Sorin Vatca@yahoo.co.uk 693 Fiziologia Plantelor Carte Notepad Text

1Capitolul 1 INTRODUCERE ÎN FIZIOLOGIA PLANTELOR 1.1. Defini ție și obiective Fiziologia plantelor este o ramură a științelor biologice care se ocupă cu studiul vieții plantelor. Noțiunea de fiziologie își are originea în limba greacă și vine de la cuvintele physis – natură și logos – știință. Termenul de fiziologie s-ar traduce deci cu ,,știință despre natură”. Ca ramură a științelor biologice, fiziologia plantelor urmărește desfășurarea succesivă a proceselor vitale care se petrec în organismul vegetal, respectiv dinamica activității fiziologice a plantei. Pentru a înțelege mai bine complexitatea fenomenelor, unele momente din viața plantei se desfac în elemente componente și sunt studiate ca fenomene independente. Ulterior prin raționamente de sinteză, se face legătura între aceste fenomene în ideea de a înțelege procesul vital caracteristic întregului organism. Fiziologia plantelor studiază relațiile plantei cu mediul înconjurător. Cunoscând influența factorilor de mediu asupra plantei, omul de știință, ca și practicianul agricol, au posibilitatea să modifice intensitatea acestor factori, pentru a obține rezultate mai bune în cultura plantelor. Fiziologul rus K. A. Timireaz ev spunea: ,,omul de știință studiază viața plantelor cu scopul de a acționa pentru transformarea ei, în conformitate cu cerințele și nevoile practicii agricole”. Prin întregul său conținut, fiziologia plantelor dă orizont științific activității practice din agricultură. Ea este baza teoretică a altor discipline agronomice sau cum i se mai spune ,,mecanica fină a agriculturii raționale”. Fiziologia plantelor învață pe specialist să considere viața plantei în mod funcțional, ca un organism viu cu o activitate dinamică, care realizează permanente schimbări materiale și de energie cu mediul înconjurător și în același timp sintetizează fără întrerupere substanță organică vegetală, respectiv hrană pentru om și animale. În interpretarea fenomenelor fiziologice caracteristice diferitelor genuri, specii și soiuri de plante, fiziologia se bazează pe teoria evoluționistă, elaborată în modul magistral de Ch. Darwin în capodopera sa ,,Originea speciilor” 1859; procesele vitale sunt studiate în strânsă legătură cu variația factorilor biotici și abiotici din mediul ambiant în care trăiesc plantele în cursul dezvoltării lor ontologice. 1.2. Sarcinile fiziologiei plantelor Sarcina fundamentală a fiziologiei plantelor este aceea de a participa la procesul de sporire a producției vegetale pe calea valorificării întregului potențial biologic de producție al plantelor. Este cunoscut faptul că într-un spiculeț de grâu există 3-5 flori și că dintre acestea fructifică numai 2-3. Fiziologiei plantelor îi revine sarcina de a găsi căile care să ducă la fructificarea tuturor florilor din spiculeț. Pentru a realiza acest lucru trebuie să cunoaștem cauzele care împiedică formarea asimilatelor și umplerea boabelor în spiculeț. 2La baza acestor fenomene ar sta slaba activitate a aparatului fotosintetic, determinată de epuizarea enzimelor din cloroplaste și a energiei celulare de tip adenozinfosforic (ATP). O importantă sarcină a fiziologiei vegetale este aceea de a cunoaște cerințele plantelor față de apă și hrană în diferite faze de vegetație. Refacerea aparatului foliar la cereale de toamnă, trifoi, lucernă distruse în timpul iernii în urma înghețului, presupune consumul unei importante cantități de azot, cât mai devreme primăvara. Pentru ca plantele să beneficieze de azot din primele zile de primăvară este indicată administrarea îngrășămintelor cu azot cât se poate de timpuriu. O problemă importantă a producției legumicole este obținerea de răsaduri viguroase în sere iarna, când intensitatea luminii este slabă, din cauza nebulozității prea mari. Fenomenul de etiolare a răsadurilor se poate combate prin iluminarea plantelor cu lumină artificială sau stropind plantele cu soluții diluate de substanțe retardante, care frânează alungirea răsadurilor. În fiziologia plantelor se cunosc și substanțe care stimulează creșterea în lungime a celulelor. O foarte bună substanță de acest gen este giberelina, care poate fi folosită la stropirea cânepei și la stropirea puieților de pomi în pepenieră pentru a forța creșterea acestora în primul an și deci a reduce timpul de ședere a puieților în pepenieră. O importantă descoperire în domeniul fiziologiei vegetale este efectul stimulator al înrădăcinării butașilor cu ajutorul auxinelor. Sarcina fiziologiei este aceea de a stabili experimental, pentru diferite specii, timpul de expunere în soluție a butașului, gradul de maturitate a lăstarului, precum și concentrația soluției cu care se obțin cele mai bune rezultate. O problemă de fiziologie a nutriției minerale, cu mari perspective de aplicare în ameliorarea plantelor, este studiul funcției de absorbție a elementelor nutritive de către sistemul radicular al plantelor. Cunoscând ritmul de absorbție al elementelor nutritive de către liniile create în procesul de ameliorare putem alege materialul biologic cu mare capacitate de valorificare a îngrășămintelor, însușire care constituie premiza recoltelor mari. Legat de acest lucru este asimilarea îngrășămintelor și translocația asimilatelor spre organele de fructificare. Căutând mereu noi procedee tehnologice de sporire a producției și productivității plantelor, fiziologia vegetală își dezvoltă calitatea de bază ,,bază teoretică a agriculturii raționale”, răspunzând astfel în măsură tot mai mare cerințelor agriculturii moderne, intensive. În contextul dezvoltării agriculturii ecologice fiziologia plantelor, va contribui foarte mult la dezvoltarea tehnologiilor ecologice specifice și eliminarea produselor chimice. 1.3. Metode de cercetare folosite în fiziologia plantelor Fiziologia plantelor este o disciplină cu un pronunțat caracter experimental, experiența fiind principală metodă de cercetare. Experiența trebuie completată cu observația atentă și cu interpretarea observațiilor și a rezultatelor obținute. De obicei, experiența este precedată de o ipoteză care ia naștere în activitatea practică. Observația diferitelor fenomene se face cu ochiul liber (macroscopică) sau la microscop ori cu ajutorul lupei (microscopică). 3Cercetările de fiziologie vegetală se efectuează în casa de vegetație, sere, solare și câmpuri experimentale, iar diferitele investigații biochimice sau biofizice se fac în laboratoare. Cele mai moderne cercetări de fiziologie vegetală se execută astăzi în fitotroane (denumirea de fitotron a fost dată de către A. Millikan, 1949). Fitotroanele sunt construcții cu diferite încăperi, laminate natural sau artificial, încălzite sau răcite în mod artificial, cu temperature și umiditatea aerului reglabile. Cu ajutorul unor instalații electrice automate, factorii de vegetație se pot menține la valori dinainte stabilite. Printre mijloacele de investigație care au adus mari servicii în procesul de cunoaștere a plantelor, la loc de seamă se situează microscopul, cu ajutorul căruia s-au făcut primele observații în intimitatea celulelor, a țesuturilor și a organelor plantei. Pe măsura perfecționării microscopului s-au acumulat tot mai multe cunoștințe despre modul de organizare al plantei. Descoperirea și funcționarea microscopului electronic au deschis o nouă etapă pentru fiziologia plantelor – epoca fiziologiei subcelulare sau a organitelor celulare. Împreună cu metoda centrifugării omogenatelor celulare, microscopul electronic a permis cunoașterea structurii submicroscopice a organitelor celulare, iar microanaliza chimică a permis cunoașterea compoziției chimice a acestora. Pe baza cunoașterii ultrastructurii și a compoziției chimice-enzimatice a fost posibilă descifrarea funcției fiziologice a diferitelor organite celulare. Analiza chimică a cenușii plantelor, cu toate deficiențele sale ca metodă, a permis cunoașterea necesarului plantelor față de unele elemente nutritive. Metoda creșterii plantelor în soluții nutritive cu compoziție chimică cunoscută (hidroponică) a dus la o mai bună cunoaștere a cerințelor plantelor față de hrană, îndreptarea greșelilor săvârșite prin analiza chimică a cenușii plantelor și cunoașterea modului cum se răsfrânge insuficiența unor elemente nutritive asupra creșterii și dezvoltării plantelor. De mare folos pentru determinarea conținutului de asimilate din plante este metoda cromatografică (pe hârtie, pe coloană, în gaz sau în strat subțire), variantă modernă, de mare sensibilitate, a analizei chimice. Unele aspecte ale metabolizării îngrășămintelor minerale au fost clarificate cu ajutorul izotopilor radioactivi. Tot cu ajutorul izotopilor s-au stabilit că oxigenul eliberat de plante în procesul de fotosinteză provine din apă și nu din CO 2, așa cum s-a crezut înainte. Metoda autoradiografiei, care se bazează pe folosirea izotopilor, a permis studiul răspândirii și localizării diferitelor elemente nutritive în organele plantei. 1.4. Leg ăturile fiziologiei vegetale cu alte discipline Pentru cunoașterea fenomenelor fiziologice care se petrec în organismul vegetal, fiziologia plantelor primește o serie de cunoștințe de la unele discipline fundamentale. În același timp, disciplinele tehnologice beneficiază de cunoștințe fiziologice în activitatea lor. Fiziologia analizeaz ă procesele vitale complexe, prin descompunerea lor în procese mai simple, fizice și chimice. În final printr-un proces de sinteză se reconstituie 4tabloul vital complex al plantei. În această activitate, fiziologia plantelor apelează la cunoștințe de fizică și chimie, folosind metode fizice și chimice de investigație. Procesele fizico-chimice care se petrec în materia vie diferă însă de acelea ce au loc în materia fără viață. Ele sunt intensificate de un complex enzimatic prezent în toate celulele plantei. Fiziologia vegetală nu se poate reduce deci la fizica și chimia plantei; o asemenea concepție este profund greșită. Cunoașterea mecanismului diferitelor procese fiziologice presupune investigații de biochimie și biofizică. Pentru o mai bună explicare a unor fenomene fiziologice care se petrec în plante, unele cunoștințe de anatomie și morfologie sunt de mare folos. Fiziologia plantelor este strâns legată cu disciplinele tehnologice, cum sunt fitotehnia și agrotehnica, cărora le transmite unele cunoștințe. Fitotehnia este cel mai important beneficiar a cuno ștințelor de fiziologie vegetală despre nutriția plantelor, creșterea și dezvoltarea, sinteza substanțelor organice în plante etc. Nutriția plantelor și aplicarea îngrășămintelor sunt probleme de importanță practică deosebită. Agrotehnica beneficiază de alte cunoștințe de fiziologie vegetală, cum ar fi cerințele plantelor față de oxigen, atât de necesară respirației aerobe, sau față de apa necesară creșterii plantelor. Cunoștințele de fiziologie vegetală referitoare la cerințele plantelor față de lumină și temperatură stau la baza culturii legumelor în sere și solare. Deosebită importanță practică în această problemă prezintă corelația dintre temperatură și intensitatea luminii în fotosinteză. Importante cunoștințe de fiziologie vegetală își găsesc aplicabilitatea și în pomicultură. Astfel, tăierile pentru formarea coroanei, cât și tăierile anuale de întreținere la pomi și viță de vie, se bazează pe cunoștințe de fiziologie vegetală referitoare la rolul auxinelor în viața plantelor. Fiziologia plantelor este strâns legată și de microbiologia solului, care oferă cunoștințe despre fenomenul de nitrificare ce stă la baza îmbogățirii solului pe cale naturală cu azot atmosferic. Cunoștințele de microbiologie ajută fiziologia plantelor la explicarea procesului de nutriție cu azot a leguminoaselor, prin simbioză cu anumite bacterii. Cunoștințele de fiziologie referitoare la reacția fotoperiodică a plantelor servesc intereselor agriculturii, deoarece oferă criterii științifice de alegere a zonelor geografice pe globul terestru din care se poate face import de semințe. Fiziologia plantelor aduce importante servicii lucrărilor de ameliorare a plantelor, care recomandă noi soiuri de plante după ce se cunosc bine însușirile fiziologice ale acestora (rezistența la ger, rezistența la secetă, boli, precocitatea, însușiri de calitate etc.). Un deosebit interes prezint ă studiul fiziologic prealabil asupra genitorilor. 5Capitolul 2 FIZIOLOGIA CELULEI VEGETALE Fiziologia vegetal ă sau citofiziologia se ocupă cu studiul fenomenelor vieții care se petrec în interiorul celulei. Ea constituie capitolul fundamental al fiziologiei, deoarece toate manifestările vitale au loc în materia vie celulară. Importanța fiziologiei celulare reiese și din descoperirile savantului de origine română George Emil Palade, care au stabilit unele particularități structurale și funcționale ale organitelor citoplasmatice și a descoperit o serie de boli provocate de anumite dereglări celulare, punând bazele fiziologice ale patologiei celulare. Celula posedă toate însușirile unui organism viu, capabil să ducă o viață independentă. Acest lucru este dovedit nu numai prin existența organismelor monocelulare, ci și prin posibilitatea de a recolta celule din organismele pluricelulare care cultivate pe medii artificiale cresc, se înmulțesc și dau naștere la plante întregi. Celula este un sistem termodinamic deschis; ea face schimb permanent de substanțe cu mediul în care trăiește, transformă substanțele asimilate și energia în procesul de metabolism. Forma și mărimea celulelor vegetale este foarte diferită: ·forma sferic ă se întâlnește la bacterii (coci); ·forma poliedrică-izodiametrică, apropiată de cea sferică, este caracteristică parenchimului meristematic din vârfurile de creștere ale rădăcinilor și tulpinilor; ·celulele din țesuturile liberiene sunt fusiforme; ·cele din vasele conducătoare (traheie, traheide) ale plantelor sunt tubulare. Dimensiunea minim ă a celulelor vegetale este de aproximativ 10 microni, iar dimensiunea medie 100 microni. Se cunosc însă și celule de 50 cm lungime (fibre liberiene), iar vasele secretoare de latex, la unele Euforbiacee ating lungimi de mai mulți metri. Morfologia externă a diferitelor tipuri de celule este rezultatul influenței condițiilor de viață de care beneficiază celulele respective în cadrul țesutului în care se găsesc. În același timp, forma și mărimea celulelor corespund funcției fiziologice pe care acestea trebuie să o îndeplinească în țesutul respectiv. 6 Figura nr. 1 – Reprezentarea schematic ă a celulei vegetale 2.1. Funcțiile fiziologice ale subunităților structurale din celulă Cunoașterea amănunțită a detaliilor de structură și funcționalitate în celula vie a devenit posibilă în urma introducerii în cercetare a unor tehnici moderne de laborator: microscopia fluorescentă, microscopia cu contrast de fază, microscopia polarizantă și electronică, ultrasecționarea, spectroscopia, autoradiografia etc. O nouă cale de cercetare în citofiziologie este metoda ultracentrifugării omogenatelor celulare. 2.1.1. Citoplasma și funcțiile ei Observată la microscopul optic, citoplasma apare ca o masă transparentă, în care se disting unele componente celulare. Citoplasma este masa fundamentală a protoplasmei vii, în care sunt incluse organitele celulare. Ea este componentă esențială a celulelor vii, atunci când se află în stare fluidă și neîntreruptă mișcare; coagularea citoplasmei determină încetarea manifestărilor vitale și implicit moartea celulei. Elementele de constituție ale citoplasmei sunt: proteinele hidrofile, fosfolipide, acizi nucleici etc. Citoplasma reprezintă un sistem coloidal polifazic complex, în care proteinele hidrofile, tipic coloidale, realizează un mediu heterogen și labil, care își schimbă cu ușurință reacția și sarcina electrică și își modifică starea fizică. Marea varietate de proteine existente în citoplasmă determină funcții metabolice și enzimatice caracteristice, ce imprimă specificitate și diversitate organismelor vii. Atât proteinele de constituție, cât și cele enzimatice diferă de la specie la specie, de la individ la individ, de la un organ la altul. Citoplasma este alcătuită din hialoplasmă, organite citoplasmatice și membrane plasmatice. 2.1.1.1. Hialoplasma 7 Hialoplasma este o masă transparentă, omogenă și aparent lipsită de structură, numită și matrice citoplasmatică. Hialoplasma se prezintă ca un sistem coloidal vâscos, rigid sau elastic, nemiscibil cu apa. Ultrastructura hialoplasmei se compune din filamente fine care alcătuiesc o rețea macromoleculară filamentoasă, ce constituie scheletul sau stroma. Filamentele respective sunt formate din lanțuri polipeptidice de proteine, respective proteine fibrilare, care se pot lega între ele în diferite moduri (punți de hidrogen, forțe Van der Waals). Hialoplasma este alcătuită din apă, substanțe organice, săruri minerale și ioni liberi de K +; Ca++; Mg ++; Fe++; Mn ++; Cu++; Zn++; NH 4+; Cl- ; PO 4- – – ; SO 4 – – etc. Raportul dintre aceste substanțe electrolitice și neelectrolitice imprimă hialoplasmei o anumită stare fizică și prezintă un rol destul de important în desfășurarea proceselor fiziologice din celulă. Atunci când predomin ă proteinele globulare, hialoplasma este fluidă, iar când predomină cele filamentoase este vâscoasă. Dintre compușii organici mai importanți în hialoplasmă se găsesc: nucleoproteide, lipide complexe, glucide solubile, aminoacizi, ARN m ; ARN t , ARN r , enzime, substanțe bioactive (biocatalizatori, hormoni, vitamine) și o serie de compuși metabolici primari și secundari. Datorită multiplelor componente organo-minerale, hialoplasma este sediul celor mai numeroase și mai rapide modificări structurale și funcționale de natură fizio-chimică și metabolică și spațiul în care se desfășoară transformarea energiei chimice potențiale în energie liberă, mecanică și calorică, care asigură mișcarea intracelulară și reacțiile de sinteză ce au loc în celulă. 2.1.1.2. Organitele citoplasmatice Organitele citoplasmatice sunt componente de forme și mărimi variate, cu funcții diferite în ansamblul activității fiziologice a celulei. Reticulul endoplasmatic (R.E.). Privită la microscopul electronic masa de citoplasmă a celulelor mature apare străbătută în toate sensurile de o rețea densă de canalicule tubulare, simple sau ramificate, care leagă între ele vezicule pline cu lichid (vacuole) și diferite cisterne (dictiozomi), precum și alte formațiuni intracelulare. Această rețea de canalicule face legătura între membrane nucleilor a două celule vecine și a tuturor celulelor din țesuturi, organe și chiar din organismul întreg. În celulele meristematice R.E. este slab dezvoltat . În celulele secretoare R.E. ocup ă o mare parte din citoplasmă, prezentând și o importantă funcție fiziologică în activitatea celulelor respective. Rețeaua de canalicule, care străbate citoplasma celulei, favorizează schimbul metabolic de substanțe între celule pe de o parte și între componentele celulare pe de altă parte. Prin rețeaua de canalicule a R.E. circulă, în toată masa de citoplasmă, apă, electroliți, compuși organici etc., ceea ce dă R.E. caracter de aparat circulator intracelular. R.E. se formează din membranele nucleului și se găsește în strânsă legătură topografică și funcțională cu toate organitele celulare. 8 Membranele R.E. sunt de tip plasmatic, cu structură moleculară globulară și cu rol deosebit de important în metabolismul celulei. Acestea permit pătrunderea moleculelor, a ionilor, a ATP, în interiorul canaliculelor și ieșirea produșilor metabolici afară din citoplasmă. Membranele R.E. sunt suportul unui mare număr de enzime celulare. Reticulul endoplasmatic neted (agranular ) este format din tubuli ramificați, cu diametrul de 500-1000 Åși este bine dezvoltat în celulele cu funcție de sinteză. Faptul că celulele cu funcție principală în sinteza lipidelor și a sterolilor prezintă un reticul endoplasmatic neted bine dezvoltat a sugerat idea că la nivelul acestuia sunt localizate enzime implicate în sinteza acestor substanțe. Există și dovezi despre localizarea pe R.E. neted a enzimelor care participă la sinteza glicogenului. Funcția fiziologică a reticulului endoplasmatic neted este deci aceea de sinteză a sterolilor, lipidelor și a glicogenului. Reticulul endoplasmatic rugos (granular) este format tot din tubuli ramificați, ca și cel neted, dar se deosebește de acesta prin prezența ribozomilor atașați pe fața externă a tubulilor, din care cauză prezintă un aspect rugos caracteristic. Prezența ribozomilor conferă R.E. rugos nu numai particularități morfologice, ci și anumite funcții fiziologice în viața celulei. Unele componente ale R.E. rugos au fost observate mai înainte de către histologi și au fost numite ergatoplasmă (plasmă lucrativă), ceea ce sugerează participarea acestora la activitatea de sinteză a celulei. Faptul că R.E. rugos este mai dezvoltat în citoplasma celulelor care sintetizează proteine sugerează idea participării sale la sinteza acestor substanțe. Folosirea unor aminoacizi marcați cu izotopi radioactivi în studiul sintezei proteinelor și urmărirea metabolizării lor în organitele celulare, a demonstrat încorporarea aminoacizilor în lanțuri polipetidice la nivelul ribozomilor. Cercetând mai profound modul cum participă R.E. rugos la sinteza proteinelor intracelulare, G. E. Palade arată că la nivelul ribozomilor de pe R.E. rugos se sintetizează ,,proteine de export”. 9Figura nr. 2 – Reticulul endoplasmatic Mitocondrii și plastide. Sunt organite citoplasmatice care prezintă multe asemănări morfologice, funcționale și poate chiar filogenetice. Ambele organite prezintă structură internă membranoasă, mult dezvoltată, care derivă din pătura internă a membranei înconjurătoare. Ambele participă la transformări energetice intense în celulă. Mitocondriile sunt prezente în celulele tuturor eucariotelor. Plastidele sunt prezente numai în celulele plantelor. În celulele procariote nu se găsesc niciodată nici mitocondri nici plastide. Mitocondriile ( condriozomi), gr. mitos -fir, chondros- grăunte sunt organite citoplasmatice aglomerate, de obicei în jurul nucleului sau în acele zone ale citoplasmei unde se desfășoară o activitate metabolică intensă, cu consum mare de energie. Au fost descoperite în celula animală de Fleming în anul 1882, iar în celula vegetală au fost evidențiate de Meves în 1904. Totalitatea condriozomilor dintr-o celulă alcătuiește condriomul celular. Mitocondriile au forma unor grăuncioare sferice sau ușor alungite, cu diametrul de 0,5-1 micron și lungimea de 1-5 microni. Mitocondriile prezintă o organizare internă specifică și o membrană externă dublă, cu grosimea de 220-240 Å (fig. 3). Foi ța externă a membranei este netedă, iar cea internă prezintă pliuri ce se prelungesc spre interior și formează niște pereți despărțitori care compartimentează conținutul mitocondriei, în sens perpendicular pe axa mare a acesteia. Pereții despărțitori, numiți criste mitocondriale , măresc suprafața internă a mitocondriei, fenomen ce înlesnește absorbția unui mare număr de molecule enzimatice. Figura nr. 3 – Structura membranei mitocondriale cu două foițe fosfolipoproteice La protozoare, mitocondriile prezintă o serie de tuburi în locul cristelor mitocondriale. Mai recent s-a constatat transformarea unor criste mitocondriale în saculi. În celulele vegetale predomină saculii (fig. 4). 10 Figura nr. 4 – Tipuri de condriozomi în funcție de structura cristelor interioare (d. Kaussmann, 1963) Pe suprafața cristelor mitocondriale sau pe tubuli, la microscopul electronic se observă numeroase formațiuni granulare numite oxizomi, în care se găsesc citocromii. Numărul cristelor, al saculilor sau al tubulilor în mitocondrii, la diferite tipuri de celule, dau indicații asupra activității respiratorii a mitocondriei, iar aceasta, la rândul său, asupra activității fiziologice a celulei în care se găsește. Numărul mitocondriilor și numărul cristelor sau al tubulilor din mitocondrii poate să fie mai mare în celulele cu activitate fiziologică intensă. O mitocondrie trăiește cel mult 8 zile. În interiorul mitocondriei se găsește plasma mitocondrială sau condrioplasma, alcătuită dintr-o masă de substanță omogenă, numită matrice sau matrix, în care se desfășoară procese fiziologice de importanță majoră pentru viața celulei. Principalii componenți ai mitocondriilor sunt proteinele (35-40%), lipoizii (25-38%), și acizi nucleici (1,6% ARN și urme de ADN). 11 Figura nr. 5 – Secțiune longitudinală prin mitocondrie și așezarea oxizomilor pe criste Atât în interior cât și pe suprafața exterioară a mitocondriilor se găsesc diferite enzime, care au rol deosebit de important în ciclul lui Krebs sau în reacțiile de fosforilare. Se apreciază că 50% din enzimele unei celule sunt localizate în mitocondrii. Dintre acestea mai importante sunt citocromoxidaza, succindehidraza, ATP-aza, fosfataza acidă și fosfataza alcalină, catalaza, ribonucleaza etc. În mitocondrii se găsesc și o serie de factori de oxido-reducere (glutation, vitamina C, flavoproteine, citocromii b și c, precum și acizii grași, ATP, aminoacizi etc.). Rolul fiziologic al mitocondriilor este de importanță fundamentală pentru viața celulei; anumite substanțe organice complexe trec din citoplasmă în interiorul mitocondriilor, unde se degradează sub influența enzimelor respiratorii. Un lanț de reacții oxido-reducătoare transformă glucidele, acidul piruvic, acizii grași, aminoacizii, în combinații chimice mai simple. În hialoplasmă are loc prima fază a procesului de respirație, respectiv glicoliza, care se încheie cu formarea acidului piruvic, în ciclul Krebs, și cu formarea unor metaboliți secundari, degajarea de CO 2, eliminare de apă, precum și cu eliminarea unei importante cantități de energie, folosită ulterior în diferite reacții de sinteză consumatoare de energie. Energia care se eliberează în respirație se acumulează în grupări macroergice fosfatice (ATP) cu ajutorul enzimelor de fosforilare (fig. 6). Prin intermediul reacțiilor de fosforilare oxidativă care se petrec în mitocondrii se asigură regenerarea necontenită a stocului de ATP ca urmare a fosforilării ADP-ului. ATP-ul devine astfel acumulatorul energetic al celulei. La eliberarea energiei în procesul de hidroliză, ATP-ul trece în ADP + H 3PO4 , eliberând simultan 7600 calorii pentru fiecare molecula de ATP. 12 Figura nr. 6 – Adenozinfosfați ca forme de înmagazinare a energiei la nivelul condriozomilor Mitocondriile sunt considerate ,,centrii respiratori ai celulei”, ,,rezervoarele energetice ale celulei vii”, ,,uzine energetice” etc., care realizează producerea, transformarea și stocarea energiei necesare tuturor fenomenelor vitale. 13 Pe suprafața exterioară a mitocondriilor se găsesc o serie de alte enzime, care descompun substanțele din jur, asigurând astfel legătura între procesele biochimice care au loc în interiorul mitocondriilor și cele din exterior, din hialoplasmă. În mitocondrii se petrec și procese de sinteză a substanțelor proteice necesare construcției cristelor mitocondriale. La acest proces un rol important îl au ribozomii liberi din interiorul mitocondriilor. Plastidele (gr.plastos – format) sunt organite celulare prezente numai în celulele vegetale. Ele iau naștere la lumină, prin transformarea proplastidelor. La plantele superioare, proplastidele se găsesc atât în celula – mamă, cât și în celulele meristematice, ceea ce atestă modul lor de formare. Plastidele se formează într-o anumită succesiune, și anume: proplastide → leucoplaste → cloroplaste → cromoplaste. Încă din anul 1883, A. Schimper considera că leucoplastele constituie tipul de plastide din care provin celelalte tipuri (verzi și galbene). Figura nr. 7 – Schema structurii interne a cloroplastelor O plastidă este alcătuită din: a.stromă sau corpul plastidei, plină de substanță fluidă, granulară, numită matrice sau matrix, compartimentată de niște formațiuni lamelare, membranoase, numite tilacoide (de la cuvântul grec thylacoides – în formă de sac); b. formațiuni lenticelare sau discoidale, care formează niște pachete compacte numite grane sau granum (de la latinescul granum – grăuncior); c.membrană dublă , identică cu aceea a mitocondriilor, având o foiță externă netedă și una internă cutată, care dă naștere la criste, prelungite cu tilacoide în lungul axei mari. În funcție de compușii chimici pe care îi conțin sau îi elaborează, plastidele sunt de trei feluri: cloroplaste, cromoplaste și leucoplaste, dintre care cloroplastele sunt colorate, iar leucoplastele incolore. Cloroplastele sunt cele mai mari organite celulare care se găsesc în toate celulele organelor verzi ale plantelor. Sunt prezente numai în celulele vegetale. La plantele superioare se găsesc numeroase cloroplaste, de formă sferică sau lenticilară, cu diametrul mare de 5µ, diametrul mic de 2 µ și grosimea de 0,5 µ. 14Într-o celulă se află în medie 20-100 de cloroplaste, fiind mai numeroase (200) în celulele țesutului palisadic din frunza de porumb. S-a calculat că la 1 mm 2 suprafață foliară de ricin se găsesc aproximativ 400000 cloroplaste. La algele verzi monocelulare, celula conține 1-2 cloroplaste mari, de forme diferite, numite cromatofor (gr. chroma – culoare și phoros – purtător). La plantele superioare cloroplastele nu prezintă constituție omogenă; la periferie conține peristromă (o membrană incoloră), mai densă, iar in interior se distinge o masă hialină, lipsită de structură, numită stromă, matrice sau matrix. Faptul că membrana externă și stroma cloroplastului sunt incolore prezintă semnificație fiziologică deosebită, deoarece permite trecerea luminii până la moleculele de clorofilă, înlesnind astfel procesul de fotosinteză Toate cloroplastele sunt delimitate la exterior de o membrană dublă, asemănătoare membranelor plasmatice și membranei mitocondriale. Dubla membrană, care delimitează cloroplastul, prezintă la exterior o foiță netedă de 75 Å grosime, care separ ă cloroplastul de hialoplasmă, iar spre interior o foiță, tot de 75 Å având o serie de pliuri numite tilacoide, orientate paralel pe axa mare a cloroplastului. Între cele dou ă straturi ale membranei cloroplastului există un spațiu transparent, plin cu lichid incolor. Figura nr. 8 – Orientarea tilacoidelor paralel cu axa mare a cloroplastului Între tilacoidele stromei, la fiecare cloroplast se găsesc numeroase pachete cilindrice cu lamele discoidale numite grane. O grană este alcătuită dintr-un teanc de saculi granari (2-100), de formă discoidală. Fiecare sacul granat este înconjurat de o membrană tristratificată, asemănătoare cu aceea a membranelor biologice. Formațiunile lamelare membranoase care delimitează saculii granelor se numesc tilacoidele granelor. Membrane tilacoidelor granei prezintă pe suprafața externă numeroase formațiuni granulare eliptice, în formă de ciupercă, cu dimensiunea 100/200 Å, numite cuantosomi. Fiecare cuatosom con ține aproximativ 160 molecule de clorofile a, 70 molecule b, 48 molecule pigmenți carotenoizi, 2 atomi de Mg, 12 atomi de Fe și 6 atomi de Cu, care nu fac parte din pigmenții asimilatori și constituie cele mai mici formațiuni fotosintetizante. Fiecare grană este înconjurată de o membrană transparentă de natură lipoproteică. În granele cloroplastelor se petrec toate reacțiile fotochimice din faza de lumină a fotosintezei. Pigmenții asimilatori se găsesc localizați în întregime în grane, iar amidonul 15rezultat din polimerizare din produsul primar al fotosintezei – glucoză – se depune numai în stroma cloroplastului. După particularitățile lor de structură, pigmenții asimilatori din plantele superioare terestre se împart în două grupe: grupa pigmenților clorofilieni și grupa pigmenților carotenoizi; pigmenții clorofilieni joacă un rol deosebit de important în fotosinteză, iar pigmenții carotenoizi însoțesc pigmenții clorofilieni în celulele asimilatoare la toate plantele Pigmenții clorofilieni : clorofila a, prezente în celulele fotosintetizante al tuturor plantelor; clorofila b, care se găsește la plantele superioare și la algele verzi; clorofila c, prezentă la diatomee și alge brune; clorofila d, semnalată la unele alge roșii; clorofila e, caracteristică algelor galben-aurii. Molecula de clorofilă (fig. 10) este formată dintr-un ,,cap” hidrofil (nucleul tetrapirolic) și o ,,coadă” hidrofobă sau lipofilă (fitolul). În centrul celor patru nuclei pirolici se găsește un atom de Mg. Figura nr. 9 – Structura schematică a moleculei de clorofilă În funcție de această arhitectonică, molecula de clorofilă se orientează pe lamelele granelor cu nucleul tetrapirolic spre proteine și cu radicalul fitolic spre fosfolipide, de care se leagă prin legături de tip Van der Waals. La clorofilele a și b, grupa fitolică este legată de cel de-al IV-lea nucleu pirolic. 