1

NövényélettanPhytophysiologia

A növényélettan tárgya és jelentısége

•Tárgya:•Az egyes életfolyamatok vizsgálata (fotoszintézis, vízgazdálkodás, növekedés, fejlıdés, szaporodás,mozgás, légzés, ingerlékenység, változékonyság, átörökítés)•Az életfolyamatok közötti összefüggések vizsgálata•A növény és a környezet kapcsolatának vizsgálata

•Részterületei:•Anyag- és energiacsere élettana•Fejlıdési folyamatok élettana•Ingerélettan

•Társtudományai:•biofizika, biokémia, genetika, ökológia

1. Létfeltételek: az élılények életében nélkülözhetetlen környezeti tényezık. Típusai:

•Általános / generális: hımérséklet, víz, tápanyagok•Különleges / speciális: oxigén, fény

1. ábra: Az életfolyamatok intenzitását és a hımérséklet közötti összefüggést bemutató optimumgörbe

A környezet és a létfeltételek hatása a növények életfolyamataira • A kardinális pontok függnek a növényfajtól, a fejlıdési állapottól és a szervek korától.

• Az optimumgörbe lefutását a serkentı és gátló folyamatok eredıje adja.

• Alkalmazása pl.: növényhonosítás esetén.• Életképesség: kedvezıtlen körülmények átvészelése

maradandó károsodás nélkül.• A növényi élet lehet aktív, látens (lappangó) vagy

anabiotikus (szunnyadó).

2. Kedvezıtlen környezeti tényezık hatása: stresszhatások

• Pesszimum: a növekedés és fejlıdés külsı tényezık által korlátozott idıszaka.

• Stressztényezık: kedvezıtlen hatást kiváltó tényezık, a környezeti tényezık korlátozott vagy túlzott jelenléte.

• Stresszhatás: a stressztényezık által kiváltott válaszok összessége.

• A növényfaj / fajta lehet toleráns (ellenálló) vagy szenzibilis (fogékony, érzékeny).

Sejtélettan

1. Az ozmózis

3. ábra: Az ozmózis jelensége

2. ábra: A diffúzió

2

4. ábra: Az ozmózis jelensége

2. A vízpotenciál fogalma- 25 ºC-os, 100 kPa nyomású tiszta víz vízpotenciálja nulla

ψ = P –π – τψ: vízpotenciálP: fali potenciál / nyomáspotenciál: hidrosztatikai nyomásπ: ozmotikus potenciál: oldott anyagok, ionok által meghatározottτ: mátrix potenciál: kolloidok, kapillárisok által megkötött

hidratációs víz

Sejtfal (1.): vízpotenciálját alapvetıen a mátrixpotenciál határozza meg.

Citoplazma (2.): víztartalmának 5-10%-a hidratációs víz, ez nélkülözhetetlen, csökkenése a sejt halálához vezet. A víz jelentısebb része a citoplazma tereit tölti ki, diffúzióját az oldott vegyületek által meghatározott ozmotikus potenciál szabályozza.

Sejtorganellumok (3.): a legmozgékonyabb vizet tartalmazzák.

Kloroplasztisz (4.): a leggyorsabban telítıdik,a dehidratációnak rendkívül ellenáll.

Sejtnedv (5.): vízpotenciálja a benne oldott anyagok függvénye. A citoplazma és a sejtnedv vízpotenciálja többé-kevésbé egyensúlyban van.

3. A növényi sejt vízviszonyai

1.

2.

3.

4.

5.

• Ha a sejt vízzel telített, a fali nyomás és az ozmotikus potenciál kiegyenlíti egymást a sejt vízpotenciálja nulla lesz.

ψ = P –π P = π ψ = 0

• Ha a sejt víztartalma csökken, a nyomáspotenciál fokozatosan megszőnik, végül nulla lesz a vízpotenciál az ozmotikus potenciállal egyenlı.

ψ = P –π P = 0 ψ = π

• Ez az állapot még nem okoz tartós károsodást, ha a környezet vízpotenciálja megnı, a sejt vizet vesz fel.

