje odvečne energije (Miyashita in sod., 2005).
Slika 1: Shema vpliva sušnega stresa na fotosintezno aktivnost rastlin (Farooq in sod., 2012: 8).
2. 2. 4 Prilagoditve rastlin na sušo
Rastline pridobivajo vodo iz zemlje preko korenin in odziv koreninskega sistema je kritičen za uspešno premagovanje sušnega stresa. Nekatere rastline imajo sposobnost pospešene rasti koreninskega sistema z namenom iskanja vodnih virov oziroma črpanja vode iz globljega profila tal (Hu in Xiong, 2014). Pogosta strategija rastlin, ki se izogibajo sušnim razmeram, je povečano razmerje med koreninskim sistemom in nadzemnim delom rastline. Bolj razvejan in globok koreninski sistem omogoča črpanje vode tudi v primeru suše. Te rastline lahko vzdržujejo visok vodni potencial in lahko imajo odprte listne reže dalj časa, kar pozitivno vpliva na njihovo rast in razvoj (Larcher, 2003). Ena od poznanih prilagoditev je tudi razvoj kseromorfnih struktur kot so epidermalni trihomi, manjši in bolj kompaktni listi, manjše in bolj gosto nameščene listne reže, debelejše palisadno tkivo, večje razmerje med palisadnim in gobastim tkivom v listu in debelejšo kutikulo. Trihomi lahko zmanjšajo stopnjo transpiracije pri pomanjkanju vode in hkrati ob intenzivnem sončnem sevanju odbijajo svetlobo. Poleg trihomov se lahko na povrhnjici nabirajo lipidi, ki tvorijo voskast ovoj, ki zmanjša stopnjo transpiracije, odbija svetlobo in prepreči preveliko segrevanje listov (Abdulrahaman in Oladele, 2011). Povečana količina palisadnega tkiva omogoča zadrževanje vode in posledično zmanjša poškodbe listov zaradi pomanjkanja vode (Guha in sod., 2010).
Lastnost, ki vpliva na toleranco na sušni stres, je tudi tip fotosinteze. Proces je odvisen od vezave ogljikovega dioksida z odprtostjo listnih rež in od fotosintezne aktivnosti v celicah mezofila. Sušni stres vpliva na temotne in svetlobne reakcije fotosinteze (Fang in Xiong, 2014). Rastline so tekom evolucije razvile tri različne načine fotosinteze in sicer C3, C4 in CAM. Rastline, ki imajo C4 in CAM tip fotosinteze, bolje prenašajo sušni stres kot rastline, ki imajo C3 tip fotosinteze. Ko so listne reže odprte, CO2 neposredno vstopa v Calvinov cikel kjer nastaja 3-fosfoglicerat. Za C3 rastline je značilno, da imajo listne reže odprte čez dan z namenom fiksacije CO2. Ponoči imajo listne reže zaprte, saj svetlobne reakcije ne potekajo in vezava CO2 ni potrebna. C4 tip fozosinteze je prilagoditev na vročo in sušno okolje in se od C3 tipa razlikuje v fiksaciji CO2. Pred vstopom v Calvinov cikel se CO2, v obliki H2CO3, veže v oksaloacetat. Spojina se reducira v malat in zapusti mezofilne celice in vstopa v celice žilnega ovoja, kjer se oksidira do piruvata in sprosti se CO2. Sproščeni CO2 se vključi v Calvinov cikel. Piruvat vstopa nazaj v mezofilne celice, kjer se pretvori v fosfoenolpiruvat, ki se ob vezavi CO2 pretvori v oksaloacetat. Posplošeno je glavna razlika med C3 in C4 rastlinami prostorsko ločena vezava CO2 v Calvinov cikel. Takšen mehanizem vezave CO2 omogoča C4 rastlinam boljše premagovanje sušnega stresa in omogoča obstoj v aridnih območjih (Chaves in sod., 2003). Če lahko C4 tip fotosinteze opišemo kot prostorsko ločeno vezavo CO2 v Calvinov cikel, potem lahko CAM tip fotosinteze opišemo kot časovno ločeno vezavo CO2. Za CAM je značilno, da so listne reže odprte ponoči, ko je zrak bolj vlažen in hladen. Fiksacija poteka podobno kot pri C4 tako, da se CO2, v obliki H2CO3, veže na oksaloacetat, ki se pretvori v malat. Malat se zaradi svoje kislosti shranjuje
v vakuolah z namenom preprečevanja nižanja pH v citosolu. Čez dan so listne reže zaprte zato, da se prepreči prekomerna izguba vode. Kljub temu, da so listne reže zaprte, svetlobne reakcije normalno potekajo, ker imajo listi na voljo CO2, ki je shranjen v malatu. CAM je prilagoditev rastlin na ekstremna okolja in drastično poveča učinkovitost upravljanja z vodo v rastlini (Cushman, 2001). Obstajajo tudi fakultativne CAM rastline, v katerih primarno poteka C3 fotosinzeta in so sposobne preklopiti na CAM tip fotosinteze ob izpostavitvi sušnemu stresu (Sanchez in sod., 2006).