16Structura moleculelor de clorofilă și însușirile lor diferă după natura grupărilor care se atașează nucleului tetrapirolic. Clorofila b diferă de clorofila a prin faptul că nucleul pirolic H posedă o grupare aldehidică în locul grupării metilice (- C-CH 3). Figura nr. 10 – Plastide în celula vegetală Deși celelalte clorofile diferă puțin de clorofila a, aceste deosebiri sunt suficiente pentru a da însușiri specifice fiecăreia. În ceea ce privește compoziția chimică, cloroplastele conțin în afară de 4-8% clorofilă și numeroase alte substanțe organice și minerale. Dintre acestea, cele mai importante sunt: proteinele insolubile (39-54%), lipidele (25-47%), pigmenții carotenoizi (2-3%), ARN plastidial existent în stromă (1-2%), urme de ARN pe grane, glucide solubile, grăunciori de amidon, ADP, ATP, NADP, feredoxină, nucleotide, coenzime acceptoare de H, citocromi, vitamine, numeroase enzime (esteraze, fosfataze, carbohidraze) care participă la fotosinteză în procesul de captare și transformarea energiei luminoase. La plantele superioare, cloroplastele se formează din plastide și urmează căi diferite, dependentede regimul de lumină Funcția principală a cloroplastelor o constituie fotosinteza, proces la care participă câteva enzime specifice care lipsesc din mitocondrii sau alte organite celulare, dar sunt prezente în cloroplaste. În prezența clorofilei și în condiții de lumină, cloroplastele absorb energia luminoasă și o transformă, prin sisteme catalitice, în energie chimică potențială de tipul glucidelor. Un rol oarecare în fotosinteză joacă și carotenoizii care transmit clorofilei o parte din energia luminoasă pe care o absorb și, în plus, protejează clorofila de fotooxidare. În cursul fotosintezei pigmenții clorofilieni nu se consumă, ci intervin numai printr-o acțiune catalitică. Cromoplastele sunt plastide fără rol activ în asimilație. Au aceeași organizare ca și cloroplastele. Sunt colorate în galben, portocaliu sau roșu, datorită prezenței unor pigmenți din grupa carotenoizilor. Cei mai frecvenți carotenoizi sunt alfa-carotenul și beta-carotenul (C 40H56), de culoare portocalie, existenți în rădăcinile de morcovi, 17licopenul, un izomer al carotenului de culoare roșie, existent în fructele de tomate și ardei, precum și diferite forme de carotenoizi oxidați, de culoare galbenă, cum sunt: criptoxantina, xantofila, luteina, crizantemoxantina, violoxantina. Din combinarea acestor pigmenți carotenoizi, în stare redusă sau oxidată, rezultă culorile din petalele florile (crizanteme, lalea, crin, viorele etc.), din fructe (măceș, ardei, tomate, pepene, portocal etc.), din frunze (varza roșie, loboda) și din rădăcini și bulbi (sfeclă roșie, ceapa roșie). Cromoplastele conțin lipide (50%), proteine (20%), precum și acid ribonucleic etc. Rolul carotenoizilor în petalele florilor și în fructe ar fi acela de a atrage păsările și insectele, iar prin intermediul acestora ar participa indirect la răspândirea speciilor. În frunzele verzi carotenoizii sunt mascați de culoarea verde a clorofilei și de aceea nu se pot vedea decât toamna, când se reduce cantitatea de clorofilă. Leucoplastele sunt plastide incolore, prezente în celulele țesuturilor embrionare din vârful rădăcinilor și al tulpinilor, în petalele albe ale florilor, în albumenul semințelor, în bulbi, rizomi, tuberculi. În funcție de substanța de rezervă care se acumulează în stromă, leucoplastele poartă denumiri diferite, și anume: amiloplaste (cu grăuncior de amidon) prezente în tuberculi și rizomi, proteoplaste (cu proteine), oleoplaste (cu lipide) existente în celulele endospermului semințelor de de ricin, floarea soarelui etc. La întuneric, leucoplastele acumulează anumite substanțe ergastice, care la lumină pot fi folosite la construcția granelor și în felul acesta leucoplastele se transformă în cloroplaste sau cromoplaste. Ribozomii. Sunt particule ultrastructurale, citoplasmatice, de natură ribo-nucleoproteică, cu dimensiuni cuprinse între 80 și 300 Å, prezente în toate tipurile de celule. Au fost descoperite de G.E. Palade (1953) în omogenate de celule hepatice și în ultrasecțiuni celulare și din această cauză se numesc granulele lui Palade. La plante, ribozomii au fost puși în evidență de către E. Robinson și R. Brown (1953) în celulele rădăcinii de bob. Ribozomii celulelor procariote au dimensiuni mai mici decât la eucariote. Ribozomii nu prezinta membrana la periferie și sunt alcătuiți din 2 subunități (una mică si una mare). În timpul procesului de sinteză ribozomii acționează ca punct de legatură între toate moleculele implicate, precis poziționate unele față de celelalte. Diametrul ribozomilor este de aproximativ 20nm. În hialoplasma celulelor vegetale, ribozomii se găsesc în formă liberă sau atașați peretelui exterior al canaliculelor reticulului endoplasmatic rugos (ergatoplasma). Ribozomii se găsesc atașați și pe suprafața externă a membranei nucleare. În stare liberă se găsesc și în interiorul cloroplastelor și al mitocondriilor. În celulele meristematice, ribozomii sunt liberi în citoplasmă, reticulul endoplasmatic la aceste celule fiind puțin dezvoltat. În privința compoziției chimice, ribozomii sunt de natură nucleoproteică, fiind alcătuiți din molecule de ARN asociate cu molecule de proteine bazice, în părți egale, la care se adaugă ioni de Ca ++ și Mg ++ legați de ARN ribozomal. Proteinele ribozomale sunt de tipul histonelor și conțin mari cantități de arginină, lizină, acid asparagic, acid gluatamic și cantități mai mici de metionină, serină și alanină. În interiorul ribozomului predomină ARN, iar proteinele se găsesc într-un strat monomolecular la suprafață. În 18ribozomi mai există ribonuclează în stare legată, precum și esteraze, fosfataze etc., enzime implicate în fotosinteză și în proteosinteză. Funcția principală a ribozomilor este sinteza proteinelor, fenomen care se desfășoară mai intens la nivelul reticulului endoplasmatic rugos. Asamblarea aminoacizilor în lanțuri polipeptidice se realizează la nivelul ribozomilor, de unde trec în lumenul reticulului endoplasmatic rugos, prin care circulă și migrează în hialoplasmă. Ribozomii izolați sunt inactivi în procesul de proteosinteză. Procesul de sinteză a proteinelor este declanșat prin acțiunea acizilor nucleici, cu ajutorul ATP-ului care determină unirea aminoacizilor în lanțuri polipeptidice (fig.12). aminoacizii sunt transportați din diferite părți ale citoplasmei de către moleculele de ARN-transportor. Ordinea de aranjare a aminoacizilor în molecula proteică este determinată de ARN-mesager, care vine din nucleu în citoplasmă ducând informații genetice specifice transmise de ADN-nuclear. ARN-mesager este fixat pe ribozomi după un anumit ,,cod” și joacă rol de tipar, pe care se asamblează aminoacizii într-o anumită ordine. Activitatea ribozomilor este controlată direct de nucleu, prin intermediul acizilor nucleici (ADN și ARN). După asamblarea aminoacizilor în lanțuri polipeptidice, ARN-transportor este pus în libertate și asigură reluarea procesului de proteosinteză cu alți aminoacizi veniți din hialoplasmă. Figura nr. 11 – Aportul ribozomilor din ergatoplasmă în sinteza proteinelor Dictiozomii. Sunt organite citoplasmatice care constituie elemente de structură ale aparatului Golgi, observat în anul 1898 de Camilo Golgi în celulele animale și de A. Guillermond, în 1935, în celulele vegetale. Denumirea de dictiozom vine de la grecescul dictyon – rețea. Dictiozomii se disting ușor în celulele tinere ale meristemului apical, în celulele în curs de diferențiere și în celulele puternic vacuolizate din parenchimul medular. Unitatea morfologică și de structură a aparatului Golgi este deci dictiozomul, o formațiune lamelară, alcătuită din 2-10 saculi sau cisterne cu aspect de discuri suprapuse, aproximativ circulare, concrescute la centru. La periferie discurile lamelare ale dictiozomului sunt libere, ușor umflate și puțin curbate. Un dictiozom seamănă cu un teanc de farfurii concrescute la centru, cu marginile libere și ușor îngroșate. Un sacul sau cisternă care intră în alcătuirea unui dictiozom este o formațiune lamelară turtită, membranoasă, aproximativ circulară, cu suprafețele exterioare netede, mărginită de o membrană dublă, de aproximativ 75-80 Å. 19Dubla membran ă care înconjoară cisternele dictiozomului este o membrană elementară, alcătuită din două foițe, fiecare având la interior straturi de molecule bipolare de lecitină, așezate cu polii hidrofobi față în față, iar spre exterior câte un strat de proteine hidratate. În interiorul dictiozomilor se găsesc proteine, fosfolipide, pectine, rășini și foarte puține enzime (fosfataze). Figura nr.12 – Tipuri de dictiozomi cu sacule suprapuse și vezicule periferice (d. Kaussmann, 1963) Importante studii cu privire la ontogenia aparatului Golgi (fig. 14) a efectuat elvețianul A. Frey-Wyssling, care consideră că formarea dictiozomului începe cu apariția unor membrane duble, concentrice, ce se deschid încet și iau forma unor cisterne cu membrană dublă. Lucrând cu celule vegetale H. H. Mollenhauer și W. G. Whaley au observat că dictiozomul prezintă două fețe sau capete, una formatoare sau imatură, unde se formează cisterne noi și alta matură, care conține cisterne ajunse la maturitate. 20Figura nr. 13 – Formarea dictiozomilor prin bipartiția (b) celor existenți (a) Din cisternele mature se desprind mereu vezicule secretorii, care migrează în citoplasmă și își varsă conținutul în membrana pectocelulozică a celulei. Autorii au observat și modul în care veziculele desprinse din saculele dictiozomului se aliniază și confluează, pentru a da naștere membranei primare, pectocelulozice care separă cele două celule-fiice. Aceste vezicule conțin material de constituție al membranei celulare (pectine și hemiceluloză). Dictiozomii joacă rol important și în activitatea secretoare a celulei, fiind considerați rezervoare ale produșilor nefolositori rezultați din activitatea catabolică (deșeuri metabolice-uleiuri volatile, mucilagii, flavonoide). Lizozomii. Sunt formațiuni citoplasmatice veziculare, de formă aproximativ sferică, având dimensiuni ceva mai mici decât mitocondriile și mai mari decât ribozomii. La exterior sunt delimitați de o membrană lipoproteică simplă. Această membrană învelește o stromă densă, în care se găsesc aproximativ 12 tipuri de enzime hidrolizante, ca: fosfataze, esteraze, nucleaze, proteaze, ADN-aze, sulfataze etc. Aceste mici sfere pline cu enzime au fost numite lizozomi de către Cristian de Duve (1959) care le-a descoperit și pentru care a fost distins cu premiul Nobel în 1974. Denumirea de lizozomi vine de la grecescul lysis – topire și soma – corp. Funcția fundamentală a lizozomilor este descompunerea substanțelor de rezervă cu moleculă mare (poliglucide, proteide, lipide, lipoide) din celulă. Acest lucru se realizează prin dezorganizarea membranei lizozomilor și trecerea enzimelor hidrolizante în hialoplasmă, unde produc descompunerea substanțelor complexe și trecerea lor în substanțe cu moleculă mai simplă, care pot fi utilizate în nutriția intracelulară. În felul acesta, în procesul germinării semințelor, embrionul crește pe seama substanțelor de rezervă din celulele endospermului sau a cotiledoanelor, hidrolizate de către enzimele din lizozomi. 21 Figura nr. 14 – Activitatea lizozomilor Degradarea hidrolitică a substanțelor complexe din celulă duce uneori la lezarea integrității celulei. Acest lucru se petrece în condiții de inaniție sau la moartea celulei, când membrana lizozomilor se dezagregă ușor, iar enzimele lizozomului trec cu ușurință în hialoplasmă unde provoacă necrozarea materiei vii și autoliza totală a hialoplasmei. În mod obișnuit, lizozomii se adună în jurul mitocondriilor din celulă, iar produșii de hidroliză rezultați sunt folosiți de către mitocondrii în procesul de respirație. 2.1.1.3. Membranele plasmatice Citoplasma celulelor vegetale este delimitată la periferie de către o membrană celulară numită plasmalemă, iar spre vacuole o altă membrană, mai puțin permeabilă, numită tonoplast. Întrucât ambele membrane fac corp comun cu citoplasma celulei și nu pot fi detașate, așa cum se poate detașa membrana pectocelulozică, poartă denumirea de membrane plasmatice. Plasmalema. Este o peliculă extrem de subțire, nedetașabilă, diferențiată din citoplasmă la periferia acesteia, aderentă la peretele pectocelulozic al celulei. Această peliculă, mai densă decât restul citoplasmei, posedă însușiri de membrană relativ semipermeabilă-selectivă. Ea reprezintă o ,,barieră” care permite pătrunderea unor substanțe în celule și oprește pătrunderea altora, permițând în același timp ieșirea afară din celulă a diferitelor substanțe sau a unor produși de catabolism. Prin aceste însușiri ale sale plasmalema participă la activitatea vitală a celulei pe care o influențează. Plasmalema poate fi pusă în evidență în mod indirect prin fenomenul de plasmoliză-deplasmoliză. 22Modul cum se formează plasmalema este prin aglomerarea lipidelor la suprafața citoplasmei, în mod asemănător cu ridicarea grăsimii la suprafața apei într-un pahar. Așa se explică faptul că periferia citoplasmei este mai bogată în lipoide și prezintă un strat mai dens decât mezoplasma. În același timp, prezența lipidelor la periferia citoplasmei, micșorează tensiunea superficială a acesteia. În ultrastructura plasmalemei există molecule de ATP care asigură energia necesară funcțiilor de permeabilitate și selectivitate a acestei membrane. La microscopul electronic, plasmalema apare ca o mebrană dublă, formată din două foițe dense și omogene, de 75-90 Å. Figura nr. 15 – Structura molecular ă a membranei plasmatice (d. Nougaréde, 1969) Fiecare din cele două foițe este constituită din două straturi de molecule proteice, dispuse paralel, care la microscopul electronic apar întunecate (dense, netransparente). Între acestea se află două straturi de molecule fosfolipidice, care la microscop apar mai transparente (mai luminoase). Moleculele de fosfolipide sunt bipolare și se aliniază paralel între ele și perpendicular pe suprafața membranei; grupările hidrofile sunt asociate cu straturile proteice, iar grupările hidrofobe sunt așezate față în față spre interior. Figura nr. 16 – Ultrastructura membranei plasmatice 23Compoziția chimică a plasmalemei este alcătuită din circa 2/3 lipide (steride, lecitine), circa 1/3 proteine și cantități infime de poliglucide și enzime, care facilitează transportul activ al substanțelor prin membrane și reglează ordinea de desfășurare a reacțiilor biochimice din plasmalemă. Lipidele conferă membranelor o permeabilitate redusă pentru ioni și o permeabilitate mare pentru substanțele solubile în grăsimi. Modul de aranjare a moleculelor proteice în lamelele externe imprimă plasmalemei o anumită rezistență mecanică și elasticitate. Elasticitatea este dovedită de prezența firelor de citoplasmă (plasmodesme) întinse între conținutul contractat al unei celule plasmolizate și membrana pectocelulozică. Plasmalema prezintă din loc în loc pori fini, corespunzători terminațiilor reticulului endoplasmatic. Cercetările au stabilit că plasmalema joacă un rol important în reglarea schimburilor osmotice dintre celulă și mediul extracelular. Plasmodesmele sunt fire de citoplasmă și plasmalemă care leagă conținutul viu al celulelor învecinate, făcând din întregul organism pluricelular o singură unitate plasmatică și funcțională. În plasmodesme există niște canalicule care fac legătura cu reticulul endoplasmatic și asigură conducerea excitațiilor și circulația soluțiilor încărcate cu săruri, ioni liberi, gaze dizolvate etc. După moarte celulei, plasmalema își pierde semipermeabilitatea, ceea ce înseamnă că baza sa moleculară este întreținută prin consum de energie de tip ATP. Tonoplastul. Este o peliculă membranoasă ca și plasmalema, care delimitează citoplasma spre vacuole. Are o structură submicroscopică mai consistentă decât plasmalema, fiind alcătuită dintr-un număr dublu de straturi fosfolipoproteice, ceea ce îi conferă un caracter mai pronunțat de semipermeabilitate și un schimb selectiv de substanțe mai strict decât plasmalema. Existența tonoplastului a fost pusă în evidență prin experiențe cu izotopi radioactivi care demonstrează acumularea temporară a unor substanțe în citoplasmă înainte de a trece în sucul vacuolar. Deci, în jurul vacuolei se găsește o membrană greu de străbătut. Elasticitatea tonoplastului atestă faptul că în structura sa chimică se găsesc proteine, iar dezintegrarea sa în solvenții lipidelor dovedește prezența lipoizilor. Tonoplastul are deci aceeași compoziție chimică ca și plasmalema. Ambele membrane plasmatice sunt alcătuite din substanțe identice cu cele existente în masa de citoplasmă și de aceea se pot reface ușor în caz de rănire. Cât privește gradul de permeabilitate, s-a constatat o oarecare diferență între cele două membrane. Plasmalema este mai ușor traversată de moleculele de zaharoză, pe când tonoplastul este mai puțin permeabil. Această diferență de permeabilitate favorizează migrarea glucidelor elaborate în fotosinteză, în afara celulelor, evitându-se astfel acumularea lor excesivă în vacuole. 2.1.2. Nucleul Este un corpuscul mai dens decât citoplasma, de formă sferică sau ovală, discoidală, bastonaș etc. Denumirea de nucleu vine de la latinescul nucleus – sâmbure. Nucleul este alcătuit dintr-un sistem coloidal complex, cu vâscozitate variabilă, ce trece de la starea de sol la cea de gel, cu indice de refracție mare, ceea ce asigură 24observarea sa la orice microscop. Mărimea nucleului este, în general sub 0,5mµ diametru. La exterior nucleul este delimitat de o membrană nucleară dublă, similară membranelor mitocondriilor sau plastidelor. Membrana nucleară este formată din două foițe lipo-proteice, separate de un spațiu clar, transparent, cu grosimea de 200-300 Å. În anumite puncte cele dou ă foițe se unesc formând porii (40-80 pori/µ 2). În interiorul nucleului se găsește plasma nucleară (carioplasma), care este o masă fluidă, coloidală, asemănătoare citoplasmei, dar cu un conținut bogat în nucleoproteide. În carioplasmă se găsesc unul sau mai mulți nucleoli, filamente de cromatină, ioni minerali (Ca ++, K+), picături de lipide, enzime cu acțiune sintetică și hidrolitică (arginază, peptidază, esterază, lipază, fosfatază alcalină, ribonuclează etc.). Figura nr. 17 – Ultrastructura nucleului Nucleolii din interiorul nucleului sunt foarte refringenți și au un conținut ridicat de acizi ribonucleici (ARN), care dau acestora o mare activitate și labilitate în sinteza proteinelor. Cromatina este o substanță de tipul nucleoproteidelor, alcătuită din proteine bazice (histone) combinate cu acizi nucleici (ADN, ARN) (fig. 19). 25 Figura nr. 18 – Structura dublu helicoidală a acidului dezoxiribonucleic din nucleul celular Când celula intră în diviziune, cromatina se concentrază și se transformă în cromozomi, cu un număr caracteristic fiecărei specii, reprezentat prin simbolul 2n (diploid). Funcția specială a cromozomilor este aceea de depozitare a informației genetice în ADN, de purtători ai genelor, care asigură transmiterea caracterelor ereditare de la genitori la descendenți sau de la celula-mamă la celulele-fiice. În timpul diviziunii celulare informația genetică din ADN este preluată de ARN-nuclear, caracterizat printr-o mare mobilitate și activitate metabolică. Sub acțiunea unor enzime speciale, ARN iese din nucleu, prin porii membranei nucleare, și circulă în citoplasmă sub formă de ARN-mesager (ARN m). Aici se fixează pe pereții ribozomilor, unde duce tiparul sau mesajul genetic transmis de ADN din nucleu. Pe acest tipar are loc cuplarea aminoacizilor în lanț polipeptidic, corespunzător succesiunii nucleotidelor din ARN- mesager În toate manifestările vitale ale celulei nucleul are rol fiziologic primordial, fiind cea mai importantă formațiune subcelulară, în strânsă interrelație cu citoplasma. El participă nu numai la transmiterea caracterelor ereditare, ci și la alte procese, cum ar fi: ·reglarea formării moleculelor enzimatice; ·dirijarea proceselor de sinteză a proteinelor; ·formarea membranei celulozice; ·asigurarea valorii tampon a protoplasmei împotriva modificării pH; · participarea sa la procesele de diferențiere celulară, regenerare și cicatrizare a rănilor etc. 262.1.3. Vacuole Vacuolele sunt constituienți ai celulelor pline cu suc vacuolar. Forma și mărimea vacuolelor diferă, funcție de vârsta celulei; în celulele tinere din țesuturile meristematice, vacuolele sunt foarte mici și au forme globulare. Pe măsură ce se maturizeză celula, vacuolele mici se umplu cu apă și se măresc, confluează unele cu altele, numărul lor scade treptat, iar în final rămâne o singură vacuolă mare, care ocupă partea centrală a celulei, în timp ce protoplasma vie este împinsă la exterior spre membrana celulozică. Acest proces se petrece în sens invers în timpul maturării semințelor, când se pleacă de la o vacuolă mare cu suc vacuolar fluid și se ajunge la multe vacuole mici cu suc dens, care se gelifică treptat și devin grăunciori de aleuronă. Acestea reprezintă rezervele protidice din celulele în stare de viață latentă, care sunt consumate de embrion în timpul germinaței seminței. Vacuola este delimitată la exterior de tonoplast, care permite trecerea apei și a substanțelor cu moleculă mică și oprește substanțele organice cu moleculă mare (flavone, antociani, taninuri, alcaloizi) Vacuola reprezintă rezervorul de apă a celulei. În vacuolă se găsesc diferite săruri minerale și molecule organice. Substanțele minerale sunt dizolvate sub formă de molecule sau disociate în ioni, iar substanțele organice de o mare diversitate, se pot afla atât dizolvate, cât și sub formă coloidală. Printre acestea amintim: acizi organici (malic, citric, tartric, oxalic), glucide (glucoza, fructoza, zaharoza, inulina, gume, mucilagii), uleiuri eterice, alcaloizi, glicosizi, taninuri etc. Toate aceste substanțe dau sucului vacuolar un pH acid, care diferă de acela al citoplasmei, în general neutru sau ușor alcalin. Rolul fiziologic al vacuolelor constă în participarea sucului vacuolar la diferite funcții esențiale din viața celulei: hidratarea celulei pe principii osmotice, aprovizionarea cu elemente minerale, reținerea substanțelor toxice. 2.1.4. Membrana celulozică (peretele celular) Este un constituient propriu numai celulelor vegetale. Membrana celulozică este un produs metabolic al protoplasmei și alcătuiește un schelet pericelular relativ rigid, care împiedică exteriorizarea mișcărilor plasmatice. Membrana celulozică se formează după ultima fază a diviziunii nucleului, atunci când apare placa ecuatorială. Între cele două celule-fiice se formează mai întâi lamela mediană a membranei, alcătuită din vezicule provenite de la dictiozomi. Peste lamela mediană se depun straturi succesive de celuloză, care vor alcătui membrana primară, se formează membrana secundară. La fibrele lemnoase de conifere se formează și o membrană terțiară, foarte rezistentă, lipsită de celuloză, dar care conține pectină și xilan. Lamela mediană poate fi dizolvată pe cale naturală sub acțiunea unor enzime, iar pe cale artificială prin fierbere în apă, acizi sau alcalii. Unitățile de bază care intră în alcătuirea acesteia sunt constituite din macromolecule de celuloză, grupate în micele, microfibrile, macrofibrile și fibre. Calitatea fibrelor vegetale legată de elasticitate, extensibilitate, rezistență la rupere etc. depinde de numărul straturilor celulozice și de modul de aranjare a fibrelor în aceste straturi. În membranele primare microfibrilele sunt dispuse încrucișat, formând o țesătură laxă. În membranele secundare, microfibrilele sunt orientate paralel, formând 27diferite tipuri de structuri, cum ar fi: structura fibrilară (la fibrele de in, cânepă, urzică), structură inelară (în trahei și traheide inelate), structură spiralată (în fibrele lemnoase și în traheidele coniferelor). În spațiile intermicelare pătrund numai molecule de apă și substanțe dizolvate în apă. În spațiile interfibrilare pătrund atât substanțe hidrofile (pectină, lignină, hemiceluloză), cât și substanțe hidrofobe (cutină, suberină, ceruri). În funcție de raportul dintre aceste substanțe apar deosebiri esențiale în structura submicroscopică și proprietățile funcționale ale diferitelor tipuri de membrane. Membrana celulară crește concomitent cu creșterea celulei, atât în suprafață cât și în grosime, modificându-se treptat elasticitatea și plasticitatea. Creșterea în suprafață a membranei celulare se face prin intususcepțiune, adică prin intercalarea de noi microfibrile de celuloză printre cele vechi. Acest mod se întâlnește numai la membranele primare, în etapa creșterii embrionare. În acest proces, un rol important îl au unii fitohormoni din grupa auxinelor, mai concentrați în zonele de creștere, unde măresc plasticitatea membranelor celulozice. Creșterea în grosime a membranelor primare și secundare se face prin apoziție interioară, adică prin depunere centripetă în straturile de celuloză a unor noi micele, microfibrile și macrofibrile secretate de protoplasmă. La îngroșarea membranei prin apoziție rămân unele porțiuni neîngroșate (pori), prin care trec plasmodesmele de la o celulă la alta. Când membrana s-a îngroșat până la limita de elasticitate, încetează atât creșterea membranei cât și a celulei. Analiza chimică a membranelor celulare arată 34-46% celuloză, 33-42% hemiceluloze, 8-20% lignină, apoi polizaharide necelulozice, substanțe pectice (acid pectic, pectină, pectoză), proteine, gliceride și ceruri (suberină, cutină) și unele elemente minerale. Membrana celulară îndeplinește o serie de funcții împortante în viața celulei, și anume: ·funcție de apărare a protoplasmei; ·rol de susținere mecanică a celulelor și țesuturilor; ·permite trecerea plasmodesmelor de la o celulă la alta etc. 2.2. Proprietățile fizice ale materiei celulare vii Ca sediu al manifestărilor vitale, materia vie din celulă prezintă unele proprietăți fizice cum sunt: Stările de agregare. Celula vegetală este alcătuită din trei feluri de particule: micromoleculare, coloidale și grosiere. Particulele micromoleculare sunt formate din molecule mici (sub 10 Å) sau ioni, rezulta ți din disocierea substanțelor electrolitice. Ele alcătuiesc soluții moleculare omogene, precum și soluții ionice care difuzează ușor prin membrane permeabile (membrana celulozică) și se comportă osmotic activ față de membranele semipermeabile (plasmalema, tonoplastul). Particulele coloidale au dimensiuni cuprinse între 10 și 100 Å, greutatea molecular ă fiind de peste 10 000. Aceste particule alcătuiesc soluții coloidale, heterogene din punct de vedere optic, nu dializează, sunt inactiv osmotic, sunt încărcate electric, pot 28avea stare de sol (nestructurat) sau de gel (structurat) și prezintă la suprafața lor diferite reacții fizico-chimice. Particulele grosiere sunt constituienți celulari mari, care nu trec prin nici un fel de membrane (diametrul peste 1000 Å). Sistemul coloidal. Baza ultrastructural ă a materie protoplasmatice vii este reprezentată de un sistem coloidal polifazic, complex și heterogen, în care predomină proteinele moleculare. Coloizii din protoplasmă dau cu apa un hidrosol coloidal fluid, transparent, în care apa formează faza continuă, iar coloizii faza dispersă. Între cele două faze ale sistemului coloidal se creează anumite raporturi, care imprimă materiei vii o stabilitate relativă. Starea de hidrosol este caracteristică celulelor cu activitate fiziologică redusă. Când celulele trec la o activitate fiziologică mai redusă, protoplasma devine un hidrogel coloidal, ca urmare a pierderii apei. Trecerea materiei vii de la starea de hidrosol la cea de hidrogel se numește gelificare. Dacă în materia vie se acumulează o cantitate prea mare de ioni minerali, cazul fertilizării excesive, particulele coloidale pierd învelișul apos, se contopesc mai multe la un loc și precipită, într-un proces reversibil. Dacă micelele pierd și apa de hidratare, atunci coagulează ireversibil. Vâscozitatea. În cazul celulelor vii, vâscozitatea protoplasmei nu este nici omogenă și nici în stare de repaus. Ea este alcătuită din zone de consistență diferită, în care se desfășoară curenți citoplasmatici. Vâscozitatea citoplasmei este de aproximativ 18 ori (în medie) mai ridicată decât a apei, cu o consistență asemănătoare uleiului de ricin. Consistența citoplasmei vii nu este constantă; ea trece de la starea de sol la cea de gel și invers. Vâscozitatea protoplasmei este mult mai mare la celulele bătrâne decât la cele tinere sau în stare de activitate metobolică intensă. La temperatură foarte scăzută (iarna), vâscozitatea protoplasmei crește foarte mult, mergând până la consistența solidă. La temperatura de +30 0C vâscozitatea revine la normal. Temperatura de +50 0C este letală și determină coagularea protoplasmei. Lumina puternică mărește vâscozitatea protoplasmei, iar lumina slabă o reduce. Cât privește relația dintre vâscozitate și pH s-a constatat că protoplasma prezintă vâscozitate minimă la punctul izoelectric și crește atât în mediu acid, cât și în cel alcalin. Eterul, alcoolul, cloroformul, CO 2, unele acțiuni mecanice (șocuri, înțepături) și anumite săruri (Ca), în concentrații mari provoacă coagularea protoplasmei. Vâscozitatea protoplasmei crește foarte mult în prezența cationului bivalent de Ca ++ , în timp ce cationul monovalent de K + sporește fluiditatea protoplasmei. S-a dovedit experimental că ionii de Ca ++ prelungesc timpul de plasmoliză, în timp ce ionii monovalenți (K +) îl scurtează. Modificarea vâscozității protoplasmei influențează viteza de desfășurare a proceselor metabolice. Elasticitatea și plasticitatea. Protoplasma celulelor vii poate fi întinsă în fire subțiri, care revin la poziția inițială (întindere elastică) sau nu mai revin (întindere plastică). Nucleul unei celule poate fi deplasat de la locul său cu ajutorul unui ac microscopic. Dacă scoatem acul, nucleul revine la locul inițial, ceea ce constituie dovada cea mai sigură a elasticității protoplasmei. 