DIPLOMOVÉ A DISERTAâNÍ PRÁCESome molecular and biochemical aspects of chlorophyll biosynthesis in calli cultures of norway spruce (Picea abies(L.) KARST.) and larch (Larix decidua MILL.) (R. Balátová) . . . 76Chlorophyll biosynthesis in the dark-grown seedlings of Pinus mugo Tirra and Pinus silvestris L. (K. Breznenová) . . . 78Characterization of heavy metal hyperaccumulator Thlaspi caerulescens from Banská ·tiavnica (D. Masaroviã) . . . 79Changes of photosynthetic apparatus in Larix decidua Mill and Picea abies (L.) Karst in different conditions of irradiation after exogenous application of 5-aminolevulinic acid (N. Maximová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Influence of galactoglucomannan oligosaccharides on mung bean (Vigna radiata (L.) Wilczek) plants grown in hydroponics (D. Richterová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Photosynthesis of carnivorous plants in response to nutrient uptake (L. Singerová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Toxic effects of aluminium on growth and morphology of Arabidopsis thaliana root and root hairs (E. Súkupová) . . . . 85Expression of the Light-Independent Protochlorophyllideoxidoreductase in Physcomitrella patens (V. ·inská) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Physiological adaptations of Arabidopsis sp. to toxic concentrations of essential heavy metals (E. Valaseková) . . . . 87Study of the genes responsible for chlorophyll biosynthesis in the dark (V. Demko) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Study of mustard (Sinapis alba L.) seedlings regeneration after antibiotics treatment (A. Machlicová) . . . . . . . . . . . . . . . 91The development and function of endodermal cells of Arabidopsis thaliana primary roots (M. Martinka) . . . . . . . . 93Chlorophyll biosynthesis and photosynthesis in seedlings of gymnosperm species (A. Pavloviã) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95Comparative study of Thlaspi spp. roots in relation to metal hyperaccumulation (I. Zelko) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98Activation of non-photochemical quenching mechanisms of absorbed light energy in lichen thalli exposed to desiccation stress (A. Moudrá) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
OOOObbbbssssaaaahhhh
2
O
Studium prÛbûhu lignifikace xylému u transgenních rostlin tabáku Nicotiana tabacum s modulovanou biosyntézou cytokininÛ (V. Protivová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101The effects of arbuscular mycorrhizal fungi and rhizosphere bacteria on maize (Zea mays L.) growth (M. Rozmo‰) . . . . . . 102Vliv iontÛ tûÏk˘ch kovÛ na kulturu léãivé rostliny klanopra‰ky ãínské in vitro (Z. Tesafiíková) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103Study of orchid mycorrhiza using fungicides (K. BaláÏová) . . . 104The use of in vitro cultures for effect assessment of persistent organic pollutants on plants (L. VáÀová) . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Non-metabolic use of solar energy in plants (A. Rej‰ková) . . . 106Studium funkce rodiny hybridních prolinem bohat˘ch proteinÛ (L. Dvofiáková) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107Studium metabolismu polyaminÛ v bunûãném dûlení a jejich úloha ve fyziologick˘ch pochodech rostlin (L. Gemplerová) . . . 109Úloha karotenoidÛ v prÛbûhu ontogeneze vy‰‰ích rostlin a adaptace ke stresov˘m podmínkám (D. Haisel) . . . . . . . . . . 110Study of coniferous needles in relation to environmental factors using approaches of quantitative anatomy and laboratory spectroscopy (Z. Lhotáková) . . . . . . . . . . . . . . 112Effect of cytokinin deficiency on oxidative damage and antioxidant defence during ageing and abiotic stress (Z. M˘tinová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Pfiíjem a vyuÏití rÛzn˘ch forem dusíku u rostlin p‰enice (I. Raimanová) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117Vliv transformace kvasinkov˘m genem Spcdc25 na stavbu kofienového systému tabáku (K. âiháková) . . . . . . . . . . . . . . . 120Reakce na abiotick˘ stres u tkáÀov˘ch kultur jablonû (Malus domestica Borkh.) (D. Krsek) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121Early stages of development of terrestrial orchids: the effect of saccharides and phytohormones (J. Ponert) . . . . . . . . . . . . 122Somatická embryogeneze jehliãnanÛ: metabolismus a role RFO (O. Skala) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Transformace bramboru (Solanum tuberosum) mitotick˘m aktivátorem cdc25 ze Schizosaccharomyces pombe(H. ·evãíková) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
OOOObbbbssssaaaahhhhO
3
·éfredaktor Bulletinu mû poprosil, abych tentokrát sám naplnil Ïánr zvan˘ Editorial.Mám v˘hodu volného prostoru, neboÈ obsah ãísla, kter˘ je pod touto hlaviãkou vût‰inouuvádûn a samotn˘m ‰éfredaktorem pregnantnû komentován, neznám. Zmûním tedy úhelpohledu a pokusím se naznaãit, co mohou mít s âSEBRem spoleãného souãasné „leit-motivy“ Ïivota vûdecké obce. Odstartoval se problém spojen˘ s v˘znamn˘m kráceníminstitucionálních prostfiedkÛ AV âR. Okolnost vyvolaná na jedné stranû implikací systé-mu hodnocení vûdecké v˘konnosti, kter˘ byl vypracován v rámci Reformy vûdy a v˘-zkumu Radou vlády pro vûdu, experimentální v˘voj a inovace, a kter˘ je zakotven i veschváleném zákonu 110/2009. Na druhé stranû pak hospodáfiskou krizí, zablokovánímpfiedpokládaného nárÛstu vefiejn˘ch prostfiedkÛ na VaV ve v˘‰i 8 % (cca 2 mld). Ohro-Ïení existence AV bylo jiskrou vedoucí k solidarizaci znaãné ãásti vûdecké obce spoje-né se základním v˘zkumem a vedlo k protestÛm, jejichÏ vûcné i happeningové projevya argumentace jsou obecnû známé a nebudu se jimi zab˘vat. Zdánlivû jde jen o tech-nickou otázku nastavení státních penûzovodÛ do této oblasti.Jedineãnost souãasné situace spatfiuji v tom, Ïe problém financování se vlámal do vefiej-ného prostoru a tam zakotvil, transformován do daleko ‰ir‰ích obãansk˘ch kontextÛ. Ci-tát z webov˘ch stránek fora vûdeck˘ch pracovníkÛ „Vûda Ïije“: „Nejde zdaleka jen o fi-nancování vûdy, ale i roli, jakou vzdûlanost a kultura v ‰ir‰ím slova smyslu budou hrátv na‰í spoleãnosti a o model jejího vefiejného spravování“, mluví jednoznaãnû. Tentoetos na‰el i své spojence ve vzdálenûj‰ích oblastech napfi. státního financování a fiízeníkultury. VÛdãí slogan státní reformy vûdy a v˘zkumu: „Vûda dûlá z penûz znalosti, ino-vace dûlají ze znalosti peníze“ je tedy roz‰ifiován zohlednûním toho, co se nemusí eko-nomicky bezprostfiednû vyplácet, co nemá jako jedin˘ jmenovatel rÛst HDP a co pfied-stavuje obecnûj‰í národní hodnoty vzdûlanost, kultury, ekologického a sociálního cítûní.Ve v˘‰e uvádûném kontextu není jen koneãn˘m cílem, aby ta která instituce zÛstala za-chována na zpevnûném podloÏí institucionálního financování, ale jde i o reflexi obec-nûj‰ích problémÛ a zájmÛ. A co Ïe máme reflektovat? Na prvním místû národní koncep-ci vûdy a v˘zkumu s ohledem na vyuÏití intelektuálního potenciálu, spoleãensk˘chpotfieb a domácích zdrojÛ. Vzdor tomu, Ïe existuje fiada stfiednûdob˘ch dokumentÛ jako„Dlouhodobé smûry základního v˘zkumu“ ãi „Národní politika VaV“ i dal‰í, probíhalaReforma vûdy a v˘zkumu bez ‰ir‰í úãasti profesní obce/cí v rukou omezeného, co do té-matiky a zámûrÛ, spektra specialistÛ i úfiedníkÛ. V obou pfiípadech téÏ lobbystÛ. AÏ v exi-stenãní nouzi se vûdecké instituce, do té doby znaãnû introvertní, zaãaly zajímat (stálenedostateãnû, coÏ jim i vyt˘káno) o dûní u blízk˘ch i vzdálenûj‰ích sousedÛ. Hodiny podvanácté byl pootevfien prostor úvahám jak˘m smûrem, z jakého materiálu a za jakoucenu mají b˘t „trasírovány“ cesty vûdy a v˘zkumu v krajinû domácího smûfiování. Jak-koli zjednodu‰ená, má své racionální jádro tolikrát vyslovená otázka: Staneme se mon-tovnou automobilÛ ãi vzdûlanostní spoleãností? Snad nejv˘znamnûj‰í podnût pro spolu-úãast vûdecké obce. ¤ada evropsk˘ch státÛ si takovou otázku poloÏila a dokázala na ninajít i odpovûì.A co s tím má spoleãného âSEBR? Ve zlep‰ující se kondici obstarává správu a ãinnostobce rostlinn˘ch biologÛ (chtûlo by se dodat i navzdory obecnému nechutenství k vefiej-n˘m zájmÛm). Ani tato, oborovû v˘raznû specializovaná spoleãnost, ale nemÛÏe resig-novat ze své úlohy a odpovûdnosti ve vefiejném prostoru. Doba jí dokonce pfiihrála v˘-hodné, mnohdy tûÏko zastupitelné, postavení. Mûlo by ji b˘t sly‰et pfii formováníspoleãensk˘ch postojÛ a názorÛ v tak zásadních otázkách, kam a jak smûfiovat rostlinnébiotechnologie (vãetnû GMO, abych uspokojil ZdeÀka Opatrného), jak˘ prostor má b˘totevfien energetick˘m rostlinám, jak reáln˘ je dopad klimatick˘ch zmûn na plodiny i ce-nózy planû rostoucích rostlin, zda pfiedpona bio- opravdu sniÏuje alimentární rizika. Ví-ce a dÛraznûji by mûla propagovat zeleÀ jako Ïivitelku, ochránce i tû‰itelku. Nechci dá-le fabulovat, tûch problémÛ je jistû cel˘ houf a mají i svou spoleãenskou hierarchii. Vím,Ïe uvedeny naivní, okamÏité nápady, jde o orientaci v mûfiítku. Îe to v‰echno nedove-deme (kromû Lubo‰e Nátra) uchopit, Ïe jsme specialisty s úzce vymezen˘m hlubok˘mponorem? Kdo jin˘ neÏ kolektivní organizace rozkroãená v takové tématické ‰ífii, by mûl
EEEEddddiiii ttttoooorrrr iiiiaaaa llll
4
E
mít vût‰í nadhled. Nadhled vedoucí k anal˘ze stavu a s úãastí na‰ich kolegÛ v pfiíbuz-n˘ch oborech i k organizaci odborného a spoleãenského diskurzu?Máme i nesplacen˘ dluh. Aby bylo moÏno pohybovat se s vût‰í jistotou a autoritou jakohráã vefiejného prostoru a abychom si uvûdomovali celou skladbu oborové krajiny, v níÏjsme usazeni, je tfieba navázat zpfietrhané kontakty s kolegy v resortních ústavech pfií-slu‰n˘ch ministerstev i nevefiejn˘ch institucích. Pozvat je v rámci âSEBRu ke smysluplnéspolupráci. Má to i drobn˘ háãek, sami musíme, alespoÀ na chvíli, pfiekroãit stín své ne-dotknutelné profesní omezenosti.A co tedy máme dûlat? Pro zaãátek se k obecn˘m problémÛm mediálnû vyjadfiovat, vstu-povat do vefiejného prostoru a nabízet vlastní názor. Jako osobnosti, nûkdy i jménem ob-ce, kterou zastupujeme. StaÀme se úãastníky té podivuhodnû promûnûné scény, kteráz trpn˘ch a trpûliv˘ch divákÛ tak podivuhodnû rychle udûlala i herce dramatu (moÏnájen domácí grotesky) hraném nejen o penûzích, ale i o hodnotách, které se jimi tûÏko vy-jadfiují. A pokud se vám ten návrh zdá aÏ pfiíli‰ patetick˘ a faraonsky nadnesen ,̆ nabízímalespoÀ k zamy‰lení novou perspektivu pohledu.
Jan Krekule
EEEEddddiiii ttttoooorrrr iiiiaaaa llll
5
E
Milé kolegynû, váÏení kolegové,
v rozporu s tvrzením Jana Krekuleho v první vûtû jeho úvodu, chci pfiipsat nûkolik od-stavcÛ.Nejprve k jeho hlavnímu tématu – financování vûdy v âesku. Také se domnívám, Ïe seproblémy souãasného svûta uÏ tak hluboce dotkly rostlin a rostlinn˘ch spoleãenstev, Ïebychom i my a na‰e profesní organizace mûli vstoupit do stále se roz‰ifiujícího a prohlu-bujícího toku komunikace vûdcÛ s vefiejností. Mám na mysli zejména objasÀování prin-cipÛ vûdecké práce i podstaty mnoha pfiírodních jevÛ, trvalé nadfiazenosti pfiírody a po-znatkÛ o ní nad ekonomikou a trhem atd.Av‰ak nedávné protesty a v˘kfiiky za záchranu ãeské vûdy mi pfii‰ly spí‰e trochu líto. Do-mnívám se, Ïe jen neznatelnû se pfiipomínalo vefiejnosti, Ïe vûda je v˘raznou souãástína‰í kultury. Nebo to, Ïe je sice hezké mít více nositelÛ Nobelovy ceny, ale Ïe vûda po-skytuje naprosto nenahraditelnou a doslova kaÏdodenní ‰irokou základnu pro v˘uku no-v˘ch lékafiÛ, inÏen˘rÛ ãi uãitelÛ. Dále, Ïe musí pfiipravit velmi ‰irokou základnu kvalifi-kovan˘ch odborníkÛ, ktefií budou schopni prÛbûÏnû sledovat v˘voj vûdy v zahraniãía alespoÀ rozumût moÏn˘m aplikacím. Postrádal jsem moudr˘ nadhled, a tak dÛleÏitouvelkorysost v projevech protestujících. A doslova, vadila mi patrnû zámûrná neúplnostpodávan˘ch informací protestujících, a to nejen pfii pouliãních demonstracích. Pokudtvrzení o lep‰ím financování vysok˘ch ‰kol není zároveÀ doplnûno sdûlením o jejich po-vinnosti vyuãovat a vzdûlávat desetitisíce studentÛ, tak je to neúplná informace. Pokudse argumentuje, Ïe pracovi‰tû AV poskytují podmínky a materiální i du‰evní zázemí prostudium dvou tisíc doktorandÛ, aniÏ by dostávaly zvlá‰tní pfiíspûvek, tak je to pro vefiej-nost neúplná informace. VÏdyÈ studenti doktorského studia mají mimofiádnû svûÏí a ino-vativní nápady i velmi pilné ruce. TakÏe kolik projektÛ by na pracovi‰tích AV ubylo, kdy-by tam studenti nena‰li pohostinnou atmosféru?VÛbec nechci nejen hloubit a ani naznaãovat jak˘si pfiíkop mezi laboratofiemi jak˘chko-liv institucí. Jen jsem chtûl uvést svÛj názor na to, Ïe vûda, sama o sobû i jako souãást kul-tury v tom nej‰ir‰ím smyslu tohoto pojmu, má svoje principy, ideje, snad i poslání.Rád se vracím k vlastnímu Bulletinu, tedy tomuto ãíslu. Umístili jsme sem nûkolik pfiís-pûvkÛ ze dvou semináfiÛ – minikonferencí, které uspofiádala Katedra fyziologie rostlinPfiírodovûdecké fakulty UK spoleãnû s na‰í organizací – âSEBR v lednu a kvûtnu 2009.Domnívám se, Ïe v‰echny pfiíspûvky nabízejí v‰em ãtenáfiÛm pfiístupn˘ pohled na nûkte-ré oblasti experimentální biologie rostlin na poãátku 21. století.Chci vûfiit, Ïe i ostatní pfiíspûvky najdou svoje ãtenáfie a snad vyprovokují nûkteré i k na-psání vlastní úvahy ãi sdûlení. Moc mû tû‰í, Ïe studentka Vejvodová ze své prezentacepro pfiedná‰ku „Globální zmûny klimatu a trvale udrÏiteln˘ rozvoj“ pfiipravila velmi pûk-n˘ ãlánek, jímÏ si pfiipomínáme nedávné úmrtí Normana Borlauga.Závûrem Vás chci poprosit, abyste vûnovali svou pozornost tfietímu t˘dnu v záfií pfií‰tíhoroku. V tuto dobu se budou v Praze konat dal‰í tradiãní Dny fyziologie rostlin, tentokrátuÏ s názvem Konference experimentální biologie rostlin. Je samozfiejmé, Ïe Vûdeck˘ v˘-bor konference, jemuÏ pfiedsedá Jana Albrechtová, uvítá Va‰e návrhy a námûty na obsahi formu tohoto setkání ãesk˘ch a slovensk˘ch experimentálních rostlinn˘ch biologÛ.
Pfieji Vám aÏ netu‰enû nádherné vánoãní svátky a pfiekvapivû pfiíjemn ,̆ úspû‰n˘ a ze-jména ‰Èastn˘ rok 2010.
Lubomír Nátr
EEEEddddiiii ttttoooorrrr iiiiaaaa llll
6
E
CELOSTÁTNÍ SEMINÁ¤E EXPERIMENTÁLNÍ BIOLOGIE ROSTLIN V PRAZE,
NOVÁ TRADICE?
âSEBR má jiÏ tfietím rokem sídlo na Pfiírodovûdecké fakultû Univerzity Karlovy ve Viniãné 5, Praha 2,kde je zároveÀ sídlo Katedry, která se oboru experimentální biologie rostlin vûnuje s nejdel‰í nepfietr-Ïitou tradicí v âeské republice. Zmûna sídla âSEBR souvisela nejen s ãásteãnou personální obmûnouv˘boru âSEBR, ale odráÏela i nastalé uωí propojení obou tûchto institucí, peãujících o rozvoj oboru.Katedra fyziologie rostlin PfiF UK se v mezidobí stihla pfiejmenovat na Katedru experimentální biologierostlin (KEBR), a propojení se tak stalo i opticky je‰tû zfiejmûj‰í. Nakolik toto propojení prospûlo obû-ma institucím nechám spí‰e na posouzení Vás – pozorovatelÛ z vnûj‰ku, neboÈ moje zapojení do ve-dení obou semináfiÛ mÛÏe podmiÀovat zaujatost pohledu.S urãitostí v‰ak mohu fiíci, Ïe za tyto poslední roky se aktivity âSEBR roz‰ifiují v souãinnosti s KatedrouEBR. Kromû úspû‰ného zaloÏení webov˘ch stránek (www.csebr.cz), které jsou otevfieny oborov˘m in-formacím a diskusím, se zdá, Ïe se podafiilo zaloÏit tradici pofiádání celostátních semináfiÛ, novû za-poãatou zprvu KEBR jako souãást v˘uky, vÏdy na konci semestrÛ akademického roku. Semináfie jsoubuìto vûnovány v˘razn˘m osobnostem na‰eho oboru nebo jsou zamûfieny na zajímavá aktuální téma-ta oboru. Spoleãné mají nejen organizátory, ale pfiedev‰ím pfiíjemné lidské setkání a inspirující disku-si kolegÛ v oboru z rÛzn˘ch pracovi‰È v âesku i na Slovensku. Dfiíve prostorem pro toto setkání bylyhlavnû Dny fyziologie rostlin obvykle ãtyfidenní pofiádané s tfiíroãní periodicitou, zatímco semináfiejsou jen pÛldenní a konají se dvakrát do roka a sk˘tají tak moÏnost ãastûj‰ích setkání.Celkem uÏ probûhly tfii takovéto semináfie a ãtvrt˘ nás ãeká zaãátkem roku 2010. První semináfi se ko-nal v kvûtnu 2008 a byl vûnován Ivanû Macháãkové, dlouholeté ãinovnici âSEBR a fieditelce Ústavuexperimentální botaniky AVâR, u pfiíleÏitosti ukonãení její pÛsobnosti v oboru. Druh˘ se konal v led-nu 2009 a byl vûnován ekologickému zemûdûlství a byl sestaven ZdeÀkem Opatrn˘m. V kvûtnu 2009byl semináfi vûnován v˘znamu fotosyntézy ve 3. tisíciletí a byl pofiádán u pfiíleÏitosti Ïivotního jubileaLubomíra Nátra, souãasného pfiedsedy âSEBR a dlouholetého vedoucího tehdej‰í Katedry fyziologierostlin PfiF UK. V lednu 2010 (12. 1.) pofiádáme dal‰í semináfi, tentokrát u pfiíleÏitosti 85. narozeninDr. Bohdana Slavíka a semináfi je proto vûnován vztahu rostlin a vody ve 3. tisíciletí.Zatím se semináfiÛm dafií, b˘vá nás pfies sto úãastníkÛ a adjektivum celostátní zÛstává naplnûno. A jsmemoc rádi, Ïe pfiijíÏdûjí i kolegové ze Slovenska, a dafií se tak udrÏovat tradici „ãeskoslovenské“ souná-leÏitosti a spolupráce. Myslím, Ïe tyto semináfie mají dÛleÏit˘ v˘znam i pro studenty, protoÏe vidí po-ãetnou, aktivní a inspirativní komunitu, jejíÏ jsou souãástí. A tak jen doufáme, Ïe semináfie budou i na-dále hojnû nav‰tûvované a Ïe se podafií tuto tradici budování aktivní profesní a diskusní platformyoboru ustálit.
Tedy – na semináfie jste trvale zváni Vy i Va‰i kolegové – ‰ifite dál. Tfieba zdomácní parafráze „Sejdemese v úter˘ odpoledne po semestru ve Viniãné!“ Tedy brzy na vidûnou – tû‰ím se.
Jana AlbrechtováVedoucí Katedry experimentální biologie rostlin PfiF UK a místopfiedseda âSEBR
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
7
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
8
S
Ekozemûdûlství v kontextu souãasné biologie rostlin: 13. 1. 2009
Dne 13. ledna 2008 se na Pfiírodovûdecké fakultû Univerzity Karlovy (PfiF UK) v Praze konal semináfivûnovan˘ problematice ekologického zemûdûlství v kontextu uplatnûní moderních technik experi-mentální biologie rostlin. Semináfi pofiádala Katedra fyziologie rostlin PfiF UK. Semináfi byl zam˘‰len ja-ko diskusní platforma dané problematiky mezi experimentálními biology rostlin z rÛzn˘ch pracovi‰Èv âeské republice a tématicky zainteresovanou vefiejností odbornou i laickou. Tento semináfi byl jiÏdruh˘m v pofiadí velk˘ch, celostátních semináfiÛ.Uspofiádání semináfie inicioval prof. Zdenûk Opatrn ,̆ kter˘ se dlouho intenzivnû vûnuje expertní i po-pularizaãní ãinnosti v problematice rostlinn˘ch biotechnologií a geneticky modifikovan˘ch (GM) plo-din. Program semináfie sestavil tak, aby odráÏel souãasnou diskusi o této problematice, kdy je samotnévymezení pojmu ekologického zemûdûlství pfiedmûtem neutuchajících diskusí ekologick˘ch aktivistÛ,odborníkÛ i politikÛ. Pfiíspûvky semináfie pokr˘valy celé spektrum novodob˘ch konceptÛ ekologické-ho zemûdûlství od prvoplánovitého pojetí pfiirozenosti v‰ech funkãních komponent po koncepty zalo-Ïené na nejnovûj‰ích poznatcích vãetnû molekulární biologie a genetiky rostlin.První polovinu ladûnou více sociologicky a „ideologicky“ otevfiel prof. Opatrn ,̆ následovaly pfiíspûvkyodborníkÛ z âeské zemûdûlské univerzity v Praze – Prof. Petra a Ing. Kuchtové, dále Dr. Stockelové zeSociologického ústavu AVâR. Druhá polovina byla více o experimentální biologii rostlin a jejím uplat-nûní v zemûdûlství. Pfiíspûvek pfiednesl prof. âurn z Jihoãeské Univerzity a Biotechnologického centrav âesk˘ch Budûjovicích, Ing. Sm˘kal z Agritecu ·umperk. Poslední pfiíspûvek profesora Nátra naladilatmosféru do více filozofické úrovnû a pfienesl diskusi do globální úrovnû uÏivení svûtové populacesouãasn˘m zemûdûlstvím. Nám je jasné, Ïe bez biologie rostlin to nepÛjde a bude tfieba pfiesvûdãito tom i ‰irokou vefiejnost. Semináfi byl zakonãen pfiívûtiv˘m poho‰tûním a doznívajícími diskusemi dopodveãerních hodin.
Jana Albrechtová
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
9
Ekologické zemûdûlství v kontextu s konvenãními a GM technologiemi:
existují i odborné dÛvody pro jejich „inkompatibilitu?
Zdenûk Opatrn˘Katedra fyziologie rostlin
Pfiírodovûdecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze
KdyÏ mne prof. Nátr záhy po lednovém EkoBioGM semináfii poÏádal o pfiíspûvek do Bulletinu, mûl sa-mozfiejmû na mysli roz‰ífienou anotaci mé pfiedná‰ky o „Abiopotravinách“. MoÏná jsem mûl upo-slechnout a nepfiidûlávat si práci s psaním zcela nového textu. Ale – vlastní pfiedná‰ková presentace jedlouhodobû dostupná na webov˘ch stránkách katedry, proã tedy tvofiit její dal‰í textovou verzi? Zaúãelnûj‰í jsem povaÏoval tento doplnûk na téma: „proã jsme si takov˘ semináfi vymysleli?“ Jak jehoprÛbûh splnil na‰e oãekávání? Jak s touto zku‰eností dále naloÏit, jak ji vyuÏít v nejrÛznûj‰ích aktivi-tách „SEBRu“?Vûda o rostlinách vÏdy mûla a jistû bude mít rÛzné podoby i cíle. Od vzne‰eného pfiání poznávat prin-cipy ãi mechanizmy toho, ãemu fiíkáme Ïivot, aÏ po tak „pfiízemní“ dÛvod, jak˘m je udrÏet pfii Ïivotûtrvale narÛstající lidskou populaci. Ochránit ji nejen pfied hladem, ale také podv˘Ïivou a nemocemivypl˘vajícími z nejrÛznûj‰ích typÛ „malnutrition“. Deset tisíc let v˘voje kulturního zemûdûlství, pro-vázeného resp. podmínûného stále více sofistikovan˘mi ‰lechtitelsk˘mi i pûstitelsk˘mi postupy, dospû-lo v posledním dvacetiletí mj. k realitû „koexistence“ tfií základních zemûdûlsk˘ch metodik oznaãova-n˘ch jako zemûdûlství konvenãní, ekologické („organic farming“) a biotechnologické (vyuÏívajícíplodiny tzv. geneticky modifikované – GM). Jde o koexistenci – nikoliv v‰ak o pfiátelskou spolupráci;spí‰e naopak – alespoÀ ve vztahu onoho ekologického farmáfiství ke zbyl˘m dvûma. Pravidla i dÛvodytéto koexistence jsou jiÏ dlouhodobû pfiedmûtem rÛznû ostr˘ch ideologicko-politick˘ch pÛtek. V ãase,kdy pí‰i tento text, zb˘vá nûkolik dní do voleb nového parlamentu EU. A na praÏsk˘ch (moÏná nejen)ulicích mÛÏe obãan mj. vidût billboardy s v˘zvou, aby si vybral, jaké chce mít budoucí ãeské zemû-dûlství: eko, GM nebo konvenãní? Volte na‰e kandidáty – a zajistíme vám zdravá biojablka pro va‰edûti. Volte NÁS – a zaplavíme na‰e/va‰e supermarkety levn˘m GM olejem a benzinové pumpy lacinou„bionaftou“ z GM fiepky. Vnímáte ty paradoxy a terminologické rébusy? Je skuteãnû správné stavût ta-kovou koexistenci jako konfrontaãní téma? Jsou opravdu tyto technologie nesluãitelné – ãi alespoÀ jenesluãitelné ekozemûdûlství s tûmi dal‰ími dvûma? Je tento spor pouze dobov˘m taneãkem nebo jejmáme povaÏovat za dlouhodob˘ problém?Odborné dÛvody nesluãitelnosti mezi nimi „nepouãen˘ laik“ stûÏí chápe – ba hÛfie, jsem si jist, Ïe jedost dobfie nechápe ãi nechce pochopit ani vysoko‰kolsky vzdûlan˘ odborník. K této jistotû mne vedemoje jiÏ mnohaletá zku‰enost nejen z pfiedná‰ek pro univerzitní posluchaãe (pre- i post- graduální,vãetnû tûch z U3V), ale také pro laickou vefiejnost a studenty nejrÛznûj‰ích typÛ stfiedních ‰kol. Prav-da, jejich ústfiedním tématem byly a jsou geneticky modifikované rostliny/plodiny. Jejich „pfiínosy a ri-zika“ pro ãlovûka a pfiírodu, ekonomiku a ekologii, medicínu a etiku, zemû svûta prvého, druhého, tfie-tího, Monsanto, ale také kozí ekofarmu v Orlick˘ch horách.
Chce-li v‰ak ãlovûk zodpovûdnû srovnávat, dfiíve ãi pozdûji mu nezbude nic jiného, neÏ se blíÏe se-známit nejen s reklamními slogany, ale také s podrobnou argumentací svého oponenta. Urãité znalos-ti toho konvenãního zemûdûlství mi poskytlo nejen dûtství, mnohdy trávené u mého nejprve soukro-mého, poté druÏstevního dûdeãka. TakÏe umûl bych snad je‰tû sázet brambory a vázat snopy, udûlatpovfiíslo ãi „krmit mlátiãku“. Samozfiejmû si pamatuji naprosto ekologické technologie, neboÈ prá‰ko-vá hnojiva zaãal pouÏívat aÏ místní „kolchoz“. Pesticidy nebyly – zato plísnû, virózy a také spoustamandelinky bramborové, co nám sem z letadel sypali nenávistní ameriãtí imperialisté. Ale dostalo sejim odplaty – my si uÏ víme rady s „colorado beatle“, zato oni fie‰í tfiebas na University of Fort Collinsv Coloradu problém, co dûlat s importovanou „russian aphid“.
S moderní zemûdûlskou „konvencí“ jsem mûl aspoÀ trochu moÏnost se seznámit bûhem svého úãin-kování ve VÚRV Ruzynû v letech 1988–1996. Od té doby také tfiebas vím, a to nejen na základû dáv-
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
10
S
n˘ch teoretick˘ch znalostí genetiky, zvlá‰tû té mutaãní, ale z pfiímého pohledu na pokusná políãka„herbicidologÛ“, Ïe v˘skyt nejrÛznûj‰ích „superplevelÛ ãi superpatogenÛ“ je prostû zákonit˘m dÛsled-kem obecného procesu spontánní mutageneze a selekce, jeÏ jsou podpofieny trvalou snahou ãlovûkaty standardní plevely a patogeny eliminovat dal‰ími a dal‰ími konvenãními pesticidy. Ale také, Ïe ne-existuje a zfiejmû nikdy existovat nebude „superplevel“, odoln˘ vÛãi jakémukoliv (dal‰ímu) herbicidu.…AÈ jiÏ k jeho vzniku a selekci vedla technologie konvenãní ãi transgenní.I technologie zemûdûlské velkov˘roby se v‰ak stále pouãuje a vyvíjí. A vûfiím proto také tomu, Ïe tzv.„precisní zemûdûlství“ mÛÏe masivnû – a za pfiijatelné ekonomické rozvahy – eliminovat takové pro-blémy, jako jsou vodstva plná nitrátÛ a orná pÛda, z níÏ by bylo témûfi moÏno znovu tûÏit vloÏené fos-fáty, pfiíslu‰nû okofienûné kadmiem… pokud nám jiÏ neuplavaly do rybníkÛ a fiek. AniÏ bychom seobecnû museli vrátit ke zpÛsobu hospodafiení mého dûdeãka, které by nás zcela jistû neuÏivilo, ne-myslím si, Ïe jedinou moÏnou ozdravovací kÛrou pro na‰e ekosystémy, jedinou formou „trvale udrÏi-telného Ïivota“ je ortodoxní ekologické zemûdûlství, s jeho klíãov˘mi mantrami: Ïádné pesticidy, Ïád-ná prÛmyslová hnojiva – a Ïádné GM plodiny.Pfiiznávám, Ïe soustavné vzdûlání v pfiedmûtech tohoto „ekologického zemûdûlství“ jsem dosud ne-absolvoval. MoÏná si je zapí‰i jako student U3V. Nezbylo mi tedy, neÏ si zaãít studovat nejrÛznûj‰í„ekopfiíruãky“ – od vysoko‰kolsk˘ch skript a rÛzn˘ch sborníkÛ po materiály pfiímo magické. Obãasjsem zkou‰el testovat u sv˘ch kolegÛ ãi studentÛ, co jim ty ãi ony pojmy fiíkají – a v naprosté vût‰inûjsem naráÏel na neznalost ãi pfiímo úÏas. Nu, jen zkus mil˘ ãtenáfii vysvûtlit tfiebas pojmy „bioorganic-ké zemûdûlství“, „roháãek“ ãi „kfiemenáãek“. Ne, nechci zlehãovat, student moderní chemie má asi ta-ké znát leccos o alchymii, lékafi o homeopatii, ãi astronom o astrologii (odpusÈte, pane kolego Gryga-re). Ale prosím, aby mi bylo vûfieno, Ïe dle m˘ch informací a zku‰eností pfiinejmen‰ím mnozí studentizahradnick˘ch ‰kol – a moÏná i ãesk˘ch zemûdûlsk˘ch univerzit – berou nejen tuto Ïivotní filosofiii praxi prince Charlese zcela váÏnû. Co na to tedy fiíká „moderní vûda o rostlinách“?Pokud je mi známo, není prozatím pfiedmût „ekologické zemûdûlství“ pfiedná‰en na Ïádné z fakult UK.Jedním z prv˘ch zámûrÛ na‰eho semináfie bylo proto nabídnout na‰im studentÛm moÏnost vyslech-nout alespoÀ nûkolik krátk˘ch „ekopfiíspûvkÛ“ z úst vysoko‰kolsk˘ch odborníkÛ.Byl jsem opravdu vdûãen zejména paní Ing. Kuchtové, Ïe moje pozvání pfiijala. Nemohla nemít trochupocit, jenÏ je mi dobfie znám, tedy Daniela v jámû lvové. Naposledy jsem jej zaÏil v loÀském dubnu,coby jeden z úãastníkÛ „kulatého stolu“ na téma „Risika GM plodin“ v rámci tzv. Ekologick˘ch dnÛv Olomouci… Ale jsem si jist, Ïe posluchaãi velk˘m zájmem vyslechli jak její pfiedná‰ku, tak úvodnípfiíspûvek prof. Petra – a zejména pak fiadu informací v závûreãné Ïivé diskusi.A mohli je souãasnû konfrontovat zejména s obsahem pfiedná‰ek prof. âurna i Ing. Sm˘kala. Faktolo-gick˘ch a po mém soudu velmi nezaujat˘ch a pfiesvûdãivû ilustrujících nejen relativnost tvrzení typu„ekoplodiny jsou chutnûj‰í a zdravûj‰í“ – ale také „ekoplodiny jsou plné mykotoxinÛ“. Solidnû a po-chopitelnû uspofiádané v˘sledky mnoh˘ch anal˘z dokládajících zásadní vliv nikoliv typu pûstování(eko ãi konvenãní), ale zejména odrÛdy, roãníku, obecn˘ch klimatick˘ch podmínek. A právû tak do-stateãnû stfiízlivû konfrontujících pfiínos GM plodin s dal‰ími nástroji moderního ‰lechtûní – nikoliv ja-ko zázraãného léku pro v‰echny problémy, ale jako dal‰ího nového, mnohdy unikátního nástroje vy-lep‰ení stávajících odrÛd, tvorby nov˘ch, vyuÏiteln˘ch jak v tom zemûdûlství „konvenãním“, tak„ekologickém“. KoneckoncÛ – jistû si se zájmem a radostí pfieãtete pfiíspûvky obou fieãníkÛ v tomto ãís-le Bulletinu. Pokud je oba dodají.A mÛÏete pak porovnat jejich obsah s vágními formulacemi snad ve‰ker˘ch mi znám˘ch „ekomateriá-lÛ“ typu sborníãku, kter˘ vydal Bioinstitut, o.p.s. v Olomouci (viz www.bioinstitut.cz) a jenÏ byl bûhemsemináfie na‰imi hosty rozdán úãastníkÛm. Dovolím si udûlat mu zde reklamu – a doporuãit jehoopravdu peãlivé proãtení. Název sborníãku je „Ekologické zemûdûlství a GMO – otázky koexistence“,do znaãné míry tedy sám o sobû odpovídá na otázky diskutované pfii na‰em semináfii. V kapitole „rizikGMO“, shrnuje jiÏ klasickou plejádu archaick˘ch stra‰ákÛ, vût‰inou polopravd – od „paraofiechov˘chalergii“ pfies jiÏ zmínûné superplevely po ãasovanou bombu potenciálnû a nepfiedvídatelnû toxick˘ch(nejen vÛãi cílovému ‰kÛdci) Bt plodin. A postupnû tak dospívá k oné zásadní otázce: „GMO a ekolo-gické zemûdûlství – jsou navzájem sluãitelné?“ a vzápûtí i pregnantní odpovûdi – cituji: „Genetické in-Ïen˘rství, které vytváfií univerzální kultivary, se zcela míjí s filozofií ekologického zemûdûlství, kteréupfiednostÀuje regionální ‰lechtûní. Laicky fieãeno – na rozdíl od genetického inÏen˘rství, které se sna-Ïí pfiírodu „vylep‰ovat“, má ekologické zemûdûlství cíl produkovat potraviny „v souladu s pfiírodou“.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
11
V‰echno se odvíjí od pfiístupu. Pokud se fie‰í napfiíklad vliv nedostatku vody na zemûdûlskou produk-ci, genetické inÏen˘rství se zamûfiuje na v˘voj sucho – rezistentních plodin. Ekologické zemûdûlstvíoproti tomu bude hledat cesty, jak vytvofiit „odolnûj‰í cel˘ agroekosystém“.âtenáfii odpusÈ, ale obdobné formulace vnímám prostû jako povrchní, ideologick˘ blábol. Jeho úãel jezfiejm˘ – molekulární biologové a genoví inÏen˘fii – ruce pryã od ekologického zemûdûlství!!! A vy,snad dÛvûfiiví a naivní ekologiãtí zemûdûlci – nevûfite GM na‰eptavaãÛm. UÏ jsme vám pfiece pfied le-ty vysvûtlili, Ïe napfi. tzv. zlatá r˘Ïe vytvofiená t˘my prof. Potrykuse a prof. Bayera sice nabízí fie‰ení v˘-skytu masivních avitaminóz (a jejich dÛsledkÛ – slepota, smrt plodu…) v rozvojov˘ch zemích – ale jeto také trojsk˘ kÛÀ nadnárodních monopolÛ, kontaminujících svût GM plodinami. Tyto a jim podobnégenové pfienosy (kupfi, antokyanov˘ch genÛ tfieba z „krvav˘ch pomeranãÛ“ do rajãete – viz práceDr. R. Martin z John Innes Institute, velmi chytré paní, jinak hlavní redaktorky prestiÏního ãasopisuPlant Cell) sice vedou ke vzniku zdravûj‰ích ba léãiv˘ch biofortifikovan˘ch potravin, ale z na‰ehoortodoxního pohledu jsou to prostû „abiopotraviny“ jsoucí v naprostém „nesouladu s pfiírodou“…A co fiíci k onomu „farizejskému“ odporu EU vÛãi nejrÛznûj‰ím Bt plodinám – vãetnû asi nejznámûj‰í,jiÏ po více jak deset let a na milionech hektarÛ po celém svûtû pûstované Bt kukufiice MON 851? „Pfií-rodní“ pesticidy – „Cry toxiny“ hmyzího patogena Bacillus thuringiensis – komerãnû vyuÏívá ãlovûk odtfiicát˘ch let minulého století. Pfiipraveny ve formû prá‰kÛ ãi postfiikÛ jsou suspense mrtv˘ch bakteriídoporuãovány jako úãinn˘ a bezpeãn˘ biopesticid. Transgenní rostliny, schopné tvofiit tento toxin –a tedy obdobnû toxické pro larvy ‰kÛdce – jsou v‰ak oblíben˘m terãem agresivity rÛzn˘ch zelen˘chaktivistÛ a Ïolíkem v politick˘ch hrátkách evropsk˘ch státníkÛ. Francouzské moratorium na pûstováníMON 851 mûlo zajistit pfiíliv „zelen˘ch hlasÛ“ pro presidenta Sarkoziho. Návaznû vyhlásily dílãí mo-ratoria i dal‰í evropské státy, v ãele s Rakouskem. A bez ohledu na názor na‰ich odborníkÛ, souhrnn˘dokument o „nedostateãnosti studie úãinku na potenciálnû cílové (non-target) organizmy“ signovali ná‰, nyní jiÏ b˘val ,̆ ministr Ïivotního prostfiedí Bursík. Je to ãtení místy hofice úsmûvné. Dozvíte sez nûj mj., Ïe jen v Rakousku se vyskytuje 215 druhÛ mot˘lÛ, z toho 152 v zemûdûlsk˘ch oblastech.Z tûch je fiada ohroÏen˘ch. A Monsanto by tedy mûlo otestovat dlouhodob˘ úãinek pûstování MON851 na v‰echny tyto druhy. Testoval se takto vliv rÛzn˘ch „BaturinÛ“? Ne. Testoval se tak vliv konvenã-ních, ‰irokospektrálních insekticidÛ? Ne … Mnoho let po vyvrácení obdobn˘ch pfiedsudkÛ kupfi. v afé-fie „ohroÏení“ mot˘la Monarcha v USA touÏe kukufiicí, navzdory negativním v˘sledkÛm odborn˘ch en-tomologick˘ch studií se vûda o rostlinách – a ekosystémech – setkává s tûmito mystifikacemi.Nakolik opravdu lze v souãasném svûtû – od Evropy po Afriku – produkovat potraviny „v souladu s pfiíro-dou“, na to vám do jisté míry odpovídá jiÏ onen v˘‰e zmínûn˘ pfiíspûvek Ing. Sm˘kala. Ani to nejprimitiv-nûj‰í africké ãirokové políãko jiÏ pfiece není „pÛvodní pfiírodou“. A mohu-li si dovolit vyjádfiit svÛj osobnínázor: ani naprosto marnotratnû dotované ekologické farmáfiství by neuÏivilo africké ãi asijské lidské po-pulace bez pomoci minerálních hnojiv, pesticidÛ – a v˘hledovû GM plodin, zejména tûch velice „pfiátel-sk˘ch“ k okolním ekosystémÛm i ãlovûku (Bt – plodiny jako nejnázornûj‰í pfiíklad). Nemysleme sobeckyjen na Evropu, s její dosavadní potravinovou nadprodukcí. VÏdyÈ i v jejích podmínkách, s nasazením mo-derních odrÛd, a také stále je‰tû hojn˘ch dotací, by pfiechod na ekoprodukci znamenal minimálnû dvace-tiprocentní pokles v˘nosu (viz pfiíspûvek prof. Petra – já jsem v tomto ohledu daleko vût‰í skeptik).Aby mi bylo správnû rozumûno: opravdu vfiele „fandím“ rodinn˘m ekofarmám, aÈ jiÏ pro jejich schop-nost produkovat chutné potraviny (pro ty, kdo si je mohou dovolit kupovat) ãi nedocenitelnou ochranukulturní krajiny. Ale naprosto nechápu, proã by v této chvályhodné ãinnosti nemohly napfi. vyuÏívatrÛzné „low input“ plodiny, pícniny – bez ohledu na to, zda byly vy‰lechtûny standardními postupy(vãetnû vyuÏití mutageneze) nebo tfiebas pfienesením potfiebného genu rezistence k padlí travnímuz bojínku do kostfiavy… Smûrodatné je snad hlavnû to, Ïe dotyãn˘ ekofarmáfi mÛÏe dodrÏovat jednuze základních ekomanter a nepouÏívat pesticidy, vyjma tûch „bio“?S ohledem na zemûdûlskou velkov˘robu se v‰ak bez GM technik ãi plodin prostû neobejdeme. UÏdnes jsou kupfi. nejrÛznûj‰í evropská GM moratoria pfiíkladem ãirého politicko-ekonomického pokry-tectví. Evropská Ïivoãi‰ná v˘roba by se zhroutila, kdyby jiÏ pfied pár lety opravdu risikovou masokost-ní mouãku nenahradila ze zámofií dováÏená soja – samozfiejmû transgenní. Evropû – aspoÀ doufám –nehrozí hladomor. Ale její zemûdûlství – dfiíve ãi pozdûji – by taková moratoria vedla k ekonomické-mu kolapsu. TakÏe koexistence, ãím dále rozsáhlej‰í, je prostû nezbytností, realitou.Souhlasím s právem producentÛ i konzumentÛ vûfiit ve v‰echny moÏné dobré vlastnosti „bioproduktÛ“.Z mého pohledu je to v‰ak stejn˘ pfiístup, jako víra v jedineãnost ko‰er jídla, vína. V moderní vûdû ne-
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
12
S
má Ïádnou oporu. Tak jako ji nemá kupfi. odpor nejen ekozemûdûlcÛ, ale také ortodoxních turfmanÛk umûlé inseminaci dobytka ãi koní. Ale neberme jim toto jejich právo a vidûní správného svûta. Po-kud ov‰em není prosazováno jako jediná správná norma – a nevede aÏ ke genocidám.
Co v‰ak s tím v‰ím dále? âtenáfiÛm, vãetnû vedení SEBRu, je urãeno nûkolik následujících nápadÛ ãiotázek:Je fie‰ením oné – stále je‰tû vûfiím, Ïe nikoliv zásadní – inkompatibility „eko“ a „biotech“ pfiístupÛ ales-poÀ se takto setkávat na obdobn˘ch semináfiích s nadûjí, Ïe jedna i druhá strana bude postupnû ak-ceptovat vzájemné argumenty? Soudím, Ïe ano a kdyÏ uÏ nepfiesvûdãíme „jeden druhého“, mámemoÏnost otevfienû se pfiedvést zejména mlad˘m lidem, sv˘m studentÛm, kolegÛm. AÈ pouÏijí svÛj zdra-v˘ rozum, aÈ si vyberou v kontextu s vûtou „vûfi, ale komu vûfiit, mûfi“.Mûlo by smysl uspofiádat v budoucnu nejen obdobn˘ fakultní semináfi – moÏná pro zmûnu na pÛdû nû-které ze zemûdûlsk˘ch univerzit, ale tfieba i konferenci SEBRu?Je úãelné, proveditelné, nikoliv kontraproduktivní zavést v˘uku pfiedmûtu „ekologického zemûdûlství“tfiebas právû na PfiFUK? A radûji v rámci nûkteré u biologick˘ch kateder, neÏ se pfiedmûtu ujme – s pfií-slu‰n˘m vyuÏitím jeho magick˘ch, sociologick˘ch ãi filosofick˘ch rozmûrÛ – katedra jiná???Velmi by mne potû‰ilo, kdyby jak sám semináfi – tak i jeho „dozvuky“ vyvolaly diskusi na obdobná té-mata. Nejen mezi „laiky“, ale také mezi odborníky.
Nechtûn˘ EPILOGInu stalo se. Semináfi se konal v lednu 2009, svÛj v˘‰e uveden˘ komentáfi jsem psal nûkdy v dubnu––kvûtnu, teì máme únor 2010. Sebûhlo se mezitím mnohé, staãil jsem absolvovat bezmála desítkudal‰ích „happeningÛ“ na téma „Ekozemûdûlství a ti ostatní“, vãetnû velk˘ch mezinárodních akcí v Pra-ze ãi Bruselu. Tím posledním probírající i toto téma byl semináfi o rizicích GMO, pofiádan˘ 28. lednat. r. Ministerstvem Ïivotního prostfiedí ve spolupráci s „âesk˘m spolkem pro péãi o Ïivotní prostfiedí“.Název akce: „MoÏnosti vyuÏívání geneticky modifikovan˘ch organizmÛ v âR a informování vefiejnos-ti.“ Jedním z pozvan˘ch fieãníkÛ byla Ing. Perla Kuchtová. Téma: „VyuÏívání geneticky modifikovan˘chorganizmÛ z pohledu ekologického zemûdûlství“. Materiál., jenÏ bude souãástí pfiipravovaného sbor-níku, máte zfiejmû k disposici náhradou za ten z loÀského ledna.Upfiímnû doporuãuji: prostudujte si jej peãlivû. Jeho filosofii, jeho dikci, jeho faktologii. Jeho prÛbûÏ-né smû‰ování ãi spí‰e zamûÀování problematiky „biologické“ s filosofickou, zdánlivû etickou resp. mo-ralistickou.Sami si odpovûzte na argumentaci podporující tvrzení, Ïe „genové inÏen˘rství není sluãitelné s prin-cipy EZ“. Tfiebas proto, Ïe (cituji): „…Z fiad zastáncÛ GM plodin a jejich roz‰ífiení do pûstitelsk˘chsystémÛ zaznívá ãasto argument, Ïe biotechnologie provází lidstvo od poãátku a Ïe není rozdílu vezmûnû genetické informace mutacemi zpÛsoben˘mi biotick˘mi ãi abiotick˘mi faktory a pokládají ge-netické modifikace za „logické pokraãování procesu, kter˘ zaãal v dobû kamenné.“ Zastánci ekolo-gického zemûdûlství ov‰em jiÏ z principu vidí rozdíl mezi spontánními mutacemi, ãi zmûnami gene-tické informace vyvolan˘mi zámûrn˘mi zásahy ãlovûka, u nichÏ buì nejde o vnesení cizí informace,ale o zmûnu/zmûny v rámci organismu (kosmické záfiení, radiace, chemické mutageny), nebo je zmû-na genomu inkorporací genetické informace pÛvodem z jiného organismu souãástí pfiirozen˘ch pfií-rodních dûjÛ (napfi. Agrobacterium), a cílen˘mi zmûnami genomu, které by nebylo moÏné nikdy usku-teãnit bez nákladného laboratorního vybavení, vysoké úrovnû poznání a vy‰koleného personálua které provází pomûrnû vysoká spotfieba pokusného materiálu. …“
Pov‰imnûte si i v˘bûru pramenÛ – cílem pfiece byla srovnávací kritická review. KdyÏ tedy na jedné stra-ny cituje kultovní dílo Mae-Wan Ho Genetic Engineering: Dream or Nightmare? (1998, ãesky 1999),proã ne také White Book on GMO ãesk˘ch vûdcÛ 2009? Jakákoliv seriozní literatura o GMO ve studiiprostû chybí.
Pfiesto v‰e – nebo proto v‰e – jsem velmi rád, Ïe se ke ãtenáfiÛm Bulletinu tato informace v tak kom-pletní formû dostala.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
13
VyuÏívání geneticky modifikovan˘ch organismÛ z pohleduekologického zemûdûlství
Ing. Perla Kuchtová, Ph.D.âeská zemûdûlská univerzita v Praze
Ekologické zemûdûlství je vnímáno jako zpÛsob hospodafiení ‰etrn˘ k Ïivotnímu prostfiedí a jeho sloÏ-kám prostfiednictvím omezení ãi zákazÛ pouÏívání látek a postupÛ, zatûÏujících a zneãi‰Èujících Ïi-votního prostfiedí a zvy‰ujících rizika kontaminace potravního fietûzce. Ekologické zemûdûlství dbáo pohodu hospodáfisk˘ch zvífiat. Z principu této alternativy k prÛmyslovému zemûdûlství vypl˘vá sna-ha nadfiadit etické pfiístupy hlediskÛm ekonomick˘m, respektovat vnitfiní hodnotu Ïivé i neÏivé pfiírody,‰etfiit ji a nevnímat pouze jako zdroj surovin k uspokojení narÛstajících nárokÛ ãlovûka.Codex Alimentarium definuje na základû vyjádfiení expertÛ z celého svûta ekologické zemûdûlství jakokomplexní systém zemûdûlské produkce (zahrnující rostliny i zvífiata), kter˘ dává pfiednost vnitropod-nikovému kolobûhu pfied vyuÏíváním externích produkãních faktorÛ. K tomu jsou pouÏívány biologic-ké a mechanické pûstitelské metody, zatímco chemicky-syntetické pomocné látky se nepouÏívají.V souladu s principy trvale udrÏitelného rozvoje se hnutí ekologického zemûdûlství snaÏí spotfiebitelepfiesvûdãit o v˘hodách preference lokálních ãi regionálních a sezónních zdrojÛ potravy. Je nicménûpravdou, Ïe bioprodukty a biopotraviny se z mnoha dÛvodÛ stávají mimofiádnû v˘hodn˘m obchodnímartiklem a tak dochází k poru‰ování této zásady, protoÏe biopotraviny urazí za sv˘m spotfiebitelemmnoho zbyteãn˘ch kilometrÛ („organic food miles“) a podílejí se tak na zvy‰ování spotfieby neobnovi-teln˘ch zdrojÛ energie. Není to v‰ak ekologick˘ zemûdûlec – producent, kdo v fietûzci v˘roba – zpra-cování – obchod utrÏí nejvíc.Ekologické zemûdûlství a jeho alternativy kladou vût‰í nároky na mnoÏství práce a ãasu vynaloÏené naprodukci, která je zpravidla o 20–30 % niωí neÏ produkce v konvenãním/industriálním zemûdûlství,proto lze v nerovn˘ch konkurenãních podmínkách jeho rozvoj zajistit pfiedev‰ím podporou formoudotací. Z tohoto hlediska je v˘znamn˘m momentem kvantifikace a zohlednûní v‰ech externalit prÛ-myslovû pojímané, vysoce efektivní zemûdûlské produkce, která pod siln˘m konkurenãním tlakema tlakem rÛzn˘ch zájmov˘ch skupin nezohledÀuje pÛsobení na agroekosystém a moÏné trvalé nega-tivní zmûny Ïivotního prostfiedí, ve spojení s nadbyteãnou spotfiebou neobnoviteln˘ch zdrojÛ energie1,by pfiispûly k moÏnosti porovnat celkové (i spoleãenské) náklady rÛzn˘ch alternativ zemûdûlsk˘ch v˘-rob na jednotku produkce2. Precizní „poãítaãové“ zemûdûlství nepfiedstavuje ve vztahu k trvale udrÏi-telnému rozvoji alternativu, jde zde nejen o zohlednûní externalit v podobû spotfieby zdrojÛ, alei o dal‰í rÛst závislosti zemûdûlcÛ v rozvinut˘ch zemích na vnûj‰ích vstupech a v dÛsledku stupÀujícíse tlaky na specializaci a koncentraci produkce.Z globálního hlediska není zanedbateln˘m faktorem ani faktická nedostupnost nákladn˘ch technolo-gií zemûdûlsko-prÛmyslového komplexu pro drobné farmáfie, z nichÏ vût‰ina hospodafií v rozvojov˘chzemích.3 Právû pro tyto drobné zemûdûlce by se mohlo ekologické zemûdûlství stát vhodnou alterna-tivou k extenzivním, mimofiádnû ne‰etrn˘m zpÛsobÛm zemûdûlské produkce, která z dÛvodu nedo-statku finanãních prostfiedkÛ napfi. k nákupu hnojiv a udrÏení pÛdní úrodnosti vede k rychlé degradacitohoto zdroje obÏivy.Pro EU pfiedstavuje tento smûr hospodafiení pfiedev‰ím moÏnost sníÏení nadprodukce. ·iroká politickápodpora ekologického hospodafiení se datuje od poãátku 90. let a souvisí s potfiebou uplatÀování opat-fiení v rámci Spoleãné zemûdûlské politiky, která do systémÛ zemûdûlského hospodafiení ãlensk˘ch ze-mí pfiinesla kvóty a vynucené úhory, souãasnû v‰ak sebou pfiiná‰í v˘hody v podobû potravin prefero-
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
14
S
1 Na spotfiebû neobnoviteln˘ch zdrojÛ energie se mimofiádn˘m zpÛsobem podílí nadbyteãná automobilová dopra-va pfiepravující mnohdy na velké vzdálenosti zemûdûlské suroviny nebo potraviny (food miles), které bychom do-kázali sami vypûstovat (Kettnerová, 2009).2 Spotfieba energie a emise skleníkov˘ch plynÛ na ha je u organické farmy niωí neÏ u konvenãní, zvlá‰tû u kravs trÏní produkcí mléka. âiní pfiibliÏnû 80–90 %. Na jednotku produkce je spotfieba energie a emise skleníkov˘chplynÛ u organické farmy o 5–40 a 7–17 % vy‰‰í neÏ v konvenãním systému (Boss et al., 2007).3 o dostupnosti potravin pocházejících z tûchto vysoce sofistikovan˘ch systémÛ produkce ani nemluvû
van˘ch urãit˘mi skupinami obyvatel pro nízk˘ nebo Ïádn˘ obsah reziduí pesticidÛ, minimální obsahkonzervantÛ a ochucovadel a pfiedpokládanou vy‰‰í vnitfiní hodnotu a kvalitu. Potravin vyprodukova-n˘ch za zákonem stanoven˘ch limitÛ. V˘znamn˘m faktorem je i pfiesvûdãení spotfiebitelÛ biopotravino podpofie ‰etrnûj‰ích metod vyuÏívání pfiírodních zdrojÛ a ochranû Ïivotního prostfiedí a krajiny a je-jich zachování pro budoucí generace.V âR je situace na trhu s biopotravinami poznamenána nízkou kupní silou obyvatelstva a stereotypy,pfiesto podle uvádûn˘ch prÛzkumÛ4, podobnû jako v SRN, Rakousku, ·v˘carsku a dal‰ích evropsk˘chzemích, biopotraviny nakupují pfiedev‰ím lidé s V· vzdûláním a rodiny s mal˘mi dûtmi a samozfiejmûlidé s vysok˘mi pfiíjmy. V nûmecky mluvících zemích jsou velkou skupinou zájemcÛ o biopotraviny dÛ-chodci. Proã tomu tak není v âR, je obecnû známo.5
Graf 1 Pfiíklad zvy‰ování koncentrace dusiãnanÛ (mg/l NO3) ve zdrojích pitné vody pro Mnichovpfied zavedením ekologického zemûdûlství a po nûm.