Rastline lahko, kot odgovor na pomanjkanje vode koncentrirajo tudi različne spojine kot so prolin, glicin, betain, trehaloza, fruktan in ioni v citoplazmi z namenom manjšanja osmotskega potenciala. Manjši osmotski potencial omogoča bolj učinkovito zadrževanje vode v celici (Fang in Xiong, 2014). Opisana prilagoditev osmotskega potenciala omogoča vzdrževanje celične strukture in nemoteno fotosintezno aktivnost pri pomanjkanju vode.
Prav tako lahko ta mehanizem zakasni senescenco listov in izboljša rast koreninskega sistema (Turner in sod., 2001). Preko regulacije osmotskega potenciala rastlina ščiti encime v citoplazmi in membrani. Uporaba različnih anorganskih ionov regulira količino vode, ki se kopiči v vakuolah celic in vzdržuje turgor. Zadrževanje zadostne količine vode je tudi pomembno za stabilizacijo različnih znotrajceličnih makromolekul (Fang in Xiong, 2014).
Aminokislina, ki deluje kot osmotski regulator, je prolin. Prolin je deloma hidrofoben in deloma hidrofilen. Hidrofoben del se lahko veže na proteine medtem, ko se hidrofilen del poveže z molekulami vode. Ta lastnost omogoča večjo dostopnost vode različnim proteinom znotraj celic in jih naredi bolj topne. Prolin prepreči denaturacijo proteinov, ki se zgodi ob večjem osmotskem pritisku (Hoekstra in sod., 2001). Prolin poleg zaščitne vloge raznih encimov in celičnih struktur lahko uravnava redoks potencial in preprečuje znotrajcelično zakisanje (Venekamp in sod., 1989). Ob sušnem stresu se tudi poveča koncentracija trehaloze znotraj celic. Trehaloza je sladkor, ki onemogoča transformacijo fosfolipidnega dvosloja v trdno obliko in stabilizira strukturo nukleinskih kislin, proteinov in ostalih makromolekul (Fang in Xiong, 2014).
2. 2. 5 Antioksidativni odgovor na pomanjkanje vode
Povečanje reaktivnih kisikovih spojin je normalen odziv evkariontskih celic na biotski in abiotski stres. Produkcija reaktivnih kisikovih spojin je, poleg zaprtja listnih rež, eden od prvih odzivov na pomanjkanje vode pri rastlinah in te spojine delujejo kot signalne molekule, ki sprožijo obrambne mehanizme. Pod reaktivne kisikove spojine uvrščamo kisikove ione, razne proste radikale in perokside. V primeru, ko rastline niso izpostavljene stresnim razmeram, je produkcija prostih kisikovih spojin in njihovo odstranjevanje v ravnovesju. V primeru suše je to ravnovesje porušeno in prekomerna akumulacija prostih kisikovih spojin vodi v celične poškodbe in celično smrt (Fang in Xiong, 2014). Kot pokazatelj povišanih vrednosti kisikovih reaktivnih snovi lahko deluje spojina malondialdehid (MDA) (Mollet in sod., 2007).
Kot odgovor na povečano vsebnost prostih kisikovih spojin, so rastline razvile različne antioksidativne sisteme. Sem uvrščamo antioksidante z nizko molekularno maso kot so glutation, askorbat in karotenoidi, in encime, ki so specializirani za odstranjevanje kisikovih radikalov. Ti encimi so superoksid dismutaza, katalaza, peroksidaza in askorbat peroksidaza (Apel in Hirt, 2004). Glutation, askorbat in karotenoidi, vzdržujejo integriteto membran v primeru oksidativnega stresa. Encimski antioksidanti aktivno iščejo proste kisikove spojine in katalizirajo reakcije, ki te spojine pretvorijo v manj škodljivo obliko (Yang in sod., 2009).
Superoksid dismutaza pretvori superoksidne ione v H2O2 v kloroplastih, mitohondrijih, citoplazmi in v peroksisomih. Za odstranjevanje vodikovega peroksida, ki nastane zaradi superoksid dismutaze, poskrbijo peroksidaze. Katalaze so primarni encimi, ki odstranjujejo H2O2 v mitohondrijih. Rastline, ki so sposobne vzdrževati in producirati več antioksidativnih molekul, bolje prenašajo pomanjkanje vode (Anjum in sod., 2011a).
2. 3 SILICIJ IN RASTLINE
Silicij (Si) je drugi najbolj pogost element v Zemljini skorji, ampak je kljub njegovi pogostosti omejeno dosegljiv rastlinam (Epstein, 2009). Njegova vloga pri rasti in razvoju rastlin je bila spregledana vse do začetka 20. stoletja zgolj zato, ker znaki njegovega pomanjkanja, oziroma toksičnosti pri rastlinah niso jasno vidni (Ma in Yamaji, 2006).