29 Supusă unei compresii nu prea mari, pe o durată mai lungă de timp, protoplasma celulei se deformează (plasticitate) fără să-și mai revină după încetarea presiunii. Elasticitatea și plasticitatea, constatate prin întindere și compresie, sunt dovezi ale unei structuri submicroscopice certe a protoplasmei. Nemiscibilitatea citoplasmei cu apa. Datorită faptului că în protoplasma celulelor se găsesc o serie de substanțe organice macromoleculare, de constituție, cu structură submicroscopică și datorită faptului că prezintă tensiune superficială, protoplasma scoasă din celulă și pusă într-o picătură de apă nu se amestecă cu apa, ci ia forma globuloasă pe care o păstrează. Structura submicroscopică a citoplasmei. Existența unei structuri submicroscopice a citoplasmei celulare, respectiv a unei configurații spațiale, este atestată de însușirea de elasticitate, iar teoria punctelor de contact explică această însușire. Cea mai importantă deosebire între structura fină, submicroscopică, a citoplasmei și aceea a unui coloid proteic lipsit de viață constă în faptul că macromoleculele proteice, răspândite în apă ca mediu de dispersie, se unesc prin puncte de contact (legături de hidrogen) alcătuind o rețea spațială de mari dimensiuni. Sub influența curenților de apă, aceste edificii macromoleculare se înconvoaie în toate sensurile în jurul punctelor de contact, iar dacă sunt supuse compresiei se încâlcesc și nu-și mai revin. Această rețea de macromolecule proteice și mișcările sale stau la baza fenomenului de elasticitate și compresibilitate a citoplasmei. Punctele de contact dintre macromolecule sunt labile. Când aceste contacte se desfac citoplasma se lichefiază (stare de sol), iar când contactele dintre molecule se refac citoplasma se gelifică (stare de gel). Teoria punctelor de contact explică existența unei structuri submicroscopice fine de cel mai înalt ordin, care se menține printr-un aport continuu de energie metabolocă ,, de întreținere”. Configurația spațială. Funcție de particularitățile genetice ale organismului se constată că există o anumită aranjare spațială a moleculelor și a sistemelor coloidale macromoleculare. S-a demonstrat că între configurația spațială a unei proteine și activitatea sa biologică există o legătură strânsă; funcția de enzimă, hormon, toxină etc. se datorește, în mare măsură, reliefului stereochimic al moleculei proteice, îndeosebi a centrilor activi din aceste molecule. În mod similar se prezintă rolul configurației externe asupra structurii spațiale complexe a acizilor nucleici și asupra funcțiilor îndeplinite în celulă. 2.3. Proprietățile fiziologice ale materiei vii Materia vie este alcătuită din aceleași elemente chimice ca și materia moartă. Cu toate acestea, materia vie ca formă de existență a materiei superior organizate are unele proprietăți specifice, care o deosebesc fundamental atât de materia nevie cât și de materia moartă. Substratul material în care se desfășoară fenomenele vieții la nivel celular este protoplasma. În protoplasmă sunt localizate toate fenomenele vitale, și anume: metabolismul, creșterea, dezvoltarea, adaptarea etc. Metabolismul. Este proprietatea fundamentală a materiei vii. El reprezintă totalitatea schimburilor de substanțe și energie dintre materia vie și mediul ambiant, 30inclusiv lanțul transformărilor biochimice intermediare care se produc în materia vie celulară. Aceasta este funcția esențială a vieții. Odată cu încetarea metabolismului încetează și viața. Metabolismul cuprinde două laturi ale aceluiași proces, care acționează contradictoriu, dar se completează reciproc. Aceste laturi sunt: anabolismul sau asimilația și catabolismul sau dezasimilația, care decurg simultan în celulă. În asimilație se formează substanțe organice din substanțe anorganice, iar în dezasimilație, o parte din substanțele organice sunt degradate până la produși de echilibru chimic, fenomen care se încheie cu eliberare de energie. Dacă în cursul vegetației plantelor, raportul dintre asimilație și dezasimilație se modifică în favoarea asimilației, creșterea plantei în grosime și volum este asigurată. Acest fenomen stă la baza formării recoltelor agricole. Dacă dimpotrivă, modificarea se face în favoare dezasimilației, materialul organic acumulat în asimilație se consumă uneori în întregime. În primele faze de vegetație, când plantele cresc, predomină anabolismul, plantele sintetizează și acumulează intens substanță organică. După încetarea creșterii plantelor și după ce plantele ajung la maturitate fiziologică, cele două laturi ale metabolismului se echilibrează. Spre sfârșitul perioadei de vegetație începe declinul fiziologic al plantei, ceea ce înseamnă preponderența catabolismului. Încetarea reacțiilor biochimice caracteristice uneia sau alteia din cele două laturi ale procesului de metabolism duce inevitabil la moartea celulei. Procesul de metabolism este influențat de o serie de factori interni și externi. Printre factori interni se numără activitatea enzimatică, prezența vitaminelor și a hormonilor etc., iar printre factorii externi temperatura, lumina, CO 2, apa , oxigenul, sărurile minerale etc. Creșterea. Este un fenomen fiziologic caracterizat prin sporirea greutății și volumului plantei. La baza acestui fenomen se află procesul de înmulțire a celulelor și de creștere a acestora prin extensie. Înmulțirea celulelor constituie rezultatul diviziunii celulare, iar acest proces este precedat de sporirea masei de citoplasmă. Creșterea conținutului protoplasmatic are la bază reacții de sinteză a substanțelor proteice. Creșterea este deci un fenomen complex, în care predomină asimilația sau anabolismul. Dezvoltarea. Constituie o însușire a materiei vii caracterizată prin transformări calitative intracelulare, fiziologice și biochimice, în procesul evoluției de la celula – ou la maturitate. La sfârșitul lanțului de transformări calitative se produce saltul stadial ontogenetic, respectiv apar organele de reproducere. Dezvoltarea se desfășoară paralel cu creșterea, în faze de creștere și stadii de dezvoltare. Adaptarea este proprietatea materiei vii de a modifica cerințele metabolice în corelație cu factorii noi de mediu. Sensibilitatea și excitabilitatea constă din capacitatea fiziologică a plantelor de percepere și reacționare, vizibilă sau invizibilă, la acțiunea directă sau indirectă a unor excitanți, interni sau externi. Procesul de excitabilitate prezintă mai multe faze, și anume: perceperea excitantului la nivelul plasmalemei, transmisia la distanță a excitației prin plasmodesme, până la locul de reacție și modificările intime la nivelul protoplasmei, respectiv intensificarea sau încetinirea activității fiziologice generale. Mișcarea este caracteristică protoplasmei vii în stare de hidrosol și se manifestă prin curenți citoplasmatici care pot fi văzuți la microscoapele obișnuite. Între mișcările 31intracelulare, deplasarea cromozomilor pe fusul nuclear în timpul diviziunii celulare ocupă un loc important. Îmbătrânirea se produce atunci când activitatea fiziologică se diminuează treptat, fenomen ce se caracterizează prin dominanța catabolismului asupra metabolismului, la nivel celular. Îmbătrânirea apare odată cu viața, dar semnele de îmbătrânire devin mai evidente la celulele adulte din momentul în care uzura plasmei vii se reface tot mai greu, instalându-se un fenomen ireversibil de diminuare a proceselor de metabolism, de rezistență, de sensibiliate și de regenerare. Nu toate celulele dintr-un organism sunt în aceeași stare de îmbătrânire. Într-o tulpină se pot găsi în același timp celule foarte tinere (în cambiu), celule tinere (în parenchim), celule mature (în liber), celule bătrâne (în sclerenchim) și celule moarte (în lemn). Moartea celulei survine atunci când activitatea metabolică încetează ireversibil. Ea se caracterizează prin fenomenul de citoliză, care presupune distrugerea completă a materiei vii, vacuolizarea, coagularea sau dezagregarea citoplasmei, care trece în final într-o stare amorfă sau mucilaginoasă. 32Capitolul 3 REGIMUL DE AP Ă AL PLANTELOR Prin regimul de apă al plantelor se înțelege totalitatea proceselor de absorbție a apei de către plantă, circulația ei în plantă și eliminarea în mediul extern. Între aspecte ale regimului de apă există o strânsă legătură. Un regim de apă normal asigură celulelor un grad mare de saturație cu apă și chiar în condiții de atmosferă relative uscată celulele rămân în stare de turgescență. În condiții de secetă, plantele pierd cantități mari de apă, pe care nu le mai pot înlocui. Acest regim de apă deficitar are urmări nefavorabile asupra activității vitale, iar dacă este de durată duce la moartea plantelor. Pierderi de recoltă au loc și în cazul în care dezechilibrul regimului de apă este temporar. Măsurile agrotehnice, îndeosebi irigațiile și creare de soiuri rezistente la secetă, au ca scop principal asigurarea unui regim de apă favorabil plantelor de cultură, care astfel să dea producții mari și constante. 3.1. Rolul apei în viața plantelor Regimul de apă al plantelor este unul dintre factorii determinanți ai desfășurării normale a întregului metabolism vegetal, având în acest fel un rol fiziologic deosebit. Apa are cea mai mare căldură specifică , comparativ, cu alte lichide. Î n acest fel, căldura latentă pentru topirea unui gram de gheață este de 80 de calorii, căldura de evaporare a unui gram de apă este de 536 calorii, iar pentru ridicarea temperaturii apei cu un grad C este nevoie de un număr de calorii mult mai mare decât în cazul altor lichide sau solide. Apa este astfel un factor important de stabilitate a temperaturii corpului plantelor (termoregulator). Conductibilitatea caloric ă a apei este mai mare decât a tuturor lichidelor. Această însușire a apei este de mare importanță, deoarece ajută la uniformizarea temperaturii corpului. La suprafața apei se manifestă fenomenul de tensiune superficială . Moleculele de la suprafață sunt mai strânse, se atrag mai puternic, creând asfel o rezervă de energie care duce la apariția fenomenelor de absorbție, cu rol în procesele biochimice. Lumina trece ușor prin apă, în special radiațiile vizibile, până la 10-12m adâncime, asigurându-se în acest fel fotosinteza plantelor acvatice, care realizează 90% din întreaga producție vegetală a globului terestru. Moleculele de apă sunt bipoli , având un rol pozitiv și unul negativ, însușire importantă în procesul de hidratare a substanțelor. Datorită polarității, între moleculele de apă există o coeziune foarte mare. Această coeziune determină punctul de fierbere ridicat al apei, în comparație cu alte lichide și este un factor hotărâtor în circulația apei prin vasele lemnoase. Datorită polarității, particulele coloidale sunt acoperite de un strat de apă. Apa este un element al structurii protoplasmei, fixându-se electrostatic între catenele lungi de polipeptide, creând astfel structuri foarte labile. 33Apa este un element de bază în fenomenul de osmoză și concură la realizarea stării de turgescență , care favorizează procesele biofizice la nivel celular. Mișcările stomatelor sunt o consecință a modificări cu exces de apă vegetează plantele hidrofile, în cele cu umiditate potrivită, plantele mezofile, iar în cele cu umiditatea scăzută, plantele xerofile. 3.2. Con ținutul de apă al plantelor Conținutul de apă al tuturor organismelor vii este foarte ridicat, apa fiind componentul mineral predominant, comparativ cu celelalte substanțe. Cantitatea de apă din plante se determină cântărindu-le, inițial în stare proaspătă, apoi în stare uscată la temperatură de 105 0C, diferență dintre acestea reprezentând cantitatea de apă. Conținutul de apă este variabil cu specia de plantă, cu vârsta, cu organul sau chiar țesutul. Algele con țin cantitățile cele mai mari de apă (94-98%). La plantele superioare, fructele cărnoase (tomate, castraveți) conțin în jur de 95% apă. Cantități însemnate se găsesc și în organele vegetative de rezervă (rădăcini, tuberculi), care conțin peste 85% apă, iar frunzele în jur de 80-85%. Cantități mici de apă se găsesc în semințele uscate (12-14%), precum și în mușchii și lichenii uscați la aer (5-7%). În țesuturile cu activitate vitală intensă, cum sunt meristemele, parenchimurile, vasele liberiene, apa se află în cantitate mai mare decât în țesuturile mecanice de susținere. Conținutul de apă al plantelor sau organelor vegetale variază în cursul zilei în funcție de evoluția factorilor climatici. În cursul verii, pe timp senin, cu suficientă umiditate în sol, în decurs de 24 ore frunzele au conținutul maxim de apă în a doua jumătate a nopții, iar conținutul minim în cursul după amiezii. Aceeași fluctuație a conținutului de apă se înregistrează atât în cazul rădăcinii, cât și a tulpinii, cu mențiunea că valorile maxime și minime apar ceva mai târziu decât la frunze. În afară de aceste fluctuații diurne, se mai semnalează și variații anuale în conținutul de apă. Conținutul maxim de apă se înregistrează în timpul primăverii și începutul verii, după care urmează o scădere evidentă în cursul lunilor iulie și august, datorită secetei atmosferice. În septembrie octombrie apare o ușoară creștere, ca apoi în timpul iernii, când plantele se află în stare de repaus, conținutul de apă să fie minim în toate organele (fig. 19). 34 Figura nr. 19 – Modificarea conținutului de apă în lăstarul vegetativ în timpul creșterii: a) păr; b) gutui (din Doina Toma, 1998) Conținutul de apă în plantă variază și cu vârsta, frunzele tinere având un conținut de apă mai ridicat decât cele bătrâne datorită reducerii treptate a capacității de hidratare a protoplasmei concomitent cu vârsta (tab.1). Tabel nr.1. Conținutul de apă în diferite organe ale plantelor (după Doina Toma, 1998) Organul Specia Conținutul de apă (%) Fructe Tomate 94-95 Castraveți 94-95 Frunze Salată 94-95 Varză 92-93 Ceapă 94-95 Rădăcini tuberizate Morcov 87-91 Ridiche 92-93 Tuberculi Cartof 74-80 Tulpini lemnoase Arbori 40-45 Cariopse Cereale 12-14 La plantele de cultur ă există o limită critică pentru deshidratare, circa 35% sub care toate funcțiile vitale sunt reduse la minimum. Plantele de uscat sunt supuse permanent unei acțiuni de deshidratare din partea atmosferei. Dacă atmosfera are o umiditate relativă de 70-80, forța ei de deshidratare este de sute de atmosfere, iar dacă ajunge la 50%, deshidratarea se face cu o forță de peste 1000 de atmosfere. Pentru ca plantele să poată supraviețui, ele trebuie să găsescă mijloacele de a compensa acțiunea de deshidratare. În acest fel toate măsurile agrotehnice, ca: irigații, 35menținerea zăpezii, perdelele de protecție, soiuri rezistente etc., au ca scop asigurarea unui conținut normal de apă în plante de peste 80%. În decursul evoluției plantelor s-au format mijloace anatomo-morfologice și fiziologice de apărare împotriva unei deshidratări excesive. La plantele xerofile ( Cactaceae ), adaptările sunt deosebit de pronunțate, prin elaborarea unui sistem de apărare, format din țesuturi de protecție (cuticulă, suber) și prin sisteme de reglare a transpirației cu ajutorul stomatelor. Înlocuirea apei pierdute se realizează prin dezvoltarea unui sistem radicular cu o mare suprafață de absorbție și prin sistemul de conducere a apei în plantă, care asigură un curent de apă cu o viteză suficientă. Aceste trei sisteme de adaptare (radicular, de conducere și de protecție) sunt cu atât mai dezvoltate cu cât plantele respective se găsesc în condiții mai grele de aprovizionare cu apă. Cantitatea de apă absorbită și consumată de plantă este mult mai mare decât cantitatea necesară pentru reacțiile chimice în care participă apa și pentru menținerea stării de turgescență a celulelor. Vara într-o zi călduroasă, planta consumă mai multă apă decât conține întreaga plantă. În corpul plantei se reține o cantitate foarte mică de apă, și anume din 1000 de părți de apă numai 1,5-2 părți sunt folositoare în sinteza substanțelor organice, iar restul apei este eliminată în atmosferă. 3.3. St ările și formele apei din plante Apa din corpul plantelor superioare se găsește, în general, sub două stări: lichidă și gazoasă, iar în timpul iernii o putem găsi sub formă solidă, sub formă de gheață. Apa în stare lichid ă se întâlnește în toate organele plantei, ca o componentă de bază. În stare gazoasă, sub formă de vapori, apa există în spațiile intercelulare și în toate spațiile aerifere ale țesuturilor. Ea provine din evaporarea apei ce îmbib ă pereții celulari din țesuturi. Sub formă de vapori este eliminată prin transpirație și mai intens prin osteolele stomatelor. Apa lichidă intră în cantități mari în compoziția tutror celulelor, ea constituind un mediu intern continuu, ce face legătura între diferitele organe și țesuturi ale plantei. În constituția corpului plantei apa lichidă se găsește sub două forme: apa liberă și apa legată. Prezența acestor forme de apă în citoplasmă asigură dispersia micelilor coloizilor plasmatici, precum și dizolvarea unor substanțe organice și minerale. Apa liberă reținută slab în corpul plantei. Ea se găsește la nivelul membranelor celulare scheletice, în vacuole, în citoplasmă și în vasele conducătoare și nu intră în peliculele apei de hidratare a micelelor coloidale. Fiind slab legată, apa liberă circulă foarte ușor, atât în interiorul celulei, cât și de la o celulă la alta, asigurând starea de turgescență a celulelor. Ea constituie mediul în care au loc procesele biochimice, participând în mod direct la desfășurarea acestora. Temperaturile scăzute până la 10 0C produc înghețarea apei libere, de aceea plantele cu un conținut mare de apă liberă sunt puțin rezistente la temperaturi scăzute. Apa liberă poate fi extrasă prin presare din corpul plantelor și este înlocuită continuu prin mecanismul transpirație-absorbție. 36Apa legată este reținută în plante cu forțe mari. Această apă, fiind formată din molecule imobile, lipsite de posibilitatea de a difuza, deci și de proprietatea de evaporare, este greu pierdută de către celule, deci nu poate fi extrasă prin presare. Forțele de adsorbție și de absorbție care o rețin provin de la coloizii hidrofili ai citoplasmei, care manifestă proprietatea de hidratare. Apa legată îngheață la temperaturi mai scăzute de -10 0C. Ea nu circulă în celulă sau în plantă, nu ia parte la procesele biochimice și nici la dizolvarea substanțelor organice sau anorganice. Datorită proprietăților de solvent, apa legată nu ia parte la transformarea și circulația substanțelor în corpul plantelor. În condiții nefavorabile de mediu, când activitatea vitală a plantelor se reduce mult, cantitatea de apă liberă scade, iar cea a apei legate crește, ceea ce determină o rezistență mai mare a plantelor. Din punct de vedere cantitativ, raportul dintre cele două forme de apă este în toate cazurile în favoarea apei libere. Astfel, în timpul verii cantitatea de apă liberă este foarte mare în condițiile aprovizionării normale cu apă. Pe timp de secetă, ca și în timpul iernii, în corpul plantelor erbacee predomină tot apa liberă, dar diferență cantitativă dintre aceasta și apa legată este mult mai mică. Ea este formată din: apa de hidratare (de adsorbție), apa de capilaritate și apa de imbibiție. Apa gazoasă este apa care se elimină în procesul de transpirație sub formă de vapori în spațiile intercelulare și prin osteolele stomatelor. Apa solidă există în stare cristalină și amorfă. La temperatura azotului lichid, apa trece în stare amorfă, care asigură înghețarea și dezghețarea organismului fără deteriorarea structurilor. După înghețarea organismelor, apa trece în stare cristalină, când structura protoplasmei se deteriorează și organismele pier.î 3.4. Absorbția apei de către plante Procesul de absorbție are loc atât la plantele inferioare, cât și la cele superioare. Pentru absorbția apei nu toate plantele dispun de organe specializate, existând în acest fel o mare variabilitate. Plantele submerse absorb apa pe întreaga suprafață. Fanerogamele submerse au unele adaptări privind absorbția apei prin întreaga suprafață a corpului, lipsindu-le cuticula și suberul. Acestea au frunze foarte subțiri și rădăcini reduse, lipsite de perișori absorbanți ( Elodea ). 3.4.1. Absorbția radiculară a apei Plantele supraterestre au organe specializate pentru absorbția apei. La mușchii aerieni absorbția are loc prin rizoizi. La cormofitele superioare organul specializat pentru absorbția apei și sărurilor minerale este rădăcina, care mai îndeplinește și rolul de a fixa planta în sol. Importanța rădăcinii în aprovizionarea cu apă este demonstrată de faptul că la germinarea semințelor, rădăcina este organul care apare înaintea tulpinii și frunzelor, deoarece plantulele tinere duc lipsă mai ales de apă, având în endosperm suficiente rezerve de substanțe organice și săruri minerale. 37Rădăcina, ca organ de absorbție și aprovizionare a plantei cu apă, a apărut și s-a specializat funcțional în procesul filogenetic de adaptare a plantelor la condițiile și modul de viață terestru. Rădăcinile plantelor cresc normal dacă solul este umed, iar umiditatea aerului dintre particulele solului este aproape de 100% (fig. 20). Figura nr. 20 – Diametrul sistemului radicular raportat la diametrul coroanei unui pom izolat în câmp deschis (d. Ward, 1959) În consecință, forța de reținere a apei de către un sol bogat în apă este minimă. Spre deosebire de rădăcini, care se află într-un mediu puternic hidratat, frunzele cresc în atmosferă, a cărei umiditate este, în general, scăzută, de circa 50-80% și care absorb vaporii de apă cu forțe foarte mari, de peste 1000 de atmosfere; în consecință, transpirația nu poate fi evitată. Plantele aeriene s-au adaptat acestei situații, la ele dezvoltându-se un sistem radicular puternic capabil să absoarbă un volum mare de apă. Astfel, rădăcinile de floarea-soarelui absorb apa dintr-un volum de sol de aproximativ 1m 3; la un măr de 18 ani rădăcinile ajung până la adâncimea de 10m, ramificându-se într-un volum foarte mare de sol. Rădăcinile lucernei și ale viței de vie pătrund foarte adânc în sol. Rădăcinile plantelor de grâu pătrund în sol, de obicei, până la 1-2m, dar în cazul în care solul este mai afânat ele pot ajunge până la 5m. Rădăcinile plantelor heliofile, care au transpirația mai intensă, pătrund mai adânc în sol decât rădăcinile plantelor ombrofile, la care transpirația este mai scăzută. Cu cât sistemul radicular este mai ramificat, cu atât acesta va explora un volum mai mare de sol (fig. 21). 38 Figura nr. 21 – Particularități în răspândirea pe verticală a rădăcinilor de Beta vulgaris (A) și Medicago sativa (B) (d. Taiz, 1998) La plantele din regiunile umede, rădăcina reprezintă doar 10% din corpul plantei, pe când la cele adaptate la zone secetoase rădăcina ajunge până la 90% din corpul plantei. La plantele mezofile, raportul dintre partea aeriană și rădăcină este aproximativ egal. Suprafața de contact a rădăcinilor cu soluția solului este mult mărită prin ramificațiile fine ce se formează permanent și prin numărul extrem de mare al perișorilor absorbanți (fig. 22). 39 Figura nr. 22 – Pătrunderea perișorilor absorbanți printre particulele solului (d. Taiz, 1998) Perii absorbanți se formează prin modificarea morfologică, anatomică și funcțională a unor celule ale rizodermei, luând o formă alungită, cilindrică. În perișorul absorbant citoplasma și nucleul se găsesc la vârf, unde are loc creșterea în lungime a acestuia. La exterior există o membrană de natură pectică; care aderă la particulele solului, ușurând astfel absorbția. Pereții săi celulari sunt foarte subțiri, lipsiți de cuticulă, și deci, foarte permeabili pentru apă. Ei conțin în loc de celuloză, caloză și substanțe pectice care, prin gelificare, realizează un contact intim cu particulele solului. Prin numărul lor foarte mare perișorii absorbanți măresc mult suprafața rădăcinii (la mazăre de 12 ori). Ei au o viață scurtă, între 3-10 zile; uneori au o viață mai lungă (la grâul de toamnă- 10 săptămâni). Funcție de variațiile din conținutul de apei din sol, plantele s-au adaptat, prin dezvoltarea unui sistem radicular foarte puternic și dinamic. Astfel la grâu, suprafața totală a rădăcinii este de 130 ori mai mare decât cea a părții aeriene. O plantă de Malus baccata, în vârstă de 1 an, are 45000 de rădăcini. La secară s-a găsit o lungime totală a rădăcinilor de 600 km, cu o suprafață de 225 m 2, perii radiculari au o lungime de 10000 km, cu o suprafață de 400 m 2, iar partea aeriană a plantei este de numai 4,5 m 2. creșterea zilnică a rădăcinii a fost de 5 km, iar a perilor radiculari de 80 km. La unele plante, în locul perilor absorbanți se fixează hifele unor ciuperci simbiotice, îndeplinind funcția de absorbție a apei și sărurilor minerale. Aceste ciuperci trăiesc în simbioză cu rădăcinile plantelor după un tip de relații trofice directe numit micoriză . Hifele miceliene pătrund sau nu în rădăcină, în funcție de aceasta deosebindu-se micoriza ectotrofă, endotrofă și ectoendotrofă. Miceliile acestor ciuperci 40au o viață mult mai lungă decât a perișorilor absorbanți, trăind cel puțin o perioadă de vegetație. Relația dintre absorbția apei prin rădăcini și umiditatea solului nu trebuie privită în mod unilateral, ci într-un complex de factori, dintre care un rol important îl au: răspândirea în sol a terminațiilor absorbante active ale rădăcinii, gradul de ramificare laterală și de pătrundere a rădăcinilor în adâncimea solului, aerația, temperatura și fertilizarea solului. Într-un sol structurat, bine aerat și cu o umiditate suficientă, rădăcinile cresc mult mai bine. Lucrările agrotehnice (arat, grăpat, prașile etc.) asigură condiții optime pentru creșterea sistemului radicular. 3.4.2. Apa din sol și forțele care o rețin Cantitatea de apă absorbită de plante depinde nu numai de volumul sistemului radicular ci și de cantitatea de apă din sol și forța cu care solul reține apa. Forțele de reținere a apei de către particulele solului depind, în primul rând, de presiunea osmotică a soluției solului. În sol apa se găsește sub mai multe forme: apă de constituție (legată chimic), apă higroscopică, peliculară, capilară și gravitațională. Aceste forme ale apei sunt reținute cu forțe de valori diferite, mărimea acestora fiind determinată de însușirile fizice și chimice ale solului. Dintre formele apei din sol, accesibile pentru plantă sunt: apa gravitațională, apa capilară și o mică parte din apa peliculară, iar apa legată chimic și apa higroscopică sunt inaccesibile. Apa de constituție sau legată chimic intră în compoziția moleculelor organice sau anorganice din particula de sol ca apă de cristalizare (de exemplu, CuSO 4 + 5H 2O). Aceasta nu poate fi utilizată de către plantă. Apa higroscopică formează un înveliș monomolecular la suprafața particulelor solului, fiind reținută cu forțe foarte mari, până la 100 atmosfere. Aceasta nu poate fi folosită de plantă, iar la suprafața particulelor poate fi îndepărtată numai prin uscare la 1050C Apa peliculară formează straturi succesive de apă la suprafața particulelor solului și este reținută cu forțe diferite. Straturile mai apropiate de pelicula de apă higroscopică vor fi reținute cu forțe mai mari (30-50 atmosfere), iar din straturile periferice cu forțe între 0,5 și 30 atmosfere. Plantele pot absorbi numai o parte din apa peliculară, anume aceea din straturile periferice, cu excepția unor specii halofile care absorb apa și din straturile mai profunde. Apa capilară este mobilă, circulă ascendent, fiind reținută în sol cu forțe mai mici de o atmosferă. Este ușor absorbită de plante, constituind forma de bază în aprovizionarea cu apă a plantelor. Apa gravitațională se află în spațiile largi dintre particulele solului în urma ploilor abundente și a irigației. Este foarte mobilă, circulă descendent sub influența forței gravitaționale, fiind accesibilă pentru plante. Când solul este bine aprovizionat cu apă, apa capilară se deplasează spre zona piliferă a rădăcinii. Concomitent cu scăderea cantității apei din sol, se micșorează viteza de deplasare a apei printre particulele solului. În aceste condiții, de o importanță majoră este viteza de creștere a rădăcinilor spre solul mai umed. 413.4.3. Mecanismul de absorbție radiculară a apei În condiții naturale, la plantele cu rădăcini, apa pătrunde în perișorii absorbanți și, într-o măsură mult mai mică, în alte celule ale epidermei rădăcinii. Această pătrundere a apei are loc datorită unui deficit al presiunii de difuzie (forța de sucțiune). Dacă forța osmotică a citoplasmei celulelor radiculare se menține mai mare decât cea a soluției solului, apa va putea pătrunde în celule. O creștere a concentrației sucului celular și o scădere a presiunii de turgescență va mări forța de sucțiune a celulelor, în consecință va intensifica absorbția apei. De aici se desprinde concluzia că cea mai mare parte a absorbției apei are loc prin intermediul mecanismelor osmotice. Principala cale de pătrundere a apei în plante este prin absorbție pasivă . Într-o plantă supusă la o transpirație intensă, traheele și traheidele xilemului se află, în general, într-o stare de tensiune negativă sau presiune redusă, astfel că intensitatea transpirației va preceda întotdeauna viteza de absorbție. Acest tip de absorbție a apei este rezultatul activităților organelor aeriene, în special a sistemului foliar, prin procesul de transpirație. Astfel, în frunze crește foarte mult forța de sucțiune. Acest deficit de apă, care mărește forța de sucțiune, se transmite din mezofil prin nervurile frunzelor pe tot traiectul vaselor lemnoase din tulpină și rădăcini, până la nivelul perișorilor absorbanți, care vor ,,aspira” apa din soluția solului. În acest caz, rolul principal în absorbția pasivă a apei revine transpirația frunzelor, activitatea metabolică a rădăcinilor contribuind în mică măsură la absorbție. Spre deosebire de absorbția pasivă, absorbția activă a apei nu depinde de procesul de transpirație, ci este realizată de către rădăcină, cu ajutorul energiei metabolice proprii. Absorbția activă poate avea loc prin mecanisme osmotice sau neosmotice. Absorbția apei prin intermediul mecanismelor osmotice nu necesită energie. Apa pătrunsă în rădăcină va circula datorită unui gradient crescut al presiunii osmotice. În acest fel se constată că valoare forței de sugere crește de la perișorul absorbant până la celulele din endoderm, deci treceera apei se explică prin fenomene osmotice. În endoderm, însă, forța de sucțiune are valori mai mici, datorită acumulării unor cantități mari de amidon, osmotic inactiv (fig. 23). 42 Figura nr. 23 – Creșterea forței de sucțiune celulară de la perișorul absorbant până la ultimul strat de cortex și scăderea bruscă a nivelului endodermului (d. C. Milică, 1982) Cu toate acestea, apa trece și prin aceste celule, ajungând la vasele conducătoare lemnoase, prin care va circula până la frunză. În cazul absorbției active a apei, planta consumă energie pentru realizarea procesului de acumulare de săruri, în vederea creșterii presiunii osmotice. Conținutul în săruri al celulelor din interiorul rădăcinii este mult mai mare decât cel al straturilor exterioare. Sărurile minerale nu pot difuza decât spre interior, din celulă în celulă, până în vasele lemnoase. Difuzia lor spre exterior este împiedicată de benzile (centurile) lui Caspary, care sunt impermeabile. Este posibil să existe și un mecanism neosmotic de absorbție activă a apei. În acest caz, apa pătrunde încet, împotriva gradientului de concentrație, datorită energiei metabolice. 3.4.4. Factorii care afectează absorbția apei Absorbția radiculară a apei este influențată de diferiți factori legați de sol cum sunt: temperatura, presiunea osmotică a soluției solului, aerarea și cantitatea de apă din sol. La fel, unele caracteristici ale atmosferei (umiditatea relativă) pot influența absorbția. Temperatura solului. Are o influență profundă asupra vitezei de absorbție a apei. Influența inhibitoare a temperaturilor joase asupra apei acționează în diverse moduri. Apa devine vâscoasă la temperaturi joase, reducându-se astfel mobilitatea ei. Protoplasma este mai puțin fluidă și permeabilă, iar vâscozitatea celulelor absorbante crește, pe când capacitatea de îmbibiție a coloizilor plasmatici scade. Efectul combinat al acestor factori provoacă o reducere a absorbției apei la temperaturi joase, ceea ce încetinește ritmul de creștere a rădăcinilor. 