Otázkou ãasto diskutovanou je kvalita biopotravin, které mají své pfiesvûdãené zastánce i odpÛrcea obû strany jsou schopny argumentovat podloÏen˘mi údaji. Zatímco v‰ak zlep‰ení zdravotního stavujednotlivcÛ nebo skupin obyvatelstva lze dokumentovat obtíÏnû6, zcela jasnou vypovídající hodnotuo procesní kvalitû a vlivu zemûdûlské ãinnosti v dobovém kontextu7 napfi. na obsah nitrátÛ v pitné vo-dû mají údaje uvedené v grafu 1.Certifikace produkce vypovídá o dodrÏení procesu v˘roby bioproduktu nebo biopotraviny, kter˘ pod-léhá kontrole k tomu ustanoven˘mi právnick˘mi osobami, s nimiÏ má kaÏd˘ registrovan˘ ekologick˘zemûdûlec uzavfienou smlouvu.Existuje nûkolik ekologick˘ch zemûdûlcÛ, ktefií svou produkci distribuují v blízkém okruhu, zcelav souladu s hlavními principy EZ, a nenárokují dotace. Existují ov‰em i podnikatelé v ekologickém ze-mûdûlství maximálnû vyuÏívající v˘hod dotaãního systému s minimálními náklady na produkci (graf 2).I proto bylo nutno zmûnit strukturu finanãních podpor v âR s nav˘‰ením pro nejpracnûj‰í a nejnáklad-nûj‰í formy ekologické produkce (orná pÛda, ovoce, zelenina, byliny).
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
15
Zdroj: Bioinstitut, 2006, upraveno
4 http://www.agris.cz/vyhledavac/detail.php?id=159003&iSub=518&sHighLight=biopotraviny|kupuj%ED, http://www.agris.cz/vyhledavac/detail.php?id=162471&iSub=518&sHighLight=biopotraviny|kupuj%ED, http://www.lea.ecn.cz/03info.html5 Staãí porovnat pfiíjmy obyvatelstva s náklady na bydlení, potraviny a dal‰í potfieby. Nejde pouze o ceny potravin,které jsou v âR srovnatelné, u nûkter˘ch poloÏek vy‰‰í neÏ v SRN.6 Podobnû jako se velmi obtíÏnû, s ãasovû velkou prodlevou, prokazuje ‰kodliv˘ vliv zneãi‰tûní ovzdu‰í prÛmyslema dopravou na zdravotní stav obyvatelstva – z poslední doby Ostravsko – a je‰tû obtíÏnûji se prosazují nezbytnáopatfiení k udrÏení zákonem, stanoven˘ch limitÛ. Na tento stav vûcí doplácíme v‰ichni bez ohledu na to, do jakézájmové skupiny patfiíme.7 Pfied zavedením nitrátové smûrnice
Graf 2 Zastoupení kultur v EZ na zemûdûlské pÛdû. 31. 12. 2008
Zvlá‰tní zpÛsob hospodafiení zvy‰uje administrativní zátûÏ, které je ekologick˘ zemûdûlec vystaven.Kromû pfiedpisÛ platn˘ch pro konvenãní zemûdûlství se ekologick˘ zemûdûlec dobrovolnû podfiizujedal‰ím pfiísn˘m legislativnû upraven˘m omezením.Od roku 2007 je podpora ekologick˘m zemûdûlcÛ na plochu vyplácena v rámci PRV (2007–2013)v rámci Osy II, kde je dotaãní titul Ekologické zemûdûlství jedním z Agroenvironmentálních opatfiení8.Ekologiãtí zemûdûlci a v˘robci biopotravin jsou bodovû zv˘hodnûni také v pûti investiãních opatfieníPRV, jde o Osy I a III: (1) Modernizace zemûdûlsk˘ch podnikÛ, (2) Zahájení ãinnosti mlad˘ch zemû-dûlcÛ, (3) Pfiidávání hodnoty zemûdûlsk˘m a potravináfisk˘m produktÛm, (4) Podpora cestovního ruchua (5) Diverzifikace ãinností nezemûdûlské povahy.
Zdroj: zpracováno podle údajÛ âSÚ, PRO-BIO a Mze, 2009
Pozn. Procentické zastoupení se vztahuje k celkové v˘mûfie zemûdûlské pÛdy v âR (mil. ha), u níÏ ov‰em nepanu-je shoda a nûktefií pracují s jiÏ neplatn˘mi daty vzhledem ke stálému poklesu v˘mûry zemûdûlské pÛdy (vût‰inouvelmi kvalitní pÛdy obûtované v˘stavbû dopravních cest, satelitních sídel, pfiímûstsk˘ch logistick˘ch a nákupníchcenter).
Zdroj: zpracováno podle Zídek 1994, PRO-BIO, Mze, 2009
Od 1. 1. 2009 platí nová evropská legislativa ekologického zemûdûlství: Nafiízení rady (ES) ã. 834/20079
o ekologické produkci a oznaãování ekologick˘ch produktÛ a o zru‰ení nafiízení Rady (EHS) 2092/91a provádûcí Nafiízení komise (ES) 889/2008, kter˘m se stanoví provádûcí pravidla k nafiízení Rady (ES)834/2007. Soubor nové legislativy doplÀuje NK (ES) 1235/2008, kter˘m se stanoví provádûcí pravidlapro dovoz biopotravin ze tfietích zemí. Dále platí národní zákon 242/2000 Sb.10, o ekologickém ze-mûdûlství upravující záleÏitosti, které evropská legislativa nefie‰í.
Ekologické zemûdûlství a genové inÏen˘rství
Zásady ekologické produkce (NR ES 834/2007, Hlava II, âl. 4) vyluãují pouÏívání GMO a produkty zís-kané z GMO ãi získan˘ch za pouÏití GMO s v˘jimkou veterinárních léãiv˘ch pfiípravkÛ. GMO a pro-dukty získané z GMO ãi získané za pouÏití GMO nelze pouÏívat jako potraviny, krmivo, ãinidla, pfií-pravky na ochranu rostlin, hnojiva, pomocné pÛdní látky, osivo, vegetativní rozmnoÏovací materiál,mikroorganismy a zvífiata v ekologické produkci (NR ES 834/2007, Hlava III, Kapitola I, âl. 9)
Metody genového inÏen˘rství
Metod genového inÏen˘rství mÛÏe b˘t uÏito k izolaci jednotliv˘ch genÛ a jejich uÏití pro pfiekonánímezidruhov˘ch bariér. Gen bakterie mÛÏe b˘t vpraven do genomu rostliny. Genové konstrukty (spe-ciální plasmidy nebo dal‰í vektory) jsou vytváfieny v laboratofii. Obsahují sekvence DNA, zprostfiedku-jící pfiíjem a integraci vektoru ãi ãásti plasmidu do genomu buÀky. Navíc musí b˘t genov˘ konstrukt vy-baven promotorem, ukonãovacími a dal‰ími regulaãními sekvencemi, aby byl rozpoznán cizí gena naãtena informace, kterou nese11.Genov˘ konstrukt se bûÏnû skládá z DNA sekvencí 4 nebo 5 rÛzn˘ch organismÛ. Genové konstruktyjsou náhodnû propojeny do chromozómu. Pfii ‰lechtûní jsou v selekãním procesu vybrány rostliny,obsahující nov˘ genov˘ konstrukt bez dal‰ích viditeln˘ch zmûn. Tyto rostliny se stanou souãástí dal‰í-ho procesu ‰lechtûní.V porovnání se ‰lechtûním konvenãním nabízí genové inÏen˘rství mnohem více nov˘ch moÏností. Ge-nové inÏen˘rství mÛÏe spojit genetické informace, nikdy v‰ak bez pomoci laboratorní techniky!V roce 2008 pfiedstavovala plocha GM plodin 125 mil. ha, coÏ pfiedstavovalo 12 % nav˘‰ení proti2006 a dvojnásobnou plochu dosaÏenou v posledních 5 letech. Pûstovalo je 13,3 mil. farmáfiÛ; vícejak 90 % z nich z rozvojov˘ch zemí. Ve 25 zemích se v roce 2008 pûstovaly GM-plodiny: Argentina,Austrálie, Brazílie, Kanada, Chile, âína, Columbia, âeská republika, Francie, SRN, Honduras, Indie,Mexiko, Paraguay, Filipíny, Polsko, Portugalsko, Rumunsko, Slovensko, JiÏní Afrika, ·panûlsko, USAa Uruguay.12
Cíle a aplikace GMO
Cílem GMO aplikací jsou: (1) rezistence nebo vysoká tolerance vÛãi herbicidÛm, (2) rezistence vÛãihmyzím ‰kÛdcÛm, (3) rezistence vÛãi virov˘m, bakteriálním a houbov˘m chorobám, (4) tolerancek nepfiízniv˘m abiotick˘m faktorÛm, (5) zv˘‰ená trvanlivost produktÛ, (6) navození pylové sterility,(7) produkce specifick˘ch proteinÛ vãetnû vakcín produkovan˘ch rostlinou, (8) produkce rostlinn˘cholejÛ se zmûnûn˘m sloÏením a (9) produkce specifick˘ch sacharidÛ. U genetick˘ch modifikací plodinpfievládá snaha zajistit vy‰‰í v˘nosy nebo zjednodu‰it techniku produkce.Vût‰ina aplikací aktuálnû pûstovan˘ch transgenních plodin se t˘ká:– rezistence k herbicidu (77 %),– insekticidní rezistence (15 %) a– jejich kombinací (8 %)
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
17
9 http://eagri.cz/public/eagri/zemedelstvi/ekologicke-zemedelstvi/legislativa/legislativa-eu/10 http://eagri.cz/public/eagri/zemedelstvi/ekologicke-zemedelstvi/legislativa/uplna-zneni-vybranych-predpisu/http://portal.gov.cz/wps/portal/_s.155/701/.cmd/ad/.c/313/.ce/10821/.p/8411/_s.155/701?PC_8411_number1=242/2000&PC_8411_l=242/2000&PC_8411_ps=50#1082111 Dostupné ke staÏení z: https://www.fibl-shop.org/shop/searchresult.php12 Dostupné: http://www.emediawire.com/releases/Genetically_Modified/Crops/emw843044.htm
Tab. 1 Jednoduchá akce versus systémové my‰lení (pfiíklad zavíjeãe kukufiiãného)
postup, obdûlávání pÛdy, orba, zaorání strni‰tû do rostliny kukufiice
V˘bûr „stabilní“ odrÛdy
Pfiírodní látky v ochranû rostlin ‰etrné k Ïivotnímuprostfiedí, podpora uÏiteãného hmyzu, vyuÏitíantagonismu, Bt – insekticidy, parazitické vosiãky atd.
Prognostika: ãasování optimální aplikace insekticidÛ
Zdroj: Nowack-Heimgartner K. et al., 2003
Transgenní rostliny (biotech plodiny), zkonstruované pro rezistenci k virÛm a houbov˘m chorobám, in-fekcím pfiizpÛsoben˘m pfiírodním podmínkám, zmûny v potravináfiské a zpracovatelské kvalitû jsou zazákonem stanoven˘ch podmínek testovány v polních pokusech a uvolÀovány do Ïivotního prostfiedí.Enzymy produkované geneticky modifikovan˘mi organismy jsou bûÏnû uÏívány v potravináfiském a krmi-váfiském prÛmyslu.
zaloÏeno na holistickém pfiístupu k pfiírodním systémÛmsnaha o ekonomicky, sociálnû a ekologicky udrÏitelnou produkcihodnotû Ïiv˘ch tvorÛ je pfiisuzována vysoká cena
EZje sledován dopad zásahÛ na agro-ekosystém a negativní vlivy jsouminimalizovány
Základní MOTTO: celek je víc neÏ suma ãástíprincipy zaloÏeno na zjednodu‰eném pohledu na Ïivé organismy a pfiírodní
a systémetické postoje cílem vût‰iny GE je získat vy‰‰í v˘nos nebo zjednodu‰it technologii
dÛsledky pro celou rostlinu nebo zvífie, tak jako souvislostiGI
a vzájemné vztahy, jsou ignorovány a neznámyzvífiata a rostliny jsou spotfiebním materiálem pro lidskou potfiebu –hospodáfiské vyuÏití
MOTTO: celek je suma ãástínároky na vysoké „know-how“ a rozhodovací schopnost
EZ zaloÏeno na ‰irok˘ch empirick˘ch znalostech a dovednostech farmáfiÛFarmáfiské
a moderním v˘zkumu, poskytujícím inovativní nové znalostiznalosti
vût‰ina znalostí propojena/spoãívá na agroprÛmysluGI
omezen˘ vklad znalostí, uÏívá vstupy pouze podle pokynÛsledování sociopolitick˘ch procesÛ a spoleãensky citliv˘ch tématpfiizpÛsobení lokální situaci / odli‰nostem
EZ diversita odrÛd rostlin a plemen ÏivoãichÛ je vefiejn˘m statkems vysokou kulturní hodnotou
Sociálnínízkonákladov˘ rozvoj a vyuÏívání
auniverzální odrÛdy a vstupy bez adaptace na místní podmínky
ekonomickévyfiazení místních adaptovan˘ch odrÛd
GI plodiny a zvífiata jsou pfiedmûtem komerãního vyuÏitízávislost na nadnárodních spoleãnostechintenzivní rozvoj a vyuÏití kapitálu
Produkãní EZ potrava s vysokou kvalitou a „vnitfiní hodnotou“aspekty GI produkt s optimalizovan˘m obsahem specifick˘ch komponentÛ
Produkce EZ minimalizace rizik vzniku rezistentních ‰kodliv˘ch organismÛa optimalizace mnoÏství parciálních dopadÛ, fie‰ení problémÛ
ekologické v zárodkuaspekty podpora pfiírodní kapacity samoregulace tak, jako zdraví a odolnosti
pÛdy, rostlin, zvífiatGI rizika jsou známa a informace o opatfieních proti vzniku rezistence
jsou farmáfiÛm poskytovány, vût‰inou v‰ak nejsou uplatÀovánazesílení jednotliv˘ch dopadÛ
Zdroj: Nowack-Heimgartner K. et al., 2003
Ekologické zemûdûlství neuÏívá GMO, protoÏe: genové inÏen˘rství není sluãitelné s principy EZ, ne-nabízí systémové fie‰ení (tab. 1), skr˘vá zatím nemûfiitelná rizika a mnoho konzumentÛ odmítá potra-viny z GMO.
Genové inÏen˘rství není sluãitelné s principy EZ.Ekologické zemûdûlství se vyznaãuje snahou o holistick˘ pfiístup k hospodafiení se snahou pfiedcházetmoÏn˘m problémÛm produkce pfiizpÛsobením pûstitelsk˘ch technologií místním podmínkám, vyuÏí-váním moÏností, které nabízí semi-pfiírodní agroekosystém, v nûmÏ napfi. plevele, které mechanická re-gulace udrÏuje na hranici ‰kodlivosti, jsou vnímány jako doprovodné rostliny, pfiispívající k biodiver-zitû, úloÏi‰tû Ïivin, útoãi‰tû uÏiteãného hmyzu apod. Spoleãensky velice v˘znamn˘ je i pfiíspûvekekologického zemûdûlství k tvorbû, ochranû a udrÏení krajiny. Jde o systém mimofiádnû vhodn˘ prohospodafiení v oblastech ochrany vod, v CHKO a ZCHÚ.Ekologick˘ zemûdûlec se snaÏí hospodafiit v uzavfieném systému v souladu s pfiírodou ve snaze limito-vat a udrÏet si minimální závislost na vnûj‰ích vstupech. Z tohoto pohledu jsou aplikace genového in-Ïen˘rství dal‰ím krokem na cestû potlaãování symptomÛ naru‰en˘ch zemûdûlsk˘ch soustav (tab. 1, 2),které zpÛsobuje uplatÀování metod industriálního zemûdûlství, a které ve svém dÛsledku mohou véstk rÛstu problémÛ plynoucích z jejich plo‰ného roz‰ífiení.Z fiad zastáncÛ GM plodin a jejich roz‰ífiení do pûstitelsk˘ch systémÛ zaznívá ãasto argument, Ïe bio-technologie provází lidstvo od poãátku a13 Ïe není rozdílu ve zmûnû genetické informace mutacemizpÛsoben˘mi biotick˘mi ãi abiotick˘mi faktory a pokládají genetické modifikace za „logické pokraão-vání procesu, kter˘ zaãal v dobû kamenné.“14 Zastánci ekologického zemûdûlství ov‰em jiÏ z princi-pu vidí rozdíl mezi spontánními mutacemi, ãi zmûnami genetické informace vyvolan˘mi zámûrn˘mizásahy ãlovûka, u nichÏ buì nejde o vnesení cizí informace, ale o zmûnu/zmûny v rámci organismu(kosmické záfiení, radiace, chemické mutageny), nebo je zmûna genomu inkorporací genetické infor-mace pÛvodem z jiného organismu souãástí pfiirozen˘ch pfiírodních dûjÛ (napfi. Agrobacterium), a cí-len˘mi zmûnami genomu, které by nebylo moÏné nikdy uskuteãnit bez nákladného laboratorního vy-bavení, vysoké úrovnû poznání a vy‰koleného personálu a které provází pomûrnû vysoká spotfiebapokusného materiálu.
Genové inÏen˘rství nenabízí systémová fie‰ení.Je otázkou, do jaké míry mohou b˘t transgenní plodiny pfiíspûvkem k fie‰ení globálních problémÛ lid-stva. Podle nûkter˘ch autorÛ, mohou geneticky modifikované potraviny pfiispût k fie‰ení potravinov˘chotázek budoucnosti a nûktefií nevnímají jako korektní zdÛrazÀování rizik, která sebou tato opatfiení kezv˘‰ení v˘nosové jistoty a zaji‰tûní vy‰‰í dostupnosti nûkter˘ch sloÏek potravin pro více lidí pfiiná‰ejí.15
Je smutnou pravdou, Ïe v souãasné dobû trpí na Zemi více neÏ miliarda lidí hladem a podv˘Ïivoua je‰tû vût‰í poãet lidí strádá nedostatkem nezbytn˘ch nutriãních sloÏek potravin, na druhé stranûov‰em je nutno pfiipomenout a zdÛraznit, Ïe dosud Ïádná ze zemûdûlsk˘ch revolucí nebyla schopna
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
19
13 ponecháme-li stranou vyuÏívání napfi. kvasn˘ch procesÛ, ãi zámûrn˘ v˘bûr druhÛ14 Napfi. Petr J. 2006, s. 3215 Miflin. 2000, In Nátr, 2002, s. 347
fie‰it problém „svûtového hladu“ globálnû. NárÛst produktivity v zemûdûlství nesníÏil celkov˘ poãethladovûjících, z nichÏ tfietina Ïije v Africe. V pomûru k celkovému poãtu obyvatel, do‰lo sice ke sní-Ïení podílu poãtu hladovûjících od roku 1970, kdy podv˘Ïivou trpûlo 960 mil. lidí, a spotfieba na oso-bu se od té doby zv˘‰ila o 17 % na prÛmûrn˘ch 2 760 kcal/ den, velké mnoÏství lidí (33 zemí) pfiede-v‰ím v Subsaharské Africe v‰ak stále pfieÏívá na ménû neÏ 2 200 kcal/den! Aktuálnû ãiní prÛmûrnáspotfieba obyvatel v rozvinutém svûtû 78 kg masa a 550 kg obilovin na osobu za rok, coÏ je v ostrémkontrastu se spotfiebou obyvatel rozvojov˘ch zemí, ktefií konzumují v prÛmûru 30 kg masa a 260 kgobilovin na osobu za rok.16
ZáleÏitost hladu a podv˘Ïivy ov‰em není primárnû problémem produkãních technologií, ale ekonomic-ko-politick˘ch a sociálních aspektÛ v souvislosti s nerovnomûrn˘m rozloÏením a vyuÏíváním zdrojÛ.Dal‰í otázkou je, zda by roz‰ífiení aplikací genového inÏen˘rství v podobû transgenních plodin v rám-ci stávajících globálních socio-ekonomick˘ch podmínek nesníÏilo dostupnost potravin právû pro tynejpotfiebnûj‰í. ¤e‰ení GM plodinami je izolovan˘m fie‰ením, cel˘ produkãní systém, ekologické a so-ciální kontexty by mûly b˘t propojeny.17
Souãasné transgenní rostliny jsou vytvofieny pro velkoobjemové trhy s potravinami a krmivy. Genetic-ky modifikovaní mutanti kukufiice, sóji, fiepky a bavlny se v‰ichni vyznaãují buì rezistencí k jednotli-v˘m „zabijákÛm“ plevelÛ nebo obsahují geny exprese hmyzích toxinÛ z pÛdní bakterie Bacillus thu-ringiensis (Bt). Primárním cílem uÏití rostlin rezistentních k herbicidu je efektivnûj‰í polní produkce.Efektivnûj‰í produkce mÛÏe b˘t zisková pouze pro holdingové spoleãnosti volnû disponující mnoÏ-stvím pÛdy a strojním vybavením. Drobní farmáfii na jihu, ktefií nemají peníze k nákupu minerálníchhnojiv a herbicidÛ na prvním místû nepouÏívají geneticky modifikované rostliny.Genové inÏen˘rství v podobû transgenních plodin stále nenabízí fie‰ení vût‰iny agronomick˘ch pro-blémÛ s fuzariózami, stéblolamem a listovou skvrnitostí u p‰enice, podobnû jako s mandelinkou bram-borovou ãi s krytonosci a ‰e‰ulov˘mi ‰kÛdci u fiepky. U kukufiice rovnûÏ nejsou dostupná fie‰ení provût‰inu v˘znamn˘ch chorob.DÛvodem chybûjících fie‰ení prezentovan˘ch genov˘m inÏen˘rstvím pro potfiení tûchto problémÛ se‰kÛdci a chorobami je, mimo vysok˘ch nárokÛ na laboratorní vybavení, pracovní t˘my a ãas, vysokáflexibilita a adaptibilita ‰kÛdcÛ a chorob. Jsou geneticky natolik variabilní, nebo se adaptují tak rychle,Ïe genové inÏen˘rství tûÏko mÛÏe b˘t stûÏí schopné udrÏet krok a vyfie‰it problém ‰kÛdce ãi chorobyjedinou aplikací.18
Genové inÏen˘rství skr˘vá zatím nemûfiitelná rizikaJedním z nezanedbateln˘ch dlouhodob˘ch vlivÛ je dal‰í zúÏení jiÏ tak omezeného spektra pûstova-n˘ch kulturních plodin, kdy aktuálnû „je pfies 80 % potravin zaji‰Èováno pûstováním pouh˘ch 11 dru-hÛ rostlin“.19, a to pfiedev‰ím z hlediska odrÛdové diverzity.Dopad na ekosystém: Bt-toxiny produkované Bt-rostlinami konãí v pÛdû a mají dopad na pÛdní faunu– chvostoskoky.20
Pokud jde o problematiku vertikálního pfienosu genÛ, v˘zkum NIAB (National Institute of AgriculturalBotany), Cambridge, Anglie, prokázal pfienos genu z GM fiepky fiepku nemodifikovanou ve 3 pfiípadechze 4 pokusn˘ch rostlin.21
Po‰kození prospû‰n˘ch ÏivoãichÛ: Mortalita larev zlatooãek, jejichÏ kofiist byla Ïivena Bt, byla 62 %proti 37 % larev zlatooãek krmen˘ch kofiistí Bt-free. Tfii umûle vytvofiené jídelníãky kofiisti zlatooãek(tj. zavíjeãe kukufiiãného) zpÛsobily odstupÀované zv˘‰ení larvální mortality ze 42–78 % ve srovnáníse 6 % mortalitou u zlatooãek na Bt-free kofiisti.22
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
20
S
16 Pretty J. 2005. 1–217 Napfiíklad my‰lenka jedl˘ch vakcín, pûstovan˘ch na políãcích za vsí zachraÀujících lidské zdraví a Ïivoty (Petr,2006) je z humanistického pohledu nesmírnû zajímavá, jejich vyuÏití je v‰ak nutno vnímat v ‰ir‰ím kontextu tfiebafungující stability a sociální hierarchie v dané lokalitû, moÏnosti osvûty místních obyvatel, ochrany políãek pfied ne-Ïádoucími potravními konkurenty a vetfielci apod.18 Nowack-Heimgartner K.et al., 200319 Nátr, 2002, s. 10120 Tappeser B. et al., 2000 In Nowack-Heimgartner K.et al., 2003, s. 721 Simpson E.C. et al. 1999 In Nowack-Heimgartner K.et al., 2003, s. 722 Hillbeck A. et al. 1998In Nowack-Heimgartner K.et al., 2003, s. 7
Transgenní rostliny se mohou stát nezvládateln˘mi: Populace fiepky v Kanadû odolné ke 3 herbicidÛmse mohou stát jedním z nejobtíÏnûj‰ích plevelÛ.23
Rekombinace mezi odoln˘mi viry plodin a virov˘mi genomy: Pûstování plodin, které jsou díky geno-vému inÏen˘rství rezistentní k virov˘m infekcím, mÛÏe pfiispût ke vzniku generací nov˘ch virÛ.24
V˘voj rezistencí hmyzu a plevelÛ: Charakteristické znaky odolnosti byly nalezeny u mÛr na GM-bavl-nû. Helicoverpa zea (ãernopáska) – kvût, Spodoptera litsoralis (listopas).25
Tab. 3 Rozdíly mezi Bt-postfiikem a geneticky modifikovanou Bt-rostlinou
Bt-postfiik Geneticky modifikovaná Bt-rostlinaObsahuje inaktivní protoxin. Aktivní jed se vyskytuje po celou vegetaãní
periodu v celé rostlinû.
Pouze mal˘ poãet hmyzích jedincÛ mÛÏe V‰echen hmyz a Ïivoãichové, ktefií poÏírajízmûnit aktivní látku v aktivní jed ve stfievech. rostlinu, pfiijímají aktivní jed.
Rychlá destrukce UV záfiením. Nedochází Chránûn pfied UV záfiením v rostlinn˘ch buÀkách,k akumulaci. proto je aktivní bûhem celé vegetace.
Pfiímé vyuÏití. Profylaktické vyuÏití.
Malá pravdûpodobnost pro rozvoj rezistencí. Vysok˘ selekãní tlak vedoucí k rezistenci ‰kÛdcÛ.
Zdroj: Nowack-Heimgartner K. et al., 2003
V˘ãet rizik není úpln˘ a nejsou to pouze rizika v˘‰e vyjmenovaná, která vedla ke vzniku legislativy vy-mezující pravidla pro nakládání s GMO. Ne v‰echny státy v‰ak pfiistupují k problematice GM plodinstejnû odpovûdnû a zákonné limity nemusí b˘t v praxi vÏdy respektovány.Jedním z velk˘ch rizik je dal‰í rÛst závislosti farmáfiÛ v podobû moÏné monopolizace osiváfiskéhoprÛmyslu a patentÛ na rostliny a zvífiata a s tím spojené rostoucí industrializací zemûdûlství, protoÏeGM-plodiny se hodí pfiedev‰ím pro pûstování v monokulturách na velk˘ch plochách. Patentování Ïi-v˘ch organismÛ mÛÏe pfiedstavovat váÏné ohroÏení dostupnosti napfi. osiv právû pro farmáfie tfietíhosvûta. Lze si totiÏ jen s obtíÏemi pfiedstavit, Ïe firmy vkládající obrovské prostfiedky do v˘zkumu a v˘-voje z ãistého entuziasmu pfienechají plody svého snaÏení ‰iroké vefiejnosti k volnému pouÏití. V pfií-padû, Ïe by tato eventualita nastala, jednalo by se o revoluci v planetárním mûfiítku. To uÏ je pravdû-podobnûj‰ím scénáfiem, Ïe by dostupnost rozmnoÏovacího materiálu transgenních plodin pro rolníkytfietího svûta firmám platili daÀoví poplatníci rozvinut˘ch zemí.Dal‰ím rizikem jsou ztráty pracovních míst v dÛsledku vy‰‰í racionalizace a koncentrace zemûdûlskév˘roby (otázky práce pro v‰echny a s tím související kupní síly).Pokud jde o zdravotní rizika, v souãasné dobû neexistuje odpovídající efektivní Ïivoãi‰n˘ model slou-Ïící k identifikaci a zji‰tûní neúmysln˘ch vlivÛ GMO na lidské zdraví. Pfiitom je zde nebezpeãí pro-dukce nepfiedpokládan˘ch a neÏádoucích substancí jako v˘sledek nepfiedvídatelné integrace genÛ dogenomu (genetická modifikace tabáku skonãila nepfiedpokládan˘m v˘skytem toxické látky, vy‰‰í ligni-fikace bunûãn˘ch stûn u GM sóji a kukufiice, zmûny hladin fytohormonÛ u GM-sóji)26. Mûly by b˘t vy-vinuty metody dostateãnû citlivé a pfiesné k posouzení potenciálu neoãekávan˘ch vlivÛ konzumacepotravin vyroben˘ch z GM plodin na lidské zdraví.Nesmyslnou není ani obava z horizontálního transferu genÛ, kter˘ se neomezuje pouze na vnûj‰í pro-stfiedí, „bylo prokázáno, Ïe u my‰í a kufiat probíhá i mezi stfievními bakteriemi a také v zaÏívacím, uro-genitálním a zaÏívacím ústrojí ãlovûka.“27 Mikroorganismy ve stfievní flófie vãel byly schopny integro-vat manipulovanou DNA fiepky do své vlastní DNA.28
Se zavádûním cizích genÛ (produkujících proteiny) v krmivech vzrÛstá nebezpeãí potravinov˘ch alergií.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
21
23 MacArthur M. 2000., Jorgensen R. and Andersen B 1995, Mikkelsen T.R. et al. 1996 In Nowack-Heimgartner K.et al., 2003, s. 724 Jakab G. Et al. 2002 In Nowack Heimgartner et al., 200325 Liu Y.-B. et al. 1999 In Nowack-Heimgartner K.et al., 2003, s. 726 Nowack-Heimgartner K. et al., 200327 Ho M. van, 199928 Nowack-Heimgartner K. et al., 2003
V USA je pouÏíván geneticky modifikovan˘ hovûzí rÛstov˘ hormon rBST ke zv˘‰ení mléãné produkce.Îádoucího zv˘‰ení b˘vá dosaÏeno, ale za cenu mnoha zdravotních problémÛ zvífiat, zvlá‰tû metabo-lick˘ch poruch, mastitid, problémÛ s plodností. Navíc byl u telat krav, jimÏ byl rBST hormon podáván,zji‰tûn zv˘‰en˘ v˘skyt deformací. Mléko tûchto krav obsahuje zv˘‰ená mnoÏství bíl˘ch krvinek a kon-taminantÛ, jakoÏ i hormon rBST. Nepublikované studie rovnûÏ poukazují na zv˘‰ené riziko rakovinyprsu u konzumentÛ mléka od rBST krmen˘ch krav.29
Ve srovnávací studii s pouÏitím herbicidních postfiikÛ, která se t˘kala ozimé jarní fiepky, cukrové fiepya kukufiice a v níÏ bylo sledováno 65 polí na rÛzn˘ch místech Velké Británie, prokázali v˘zkumníci ne-gativní dopad transgenních plodin na Ïivotní prostfiedí a jeho rovnováhu.30
Pfietrvávajícím problémem je v‰ak stále nedostateãn˘ poãet relevantních studií, které by na jedné stra-nû jednoznaãnû prokázaly bezpeãnost jednotliv˘ch GM aplikací nebo naopak doloÏily negativní do-pady na zdraví ãlovûka, zvífiat a ekosystém. âasto dochází ke konfrontaci mezi skupinami zastáncÛa odpÛrcÛ GMO, kdyÏ jedna strana hodnotí argumenty strany druhé jako zavádûjící, nedostateãné ne-bo ideologické dezinformace.
Konzumenti nechtûjí geneticky modifikovanou potravu?Zatímco v USA si konzumenti nemohou vybrat, protoÏe znaãení potravin vyroben˘ch z nebo za po-moci GMO není povinné, v Evropû je situace odli‰ná31. Graf 4 uvádí míru pfiijetí jednotliv˘ch genetic-k˘ch modifikací podle zpÛsobu vyuÏití v letech 1996–2000.Postoje k potravinám z GM plodin se ov‰em vyvíjejí. V roce 2008 konstatuje tisková zpráva Centra prov˘zkum vefiejného mínûní, Ïe: „Vefiejnost je rozdûlena pouze v otázce pûstování geneticky upraven˘chpotravin (46 % „velmi + dosti závaÏn˘ problém“ vs. 30 % „málo závaÏn˘ + není to problém“) a provozujadern˘ch elektráren (43 % vs. 44 %). Problematika geneticky modifikovan˘ch potravin navíc zfiejmû ne-ní ve spoleãnosti tolik diskutovaná jako jiná témata, jelikoÏ zde lidé nejãastûji volí odpovûì „nevím“.32
Z podobn˘ch v˘zkumÛ ov‰em nelze dûlat obecné závûry, vût‰ina konzumentÛ se bude chovat prag-maticky, záleÏet bude pfiedev‰ím na cenû a dostupnosti potravin. Navíc má mnoho obyvatel EU jenmlhavé pfiedstavy o tom, co v sobû zahrnuje pojem GMO (coÏ je stejnû v˘hodné ãi nev˘hodné pro obûstrany sporÛ o GMO).
Graf 4 Pfiijetí genového inÏen˘rství v Evropû a USA v letech 1996–2000
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
22
S
29 Fagan J.B. 1995: Genetic Engineering: The Hazards – Vedic Engineering: The Solutions, MIU Press, Fairfield Iowa,USA In. Nowack-Heimgartner K.et al., 200330 http://gnosis9.net/rservice.php?akce=tisk&cisloclanku=200503000431 http://www.biotrin.cz/czpages/inf051303c.htm#1032 http://www.cvvm.cas.cz/upl/zpravy/100806s_oe80625a.pdf
Zdroj: Nowack-Heimgartner K. et al., 2003
Proã a jak je ekologické zemûdûlství dotãeno genetick˘m inÏen˘rstvím?Jde pfiedev‰ím o následující moÏnosti kontaminace a znehodnocení ekologické produkce:(1) GMO kontaminace osiva pfienosem pylu nebo smícháním.(2) Nekontrolovatelná kontaminace ekologické produkce GMO pylem, osivy, ãástmi nebo cel˘mi
rostlinami.(3) Zbytky v pronajat˘ch/sdílen˘ch mlátiãkách (sklízeãích) a dal‰ích strojích.(4) Povolená pfiímûs konvenãní produkce s kritick˘mi ingrediencemi.(5) Povolená komerãní krmiva nebo kontaminovaná krmiva.(6) Povolená GMO léãiva.(7) Smíchání nebo kontaminace ve sbûrn˘ch místech (nákup).(8) Smíchání nebo kontaminace bûhem celého transportu.(9) Smíchání nebo kontaminace na pfiepravních místech.(10) Smíchání nebo kontaminace bûhem zpracování.(11) Konvenãní ingredience, aditiva a zpracovatelské pfiísady.
Jak udrÏet EZ produkci „GM-free“?V mnoha zemích je legislativa zahrnující genové inÏen˘rství obdobná. Základním pravidlem je, Ïe ge-neticky modifikovaná osiva, potraviny a krmiva projdou státním schvalovacím fiízením, neÏ obdrÏí po-volení k pfiístupu na trh. K získání povolení fiada zemí vyÏaduje, aby produkty vyrobené z GMO bylyjako takové deklarovány. V USA a Kanadû ov‰em Ïádná potravina ani krmení povinnû znaãeny nejsou.Existující legislativa klade ekologickému zemûdûlství za povinnost produkovat potraviny bez vyuÏitíproduktÛ genového inÏen˘rství.„GM-free“ v ekologické produkci musí b˘t: (1) potraviny, (2) potravinové doplÀky, (3) pomocné látkypfii zpracování potravin, (4) krmiva a doplÀky krmiv, (5) pomocné látky pro krmiva, (6) hnojiva a pÛd-ní látky, (7) rozmnoÏovací materiál, (8) prostfiedky ochrany rostlin a (9) chovy hospodáfisk˘ch zvífiat.Zákaz se nevztahuje na ãisticí prostfiedky, paliva a prostfiedky veterinární medicíny.
Závûry
Ekologické zemûdûlství vyluãuje uÏití GMO a trvá na dlouhodobé garanci této v˘luãnosti a legislativ-nû zakotvené ochranû GMO-free produkce.Se vzrÛstajícím vyuÏitím genového inÏen˘rství v zemûdûlství a potravináfiství stávají se tûÏkosti, jimÏ jevystaveno ekologické zemûdûlství, stále vût‰ím problémem. Ekologická produkce není uzavfiená a mÛ-Ïe b˘t kontaminována více cestami GMO i jejich deriváty.(1) Organizace EZ pfiijaly nûkolik opatfiení k zaji‰tûní kvality v prÛbûhu celého toku zboÏí a ustano-
vily zákazy pro kritické produkty.(2) KvÛli pfiijat˘m opatfiením na v‰ech úrovních je kontaminace ekologické produkce nízká a obje-
vuje se ménû neÏ v jin˘ch produktech.(3) Ekologické zemûdûlství nicménû nemÛÏe garantovat GM-free produkty s 0,0 % GMO, o nûÏ se
snaÏí. Technicky nevyhnutelná kontaminace je akceptována v rámci zákonem stanoven˘ch limitÛ(0,9 %) do míry odpovídající úrovni kontrolního procesu. Abychom se vyhnuli skrytému ‰ífieníGMO, musí b˘t prahové hodnoty limitÛ pro certifikaci a tolerance stanoveny tak nízko, jak je tomoÏné a prakticky realizovatelné.
(4) EZ se dále zasazuje o GM-free zemû a regiony, protoÏe pouze nulová tolerance znamená bez-peãné zaji‰tûní GM-free produkce.
PfiestoÏe systém ekologického zemûdûlství z principu vyluãuje uÏití GMO a trvá na dlouhodobé ga-ranci této v˘luãnosti a legislativnû zakotvené ochranû GMO-free produkce, je z pohledu dal‰ího v˘-voje nezbytná koexistence mezi rÛzn˘mi alternativami zemûdûlského hospodafiení, jejímÏ základemby mûl b˘t trval˘ dialog, vzájemn˘ respekt, vzájemná v˘mûna informací a dodrÏování legislativnû da-n˘ch pravidel. Pouze budoucnost mÛÏe ukázat, do jaké míry byly nadûje vkládané do GM plodin ãiobavy jejich odpÛrcÛ oprávnûné. MÛÏe se v‰ak jednat o poznání draze zaplacené.Podobnû jako Petr (2006), kter˘ konstatuje, Ïe: „KaÏd˘ má právo na svÛj názor a dokonce na niãím ne-podloÏen˘ strach z GMO. Mûl by v‰ak nést plnou zodpovûdnost za to, co ‰ífiením tûchto názorÛ vyvo-lá.“, zastávám pfiesvûdãení, Ïe kaÏd˘ by mûl b˘t pfiipraven nést plnou odpovûdnost za své ãiny, vãetnû
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
23
plodÛ své práce. I kdyÏ je to velmi tûÏké, protoÏe umûní pfievzít odpovûdnost za své ãiny je umûnímpro bytosti vyspûlé po v‰ech stránkách, nejen v oblasti rozumové. Zde se plnû ztotoÏÀuji s názoremRenöcklov˘m (2006): „Ov‰em kaÏdé roz‰ifiování hranic, a tím spí‰e prolomení bariér jako u genovétechniky, je nutnû spojeno s podmínkou, Ïe pfievezmeme odpovûdnost za dopady a nové skuteãnosti,které jsme vyvolali, respektive, Ïe je vÛbec mÛÏeme pfievzít.“
Legislativa spojená s GMOZákonem ã. 78/2004 Sb., o nakládání s geneticky modifikovan˘mi organismy a genetick˘mi produkty
a vyhlá‰kou byly do ãeské legislativy pfievedeny evropské smûrnice 2001/18/EC o zámûrném uvol-Àování geneticky modifikovan˘ch organismÛ do Ïivotního prostfiedí a smûrnice 98/81/EC o uzavfie-ném nakládání s geneticky modifikovan˘mi mikroorganismy. Provádûcím pfiedpisem je vyhlá‰kaã. 209/2004 Sb.
Klíãové právní pfiedpisy v Evropské unii: 1829/2003 o geneticky modifikovan˘ch potravinách a krmi-vech, nafiízení ã. 1830/2003 o oznaãování GMO a sledovatelnosti GMO u potravin a krmiv a nafií-zení ã. 1946/2003 o pfieshraniãním pohybu GMO.
Nafiízení ã. 1829/2003 se bezprostfiednû t˘ká potravin a krmiv, které sestávají z GMO, obsahují GMOãi jsou z GMO vyrobeny.
2000 pfiijat Cartagensk˘ protokol o biologické bezpeãnosti k Úmluvû o biologické rozmanitosti. V plat-nost vstoupil v záfií 2003. Stanoví podmínky pro pfieshraniãní pohyb (dovoz, v˘voz, tranzit) Ïiv˘chmodifikovan˘ch organizmÛ, nutnost pfiedbûÏného informovaného souhlasu dováÏející strany a me-zinárodní informaãní systém.
Cartagensk˘ protokol je pfiejat nûkolika evropsk˘mi pfiedpisy: smûrnicí Evropského Parlamentu a Rady2001/18/EC o zámûrném uvolÀování geneticky modifikovan˘ch organismÛ do Ïivotního prostfiedía o zru‰ením smûrnice Rady 90/220/EE C, pokud jde o dovoz GMO, základní pojmy a hodnocení ri-zik, a nafiízením ã. 1946/2003 Evropského Parlamentu a Rady o sledovatelnosti a oznaãování gene-ticky modifikovan˘ch organismÛ a sledovatelnosti potravináfisk˘ch a krmiváfisk˘ch v˘robkÛ z GMOa o zmûnû smûrnice 2001/18/EC
Seznam pouÏité literatury:Biotechnologie. Sborník referátÛ z odborné zemûdûlské konference. Zlín 21. 10. 2004Boss J.F.F.P., Haan J.J. de, Sukkel W, Schils R.L.M. 2007. Comparing energy use and greenhouse gas
emissions in organic and conventional fading systems in the Netherlands. Improving Sustainability inOrganic and Low Input Food Production Systems. Proceeding of the 3rd International Congress of theEuropean Integrated Project Quality Low Input Food (QLIF), March 20–23, 2007, University of Hohenheim,Germany: 439–443, ISBN 978-3-03736-003-3
Kettnerová M. 2009. Environmentální aspekty obchodu s bioprodukty. Diplomová práce. âZU v Praze. 2009.97 s.
Nátr L. 2002. Fotosyntetická produkce a v˘Ïiva lidstva. ISV nakladatelství. Praha. 423 s. ISBN: 80-85866-92-7Nowack Heimgartner K., Bickel R., Wyss E. 2003. Organic Farming and Genetic Engineering, Bestellnr.
1207, Dossier, 2003, 24 SeitenMae-Wan Ho. Genetické inÏen˘rství. Nadûje nebo hrozba? Praha. 1999 300 s.Petr Jaroslav. Geneticky modifikované organismy. Universum 1/XVI. Praha. 2006. 32–34Pretty J. 2005. Sustainability in Agriculture: Recent Progress and Emergent Challenges. In Sustainability in
Agriculture. RSC Publishing. Cambridge CB4 OWF. UK. 2005: 1–2 ISBN: 0-85404-201-6, ISSN 1350-7583Renöckl Helmut. Genová technika – nepfiípustné pfiekroãení hranice? Universum 1/XVI. Praha. 2006. 35·arapatka B. et al. 2006. Vliv zemûdûlství na kvalitu povrchov˘ch vod na pfiíkladu fieky Dunaje. Prezentace
pro v˘uku. Bioinstitut, o.p.s., Institut pro ekologické zemûdûlství a udrÏiteln˘ rozvoj krajiny. Olomouc.2006. 24 s.
Veselsk˘ M. 2008. Globální ekologické problémy oãima ãeské vefiejnosti. Tisková zpráva. CVVM, Sociolo-gick˘ ústav AV âR, v.v.i., dostupné z: http://www.cvvm.cas.cz/upl/zpravy/100806s_oe80625a.pdf
Zídek T. 1994. Ekologické zemûdûlství v âeské republice. In Neuerburg W., Padel S. Ekologické zemûdûlstvív praxi. FOA. Mze âR, Agrospoj. Praha. 41–45
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
24
S
PouÏité internetové zdroje 29. 1. – 30. 1.2010http://www.agris.cz/vyhledavac/detail.php?id=159003&iSub=518&sHighLight=biopotraviny|kupuj%ED,
Dal‰í uÏiteãné odkazy:Hillbeck A., Baumgartner M., Fried P.M. and Bigler F. 1998 a): Effects of transgenic Bacillus thuringiensis
com-fed prey on mortality and development time of immature Chrysoperla Carda (Neuroptera: Chrysopidae)Environmental Entomology 27 (2): 480–487 81
Jakab G., Droz E., Vaistij F.E. and Malnöe P. 2002. Durability of transgene-mediated virus resistence: Highfrequency occurrence of recombinant viruses in transgenic virus resistant plants. Tagung Perspektiven derBiosicherheit, 5.4.02 Bern
Jorgensen R. and Andersen B 1995. Spontaneous hybridization between oilseed rape (Brassica napus) andweed Brassica campestris: A risk of growing genetically engineered modofied oilseed rape. American Journalof Botany 81: 1620
Liu Y.-B., Tabshnik B.E., Dennehy TJ., Patin A.L., Bartlett A.C. 1999. Development time and resistence to Br-crops. Nature 400:519
MacArthur M. 2000. Triple-resistant canola weeds found Alta, Western Producer, Feb. 10.Mikkelsen T.R. et al. 1996: The risk of crop transgene sprej. Nature. 380: 31Simpson E.C., Norris C.E., Law J.R., Thomas J.E. and Sweet J.B. 1999. Gene flow in genetically modified
herbicide tolerant oilseed rape (Brassica napus) in the UK. Gene Flow and Agriculture: Relevance forTransgenic Crops, BCPC Symposium Proceedings No. 72, April 1999, Keele, Staffordshire, UK:75–
Tappeser B., Eckelkamp C., Weber B. (2000): Untersuchungen zu tatsächlich beobachten nachteiligenEffekten von Freisetzungen gentechnisch veränderter Organismen. Wien, Umweltnundesamt. Mono-graphien Band 129
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
25
Moderní ‰lechtûní rostlin a molekulární biologie
Petr Sm˘kalAgritec Plant Research s.r.o., ·umperk
(na základû pfiedná‰ky v rámci semináfie, Ekologické zemûdûlství v kontextu moderní biologie rostlin,Katedra fysiologie rostlin, PfiF UK Praha 13. ledna 2009)
âlovûk jiÏ pfied deseti tisíci lety, bûhem procesu domestikace rostlin, navodil smûr, jehoÏ dÛsledky jemoÏné spatfiit bûhem kaÏdodenního Ïivota. Bez velkého pfiehánûní lze fiíci, Ïe tehdy probûhla jednaz nejv˘znamnûj‰ích zmûn v lidsk˘ch dûjinách. Pfiechod od nároãného a nespolehlivého sbûru rostlina lovu zvífiat k jejich pûstování a chovu zvífiat lze rozhodnû povaÏovat za mezník vedoucí postupnû kevzniku zemûdûlství, a ve svém dÛsledku umoÏÀující rozvoj civilizací. âlovûk si zprvu moÏná nevûdo-mû vybíral k pûstování rostlinné druhy a jednotlivé rostliny, a tím usmûrÀoval pfiírodní v˘bûr. Tisíce letpfied objevy Ch. Darwina nebo J.G. Mendela tak byly prací mnoha generací postupnû vybrány genovékombinace, které aÏ dosud poskytují potravinové základy lidstva. Tento proces pûstování rostlin a cho-vu zvífiat, zemûdûlství, mûl samozfiejmû i vliv na chování ãlovûka a v˘voj lidského spoleãenství. A ja-ko u vût‰iny vûcí, existují kladné i záporné stránky. MoÏnost usídlení se dlouhodobûji na jednom mís-tû umoÏnila vznik sídel-mûst. Dostatek potravy vedl k dostatku volného ãasu i pro jiné ãinnosti,vedoucí k rozvoji tvofiiv˘ch schopností ãlovûka. UmoÏnil také populaãní rÛst, coÏ ov‰em neslo i stin-né stránky v podobû epidemií chorob nebo zmûn v genetickém sloÏení populace (vliv sloÏení potravyna alergii, tolerance k mléãnému cukru, odolnost k cukrovce apod.) Samozfiejmû, zemûdûlství vedlok dramatické zmûnû krajiny a mûlo mnohdy spí‰e negativní vliv na pfiírodu.Proces domestikace a zemûdûlství se ale kromû uvedeného vlivu na ãlovûka a postfiedí odrazil samozfiej-mû také na genetické v˘bavû pûstovan˘ch rostlin. Pfiihlédneme-li ke skuteãnosti, Ïe je v souãasnosti naZemi popsáno pfiibliÏnû 250 tisíc druhÛ vy‰‰ích rostlin, av‰ak z nich jen malá ãást, pfiibliÏnû 500 druhÛ,byla podrobena urãité mífie domestikace, z nichÏ v souãasnosti lidstvo ãítající dnes kolem 6 miliard lidíÏiví produkce jen kolem 30 rostlinn˘ch druhÛ (z nichÏ pak více jak 50 % na‰ich potfieb zaji‰Èují 4 druhy,zástupci travin – r˘Ïe, p‰enice, kukufiice a ãirok), je míra redukce biodiverzity velmi zfiejmá. Nejde v‰akjen o sníÏení poãtu druhÛ, ale i v rámci jediného druhu. Pomocí nástrojÛ molekulární biologie lze dneszfietelnû ukázat na redukci genetické diverzity. Je jasné, Ïe ãlovûk pfied tisíci lety necítil potfiebu dále hle-dat a zkou‰et nové rostliny, jestliÏe mûl k dispozici i jen nûkolik jedincÛ majících dané vlastnosti. Je taképravdûpodobné, Ïe prvotní zemûdûlci vyuÏili pro zaloÏení následující generace vût‰inou jen malou ãástvybran˘ch jedincÛ. Následkem toho zji‰Èujeme, Ïe vût‰ina z dnes pûstovan˘ch plodin má malou gene-tickou diverzitu a Ïe mnohé z pÛvodní pestrosti v˘chozích druhÛ tak nebylo vyuÏito. Taková redukce va-riability mÛÏe vést aÏ ke sníÏení odolnosti rostlin vÛãi chorobám, coÏ lze doloÏit mnoh˘mi pfiíklady z ne-dávné historie. Asi nejznámûj‰ím je hladomor ve 40. letech 19. století v Irsku, zpÛsoben˘ epidemií plísnû(Phytophthora infestans) brambor. DÛvodem byla velmi malá rÛznorodost pûstovan˘ch odrÛd, v pfiípadûbramboru vegetativnû mnoÏen˘ch klonÛ. Dal‰ím pfiípadem ze 70. let 20. století byla v USA epidemie li-stové skvrnitosti (Helmintosporium maydis) spojená s pûstováním vysoce uniformních hybridních typÛkukufiice. Dnes je nanejv˘‰ zfiejmé, Ïe monokulturní pûstování, mnohdy provozované ve velkém mûfiít-ku, vytváfií ideální podmínky pro rozvoj chorob a ‰kÛdcÛ. Aby se zabránilo uveden˘m vlivÛm, je potfiebaohlédnout se zpût a pouÏít pfii kfiíÏení mnohdy i plan˘ch forem. Samozfiejmû tato tzv. introgrese vedei k pfienosu neÏádoucích „plan˘ch“ znakÛ. Proces lze v‰ak dnes díky nástrojÛm molekulární genetikyznaãnû zpfiesnit a zrychlit. Pfiíkladem je rajãe, kdy pfiikfiíÏení planého druhu (Lycopersicon pennelli)vedlo v urãit˘ch kombinacích k podstatnému zv˘‰ení obsahu cukru nebo velikosti plodu. U p‰enicebyl nedávno identifikován transkripãní faktor, GPC-B1, zodpovídající za rychlej‰í vyzrávání zrna a pfie-dev‰ím v˘raznû zvy‰ující mnoÏství proteinÛ, zinku a Ïeleza. Tento gen je u v‰ech moderních odrÛd vli-vem mutace nefunkãní, ale vyskytuje se v p‰enici dvouzrnce (Triticum turgidum ssp. dicoccoides). Po-dobnû mutace genu opaque-2 u kukufiice kódujícího transkripãní faktor regulující expresi dal‰ích genÛpro zásobní proteiny semene, zeiny, se nejdfiíve jevila jako negativní vlastnost. Ukázalo se v‰ak, Ïe ta-to recesivní (tak jako podstatná vût‰ina mutací) vlastnost má sice negativní vliv na v˘nos, ale podstat-nû zvy‰uje obsah potfiebn˘ch esenciálních aminokyselin lysinu a tryptofanu.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
26
S
Genové sbírky – cenn˘ zdroj nov˘ch vlastnostíAbychom mohli vyuÏít nahromadûnou biodiverzitu, potfiebujeme mít k dispozici sbírku, genovou ban-ku, obsahující jak pûstované formy, tak právû i primitivní, plané formy a pfiíbuzné druhy. Toho si byl vû-dom jiÏ ve 20. letech 20. století rusk˘ geobotanik N. I. Vavilov (1887–1943). Právû on pfii studiu cen-ter pÛvodu kulturních rostlin inicioval proces, jehoÏ dÛsledkem je existence nûkolika stovek genov˘chbank, které v souãasnosti zahrnují nûkolik miliónÛ poloÏek v‰ech pûstovan˘ch a jim pfiíbuzn˘ch dru-hÛ rostlin. Je potû‰itelné, Ïe si ‰lechtitelé jiÏ zvykli nenahlíÏet na genové sbírky jednotliv˘ch plodin ja-ko na Ïivoucí muzea, ale naopak na zdroje cenn˘ch vlastností, jako jsou rezistence k chorobám, ‰kÛd-cÛm, nebo tfieba kvalitu semene. Právû tyto vlastnosti hrají dnes, kdy rozhodujícím kritériem úspû‰nostije celková ekonomika pûstování dané plodiny, v˘znamnou roli. OceÀujeme jednak práci na‰ich pfied-kÛ v podobû krajov˘ch odrÛd, tak i v˘sledky pfiírodního v˘bûru v pfiípadû plan˘ch forem. âím lépeznáme jednotlivé poloÏky pomocí popisÛ jejich morfologick˘ch, agronomick˘ch a nejnovûji také mo-lekulárních vlastností znakÛ, tím lépe je dovedeme vyuÏít a ocenit.
