Vliv zasolení na primární metabolizmus a enzymatickou aktivitu máku setého

31. 10. 2023 Bc. Jakub Špaček; Česká zemědělská univerzita v Praze Hnojení Zobrazeno 646x

Mák setý patří mezi rostliny, které se na území ČR pěstují již od doby bronzové a dále z doby stěhování národů. V České republice se mák pěstuje pro potravinářské využití a jeho plochy jsou v rámci jednotlivých let relativně stabilní, jak vyplývá z tabulky 1. Nejnižší plocha pěstování máku byla v roce 2018, kdy se mák pěstoval na výměře 26 608 ha. Naopak nejvyšší plocha byla v roce 2021 - 43 867 ha. Průměrný hektarový výnos činí 0,67 t/ha a průměrná sklizeň je 23 743 t.

Pěstování polních plodin, tedy i máku setého, je ovlivněno celou řadou faktorů, které v konečném důsledku limitují výši a kvalitu sklizeného produktu. Významným faktorem, který ovlivňuje produkci je jeden z nejvýznamnějších stresorů, a tím je zasolení půdy. V rámci EU se již jedná o druhý nejvýznamnější stresor omezující produkci rostlin po suchu.

Zasolení půdy

Zasolení neboli salinita půd, vzniká následkem hromadění zvýšených koncentrací rozpustných solí v půdním profilu. Převážně se jedná o solné kationty sodíku, hořčíku, vápníku a anionty chlóru a síry. V důsledku vysokého stupně nasycení sorpčního komplexu dochází ke značnému zhoršení fyzikálně chemických vlastností půdy a snižuje se potenciál přijmu vody rostlinami z půdního roztoku (Kůdela et al. 2013). Salinita může být také definovaná jako zvýšené množství elektrolytů v půdě a půdním roztoku, které je pro rostliny velmi škodlivé, a to především v aridních a semiaridních oblastech (Ashraf 2002). kdy tyto půdy se vyznačují nedostatkem přijatelné vody.

Salinitu můžeme rozdělit podle zdrojů slanosti, které mohou být primární či sekundární. Primární (přírodní) zdroje salinity vznikají v důsledku zvětrávaní solné mateční horniny. Sekundární salinita je způsobena antropogenní činnosti, převážně odlesňováním, nekvalitní závlahou, přehnojováním či solením silnic. Zavlažovaní vodou s vysokým obsahem solných iontů je častou příčinou zasoleni po celém světě (Kůdela et al. 2013, Eryilmaz, 2006)

Klíčovou roli v zasolovaní půd sehrávají ionty sodíku a chlóru, neboť jejich negativní účinek je nejvyšší. Ionty sodíku postihují většinu kulturních plodin (Munns a Tester 2008). Kromě zmíněných solí jsou zasolené půdy často doprovázeny přítomnosti draselných kationtů, uhličitanů, hydrogenuhličitanových aniontů a dusičnanů. Přítomnost solí na stanovišti je z velké míry ovlivněna typem mateční horniny. Během chemických a fyzikálních procesů zvětrávaní dochází k odpoutání různých sloučenin, ze kterých jsou následně uvolňovány soli (Richards 1954). Vysoký podíl zasolených půd je tvořen na stanovištích, která se nacházejí poblíž moří. Salinita půd může nicméně vznikat i na takových místech, kde potencionální výpar převažuje nad srážkami.

Z ekologického hlediska rozdělujeme rostliny na glykofyty, což jsou rostliny neodolné vůči salinitě. Do této skupiny je řazena většina polních plodin. Druhou skupinu představují rostliny halofytní, které jsou naopak na zasolení přizpůsobeny.

Vlivem zasolení dochází v půdě ke snižovaní vodního potenciálu a v konečnem důsledku se voda stává pro rostliny méně dostupnou (Larcher 1988). Pokud dosahuje koncentrace NaCl hodnoty 40 mM/dm³ je hodnota vodního potenciálu půdy kolem -0,2 MPa (Munns a Sharp (1993), čímž se snižuje dostupnost vody pro rostliny. Na lehkých půdách činí toto snížení cca jednu třetinu a na půdach jílovitých může být dostupnost omezena až o polovinu (Larcher 1988).

V rámci rostliny dále vlivem iontů Na⁺ a Cl^- dochází k tzv. bubření protoplazmy a narušení funkce organel i enzymatických reakci, které konečnem důsledku vedou ke kvalitativním i kvantitativním změnám. Tyto změny souvisí se zhoršeným příjmem některých živin, např. draslíku a vápníku, zpomalením růstu a celkově snížením tvorby sušiny. Tyto vnější projevy jsou vyvolány omezenou schopnosti rostliny asimilovat dusík, nedostatečnou tvorbou energie při fosforylaci a změnami ve struktuře aminokyselin (Larcher 1988).