43 Efectul inhibitor al temperaturilor joase asupra absorbție apei se poate demonstra ușor, dacă la suprafața solului din ghiveci se pune un strat de gheață și dacă atmosfera este favorabilă transpirației, astfel în decurs de câteva ore planta se va ofili. Temperatura minimă pentru absorbția apei este în jur de 0 0C (la conopidă, varză, cartof etc.). Concomitent cu creșterea temperaturii se intensifică și absorbția apei, intervalul de temperatură optimă fiind între 20 și 32 0C, când se constată intensitatea maximă a absorbției. La temperaturi de peste 40-45 0C, limita maximă pentru multe specii, absorbția apei încetează, fiind afectată starea fizică și funcțională a protoplasmei. Lumina. Influențează în mod indirect absorbția apei, asigurând prin fotosinteză substratul respirator în vederea eliberării energiei necesare celulelor absorbante. La lumină stomatele sunt deschise, iar transpirația este mai intensă, stimulând astfel absorbția pasivă a apei. Concentrația soluției solului. Se știe că apa este absorbită datorită diferenței de presiune osmotică a soluției solului și presiunea osmotică a sucului celulelor absorbante. Dacă presiunea osmotică a soluției solului este mai mare decât a protoplasmei celulelor radiculare, apa va fi extrasă din plantă (exosmoză) în loc să fie absorbită (endosmoză). Unele plante, cum sunt halofitele, au o mare toleranță față de concentrațiile saline mari ale soluției solului; presiunea osmotică a celulelor acestor plante este mult mai ridicată decât la alte tipuri de plante. Apa este absorbită intens când sucul vacuolar este hipertonic, față de soluția solului. În general, concentrația soluției solului este de 0,5-1,5g săruri/litru. În condiții de secetă sau de aplicare excesivă a îngrășămintelor chimice, soluția solului devine mai concentrată, iar absorbția apei este mai dificilă. Majoritatea plantelor necesită o soluție a solului cu pH neutru. Modificarea acestuia influențează absorbția apei, acționând asupra permeabilității membranelor celulare asupra creșterii rădăcinilor. La unele specii de plante, valoarea pH optim pentru absorbție este diferită. La cartof pH optim este de 5, la trifoi 6, la grâu între 6-7 iar la lucernă între 7-8. Aerația solului. După o aversă puternică de ploaie, un câmp de tutun cu solul îmbibat cu apă va prezenta simptome de ofilire avansată a frunzelor, dacă va fi supus imediat la o insolație puternică. Această ofilire a frunzelor este provocată de o întârziere a absorbției apei, ca rezultat al inundării cu apă a spațiilor libere din sol, care, de obicei, sunt ocupate de aer, ceea ce va provoca o aerare și o oxigenare insuficientă a rădăcinilor. În asemenea condiții, o aerație deficitară are un efect limitat asupra absorbției active a apei. Scăderea metabolismului rădăcinii, iar o dată cu el a capacității de absorbție și de acumulare a sărurilor, afectează capacitatea de absorbție a apei de către rădăcini. Acumularea de CO 2, în sol are un efect inhibitor mai mare asupra absorbției apei decât diminuarea concentrației de oxigen. Sporirea cantității de CO 2 mărește vâscozitatea protoplasmei și scade permeabilitatea, două fenomene care frânează absorbția apei. În lipsa oxigenului încetează creșterea rădăcinilor și formarea perilor absorbanți, având ca urmare scăderea absorbției apei. Când concentrația oxigenului din sol scade sub 5%, respirația aerobă va fi înlocuită de respirația anaerobă, caracterizată printr-un slab randament energetic. În aceste condiții în sol se acumulează CO 2, care în concentrații de 44peste 10% are o acțiune toxică asupra celulelor rădăcinii. Se crează un dezechilibru între transpirația foarte intensă și absorbția redusă, ducând la moartea plantei. Unele specii de plante ( Juncus ,Carex , Typha ,Oryza ) sunt adaptate la excesul de umiditate, având în corpul plantei un țesut arenchim, care conduce oxigenul de la frunză, prin tulpină, până la rădăcini. Inundațiile au efecte negative asupra activității fiziologice a plantelor. Rezistența plantelor la aceste condiții variază cu specia, vârsta plantei, lumina și mai ales temperatura. La temperaturi scăzute plantele pot rezista timp mai îndelungat. Durata maximă de rezistență este de 1-3 zile pentru curcubitacee, 4-6 zile la fasole și cartof, și 8-10 zile la grâu și porumb. Unele substanțe toxice, ca alcoolul etilic, cloroformul, acizii etc., în concentrații mari înhibă absorbția, acționând în special asupra respirației și a creșterii rădăcinilor. Disponibilitatea apei în sol. Nu toată apa din sol poate fi absorbită de plantă. Pe măsură ce solul din imediata apropiere a sistemului radicular va fi lipsit de rezerva de apă, absorbția apei de către plante se reduce. Unele studii asupra relației plantă-apă din sol se ocupă de conceptele despre ,,capacitatea de câmp”, ,,coeficientul de ofilire” și ,,tensiunea totală a apei din sol”. Kramer a definit capacitatea de câmp ca fiind conținutul în apă a unui sol după ce a fost saturat cu apă și apoi lăsat să se scurgă până când încetează circulația capilară a apei. Coeficientul de ofilire este reprezentat de procentul de apă ce se află în sol în momentul în care frunzele prezintă simptome de ofilire și nu pot reface turgescența chiar dacă sunt puse într-o atmosferă saturată. Prin termenul de tensiune a apei din sol se înțeleg forțele gravitaționale și hidrostatice care rețin apa din sol. Atât capacitatea de câmp cât și coeficientul de ofilire sunt specifice în funcție de tipul de sol. De exemplu, argila are o capacitate de câmp și un coeficient de ofilire mult mai mare decât nisipul. Coeficientul de ofilire permanentă este în funcție și de factorii osmotici ai plantei. O frunză mezofitică are o presiune osmotică mai mică de 20 de atmosfere, pe când presiunea osmotică la o frunză halofitică poate avea peste 100 de atmosfere. Această diferență mare de presiune osmotică se explică prin capacitatea diferită a plantelor de a absorbi apa din sol. Cu alte cuvinte, coeficientul de ofilire depinde de capacitatea pe care o are planta de a absorbi apa din sol și nu depinde numai de conținutul de apă din sol. Dacă solul se va usca câte puțin în fiecare zi (secetă pedologică de durată), atunci presiunea osmotică a solului și forța de sucțiune a plantei vor crește progresiv. În acest moment recuperarea turgescenței este imposibilă și se ajunge la coeficientul de ofilire. Putem deci defini coeficientul de ofilire ca fiind conținutul în apă al solului când forța de sucțiune a plantelor și tensiunea toatală a apei din sol sunt în echilibru, iar presiunea de turgescență a frunzelor are valoarea zero. 3.4.5. Particularități ale sistemului radicular care influențează absorbția apei Dacă ținem cont că sistemul radicular poate fi diferit ca structură și ca extindere în sol, se înțelege că și capacitatea de absorbție a apei va fi diferită, în funcție de plantă. Unele sisteme radiculare pătrund adânc în sol, pe când altele formează o rețea densă de ramificații superficiale. Într-un sistem radicular în creștere există un mare număr de zone terminale a radicelelor, cu perișori care asigură absorbția. În țesuturile rădăcinilor mai puțin tinere are 45loc o îngroșare secundară și se formează un strat de suber care micșorează permeabilitatea rădăcinii și reduce absorbția apei. Se pare că există trei puncte pe unde apa pătrunde în rădăcinile suberificate: lenticele, fisurile de lângă ramificațiile rădăcinii și prin răni. Dintre factorii interni care contribuie la absorbția apei, amintim transpirația, respirația și starea fitosanitară a plantei. 3.4.6. Absorbția apei prin organele aeriene ale plantei Unele talofite, cum sunt algele și lichenii, care cresc pe stânci și pe scoarța copacilor, au capacitatea de a absorbi apa din picăturile de ploaie sau rouă. Aceste plante, în funcție de gradul de aprovizionare cu apă, pot fi în stare de viață activă sau de repaus. La cele mai multe cormofite aeriene unele organe, ca: tulpini, ramuri tinere, muguri și mai ales frunzele sunt capabile de a absorbi apa atât sub formă lichidă, cât și sub formă de vapori. Această absorbție se face pe o scară mult mai redusă decât absorbția radiculară, ea reprezentând doar 5-10% din cantitatea de apă necesară. Absorbția prin organele aeriene are importanță mai ales în perioadele mai secetoase ale anului, când absorbția picăturilor de rouă contribuie la micșorarea deficitului hidric al frunzelor. Experimental s-a constatat că frunzele ce au cuticula subțire, cum sunt cele de grâu, orz, fasole, viță de vie, tomate, cartof etc. absorb cantități mai mari de apă decât frunzele unor esențe lemnoase, cu o cuticulă mai groasă, cum sunt cele de tei, stejar și fag etc. Frunzele tinere, având cuticula subțire, absorb apa mai repede decât frunzele adulte, la care stratul de cuticulă este mai gros. Frunzele tinere pot absorbi până la 50% din cantitatea necesară de apă, mai ales pe fața inferioară a limbului foliar, unde cuticula este mai subțire, în special în imediata vecinătate a nervurilor fine. Spațiile intercelulare ale mezofilului foliar, precum și camerele substomatice sunt ocupate de aer și din această cauză apa nu poate pătrunde prin osteolele stomatelor în interiorul frunzelor. Cantitatea de apă absorbită foliar depinde de deficitul de saturație al frunzelor, precum și de gradul de permeabilitate al stratului de cutină. De exemplu, stratul de cutină la frunzele soiului de măr McIntosh nu este continuu, ci format din lamele, dispuse paralele cu peretele exterior al celulelor epidermice. Între straturile paralele de cutină se află o substanță pectică, care are o bună capacitate de absorbție a apei. Apa absorbită prin sistemul foliar poate circula în sens descendent în plantă, difuzând astfel până la nivelul rădăcinii. Capacitatea de circulație a apei absorbite de frunză este în strânsă legătură cu gradientul forței de sucțiune, care favoriza circulația descendentă a apei. Rolul absorbției foliare a apei a fost demonstrat experimental. Prin stropirea frunzelor cu apă de mai multe ori pe zi, plantele produc mai multă substanță uscată, masa acestora fiind mai mare decât a plantelor neudate. Cunoașterea procesului de absorbție a apei prin organele aeriene stă la baza metodei fertilizării extraradiulare suplimentare a plantelor, metodă modernă de sporire a producției. Prin aplicarea fertilizării foliare s-au obținut rezultate bune la cereale păioase, sfeclă pentru zahăr, legume, viță de vie etc., realizând sporuri însemnate de producție 463.5. Transportul apei în corpul plantei De la perișorii absorbanți până la țesuturile care o folosesc sau o elimină, apa este transportată prin întreg corpul plantelor. La plantele submerse, la care transpirația lipsește, circulă, în general, cantități mici de apă, de obicei de la celulele superficiale în contact cu apa prin difuzie, spre centrul organului, fără a exista un țesut conducător. Un asemenea țesut se formează în timpul creșterii la unele plante ( Elodea ), dar se atrofiază în fază adultă. Plantele care au o parte a corpului în contact cu aerul pierd cantități mari de apă prin transpirație. Aerul cu o umiditate de 50% absoarbe apa cu o forță de 922 atmosfere, pe câtă vreme apa este reținută în celulele plantelor cu forțe mici, în jur de 10 atmosfere. Apa pierdută prin transpirație trebuie înlocuită cu apa absorbită și condusă din celulă în celulă. 3.5.1. Căile de circulație a apei Plantele cormofite au vase lemnoase, apariția acestora la criptogamele vasculare reprezentând un pas important în evoluția plantelor. Vasele lemnoase sunt celule fără protoplasmă, la care pereții despărțitori dintre celule au dispărut. Circulația apei prin vasele lemnoase poate fi realizată pe distanțe mari de zeci și sute de metri, cu viteze mari și cu o rezistență relativ mică. Vasele lemnoase sau xilemul apar în rădăcină. Numărul și diametrul lor cresc spre tulpină, iar aici ele trec în ramuri și pătrund prin pețiolul frunzei, unde se ramifică în nervuri fine, astfel încât fiecare celulă din mezofilul frunzei vine în contact direct sau indirect cu câte un vas de lemn. Vasele lemnoase constau în traheide și trahei. Traheidele se găsesc la criptogamele vasculare și la gimnosperme. Ele provin din câte o singură celulă, au extremitățile ascuțite, diametrul relativ mic și prezintă perforații la capete și lateral. Membrana lor este îngroșată. Traheele se găsesc la angiosperme. Ele sunt formate dintr-un număr relativ mare de celule parenchimatice, așezate cap la cap. Membranele despărțitoare se resorb aproape în întregime, iar pereții laterali sunt îngroșați sub forma unor inele, spirale sau reticule (vase punctate, inelate, spiralate, reticulate). După formarea acestor îngroșări și după resorbția pereților transversali despărțitori dispare și protoplasma. Lungimea traheelor diferă de la o specie la alta. La plantele volubile, traheele sunt mai lungi de 1m, iar diametrul lor poate depăși 1mm, dar la cele mai multe specii vegetale lungimea acestora nu depășește 10 cm și diametrul de 30-40 µ. Îngroșările sunt dispuse în interiorul vaselor și asigură rezistență la presiunea apei. Pereții laterali ai acestor vase sunt perforați, prezentând pori prin care poate trece apa pentru circulația laterală. Apa pătrunsă în perișorul absorbant trece prin scoarță și cilindrul central. Prin aceste celule vii apa circulă, datorită forței de sucțiune, pe principiul osmozei. Originea și menținerea acestei forțe de sucțiune rezidă atât în afara rădăcinii (la nivel foliar), constituind așa-numita absorbție radiculară pasivă , cât și la nivelul rădăcinii unde are locabsorbția activă , datorită presiunii radiculare, care va impinge apa în interiorul 47vaselor de lemn. Celulele vii ale rădăcinii funcționează deci ca o pompă aspiratoare-respingătoare. În drumul ei, apa trebuie să mai străbată încă o zonă de celule vii parenchimatice, situată la nivelul limbului foliar, între vasele de lemn (nervuri) și osteolele deschise ale stomatelor. Aceste celule, cu o extremitate orientată spre nervură, absorb apa, iar prin cealaltă extremitate o vor ceda celulelor vecine, cu o forță osmotică superioară. Celulele din acest țesut funcționează mai mult ca niște pompe aspiratoare. Între celulele vii ale rădăcinii și celulele vii ale frunzelor apa circulă prin trahee cu viteze mari, stabilite prin metoda coloranților și a izotopilor radioactivi. S-a constatat că anumite zone ale rădăcinii aprovizionează anumite sectoare ale coroanei. Prin întreruperea locală a vaselor de lemn (xilem), curentul vertical se abate de la verticală și ia o direcție transversală, dar după ocolirea obstacolului revine la circulația normală. 3.5.2. Mecanisme ce intervin în circulația apei Aceste mecanisme mai poartă denumirea de forțe motrice ale curentului de apă în plante. Transportul vertical al apei de la rădăcină până la frunze, la distanța de peste 70 m (uneori peste 130 m la Sequoia ) presupune existența unui asamblu de forțe pe baza cărora curentul de apă să poată învinge factorii de rezistență la trecerea prin prin plantă. (presiunea hidrostatică), frecarea pe pereții traheelor și rezistența la străbatere prin celule parenchimatice din rădăcină și din limbul foliar. Există diferite teorii formulate pentru explicarea modului cum apa poate să ajungă până la asemenea înălțimi, teorii care se bazează pe prezența a cinci forțe, cum ar fi: 1) presiunea radiculară (forța motrice inferioară); 2) forța de aspirație a frunzelor (forța motrice superioară); 3) forța de coeziune a moleculelor de apă; 4) capilaritatea vaselor; 5) imbibiția pereților traheelor și a membranelor celulelor din parenchim sau sclerenchim. 48 Figura nr. 24 – Schema mecanismului de urcare a apei în plante (d. Milică și colab., 1982) 3.5.3. Cantitatea de apă și viteza de circulație a apei în plante Cantitatea de apă care circulă în plantă variază cu specia, vârsta și condițiile climatice. În timpul zilelor de vară trece o cantitate egală cu 20 ml/oră/cm 2 secțiune de tulpină lemnoasă, ceea ce înseamnă că într-o zi prin corpul plantei poate circula mai multă apă decât conținutul total al plantei. Viteza cu care circulă apa în plante este foarte diferită. La plantele ierboase viteze de 0,7-1,7 m/oră, la gimnosperme de 1,25- 2,5 m/oră, la angiospermele lemnoase de 4- 40 m/oră , funcție de distribuirea vaselor în tulpină (împrăștiate sau simetrice). La lianele din pădurile ecuatoriale atinge 150 m/oră. În general, viteza de circulație este în funcție de intensitatea transpirației, fiind mai mare în cursul zilei. Prin celulele vii din rădăcină și din limbul foliar viteza de circulație a apei este destul de redusă, cel mult 1 mm/oră. 3.6. Eliminarea apei de către plante Deși cantitativ apa este substanța de bază din țesuturile vegetale, plantele superioare nu rețin în corpul lor decât o mică parte din apa absorbită, restul se elimină în atmosferă, fără a interveni, aparent, în nici un proces fiziologic. Concomitent cu absorbția și transportul apei în plantă are loc eliminarea ei masivă în atmosferă, proces realizat la nivelul tuturor organelor aeriene, mai ales al frunzelor, prin două procese distincte: transpirația și gutația. 3.6.1. Transpirația și rolul ei în viața plantelor 49Plantele pierd cantitatea cea mai mare de apă sub formă de vapori, prin procesul fiziologic denumit transpirație. Acest proces este determinat de deficitul de saturație cu vapori de apă a atmosferei. Plantele inferioare uni- sau pluricelulare, ca și plantele nevasculare mai evoluate (briofitele), elimină vaporii de apă prin toate celulele corpului lor ce vin în contact cu atmosfera. La plantele superioare, transpirația se realizează prin realizează prin întreaga lor suprafață externă și internă ce vine în contact cu aerul înconjurător. Prin cuticula epidermei aceste plante elimină cantități relativ mici de vapori de apă. Dintre organele aeriene frunzele transpiră cu cea mai mare intensitate. După ce a fost absorbită din sol de către rădăcini, apa ajunge în vasele conducătoare lemnoase și apoi în celulele mezofilului frunzelor. Aici dispunerea laxă a celulelor formează multe spații intercelulare, care reprezintă o structură ideală pentru eliminarea apei prin ambele fețe ale limbului. La suprafața limbului foliar, între celulele epidermice, se găsesc o mulțime de deschideri, stomatele, care fac legătură între spațiile intercelulare ale frunzei și mediul extern. În procesul de transpirație apa este eliminată în atmosferă mai ales prin stomate (transpirație stomatică), dar și prin cuticulă (transpirație cuticulară). Figura nr. 25 – Transpirația cuticulară și stomatică (d. Milică și colab., 1982) La nivelul tulpinilor și al ramurilor, la plantele lemnoase, apa este eliminată și prin lenticele (transpirație lenticilară) (fig. 26). 50 Figura nr. 26 – Reprezentarea schematică a transpirației lenticilare (d. Boldor și colab., 1981) Cantitatea de apă pierdută prin transpirația lenticilară și cuticulară este de 10-20 ori mai redusă în comparație cu cantitatea de apă pierdută prin transpirația stomatică. La plantele vasculare transpirația decurge în trei etape: 1)evaporarea apei la suprafața tuturor celulelor aflate în contact cu atmosfera internă, din meaturi și lacune; 2)difuziunea vaporilor de apă, prin spațiile intercelulare, spre suprafața organelor aflate în contact cu atmosfera; 3)eliminarea la exterior a vaporilor de apă din atmosfera internă a organelor. Rolul transpirației derivă din efectele pozitive pe care la are în viața plantelor. Efectul de răcire a sistemului foliar. Constă în evitarea supraîncălzirii organelor aflate sub razele directe ale soarelui în zilele de vară. Plantele care cresc în condiții în care transpirația este redusă se supraîncălzesc, ceea ce demonstrează necesitatea unei transpirații intense în zilele de arșiță. Absorbția apei și menținerea turgescenței celulelor. Prin circulația continuă a apei, datorită transpirației și forței de aspirație a frunzelor, are loc absorbția pasivă a apei, urcarea în toate organele superioare și menținerea țesuturilor într-o stare de turgescență permanentă. Efectul asupra absorbției sărurilor minerale. S-a presupus că absorbția sărurilor minerale și transportul lor în plantă au loc ca o consecință a transpirației. Absorbția sărurilor minerale este un proces activ (care necesită energie metabolică) și numai o mică cantitate de săruri este absorbită în mod pasiv, ca rezultat al absorbției apei. Sărurile minerale odată absorbite trec în interiorul vaselor conducătoare lemnoase a rădăcinii, iar aici curentul de transpirație va influența transportul și distribuirea lor în plantă. 3.6.2. Intensitatea transpirației Se estimează că o singură plantă de porumb poate transpira 256 l apă în decursul unei perioade de vegetație, ceea ce raportat la hectar, cantitatea de apă transpirată variază destul de mult, în funcție de specie. 51Într-un ciclu e vegetație, o plantă pierde prin transpirație 49 l apă la Vigna sinersis , 114 l la cartof, 136 l tomate și 204 l la porumb. Raportat la hectar, consumul mediu de apă ar fi: 0,9 mil. litri la secară, 1,5 milioane litri la grâu, 2,5 milioane litri la orez și 4-8 milioane litri la porumb. Numai într-o singură zi de vară, un hectar de sfeclă pierde prin transpirație circa 20000 l de apă. O pădure poate pierde până la 36000 l de apă pe zi/ha, iar un arțar înalt de 15 m, aflat în câmp deschis, transpiră circa 260 l apă/oră. Intensitatea transpirației reprezintă cantitatea de apă eliminată de plantă, în grame pe oră și pe cm 2 de suprafață foliară. Între plantele superioare de uscat sunt deosebiri esențiale sub aspectul intensității transpirației, funcție de arealul de răspândire pe glob, vârsta plantelor, stadiul de dezvoltare, numărul de frunze și evoluția condițiilor externe, variabile de la o zi la alta (temperatură, umiditate, nebulozitate etc.) 3.6.3. Influența factorilor externi asupra transpirației Intensitatea transpirației este puternic influențată de diferiți factori ai mediului ambiant. Dintre aceștia, cei mai importanți sunt: lumina, umiditatea atmosferică, curenții de aer și apa disponibilă din sol. Influența luminii asupra transpirației. Lumina solară influențează transpirația atât printr-un efect direct, cât și prin unul indirect. Acțiunea directă a luminii este legată de capacitatea frunzelor de a absorbi energia luminoasă pe care o transformă, peste 70%, în energie calorică, ce ridică temperatura frunzelor și intensifică transpirația. Acțiunea indirectă a luminii este corelată cu mișcarea stomatelor. La lumină, osteolele stomatelor se deschid, ceea ce intensifică transpirația. La întuneric, stomatele se închid, oprind în acest fel pierderea apei prin transpirație stomatică. Menționăm că sunt anumite specii de plante (Crassulaceae) la care stomatele sunt deschise în timpul nopții. Influența umidității atmosferice. Umiditatea relativă a aerului este o expresie a relației dintre tensiunea vaporilor în acest moment și tensiunea vaporilor unei atmosfere saturate, la aceeași temperatură. De exemplu, atmosfera la 20 0C devine saturată cu o umiditate relativă de 100%, la o presiune a vaporilor de 17,54 mm coloană de mercur. Dacă umiditatea relativă la 200C este de 50%, presiunea vaporilor va fi de 8.77 mm Hg, iar la 10% va fi de 1,75mm Hg. Se consideră că atmosfera internă a frunzei este permanent saturată sau parțial saturată cu vapori de apă. În schimb, atmosfera externă se află într-o continuă stare de nesaturație. Atmosfera săracă în vapori de apă constituie o forță deshidratantă deosebit de mare. Astfel, la un deficit hidric de 50%, atmosfera va acționa asupra plantelor ca o forță de deshidratare de 922 atmosfere. În această situație, viteza de difuzie a vaporilor din camera substomatică este foarte mare. Prin pierderea stării de turgescență, transpirația scade în mod treptat, datorită închiderii hidroactive a stomatelor. Influența temperaturii asupra transpirației. Dacă toți ceilalți factori sunt constanți, o creștere a temperaturii, între anumite limite fiziologice, va intensifica transpirația (fig. 30). 52 Figura nr. 27 – Variația intensității transpirației și evaporației în funcție de creșterea temperaturii aerului Aceasta se datorește efectului temperaturii asupra mișcării stomatelor, precum și gradientului de presiune a vaporilor. S-a arătat că stomatele se închid în jur de 0 0C și vor avea o deschidere maximă la o temperatură de aproximativ 30 0C. În afară de efectul deschiderii stomatelor, o creștere a temperaturii mărește gradientul de tensiune a vaporilor dintre atmosfera internă a frunzei și atmosfera externă, înconjurătoare, intensificând în acest fel transpirația. Influența curenților de apă. Aerul care se află la suprafața frunzei se va încărca în permanență cu vapori de apă, rezultați din transpirație. În aceste condiții, intensitatea transpirației se va micșora. Când curenții de aer (vântul) vor îndepărta vaporii de la suprafața frunzei, transpirația se va intensifica. Creșterea transpirației provocată de vânt nu este proporțională cu viteza acestuia. La vânturile cu viteze mari (furtuni, uragane), stomatele se închid, iar transpirația scade în intensitate. Influența apei din sol asupra transpirației. Dacă absorbția apei din sol de către sistemul radicular nu poate înlocui apa pierdută în procesul de transpirație apare un deficit hidric, care, atunci când se prelungește, duce la ofilire. Din această cauză, apa disponibilă din sol și activitatea absorbantă a rădăcinilor au o influență profundă asupra intensității transpirației. 3.6.4. Factorii interni care influențează transpirația Relația dintre sistemul radicular și partea aeriană. În condiții normale de transpirație, mărimea suprafeței absorbante a rădăcinilor și suprafața de evaporare a sistemului foliar va regla intensitatea transpirației. Dacă absorbția radiculară este mai mică decât transpirația, se produce un deficit intern de apă, care va reduce transpirația. Sorgul transpiră mai mult decât porumbul la unitatea de suprafață, deoarece sistemul radicular al sorgului aprovizionează mai bine cu apă partea aeriană decât sistemul radicular al porumbului. Suprafața foliară. Cu cât suprafața foliară este mai mare, cu atât și cantitatea de apă transpirată va fi mai ridicată, cu toate că nu există o relație de proporționalitate între suprafața foliară și transpirație. La unitate de suprafață plantele mici transpiră mai mult 53decât cele cu talie mare. Micșorarea suprafeței foliare, prin înlăturarea unor frunze, duce la intensificarea transpirației plantelor la unitate de suprafață foliară. În livezi, tăierile în verde la pomii fructiferi au ca rezultat intensificarea transpirației la frunzele rămase, cu toate că pierderea totală de apă este mai mare la pomii netratați. Structura frunzei. Un factor important al transpirației plantei îl constituie structura frunzei. Plantele xerofite din zonele secetoase prezintă o serie de modificări structurale ale frunzelor (cuticulă groasă, parenchim palisadic bine dezvoltat, stomate adâncite în epidermă, strat protector de perișori epidermici morți). Rezistența frunzelor xerofite, față de pierderea apei și față de ofilire, se datorește în primul rând grosimii și eficacității stratului de cuticulă care le acoperă. Pe timp secetos, osteolele stomatelor se inchid, transpirația cuticulară rămânând singura posibilitate de pierdere a apei. În cazul unei aprovizionări bune cu apă, plantele xerofite pot avea o transpirație mai intensă decât cele mezofite datorită numărului mai mare de stomate la o unitate de suprafață și unei rețele de nervuri mai dezvoltate. Totodată, intensitatea transpirației stomatice la plantele xerofite este superioară transpirației de la plantele mezofite în condiții normale. Numărul de stomate. Exceptând anumite plante acvatice, stomatele sunt prezente la toate angiospermele și gimnospermele și au o structură asemănătoare, indiferent de specie. Figura nr. 28 – Tipuri de stomate la plantele de Iris germanica (B) și Thymus serpyllum (A): 54ai – amnium inferior; as – atrium superior; ca – celule anexe; cep – celulă epidermică; ci – citoplasmă; clo – cloroplaste; csbst – cameră substomatică; cspst – cameră suprastomatică; cs – celule stomatice; ct – cuticulă; mzf – mezofil; n – nucleu; o – ostiolă; (d. Gabriela Șerbănescu-Jitariu și colab., 1980) Figura nr. 29 – Celule stomatice de tip Zea mays (A și B) și Mnium : A – stomată închisă; B – stomată deschisă; C – stomată în secțiune transversală prin frunză (punctat – stomata închisă, nepunctat – stomata deschisă); ca – celule anexe; cl – cloroplaste; ep – epidermă; o – ostiolă; pd – perete dorsal; pv – perete ventral, (d. Gabriela Șerbănescu-Jitariu și colab., 1980) 55 Figura nr. 30 – Celule stomatice de tip Amaryllis (d. Gabriela Șerbănescu-Jitariu și colab., 1980) Algele și ciupercile sunt singurele grupe mari de plante lipsite de stomate. Când celulele stomatelor sunt deschise la maximum osteola dintre ele măsoară între 3 și 12 microni în diametru, având o lungime de 10-40 microni. Pe suprafața unei frunze pot fi între 1000 și 60000 de stomate pe 1 cm 2, reprezentând o suprafață de 1-2% din limbul foliar. De obicei, stomatele se găsesc pe partea inferioară a frunzei (specii hipostomatice) sau pe ambele părți (specii amfistomatice). Transpirația este cu atât mai intensă cu cât densitatea stomatelor este mai mare. Dacă numărul stomatelor depășește o anumită densitate (peste 70000/cm 2) intensitatea transpirației scade, datorită creării unui ,,efect de margine”, respectiv a unei zone de interferență care formează o atmosferă saturată în vapori, cu curenți de difuziune ce se lovesc între ei. Poziția stomatelor pe suprafața limbului. La majoritatea speciilor, stomatele se găsesc la același nivel cu celulele epidermice. La unele specii xerofite și de deșert (Oleander, Ficus, Hevea), stomatele sunt așezate sub nivelul celulelor epidermice, în anumite cavități numite cripte. În aceste cripte aerul este liniștit, oarecum saturat în vapori de apă, ceea ce reduce mult intensitatea transpirației. La unele plante higrofite, stomatele se găsesc așezate pe ridicături de celule, unde sunt condiții pentru o transpirație intensă. Gradul de deschidere a stomatelor. Este un factor deosebit de important în reglarea intensității transpirației stomatice, care se reglează prin mecanisme de deschidere și închidere a osteolelor, funcție de acțiunea diferiților factori externi (lumina, gradul de hidratare a frunzelor) ce condiționează starea celulelor stomatice și a celulelor anexe din epidermă. 