Ψ sejt < Ψ környezet

4. A sejt vízviszonyainak változása

5. ábra: A sejt vízpotenciáljának eredete, a vízvesztés során lejátszódó változások

6. ábra: A vízpotenciál relatív értékei

5. Szöveti feszültség: a szomszédos sejtek nyomásának összegzése. Szerepe: alaktartás, mechanikai szilárdság.

7. ábra: Szöveti feszültség: 1. gyermekláncfő tıkocsánya hosszában széthasítva, 2. ugyanaz vízbe helyezés után, 3. napraforgószár bélrésze a

kéregrészbıl kitolódik, ha erısen megnedvesítjük, 4. fiatal faágról lehántott kéreg összezsugorodik, és az ágra visszahelyezve azt nem borítja be teljesen

3

6. Ozmoreguláció: a szervezet számára optimális vízpotenciál fenntartása.

Típusai:• anatonózis: a vízpotenciál süllyesztése az ozmotikus

potenciál csökkentése által (felvett sók, szerves anyagok, ill. poliszacharidok elbontása segítségével)

• katatonózis: a vízpotenciál növelése az ozmotikus potenciál növelése által (sók, szerves anyagok leadása, ill. monoszacharidok polimerizációja segítségével).

1. A víz biológiai és fiziológiai jelentısége

• A citoplazma szerkezetképzı eleme• Az anyagcsere folyamatainak közege• Tápanyag: a fotoszintézis kiindulási anyaga• Oldószer: az ásványi anyagok csak oldott állapotban vehetık fel.• Anyagmozgató és szállító• Biztosítja a sejtek, szervek alaktartását• Részt vesz az oxidációs és redukciós folyamatokban• Hıszabályozást biztosít• Szaporodási folyamatokban vehet részt

A növények vízgazdálkodása

• Vízforgalom: vízfelvétel + vízszállítás + vízleadás

• Vízmegtartó képesség:képesség a víz megırzésére vízellátási zavarok esetén

• Vízháztartás:a vízfelvétel, vízvisszatartás, vízfelhasználás és a vízleadás kapcsolata

• Vízgazdálkodás:a vízforgalom aktív szabályozása

• Vízmérleg: egy adott idıpontban a vízfelvétel és vízleadás aránya

2. A vízgazdálkodás alapfogalmai

vízleadás

vízszállítás

vízfelvétel

8. ábra: A növények vízforgalma

•Poikilohidratúrás növények: − víztartalmuk és vízforgalmuk erısen függ a környezet vízviszonyaitól− vízmegtartó képességük gyenge− a kiszáradást jól tőrik− pl.: egysejtőek, sejttársulások, telepesek.

•Homoiohidratúrás növények: − vízgazdálkodásuk révén a környezet víztartalmának nagyobb ingadozásait is képesek hosszabb ideig elviselni.− a kiszáradást nem tőrik,− pl.: hajtásos növények.

3. A növények csoportosítása vízgazdálkodási típusuk szerint

Víztartalom a növényi sejtben:• Citoplazma: átlagosan 55-89%• Sejtorganellumok: kb. 50%• Sejtfal: kb. 50%

Víztartalom a növényi szervekben:• magvak: 10-14%• húsos termések: 80-95%• levelek:

• vízi növények: 90%• közepes vízellátottságú növények: 80%• szárazságtőrı növények: 50-60%

• törzs: átlagosan 51%

A növények a felvett víz 98-99%-át elpárologtatják és csak1-2%-ot építenek be a szervezetükbe.

4. A növények víztartalma és vízszükséglete

• A talaj – növény – légtér rendszerben állandó vízpotenciál különbség van. Ez szabályozza a vízfelvétel, vízszállítás és vízleadás folyamatait.

• A legnagyobb vízpotenciál különbség a hajtás és a légtér között van → a hajtás vizet ad le a légtérbe→ a hajtás vízpotenciálja süllyed → a növényi testben vízpotenciál-gradiens alakul ki → a gyökér vizet vesz fel.

• A gyökerek vízfelvételre akkor képesek, ha vízpotenciáljuk a talajénál negatívabb.

5. A növények vízfelvétele

4

9. ábra: A vízpotenciál-gradiens alakulása a talaj és a légtér között

alacsony vízpotenciál

légtér ψ

levél ψ

gyökér ψ

talaj ψ

magas vízpotenciál

• Higroszkópos víz: a talajrészecskék felszínéhez kötött, a növények számára nem felvehetı víz.

• Kapilláris víz : a talaj kapillárisaiban található, a növények számára felvehetı víz.

• Gravitációs víz: a nehézségi erıhatására gyorsan a talaj alsóbb rétegeibe vándorló víz, egy része a növények számára sok csapadék esetén felvehetı.