Dalším fyziologickým pochodem, který je salinitou negativně ovlivněn, je fotosyntéza, kdy tato klesá v závislosti na druhu zasoleni, délce působeni stresoru či druhu a ontogenetickým vývoje rostliny. Fotosyntéza je omezena především z důvodu snížení stomatální vodivosti, omezením přístupu CO₂ a poklesem transpirace (Dadkhah 2011).

Jakmile je v rostlině vyvolán osmoticky stres, rostlina několikanásobně zvýší produkci kompatibilních osmolytů, nejčastěji sacharidů, polyalkoholů, aminokyselin (prolinu) či kvarterních amonných soli. Tyto osmoticky aktivní látky mohou částečně vyrovnávat osmoticky tlak při působeni vodního (solného) stresu tím, že navýší koncentraci na vnitřní straně semipermeabilní membrány.

Na základě těchto skutečností bylo cílem práce zjistit rozdíly v rychlosti fotosyntézy a transpirace, obsahu prolinu a MDA v listech juvenilních rostlin máku setého v závislosti na působení salinity.

Pokusy

Ve skleníkovém pokusu byl sledován vliv salinity na rychlost výměny plynů, obsah prolinu a MDA (malondialdehydu) u juvenilních rostlin máku setého. Do pokusu byly zařazeny tyto odrůdy máku: Albín, Major, Lazur, Florián a Orbis. Nádobový pokus byl realizován ve skleníkových podmínkách s částečně řízenými podmínkami pěstování, kdy teplota prostředí byla od 10 °C (noční) do 15 °C (denní) za přirozených světelných podmínek.

Rostliny máku setého byly pěstovány v nádobách o velikosti 11×11 cm se zahradnickým substrátem s křemičitým pískem (2:1). Před zahájením experimentu byly do nádoby přidány 2 g hnojiva NPK (8-24-24). Salinita byla navozena roztokem NaCl, který byl přidán do zálivkové vody. Schéma pokusu zahrnovalo 5 variant: kontrolní (0 mM NaCl); S1 (50 mM NaCl); S2 (75 mM NaCl); S3 (100 mM NaCl); S4 (125 mM NaCl). Celkem se uskutečnilo 6 měření (0, 1, 3, 7, 10 a 14 dnů od založení pokusu), ve vývojových fázích máku BBCH 15–18.

V uvedených termínech byla gazometricky měřena rychlost fotosyntézy a transpirace prostřednictvím infračerveného analyzátoru plynů LCpro+. Dále byl sledován obsah prolinu podle Batese (1973) a obsah MDA (malondialdehydu) podle Du a Bramlage (1992) za pomocí modifikované kyseliny thiobarbiturové (TBA).

Reakce rostlin máku na zasolení půdy

Rostliny máku v půdě bez zasolení - kontrola

Výsledky

Rychlost fotosyntézy

Z grafu 1 je patrné, že u všech odrůd došlo ke statisticky průkaznému snížení rychlosti fotosyntézy při zvyšování koncentrace soli. Všechny odrůdy reagovaly nejcitlivěji ve variantě s nejvyšší koncentrací soli, přičemž nejvyšší rozdíl mezi kontrolními rostlinami a variantou S4 byl naměřen u odrůdy Major (0,58 μmol CO₂/m²/s). Naopak jako nejvíce odolná se jevila odrůda Florián, kde byla zjištěna diference 0,51 μmol CO₂/m²/s.

Při porovnání pokusných variant s variantou kontrolní lze konstatovat, že nejvyšší odolnost vůči zasolení vykazovala odrůda Florián, u které bylo při působení solného stresu zaznamenáno snížení rychlosti fotosyntézy o 5,1 %. Naopak nejvyšší citlivost byla zjištěna u odrůdy Lazur, kdy se rychlost fotosyntézy snížila o 5,51 %.

Graf 1: Rychlost fotosyntézy u jednotlivých odrůd máku při různé koncentraci soli

Rychlost transpirace

Rychlost transpirace jednotlivých odrůd máku v závislosti na intenzitě působení stresu zasolením je uvedena v grafu 2. Z grafu je patrné, že průkazně nejnižší průměrná rychlost transpirace byla zaznamenaná u varianty s nejvyšší koncentrací NaCl (S4) v porovnaní s kontrolními rostlinami. Tento trend byl zaznamenán u všech sledovaných odrůd.

Nejvyšší rozdíl mezi těmito variantami byl zjištěn u odrůdy Orbis, u niž rychlost transpirace poklesla o 46,21 % (0,97 mmol H₂O/m²/s). Naopak nejvyšší odolnost vůči salinitě vykazovala odrůda Albín, kdy rozdíl zde oproti kontrole činil 9,62 % (0,14 mmol H₂O/m²/s).