56 Mișcările stomatice au loc ca o reacție directă la creșterea sau scăderea presiunii osmotice a sucului vacuolar din celulele stomatice. Pentru explicarea mișcărilor de închidere și deschidere a osteolelor stomatelor se disting trei tipuri de reacții fiziologice care au la bază schimbarea gradului de turgescență a celulelor stomatice: fotoactivă, hidroactivă și hidropasivă. Figura nr. 31 – Schema de funcționare a stomatelor (d. Milică și colab, 1982) 57Figura nr. 32 – Gradul de deschidere a stomatelor la graminee: a – stomată cu ostiola la deschiderea minimă; b – stomată cu ostiola larg deschisă; 1, 2, 3 – secțiuni transversale prin planurile indicate în figura a (d. Boldor și colab., 1981) Reacția fotoactivă de deschidere a stomatelor este corelată cu prezența luminii. Stomatele se deschid când frunza este ținută la lumină și vor rămâne deschise dacă nu intervin alți factori. La întuneric stomatele se închid. Cantitatea de lumină necesară pentru realizarea unei deschideri maxime a osteolei variază în funcție de specie. O intensitate a luminii de 250 lucși este suficientă pentru a determina deschiderea maximă a osteolelor frunzelor de tutun. La unele specii, stomatele sunt atât de sensibile încât se deschid chiar și la lumina lunii. S-a constatat că și lungimea de undă a luminii are o influență asupra deschiderii stomatelor; radiațiile roșii și albastre declanșează o deschidere evidentă. Reacția hidroactivă de închidere a stomatelor este declanșată de deficitul hidric din plante creat în condiții de secetă, când intensitatea transpirației devine mai mare decât viteza de absorbție a apei din sol. Prin deshidratarea celulelor stomatice, enzimele acționează în sens sintetizant și transformă glucidele solubile în amidon, osmotic inactiv. Scade forța de sucțiune a celulelor stomatice și declanșează un curent de exosmoză a apei spre celulele-anexe. Prin pierderea turgescenței, volumul celulelor stomatice se reduce, iar osteolele se închid, ca reacție biologică de apărare contra transpirației intense. Când celulele stomatice redevin turgescente, osteolele se deschid. Reacția hidropasivă de închidere a osteolelor stomatelor se datorește presiunii mecanice exercitate de celulele țesutului foliar, îndeosebi celulele epidermice, care devin suprasaturate cu apă după ploi abundente sau după irigări prin aspersiune. După încetarea ploilor se reia treptat transpirația cuticulară, celulele-anexe se deshidratează treptat și încetează presiunea mecanică asupra celulelor stomatice. Acestea revin la pozițiile normale iar osteolele se deschid pasiv. 3.6.5. Dinamica diurnă și sezonieră a transpirației Dinamica diurnă a transpirației urmează, în general, mersul zilnic al luminii și temperaturii, având un maxim imediat după amiază și un minim în orele de noapte. Această dinamică a transpirației este determinată de deschiderea stomatelor în orele dimineții sub influența luminii și închiderea acestora în cursul nopții. În zilele senine și calde de vară intensitatea transpirației are valori scăzute dimineața, se intensifică în mod treptat până la orele amiezii, după care se înregistrează o scădere către seară. În perioadele de secetă, curba transpirației poate prezenta două maxime, unul în cursul dimineții, urmat de o depresiune în orele de amiază, după care se realizează al doilea maxim. Închiderea stomatelor în orele de prânz duce la reducerea pierderii apei prin transpirație, dar și la scăderea intensității fotosintezei. Raportul dintre aceste două procese este oglindit de coeficientul de transpirație. Kt = apă consumată(ml)/ substanță uscată produsă (g) Cu alte cuvinte coeficientul de transpirație reprezintă cantitatea de apă (ml) consumată de plantă pentru sinteza unui gram de substanță uscată. Valoarea coeficientului de transpirație, variază mult, situându-se între 120 și 1000. 58 Plantele cu un K t mic (sub 550) au un regim hidiric economic, iar speciile cu un Kt mare (peste 800) sunt considerate risipitoare de apă. La plantele cu fotosinteză de tip C4 coeficientul de transpirație este mai mic decât la plantele cu fotosinteză de tip C 3 Distingem și o dinamică sezonieră a transpirației. La plantele anuale transpirația este intensă primăvara, apoi scade treptat până la maturitatea plantelor (grâul, orzul). La plantele anuale (porumbul, sfecla), intensitatea maximă a transpirației are loc în a doua parte a vegetației, în lunile de vară. La plantele perene, primăvara se constată o transpirație maximă, după care urmează o scădere continuă până toamna; iarna au cele mai scăzute valori ale transpirației. 3.6.6. Gutația Plantele care cresc pe soluri calde și bine aprovizionate cu apă, într-o atmosferă umedă, elimină picături de apă prin marginea frunzelor (fig. 33). Figura nr. 33 – Tipuri de gutație la Zea mays prin vârfurile limbului (A) și pe marginile limbului (B), (d. Milică și colab., 1982) Acest tip de pierdere a apei sub formă lichidă se numește gutație. Absorbția apei de către sistemul radicular este mult mai intensă decât transpirația, astfel că apa este împinsă cu o forță hidrostatică mare prin vasele lemnoase, fiind eliminată în exterior prin anumite structuri anatomice specializate, numite hidatode. Acest fenomen se observă, îndeosebi, în timpul nopții spre dimineață, în lunile de primăvară și vară, când după o zi foarte călduroasă urmează o noapte rece. În aceste condiții, absorbția prin rădăcini rămâne la un plafon ridicat, datorită solului mai cald, în timp ce transpirația este mult redusă, atât datorită închiderii stomatelor prin reacția fotoactivă, cât și din cauza temperaturii scăzute din atmosferă și a umidității relative ridicate. 59 Figura nr. 34 – Tipuri de hidatode (d. Milică și colab., 1982) Prin perturbarea raportului dintre absorbție și transpirație se acumulează în țesuturile frunzei un exces de apă, ce se elimină în exterior direct sub formă de picături în procesul de gutație. Denumirea fenomenului derivă de la cuvântul latin qutta – picătura Lichidul rezultat din gutație nu este apă pură, ci o soluție care conține multe substanțe. Dacă se observă, pe suprafața frunzei rămâne un sediment alb, format din săruri minerale. De multe ori aceste săruri sunt resorbite de către frunze. La plantele superioare hidatodele pot fi închise (active) sau deschise (pasive). Hidatodele închise sunt situate în epiderma frunzelor, fiind în legătură directă cu vasele conducătoare. Cele mai multe plante au hidatodele deschise, formate din două celule acvifere, care sunt permanent deschise și elimină apa în mod continuu sub influența presiunii radiculare. Rolul gutației este important pentru plante, asigurând un mers ascendent al sevei brute. Plantele ierboase gutează mai ales în perioadele cu o activitate foarte intensă, când au nevoie mai mare de apă și săruri minerale. Prin gutație, plantele elimină excesul de apă care ar inunda spațiile intercelulare și ar deregla metabolismul. Prin eliminarea surplusului de apă se micșorează presiunea hidrostatică de xilem, fiind favorizată astfel absorbția apei și a sărurilor minerale prin rădăcini și conducerea sevei brute în plantă. 3.7. Bilanțul hidric al plantelor Prin bilanțul hidric sau bilanț de apă se înțelege raportul care există între cantitatea de apă absorbită și cantitatea de apă pierdută prin transpirație, în același interval de timp. În condiții normale, apa pierdută prin transpirație este recuperată prin absorbție radiculară, așa încât bilanțul hidric rămâne echilibrat (Abs / Transp = 1), turgescența celulelor asigurată, funcțiile fiziologice normale, iar producția de biomasă este mare. Când transpirația crește, mai ales în zilele secetoase și călduroase de vară, cu insolație puternică, bilanțul hidric devine subunitar și apare deficitul de apă în plante. Celulele din țesuturile frunzelor își pierd turgescența, țesuturile devin moi, frunzele sunt 60aplecate, simptome care definesc fenomenul de ofilire (temporară sau de durată), cu efecte negative asupra producției plantelor respective. Când absorbția este mai intensă decât transpirația, bilanțul hidric devine supraunitar, celulele se suprasaturează cu apă și are loc procesul de gutație. Prin aceasta se elimină excesul de apă din țesuturi și se asigură condiții optime astfel ca plantele să nu sufere și producția să nu fie diminuată substanțial. 3.8. Rezistența plantelor la secetă Seceta este un fenomen caracterizat prin lipsa precipitațiilor într-o perioadă de timp, care provoacă o veștejire de durată a plantelor. Aceasta poate fi determinată de lipsa apei din sol – seceta solului sau de aerul deosebit de cald – seceta atmosferică . Rezistența la secetă reprezintă capacitatea plantelor de a suporta condițiile de uscăciune puternică fără daune pentru individ și urmașii lui. Kramer distinge diferite tipuri și grade de rezistență la secetă: ·plante care nu pot suporta seceta, de exemplu specii care cresc la umbră; acestea sunt afectate sever sau pier curând după apariția secetei; ·plante care acumulează cantități mari de apă și au intensități scăzute ale pierderii apei datorită raportului mic dintre suprafață și volum, prezintă cuticulă groasă și un număr redus de stomate (cactușii, plantele suculente);ele își deschid noaptea și închid ziua stomatele (plante de tip CAM); ·plante care pot suporta seceta deoarece protoplasma lor se poate deschidrata fără daune permanente (mușchi, licheni, ferigi, unele spermatofite); ·plante care suporta moderat sau limitat deshidratarea, în funcție de însușirile lor structurale (plantele de cultură). Capitolul 4 NUTRIȚIA MINERALĂ A PLANTELOR 4.1. Absorbția substanțelor minerale prin rădăcini Elementele minerale sunt dizolvate în soluția solului sau fixate strâns prin adsorbție de coloizii acestuia. Calea principală de absorbție a mineralelor în plante o constituie rădăcina. 61 Există un paralelism între absorbția elementelor minerale și a apei, fiecare având legi specifice de pătrundere în plante. Apa, așa cum s-a arătat, pătrunde prin osmoză și imbibiție și sub formă moleculară, pe când elementele minerale pătrund prin alte fenomene (adsorbție, difuziune, schimb ionic, purtători de ioni), și anume sub formă disociată în ioni (cationi și anioni.) 4.1.1. Mecanismul absorbției în plante a ionilor minerali La nivelul fiecărei celule vii și mediul ambiant există un permanent schimb de substanțe. Dacă acest flux este către interiorul celulei vii se numește absorbție, în cadrul căreia transportul din citoplasmă în vacuolă sau lumenul vaselor lemnoase se numește secreție. Ieșirea din celulele vegetale a substanțelor sau ionilor poartă numele de excreție sau desorbție. Explicarea mecanismului de pătrundere a ionilor minerali se face, pe baza a două grupe de fenomene: fizice, în care caz absorbția ionilor se numește pasivă , și metabolice, când absorbția ionilor este denumită activă. Absorbția pasivă a ionilor. Dintre posibilitățile de absorbție pasivă, un rol important au: ·difuziunea; ·adsorbția; ·schimbul de ioni; ·solubilitatea ionilor și porozitatea membranelor plasmatice. Absorbția este pasivă, deoarece se face fără aport energetic celular. Difuziunea . Definită ca fenomen fizic de întrepătrundere al substanțelor puse în contact direct, difuziunea poate explica parțial pătrunderea ionilor minerali prin membranele celulare, deoarece citomembranele plasmatice sunt semipermeabile, iar difuziunea se referă, după legea lui Fick. dm =D ∙A(dc/dx)∙dt unde: dm- reprezintă substanța difuzată; D- coeficientul de difuziune; A- aria secțiunii transversale prin care se face difuziunea; raportul dc/dx – gradientul de concentrație (scăderea concentrației pe unitatea distanței). Mișcarea ionilor din soluție prin membranele plasmatice se face în funcție de sarcinile lor electrice (electrodifuziune). Pentru difuzia ionilor se folosește energia lor cinetică moleculară, care crește cu temperatura și gradientul de concentrație al soluției minerale. Adsorbția. Este un fenomen fizic de fixare a particulelor dintr-o soluție, respectiv a ionilor minerali, la suprafața altor particule solide, în cazul celulei vegetale la suprafața membranelor. Se admite în prezent că adsorbția este faza primară în absorbția ionilor minerali în celulele vegetale. Cantitatea de substanță adsorbită și concentrația soluției din care se absorb ionii se află în relația următoare: S = m∙ K∙ C ∙ n, în care: m- este cantitatea adsorbantului; C- concentrația soluției externe; K și n – constante pentru adsorbant și adsorbiți. 62 Adsorbția poate fi mecanică , realizată prin legături foarte labile între adsorbit și membrana plasmatică. În acest caz, ionii pot fi scoși (eluați) de pe aceasta prin simpla spălare cu apă. Adsorbția folară este mai puternică și se realizează prin formarea de combinații între ionii minerali (cationi sau anioni) și substanțe organice cu grupare carboxilică (R – COOH ) sau bazică (R- NH 2 ). Combinațiile rezultate cu aceste substanțe se numesc chelați. Procesul de chelatare este mai frecvent pentru cationi, iar moleculele organice din celula vegetală pretabilă la aceasta pot fi: acidul citric, piridoxalul, acizii nucleici, proteinele structurale ale membranelor plasmatice, cât și enzimele celulare. Ultimile pot fixa atât cationi cât și anioni, fiind amfotere. Pe această cale se adsorb la nivelul membranelor plasmatice ale celulei vegetale cantități importante de ioni minerali, creându-se un anume gradient de adsorbție și se cedează ionii pe măsura necesităților vitale ale celulei. Schimbul de ioni. Absorbția ionilor minerali în plante se poate face și prin absorbția de schimb sau schimb de ioni. În acest proces un rol important îl are CO 2 degajat în respirația porilor absorbanți radiculari. Reacțiile sunt următoarele: CO2 + H2O→ CO3H2 CO 3H2→ CO 3H- +H+ CO3H-+ CO 3 -2 + H + Ionii rezultați (CO 3H- și H +) reprezintă fondul de schimb ionic al celulei vegetale, la care se mai pot adăuga pentru schimbul anionic și radicali organici excretați de rădăcină, mai ales cei ai acizilor malic, succinic, citric, cât și foarte mulți aminoacizi. Pentru schimbul cationic la ionii de (H +), spre sfârșitul perioadei de vegetație când capacitatea de fixare a biocoloizilor plasmatici scade, cationii de schimb pot fi unii ioni desorbiți în exterior, mai ales K +. Schimbul de ioni de aceeași sarcină electrică (cation cu cation, anion cu anion) și are loc prin echivalența sarcinilor electrice a ionilor absorbiți și cedați. Ca urmare, un cation bivalent (Ca ++ , Mg ++) va fi absorbit prin schimb cu un alt ion bivalent sau cu doi ioni monovalenți (H + , K+). La fel un anion bivalent (SO 4) va fi absorbit prin schimb cu ionul CO 3-2, cu doi ioni CO 3H- sau doi ioni oxidril (HO -). Schimbul de ioni dintre soluția solului și rădăcinile plantelor poate fi total sau parțial. Dacă schimbul ionic este total, ionii pătrund în rădăcină în concentrație identică cu aceea a soluției solului. Dacă însă schimbul este parțial, proporția de cationi ce pătrund în rădăcină este dependentă de capacitatea de absorbția a altor cationi, prezenți la suprafața membranelor plasmatice, așa numiți ioni complimentari. Concepția filtrului lipoidic . Tot în cadrul absorbției pasive se includ și două concepții combinate, și anume aceea a liposolubilității și a ultrafiltrului. Permeabilitatea substanțelor organice și minerale prin membranele plasmatice vegetale este în funcție și de compoziția dinamică a acestora în cele două substanțe organice de bază, lipide și proteine. Când în membrana plasmatică predomină, lipoide, faza continuă, permeabilitatea membranelor ar fi mai mare pentru substanțele organice, 63iar când faza continuă ar fi formată din proteinele structurale, permeabilitatea membranelor poate fi mai mare pentru apă și ionii minerali Pătrunderea substanțelor organice s-ar face în funcție de greutatea lor moleculară și mărimea agregatelor moleculare, iar ionii minerali ar pătrunde în funcție de greutatea lor atomică. La ionii cu aceeași greutate, pătrunderea prin membrană ar fi mai activă sau mai înceată datorită unor diferențe de imbibiție a coloizilor din membranele plasmatice. Absorbția activă a ionilor minerali. Absorbția activă explică pătrunderea și transportul ionilor minerali în celulele vii prin intermediul unor substanțe organice, denumite purtători, existente în membranele plasmatice și în citoplasmă, cu funcție metabolică asemănătoare enzimelor. Această absorbție are loc cu consum de energie metabolică, provenită din respirația celulară. De aceea, între absorbția ionilor minerali și respirație s-a stabilit o corelație pozitivă foarte strânsă. Concepția transportorilor de ioni explică mai ales absorbția anionilor și în măsură mai redusă pe aceea a cationilor. Ca transportori de ioni minerali pot fi proteinele structurale, peptidele, aminoacizii, ARN, fosfatidele, piridoxalul, citocromii și esterii fosfatici ai glucidelor. Transportorul fixează reversibil ionii minerali, formând un complex (ion-transportor) (XI) ce difuzează prin membrana plasmatică, de exemplu, plasmalema (M) de pe partea sa externă (M.1), pe partea sa internă (M.2), de unde ionul este cedat în citoplasmă, purtătorul revenind la suprafața externă a plasmalemei fiind capabil de o nouă fixare a ionilor . Un număr determinat de purtători este capabil a transporta un număr nelimitat de ioni. Procesul captării ionilor este asemănător cu funcția enzimelor, iar cinetica sistemului poate fi modificată. De exemplu, moleculele citocromilor absorb și desorb ioni, oxidându-se pe partea externă a membranei și reducându-se pe cea internă. Procesul de oxidoreducere produs de citocromi se explică prin schimbarea valenței fierului. În absorbția activă, pentru fixarea ionilor pe purtători există o adevărată concurență, deoarece mai mulți ioni concurează pentru aceleași locuri de fixare pe purtători. Ionii concurenți pot forma complexe cu același purtător, dar afinitatea purtătorului pentru ioni și grupe de ioni este diferită. Astfel ionul K + este concurent cu ionii de Ca ++ , Ba++ , Sr++. Absorbția activă a ionilor necesită energie metabolică pentru activarea transportului, la formarea complexului TI, la cedarea ionilor fixați și revenirea transportorului în foița externă a plasmalemei. Absorbția anionilor se leagă cantitativ de intensitatea respirației celulare, pe când absorbția cationilor nu este legată direct, ci se poate face în funcție de gradientul electric al membranei plasmatice, cationii fiind transportați astfel în interiorul acesteia printr-o mișcare pasivă. 4.1.2. Transportul ionilor din celulă în celulă 64 Ionii absorbiți în celulele rădăcinii pot fi local metabolizați. Astfel, ionii de Na 3- și NH4+ participă imediat la sinteza secundară a aminoacizilor, iar ionul SO 4-2 , după reducere, intră în compoziția aminoacizilor cu sulf, cu carbon marcat ( 14 CO2) și N 15 . S-a arătat că la 5-10 minute de la pătrunderea azotului amoniacal se transformă în aminoacizi (alanina, acid glutamic). Dar nu toți ionii absorbiți sunt metabolizați în rădăcină. O parte, mai ales mulți cationi, circulă prin plasmodesme, de la perii absorbanți până în xilem, cu seva brută, în care ajung la aproape 20 ore și apoi în organele supraterestre ale plantei. O a treia parte a ionilor sunt eliminați ,,activi” din citoplasmă în vacuolă, unde se depozitează. Transportul ionilor, ca și absorbția lor în plante, se fac activ, prin transportori și pasiv prin schimb de ioni și difuzie liberă. Figura nr. 35 – Circulația sărurilor minerale în plante (d. Milică și colab., 1982) 654.2. Acumularea ionilor minerali În plante se acumulează o multitudine de substanțe minerale, dar niciodată nu se obține un echilibru între ionii din mediul extern (sol și apă) cu cantitatea de ioni absorbiți. Primele date s-au obținut la plante acvatice, la două alge ce cresc în ape dulci și ape sărate, și anume Nitella șiValonia . La acestea s-a constatat că, în raport cu concentrația mediului în care trăiesc, acumulează de 10 ori mai mult Mg ++ , de 13 ori mai mult Ca ++ , de 100 ori mai mult Cl-, de 2000 ori mai mult K +. Rezultă de aici că acumularea ionilor în plante este un proces activ, legat strâns de activitatea protoplasmei celulare. Prin analiza chimică a plantelor s-a constatat că cea mai mare parte a ionilor minerali absorbiți se integrează în substanțe organice complexe, formate prin fotosinteză sau prin sinteză secundară. Astfel azotul, din nitrați și săruri amoniacale, se integrează în aminoacizi, amine, amide, substanțe proteice, fosforul intră în compoziția acizilor nucleici, a enzimelor, a unor substanțe înmagazinatoare de energie (ATP) în fosfolipide, iar sulful în aminoacizi (cistină, cisteină, metionină). Unele elemente, ca de exemplu potasiul care se rețin în plantă în cantități mari, de până la 30% din totalul cenușii vegetale, se acumulează ca ion mineral prin fenomenul de adsorbție. Sunt unele substanțe minerale care se acumulează sub formă solidă în compuși cristalini (incluziuni celulare), cum este oxalatul de calciu din vacuola celulară, unde anihilează toxicitatea unor produși ai metabolismului intermediar. 4.3. Rolul rădăcinilor în solubilizarea complexilor insolubili din sol Cea mai mare parte a elementelor minerale se fixează direct pe micelele coloidale ale solului, iar soluția ce circulă prin capilarele solului este foarte diluată. Ea se concentrează puțin la aplicarea îngrășămintelor, ceea ce arată că și fixarea acestora se face tot pe particulele complexelor absorbante, organice și minerale (humic și aluminosilicilic) din sol. Adsorbția ionilor minerali pe micelele solului se poate face prin cinci moduri: mecanic, fizic, fizico-chimic, chimic și biologic. Cea mai importantă pentru nutriția plantelor este adsorbția fizico-chimică, cunoscută și sub numele de schimb a solului. Cele mai bogate în cationi de schimb sunt solurile castanii din zonele secetoase de câmpie, apoi cernoziomurile. În podzoluri, predomină ionii de H + , deoarece ionii nutritivi sunt repede spălați în profunzime, datorită precipitațiilor abundente. Rădăcinile plantelor au capacitatea de a folosi și ionii minerali din substanțe greu solubile (apatite, fosforite, carbonat de calciu). Rădăcinile pot excreta substanțe ce dizolvă acești complexi insolubili. Dintre substanțele cu caracter acid eliminate de rădăcini pentru folosirea complecșilor greu solubili, o parte însemnată este formată din acidul carbonic, ce apare ca urmare a reacției dintre CO 2 eliminat prin respirația rădăcinilor și H 2O din soluția solului. Radicalul bicarbonic (CO 3H-) acționează în cantitate mică și de aceea rădăcina excretă mulți radicali organici liberi de la acizii malic, succinic și aminoacizii solului. De asemenea, se mai folosesc ca solubilizanți acizii 66minerali puternici (HCl, HNO 3 , H2SO4) formați în sol ca urmare a absorbției selective a ionilor minerali din sărurile fiziologic acide [(NH 4)SO4, NH 4Cl și chiar din NH 4NO3]. 4.4. Excreția substanțelor de către plante Numeroase experiențe au arătat că plantele elimină (excretă), mai mult spre sfârșitul perioadei de vegetație, elemente minerale absorbite anterior, precum și o serie de substanțe organice, ca: acizi organici, glucide, proteine cu structură simplă, vitamine, hormoni, enzime. În jurul rădăcinii plantelor se creează o zonă de influență, de atragere a microorganismelor, zonă ce a primit denumirea de rizosferă și care cuprinde patru subzone: radiculară, periradiculară, rizosfera propriu-zisă și edosfera. 67 Figura nr. 36 – Secțiune longitudinală prin zona apicală a rădăcinii (d. Taiz, 1998) 68 Figura nr. 37 – Rădăcină infectată cu micoriză ectotrofă (d. Taiz, 1998) 69Figura nr. 38 – Secțiune prin rădăcina unei plante ce prezintă micoriză endotrofă (d. Taiz, 1998) Numărul bacteriilor: la o depărtare de 10-15cm de rădăcină numărul de bacterii din sol a fost de 256 milioane/g sol; în imediata apropiere de rădăcină, numărul bacteriilor a crescut la 1299 milioane/g sol; la 1 g răzătură de rizodermă au fost 5,1 miliarde de bacterii la 1 g sol. Rizosfera creată de exudatele plantelor ce atrag microorganismele prin chemotactism este un mediu ecologic deosebit de restul solului. Microflora rizosferei, mai ales cea de la leguminoase, produce acizi organici (de exemplu, acid cetoglutaric) folosiți ca solubilizanți pentru fosforite și silicați. Acești acizi organici fixează cationii sub formă de chelați și reduc spălarea lor în adâncime, mărind disponibilul de elemente asimilate de către plantele cultivate. Prezența ciupercilor în microflora rizosferei facilitează procesele de descompunere a resturilor vegetale cu amidon și celuloză, obținându-se substanțe organice cu moleculă simplă, chiar acizi organici prin care se poate regla pH-ul solului și proporția dintre bacterii și ciuperci. La marea majoritate a plantelor, microflora este specifică; exemplu, în zona radiculară a unei plante leguminoase se găsesc alte microorganisme față de rizosfera muștarului sau a ovăzului. Rădăcinile grâului excretă glucoză, flavone și nucleotide, în timp ce mazărea excretă numai acizi, substanțe bioactive. Mazărea excretă o cantitate mult mai mare de aminoacizi față de ovăz: mazărea și în general leguminoasele excretă frecvent biotină, acid pantotenic și niacină, mai rar riboflavină și tiamină. Excreția substanțelor diferite de către plantele superioare este în funcție de specie (cel mai mult excretă leguminoasele, foarte puțin gramineele), ar și de faza de vegetație. În general, capacitatea de excreție a plantelor crește după faza de înflorire. La sfârșitul perioadei de vegetație plantele desorb cea mai mare cantitate de ioni minerali, aceasta datorită îmbătrânirii coloizilor protoplasmatici și scăderii capacității lor de reținere a ionilor. De aceea, precipitațiile de la sfârșitul perioadei de vegetație ,,spală” plantele, antrenând cantitați importante de ioni minerali. Astfel de situații sunt foarte păgubitoare pentru calitatea furajelor și a fructelor. În aceste condiții grâul elimină la maturitate ioni de K +,Ca++și Mg ++, iar frunzele viței de vie elimină ioni de K + și Ca ++ în cantități apreciabile. 4.5. Factorii ce influențează absorbția elementelor minerale în plante Valența ionilor. S-a constatat că, în general, prin citomembranele vegetale pătrund ușor ioni cu valență mică. Ordinea de pătrundere pentru cationi este următoarea: NH4+ > K+> Na +> Ca ++> Mg ++> Al+++ > Fe+++ ; iar pentru anioni: NO 3- > Cl – > SO42- > PO 43- . Selectivitatea membranelor. Prin membranele celulare, dar mai ales prin cele palsmatice (plasmaleme și tonoplastul), ionii minerali pătrund gradat, selectiv. Aceasta este în funcție de cantitățile preluate de ioni în interiorul citoplasmei, și de cerințele plantelor pentru diferiți ioni minerali din soluția solului. S-a constatat că selectivitatea 70plasmatică pentru ionii minerali crește până în faza de maturitate a plantelor (la formarea fructelor și semințelor), apoi celulele bătrâne au selectivitatea foarte redusă. Vârsta. La celulele în creștere este stimulată absorbția ionilor direct și indirect. La înmulțirea celulelor, dar mai ales în timpul creșterii prin alungire (întindere) a celulelor, creșterea vegetativă a plantelor este însoțită permanent de o intensificare a absorbției și acumulării elementelor minerale în celule. Reducerea ritmului de creștere se corelează direct cu scăderea absorbției ionilor minerali în plante. Specia. Dintre plantele cultivate leguminoasele au mare capacitate de a absorbire a ionilor bivalenți (Ca ++ , Mg ++), iar gramineele a ionilor monovalenți (K + , Na +), aceasta datorându-se capacității mari de schimb ionic. Cu valori mai mari ale acestei capacități de schimb se mai înscriu și alte plante cultivate (porumb, ovăz, tomate). Concentrația soluției solului. Există o adaptare a plantelor de a absorbi în general mai mulți ioni când soluția externă este mai diluată. Aceasta deoarece soluția solului are concentrație mică, marea majoritate a ionilor minerali fiind absorbită pe micelele coloidale ale solului și astfel este creată posibilitatea unui schimb direct de ioni. Pătrunderea ionilor este mai redusă când soluția externă este mai concentrată. De aceea aplicarea dozelor mici de îngrășăminte pe parcursul perioadei de vegetație (fertilizare fazială) este mai eficace decât îngrășarea masivă nefracționată. Reacția solului. Pentru absorbția ionilor minerali, plantele au nevoie de un pH cuprins între 5 și 8 (tab.2) ; pH-ul acid scade absorbția ionilor și mai ales a cationilor, ceea ce arată că anionii se absorb bine la un pH slab acid, iar cationii la un pH slab bazic. Tabel nr. 2 Valoarea pH necesară absorbției elementelor minerale la diferite plante cultivate Specia pH Specia pH Grâu 6-8 Varză roșie 7-8 Ovăz 5-6Ridiche, sparanghel, salată, toame6-7 Orz 7-8fasole, gulie, morcov, spanac, praz, țelină6,5-7,5 Porumb 6-8 Agriș 4,5-4,8 Lupin galben 5-6 Gutui 7 Mazăre 7-8 Măr 6,5-7,5 Castravete 6-7 Păr 7 Conopidă 7-8 Piersic 7 Varză 6-7 Citrice 5-6 Măr (soiuri nordice) 7-7,3 De aceea, creșterea plantelor pe soluri acide este normală numai atunci când se calcarizează solul (ioni de Ca ++), mai ales la plante sensibile la aciditatea mediului, ca : grâul, trifoiul, orzul, sfecla pentru zahăr, inul. Nu același efect îl are prezența, în astfel de soluri a altor cationi, ca de exemplu, Al, Fe, Mn, mai ales în stare mobilă, care devin toxici și fixează ionii favorabili creșterii palntelor (calciu, magneziu, molibden, fosfor). Unele elemente minerale, așa cum sunt microelementele se absorb greu la pH peste 7 71 În legătură cu valoarea pH trebuie lămurite noțiunile de alcalinitate șiaciditate fiziologică a sărurilor minerale. Sărurile, din punct de vedere chimic, sunt substanțe neutre, dar considerate ca surse de nutriție cu cationi și anioni devin fiziologic cu o reacție acidă sau bazică. Când datorită absorbției selective a ionilor planta absoarbe dintr-o sare (îngrășământ) mai întâi cationul, sarea devine fiziologic activă: (NH4)2SO4 →2NH 4+ + SO 42- I II Când, din contră, anionul este absorbit întâi, sarea (îngrășământul) are reacție fiziologică bazică: KNO 3→ K+ + NO 3- II I La sărurile fiziologic acide rămâne în sol o cantitate mai mare de anioni ce acidifică solul și de aceea pe solurile podzolice, acide nu se aplică îngrășăminte cu azot amoniacal decât după corectarea pH solului cu amendamente. Sărurile fiziologic bazice măresc pH solului, reacția devine alcalină, deoarece din astfel de săruri minerale rămâne în sol o cantitate mai mare de cationi. Oxigenul. Solurile afânate, oxigenate, cu un raport optim apă-aer sunt cele mai favorabile pentru absorbția ionilor în plante. Această influență se datorește faptului că O 2 din sol mărește respirația rădăcinilor și pătrunderea ionilor minerali dintre care unii, cum sunt cei de azot, se pot metaboliza în mare parte în celulele radiculare. S-a constatat că o aerisire redusă a solului scade capacitatea de sinteză a proteinelor în rădăcini. În legătură cu concentrația de O 2 din sol s-a constatat că rădăcinile pot rezista până la reducerea acestuia de 2-3%. În schimb creșterea presiunii oxigenului chiar până al 100% nu modifică absorbția ionilor Temperatura. Absorbția ionilor minerali în funcție de temperatură prezintă anumite limite. Absorbția începe la 2-4 0C, se intensifică până la 18-32 0C, pentru a înregistra maximul la 40 0C și apoi încetează. Această creștere cu temperatura se explică prin permeabilitatea sporită a protoplasmei celulare la temperaturi mai mari și reducerea la valori mult prea ridicate, ce sunt în legătură cu o accentuată scădere a activității enzimatice și în cele din urmă cu coagularea citoplasmei la peste 45 0C. La plantele mezofile, din zona temperată, optimul termic este de 20-25 0C, iar la plantele termofile (castravete, pepene, dovleac) acest optim este de 30 0C. Temperatura scăzută afectează mai mult pătrunderea anionilor. Experimentele cu izotopi radioactivi au dovedit că la temperaturi joase (+ 6 0C) plantele absorb de trei ori mai mulți cationi decât anioni și de două ori mai mulți anioni de fosfor decât de azot (NO3-). Diferențele de temperatură din zona rădăcinii sau din jurul părții supraterestre a plantelor modifică absorbția ionilor numai când temperatura din zona radiculară are valori nefavorabile absorbției. Valorile termine scăzute afectează și transportul ionilor din rădăcină spre tulpină și frunze, ceea ce se explică prin scăderea activității enzimelor care participă la transportul și schimbul de ioni, a permeabilității citomembranelor și, în final, predominarea, în pătrunderea ionilor, a fenomenelor fizice de difuziune și adsorbție 72Lumina. Permeabiliatea membranelor și a citoplasmei este mai mare la lumină. Acțiunea luminii este indirectă, prin aceea că substanțele produse prin fotosinteză constituie substratul organic al respirației, din care celulele vegetale își procură energie metabolică necesară absorbției active a ionilor. Condiții de sol. Absorbția ionilor minerali este optimă la o capacitate capilară de 70-80%. Humusul din sol, prin componentele sale, acizi huminici și substanțe biostimulatoare hormonale (auximone) favorizează absorbția minerală a plantelor. Antagonismul ionic. Soluția cu o singură sare dizolvată în ea este toxică. Când conține mai multe substanțe devine nutritivă, așa cum este în realitate soluția solului. Aici, grație antagonismului ionic se crează condiții favorabile absorbției ionilor minerali. Pentru unele plante de cultură au fost chiar precizate asemenea aspecte. Astfel, la porumb, K conținut de frunze scade la aplicarea (NH 4)2SO4. În alte cazuri, prezența în cantitate mare a K + în plante scade capacitatea de absorbție pentru alți ioni (Ca ++, Mg++), iar în solul bogat în calciu scade absorbția de K + și Fe +++. Cantitatea de ioni de Ca din celule este direct proporțională cu aceea de ioni nitrici (NO 3-). Ionii de NH 4 în exces inhibă absorbția ionilor de K +, Ca++ , și mai puțin de Mg ++. Cantitatea de ioni de Mn ++ și Zn ++ din celule este micșorată când în soluția externă predomină PO 4–. În absența fosfatului nu este absorbit ionul nitric, iar în absența NO 3- nu se absoarbe K +. Dacă doi sau mai mulți ioni din mediu au aceeași sarcină electrică se observă un efect de antagonism, ce explică pătrunderea diferențiată a ionilor, datorită concurenței dintre ei pentru substanțele și locurile transportoare și fixatoare din citomembranele plasmatice. Cercetările au evidențiat marcante acțiuni de antagonism, și anume K/Na, K/Ca, H/Ca, Fe/Mn, K/Mg. În afară de antagonismul K/Mg, fenomenul este mai evident între ionii cu valență diferită. 