Obstajajo mnoge raziskave, kjer so dokazali, da Si pozitivno vpliva na rast in delovanje rastlin, ampak nima statusa esencialnega elementa (Richmond in Sussmand, 2003). Si je rastlinam v tleh dosegljiv v obliki silicijeve kisline (H4SiO2), ki jo privzemajo preko koreninskega sistema. Privzem lahko poteka aktivno s prenašalci v celičnih membranah ali pa pasivno preko transpiracijskega toka (Liang in sod., 2006). Primer prenašalcev, ki privzemajo Si sta prenašalca Ls1 in Ls2 (Ma, 2010). Prenašalec Ls1 aktivno privzema Si (v obliki H4SiO2) v korenine, medtem ko prenašalec Ls2 omogoča prenos Si iz korenin v ksilem (Ma, 2010). Glede na privzem Si lahko rastline delimo na hiperakumulatorje, akumulatorje, ali na rastline, ki se izogibajo privzemu Si (Frew in sod., 2018). Privzem oziroma povečan privzem Si iz tal je pogosto reakcijski odziv rastline na abiotski stres (Hartley, 2015). Si blagodejno deluje na rast rastlin, ojača mehanske strukture rastlin, poveča odpornost na različne patogene in herbivorijo (Hartley, 2015). Danes je v kmetijstvu pogosta uporaba Si gnojil, saj pozitivno vplivajo na končni pridelek in omogočajo večjo odpornost na stres pri različnih kmetijsko pomembnih rastlinah (Ma in Yamaji, 2006).
Slika 2: Pozitivni učinki dodatka Si gnojila pod vplivom suše (Tripathi in sod, 2016: 685) 2. 3. 1 Morfološki odzivi rastlin na sušo in silicij
Eden od bolj očitnih odzivov rastlin na sušo so spremenjene morfološke lastnosti rastline.
Kot je bilo že omenjeno je suša eden od abiotskih dejavnikov, ki ima ogromen vpliv na rastline. Pri suši je možno opaziti spremembo v koreninskem sistemu in v nadzemnem delu rastline, spremembo v sveži in suhi masi in spremembo v številu proizvedenih semen (Plaut in sod., 2004). Dodatek Si lahko blagodejno deluje na koreninski sistem in zmanjša učinek suše na rastline. Odvisno od rastline se lahko masa koreninskega sistema poveča med 20- 200% (Ahmed in sod., 2011). V raziskavi, kjer so testirali produktivnost dveh različnih hibridov koruze, ki sta različno občutljiva na sušo, so Amin in sod. (2014) ugotovili, da uporaba Si gnojila močno zmanjša vpliv suše in znatno poveča pridelek. Primerjali so hibrid, ki je bil že v osnovi odporen na sušo in hibrid, ki je bil občutljiv na sušo. Po dodatku Si gnojila so bili merjeni morfološki parametri (višina rastline, suha masa korenin in nadzemnega dela, dolžina primarnih korenin in listna površina) med hibridoma primerljivi.
V podobni študiji, kjer so testirali učinke Si gnojila na sončnicah so Gunes in sod. (2008) ugotovili, da uporaba Si pri sušnem stresu poveča suho maso korenin. Do podobnih zaključkov so prišli Yin in sod. (2014), ki so ugotovili, da uporaba Si pri sirku v sušnih razmerah zboljša končno biomaso in listno površino. Za številne enokaličnice je značilno, da imajo specializirane epidermalne celice, ki so nameščene na zgornji povrhnjici in kopičijo Si. To so tako imenovane buliformne celice, ki so mehurjaste oblike in so agregirane ob glavni žili na listu. Iz njih lahko izraščajo tudi trihomi. Buliformne celice ob povečanem sušnem stresu omogočajo zvijanje listov kar zmanjša njihovo površino in posledično zmanjšajo izgubo vode zaradi transpiracije (Tripathi in sod., 2012). Si se lahko nalaga tudi
v trihomih v trdni obliki (Xiao in sod., 2017). Trihomi ob suši manjšajo stopnjo transpiracije in izgubo vode. Poleg tega nižajo temperaturo listov, manjšajo fotoinhibicijo in poškodbe zaradi UV sevanja (Xiao in sod., 2017).
2. 3. 2 Fiziološki odzivi rastlin na sušo in silicij
Prostim očem so najbolj očitne morfološke spremembe zaradi suše, ampak te se ne pojavijo takoj, medtem ko so fiziološke spremembe lahko opazne takoj po izpostavitvi rastlin sušnim razmeram. Fiziološki parametri, ki se pogosto spremenijo zaradi pomanjkanja vode, so stopnja transpiracije, stopnja fotosinteze, fotokemična učinkovitost, vsebnost pigmentov in prevodnost listnih rež (Anjum in sod., 2011a). Si ima pozitivne učinke na fiziološke procese ob pomanjkanju vode, ampak je njegov privzem iz tal oslabljen, saj zaprtje listnih rež in manjša stopnja transpiracije upočasnita privzem hranil iz tal (Ma in sod., 2006). Gao in sod.