Zelená revoluce a Norman BorlaugPodobnû jako dosud Ch. Darwin 150 let od pfiedstavení své evoluãní teorie je jméno nositele Nobelo-vy ceny míru N. Borlauga (1914) od zaãátku procesu pfiíkladnû nazvaného „Zelenou revolucí“ zdro-jem pfietrvávajících kontraverzí. Práce na p‰enici zapoãatá s cílem odstranûní hladomoru chud˘ch ob-lastí svûta rozhodnû vedla k mnohonásobnému zv˘‰ení produkce a následnû skuteãnû k odstranûníhrozby hladu v mnohamilionové Indii nebo Mexiku. Na druhou stranu intenzivní pûstování si vynuti-lo potfiebu pouÏití pesticidÛ, závlahy, mechanizace, coÏ vedlo ãasto k devastaci prostfiedí a promûnûvenkovského Ïivota a k migraci do velk˘ch mûst. To, Ïe nelze nikdy vsadit jen „na jednu kartu“, se dnesprojevuje také v dÛsledcích „zelené revoluce“. Krátkostébelnost p‰enice umoÏÀující vy‰‰í produkcizrna, vedla k masivnímu ‰lechtitelskému vyuÏití jen nûkolika rodiãovsk˘ch genotypÛ, coÏ se opût pro-jevilo redukcí genetické diverzity. Proto dnes svût, pfiedev‰ím pak miliardová Indie, Pákistán stojí opûtna prahu hrozby hladomoru, tentokráte zpÛsobeném citlivostí vût‰iny pûstovan˘ch odrÛd p‰enice k no-vé, agresivnûj‰í rase rzi travní (Puccinia graminis f. sp. tritici Ug99).
Poznatky jiÏ vyuÏívané ve ‰lechtitelském procesuDnes povaÏujeme za samozfiejmost vyuÏití efektu heterózní síly, F1 generace. Toho se vyuÏívá nejenu zelenin, kvûtin, ale samozfiejmû i u polních plodin, pfiedev‰ím pak u cizospra‰n˘ch, jako je kuku-fiice nebo sluneãnice. V˘hodou je pfiedev‰ím vy‰‰í v˘nos a uniformita, vyrovnanost, tak jak ji popsaljiÏ J. G. Mendel. Je s podivem, Ïe dosud plnû neznáme mechanismus zodpovídající za heterozi, vehfie je mnoÏství hypotéz od heterozygotní kombinace alel aÏ po superdominanci. Protikladn˘m jenaopak proces homozygotizace, kdy má dan˘ jedinec co nejkompletnûji homozygotní v‰echny ale-ly. Tohoto je následnû po kfiíÏení dosaÏeno aÏ po mnoha generacích a navíc je dále udrÏitelné jenu samospra‰n˘ch druhÛ. Dnes v‰ak disponujeme biotechnologickou metodou získávání tzv. dihap-loidÛ, indukcí tvorby embryí z nezralého pylu. Pylové zrno, samãí pohlavní buÀka a nositel polovi-ny genetické informace, je normálnû pfiedurãeno pro opylení a následné oplození matefiské buÀky,vajíãka. Nicménû u nûkter˘ch druhÛ rostlin jsme schopni vlivem stresov˘ch podmínek in vitro na-vodit tvorbu haploidních embryí, v˘slednû pak i dihaplodiních (tedy kompletnû) homozygotníchrostlin, a to v‰e v fiádu jen nûkolika mûsícÛ! (oproti rokÛm potfiebn˘ch pfii klasickém kfiíÏení). V pfií-padû androgenese nebo heteroze je moÏné fiíci, Ïe praktické vyuÏití pfiedbíhá teoretické poznání da-ného procesu.Mutagenese pomocí rÛzn˘ch chemick˘ch agens nebo fyzikálních procesÛ je souãástí ‰lechtitelské prá-ce jiÏ témûfi sto let. VyuÏití mutantÛ hraje také dÛleÏitou roli pro objasnûní funkce genÛ, jednak vyfia-zení funkce poÏadovaného, tak i neznámého genu (forward a reverzní genetika). Tento postup je v‰akzpfiesnûn od dob klasické mutageneze, jak ji známe, tak, Ïe jsme nakonec schopni identifikovat gen/-ny podmiÀující danou vlastnost. Dnes je moÏné z populace získané po mutagenním pÛsobení pomo-cí techniky TILLING specificky vyhledat konkrétního mutanta v poÏadovaném genu. Je moÏná aÏ pfie-kvapující, Ïe na dosud z mutaãního procesu vznikl˘ch pfiibliÏnû dva a pÛl tisíce odrÛd je pohlíÏenojako na odrÛdy vzniklé bûÏn˘ch kfiíÏením, pfiestoÏe dnes víme, k jak velk˘m a pfiedev‰ím pak tûÏkopfiedvídateln˘m zásahÛm v jejich genomu do‰lo. ZmiÀuji toto pfiedev‰ím z dÛvodu srovnání, jak ob-tíÏn˘m a zdlouhav˘m procesem testování prochází odrÛda vzniklá cestou GMO!
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
27
21. století – vûk genomikyBez velkého pfiehánûní lze fiíci, Ïe nyní Ïijeme v dobû biologické revoluce. Pfiedev‰ím díky rozvoji po-znání genetického kódu spojeného s rychl˘m v˘vojem vysoce úãinn˘ch metod jsme dnes schopni pfie-ãíst genom vybraného druhu bûhem velmi krátké doby. JestliÏe první genom eukaryotického organis-mu, kvasinky (S. cerevisie) byl pfieãten v roce 1995 po nûkolikaletém úsilí mnoha t˘mÛ, pak pfiedev‰ímod roku 2000, kdy byl pfieãten kompletní genom modelové rostliny genetikÛ, huseníãku (A. thaliana)a první plodiny, r˘Ïe (O. sativa) zaznamenáváme obrovsk˘ nárÛst poznatkÛ. Modelové organismy ne-byly vybrány pro tuto práci náhodou, ale v pfiípadû genomiky byl zohlednûn pfiedev‰ím aspekt velikostigenomu. Ten v pfiípadû vût‰iny dosud pfieãten˘ch rostlinn˘ch druhÛ dosahoval fiádu stovek miliónÛ pá-rÛ bází (150 Mb u huseníãku a r˘Ïe). Nicménû, vût‰ina pûstovan˘ch druhÛ rostlin disponuje genomemmnohonásobnû vût‰ím. JestliÏe genom ãlovûka sestává z 3600 Mb, pak genom hrachu tvofií 4000 Mb,kukufiice 4500 Mb, ale tfieba p‰enice aÏ 16000 Mb! Co je dÛvodem takové velikosti uváÏíme-li, Ïev‰echny dosud poznané druhy disponují velmi podobn˘m poãtem genÛ (20–40 tisíc)? DÛvody jsoudva: jedním je vysoké zastoupení repetetivních sekvencí, pfiedev‰ím pak doãasnû mobilních retrot-ransposonÛ, druh˘m pak velmi ãastá polyploidie. Tak, jak poznáváme repetetivní elementy, poodkr˘-váme jejich velmi v˘znamnou roli umoÏÀující dynamiku genomu, jak ji pfied 60 lety pfiedstavila obje-vitelka mobilních DNA elementÛ B. McClintocková, a které zfiejmû celkovû urychlují cel˘ evoluãníproces. Polyploidie se zdá mnohem roz‰ífienûj‰ím fenoménem pfiinejmen‰ím v rostlinné fií‰i, neÏ seoãekávalo. Studie klasicky diploidních organismÛ, vãetnû huseníãku, ukazují, Ïe v minulosti pro‰liprocesem duplikace celého genomu. Zatím jen spekulujeme, zda-li je to polyploidie, jeÏ umoÏnila ta-kovou pfiizpÛsobivost rostlin.Samozfiejmû ãlovûk ovlivnil i tento proces, kdyÏ spolu zkfiíÏil odli‰né druhy, mnohdy i pfiedstavitele od-li‰n˘ch rodÛ. Dodnes zÛstává hádankou, respektive je moÏné hovofiit o velké prozfietelnosti ãi náhodûspojené se vznikem moderní p‰enice obsahující hned tfii odli‰né genomy! Podobnû jako u obilovinpodãeledi Triticeae, rovnûÏ v rámci ãeledi brukvovit˘ch rodu Brassica známe a pûstujeme mnoÏstvímezidruhov˘ch kfiíÏencÛ, vãetnû dnes v Evropû díky biopalivové politice, roz‰ífiené fiepky (Brassicanapus = B. oleracea x B. rapa).Jak je tedy moÏné vyuÏít poznatkÛ získan˘ch pomocí modelov˘ch organismÛ? Samozfiejmû v pfiípadûpoznan˘ch biologick˘ch procesÛ lze tyto vûdomosti mnohdy pfiímo aplikovat na cílové druhy. Nicmé-nû, zÛstaÀme u genomiky. Zde se ne pfiekvapivû ukazuje, Ïe velmi ãasto i organizace genÛ v rámcichromosomÛ respektuje systematické ãlenûní druhÛ. V pfiípadû luskovin profitujeme s poznání dokon-ce dvou, respektive tfií zástupcÛ této na Zemi tfietí nejrozsáhlej‰í ãeledi (Fabaceae) rostlin, Lotus japo-nicus, Medicago truncatula, a zatím neúplnû Glycine max.
Pfieãten˘ genom, a co dál?Je také zfiejmé, Ïe podobnû jako po pfieãtení genomu ãlovûka vûdecké bádání nekonãí, ale právû nao-pak, v podstatû zaãíná. Otevírá se tak prostor pro detailní poznání funkce a pfiediva vzájemn˘ch vzta-hÛ tûchto genÛ. Je zde prostor jak pro základní v˘zkum, tak i pro aplikaci tûchto poznatkÛ do praktic-kého Ïivota, zde pfiedev‰ím do ‰lechtûní a pûstování rostlin. Je tedy velkou v˘zvou, jak a kterépoznatky dosaÏené dne‰ními „-omics“ technologiemi, jako je hierarchicky sefiazené: genomika (zna-lost sekvence DNA, tedy genÛ a jejich regulaãních sekvencí), transkriptomika (studium projevu genÛ,RNA), proteomika (studium bílkovin) a metabolomika (cukrÛ, tukÛ, esencí apod.), pfienést ve vyuÏitel-né formû do praxe.
·lechtûní – vûda ale i umûníJiÏ J. G. Mendel se musel vypofiádat se dvûmi základními problémy. Za prvé, pokaÏdé kdyÏ zkfiíÏil dvûrostliny hrachu, musel se o rostliny peãlivû starat a ãekat, aÏ dozrají jejich semena. Jedinû potom jemohl prostudovat a dále vyset. Za druhé, musel se rozhodnout, kolik z ohromného mnoÏství potom-kÛ pouÏije do dal‰ího kola v˘bûru. MoÏná, Ïe toto nebylo tolik problémem v ménû uspûchané dobûklá‰terního Ïivota 19. století, ale moÏná jiÏ i Mendel snil o tom, Ïe by tyto vûci mohly b˘t rychlej‰ía jednodu‰‰í.Stejnû tak jako pfiedchozí generace ‰lechtitelÛ, i ti souãasní pracují v podstatû se stejn˘m arzenálemmetod, postupÛ a principÛ. Je to pfiedev‰ím dáno podstatou ‰lechtitelské práce, kdy se vyuÏívá existu-jící genetická diverzita, a ta se pomocí kfiíÏení rodiãovsk˘ch genotypÛ dále volnû kombinuje. Stále také
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
28
S
platí Mendelem objevené genetické principy, tj. pfii vyuÏití homozygotních rodiãÛ jiÏ zmínûná unifor-mita F1 hybridÛ následovaná ‰tûpením, volnou kombinovatelností vlastností v F2 generaci. Podstatnouúlohu pfii volné kombinovatelnosti genÛ a jimi kódovan˘ch vlastností hraje redukãní dûlení, meiosa,vedoucí ke vzniku haploidních pohlavních bunûk a bûhem ní probíhající rekombinace chromosomo-v˘ch úsekÛ, ãástí DNA. ·lechtitel by tedy rád znal genotyp jako soubor konkrétních alel genÛ, ale mu-sí se spokojit s koneãn˘m projevem, fenotypem. To je samozfiejmû i logické, neboÈ rostliny pûstujemea dále zu‰lechÈujeme ne pro soubor genÛ, ale právû pro poÏadované vlastnosti, napfi. morfologickéznaky, odolnost apod. Nicménû zde ve vût‰inû pfiípadÛ (aÏ na v˘jimky genÛ s vysokou dûdivostí, napfi.zodpovûdn˘ch za barvu kvûtu) vstupuje do hry vliv prostfiedí. Proto je zapotfiebí vícelet˘ch testÛ pro-vádûn˘ch na více stanovi‰tích, aby bylo moÏné dostateãnû odhadnout potenciál daného hybridu, po-tenciální odrÛdy. Jen pro dokreslení je tfieba uvést, Ïe z kaÏdoroãních desetisícÛ proveden˘ch kfiíÏení,to do úspû‰ného finále, povolení odrÛdy, po 5 ale nûkdy aÏ 15 letech dotáhne jen nûkolik pÛvodníchkfiíÏencÛ.
DNA markery a ‰lechtitelská práceAni 150 let od zásadní práce J. G. Mendela se ve ‰lechtitelské praxi mnoho nezmûnilo. ·lechtitelé jiÏdávno vûdí, Ïe za poÏadované vlastnosti jsou zodpovûdné geny, jeÏ jsou zakódovány ãtyfipísmenov˘mkódem DNA molekuly obsaÏené v chromosomu. Víme také, Ïe vlastnosti lze volnû kombinovat, tj. vzítrÛzné poÏadované z kaÏdého rodiãe a v jednom z mnoha potomkÛ dosáhnout lep‰í kombinace. A zde,stále navzdory v‰em vûdeck˘m poznatkÛm, je ‰lechtûní dosud spí‰e umûní neÏ exaktní vûda. Pfiede-v‰ím peãlivé pozorování, trpûlivost, cit a odhad ãi intuice, kterou kombinaci vybrat a dále rozvíjet, by-li a jsou v˘sadou zku‰en˘ch ‰lechtitelÛ. V posledních dvou desetiletích se nesmûle, ale pfieci jen, pro-sazují poznatky molekulární biologie, a pfiedev‰ím pak genomiky (vûdy zab˘vající se studiem úplnédûdiãné informace organismÛ), také do ‰lechtûní rostlin. Sl˘cháme tak o „marker-assisted-selection“,v˘bûru pomocí markerÛ. Tyto molekulární markery lze pfiirovnat ke znaãkám oznaãujícím dÛleÏité bo-dy na genetické „cestû“ DNA charakterizující kaÏdého jedince. Podobnû tak jako dopravní znaãky jsoui molekulární znaãky dÛleÏité tím, Ïe nás upozorÀují na nûco, co dopfiedu nevidíme. Díky souãasn˘mmetodám a úrovni poznání mÛÏeme jiÏ velkou ãást tûchto znaãek vidût. Mohou tedy pomoci ‰lechti-teli pfii jeho rozhodování, známe-li geny (nebo tfieba jiÏ i úseky s nimi související, tedy tzv. markery vevazbû), zodpovídající napfiíklad za v˘nos, odolnost ke ‰kÛdcÛm a chorobám, aniÏ by bylo nutné rost-liny podrobit sloÏit˘m anal˘zám ãi polním testÛm. Velmi dÛleÏité je, Ïe tyto znaãky mÛÏeme zjistit jiÏna klíãních rostlinách, nemusíme tedy ãekat, aÏ vyrostou a dozrají. Toto je dÛleÏité, neboÈ dne‰ní‰lechtûní nov˘ch odrÛd je ãasovû, prostorovû a finanãnû velmi nároãn˘ proces a kaÏdé zpfiesnûnía zkrácení je vítáno. Pro ‰lechtitele je tak moÏné vybírat a poskládat kombinace, jejichÏ získání by ji-nak trvalo mnoho let. Pfiedev‰ím jde o recesivní znaky, jejichÏ projev je viditeln˘ aÏ v homozygotnímstavu a znaky ovlivnûné napfi. interakcí s jin˘mi organismy (patogeny). Moderní metody v˘bûru jsou takmoÏné díky porozumûní funkce genÛ, a tyto geny ve své kompletnosti poznáme díky pfieãtení gene-tické informace (genomu) dané organismu. A právû zde v fiadû pfiípadÛ jiÏ dnes mÛÏe rozvíjející se mo-lekulární biologie, genetika pomoci cel˘ proces zpfiesnit a zrychlit. JestliÏe totiÏ známe, byÈ tfieba jenãásteãnû, genom daného druhu a máme k dispozici arzenál tzv. molekulárních markerÛ, coÏ jsouvlastnû úseky DNA v mnoh˘ch pfiípadech nekódujících Ïádn˘ genov˘ produkt, je moÏné s vyuÏitím‰tûpících populací kfiíÏení kontrastních rodiãÛ (napfi. náchyln˘ch versus citliv˘ch k danému patogenu,mající a naopak postrádající dan˘ znak) zmapovat, tj. urãit pozici, kde leÏí gen/-y zodpovûdné za da-nou vlastnost. Zde se zatím nejãastûji dostaneme do situace, kdy najdeme úsek DNA, kter˘ bude s da-nou pravdûpodobností (fieknûme tfieba i 99 %) souhlasit s hledan˘m projevem. ¤íkáme pak, Ïe DNAfragment (marker) je ve vazbû na danou vlastnost. Pokud je tomu napfiíklad u 95 ze 100 sledovan˘chjedincÛ, pak hovofiíme o vzdálenosti 5cM (centimorganu), coÏ se jeví jako velmi dobré, ale je nutné siuvûdomit, Ïe toto mÛÏe pfiedstavovat úsek mnoha tisíc nukleotidov˘ch bází, a tedy i stovek genÛ! Pfies-nost lze zv˘‰it, máme-li k dispozici marker leÏící na druhé stranû genu. BohuÏel se v praxi ãasto set-káváme se situací, Ïe toto platí jen v omezené kombinaci rodiãÛ! Zde je hlavní omezení a zdroj ne-dÛvûry, neboÈ ‰lechtitel pracuje s rozsáhl˘m a ãasto velmi odli‰n˘m repertoárem rodiãÛ vyuÏit˘ch prokfiíÏení, neÏ vûdec, molekulární biolog. Vstupuje zde do hry co nejpodrobnûj‰í poznání funkce a po-zice genÛ modelov˘ch blízk˘ch druhÛ. Zjistíme tak, kter˘ gen ãi soubor genÛ je zodpovûdn˘ za danouvlastnost, a následnû pfiifiadíme jednotliv˘m formám daného genu (alelám) konkrétní projev. Napfiíklad;
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
29
identifikujeme gen zodpovûdn˘ za rezistenci k vybrané chorobû hrachu, následnû ãi paralelnû mámek dispozici popsané vybrané genotypy z genové banky, u kter˘ch ãást cílového genu osekvenujeme.Tím máme k dispozici vlastnû kód a koneãn˘ projev. Je jasné, Ïe varianty projevu jsou podmínûny va-riantami na úrovni DNA, kde se jedná o zámûny nukleotidov˘ch bází, mutace. Z dne‰ního rozsáhléhoa neustále se vyvíjejícího repertoáru molekulárních technik pak jiÏ celkem snadno vybereme takovou,aby byla co nejpfiesnûj‰í, ale zároveÀ i nejekonomiãtûj‰í ve svém pouÏití. Pro ‰lechtitele je také velmicenné, aby mûl moÏnost odli‰it hetero- a homo-zygotního jedince (tedy aby marker byl tzv. ko-domi-nantní). Tímto zpÛsobem je moÏné vybírat vhodné jedince v ran˘ch fázích ‰lechtûní, bez ohledu na to,jedná-li se o dominantní ãi recesivní (coÏ je zvlá‰È v˘hodné) znak, a pfiedev‰ím pak nehrozí nebezpe-ãí chyby, jako u znaku ve vazbû. Takto lze kombinovat a skládat více poÏadovan˘ch znakÛ a pracovattedy jiÏ s dlouho propagovan˘m „marker- assisted selection“ zpÛsobem. S tím, jak postupnû porostena‰e znalost a dostupnost vlastností, tedy fenotypov˘ch projevÛ a zodpovûdn˘ch genÛ, bude moÏnépfiiblíÏit se aÏ k idealizovanému „breeding by design“, tedy ‰lechtûní na pfiání.
Transgenní technologie – hrozba nebo uÏitek?Málokter˘ vûdeck˘ poznatek, metoda, pfiinesla tolik vá‰niv˘ch diskusí a negativní pozornosti, jako po-stup transgenose, tedy pfienos genÛ mezi odli‰n˘mi druhy organismÛ. Transgenose tak i po 30. letechod prvního pouÏití u rostlin vedoucí ke vzniku geneticky modifikovan˘ch organismÛ (GMO) patfií pfie-dev‰ím v tradicionalistické Evropû stále ke kontroverzním, respektive sociologicky a politicky negativ-nû vníman˘m pfiístupÛm. Je zfiejmé, Ïe dosud v mnoha pfiípadech nemáme stále dostatek informací prokladné ãi záporné rozhodnutí. Pfiesto se v souãasnosti na celém svûtû pûstují transgenní rostliny na v˘-mûfie více jak 150 miliónÛ hektarÛ! Zajímavé je také, Ïe nejvût‰í rozruch je právû kolem pûstování rost-lin, mnohem men‰í pozornost je vûnována transgenním ÏivoãichÛm a naprosto je vefiejností pfiehlíÏe-na její ‰iroké vyuÏití v oblasti mikrobiologie, kde je moÏnost zneuÏití a úniku nejvût‰í.BohuÏel je tfieba fiíci, Ïe dosavadní vyuÏití této technologie pro tvorbu rostlin odoln˘ch k neselektivnímherbicidÛm (viz Roundup Ready soja, fiepka) nebo hmyzím ‰kÛdcÛm (Bt kukufiice), nebylo tím nej‰-Èastnûj‰ím „vkroãením do fieky“, neboÈ okamÏitû vzneslo kritiku moÏné tvorby super-plevelÛ ãi odol-n˘ch ‰kÛdcÛ. Je tfieba pfiipomenout, Ïe právû cílenost vnesení poÏadovaného genu a následná moÏnostsledování, umoÏÀují vysokou pfiesnost a kontrolu. To na rozdíl od zmínûné necílené a tûÏko pfiedvída-telné mutagenese.Argumetujeme-li prospû‰ností GMO ve vztahu k celému lidstvu, je na místû uvézt znám˘ pfiíklad „zla-té r˘Ïe“. Její tvÛrci zaãali tuto práci s cílem pomoci chudé ãásti lidstva, mnohdy odkázané na mono-dietu r˘Ïe. S tím spojen˘ ãast˘ nedostatek vitamínÛ, jako je provitamín A, nebo prvkÛ, napfi. Ïeleza, bybylo moÏné odstranit pfienesením tfií genÛ z narcisu a pÛdní bakterie. Toto se podafiilo a na konci 90. let20. století jiÏ existovala r˘Ïe, jejíÏ 100 gramová konzumace pokr˘vala denní potfiebu provitamínu A.PfiekáÏkou se v‰ak ukázal nejen zdlouhav˘ proces testování GMO, ale pfiedev‰ím pak pouÏití bûÏn˘ch,ale bohuÏel ãasto patentovan˘ch krokÛ molekulární biologie. To, Ïe tvÛrci chtûli pfiedat tuto „zlatou r˘-Ïi“ volnû a bez placení licenãních poplatkÛ drobn˘m farmáfiÛm a ne nadnárodním spoleãnostem, seukázala nakonec jako velmi obtíÏnû pfiekonatelná pfiekáÏka. BohuÏel, tento pfiíklad dokumentujedne‰ní stav, kdy i vûdecká poznání je mnohdy limitováno politikou a ekonomikou.Je v‰ak zfiejmé, Ïe i pfies pfietrvávající v˘hrady, GMO technologie bude pokraãovat a lze pfiedvídat, ÏeumoÏní nasycení potravinov˘ch potfieb rostoucí lidské populace. Nelze opomenout ani moÏnosti pro-dukce humánních nebo veterinárních vakcín, právû s vyuÏitím transgenních rostlin. Pracuje se také naproblematice tzv. cisgenoze, kdy se nejedná o pfienos mezi druhy, rody, fiády (tedy trans-genose), alevnesení genu, respektive Ïádané „lep‰í varianty“ v rámci druhu, nebo zapnutí genu v jinou ãasovoudobu nebo místû. Tohoto by v mnoh˘ch pfiípadech bylo moÏné dosáhnout i klasick˘m kfiíÏením, ov‰emza mnohem del‰í dobu, coÏ ‰lechtitelé znají pfii vyuÏití plan˘ch forem, ãast˘ch nositelÛ odolností,v kfiíÏení. Co se ukáÏe jako nejvhodnûj‰í pro praxi, ukáÏe ãas.
V˘hled do blízké budoucnosti ‰lechtûní rostlinInformace o genetické pfiíbuznosti, respektive vzdálenosti, jsou dÛleÏit˘m vodítkem pro ‰lechtitele (napfi.pro v˘bûr rodiãÛ pro kfiíÏení ãi pfiesnou identifikaci, právní ochranu odrÛd). Není v‰ak moÏné spokojitse jen s jejím odhadem, zaloÏen˘m na repetitivních sekvencích, které jsou evoluãnû jinak selektoványneÏ kódující sekvence. Je potfiebné mít informace o sekvencích konkrétních genÛ zabezpeãujících
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
30
S
tvorbu zásobních proteinÛ, odolnost k chorobám, ‰kÛdcÛm a podobnû. V tomto pfiípadû budeme mo-ci brzy vyuÏít údaje o sekvencích tûchto genÛ u pfiíbuzn˘ch druhÛ. Je v‰ak tfieba znovu pfiipomenout,Ïe prost˘m sekvenováním genomu práce nekonãí, ale naopak spí‰e zaãíná. Následnû je totiÏ zapotfie-bí pfiifiadit danému genu jím kódovanou funkci. MÛÏeme k tomu vyuÏít napfi. mutanty (v nichÏ je gennefunkãní nebo je jeho funkce modifikována), nebo peãlivé pozorování a popis projevu (fenotypu) od-povídajícího dané alele pfiíslu‰ného genu. Bude-li mít ‰lechtitel k dispozici jak˘si katalog pfiifiazujícíkonkrétní alele daného genu urãit˘ projev, bude moÏné lépe navrhnout Ïádoucí cílovou kombinacipotfiebn˘ch alel. Z uvedeného je zfiejmé, Ïe genetika a její moderní verze – genomika není samoúãel-ná a nûkdy i drahá vûda odtrÏená od reality, ale naopak disciplína umoÏÀující vybírat Ïádoucí vlast-nosti hospodáfisky v˘znamn˘ch organismÛ. V Ïádném pfiípadû v‰ak nebude moÏné odvrhnout klasicképolní testování plodin a nahradit jej „jednoduch˘m a rychl˘m testem na úrovni DNA, jak o tom snímnoho souãasn˘ch praktick˘ch ‰lechtitelÛ. Testování kvalit urãitého genotypu pomocí nûkdy aÏ mysti-fikovan˘ch DNA markerÛ bude sice praktick˘m, pfiedev‰ím pak pfiesn˘m a rychl˘m pomocníkem, alebez vzájemného kombinování genomick˘ch a fenotypick˘ch informací se ani v budoucnosti neobe-jdeme. VÏdyÈ rostliny pûstujeme pro jejich uÏitné vlastnosti, ne pro pouh˘ soubor genÛ.
DovûtekPfies ve‰ker˘ dosaÏen˘ a pfiedvídateln˘ pokrok, nelze opomenout, Ïe jen posledních pfiibliÏnû 10 ge-nerací lidí Ïije v tzv. industriální dobû, pfiedchozích 600 aÏ 1000 generací bylo spojeno a závislé pfií-mo na zemûdûlství, a je‰tû dfiíve 300 000 generací bylo závislé na lovu sbûru. Je tedy zfiejmé, aÏ s v˘-jimkou posledních 2–3 generací, Ïe lidstvo Ïilo ve velmi tûsném kaÏdodenním kontaktu s okolnípfiírodou, pÛdou.PfiestoÏe lze tedy bezpochyby doloÏit obrovsk˘ úspûch zemûdûlství, tento s sebou bohuÏel pfiinesli zmínûná negativa. Je naãase si tak uvûdomit, Ïe zemûdûlství není jen produkce komodit, z nichÏ jedne‰ní typick˘ mûstsk˘ spotfiebitel vidí aÏ v supermatech jako pestrobarevnû zabalené potraviny, alezahrnuje cel˘ víceúãelov ,̆ multifunkãní komplex, od krajináfiské estetické funkce aÏ po vazbu uhlíku.Pokud tedy chceme i nadále ob˘vat na‰i zelenomodrou planetu Zemi, neboÈ slovy environmentalistyDavida Suzuki: “we are still settlers on this earth“, je vhodné se zamyslet nad obsahem latinského slo-va „agri-cultura“(M.Cato 200 BC).
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
31
Nevyfiãen˘m motivem mého pfiíspûvku je mojeúcta, obdiv a respekt k zemûdûlství. Tyto vlastnostimnou pronikly bûhem mnohaleté moÏnosti nahlí-Ïet, a snad i obãas amatérsky spolupracovat, se ‰le-chtiteli i pûstiteli. A uvedené pocity se postupnûupevÀovaly nejen s poznáváním bohatství fyziolo-gie plodin, ale i jejich v˘znamu pro Ïivot na Zemi.K upfiesnûní svého vnímání zemûdûlství chci uvést:(1) V souladu se sv˘m profesním zamûfiením –
fyziologie rostlin – i témûfi dvacetilet˘m pÛ-sobením ve V˘zkumném ústavu obilnáfiskémv KromûfiíÏi mám na mysli pfiedev‰ím pro-dukci polních plodin.
(2) Jakkoliv budu pfiipomínat zejména zemûdûl-ství 21. století, tak nezapomínám ani na prá-ci otrokÛ ve starém ¤ímû, ¤ecku, âínû ãi jin-de a dokonce nedávné otrokáfiské plantáÏeve Spojen˘ch státech, a patrnû je‰tû dnesi jinde. Nezapomínám ani na nevolníky rané-ho novovûku, patrnû mnohde i v souãasnosti.Av‰ak mám na mysli také vysoce produktivnímoderní monokultury se ‰piãkov˘mi techno-logiemi zahrnovan˘mi pod pojem „precisnízemûdûlství“.
(3) Adjektivum „konvenãní“ povaÏuji spí‰e zanadbyteãné, protoÏe stejnû tak oprávnûnémÛÏe b˘t oznaãenía) Ekologické: polní plodiny jsou ekosysté-
my v plném smyslu chápání tohoto po-jmu, tedy jako komplex vztahÛ mezi orga-nismy a jejich prostfiedím.
b) Biologické: snad nemusím argumentovatdokazováním, Ïe rostliny nejsou abiotic-k˘mi strukturami.
c) Organické: urãitû ani v tomto bodû nemu-sím rozvádût v‰em zfiejmou samozfiejmost,Ïe rostliny nejsou hromadou anorganic-k˘ch látek.
Vznik zemûdûlství v dûjinách lidstvaTrvalo hodnû dlouho, neÏ si na‰i prapfiedci – sbû-raãi rÛzn˘ch ãástí planû rostoucích rostlin a lovcidivoce Ïijících zvífiat – zaãali cílenû pûstovat nû-které rostliny a chovat vybrané druhy zvífiat. Aninení podstatné, jestli s takov˘mi nápady pfii‰li li-dé na jediné lokalitû nebo ta my‰lenka prostû
v tehdej‰ích sbûraãích a lovcích zákonitû dozrálana mnoha místech osídlení. Podstatné v‰ak je, Ïepfiechod k zemûdûlství mûl hluboké a trvalé zmû-ny v Ïivotû tehdej‰ích lidí.(1) Poãetnû stejné spoleãenství si zajistilo vût‰í
mnoÏství potravin, a to s vût‰í pravidelnostíjejich dostupnosti. Zemûdûlství pfiineslo ome-zení ãi konec nepfietrÏitého stûhování a vícepotravin, coÏ se posléze promítlo ve zvy‰o-vání poãtu lidí.
(2) Zaji‰tûní potravin pûstováním rostlin a cho-vem dobytka zvládl men‰í poãet lidí danéspoleãnosti, takÏe nûktefií se mohli vûnovatrozvoji fiemesel a jin˘ch dovedností.
(3) ZároveÀ v‰ak vyvstaly zcela nové problémy„spoleãensko-právní“, jako bylo vlastnictvía dûdictví pÛdy, rozdûlování potravin meziãleny dané spoleãnosti, vytváfiení trvalé spo-leãenské hierarchie apod.
Je nepochybné, Ïe se vznikem zemûdûlství uÏlidstvo nikdy nemohlo b˘t takové, jaké bylo v do-bû sbûru a lovu. A v jistém smyslu to platí i v na-‰em 21. století.
Souãasné zemûdûlstvíPominu i ty nejdÛleÏitûj‰í milníky v rozvoji ze-mûdûlství od doby jeho vzniku a pfiipomenu jenjeho souãasnou charakteristiku. Tak jako ostatnístránky souãasného Ïivota lidí, které jsou nepfied-stavitelnû propleteny s mnoha aktivitami mnohalidí na mnoha místech planety, tak ani zemûdûl-ství nepfiedstavuje izolovan˘ a pfiesnû ohraniãen˘okruh ãinností. Naprosto jedineãné podnûty prorozvoj produkce polních plodin jsou spojenys vûdou a technikou – rozvojem prÛmyslu.(1) Vûda: Obdivuhodn˘ nárÛst v˘nosÛ a celo-
svûtové produkce hlavních polních plodinbyl podmínûn fiadou vûdeck˘ch objevÛ. Ne-zpochybnitelnû nejv˘znamnûj‰í byly:a) Zákony dûdiãnosti objevené v polovinû
19. století brnûnsk˘m opatem GregoremMendelem a znovuobjevené pak poãátkem20. století. Poznatky o pfiedávání znakÛa vlastností z rodiãÛ na potomky vytvofiilyvûdecké základy pro úspû‰né a cílevûdo-mé ‰lechtûní.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
32
SKonvenãní zemûdûlství: Z ãeho vychází a co poskytuje.
Lubomír NátrKatedra fyziologie rostlin Pfiírodovûdecké fakulty
Univerzity Karlovy v Praze
b) Prosazení teorie minerální v˘Ïivy rostlinrovnûÏ v polovinû 19. století nûmeck˘mfyziologem a agrochemikem Justusem vonLiebigem vûdecky zdÛvodnilo nezbytnostaplikací minerálních hnojiv, jimiÏ se mu-sejí nahradit jednoduché minerální látkyodãerpávané z pÛdy pfii sklizni plodin.
(2) Technika: Vûdecké poznatky lze vût‰inou od-halit na nûkolika rostlinách v laboratofii,a tamtéÏ je ovûfiovat. Ale jejich aplikace napolích není mnohdy moÏná ani pfiípadn˘músilím cel˘ch zástupÛ zemûdûlcÛ. Technick˘rozvoj a jeho prÛmyslové produkty jsou ne-oddûliteln˘m atributem souãasného zemûdûl-ství. K produkci hnojiv jsou nezbytné vûdecképoznatky chemie a technické prostfiedky che-mického prÛmyslu. Závlahy se pouÏívaly i vestarovûku a témûfi bez techniky. Ale sebevíceotrokÛ by nestaãilo k zavlaÏování plodin po-tfiebn˘ch pro 6 ãi 7 miliard lidí. TotéÏ lze pfii-pomenout pro zpracování pÛdy, sklizeÀ a ji-né práce spojené s vysokou produkcí polníchplodin.
Vztah mezi zemûdûlstvím, vûdou a technikou jevzájemnû provázan .̆ Zemûdûlství bylo, a stáleje, zdrojem mnoha námûtÛ pro vûdecké bádání,ale stejnû tak ãetné vûdecké objevy navodily neãe-kan˘ rozvoj mnoÏství nebo kvality sklízen˘ch pro-duktÛ. Obdobnû mÛÏeme charakterizovat vztahzemûdûlství a techniky. Vlastnû nevím, co byloprvní: jestli traktor následnû vyuÏívan˘ na políchnebo zemûdûlská potfieba „nûãeho“, která vedlake konstrukci traktoru.
Závislost lidí na rostlináchV prÛbûhu celé historie lidského rodu se závislostãlovûka na rostlinách promítá v tom, Ïe rostlinyposkytovaly, poskytují a mûly by i v budoucnuposkytovat:(1) Potraviny(2) Energii(3) SurovinyUrãité novum poÏadavkÛ lidstva v 21. století lzejednodu‰e vyjádfiit dvûma slovy: „stále víc“. Totolapidární vyjádfiení lze pochopitelnû upfiesnit.Lidstvo i nadále musí spoléhat na produkci rost-lin jako absolutního a nenahraditelného zdrojepotravin. Ale kromû zvy‰ujícího se poãtu lidí sebudou nároky na potraviny zvy‰ovat také postup-n˘m pfiechodem stále dal‰ích milionÛ lidí k Ïivo-ãi‰n˘m potravinám. Zatímco 1 kg r˘Ïe mÛÏe ãlo-vûka dostateãnû po urãitou dobu nasytit, tak sice1 kg masa „udûlá“ totéÏ, ale na jeho produkci sespotfiebuje asi 10 kg téÏe r˘Ïe.
Pfiipomenout mohu také stále nároãnûj‰í zaji‰tûnídostupnosti prakticky libovolného druhu domácíi exotické zeleniny ãi ovoce doslova po cel˘ rok.S v˘jimkou jadern˘ch a vodních zdrojÛ energiezaji‰Èují rostliny prakticky ve‰keré zdroje energievyuÏívané lidstvem. Nejprve to byla rostlinnábiomasa stávajících stromÛ, kefiÛ i trav, coÏ ostat-nû zÛstává hlavním zdrojem energie asi pro ce-lou tfietinu stávajícího obyvatelstva Zemû, a od18. století pak fosilní produkty fotosyntézy dáv-n˘ch rostlin. A protoÏe fosilní zdroje jsou koneã-né, a to nikoliv v horizontu staletí, ale desetiletí,pozornost se mimo jiné obrací ke stávajícím rost-linám – biomasa jako zdroj biopaliv.Mûli bychom se také zmínit o zvy‰ující se na-dûji na rostliny jako zdroje léãiv. A hlavnû sepak zab˘vat pfiedstavou, Ïe stále více lidí budemít pfiíleÏitost dovést se sv˘m autem aÏ do „pa-nenské pfiírody“, kde je navíc nikdo jin˘ ru‰itnebude.
Jedineãn˘ rÛst produkce polních plodin v 20. století.Poãet obyvatel se v minulém století zvy‰oval mû-rou doslova jedineãnou v na‰í historii. Pfiestoprodukce základních potravin, urãovaná pfiede-v‰ím v˘nosy p‰enice, r˘Ïe a kukufiice, s onímzvy‰ováním poãtu lidí úspû‰nû drÏela krok. Bylotoho dosaÏeno nûkolika faktory:(1) Aplikací zákonÛ dûdiãnosti pfii ‰lechtûní vy-
soce v˘nosn˘ch odrÛd. Je vhodné pfiipome-nout, Ïe zaãátek poloÏil v polovinû 19. stole-tí brnûnsk˘ opat G. Mendel. A tak se mohlodosavadní ryze empirické „umûní“ ‰lechtitdoplnit také o nenahraditelnou „vûdu“, jak‰lechtit cílevûdomû.
(2) Zavedení minerálních hnojiv také stojí na po-znatcích formulovan˘ch v polovinû 19. stole-tí nûmeck˘m fyziologem a agrochemikem,J. Liebigem. Spoleãnû s vyvíjen˘mi technic-k˘mi postupy v˘roby minerálních hnojiv takbylo moÏno dlouhodobû zaji‰Èovat vysokouprodukci plodin.
(3) Ochrana rostlin proti plevelÛm, chorobáma ‰kÛdcÛm je v mnoha podmínkách rozho-dující faktor produkce.
(4) Aplikace závlah zejména u plodin velmi ná-roãn˘ch na zásobování vodou (r˘Ïe), neboÈv su‰‰ích podmínkách pfiedstavuje dodnesoblasti s nejvy‰‰ími v˘nosy.
(5) Zpracování pÛdy a udrÏování její fyzikální,chemické i biologické kvality bylo a zÛstanehlavním pfiedpokladem pro dlouhodobû sta-bilní vysokou produkci.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
33
(6) V závislosti na pûstované plodinû i lokalitû jemoÏno uvést fiadu dal‰ích faktorÛ.
A nakonec, tfii jen zdánlivû nev˘znamné po-známky:(1) Tisíciletí hromadûní empirick˘ch poznatkÛ
a zku‰eností zemûdûlcÛ zajistily v˘nosy ko-lem 0,5 t z hektaru. Nûkolik desetiletí aplika-cí vûdeck˘ch poznatkÛ pak zv˘‰ilo v˘nosymnoha plodin i 10krát!
(2) Velmi roz‰ífiené dilema: Jedu autem, protoÏespûchám, ale zároveÀ chci jet úspornû. Tako-vé schéma platí pro mnoho závislostí i ve fy-ziologii rostlin. Napfiíklad fotosyntetická fixa-ce vyuÏívá dopadající energie záfiení velmiúãinnû pfii mal˘ch ozáfienostech. Úãinnost jezde vysoká, ale celková produkce asimilátÛnízká. Pfiesnû totéÏ platí i pro aplikace mi-nerálních Ïivin. Jejich vyuÏití rostlinami natvorbu v˘nosu je velmi úãinné pfii nízk˘chdávkách. Ale v˘nosy jsou v takov˘ch pfiípa-dech celkem pochopitelnû také nízké. Lid-stvo potfiebuje stále více potravin, tedy i stálevût‰í produkci biomasy rostlin. Proto musízcela zákonitû zvy‰ovat dávky minerálníchhnojiv, jejichÏ úãinnost vyuÏití v‰ak stejnûzákonitû klesá. MÛÏeme chtít vysokou úãin-nost i pfii vysok˘ch dávkách hnojiv, a tedyi pfii dosahování vysok˘ch v˘nosÛ. Ale pokudchceme svoje „chtûní“ dát do souladu s pfií-rodními zákonitostmi, tak pravidla pfiírodymusíme pfiedfiadit svému pfiání.
(3) âasto se setkáváme s nostalgick˘m pfiipomí-náním pestrosti polí, na jejichÏ spí‰e nevel-k˘ch v˘mûrách se pûstovalo mnohem vícedruhÛ rostlin, neÏ vídáme na souãasn˘ch lá-nech. TotéÏ platí o zahrádkách s desítkamidruhÛ zeleniny i kvûtin. Jistû je moÏné vrátitse i dnes k tehdej‰ím zpÛsobÛm reprezento-van˘m mimofiádnû bohatou biodiverzitou.MoÏná se k takovému zpÛsobu vrátíme: Po
obrovské katastrofû, která nበpoãet omezí naony dávné miliony a ne souãasné miliardy.
·kodlivé dÛsledky zemûdûlstvíNení pochyb, Ïe zejména moderní vysoce inten-zivní produkce polních plodin má svoje negativ-ní dÛsledky. Ty v‰ak nejsou – s v˘jimkou trestu-hodné nedbalosti zemûdûlcÛ, která není ãast˘mjevem, protoÏe je pro jejich nositele finanãnû ne-v˘hodná – nezbytnou souãástí technologií zaji‰Èu-jících vysoké v˘nosy. Navíc cel˘ prÛbûh procesuzvy‰ování produkce plodin dokazuje, Ïe jakmilevûda ãi technická inovace nabídne úspornûj‰í ne-bo ‰etrnûj‰í technologie, zemûdûlství je aplikuje.V tomto smyslu napfiíklad silné zaostání teoretic-k˘ch poznatkÛ o minerální v˘Ïivû rostlin se po-depisuje na úniku ãásti aplikovan˘ch minerál-ních hnojiv, ale i na jejich relativnû máloúãinném vyuÏívání rostlinami.A koneãnû je tfieba zmínit se o mimofiádnû velkézávislosti rostlinné produkce na ekonomické, po-litické, ale i náboÏenské ãi vojenské atmosféfiedané doby a dané lokality.
OmluvaV tomto pfiíspûvku – vzhledem k ob‰írnosti jehotématu a snaze udrÏet jej co nejkrat‰í – jsem vû-domû pouÏil i mnohá zkratkovitá tvrzení. Jsem sitoho vûdom. Jedná se v podstatû o zkrácenouverzi mé pfiedná‰ky na semináfii pofiádaném Ka-tedrou fyziologie rostlin UK 13. ledna 2009, kdyov‰em mûli posluchaãi moÏnost bezprostfiednûi nesouhlasnû reagovat. Tuto moÏnost, byÈ ne takbezprostfiední, mají pochopitelnû i ve vztahuk této písemné formû. Proto jednoznaãnû konsta-tuji, Ïe si jistou dogmatiãnost tohoto svého pí-semného textu uvûdomuji a omlouvám se za ni.I s rizikem, Ïe lze snadno odmítnout základnímy‰lenkové „ladûní“ m˘ch názorÛ prostû pouka-zem na nûkterá zjednodu‰ující konstatování.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
34
S
V˘sledky patnáctiletého v˘zkumu v ekologickém zemûdûlství
Prof. Ing. Jifií Petr, DrSc.âeská zemûdûlská univerzita v Praze
Ekologické zemûdûlství je agrární obor, kter˘ se v posledních letech nejboufilivûji rozvíjí. V roce 2008ekologicky hospodafiilo o témûfi 500 zemûdûlsk˘ch podnikÛ více neÏ v roce 2007. Poãet v˘robcÛ bio-potravin se zv˘‰il z pfiedloÀsk˘ch 253 na 410, coÏ znamená nárÛst o 62 %. V˘mûra zemûdûlské pÛdydosáhla 338 722 hektarÛ, to pfiedstavuje jiÏ 8 % z celkové v˘mûry zemûdûlské pÛdy. Nejvíce se roz‰i-fiují ekologické sady a vinice, jejichÏ plocha se zv˘‰ila o 70 %. Také v˘mûra orné pÛdy se zv˘‰ilao 20 % na 35 000 ha. Nejde jiÏ jen o módní trend, jak tento zpÛsob hospodafiení nûktefií oznaãují, aleo stabilní a perspektivní podnikatelskou moÏnost pro zemûdûlce a potravináfie. Do budoucna se pfied-pokládá aÏ 20 % ekologického zemûdûlství z v˘mûry zemûdûlské pÛdy. Hlavním podnûtem je jistûzv˘hodnûná bonifikace ekologického zemûdûlství, kde se vedle vlastní bioprodukce pfiednostnû do-taãnû podporuje ‰etrn˘ vliv na Ïivotní prostfiedí a krajinu a ohledupln˘ chov hospodáfisk˘ch zvífiat.Podstatou ekologického zemûdûlství je hospodafiení v souladu s pfiírodou, „které dbá na Ïivotní pro-stfiedí a jeho jednotlivé sloÏky stanovením omezení ãi zákazÛ pouÏívání látek a postupÛ, které zatûÏu-jí nebo zamofiují, nebo zvy‰ují rizika kontaminace potravního fietûzce, a kter˘ zv˘‰enû dbá na vnûj‰íprojevy chování a na pohodu chovan˘ch zvífiat“ (Zákon 242/200 Sb.).Ekologické zemûdûlství je alternativou k dosavadnímu zpÛsobu intenzivního hospodafiení, hlavnûk ãerpání omezen˘ch pfiírodních zdrojÛ a energie, k nadprodukci, k po‰kozování Ïivotního prostfiedí,k devastaci krajiny, pfiemífie chemie a strachu z reziduí a problematické jakosti potravin.Kvalita produktÛ ekologického zemûdûlství musí splÀovat obecnû platné limity obsahu látek prov‰echny potraviny a zemûdûlské produkty. Kvalitu bioproduktÛ v‰ak urãuje podle zákona zpÛsob, jakbyly vyrobeny, jak byly vypûstovány, jak byla hospodáfiská zvífiata chována. Ekologické zemûdûlstvía v‰echny bioprodukty jsou kontrolovány, zda byly dodrÏeny pfiedepsané zpÛsoby hospodafiení. To jeprávû ta jistota pro konzumenty biopotravin, to je pfiidaná hodnota, kterou vyhledávají, a za ní také pfii-plácejí.
V˘sledky dlouhodob˘ch ekologick˘ch pokusÛNa âeské zemûdûlské univerzitû v Praze, fakultû agrobiologie potravinov˘ch a pfiírodních zdrojÛ se odroku 1991 zab˘váme v˘zkumem i v˘ukou ekologického zemûdûlství. Byl to jeden z programÛ trans-formace ‰koly po roce 1990 smûrem k ekologizaci v˘uky, coÏ poÏadovali hlavnû studenti. K v˘zkumuslouÏí Pokusná stanice ‰koly v Uhfiínûvsi, kde se vedou pokusy podle mezinárodních metodik IFOAM(Mezinárodní federace hnutí pro organické zemûdûlství) a pfiedpisÛ MZe âR (zákon 242/2000 Sb.). Popfiechodném období od roku 1993 zakládáme ‰iroké odrÛdové pokusy u hlavních plodin a agrotech-nické pokusy u vybran˘ch plodin. Stanice je certifikována pro ekologické zemûdûlství a kaÏdoroãnûkontrolována. Pozemky se nacházejí v úrodné fiepafiské oblasti s produkãním potenciálem pÛdy 84 bo-dÛ. PÛdy jsou hnûdozemû na spra‰ov˘ch pÛdotvorn˘ch substrátech, jde o jílovité hlíny s hloubkouornice do 32 cm s obsahem humusu 1,74–2,12 %. Zásoba pfiijateln˘ch Ïivin v jednotliv˘ch pokusn˘chletech je trvale hodnocena jako dobrá. Obsah minerálního dusíku je na podzim nízk ,̆ na jafie nízk˘ aÏstfiední. Proces mineralizace pfiiná‰í velké mnoÏství Nmin v období konce kvûtna a v ãervnu, pozdûjipak v koncem srpna, viz dále. Po tfiíletém pfiechodném období a patnáctiletém hospodafiení mámemoÏnost posoudit vliv dlouhodobého ekologického hospodafiení na udrÏení produkãního potenciálupÛd, zásobu Ïivin v pÛdû, v˘nosy a kvalitu ekologick˘ch produktÛ. MÛÏeme tak z dlouhodob˘ch po-kusÛ vyvrátit nepodloÏené kritiky o drancování pÛdy, o v˘skytu mykotoxinÛ a jin˘ch v˘hradách ke kva-litû bioproduktÛ.
V˘sledky
Ekologické zemûdûlství „nedrancuje“ pÛdu!Po patnáctiletém ekologickém hospodafiení mÛÏeme prokázat, Ïe tento zpÛsob „nedrancuje pÛdu,“jak tvrdí jeho odpÛrci, coÏ dokazuje graf 1 t˘kající se obsahu pfiijateln˘ch Ïivin v pÛdû stanoven˘ kaÏ-
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
35
doroãnû (podle Melicha). VyÏaduje to v‰ak, aby pûstitelsk˘ systém respektoval v‰echny pfiedepsané zá-sady a zahrnoval i chov hospodáfisk˘ch zvífiat, coÏ v na‰em pfiípadû sice nemáme, ale vyuÏíváme pfied-plodinou hodnotu jetelovin a zelené hnojení. Máme je‰tû dal‰í dÛkazy o tom, Ïe ekologické hospoda-fiení je ‰etrnûj‰í k Ïivotnímu prostfiedí neÏ industriální zemûdûlství, hlavnû vût‰í diverzitou pûstovan˘chplodin, bohat‰í florou a faunou v pÛdû a na povrchu pÛdy a vût‰í aktivitou pÛdních enzymÛ.
Graf 1 Vliv dlouhodobého ekologického hospodafiení na obsah pfiijateln˘ch Ïivin
Z v˘sledkÛ rozborÛ se ukazuje, Ïe obsah v jednotliv˘ch letech je stabilní a neklesá. Variaãní koeficientje u fosforu 14,1 %, u draslíku 19,5 % a u hofiãíku je 10,2 %. Po celou dobu pokusÛ se obsah P nachá-zí, s v˘jimkou roku 1994, v kategorii dobré zásoby (prÛmûr 98,8 mg/kg), stejnû tak u draslíku (prÛmûr199 mg/kg pÛdy) a u hofiãíku je obsah vyhovující 131,5 mg/kg pÛdy, trvale v rozmezí 120–150 mg/kgpÛdy. Pomûr K/Mg je také dobr˘ – 1,5. V prÛbûhu patnáctiletého pokusu nedo‰lo ke sníÏení obsahu pfii-jateln˘ch Ïivin a stále se udrÏuje v kategorii dobré a Mg vyhovující zásoby.
V¯NOSOVÁ ÚROVE≈ A STRUKTURA V¯NOSU OBILNIN V EZNejvût‰í rozsah experimentÛ zaujímají odrÛdové pokusy v ekologickém zemûdûlství. SoubûÏnû s po-kusy ÚKZÚZ, ve kter˘ch se ovûfiují registrované odrÛdy (ORO) nebo odrÛdy pro seznam povolen˘chodrÛd (SPO), se ovûfiuje vhodnost odrÛd pro podmínky ekologického pûstování. Souãasnû mÛÏemesledovat zákonitosti tvorby v˘nosu tûchto odrÛd, zdravotní stav a v˘znamné jsou i v˘sledky potravi-náfiské a krmné jakosti obilnin z ekologického zemûdûlství.V˘sledky odrÛdového pokusu s ozimou p‰enicí pfiedstavuje graf 2, kdy rozmezí v˘nosÛ je v rozpûtí4,37–8,55 tuny. PrÛmûrn˘ v˘nos kaÏdoroãnû sledovan˘ch 28 odrÛd za celé pokusné období byl 6,42 t/ha,smûrodatná odchylka 1,13 t a variaãní koeficient 17 %. V˘nos v roce 2008 byl 7,46 t/ha.V˘nosy obilnin jsou v ekologick˘ch pokusech asi o 15–20 % niωí neÏ v pokusech s t˘miÏ odrÛdamive stejn˘ch podmínkách, pfii intenzivním pûstování, s pouÏitím mofieného osiva, herbicidu, fungiciduna choroby stébel a fungicidu do klasu, insekticidu a regulátoru rÛstu. Rozdíl je i v praxi ekologickéhozemûdûlství. Tato skuteãnost vede ke kritice ekologické zemûdûlství z pohledu hladovûjících lidí v roz-vojov˘ch zemích. Jde o zcela naivní pfiedstavu fie‰ení dodávek obilí od nás, protoÏe v tûchto zemíchnemají prostfiedky na zaplacení produkce ani dopravy tûchto produktÛ. Právû ekologické zemûdûlstvíje systém vhodn˘ pro fie‰ení zmínûného problému, kdy si mohou sami vypûstovat potraviny bez dra-h˘ch hnojiv a pesticidÛ, coÏ potvrdil Svûtov˘ kongresu o ekologickém zemûdûlství v Kodani v roce1999. Je to politické fie‰ení hladu ve svûtû Organizací spojen˘ch národÛ pro v˘Ïivu a zemûdûlství –FAO – „for a world without hunger“.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
36
S
Graf 2 V˘nosy odrÛd ozimé p‰enice v ekologickém zemûdûlství 1994–2008
Jakou strukturou v˘nosu byly dosaÏeny v˘‰e uvedené v˘nosy?Pfii prÛmûrném v˘sevku 400 obilek na 1 m2 vze‰lo 270 rostlin, pfies zimu jich ubylo 63, tj. 23 %, tak-Ïe na jafie zbylo prÛmûrnû 207 rostlin na m2. Do skliznû se vytvofiilo 407 klasÛ na m2. Pozoruhodn˘ jepomûrnû vysok˘ poãet obilek v klasu (35,2) a jejich hmotnost (1,65 g), resp. hmotnost 1000 obilek46,6 g.Pro podmínky ekologického pûstování je 6,67 t/ha pomûrnû vysok˘ v˘nos, kter˘ je zaloÏen na vysoképroduktivitû klasu. Vypl˘vá to z tab. 1, o struktufie v˘nosu.