4.6. Absorbția elementelor minerale prin frunze (nutriția extraradiculară ) Plantele au capacitatea de a absorbi prin organele aeriene substanțe nutritive sub formă de soluții. Practicarea acestui mod de nutriție s-a extins foarte mult, datorită faptului că elementele nutritive sunt mai repede absorbite. Efectul maxim al nutriției extraradiculare este în timpul înfloritului și al formării fructelor. În faza creșterii intense a plantelor, când cerințele de substanțe nutritive sunt mari, când aplicarea lor în sol ar întârzia aprovizionarea plantelor cu substanțele necesare. Modul cum sunt absorbite elementele prin frunze, mobilitatea în plante și metabolizarea lor sunt probleme bine cunoscute. Există procese metabolice rapide care pot fi de adsorbție, adsorbție- schimb sau procese metabolice dependente de respirație. Elementele prezintă grade diferite de absorbție, iar mobilitatea lor este, de asemenea variabilă (tab. 3). Tabelul nr. 3 Ritmul de absorbție și mobilitatea elementelor aplicate pe frunze 73Absorbția Mobilitatea Rapidă Uree Rubidiu Sodiu Potasiu Clor zincMobil Uree Rubidiu Sodiu Potasiu Fosfor Clor Sulf Moderat Calciu Sulf Bariu Fosfor Mangan BorParțial mobil Zinc Cupru Mangan Fier Molibden Bor Încet Magneziu Stronțiu Cupru Fier MolibdenImobil Magneziu Calciu Stronțiu Bariu Azotul poate fi aplicat prin frunze sub mai multe forme, ureea fiind una din formele cele mai folosite. Se recomandă ca ureea să se administreze la speciile pomicole după recoltarea fructelor sau toamna târziu , puțin înainte de căderea frunzelor, prin stropiri cu soluții conținând 4-5% uree. Stropitul cu sulfat de amoniu și azotat de potasiu aplicate cerealelor au sporit conținutul de proteină din boabe și au mărit producția. Fosforul se aplică prin frunze cu rezultate favorabile la sfecla pentru zahăr, la pomii fructiferi și specii legumicole, mai ales când temperatura solului este scăzută, iar absorbția radiculară mult frânată. Potasiul (K2SO4), aplicat sub formă de soluții de săruri pe frunze, este repede absorbit și translocat, dând sporuri importante de producție de cartof și pomi. Magneziul a dat bune rezultate prin aplicarea lui sub formă de soluții la măr, viță de vie, tomate, pepeni, țelină. Fierul, dat ca FeSO 4, a sporit producția la soia și recoltele de sfeclă pentru zahăr, fasole, cartof. Mare eficiență au dovedit și stropirile cu soluții de calciu, sulf, sodiu, clor, zinc, mangan, cupru, bor și molibden. În ultimul timp, fertilizarea foliară, pentru suplimentarea celei radiculare, a devenit o metodă tehnologică mult răspândită la pomi, vița de vie, legume și chiar plante din culturile de câmp. Ea se asociază cu aplicarea insectofungicidelor, a ierbicidelor și biostimulatorilor, obținându-se sporuri importante de producție. 4.7. Ritmul de absorbție a elementelor minerale 74 Procesul de nutriție al organismului vegetal decurge în tot timpul perioadei de vegetație, dar intensitatea absorbției substanțelor nutritive are un ritm foarte diferit. Plantele se deosebesc între ele atât în privința ritmului de nutriție, cât și prin durata perioadei de vegetație. În legătură cu consumul substanțelor nutritive, se deosebesc la plante noțiunile de moment critic și consum maxim. Moment critic al nutriției este când insuficiența sau lipsa substanțelor minerale are o acțiune foarte dăunătoare asupra creșterii și dezvoltării ulterioare. Consumul maxim este când plantele iau din sol cantitatea cea mai mare dintr-o anumită substanță. La cele mai multe plante, unele substanțe nutritive sunt absorbite până la înflorire. Momentele critice apar de obicei în primele faze de vegetație, iar consumul maxim corespunde cu fazele mai târzii. La plantele anuale timpurii ( orz de primăvară), aceste momente sunt mai apropiate. La alte plante, ca pomi și viță de vie, momentul critic și de consum maxim se plasează la mijlocul ciclului anual de vegetație. La cereale păioase (grâu, secară), perioada nutriției durează aproximativ 6 luni; momentul critic este la înfrățire, iar consumul maxim la înfrățire, împăiere și înspicare, când se absorb aproximativ 70% din azot, fosfor și potasiu. Se poate aprecia că la grâu, în fazele timpurii de vegetație, predomină consumul de azot, apoi cel de potasiu. La înspicare predomină din nou consumul de azot. La cerealele de primăvară, momentul critic al nutriției este tot la înfrățit, iar consumul maxim în faza de burduf și se menține până la înspicare. Eficiența maximă este la începutul formării paiului. La porumb, sfeclă pentru zahăr, viță de vie și pomi asimilarea substanțelor nutritive se produce într-un timp îndelungat, însă cea mai mare cantitate de azot, fosfor, potasiu se absoarbe în prima parte a perioadei de vegetație. Magneziul și calciul se consumă în tot cursul perioadei de vegetație. 4.8. Rolul fiziologic al elementelor minerale Deși acțiunea fiecărui element din corpul plantei se manifestă numai în interdependență cu alte elemente, se poate arăta că rolul fiziolog al diferiților anioni și cationi este apreciat după participarea lor în sistemele funcționale din celulă și după funcțiile specifice pe care le exercită în doze normale, carență sau în exces. 4.8.1. Rolul macroelementelor Macroelementele acumultate în plante în doze mai mari, de 10 -2 M, sunt absorbite de plante atât sub formă de anioni (N, P, S, Si, Cl), cât și sub formă de cationi (K, Ca, Na, Fe, Mg, Al). Azotul. Azotul este unul dintre elementele fundamentale ale vieții plantei. Necesarul de azot al diferitelor specii de plante este variabil; astfel, sfecla pentru zahăr, cartoful, cânepa, varza, tomatele, cerealele necesită mari cantități de azot. Absorbția azotului are loc în tot cursul perioadei de vegetație, dar fiecare specie cultivată are perioade critice specifice, cum ar fi la cereale înfrățitul și împăierea, la sfecla pentru zahăr formarea aparatului foliar, la pomi legarea florilor etc. 75Sursele de azot pentru plante. Plantele pot absorbi azotul sub formă organică, iar unele sub formă de azot molecular. Dintre substanțele organice, ureea este bine absorbită prin rădăcini și frunze și transportată în plante sub formă amidică. Aminoacizii sunt, de asemenea, surse utilizabile de azot pentru multe plante agricole. Cele mai importante surse de azot sunt însă formele anorganice, nitrică și amoniacală, bine absorbite prin rădăcini și prin frunze. Plantele au o preferință față de o formă sau alta, care se poate modifica în cursul perioadei de vegetație; în faza de tinerețe plantele utilizează mai mult cationul NH 4, iar în faze mai înaintate de vegetație anionii NO3 și NO 2. Absorbția de către plante a ionilor NO 3-sau NH 4+ este în dependență de pH solului, factor cu importanță mai ales în absorbția de NH 4+. Anionul NO 3- este mai indicat pentru solurile mai acide, iar cationul NH 4+ pentru cele neutre. La pH alcalin sărurile de amoniu pot favoriza, prin descompunerea lor, acumularea de NH 3 care este toxic pentru plante și îndeosebi inhibă germinația semințelor. Pentru unele plante NH 4 este sursa cea mai bună de azot (cartof, orez, in), dar alte specii (ovăz, orz, sfeclă pentru zahăr) preferă azotul nitric. Absorbția de NH 4+ favorizează o metabolizare mai rapidă a azotului prin fixarea lui de către acizi organici specifici cu formare de aminoacizi, proces caracteristic plantelor cu un conținut mare de acizi organici. Absorbția de NO 3- implică procese de reducere, care pot avea loc în frunze și în rădăcină, cu acțiunea unor enzime specifce fiecărei trepte de reducere: Pentru reducerea nitraților este necesar H +, care provine din fotoliza apei. Rezultă deci că sunt necesare reacții fotochimice, precum și acelea de fosforilare, fapt ce explică prezența factorului lumină în formarea substanțelor proteice. Acțiuni specifice. Cea mai importantă utilizare a azotului în metabolismul plantei este formarea aminoacizilor. Aceștia sunt acizi cu o grupare aminică substituită unui atom de carbon adiacent la o grupare carboxilică. Mecanismul reacției prin care se formează aminoacizii este acela dintre NH 3și un alfa-cetoacid care, prin aminare reductivă, duce la formarea aminoacidului corespunzător. O altă reacție este aceea de carboxilare a aminoderivațiilor. Astfel are loc carboxilarea alfa-aminobutiric, cu formarea acidului glutamic catalizată de enzima decarboxilaza glutamică. Formarea aminoacizilor poate avea loc și prin reacții de transaminare sub acțiunea unor enzime transaminaze, larg răspândite în toate țesuturile plantelor mai ales în rădăcini. Doi aminoacizi pot condensa întreaga grupare carboxilică a unuia dintre aminoacizi și gruparea aminică al celuilalt rezultând o legătură peptidică. Când se leagă doi aminoacizi rezultă o dipeptidă, iar când se leagă un mare număr de aminoacizi ia naștere o proteină. Biosinteza substanțelor proteice se realizează în ribozomi, în cloroplaste ca și în mitocondrii. În frunze, energia necesară proteosintezei provine de la soare, iar în alte organe nefotosintetizante, energia necesară provine din oxidările glucidelor. 76 Substanțele proteice se găsesc în plante într-o stare dinamică. Ele se formează mai intens în frunzele tinere de unde sunt translocate în alte organe. Sub influența enzimelor endopeptidaze are loc descompunerea substanțelor proteice în aminoacizi, formă sub care migrează spre locurile de acumulare și unde are loc resintetizarea lor. Substanțele proteice depuse în semințe sunt hidrolizate în timpul germinației prin acțiunea enzimelor proteolitice. Aminoacizii proveniți din această hidroliză sunt conduși spre organele în curs de creștere și servesc la biosinteza substanțelor proteice specifice organelor respective. Ca urmare a hidrolizei proteinelor pot fi eliberate grupările aminice care se pot transforma în amoniac sau pot reacționa cu aminoacizii (acidul asparagic și glutamic), formând amide (asparagina și glutamina) netoxice pentru plante. Simptome de carențe și exces . La insuficiență de azot, plantele rămân mici, frunzele sunt de un verde-deschis, chiar galbene, simptom ce apare mai întâi la frunzele bătrâne. În exces, azotul prelungește perioada de vegetație, micșorează rezistența plantelor la cădere, ger, boli și dăunători. Fosforul. În viața plantelor fosforul este un element deosebit de impotant, cu funcții specifice de a intra în compoziția structurilor celulare și de transportor de energie. Fosforul este absorbit de rădăcinile plantelor sub formă de ioni PO 43-, translocați în tulpini, de unde ajung în întreaga plantă. Fosforul anorganic este foarte repede încorporat de plante după absorbția sa și legat de moleculele organice. Fosfolipidele prezintă cel mai important constituient cu fosfor care intră în componentele celulare; sunt esteri ai acizilor glicerofosforici, cele mai întâlnite fiind lecitina și cefalina. Datorită caracterului lor bipolar (baza glicerică este hidrofobă, iar grupul fosfat este hidrofil) se pot orienta între suprafețe, funcționând ca o verigă de legătură între structurile celulare hidrofile și hidrofobe. Aceasta este cea mai importantă funcție în organismul plantelor, mai ales în membranele celulare (tonoplast, plasmalemă, membranele cloroplastelor). Ele pot apărea și sub formă dispersă, asemănător grăsimilor neutre, ca picături în citoplasmă, dar cea mai mare parte funcționează ca bază a structurilor plasmatice. Alți esteri ai acidului fosforic sunt acizii nucleici. Aici grupul fosfat se așază la o nucleosidă, formându-se o nucleotidă, iar legătura dintre două nucleotide, în lanțul acizilor nucleici, se realizează prin intermediul grupului fosfat. În plante, fosforul se mai găsește sub forma unui ester, fitina sau hexa- fosfatmezoinozitol. Fitina este sarea de Ca și Mg a acidului fitinic, reprezentând 80% din fosforul total din semințe și boabe și 2% în organele verzi. Fitina constituie o rezervă de fosfor necesar proceselor de metabolism. Fosforul este o bază importantă de constituție a coenzimelor (NAD, NADP, FMP). Acțiuni specifice. Importanța fiziologică a fosforului se manifestă mai ales în sistemul acizilor adenozinfosforici: AMP grup fosfat ADP + grupat fosfat ATP Pirofosfații formați prin legăturile realizate între două grupări fosfat (ADP-ATP) sunt foarte bogați în energie (7600 cal/mol). 77 Energia acumulată în ATP este folosită în toate procesele metabolice din plante: glucidic, lipidic, proteic. Producerea de energie din ATP în procesele de fosforilare se face conform reacției: ATP ADP +P anorganic +700 cal În procesul de fotosinteză, prezența de ATP și NADPH 2 asigură fosforilarea și reducerea acidului 3-fosfogliceric formându-se aldehidă fosfoglicerică, reacția care necesită o cantitate mare de energie, pusă în libertate prin oxidarea NADPH 2 și reducerea ATP în ADP + P. Sinteza polipeptidelor, ca și sinteza lipidelor se realizează cu ajutorul energiei de la ATP. În glicoliză au loc reacții care reclamă prezența fosforului: fosforilarea hexozelor; oxidarea triozofosfatului la acid difosfogliceric care ulterior formează acidul fosfogliceric; fosforilarea unei molecule de ADP la formarea acidului piruvic. În ciclul Krebs au loc trei reacții de fosforilare, în care intermediarii donează fosfat la ADP. Simptome de carență. În lipsa fosforului plantele rămân mici, frunzele se răsucesc, iar pe ele apar pete violet-roșcate. Plantele rămân în continuare verzi, dar pețiolii și zonele din vecinătatea nervurilor se colorează în roșu, datorită formărilor glucosizilor antocianici, prin blocarea glucidelor solubile. La pomi, carența de fosfor reduce creșterea mugurilor de rod, iar fructele cad prematur. La măr, frunzele rămân mici, cu vârful purpuriu. Simptomele lipsei de fosfor sunt numeroase, datorită multiplelor sale funcțiuni precum și stării fiziologice a plantelor. În general, pe frunzele bătrâne se constată efectul carenței. Sulful. Este absorbit de plante din sol sub formă de ioni de SO 2 din aer. Urmează o transformare în substanțe oragnice legate sub formă redusă (R- SH); ca grupare disulfit (R-S-S-R) în sulfuri de alil și cistină; ca rodamit (R-N =C =S) în semințele de muștar și hetorociclii cu sulf: aneurina și biotina. Formele din plante. Aminoacizii cu sulf (cistina, cisteina și metionina), ca și proteinele cu sulf, reprezintă cea mai importantă încorporare a sulfului în substanțe organice. Aproape jumătate din sulful organic se găsește în metionină, iar restul participă la formarea cisteinei, cu rol în formarea legăturilor polipeptidice. De asemenea, punțile sulfit (R-S-S-R) sunt un important element în construcția scheletelor proteice. Acțiuni specifice. Cisteina și cistina au rol bine cunoscut în procesele de oxidoreducere, prin grupele disulfit (-S – S) care pot primi sau ceda hidrogenul. Acest sistem lucrează analog cu nicotinamidadenin dinucleotidul (NAD, NADP) sau cu flavinmononucleotidul (FMN), care se pot reduce prin primirea de hidrogen și se pot oxida prin pierderea acestuia. Gruparea disulfit a glutationului oxidat poate fi redusă în ciclul lui Krebs, reacție reversibilă ce se face cu multă ușurință și în mod continuu în celula vie. O altă importantă legare a grupării SH este la coenzima A. În acest caz se formează o legătură cu un acetat sub influența ATP, din care rezultă o legătură a acetilului foarte bogat în energie ce poate fi transportată pe alte molecule. Această acetilare constituie principiul formării acidului citric în ciclul Krebs. Tiamina intervine în decarboxilarea acidului piruvic producându-se o acetaldehidă activă care este hidroxietilamina. Reacția este importantă în formarea pentozelor din acizii ribonucleici în fotosinteză. Biotina acționează ca transportor de CO 2 în reacția de carboxilare. 78Simptome de carență. Carența de sulf se aseamănă foarte mult cu aceea a azotului; plantele rămânând mici și rigide. Frunzele sunt galbene, în parte slab colorate în roșu. Carența de sulf duce la o creștere a azotului solubil (amoniacal, nitric, aminic, amidic) și la o încetinire a formării substanțelor proteice. În boabele de grâu crește conținutul de acid aspartic și scad ceilalți aminoacizi esențiali. În plantele leguminoase, carența de sulf are efect negativ asupra formării nodozităților pe rădăcini. La grâu, simptomele apar mai întâi la frunzele bătrâne sub forma îngălbenirii și a îmbătrânirii premature. Conținutul citric de sulf din plante este considerat la valoarea de 1-1,5 mg/g substanță uscată (tab. 4) Tabelul nr. 4 Conținutul de sulf din plante la nivelul carenței și a unei bune aprovizionări mg/S/g substanță uscată Specia CarențăBună aprovizionare Fasole pitică (frunze și tulpini) 1,35 2,83 Fasole urcătoare (frunze și tulpini) 0,95 1,55 Tomate (frunze și tulpini) 1,05 2,17 Porumb (tulpini) 0,67 1,05 Muștar (tulpini) 1,47 5,17 Tutun 2,34 6,41 Trifoi roșu 1,31 2,41 Siliciul. Influențează asupra ritmului de creștere a plantelor. Este stimulată absorbția de CO 2 și ca urmare se intensifică fotosinteza și asupra rezistenței la boli și dăunători. Mult siliciu se acumulează în frunze și tulpini împregnând membranele celulare. Insuficiența de siliciu duce la oprirea creșterii rădăcinii iar la ovăz și orez înfrățirea este redusă. Frunzele plantelor sunt îngălbenite, iar din cauza dereglării circulației apei apar ofilite. Vârfurile frunzelor începe să se usuce, apar necroze, care pot avansa pe întregul limb. La castravete nu se formează fructe, plantele de fasole nu cresc, au transpirație mare, se ofilesc, rădăcinile sunt atacate de ciuperci. Plantele carente conțin puțin, 300-800 ppm din substanța uscată. La plantele sănătoase nivelul este de 10-50 chiar 100 de ori mai mare. Clorul. Rolul clorului asupra sistemelor enzimatice, activează citocrom-oxidaza; oxidarea citocromului C redus de către coenzima I este accelerată de prezența clorului., asupra creșterii și stării de turgescență a plantelor, inclusiv asupra hidratării biocoloizilor din plasma vegetală. Clorul are influență asupra creșterii rădăcinii, stimulează activitatea în vârful de creștere, la plantele de bumbac și tomate. Sfecla roșie și sfecla de nutreț necesită un nivel mai ridicat de clor decât alte plante Acest element stimulează biosinteza clorofilei. Absorbția oxigenului de către rădăcinile plantelor este influențată favorabil de clor. 79 La concentrații prea mari în plante, clorul poate avea o influență negativă. Specii de plante ca: fasolea, cartoful, castravetele, tomatele, vița de vie, tutunul, pomii sunt clorofobe, în timp ce sfecla, ridichea, țelina preferă doze mai mari de clor. Insuficiența de clor se manifestă prin ofilirea plantelor, oprirea creșterii, ruperea cu ușurință a rădăcinilor, care devin în general mici. Frunzele prezintă desene clorotice, care mai târziu devin galbene. Carența apare mai întâi pe frunzele tinere. La tomate începe ofilirea de la vârful frunzelor, apar pete de bronz apoi necroze. La carențe puternice nu se formează fructe. Carențe de clor apar când în plante nivelul este sub 170-280 ppm din substanța uscată. Conținutul critic este la 110-180 ppm. Potasiul. Dintre toate elementele potasiul este principalul macroelement – cation care se găsește în plante în cantitatea cea mai mare. Rolul lui în creșterea și dezvoltarea plantelor este bine stabilit. Absorbția potasiului de către plante se face printr-un mecanism pasiv (difuzie, flux de apă) sau activ, implicând procese metabolice. Se consideră o bună aprovizionare a plantelor cu acest element când 2% din capacitatea de schimb de ioni ai solului este saturată cu potasiu. Absorbția potasiului poate fi considerabil împiedicată de prezența ionilor de Ca, Mg și Na după cum și potasiul poate stânjeni absorbția acestora. Predomină în organele tinere, în țesuturile meristematice. O mare parte a potasiului se găsește sub formă de ioni adsorbiți, iar prezența sa în structurile organice este greu de semnalat. Acțiuni specifice. Potasiul are un rol important în formarea biocoloizilor și asigură hidratarea lor, ceea ce este hotărâtor pentru activitatea enzimelor din plante. Se cunosc, în prezent, peste 40 de enzime activate de acest cation. Această activare constă în legarea unei valențe a enzimei de K + cealaltă fiind saturată cu Mg și ATP. Importanța potasiului în menținerea organizării celulei, hidratarea și permeabilitatea ei; reduce consumul de apă al plantelor, mărind astfel rezistența lor la secetă. În procesul de fotosinteză potasiul favorizează fosforilarea și determină convertirea energiei luminoase în energie chimică. Acționează ca activator asupra reacțiilor chimice ale fenomenelor, iar ulterior influențează și asupra conținutului de clorofilă, a cărei biosinteză o activează. K + este prezent la suprafața cloroplastelor de unde în timpul fotosintezei pătrunde în interiorul lor, acționând ca activator. S imptome de carență. În lipsa potasiului crește activitatea amilazei, zaharazei, glucosidazei, galactosidazei, pectinazei și a proteazei, astfel că în plante conținutul de glucide și de substanțe proteice este mai mic. Suplimentarea cu K + duce la un conținut mai mare în plante a substanțelor din aceste grupe. Lipsa potasiului produce o perturbare în metabolismul proteinelor, acumulându-se în plante aminoacizi liberi și amide. Carența de potasiu determină o slabă turgescență a plantelor, acestea apărând ofilite. Pe frunzele bătrâne apar cloroze și necroze. Contrar lispei de Mg, cu ale căror simptome de carență se aseamănă, necrozele apar la marginea limbului, care devin brune și se răsucesc. Simptomele apar mai întâi la frunzele bătrâne. Frunze de porumb și de măr cu arsuri pe margine provocate de carența de potasiu. 80 În fazele timpurii carența de K + determină închircirea plantelor, cu pronunțată scurtare a internodurilor și căderea plantelor. Un indiciu important pentru pomi, în ceea ce privește diferența dintre simptomele carenței de K + și Mg, este acela al mărimii frunzelor. La o insuficiență de potasiu creșterea frunzelor este oprită timpuriu, comparativ cu aceea provocată de insuficiența de Mg. Speciile pomicole pierd frunzele mai repede în cazul insuficienței de Mg, decât în cazul celei de K. La vița de vie s-a observat că intensitatea lipsei de K poate determina simptome diferite: insuficiența mare duce la căderea florilor, strugurii nu se mai formează, iar la o insuficiență nu prea accentuată frunzele au o colorație violetă- albăstruie. La tomate, la cel mai scăzut nivel de potasiu simptomele sunt puțin evidente pe frunze, dar fructele sunt puternic afectate, mai ales în ceea ce privește colorarea. Pe fructe apar zone de țesuturi care rămân verzi sau galbene, pete de ,, ceară,, , datorate unei incomplete colărări. Prezența spațiilor cu aer în interiorul fructelor ca și conturul unghiular al fructului sunt indici ai lipsei de potasiu. Conținutul de potasiu din frunzele plantelor cu carențe este de multe ori sub 10mg/g substanță uscată, pe când în plantele bine aprovizionate conținutul este de 15-50mg. Sodiul. Este un element absorbit mai lent comparativ cu alți cationi, încât nivelul lui în plante are valori mici. La diferite specii de plante o puternică acumulare de Na în rădăcini, comparativ cu organele aeriene unde conținutul a fost mai mic. Absorbția și transportul diferențiat de sodiu la plante se datoresc prezenței în cantitate mică sau mai mare a purtătorilor specifici de Na. Acțiuni specifice. Rolul fiziologic al sodiului se constată mai ales în reducerea transpirației. S-a demonstrat că sodiul mărește rezistența la ofilire a plantelor, intervine în transportul CO 2 în plante și mobilizează circulația K și P în plante. Din numeroase încercări de stabilire a rolului sodiului a reieșit eficacitatea acestui element în solurile sărace. În aceste condiții, sfecla roșie, spanacul, orzul, țelina, sfecla pentru zahăr, morcovul, varza au manifestat o specificitate față de nutriția de sodiu, care nu a putut fi compensată de alți cationi. Plantele halofile acumulează mult Na în mezofil. La aceste specii conținutul de Na este de 20-30 mg/g de substanță uscată, iar plantele cu cerințe mici au un conținut de 0,5-1,0 mg. Sfecla pentru zahăr tolerează bine sodiul, care are efect favorabil asupra producției de rădăcini. Asupra leguminoaselor pentru boabe și furaje, sodiul are efectul de a mări conținutul de azot total și a spori activitatea bacteriilor fixatoare de azot din nodăzități. Simptome de carență și exces. Carența de Na se manifestă prin îngălbenirea frunzelor care rămân mai mici. La vârful lor și pe margini apar pete albe și necrotice. La multe plante frunzele capătă o culoare verde-închis, metalică. Simptomele carenței sunt vizibile la frunzele bătrâne. Influența toxică a conținutului mare de Na se atribuie, acumulării în rădăcină cu efect nefavorabil asupra absorbției apei. Se consideră că toleranța plantelor față de sodiu este în următoarea ordine: Sfeclă > țelină > morcov > bumbac > in >ovăz > lucernă > trifoi > fasole . 81Calciul. Este absorbit și metabolizat de către plante mai lent, astfel că, de multe ori, pot apărea carențe în calciu chiar în condițiile unei aprovizionări corespunzătoare în sol cu acest element. Prezența în plante. În plante, calciul se găsește sub formă minerală și organică. În combinații organice este prezent în vacuolă ca oxalat de calciu, în organele bătrâne, dar mai ales în membrane ca pectat de calciu, iar în protoplasmă sub formă de fitină (inozit fosfat de Ca și Mg). Sub formă minerală umple lumenul vaselor la plantele lemnoase cu CaCO 3, iar mai rar este întâlnit și ca SO 4Ca Calciul intră în componența unor enzime (lipaza, esteraza, colinesteraza) sau este activator al arginazei și dehidrogenazei. Conținutul de calciu din plante este cuprins între 0,5 și 3%, conținutul de 0,5% fiind considerat nivel critic. Cele mai mari cantități de calciu sunt conținute în țesuturile conducătoare din pețiol și tulpină. La castravete, nivelul optim de calciu este de 4,3 mg/g de substanță uscată; în rădăcinile de morcov 7,8 ; în frunze de morcov 21; în ceapă 17; în salată 4,3; țelină 9,2; frunze de tomate 7,0; frunze de tutun 15,4; spanac 7,8; mazăre 23,0 mg/g . Acțiuni specifice. Calciul influențează favorabil creșterea rădăcinii, fiind considerați de mai mulți autori elementul creșterii rădăcinii. Calciul este un stimulator al biosintezei mitocondriilor, reglează elasticitatea pereților celulari și favorizează întinderea celulelor. Acest din urmă rol se manifestă până la concentrația 0,4 ppm. Rolul calciului asupra întinderii celulelor se realizează printr-o legătură chelat de Ca-auxină, care acționează în mecanismul creșterii în suprafață a membranelor. De asemenea, stimulează creșterea cambiului și diviziunea celulelor din meristemele apicale. Calciul favorizează oxidarea citocromului C redus, precum și reducerea NAD. Simptomele de carență. Insuficiența de calciu se manifestă printr-o creștere slabă, uscarea rădăcinilor, deformarea și răsucirea frunzelor, uscarea mugurelui terminal. Carența de calciu apare cel mai frecvent la tomate, varză, morcov, tutun. Fructele de tomate din cultura de seră pot căpăta putregaiul fructelor datorită carenței de calciu, care poate apărea atât în cazul lipsei acestui element, dar și în urma unei slabe absorbții de Ca ++ cauzată de conținutul ridicat de K + și Mg ++. Apare astfel boala, ca urmare a formării unei cantități mici de substanțe pectice în pereții celulari. Carența poate fi înlăturată prin aplicarea de amendamente sau prin stropiri cu azot de calciu sau clorură de calciu 0,5-1,0% La mere, carența de calciu poate reduce amăreala și alveolare pieliței fructelor, boală ce se combate prin stropiri repetate cu azot de calciu sau cu alte săruri de calciu (1,5%), cu 1-2 luni înainte de recoltare sau chiar după recoltarea fructelor înainte de depozitare. La cartof, frunzele rămân mici, cu zone necrotice pe margini, reducând mult țesutul asimilator, proces ce are ca urmare o slabă producție de tubercului. Lipsa de calciu blochează amidonul în frunze, întrucât amilaza, care este enzimă activată de calciu, nu acționează în hidroliza amidonului fiind astfel împiedicată migrarea lui în tubercul. La sfecla pentru zahăr carența de calciu produce deformări ale rădăcinii și necrozarea frunzelor. La trifoi, frunzele rămân mici, pețiolul se necrozează și cad. La castraveți, frunzele prezintă cloroza mezofilului, iar la o carență mai puternică se necrozează și cad. 82Magneziul. Este absorbit de plante sub formă de ioni Mg ++ . Deși se consideră că la un conținut de 10-15% magneziu din totalul cationilor schimbabili nu se poate produce carență în acest element, concentrațiile mari de K + influențează inhibitor absorbția de Mg ++. La porumb și floarea soarelui apar simptome de carență chiar când magneziul se găsește în concentrație mare, dar și când conținutul de potasiu este la un nivel foarte înalt (antagonism ionic). Circulația magneziului în plante este redusă, iar direcția transportului este către organele tinere, fapt ce se deduce din concentrațiile întotdeauna mai mici de Mg din organele bătrâne comparativ cu cele tinere. Magneziul este prezent în toate procesele fiziologice ca activator al unor enzime sau participând direct în sistemele complexe de reacții biochimice. Ionii de magneziu influențează hidratarea biocoloizilor din plasmă și a substratului proteic din enzime Mg ++ este implicat în următoarele procese fiziologice: -fosforilarea fotosintetică. Participarea magneziului prin contribuția clorofilei la absorbția luminii și scindarea moleculei de apă ca și rolul său de transportor de energie; -fosforilarea ciclică este activată de Mg -fixarea CO 2 în ribulozodifosfat necesită 3 molecule de ATP într-un proces de fosforilare activat de Mg; -sinteza glucidelor, substanțelor proteice, acizi nucleici, grăsimi și lipoide are loc prin reacții de fosforilare, care necesită prezența Mg ++; -decarboxilarea oxidativă a acidului acetil-lipoic este activată de Mg ++; -activarea enzimei acidului citric se face de către Mg ++; -sinteza ATP în ciclul acidului citric din ATP și fosfor anorganic corespunde mecanismului de reacție a acidadenilchinazei, care encesită Mg; -formarea gluatminei din NH 3 și acid glutamic necesită ATP și Mg ++. De asemenea, ionii din magneziu stimulează includerea aminoacizilor în molecula proteică. În cazul carenței de Mg sinteza proteinei este oprită prin pierderea funcției ribozomilor în acest proces. O insuficiență de Mg ++ se observă printr-o formare mai scăzută de glucide, grăsimi și substanțe proteice. La cartof, carența de Mg blochează amidonul în frunze, transportul către tuberculi fiind mult mai încetinit. La o prelungire a acestei insuficiențe frunzele se îngălbenesc, devin cenușii și se usucă prematur. La varză, carența se manifestă prin apariția de pete întunecate. La cele mai multe dicotiledonate lipsa de Mg produce o decolorare a frunzelor bătrâne, urmată de o necrozare și chiar o cădere timpurie. La grâu, orz și ovăz apar pe frunze puncte galben deschis, înșiruite pe lungimea frunzei. La o lipsă mai puternică de magneziu aceste pete devin roșcate, se rtansformă în necroze și apoi frunzele se usucă. La porumb, insuficiența slabă de Mg produce 2-3 dungi galbene, paralele cu nervura mediană (tigrate). La măr, carența de Mg se manifestă prin defolierea lăstarilor, cu excepția frunzelor de la vârf. Pe frunze apar necroze, apoi se răsucesc. La vița de vie apare de la marginea frunzelor o decolorare, care continuă între nervuri. În stadiu mai avansat de carență în magneziu, țesuturile pot fi distruse. 