(2006) so ugotovili, da uporaba Si izboljša upravljanje z vodo pri koruzi, ki je izpostavljena suši. V študiji z dvema različnima hibridoma koruze so Amin in sod. (2014) prav tako potrdili, da uporaba Si gnojila izboljša osmotski potencial koruze in hkrati poveča stopnjo fotosinteze v primerjavi z koruzo, ki ni bila gnojena s Si. Do podobnih zaključkov so prišli tudi pri raziskavah, kjer so testirali vpliv uporabe Si gnojila na sirku, ki je rasel v sušnih razmerah (Hattori in sod., 2005, Ahmed in sod., 2011). Yin in sod. (2014) so v raziskavi, v kateri so testirali odziv sirka na sušo, ugotovili, da uporaba Si poleg povečanja stopnje transpiracije poveča tudi vsebnost klorofila a in klorofila b. V podobni študiji, ki so jo izvajali na pistaciji, sta Habibi in Hajiboland (2013) zaključila, da dodatek Si gnojila drastično poveča relativno vsebnost vode v listnem tkivu pri pistaciji. V raziskavah, ki so bile opravljene na rižu, so Chen in sod. (2011) ugotovili, da medtem ko ima suša negativen vpliv na vodni potencial in fotokemično učinkovitost, lahko dodatek Si zboljša stopnjo fotosinteze, zadrževanje vode in fotokemično učinkovitost.
2. 3. 3 Vpliv silicija na privzem mineralnih snovi pri pomanjkanju vode
Ker suša vpliva na privzem hranil iz tal, se pod vplivom sušnega stresa spremeni razmerje in razpolaganje z mineralnimi snovmi. Koncentracija mineralnih snovi se lahko poveča ali zmanjša in oboje je znak nenormalnega delovanja rastline zaradi suše (Singh in sod., 2015).
Če je količina različnih mineralnih snovi v zemlji že obilna, potem dodajanje teh snovi v razmerah močne suše nima učinka (Hu in Schmidthalter, 2005). Dodatek Si gnojila lahko izboljša stanje pomanjkanja ostalih hranilnih snovi v rastlinah (Tripathi in sod., 2015). V raziskavi, v kateri so primerjali mineralno sestavo koruze v normalnih in sušnih razmerah, so Kaya in sod. (2006) ugotovili, da je za koruzo značilno, da pod vplivom sušnega stresa prihaja do pomanjkanja kalcija in kalija, in da dodajanje Si gnojila poveča vsebnost teh elementov pri pomanjkanju vode. Podobno dinamiko so prikazali Chen in sod. (2011) pri rižu, kjer so ugotovili, da se pri sušnih razmerah zmanjša vsebnost natrija, magnezija, kalcija, kalija in železa, in da gnojenje s Si gnojilom poveča vsebnost teh elementov. Na podlagi teh
ugotovitev lahko sklepamo, da dodani Si omogoča vzdrževanje normalnega razmerja različnih elementov v tkivih rastlin v primeru suše.
2. 3. 4 Oksidativni stres in silicij
Oksidativni stres se pojavi kot posledica izpostavitve rastline različnim biotskim in abiotskim stresnim dejavnikom. O oksidativnem stresu govorimo kadar se ravnotežni procesi znotraj celic porušijo in celice začnejo proizvajati prekomerne količine reaktivnih kisikovih spojin, ki vplivajo na morfološke in fiziološke lastnosti rastline. Oksidativni stres vpliva na fotosintezne sposobnosti rastline in poškoduje številne celične strukture kar oslabi metabolizem rastline (Anjum in sod., 2011b). Izpostavitev rastline dolgotrajnemu pomanjkanju vode inducira oksidativni stres znotraj celic, zato je za rastline ključno, da imajo različne mehanizme, ki manjšajo produkcijo reaktivnih kisikovih spojin in jih odstranjujejo. Obstajajo številne raziskave kjer so ugotovili, da uporaba Si zmanjša oksidativni stres zaradi izpostavitve povečanemu UV sevanju, težkim kovinam, prekomerni slanosti in suši (Tripathi in sod., 2016). Uporaba Si pri sušnem stresu zmanjša aktivnost fosfolipaz in posledično zmanjša celokupno produkcijo H2O2, ki povzroča oksidativne poškodbe (Gong in sod., 2005). V raziskavi so Gong in sod. (2008) testirali učinke dodajanja Si pri pšenici pod vplivom sušnega stresa in so ugotovili, da se učinki razlikujejo glede na rastno fazo v kateri so dodajali Si. V primeru, ko so Si dodajali ob začetku rasti lista, ki je pri razviti rastlini nameščen kot prvi list pod klasom, so opazili, da Si ni imel učinka na količino celotnega vodikovega peroksida. V primeru, ko so Si dodajali v fazi zorenja so opazili, da se nastajanje vodikovega peroksida upočasni. V podobni raziskavi so Ma in sod.
(2004) na kumarah ugotovili, da uporaba Si zmanjša razgradnjo klorofila, omeji spremembe glede permeabilnosti membran in zmanjša količino MDA, ki se uporablja kot marker za prepoznavanje oksidativnega stresa. V raziskavi s strani Gunes in sod. (2008), kjer so uporabili sončnice, so ugotovili, da Si pozitivno deluje na sončnice, ki so bile izpostavljene suši. Si je vplival na vsebnost snovi kot so vodikov peroksid, prolin in MDA in zmanjšal poškodbe celičnih membran na račun povišane relativne vsebnosti vode v listih.