Tab. 1 Struktura v˘nosu souãasn˘ch odrÛd p‰enice v ekologickém zemûdûlství (Uhfiínûves 2000–2008)
Vysvûtlení pfiiná‰í dynamika uvolÀování dusíku z pÛdy, která je podle pfiedplodin a zaoran˘ch po-sklizÀov˘ch zbytkÛ a zeleného hnojení posunuta do pozdûj‰ího období, kdy podporuje tvorbu gene-rativních orgánÛ. Z grafu 3 vypl˘vá, Ïe intenzivní uvolÀování dusíku zaãíná 15. 5. a vrcholí 30. 6., coÏje v období zakládání poãtu a nalévání obilek, a podpory fotosyntetické aktivity horní ãásti rostlinya klasu. RovnûÏ fiídké porosty (osvûtlení, voda, Ïiviny atp.) vytváfiejí díky kompenzaci v˘nosov˘ch prv-kÛ podmínky pro zaloÏení vût‰ího poãtu základu kláskÛ, kvítkÛ a budoucích obilek.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
37
Graf 3 Dynamika uvolÀování pfiijatelného dusíku Nmin v kg/ha
KVALITA P·ENICE Z EKOLOGICKÉHO ZEMùDùLSTVÍPokud posuzujeme technologickou jakost ekologicky vypûstované p‰enice z pohledu vhodnosti k pe-kárensk˘m úãelÛm, pak obecnû kvalita i u odrÛd elitní jakosti nedosahuje technologické jakosti propfiípravu kynutého chleba a bûÏného peãiva. Problémy jsou zejména v obsahu N-látek a v hodnotáchZelenyho sedimentaãního testu. PoÏaduje se 11,5 % N-látek a 30 ml Zelenyho sedimentaãního testu.¤e‰ení tohoto problému je ve zmûnû organizace porostu, kdy se p‰enice pûstuje v ‰irok˘ch fiádcích.V˘sledky pfiiná‰í práce doktorandky E. Bicanové, která dokázala pfii pûstování kvalitních odrÛd v ‰iro-k˘ch fiádcích (25–37,5 cm) dosáhnout poÏadovan˘ch parametrÛ pro p‰enici potravináfiskou – peká-renskou tj. 12,3 % dusíkat˘ch látek a 45 ml Zelenyho testu.
OdrÛda Obsah Obsah Obsah Sedimentaãní âíslo AlveografickáN-látek mokrého ‰krobu test Zeleny poklesu deformaãnív su‰inû lepku v su‰inû (ml) (s) energiezrna v su‰inû zrna (W ◊ 10–4J)(%) zrna (%) (%)
ZDRAVOTNÍ STAV OZIMÉ P·ENICE V EKOLOGICKÉM a INTENZIVNÍM ZEMùDùLSTVÍ (Prokinová, E,et al., 2000)Zdravotní stav odrÛd v ekologickém pûstování nebyl prokazatelnû hor‰í neÏ v intenzivním pûstování(mofiidlo, herbicid, fungicid, insekticid, regulátor rÛstu, 100 kg N).Nedo‰lo k napadení padlím travním, nebo bylo prÛkaznû slab‰í neÏ v intenzivním pûstování. Slab‰í byltéÏ v˘skyt nespecifick˘ch nekróz. V˘skyt m‰ic a kohoutkÛ byl v letech 1997 a 1998 vy‰‰í u intenzivnûpûstovan˘ch odrÛd.Zdravotní stav 30 odrÛd sledujeme kaÏdoroãnû, tak jak pfiedepisuje metodika odrÛdov˘ch pokusÛ Ná-rodního odrÛdového úfiadu a mÛÏeme potvrdit závûry doc. Prokinové. Nezjistili jsme vût‰í napadeníneÏ v intenzivním pûstování, vût‰inou naopak. Hodnoty neklesly pod 7 bodÛ bodového systémuÚKZÚZ, coÏ pfiedstavuje slabé napadení.
ZDRAVOTNÍ BEZPEâNOST BIOPRODUKTÒ A MYKOTOXINYMykotoxiny jsme sledovali od zaloÏení pokusÛ v ekologickém zemûdûlství. Aflatoxin podle Píchové1984,Ochratoxin podle CHu et al., 1976. V dal‰ích letech vysokotlakou kapalinovou chromatografií(HPCL).
305/2004Sb. a Vyhlá‰ka Ministeratva zdravotnic-tví 53/2002 Sb.:Aflatoxin A 4,00 mg/kgAflatoxin B1 2,00 mg/kgOchratoxin A 10,0 mg/kgDeoxinivalenol DON 500 mg/kgZearalenon 50 mg/kg
Názor, Ïe v produktech ekologického zemûdûlství musí b˘t v˘skyt mykotoxínÛ, protoÏe se nepouÏíva-jí syntetické fungicidy je nepodloÏená domnûnka, naopak komise EU (Scientifik Commmittee onPlants) do‰la k závûru, Ïe neexistuje dostatek dÛkazÛ o tom, Ïe by pesticidy hrály v˘znamnou a odpo-vídající roli pfii prevenci, inhibici nebo stimulaci produkce mykotoxinÛ. (R. W. van den Bulk, 2003).âerstvé v˘sledky pfiiná‰í VÚZ v KromûfiíÏi, kde se v tfiílet˘ch pokusech (2004–2006) neprojevil rozdílmezi v˘skytem obsahu DON v zrnû ekologicky a vysoce intenzivnû pûstované p‰enice (Plant, Soil andEnvironment, 54 2008, s. 395–402).
VODNÍ AKTIVITA (aw) – MIKROBIOLOGICKÁ PREDIKCE BEZPEâNOSTI POTRAVIN Z EKOLOGIC-KÉHO A KONVENâNÍHO PùSTOVÁNÍVodní aktivita (aw) je míra vlhkosti osmoticky dosaÏitelná pro mikroorganismy a pro aktivitu enzymÛ.PouÏívá se pro mikrobiologickou predikci (Topinková, Jazefyjová 1996).·etfiení u na‰ich vzorkÛ neprokázalo, Ïe by bylo nebezpeãí rozvoje ‰kodliv˘ch mikroorganismÛ.U 10 odrÛd p‰enice byl prÛmûr z Uhfiínûvsi 0,67, u vzorkÛ ze Stupic 0,58, z âáslavi 0,47, z Nechanic0,31, z Lípy 0,62, ze StachÛ 0,64. Îito ze v‰ech míst 0,39.
KRMNÁ JAKOST OBILOVIN Z EKOLOGICKÉHO ZEMùDùLSTVÍPozoruhodná je téÏ krmná hodnota obilních bioproduktÛ, která je lep‰í neÏ u stejn˘ch odrÛd z kon-venãního pûstování. Dal‰ím v˘znamn˘m poznatkem je prÛkazná preference pokusn˘ch potkanÛ dietys ekologickou p‰enicí proti dietû se stejnou odrÛdou p‰enice z intenzivního pûstování, kde bylo osivomofieno, pouÏit herbicid, fungicid, insekticid a regulátor rÛstu. Viz graf. 4.
Graf 4 Spotfieba diet s p‰enicí vypûstovan˘ch ekologicky a konvenãnû
Po celou dobu pûtilet˘ch pokusÛ napotkanech dávají zvífiata prokazatelnûpfiednost dietû s obilninami, p‰enicí,Ïitem a tritikale.Domníváme se, Ïe pokusní potkanipreferují ekologickou dietu pro nepfií-tomnost reziduí pesticidÛ, coÏ potvr-zuje také Velimirov (2001), dále FIBLDossier Nr.4, 2006: Qualität undSicherheit von Bioprodukten S. 14.Potvrdilo se také, Ïe krmná hodnotav‰ech obiln˘ch druhÛ je nutriãnû lep‰íz ekologického pûstování. Jde o vhod-nûj‰í skladbu frakcí bílkovin s vût‰ímzastoupením rozpustn˘ch bílkovin –albuminÛ a globulinÛ. Dokazují to
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
40
S
v˘sledky Krejãífiové (2008) uvedené v tabulce 3. V˘znamnou vlastností tûchto frakcí bílkovin je, Ïe jsounositeli vût‰ího mnoÏství aminokyselin, zejména esenciálních aminokyselin (Michalík, 1994) tabulka 4,z ãehoÏ pramení jiÏ v˘‰e zmínûná lep‰í nutriãní hodnota, a to je dÛkaz o lep‰í vnitfiní hodnotû cereál-ních bioproduktÛ. Z toho téÏ usuzujeme na pfiíãinu lep‰ích pfiírÛstkÛ hmotnosti pokusn˘ch potkanÛ.Naopak tato zmûna v zastoupení frakcí je zodpovûdná za niωí pekafiskou hodnotu (niωí obsah lep-kov˘ch frakcí). U prolaminÛ a glutelinÛ musíme upozornit na alergickou reakci nûkter˘ch lidí i mono-gastrick˘ch zvífiat, u kter˘ch je vyvolána celiakální sprue jako celoÏivotní onemocnûní.
Tab. 4 Zastoupení frakcí bílkovin v su‰inû zrna pfii ekologickém a intenzivním pûstování (Krejãífiová 2007)
Jakostní skupina Pûstování Albuminy Prolaminy Gluteliny ZbytekodrÛd EKO/INT globuliny % % N %
%
OdrÛdy jakostní EKO 21,6 37,1 29,7 11,3
skupiny E INT 18,3 40,1 34,1 7,6
OdrÛdy jakostní EKO 22,0 37,4 28,1 12,4
skupiny A INT 18,1 38,9 31,9 10,9
OdrÛdy jakostní EKO 23,4 36,3 28,9 11,4
skupiny B INT 19,5 37,1 30,7 12,6
OdrÛdy jakostní EKO 24,5 37,4 26,6 11,4
skupiny C INT 24,9 32,0 28,7 14,6
PrÛmûr EKO 22,3 36,9 28,9 11,7E, A, B INT 18,6 38,7 32,3 10,3
Tab. 5 Skladba aminokyselin u jednotliv˘ch frakcí bílkovin (Michalík, 1994)
V prÛbûhu patnáctiletého pokusu, vedeného podle zásad IFOAM a vyhlá‰ky MZe âR pro ekologickézemûdûlství, se podle kaÏdoroãního hodnocení obsahu pfiijateln˘ch Ïivin neprokázalo, Ïe tento zpÛ-sob hospodafiení ochuzuje pÛdu. Naopak byla zji‰tûna vût‰í diverzita pÛdních organizmÛ.
V˘nosová úroveÀ a kvalita produktÛ vychází z celého pûstitelského systému, struktury plodin a tokuorganické hmoty do pÛdy. Pfii podmínkách uvedeného pokusu mineralizace pfiinesla aÏ 140 kg mine-rálního dusíku. Dynamika uvolÀování N byla maximální aÏ v ãervnu, coÏ podporuje tvorbu generativ-ních orgánÛ p‰enice. Proto se v ekologickém zemûdûlství lépe uplatÀují odrÛdy tvofiící v˘nos produk-tivitou klasu.
I pfii relativnû vysok˘ch v˘nosech ozimé p‰enice dosaÏen˘ch v tûchto pokusech musíme uvést, Ïe jeobvykle niωí o 15–20 % neÏ v intenzivním pûstování. Proto v‰ak nelze zavrhovat ekologické zemû-dûlství s ohledem na existenci oblasti kde lidé hladoví. Kromû katastrofick˘ch situací není moÏné dotûchto oblastí dováÏet obilí, protoÏe nemohou zaplatit ani dopravu. Naopak EZ mÛÏe pomoci fie‰it tu-to situaci tím, Ïe jeho zásady se uplatní v pûstitelsk˘ch zpÛsobech tûchto oblastí pro vlastní produkcipotravin.
Kvalita produktÛ z EZ musí podle zákona dosahovat parametrÛ kvality ostatních zpÛsobÛ produkce.U ekologického zemûdûlství je v‰ak hlavním kriteriem (zárukou) kvality zpÛsob jak byl produkt vypû-stován, jak bylo zvífie chováno, jak byl produkt zpracován. U obilovin z ekologické produkce jsme zji-stili vy‰‰í podíl rozpustn˘ch frakcí bílkovin – albuminÛ a globulinÛ, které jsou dieteticky v˘znamnétím, Ïe jsou nositeli vy‰‰ího obsahu esenciálních aminokyselin. Proto mÛÏeme tvrdit, Ïe obilní bio-produkty mají vy‰‰í nutriãní hodnotu.Ekologicky vypûstovaná p‰enice má v‰ak niωí podíl lepku, a tím má hor‰í pekárenskou jakost pro ky-nutá tûsta. Snadno se to fie‰í pûstováním v ‰ir‰ích fiádcích, kdy vût‰í osvûtlení rostlin podporuje synté-zu bílkovin.Zdravotní stav ekologicky pûstovan˘ch obilnin nebyl v na‰ich pokusech prokazatelnû hor‰í neÏ v in-tenzivních zpÛsobech pûstování. V nûkolika roãnících jsme sledovali v˘skyt mykotoxinÛ a v Ïádnémz nich nepfiinesly anal˘zy nadlimitní obsahy aflatoxinu A, aflatoxinu B1, ochratoxinu A, deoxinivale-nolu (DON), a zearalenonu a toxikogenních plísní.Pro zdravotní bezpeãnost bioproduktÛ jsme vyuÏili metody vodní aktivity, kde se rovnûÏ neprokázalonebezpeãí rozvoje ‰kodliv˘ch mikroorganismÛ.Krmná jakost se ovûfiovala v pûtiletém pokusu na modelov˘ch zvífiatech, kde se prokázala lep‰í krm-ná hodnota obilovin (vy‰‰í pfiírÛstky) z ekologického pûstování neÏ u stejn˘ch odrÛd z intenzivníhopûstování. MÛÏeme to vysvûtlit v˘‰e zmínûnou skladbou frakcí bílkovin. Nejpozoruhodnûj‰í v‰ak jeprÛkazná preference diet s ekologickou obilovinou, neÏ diet s intenzívnû pûstovanou obilninou. Tonás vede k názoru, Ïe potkani cítí vysok˘ obsah nitrátÛ a rezidua v chemicky o‰etfien˘ch obilovi-nách, a poznají i neo‰etfiené, které pfiednostnû konzumují. To dokonce mÛÏeme vyuÏít pfii fal‰ováníbioproduktÛ.
Geneticky modifikované organismy ekologické zemûdûlství odmítá, protoÏe jsou to manipulace vede-né ãlovûkem, ne pfiírodou. Je to podobn˘ pfiístup jako k odmítání inseminace a preferování pfiirozenéplemenitby.
Zemûdûlská politika EU smûfiuje k ekologizaci zemûdûlství postupn˘m pfiiznáváním dotací na prvky‰etfiící pfiírodu. Nenaleznete Ïádnou pfiímou podporu intenzifikace zemûdûlství, ale podporu podmí-nûnou zavádûním ekologick˘ch prvkÛ a ochrany Ïivotního prostfiedí do konvenãního zemûdûlství. Toje reáln˘ smûr evropského zemûdûlství 21. století.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
42
S
Citovaná literatura:Bicanová, E., Capouchová, I., Krejãífiová, L., Petr,J., Erhartová, D. (2007): The effect of growth structure on
organic winter wheat quality. Zemdirbyste/Agriculture. Sci. J. of Lithuanian Institute and University ofAgriculture, 93(4): 297–305
Bulk R.W. van den: Mycotoxin risks in the Organic production chain. Pfiedná‰ka na semináfii „Kvalita potra-vin z ekologického zemûdûlství“ V·CHT Praha 7. 2. 2003. Tisk pfiedná‰ky.
FIBL Dossier Nr.4: Qualität und Sicherheit von Bioprodukten. 2006, S 14Fliessbach, A., Oberholzer, H., Gunst, L., Paul, M.: Soil organic matter and biological soil quality indicators
after 21.years of organic and convential farming. Agriculture Ecosystems and Environment. Vol. 118,Issues 1–4, January 2007, p. 273–284
Krejãífiová, L., Capouchová, I., Petr, J., Bicanová, E., Famûra, O.: The effect of organic and convential growingsystems on quality and storage protein composition of winter wheat. Plant soil environ., 53, 2007(11):499–505
Lehocká, Z., Klimekova, M., Bielikova, M.: Selected soil quality indicators in a loam degraded chernozem onloess unter organic and conventional management. Proceedings of Bioacademy 2008. New developmentsin science and research on organic agriculture. Lednice na Moravû 3. – 5. 9. 2008 p. 82
Michalík, I.: Charakteristika cereálnych bielkovin, ich v˘Ïivná kvalita a vplyv na zdravotn˘ stav. V˘Ïivaa zdravie 39, 1994(9): 185–186
Petr, J.,Vavera, R., Miãák, L.: Yield formation in wheat (Triticum aestivum L.) in ecological agriculture. ScientiaAgriculturae Bohemica 39, 2008 (3): 245–251
Prokinová, E., Kazda, J., Petr, J., Altmanová, G.: Health condition of winter wheat in conventional andecological farming. Scientia Agriculturae Bohemica, 31, 2000, (1): 25–40
·arapatka, B., La‰ka, V., Mikula, L., âáp, L., Petr, J.: Selected biological and biochemical characteristics of soilin long-term organic farming experiments. Scientia Agriculturae Bohemica, 39, 2008, (2): 212–217
·arapatka, B., Urban, J. et al.: Ekologické zemûdûlství v praxi Pro-Bio ·umperk 2006. 502 p.Topinková, M., Jozefyjová, M.: Vodní aktivita v mikrobiologii potravin. Hygiena, 41, 1996, (3): 147–154Velimirov, A.: Ratten Bevorzugen Biofutter.‚ Okologie (Landbaau 117, S. 19–21 http://orgprints.org./6405
Kontaktní adresa: Prof. Ing. Jifií PETR, DrSc. âeská zemûdûlská univerzita v Praze, FAPPZ, Kam˘cká 129,160 21 Praha 6-Suchdol E-mail [email protected]
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
43
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
44
S
Semináfi k 75. narozeninám prof. Lubomíra Nátra, pfiedsedy âSEBR
„Zabezpeãení produktÛ fotosyntézy ve formû potravin a energie v 21. století“
26. 5. 2009
Dne 26. 5. 2009 se konal dal‰í ze série celostátních semináfiÛ na konci semestru, tentokrát vûnovan˘oslavû Ïivotního jubilea profesora Lubomíra Nátra. Úvodní ãást semináfie byla vûnovaná oslavencia vystoupila v ní s gratulací a podûkováním celá fiada spolupracovníkÛ a pfiedstavitelÛ rÛzn˘ch profes-ních institucí z âech, Moravy a Slovenska. Kromû toho mu tfii zástupci ãesk˘ch a slovensk˘ch univer-zit pfiedali i oficiální ocenûní za v˘znamn˘ pfiíspûvek v rozvoji oboru experimentální biologie rostlina rozvoj ãeskoslovenské spolupráce v této vûdní disciplínû. Za slovenské kolegy s podûkováním za roz-voj ãesko-slovenské spolupráce pfiedal profesor Ján Hudák Zlatú medailu Univerzity Komenskéhov Bratislave, a docent Marián Brestiã Pamätnú medailu Slovenskej polnohospodárskej univerzity v Nit-re. Zlatou medaili âeské zemûdûlské univerzity v Praze pfiedal profesor Václav Vanûk, kter˘ je taképfiedsedou redakãní rady vûdeckého ãasopisu Plant, Soil and Environment, ve které profesor Nátr pÛ-sobí jako jeden z místopfiedsedÛ. Je zfiejmé, Ïe také jeho editorská práce Lubomír Nátra v rÛzn˘ch re-dakãních radách je vysoce cenûna, jak bylo na semináfii nûkolikrát pfiipomenuto – dosud profesor NátrpÛsobí je‰tû v ãasopisech Photosynthetica a Scientia Agriculturae bohemica. V‰em bylo zfiejmé, Ïe bû-hem svého vûdeckého pÛsobení Lubomír Nátr ovlivnil nejen celou fiadu rostlinn˘ch biologÛ, ale i v˘-voj oboru a pfiedev‰ím udrÏování komunity rostlinn˘ch biologÛ bûhem nûkolika desetiletí skromné,nesmírnû peãlivé, zodpovûdné a intenzivní práce.Druhá ãást semináfie jiÏ byla zamûfiena na vûdecké pfiíspûvky vûnované v˘zkumu fotosyntézy a jehopraktick˘m pozitivním dopadÛm na lidskou spoleãnost. Pfiedná‰kov˘ marathon zahájil sám jubilantpfiedná‰kou s pfiíznaãn˘m názvem „Quo vadis?“, kter˘ odráÏel nejen stav souãasného fotosyntetické-ho v˘zkumu, ale i pfiíznaãnû stav mysli aktivního fyziologa rostlin, kter˘ cel˘ svÛj Ïivot pfiispíval k po-znání v oblasti v˘zkumu fotosyntézy a produkãní biologie rostlin. Dal‰í pfiedná‰ku vûnovanou struk-tufie chloroplastÛ s bohat˘m obrazov˘m materiálem pfiednesl Ján Hudák z Univerzity Komenskéhov Bratislavû. Následující velmi inspirativní pfiedná‰ku vûnovanou v˘zkumu fotosyntézy na úrovni lis-tu pfiednesl Jifií ·antrÛãek z Jihoãeské Univerzity v âesk˘ch Budûjovicích. Pak následovala pfiedná‰kaMariana Brestiãe ze Slovenskej polnohospodárskej univerzity v Nitre orientovaná na produkãní biolo-gii polnohospodáfisk˘ch plodin. Sérii zakonãil Michal V. Marek z Ústavu systémové biologie a ekolo-gie AV âR) s jednoznaãn˘m poselstvím, Ïe lesy jsou základem pfieÏívání lidské spoleãnosti na Zemi.
Jana Albrechtová
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
45
Chloroplasty sú jedineãné bunkové organely,v ktor˘ch je umiestnen˘ úÏasn˘ proces – fotosyn-téza, ktorá nám poskytuje pre nበÏivot nevy-hnutné produkty, ako sú energeticky bohaté látkya kyslík. Fotosyntéza svojou jedineãnosÈou fasci-novala aj prof. L. Nátra, a to bol hlavn˘ dôvod,aby som pri príleÏitosti jeho Ïivotného jubileapredniesol niekoºko postrehov o chloroplastoch.Chloroplasty spolu s leukoplastami a chromo-plastami tvoria ‰truktúrne aj funkãne heterogén-nu rodinu organel rastlinnej bunky – plastidy.Chloroplasty a chromoplasty plnia aj veºmi dôle-Ïitú estetickú funkciu, sú totiÏ nositeºmi rozliãné-ho zafarbenia rastlín, od zelenej cez Ïltú aÏ tma-voãervenú.Fotosyntéza predurãila, Ïe v centre záujmu fyzi-ológov a cytológov sú chloroplasty. Ich v˘raznou‰truktúrnou ãrtou je bohat˘ membránov˘ systém,ktor˘ tvoria tylakoidy membrány grán a strómy(obr. 1). Takto vyvinuté chloroplasty sú prítomnév diferencovan˘ch zelen˘ch pletivách rastlín,predov‰etk˘m v listoch.V meristematick˘ch pleti-vách sú prítomné plastidy chudobné na membrá-ny – proplastidy (obr. 2). Tieto ‰truktúrne prekurzo-ry plastidov pri dobr˘ch sveteln˘ch podmienkachsa postupne menia na chloroplasty. Ak v˘vin rast-
lín prebieha v nevhodn˘ch sveteln˘ch podmien-kach, resp. v tme, v bunkách listového mezofyluvzniká zvlá‰tny typ plastidov – etioplasty s domi-nantnou ‰truktúrou – prolamelárne telo (obr. 3).Pri zmene sveteln˘ch podmienok etioplasty sapostupne transformujú na chloroplasty. V tejtosúvislosti je potrebné upozorniÈ na veºmi zaují-mav˘ fakt, Ïe nielen niωie rastliny tvoria chloro-fyl v tme, ale aj niektoré druhy nahosemenn˘chrastlín ako napr. Picea abies (L.) KARST., Abiesalba MILL., Pinus sylvestris L. a Pinus mugoTURRA. Túto vlastnosÈ v‰ak nemajú dospelé je-dince, ale iba ich klíãence, ktoré keì rastú v tmeobsahujú chlorofyl a plastidy majú dobre diferen-covan˘ membránov˘ systém.Posledné ‰tádium ontogenézy plastidov – sene-scencia je charakteristické rozru‰ovaním mem-
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
46
SChloroplasty: bez nich nebude
chleba ani ãistá voda(strukturní a funkãní základ fotosyntézy)
Ján Hudák
Obr. 1
Obr. 2
Obr. 3
bránového systému a de‰trukciou chlorofylu. V˘-sledkom tohto procesu je vznik chromoplastov(obr. 4). Tento typ plastidov je prítomn˘ v kve-toch, zrel˘ch plodoch a starnúcich listoch.
„bez nich nebude chleba“Vo fotosyntéze vznikajú energeticky bohaté látkysacharidy, ktoré v rastlinnom metabolizme sú po-stupne spracovávané za vzniku potrebnej energiepre rastové procesy. Vznikajúce sacharidy súz chloroplastov transportované na miesta spotre-by, alebo sa zhromaÏìujú v ‰pecializovan˘chplastidoch – amyloplastoch (obr. 5), kde z jedno-duch˘ch cukrov vzniká ‰krob. Poznáme ‰krobasimilaãn ,̆ zásobn˘ a statolitov .̆ Asimilaãn˘ ale-bo aj tranzitorn˘ vzniká v chloroplastoch pri in-tenzívnej fotosyntéze a nedostatoãnom transportesacharidov. Z hºadiska v˘Ïivy ãloveka je dôleÏit˘zásobn˘ ‰krob, ktor˘ je prítomn˘ v amyloplas-toch hºúz a semien. Technologické spracovaniet˘chto orgánov rastlín nám poskytuje dôleÏitú su-rovinu – múku, ktorá sa vyuÏíva pri peãení chle-ba a príprave rozliãn˘ch pokrmov. Pre samotnérastliny je veºmi dôleÏit˘ statolitov˘ ‰krob. Prí-tomn˘ je v amyloplastoch ‰pecializovan˘ch bu-
niek kolumely v koreÀovom vrchole. Statolitov˘‰krob v interakcii s pôsobením zemskej tiaÏepodmieÀuje pozitívny geotropick˘ rast koreÀa.Na tento fenomén ako jeden z prv˘ch upozornilprof. B. Nûmec.
„bez nich nebude ani ãistá voda“Názov mojej predná‰ky predurãil prof. L. Nátr,preto nie som si celkom ist ,̆ ão mal na mysli pod„ãistou vodou“. Îe by to bola zurãiaca voda hor-sk˘ch potokov? Tieto nejasnosti som sa rozhodolrie‰iÈ vodou v rastlinnej bunke.Diferencované rastlinné bunky sú charakteris-tické ‰peciálnou ‰truktúrou – vakuolou, ktorá jezvlá‰È vyvinutá v bunkách mezofylov˘ch. Vakuo-la zaberá podstatnú ãasÈ objemu bunky a cyto-plazma, spolu s ostatn˘mi ‰truktúrami, tvorí ibatenk˘ pás pozdæÏ bunkov˘ch stien (obr. 6).Vakuola obsahuje asi 90 % vody, zvy‰ok tvoriaanorganické a organické látky. Voda prítomná vovakuole podmieÀuje vznik vnútrobunkového na-
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
47
Obr. 4
Obr. 5
Obr. 6
Obr. 7
pätia – turgor. Z mnoÏstva chemick˘ch látok prí-tomn˘ch vo vakuole spomeniem iba niektoré,s ktor˘mi sa denne stretávame ako napr. sacharó-za v buºvách cukrovej repy, taníny, trieslovinya antokyany v plodoch a kvetoch (obr. 7).Zvlá‰È by som chcel upozorniÈ na trieslovinya antokyany. Milovníci ãerveného vína si ani ne-uvedomujú, Ïe v skutoãnosti si pochutnávajú nav˘bornej „zmesi“ vody, alkoholu, kyseliny vín-nej, antokyanov a trieslovín. Antokyany dodávajútomu úÏasnému moku nádhernú karmínovo-ãer-venú farbu, triesloviny jemnú trpkastú chuÈ a totov‰etko má pôvod vo vakuole.
Úprimne závidím profesorovi Nátrovi jeho v‰e-strannú aktivitu, najmä jeho pisateºské schopnos-ti. Osobne mám rád víno a preto si o Àom v‰eli-ão rád preãítam. Pred rokom som listovalv ãasopise Vinafisk˘ obzor a v Àom som na‰ielãlánok od profesora L. Nátra: Fotosyntéza v chlo-roplastech listÛ révy vinné: nepostfiehnuteln˘vznik hroznÛ, nevychádzal som z údivu.Je to obdivuhodne ako poznatky o fotosyntéze jemoÏné ‰íriÈ v komunite, ktorá jej produkty vyuÏí-va, ale tajomstvá jej procesov nepozná. Tento po-ãin je dobr˘m príkladom pre nás v‰etk˘ch ako má-me ‰íriÈ poznatky o na‰ej vede medzi verejnosÈou.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
48
S
Veºa zdravia pán profesor!
Ad multos annos!
Atmosféra-List-Fotosyntéza-âlovûk. Vybrané interakce. (Jak mûníme fotosyntézu listu a jak fotosyntéza listu mûní nás)
Vyhnání z WUE ráje – od stonku k listuPohádky obvykle zaãínají „bylo, nebylo“ nebo „dávno jiÏ tomu“. Dûjiny phanerozoika (geologickéhoobdobí, pro které je typická existence prost˘m okem viditelného Ïivota) nás uãí, Ïe bylo a stalo se toasi pfied 360 milióny lety. Tehdy poklesla relativnû rychle koncentrace oxidu uhliãitého v atmosféfie Ze-mû asi na 10 % hodnoty typické pro zaãátek kolonizace sou‰e rostlinami (tj. asi 440–400 miliónÛ letzpût, kdy byla koncentrace CO2 4500–6000 mmol mol–1)33. Asimilaãní orgány suchozemsk˘ch rostlinmûly do té doby protáhl˘ válcovit˘ tvar podobn˘ vzhledem i funkcí stonkÛm dne‰ních rostlin. Pfiíkla-dem mÛÏe b˘t jedna z prvních cévnat˘ch rostlin Cooksonia sp., jen asi 4 cm vysoká rostlina, jejíÏ po-zdnû silurské a devonské paleozbytky se nacházejí v nejrÛznûj‰ích ãástech svûta vãetnû na‰ich uhel-n˘ch slojí. Jistû se vám v té souvislosti vybaví obrazy baÏinaté krajiny fiídce porostlé rostlinamipodobn˘mi pfiesliãkám od malífie ZdeÀka Buriana. Rostliny té doby pravdûpodobnû nestrádaly nedo-statkem oxidu uhliãitého uvnitfi svého tûla a chloroplastÛ, kde se CO2 zpracovává v procesu fotosynté-zy, protoÏe ho bylo v atmosféfie relativnû hodnû – pfiibliÏnû 10 aÏ 15-krát vy‰‰í koncentrace neÏ jednes. VáÏnûj‰ím problémem bylo, jak zamezit ztrátû vodní páry do vodou nenasycené atmosféry. Prooboje, dostatek CO2 a nedostatek vody, vyhovovala malá plo‰ná hustota jiÏ tehdy existujících prÛdu-chÛ, tj. uzavírateln˘ch otvorÛ v pokoÏce, kter˘mi voda i oxid uhliãit˘ procházejí. Stonkov˘ typu listunesl v té dobû kolem deseti prÛduchÛ na mm2.S radikálním poklesem CO2 se ale situace zmûnila. Rostliny zaãaly mít nedostatek CO2 – substrátu profotosyntézu ve svém tûle. Evoluãním fie‰ením byla, zaprvé, zmûna tvaru asimilaãního orgánu – prota-Ïení v jedné a zplo‰tûní v druhé ose tedy vytvofiení planparalelní tenké desky tlusté fiádovû desetiny mi-limetru, která zlep‰ovala difuzní pfiístup CO2 do listu a, zadruhé, zv˘‰ení poãtu prÛduchÛ na jednotkuplochy (jejich hustoty). Tedy vytvofiení listu morfologicky a anatomicky podobnému tomu, jak jej zná-me u dne‰ních C3 rostlin: laminární list o tlou‰Èce nejãastûji 0,2–0,4 mm a hustotû prÛduchÛ na mm2
u bylin 214 ± 31CI (CI = 95 % konfidenãní interval, v extrémech v‰ak hustota prÛduchÛ u nûkter˘chstromÛ pfiesahuje hodnoty 1200 prÛduchÛ mm–2)[1, 2] s nepfiebernou rozmanitostí velikosti plochy a tva-rÛ listové ãepele.Evoluãní promûna obou, tvaru z osového na laminární i hustoty prÛduchÛ zv˘‰ené o více neÏ jedenfiád, musela jít ruku v ruce. Zvût‰ení pomûru plochy k objemu totiÏ vede ke zv˘‰ení absorpce sluneã-ního záfiení dan˘m objemem pletiva, které se jen z malé ãásti spotfiebuje na fotosyntézu. Z daleko vût-‰í ãásti se pfiemûní v teplo, zahfiívající list. PfiibliÏnû polovina tepelné energie se z listu odvede jako sku-penské teplo v˘paru vody. Zajistit takovou energetickou bilanci a uchránit list pfied pfiehfiátímvyÏadovalo rostoucí pfiísun vody do listu a vy‰‰í rychlost transpirace, proto i vy‰‰í hustotu prÛduchÛ namm2 listu. Rostoucí teplota listu tak roztáãela spirálu nárokÛ na vodu pro chlazení, byla evoluãním tla-kem pro dal‰í v˘voj kofienÛ, zv˘‰ení hydraulické vodivosti cév transportujících vodu a rÛst hustoty prÛ-duchÛ.Pfiesto a právû proto: pomûr mnoÏství uhlíku získaného z atmosféry k vodû do atmosféry odevzdané,tzv. úãinnost vyuÏití vody rostlinou (angl. water use efficiency, WUE), se s poklesem koncentrace CO2
v atmosféfie dramaticky sníÏil[3]. (Jak to víme? Informuje nás o tom zmûna v zastoupení stabilního izo-topu 13C v paleozbytcích tehdej‰ích rostlin, která, jak víme z teorie i experimentÛ, je úmûrná WUE[4].)Dilema suchozemsk˘ch rostlin „vyhladovût nebo zemfiít Ïízní?“ tak zaãalo b˘t aktuální právû v pozd-ním devonu, od okamÏiku „vyhnání rostlin z WUE ráje“ nastartovaného zmínûn˘m globálním pokle-sem atmosférické koncentrace CO2 pfied asi 360 milióny lety. (Podle nûkter˘ch geochemick˘ch mode-lÛ se koncentrace CO2 bûhem devonu sníÏila z 3 aÏ 4 tisíc na 300 mmol mol–1 a souãasnû stouplakoncentrace kyslíku z 210 mmol mol–1 v ãasném devonu na 300 mmol mol–1 v pozdním devonu. Pfií-
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
49
33 Koncentraci CO2 ve vzduchu budeme v tomto ãlánku vyjadfiovat tak, jak je bûÏné v odborn˘ch ãláncích o foto-syntéze nebo d˘chání, tj. jako molární zlomek v mmol (CO2) mol–1 (vzduchu). Poãítá se pfiitom s „molární“ hmot-ností vzduchu 29 g. Takové vyjádfiení koncentrace je ãíselnû totoÏné s dfiíve uÏívan˘m parts per million (ppm) i s tla-kov˘m zlomkem (parciální tlak CO2 v pascalech, Pa, dûlen˘ celkov˘m tlakem vzduchu v megapascalech, MPa).V˘hodou takového vyãíslení koncentrace, oproti koncentraci napfi. v g (CO2) m–3 (vzduchu), je, Ïe se nemûní sezmûnami tlaku nebo teploty vzduchu. Dne‰ní koncentrace atmosférického CO2 je blízká 380 mmol mol–1.
ãinou byl asi rozvoj rostlin na sou‰i, a s tím spojené ukládání uhlíku v organick˘ch depositech a rost-linami podpofiené chemické zvûtrávání hornin[5]). Bezprostfiedním evoluãním v˘sledkem „vyhnání“bylo roz‰ífiení druhÛ s listy 2–3 cm ‰irok˘mi a vidliãnat˘m vûtvením cév, morfologicky i v˘mûnou ply-nÛ podobn˘ch tûm jaké známe napfi. u nejobecnûji známé Ïivoucí fosilie – jinanu dvoulaloãného(Ginkgo biloba).
Zpátky do silursk˘ch baÏin? Jak mûníme list bezdûãnûHustota prÛduchÛ je, jak uÏ víme, parametr ekofyziologicky dÛleÏit˘ a spolurozhodující o zisku uhlí-ku z atmosféry i tepelné pohodû listu. Spolu s morfologií listu (a s velikostí prÛduchov˘ch bunûk, o kte-ré jsme je‰tû nemluvili) reaguje pravdûpodobnû na zmûny koncentrace CO2 v atmosféfie kolem listu.Vnímavému ãlovûku dne‰ka se znalosti propojují, napadají jej otázky: Nemohla by hustota prÛduchÛslouÏit jako indikátor souãasn˘ch antropogenních zmûn koncentrace CO2 v atmosféfie Zemû? Neboobecnû ukazatel jak˘chkoli, nejen nedávn˘ch ãlovûkem zpÛsoben˘ch zmûn CO2? Nahradit nebo do-plnit pracné a nákladné rekonstrukce paleoklimatu pofiízené anal˘zou bublinek vzduchu uvûznûn˘chv grónsk˘ch a antarktick˘ch ledovcích stovky metru aÏ kilometry pod jejich povrchem? Ty zahledûnéspí‰ k horizontu napadne: jak to ta rostlina (list) „dûlá“, Ïe vnímá koncentraci CO2 kolem sebe? Jaképro to má ãidlo? A jak se pfiíslu‰n˘ impulz od ãidla pfiená‰í a realizuje pfii v˘voji a rÛstu pokoÏky listuÏe je to „sítko“ hust‰í a jemnûj‰í?Za odpovûdi na první otázku vdûãíme pion˘rské práci botanika a fyziologa z univerzity v Cambridge,F. I. Woodwardovi, publikované v roce1987[6] (a pfiedpfiipravené peãliv˘mi pracemi mnoha dal‰ích, v˘-znamnû i ãesk˘ch fyziologÛ, napfi. I. Tiché, B. Slavíka, J. Pazourka). Historické herbáfiové poloÏky listÛ‰esti druhÛ dfievin z uplynul˘ch 200 let ukázaly, Ïe se za dobu od poãátku prÛmyslové revoluce sníÏi-la hustota prÛduchÛ na listech kaÏdého z onûch druhÛ v prÛmûru o 40 %. Za stejnou dobu se zv˘‰ilakoncentrace CO2 v atmosféfie z 280 na 340 mmol (CO2) mol–1 (vzduchu). Podobné v˘sledky (pokleshustoty o 67 %) daly i kontrolní pokusy se semenáãky tûchto ‰esti dfievin a dvou bylin pûstovan˘miv atmosféfie s fiízenou koncentrací CO2
[6]. Jin˘ pfiíklad: zkoumání zbytkÛ listÛ (kutikuly) bfiízy (Betulapendula) z vrstev opadu a ra‰eliny datovan˘ch od r. 1955 do 1995 ukázalo na 0,6 % sníÏení hustotyprÛduchÛ na kaÏd˘ 1 mmol mol–1 zv˘‰ené atmosférické koncentrace CO2
[7].34
Zdá se b˘t prokázané, Ïe hustota prÛduchÛ je relativnû spolehliv˘m svûdectvím o na‰em spalování fo-silních paliv a kácení tropick˘ch lesÛ, o antropogenních zmûnách koncentrace CO2
[8, 9]. Bezdûãnû takmûníme anatomii a morfologii listu rostliny, a spolu s tím i její schopnost získávat uhlík z atmosférya cenu, za jakou jej získává v termínech úãinnosti vyuÏití vody. Podívejme se teì, jak (a trochu i proã)se tak dûje. Zmûny objemové hustoty kovÛ s teplotou vysvûtlují fyzikové tepelnou roztaÏností, pfiiro-zená plo‰ná hustota populace lidí je dána podmínkami prostfiedí a fází v˘voje demografické kfiivky. Cov‰ak zpÛsobí, Ïe místo dvou z dvaceti pokoÏkov˘ch bunûk se jich „rozhodne“ b˘t prÛduchov˘mi tfie-ba ‰est?35 Jak do tohoto procesu zasahuje zmûna atmosférické koncentrace CO2? To jsou otázky, na kte-ré se intenzivnû hledá odpovûì aÏ v posledním desetiletí a k na‰í souãasné znalosti pfiispûly podstat-nû metody molekulární a bunûãné biologie. Jak tedy buÀka pokoÏky vystavená vzduchu „pozná“, Ïemá b˘t prÛduchovou?
Rozhovory pfies bunûãnou membránuPrÛduchové (svûrací) buÀky jsou bránou rostlin do okolního atmosférického svûta. AÏ na vzácné v˘jim-ky, jako jsou gametofyt mechorostÛ a jatrovek, li‰ejníky a nûkteré druhy kapradin a kvetoucích rostlinrostoucích pfiisedle na zaplavovan˘ch bfiezích oligotrofních jezer nebo parazitick˘ch rostlin36, jsou asi-milaãní orgány v‰ech rostlin osazeny prÛduchy. Z pohledu primární produkce biomasy na sou‰i témûfi
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
50
S
34 Zájemce o problematiku hustoty prÛduchÛ jako ukazatele paleokoncentrací CO2 mohu odkázat napfi. na pfiehle-dovou práci [8].35 Jeden prÛduch (prÛduchov˘ aparát) je tvofien v základû dvûma specializovan˘mi tzv. svûracími buÀkami v po-koÏce a pórem mezi nimi. Souãástí prÛduchového aparátu je i dutina pod prÛduchem uvnitfi listu, která je spojenas mezibunûãn˘mi prostory. Zmûnou hydraulického tlaku svûrací buÀky mûní svÛj tvar a tím i ‰ífiku póru mezi nimi.Ostatní pokoÏkové buÀky kolem svûracích bunûk, dlaÏdicové nebo podpÛrné buÀky, mají jin˘ tvar i vnitfiní stavbua jsou pevnû spojené sousedními bunûãn˘mi stûnami a pokryty pro plyny témûfi nepropustnou kutikulou.36 Napfi. kapradina ‰ídlatka (Isoetes), nûkteré druhy parazitick˘ch rostlin. Tyto rostliny získávají uhlík buì ze sedi-mentu jezer pfies kofieny a porézní stonek (isoetidy) nebo jako organick˘ (parazitické).
neexistuje organick˘ uhlík, kter˘ by pfied fotosyntetickou asimilací nepro‰el prÛduchy37. Proto neudivu-je, Ïe o mnoÏství prÛduchÛ (jejich hustotû na plo‰e) spolurozhoduje koncentrace CO2 v atmosféfie, Ïepfii 10 aÏ 15-krát vy‰‰í koncentraci CO2 v siluru byla ãetnost prÛduchÛ ménû neÏ desetinová proti sou-ãasné. Pfiístup CO2 do rostliny je kromû hustoty prÛduchÛ (a gradientu koncentrace, kter˘ urãuje rych-lost difuse) dán také velikostí prÛduchového póru a rozmístûním prÛduchÛ po pokoÏce. U jednodûloÏ-n˘ch rostlin jsou prÛduchy rozmístûny v fiadách rovnobûÏn˘ch s vodiv˘mi svazky listu (cévami). V danéfiadû mají prÛduchy rozestupy, jsou mezi nimi pokoÏkové buÀky. U dvoudûloÏn˘ch rostlin nepozoruje-me Ïádnou podobnou pravidelnost. Pfiesto nejsou prÛduchy rozmístûny náhodnû. Kdyby byly, jistû by sestávalo, Ïe budou dva prÛduchy sousedit, Ïe budou tûsnû vedle sebe. Tak to ale témûfi nikdy není! Platí„Pravidlo minimálnû jedné oddûlovací buÀky“ (one cell spacing rule). BuÀky pokoÏky se vyvíjejí z ne-dospûl˘ch pokoÏkov˘ch (protodermálních) bunûk. V urãité fázi v˘voje z nich budou buì dlaÏdicovitébuÀky, nebo svûrací buÀky prÛduchu nebo trichómy (tj. „chlupy“ nebo Ïlázky na listu).Jak si protodermální buÀka „vybere“ svÛj osud? Jak „ví, ãím bude“ aÏ vyroste?38 Detaily dosud nezná-me; intenzivnû se zkoumají. DokáÏeme popsat cestu a typy bunûãného dûlení, které konec koncÛ ve-de k dvojici svûracích bunûk. Víme, Ïe poslednímu symetrickému dûlení matefiské prÛduchové buÀkyve dvû svûrací pfiedchází jedno nebo opakované asymetrické dûlení kmenové buÀky zvané meriste-moidní matefiská buÀka. Nesymetrick˘m dûlení vznikne malá (v plo‰ném pohledu zhruba trojúhelní-kovitá) buÀka – meristemoid – která se buì dál dûlí nesymetricky v pfiípadû, Ïe sousedí s uÏ vyvinut˘mprÛduchem nebo matefiskou prÛduchovou buÀkou, nebo se z ní stane pfiímo matefiská prÛduchovábuÀka. Velká buÀka vzniklá nesymetrick˘m dûlením jako partner meristemoidu se stane dlaÏdicovou.Nesymetrick˘m dûlením se tedy budoucí prÛduch jakoby „otoãí zády“ k uÏ existujícímu nebo budou-címu prÛduchu. Tûmi „zády“ je velká, budoucí dlaÏdicová pokoÏková buÀka.Proã jsou prÛduchy rozsazeny a nejsou ve shlucích? Jak˘ mechanismus iniciuje nesymetrické dûleníkmenové meristemoidní matefiské buÀky? Myslíme si, Ïe první otázku dokáÏeme zodpovûdût pomocífyzikálních zákonÛ difuse. Lze ukázat, Ïe mnoha mal˘mi otvory pravidelnû rozmístûn˘mi se difusí pfie-nese více hmoty (vypafií více vody, projde více CO2) neÏ jedním velk˘m nebo nûkolika velk˘mi o stej-né úhrnné plo‰e39. Druhá otázka není do detailÛ zodpovûzena a intentivnû se na ní v posledních de-seti letech pracuje[10, 11]. Podafiilo se získat mutanty rostliny (jaké jiné neÏ huseníãku, Arabidopsis)s poruchou zmínûného Pravidla jedné oddûlovací buÀky. Díky tomu se ukázalo, Ïe existuje nûkolik ge-nÛ40, jejichÏ proteinové produkty dohlíÏí na zachování Pravidla. Jsou souãástí pfienosu informaceo okolí listu (jaká je koncentrace CO2?) a okolí buÀky (není v sousedství prÛduchová?). Dále informa-ci uvnitfi buÀky pfiená‰ejí, signál zesilují nebo naopak zeslabují a spou‰tí aparát, kter˘ má dûlení „v po-pisu práce“ (ãetnost a polohová specificita dûlení tj. zda k dûlení dojde a v kterém místû dûlící se buÀ-ky se zaãne vytváfiet pfiehrádka).Jak vidût, správné rozmístûní prÛduchÛ v mnoÏství odpovídajícím okolnímu prostfiedí, kde rostlina ros-te je vûc pfienosu informace z atmosféry, komunikace mezi buÀkami epidermis a s jádrem uvnitfi buÀ-
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
51
37 Odhaduje se, Ïe z atmosféry do rostlin pfiejde roãnû 440 Gt (1 gigatuna, Gt = 109 tun) uhlíku z toho pfiibliÏnû po-lovinu obstará fotosyntéza suchozemsk˘ch rostlin pfii které je uhlík v podobû CO2 difusí transportován pfies prÛdu-chy do chloroplastÛ. MnoÏství vody, které se roãnû vypafií z rostlin transpirací, je asi 32 Tt (1 teratuna, Tt = 1012 tun).38 Pfiedem se omlouvám ãtenáfii i recenzentÛm za antropomorfismy, které se zde nakumulovaly a které mají uãinittext ãtivûj‰ím, nikoli naznaãit, Ïe epidermální buÀka má vÛli, kterou uplatÀuje ve volbû svého povolání nebo osudpfiedem dan˘ vy‰‰í nepoznatelnou autoritou nebo silou. Mnohé z tûchto antropomorfismÛ jsou inspirovány nebojsou pfiímo pfieklady názvÛ souãasn˘ch ãlánkÛ v anglicky psané odborné literatufie.39 DÛvody se uvádûjí dva. První spoãívá v tom, Ïe koncentraãní izoãáry difundující látky se pfii pravidelném roz-místûní nepfiekr˘vají tolik jak pfii nahlouãení otvorÛ – prÛduchy si difusnû nepfiekáÏejí. Druh˘ spoãívá v tom, Ïe vel-ké otvory vyÏadují velké svûrací buÀky coÏ v trojrozmûrném svûtû znamená i vût‰í hloubku prÛduchového póru, te-dy del‰í dráhu difuse.40 Napfi. gen TMM (TOO MANY MOUTH), kter˘ kóduje receptorov˘ protein (LRR) a jeho vyfiazení se projeví tvorboushlukÛ prÛduchÛ, SDD1 (STOMATA DENSITY AND DISTRIBUTION) pravdûpodobnû proteáza jejíÏ mutace vede ke zv˘‰eníprocenta epidermálních bunûk, které jsou prÛduchové, FLP (FOUR LIPS), jehoÏ mutace zpÛsobí opakované dûlenímatefiské prÛduchové buÀky a projeví se dvûmi dvojicemi svûracích bunûk vedle sebe, HIC (HIGH CARBON DIOXIDE),zvy‰ující hustotu prÛduchÛ v reakci na sníÏenou koncentraci CO2 ve vnûj‰ím prostfiedí[14], nûkolik genÛ, které kó-dují enzymy zodpovûdné za tvorbu dlouhofietûzcov˘ch mastn˘ch kyselin (VLCFA) – prekurzorÛ kutikulárních vos-kÛ, tedy prvních chemick˘ch látek, které rostlina atmosféfie vystavuje. Komunikaci bunûk pfii v˘voji prÛduchÛ zfiej-mû zprostfiedkovává také gen ER (ERECTA), kódující receptorov˘ protein kter˘ obsahuje jak extracelulární receptor(LRR), tak cytoplasmovou kinázovou ãást.
ky. K doplnûní obrazu je potfieba je‰tû pfiidat informaci o tom, Ïe ãetnost prÛduchÛ na mlad˘ch listechrostlin je fiízena také dosud neznám˘mi signály z dospûl˘ch listÛ – tedy informací pfiená‰enou na vel-kou vzdálenost mezi orgány rostliny[12, 13]. SloÏitost takov˘ch mechanismÛ, v kter˘ch mají úãast re-ceptorové proteiny, fytohormony (gibereliny aauxin), kaskády kináz, cytoskelet, … je jistû obrovská. Je-jich rozlu‰tûní ale, s trochou nadsázky, mÛÏe zmûnit svût – vûfime, Ïe k lep‰ímu.
Jak mûníme list zámûrnûJe relativnû snadné mûnit vlastnosti rostlin, které jsou kódovány jedním nebo úzkou skupinou pomûr-nû snadno manipulovateln˘ch genÛ. Máme tak celou barevnou ‰kálu kvûtÛ u mnoha druhÛ okrasn˘chrostlin. TûÏké, aÏ zatím nemoÏné, je cílenû specifickou manipulací mûnit takové vlastnosti jako je ve-likost tûla nebo hmotnost biomasy urãitého orgánu (v˘nos). ·lechtûní na takové vlastnosti se dûlo postaletí a ãasto stále dûje empiricky: náhodné navození variability, v˘bûr na v˘nos a stále dokola. Napfi.je známo, Ïe rychlost fotosyntézy není pfiím˘m a jedin˘m selekãním kriteriem pro cílené zmûny v˘no-su[15]. Proto odrÛdy s vy‰‰í rychlostí asimilace CO2 nemusí mít vy‰‰í v˘nos. Pfiesto se v minulosti po-dafiilo vy‰lechtit v˘nosné odrÛdy, aniÏ by probíhal v˘bûr explicitnû na nûjakou fyziologickou s v˘no-sem spojenou vlastnost rostliny. Zpûtnû s odstupem desetiletí nebo staletí v‰ak mÛÏe b˘t uÏiteãnéprovûfiit, zda se „nespecifick˘m“ v˘bûrem napfi. na v˘nos nezmûnily systematicky nûkteré fyziologic-ké, morfologické nebo jiné vlastnosti rostliny. MoÏná, Ïe na‰i pfiedkové po desetiletí nevûdomky se-lekcí ovlivÀovali urãit˘ dûj, kter˘ je‰tû neumûli zmûfiit, kter˘ v˘nos podstatnû spoluurãuje a kter˘ nenísv˘m kódováním „rozset“ po celém geonomu. O podobném pfiípadu, kter˘ má souvislost s prÛduchya fotosyntézou bych se chtûl krátce zmínit.Otevfienost je skvûlá vlastnost, ale ne vÏdy a v‰ude, ne za kaÏdou cenu. Platí to (du‰evnû) pro ãlovûkai (látkovû) pro rostliny. ·lechtûní na vy‰‰í otevfienost prÛduchÛ a tedy zv˘‰en˘ pfiístup CO2 do chloro-plastÛ byla logická a teoreticky podloÏená snaha uÏ od doby, kdy si vûdci uvûdomili, Ïe fotosyntetickáfixace CO2 je difusní, ãasto prÛduchy limitovan˘ proces, tj. od prÛkopnick˘ch prací Haberlandta,Gaastry a dal‰ích v první a poãátkem druhé poloviny minulého století. PfiestoÏe se záhy vyvinula tech-nika spolehlivého mûfiení prÛduchové vodivosti (tzv. porometry), ve ‰lechtûní se prakticky neuplatnily.DÛvodem byla mimo jiné velká ãasová i prostorová variabilita vodivosti prÛduchÛ, ãasto vût‰í neÏ tameziodrÛdová nebo mezidruhová. Dále i uÏ zmínûná epigenetika problému: fotosyntéza není vÏdya pouze omezena otevfiením prÛduchÛ, v˘nos není vÏdy a pouze omezen rychlostí fotosyntézy.Nalezení veliãiny, která integrovala prÛduchovou vodivost v ãase a pfii vhodné pfiípravû vzorku i v pro-storu – diskriminace stabilního izotopu 13C, umoÏnilo pohled na vûc trochu z ptaãí perspektivy. Tech-nick˘ pokrok (a dostatek financí) umoÏnil analyzovat obsah 13C ve vzorcích su‰iny rostlin ze stovek od-rÛd pûstovan˘ch v identick˘ch podmínkách a zjistit tak, jak jsou na tom s prÛmûrnou vodivostíprÛduchÛ kaÏdé jednotlivé odrÛdy. Od toho uÏ je jen krok k retrospektivní anal˘ze – porovnání vodi-vosti prÛduchÛ u odrÛd historicky vznikajících v prÛbûhu mnoha nebo nûkolika minul˘ch desetiletía vykazujících systematicky se zvy‰ující trend v˘nosu. Ukazuje se tak, Ïe selekce na vy‰‰í v˘nos u plo-din tepl˘ch a such˘ch oblastí, jako je napfi. bavlník (Gossypium barbadense) pûstovan˘ v Indii nebomexické odrÛdy p‰enice (Triticum aestivum), ‰la ruku v ruce se zvy‰ováním prÛduchové vodivosti. Pfii-tom se maximální rychlost fixace CO2 nezvy‰ovala. Zdá se tedy, Ïe pfiíãina vy‰‰ího v˘nosu spoãívalav nûãem jiném neÏ ve zv˘‰ení fotosyntézy. Korelace v˘nosu a vodivosti prÛduchÛ tady nabízí vysvût-lení v adaptaãní strategii uniknutí pfiehfiátí listu, vyhnutí se supraoptimálních teplot. Je evidentní, Ïezmínûná korelace mÛÏe b˘t zaznamenána jen v pfiípadû závlahového hospodáfiství. Dostupná dataukazují, Ïe prÛduchová vodivost v tûchto pfiípadech mÛÏe slouÏit jako fyziologické selekãní kritériumv˘nosu[16]. Ukazuje se také, Ïe souãasné ãlovûkem zámûrnû pro v˘nos vybrané a stabilizované odrÛ-dy bavlníku a p‰enice mají listy s vût‰í maximální otevfieností prÛduchÛ a/nebo s vy‰‰í hustotou prÛ-duchÛ na plo‰e listÛ neÏ star‰í ménû v˘konné odrÛdy.