Graf 2: Rychlost transpirace u jednotlivých odrůd máku při různé koncentraci soli

Obsah prolinu

Další měřenou charakteristikou byl obsah prolinu. Naměřené průměrné hodnoty obsahu prolinu ze všech měření v rámci odrůdy a varianty jsou uvedeny v grafu 3. Z uvedeného grafu vyplývá, že u všech odrůd máku docházelo k průkaznému nárůstu obsahu prolinu při zvyšovaní koncentrace soli. Nejvyšší rozdíly byly u všech rostlin zaznamenány u varianty S4.

Nejvyšší nárůst obsahu prolinu v rámci kontroly a nejvyšší koncentrace soli v roztoku byl zjištěn u odrůdy Major. Naopak u odrůdy Albín byl rozdíl mezi těmito dvěma variantami nejnižší. Lze tedy předpokládat, že odrůda Albín by mohla být odolnější vůči zasolení, neboť má geneticky dán vyšší obsah prolinu i v podmínkách vhodných pro pěstování, U odrůdy Major lze předpokládat vliv opačný. Obdobný efekt byl zjištěn také u odrůdy Florian. V případě nízké koncentrace soli v roztoku (varianta S1) nebyly nalezeny rozdíly mezi odrůdami a ani v rámci srovnání s kontrolními podmínkami.

Z uvedených výsledků vyplývá, že mezi jednotlivými odrůdami byly potvrzeny průkazné diference v obsahu prolinu při působeni solného stresu. Statisticky průkazná diference nebyla zjištěna pouze mezi odrůdami Major a Orbis v rámci variant S1 a S2.

Graf 3: Obsah prolinu u jednotlivých odrůd máku při různé koncentraci soli

Obsah malondialdehydu

Poslední sledovanou charakteristikou byl obsah malondialdehydu, jak demonstruje graf 4. Množství MDA v rostlinách statisticky průkazně narůstalo se zvyšující se koncentrací NaCl.

Již při aplikaci 50 mM NaCl docházelo u všech odrůd k přibližně dvojnásobnému zvýšení MDA, kdy nejvyšší citlivost v rámci varianty S1 byla zaznamenaná u odrůdy Albín, kde rozdíl v porovnaní s kontrolní variantou činil 8,1 nM/g čerstvé hmoty. Naopak nejnižší diference byla zaznamenaná u odrůdy Florian (4,38 nM/g čerstvé hmoty). Rozdíly mezi těmito dvěma odrůdami byly zaznamenány také u varianty s nejnižší koncentrací soli v roztoku 50 mM. Maximální průměrný obsah malondialdehydu byl v průběhu celého pokusu zaznamenán u odrůdy Albín (37,39 nM/g čerstvé hmoty).

Jako citlivá se jeví odrůda Albín, neboť rozdíl mezi kontrolní variantou a variantou S4 činil 32,21 nM/g čerstvé hmoty (zvýšení o 622,11 %). Naopak jako tolerantní se jeví odrůda Orbis, kdy rozdíl mezi kontrolními rostlinami a rostlinami stresovanými nejvyšší koncentrací byla 31,1 nM/g čerstvé hmoty (zvýšení o 563,54 %).

Obecně nejvyšší citlivost vůči solnému stresu v souvislosti s obsahem MDA vykazovala odrůda Albín, u které bylo zaznamenáno zvýšeni obsahu MDA průměrně o 453,2 %. Naopak jako nejvíce odolná se jevila odrůda Major, kdy průměrná hodnota obsahu MDA činila 394,03 %.

Graf 4: Obsah malondialdehydu u jednotlivých odrůd máku při různé koncentraci soli

Závěr

Ze získaných výsledků vyplývá, že ze zvyšující se koncentrací soli v roztoku dochází k průkaznému snížení rychlosti fotosyntézy a transpirace. Dále dochází k poškozování membrán, kdy hodnoty MDA se také zvyšují. Obsah prolinu se u stresovaných rostlin zvyšuje v důsledku spouštění obranné reakce rostlin.

V rámci hodnocení jednotlivých odrůd je možné konstatovat, že nejvýraznější snížení fotosyntézy vlivem zasolení vykazovala odrůda Lazur, a naopak jako tolerantní se jeví odrůda Florián. Odrůda Albín vlivem působení zasolení nejvíce ze sledovaných odrůd zvýšila obsah prolinu v listech, kdežto odrůda Major vykazovala trend opačný. Na stres zasolením nejcitlivěji reagovala bělosemenná odrůda máku Albín a jako tolerantní se jeví odrůda modrošedého máku Orbis.

Tab. 1: Vývoj ploch, hektarových výnosů a sklizní máku setého (ČSÚ, 2022)

Použitá literatura je k dispozici u autora.

Vytvořeno na základě diplomové práce pod vedením Doc. Ing. Františka Hniličky, Ph.D.