Kot odgovor na oksidativni stres rastline sintetizirajo različne antioksidativne spojine, ki jih uvrščamo med encimske in ne-encimske. Znano je, da uporaba različnih gnojil, ki vsebujejo selen, dušikovo kislino, salicilno kislino in Si okrepi antioksidativni odziv rastlin in poveča obrambno sposobnost rastlin pred oksidativnimi poškodbami (Tripathi in sod., 2016). Gong in sod. (2005) so v raziskavi na pšenici ugotovili, da uporaba Si gnojila zboljša delovanje antioksidativnih encimov kot so superoksid dismutaza, katalaza in glutation reduktaza in posledično zmanjša vpliv oksidativnega stresa ob suši. V podobni raziskavi na pščenici so Gharineh in sod. (2013) opazili, da suša v veliki meri zmanjša vsebnost superoksid dismutaze v celicah in oslabi njeno delovanje. V primeru, ko so pšenico gnojili s Si se je vsebnost in delovanje superoksid dismutaze znatno izboljšalo. Habibi in Hajiboland (2013) sta v primerljivi raziskavi testirala vpliv Si gnojila na antioksidativni odziv pod vplivom suše
pri pistaciji, in prišla do enakih zaključkov. Si vzdržuje normalno delovanje superoksid dismutaze pri suši in hkrati izboljša učinkovitost katalaze in peroksidaze (Ma in sod., 2004).
Videti je, kot da Si ugodno deluje pri spopadanju z oksidativnim stresom pri suši, ki je omejujoč dejavnik za rast in razvoj rastlin.
2. 3. 5 Ječmen in silicij
Ječmen spada med najbolj pomembne in svetovno najbolj razširjene agronomsko gojene rastline (Ghotbi-Ravandi in sod., 2019). Zaradi svoje genetske raznolikosti in naravne odpornosti pred neugodnimi dejavniki, je modelna rastlina, ki je pogosto uporabljena pri fizioloških in genetskih raziskavah (Gürel in sod., 2016). Vpliv Si pri ječmenu, ki je izpostavljen abiotskim stresnim dejavnikom, je široko raziskan. Velik del raziskav je narejenih v povezavi s stresom zaradi slanosti in suše. Gnojenje ječmena z dodajanjem Si pri povečani slanosti poveča stopnjo fotosinteze, zmanjša permeabilnost membran, poveča pridelek, poveča privzem kalija iz tal in omeji privzem natrija iz tal (Liang in sod., 2008).
Gnojenje ječmena z dodajanjem Si ima pozitivne in negativne učinke, če je ječmen izpostavljen različnim koncentracijam aluminija. Uporaba Si gnojila ob izpostavljenosti zmernim koncentracijam aluminija ublaži toksično delovanje aluminija. Gnojenje ječmena s Si pri visokih koncentracijah aluminija povzroči dodatne poškodbe na ječmenu (Liang in sod., 2001). Poleg aluminija lahko gnojenje ječmena s Si blagodejno deluje pri stresu povzročenemu zaradi bora (Nabble in sod., 1990), mangana (Horiguchi in Morita, 1978) in kroma (Ali in sod., 2013). Suša pri ječmenu povzroča zapiranje listnih rež, oslabljeno rast celic, poškodbe zaradi povečanega oksidativnega stresa in motnje v metabolizmu. Ječmen je s stališča privzema Si iz tal označen kot akumulacijska vrsta (Guntzer in sod., 2012). Suša neugodno deluje na privzem Si iz zemlje in pri ječmenu zmanjša celokupno količino Si v rastlini (Grašič in sod., 2019a). Slabši privzem Si iz tal je posledica manjše stopnje transpiracije, ki je gonilna sila za privzem Si (Ghorbanpour in sod., 2020). Gnojenje ječmena s Si lahko zmanjša oksidativne poškodbe in izboljša antioksidativne obrambne mehanizme pri suši (Ghorbanpour in sod., 2020).
3 MATERIAL IN METODE
3. 1 POSTAVITEV POSKUSA
Poskus smo izvajali na prostem v ogradi, ki se nahaja zunaj na vzhodni strani Oddelka za biologijo na Biotehniški fakulteti. Postavitev poskusa se je pričela 5.3.2021 s pripravo korit.
Dimenzije korit so bile 40x40x40 cm. Med 5.3.2021 in 12.3.2021 smo z zemljo napolnili 43 korit. 24.3.2021 smo v korita posadili semena jarega ječmena (sorta Wilma). Pred sajenjem smo semena ječmena razkužili 15 minut v 3% raztopini varikine (Šampionka, Slovenija). Po inkubaciji smo semena sprali z vodo. V 35 korit smo posadili semena, in sicer posadili smo 7 vrst na korito in vsaka vrsta je vsebovala 7 semen, torej skupaj 49 semen na korito. Ker smo imeli namen izvajati sušo, smo med 30.3.2021 in 31.3.2021 postavili 8 zaščitnih panelov z namenom preprečevanja močenja korit zaradi padavin. Poleg vidnega in infrardečega spektra sevanja, so paneli prepuščali tudi del UV-B in doberšen del UV-A sevalnega spektra (Slika 3). Okoli panelov smo napeljali zaščitno mrežo z namenom preprečevanja objedanja ječmena. Ko so bili vsi paneli postavljeni, smo prestavili korita z že vzkaljenim ječmenom pod panele. Pod vsak panel smo postavili 5 korit, 4 korita z ječmenom in eno korito brez. Izbrali smo 32 korit, ki so imela največ vzkaljenih semen.