83Fierul. Poate fi absorbit de plante sub formă feroasă sau ferică (Fe ++ , Fe +++), iar în ultima vreme se pune tot mai mult accentul pe utilizarea formei chelatice. Cele mai cunoscute funcții ale fierului sunt cele din sistemele enzimatice la alcătuirea cărora participă (hemoglobina, catalaza, peroxidaza, citocromii), fiind analog cationului Mg ++ din scheletele porfirinice ale clorofilei. Fierul influențează fotosinteza, fosforilarea oxidativă și metabolismul azotului, catalizează biosinteza pigmenților clorofilieni și carotenoizi. O carență de fier se manifestă la plante prin cloroza frunzelor tinere, iar la o carență foarte puternică acestea apar albe. Există corelații între intensitatea carenței de fier, conținutul de clorofilă și conținutul de acizi solubili, indicând aceste valori drept indici de apreciere a gradului de aprovizionare cu Fe (tab.5). Tabelul nr. 5 Relația dintre simptomele carenței de fier, conținutul de clorofilă, conținutul de acizi solubili și conținutul de fier din frunze Intensitatea carențeiConținutul de clorofilă (mg/l g s.u)Conținutul de acizi solubili (ppm/s.u)Conținutul de Fe (ppm/s.u) Frunze de păr: – putenic clorozate – clorozate – slab clorozate – verzi deschise – verzi – verzi închise0,17 0,25 0,34 0,61 6,74 0,8912,4 15,6 17,0 26,7 30,4 35,719 26,9 23,6 36,4 40,3 46,9 Frunze de tutun: -puternic clorozate – slab clorozate – verzi deschise – verzi – verzi închise0,24 0,51 0,74 1,11 1,5439,6 40,0 42,1 46,5 92,778,9 87,0 70,2 73,2 115,0 Scăderea activității fotosintezei ca urmare a carenței fierului atrage după sine scăderea conținutului de glucide, în special al amidonului, și de substanțe proteice. Lipsa de Fe produce cloroza frunzelor tinere, pe când frunzele bătrâne de pe aceleași ramuri rămân verzi. Spre deosebire de cloroza provocată de lipsa de mangan, care apare pe frunze între nervuri, la carența de fier frunza este afectată în întregime. Fosforul în exces împiedică buna aprovizionare a plantelor ce Fe, (raportul optim P/Fe este de 40-50). De asemenea, raportul Fe/Mn este considerat a fi o cauză a dereglărilor ce apar în nutriția plantelor. La un conținut mare de Mn apare carența de Fe. În prezent, pentru corectarea carenței de fier se folosesc chelații sintetici, priviți cu mult interes. Se cunosc o serie de astfel de substanțe, cum sunt: etilen diamina tetraacetat de Fe (FeEDTA), dietilentriamina pentaacetat de Fe (Fe DTPA), acid aminopolicarboxilic de Fe (Fe APCA) și altele. 84Aluminiul. Mici doze de Al la ovăz și porumb pot favoriza creșterea. La pH acid absorbția altor elemente în special a K +, este frânată de Al. Un conținut mediu de Al în plante este considerat nivelul de 200 ppm. Frunzele acumulează cel mai mult aluminiu, nivelul fiind și în funcție de reacția solului; pe solurile puternic acide se ridică conținutul de Al al plantelor și îndeosebi acela din rădăcină. De aici se vede slaba sa mobilitate în plante. În caz de toxicitate rădăcinile sunt în primul rând afectate. Simptomele toxicității de Al se corelează cu un conținut scăzut de fosfor, încât suplimentarea cu P îndepărtează această toxicitate. Se consideră conținutul limită spre toxicitate valoarea de 50 ppm în substanță uscată. Acest efect se recunoaște prin uscarea vârfurilor frunzelor bătrâne, care poate cuprinde întreaga plantă. La cartof, partea aeriană rămâne mică, poate să moară, iar recolta de tuberculi este foarte redusă. În horticultură se cunoaște efectul aluminiului asupra culorii florilor, mai ales la hortensii; când conținutul de Al este ridicat florile sunt albastre, iar în lipsa aluminiului florile sunt roz. Toxicitatea aluminiului poate fi înlăturată printr-o calcarizare atentă. Figura nr. 39 – Efectul carenței unor elemente minerale asupra creșterii plantelor de tutun: carențe de N (1); P (2); K (3); Ca (4); Mg (5; B (7); S (8); comparativ cu soluția completă (6) (d. Milică și colab., 1982) 4.8.2. Rolul microelementelor Deși primele indicații asupra rolului unor microelemente datează încă din secolul trecut, descoperirea principalelor acțiuni ale acestora asupra plantelor superioare se înregistrează abia după anul 1922, stabilindu-se acțiunile specifice în catalizarea reacțiilor metabolice vitale de oxidare sau reducere, stimularea unor procese fiziologice esențiale, intensificarea activității diferitelor enzime, vitamine sau hormoni etc. Borul. Este un element cu multiple influențe asupra metabolismului plantelor, având rol important în constituirea unor structuri celulare. Acțiuni specifice. Borul mărește conținutul de glucide, favorizează înfloritul și legatul florilor, mărește viabilitatea polenului, mărește absorbția activă de săruri, influențează absorbția azotului, mărește conținutul în apă, favorizează transportul fitohormonilor în plante. 85 Pentru transportul hidraților de carbon, borul formează cu acestea complexe borat. Acest rol al borului este în concordanță cu alte funcții: constituirea peretelui celular și constituirea vaselor conducătoare. Borul are un rol important în diviziunea celulară și asupra creșterii prin întindere. În ceea ce privește importanța borului asupra germinației polenului s-a arătat că ionul borat intră în complexe cu legături polihidroxilice, contribuind astfel la stabilitatea peretelui celular. Borul favorizează formarea fructului și semințelor. La secară, administrarea borului a produs o creștere a producției cu 40%. Importanța borului în maturarea coardelor de viță de vie. Borul influențează conținutul de glucide din fructele de zmeur, pepene galben, vița de vie, tomate și castraveți. Borul influențează fotosinteza, intensificând acest proces. Simptomele de carență și exces. Primele carențe de bor apar la rădăcină și la embrion, meristemele fiind distruse. La leguminoase, lipsa borului determină o creștere redusă a rădăcinilor, iar la o carență înaintată rădăcinile devin brune și mucilaginoase. De asemenea, sunt afectate vasele de liber și lemn. Frunzele tinere se prezintă colorate, de la verde închis la cenușiu-verzui cu pete roșietice pe margini. La sfeclă pentru zahăr, specie afectată puternic la carența de bor, frunzele mai tinere devin brune, frunzele mai bătrâne se îngălbenesc, se ofilesc, iar rădăcinile încep să putrezească; boala se numește putregaiul inimii sfeclei. Varza este sensibilă la carența de bor, deoarece rădăcinile ei devin sticloase. La tomate, conopidă, măr, citrice, pereții celulari se formează normal. Excesul de bor are un efect toxic, frunzele se răsucesc și se necrozează pe margini. La vița de vie se produce o exfoliere a scoarței coardelor. Se consideră concentrație critică de bor valoarea de 15 ppm din substanța uscată. Cerealele conțin cantități mici de bor (2-5 ppm), iar leguminoasele și cruciferele valorile pot fi de 30-70 ppm. Plantele indicatoare ale carenței borului în sol pot fi: sfecla, varza, conopida, trifoiul, lucerna, mărul, părul. Manganul. Acțiuni specifice. În plante, numeroase enzime sunt activate de Mn. În glicoliză ca și în alte procese în care este prezentă fosforilarea, un rol important are prezența manganului; piruvatoxidaza, oxalacetatdecarboxilaza, oxalsuccinat-decarboxilaza, alfa-cetoglutaratoxidaza, enzima acidului malic, enzima acidului citric, enzima acidului izocitric sunt activate de Mn. Fosfochinaza, fosfotransferaza, fosfataza, nucleotidpirofosfattransferaza și enolaza sunt, de asemenea, activate de ionii de Mn. Manganul influențează și procesul de fotosinteză. Acest este însoțit de o creștere a conținutului de clorofilă, a cărei biosinteză este favorizată de Mn. Manganul este elementul cel mai necesar în reacția Hill. Manganul este necesar pentru reducerea nitraților. Nitritreductaza conține o flavoproteină. Manganul favorizează înmulțirea bacteriilor din nodăzități la leguminoase, precum și acumularea unei cantități mai mari de azot, prin activarea sistemului enzimatic care catalizează reacția dintre hidroxilamină și derivații glutamici. Suplimentarea cu mangan favorizează conținutul de vitamină C la tomate și castravete., crește conținutul de zahăr în sfeclă și căpșuni. 86Simptome de carență și exces. Simptomele de carență la dicotiledonate apar sub formă de cloroză la frunzele tinere, între nervuri, spre deosebire de aceea a fierului care apare pe toată frunza sau aceea de magneziu care începe la frunzele bătrâne. Volumul celulelor este mai mic, iar pereții celulari au o permeabilitate mai scăzută. Conținutul critic de Mn este considerat la nivelul de 17 ppm din substanța uscată. Excesul de mangan produce efecte toxice și se manifestă sub formă de pete brune, care apar pe frunzele mai bătrâne. Plantele indicatoare ale excesului de mangan sunt: lucerna, varza, conopida, sfecla pentru zahăr, tomatele, porumbul. La aceste specii sunt afectate rădăcinile, care se brunifică, pe frunze apărând pete necrotice. Cuprul. Acțiuni specifice. Cuprul intră în componența următoarelor enzime: lacaza, fenoloxidaza, tirozinaza (polifenolaza) și ascorbinoxidaza. Aceste sisteme enzimatice catalizează oxidațiile biologice pe baza schimbului de valență a cuprului. Prin intermediul enzimelor, cupru ia parte la diferite oxidări terminale. Aceste enzime se găsesc în plante și mai ales la graminee. S-a constatat că la secara de toamnă aprovizionarea cu cupru a ridicat conținutul de proteină; la orz efectul favorabil al cuprului s-a constatat în creșterea conținutului de acizi nucleici în frunze. Simptome de carență și exces. Carența de cupru este semnalată în special la pomi și cereale. Astfel, la pomi, lăstarii tineri prezintă frunze cu marginile arse sau clorozate, iar înflorirea și fructificarea sunt oprite. La cereale, vârfurile plantelor se albesc, frunzele se răsucesc și mor, creșterea internodurilor este oprită. La o carență intensă spicul nu se formează. Grâul, orzul, ovăzul, secara sunt sensibile la lipsa de cupru; inul, cânepă, meiul, bumbacul și trifoiul roșu au pretenții mijlocii, iar cartoful nu are cerințe față de Cu. Conținutul de cupru: grâul (paie)9-18 ppm; ovăz 5,2-7; lucernă 5,1-9,6; trifoiul roșu 7-16,4; cartof (tuberculi) 2,5-5,5 ; toamte (fructe) 15-25; conopidă (frunze) 5,4; măr (frunze) 5,5-12; păr (frunze) 4,9-41; prun (frunze) 7-9; cireș (frunze 5-200; piersic (frunze) 7-16; vița de vie (frunze) 2,6-3,9 ppm. Zincul. Este un element care acționează asupra unor enzime, fiind un component metalic al acestora. Enzimele acționate specific de zinc sunt: dehidropeptidaza, dipeptidaza, carboxipeptidaza, alcool-dehidrogenaza, dehidrogenaza, acidul glutamic și dehirogenaza acidului lactic. Zincul este prezent în triozofosfatdehidrogenaza, care acționează în fosforilările oxidative ale aldehidei fosfoglicerice, cu producerea acidului difosfogliceric, etapă a glicolizei. Asupra unor enzime zincul are o acțiune similară cu Mn ++ sau Mg ++, activând legarea lor de substrat, cum sunt: fosfataza alcalină și acidă și enolaza. Legarea piridinnucleotidului de proteină este activată de Zn. Reducerea purtătorilor universali de H, coenzima I și coenzima II este împiedicată de carența de Zn. Activitatea enzimelor respiratorii, catalaza, peroxidaza scade în cazul carenței de zn. Carboxilaza acidului piruvic este inhibată de absența zincului. O bună aprovizionare cu Zn favorizează creșterea conținutului de triptofan, percursor cunoscut al auxinei, iar ca urmare este influențată favorabil prezența auxinei în plantă. Zincul crește conținutul de zahăr solubil, are acțiune asupra vâscozității protoplasmei, pe seama scăderii conținutului de apă liberă. Speciile de plante se comportă diferit la carența de zinc; foarte sensibile sunt: floarea-soarelui, fasolea, porumbul, ricinul, soia, vița de vie; mai puțin sensibile sunt: 87cartoful, tomatele, sfecla pentru zahăr, lucerna, ovăzul, secara, iar sensibilă la insuficiența de zinc este mazărea. La pomi principalele simptome sunt încetinirea creșterii, iar frunzele rămân mici, sub formă de rozetă; boala se numește ,,a micii frunze” și este întâlnită mai ales la piersic, între nervuri apare o cloroză difuză, biosinteza clorofilei este inhibată. La gutui frunzele se îngălbenesc și se alungesc, la cireș și la păr mugurii floriferi se desfac mai puțin, ovarul nu crește, fructele cad. La alte specii culoarea frunzelor poate fi verde-măslinie. La prun apar pete brune în pulpa fructului. La tomate se manifestă cloroza frunzelor. Conținutul critic de zinc este considerat de 20 ppm în substanță uscată, dar acesta poate fi variabil, funcție de specia de plantă. La soia conținutul critic de 30 ppm din substanța uscată, iar nivelul de carență 15 ppm. De multe ori carența este determinată de blocarea zincului în sol la valori ridicate de pH. În acest caz este indicată administrarea prin frunze a elementului, mijloc prin care poate fi repede corectată. În sol poate fi administrat sub formă de chelați. Excesul de zinc: plantele rămân mici, cu manifestări de cloroză. Comportarea lor este diferită; porumbul este rezistent la un conținut ridicat, cartoful este foarte sensibil la condiții asemănătoare. Molibdenul. Intră în componența enzimelor aldehidoxidaza, hidrogenaza și nitratreductaza. Aceste enzime sunt flavoproteine care se deosebesc în substratul lor dar au acțiuni asemănătoare. Molibdenul favorizează formarea nodozităților de pe rădăcinile plantelor leguminoase. Acest element are o influență favorabilă în includerea fosforului anorganic în combinații organice și activează polifenoloxidaza, peroxidaza și ascorbinoxidaza. O influență favorabilă a molibdenului a fost observată asupra conținutului de acid ascorbic în diferite plante și conținutul de zahăr total și reducător. Molibdenul favorizează biosinteza clorofilei și intensifică fotosinteza. De asemenea, favorizează sinteza peptidelor și substanțelor proteice. Lipsa de molibden produce schimbări în fracțiile proteice și glucide și stânjenește creșterea plantelor. De multe ori nu se formează florile. Culoarea frunzelor devine verde-cenușie sau galbenă-clorotică, plantele apar ca ofilite. Frunzele de tomate și de tutun prezintă pete necrotice. Frunzele bătrâne adesea mor, în timp ce frunzele tinere se răsucesc, iar fructele nu se formează. Plantele au cerințe diferite față de molibden. Dintre plantele pretențioase se sunt bumbacul, la care frunzele pot acumula 1500 ppm din substanța uscată, secara, ovăzul, sfecla, trifoiul roșu, lucerna, conopida. La leguminoase, în cazul carenței de Mo frunzele sunt marmorate, nervurile rămân verzi, și chiar după moarte țesuturilor; la graminee frunzele devin clorotice, se necrozează la vârf, boabele sunt șiștave, ovăzul fiind cel mai sensibil. La tutun frunzele normale au de 10-20 ori mai mult Mo decât cele carențate. Plantele dicotiledonate au pretenții mai mari decât monocotiledonatele; plantele leguminoase necesită concentrații înalte de Mo. Nivelul de molibden sub valoarea de 0,1 ppm prezintă simptome de carență. Valori normale ale conținutului de molibden sunt: porumb 0,76 ppm; boabe de grâu 0,77; lupin 0,47; fasole 0,60; trifoi roșu 1,90; tomate 0,68; tutun 1,1 ppm. 88Cobaltul. Este un component al vitaminei B12, foarte necesară în hrana animalelor și a omului. Conținutul de Co în plante este cuprins între limitele 0,01 și 0,4 ppm în substanță uscată. Ca efecte favorabile asupra plantelor sunt mărirea conținutului de amidon din tubercului de cartof, stimularea creșterii membranelor celulare și favorizarea creșterii greutății frunzelor la tomate. Se admite rolul stimulator al Co în creșterea plantelor și asupra activității bacteriilor din nodozitățiile de pe rădăcinile plantelor leguminoase. Toxicitatea produsă de conținutul mare de cobalt prezintă simptome caracteristice; la ovăz apar cloroze și linii necrotice pe frunze, iar pe frunzele de sfeclă se observă pete brune între nervuri, care mai târziu devin necrotice. Concentrațiile înalte de Co în plante influențează celelalte metale grele; se poate induce astfel o carență de Fe. Iodul. Se găsește în plante în cantități mici (0,06-1,2 ppm din substanța uscată), conținut ce poate fi mărit la o suplimentare cu iod în nutriția plantelor. Valori mai ridicate de iod se înregistrează în plantele de pășune (0,32-0,45 ppm în substanța uscată). Iodul în cantități mici, favorizează creșterea în lungime și greutate a plantelor. Administrat în doze până la 25 ppm stimulează formarea fructelor, în doze până la 1 ppm, influențează activitatea mai mare a peroxidazei și invertazei. Se admite rolul stimulator al iodului asupra conținutului din frunze. Capitolul 5 FOTOSINTEZA 89 Fotosinteza, unul dintre cele mai importante și complexe fenomene ale naturii, a apărut ca rezultat a unui proces îndelungat de evoluție, odată cu modificarea condițiilor de viață pe Pământ. Astăzi, mai mult ca oricând, este necesară cunoașterea, în detaliu a fenomenului fotosintezei, care asigură existența tuturor viețuitoarelor pământului. Dependența omenirii de fotosinteză va continua practic nelimitat, utilizând materia organică creată și energia captată în acest proces. 5.1. Definiția și importanța fotosintezei Prin fotosinteză se înțelege procesul fiziologic prin care plantele verzi acumulează în corpul lor mari cantități de substanțe organice, pe care le sintetizează din substanțe minerale, cu ajutorul pigmenților asimilatori și a energiei solare, punând în libertate oxigen. Acest proces poate fi exprimat sumar prin relația generală: elemente minerale + energie luminoasă + clorofilă = substanțe organice + oxigen sau prin formula chimică: 6CO 2 + 6 H 2O + 673,8 Kcal → C 6H12O6 + 6 O 2 clorofilă Condițiile primordiale pentru transformarea substanțelor minerale simple în compuși organici sunt legate de prezența clorofilei și de participarea energiei luminoase, care asigură desfășurarea schimbului de gaze dintre plantă și mediul extern. În acest schimb planta verde absoarbe CO 2 din atmosferă și elimină O 2, între acestea existând un șir de reacții de oxido-reducere, care duc la sinteze complexe de materie organică, în primul rând glucide. Termenul de fotosinteză vine de la cuvintele grecești photos – lumină + synthesis -combinație, sinteză. Literal înseamnă „sinteză cu ajutorul luminii”. Termenul a fost dat de Pfeffer în 1877. Procesele de fotosinteză au loc la plantele autotrofe (denumire provenită de la grec. a utos – singur și trofein – a se hrăni), care își produc singure toată materia organică necesară, utilizând substanțele minerale pe care le absorb din mediul extern. La aceste plante, carbonul necesar în sintezele organice este procurat de CO 2, în timp ce plantele heterotrofe utilizează carbonul din substanțele organice deja sintetizate în plantele autotrofe. După natura energiei folosite de plantele autotrofe în sinteza substanțelor organice deosebim: plante fotoautotrofe, care folosesc energia luminii solare în fotosinteză și plante chemoautotrofe, care utilizează energia chimică produsă prin oxidarea unor substanțe minerale (H 2S, NH 3 etc.) în procesul de chimiosinteză. Plantele fotoautotrofe sunt foarte mult răspândite pe pământ, deoarece materiile prime necesare în fotosinteză pot fi procurate cu ușurință din natura înconjurătoare (CO 2, H2O, energie 90solară, săruri minerale). Prin aceasta, fotosinteza asigură menținerea unui echilibru fundamental ecologic în biosferă. Importanța fotosintezei în natură rezultă din laturile sale esențiale: ·concentrarea unei anumite cantități de energie potențială; · fixarea carbonului cu degajare de oxigen; ·acumulare de substanțe organice în masa vegetală, reprezentând sursele de hrană și de energie pentru toate viețuitoarele de pe Pământ. Organismele vegetale (plante superioare, alge, unele bacterii) își procură energia necesară direct din reacțiile luminoase, prin intermediul fotosintezei. Energia solară captată prin reacții endergonice, este transformată în energie chimică potențială, concentrată în materie organică sintetizată. Fotosinteza poate fi considerată ca un fenomen de natură cosmică, reprezentând singurul mijloc prin care se fixează și se conservă pe pământ energia venită de la alt corp ceresc, pe care o transformă în energie chimică, înmagazinată în biomasa sintetizată și utilizată ulterior în toate procesele vitale ale organismelor vegetale și animale. În fotosinteză plantele verzi au capacitatea de a fixa carbonul din mediul extern (aer, apă) și, în urma unor reacții de reducere și oxidare formează substanțe organice ternare (de tipul glucidelor), într-un proces cu trepte intermediare distincte. Fotosinteza reprezintă sursa primară de formare a întregii cantități de substanțe organice acumulate pe globul terestru sub diferite forme (glucide, lipide, proteine, vitamine, hormoni, enzime, glicoizi, taninuri etc.). Aceste substanțe organice, sintetizate de plante pentru hrana oamenilor și a animalelor, precum și pentru materialele utilizate în confecționarea îmbrăcămintei, în construcții și combustibil. Biomasa organică acumulată astfel de plante furnizează energia necesară creșterii și dezvoltării tuturor organismelor animale și umane care sunt capabile să capteze direct energia de la soare și sunt total dependente de regnul vegetal. Prin aceasta, fenomenul de fotosinteză asigură existența întregii vieți pe Pământ. După moarte, corpurile plantelor și ale animalelor ajung în pământ, unde contribuie la formarea humusului, care conține o proporție mare de materie organică și reprezintă o formă de acumulare a energiei solare. Acest humus condiționează fertilitatea solului și creează un mediu favorabil creșterii altor plante. O parte din substanțele organice înmagazinate în humus sunt degradate în mediu aerob, prin intermediul a numeroase microorganisme, până la combinații minerale simple (CO2, H2O, H 2S, PO 4 – – – etc.), care reintră în circuitul biologic general de pe Pământ. O altă parte din corpurile plantelor și animalelor, aflate în mediul anaerob, suferă mari prefaceri pe perioade îndelungate de timp, care duc la transformarea lor în zăcăminte de combustibil (cărbuni, turbă și hidrocarburi naturale – petrol, gaze naturale). Pe această cale, substanțele organice produse prin fotosinteză în erele geologice trecute, cu milioane de ani în urmă, s-au transformat în rezerve subterane de combustibili apreciate, în prezent, la circa 10 000 – 24000 miliarde tone combustibili convențional. Prin arderi, acești combustibili sunt transformați în CO 2 și reintră în circuitul fotosintezei. Fotosinteza reprezintă singurul fenomen de pe Pământ care asigură purificarea continuă a atmosferei. În acest proces, plantele verzi absorb CO 2 și, după o serie de reacții de oxidoreducere, eliberează oxigen; prin asimilarea unei tone de carbon plantele pun în libertate 2,7 tone O 2. Oxigenul eliberat în fotosinteză reînoiește rezervele din atmosfera terestră, care se mențin între limite optime pentru respirație. 91 Apariția plantelor verzi, cu capacitate fotosintetizantă, a marcat un salt calitativ în evoluția vieții pe Pământ. Prin fotosinteză, atmosfera s-a îmbogățit treptat în O 2 și a trecut din starea reducătoare în cea oxidantă, iar organismele vii, foste microorganisme anaerobe, s-au adaptat treptat la noile condiții de aerație și au devenit organisme aerobe. Anual, plantele verzi eliberează în mediul extern 460 miliarde tone de O 2 (4,6 x 1011 tone), care reprezintă unica sursă naturală de oxigen pe planeta noastră. În prezent, cantitatea totală de O 2 din atmosferă se evaluează la 1500 000 miliarde tone (1,5 x 10 15 tone) și se menține în proporție relativ constantă la 20,95%. Această cantitate a oxigenului din atmosferă se împrospătează la intervale de 3000 de ani; oxigenul din apa mărilor și oceanelor se reînoiește la intervale de 6 milioane de ani. Capacitatea fotosintetizantă se întâlnește la un spectru foarte larg de organisme, atât procariote cât și eucariote. Eucariotele, includ nu numai plantele verzi superioare, ci și algele pluricelulare verzi, brune și roșii, cât și euglenoidele, dinoflagelatele și diatomeele. Procariotele fotosintetizante au rol important în biosferă. Ele includ algele verzi-albastre (în sol, ape curgătoare și oceane), bacteriile sulfuroase verzi anaerobe (în iazuri și lacuri bogate în materii organice cu sulf) și bacteriile purpurii strict anaerobe (în izvoaresulfuroase). Mai mult de jumătate din fotosinteza de pe întreaga planetă se realizează în oceane de către algele microscopice, diatomee și dinoflagelate, care constituie fitoplanctonul. 5.2. Sursele de carbon pentru plante Carbonul este elementul esențial în desfășurarea proceselor de fotosinteză, fiind componentul de bază al substanțelor organice sintetizate. Principala sursă de carbon este CO 2 din atmosferă și din sol pentru plantele verzi terestre și CO 2 dizolvat în apa mărilor și oceanelor și disociat în ioni (HCO 3-, CO 3 – – -) pentru plantele acvatice. Concentrația de CO 2 din aer este aproximativ aceeași în diferite locuri de pe Pământ, fiind de numai 0,03% sau 0,3 cm 3 la un litru de aer, cu greutatea de 0,589 mg/litru aer. Un conținut mai ridicat de CO 2 în atmosferă se constată în zona ecuatorială, unde datorită condițiilor climatice specifice, are loc o descompunere continuă și foarte activă a substanțelor organice, ceea ce determină o asimilație intensă și o creștere abundentă a plantelor. În atmosfera solului conținutul de CO 2 este, în medie, de aproximativ 10 ori mai mare, decât în aerul de deasupra solului, iar uneori crește de 100-200 ori (pe soluri humoase, în timpul verilor cu precipitații suficiente, când există condiții favorabile de descompunere a materiei organice). Acumularea de CO 2 în sol se datorește respirației bacteriilor, ciupercilor, precum și respirației rădăcinilor de la plantele superioare. Solul nisipos produce 2 kg CO 2/ha/oră, solul lutos degajă 5 kg CO 2/ha/oră, iar solul argilos 4 kg/ha/oră. Unele plante elimină prin respirația rădăcinilor o cantitate mai mare de de CO 2, (lupin, cartof), în timp ce alte specii (orz, ovăz) degajă cantități mult 92mai reduse. După irigare și după ploi crește cantitatea de CO 2 eliminată de plante prin respirația rădăcinilor și prin activitatea microorganismelor. Între sol și atmosfera înconjurătoare există un circuit continuu al carbonului, astfel că 90% din CO 2 absorbit de plante provine din pământ, de unde trece în aerul atmosferic. Plantele verzi de uscat consumă anual 19 miliarde tone de CO 2 în timp ce plantele de apă (oceane, mări râuri), consumă anual 155 miliarde tone CO 2. În total se apreciază că pe tot globul este fixată anual în procesul de fotosinteză cantitatea de 174 miliarde tone CO 2. Din cercetări detaliate a reieșit că la un hectar de plante cultivate plantele pot absorbi zilnic 250-1000 l CO 2, pentru care necesită să prelucreze un volum de 3-4 milioane m 3 aer. S-a calculat că pentru sinteza unui gram de glucoză frunzele absorb CO2 din 250 litri de aer, iar pentru a asigura necesarul caloric al unui om pe zi prelucrează aproape 200 000 litri aer. Deși absorbit de plante în cantități atât de mari, conținutul de CO 2 din atmosferă rămâne relativ constant pentru perioade mai îndelungate, fiind refăcut prin respirația tuturor organismelor vii, prin erupții vulcanice, emanații din pământ, prin fermentații și descompuneri de materii organice, prin arderi de cărbune, petrol și gaze naturale. Numai oamenii de pe glob elimină în procesele respiratorii aproape 1,5 milioane tone CO 2 pe zi și peste 500 milioane tone anual. Dacă nu ar fi mijloace de regenerare a CO 2 în natură, acesta s-ar epuiza prin folosință în decurs de 21-22 de ani, iar viața ar dispărea datorită lipsei de materie organică și energetică. Atomii de carbon formează scheletul tuturor substanțelor organice sintetizate participând la formarea lor în proporție medie de 95%, alături de oxigen cu aproximativ 42% și din alte elemente aflate în cantități mult mai reduse (hidrogen -6,5%, azot- 2,5%, sulf și fosfor sub 1%). Carbonul face parte din structura a numeroase combinații organice (aproximativ 500 000), rezultate prin cuplarea carbonului cu el însăși sau cu alte minerale. Pe această cale, plantele sintetizează anual o cantitate de 450 miliarde tone substanță organică uscată, calculată în glucoză, din care 180 miliarde tone reprezintă carbon asimilat. Din această cantitate enormă de substanțe sintetizate de flora terestră, numai o mică parte din carbonul organic (3,5%) este folosită pentru hrana oamenilor și a animalelor și pentru încălzit. Importanța carbonului în procesele fotosintetice este demonstrată prin experiențele care arată că în lipsa CO 2 nu este posibilă formarea substanțelor organice, nu poate exista materie vie și nici manifestarea fenomenelor vitale. Dacă se cultivă o plantă într-o atmosferă fără CO 2, sub un clopot de sticlă, în care aerul intră prin traversarea unui filtru de calciu sodat care absoarbe CO 2, se constată că acumularea de substanță organică încetează, indiferent dacă planta este expusă la lumină și se găsește într-un sol fertil, cu toate elementele necesare nutriției minerale. Un alt rol al CO 2 din atmosferă constă în menținerea temperaturii globului terestru între limitele moderate. În cazul când concentrația de CO 2 ar crește de două ori, temperatura medie pe glob s-ar ridica cu 8 0C, iar dacă CO 2 ar lipsi complet din 93atmosferă, temperatura medie a globului ar scădea cu peste 2 0C și ar periclita menținerea vieții pe Pământ. După sursa de carbon pe care o utilizează pentru sinteza substanțelor organice proprii, organismele vegetale pot fi încadrate în trei grupe: autotrofe, heterotrofe și mixotrofe. Organismele autotrofe dispun de capacitatea de a sintetiza substanțele organice proprii folosind ca materii prime, în exclusivitate, substanțe anorganice. Organismele heterotrofe folosesc drept sursă de carbon pentru sinteza substanțelor organice proprii substanțele organice din mediul lor de viață. Organismele mixotrofe prezintă o nutriție mixtă, deci folosesc în sinteza substanțelor proprii atât carbonul mineral, cât și pe cel din substanțele organice. Autotrofia pentru carbon se întâlnește la plantele verzi, ce folosesc ca sursă de carbon combinații anorganice ale acestui element: plantele terestre folosesc CO 2 din aerul atmosferic, iar cele acvatice submerse folosesc CO 2 solvit în apă și din anionul carbonat acid (HCO 3-). 