Vydat se cestou karboxylace?Kudy k vrcholu produkce? Cestou zlep‰eného pfiístupu CO2 z atmosféry pfies prÛduchy do chloroplas-tÛ? Nebo urychlením biochemické fixace CO2, tzv. karboxylace, ve stromatu chloroplastÛ? Nebo obo-jím? Nebo jinou, nefotosyntetickou cestou – tfieba zmûnou rozdûlení, alokace, asimilátÛ v rostlinû?Jedna z moÏností se zdánlivû nabízí tomu, kdo pozná hloubku evoluãní „nedokonalosti“ nejroz‰ífie-nûj‰ího, globálního, karboxylaãního enzymu, ribulóza-1,5-bisfosfát karboxylázy/oxygenázy (zkrácenû
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
52
S
Rubisco). Proã globálního? Jde o enzym, kter˘ mÛÏe asi ze 75 % za ten jiÏ zmínûn˘ obrovsk˘ tok CO2
z atmosféry do vegetace Zemû41, za to, Ïe kaÏd˘ rok pfiibliÏnû jedna ‰estina ve‰kerého uhlíku obsaÏe-ného v atmosféfie pfiejde do vegetace Zemû. Globálního také proto, Ïe jak se dá vypoãíst z odhadÛhmoty vegetace a jeho podílu v zelené hmotû, jde o nejroz‰ífienûj‰í enzym na Zemûkouli, enzym, kte-r˘ provází autotrofii cel˘m jejím v˘vojem po více neÏ tfii miliardy let. Enzym, kter˘ si vyÏaduje obrov-ské investice pro rostliny ãasto limitujícího prvku – dusíku – proto, Ïe je mimofiádnû pomal˘ ve svékatalytické práci a rostlina jej musí obsahovat velké mnoÏství. Navíc enzym, kter˘ na místo svého fiád-ného substrátu tj. oxidu uhliãitého ochotnû váÏe jeden z produktÛ oxygenní fotosyntézy, kyslík. Zkrát-ka, pro enzymologa je Rubisco pozoruhodnû pomal˘ a nespecifick˘ enzym. Vlastnosti, které provoku-jí lidskou tvofiivost, modernû naz˘vanou biotechnologické úsilí a genetické inÏen˘rství, smûfiujícík nov˘m plodinám s vy‰‰í rychlostí fotosyntetické fixace CO2 a (snad) vy‰‰ím v˘nosem.Máme se pokou‰et zlep‰it kinetické vlastnosti enzymu Rubisco? Kdybyste stál(a) v ãele agentury po-skytující peníze na v˘zkum, podpofiíte takov˘ projekt? Ponechme stranou etické, filosofické a perso-nální aspekty problému a zredukujme jej na vûcnou stránku. Má takové úsilí nadûji na úspûch? Soudûpodle nedávno publikované statû v PNAS[17], nadûje je v souãasné dobû malá. Pfiíãina není v argu-mentaci typu: „kdyÏ s tím za miliardy let neudûlala nic pfiíroda (rozumûj pfiírodní v˘bûr), ãlovûk nemá‰anci“. Naopak; pfiíroda pracovala usilovnû a úspû‰nû. V fií‰i rostlin mÛÏeme nalézt v˘znamnou pfiiro-zenou a systematickou variabilitu v kinetick˘ch parametrech, coÏ svûdãí o citlivosti Rubisco k selekã-nímu tlaku, o realizované schopnosti adaptace. Problém je v tom, Ïe ãím je Rubisco specifiãtûj‰í(adaptovanûj‰í k nízkému pomûru koncentrací CO2/O2 v chloroplastu), tím je pomalej‰í. Jin˘mi slovy,specificita je nepfiímo úmûrná rychlosti karboxylace[17].Rubisco není sto vázat molekulu CO2 nekovalentnû. Proces fixace CO2 zaãíná proto vazbou pûtiuhlí-katého cukru ribuloza-1,5-bisfosfát (RUBP) na enzym Rubisco a vytvofiením nestabilní pfiechodné en-diol-formy s aktivovan˘m druh˘m uhlíkem vhodné pro kovalentní vazbu CO2 tj. karboxylaci. âím jetato pfiechodná forma energeticky podobnûj‰í produktu karboxylace, tj. 2’-karboxy-3-keto-D-arabini-tol-1,5-bisfosfátu (CABP), tím je specifiãtûj‰í pro CO2, ale tím je také pevnûji vázána na enzym, jejízpracování, tj. hydratace a roz‰tûpení na dvû molekuly fosfoglycerátu (PGA), vyÏaduje více energiea tím je pomalej‰í. Proto je vysoce CO2-specifické Rubisco izolované napfi. ze ‰penátu katalyticky po-malej‰í neÏ Rubisco z fototrofní purpurové bakterie Rodospirillum rubrum nebo zelené fiasy Chlamy-domonas reinhardtii, které jsou sice rychlé, ale více se nechají „zmást“ pfiítomností kyslíku. Proto jepro jmenovanou bakterii a fiasu dÛleÏité Ïít v prostfiedí s co nejvy‰‰ím pomûrem koncentrací CO2/O2.Vysokého pomûru CO2/O2 mÛÏeme dosáhnout sníÏením koncentrace kyslíku nebo zv˘‰ením kon-centrace CO2. Sinice, fiasy i nûkteré vy‰‰í rostliny adaptované na nízké koncentrace CO2 mají mecha-nismy, kter˘mi dovedou zv˘‰it koncentraci CO2 v buÀce nebo pfiímo v chloroplastu (napfi. CO2 kon-centraãní pumpa C4 rostlin jako je kukufiice nebo cukrová tfitina). Pokud by se podafiilo vnéstmechanismus CO2 koncentraãní pumpy do plodin s C3 zpÛsobem fixace CO2, pak by se otevfiela i ces-ta vyuÏití málo specifického, ale rychlého enzymu Rubisco z fotoautotrofních mikroorganismÛ. Na-stoupením zmínûné cesty byl objev existence C4 fixace CO2 nevyÏadující speciální vûnãitou anatomiilistu, ale probíhající v rámci jedné buÀky. Známe pozoruhodné pfiíklady jednobunûãné na svûtle pro-bíhající C4 fotosyntézy u suchozemsk˘ch rostlin z ãeledi merlíkovit˘ch[18], ale i u vodních rostlin, na-pfi. Hydrilla verticilata[19]. Snahy introdukovat klíãové geny pro C4 fotosyntézu napfi. do rostlin r˘Ïe ve-dou zatím k dílãím úspûchÛm. Pfiesto by zasluhovaly samostatné pojednání. Mimo rozsah tohoto textuje i detailnûj‰í informace o jiÏ zmínûném, tj. jak˘m zpÛsobem a kde v genomu rostlin je kódovánakvantitativní míra úãinnosti vyuÏití vody[11], zda a jak lze tuto fyziologickou vlastnost monitorovat a vy-uÏít pfii ‰lechtûní na úsporné vyuÏití vody rostlinami a zv˘‰en˘ v˘nos[20].
Jak list mûní nás?Pfiece jen si v závûru neodpustím téma obrátit naruby, ulomit jeho antropocentrick˘ hrot, a vedle úsilíãlovûka zmûnit fotosyntézu listu zmínit to, jak fotosyntéza (moÏná) zmûnila lidstvo a mûní kaÏdéhoz nás. Nemám teì na mysli to, co je evidentní, tj. Ïe primární terestrická produkce umoÏnila pfiechodÏivoãichÛ na sou‰, a tedy konec koncÛ i v˘voj ãlovûka nebo to, Ïe CO2 asimiláty pfiispívají k tomu, Ïe
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
53
41 Zb˘vajících asi 25 % padá na vrub jinému dÛleÏitému karboxylaãnímu enzymu v rostlinách, fosfoenolpyruvátkarboxyláze, primárnímu enzymu fixujícímu anorganick˘ uhlík (CO2 ve formû HCO3
–) v C4 a CAM rostlinách.
rosteme (a to ãasto nechtûnû i do ‰ífiky). Rád bych zmínil zajímavou a pomûrnû ãasto citovanou hypo-tézu o pfiíãinû pfierodu ãlovûka, koãovného pastevce a sbûraãe, v usedlého ãlovûka zemûdûlce.Je pozoruhodné, Ïe ke vzniku prvních zemûdûlsk˘ch civilizací do‰lo ve vzdálen˘ch izolovan˘ch ob-lastech zemû bûhem pomûrnû krátkého období. Zdánlivû nezávisle tak pfied 15–12 tisíci lety na nûko-lika místech souãasnû skonãilo neustálé spásání a stûhování se a vytvofiila se centra zemûdûlsk˘chosad. Koincidence, která se tûÏko dá vysvûtlit pouze náhodou a pravdûpodobností. Migrace a pfiedá-vání zku‰eností na dálku byly nesrovnatelnû pomalej‰í neÏ dnes. MoÏná existoval nûjak˘ globální im-pulz. Jedna z hypotéz fiíká, Ïe impulzem bylo zv˘‰ení fotosyntézy C3 trav a dal‰ích rostlin, které lidétehdy vyuÏívali, v dÛsledku zv˘‰ení koncentrace CO2 v atmosféfie z pozdnû pleistocenních 200 mmolmol–1 na 270 mmol mol–1[21]. Z kultivaãních pokusÛ se ví, Ïe takové zv˘‰ení u dne‰ních rostlin vede kezv˘‰ení rychlosti fotosyntézy o 25 aÏ 50 %, ke zv˘‰ení asimilace dusíku rÛstu listové plochy a pfiíjmuvody. Je moÏné, Ïe taková odezva vegetace na globální sloÏení atmosféry mohla podnítit zmûnuv systému hospodafiení? Mohl relativní pfiebytek produkce stimulovat vznik zemûdûlství? Pfiemûnuv usedlá spoleãenstva? Kultivaci a domestikaci rostlin? Mohl b˘t zaãátkem v˘bûru a ‰lechtûní polníchplodin, ale i rÛstu populace a prvním impulzem vzniku nov˘ch sociálních vztahÛ? Nevíme s urãitostí,ale hypotéza je na svûtû. Hypotéza, která je bohuÏel, jako mnoho socio-ekonomick˘ch hypotéz, ob-tíÏnû testovatelná.OpusÈme spoleãnost a podívejme se na jedince, na kaÏdého z nás. Kdyby pfiistál na Zemi mimozem‰-Èan, kter˘ by objekty vãetnû ãlovûka nevnímal pfies vlnovou délku od nich odraÏeného záfiení (zrakem),ale pfies relativní zastoupení stabilních izotopÛ uhlíku v látkách skládajících jejich tûlo, pfiípadnû emi-tovan˘ch z jejich tûl (hmotnostním spektrometrem), na první pohled, respektive z prvního spektra byvyvodil, Ïe Zemû je na pevninû obydlena dvûma supertvory-hmotami schopn˘mi regenerace. KaÏd˘z nich má nepohyblivou a pohyblivou souãást. Jeden z tvorÛ dominuje mezi obratníky, druh˘ na zbyt-ku sou‰e. Ty pohyblivé ãásti se ãasto sdruÏují, migrují a ukr˘vají v úkrytech, ale jinak jsou velmi po-dobné sv˘m nepohybliv˘m „rodiãÛm“. Mají ale jednu pozoruhodnou vlastnost. Díky schopnosti mi-grovat mohou pfiejít do areálu druhého tvora a po ãase s ním splynout, stát se izotopovû identick˘mis druh˘m rodiãem.Asi tu‰íte správnû: ti supertvorové, to jsou C3 a C4 vegetace a jejich pohyblivé dûti jsme my – lidé Ïijí-cí v areálu v˘skytu pfiíslu‰né vegetace. Jin˘mi slovy, izotopovû jsme to, co jíme (s malou zmûnou)a protoÏe C3 a C4 rostliny se velmi v˘raznû li‰í izotopov˘m sloÏením uhlíku, kaÏd˘ z nás je pohybliv˘C3 nebo C4 tvor, izotopovû identick˘ se sv˘m fotosyntetizujícím rodiãem. C4 rostliny pfiijímající oba sta-bilní izotopy uhlíku (12C i 13C) témûfi stejnou mûrou, rostou a nûkdy i dominují v subtropick˘ch oblas-tech. Naopak, od 40–50 ° jiÏní a severní ‰ífiky k pólÛm rostou témûfi v˘hradnû C3 rostliny silnû diskri-minující izotop 13C. Migrací a konzumací místní produkce se zaãínáme izotopovû „pfiebarvovat“ podlepfievaÏujícího typu fotosyntézy. Pfii pobytu napfi. v Karibiku se va‰e tûlo, tfieba keratin va‰ich vlasÛ, vou-sÛ a nehtÛ, zaãne izotopovû blíÏit signálu C4 vegetace[22]. Kdyby kvÛli niãemu jinému, tak alespoÀz dÛvodu, Ïe zaãnete sladit tfitinov˘m cukrem. Vlasy nebo jiné pfiirÛstající ãásti na‰eho tûla tak mohoupfiedstavovat archiv dietetick˘ch návykÛ a jejich zmûn nebo cestovní deník na‰ich migraãních aktivit.Jsme zrcadlem izotopové diskriminace Rubisco.
Závûrem
bych rád podûkoval Prof. Lubo‰i Nátrovi pfii pfiíleÏitosti jeho Ïivotního jubilea za to jak˘ je a byl oddob, kdy jsem mûl prvnû moÏnost jej vnímat jako vûdce, organizátora, fieãníka, oponenta – tj. od dobsv˘ch doktorsk˘ch studií pfied skoro tfiiceti lety. Vûdecká nároãnost a opravdovost, neotfielost, vtip, spo-leãensk˘ takt, non‰alance – to byly rysy moderátora nezapomenuteln˘ch páteãních semináfiÛ ve Viniã-né poãátkem 80-t˘ch let, kdy jsem tam zaãal docházet. Dûkuji, Lubo‰i, a pfieji Tobû i nám v‰em, abystakov˘ vydrÏel a s Tebou takov˘m abychom se mohli setkávat co nejãastûji a nejdéle!Jifií ·antrÛãek
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
54
S
Citovaná literatura:1 Williams M. et al.: Leaf to landscape. In: Smith, W.K., Vogelmann T. C., Critchley C. (eds.) Photosynthetic
Adaptations. Chloroplast to Landscape. Springer New York 2004.2 Tichá I.: Photosynthetic characteristics during ontogenesis of leaves. 7. Stomata density and sizes.
Photosynthetica 16: 375–471, 1982.3 Beerling D. J. et al.: Evolution of leaf-form in land plants linked to atmospheric CO2 decline in the late
palaeozoic era. Nature 410: 352–354, 2001.4 Farquhar G. D., Richards R. A.: Isotopic composition of plant carbon correlates with water-use efficiency
of wheat genotypes. Aust. J. Plant Phys. 11: 539–552, 1984.5 Berner R. A. et al.: Isotope fractionation and atmospheric oxygen: implication for Phanerozoic O2 evolution.
Science 287: 1630–1633, 2000.6 Woodward F. I.: Stomatal numbers are sensitive to increases in CO2 from pre-industrial levels. Nature 327:
617–618, 1987.7 Wagner F.: The influence of environment on the stomatal frequency in Betula. PhD thesis. LPP Foundation,
Utrecht, 1998.8 Royer D. L.: Stomatal density and stomatal index as indicators of paleoatmospheric CO2 concentration.
Review of Paleobotany and Palynology 114: 1–28, 2001.9 Nátr L.: Zemû jako skleník. Proã se bát CO2? Academia, Praha 2005.10 Nadeau J. A., Sack F. D.: Stomatal development: Gross talk puts mouth in place. Trends Plant Sci. 8:
294–299, 2003.11 Masle J. et al.: The ERECTA gene regulates plant transpiration efficiency in Arabidopsis. Nature 436:
866–870, 2005.12 Lake J.A. et al.: Signals from mature to new leaves. Nature 411: 154–155, 2001.13 Miazawa S. et al.: Stomatal development in new leaves is related to the stomatal conductance of mature
leaves in poplar (Populus trichocarpax P. deltoides). J. Exp. Bot. 57: 329–341, 2006.14 Gray J.E. et al.: The HIC signalling pathway links CO2 perception to stomatal development. Nature 48:
713–716, 2000.15 Nátr L., Lawlor D. W.: Photosynthetic plant productivity. In: Pessarakli M. (ed) Handbook of Photosynthesis.
Second Edition, RCR Press, Taylor & Francis 2005.16 Lu Z. et al.: Stomatal conductance predicts yields in irrigated Pima cotton and bread beat grown at high
temperatures. Journal of Experimental Botany 49: 453–460, 1998.17 Tcherkez G. G. B. et al.: Despite slow catalysis and confused substráte specificity, all ribulose bisphosphate
carboxylases may be nearly perfectly optimized. PNAS 103: 7246–7251, 2006.18 Voznesenskaya E.V. et al.: Kranz anatomy is not essential for terrestrial C4 plant pfotosynthesis. Nature 414:
543–546, 2001.19 Bowes G. et al.: C4 mechanisms in aquatic angiosperms: comparisons with terrestrial C4 systems. Functional
Plant Biology 29: 379–392, 2002.20 Rebetzke G. J. et al.: Quantitative trait loci for carbon isotope discrimination are repeatable across
environments and wheat mapping populations. Theor. Appl. Genet. 118: 123–137.21 Sage R. F.: Was low atmospheric CO2 during the Pleistocene a limiting factor for the origin of agriculture?
Global Change Biology 1: 93–106, 1995.22 obecnû ãetné práce autorÛ Ehleringer J., Schnyder H.; zde ·antrÛãek J. – nepublikované v˘sledky.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
55
Proã potfiebuje lidstvo lesy?
Michal V. MarekLaboratofi ekologické fyziologie rostlin
Ústav systémové biologie a ekologie AV âR, v. v. i.
Historie lidstva je dána mimo jiné i koexistencí s lesními ekosystémy. Nûkterá lidská spoleãenství byladokonce, a v souãasnosti i nadále jsou, pfiímo existenãnû spjata s lesem. V souãasné evropské spoleã-nosti je zajisté tato vazba rozvolnûná, ale i nadále zÛstává fiada vazeb jako:
i) ekonomické dÛvody – les je zdrojem obnovitelné a velmi cenné dfievní surovinyii) ekologicko-krajináfiské dÛvody – v na‰ich podmínkách les tvofií mnohdy finální fázi v˘voje eko-
systémÛ a lesní ekosystémy tvofií pátefi ekologické stability kontinentu s v˘raznou estetickou funk-cí a jsou v˘znamnou sloÏkou biologické rozmanitosti
iii) mimoprodukãní funkce lesa – vodohospodáfiské, pÛdoochranné a rekreaãní funkce lesa. K tûm pfii-stupuje i nová v˘znamná funkce lesních ekosystémÛ – v˘znamn˘ch dlouhodob˘ch a mohutn˘chdeponií atmosférického uhlíku
V dal‰ím textu bych se soustfiedil na jednu v˘znamnou komponentu lesního ekosystému, tj. systémulesních dfievin, tedy stromÛ. Jsem si vûdom jistého zjednodu‰ení, ale pro tuto úvahu to povaÏuji za do-stateãné. Co je moÏné zdÛraznit jako specifické vlastnosti lesa?
i) les vût‰inou zabírá velkou plochu, je tedy velkoplo‰n˘m prvkem krajinyii) stromy jsou obvykle velk˘ch rozmûrÛ, jejich architektura je v˘razn˘m prvkem interakcí mezi lesem
a vnûj‰ím prostfiedím (prostorová a funkãní diferenciace)iii) les má jednoznaãné systémové atributy, vymûÀuje se sv˘m okolím energii, látky a informace.
Struktura tohoto systému, tedy to, co naz˘váme prostorovou a druhovou v˘stavbou lesa, v˘raznûovlivÀuje v˘sledné chování, tedy fungování, systému (napfi.: rozdíl mezi vysázenou lesní kulturoua lesem tvofiící tûsn˘ korunov˘ zápoj, stabilita lesního porostu spojená s jeho druhovou skladbouapod.)
iv les se vyznaãuje znaãnou diferenciací, jiÏ zmínûnou prostorovou diferenciací (architektura korun,rozmístûní stromÛ prostoru) a navíc i diferenciací funkãní (stinn˘ a slunn˘ typ listoví)
Lesní porost je v˘konn˘m v˘mûníkem energie a látek. Základem je pfiíkon sluneãní energie promûnnév ãase. Tato radiace pohlcena lesním porostem (procesy fotosyntetické asimilace a transpirace) prostu-puje korunovou vrstvou a je touto vrstvou odráÏena. Tento energetick˘ vstup ovlivÀuje vlastní mikro-klima porostu a je pfiíãinou rozsáhlého kolobûhu látek (cyklus uhlíku, vodní reÏim, cyklus dusíkuapod.). Prostorová diferenciace pak zpÛsobuje, Ïe v porostu existuje v˘razná vertikální (ale i horizon-tální) diferencovanost mikroklimatick˘ch prvkÛ (vertikální profil pronikajících sluneãní radiace, teplo-ty a vlhkost vzduchu, rychlost proudûní vzduchu v korunové vrstvû), distribuce listové plochy v koru-novém tûlese a v˘razné rozli‰ení fyziologick˘ch parametrÛ (stinn˘ a slunn˘ asimilaãní aparát).V˘razná prostorová dimenze stromÛ, a s tím spojená existence zfietelného povrchu korun, v˘raznûovlivÀuje stupeÀ „v˘mûny energie a látek. Toto je velice specifická vlastnost. Ve vertikálním profilu ko-run existuje velice rozdílná míra „spfiaÏení“ (angl. coupling) mezi mikroklimatick˘mi parametry povr-chu listu a pfiilehlou vrstvou atmosféry. Uveìme pfiíklad kontroly otevfienosti prÛduchu na jehlicíchv horní ãást a dolní ãásti korunové vrstvy hustého smrkového prostu. Jehlice je prostorovû pomûrnûmal˘ objekt, a tak je obtékán proudem vzduchu velmi intenzivnû. To znamená, Ïe mikroklimatické pa-rametry na povrchu listu, které ovlivÀují otevfienost/uzavfienost prÛduchové ‰tûrbiny, jako je napfi. rych-lost proudûní vzduchu kolem povrchu, teplota povrchu listu, hodnota deficitu vodních par, koncentra-ce CO2 na povrchu listu, je v˘raznû ovlivnûna, je „vynucena“ právû vlastnostmi – hodnotami tûchtoparametrÛ proudícího vzduchu kolem listu. Tento stupeÀ spfiaÏení, vynucení vlastností na povrchu lis-tu je silnû vertikálnû diferencovan˘ v závislosti na profilu rychlosti proudûní vzduchu korunovou vrst-vou porostu (tato rychlost exponenciálnû ub˘vá smûrem dovnitfi korundové tûlesa). Proto jsou u jehlicna povrchu koruny, tam kde je silné proudûní vzduchu, mikroklimatické parametry pfiedev‰ím ovliv-
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
56
S
nûny vlastnostmi vzduchu. Jsou povrchu listu „vnuceny, a tedy otevfienost prÛduchÛ není urãena zá-kladní energetickou bilancí (vstup krátkovlnné radiace, bilance krátkovlnná/dlouhovlnná adice apod.).Naproti tomu jehlice uvnitfi korunové vrstvy, tam, kde je proudûní vzduchu slabé, mají mikroklima po-vrchu listu v˘hradnû fiízené v závislosti na energetické bilanci. Ve vertikálním profilu nûkolika metrÛ jeotevíraní prÛduchÛ a tím i regulace plynové v˘mûny stromu (v˘dej ãi pfiíjem CO2 a vodní páry) tak v˘-raznû a odli‰nû fiízena.Bylo jiÏ zmínûno, Ïe velice promûnlivá je úroveÀ sluneãní radiace, která dopadá na jednotlivá patra li-stoví uvnitfi korunové vrstvy. Tato diferenciace má svÛj integraãní úãinek a je pfiíãinou toho, Ïe dochá-zí k zásadní fyziologické diferenciaci listoví. V korunové vrstvû lesního porostu se tvofií zfietelnû dife-rencované listoví, které se odli‰uje jak morfologicky (odli‰ná struktura, velikost listÛ/jehlic) tak, a topfiedev‰ím, parametry fyziologick˘ch reakcí. Nacházíme slunn˘ a stinn˘ typ asimilaãního aparátu ve‰kále pfiechodÛ (polostinn˘ nebo pfiíleÏitostnû slunn˘/stinn˘ list, stinn˘/slunn˘ list vystaven˘ náhlémuintenzivnímu osvûtlen˘/, zastínûní).V dÛsledku toho se korunová vrstva zapojeného lesní porostu jeví jako velmi heterogenní systém foto-syntetické produkce s v˘raznou vertikální diferenciací. Je zfiejmé, Ïe podíl jednotliv˘ch vrstev koruno-vé vrstvy na celkové fotosyntetické produkci je velmi odli‰n .̆ Tyto pomûry mÛÏe zmûnit typ sluneãníradiace, difusní radiace proniká hloubûji do korunové vrstvy porostu (Obr. 1), a tak se do pozitivní fo-tosyntetické aktivity (v dÛsledku vy‰‰ího pfiíkonu FAR) zapojují korunové vrstvy umístûné uvnitfi koru-nov˘ch tûles (Obr. 2 viz stfiední korunoví vrstva). Podobnû jako difusní radiace mÛÏe na pozitivní za-pojení spodních pater do fotosyntetické produkce zpÛsobit i probírkov˘ zásah, redukcí poãtu jedincÛna plo‰e prolomí korunová zápoj a sluneãní radiace proniká hloubûji do korunov˘ch tûles.V souvislosti s nov˘m a velice závaÏn˘m fenoménem dne‰ní doby, globální zmûnou klimatu, vyvstávávelmi v˘znamná nová role lesÛ, tj. role permanentních pump a úloÏi‰È atmosférického uhlíku. Lesyukládají uhlík do své biomasy a hlavnû do pÛdy. Lesní pÛdy vzhledem k tomu, Ïe nejsou tak ãasto vy-staveny manipulacím jako pÛdy zemûdûlské, jsou v˘znamn˘m a hlavnû dlouhodob˘m úloÏi‰tûm uhlí-ku. RovnûÏ v dfievní biomase je uhlík uloÏen pomûrnû dlouhou dobu.Lesní porost je otevfien˘ systém a pfiíjem uhlíku je ovlivnûn základní ‰kálou faktorÛ, jako je sluneãní ra-diace, její mnoÏství a typ, teplota vzduchu, úroveÀ sráÏek, nástup a konec vegetaãní sezóny, biotickéa biotické ‰kodlivé v úãinky (vítr, kalamita ‰kÛdcÛ apod.) a v neposlední fiadû antropické vlivy – cílená
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
57
Obr. 1 Distribuce frekvencí jednotliv˘ch tfiíd hod FAR v korunové vrstvû (horní a spodní ãásti) za podmínek pfiíméa difúzní radiace. (v˘skyt v intervalu 10-ti minut za 12 hodin, ãerven)Osa X: intervaly hodnota FAR, Osa Y: frekvence v˘skytu intervalu dan˘ch hodnot FAR
fytotechnika, zpÛsoby obnovy lesa (paseãné ãi podrostní hospodafie-ní, v˘bûrn˘ les). Jsou dÛkazy o tom, Ïe paseãné zpÛsoby hospodafie-ní jsou z hlediska ukládáni uhlíku velice nebezpeãné. VytûÏení stro-mÛ z dané plochy, po‰kození pÛdy, to vede k v˘raznému únikuuhlíku. Jsou dÛkazy o tom, Ïe i kdyÏ se podafií okamÏitá obnova le-sa, formou v˘sadby nov˘ch stromkÛ, tak je tato paseka po mnoho letstále zdrojem uhlíku. Proto jsou z pohledu uhlíkové bilance opûtjemné zpÛsoby hospodafiení, jako napfi. v˘bûrn˘ les, jednoznaãnûvhodnûj‰ím typem fytotechniky. Role úloÏi‰tû uhlíku v lesích, zpÛ-sob ovlivÀování tohoto deponia, vede k formulování nového oborulesnické fytotechniky tzv. „carbon forestry“. Jedná se o systém tech-nik, postupÛ v˘chovy a péãe o les, která vede k tomu, Ïe se zámûr-nû udrÏuje (napfi. podpora rÛstové fáze v˘voje porostu, omezenív‰ech postupÛ zraÀujících pÛdní povrch, ponechání odpadní bio-masy v lese) akumulaãní kapacita lesa pro atmosférick˘ uhlík.
Pro anal˘zu v˘mûny atmosférického uhlíku mezi lesním porostema pfiilehlou vrstvou atmosféry je vhodnû si uvûdomit, Ïe se jednáo dvousmûrn˘ tok. Porost pfiijímá uhlík procesy fotosyntetické asimi-lace. Uhlík je ukládán v biomase, pfies kofienové exudáty se dostávádo pÛdy. Proti tomuto toku les uhlík vydává procesy respirace (respi-race listoví, dfievní biomasy) a procesy dekompozice. Dal‰ím zdro-jem uhlíku je zvûtrávání mateãné horniny. Obecnû pro znázornûnítéto v˘mûny je vhodná aplikace modelu „big leaf“. Porost si pfied-stavujeme jako velk˘ list, kter˘ dvousmûrnû komunikuje. Tûmito ces-tami se vymûÀuje oxid uhliãit ,̆ vodní pára, latentní a zjevné teplo.Vhodnou technikou pro mûfiení této v˘mûny je metoda tzv. „eddykovariance“, pfii které je, sdostateãnou frekvencí, mûfieno proudûnívzduchu v prostoru (eddy – víry). K tomu se pouÏívá sonick˘ ane-mometr umoÏÀující mûfiení v prostoru. Na základû mûfiení tûchto
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
58
S
Obr. 2 Denní chod rychlosti pfiíjmu CO2 v horní (HKV) stfiední (StKV) a spodní (SKV) korunové vrstvû smrkovéhoporostu. Situace za pfiímé a difusní radiace, kdy dochází v dÛsledku hlub‰í penetrace FAR k v˘raznûj‰ímu zapojeníspodních korunov˘ch vrstev do pozitivní asimilaãní bilance
rychlostí a rychlého mûfiení koncentrace CO2 a vodní páry, lze stanovit sílu toku do a z porostní vrst-vy. V˘sledkem je pak stanovení hodnoty „net ecosystem exchange – NEE“, kterou lze povaÏovat za vy-jádfiení „ãisté – net“ produkce ekosystému (NPP) po pfiipoãtení hodnoty respirace ekosystému pak lzestanovit i hodnotu „hrubé“ produkce ekosystému (GPP).Hodnoty NEE (a GPP) vykazují zfietelnou sezónní dynamiku, jsou ovlivÀovány aktuálním stavem po-ãasí pfiíkonem sluneãní radiace, teplotou a dostupnosti vody.
Lesní porost v porovnání s ostatními typy ekosystému je skuteãnû velmi v˘znamn˘m úloÏi‰tûm uhlíku,coÏ má své pfiíãiny:Velká o dobfie uspofiádaná listová plocha umoÏÀující dané porostní struktufie dosahovat pomûrnû vy-sok˘ch hodnot efektivnosti vyuÏití radiace1. Dlouhá doba aktivního pfiíjmu uhlíku. Napfi. smrkov˘ prost je aktivním pfiíjemcem uhlíku poãátkem
mûsíce bfiezna2. Má velmi vysok˘ pomûr NEE/respirace ekosystému
Porovnáním vypl˘vá (Obr. 4), Ïe les skuteãnû dosahuje dlouhodobû vyrovnané hodnoty NEE. Agro-systém sice vykazuje nejvy‰‰í absolutní NEE, ale v krátké dobû a za cenu vysoké dodatkové energienutné k dosaÏení asimilaãního v˘konu systému. Horsk˘ luãní porost, kter˘ není obhospodafiován, po-mûrnû záhy pfiestává b˘t úloÏi‰tûm uhlíku. Akumulace mrtvé biomasy v˘raznû zvy‰uje hodnotu eko-systémové respirace pomûr asimilace/respirace je velmi nízk .̆Architektura korun lesního porostu je skuteãnû v˘razn˘m faktorem ovlivÀující hodnotu NEE, velmi za-jímavé v˘sledky dokládají mûfiení NEE pro dny s rozliãn˘m typem sluneãní radiace, tedy jasné dnys pfiímou radiací, dny s oblaky – maximální difusní radiace a zataÏené dny s nízk˘m pfiíkonem sluneã-ní radiace.
Velmi ãasto diskutovanou otázkou je porovnání listnatého a jehliãnatého lesa s ohledem na akumula-ci uhlíku. âásteãnou odpovûì pfiiná‰ejí v˘sledky prvních mûfiení uskuteãnûn˘ch v bukovém lese (vûk
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
59
Obr. 3 Sezónní chod NEE smrkového porostu v prÛbûhu ãtyfi vegetaãních sezón. Modrá barva maximální NEE, ãer-vená barva v˘dej uhlíku.
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeee
60
S
Obr. 4 Sezónní chod NEP ve ãtyfiech typech ekosystémÛ âR. (horsk˘ smrkov˘ porost, horská louka, agrosystéma mokfiad) v letech 2005–2008. Hodnoty pod osou – P¤ÍJEM uhlíku, hodnoty nad osou V¯DEJ uhlíku.
Tab. 1 Hodnoty NEP pro základní typy radiaãní expozice u rÛzn˘ch typÛ ekosystémÛ. V závorce je uvedeno pro-cento trvání této expozice v celé délce vegetaãní sezóny. Stanoveno se sekvence tfii vegetaãních sezón 2006–2008.
90 let) v Bíl˘ch Karpatech. V roce 2009 zapoãalo mûfiení NEE a respirace ekosystému technikou eddykovariance.Pfiedev‰ím je patrná velká respirace ekosystému buku na poãátku sezóny. To je dáno jednak intenziv-ním rozvojem vegetace a aktivity pÛdních mikroorganismÛ je‰tû pfied vytvofien˘m plného listového zá-poje a tím i v˘razn˘m omezením pfiístupu svûtla. Navíc je respirace bukového porostu v˘raznû ovliv-nûna intenzivním nárÛstem listové plochy. Smrkov˘ porost naproti tomu vykazuje v tomto obdobípomûrnû konstantní rychlost respirace. To je dáno i tím, Ïe na povrchu pÛdy dlouho leÏela snûhová po-kr˘vka. Nástup pozitivních hodnot GEP u smrku v porovnání s bukem je pfiedev‰ím dán tím, Ïe buko-v˘ porost formuje listovou plochu. Mohutná respirace ekosystému v bukovém prostu na poãátku sezo-ny v˘raznû ovlivÀuje celkov˘ prÛbûh NEE. Je tfieba ale pfiipomenout, Ïe v prÛbûhu sezóny se trend NEEu buku velmi pfiibliÏuje hodnotám NEE u smrku. Je jisté, Ïe „v˘hoda“ smrkového úloÏi‰tû uhlíku tkvív del‰í vegetaãní sezónû a niωí hodnotû ekosystémové respirace.
Na závûr nûkolik ãísel o tom, co dokáÏe 1 hektar lesa za rok:– zadrÏí ve své biomase a pÛdû 15 t CO2, coÏ se rovná emisím CO2 z na‰eho auta cestou dvakrát ko-
lem Zemûkoule– zachytá energii rovnající se spálení 18 t hnûdého uhlí– za sluneãného dne odpafií 40 000 litrÛ vody, to je chladící efekt, jako by na kaÏdém m2 stály 2,5 led-
niãky– za rok vyrobí 10 t kyslíku, coÏ je spotfieba vystaãující pro 38 osob
Uvedené postfiehy o chování systému zvan˘m les nás snad opravÀují k jistému emociálnû ladûnémuzávûru: mûjme les rádi, dûlá toho pro nás opravdu mnoho!!
SSSSeeeemmmmiiiinnnnááááfifififieeeeS
61
Obr. 5 Prvky produkãní bilance pro smrkov˘ (40 let) a bukov˘ (80 let) porost v první polovinû vegetaãní sezóny2009
KKKKoooonnnnffffeeeerrrreeeennnncccceeee
62
K
Setkání nadûjného mládí rostlinné fyziologie nad odhalováním tajemství rostlin
7. mezinárodní konference Ph.D. studentÛ oborÛ experimentální biologie se tentokrát uskuteãnila v univerzitním mûstû Brnû
na Mendelovû zemûdûlské a lesnické univerzitû pod názvem
„News – what the plants told us“
Pofiadatelem a garantem konference byla MZLU Brno ve spolupráci s âSEBR, MU Brno a KFAR PfiF UKPraha. Konference se konala na pfielomu ãervna a ãervence 30.6. – 1.7. 2009 v pfiíjemném prostfiedínového pavilonu Q a byla nabitá mladistv˘m elánem. Konference se zúãastnilo 46 úãastníkÛ ze tfií ze-mí; vût‰ina byla z âR (34), silnû byla zastoupena SR (10) a dvû úãastnice byly z Ukrajiny. V rámci dlou-hodob˘ch stáÏí na tuzemsk˘ch pracovi‰tích se zúãastnili i dva kolegové z Indie.Program byl také velmi nabit˘ a cel˘ první pÛlden byl vûnován hormonÛm. Dominantním tématem by-ly cytokininy a osvûtlení mnoha aspektÛ jejich funkce v rostlinách, od organogeneze, pfienosu signálu,metabolismu aÏ po detailní proteomické anal˘zy genÛ ãasné odpovûdi. Velká pozornost byla vûnová-na i roli auxinu a jeho transportních a vazebn˘ch proteinÛ, vãetnû regulace jeho transportu prostfied-nictvím strigolaktonu. Mnoho pfiíspûvkÛ odráÏelo diskutované problémy Ïivotního prostfiedí a bylo za-mûfieno na fyziologii stresu, odolnost rostlin vÛãi biotick˘m a abiotick˘m ãinitelÛm, objevily sei pfiíspûvky vûnující se pÛdní biotû a zmûnám obsahu organického uhlíku a také vyuÏití anal˘zy DNApro potravináfiské úãely pfii detekci GMO produktÛ. Diskutované byly i moÏnosti genetické eroze dlou-hodobû uchovávan˘ch genetick˘ch zdrojÛ a kryoprezervace. Také fotosyntéza a rÛzné aspekty pfiíjmuCO2 byly tématem nûkolika prezentovan˘ch prací, jako základní procesy, bez kter˘ch by Ïivot na ze-mi neexistoval.Celkovû mûla konference vysokou odbornou úroveÀ a pfiispûla k v˘mûnû zku‰eností a navázání mno-ha uÏiteãn˘ch kontaktÛ, mimo jiné i díky neopakovatelné atmosféfie pfii pfiátelském neformálním pose-zení pfii komornû ladûné hudbû jazzového tria a nad sklenkou vína ze ·kolního zemûdûlského podni-ku MZLU v Îabãicích.Vyvrcholením konference bylo udûlení ocenûní, coÏ byl velmi obtíÏn˘ úkol, kterého se ujala komiseve sloÏení: doc. Jana Albrechtová, Dr. Jaroslava Dubová, Dr. N. S. Kiran, doc. Marie Kummerová, Dr.Peter Váczi a Dr. Zuzana Lhotáková.
Ocenûní:1. místo: Katefiina Václavíková, UP Olomouc2. místo: Martin âern ,̆ MZLU Brno3. místo: Andrej Pavloviã, KU Bratislava a Daniel Vrábl, JU â. Budûjovice
Zvlá‰tní ocenûní poroty: Tereza Kolouchová, MU Brno a Viktor Demko, KU Bratislava
Tfie‰niãkou na dortu byla závûreãná exkurze do sbírky orchidejí a procházka nejkrásnûj‰ími zákoutímibotanické zahrady a arboreta MZLU. Nejen rostliny nám na konferenci nûco „prozradily“, ale pfiede-v‰ím mladí úãastníci konference nám fiekli jasnû: „Jsme tady, vdûãní za rady zku‰enûj‰ích kolegÛ, na-d‰ení objevovat a zkoumat, poãítejte s námi“.
Helena Vla‰ínová
KKKKoooonnnnffffeeeerrrreeeennnncccceeeeK
63
âo sa dialo na konferencii doktoradov v Brne: retrospektíva
Andrej PavloviãKatedra fyziológie rastlín, Prírodovedecká fakulta,
Univerzita Komenského v Bratislave
Pre dni 30. Jún a 1. Júl som mal v kalendári poznámku: Konferencia mlad˘ch, Brno. Teda oficiálnymnázvom: „7th international conference of Ph.D students on experimental plant biology“. Na konferen-ciu sme sa vybrali pre istotu deÀ vopred a ako sa ukázalo, spravili sme dobre, nakoºko v˘luka na Ïe-lezniciach s následn˘m odklonením dopravy nám cestu do Brna poriadne predæÏila. Po dlhej ceste vla-kom, ktor˘m by sme za beÏn˘ch podmienok boli moÏno uÏ aj v Prahe, nás ãaká e‰te cesta elektriãkouv Brne, aby sme dosiahli dne‰nú koneãnú zastávku, miesto ná‰ho nocºahu – Tauferove koleje. Po minu-loroãnej konferencii v Nov˘ch Hradoch takmer na vidieku je nám jasné, Ïe tentoraz sa hluku veºko-mesta nevyhneme. Na druh˘ deÀ, teda v prv˘ deÀ konferencie, sme sa vydali pre istotu s dostatoãn˘mãasov˘m predstihom hºadaÈ Agronomickú fakultu Mendlovej univerzity. Zdá sa, Ïe sme nezablúdilia na miesto sme dorazili vãas. E‰te sa zaregistrovaÈ a konferencia sa môÏe zaãaÈ. Poradie predná‰ok jeobvyklé, ako sa uÏ pomerne dobre na „rastlinn˘ch“ konferenciách zauÏívalo. Zaãíname fytohormón-mi a konãíme fotosyntézou. Úvodnej „moderátorskej“ úlohy sa chopil hostiteº Vilém Reinöhl a zvládaju bez problémov. S podtitulom “what the plants told us“ a fotografiou krásnej orchideje v jeho úvod-nej prezentácii je mi jasné, Ïe tieto rastlinky sú jeho vá‰Àou. Predná‰ková miestnosÈ je pomerne veºkáa pri takej malej konferencii pôsobí aj v prítomnosti v‰etk˘ch úãastníkov ako prázdna. Aj tak mám v‰akpocit, Ïe sa jej zúãastnilo viac úãastníkov ako vlani v Nov˘ch Hradoch. Navy‰e mám dojem, Ïe kon-ferencia sa uÏ stáva naozaj medzinárodnou a nie len ãesko-slovenskou. Dve pôvabné ukrajinské dok-torandky dodávajú konferencii medzinárodnú tvár. Predná‰ky sa striedajú jedna za druhou s pravidel-n˘mi „coffe breakami“, ktoré nám dodávajú potrebnú energiu. âasov˘ limit 20 minút je zdá sa preväã‰inu predná‰ajúcich dostatoãn˘ na to, aby v‰etk˘ch oboznámili, ão im ich rastliny za posledn˘ rokpovedali (podtitul konferencie: what the plants told us). O 19:00 je na programe “Get together party“.·védske stoly dávajú kaÏdému moÏnosÈ vybraÈ si podºa chuti. A pretoÏe sa nachádzame v blízkosti vy-ch˘renej vínnej oblasti, nech˘ba na zapitie dostatok miestneho kvalitného vína. Vonku na terase si roz-baºuje nástroje jazzová kapela, záruka, Ïe to bude naozaj pohodov˘ veãer. E‰teÏe poãasie sa umúdri-lo a napriek zopár kvapkám z oblohy sa vyjasnilo. Pri stoloch sa diskutuje, najprv po skupinkách,neskôr sa v‰ak sedí v rovnocennom kruhu. Hostitelia sa starajú, aby poháriky neboli nikdy prázdne.Docentka Albrechtová sa snaÏí zaviesÈ spoloãenskú hru, no zdá sa, Ïe hra je veºmi nároãná na sústre-denie, ako aj na fyzickú námahu (treba si pri nej obãas poskoãiÈ), preto sa jej veºmi r˘chlo vzdávame.T˘ch ão zajtra ãakajú e‰te predná‰ky, odchádzajú skôr, niektorí v‰ak aj napriek tomu ostávajú. Veºmir˘chlo sa zotmelo a musíme myslieÈ aj na návrat na internát, ak nechceme ísÈ noãn˘m spojom. Tomusa nakoniec aj tak nevyhneme. Na druh˘ deÀ opäÈ pokraãujú predná‰ky pravidelne preru‰ované „cof-fe breakami“. V‰etko uzatvára závereãné udelenie diplomov a cien za najlep‰ie prezentácie. Táto po-sledná ãasÈ je v rukách profesorky Albrechtovej, ktorá závereãnú úlohu zvládla v˘borne, chvíºami somaÏ uvaÏoval, Ïe by z nej bola dobrá televízna moderátorka. Poz˘va nás na budúcoroãnú konferenciudo Prahy. Program konferencie definitívne ukonãuje aÏ náv‰teva miestnej botanickej záhrady, kde simyslím pri‰iel kaÏd˘ milovník rastlín na svoje, ão by sme teda mali byÈ asi v‰etci. Uchvátila ma obrov-ská zbierka orchideí v niekoºk˘ch skleníkoch, ktorá ako sa dozvedám, tu má uÏ niekoºkoroãnú tradí-ciu. Prehliadame si nielen skleníky pre verejnosÈ, ale aj zásobné skleníky plné vzácnych druhov. Akofanú‰ik tejto skupiny rastlín tu nachádzam skutoãné klenoty z rí‰e orchidejí, ako sú napríklad ãrieviã-níky Paphiopedilum lowii, Paphiopedilum rothschildianum, ãi Mexipedium xerophyticum. Zdá sa mi,Ïe tu majú snáì kaÏd˘ druh, na ktor˘ sa sp˘tam. Musím uznaÈ, Ïe väã‰iu a kraj‰iu zbierku orchideí some‰te nevidel. V botanickej záhrade sa pomaly rozchádzame a myslíme na návrat domov.Na sklonku môjho doktorandského ‰túdia to bola uÏ posledná konferencia doktorandov v odbore ex-perimentálnej biológie rastlín. Poãas môjho ‰túdia som sa zúãastnil v‰etk˘ch doktorandsk˘ch konfe-rencií, ãi uÏ v Modre, Nov˘ch Hradoch alebo tento rok v Brne a neºutujem. Myslím si, Ïe neexistujelep‰ia príprava na profesijnú dráhu vedca ãi vysoko‰kolského uãiteºa. KaÏd˘ z nás tu zistí, v ãom sú je-
KKKKoooonnnnffffeeeerrrreeeennnncccceeee
64
K
ho nedostatky. Niekto má perfektn˘ v˘skum, no v jeho úspe‰nej prezentácii mu bráni slab‰ia znalosÈangliãtiny, niekto môÏe svojim monotónnym hlasom dokonca uspaÈ publikum, niekto zasa hladí nasvoju prezentáciu tak, Ïe ani nevie ako publikum vyzerá. To sú v‰etko problémy o ktor˘ch vieme a ÈaÏ-ko sa ich zbavujeme. Niekedy sa bojíme poloÏiÈ otázku, pretoÏe si nie sme istí, ãi ju v angliãtine vy-slovíme správne. V tom v‰etkom nám má tento typ konferencií pomáhaÈ. A teraz apelujem na ‰tuden-tov, ktorí stále váhajú, ãi sa takejto konferencie majú zúãastniÈ. Je to pre vás v˘borná príleÏitosÈ, ako sivyskú‰aÈ tu, v prostredí seberovn˘ch kolegov, ako dokáÏete svoje v˘sledky predaÈ publiku. Nehovori-ac o tom, Ïe sa dozviete mnoho nov˘ch zaujímav˘ch vecí, na ktor˘ch pracujú va‰i kolegovia a spo-znáte ºudí takpovediac zo svojho „fachu“. Som rád, Ïe organizátori spravili z tejto konferencie kaÏdo-roãnú príleÏitosÈ, ão umoÏÀuje, hádam aspoÀ ãiastoãne vytváraÈ urãité prepojenia medzi mlad˘midoktorandami na rôznych pracoviskách, ako aj udrÏiavaÈ kontinuitu dobr˘ch ãesko-slovensk˘ch vzÈa-hov. V mene v‰etk˘ch zúãastnen˘ch.
ëakujeme!
KKKKoooonnnnffffeeeerrrreeeennnncccceeeeK
65
KKKKoooonnnnffffeeeerrrreeeennnncccceeee
66
K
Struktura a funkce antarktick˘ch terestrick˘ch ekosystémÛPostfiehy a poznatky z elektronické konference,
Brno, 22. – 23. 9. 2009
Pravdûpodobnû hned na zaãátku si jako ãtenáfi poloÏíte dvû základní otázky: „Proã informace o an-tarktické konferenci na pÛdû rostlinnû-experimentálního ãasopisu?“ a „Proã vlastnû elektronická kon-ference?“ Odpovûdí na první otázku je fakt, Ïe biologick˘ ãesk˘ antarktick˘ v˘zkum se orientuje dooblasti ekologie vegetaãních antarktick˘ch oáz a jeho tûÏi‰tû je jak v terénní práci zamûfiené na popisantarktick˘ch autotrofÛ, tak na studium jejich ekologick˘ch a fyziologick˘ch vlastností. Reakce fias, si-nic, mechÛ a li‰ejníkÛ na promûnlivé a ãasto extrémní fyzikální faktory prostfiedí jsou v rámci tohotoprogramu zkoumány jak in situ, tak pomocí experimentÛ v fiízen˘ch laboratorních podmínkách (blíÏeviz Bulletin ã. 1, 2008). Proto tedy nûkolik následujících odstavcÛ charakterizujících konferenci a pfiís-pûvky na ní prezentované.Odpovûì na druhou otázku je ponûkud komplikovanûj‰í. Zahrnuje v sobû nûkolik základních aspek-tÛ. Elektronická konference nese jednak peãeÈ moderních informaãních technologií, jednak pragma-tickou rovinu vynucenou prost˘m srovnáním rozpoãtu konference obvyklého typu a konference elek-tronické. Souãasná sloÏitá situace ve financování vûdy nás ãasto navede na nûkterá neobvyklá fie‰enísituací, které jsme si zvykli fie‰it rutinnû a s jistou setrvaãností, fieknûme, tradiãnû. Proto nám nápaduspofiádat kvÛli nedostateãnosti finanãních zdrojÛ namísto obvyklé konference konferenci elektronic-kou v první chvíli pfiipadal jako z nouze ctnost. Po relativnû krátkém ãase nûkolika t˘dnÛ jsme v‰ak nazákladû detailního prÛzkumu podobn˘ch odborn˘ch akcí na webu a intenzivního kolektivního brain-stormingu na téma jak by taková konference mûla vypadat, do‰li k závûru, Ïe by to nemuselo b˘t ‰pat-né a Ïe se o to pokusíme. Zprvu jsme se, jako organizátofii, domnívali, Ïe úãast na elektronické akcinebude pfiíli‰ veliká, neboÈ v dne‰ní dobû nepfiebern˘ch moÏností prezentovat prostfiednictvím inter-netu vûdecké v˘sledky na webu individuálním zpÛsobem se „organizovaná prezentace“ nesetká s ‰i-rokou odezvou. Po zvefiejnûní první elektronické v˘zvy jsme v‰ak byli velmi pfiíjemnû pfiekvapeni, ne-boÈ se pfiihlásily nejen v‰echny ãeské odborné t˘my, které uskuteãÀují svÛj v˘zkum v oblasti Antarktidy,ale i fiada zástupcÛ zahraniãních skupin (Polsko, Ukrajina, Itálie, Rumunsko, Dánsko), takÏe nakonecjsme mohli konferenci oznaãit jako mírnû mezinárodní.Elektronická konference, lze-li to u odborn˘ch akcí tohoto typu fiíci, se konala v Brnû na webovém pro-storu domény Pfiírodovûdecké fakulty Masarykovy Univerzity na adrese uvedené v posledním odstav-ci tohoto pfiíspûvku. Konference byla zamûfiena na souãasné poznatky o struktufie a funkci antarktic-k˘ch terestrick˘ch ekosystémÛ. Tématicky byla ãlenûna do odborn˘ch sekcí: (1) Struktura ekosystémÛ– abiotické sloÏky, biotické sloÏky, (2) vy‰‰í rostliny – biodiverzita, produkce, interakce s fyzikálnímifaktory, mikroklima, stresová fyziologie, (3) mechy a li‰ejníky – biodiverzita, produkce, interakce s fy-zikálními faktory, mikroklima, stresová fyziologie, (4) terestrická mikrobiota vãetnû fias a sinic, (5) tere-striãtí Ïivoãichové (obratlovci) – populaãní biologie, etologie, fyziologie, (6) terestriãtí Ïivoãichové(bezobratlí) – populaãní biologie, etologie, fyziologie. Úãastníci konference se mohli zúãastnit buìprezentací jednostránkového abstraktu nebo rozsáhlej‰ího pfiíspûvku. V obou pfiípadech byla pfiede-psána pevná formální struktura a v‰echny prezentace podléhaly jazykové a odborné korektufie. I pfiestato omezení se ve sborníku se‰lo celkem 21 prezentací, coÏ byl s ohledem na úzce vymezené témakonference velmi dobr˘ v˘sledek. Prezentace byly hojnû doplnûny v˘sledkov˘mi grafy, tabulkamia mnoha fotografiemi, takÏe listování a ãtení v Book of Abstracts and Contributed Papers bylo velmi pfií-jemné a zaujalo i ãtenáfie mimo skupinu polárních biologÛ. Zámûrnû je uvedeno „listování“, neboÈkromû elektronické verze sborníku vy‰la i jeho ti‰tûná verze, která byla rozeslána úãastníkÛm konfe-rence, koordinátorÛm evropsk˘ch národních polárních programÛ a dal‰ím zájemcÛm o polární biolo-gii z fiad odborné vefiejnosti.Nakonec jen nûkolik such˘ch popisn˘ch a statistick˘ch údajÛ. Konference trvala dva dny. První den by-la zvefiejnûna elektronická verze sborníku, druh˘ den probíhala on-line elektronická diskuse formouchat-u. Doprovodn˘mi akcemi prvního dne bylo pracovní zasedání ãeského Národního centra pro v˘-zkum polárních oblastí a popularizaãní pfiedná‰ka pro vefiejnost proslovená na téma: Antarktida, kon-tinent znám˘ i neznám .̆ Celkov˘ poãet autorÛ a spoluautorÛ zahrnut˘ch do sborníku elektronické
KKKKoooonnnnffffeeeerrrreeeennnncccceeeeK
67
konference byl 37. Poãet stran sborníku byl (a je) 71. Za dÛleÏitou skuteãnost lze povaÏovat, Ïe sbor-ník je od roku 2006 první publikací, která soubornû prezentuje v˘sledky ãesk˘ch odborníkÛ dosaÏenév oborech biologie a ekologie rostlin na ostrovû Jamese Rosse. Právû v roce 2006 byla totiÏ dobudo-vána ãeská v˘zkumná antarktická stanice J.G. Mendel na ostrovû Jamese Rosse a od té doby slouÏí ães-ké a v men‰í mífie i mezinárodní vûdecké komunitû pfii v˘zkumu „bílého kontinentu“.Pokud Vás tedy zajímají dal‰í detaily elektronické konference nebo „osudy“ rostlin a ostatních auto-trofních organismÛ v Antarktidû, mÛÏete fiadu zajímav˘ch informací nalézt na adrese http://www.sci.muni.cz/antarctic09/, kde je k dispozici elektronická verze sborníku konference.
Za organizátory konference,Milo‰ Barták
KKKKoooonnnnffffeeeerrrreeeennnncccceeee
68
K
Ivan ·etlík
Ivan ·etlík zasvûtil svÛj Ïivot vûdû a bádání v oborech fotosyntézy, biologie a biotechnologie fias. Bylrozhodující a nepfiehlédnutelnou postavou fotosyntetického v˘zkumu v âeskoslovensku posledních50ti let.