Osem korit je bilo brez ječmena.
Slika 3: Končana postavitev poskusa (foto: Ojdanič N., 2021).
Po končani postavitvi poskusa je vsako korito imelo po 36 rastlin. 32 korit z ječmenom smo razdelili na 8 različnih skupin (4 korita na izpostavitev). Štiri izpostavitve smo tekom
poskusa normalno zalivali in na štirih izpostavitvah smo izvajali sušo (označeno kot S za sušo in kot V za dobro zalite izpostavitve). Poleg vodnega režima smo izpostavitve razdelili glede na rastno fazo v kateri so bile rastline gnojene s silicijevim gnojilom (K2SiO3- - liquid silicon, Growth Technology). Ječmen smo gnojili v treh različnih rastnih fazah. Za kontrolno skupino smo določili izpostavitev, ki tekom poskusa ni bila gnojena (označeno kot Si0). Prvo rastno fazo (označeno kot Si1) smo gnojili dokler se ni razvil zgornji list, ki je nameščen pod klasom. Z gnojenjem druge rastne faze (označeno kot Si2) smo pričeli ob razvoju zgornjega lista, ki je nameščen pod klasom in do polnjenja semen. Tretjo rastno fazo (označeno kot Si3) smo gnojili po začetku polnjenja semen. Oznake in opisi izpostavitev so predstavljeni v Preglednici 1, shema poskusa pa na Sliki 4.
Preglednica 1: Oznake in lastnosti izpostavitev.
Oznaka
izpostavitve Gnojeno s Si Faza gnojenja
Vzdrževanje vlažnosti površinskega sloja zemlje [%]
Si0/V Ne / 20
Si1/V Da Prva 20
Si2/V Da Druga 20
Si3/V Da Tretja 20
Si0/S Ne / 10
Si1/S Da Prva 10
Si2/S Da Druga 10
Si3/S Da Tretja 10
Slika 4: Postavitev korit glede na izpostavitve. Si1, Si2 in Si3 označujejo rastne faze v katerih smo gnojili s Si. Si0 označuje korita, ki niso bila gnojena s Si. Oznaki S in V označujeta korita glede na zalivanje in izvajanje suše. S_z in V_z označujeta vodni režim korit, ki niso imela ječmena.
3. 2 GNOJENJE IN ZALIVANJE JEČMENA
Od 20.4.2021 do 7.6.2021 smo zalivali vsa korita. Pred zalivanjem smo izmerili vlago prvih 10 cm zemlje z merilcem za vlago (MPM-160-B, ICT, Australia) v vsakem koritu. Količina vode, s katero smo zalili posamezno korito, je bila odvisna od izmerjene vlage prsti in od vremenskih razmer. Do 7.6.2021 smo pri vseh koritih vzdrževali 20% vlago v prvih 10 cm tal. S sušo smo pričeli 7.6.2021. Pri sušnih izpostavitvah smo vzdrževali vlago v prvih 10 cm tal pri 10%, vzdrževanje vlage dobro zalitih izpostavitev je ostalo enako kot pred izvajanjem suše. Za merjenje vlage smo uporabili tudi 6 sond (UMP-2 BT plus, UGT, Germany), ki so merile vlago pri globini 35 cm. Sonde so rezultate meritev posredovale računalniku preko bluetooth (BT) povezave. Dve sondi sta merili sušne izpostavitve in dve sondi sta merili dobro zalite izpostavitve. Preostali dve sondi sta bili nameščeni v koritih brez ječmena. Do izvajanja suše smo merili vlago, zalivali in gnojili dvakrat tedensko. Po suši smo merili vlago, zalivali in gnojili trikrat do štirikrat na teden, odvisno od vremenskih razmer. Prvo fazo smo gnojili devetkrat med 20.4.2021 in 24.5.2021. Pri prvih štirih gnojenjih smo gnojili z raztopino, ki je vsebovala 1 mL Si gnojila na liter vode. Pri ostalih petih gnojenjih smo gnojili z raztopino, ki je vsebovala 4 mL Si gnojila na liter vode. Drugo fazo smo gnojili šestkrat med 24.5.2021 in 16.6.2021. Pred izvajanjem suše so vse izpostavitve, ki so bile gnojene v drugi fazi prejele 4 mL Si gnojila na liter vode. Med izvajanjem suše smo sušne izpostavitve gnojili z 8 mL Si gnojila na 500 mL vode, medtem ko je koncentracija gnojila pri dobro zalitih izpostavitvah ostajala ista. Tretjo fazo smo gnojili šestkrat med 14.6.2021 in 26.6.2021 na isti način kot drugo fazo (Preglednica 2).
