Laboratoř ekologické fyziologie rostlin

Motto

Pochopení biochemických, fyziologických a morfologických mechanismů, kterými se rostliny přizpůsobují svému prostředí, je klíčové pro udržitelnost ekosystémů v podmínkách nastupující klimatické změny a umožňuje řadu aplikačních výstupů uplatnitelných v lesnické a zemědělské praxi.

Náš výzkum je zaměřen na studium biochemických, fyziologických a morfologických procesů souvisejících zejména s asimilací uhlíku, vodním režimem rostlin a ochrannými mechanismy. Tyto procesy studujeme v unikátním, širokém časovém i prostorovém měřítku od aktivace fotosyntetických enzymů, přes tvorbu primárních a sekundárních metabolitů až po procesy tvorby či alokace biomasy a sekvestrace uhlíku. Náš výzkum je prováděn na řadě druhů rostlin pokrývajících základní zemědělské plodiny (např. pšenice, ječmen), lesní dřeviny (např. smrk, buk, dub) i modelové druhy rostlin s širokou genetickou variabilitou (např. huseníček).

Chcete-li se dozvědět více o práci oddělení, je k dispozici náš blog Ecosytem & Climate Change, kde najdete aktuální informace o našem výzkumu (blog sdílí dohromady Laboratoř ekologické fyziologie rostlin a Laboratoř metabolomiky a izotopových analýz).

Našim cílem je popsat a pochopit mechanismy souvisejících s adaptací, aklimací a odolností rostlin vůči faktorům prostředí, které jsou spojovány se změnou klimatu jako je zvýšená koncentrace CO2 a ozónu v atmosféře, teplotní extrémy nebo extrémy v dostupnosti vody (sucho, zamokření). Tyto faktory působí často nejen samostatně ale v interakci s dalšími limitujícími faktory jako jsou například změna intenzity a spektrálního složení sluneční radiace (vliv ultrafialové (UV) radiace, modrého světla, vzdáleného červeného světla), dostupnost minerální výživy (dusík, fosfor), znečištění ovzduší (nanočástice kadmia, olova, mědi), choroby rostlin ad.

Postihnutí takto širokého spektra výzkumných činností vyžaduje inovativní propojení klasických fyziologických technik (měření výměny plynů – fotosyntetické asimilace a respirace CO2, stanovení transpirace; fluorescence – detekce ochranných látek v rostlinách, výzkum primárních fotochemických reakcí fotosyntézy; či spektroradiometrická měření – identifikace spektrálně optických vlastností listů spojených s jejich pigmentovým složením, obsahem vody, minerální výživou, či anatomickou strukturou) s výstupy jiných vědních oborů jako je například environmentální metabolomika či analýza stabilních izotopů v biomase rostlin. Tento přístup umožňuje identifikovat hlavní metabolické dráhy ovlivněné stresovými podmínkami, nalézt markery včasného poškození rostlin, a objasnit propojení mezi metabolickou odezvou na působení vnějšího prostředí, morfologickými změnami a produktivitou rostlin.

Pro dosažení uvedených cílů jsou využívány jak laboratorní, tak unikátní polní experimenty s manipulací klimatických faktorů. V rámci laboratorních experimentů jsou využívány růstové komory (fytotrony) umožňující plynulou regulaci intenzity a spektrálního složení (ve spektrálních pásmech UV, R,G,B, FR) světla, teploty (-4 – 40 °C), vlhkosti vzduchu a koncentrace CO₂. V rámci polních experimentů jsou využívány zejména automatizované experimentální sféry a komory s otevřeným vrchem pro kultivaci modelových druhů dřevin a polních plodin. Tato kultivační zařízení, která umožňují manipulaci koncentrace CO₂ v atmosféře, množství UV záření, dostupnosti vody či minerální výživy, se nacházejí na experimentálních stanicích Bílý Kříž v Moravsko-slezských Beskydech a Domanínku nedaleko Bystřice nad Pernštejnem.

 

Laboratoř dále disponuje souborem expozičních lavic pro studium vlivu UV radiace či souborem experimentálních stříšek pro studium dopadů sucha. Pasivní zákryty jsou postupně nahrazovány automatickými zákrytovými systémy (systém používaný na lučním porostu experimentální stanice Bílý Kříž) umožňující studium kombinovaného účinku sucha (odstínění srážek), UV radiace (aplikace filtrů) a zvýšené teploty (zamezení vydávání tepelné radiace). Tato experimentální infrastruktura, jakož i přístrojové vybavení Laboratoře, je součástí evropské infrastruktury AnaEE.

Pro studium adaptačních mechanismů rostlin využívá Laboratoř rovněž přirozených experimentů in natura. Tyto experimenty využívají přirozené gradienty mikroklimatu, které jsou dány například nadmořskou výškou či geografickým gradientem. Typickým příkladem je adaptace slunného a stinného listoví buku v rámci gradientu nadmořských výšek (Rajsnerová et al. 2015; zde ). V rámci mezinárodních spoluprací, například sdružení UV4plants, jsou pak studovány rozsáhlé geografické gradienty charakteristické širokým rozsahem teplot či množstvím a kvalitou slunečního záření (Castagna et al. 2017; zde).

Aplikované výstupy

Certifikovaná metodika: Fenotypování jarního ječmene na odolnost vůči suchu
Certifikovaná metodika: Vyhodnocení architektury kořenového systému a osmotického přizpůsobení u ječmene

Klíčová slova

abiotický / biotický stres; aklimace / adaptace rostlin; ekologická fyziologie rostlin; emise volatilních organických látek; environmentální metabolomika; fenotypování rostlin; fotosyntéza a uhlíkový cyklus; gradientové studie; manipulační experimenty; minerální výživa; ozón; sucho; teplota; UV záření; vliv nanočástic; zvýšená koncentrace CO2

Hlavní výzkumné směry

Výzkum dopadů globální změny na fyziologii rostlin a produkční procesy v měřítku rostlina–ekosystém

Realizace multifaktoriálních manipulačních experimentů pro studium vzájemných interakcí faktorů prostředí souvisejících s klimatickou změnou

Studium adaptačních a regulačních mechanismů souvisejících s dopady klimatické změny, včetně zjištění druhové a genotypové variability ve schopnosti jejich adaptace

Vývoj a aplikace nových metod pro diagnostiku působení stresu vyhodnocením fyziologických procesů na základě výběru citlivých spektrálně-optických vlastností listů/vegetace a jejich následné využití při fenotypizaci rostlin a dálkovém průzkumu pro účely monitoringu stavu vegetace a precizního zemědělství

Vývoj metod a markerů pro identifikaci vhodných genotypů zemědělských plodin s vyšší odolností vůči nepříznivým podmínkám prostředí (sucho, extrémní teplota)

Studium vlivu znečištění ovzduší (nanočástice, troposférický ozón) na metabolismus, fyziologii a růst rostlin a jejich interakce s jinými stresovými faktory (vysoká teplota, sucho)

Studium toků volatilních organických látek (VOC) a organických aerosolů v lesních ekosystémech a městském prostředí

Analýza mechanismů podílejících se na variabilitě toků látek (CO2, H2O, O3, VOC) a energie (zjevné, latentní teplo) v přirozených ekosystémech za různých radiačních podmínek – vliv přímé a difúzní radiace

Vývoj adaptačních a mitigačních opatření zvyšujících schopnost rostlin a ekosystémů překonávat nepříznivé podmínky a omezujících emise skleníkových plynů (bezorebné technologie, setí do mulče, pěstování meziplodin, aplikace biouhlu).