Výměna iontů mezi rostlinou a prostředím

Rostliny potřebují k růstu kromě uhlíku získávaného při fotosyntéze také celou řadu prvků, které přijímají ve formě iontů anorganických solí z prostředí obklopujícího kořeny. Dusík je z těchto anorganických iontů přijímán a spotřebováván rostlinami v největším množství, a proto se také jeho příjem nejsnáze zjišťuje. Dusík je přijímán rostlinou ve dvou hlavních formách - jako amonný kation NH4+ , nebo jako dusičnanový anion NO3-. Každá z těchto forem je přijímána do buněk kořene jiným mechanismem a v důsledku toho dochází v prostředí obklopujícím povrch kořenů ke změnám v koncentraci protonů, tedy ke změnám pH.

Pomůcky:
Sada kádinek s víčky a provzdušňovacím systémem (jehly, hadičky, tlačky), vzduchovací pumpa, Hoaglandův živný roztok normální (s dusíkem ve formě NO3-) a upravený (s dusíkem ve formě NH4+), rostliny kukuřice, pšenice, slunečnice nebo bobu (předpěstované v Hoaglandově živném roztoku obsahujícím jako zdroj dusíku pouze 0,25 mM NH4NO3), pH metr, nitrátová iontově selektivní elektroda.

 

Experiment 1 : Změny pH roztoku v průběhu příjmu NH4+ a NO3-

Postup:
Připravíme si dva živné roztoky - první bude obsahovat jako zdroj dusíku výhradně amonné ionty, zatímco druhý roztok pouze nitrátové ionty. Koncentrace všech živin musí být u obou roztoků shodná, zejména pak celková koncentrace dusíku, která bude v obou případech 2 mM. Do označených expozičních nádobek nalijeme známé množství (např. 100 ml) stejného typu roztoku, do víček zasadíme dvě až šest pokusných rostlin. Nastavíme přiměřené provzdušňování roztoku v nádobkách a necháme rostliny inkubovat několik hodin. Po skončení inkubace změříme objem živného roztoku v každé z nádobek, změříme jeho pH a změříme také pH původního roztoku před inkubací.

Prezentace a diskuze získaných dat

  1. Jak se změnilo pH v roztocích s rostlinami v průběhu inkubace u jednotlivých variant?
  2. Vysvětlete stručně dosažené výsledky z hlediska mechanismu příjmu různých forem dusíku.
  3. Vypočtěte, jaké změně koncentrace NO3-, popř. NH4+, odpovídají změny pH roztoků oproti výchozímu stavu pro jednotlivé rostlinné druhy. Pro výpočet předpokládejte, že změny pH byly způsobeny pouze příjmem dusíkatých iontů, dále že jeden přijatý amonný kationt způsobí obohacení živného roztoku o jeden proton, popřípadě že jeden přijatý nitrátový aniont způsobí ochuzení živného roztoku o jeden proton, a konečně že objem živného roztoku zůstal v průběhu inkubace s rostlinami konstantní.

 

Experiment 2: Stanovení specifické rychlosti příjmu NO3-

Postup:
Připravíme živný roztok s dusíkem výhradně ve formě dusičnanových iontů o koncentraci 2 mM. Do označených expozičních nádobek nalijeme známé množství (např. 100 ml) tohoto roztoku, do víček zasadíme dvě až šest pokusných rostlin. Zbytek živného roztoku uložíme do lednice pro pozdější stanovení počáteční koncentrace dusíku v roztoku. Od okamžiku zasazení rostlin začínáme měřit dobu expozice rostlin v roztoku. Nastavíme přiměřené provzdušňování roztoku v nádobkách a necháme rostliny inkubovat několik hodin. Po skončení inkubace změříme objem živného roztoku v každé z nádobek a pomocí nitrátové iontově selektivní elektrody stanovíme koncentraci nitrátů v živném roztoku. Stanovíme rovněž koncentraci NO3- i v původním (neexponovaném) roztoku uloženém v lednici (= počáteční koncentrace). Kořeny měřených rostlin uložíme do sáčku, řádně označíme a usušíme v sušárně při 80 °C do konstantní hmotnosti.

Kalibraci nitrátové iontově selektivní elektrody udělejte pomocí koncentrační řady 0,075 - 0,15 - 0,3 - 0,6 - 0,9 - 1,2 - 1,5 - 1,8 - 2,1 - 2,4 - 2,7 - 3 mM nitrátů, připravené z 3mM KNO3 roztoku. Výsledný kalibrační graf závislosti napětí (mV) na koncentraci nitrátů (mM) má logaritmický průběh.

Specifickou rychlost příjmu NO3- kořeny vypočtěte podle vztahu:

VP = ((c1 * V1) - (c2 * V2)) / (m * t)

VP - specifická rychlost čistého příjmu [µmol. g-1. h-1]
c1, c2 - koncentrace iontu v expozičním roztoku před a po expozici [mmol. l-1]
V1, V2 - objem expozičního roztoku před a po expozici [ml]
m - hmotnost sušiny nebo čerstvé hmotnosti kořenů [g]
t - délka expozice [hod]

Prezentace a diskuse získaných dat

  1. Vypočtěte specifickou rychlost příjmu NO3- kořeny pokusných rostlin.
  2. Jaké množství NO3- (v jednotkách hmotnosti) přijala v průměru každá z rostlin v expoziční nádobce v průběhu inkubační periody?
  3. Pokud jste sledovali příjem iontů u více druhů rostlin, porovnejte zjištěné specifické rychlosti příjmu NO3-.