Preglednica 2: Začetek in konec gnojenja s Si za posamezno rastno fazo in število gnojenj znotraj vsake rastne faze.
Rastna faza Začetek gnojenja Konec gnojenja Število gnojenj
Prva faza 20.04.2021 24.05.2021 9
Druga faza 24.05.2021 14.06.2021 6
Tretja faza 14.06.2021 26.6.2021 6
3. 3 In situ MERITVE
3. 3. 1 Fotokemična učinkovitost fotosistema II
Dejansko (Yield) in potencialno (Fv/Fm) fotokemično učinkovitost fotosistema II (FSII) smo merili trikrat. Fotokemično učinkovitost smo merili na naključno izbranih prvih razvitih listih ječmena. Prva meritev je potekala 9.6.2021, druga meritev 16.6.2021 in tretja meritev 23.6.2021. Meritve smo izvedli z uporabo modulacijskega fluorometra (PAM-2500, Walz, Germany). Vse meritve smo izvedli med 10:00 in 13:00. Pred merjenjem potencialne fotokemične učinkovitosti smo na merjenih listih namestili ščipalke, ki preprečujejo doseg
svetlobe na merjeni površini lista. Ščipalke smo pustili na listu najmanj 20 minut, da so se listi temotno adaptirali. Dejansko fotokemično učinkovitost smo merili na listih, ki so bili približno enako osvetljeni. Pri prvem merjenju smo izmerili po dva naključno izbrana lista na korito, pri ostalih meritvah smo izbrali po tri naključno izbrane liste na korito.
3. 3. 2 Prevodnost listnih rež
Prevodnost listnih rež smo merili trikrat in sicer 9.6.2021, 16.6.2021 in 23.6.2021.
Prevodnost listnih rež smo merili s porometrom (Model SC-1, Decagon devices, Germany), ki meri spremembo relativne zračne vlažnosti. Merili smo transpiracijo pri prvih razvitih listih ječmena. Meritve smo opravili med deveto in enajsto uro dopoldan. Pri prvih meritvah smo izmerili po dva naključno izbrana lista na korito. V preostalih meritvah smo izmerili transpiracijo pri treh naključno izbranih listih v vsakem koritu.
3. 4 LABORATORIJSKE MERITVE 3. 4. 1 Število trihomov
Preparate za štetje trihomov smo naredili 12.07.2021 iz naključno izbranih prvih razvitih listov ječmena. Preparate smo naredili za spodnjo in zgornjo povrhnjico na bazalnem delu lista. S prozornim lakom za nohte smo premazali obe strani ob glavni žili lista. Ko se je lak posušil smo z lepilnim trakom odstranili premazan sloj lista in ga dali na mikroskopsko objektno steklo. Preparate smo naredili za dva naključno izbrana lista iz vsakega korita. Za vsak preparat smo z uporabo mikroskopa (Olympus CX41, Olympus, Japan), ki je bil povezan z računalnikom preko vmesnika (Olympus SC180, Olympus, Japan) posneli pet vidnih polj znotraj katerih smo prešteli vidne trihome. Uporabljen program na računalniku je bil cellSens Entry. Površina posameznega vidnega polja je bila 0,345 mm2. V skupnem smo pregledali 320 vidnih polj spodnje povrhnjice in 320 vidnih polj zgornje povrhnjice.
3. 4. 2 Relativna vsebnost vode (RWC)
RWC smo izračunali po metodi opisani v knjigi rastlinskih ekofizioloških tehnik (Roger, 2001). 2.7.2021 smo iz vsakega korita vzeli po dva naključno izbrana prva razvita lista ječmena. Iz nabranih listov smo naluknjali po 4 vzorce na list s premerom 4 mm. Vse štiri vzorce za vsak list smo dali v 1,5 ml mikrocentrifugirko in odčitali maso. Mikrocentrifugirke smo predhodno stehtali s tehtnico (Sartorius CPA224S, Sartorius, Germany). Na podlagi tega smo pridobili podatke za svežo maso. Vzorce smo nato dali v druge mikrocentrifugirke, ki so bile napolnjene z miliQ vodo. Vzorci smo inkubirali 4 ure. Po inkubaciji smo vzorce prestavili v prvotne mikrocentrifugirke in odčitali mase. Na podlagi tega smo pridobili podatke za saturirane vrednosti vzorcev. Po tem smo mikrocentrifugirke dali v pečico pri
70° C za 48 ur. Po sušenju smo ponovno izmerili mase in pridobili podatke za suho maso vzorcev. RWC smo izračunali z uporabo enačbe (1).