Ivan se narodil v Praze 4. prosince 1928 a vyrÛstal v mimofiád-nû intelektuálnû stimulujícím rodinném prostfiedí. Po ukonãenígymnázia zaãal v roce 1947 studovat biologii na Pfiírodovûdec-ké fakultû Univerzity Karlovy. Tam jej rozhodujícím zpÛsobemovlivnil Silvestr Prát, profesor Ústavu fysiologie rostlin, kter˘ sestal i ‰kolitelem jeho disertaãní práce. JiÏ na fakultû se Ivan za-ãal zab˘vat studiem fotosyntézy sinic a záhy proslul zanícenímpro práci v laboratofii a nadáním pro navrhování a konstrukcisloÏit˘ch laboratorních aparatur. Dodnes se vyprávûjí historkyo tom, jak Ivan ve své sklepní laboratofii trávil doslova celé dnynepfietrÏit˘mi pokusy, pfii kter˘ch studoval kinetiku v˘voje kyslí-ku u sinic. Ivan mûl pfiirozenou autoritu a neobyãejné charisma,díky kter˘m si na svou stranu rychle získával své kolegy, stu-denty a posluchaãe. Za normálních okolností by Ivana jistû ãe-kala úspû‰ná kariéra v akademickém prostfiedí. Jeho nekon-formní osobní i vûdecké postoje ale záhy narazily na realitustalinistického prostfiedí ãeské univerzity padesát˘ch let a po
získání doktorátu musel Ivan z fakulty odejít. Shodou náhod dostal v roce 1955 nabídku zaloÏit v˘-zkumnou skupinu pfii novû vzniklé Botanické zahradû SAV v Ko‰icích. I kdyÏ hlavním smûrem v˘zku-mu byly pfiedev‰ím nové metody mûfiení produktivity vy‰‰ích rostlin, Ivana zaãaly zajímat fiasy jakomodelové fotosyntetické mikroorganismy i jako moÏn˘ zdroj kvalitní biomasy. V Ko‰icích vznikly prv-ní modelové experimentální venkovní plo‰iny pro pûstování fias. Do osudu Ivana i celé jeho skupinyale zanedlouho opût zasáhly politické turbulence, a proto jiÏ v roce 1960 z Ko‰ic odcházejí zpût doâech. VyuÏili velkorysé nabídky akademika Ivana Mládka a zaãali se v Tfieboni plnû vûnovat moÏnos-tem biotechnologického vyuÏití fias. Bûhem velmi krátké doby se v horeãném tempu podafiilo vybudo-vat nové pracovi‰tû a zprovoznit a otestovat velkoplo‰né zafiízení na produkci fias. Pfii konstrukci ven-kovních kultivaãních plo‰in byl vyuÏit revoluãní princip pûstování fias v tenk˘ch, dobfie prosvûtlen˘cha provzdu‰nûn˘ch vrstvách, díky kterému plo‰iny vynikaly velkou úãinností a produktivitou. Tehdy,v polovinû ‰edesát˘ch let se ãeskoslovensk˘ v˘zkum fotosyntézy dostal na svûtovou úroveÀ. PÛvodnískupina se rychle rozrostla a stala se samostatn˘m oddûlením Mikrobiologického ústavu âSAV. V˘-zkumné zamûfiení se roz‰ífiilo a pokr˘valo ‰irokou oblast biologie fias – od taxonomie, genetiky, fyzio-logie aÏ po biotechnologii. Ivan se vrátil ke studiu fotosyntézy, v té dobû jej zajímala otázka limitacefotosyntetické produktivity fias. Stál u zrodu ãasopisu Photosynthetica a v roce 1969 v Tfieboni zorga-nizoval proslulé mezinárodní sympozium ‘Productivity of Photosynthetic systems’. Období rozkvûtuvystfiídala atmosféra normalizace, která Mikrobiologick˘ ústav postihla obzvlá‰tû silnû. Dal‰í rozvoj bi-otechnologií byl na dlouhé roky zastaven, mnohé bylo zniãeno, mnozí ode‰li, kontakty byly zpfietrhá-ny. Ivan v‰ak zÛstal a plnû se soustfiedil na práci v laboratofii, publikoval v˘znamné studie o regulacibunûãn˘ch cyklÛ fias. S oblibou studoval fotosyntézu modelového organismu, zelené fiasy Scenedes-mus quadricauda. Tak se pozdûji dostal aÏ ke studiu fotoinhibice a dynamiky fotosystému II. Do kaÏ-dého nového v˘zkumného tématu se pustil s ohromn˘m zaujetím, odhodláním a vnitfiní poctivostí.Problém nepovaÏoval nikdy za vyfie‰en˘ a uzavfien .̆ Se spolupracovníky a studenty fiídil sloÏité a ná-roãné, ãasto celonoãní experimenty. DÛleÏitou ãástí práce byla konstrukce nov˘ch aparatur a pfiístro-jÛ, které se prÛbûÏnû vyvíjely a zdokonalovaly. Podílel se na úspû‰ném pokusu Chlorella na sovûtskékosmické lodi Saljut. Jako ‰kolitel studentÛ byl Ivan extrémnû nároãn˘ a kritick˘ na odbornou úroveÀ,ale dovedl b˘t vÏdy laskav˘ a mil .̆ Pro studenty sestavil nûkolik uãebních textÛ, ve kter˘ch se snaÏilshrnout souãasné znalosti o fotosyntéze. Já jsem se s Ivanem poprvé setkal na sklonku 80. let jako ãer-stv˘ absolvent praÏské univerzity. Bylo léto a Ivan mne v Tfieboni pfiivítal velmi neformálnû, s kapesní-
RRRRoooozzzz lllloooouuuuããããeeeennnnííííR
69
kem na hlavû jako ochranou proti slunci. KdyÏ jsem pak je‰tû poznal atmosféru v laboratofii, která setak li‰ila od toho, co jsem znal z fakulty v Praze, vûdûl jsem, Ïe se nacházím na onom „ostrÛvku pozi-tivní deviace“ v mofii ‰edi tehdej‰í reality. Zadostiuãinûním pro Ivana byl rok 1989. S novou energiíotevfiel tfieboÀskou laboratofi kontaktÛm se svûtem, organizoval nûkolik mezinárodních setkání v obo-ru fotosyntézy fias a pomáhal zaloÏit Jihoãeskou univerzitu v âesk˘ch Budûjovicích, a pfiedev‰ím jejínovou Pfiírodovûdeckou fakultu a pozdûji i Ústav fyzikální biologie v Nov˘ch Hradech. Stal se ãlenemUãené spoleãnosti âR. PfiestoÏe Ivan posledních 20 let vûnoval hodnû energie v˘uce, nikdy neopustilsvou práci v laboratofii. Sestavil unikátní fluorescenãní kinetick˘ mikroskop a zaãal studovat fotosynté-zu na úrovni jednotliv˘ch bunûk fias a sinic. Za svÛj Ïivot Ivan publikoval pfies 150 prací.I kdyÏ Ivan zasvûtil a obûtoval cel˘ svÛj Ïivot vûdû, nebyl jednostrann ,̆ naopak byl mimofiádnoua plnou osobností. Zajímal se o filozofii, umûní a hudbu, pro své pfiátele byl vÏdy zábavn˘m a okouzlu-jícím spoleãníkem. V roce 1988 zorganizoval symposium “Hledání spoleãného jazyka” jako dialogmezi vûdou, umûním a filozofií. Nekonformní názory zastával dÛslednû aÏ do konce Ïivota. I kdyÏ zís-kal vysoká ocenûní a vyznamenání, oficiální tituly a pocty odmítal, Ïil skromnû a neokázale. Vûdu chá-pal jako integrální souãást lidské kultury, která mu pfiiná‰ela vnitfiní radost a naplnûní smyslu Ïivota. Navûdû si cenil pfiedev‰ím moÏnosti komunikace a sdílení poznání, odmítal pfiehnanou soutûÏivost proosobní prospûch. Ivan dokázal pracovat témûfi aÏ do posledního dne svého Ïivota, zemfiel náhle13. dubna 2009 ve vûku 80 let.
Ondfiej Prá‰il
RRRRoooozzzz lllloooouuuuããããeeeennnníííí
70
R
Vzpomínka na Normana Borlauga
Tento vûdec, kter˘ nedávno zemfiel ve vûku 95 let, není mezi ‰irokou vefiejností moc znám .̆ Ani jájsem o nûm donedávna nic nevûdûla. Je to ‰koda, protoÏe to byl podle mého názoru ãlovûk, kter˘ vû-noval svÛj Ïivot pomoci druh˘m a kter˘ za svÛj Ïivot dokázal zmûnit svût k lep‰ímu.
Norman Borlaug, agronom a „otec Zelené revoluce“, se narodil 25. bfiezna 1914 v americkém státû Io-wa. Jako mlad˘ chtûl studovat lesní hospodáfiství, ale po zku‰enostech s hospodáfiskou krizí ve 30. le-tech, kdy vidûl utrpení hladovûjících lidí, se rozhodl zamûfiit na zemûdûlství. Vûdûl, Ïe nejzákefinûj‰ímniãitelem úrody jsou rzi. Bojovat proti nim zaãal v Mexiku, kde se mu nakonec podafiilo zkfiíÏit druhyp‰enice, které jsou vÛãi rzi odolné, s druhy japonské p‰enice, která je men‰ího vzrÛstu, a proto má bo-hat‰í klas a nepoléhá. Tak zapoãala v 50. letech Zelená revoluce. Z Mexika se bûhem nûkolika desíteklet roz‰ífiila do Asie a zachránila pfied smrtí hladem okolo jedné miliardy lidí. Roku 1970 byl NormanBorlaug za tuto práci ocenûn Nobelovou cenou míru a získal pfiezdívku „muÏ, kter˘ nasytil svût“.Av‰ak on vûdûl, Ïe boj se rzí nekonãí a Ïe se v této bitvû nesmí polevit. BohuÏel zemûdûlci upokojenípfiedstavou o vym˘cení rzi, která jim tolik let niãila úrodu, ho neposlouchali. Zaãali poslouchat aÏ vechvíli, kdy bylo pozdû. Roku 1999 se v Ugandû objevil nov˘ kmen rzi travní Ug99, kter˘ zaãal niãiti p‰enici vy‰lechtûnou Borlaugem. Ten se snaÏil do posledního dechu pfiesvûdãovat politiky, spolupra-covat se svûtov˘mi experty a shánût peníze pro válku s tímto nov˘m niãitelem úrody. Nane‰tûstí zem-fiel 12. záfií 2009 na komplikace spojené s rakovinou, aniÏ by se doãkal nûjakého v˘sledku.Pravdûpodobnû posledním z jeho ãlánkÛ byl „Feeding a hungry world“ vydan˘ v roce 2007 v ãasopi-se Science. Borlaug v nûm upozornil na zásadní problémy v Africe, kdy na tomto kontinentu rychle na-rÛstá populace, av‰ak bez Ïádného rozvoje zemûdûlství, coÏ vede k hladovûní milionÛ lidí. Zlep‰enívidûl v masovém investování do infrastruktury (dopravních cest, elektfiiny, zaji‰tûní pitné vody) a v pod-pofie drobn˘ch zemûdûlcÛ. Krásná my‰lenka, ale dokud v tûchto regionech budou fiádit rÛzné gangy,které vyrabují celé vesnice a ukradnou i to málo, co lidé mají, není moc uskuteãnitelná.Dále komentoval dûní v zemûdûlství obecnû, kdy svût bude potfiebovat stále více obilnin nejen pro uÏi-vení lidstva, ale i jako krmivo pro hospodáfiská zvífiata. Dnes potfiebujeme pro hospodáfiská zvífiata aÏ34 % obdûlávané pÛdy. Toto ãíslo poroste s tím, jak v novû industrializovan˘ch zemích vzrÛstá po-ptávka po mase a masn˘ch v˘robcích. Podle mého názoru by se tyto ãísla dala udrÏet na souãasné v˘-‰i, pokud by kaÏd˘ ãlovûk v „bohat˘ch“ státech omezil svojí spotfiebu masa. Av‰ak ani to není trvaleudrÏitelné. Samozfiejmû i po prosazení vût‰ího vyuÏití biopaliv se zákonitû zvedne potfieba obdûláva-n˘ch ploch. Napfiíklad v roce 2007 USA nav˘‰ilo o 5 milionÛ hektarÛ svou zemûdûlskou plochu, kdese pûstuje pouze kukufiice pro v˘robu etanolu. Borlaug vidûl urãitou nadûji v genetickém inÏen˘rstvía v biotechnologiích, které se stanou základním kamenem pro budoucí uspokojování potfieb. Díky ge-netickému inÏen˘rství se stanou rostliny více tolerantní k nepfiízniv˘m klimatick˘m podmínkám suchu,horku, chladu a nadbytku vody, tedy k situacím, které jsou v souvislosti s globálními zmûnami klima-tu stále ãastûj‰í.V závûru ãlánku Borlaug naléhavû vyz˘val, abychom koneãnû na‰li urãitou rovnováhu mezi zaji‰tûnímdostatku potravy, rostoucí populací a ekologickou udrÏitelností. A to je to, co svûtu zatím chybí. Obá-vám se, Ïe lidstvo jako celek si to uvûdomí, aÏ tuto rovnováhu bude tûÏké najít, jestli ji vÛbec budemoÏné najít.
V pondûlí 23. listopadu jsme se v brnûnském krematoriu rozlouãili s na‰ím b˘val˘m uãitelem a kole-gou profesorem RNDr. Jaroslavem Mináfiem, CSc., kter˘ zemfiel po dlouhé nemoci dne 13. 11. 2009ve vûku 77 let. Cel˘ jeho profesní Ïivot byl spojen˘ s Katedrou fyziologie a anatomie rostlin brnûnsképfiírodovûdecké fakulty.
Jaroslav Mináfi se narodil se 21. kvûtna 1932 v Pfiestavlkáchu Olomouce. Po ukonãení základní ‰koly absolvoval studijnídûlnick˘ kurz v Lomnici nad Popelkou, kter˘ úspû‰nû ukonãilzávûreãnou zkou‰kou v roce 1952. Ve stejném roce byl pfiijat kestudiu na Pfiírodovûdeckou fakultu Masarykovy univerzity v Br-nû na studijní obor biologie – chemie se specializací rostlinnáfyziologie a anatomie. V roce 1957 ukonãil toto studium obha-jobou státní závûreãné práce. Po ukonãení studia zÛstal JaroslavMináfi pracovat na fakultû jako asistent na Katedfie fyziologiea anatomie rostlin, kde s nad‰ením vedl praktika a cviãeníz anatomie a fyziologie rostlin a ovlivnil tak mnoho studentÛpro práci ve fyziologii rostlin. Pozdûji pfiedná‰el kurz z minerál-
ní v˘Ïivy rostlin. V r. 1972 obhájil kandidátskou disertaãní práci na téma Úãinek p˘ru na rÛst a mine-rální v˘Ïivu p‰enice. V roce 1979 byl ustanoven docentem a v roce 1989 byl jmenován profesorem.V letech 1986–1991 byl vedoucím Katedry fyziologie a anatomie rostlin. Poté z fakulty ode‰el.Jaroslav Mináfi spolu se ZdeÀkem La‰tÛvkou shrnuli ãetné poznatky v oboru vodních kultur rostlin, kte-ré publikovali v ãasopisu Folia Fac. Sci. Nat. Univ. Purk. Brunn. Pod názvem Metoda vodní kultury vy‰-‰ích rostlin. Tuto metodu pouÏívali i pfii studiu vzájemn˘ch vztahÛ rostlin. O tom, Ïe v˘sledky jejichstudia v oblasti alelopatie jsou dodnes uznávány, nás pfiesvûdãil pfii nedávné náv‰tûvû prezident alelo-patické spoleãnosti a hlavní vydavatel ãasopisu Allelopathy Journal profesor Shamsher S. Narwal z In-die. Pozdûji Jaroslav Mináfi studoval fyziologickou funkci draslíku, interakci dusíku a draslíku v rÛsturostlin, fyziologické aspekty listové v˘Ïivy a nové formy fosforeãn˘ch hnojiv. Z oboru vzájemn˘chvztahÛ rostlin a minerální v˘Ïivy publikoval kolem 50 v˘zkumn˘ch prací. Byl ãlenem komise pro rost-linnou biochemii a fyziologii Zemûdûlské akademie, pfiedsedou komise pro státní závûreãné zkou‰ky.Byl také ãlenem âeské botanické spoleãnosti, sekce Fyziologie rostlin.
Franti‰ek Plhák, Marie Kumerová, Jaroslava Dubová
RRRRoooozzzz lllloooouuuuããããeeeennnníííí
72
R
Pûta‰edesátiny Ing. Jifiího Hfiiba, CSc.
Jifií Hfiib je na‰ím jedin˘m rostlinn˘m fyziologem, kter˘ získal vûdeckou hodnost pod vedením prof. Ja-na Calábka, jednoho z nejv˘znamnûj‰ích pfiedstavitelÛ vûdeckého smûru, kter˘ v rostlinné fyziologiirozvinul metodu ãasosbûrné kinematografie.
Nበjubilant se narodil 16. záfií 1942 ve Fr˘dku-Místku. Po maturi-tû na jedenáctileté stfiední ‰kole ve Vala‰sk˘ch Kloboukách se za-psal v roce 1961 na agronomickou fakultu tehdej‰í Vysoké ‰kolyzemûdûlské v Brnû, kde se záhy zapracoval pod vedením prof. Ca-lábka do techniky sbûrné kinematografie. Po absolutoriu vûdeckéaspirantury obhájil roku 1973 disertaci na téma „Kinematografic-ká anal˘za rÛstu a v˘voje fiasy Scenedesmus quadricauda; úlohaauxinu, giberelinu a RNA v ontogenezi se zfietelem na rÛst“.Jubilant pÛsobil od roku 1973 do roku 1991 jako vûdeck˘ pra-covník ústavÛ âSAV v Brnû (nejprve Botanického ústavu, pakÚstavu experimentální fytotechniky a posléze Ústavu systema-tické a ekologické biologie). Od roku 1991 do roku 1998 bylpak zamûstnán jako vedoucí vûdeck˘ pracovník na Ústavu ge-netiky rostlin SAV v Nitfie. Zde pracuje v externím svazku dosud.Na Botanickém ústavu âSAV pracoval jubilant od roku 1976 podvedením prof. Vladimíra Rypáãka, coÏ vedlo k velmi úspû‰némua originálnímu zamûfiení jeho práce. Spolu s prof. Rypáãkemprezentoval pak fiadu velmi cenn˘ch publikací t˘kajících se rÛ-
stové reakce jednotliv˘ch dfievokazn˘ch hub na kalusové kultury lesních dfievin in vitro. Vznikla takpostupnû i série prací zkoumajících obranné reakce jednotliv˘ch orgánÛ klíãních rostlin dfievin vÛãidfievokazné houbû Phaeolus schweinitzii. Hfiib tyto reakce studoval pozdûji nejen na kalusov˘ch, alei na embryogenních kulturách dfievin, pfii ãemÏ mu byla modelem kultura somatické embryogenezePinus nigra a Abies numidica. Tûmito studiemi pfiispûl i k rozvoji nejmodernûj‰ích trendÛ ve v˘voji rost-linné patologie. Ve fytopatologickém ãasopise (Physiological and Molecular Plant Pathology 59, 2001)publikoval Hfiib spolu s dal‰ími autory i v˘znamné objevy t˘kající se lektinu.Jubilant vûnoval velkou pozornost také studiu autonomních pohybÛ (nutaãních oscilací) klíãních rost-lin jehliãnat˘ch dfievin sbûrnou filmovou kamerou. Popsal napfi. rozdíly ve frekvenci tûchto pohybÛu Pinus sylvestris a Picea abies.Ing. Hfiib publikoval pfies 60 vûdeck˘ch prací (vût‰inou v zahraniãních ãasopisech). Prezentoval i 2 vû-decké filmy a 50 abstraktÛ z referátÛ na vûdeck˘ch konferencích a symposiích. Je ãlenem fiady vûdec-k˘ch spoleãností napfi. âeské spoleãnosti pro vûdeckou kinematografii, International Association forPlant Tissue Culture and Biotechnology a New York Academy of Sciences.Nበjubilant vyvíjí i bohatou ãinnost zamûfienou na fotografování studánek a krajiny adamovsk˘ch le-sÛ. Uspofiádal spolu s kameramanem M. âernou‰kem fiadu fotov˘stav pro brnûnskou vefiejnost a je ta-ké spoluautorem publikace „PrÛvodce brnûnskou pfiírodou“ (Nakl. Ulita 1995).Pfiipomenutí Ïivotního jubilea inf. Jifiího Hfiiba, CSc. je i pfiipomenutím skuteãnosti, Ïe úsilím profeso-rÛ Úhlehly, Práta a Calábka vznikla u nás ve 20. století jedineãná vûdecká ‰kola uplatÀující kinemato-grafii pfii studiu Ïivota rostlin. Na v˘stavû soudobé kultury v Brnû roku 1928 byl zásluhou prof. Úlehlya Calábka promítán vÛbec první film o pohybech rostlin. Do této vûdecké ‰koly vstoupila pak i fiadadal‰ích pracovníkÛ, z nichÏ napfi. vynikl pfii studiu nutaãních pohybÛ Dr. Milo‰ Spurn .̆ Tato vûdecká‰kola bohuÏel zaniká a ing. Hfiib zfiejmû patfií k jejím pfiedstavitelÛm posledním.Pfiejeme mu ze srdce pevné zdraví, aby své invenãní schopnosti mohl uplatÀovat ve vûdecké práci i bû-hem mnoha dal‰ích let svého Ïivota.
Jifií HavelOmluva redakceOmlouváme se autorovi tohoto ãlánku a jubilantovi za opoÏdûné otisknutí gratulace, kterou si bezpo-chyby zaslouÏí. Za redakci P. Vojvodová
RRRRÛÛÛÛzzzznnnnééééR
73
Blanka âermáková, padesát let ve sluÏbách âSAV/AV âR
Poãátkem leto‰ního roku (2009) ocenil dûkovn˘ dopis pfiedsedy AV âR adresovan˘ Blance âermákovépadesát let jejího pÛsobení na Ústavu experimentální botaniky AV âR v.v.i. Pro mû, jako pamûtníka je-jí vynikající profesní dráhy technické síly – laborantky, to pfiipomenutí vzbudilo nostalgickou vzpo-mínku spojenou i s v˘ãitkou. Nostalgie pohledu do dávné minulosti konce padesát˘ch let 20. století,kdy se hledaly smûrníky budoucí plavby ústavu i v˘ãitka, Ïe tak ãasto necháváme v anonymitû zapo-mínání spolupracovníky, ktefií, aã nepfiizdobeni tituly a bez osobní motivace impaktních bodÛ, se v˘-znamnû podíleli na souãasné podobû ústavÛ. TéÏ podnût k následujícím fiádkÛm.
Desátého prosince 1959 nastoupila do Biologick˘ch ústavÛ âSAV v Praze 6, Na cviãi‰ti 2, nová labo-rantka, Blanka Nebeská. Pracuje dodnes. Jak vypadal její úspû‰n˘ profesní itineráfi, kter˘ odráÏí i pro-mûny vûdy v uplynulém pÛlstoletí?Nebeská a je‰tû Blanka, nomen omen, ãerstvá absolventka PrÛmyslové ‰koly potravináfiské chemie.Nepfii‰la, pfiitancovala, v tom pamûÈ dosud pfieÏívajícího dfievního aspiranta, Blanãina obdivovatele,neklame. Mûla tu gracii v krvi a tanci se amatérsky i vûnovala. První ‰tace v laboratofii explantátÛ, prv-ní ‰éfová Dr. Eva PetrÛ. Doba, kdy se rodily základy technik in vitro. Vypûstovat na agaru cokoli bezkontaminace byl úspûch. Eva PetrÛ spoleãnû s docentem ¤etovsk˘m, tehdej‰ím vedoucím rostlinn˘chfyziologÛ i genetikÛ, sepsali i první manuál explantátov˘ch technik, vzor pro ostatní, tehdy socialistic-ké, státy. Nebyly flow-boxy, erlenky s explantáty stály porÛznu v laboratofii na policích. Blanka se uãilaúzkostlivému dodrÏování sterilních reÏimÛ, drilu nasazování kultur dle rigoróznû zaveden˘ch pravidel,skoro rituálÛm. Nechybûly ani groteskní situace (z pohledu ostatních) jako lov na mouchy proniknuv‰ído stfieÏené zóny explantátové laboratofie. Nechybûly ani rozdílné pohledy a postoje v hodnocení svû-ta mimo laboratofi z pohledu vedoucí a její laborantky. I díky Blance se explantáty nakonec staly v té-to zemi bûÏnou laboratorní technikou.Po více jak pûti letech první stfiídání. Blanka, tentokrát jiÏ âermáková (vdala se za pracovníka Armád-ního filmu), pfiechází do pracovní skupiny vedené Lolou Teltscherovou. Rozdílná tématika i technika.Doba první vlny snah o vysvûtlování v˘vojového jevu, v tomto pfiípadû fotoperiodicky regulovanéhokvetení, na základû molekulárnû biologick˘ch dogmat. TéÏ práce spojené s v˘bûrem vhodné modelo-vé rostliny. Na jedné stranû léta strávená zavádûním hydroponií kultury merlíku ãerveného (Chenopo-dium rubrum) kvetoucího v ranné v˘vojové fázi a po krátkodobém fotoperiodickém zásahu. Na druhéstranû anal˘za frakcí RNA a DNA pomocí metylalbuminov˘ch kolon na kfiemelinû (MAK), ãi pomocíelektroforetického dûlení (v mikroverzi téÏ na podloÏních sklíãcích). Snad nepfieháním, pfiedpoklá-dám-li, Ïe se tehdy Blanka na‰la, získala své první pracovní satisfakce. ·ikovná, vynalézavá a trpûlivápfii ochoãování merlíku jako laboratorního morãete. Pfiinutit jej, aby klíãil, hodiny strávené pfii hledáníoptimálního pûstebního modulu, minirostliny, nimravá práce. Vût‰inou ãinnost údûlu krajkáfiek ãi ho-dináfiÛ, to kdyÏ se ve velk˘ch seriích vyrábûly gázou pokryté krouÏky, na nichÏ byly klíãní rostliny pû-stovány, ãi extirpovaly stovky apikálních meristémÛ k anal˘zám. Blanka bodovala. Tehdej‰í analytikunukleov˘ch kyselin si Blanka rychle osvojila a provádûla snadnûji neÏ my ostatní, vãetnû verzí s radio-nuklidy (bûÏn˘ byl fosfor a snad jen tehdej‰í práce Blánky by odpovídala souãasn˘m bezpeãnostnímnormám). Stala se v té dobû samozfiejmou, nepostradatelnou souãástí t˘mu. Na‰la spoleãnou fieãs Lolou. V procesu pracovním ov‰em zÛstaly protiklady minuciozního provedení Blanãina a robustníchpfiístupÛ Lolin˘ch. Práce, která pfiinesla v˘sledky i publikace, ale nenacházela fie‰ení. Správné teoretic-ké pfiedpoklady postrádaly adekvátní nástroje.Po odchodu Loly do dÛchodu, která ode‰la z politick˘ch dÛvodÛ dfiíve neÏ se pfiedpokládalo, pokra-ãoval, ve studium nukleov˘ch kyselin Jan Krekule s Jaroslavem Ullmannem. TûÏi‰tû experimentování,na nûmÏ se Blanka pfiímo podílela, se v polovinû sedmdesát˘ch let minulého století zaãalo posouvat;ke studiu endogenní rytmicity kvetení, k fytohormonÛm. Ke krátkodennímu merlíku ãervenému pfiibyljeho dlouhodenní pfiíbuzn ,̆ merlík zední (Chenopodium murale). Blanka uplatnila své zku‰enostis pfievádûním planû rostoucího, nespoutaného druhu do klimatizaãních boxÛ i v tomto pfiípadû. Kolikjen tisícÛ semiautotrofnû vychovávan˘ch pokusn˘ch jedincÛ obou druhÛ merlíku ji vdûãí za to, Ïemohly v miniboxexh vykvést, jak pfiedpokládaly experimentální podmínky. Na pfielomu osmdesát˘ch
RRRRÛÛÛÛzzzznnnnéééé
74
R
a devadesát˘ch let XX. století vzrÛstala potfieba identifikovat a kvantifikovat fytohormony jako moÏnékomponenty indukce kvetení. Blanka se vyuãila novému fiemeslu. Anal˘ze auxinu, cytokininÛ (i s ety-lénem se jeden ãas experimentovalo). Uãitelkou byla v tomto pfiípadû Ivana Macháãková, která poãát-kem devadesát˘ch let tuto problematiku uvádûla. Opût se osvûdãila Blanãina schopnost pfiesné práce,trpûlivosti, smyslu pro detail. Extrakce fytohormonÛ, dûlení extraktÛ na kolonách. Blanãino hájemství,v nûmÏ vytrvala i v dal‰ím pÛsobení na ÚEB. To fiemeslo mûlo zlaté dno a poskytlo hojnû publikací. Vestandardních podmínkách souãasnosti by pfiíbûh a v˘ãet pracovního angaÏování Blanky konãil na tom-to místû. V pravûku na‰í experimentální existence byl rozsah i okruh problémÛ fie‰en˘ch svépomocí da-leko pestfiej‰í. Blanãin podíl pak byl, ku prospûchu vûcí, nezvykle rozsáhl .̆Oã ‰lo? Na prvém místû pofiádání mezinárodních symposií a konferencí. JiÏ od poãátku ‰edesát˘ch letcílen˘ pokus pfiekonat izolaci Ïelezné opony. Organizace byla nutnû amatérská a v plném rozsahuv na‰í reÏii. Liblice, to byl jejich spoleãn˘ jmenovatel, byÈ se jednalo nûkdy i v Lanû. Nebudu jednot-livû uvádût, ta první v roce 1964, ta poslední s datem 1990. U v‰ech, jeÏ byly zamûfieny na v˘vojovoufyziologii a fytohormony, byla i Blanka. „Byla“ znamená, abych pouÏil souãasnou manaÏeriální dikci,její velmi flexibilní a dynamické jednání. Registrovala, organizovala autodopravu, kulturní vystoupenía napravovala lapsy, jeÏ vytváfieli oficiální organizátofii, stfiídavû Milan Kutáãek, Mirek Kamínek i JanKrekule. Profesionálnû klidná, pfiirozenû usmûvavá, dáma (hezká dáma). I ona pfiispûla k tomu, Ïe setahle taktika vydafiila, a Ïe byl otupen, ãi zcela vymazán dobrodruÏn˘ motiv poãáteãní náv‰tûvy mno-h˘ch zahraniãních náv‰tûvníkÛ: „Jak to tam vypadá?“ Místo ch˘‰í z hlinûn˘ch lepenic okázalost ba-rokního zámku (pro mnohé první zku‰enost) a setkávání s kolegy. Reklamním trikem úspû‰né akce by-lo kdysi uvádût: âetné dûkovné dopisy z tu-i cizozemska. Blanka je opravdu dostávala a vût‰inaúãastníkÛ na ta setkání ráda vzpomínala, i kvÛli Blance.Poãítaãová prefabrikace orálních komunikací, posterÛ, pÛvodních sdûlení i sborníkové literatury je po-vaÏována v souãasnosti za samozfiejmost. PamûÈ star‰ích generací vzpomíná, jak to v‰echno bylo prac-né, jak lepení posteru pfiipomínalo v˘robu umûlecké koláÏe a jak se v‰echno lopotnû do nekoneãnas kopíráky na stroji pfiepisovalo. Blanãino pfiirozené estetické cítûní, rychlost a bezchybnost psaní nastroji i zvládnutí grafického designu pfiedurãily dal‰í ‰iroké pole její pÛsobnosti. Kolika jen kandidát-sk˘m pracem pomáhala na svût, kolikrát na poslední chvíli dokonãovala a opentlovala postery, jak˘ v˘-znamn˘ podíl impaktové literatury i pfiíleÏitostn˘ch sborníkÛ pro‰el jejíma rukama? To i ona pomáha-la otevírat dvefie domácích produktÛ vûdy na cestû do svûta.Blanãina úãast ve vûdû mimo laboratorní stoly je i dobov˘m svûdectvím dávného etosu solidarity a sa-mozfiejmé spolupráce uvnitfi pracovních t˘mÛ. ZboÏí, které se stává v souãasnosti nedostatkov˘m.Vzpomínka na spolupráci s Blankou mÛÏe b˘t vyjádfiena, tentokrát v autentické podobû, pomocí kli‰éz dávn˘ch a hojn˘ch posudkÛ: zaãlenila se do kolektivu, nezi‰tnû spolupracovala, byla velmi oblíbe-ná, nekonfliktní. To sedí. Zaklínací vûta, ‰ém, pak platí jen v reversní podobû: nemûla (pokud pamatu-ji nikdy) kladn˘ pomûr k lidovû-demokratickému reÏimu. Jak by mohla, dáma.Nepochybuji, Ïe Blanka zaslouÏí vzpomínku v bulletinu experimentálních biologÛ, stejnû jako podû-kování v‰ech, kdoÏ se s ní na té dlouhé Ïivotní cestû setkávali a dodnes setkávají.
Jan Krekule
RRRRÛÛÛÛzzzznnnnééééR
75
Some molecular and biochemical aspects of chlorophyll biosynthesis in calli cultures of norway spruce
(Picea abies (L.) KARST.) and larch (Larix decidua MILL.)
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Renáta BalátováComenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2009,(89 p., 24 supplements)
The enzymatic reduction of protochlorophyllide (Pchlide) is a major regulatory step in the chlorophyll(Chl) biosynthesis in oxygenic phototrophs. Two different enzymes catalyze this reduction: nuclear-encoded, light- dependent Pchlide oxidoreductase (LPOR), which is unique as a consequence of itsdirect utilization of light for catalysis, and plastid-encoded light-independent Pchlide oxidoreductase(DPOR). The presence of DPOR allows light-independent Bchl biosynthesis in anoxygenic photosyntheticbacteria, and light-independent Chl biosynthesis in cyanobacteria, green algae and many land plants,angiosperms excepted.Our aim, in this diploma thesis, was to study some biochemical and molecular aspects of chlorophyllbiosynthesis in calli cultures of Picea abies and Larix decidua derived from 14-day old cotyledonescultured in the dark. As primary explant, we have used surface sterilized cotyledons and inducedcalogenesis by treating explants on MS medium containing NAA (2 mg ◊ l–1) and kinetin (1 mg ◊ l–1).First symptoms of proliferation were observed approximately 3 weeks after primary explant incubation.Visually, we have studied differences in growth, texture and pigmentation between light- and dark-grown calli of P. abies and L. decidua. The produced callus gradually pigmented when the explantswere grown in the light (40 mmol ◊ m–2 ◊ s–1). Calli cultures growing in the dark were without greenpigmentation. In case of calli derived from P. abies cotyledons, we have studied growth parametersgravimetricaly during 42-day subcultivation interval. Fresh mass analysis has shown, that green andwhite callus continued to grow vigorously during first 35 days of cultivation. Then the growth rate of callus declined, the green callus has entered the linear growth phase, and the white, dark-growncallus, has entered the stacionary growth phase. Dry matter analysis has not shown any significantdifferences in growth between green and white P. abies callus.Pigment analysis has shown differences between light- and dark-grown calli cultures, and also betweencallus and intact needles. The content of pigments in calli cultures was lower than in intact needlesgrowing in dark.Molecular-genetic analyses in cyanobacteria and in green algae have revealed that at least the chlL,chlN and chlB genes encode proteins essential for the activity of DPOR. These genes are widelydistributed among phototrophic organisms with the exception of angiosperms and Euglenophyta. Thisdistribution seems to be well correlated with light-independent greening ability.By imunnolabelling with antibodies, we have confirmed the presence of all three protein subunits of the DPOR enzyme (ChlL, ChlN, ChlB) in P. abies green calli growing in the light and in L. deciduacalli growing in the light and dark. During the cultivation of calli cultures in the dark the levels of theall three subunits of DPOR and levels of GluTR and FLP have decreased in compare with light-growncalli. The absence of ChlB subunit in white spruce calli growing in the dark could cause the loss of DPOR activity/functionality. So we suppose that Pchlide is not reduced in P. abies calli culturescultivated in the dark. The fact that subunits of DPOR accumulate in the light-grown calli indicates
that DPOR, which was thought to work only in darkness, may partially account for Pchlide reductionin the light (twilight).Semiquantitative RT-PCR, performed using gene specific primers, has confirmed the expression of allthe three genes in light- and dark-grown calli of P. abies and L. decidua. We have observed decreasein the expression of the chlL, chlN and chlB genes in dark-grown calli compared with light-growncalli.Restriction analysis of 170 bp chlB cDNA amplicons was performed to reveal the presence of RNA-editing in chlB transcripts of P. abies and L. decidua calli cultures. We have confirmed RNA-editingin calli cultures of P. abies and L. decidua cultured in light and dark.
Chlorophyll biosynthesis in the dark-grown seedlings of Pinus mugo Tirra and Pinus silvestris L.
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Katarína BreznenováComenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2009,(70 p., 29 supplements)
Chlorophylls are the major group of photosynthetic pigments associated with thylakoid membranesand required for light absorption during photosynthesis. In oxygenic phototrophs, Chl is synthesizedfrom glutamate via a complex pathway that consists of at least fifteen enzymatic steps. The first ninesteps from glutamate to protoporphyrine IX are shared with the biosynthetic pathway to hem.Synthesis of ALA, catalyzed by GluTR, is the first committed step of tetrapyrrole pigment biosynthesis.The Chl-specific biosynthetic route, known as the Mg-branch, consists of six steps, with the reductionof Pchlide being the major regulatory step. Two genetically and biochemically distinct strategies toreduce Pchlide have arisen during evolution. The first of them relies on light-dependent Pchlideoxidoreductase (LPOR), a nuclear-encoded and light-activated enzyme. Pchlide in the dark is reducedby light-independent Pchlide oxidoreductase (DPOR), encoded by three plastid genes chlL, chlN andchlB. The integration of the newly synthesized Chl into developing thylakoids is tightly coupled withthe biogenesis of the photosynthetic apparatus and the development of chloroplasts.Dark-grown seedlings of Pinus mugo Turra and Pinus sylvestris L. are able to accumulate chlorophylland its precursor Pchlide. Decrease of the Pchlide content and increase of the Chl a + b content after24 h illumination of mature seedlings were due to the photoredution of Pchlide catalyzed by LPOR.We have proved light-independent accumulation of the GluTR enzyme in the early developmentalstages of P. mugo and P sylvestris in the dark, which was enhanced by 24 h illumination. Expressionof chlLNB genes was constitutive in all analyzed seedlings, irrespective of analyzed developmentalstage in the dark or illumination. We have identified two codons in the central region of chlB geneundergoing cytidine (C) to uridine (U) substitution in the process of RNA-editing. In this case, RNA-editing restores codons for conserved aminoacids leucine and tryptophan. In P. mugo and P. sylvestris seedlings the levels of ChlB and ChlL proteins decreased after 24 h illumination comparedto dark-grown mature seedlings. Changes in the accumulation of DPOR subunits may be consequencesof posttranscriptional or posttranslational regulation. Dark-grown and 24 h illuminated seedlings of P. mugo and P. sylvestris accumulated similar amounts of D1 protein. Accumulation of the LHCIcomplex polypeptides increased with the ontogenesis in the dark and was highest after 24 h illumination.Proteins of the LHCI complex and D1 protein bind photosynthetic pigments and stabilize thylakoidmembranes in the etiochloroplasts of P. mugo and P. sylvestris.We have confirmed that seedlings of P. mugo and P. sylvestris are able to synthesize chlorophyll inthe dark. Synthesis of ALA and reduction of Pchlide are major regulatory steps in chlorophyllbiosynthesis, both of which are present in the analyzed species. In the dark, photosynthetic apparatusis formed by chlorophylls with D1 protein and LHCI complex. Many regulatory mechanisms of light-independent chlorophyll biosynthesis remain to be revealed by further studies, since it is a complexprocess influenced by many environmental and endogenous factors.
Characterization of heavy metal hyperaccumulator Thlaspi caerulescens from Banská ·tiavnica
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Daniel MasaroviãComenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2009 (83 p.)
Heavy metal contamination has resulted from industrial activities such as mining and smelting of metalliferous ores, energy and fuel production, battery production, fertilizer and pesticide applicationand generation of municipal waste. Heavy metals represent serious threat for animal, plants and human.Hyperaccumulators are plants, which tolerate high levels of metals in soil and accumulate extremelyhigh concentration of heavy metals in aboveground plant parts. These species have evolved specificmechanisms for detoxification of high metal levels accumulated in the cells. Hyperaccumulatorplants do not only accumulate high levels of essential micronutrients, but can also absorb significantamounts of nonessential and toxic metals, such as Cd. The most popular heavy metal hyperaccumulatoris Thlaspi caerulescens from the family Brassicaceae. Thlaspi caerulescens has been studied especiallyfor Zn and Cd hyperaccumulation and tolerance. Its physiological, morphological and geneticcharacteristics, and its close relationship to Arabidopsis thaliana, the popular plant referencespecies with known genom sequence, make it an excellent candidate to be the plant heavy metalhyperaccumulation model species. In the past decade, the phenomenon of heavy metalhyperaccumulation has attracted considerable scientific attention.The aim of this diploma thesis was to find out influence of cadmium and zinc on hyperaccumulatorof this two elements Thlaspi caerulescens, examine metal content in under- and aboveground partsand in seeds. Composition of seed was determined by light and electron microscopy.Plants of Thlaspi caerulescens used in experiments originating from heap near the city of Banská ·tiavnica.They were cultivated in Hoagland solution. Four variants were used: C – control, Cd – hydroponicsolution with 5 mM Cd(NO3)2 ◊ 4H2O, Zn – hydroponic solution with 50 mM ZnSO4 ◊ 7 H2O andCd + Zn – solution with addition of both Cd and Zn in same concentrations as Cd and Zn variant.We observed that cadmium treatment resulted in decreased biomass of under- and aboveground parts.Addition of zinc into the solution increased total fresh and dry weight of under- and abovegroundplants parts in comparison with control. Cadmium and zinc itself had no significant influence on thecontent of photosynthetic pigments. We observed decrease in the chlorophyll content only in Cd + Zntreatment. Content of cadmium and zinc in both under- and aboveground plant parts from variantswith addition of metals was high. Interesting high concentration of zinc was determined in pericarp.Content of zinc was higher in plants originating from nature compared with hydroponically cultivatedplants. By contrast, content of cadmium was higher in cultivated plants. Our results confirmed thatThlaspi caerulescens from Banská ·tiavnica is hyperaccumulator of cadmium and zinc. Concentrationof cadmium and zinc was considerably lower in the seeds than in other plant parts. Energy-dispersiveX-ray microanalysis revealed different distribution of elements in particular tissues of seed. The majorelement in globoid crystals of protein bodies was phosphorus. Presence of other biogenous elementwas also identified: calcium, magnesium, sodium, potassium, zinc and sulphur.Our results confirmed that Thlaspi cearulescens is attractive model to study heavy metalhyperaccumulation and it is very convenient object for various future experimental works.
Changes of photosynthetic apparatus in Larix decidua Mill and Picea abies (L.) Karst in different conditions of irradiation
after exogenous application of 5-aminolevulinic acid
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Natália MaximováComenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2008 (88 p.)
Chlorophyll represents essential component of thylakoid membrane of chloroplast. It is important forstabilization of membrane and also for assembly and function of photosystem I and II which are basedin this thylakoid membrane. The integration of newly synthesized chlorophyll’s molecule into developingthylakoids is tightly coupled with the biosynthesis of the photosynthetic apparatus and the developmentof chloroplasts. Chlorophyll biosynthetic pathway consists of at least fifteen enzymatic steps. In oxygenicphototrophs chlorophyll is synthesized via C-5 way from glutamate, which in next three steps 5-aminolevulinic acid (ALA) is originated from. ALA is the universal precursor of chlorophyll biosynthesisand other tetrapyrroles. It represents an important point where the chlorophyll biosynthetic pathway isregulated. The reduction of Pchlide is a key step, which is catalyzed by two genetically and biochemicallydistinct mechanisms – light-dependent Pchlide oxidoreductase (LPOR), which activity is depended onlight and light-independent Pchlide oxidoreductase (DPOR).Dark-grown seedlings of Picea abies (L.) Karst and Larix decidua Mill are able to synthesizechlorophyll and protein’s subunits of photosynthetic apparatus. Seedlings of L. decidua synthesizedchlorophyll in the dark, but only in trace amounts. We have observed that exogenous ALA increasedaccumulation of Pchlide in both species grown in the dark and as well stimulated chlorophyllaccumulation. After 24 h illumination the level of Chl a + b in the cotyledons increased comparedwith the dark. During 24 h treatment of cotyledons in ALA solutions in continuous light raised freeALA-Pchlide, which caused decrease of the Chl a + b content in both species and the cotyledonsbecame photobleached. In the experiment with 4-days foliar application of exogenous ALA in thedark, after following 24 h of illumination the amount of chlorophyll in cotyledons of P. abiesincreased equally as concentration of exogenous ALA. In L. decidua, the biggest amount of chlorophyll accumulated in the cotyledons of controll seedlings.We have observed the presence of ChlN and ChlB subunits of DPOR in both species. The level of ChlN in cotyledons of dark-grown seedlings of P. abies and L. decidua was the same as after 24 hof illumination. Level of ChlB protein in cotyledons of P. abies after 24 h of illumination decreasedcompared to dark-grown seedlings.Synthesis of LHCI and LHCIIb complex polypeptides of photosystems I and II has not been dependenton light. We have observed proteins’ synthesis of light-harvesting complexes in the dark and after 24 hof illumination, but the light increased their accumulation. In our experiments we have not observedeffect of exogenous ALA on amount of light-harvesting complex polypeptides. Exogenous ALA hadnot direct influence on D1 protein, but through reactive chlorophyll intermediates. High concentrationof ALA (10 mM) affected after 24 h of illumination degradation of D1 protein in P. abies andL. decidua cotyledons.In cotyledons of L. decidua more FLP was accumulated than in P. abies. It is probably consequenceof distinctively decreasing reduction of Pchlide in the dark, which makes them naturally close toangiosperms.We have confirmed, that exogenous ALA increase chlorophyll accumulation of dark-grown seedlingsof P. abies and L. deciduas, but effect was not as high as we expected. Main effect of ALA is that itincreases Pchlide accumulation in the dark. Synthesis and assembly proteins of photosyntheticapparatus was not dependent on the light, they formed in dark-grown seedlings.
Influence of galactoglucomannan oligosaccharides on mung bean (Vigna radiata (L.) Wilczek) plants grown
in hydroponics
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Danica RichterováComenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2009 (88 p.)
Oligosaccharides isolated from cell walls have been identified to control various plant processes andinteractions with the environment being under the regulation of growth hormones. Galactoglucomannanis a structural constituent of both, primary and secondary cell walls of higher plants. It was found thatgalactoglucomannan oligosaccharides (GGMOs) prepared from the polymer are able to influenceauxin- and gibberellin-induced elongation growth of stem segments, the development of cells andzygotic embryos, viability and regeneration of protoplasts, and they seem to be effective factors in theinduction of defense reactions in plant cells as well.The aim of this diploma thesis was to determine the effect of GGMOs alone, or in combination withnative (IBA) or synthetic (NAA) auxins and also the effect of GGMOs with chemically modified structure,GGMOs-r (with reduced reducing end) and GGMOs-g (degalactosylated GGMOs) on growth of intactplants mung bean (Vigna radiata (L.) Wilczek) in hydroponics. Since oligosaccharides affect peroxidaseactivity in segments of various plants and peroxidase participates in the control of cell wall rigidification,we set the target to ascertain the relation between GGMOs effect on elongation growth and cell wall-associated peroxidase activity.Uniform seedlings of mung bean (Vigna radiata (L.) Wilczek) were transferred to hydroponic Hoaglandsolution (control) and Hoagland solutions containing GGMOs, GGMOs-r or GGMOs-g (concentrationranging from 10-10-10-6 M) alone or in combination with auxin – IBA (10-6) or NAA (10-7 M).Plants were grown in a growth chamber at 27 ± 1 °C, 60–70 % relative humidity, under 12 hoursphotoperiod at irradiance of 80 mmol m–2 s–1. The length of seminal and lateral roots, as well ashypocotyl length, was determined after seven days of cultivation. Peroxidase activity was determinedspectrophotometrically. Peroxidase isoenzymes were separated by native polyacrylamide gelelectrophoresis. Data were analyzed by using analysis of variance (ANOVA) and comparisonsbetween the mean values were made by least significant difference (LSD) test at P < 0.05, andstandard error (SE) was calculated.GGMOs inhibited the hypocotyl elongation, however, they stimulated seminal root elongation andadventitious roots formation in intact plants compared with the control. The effect of GGMOs wasdependent on their concentration used, their interaction with IBA or NAA in distinct parts of theplant. GGMOs inhibited the hypocotyl elongation induced by auxins. They stimulated seminal rootelongation compared with auxins.GGMOs inhibited the formation of lateral and adventitious roots induced by auxins, however theystimulated the elongation of lateral roots compared with auxins. The influence of GGMOs incombination with NAA on all parameters followed was lower than in combination with IBA. Forstructure-activity relationship the effects of GGMOs, GGMOs-r and GGMOs-g on intact plant growthwere compared. GGMOs-r influenced plant growth in the same range like GGMOs. GGMOs andGGMOs-g affected the elongation growth of hypocotyls and roots in opposite way. GGMOs-g stimulatedhypocotyl elongation and inhibited root elongation in comparison with GGMOs. In the presence of IBA GGMOs-g inhibited seminal and also lateral root elongation in comparison with GGMOs.
DAn inverse reaction between hypocotyl and root elongation growth and the activity of cell wall-associated peroxidase in intact plants was determined. The analysis of peroxidase isozymespattern showed at pH 7.0 the presence of three anionic and four cationic cell wall-associatedperoxidase isozymes in hypocotyls. At pH 4.5 two anionic and four cationic cell wall-associatedperoxidase isozymes in hypocotyls were detected.The analysis of peroxidase isozymes pattern in roots showed at pH 7.0 and also at pH 4.5 the presenceof four anionic and five various cationic cell wall-associated peroxidase isozymes. Our findingsconfirm the hypothesis that GGMOs may have antiauxin activity GGMOs and GGMOs-g in intactplants affected the elongation growth of hypocotyls and roots in opposite way, from which followsthat galactose side chains are obviously important factors responsible for the biological activity of GGMOs in elongation growth also in intact plants. The inhibition of elongation growth in hypocotyls,as well as in roots, was connected with changes of cell wall-associated peroxidases activity probablyinducing the beginning of cell wall rigidification.
Photosynthesis of carnivorous plants in response to nutrient uptake
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Lucia SingerováComenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2009 (70 p.)
The aims of this diploma thesis were 1.) to confirm the correlation between the rate of photosynthesis(PN) and nitrogen (N) concentration in leaves in carnivorous and noncarnivorous plants, 2.) to assessthe costs and benefits of carnivory in the pitcher plant Nepenthes talangensis, which leaves arecomposed of a lamina and a pitcher trap, in response to supplemental feeding with a beetle larva orto an uptake of nutrients from the soil.According to Givnish’s cost/benefit model, carnivorous plants are restricted to sunny, nutrient-poor andpermanently moist habitats. In other environments, the cost of producing traps would apparently exceedthe benefits gained by trapping a prey. The costs of carnivory include investment in non-photosyntheticstructures and represent extra energy requirements for the respiration of carnivorous organs. Thebenefits of carnivory can include an increased rate of photosynthesis, higher flowering frequency andseed mass and partly replace autotrophy by heterotrophy. The Cost/benefit models of carnivorypredict that carnivory can increase the rate of photosynthesis by leaves of carnivorous plants asa result of increased N absorption from a prey. However, thecost of carnivory includes decreased PNand increased respiration rates (RD) of trapping organs.In the first experiment, we compared a correlation between PN and N in carnivorous and non-carnivorous plants. We used the following carnivorous plant species: Drosera capensis L., Nepenthesalata Blanco, Pinguicula sp. (Eluxochitlan, Mexico), Sarracenia purpurea ssp. venosa and Utriculariahumboldtii Schomb., and non-carnivorous species: Amorphophalus sp., Karwinskia humboldtianaRoem & Schut Zucc., Nicotiana tabacum L., and Paphiophedilum sp.. In the second experiment, weadded a prey into the pitchers or anorganic nutrient solution to the roots of carnivorous pitcher plantNepenthes talangensis (Nerz & Wistuba), which grows in mossy forest and stunted upper mountainforest near the summit of Gunung Talang (1800–2500 m. alt.) in Sumatra. Nepenthes leaves aredifferentiated into a photosynthetic active lamina and a pitcher trap, which has evolved to attract,trap and digest a prey. N. talangensis were grown under controlled conditions in a growth chamber.The fed plants were supplied with worms (Tenebrio molitor). The fertilized plants were watered withmodified Hoagland solution. Simultaneous measurements of gas exchange and chlorophyll fluorescence,and of nitrogen, carbon and total 70 chlorophyll concentrations were made to evaluate the effect of increased nutrient supply from prey and soil on the photosynthetic processes in the pitcher plant.We confirmed the correlation between N and PN in non-carnivorous plants. We found a positivetrend of this correlation in carnivorous plants, but it was not significant. Increased nutrient supplyfrom prey and soil stimulated primary and secondary processes of the photosynthesis. The PN,maximum quantum yield (Fv/Fm) and effective quantum yield of PSII (PSII) were higher in the fedthan in the unfed lamina, but not in the fed pitcher compared to the unfed pitcher. The Respirationrate was not significantly affected in the fed plants compared to the unfed plants. The unfed plantshad greater nonphotochemical quenching (NPQ) of chlorophyll fluorescence and lower photochemical
Dquenching (qP) and thus higher excitation pressure on PSII and higher susceptibility to photoinhibition.Biomass, nitrogen and chlorophyll concentration also increased as a result of feeding. The cost of carnivory was shown by lower PN and PSII in the pitchers than in the lamina, but RD dependedon whether it was expressed on a dry weight or a surface area basis. Any Correlation between N andPN in the pitchers was not found. We observed flowering in all fed plants. The rate of photosynthesiscorrelates with nitrogen concentration in leaves in non-carnivorous plants. In carnivorous plants,a positive trend of this correlation was also found. A Nitrogen uptake from prey and soil lead toincrease of PN, biomass, N and chlorophyll concentration in the pitcher plant Nepenthes talangensis.Increased nutrient uptake from prey stimulates a photosynthetic rate and we assumed that carnivorymay increase the competitive advantage of carnivorous plants over non-carnivorous plants innutrient-poor habitats.
Toxic effects of aluminium on growth and morphology of Arabidopsis thaliana root and root hairs
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Erika SúkupováComenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2009/9 (92 p.)
Aluminium is the third most abundant element of the earth crust without a known biological functionand its toxicity is an important growth limiting factor in acid soils. Root growth inhibition is a widely usedindex for assesment of aluminium toxicity and it occurs within minutes after application of aluminium.In our experiments we observed effects of aluminium on growth and morphology of Arabidopsisthaliana L. root and root hairs. The aim of these experiments was to specify concentration scale ofaluminium that significantly reduces these parameters. This will be used for quantification of toxiceffects of aluminium for further experiments.Seedlings of A. thaliana L. ecotype Columbia were sown on an agar-solidified nutrient medium in Petridishes. We used modified MS nutrient medium (Murashige Skoog, 1962), which final pH was adjusted to4.5. These seeds were vernalized at 4 °C for three days to synchronize germination. Then the Petri disheswere placed into Conviron growth chamber, positioned vertically and kept under temperature 20–25 °C,16/8 h day/night rhythm, humidity 70 % and 200 mol–1 ◊ m–2 ◊ s–1 light intensity. Plants were cultivated onnutrient medium with content of 0, 5, 10, 25, 50, 100, 200, and 300 mM AlCl3 ◊ 6H2O. Long-term effectsof aluminium on root growth were observed on seedlings which were sown on agar-solidified nutrientmedium with different concentration of aluminium and on seedlings which were transferred into Petridishes with agar-solidified nutrient medium with different content of aluminium 2 days after germination.Short term effects of aluminium on root growth were observed on seedlings 24 h after transfer fromcontrol agar-solidified medium or from agar-solidified medium with content of aluminium to perfusionchambers filed with liquid medium. Chambers were transferred into sterile glass cuvettes with liquidmedium of the same composition as used for cultivation on Petri dishes but without agar. Effects ofaluminium on root hairs were observed on seedlings 2 days after germination on agar-solidified mediumor on seedlings in perfusion chambers 24 h after transfer from control agar-solidified medium or fromagar-solidified medium with content of aluminium. Influence of aluminium on elongation of root cellswas observed using confocal microscopy after staining with FM 4-64. Sensitivity of root hair tip growthwas tested by perfusion application of the aluminium-containing liquid medium (10 and 50 mM).The results showed that Arabidopsis seedlings cultivated on agar plates and liquid medium withdifferent concentration of AlCl3 ◊ 6H2O exhibited concentration dependent reduction of both rootand root hair lengths. On agar plates, aluminium did not influence germination and we observed thatinhibition of primary root growth at 200 and 300 mM was compensated by formation of lateral roots.We found out that aluminium inhibited elongation zone that caused the reduced root length. Growthof root and root hairs was more resistant after transfer of seedlings from agar solidified medium withcontent of aluminium into perfusion chambers filed with liquid medium with the same content ofaluminium. On agar plates we observed swelling of root hairs at 200 and 300 mM and in liquidmedium at 300 mM after transfer of seedlings from control agar-solidified medium. Perfusion applicationof aluminium-containing medium inhibited tip growth of root hairs.We concluded that aluminium concentration scale 25–300 mM significantly inhibited root growth onagar plates, while this concentration in liquid medium is 5–300 mM. Inhibition of root hair growthoccurred on agar plates at 10–300 M and in liquid medium at 5–300 mM of aluminium.