6. A talaj vízkészlete

10. ábra: a talaj víztartalma, homok- és agyagtalaj vízpotenciál görbéje, a különbözı vízfrakciók, s a növények által felvehetı vízkészlet

•Az idıegység alatt felvehetı víz (V) mennyisége függ:•a gyökérszırök vízfelvevı felületétıl (F)

•a talaj vízpotenciáljától (ψt)

•a gyökérszırök vízpotenciáljától (ψgy)•a vízfelvétellel szembeni ellenállások összegétıl (∑r)

V = F

11. ábra: A vízbe helyezett leveles ágrész a kívül lévı ágrészt vízzel látja el. (Hales 1747)

ψt −ψgy

∑r

• A gyökérrendszer jellege:• extenzív: nagy területet hálóz be, de térfogat-

egységenként a gyökerek száma csekély.• intenzív: kis területet hálóz be, de térfogat-

egységenként a gyökerek száma nagy.

• A növény egyedfejlıdési állapota: meghatározza az anyagcsere intenzitását, ez kihat a párologtatás mértékére.

• A föld feletti szervek szervesanyag-termelése: nagyobb fotoszintetizáló felület elısegíti a gyökerek növekedését.

• Gyökérnyomás: a gyökerek aktívan ásványi anyagokat vehetnek fel, ezáltal csökken a vízpotenciáljuk.

7. A vízfelvételt befolyásoló tényezık

gyökér-nyomás?

•A talaj tulajdonságai:

• fizikai tulajdonságok: tömött, cserepes talajokban a vízfelvétel akadályozott.

• hımérséklet: alacsony hımérsékleten a víz migrációja lassul, magas hımérsékleten a gyökerek kiszáradhatnak, elhalhatnak.

• oxigénhiány és széndioxid felszaporodás: gátolja a vízfelvételt.

• ásványianyag-tartalom: a kálium és a foszfor javítja, a nitrogén labilissá teszi a vízfelvételt.

5

A szállítás irányát a vízpotenciál-gradiens határozza meg, mozgatója a párologtatás és a gyökérnyomás.

A vízszállítás történhet:sejtrıl – sejtre = rövid távú szállítása xylém elemein keresztül = hosszú távú szállítás.

A rövid távú szállítás diffúzióval megy végbe, történhet:szimplazmás úton: citoplazmáról citoplazmáraapoplazmás úton: a sejtfalak mikrokapillárisaiban.

8. A vízszállítás folyamata

párologtatás?

A vízszállítás folyamata:gyökérszırök által felvett víz → kéregparenchima

(apoplazmás út) → endodermisz (szimplazmás út) →áteresztı sejtek → központi henger: hosszú távú szállítás a tracheákban (kondukció) → levélerek → mezofillum(apoplazmás út) → szivacsos parenchima sejtközötti járatai → sztómák→ légtér

A vízszállítás sebességét befolyásolja:• a vízszállító rendszer összfelülete• a szállítóedények vezetıképessége • (fenyık: 1-1,5m / óra,

lombos fák: 20-30m / óra)• a lombozat terjedelme.

tracheida és trachea

12. ábra: A talajból felvett víz útja a gyökér szöveteiben, szpl: szimplazma, szh: szabad hely (apoplazmatikus tér),

v: vakuolum.

13. ábra: A talajból felvett víz útja a gyökér szöveteiben

•A növények párologtatása (transzspiráció)• Jelentısége:

− vízfelvétel csak vízleadással valósítható meg− vízfelvételt és vízszállítást serkent− hıszabályozó

•A transzspiráció módjai:− sztómákon keresztül: zárósejtek mőködése által

szabályozott,− kutikuláris vagy perisztómás: 3-35%− peridermális: csekély mértékő

•A sztómák mőködése:− a nyitódás és záródás oka: a zárósejtekben bekövetkezı

turgorváltozás.− folyamata: a zárósejtek hidrosztatikus nyomása nı →

a sejtfalak kitágulnak → a sejttérfogat nı →sztómanyitódás

9. A vízleadás

15. ábra: A sztómanyitódás menetekeményítı → foszfoenol-piroszılısav (PEP) → oxálecetsav

(oxálacetát) → almasav (malát) → dikálium-malát→ vízbeáramlás

6

gyökér

légtér ψ = -10 -100 MPa

törzs ψ = -0,8 MPa

gyökér ψ = -0,6 MPa

vízp

ote

nciá

l grá

die

ns

gyökér

vízmolekulagyökérszır

talajrészecske

víz

adhéziósejtfal

kohézió

talaj ψ = -0,3 MPa

levél ψ = -1,0 MPa

xylém

levél légtér

vízmolekulasztóma

mezofillumxylém