𝑅𝑊𝐶 = 𝑆𝑣𝑒ž𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 − 𝑆𝑢ℎ𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑖𝑟𝑎𝑛𝑖ℎ 𝑣𝑟𝑒𝑑𝑛𝑜𝑠𝑡𝑖 − 𝑆𝑢ℎ𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎× 100 … (1)
3. 4. 3 Odbojnost in presevnost
Odbojnost (R) in presevnost (T) smo izmerili na prvih razvitih listih. Meritve smo izvajali 28.6.2021 in 29.6.2021. Za vsako korito smo izmerili po dva naključno izbrana lista. Merili smo na polovici lista ob glavni listni žili. Presevnost in odbojnost smo izmerili za vse valovne dolžine med 280 nm in 900 nm. Meritve smo izvedli z uporabo spektrofotometra (Jaz Modular Optical Sensing Suite, Ocean Optics Inc., Dunedin, FL, USA), ki je bil povezan z optičnim kablom (QP600-1-SR-BX, Ocean Optics Inc.), integracijsko sfero (ISP- 30-6-R, Ocean Optics Inc.) in računalnikom.
3. 4. 4 Klorofili in karotenoidi
Vsebnosti klorofila a in klorofila b ter karotenoidov smo določali po metodi Lichtenthaler in Buschmann (2001). Kot pri ostalih metodah smo uporabili dva naključno izbrana prva razvita lista iz vsakega korita. Liste smo nabrali 10.6.2021 in 28.6.2021. Iz vsakega lista smo naluknjali 8 vzorcev krožne oblike s premerom 8 mm. Šest vzorcev smo sušili pri 70° C 48 ur z namenom ugotavljanja razmerja med svežo in suho maso vzorcev. Za preostala dva vzorca smo stehtali svežo maso. Vzorca smo uporabili za meritve klorofilov, karotenoidov, antocianov in UV absorbirajočih snovi. Iz razmerja med suho in svežo maso smo izračunali kakšna bi bila suha masa vzorcev. Za določanje klorofilov in karotenoidov smo vzorce ekstrahirali v 6 mL acetona. Vzorci smo centrifugirali 4 minute pri 4° C in 4000 rotacijah na minuto s centrifugo (Sigma 2-16PK, Sigma, Germany). Po centrifugiranju smo izmerili volumne ekstraktov in ekstinkcije s spektrofotometrom (Lamba 25 UV/VIS spectrometer, PerkinElmer, Waltham, MA, USA) pri valovnih dolžinah 470, 645 in 662 nm. Vsebnosti klorofila a smo izračunali po enačbi (2).
𝐾𝑙 𝑎 = (11,24 𝐸662− 2,04 𝐸645) × 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑆𝑢ℎ𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎⁄ … (2)
Vsebnosti klorofila b so bile izračunane po enačbi (3).
𝐾𝑙 𝑏 = (20,13 𝐸645− 4,19 𝐸662) × 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑆𝑢ℎ𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎⁄ … (3)
Vsebnosti karotenoidov so bile izračunane po enačbi (4).
𝐾𝑎𝑟 = (1000 𝐸470− 1,9 𝐾𝑙 𝑎 − 63,14 𝐾𝑙 𝑏) × 𝑉 𝑆𝑢ℎ𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎⁄ … (4)
3. 4. 5 Antociani in UV absorbirajoče snovi
Vsebnost UV absorbirajočih snovi in antocianov smo izmerili po metodi Caldwell (1968).
Tako kot pri karotenoidih in klorofilih smo vzorci pripravili 10.6.2021 in 28.6.2021. Vzorce za antociane in UV absorbirajoče snovi smo ekstrahirali z uporabo mešanice metanola, miliQ vode in klorovodikove kisline (razmerje 79:20:1). Vzorce smo inkubirali v 10 mL centrifugirkah v hladilniku dva dni. Po inkubaciji je sledilo centrifugiranje za 6 minut pri 10° C in 4000 rotacijah na minuto s centrifugo (Sigma 2-16PK, Sigma, Germany). Po centrifugiranju smo odčitali prostornine ekstraktov. Za antociane smo izmerili vrednosti absorpcije pri 530 in 657 nm s spektrofotometrom (Lamba 25 UV/VIS spectrometer, PerinElmer, Waltham, MA, USA). Za določanje UV absorbirajočih snovi smo izmerili ekstinkcijske vrednosti za vsak nm med 280 in 400 nm. Vsebnost antocianov smo izračunali z uporabo enačbe (5).
𝐴 𝑔 = 𝐴530−1 3 𝐴657
⁄ … (5)
Vsebnost UV-A absorbirajočih snovi smo izračunali z uporabo enačbe (6).
𝑈𝑉𝐴 = 𝐼 × 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 × 𝑆𝑢ℎ𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎−1 … (6)
Vsebnost UV-B absorbirajočih snovi smo izračunali po enačbi (7).
𝑈𝑉𝐵 = 𝐼 × 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 × 𝑆𝑢ℎ𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎−1 … (7)
Parameter I pri računanju UV-A in UV-B absorbirajočih snovi predstavlja integral ekstinkcijskih vrednosti. Za UV-A je I seštevek ekstinkcijskih vrednosti med 320 in 400 nm. Za UV-B je I seštevek ekstinkcijskih vrednosti med 280 in 320 nm.
3. 4. 6 Dostopnost Si v tleh
Za ugotavljanje količine dostopnega Si v tleh smo uporabili kit Silica, Heteropoly Blue Method (1,600 mg/L) od Permachem Reagents. Pri merjenju dostopnega Si v tleh smo iz
