Epiderma roślin- źródłem wiedzy o stanie środowiska Warsztaty Metodyczne, Wodzisław, 27 III 2008 Jagna Karcz Pracownia Mikroskopii Skaningowej Wydział Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytet Śląski
Rośliny i środowisko Łączna powierzchnia epidermy roślin wyŝszych kontaktujących się z atmosferą 1 200 000 000 km 2
Helleborus niger Tkanki okrywające roślin: Epiderma jako składnik systemu dermalnego roślin stanowi zarówno barierę mechaniczną (ciągłość kutykuli) jak i chemiczną (budowa kutyny i wosku) między rośliną a środowiskiem zewnętrznym
Epiderma roślin: jest powierzchniową warstwą komórek w organach nadziemnych roślin wieloletnich i zielnych stanowi warstwę Ŝywych, ściśle przylegających do siebie komórek zew. ściany komórek są grubsze i wysycone kutyną (kutykula) do łączności ze środowiskiem słuŝą aparaty szparkowe
Funkcje epidermy: Funkcje epidermy: wymiana gazowa ochrona przed utratą wody ochrona przed nadmiarem światła oraz atakiem patogenów
epiderma górna kutykula miękisz palisadowy miękisz gąbczasty epiderma dolna ap. szparkowy chloroplasty wiązka przewodząca
środowisko granice antyklinalne kutykula + woski zew. ściana peryklinalna ściana antyklinalna Komórki epidermy roślin (układ wielościanów)
Epiderma jednowarstwowa kutykula epiderma miękisz (www.nantes.inra.fr)
Nerium oleander Epiderma wielowarstwowa kserofitów kutykula epiderma miękisz (www.botany.hawaii.edu)
Powierzchnię epidermy organów nadziemnych pokrywa kutykula kutykula kutykula www.botany.hawaii.edu Kutykula to dobry biowskaźnik in situ w diagnostyce środowiska
Czym pokryta jest kutykula epidermy? epikutykularny wosk amorficzny wosk kutykula (kutyna + woski) ściana komórkowa
A Epiderma roślin B C D bez wosku z woskiem E F
Ogólny model budowy ściany komórkowej epidermy wosk amorficzny wosk krystaliczny kutykula właściwa (kutyna + wosk) warstwa kutykularna (kutyna wosk pektyny celuloza) wosk epikutykularny kutykula blaszka środkowa lamella pektynowa ściana komórkowa (zew. ściana peryklinalna) (Jeffree Jeffree,, 1996)
Metody analizy epidermy, kutykuli i wosku analiza struktury przestrzennej skaningowy mikroskop elektronowy (SEM), mikroskop sił atomowych (AFM), mikroskop konfokalny (CLSM) analiza składu chemicznego (chromatografia gazowa, cieczowa, spektrometria masowa HPLC, GC/MS)
Mikroskop elektronowy skaningowy SEM w badaniach epidermy roślin
Jak przygotować epidermę do badań w SEM? Utrwalanie Suszenie Napylanie Obserwacja w SEM
Procedura dla epidermy w SEM Utrwalanie, odwadniane, suszenie w CPD, napylanie, obserwacja w SEM bez utrwalenia po utrwaleniu
Procedura dla wosku w SEM po utrwaleniu bez utrwalania Woski bada się na świeŝym materiale bez utrwalania!
Analiza chemiczna SEM/EDS Mg Al Fe Mapowy rozkład pierwiastków Jakościowa i ilościowa analiza pierwiastków
Woski epikutykularne epidermy roślin
kutykula wosk epikutukularny kutykula właściwa w-wa kutykularna kutyna + wosk w-wa pektynowa ściana komórkowa celuloza błona komórkowa (plazmalemma) Ogólny model budowy zew. ściany komórkowej epidermy roślin (Jeffree( Jeffree,, 1996)
Funkcje epikutykularnego wosku: ochrona przed utratą wody minimalizowanie mechanicznych uszkodzeń powierzchni rośliny ochrona przed mikroorganizmami ochrona przed czynnikami środowiska kompleksowe monitorowanie środowiska
Arabidopsis thaliana modelowa roślina w badaniach epikutykularnego wosku Int. J. P lant Sci.159(5):773-779, 1998
60 50 40 19 dni 34 dni 41 dni 30 20 10 0 Alkany Alkohole Kwasy tł. Aldehydy Estry Trójterpeny Skład chemiczny wosków w zaleŝności od stadium rozwojowego rośliny na przykładzie kukurydzy (Zea mays)
Brassica juncea Brassica nigra Brassica napus Brassica Brassica Brassica oleracea campestris carinata Analiza epikutykularnych wosków u Brassica (K arcz, 2003)
Brassica oleracea 5 µm J. Karcz, SEM Lab
Typy degradacji środowiska ciepło promieniowanie słoneczne DEGRADACJA TERMICZNA FOTODEGRADACJA DEGRADACJA HYDROLITYCZNA BIODEGRADACJA H 2 O mikroorganizmy siły napręŝenia DEGRADACJA MECHANICZNA DEGRADACJA ŚRODOWISKOWA NO x, SO x, sole, CO, węglowodory, metale, H 2 O 2
Woski epikutykularne a czynniki środowiskowe abiotyczne: wilgotnosc i temperatura powietrza, zmiany ilosci CO 2 lub O 3, naslonecznienie, promieniowanie ultrafioletowe UV-B, emisje gazowe (SO 2, NO 2 ) i pylowe, w tym metale ciezkie (N i, C u ) biotyczne: bakterie, grzyby, owady
Epikutykularne woski i ich reakcja na stres środowiskowy: odporność na stres powodowany niską temperataurą (< O o C) (grubość warstwy epikutykularnej i kutykularnej wzbogaconej wielonasyconymi kwasami tłuszczowymi, sterolami odporność na stres powodowany wysoką temperaturą odporność na stres powodowany wysoką temperaturą (zmniejszenie absorpcji promieniowania słonecznego przez woski odbijające światło; zwiększenie udziału bardziej nasyconych kwasów tłuszczowych w lipidach błon komórkowych i woskach
Woski a czynniki środowiska promienie słoneczne substancje lipofilne Pierwotne i wtórne metabolity kutykula substancje lipofilne a) krystaliczny epikutykularny wosk b) amorficzny epikutykularny wosk c) kutyna + wewnątrzkutykularne woski (Riederer, Schreiber, 2001)
Viola tricolor w ekologii określana jako dobry gatunek wskaźnikowy (bioindykator) o wąskim zakresie tolerancji względem róŝnych czynników środowiskowych. Czynnikami tym mogą być: np. rodzaj podłoŝa, odczyn gleby, wilgotność, nasłonecznienie, temperatura otoczenia, zanieczyszczenia powietrza, stęŝenie soli mineralnych (Kuta, Karcz 2007)
Woski roślin iglastych a czynniki mechaniczne Picea abies Wzór epikutykularny epidermy dolnej (K arcz, K ieliszewska-rokicka, 2003)
2002 Picea pungens 2003 Zanieczysczenia pyłowe na powierzchni igieł
Colocasia esculenta Samooczyszczanie powierzchni liścia 20 µm Efekt odpychania kropli wody na powierzchni woskowanej epidermy
Fagus silvatica 100 µm Efekt rozpłaszczenia kropli wody na powierzchni pozbawionej wosków (komórki epidermy z gładką kutykulą) (Barthlott, Neinhuis, 2000, 2005)