Protochlorophyllideoxidoreductase in Physcomitrella patens
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Viera ·inskáComenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2009 (80 p.)
The reduction of protochloroplhyllide (Pchlide) to chlorophyllide plays a key role in the biosynthesisof chlorophyll. In angiosperms, chlorophyll biosynthesis is under tight control by light, as in thesesystems the Pchlide reduction reaction is catalyzed exclusively by NADPH-Pchlide oxidoreductase(POR) in a light-dependent manner. In contrast, angiosperms, algae and photosynthetic bacteria areable to reduce Pchlide in darkness. The light-independent Pchlide reductase is encoded by threeplastid genes – chlL, chlN and chlB.We used moss Physcomitrellla patens for our experiments. P. patens has been developed as a modelorganism over the last two decades, providing a well developed molecular toolbox includingefficient gene targeting (GT) in combination with the morphologically simple moss tissues. In thechloroplast genome of P patens were identified chlL, chlN and chlB genes, even though inability tosynthesize of chlorophyll in the dark. For purpose of understanding function of DPOR in P. patens ispossible to use method of gene-targetting. Genetic transformation studies of P. patens have revealedthat integration of foreign DNA sequences in the genome occurs preferentially at targeted location byhomologous recombination. Thus the powerful genetic tools developed in the yeast Saccharomycescerevisiae can be directed apply to study plant biology in the moss P. patens.The aim of this diploma thesis was to find out if the chlLNB genes expression occurs in P. patens anddetect the protein subunits of DPOR. We cultivated P. patens in standard conditions. Protonemalcultures and gametophores were grown in the cultivating room 24 °C in two growth conditions: (i)discontinuous white light (16 hours/day), at quantum irradiance 80 mmol ◊ m–2 ◊ s–1, (ii) in thecontinuous dark. We used two culture media – PPNO3 for gametophores and PPNH4 for theproduction of chloronemata enriched protonema. Protonemal cultures were overlaid with cellophanedisk to facilitate collection of material. After two weeks of cultivation in the dark grown cultures wenoticed that P. patens is able to synthesize chlorophyll in the light but not in the dark. Interestingfeature in the dark-grown protonemal and gametophore cultures was negative-geotropic growingslight filaments without chlorophylls. In the centre of our interest was also to study the influence ofpresence 100 mM ampicillin on the development chloroplasts. We have known that growing themoss in the presence of ampicillin leads to a severe inhibition of chloroplast division. After 2 weekswe found that in the ampicillin treatment cultures, each protonemal and gametophore cell containedfrom one to a few macrochloroplasts without disturbed chloroplast shape.In the next part of this work we wanted to find out if the chlL, chlN, chlB gene expression occurs in P. patens. To verify this, we made experiments based on RT-PCR analysis. We prepared cDNA fromgametophores cultivated on minimal medium PPNO3 and on medium with 100 mM ampicillin. Ourresults have confirmed the expression of plastid genes chlLNB in P. patens. In addition, we detectedall DPOR protein subunits through the used Western blot analysis. The accumulation of DPORsubunits equivalent in the protein extracts from gametophores cultivated in the presence of ampicillinand also in the absent of it.The principal aim of this diploma thesis was the experimental culture optimization and furthermoreto prepare background for the future genetic transformation of P. patens.
Physiological adaptations of Arabidopsis sp. to toxic concentrations of essential heavy metals
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Eva ValasekováComenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2009 (76 p.)
Heavy metals belong to the most distinguished inorganic contaminations of the ecosystems. Also inour country we can find localities which are contaminated by heavy metals. On these soils specificplant communities, adapted to the presence of high concentrations of toxic heavy metals can befound.Three plant species from the genus Arabidopsis that came from natural habitats were used forexperiments. Sensitive plants were represented by A. thaliana from the noncontaminated localityRatkovo (district: Martin). The other two investigated species (A. arenosa and A. halleri) originatedfrom contaminated localities. A. arenosa originated from mine heap Terézia (district: Banská ·tiavnica),where the soil is contaminated by increased content of ore minerals with high concentrations of Zn,Pb and Cu. Hyperaccumulator plant species A. halleri originated from the locality Krompachy(district: Spi‰ská Nová Ves), from the neighbourhood of a smelter, where the soil is contaminated byelevated concentrations of heavy metals: Fe, Zn, As, Cu and Pb.The aim of this diploma thesis was to investigate the sensitivity of these plant species to gradedconcentrations of heavy metals, and find out the bases for adaptation ability of tolerant species toaltered concentrations of heavy metals in the environment. In the case of sensitive plant species A. thaliana effect of high concentrations of zinc in medium showed an expressive inhibition of rootgrowth. In case of tolerant species we have not observed so intensive inhibition of root growth. Incomparison with control Zn concentration (10 mM), root growth of A. arenosa was stimulated fora short term in the presence of 100 mM zinc in agar medium. From this investigation we canconclude, that these plant species require higher concentrations of zinc for normal growth thannormal sensitive plant species.We have found, that root growth of A. halleri was stimulated by lack of zinc. Root growth stimulationmight represent adaptation, which allows effective absorption of zinc from solution, which containslow concentrations of zinc with low solubility. In presence of 0 mM Zn in medium the highest valuesof index of tolerance were found for species A. halleri. In presence of high concentrations of zinc inmedium, A. arenosa showed the highest values of index of tolerance. For the long-term influence of high zinc concentrations in the medium, the greatest sensitivity had A. thaliana. In the short-termtreatment with high Zn concentrations, A. halleri expressed the greatest sensitivity. We have foundthat altered concentrations of zinc reduced the number and the length of the cells in the elongationzone of epidermal cells of the roots of A. thaliana. On contrary, altered concentrations of Zn (0 and100 mM) do not reduce the number of cells and do not inhibit the lengthening of epidermal cells of the roots of A. arenosa. However the highest concentration of Zn (1000 mM) slightly inhibitedelongation, but does not reduce the number of cells in elongation zone of epidermal cells of theroots, what might be a form of adaptation of these plants to presence of high concentrations of heavymetals in the environment. In case of A. halleri altered concentrations of zinc reduced the number
Dof cells in the elongation zone of the root epidermal cells and stimulated cell elongation in this zone.In that way this plant species is adapted to various concentrations of zinc in the environment, so alteredconcentrations of heavy metals do not reduce the root length of this plant species. We have investigatedthe protoplast resistance of mature leaf cells of three Arabidopsis species toward graded concentrationsof zinc and copper. We found out, that A. halleri protoplasts tolerated ten fold higher concentrationsof Zn (10-4 M) and Cu (10-5 M) than other two species. Our results showed, that copper is moretoxic metal than zinc.
IntroductionChlorophyll is a key pigment of photosynthesis.In the chloroplasts, chlorophyll forms pigment-protein complexes which are integrated into thephotosystems. Chlorophyll biosynthesis is underthe metabolic control which coordinates synthe-sis of particular compounds of photosystems.During the dark phase of plant development(skotomorphogenesis), chlorophyll biosynthesisis blocked at the step of protochlorophyllide(Pchlide). Pchlide accumulates in the specificstructures of etioplasts – a prolamellar bodies(PLB). Here it forms complex with NADPH and light-dependent protochlorophyllide oxido-reductase (LPOR). The Pchlide:NADPH:LPORcomplex is stable until the etiolated plants areilluminated. Light activates reduction of Pchlideto chlorophyllide (Chlide) by LPOR-mediatedphototransformation. Chlide is then converted tochlorophyll which is captured by chlorophyll-binding proteins to form photosystem complexesin the developing thylakoid membranes. There isnecessary to prevent Pchlide over-accumulationin etiolated plants because of the risk of cell pho-todamage. Pchlide accumulation is inhibited atthe step of aminlevulinic acid (ALA) synthesis byrepression of glutamyl-tRNA reductase (GluTR)activity and expression. The FLU protein is a ne-gative inhibitor of GluTR activity in angiospermplants. In contrast to angiosperms, gymnospermplants are able to reduce a part of the Pchlide inlight-independent manner, using the light-inde-pendent Pchlide oxidoreductase (DPOR). DPORenzyme is composed of the three protein subu-nits ChlL, ChlN and ChB, which are encoded by related plastid genes chlL, chlN and chlB. In
gymnosperm plants DPOR-mediated Pchlidereduction allows them to synthesize chlorophyllin the dark. However, angiosperms do not possessthis enzyme and they are not able to form chlo-rophyll during skotomorphogenesis.The aim of this study was to determine expressionof the plastid genes chlL, chlN, chlB, togetherwith accumulation of the chlorophyll biosynthe-sis-related proteins (GluTR, FLP) in the P. abiesand L decidua seedlings. Plastid differentiationwas simultaneously observed. To analyze DPORfunction in the moss Physcomitrella patens,which is not able to synthesize chlorophyll in thedark we have started to prepare chlL disruptionconstructs.
Material and methodsWe used 7 and 14 day-old Picea abies (L.) Karst.and Larix decidua Mill. seedlings grown in the-continual dark at 25 °C and under the circadianlight conditions (14 h light at 100 mmol ◊ m–2 ◊ s–1
PAR/10 h dark at 25 °C.). A part of the 14 day-olddark-grown seedlings was illuminated for 24 h at 100 mmol ◊ m–2 ◊ s–1 PAR. To inhibit ALAsynthesis in P. abies we treated the seedlings with300 mmol ◊ l–1 gabaculine (3-amino-2, 3-dihydro-benzoic acid) solution. Physcomitrella patens(Hedw.) B.S.G. protonemal and gamethophorecultures were cultivated under the standardizedconditions according to Schaefer (2001). To inhi-bit chloroplast division, ampicillin was added in-to the cultivation media at afinal concentration100 mmol ◊ l–1.Plastid gene expression was analyzed using RT-PCR after isolation of total RNA and cDNAsynthesis.
Study of the genes responsible for chlorophyll biosynthesis in the dark.
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: Mgr. Viktor DemkoSupervisor: prof. RNDr. Ján Hudák, DrSc.Comenius University in Bratislava. Faculty of Natural Sciences. De-partment of Plant Physiology, 2009 (89 p.)
DTo analyze posttranscriptional modification ofthe chlB transcripts we used analytical restrictiondigestions of specific cDNA fragments followedby electrophoretic separation.Dynamics of DPOR subunits ChlL, ChlN, ChlB,and GluTR, FLP, D1, LHCIIb and LHCI proteinaccumulation was determined using a Westernblot technique.For chlL disruption plasmid construction we usedstandard DNA cloning techniques (Maniatis etal., 1989).For anatomical and cytological observations weused light and fluorescence microscopy. Plastidultrastructure was determined using a transmissi-on electron microscopy.
ResultsAn etiochloroplasts were differentiated in thedark-grown P. abies cotyledons. The plastidmembrane system was well developed and for-med grana. The prominent starch grains, fre-quently occurred PLBs and plastoglobules werepresent in the plastid stroma. In the L. deciduacotyledons, a plastid ultrastructure has changeddepending on the length of cultivation in thedark. An etiochloroplasts were formed in the7 day-old seedlings, but typical etioplasts werepresent in the 14 day-old etiolated seedlings. Inthe gabaculine-treated P. abies seedlings, plastidultrastructure was dramatically changed. Deve-lopment of the plastid membrane system wasblocked. Dominant part of the plastid innerspace was occupied by large starch grains andthe plastid stroma with small vesicles formeda thin layer around the plastid envelope.The genes encoding DPOR were expressed inboth dark-grown seedlings and after their 24 h
illumination. However, changes were observedin RNA-editing efficiency of the L. decidua chlBtranscripts. The rate of editing was the highest inthe 7 day-old dark grown seedlings and then gra-dually decreased. Similar pattern was observedin the case of DPOR subunit accumulation.The level of DPOR was extremely low in thecircadian-grown P. abies seedlings. We also de-termined decrease of chlL, chlN, chlB gene ex-pression in the circadian-grown seedlings whencompared with dark-grown ones. Gabaculine-mediated disturbances in plastid developmenthave no negative effect on DPOR-encoding geneexpression, but the enzyme abundance decreased.On the other hand, the GluTR and FLP proteinsaccumulated in the gabaculine-treated cotyledonsat the same level as observed in dark-grown con-trol plants. The level of GluTR and FLP was loweronly in the circadian-grown control plants.Chloroplast division was successfully inhibited inthe P. patens cells. The protoplasts containingmacrochloroplasts will be used in further experi-ments. We have also started to prepare a con-structs for the chlL knock-out to determine thefunction of DPOR in the P. patens which is notable to synthesize chlorophyll in the dark.
ConclusionObtained results indicate that ALA synthesis andlight-independent Pchlide reduction could be re-gulated at a different levels and in that way final-ly response to the actual physiological state of theplastids. These findings could be used as a back-ground for detail studies focusing on specific fea-tures of chloroplast biogenesis in more ancientphototrophs.
Study of mustard (Sinapis alba L.) seedlings regeneration after antibiotics treatment
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor:RNDr.Adriana MachlicováAdviser: prof. RNDr. Ján Hudák, DrSc.Comenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2008 (165 p.)
Antibiotics cause many structural and physiological changes at plant organism. Generally, they inhibitchloroplast development from proplastids, differentiation of thylacoids and they can induce chloroplastdegradation. Furthermore they destroy synthesis of some proteins essential to photosynthesis. Thiswork deals with two types of antibiotics: an erythromycin inhibitor of proteosynthesis on plastidribosomes, and cycloheximide inhibiting synthesis of proteins on cytoplasmic ribosomes. The cytokininsare known to stimulate cell division, plastid differentiation, chlorophyll and nucleic acid synthesisand they increase the activity of some enzymes. Exogenous application of cytokinins increases anendogenous level of cytokinins and induces plastid development. The inhibitory effects of antibioticstogether with the reverse effects of kinetin provide a useful tool for studying proteosynthesis in plants.In this work we have observed the growth of mustard seedlings and the development of theirphotosynthetic apparatus after antibiotics treatment. From our experiments it is obvious that seedsgermination is strongly inhibited only in the presence of cycloheximide in higher concentrations.Both, erythromycin and cycloheximide markedly reduced growth of seedlings. There was founddependence between the concentration of antibiotic in nutrient medium and the length of mustardroots and/or shoots. The higher concentrations of antibiotics decreased water content in leaf mesophylltissues which resulted in increased content of dry mass. Furthermore, in our experiments kinetin wasapplied in order to eliminate effect of antibiotics. Kinetin improved the seedlings growth andincreased the water content in mustard cotyledons.The first visible symptom of antibiotics action was the chlorophyll bleaching suggesting a decline inchlorophyll contents. However photosynthetic pigments are a very good indicator of antibioticsaction, the effect of antibiotics on stage of photosynthetic apparatus via organization of leaf mesophyland the chloroplast ultrastructure was also investigated. The content of total photosynthetic pigmentsdecreased in dependence of antibiotic concentrations. Kinetin applied together with antibioticincreased the content of photosynthetic pigments significantly.The effect of cycloheximide and erythromycin to total protein content and to the protein spectrumwas studied. However, cycloheximide is known as an inhibitor of proteosynthesis we found twotimes more proteins in cotyledons treated with this antibiotic. Thus we suppose that cycloheximide inhigh concentrations induces expression of stress proteins, which are known to be expressed afterxenobiotics treatment. On the other hand, in case of erythromycine the protein content decreased.The stimulation effect of kinetin on protesynthesis showed only when applied together withcycloheximide. We suppose that kinetin activates intensive proteosynthesis to repair damagedorganelles and diminishes the stress caused by cycloheximide. To compare the differences in totalprotein content in mustard cotyledons after various treatments the equal amounts of proteins fromcontrol and all treated variants were submitted to SDS-PAGE. Both antibiotics markedly influencedthe protein spectrum. There was observed degradation till disappearing of high molecular proteins
Dand increasing in low molecular proteins mainly in cycloheximide profiles. To evaluate thedifferences in photosynthetic activity among the variants the amounts of Rubisco subunits in mustardcotyledons were determined. The proteins of Rubisco LS are synthesized on ribosomes in chloroplastsand those of Rubisco SS on cytoplasmic ribosomes. Based on antibiotic character to inhibitproteosynthesis on plastid or cytoplasmic ribosomes we supposed the lower amount of Rubisco LS orSS. The antibiotics in the highest concentrations alone decreased amounts of Rubisco subunitsmarkedly while in kinetin treated seedlings the amounts of large and small Rubisco subunits showedsimilar profiles to untreated seedlings.Leaf anatomy of the mustard cotyledons is typical for dicotyledonous plants with cylindrical palisadecells and oval spongy parenchyma cells. After antibiotics treatment the mesophyll cells had irregularshape, larger intercellular spaces and the vacuolar volume was smaller. The latter might correspondwith the cycloheximide-induced water loss in cotyledons. In vacuoles of mesophyll and epidermalcells numerous inclusions of different size occurred. These results may indicate that under antibiotictreatment some superfluous material is translocated into the vacuoles in the form of dark inclusions.This process could be involved in the quality control of organelles. After application of cycloheximidewith kinetin the mesophyll cells contained similar but smaller inclusions while after erythromycinwith kinetin application leaf mesophyll did not differ from the control one.The ultrastructural responses confirm mesophyll cell disturbation by antibiotics. Chloroplasts hadirregular shape and there were found chloroplast protrusions, which in case of erythromycin trenchedon the one third of whole plastid and are formed cup-shaped chloroplasts. The membrane system of chloroplasts was reduced however number of elongated grana with less thylacoids were present.This could correspond with the presence of reduced amount of chlorophyll after antibiotics application.After cycloheximide treatment there were many areas of phytoferritin in stroma. Kinentin hasa positive effect on development of antibiotic-treated chloroplast and the membrane system wasformed better.Results of our experiments clearly show that antibiotics used in our experiments delayed seedlingsdevelopment and damaged photosynthetic apparatus of mustard cotyledons. On the other hand wemanaged to demonstrate that kinetin application diminished effects of antibiotics and lead toregeneration of mustard cotyledon cells and tissues. The responses of molecular constituents of thephotosynthetic system to antibiotics alone and in combination with kinetin correlated with structuralalterations of mesophyll and chloroplasts.
The development and function of endodermal cells of Arabidopsis thaliana primary roots
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: Mgr. Michal MartinkaSupervisor: prof. RNDr. Alexander Lux, DrSc.Comenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2009 (130 p.)
The aim of the thesis „The development and function of endodermal cells of Arabidopsis thalianaprimary roots“ is to elucidate the development and the function of apoplastic barriers in endodermalcells of Arabidopsis thaliana primary roots. The results are based on experiments comparing the7-days old plants of the wild type Ler and genotypes with modified endodermal development –shr, scr3, and scz. The anatomy of primary roots and endodermal development on cytologicallevel were analyzed and their relationship to the biomass production, growth rate, cadmium uptakeand translocation were compared after 0 mM (control), 10 mM and 100 mM Cd(NO3)2 ◊ 4 H2Orespectively.The present thesis extends the previous knowledge about endodermal cell development on ultrastructurallevel and their physiological function in important model plant species Arabidopsis thaliana.The main results are:– Endodermal cells of primary roots in wild type Ler develop in two stages. In the first stage
Casparian bands develop on anticlinal cell walls closer than 2 mm from the root apex. Thereaftersuberin lamellae develop on the inner surface of primary cell walls with position effect startingopposite to the phloem poles in the distance of 8–10 mm from the root apex.
– Endodermal cells in the vicinity of lateral root primordium develop sooner and deposit thickersuberin lamellae compared to the more distant cells. On the lateral root base the endodermal cellsof morphologically different shape develop a collet, which probably forms a mechanically andfunctionally safer connection between endodermal cells of primary and lateral root.
– Primary roots of shr genotype form neither endodermal cells nor Casparian bands and suberinlamellae. However, electrondense Casparian band-like material is deposited ectopically to themiddle lamellae between thecell walls of almost all root tissues.
– The cell to cell contact is required for the spatial control of Casparian band development inendodermis. Primary roots of scr3 genotype form unstable number of endodermal cell files (3–6 oncross section). Separately developed endodermal cell or non-differentiated/non-divided corticalcell deposits the Casparian band-like material to the connection of its anticlinal cell wall andtangential cell wall of neighbouring pericycle cell. On the other hand two developingneighbouring endodermal cells form the typical Casparian band on the neighbouring anticlinalcell walls.
– The endodermal cells of scz genotype are atypically multiplicated. The primary roots form one ormore additional endodermal cells or even the whole additional layer (on cross section).
– The apoplastic barriers develop closer to the root apex after 100 mM cadmium nitrate treatment.Casparian bands start to develop at 1.2 mm and suberin lamellae at 2.7 mm from the root apex.
– Cadmium nitrate causes the widening of Casparian bands and thicker deposits of suberin lamellaein endodermal cells compared to the control.
– The Casparian bands and the deposits of lamellar suberin are significantly more extensive in scr3and scz genotypes compared to those of wild type Ler.
D– Cadmium nitrate at 100 mM concentration inhibits fresh and dry biomass production and has
xeromorphic effect (decreases the amount of water) in the roots, shoots and the whole plants ofArabidopsis thaliana.
– Endodermal cells with apoplastic barriers maintain the water in the plants and decrease thexeromorphic effects of cadmium. Genotype shr, characteristic by the absence of typical endodermis,accumulates the highest amount of cadmium compared to the other investigated genotypes. Aftereffect of cadmium nitrate the shr genotype has the lowest ability to maintain the water comparedto the other investigated genotypes.
This work was supported by grants 1/4354/07 from Slovak Grant Agency VEGA, COST 0004-06 fromSlovak Research and Development Agency APVV, MVTS COST 859 from Ministry of Education of theSlovak Republic, and by grants UK/201/2005, UK/239/2006, UK/285/2007 from Comenius University.
Chlorophyll biosynthesis and photosynthesis in seedlings of gymnosperm species
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: Mgr. Andrej PavloviãSupervisor: prof. RNDr. Ján Hudák, DrSc.Comenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2009 (147 p.)
IntroductionThe development and maintenance of life on Earth is predominantly dependent on photosynthesis,which transforms the radiant energy, coming from the sun into the chemical energy stored in variousmolecules. In eukaryotic organisms, the photosynthetic process takes place in the chloroplast. Light isan important modulator of chloroplast development and formation of photosynthetic apparatus inangiosperm plants. Light is needed to initiate and maintain chlorophyll (Chl) biosynthesis, becausethe reduction of protochlorophyllide (Pchlide) to chlorophyllide (Chlide) is catalyzed by photoenzymelight-dependent NADPH:protochlorophyllide-oxidoreductase (LPOR). In addition, light also stimulatessynthesis of the universal tetrapyrrole precursor – aminolevulinic acid (ALA). In dark-grown angiosperms,proplastids develop to etioplast, no Chl is synthesized and the chlorophyll precursor Pchl(ide) isaccumulated. The etioplasts contain prolamellar bodies (PLB) and prothylakoids (PT). The mostabundant protein in PLB is LPOR. In the dark, LPOR binds Pchlide and NADPH and form a ternarycomplex. After illumination the Pchlide is reduced to Chlide and transition from etioplast tochloroplast begins.However, anoxygenic photosynthetic bacteria as well as cyanobacteria, non-vascular plants, ferns andgymnosperms are capable of chlorophyll formation in the dark, because they have light-independentprotochlorophyllide-oxidoreductase (DPOR). Anoxygenic photosynthetic bacteria contain only DPOR,remaining organisms have both: LPOR and DPOR. This enzyme consists of three subunits encodedby the chlB, chlL and chlN genes in the plastid genome. As a result, proplastids of these plantsdevelop to chloro-etioplasts with PLB and form grana stacks like ordinary thylakoids. The chlorophyllformed in darkness is localized within the ordinary chlorophyll-protein complexes: photosystem I (PSI)and photosystem II (PSII).Whereas, many aspects of light-dependent Chl biosynthesis are well established, many aspects of Chlbiosynthesis in the dark are poor known. Therefore, this thesis focus on chlorophyll metabolism,development of photosynthetic apparatus and photosynthetic assimilation in the presence and in theabsence of light in four gymnosperm species with different ability of Chl biosynthesis in the dark.
Materials and MethodsThe seeds of four gymnosperm species (Picea abies, Pinus mugo, Larix decidua, Gingko biloba) weresown on moist filter paper or perlit in Petri dishes and germinated in growth chamber either with 12 hourphotoperiod with an illumination 100 mmol m–2 s–1 PAR or in complete darkness at 25 °C for 15 days.For greening experiment, 15-days old seedlings were exposed to continuous illumination and thephoto-transformation was analyzed at regular intervals. Gabaculine and aminolevulinic acid wereused for inhibition or stimulation of chlorophyll biosynthesis.Chlorophylls from 100 mg of cotyledons were extracted with chilled 80 % acetone (v/v). Aftercentrifugation the chlorophyll a + b content was determined spectrophotometrically (Jenway 6400,London, UK) and calculated according to Lichtenthaler (1987). The amounts of Pchlide in hexane-
Dwashed acetone extracts were spectro-fluorometrically (Shimadzu, RF-5301 PC, USA) measured atlex 438 nm/ lem 633 nm and quantified using standard according to Koski and Smith (1948). Thepresence of protoporphyrine IX (ProtoIX) was detected in the same extracts at lex 402 nm/ lem 595nm. ALA synthetic activity was determined spectro-photometrically according to Alawady & Grimm(2005). To analyze the native arrangement of chlorophyllous pigments, low-temperature (77K)fluorescence spectra were recorded. Fluorescence emission spectra at low temperature in liquidnitrogen were measured with the Fluorolog spectrofluorometer (SPEX, USA). Rate of photosynthesis(PN) and respiration (RD) were measured with a portable infrared gas analyzer Ciras-2 (PP-Systems,Hitchin, UK). In vivo chlorophyll fluorescence was recorded using fluorimeter FMS-2 (Hansatech,Norfolk, UK) and Fluorcam FC-1000 LC (Photon System Instruments, Brno, CZ) adapted to Ciras-2.Maximum (Fv/Fm) and effective quantum yield of photosystem II (FPSII) and photochemical (qP) andin some cases non-photochemical quenching (NPQ) were calculated according to Maxwell andJohnson (2000). Ultrastructure of plastids was observed by using of transmission electron microscope(Jeol FX 2000, Tokyo, Japan).
ResultsThe studied species of gymnosperms markedly differ in their ability to synthesize Chl in darkness. Thehighest Chl content was found in cotyledons of Picea abies, followed by Pinus mugo and Larixdecidua, which produces only traces amount of Chl in the dark. We did not detect any Chl in dark-grown G. biloba. The ability of Chl biosynthesis correlates in the dark well with ultrastructure ofplastids. P. abies develop typical chloro-etioplast, whereas plastids in L. decidua resemble typicaletioplasts of angiosperm plants. Due to the capability of conifers for dark Chl formation accumulationof Pchlide have been questioned. We found that Pchlide accumulates in the dark in both forms: freeand bound to PLB. The highest concentration of Pchlide was found in P. abies, followed by P. mugoand L. decidua and only traces were found in dark-grown G. biloba. It is believed that Pchlide acts asnegative and light as positive regulator on ALA synthesis in angiosperms. However, in P. abies ALAsynthetic activity is high in the presence of Pchlide and in the absence of light, what suggest that alsoanother factors regulates ALA synthesis in this plant. Moreover, light only slightly stimulates ALAsynthetic activity. In this respect, L. decidua behaves as typical angiosperm plants – ALA synthesis islow in thedark and light rapidly stimulates ALA formation. Pinus mugo represents an intermediateform between these two extremes. The greening process in G. biloba is extremely slow and ALAsynthetic rate is low even after 12 hours of illumination. Chlorophylls in conifer’s cotyledons in thedark are bound preferentially to PSII. In species with the high Chl content in dark like P. abies, Chl isalso bound to PSI. Although, in dark-grown seedlings of P. abies a PSII and PSI reaction center wereassembled, maximum quantum yield of PSII (Fv/Fm) is low. Also CO2 uptake remains very low afterimmediate illumination, indicating that PSII is not active. After prolonged illumination (up to 48 hours),the ratio of PSI to PSII increase as well as chlorophyll fluorescence parameters and CO2 assimilation.G. biloba needs more than 48 hours, L. decidua 24–48 hours and P. abies and P. mugo 1–6 hours toachieve the values comparable with circadian-grown plants.Exogenous application of ALA increased ProtoIX, Pchlide and Chl content in P. abies what supportthe idea that ALA is a rate limiting step in Chl biosynthesis in the dark. The surplus chlorophyll (15 %)is probably bound to light harvesting complex of PSII (LHCII). We suggest that these LHCII are notenergetically connected with reaction center of PSII what result in high low temperature fluorescenceat 682 nm.Gabaculine inhibited chlorophyll synthesis in the dark. The Pchlide content in the dark is reduced,although both forms of Pchlide are present. No or weak chlorophyll fluorescence from PSI wasdetected, indicating that the Chl are preferentially bound to proteins in PSII. Gabaculine-treated dark-grown plants have no PN and FPSII was inhibited to the same extent than light-grown ones.It was proposed that Chl biosynthesis in the dark is a part of molecular basis for shade tolerance of some gymnosperms, but we did not find any convincing evidences confirming this hypothesis. Wecultivated P. abies, P. mugo and L. decidua in sun and deep shade conditions. In general, the highestchlorophyll content and the highest values of chlorophyll fluorescence parameters Fv/Fm and FPSIIwere determined in Picea deep shade cotyledons among studied species. On the contrary, the samechlorophyll fluorescence parameters were the lowest in Picea sun cotyledons, although the chlorophyll
content was still the highest. The opposite was found in Larix with the highest values of the samefluorescence parameters found in sun treatment and the lowest in deep shade treatment amongstudied species. These results support the observations that Picea abies is a shade tolerant species andLarix decidua is a heliophyte species. Pinus mugo showed intermediate characters, but in general iscloser to Larix. Despite higher FPSII and Chl content in Picea deep shade cotyledons, the PN was nothigher, but was even lower than in Larix. This indicates that surplus chlorophyll in Picea abiesgrowing in deep shade did not provide competitive advantage in term of CO2 fixation and no benefitwas found.
ConclusionWe found that Chl biosynthesis in the dark have different regulation mechanism in comparison to Chlsynthesis in the light, mainly the factors that regulates the key step in Chl biosynthesis – ALAformation. In species with restricted ability of Chl synthesis in the absence of light, no precursor ofChl is accumulated in higher amount, indicating that all tetrapyrroles biosynthetic pathway is down-regulated. This mechanism is required in gymnosperms to avoid photodamage upon light exposure.We showed that assembly of photosynthetic apparatus and plastid ultrastructure correlate well withability of Chl synthesis in the absence of light. Despite high Chl content in the dark in some coniferspecies, the values of Fv/Fm indicate that seedlings need the light for photoactivation of PSII andeffective photosynthetic assimilation of CO2. We demonstrated that ALA formation is a rate limitingstep in Chl biosynthesis in the dark and we showed that the highest chlorophyll synthesis in the darkis confined to shade adapted species P. abies, but we did not find any competitive advantage thatcould be provided by DPOR in this environment.
DComparative study of Thlaspi spp. roots in relation
to metal hyperaccumulation
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: Mgr. Ivan ZelkoComenius University in Bratislava.Faculty of Natural Sciences.Department of Plant Physiology, 2008 (119 p.)
Metal hyper-accumulation in plants is an intriguing and still unclear phenomenon. Present workdeals with two plant species characterized by contrasting response to presence of cadmium and zinc.Tolerant and hyperaccumulating species Thlaspi caerulescens was compared with closely relatedThlaspi arvense – sensitive and non-accumulating. This work is focused on the root structure and thedevelopment of endodermis.Plants were cultivated in perlit, on filter paper, in hydroponics and on agar media in vitro. Differentconcentrations of Cd(NO3)2 ◊ 4 H2O were used. From cultivations used, the cultivation of seedlings invitro was the most suitable for examination of factors affecting root structure and root growth.Samples were investigated using light, fluorescence, TEM and cryo-SEM microscopy with differentstaining, especially for visualization of Casparian band and suberin lamellae. Root growth parameters,lignin structure and zinc localisation were examined. The most striking structure formed close to theroot tip in T. caerulescens, but not in T. arvense, is the peri-endodermal layer of cells with irregularlythickened inner tangential walls (Broadley et al, 2007, Zelko et al. 2008). This layer observed in somespecies of Brassicaceae by early anatomists and described as ‘réseau sus-endodermique’ is composedof irregularly thickened secondary cell walls impregnated by lignin, and it forms a compact cylinderencircling the endodermis. The precise function of the lignified cell wall thickening of the peri-endodermal layer of T. caerulescens is unclear at present. Some possible roles are discussed and itspotential relation with metal hyperaccumulation and/or tolerance should be investigated.The differences in the relative proportions of individual root tissues (rhizodermis, cortex, stele andendodermis, examined on the cross sections) of the two species were found. In T. caerulescens higherproportion of endodermis and lower proportion of cortex comparing with T. arvense was determined.Other interspecific differences were found in the root diameter, rhizodermal cell dimensions, corticalcells arrangement and their number, contact between endodermal and mezodermal cells. Casparianbands and suberin lamellae are formed closer to the root apex in T. caerulescens.Cadmium influenced the relative proportions of tissues examined on the cross sections. In T. caerulescensthe proportion of rhizodermis decreased and the proportions of endodermis and outer cortex slightlyincreased. Relative proportions in T. arvense were affected only insignificantly. Cadmium also shiftedformation of cortical cell wall modifications closer to the root apex which was more noticeable in T.arvense. Faster root growth was recorded in T. arvense. Cadmium at higher concentrations inhibitedroot growth in both species. Surprisingly, at low concentrations, cadmium slightly stimulated rootgrowth in both species. GC-MS and GPC analysis of thioacidolysis products (in situ solvolysis of lignin)showed interspecific differences. There were different proportions of lignin monomers and there ishigher number of condensed bonds in lignin structure of T. caerulescens.
This work was partially supported by grants 1/0100/03 from Slovak Grant Agency VEGA, UK/238/2004and 97/2003/UK from Comenius University in Bratislava, 51-013304 from Slovak Research andDevelopment Agency APVV, COST Action 837 and COST Action 859 and COST 0004-06- APVV.
Activation of non-photochemical quenching mechanisms of absorbed light energy in lichen thalli exposed
to desiccation stress
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Alena MoudráVedoucí práce: prof. Ing. Milo‰ Barták, CSc.Oddûlení fyziologie a anatomie rostlin,Ústav experimentální biologie PfiF Masarykovy univerzity,Brno, 2009/6Kontakt: [email protected]
The aim of this diploma thesis was quantification of protective mechanisms activated in photosyntheticapparatus of lichen symbiotic algae/cyanobacteria during the process of lichen thalli desiccation.Lichens are poikilohydric symbiotic organisms that tolerate desiccation. They survive in dry state byinactivation of their metabolic activity. After rehydration, they are capable to restore their physiologicalactivity in terms of minutes. However, lichens are not able to control water content in their thalli.Thefore, they desiccate and, consequently lose their photosynthetic activity quite rapidly. To evaluatedesiccation-induced mechanisms, several different techniques of chlorophyll a fluorescencemeasurements were used in selected lichen species. Comparative measurements of photosyntheticdehydration response curves were made in Peltigera sp., Xanthoria elegans, Hypogymnia physodes,Cladonia cf. Macilenta, Cladonia cf. Fimbrilata, Cetrariella delisei,, Xanthoparmelia sp., Umbilicariadecussata, Nostoc commune, and Lasallia pustulata. Specimen of lichen thalli were collected inseveral locations in the Czech Republic, Antarctica (James Ross Island), and Svalbard (Petunia bukta).In a laboratory, the lichen thalli were wetted for 24 h to reach optimum thalli hydration and thangradually dried at room temperature under photon flux density either 800 mmol m–2 s–1 (high light) or3.5 mmol m–2 s–1 (low light). During this process the degree of desiccation was measured as waterpotential (WP) by Dewpoint Water Potential Meter WP4-T (Decagon, USA) and, simultaneously, thequantum yield (FII) of photochemical processes of photosystem II (PSII) (fluorometer Opti-Science)together with Kautsky kinetics using the method of saturation pulses (fluorometer PAM-2000). Thevalues of non-photochemical quenching were calculated from the Kautsky kinetics and the contentsof xanthophyll cycle pigments and chlorophylls were evaluated by HPLC. According to the dataobtained by the HPLC analysis, there were differences found in non-photochemical quenching andthe de-epoxidation state of the xanthophyll cycle pigments between the high light and the low lightexperimental treatments, however both treatments have followed the same trend. Both DEPS andNPQ values increased with the progressive desiccation of the lichen thalli.
Decrease in water potential (WP) from full saturation (WP = 0 MPa) to –6 MPa did not lead tosubstantial loss in FII majority of cases. During following dehydration, at WP values below –6 MPa,all experimental species showed more or less constant rates of FII decrease. Critical WPs, at whichphotosynthetic processes were severely limited by water loss and, finally, fully inhibited, wereestimated –20 MPa for Xanthoria sp. and –30 MPa for N. commune. The decrease in FII with morepronounced desiccation is rather general phenomenon in lichens associated with dehydration-inducedinhibition of primary photosynthetic processes. In PSII, it comprises mainly functional disconnectionof LHCs from PSII core and consequent decrease in light driven processes in the PSII center. Thephotosynthetic dehydration-response curves showed biphasic relation between the FII and the waterpotential. Therefore, photosynthetic activity does not appear being limited during the early stages of lichen desiccation, but starts be inhibited when the values of water potential drop below –8 MPa.
DRecent measurements of quantum yield performed at the non-lichenized Nostoc commune haverevealed that the cynobacterium exhibited gradual loss of photosynthetic activity. The response of FII
to decerasing WP did not showed biphasic character, however, critical WP was found wery lowcomparably to Umbilicaria antarctica (unpublished data). Therefore, N. commune may retain itsphotosynthetic activity even at severe water loss which might be particularly advantageous inAntarctic habitats with low availability of liquid water.
Studium prÛbûhu lignifikace xylému u transgenních rostlintabáku Nicotiana tabacum
s modulovanou biosyntézou cytokininÛ
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Veronika ProtivováVedoucí práce: RNDr. Jaroslava Dubová, CSc.Konzultant: Prof. Bfietislav Brzobohat ,̆ CSc.Oddûlení fyziologie a anatomie rostlin,Ústav experimentální biologie PfiF Masarykovy univerzity,Brno, 2009/6Kontakt:[email protected]@seznam.cz
Diplomová práce se zab˘vá studiem dopadu zv˘‰ené hladiny rostlinn˘ch hormonÛ cytokininÛ nastrukturu xylému u transgenních rostlin tabáku (Nicotiana tabacum L. cv. Petit Havana SR1), kteréobsahují transkripãnû aktivaãní systém pOp/ipt – 35S/LhGR. Uveden˘ transkripãnû aktivaãní systémumoÏÀuje aktivaci exprese zájmového genu aplikací dexamethasonu. V tomto pfiípadû je genem zájmubakteriální ipt, kódující izopentenyl transferázu, která reguluje první krok biosyntézy cytokininÛ. DÛ-sledkem aktivace ipt po aplikaci dexamethasonu je zv˘‰ená biosyntéza cytokininÛ. Rostliny dvou ho-mozygotních linií transgenního tabáku vykazovaly po aktivaci dexamethasonem niωí vzrÛst, potlaãe-nou apikální dominanci, na vyvinut˘ch listech vznikaly nekrotické léze a novû rostoucí mladé listybyly v˘raznû zvlnûné, chlorotické s men‰í listovou plochou ve srovnání s rostlinami neaktivovan˘mi,ãi netransformovan˘mi kontrolami. Pracovní hypotéza pfiedpokládala, Ïe zvy‰ování poãtu cév a jejichrychlej‰í lignifikace, která by znemoÏnila prodluÏování cévních elementÛ a zabraÀovala tak následné-mu zvût‰ování listové plochy, mohly b˘t indukovány zv˘‰enou hladinou endogenních cytokininÛ potranskripãní aktivaci ipt.
Experimentální rostliny byly kultivovány v klimaboxech Percival pfii fotoperiodû 16h/8h, intenzitûosvûtlení 120 mmol fotonÛ ◊ m–2 ◊ s–1, teplotû 24 °C/ 21 °C a relativní vzdu‰né vlhkosti 70 %. Za 5 t˘d-nÛ kultivace, kdy rostliny dosáhly v˘‰ky asi 15 cm, byla polovina rostlin o‰etfiena zálivkou roztokemdexamethasonu, kontrolní rostliny byly zality blankem bez dexamethasonu. Odbûry vzorkÛ orgánÛexperimenálních rostlin byly provádûny 1., 3. a 5. den po zálivce rostlin. Histochemická Wiesnerovadetekce ukládání ligninu byla provádûna na ãerstv˘ch i na parafínov˘ch fiezech. âást parafínov˘ch fie-zÛ byla nabarvena sukcesivním podvojn˘m barvením alciánovou modfií a hlinit˘m lakem jaderné ãer-veni. Poãty lignifikovan˘ch cév v xylémové ãásti svazkÛ cévních a délkové parametry byly hodnocenypomocí programu Image Tool for Windows (IT 3.00).
Získan˘mi v˘sledky se pracovní hypotézu nepodafiilo jednoznaãnû potvrdit. Aktivované varianty trans-genních rostlin nevykazovaly vÏdy prokazatelnû zv˘‰en˘ obsah lignifikovan˘ch cév xylému oproti va-riantám neaktivovan˘m. V nûkter˘ch pfiípadech bylo dokonce zji‰tûno, Ïe rostliny kontrolní mûly vícelignifikovan˘ch cév neÏ aktivované rostliny transgenní. Velk˘ podíl na rozdílech mezi jednotliv˘miexperimentálními variantami mûla biologická variabilita materiálu. âasové intervaly odbûru materiálupo aplikaci dexamethasonu byly relativnû krátké, aby se vliv exprese ipt a následnû zv˘‰ená hladinacytokininÛ odrazila ve stavbû cévních svazkÛ. Mnohem v˘raznûji byl tento vliv patrn˘ u apikálníchmeristémÛ, které byly u v‰ech aktivovan˘ch variant ‰ir‰í ve srovnání s variantami dexamethasonem ne-aktivovan˘mi. Ve stavbû cévních svazkÛ stonkÛ se po aktivaci pOp/ipt projevily rozdíly aÏ po del‰íchintervalech kultivace, které nebyly jiÏ souãástí této diplomové práce.
and rhizosphere bacteria on maize (Zea mays L.) growth
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Martin Rozmo‰Vedoucí práce: RNDr. Milan BaláÏ, CSc.Oddûlení fyziologie a anatomie rostlin,Ústav experimentální biologie PfiF Masarykovy univerzity,Brno, 2009/6Kontakt: [email protected]
Two pot experiments were performed in the frame of my diploma work. They were aimed to quantifythe effects of selected soil microorganisms on plants growth. The first experiment focused on theeffects of three arbuscular mycorrhizal fungi species and two rhizobacteria species on the shoot massformation in maize (Zea mays L.). In the second experiment, the effects of three commerciallyavailable products, Biovin, TurfComp and Symbivit, on the growth and branching of red fescue(Festuca rubra L.) under three water regimes were quantified. All the rhizosphere microorganismstested in my experiment did not affected maize growth. This outcome may be explained by a lowcolonization of maize roots by arbuscular mycorrhizal fungi caused by a short period of maizecultivation, by a limited volume of cultivation pots or by a high content of mineral nutrients in soilused. The growth of F. rubra was positively affected in some treatments. For example, Biovinstimulated the growth of red fescue aboveground parts. However, I was not able to determine themechanism of this stimulation, which in principle may be either changed soil microbial communityor nutrients added to the substrate with the commercial products tested. No differences in red fescuebranching were observed. My results suggest that application of rhizosphere microorganisms isa possible way to enhance plant vitality and if used, the need of watering and fertilizing may bereduced. Practical application of this technology is however still very limited namely due to highdependency of its outcome on many ecological factors. Both the above-specified experiments wereincluded into the frame of large-scale testing and development of effective and commerciallyavailabe biotechnologies. Using such biotechnologies in common plant production practice it wouldhelp to reduce costs related to plant fertilization and watering. Such approaches are of greatimportance for future agriculture and biotechnology.
Vliv iontÛ tûÏk˘ch kovÛ na kulturu léãivé rostliny klanopra‰ky ãínské in vitro
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Ing. Zuzana TesafiíkováVedoucí práce: Ing. Helena Vla‰ínová, Ph.D.Oponent: RNDr. Libu‰e Rauscherová, CSc.Ústav biologie rostlin, AF MZLU, Brno,jaro 2009
Hlavním tématem práce bylo studium vlivu tûÏk˘ch kovÛ olova a kadmia na somatická embrya s ohle-dem na tvorbu a obrann˘ch mechanizmÛ, pfiedev‰ím sekundárních metabolitÛ.Jako rostlinn˘ model byla v této práci pouÏita embryogenní kultura klanopra‰ky ãínské, léãivé rostliny,která produkuje farmaceuticky v˘znamné úãinné látky, mezi nimiÏ jsou nejznámûj‰í dibenzocyklo[a,c]oktadienové lignanyCílem této práce bylo na základû shrnutí souãasn˘ch poznatkÛ o vlivu tûÏk˘ch kovÛ, pfiedev‰ím olovaa kadmia na rostliny, studovat reakce embryogenní kultury na rÛzné koncentrace kadmia v kultivaãnímmédiu a porovnat je s úãinky olova, pfiedev‰ím s ohledem na rÛstové parametry a na produkci sekun-dárních metabolitÛ, lignanÛ. Dále potom na základû studia thiolov˘ch slouãenin a salicylové kyselinyzobecnit závûry experimentÛ a porovnat je s údaji z literatury z hlediska moÏného vyuÏití tûÏk˘ch ko-vÛ jako elicitorÛ pfii produkci lignanÛ in vitro.Vybrané bunûãné line byly kultivovány na membránov˘ch raftech nebo mÛstcích z buniãité vaty na te-kutém médiu, které obsahovalo rÛzné koncentrace kadmia (0, 50 mM, 250 mM a 500 mM). Kultivaceprobíhala po dobu pûti t˘dnÛ v kultivaãní místnosti za tmy a pfii teplotû 23 ± 2 °C. Stanovení lignanÛ,thiolov˘ch slouãenin a SA bylo provádûna metodou HPLC.Pokud jde o thioly, u oxidovaného glutathionu a fytochelatinu 4 se zvy‰ovala jejich produkce se stou-pající koncentrací kadmia v médiu. Pfii porovnání vlivu koncentrací olova a kadmia v médiu bylo zji‰-tûno, Ïe olovo má podstatnû vy‰‰í vliv na produkcí thiolov˘ch slouãenin. Produkce nûkter˘ch thiolo-v˘ch slouãenin se vlivem olova zv˘‰ila aÏ 250krát oproti thiolov˘m slouãeninám, které bylyprodukovány vlivem kadmia. Je zfiejmé, Ïe olovo i kadmium se v podmínkách in vitro chovají odli‰nû.Hodnoty hladin lignanÛ v pokusech ovlivnûn˘ch kadmiem byly nízké, ãasto pod mezí detekce. Olovonaproti tomu ovlivnilo v˘znamnû produkci schizandrinu a gomisinu N. Anal˘za thiolov˘ch slouãeninpoukazovala také na mnohonásobnû vy‰‰í hodnoty u variant ovlivnûn˘ch olovem. Produkce thiolo-v˘ch slouãenin i lignanÛ hraje v rostlinné buÀce ochranou roli. Jejich hladiny v pletivech a buÀkáchjsou vysoké, aby mohly úãinnû ochránit rostlinu pfied stresem, vyvolan˘m napfiíklad pfiítomností tûÏ-kého kovu. Olovo, tedy mÛÏe b˘t jedním z nástrojÛ, díky kterému lze produkci tûchto sekundárníchmetabolitÛ ovlivnit.
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: Ing. Krist˘na BaláÏová, Ph.D.Vedoucí práce: prof. RNDr. Jan Gloser, CSc.Oddûlení fyziologie a anatomie rostlin,Ústav experimentální biologie PfiF Masarykovy univerzity,Brno, 2009/9Kontakt: [email protected]
In spite of more than a century lasting research on orchid mycorrhiza, many aspects of its functioningwere not elucidated adequately till now. One of the reasons of this situation is the lack of the methodsuitable for creation of plants with restricted development of orchid mycorrhiza (OM). These plantsare a prerequisite for many types of experiments studying e.g. the role of OM in mineral nutrients orwater uptake by orchids, effects on orchid growth and competition abilities or quantifying exchangeof carbon compounds between the partners associated in OM. Aims of this Ph.D. thesis were 1) totest selected fungicides on their abilities to stop growth or to decrease the viability of extraradicalmycelia (ERM) of OM fungi; 2) using a suitable fungicidal treatment, to quantify carbon nutrition ofgreen-leaved photosynthesizing orchid Serapias strictiflora and the mycorrhizal Epulorhiza sp. ERMassociated with it. Benzimidazoles, i.e. compounds inhibiting biosynthesis of ß-tubulin were tested inmy experiments. Thiabendazole (10 mg ◊ l–1 – TBZ 10 or 50 mg ◊ l–1 – TBZ 50) was chosen as it wassuccessfully used in three studies on OM in the eighties. Benomyl (1 g ◊ l-1) was tested because itscommon use for the reduction of arbuscular mycorrhiza. Eradicative effect of benomyl and TBZ 10,assessed as the ERM relative length showing NADH-dehydrogenase activity, was not observed whenthese fungicides were applied on fully developed ERM in lateral hyphoboxes (a part of rhizoboxsystem). If benomyl and TBZ 10 were used to treat extracted ERM (24 hrs, in vitro), TBZ 10 decreasedthe ERM viability substantially, to 19 % of controls. The growth of mycelia into hyphoboxes filledwith substrate pre-soaked with fungicides were assessed using inserted membrane technique forextraction, staining of the ERM by trypan blue in lactoglycerol and quantifying the ERM length usingmicrophotographs. In two independent experiments using Serapias lingua, Orchis italica and Ophrysciliata as host species, benomyl a TBZ 50 eliminated the ERM growth, while TBZ 10 did not. Basedon these two experiments, we suggested benomyl as highly efficient fungicide capable to stop growthof the ERM. However, the results of following experiments showed that the efficiency not only ofbenomyl, but also of other fungicides change substantially depending on 1) application timing – forsufficient effect it is necessary to apply fungicides before the mycorrhiza is established; 2) fungicideconcentration; 3) point of application – if applied to whole mycorrhizosphere volume, the fungicideswere much less effective compared to application into lateral hyphoboxes only; 4) content of organicmatter in the substrate – both decaying maize roots or addition of peat-based substrate reduced ornullified efficiency of some fungicides. Carbon nutrition of the orchid S. strictiflora (C3 plant) and itsmycorrhizal symbiont Epulorhiza sp. was quantified using carbon isotopes composition (d13C) of theirtissues. The decaying maize roots (C4 plant) were used as a complex source of carbon compoundsfor potential fungal saprotrophy. The results did not confirm any contribution of myco¬heterotrophyto the carbon nutrition of adult photosynthesizing S. strictiflora plants. The isotopic composition ofthe ERM associated with orchid roots only reflected full fungal biotrophy. However, when the fungushad access to and colonized the decaying maize roots, its nutrition was (in term of amount of carbonsubstance) 31 % saprotrophy and 69 % biotrophy. This result is to my best knowledge the first exactplacement of the ERM from any mycorrhizal association into the biotrophy-saprotrophy continuum.
The use of in vitro cultures for effect assessment of persistent organic pollutants on plants
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: RNDr. Lucie VáÀová, Ph.D.Vedoucí práce: doc. RNDr. Marie Kummerová, CSc.Oddûlení fyziologie a anatomie rostlin,Ústav experimentální biologie PfiF Masarykovy univerzity,Brno, 2009/9Kontakt: [email protected]
Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are an important group of organic pollutants which is understrong attention of the scientific community. Many PAHs are carcinogenic, mutagenic and teratogenic.PAHs are characterized as toxic, persistent and bioaccumulative compounds which occur in all partsof the environment. Higher plants are an integral component of the terestric ecosystem. They haveabilities to take up, transform and accumulate these compounds. Plants standing at the beginning of the food chain enable the xenobiotic compounds to penetrate into the higher trophic levels.Bioavailability studies have become one of fundamental approach of research. They are essential tounderstanding of occurrence of toxic compounds in a plant organism. This approach helps to findtoxicity mechanisms of chemicals. It is a sensitive and predictive approach to characterize a chemicalrisk in the environment. With regards to this fact and rising level of pollution load, it is just searchingand using of new methods for early indication of presence of abiotic or biotic stressors in theenvironment. Plant tissue cultures have not yet been used for study of organic pollutants. They maybe a suitable experimental tool, with the regard to their relatively little spatial and financial demands.This work is focused on the use of in vitro cultures for study of the effect of organic polutantfluoranthene (FLT) on biochemical and physiological processes in pea plants (Pisum sativum L.).Selected FLT is one of the most occurred compounds and it is an indicator of presence of other PAHsin the environment. Selected FLT concentrations (0.1, 1 and 5 mg ◊ l–1) simulate low and higherenvironmental load.Photosynthesis is a basic process of energetic metabolism in plants which responds to the presence of stressors in the environment. For effect assessment of FLT, gazometrical (net rate phosynthesismeasurement), fluorometrical (imaging of chlorophyll fluorescence), and spectrophotometrical(photosynthetic pigments content measurement) methods were used. The obtained results (a decreaseof the net photosynthesis rate, changes of the value of chlorophyll fluorescence parameters –a decrease of F0, an increase of FV/FM and FII, and lower contents of chlofophyll a, b and carotenoids)serve to show a negative effect of increasing environmental loading with FLT.Growth and differential processes of plants are controlled by the system of natural endogenousregulators. Still unpublished informations about the effect of different stressors on phytohormoneslevel are generally summarized in this thesis. The level of endogenous phytohormones cytokinins andabscisic acid was determined in pea plants cultivated in vitro. The immunochemical methods ELISAand RIA were used for their evaluation. Ethylene was other observed hormone. GC-MS was used forits production evaluation. Beside ethylene, the production of other gaseous indicators of stress,ethane and carbon dioxide, were measured. The higher level of phytohormones and the productionof gaseous indicators in plants cultivated with FLT are the reaction of plants to the presence ofincreasing concentration of stressors in the environment.
This work demonstrates that experimental model of in vitro cultures may be effectively used for effectassessment of polycyclic aromatic hydrocarbons and also other groups of organic pollutants.
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: RNDr. AlÏbûta Rej‰kováSupervisor: RNDR. Jan Pokorn˘University of South Bohemia,Institute of Physical Biology, Nové Hrady;ENKI o.p.s., Dukelská 145, 379 01 TfieboÀ, CZ, 2009
AbstractNon-metabolic use of solar energy in plants, as presented in the text, can be seen as plantthermoregulation, i.e. warming and cooling, driven directly by solar irradiance. Plants are often exposedto temperatures unsuitable for or limiting their growth and reproduction. Only few plants have beenshown to improve their temperature through energy consuming metabolic processes. Temperature of themajority of plants seems to be wholly dependent on energy exchange with the environment. Thisrelation, however, may be to some extent influenced by different species-specific ways of morphological,anatomical and ecological adaptations. The adaptations leading to warming up are particularlyimportant in the cold high latitudes or high altitudes habitats. Cooling processes are needed everywherewhere there is short-term or long-term excess of solar energy, be it in the tropics and hot deserts or inthe high mountains during bright summer days. The cooling processes are to a large extent related totranspiration processes and as such tightly interconnected with the water cycle.The active role of vegetation in the existing climate system is not sufficiently understood. The aim thethesis is to contribute to 1) quantifying non-metabolic use of solar energy in plants and 2) understandingof the role of vegetation in distribution of solar energy in the landscape. The presented thesis consistsof two parts, the text itself and attachments. The first part is a review of a broad interdisciplinary topicdealing with the non-metabolic use of solar energy in plants and ecosystems and with the role ofvegetation in climate systems ranging from local to global scales. The second part, i.e. the attachments,comprises of papers dealing with the results of my research carried out in collaboration with othercolleagues. The articles related to the topic of this thesis and written in English are presented in fulland referred to in the text where appropriate. Other articles are attached only as abstracts.The text of the thesis begins with an introduction of basic physical characteristics of solar radiationand water (chapters 2.1 and 2.2) in the context of ecosystems functioning. Chapter 2.2.1 focuses onwater cycling on Earth, with water cycle being divided into global, local and micro water cycles.Important mechanisms of micro-cycling, such as water conservation within vegetation canopy, waterinterception and fog water input, are suggested and relevant literature is referred to. In chapter 3,energy balance of different plant organs, i.e. of leaves, flowers (inflorescences) and stems, is described.It is shown that all of the studied organs have developed some special adaptations that serve bothmetabolic and non-metabolic energy use optimization. The discussion about energy relations in flowersand inflorescences (chapter 3.2) provides background information for one of the attached articles(Rej‰ková et al., 2010) on warming up and cooling down as an interesting and in plant physiologyscarcely studied phenomenon. The fourth chapter considers the adaptations of plants to solar irradianceat the whole plant and canopy levels. Impacts of different structures and architecture as well as the mostimportant life strategies of plant solar use are discussed here. Transpiration as a process of crucialimportance in the plant energy balance is described. In chapter 5, the dynamics of energy fluxes instands and ecosystems with a particular focus on albedo and evapotranspiration changes are discussed.The sixth chapter draws on the facts discussed in the forgoing chapters and relates plants functioningto the climate functioning thereby contributing to the highly topical debate of climate change fromthe perspective of vegetation functioning within the complex climate system.
