Fyziologie rostlin - Vodní režim 2

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2

Transpirace, asimilace Transpirace, asimilace COCO22 a tepelná bilance listu a tepelná bilance listu

Jiří Šantrůček

Katedra fyziologie a anatomie rostlinBiologická fakulta JU

lab. B353; e-mail: [email protected]


O čem byla řeč minule: * voda a evoluce suchozenských rostlin

hydrostabilní (homoiohydrické) vs. hydrolabilní (poikilohydrické) rostliny; vakuóla, kutikula, průduchy

* vlastnosti vody (vodíková vazba, kohese, měrné výparné teplo)

* cesty transportu vody * mechanismy (hnací síly) toku* vodní potenciál, stav vody v rostlině* ekofyziologické důsledky anatomie cév* izotopy vody, hydraulický výtah


O čem bude řeč:

Výměna vody, CO2 a tepla mezi listem a atmosférou

* transpirace, její význam * výpar* difuse - evoluční důsledky, fyzikální

základ* koncept odporu a vodivosti

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 „Účel“ transpirace

Směna vody za CO2 („trade off“)

Chlazení listu

Doprava minerálních látek, signálů?

H2O

Voda přitéká do listu a neustále se z něj ztrácí - PROČ?Voda přitéká do listu a neustále se z něj ztrácí - PROČ?

CO2

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 Denní chod transpirace

Ztrácí se voda z listu skutečně NEUSTÁLE ?Ztrácí se voda z listu skutečně NEUSTÁLE ?

Ph

otos

ynth

esis

(u

mol

m-2 s

-1)

transpirationphotosynthesis

Trade-off vody za COTrade-off vody za CO22 a anatomie listu („anatomie transpirace“) a anatomie listu („anatomie transpirace“)

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 - Výměna vody a COVýměna vody a CO22 mezi listem a atmosférou - přehled mezi listem a atmosférou - přehled


VýparVýpar

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 Výpar

Elementární úvahy o výparuElementární úvahy o výparu

• Proč se voda vypařuje?

• Proč se vzduch může nasytit vodní parou?

• Kolik vody se vejde do m3 vzduchu?

• Proč se těleso při výparu z povrchu ochlazuje?

• Kolik vody se za den vypaří z oceánů? A kolik z vegetace Země?

Kolik vody se vejde do mKolik vody se vejde do m33 vzduchu? vzduchu?



Na čem závisí výpar ?Na čem závisí výpar ?

• vlhkosti vzduchu a teplotě povrchu (rozdílu koncentrací vodní páry těsně u povrchu/listu a v míchané atmosféře) - hnací síle difusehnací síle difuse

• tloušťce nemíchané vrstvy vzduchu (rychlosti větru); obecněji na odporu dráhy odporu dráhy pro difusipro difusi

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 Difuse

DifuseDifuse


DifuseDifuse

• Stochastický proces.• Hnací silou je gradient koncentrace (volné

energie) látky.

• Transpirace a doprava CO2 do chloroplastu jsou procesy ovládané difusí.

• Kapacita přenosu - musí být řádově blízká rychlosti enzymatických reakcí (cm v plynech, desítky m v kapalinách).


Evoluční důsledky difuseEvoluční důsledky difuse

• List = tenká planparalelní „deska“ o síle 0,2-0,6 mm.

• Chloroplasty „namačkány“ na vnější stěny buněk mezofylu.


Anatomie listu = evoluční důsledek zákonů difuseAnatomie listu = evoluční důsledek zákonů difuse


Anatomie listu = evoluční důsledek zákonů difuseAnatomie listu = evoluční důsledek zákonů difuse

Gossipium hirsutum, ADAX, ESEM Gossipium hirsutum, ABAX, ESEM

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 : Kvantitativní stránky difuse - 1. Fickův zákonKvantitativní stránky difuse - 1. Fickův zákon

Kolik látky prodifunduje myšlenou rovinou za 1 s?Kolik látky prodifunduje myšlenou rovinou za 1 s?

• prvně úspěšně vyřešil Adolf E. Fick 1855; analogie Ohmova zákona

Erc

J

EcgJx

cDJ

dxdc

DJ

w

ww

www

www

www

(gw=1/rw)

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 : Kvantitativní stránky difuse - Koncept odporůKvantitativní stránky difuse - Koncept odporů

Odporový Odporový model výměny plynů model výměny plynů

• Odpory uspořádané v serii se sčítají

• Odpory uspořádané paralelně se sčítají v jejich inverzních hodnotách

• Vodivost je inverzní k odporu

rs ra

rt=rs+ra

gs=1/rs

1/rt=1/rs+1/rc

gs=1/rs

gc=1/rc

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 : Kvantitativní stránky difuse - 1. Fickův zákonKvantitativní stránky difuse - 1. Fickův zákon

Hnací sílyHnací síly výměny plynů a tepla mezi listem a výměny plynů a tepla mezi listem a atmosférou atmosférou

HH

CO

COCO

w

ww

rT

HJ

r

cAJ

rc

EJ

2

2

2

T

c

c

CO

w

2

Hnací síly:

Rozepsat na tabuli


Difusní dráhy výměny plynů a teplaDifusní dráhy výměny plynů a tepla

A

rc

law

mlac

law

aH

ggg

rrrr

rrr

krr

111

COCO2 2 hladovění chloroplastů = důsledek hladovění chloroplastů = důsledek

transportních odporů pro COtransportních odporů pro CO22 v listu v listu


Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 Kvantitativní stránky difuse – Kvantitativní stránky difuse – Adaptace listuAdaptace listu

Předprůduchová dutina = evoluční „vynález“ zvyšující Předprůduchová dutina = evoluční „vynález“ zvyšující odpor pro transpiraci více než odpor pro asimilaci COodpor pro transpiraci více než odpor pro asimilaci CO22

Když se prodlouží obě dráhyKdyž se prodlouží obě dráhy - - krátká pro Hkrátká pro H22OO a delší pro CO a delší pro CO22 - -

o stejný kousek (odpor předprůduchové dutiny), zpomalí to o stejný kousek (odpor předprůduchové dutiny), zpomalí to významnější měrou ztrátu vody než příjem COvýznamnější měrou ztrátu vody než příjem CO22 . .

2020mm

Příčný řez listem Ficus elastica.

Detail spodní epidermis. Barveno gencianovou modří.Foto M. Šimková, 2003


Předprůduchová dutina = evoluční „vynález“ zvyšující Předprůduchová dutina = evoluční „vynález“ zvyšující odpor pro transpiraci relativne k odporu pro asimilaci COodpor pro transpiraci relativne k odporu pro asimilaci CO22

Banksia serrata, Foto M. Šimková, 2003 Banksia serrata


Předprůduchová dutina = evoluční „vynález“ zvyšující Předprůduchová dutina = evoluční „vynález“ zvyšující odpor pro transpiraci relativne k odporu pro asimilaci COodpor pro transpiraci relativne k odporu pro asimilaci CO22

Banksia serrata, Foto M. Šimková, 2003

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 : Kvantitativní stránky difuse - hraniční vrstvaKvantitativní stránky difuse - hraniční vrstva

Proč je jinovatka často jen na okrajích listů ?Proč je jinovatka často jen na okrajích listů ?

• Protože náběhová strana desky v proudu vzduchu (okraj listu) má vždy tenčí hraniční vrstvu, a proto nižší teplotu než střed listu.

• Síla hraniční vrstvy nemíchaného vzduchu má velký význam pro výměnu plynů mezi listem a okolím a tepelnou bilanci listu.


Proč je jinovatka často jen na okrajích listů ?Proč je jinovatka často jen na okrajích listů ?


Ekofyziologické důsledky síly hraniční vrstvyEkofyziologické důsledky síly hraniční vrstvy


Transpirace a Transpirace a energetická energetická

bilance listu a bilance listu a rostlinyrostliny

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 - Radiační a energetická bilance listu

Je list ve dne teplejší než vzduch?Je list ve dne teplejší než vzduch? Proč se v noci vytváří na listu jinovatka? Proč se v noci vytváří na listu jinovatka?

L=E

=2,5 MJ kg-1

RadiaRadiační bilanceční bilanceEnergetická bilanceEnergetická bilance

denden nocnoc

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 : Energetická bilance listu

Bowenův poměrBowenův poměr

teplé oceány:0,1

zemědělské plodiny:1,0

pastviny:1,2

aridní oblasti (subtropy):

2,0 - 6,0

w

asT

r

eeEL l

Bowenův poměr = H/L

H

al

rTT

H

Tok latentního tepla L:

Tok „pocitového“ tepla (sensible heat): H

=2,5 MJ kg-1


Regulace výdeje Regulace výdeje vody průduchyvody průduchy

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 - Regulace transpirace průduchy

Je asimilace COJe asimilace CO22 závislá na otevření průduchů ? závislá na otevření průduchů ?

100 m

Průduchy - morfologie a anatomiePrůduchy - morfologie a anatomie

Hustota průduchů:řádově 101 až 102 mm-2

Plocha štěrbin: ~ 1 % plochy listu


Průduchy - morfologie a anatomie Průduchy - morfologie a anatomie




Průduchy - morfologie a anatomie Průduchy - morfologie a anatomie tráva Cibule – vnější ústí st. póru

Cibule – vnitřní ústí st. póru




PrůduchyPrůduchy- multisensorický hydraulický ventil- multisensorický hydraulický ventil

- reakce průduchů na podněty vnějšího prostředí- reakce průduchů na podněty vnějšího prostředí

HomeworkKapitola 2.8.3. a dále (str. 78-88) Fyziologie rostlin (Procházka a kol., Academia 1998)


Měření výdeje Měření výdeje vody rostlinou a vody rostlinou a

porostemporostem

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2 - Metody měření transpirace a asimilace CO2

PotometrPotometr


Lyzimetry Lyzimetry


IRGA gazometrieIRGA gazometrie


Eddy-covarianceEddy-covariance

Documents

Fyziologie rostlin - Vodní režim 2