Studium funkce rodiny hybridních prolinem bohat˘ch proteinÛ
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: RNDr. Lenka Dvofiáková·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D.Charles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, Praha 2009
Disertaãní práce se zab˘vá hledáním dosud neobjasnûné funkce hybridních prolinem bohat˘ch pro-teinÛ (HyPRPs) bunûãné stûny rostlinn˘ch bunûk. HyPRPs jsou velmi heterogenní skupinou proteinÛ,které tvofií dle formální klasifikace podskupinu strukturních prolinem bohat˘ch proteinÛ bunûãné stû-ny (PRPs, Josè-Estanyol a Puigdomènech 2000). Stejnû tak jako dal‰í stûnové strukturní proteiny (PRPs,extensiny a glycinem bohaté proteiny – GRPs) se HyPRPs vyznaãují pfiítomností repetitivní domény,která je u HyPRPs N-terminální, nejãastûji prolinem bohatá a velmi variabilní, co se t˘ãe délky i obsa-hu aminokyselin a repetitivních motivÛ. Pfiítomnost C-terminální domény netypické pro strukturní stû-nové proteiny formálnû fiadí HyPRPs spoleãnû s LTPs a dal‰ími rodinami proteinÛ do velké skupiny pro-teinÛ s tzv. 8 CM (eight-cysteine motif) doménou (Josè-Estanyol a kol. 2004). 8 CM domény sevyznaãují specifick˘m uspofiádáním osmi konzervovan˘ch cysteinov˘ch zbytkÛ, které u LTPs a dal‰ích8 CM proteinÛ stabilizují prostfiednictvím tvorby disulfidov˘ch mÛstkÛ ãtyfii a-helixy, mezi nimiÏ vzni-ká hydrofobní kapsa, která interaguje s lipidick˘mi a jin˘mi hydrofobními ligandy (Kader 1997).HyPRPs byly identifikovány v pletivech fiady vy‰‰ích rostlin pfiedev‰ím na základû anal˘zy cDNA se-kvencí silnû exprimovan˘ch genÛ. Funkce HyPRPs je tedy v literatufie vyvozována zejména na zákla-dû expresních profilÛ tûchto genÛ. V disertaãní práci byla funkce HyPRPs studována komplexnûji s vy-uÏitím dvou modelov˘ch objektÛ s rozdílnou mírou sloÏitosti – bunûk tabákové linie BY-2 (Nicotianatabacum) a rostlin bramboru (Solanum tuberosum). SoubûÏné vyuÏití nûkolika paralelních pfiístupÛstudia – fylogenetick˘ch anal˘z HyPRPs z rÛzn˘ch druhÛ rostlin, anal˘z expresních profilÛ HyPRP ge-nÛ u bramboru a modulace exprese vybran˘ch genÛ – poskytlo zajímavé informace nejen o evoluciHyPRPs, ale i o jejich moÏné funkci bûhem rÛstu rostlinn˘ch bunûk.
CíleHlavním cílem disertaãní práce bylo zjistit funkci hybridních prolinem bohat˘ch proteinÛ bunûãné stû-ny. Funkce HyPRPs byla studována nûkolika paralelními experimentálními pfiístupy podle definova-n˘ch dílãích cílÛ:A. Fylogenetické a expresní anal˘zy HyPRPs a jejich genÛ.
1. Charakterizace rodiny HyPRPs u bramboru.a. Anal˘za sekvencí a fylogenetická anal˘za HyPRPs u bramboru.b. Anal˘za exprese genÛ kódujících HyPRPs u bramboru.
2. Fylogenetická anal˘za HyPRPs z dal‰ích druhÛ rostlin.B. Modulace exprese vybran˘ch genÛ kódujících HyPRPs u bramboru a bunûk tabákové linie BY-2.
1. Pfiíprava konstruktÛ pro modulaci exprese.2. Transformace rostlin bramboru a bunûk tabákové linie BY-2pfiipraven˘mi konstrukty.3. Anal˘za fenotypu transgenních rostlin bramboru a bunûk tabákové linie BY-2.
Závûry– Pfiedkem HyPRPs byl zfiejmû protein z rodiny LTPs, kter˘ získal dlouhou N-terminální prolinem bo-
hatou doménu. Vznik HyPRPs mohl b˘t jednou z událostí smûfiujících k v˘voji semenn˘ch rostlin.
D– Pro tvorbu funkãní terciární struktury 8 CM domény HyPRPs není zfiejmû dÛleÏitá její konkrétní se-
kvence, ale pouze zachování charakteristického uspofiádání osmi cysteinov˘ch zbytkÛ, které jsoudÛleÏité pro její utváfiení a stabilizaci.
– HyPRPs s dlouh˘mi N-terminálními prolinem bohat˘mi doménami (nazvány „C-type“) jsou pravdû-podobnû fylogeneticky pÛvodní, zatímco HyPRPs s atypick˘mi N-terminálními doménami (velmikrátké, glycinem bohaté) se vyvinuly zfiejmû relativnû recentnû a nezávisle u jednotliv˘ch rostlin-n˘ch druhÛ zkrácením, ztrátou popfi. pfiestavbami pÛvodních del‰ích prolinem bohat˘ch domén.
– Glycinem bohaté domény HyPRPs by mohly vznikat inverzí v kódující sekvenci prolinem bohat˘chdomén. Tento mechanismus by se mohl uplatÀovat obecnû v evoluci strukturních proteinÛ bunûãnéstûny.
– N-terminální domény „C-type“ HyPRPs zÛstaly u krytosemenn˘ch rostlin pomûrnû dobfie konzervo-vané (dlouhé a hydrofobní), zatímco ostatní HyPRPs se rychle vyvíjely. U nahosemenn˘ch rostlinv‰ak do‰lo k hlavní diversifikaci naopak v rámci skupiny „C-type“. Koexistence konzervovan˘cha rychle se vyvíjecí HyPRPs by tak mohla b˘t evoluãní v˘hodou semenn˘ch rostlin.
– Charakter a vysoká variabilita expresních profilÛ HyPRP genÛ u bramboru vede k úvahám, Ïe na zá-kladû studia exprese jednoho ãi pouze nûkolika HyPRP genÛ, které tvofií velké genové rodiny, nelzeodvozovat závûry vztahující se na celou rodinu.
– Konzervovanûj‰í „C-type“ HyPRPs, jejichÏ geny byly exprimovány ve v‰ech sledovan˘ch orgánechbramboru, jsou pravdûpodobnû základními „house-keeping“ proteiny z této rodiny.
– Expresní profily HyPRP genÛ u bramboru nekorelovaly s expresními profily jejich ortologÛ u Arabi-dopsis, z ãehoÏ mj. vypl˘vá, Ïe poznatky získané studiem modelového organismu nemusí b˘t vÏdyaplikovatelné na dal‰í druhy.
– Variabilita expresních profilÛ spoleãnû s rÛznorodostí sekvencí HyPRPs ukazuje na pravdûpodob-nou funkãní redundanci HyPRPs a nízk˘ stupeÀ funkãní specializace jednotliv˘ch proteinÛ z této ro-diny.
– HyPRPs se pravdûpodobnû úãastní bunûãné expanze, ke které nejsou dÛleÏité jejich N-terminálnídomény. Pfiíãinou expanze mÛÏe b˘t zv˘‰ení plasticity/rozvolnûnosti bunûãné stûny zprostfiedkova-né 8 CM doménami HyPRPs.
– Modulace exprese HyPRP genÛ se neprojevila u rostlin bramboru pravdûpodobnû v dÛsledku kom-plexity a plasticity rostlinn˘ch pletiv a pfiedpokládané funkãní redundance HyPRPs.
Studium metabolismu polyaminÛ v bunûãném dûlení a jejich úloha ve fyziologick˘ch pochodech rostlin
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: RNDr. Lenka Gemplerová·kolitel: RNDr. Milena CvikrováCharles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, Praha 2009
Polyaminy pfiedstavují skupinu alifatick˘ch aminÛ, z nichÏ nejroz‰ífienûj‰í jsou putrescin, spermidina spermin. Pfii fyziologické hodnotû pH se polyaminy chovají jako kationty a mohou se vázat na mak-romolekuly jako jsou fosfolipidy, DNA, RNA, ribozomy, bílkoviny aj., coÏ je pravdûpodobnû podsta-tou jejich fyziologické aktivity (Kakkar a Sawhney 2002). PfiestoÏe polyaminy pÛsobí na fyziologicképrocesy v rostlinách ve vy‰‰ích koncentracích neÏ auxin, cytokininy a dal‰í typické rostlinné hormony,jsou pfiifiazovány ke skupinû rÛstov˘ch látek. V rostlinn˘ch buÀkách se úãastní ‰irokého spektra fyzio-logick˘ch pochodÛ. Jsou nezbytné pro bunûãné dûlení, rÛst a diferenciaci, podílejí se na iniciaci kve-tení, tvorbû adventivních v˘honÛ ãi tvorbû proembryogenních struktur v tkáÀov˘ch kulturách stejnû ja-ko na odpovûdi na stres (Kakkar a kol. 2000, Groppa a Benavides 2008). Dvouznaãná je funkcepolyaminÛ v programované bunûãné smrti. Na jedné stranû sv˘m stimulaãním úãinkem na dûlení buÀ-ky mají v˘znamnou ochrannou roli, na druhé stranû mohou programovanou bunûãnou smrt samy in-dukovat (Della Mea a kol. 2007).Nepostradatelnost polyaminÛ pro ãinnost bunûk, a naopak nebezpeãnost jejich hromadûní, se odráÏíve velmi pfiesné kontrole jejich vnitrobunûãn˘ch hladin. Pfiíslu‰ná koncentrace polyaminÛ je v rostlin-né buÀce dosaÏena vyváÏenou regulací jejich biosyntézy, degradace, konjugace a transportu (Bagnia Tassoni 2001).V˘znamná úloha polyaminÛ v bunûãném dûlení byla potvrzena mnoha pracemi. Zejména v oblastistudia Ïivoãi‰n˘ch bunûk je toto téma více neÏ aktuální, vzhledem k hromadûní polyaminÛ v rakovin-n˘ch buÀkách (Thomas a Thomas 2003). U rostlin jsou polyaminy v souvislosti s dûlením bunûk pro-studovány ménû. Vzhledem k rostlinn˘m specifikÛm polyaminového metabolismu, nelze ani pfiedpo-kládat, Ïe by v˘sledky získané studiem Ïivoãi‰n˘ch bunûk byly bez úprav pfienositelné na model bunûkrostlinn˘ch. Rostliny, na rozdíl od ÏivoãichÛ, mají dvû alternativní dráhy pro syntézu putrescinu a ãas-to obsahují nezanedbatelné mnoÏství polyaminÛ vázan˘ch na hydroxyskofiicové kyseliny.Ve své disertaãní práce jsem se snaÏila pfiispût k objasnûní úlohy polyaminÛ v bunûãném dûlení u rost-lin. Hlavní dÛraz byl v práci kladen na sledování zmûn v hladinách voln˘ch polyaminÛ, jejich konju-gátÛ a stanovení aktivit biosyntetick˘ch a degradaãních enzymÛ bûhem rÛstového a bunûãného cyklutabákové bunûãné kultury BY-2 (Nicotiana tabacum L. cv. Bright Yellow-2). Vzhledem k rozsáhlémuspektru pÛsobení polyaminÛ v rostlinn˘ch buÀkách jsem svou práci roz‰ífiila o studium v˘‰e zmínû-n˘ch regulaãních procesÛ polyaminového metabolismu pfii pÛsobení abiotického stresu, bûhem diur-nálního cyklu a v prÛbûhu somatické a zygotické embryogeneze. Studiem dÛleÏitého mechanismu re-gulace hladiny vnitrobunûãn˘ch polyaminÛ u suspenzních kultur, tj. jejich exkrecí do Ïivného média,se zab˘vá dal‰í práce.
DÚloha karotenoidÛ v prÛbûhu ontogeneze vy‰‰ích rostlin
a adaptace ke stresov˘m podmínkám
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: RNDr. Daniel Haisel·kolitel: RNDr. Jana Pospí‰ilová, CSc.Charles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, Praha 2009
IntroductionCarotenoids are the most important group of natural pigments in the plant and animal kingdoms.Plant carotenoids are red, orange, and yellow lipid-soluble pigments embedded in the membranes of chloroplasts and chromoplasts. Their colour is masked by chlorophyll in photosynthetic tissues, butin late stages of plant ontogeny these pigments contribute to the bright colours of many leaves,flowers, fruits and roots. The greatest production of carotenoids occurs in the photosynthetic tissues.b-carotene was firstly isolated in 19th century from plant material, and after short time many otherphotosynthetic carotenoids were identified. Carotenoids are generally C40 terpenoid compoundsformed by the condensation of eight isoprene units. At the centre of the molecule, the linkage orderis reversed, so the molecule as a whole is symetric. A set of conjugated double bonds is responsiblefor the absorption of light in the visible region of the spectrum. The ends of molecules are oftencyclised to ionone rings with functional substituents, for example hydroxy-, epoxy-, keto- andcarboxy- groups. In plants, two groups of carotenoids are differentiated – carotenes withoutsubstituents in ionone rings and xanthophylls with hydroxy- or epoxy- groups. Plant carotenoids playfundamental roles as light-harvesting pigments for photosynthesis, protectors against photoinhibition,are structural determinants in plastid pigment-protein complexes, and precursors of abscisic acid.Light-harvesting function is necessary for the absorption of light in the blue region of the spectrum.The absorbed energy can be transferred to the chlorophylls. In higher plants, mostly lutein andneoxanthin fulfil this function.Protective function of carotenoids is in two different levels. In plants and algae, the most importantfunction of b-carotene in the core complexes of the reaction center is the protection of photosystemsagainst photooxidation by quenching the excitation energy of the chlorophyll in triplet state or singletoxygen. The second protective mechanism in higher plants is xanthophyll cycle, important process inthylakoids membranes. During stress conditions, deepoxidation of light-harvesting carotenoidviolaxanthin to zeaxanthin via antheraxanthin is activated. These enzymatic reactions are connectedwith thermal dissipation of excess light energy within light harvesting antenna proteins usuallymeasured as non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence.Structural funtion in pigment-protein complexes is typical for all carotenoids presented in higherplants and it consists in stabilisation of photosynthetic components. Pigments induce conformationchanges on pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus and without carotenoids theycannot function propertly. Every carotenoid has its accurate placement with specific functions, forexample lutein and neoxanthin in light-harvesting complexes or b-carotene in reaction core ofphotosystems.Abscisic acid biosynthesis. The carotenoids neoxanthin and violaxanthin are precursors of abscisicacid, the plant hormone that participates in the control of water relations in plants and in many otherphysiological processes. In spite of huge amount of literature concerning carotenoids, whichappeared from time of their discovery till now, many unsolved questions still remain. In the presentedPh.D thesis I tried to throw light on a few of them.
AimsThe goal of this Ph.D. thesis was to elucidate the roles of carotenoids during ontogeny of plants indifferent environmental conditions and in response to stresses. The research was aimed to answer thefollowing questions:1) How do carotenoid contents and functions change during in vitro cultivation and after ex vitro
transfer?2) Is the presence of sucrose in medium necessary for sufficient carotenoids biosynthesis?3) How do in vitro cultivation conditions (irradiance, sucrose and CO2 concentration) affect ability
of plants to ex vitro acclimation?4) Can carotenoids sufficiently protect plants against photoinhibition during transfer from low irradiance
in vitro to considerably higher irradiance ex vitro?5) Can carotenoids sufficiently protect plants against photoinhibition during water stress?6) Can be contents and function of carotenoids affected by phytohormones such as abscisic acid and
cytokinins?7) Can increased production of cytokinins in transgenic plants affect contents and function of
in relation to environmental factors using approaches of quantitative anatomy and laboratory spectroscopy.
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: RNDr. Zuzana Lhotáková·kolitel: doc. RNDr. Jana Albrechtová, Ph.D.Charles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, Praha 2009
The essentiality of Earth’s vegetation as the most important primary producer of biomass, the base of the food chain and an important landscape-creating factor is generally acknowledged. In recentdecades of constantly increasing CO2 concentration in the atmosphere, a function of vegetation asa carbon sink is widely discussed. Particularly forests play an important role in the global carboncycle by sequestering large amounts of atmospheric carbon, and are thought to offer a possible mitigationstrategy to reduce global warming. Although in forest ecosystems the great amount of carbon is fixedin non-living biomass of wood, litter, or soil, the green photosynthesizing foliage represents the gatefor the carbon, whatever metabolized by the plant itself or fixed into the biomass. As will bementioned further in more detail, leaf structure is tightly connected with leaf function and vice versa.Not only from the point of view of the plant ecological physiology it is important to understandrelationships between leaf structure, functions and environmental factors, to elucidate mechanismsthat trigger and modify morphogenetic development and changes at an organ, cell or molecularlevels. The knowledge of these mechanisms may help to understand the potential of an individualplant species or the whole ecosystems in carbon sequestration.The present thesis is focused on conifer leaf anatomy in the context of leaf function under specificenvironmental conditions. As the main plant material, Norway spruce (Picea abies L. Karst), the mostfrequently planted tree species in the Czech Republic (53 % of the forested area in the Czech Republicconsisted of Norway spruce in 2006, http://www.uhul.cz/zelenazprava/index.php) and in othercountries in the Central and Northern Europe, was selected. In addition, the study was performed ontwo very common North-American conifers – red spruce (Picea rubens Sarg.) and balsam fir (Abiesbalsamea L. Mill.) in collaboration with American colleagues from the University of New Hampshire,Durham, U.S.Norway spruce is a very sensitive species to atmospheric pollution, particularly to deleterious impactof acid rain (e.g. Smith 1990). During the second half of the 20th century loads of SO2, NOx andozone were extremely high in the Central Europe including the Czech Republic causing tremendouslarge-scale forest dieback, therefore the forest decline of Norway spruce was in the focus of extensiveresearch in Europe (e.g. Smith 1990, Masuch 1992; Viskari et al. 2000; Soukupová et al. 2001).Alterations in needle anatomy caused by the effect of acid air pollution alone or in combination withharsh climatic conditions have been classified as so called „microscopical markers of forest damage“and widely used by researchers including the team of Dr. Albrechtová from the Department of PlantPhysiology, Faculty of Science, Charles Univerity in Prague and their American collaborators from theUniversity of New Hampshire (Albrechtová et al. 2001; Moss et al. 1998; Soukupová et al. 2001).Despite that quantitative approach in description of inner leaf structure has quite a long traditionlaunched by Turrel in the 1930’s (Turrell, 1936), the majority of studies concerning forest declinedescribed the anatomical alterations of leaves only qualitatively, for example, by the loss of integrityof chloroplasts (Moss et al. 1998). However in several cases quantitative evaluation of anatomical
changes appeared (e.g. proportion of intercellular spaces in mesophyll (Kukkola et al. 2005).Nowadays, modeling of gas transport (Aalto and Juurola 2002; Juurola et al. 2005), radiative transferaccros the leaf (Ustin et al. 2001) in consequence with photosynthesis and carbon sequestrationbecame the cardinal issue of plant ecophysiology and biophysics. Thus, there is a clear need for efficientand unbiased methods for quantitative description of important leaf anatomical characteristics, suchas internal leaf surface area, mean mesophyll cell volume, and cell number in the leaf. Severalmethods for quantitative description of photosynthetic leaf tissue, the mesophyll, were established:e.g. model-based methods using correction shape factors (Oguchi et al. 2003) or image analysisapproach (Niinemets et al. 2007). However, model-based methods for estimation of geometricalparameters of mesophyll were found to be biased in some cases (Slaton and Smith 2002) and imageanalysis cannot be always applied. The recently developed methods, based on confocal microscopyand stereology were tested on different kind of plant samples (Kubínová and Janáãek 1998; Kubínováet al. 2001) and appeared to be suitable for use in ecophysiological studies. Feasibility of applicationof confocal microscopy and stereological methods in purpose to evaluate impact of environmentalstress on leaf anatomy was tested on young Norway spruce potted trees treated with simulated acidrain; the first paper included in this thesis is based on the results of this pilot study (Albrechtová et al.2007, Paper I.). The quantitative studies on leaf internal structure always used sections of fixed andembedded plant material (e.g. Turrell, 1936; Niinemets et al. 2007) but during fixation or embeddingthe tissue deformation and other artifacts may occur (Uwins et al. 1993; Dorph-Petersen et al. 2001),moreover sample preparation is time consuming and laborious. In Albrechtová et al. (2007) thicksections of fresh needles were used for confocal microscopy. However, fresh material limits the methodapplication in ecophysiological studies, as only few fresh samples can be processed immediately if atall under condition that the experimental plots could not be located too far from the place of analysis.The aim of the second paper included in this thesis is addressed to test feasibility of using frozenstored Norway spruce needles for confocal microscopy and stereological processing and further todeal with another technical problem resulting in biased measurements, caused by the possibledistortions of cutting surfaces of transversely cut needle sections (Lhotáková et al. 2008, Paper II.).Sharp increase of carbon dioxide atmospheric concentration over the last 150 years by app. 1.3 times(AR4 2007), caused mainly by anthropogenic carbon emissions, induces many demands onphysiological and developmental changes in plants, which may have strong impact on future cropand wildland productivity, biogeochemical cycling, water resources and other natural processes atglobal scale. The direct responses of plants to elevated carbon dioxide concentration have been infocus of extensive research at least for two decades and wide spectrum of changes on the physiologicallevel was described (rev. by Urban, 2003). Mostly reported primary physiological responses onphotosynthetic level to carbon dioxide enrichment are activation of photosynthetic enzyme Rubisco,decrease of its oxygenase activity followed by the subsequent decrease of photorespiration,stimulation of net photosynthetic rate (Maier et al. 2008) or decreased stomatal conductance (Zhanget al. 2008a). These primary responses lead to the secondary effects like increased content of sucroseand other non-structural carbohydrates (Cabálková et al. 2007), changes in their allocation within theplant or dilution of mineral nutrients, particularly nitrogen, what often leads to acclimation – down-regulation of photosynthesis (Zhang et al. 2008a). However, the plant responses are quite variabledepending on a species, age of the plant, mineral nutrition as well as duration and method of CO2
enrichment. The Paper III. included in this thesis focuses on evaluation of changes in photosynthesis(maximum assimilation rate and apparent quantum efficiency) and respiration together with structuralacclimation to elevated CO2 in sun and shade needles of Norway spruce, while stereologicalmethods adjusted previously in Papers I. and II. are therein applied in the field study (Lhotáková etal., submitted, Paper III.).It is not only the elevated carbon dioxide concentration alone, which plants need to evolve acclimationsto. Moreover, consequent forcing of atmospheric CO2 enrichment as a temperature rise or changedprecipitation patterns and water regimes may fundamentally change species geographical distribution,ecosystems stability or even reduce biodiversity (Kleidon and Mooney 2000). Despite plants are ableto develop a broad spectrum of adaptive responses to several environmental factors, they have notexperienced such high CO2 concentrations as nowadays for over 20 million years (Pearson andPalmer 2000) and in consequence of rapid rise of CO2 concentration there are uncertainties whether
Dgenetic variation is sufficient to manage this shift in the few generations before CO2 concentrationdoubles or triples (Gutschick et al. 2003). In terrestrial ecosystems, photosynthesis plays a major roleof coupling process between carbon and nitrogen cycles. So does soil organic matter, its productionand decomposition by soil microbial and fungal societies, which interconnect demands for nutritionresources by vegetation to pools of those resources available for plants (McDowell, 2003b; Pritchardet al. 2008). Particularly in forests, nitrogen often stands as a limiting factor for tree productivity andthus influences the potential of carbon fixation. In several carbon dioxide enrichment experimentsnitrogen availability modulated response of trees to elevated CO2 (Eguchi et al. 2004; Eguchi et al.2008; Maier et al. 2008), which only emphasizes the importance of elucidating plant-litter-soilinteractions. Fluxes of carbon and nitrogen between soil and vegetation are often species-specific,even within one ecosystem or biome and may be influenced by human management (Ollinger et al.2002). The knowledge of mechanisms, how vegetation and soil processes interconnect carbon andnitrogen cycles, is needed at least at regional scale, which could be further upscaled to continental orglobal scale. However, it would be extremely time and resource demanding to conduct such anecosystem field study; therefore robust tools as remote sensing or ecosystem modeling seem to bemore suitable.Linkages among foliar chemistry, decomposition, nitrogen cycling, and productivity in forest ecosystemshave been documented in literature frequently. Several specific indices and model-based methodsderived from foliar reflectance airborn or spaceborn data have been developed and used for foliarchemistry (content of chlorophyll, lignin, nitrogen) estimation at regional scale (Ollinger et al. 2002;Serrano et al. 2002; Ollinger and Smith 2005; Zhang et al. 2008b). Leaf chlorophyll content is the mainparameter determining leaf spectral variation in the visible regions, therefore spectral reflectanceindices derived from chlorophyll absorbing wavelengths are considered as quite efficient, and sensitivenon-destructive method of chlorophyll content assessment. However, those indices are usually developedfor an individual species and in case of application on different species or a vegetation type, validationof such an index is needed. Recently, continuous reflectance data with high spectral resolution areused for vegetation monitoring. Similarly, spatial resolution of reflectance data is also very high(Malenovsk˘ et al. 2008) and in such a case one tree canopy is represented with several pixels inremote sensing data. The remote sensing approaches developed to estimate the leaf chlorophyllcontent had been based on the assumption that the leaf optical properties vary little with theirlocation in the canopy. Considering possible physiological and structural variability in Norwayspruce needles, a detailed study investigating spatial variability of the leaf optical properties withinthe tree crowns is required to confirm or reject this assumption. Paper IV. (Lhotáková et al. 2007,Paper IV.) is focused on assessment of variation in selected biochemical, structural and spectralparameters of Norway spruce needles within the upper sun-lit part of the canopy consideringorientation of branches in different azimuth directions.As mentioned above, foliar chemistry, which may be quite easily observable property across broadspatial scales by approach of high spectral resolution remote sensing, could serve as indicator of carbonand nitrogen cycling. The last paper included in this thesis is based on the study conducted on redspruce and balsam fir in New Hampshire focused on linking chlorophyll content in needles andamount of dissolved organic carbon and nitrogen in forest floor with spectral properties of foliage(Albrechtová et al. 2008, Paper V.).
Effect of cytokinin deficiency on oxidative damage and antioxidant defence during ageing and abiotic stress
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: RNDr. Zuzana M˘tinová·kolitel: RNDr. Naìa Wilhelmová, CSc.Charles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, Praha 2009
IntroductionAgeing proceeds during the entire life span of plants. Senescence has been defined as the last phaseof plant life, which leads to death in cells, tissues, organs and organisms. During leaf senescence, leafcells undergo range of subcellular changes. The loss of chloroplast integrity occurs first, whereas thebreakdown of the nucleus is a relatively late event. The leaf senescence has been recognised formany years as a type of programmed cell death (reviewed by Greenberg, 1996; Beers, 1997; Haveland Durzan, 1999; Cao et al., 2003).Reactive oxygen species (ROS), as a by-product of aerobic metabolism, are proposed to contribute tothe triggering of senescence (Krupinska et al. 2003). ROS act as signal molecules controlling variousprocesses including pathogen defence, programmed cell death or stomatal behaviour (Apel and Hirt,2004). Moreover, they also cause oxidative damage to lipids, proteins and nucleic acids (Halliwelland Gutteridge, 1999). However, the damage might be reduced or prevented by non-enzymatic andenzymatic antioxidant defence system (Foyer et al., 1994).Cytokinins (CKs) have been suggested to delay leaf senescence (Gan and Amasino, 1995). Majority, ifnot all, of our previous knowledge about the role of CKs in plant senescence was deduced fromexperiments that involved the exogenous addition of CKs (Richmond and Lang, 1957; Noodén et al.,1979; Singh et al., 1992; Noodén and Letham, 1993) or by the endogenously enhanced of CKs (Ganand Amasino, 1995). Additional CKs might affect processes that are normally not under CK control.For example, the inhibitory effect of exogenous CK on root elongation does not mean necessarily thatCKs have a physiological role in controlling root elongation (Schmülling, 2002).Werner et al. (2001) reported the results of overexpression of cytokinin oxidase/dehydrogenase (CKX)genes from Arabidopsis thaliana in tobacco. Interestingly the transgenic tobacco with enhanced activityof CKX and thus decreased CK level showed signs of delayed rather than accelerated senescence. Itseems that a decrease of CK content could be a prerequisite for senescence but not a signal, whichtriggers its onset (Werner et al., 2003, Wilhelmová et al., 2004).The influence of exogenously applied CKs on activities of antioxidant enzymes (AOE) in plants hasbeen reported. Benzyladenine increased activities of superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT)in maize under waterlogged condition (Liu et al., 1996). Liu and Huang (2002) found out thatexogenous application of zeatin riboside prevented a decrease in the activity of SOD and CAT duringheat stress. Petit-Paly et al. (1999) demonstrated that the CAT activity observed in suspension-culturedtobacco cells decreased slightly during the first hour of CK -13- treatment and increased thereafter todouble level detected in untreated cells. In contrast to these results, CAT activity was inhibited inshoot cultures in which the endogenous levels of CK were elevated by the introduction of the iptgene or by an exogenous feeding of CK to the cultures (Petit-Paly et al., 1999). Dhindsa et al., (1982)observed during in vitro senescence of oat that the activity of CAT decreased and the activity of SODwas changed only lightly. Kinetin treatment of oat leaf segments inhibited decline in the CAT andSOD activities during senescence. Beans treated with dihydrozeatin before mosaic potexvirusinoculation showed elevated CAT and glutathione reductase (GR) activity (Clarke et al., 2002).
DDertinger et al. (2003) studied a response of AOE activities to enhanced CK production stimulated bythe onset of senescence of transgenic plants. The activities of AOE were reduced in senescing leavesof control plants, whereas in transgenic plants the decline was slowed down by CKs. Similarly, theoverproduction of CKs in transgenic Pssu-ipt tobacco was found to stimulate activities of AOEthroughout the plant ontogeny (Synková et al., 2006).We used a reverse approach in our work. We studied how reduced levels of CKs affect activities ofAOE and levels non-enzymatic antioxidants during the life span of tobacco. For this purpose weexploited transgenic tobacco plants overexpressing Arabidopsis thaliana CKX gene (AtCKX2).The abiotic stress, similarly as ageing, is characterised as a form of oxidative stress and is alsoaccompanied with changes in antioxidant levels. Plants possessing high levels of antioxidants showincreased resistance to stress. The part of this study is aimed at the responses of antioxidants in leavesand roots of AtCKX2 tobacco to the drought stress, salinity and enhanced zinc.
Aims of the work– Characterization of ageing and senescence of transgenic tobacco (AtCKX2) overexpressing Arabidopsis
thaliana CKX gene, and thus have reduced level of CKs.– Investigation of relation between reduced level of CKs and oxidative damage during ageing.– Studying how reduced level of CKs to the capacity of antioxidant system (enzymatic and non-
enzymatic) during the plant life span.– Study of activities of AOE during abiotic stresses (salinity, drought and enhanced concentration
of zinc) in the leaves and roots of AtCKX2 tobacco.
Conclusions1) Leaves of transgenic tobacco with reduced level of CK aged more slowly, contrary to the control
leaves. AtCKX2 plants maintained higher Chl content and protein content, and also higherphotosynthetic performance in the oldest leaves.
2) We observed elevated antioxidant protection (both enzymatic and low-molecular) functionalalready in the youngest leaves of AtCKX2.
3) Enhancement of certain antioxidant defence could be caused compensatory effect of the decreasein the level of total CKs, assumed as potential non-enzymatic antioxidants or as a result of oxidativestress induced by the lack of CKs in young developing leaves.
4) It is plausible that the higher antioxidant defence might contribute to retardation of ageing witha consequence of postponed onset of senescence in leaves with a deficiency of CKs.
5) The responses of AOE activities to individual stresses differed between leaves and roots of bothWT and AtCKX2 tobacco plants.
6) The higher tolerance of AtCKX2 plants could be attributed to noticeably higher activity of GR inleaves and APX, SOD and CAT in roots displayed already under control conditions. Althoughtransgenic tobacco plants possess, at least partially, better antioxidant protection in non-stressedconditions, they were not confirmed to be more tolerant to abiotic stresses.
7) The difference between transgenic and WT plants in their stress responses could be associatedwith divergent sensitivity to imposed stress in consequence of protracted development of AtCKX2.
Pfiíjem a vyuÏití rÛzn˘ch forem dusíku u rostlin p‰enice
Doktorská disertaãní práce [PhD. thesis]Autor: Mgr. Ivana Raimanová·kolitel: Ing. Jan Haberle, CSc.Charles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, Praha 2009
ÚvodRostoucí svûtová populace spolu se sniÏováním plochy zemûdûlské pÛdy a její degradací vytváfiejí,i pfies úspûch „zelené revoluce“, tlak na zvy‰ování intenzity v˘roby potravin a objemu produkce ze-mûdûlsk˘ch plodin. Ekonomické dÛvody a celospoleãensk˘ dÛraz na ochranu Ïivotního prostfiedí ve-dou k hledání moÏností zv˘‰it efektivnost nezbytn˘ch vstupÛ, pfiedev‰ím energie, dusíkat˘ch hnojiva prostfiedkÛ na ochranu rostlin.Hospodáfisky v˘znamné druhy p‰enice (jako Triticum aestivum L. a Triticum durum Desf.) patfií svouv˘mûrou k nejpûstovanûj‰ím plodinám svûta a zaji‰Èují dÛleÏitou ãást v˘Ïivy svûtové populace. Agro-ekologické podmínky, v kter˘ch je p‰enice pûstována sahají od semiaridních oblastí po oblasti s hoj-n˘mi sráÏkami, od tropÛ po chladné oblasti ve vysok˘ch zemûpisn˘ch ‰ífikách s krátkou vegetaãní do-bou. Pûstitelské systémy zahrnují rozmanité zpÛsoby v˘Ïivy rostlin a závlahy, odli‰né osevní postupya rÛzné formy zpracování pÛdy.Tomuto rozsahu pÛdnû-klimatick˘ch a v˘robních podmínek odpovídá i ‰iroká ‰kála dostupnosti pÛd-ního dusíku a podmínek pro pfiíjem a vyuÏití Ïivin obecnû. MnoÏství a dostupnost jednotliv˘ch foremdusíku pro rostliny kolísá v prÛbûhu jejich ontogenetického v˘voje v dÛsledku dynamiky pfiemûn du-síku v pÛdû a vzávislosti na konkrétních povûtrnostních podmínkách.Dusík je klíãov˘ esenciální prvek pro dosaÏení poÏadovaného v˘nosu a kvality pûstovan˘ch plodin,kter˘ pÛsobí v interakci s ostatními Ïivinami a dostupností vody. Pro zv˘‰ení úãinnosti vyuÏití dusíkua dal‰ích Ïivin je nezbytné poznat a propojit znalosti o fyziologick˘ch, biochemick˘ch a molekulár-ních mechanismech kontrolujících pfiíjem dusíku, jeho asimilaci a vyuÏití.
Cíle práceNáplÀ disertaãní práce byla dána potfiebou vyuÏít nové poznatky t˘kající se pfiíjmu a vyuÏití dusíkurostlinami v aplikovaném zemûdûlském v˘zkumu. Hlavním cílem práce bylo urãení vlivu amonné, nit-rátové a amidové formy dusíkaté v˘Ïivy na pfiíjem dusíku kofieny a listy p‰enice seté a jeho následnévyuÏití.¤e‰ení zvolené problematiky bylo rozdûleno do následujících dílãích cílÛ:1. Zjistit vliv nitrátové a amonné formy N a jejich kombinace na rÛst rostlin p‰enice a charakterizovat
rozdíly v metabolismu dusíku vãetnû odli‰ení vlivu nízkého pH na sledované charakteristiky.2. Pomocí kinetick˘ch parametrÛ pfiíjmu urãit vnitrodruhové a mezidruhové rozdíly ve schopnosti pfii-
jímat a vyuÏívat nitrátovou a amonnou formu dusíku.3. Urãit rychlost pfiíjmu a následnou translokaci jednotliv˘ch forem dusíku a stanovit teplotní závislost
jejich pfiíjmu.4. Získat nové poznatky o pfiíjmu a vyuÏití rÛzn˘ch forem dusíku pfii listové aplikaci a o následném
pohybu pfiijatého dusíku uvnitfi rostliny.5. Urãit efektivnost vyuÏití listovû aplikované moãoviny v pozdní fázi v˘voje pro tvorbu zrna a stano-
vit vliv spoleãné aplikace s prostfiedky na ochranu rostlin na její pfiíjem a vyuÏití.
DZávûryCílem disertaãní práce bylo hodnocení fyziologick˘ch a agronomick˘ch aspektÛ pfiíjmu a následnéhovyuÏití hlavních forem N u p‰enice. Shrnutí hlavních v˘sledkÛ je dále uvedeno.
P‰enice patfií mezi druhy rostlin, které jsou citlivé k toxickému pÛsobení amonného iontu a zároveÀnegativnû reagující na nízké pH.U rostlin, které mûly jako jedin˘ zdroj dusíku NH4+ byly pozorovány symptomy toxicity – omezen˘rÛst kofienÛ, niωí R/S pomûr, deficit esenciálních kationÛ (K+, Ca2+, Mg2+) a akumulace amonn˘chiontÛ v nejstar‰ích listech. Tyto projevy byly z velké ãásti potlaãeny zv˘‰ením pH Ïivného roztoku. Níz-ké pH pÛsobilo negativnû i na rostliny z nitrátové varianty. Dostupnost obou forem dusíku toxické pÛ-sobení amonn˘ch iontÛ zmírÀuje. Zdá se, Ïe v˘razná acidifikace rhizosféry vyvolaná pfiíjmem amon-n˘ch iontÛ je hlavní pfiíãinou negativní rÛstové reakce rostlin p‰enice.
Kinetické parametry pfiíjmu (Vmax a Km), charakterizující vysokoafinitní pfiíjmov˘ systém, mohouslouÏit pro hodnocení vnitrodruhov˘ch a mezidruhov˘ch rozdílÛ v efektivitû pfiíjmu nitrátÛ a amon-n˘ch iontÛ.Oba sledované druhy p‰enice (T. aestivum a T. durum) se vyznaãují vy‰‰í maximální rychlostí (Vmax)pro pfiíjem amonn˘ch iontÛ v porovnání s nitráty a souãasnû lep‰í osvojovací schopností pro nitráty(niωí Km). Rozvoj kofienového systému v‰ech odrÛd byl více nebo ménû ovlivnûn v reakci na pfiijíma-nou formu dusíku. Rostliny pfiijímající NO3 – mûly vy‰‰í R/S pomûr neÏ rostliny pfiijímající NH4+. Ve-likost kofienového systému v˘raznû modifikuje kapacitu pfiíjmu obou iontÛ. Mezidruhové i vnitrodru-hové srovnání ukázalo prÛkazné rozdíly v schopnosti pfiijímat nitráty, v pfiípadû amonn˘ch iontÛ bylyrozdíly ménû v˘razné. Hodnocení druhov˘ch a mezidruhov˘ch rozdílÛ z hlediska schopnosti pfiijímatÏiviny z vnûj‰ího prostfiedí na základû stanovení kinetick˘ch parametrÛ pfiíjmov˘ch systémÛ by bylomoÏné vyuÏít jako jedno z kritérií pfii v˘bûru ‰lechtitelského materiálu.
Rychlost pfiíjmu obou forem dusíku (NO3 a NH4+) je ovlivnûna aktuálním stavem rostliny a je v˘raz-nû regulována rychlostí jejich asimilace a translokace do nadzemní ãásti.Nutnost asimilace rychleji pfiijíman˘ch amonn˘ch iontÛ v kofienech p‰enice vedla následnû k v˘raznéinhibici jejich pfiíjmu. Asimilovan˘ dusík byl poté translokován do mlad˘ch rostoucích listÛ. Pomalejipfiijímané nitráty byly rychle translokovány na místo asimilace do plnû vyvinut˘ch, metabolicky aktiv-ních listÛ a nedocházelo k v˘raznému omezení jejich pfiíjmu.
Jsou-li obû formy dusíku dostupné v médiu v podobné koncentraci, je amonn˘ iont pfiijímán pfied-nostnû.Pfiítomnost amonn˘ch iontÛ negativnû ovlivÀovala rychlost pfiíjmu nitrátÛ kofieny p‰enice, která se sní-Ïila aÏ na ãtvrtinu oproti jejich pfiíjmu z ãistû nitrátového média. Pfiíjem amonn˘ch iontÛ nebyl ovliv-nûn. Rostliny pfiijímající dusík ze smûsi obou iontÛ tedy pfiijaly zhruba o 20 % více dusíku neÏ rostlinypfiijímající jen jednu z jeho forem.
Poãáteãní rychlost pfiíjmu sledovan˘ch forem dusíku je lineárnû závislá na teplotû.V teplotním intervalu 2 °C – 20 °C jsou nejrychleji pfiijímanou formou amonné ionty. Se stoupající tep-lotou dochází k regulaci rychlosti jejich pfiíjmu zpÛsobenou nedostateãnou asimilací a tím i jejich hro-madûním v kofienech. Témûfi 2x pomalej‰í rychlost pfiíjmu nitrátÛ dosahuje maxima uÏ pfii 15 °C. Pfií-jem moãoviny byl ze v‰ech forem nejpomalej‰í. Vzhledem k rychlé degradaci v pÛdû je v˘znam pfiíjmumoãoviny kofieny p‰enice jen nepatrn .̆
Prostup rÛzn˘ch forem dusíku pfies kutikulu a jejich následn˘ pfiíjem buÀkami epidermis a listovéhomezofylu závisí na jejich chemické podstatû.Listy p‰enice nejlépe pfiijímaly amonné ionty tedy kationtovou forma N. Vlastní pfiíjem amonn˘ch ion-tÛ do bunûk nebyl v listech v˘raznû sniÏován rychlostí jejich asimilace, a proto byl amonn˘ dusík nej-lépe vyuÏívanou formou dusíku. Pfiíjem nitrátÛ (aniontové formy) byl mnohem pomalej‰í a pfiijaté nit-ráty byly navíc ve velkém mnoÏství akumulovány v exponovaném listu pravdûpodobnû jako zásobníforma N ve vakuolách. Nepolární molekula moãoviny pravdûpodobnû procházela snadno kutikulou,ale její pfiíjem do bunûk byl stejnû jako v kofienech pomalej‰í. Pfiijatá moãovina byla stejnû jako amon-né ionty rychle metabolizována a vyuÏita jako zdroj dusíku v rostoucích pletivech.
Listy p‰enice jsou schopny pfiijímat foliárnû aplikovanou moãovinu i bûhem reprodukãní fáze v˘vojea pfiijatou moãovinu následnû plnû vyuÏít v procesu tvorby zrna.Za pfiízniv˘ch povûtrnostních podmínek rostliny pfiijaly témûfi 90 % z aplikovaného mnoÏství na po-ãátku metání a 95 % z pfiijatého mnoÏství bylo v dobû skliznû nalezeno v zrnu. Spoleãná aplikaces prostfiedky na ochranu rostlin (Tango Super) pozitivnû ovlivnila poãáteãní rychlost pfiíjmu, coÏ bymohlo zlep‰it efektivnost vyuÏití aplikovaného hnojiva za ménû pfiízniv˘ch povûtrnostních podmínek.
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Klára âiháková·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D.Charles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, podzim 2009
Pro Ïivot a rozmnoÏování v‰ech eukaryotních organismÛ je tfieba dûlení bunûk. U mnohobunûãn˘chorganismÛ má nadto stûÏejní v˘znam koordinace chování bunûk v rámci jejich tûla, proto je nutná pre-cizní regulace jejich dûlivé aktivity. Proces zahrnující sled událostí mezi dvûma dûleními buÀky se na-z˘vá bunûãn˘ cyklus. Jeho znalost je klíãová pro pochopení správného ustavení stavby a z ní vypl˘va-jící funkce tkání a orgánÛ mnohobunûãn˘ch organismÛ a zároveÀ pro pochopení chování bunûks abnormální dûlivou aktivitou, jeÏ se z kontroly bunûãného cyklu vymanily. U rostlin, jako pfiisedl˘chorganismÛ, je bunûãné dûlení kromû jiného i mocn˘m nástrojem pro jejich adaptaci na mûnící se okol-ní podmínky. Vstup a v˘stup z bunûãného cyklu v‰ak vyÏaduje nároãnou regulaci, která je uskuteãnû-na propojenou sítí signálních drah vytváfiející komplexní obraz o vnitfiním a vnûj‰ím prostfiedí rostlin.Aãkoliv bylo v poznání bunûãného cyklu rostlin bûhem poslední více neÏ desítky let uãinûn velk˘ po-krok, stále je jeho poznání oproti ostatním fií‰ím na podstatnû niωí úrovni. Jedním z nevyjasnûn˘chmíst zÛstává regulace vstupu bunûk do mitózy – procesu, kdy se buÀka rozdûlí na dvû buÀky dcefiin-né. Pro vrÏení svûtla do temnoty poznání v tomto konkrétním pfiípadû mÛÏe poslouÏit vnesení genu,jehoÏ pfiítomnost je u ostatních fií‰í pro zmínûn˘ regulaãní krok zcela nezbytná.T˘m Doc. Lipavské ve spolupráci s t˘mem Dr. Francise (Cardiff University, Great Britain) jiÏ nûkolik letstuduje zmûny, které v rostlinách Nicotiana tabacum vyvolala exprese mitotického aktivátoru cdc25z poltivé kvasinky Schizosaccharomyces pombe. Zji‰tûné v˘sledky není moÏno jednodu‰e vysvûtlitzmûnou v rychlosti bunûãného dûlení. Zdá se, Ïe signalizace Cdc25 zasahuje do rovnováhy mezi zá-kladními rostlinn˘mi signálními látkami – auxiny a cytokininy. Dosavadní pozornost na‰í laboratofiebyla upfiena pfiedev‰ím na zmûny v nadzemní ãásti, aÈ jiÏ to byla regulace kvetení ãi organogeneze denovo, cílem mé práce je charakterizovat zmûny kofienového systému.Prostfiednictvím kofienÛ rostliny získávají naprostou vût‰inu vody a minerálních Ïivin nezbytn˘ch k je-jich rÛstu a v˘voji, proto je pro jejich Ïivot optimalizace struktury kofienového systému nutnou pod-mínkou. K tomu je nezbytná precizní regulace jak rÛstu kofiene, tak i iniciace kofienÛ nov˘ch. Reakcena nûkteré faktory uplatÀující se v morfogenezi se ov‰em u zmínûn˘ch ãástí rostliny v˘znamnû li‰í,proto studium kofienového systému u rostlin exprimujících cizorod˘ mitotick˘ aktivátor mÛÏe v˘-znamnû doplnit pfiedchozí dosaÏené v˘sledky.
Reakce na abiotick˘ stres u tkáÀov˘ch kultur jablonû (Malus domestica Borkh.)
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Daniel Krsek·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D.Charles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, podzim 2009
AbstractAbiotic stress factors, primarily those which disturb plant water balance, cause extensive crop losses.With regard to sessile lifestyle, many mechanisms how to cope with these unfavourable conditionswere developed during evolution of plants. As common impact of many of these stresses like drought,salinity or low temperatures is of osmotic nature, the osmotic adjustment represents important part of plant stress response. Mostly, this component of stress reaction is provided by organic compounds,which are referred to as compatible solutes, including polyhydroxyl compounds (sucrose, sugar alcohols,cyclitols, and oligosacharides) and nitrogen-containing compounds (mainly proline). The effect of thesesolutes is not only osmotic, but also osmoprotective as they are able to preserve integrity of membranesand macromolecules by mimicking their water envelope. The compatible solutes also contribute toquenching of reactive oxygen species overproduced under these stress conditions. This study is focusedon apple (Malus domestica) producing, beside sucrose, sugar alcohol sorbitol as primary photosyntheticproduct and transporting these carbohydrates along with raffinose family oligosaccharides (RFO) fora long distance. In vitro tissue cultures derived from leaves of two apple cultivars differing in stresssensitivity (cv. ·ampion Red and cv. Idared) were used to investigate possible connection betweendifferences in stress tolerance and particular soluble carbohydrate accumulation. Salinity caused anincrease of total soluble carbohydrate content in more tolerant cv. ·ampion Red, whilst the samestress cause opposite reaction in less tolerant cv. Idared. For the observed increase of solublecarbohydrates in this case hexoses were preferentially responsible. More severe growth inhibition of cv. Idared under this treatment was observed as well. Osmotic stress induced by nonpermeableosmoticum – PEG – caused the decrease of soluble carbohydrate content in contrast with the case of permeable osmoticum – mannitol, where the increase of soluble carbohydrate content was observed,although accumulation of the osmoticum itself was mainly responsible for this change. Interestingly,significant accumulation of sorbitol was not observed under any stress treatment in both cultivars.The content of raffinose, in raffinose-supported cultures, increased substantially under low temperaturetreatment in both cultivars indicating a role of these oligosaccharides in response to this specificstress. The results proved the value of the use of plant tissue cultures in the studies of stress responseas it enables to distinguish the stress responses at the cell level from those requiring organ or wholeplant organisation.
DEarly stages of development of terrestrial orchids:
the effect of saccharides and phytohormones
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Jan Ponert·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D.Charles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, podzim 2009
AbstractOrchids have very small seeds with only limited contents of reserves. Therefore, in early stages of theirdevelopment most of them fully depend on nutrition provided by mycorrhizal fungi. Nearly all orchidsremain partial mycotrophs during whole life, even after a start of their own photosynthesis. Thesecharacteristics make orchids an ideal model for studies of mycorrhizal associations and bring us goodopportunity to study different feeding strategies in the single species. This work targets on earlydevelopmental stages of orchids and by studying carbohydrate status of both plant and fungus andtheir sensitivity to different types of phytohormons estimates potential of these signalling compoundsto control plant-fungus coordination. Firstly, the capability of selected orchids to utilize differentcarbohydrates have been tested. Results confirmed their ability to metabolize sucrose, fructose, maltose,raffinose and trehalose. Only low level of utilization have been shown for lactose and mannitol. Forthe first time it has been shown, that some orchids are able to utilize sorbitol. In contrast, fructose hasclear inhibition effect on germination or early developmental stages of Ophrys protocorms, while notfructose but glucose inhibits germination and subsequent development of Dactylorhiza. The effect ofphytohormones on orchid mycorrhizal fungi is also presented. It is shown, that auxins stimulatebranching of selected mycorrhizal fungi hyphae. Auxins as a possible means of mutual communicationbetween fungi and orchids in mycorrhizal associations is disccused. Further, developmental effects of selected phytohormones on early developmental stages of orchid protocorms differentiation werestudied. Based on the achieved results an attempt have been made to propose a model of auxin-cytokinindirected developmental regulation of early development in orchids. Auxins stimulate growing of basalparts of protocorms, while cytokinins stimulate growing of apical parts and differentiation of shootmeristem. It is proposed, that auxins are in early protocorm transported to basal parts, where theystimulate development of mycotrophic tissue. As a result of this auxin distribution polarization cytokinineffect can overbalance in apical part, where lead to meristem differentiation. To support the conclusiona transgene plants carrying GFP under control of auxin inducible promoter DR5 have been preparedto visualise endogenous auxin levels in orchids.
Somatická embryogeneze jehliãnanÛ: metabolismus a role RFO
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Ondfiej Skala·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D.Charles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, jaro 2009
AbstractRaffinose series oligosaccharides (RFOs = a-1,6-galaktosyln-sach; 1 £ n < c. 7) represent a prominentpart of soluble saccharide content in mature conifer seeds. RFOs are considered to act as themultifunctional components in plants, but their precise functions in specific physiological processesremain contentious. The present study focuses on the metabolism and the role of RFOs in somaticembryogenesis in two conifer species- Picea abies and hybrid fir (Abies alba x numidica). Three basicapproaches were set for achieving spruce somatic embryos (SE) with diverse levels of RFOs: a) culturecultivation with exogenous RFOs, b) culture cultivation with precursors of RFOs synthesis and the lastc) culture exposition to variegated postmaturation treatments inducing RFOs synthesis (desiccation/coldstress). Parallel combinations of stresses led to the highest RFOs levels in SE. These findings associatethe RFOs levels in spruce SE with protective function within desiccation state. The final levels ofRFOs in the spruce SE were also regulated by endogenous levels of myo-inositol. RFOs were rapidlydegraded by SE within early phases of germination independently of the initial level of RFOs. Nodramatic decrease in embryo germination was found in embryos with decreased RFOs degradationachieved by treatment with Deoxygalactonojirimicin- the specific inhibitor of a-galactosidases.Results did not support the idea the higher the initial RFOs levels, the better the course of SEgermination. In fir somatic embryogenesis, the soluble saccharide spectrum dynamics differed fromthe spruce one. The main difference was in the timing of RFOs accumulation. The fir embryogenicculture cumulated the RFOs in high levels since the beginning of maturation phase and the levels aswell as the dynamics of the other soluble saccharides were dependent on the saccharide type(maltose or sucrose) in the maturation media. Maltose supported the cumulation of RFOs over thematuration phase and sucrose during postmaturation treatment. In conclusion for different coniferspecies no common characteristics of RFOs profiles and conditions and factors controling RFOsaccumulation as well as simple relationship between RFOs level and germination efficiency can befound.
Diplomová práce [Diploma thesis]Autor: Mgr. Hana ·evãíková·kolitel: doc. RNDr. Helena Lipavská, Ph. D.Charles University in Prague.Faculty of Sciences.Department of Plant Physiology, podzim 2009
AbstractTuberization is an important process in potato that is governed by a complex of environmental as wellas internal factors. As a morphogenic process, it is closely connected with regulation of frequencyand orientation of cell division. Thus, the aim of this thesis was to transform potato with mitoticactivator cdc25 from Schizosaccharomyces pombe (Spcdc25) and to follow the resulting changes inpotato phenotype with a special focus on tuber formation.In previous studies with tobacco, it has been shown that the expression of the above mentionedSpcdc25 gene results in dramatic changes in morphology (leaf structure, restricted root developmentand growth, and also remarkable developmental change – acceleration of flowering). Moreover, manyother characteristics that can be induced in control by cytokinin application have been observed (e.g.cytokinin independent de novo shoot formation, carbohydrate metabolism changes). The two lastcharacteristics – cytokinins independency of morphogenic process and changes in carbohydratemetabolism (e.g. increased starch deposition) – are important from the point of view of expectedchanges in characteristic of Spcdc25 transgenic potato.
To transform potato, the preparation of a plasmid carrying construct with suitable selectable markerwas necessary. From original plasmid containing hygromycin resistance the target gene was taken outand inserted into binary plasmid pCP60. The plasmid was electroporated into Agrobacteriumtumefaciens that was used for the potato transformation. Seven out of thirty six isolated lines werechecked for the cdc25 gene expression. In five lines the presence and expression of the gene wasconfirmed. There were no visible changes in plant morphology, with important exception representedby a change in tuber formation. The Spcdc25 expressing plants exhibited sessile tubers in contrast tocontrol tubers formed on outgrowing stolons.