5.3. Organele și organitele fotosintezei Fotosinteza are loc în celulele organelor verzi expuse la lumină care conțin un complex de pigmenți asimilatori, localizați în cloroplaste. 5.3.1. Frunzele – organe ale fotosintezei Frunzele sunt organe specializate pentru îndeplinirea procesului de fotosinteză, prezentând unele caracteristici care s-au format într-un lung proces de adaptare și perfecționare: ·forma turtită a limbului oferă o suprafață mare de contact cu mediul înconjurător; ·poziția frunzelor favorizează, prin așezarea în general orizontală a limbului, absorbția luminii necesare în fotosinteză; ·structura antomică a frunzelor evidențiază la nivelul epidermei prezența aparatului stomatic, prin care are loc difuziunea CO 2 din aerul înconjurător, în mezofil și ieșirea O 2 rezultat în urma fotosintezei; ·difuziunea acestor gaze în mezofil este favorizată de prezența spațiilor intercelulare între celulele cilindrice ale țesutului palisadic și între celulele mai mult sau mai puțin izodiametrice ale țesutului lacunos. La plantele cu un aparat foliaceu bogat, cantitatea de substanță organică acumulată este mai mare decât la plantele cu suprafață foliară redusă. 94 Figura nr. 40 – Adaptarea frunzelor pentru realizarea fotosintezei: A – frunza, B – secțiune transversală prin frunză; a – epiderma superioară; b – țesut palisadic cu spații intercelulare; c – țesut lacunos cu spații intercelulare; d – nervură cu vase liberiene și lemnoase; e – epidermă inferioară cu stomate; C – celulă din țesutul lacunos (d. Boldor și colab., 1981) Figura nr. 41 – Anatomia frunzei Pe suprafața frunzelor se găsește un mare număr de stomate, fie pe ambele fețe (la plantele amfistomatice), fie numai pe o singură față (hipostomatice sau epistomatice). Aerul încărcat cu CO 2 pătrunde în frunze prin osteolele stomatelor și într-o cantitate mai mică prin cuticulă, îndeosebi la frunzele tinere. De aici aerul difuzează prin spațiile intercelulare, ajungând la celulele asimilatoare din țesutul palisadic și lacunar. 95Figura nr. 42 – Osteolele stomatelor Pentru desfășurarea procesului de fotosinteză mai sunt necesare apa și substanțele minerale, care ajung în frunze prin fasciculele conducătoare libero-lemnoase, ramificate pe întreaga suprafață a frunzei; prin aceste fascicule are loc și transportul substanțelor organice produse în fotosinteză. În ramuri tinere, semințe și fructe imature, celulele asimilatoare cu cloroplaste se găsesc în straturile parenchimatice situate sub epidermă. În aceste straturi, spațiile intercelulare sunt foarte mici, de aceea absorbția CO 2 din mediul extern este mult mai redusă, comparativ cu frunzele verzi. 5. 3.2. Cloroplastele și rolul lor La plantele superioare, fiecare celulă asimilatoare conține în citoplasmă 15 și 200 cloroplaste, care totalizează o suprafață considerabilă de absorbție a CO 2 și de captare a energiei luminoase. Unele specii au aproximativ 15 cloroplaste/celulă (sfeclă pentru zahăr, trifoi), alte specii au 15-30 cloroplaste/celulă (graminee, fasole), iar altele au peste 100 cloroplaste/celulă (tutun, spanac). Rezultă că la unitatea de suprafață foliară (cm 2) se găsesc în grosimea frunzei între 3 și 15 milioane cloroplaste; la Ricinus communis s-au găsit 40 milioane cloroplaste/cm 2 frunză. La o frunză de fag suprafața totală a cloroplastelor este de 20 de ori mai mare decât suprafața frunzei, iar la un arbore de 100 de ani, suprafața tuturor cloroplastelor din frunze atinge 20 000 m 2 (2 ha). Se apreciază că la 1 hectar de lucernă ar exista , în medie 85 hectare de frunze, care pot conține cloroplaste cu o suprafață totală de 17000 ha. Cloroplastele reprezintă niște formațiuni vii, care îndeplinesc rolul unor baterii solare miniaturizate, convertind energia fotonilor de lumină în substanță organică. Sub acest aspect, cloroplastele pot fi denumite ,,microuzine biosintetice”, în care se realizează întregul proces fotosintetic. În funcție de intensitatea luminii, cloroplastele se deplasează în hialoplasmă printr-o cicloză continuă pasivă sau printr-o cicloză activă amoeboidală. Culoarea verde a cloroplastelor a rezultat ca un proces îndelungat de adaptare a plantelor la condițiile externe de lumină solară, în care predomină radiațiile roșii, complementare culorii verzi. Sub aspect morfologic, cloroplastele se prezintă ca cele mai mari organite ale citoplasmei, cu mărime de 2-7 µ lungime și 0,5-2 µ grosime. La celulele tinere în formare, 96cloroplasmele sunt mai mici, mai puține la număr, crescând în dimensiuni și număr pe măsură ce celula se mărește. Formele lor cele mai frecvente sunt: ovale, sferice, lenticulare sau discoidale. Cloroplastele conțin 50-70% apă și 30-45% substanță uscată, din care 90% este reprezentată de materii organice. Între acestea predomină lipoproteidele insolubile și aminoacizii (histidină, arginină, tirozină, prolină, lizină, triptofan, acid asparagic, acid glutamic etc.), care totalizează 40-60%, lipide simple și complexe (20-40%), glucide, acizi nucleici (ADN și ARN), vitamine (C, E, K), enzime hidrolizante sau sintetizante (invertaza, oxidaze, catalaza, fenoloxidaza, citocromoxidaza, peroxidaza, fosfataza, ARN-aza) precum și pigmenți asimilatori verzi (6-9%) și galbeni (2-4%). Dintre elementele minerale predomină Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, care intră în structura compușilor organici (clorofilă, enzime etc.). Structura internă a cloroplastelor . La exterior cloroplastul prezintă o membrană lipoproteică dublă, lipsită de pori, numită peristromă, cu grosimea de aproximativ 300 Å, care asigur ă schimbul activ de substanțe cu restul citoplasmei. În interior, cloroplastul prezintă o structură lamelară, alcătuită dintr-o rețea de lamele stromatice (tilacoide), care sunt prelungiri interioare ale foiței interne din peristromă. Tilacoidele sunt orientate paralel cu axa mare a cloroplastului, deosebindu-se astfel de cristele mitocondriale orientate perpendicular pe axa mare a condriozomului. La întuneric, proplastidele conțin corpi prolamelari, ca niște vezicule în formă de sferule, sau se alungesc în tubuli. Prin trecerea de la întuneric la lumină, tubulii se transformă în tilacoide sau în lamele elementare lipoproteice, formând structura caracteristică a cloroplastelor (fig. 43). Figura nr. 43 – Secțiune prin sistemul lamelar al cloroplastului Între tilacoide se găsesc între 80 și 120 grane , în funcție de specia de plantă, fiecare grană fiind alcătuită din 8-20 discuri lipoproteice, circulare și suprapuse. Mărimea granelor crește odată cu vârsta celulelor, fiind mici la celulele tinere și mai mari la cele adulte. Pe discurile granei sunt localizate moleculele de clorofilă, legate cu nucleul porfirinic (capul) de stratul hidrofil al lamelei, sub o înclinație de 45 0. Lanțul fitolic 97hidrofob (coada) este legat de fosfolipidele lamelei elementare. Se apreciază că pe o singură lamelă ar exista fixate circa un milion de molecule de clorofile. Din complexul creat între clorofilă și membranele lipoproteice ale granei se formează niște unități eliptice sau sferice, cu diametrul de 90 Å, care au primit denumirea de cloroglobine, cloroplastine sau cuantozomi. Greutatea molecular ă medie a cuantozomului este de 1920000. Aceste complexe clorofilo-lipoproteice sunt alcătuite din 160 molecule de clorofilă a + 70 molecule de clorofilă b + 48 molecule de pigmenți galbeni, la care se adaugă 48 molecule de sulfolipide, 116 fosfolipide și 490 molecule de mono- și digalactozil-digliceride. Într-un cuantozom există 9380 atomi de azot proteic, dar azotul din aceste complexe se uzează continuu, ceea ce necesită noi surse de azot pentru împrospătarea lui periodică, atât în stroma cloroplastului cât și în învelișul granei. Pe granele din cloroplaste, cuantozomii au un anumit mod de orientare spațială, astfel ca să permită pătrunderea cât mai ușoară a cuantelor de lumină și transformarea lor eficientă în energie chimică. Ei funcționează ca niște pile electrice, cu rol asemănător unor fotoreceptori. 5.3. 3. Pigmenții asimilatori Pigmenții clorofilieni. Clorofilele au apărut pe o anumită treaptă a evoluției regnului vegetal, mai întâi la unele bacterii și ulterior la plantele superioare. Ele sunt cromolipoproteide complexe, ale căror structuri sunt absolut aceleași la toate speciile de plante verzi de pe Pământ. Moleculele clorofilelor sunt bipolare și au forma unui zmeu, cu un ,,cap” constituit dintr-un nucleu cromogen tetrapirolic sau porfirinic (pol hidrofil) și o ,,coadă” lungă de 20 Å, format ă din fitol (pol hidrofob) (fig. 44). 98 Figura nr. 44 – Structura chimică și spațială a moleculei de clorofilă Nucleul porfirinic are în centrul celor patru grupări pirolice un atom de Mg ++ , de care se leagă atomii de N, legați între ei prin legături metilice. Diametrul nucleului tetrapirolic este de 10 Å, din care 2,4 Å eprezint ă atomul central. Fitolul este alcoolul unei hidrocarburi superioare, cu formula brută C 20H39OH. Atât în nucleul porfirinic cât și în structura fitolului există numeroase legături simple, în alternanță cu legături duble, ceea ce determină intensa activitate biochimică a clorofilei, instabilitatea și reversibilitatea moleculei de clorofilă, precum și captarea energetică a radiațiilor luminoase. Datorită acestei conjugări de legături simple și duble, clorofila poate avea unul sau mai mulți electroni mobili, energizanți, care se dsprind ușor din moleculă atunci când clorofila se află în stare de excitație prin iradiere luminoasă. Există o asemănare strânsă între clorofila din plante și hemoglobina din sânge. Sinteza acestora a fost la început identică pe scara evoluției, dar după o lungă perioadă de timp s-au diferențiat, prin cuplarea diferiților cationi în centrul nucleului tetrapirolic; cationul Mg ++ asigură formarea moleculei de clorofilă cu proprietăți reducătoare, iar cationul Fe ++ determină formarea hemoglobinei cu proprietăți oxidante. Prin aceste cuplări, clorofila va participa la procese de reducere (fotosinteză), iar hemoglobina la procese de oxidare (respirație). Pe baza unor lucrări de extragere și separare s-a stabilit existența concomitentă în frunzele verzi, a doi pigmenți clorofilieni: clorofila a și clorofila b. Clorofila a are formula brută: C 55H72O5N4Mg și constituie un ester al acidului clorofilinic a, în care cele două grupări acide sunt esterificate cu alcoolul fitolic (fitol) și cu alcool metilic (metanol); COOH C32H30ON4Mg + C 20H39OH + CH 3OH→ COOH 99 COOH C32H30ON4Mg + H 2O. COOH Clorofila b are formula brută: C 55H70O6N4Mg, fiind un ester al acidului clorofilinic b cu alcool fitilic și cu alcool metilic: COOH C32H28O2N4Mg + C 20H39OH + CH 3OH→ COOH COO.CH 3 C32H28O2N4Mg + 2H 2O COO.C 20H39 Diferența dintre cele două clorofile constă în aceea că la clorofila b la C 3 din al doilea nucleu pirolic există o grupare aldehidică _CHO (apărută prin procese de oxidare) în locul grupării metilice _CH 3 de la clorofila a. Raportul dintre clorofila a și clorofila b rămâne în general, constant (a/b = 3/1), cu mici variații, funcție de condițiile de iluminare; în lumină solară directă este mai mare decât la plantele de umbră, iar la plantele alpine ajunge la 5,5/1. La bacteriile autotrofe fotosintetizante au fost semnalte bacterioviridina la bacteriile verzi, bacterioclorofila a la bacteriile purpurii și verzi, precum și bacterioclorofila b într-o tulpină a unei bacterii purpurii aparținând genului Rhodopseudomonas. Clorofila a conține trei tipuri, aflate în diferite stări de agregare prin asociere cu proteinele: clorofila a 700, clorofila a 683 și clorofila a 672 . Prin separarea pigmenților s-a constatat că există două sisteme distincte de pigmenți sub aspect funcțional: primul sistem de pigmenți (PS-I) cuprinde clorofila a tipurile 700 și 683 aflate într-un raport cantitativ de 1:200 iar cel de-al doilea sistem de pigmenți (PS-II) cuprinde clorofila a 672 clorofila a 644 și carotenoizii (carotina și xantofilele). 100 Figura nr. 45 – Diferențe în structura nucleului tetrapirolic între clorofila a și clorofila b (d. Taiz, 1998) Pigmenții carotenoizi. În plantă există aproximativ 60 de pigmenți carotenoizi, în stare redusă sau oxidată, dintre care în fotosinteză au rol beta-carotina și unele xantofile. Acestea se găsesc localizate în cuantozomi, ca însoțitori ai clorofilelor, având rol de ecran protector pentru clorofile și enzime, mai ales față de acțiunea dăunătoare a radiațiilor ultaviolete. Raportul dintre pigmenții verzi și cei galbeni este în medie, de 4/1. Carotina (C 40H56) este o hidrocarbură nesaturată, formată din patru resturi de terpene (C 10H16) sau din opt molecule de izoprene: CH2 = C- CH 3 = CH 2 ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ CH 3 ‌ ‌‌ Are 11 duble leg ături conjugate și două grupări metilice la capătul lanțului, cu rol însemnat în absorbția energiei radiațiilor solare; se găsește în cloroplastele și cromoplastele frunzelor, în morcov, tomate, caise, ardei, portocale, mandarine. Prin hidratare, molecula de carotină se scindează în două molecule de vitamina A. Un izomer 101al carotinei este licopenul roșu portocaliu din fructele de tomate, măceș, piersic, pepene verde și ardei roșu. Xantofila (C40H56O2) este un dialcool care participă la procesul de fotosinteză din energia luminoasă pe care o captează în zona radiațiilor AIV. Ca izomeri ai xantofilei există: luteina din frunze, flori, fructe și din gălbenușul ouălor de găină și zeaxantina din boabele de porumb. Alți carotenoizi oxidați sunt: flavoxantina și crizantemoxantina (C 40H56O3), violoxantina și taraxaxantina (C 40H56O4), apoi neoxantina, rubixantina (din fructele de măceș), capsantina (din fructe de ardei), capsorubina (din ardeiul roșu), rodoxantina (din fructele de Taxus baccata ), citraurina (din portocale), crocetina (din stigmate de șofran), purpurina și alizarina (din rădăcinile de Rubia tinctorum ). 5.3.4. Biosinteza pigmenților Formarea clorofilei se desfășoară în două faze: faza de întuneric și faza de lumină. ‌ Înfaza de întuneric, sinteza clorofilei începe de la substan țe organice cu molecule mici (glicină, acid acetic). Prin reacții succesive de condensare și de carboxilare, catalizate de prezența cationului Fe, se formează nucleii pirolici din care apar porfirine, protoporfirine și protoclorofile incolore. Figura nr. 46 – Structura chimică a porfirinei incolore cu patru nuclei pirolici lipsiți de cationul Mg++ central (d. Alexandrina Murariu, 2002) În acest lanț de reacții din faza de întuneric se disting două etape, în care se formează porfobilinogenul și protoporfirina. Din aminoacidul glicina + succinil coenzima A, în prezența piridoxalfosfatului și a enzimei sintetaza acidului amino-levulinic se formează acidul aminolevulinic (ALA). Piridoxal- fosfat Glicina + succinil C oA acid aminoluvulinic Sintetaza ALA 102Prin cuplarea a două molecule de acid aminolevulinic (ALA), în prezența unei dehidraze specifice, se formează porfobilinogenul , un precursor al porfirinelor Acid aminolevulinic porfobilinogen + 2H 2O Dehidraza ALA ‌ Aceast ă reacție demonstrată la spanac, orz și fasole este activată de grupările SH și inhibată la metalele grele. Prin condensarea lineară a patru molecule de porfobilinogen, legate prin grupări metilenice (= CH 2), urmată de un proces de ciclizare, se formează porfirinogen , cu patru nuclei pirolici și opt grupări carboxilice, care, prin oxidarea punților metilenice (= CH 2) în grupări metinice ( ≡CH), trece în porfirină. În urma unei substituiri de grupări la C 1-8 se ajunge la uroporfirină și protoporfirină (ca forme izomere). Pentru formarea protoclorofilei incolore au loc următoarele modificări: reducerea unei grupări vinil ( _CH = CH 2) în gruparea etilică la C 4; metilarea grupării carboxilice de la C 6 ; cuplarea fitolului la gruparea carboxilică de la C 7 și formarea radicalului _ C_O_C 20H39 || O Funcție de modul de agregare cu catenele de aminoacizi din substratul proteic al lamelor granare, există tipuri de protoclorofile cu absorbție maximă la 650 nm, 637nm care, prin fotoreducere, vor forma clorofilele a 700 , a683 , a672. În faza de lumină, chiar cu o durată de numai un minut, excitarea luminoasă determină o reacție fitochimică de reducere, care constă în fixarea cationului Mg ++ în molecula protoclorofilei și transformarea acesteia în clorofila a, de culoare verde-albăstruie. În continuare, prin oxidare apare clorofila b, verde-gălbuie. La organismul animal, pentru cuplarea cationului Fe ++ în centrul porfirinei intervine chelataza ferică, formând gruparea prostetică a hemoglobinei din sânge, a citocromului b și a catalazei. La plante nu se cunoaște enzima care cuplează Mg ++ în formarea clorofilei; se presupune că o asemenea enzimă este obligatorie (de tipul unei chelataze) întrucât, în unele cazuri (pueți de Pinus), formarea clorofilei are loc chiar la întuneric. Dacă plantele etiolate sunt expuse la lumină continuă, transformarea plastidelor în cloroplaste ar fi însoțită de sinteza rapidă a enzimelor implicate în biosinteza clorofilei verzi. În cazuri izolate, transformarea protoclorofilei în clorofilă se face și în absența totală a luminii (de exemplu semințe germinate de tomate, dovleac, portocal, lămâi, stejar), sub acțiunea unor excitanți capabili de a emite radiați de K + și unele elemente radioactive care, în anumite condiții, pot suplini lumina. Se poate considera că la lumină nu are loc sinteza clorofilei, ci numai o rearanjare moleculară de scurtă durată, în care Mg ++ joacă un rol esențial în înverzirea frunzelor. Factorii externi care condiționează formarea clorofilei sunt: lumina, apa, temperatura, oxigenul și prezența unor elemente minerale. Lumina are un rol deosebit în formarea clorofilei numai la celulele care conțin cloroplaste. De aceea, clorofila nu apare în celulele rădăcinilor, lipsite de cloroplaste, chiar dacă sunt ținute la lumină intensă. În lipsa luminii este blocată transformarea 103protoclorofilei în clorofilă și nu se mai formează structurile lamelare din interiorul cloroplastelor. În lumină continuă, cu intensitate moderată, se sintetizează o cantitate mai mare de pigmenți clorofilieni decât în lumină continuă cu intensitate mare. La lumină întreruptă, cu faze de un minut lumină și 10 minute întuneric, cantitatea de pigmenți clorofilieni este de 33 ori mai mare decât în lumină continuă cu aceeași durată de iluminare totală. Apa și bioxidul de carbon sunt absolut necesare pentru formarea clorofilei într-o stare normală de turgescență celulară, întrucât au rol în procesele de sinteză organică, inclusiv pentru produșii inițiali care servesc la biosinteza clorofilei în faza de întuneric. Temperatura optimă pentru formarea clorofilelor este cuprinsă între 15 și 38 0C, cu variații funcție de specia de plantă, mai frecvent între 25 și 30 0C, favorabile reacțiilor enzimatice implicate în sinteza protoclorofilei la întuneric. Formarea clorofilei începe la pragul termic minim de + 1 0C, respectiv + 4 0C la grâu, orz, secară, ovăz, 7-8 0C la porumb și fasole, 10-11 0C la măr și cireș, 12-13 0C la salcâm. Valorile termice maxime pentru formarea clorofilei încep la 39-40 0C, pentru ca la 48 0C să se blocheze reacțiile de sinteză. Oxigenul este encesar pentru formarea clorofilei, deoarece prin procesul de respirație se eliberează energia pentru sinteza protoclorofilei. Sărurile minerale , în forme ușor accesibile, sunt, de asemenea, necesare, având în vedere că unele elemente (N, Mg) constituie componente ale moleculei de clorofilă, iar altele (Fe, Cu, Mn) au rol catalitic în reacțiile de oxidoreducere, care stau la baza sintezei clorofilei. 5.3.5. Proprietățile fizico –chimice ale pigmenților Culoarea. Diferă distinct la cei patru pigmenți asimilatori existenți în cloroplaste: clorofila a – verde albăstruie; clorofila b – verde gălbuie; carotina – galben portocaliu; xantofila – galben verzui. Solubilitatea. Pigmenții nu sunt solubili în apă ci în anumiți solvenți organici (metanol, etanol, acetonă, benzen, eter etilic, eter de petrol, sulfura de carbon). Fluorescența. Este o proprietate fizică a clorofilelor ca in vitro , respectiv în extracte alcoolice, să aibă o culoare când sunt privite prin transparență, în lumină directă și o altă culoare când sunt privite prin reflexie, sub un anumit unghi față de razele incidente. În primul caz prezintă culoare verde, iar în al doilea caz culoare roșie-rubinie și roșie – brună. Această proprietate este caracteristică tuturor soluțiilor adevărate (micromoleculare) care dau cu lumina anumite reacții fotochimice. Clorofilele absorb radiațiile de lumină cu lungime de undă mai scurtă și le transformă în radiații cu lungimi de undă mai mari. Fluorescența clorofilelor se datorește legăturilor duble din structura moleculară; ea permite ca radiațiile ultraviolete să devină vizibile și constituie o cale de sporire a cantității de radiații roșii, active în fotosinteză. Proprietatea de fluorescență nu există la pigmenții galbeni (carotina, xantofila) și se pierde chiar la clorofile dacă sunt în stare coloidală. Peste un anumit conținut de apă soluția adevărată de clorofilă trece în stare coloidală și nu mai manifestă proprietatea de fluorescență. Atât cloroplastele cât și frunzele ar putea prezenta fenomenul de fluorescență, dar numai la o iluminare cu lumină albastră. 104Absorbția radiațiilor de lumină din spectrul vizibil. Din totalul luminii solare directe, 53,3% reprezintă radiații fiziologic-active, care pot fi absorbite de pigmenții asimilatori din cloroplaste, în zona vizibilă a spectrului cuprinsă între 380 și 760 nm. Aceste radiații se caracterizează printr-o anumită lungime de undă ( λ), m ărime a fotonilor și cantitate de energie, elemente aflate într-un anumit raport stabilit prin legea lui Einstein: lungimea de undă este invers proporțională cu mărimea fotonilor și cantitatea de energie (tab. 6). Tabel nr.6 Lungimile de undă și cantitățile de energie specifice diferitelor radiații Radiațiile Lungimea de undă (nm) Energia (Kcal) Infraroșii 4000-850 31,1 Roșu Orange Galben Verde Albastru Indigo Violet760-650 650-600 600-580 500-480 580-500 480-400 400-38035,5 41 47 57 62 68 71 Ultraviolet Ultraviolet în vacuum Razele X Gama380-200 200-2 0,1-0,001 0,001-0,0003 107 14200 2800 000 280 000 000 Radiațiile din zona ROG au lungimi de undă mai mari și cantități de energie mai mici decât radiațiile din zona AIV. Dintre radiațiile luminoase absorbite de pigmenții asimilatori din spectrul vizibil (ROGVAIV), cele mai bogate în energie sunt razele violete (71 Kcal), cu valori duble față de razele roșii (35,5 Kcal). Pigmenții clorofilieni absorb în mod selectiv radiațiile luminoase, ca urmare a prezenței numeroaselor legături duble din nucleii pirolici și din lanțul fitolic; paralel cu creșterea numărului legăturilor duble, lumina se absoarbe mai puternic, iar spectrul de absorbție se deplasează spre radiațiile cu lungimi de undă mai mari. Cu ajutorul spectroscopului, care descompune lumina albă în cele 7 radiații ale spectrului vizibil (ROGVAIV), se constată că după trecerea fasciculului de lumină printr-o soluție alcoolică de pigmenți apar două benzi întunecate în zona radiațiilor care au fost absorbite de pigmenți: o bandă în radiațiile roșii cu maximum la aproximativ 680 nm și o bandă mai lată în radiațiile AIV, cu fotoni mari și cantitate mare de energie. Nu sunt absorbite radiațiile verzi (ceea ce explică culoarea verde a frunzelor) și nici radiațiile infraroșii, chiar dăunătoare pentru pigmenți. Paralel cu mărirea concentrației soluției de pigmenți are loc lărgirea benzilor de absorbție. Fiecare din cei patru pigmenți asimilatori prezintă benzi specifice de absorbție. Clorofila a are o bandă de absorbție lată în roșu (maximum în 683 nm), două benzi înguste în portocaliu-galben și o bandă lată în AIV (cu maximum în 435 nm). Clorofila b are benzi de absorbție similare cu cele ale clorofilei a, dar deplasate puțin spre dreapta în radiațiile roșii (maximum 644 nm) și puțin spre stânga în radiațiile AIV (maximum în 453 nm). Studii comparative arată că clorofila b absoarbe mai mult radiațiile AIV, în timp ce 105clorofila a reține mai mult radiațiile ROG, unde este mai activ nucleul porfirinic; restul fitolic absoarbe mai intens radiațiile cu lungimi de undă mai mici (AIV). Pigmenții carotenoizi absorb în mod selectiv numai radiațiile din dreapta spectrului, prezentând câte trei benzi de absorbție situate între 480 și 400 nm, cele ale xantofilei fiind puțin deplasate spre violet. Atât carotina cât și xantofila asigură o protejare a clorofilei și a enzimelor față de acțiunea dăunătoare a radiațiilor violete și ultraviolete. Formarea feofitinei în mediul acid. Prin reacția cu diferiți acizi minerali sau organici, moleculele de clorofilă pierd atomul de Mg ++ din centrul nucleului tetrapirolic, care va fi înlocuit cu doi atomi de H +, formându-se feofitina sau clorofilanul, o porfirină de culoare brună-cărămizie. Dacă se adaugă cristale de acetat de Cu sau Zn, după o ușoară încălzire, extractul își recapătă culoarea verde, deoarece în locul atomilor de H + din centrul nucleului tetrapirolic trece metalul din acetat (Cu ++ sau Zn ++). Observat la o sursă de lumină, extractul verde nu prezintă însă fenomenul de fluorescență caracteristic numai prezenței Mg din clorofilă. În condițiile naturale, feofitina apare toamna în frunzele bătrâne, deoarece unii factori nefavorabili denaturează structura tonoplastului, care își pierde semipermeabilitatea și devine permeabil. Acizii organici și minerali din sucul vacuolar trec în citoplasmă și intră în contact nemijlocit cu moleculele de clorofilă din cloroplaste, provocând brunificarea frunzelor. Saponificarea clorofilei. Într-un mediu alcalin, sub acțiunea unui hidroxid (KOH, NaOH), are loc saponificarea grupărilor esterice, respectiv descompunerea moleculei de clorofilă în acid clorofilinic, alcool fitilic și alcool metilic. În continuare, atomii de H + de la grupările carboxilice ale acidului clorofilinic sunt înlocuiți cu cationii de hidroxid (K + sau Na +), formându-se săruri bazice ale clorofilinei, mai solubile în alcool decât în benzen. În aceste reacții, structura nucleului tetrapirolic rămâne nealterată, ceea ce determină păstrarea culorii verzi și a priorității de fluorescență. 5.3.6. Degradarea clorofilei În frunzele bătrâne sau în condiții nefavorabile de viață (secetă, exces de umiditate, insolație puternică, exces de substanțe toxice, temperaturi scăzute) are loc degradarea peristromei cloroplastului, dezorganizarea stromei, a granelor și, în final, descompunerea moleculelor de clorofilă până la dispariția culorii verzi. Mai frecvent se formează etioporfirina, un pigment de culoare roșie, alături de foefitină brună, de pigmenții carotenoizi mai rezistenți la degradare (îndeosebi xantofila) și de antocianii din sucul vacuolar al celulelor. Acest asamblu determină apariția colorației specifice a frunzelor în toamnă, cu nuanțe de galben, portocaliu, brun, roșiatic și albăstrui, funcție de raportul cantitativ dintre aceste componente. La plantele lemnoase are loc în timpul iernii o distrugere treptată a cloroplastelor din scoarța ramurilor și lăstarilor, mai ales la speciile și soiurile mai sensibile la ger și iernare. 5.4. Mecanismul fotosintezei 106 Prin folosirea metodelor moderne de investigație cu ajutorul atomilor marcați (C14O2), urmate de o expunere la lumină și de extragerea imediată a substanțelor organice sintetizate, s-a reușit să se separe, cu precizie, prin metode cromatografice, compușii organici primari rezultați din fotosinteză. Aceste cercetări noi au permis elaborarea teoriei moderne a mecanismului fotosintezei, conform căreia s-a stabilit lanțul de reacții succesive ce necesită, în primele etape, condiții de lumină (faza Robin Hill), iar în etapele ulterioare condiții de întuneric (faza F.F. Blackmann). 5.4.1. Faza de lumină a fotosintezei Este numită faza Robin Hill și constă dintr-un lanț de transformări fotofizice și reacții fotochimice desfășurate în granele cloroplastelor, caracterizate prin următoarele procese de primă importanță: ·captarea CO 2 în cloroplastele celulelor asimilatoare; · stimularea clorofilei pentru fixarea energiei luminoase; ·fosforilarea ADP în ATP, fotoliza apei cu fixarea H + în NADP redus și eliminarea O 2. Toate aceste procese necesită în mod obligatoriu, prezența luminii și sunt grupate în trei etape distincte: ·pătrunderea CO 2 în cloroplaste; ·absorbția energiei luminoase; ·transformarea acesteia în energie chimică. Absorbția CO 2 în cloroplaste. În această primă etapă a fazei de lumină, aerul din mediul înconjurător pătrunde prin osteolele stomatelor, deschise prin reacția fiziologică fotoactivă și trece în camera substomatică, de unde difuzează în spațiile intercelulare, ajungând în contact direct cu membranele celulozice ale celulelor asimilatoare din țesutul palisadic, situat spre fața superioară a limbului, sau din țesutul lacunar, situat spre fața inferioară (fig. 47) 107 Figura nr. 47 – Căile de difuziune a CO 2 prin spațiile intercelulare la frunzele hipostomatice (d. Péterfi și colab., 1972) Dacă membranele celulelor asimilatoare sunt umede, permanent irigate cu apă absorbită din sol, CO 2 din aerul circulant în spațiile intercelulare, cu o mare capacitate de hidrosolubilitate, se dizolvă în apă și trece în acid carbonic (H 2CO3), care, după disociere, dă forme ionice HCO 3- CO -3 ce pătrund în citoplasma celulară până la cloroplaste. Ca atare, rezultă că o primă condiție a fotosintezei este deschiderea osteolelor stomatelor și prezența apei în cantități suficiente în țesuturile foliare. Noaptea, când stomatele sunt închise prin reacția fiziologică fotoactivă precum și în perioadele de secetă, când stomatele sunt închise prin reacția hidroactivă, iar membranele celulare din mezofilul frunzei sunt uscate, fotosinteza este blocată: creșterea plantelor stagnează din lipsa asimilatelor noi sintetizate. Absorbția energiei luminoase. Etapa a doua a fazei Hill din desfășurarea fotosintezei constă în captarea luminii de către pigmenții asimilatori sub formă de fotoni. Intensitatea acestui proces fotofizic este proporțională cu numărul de fotoni absorbiți, ceea ce face ca necesarul de lumină pentru fotosinteză să se exprime prin numărul de cuante/moleculă. În captarea energiei luminoase, rolul principal îl reprezintă clorofila a 683 din sistemul I de pigmenți, care acționează ca un sensibilizator optic și participă direct la captarea cuantelor de lumină, îndeosebi a fotonilor roșii și albaștri. Energia luminoasă, fixată de clorofila a 683 , este transferată pe moleculele de clorofilă a 700, într-un timp foarte scurt (10 -8-10-9 sec.), după principiul rezonanței inductive. Acest transfer de energie este posibil numai atunci când distanța dintre moleculele de clorofilă este sub 50-100 Å, condi ție realizată în cuantozomi. Se consideră că în acest proces, 200 molecule de clorofilă a 683, aranjate într-un fascicul, au funcția 108asemănătoare unei lentile, care captează fotonii și îi concentrează într-un punct focal, respectiv pe molecula de clorofilă a 700, cu rol de depozit primar al energiei luminoase. Pigmenții din sistemul II de pigmenți (clorofila a 672, clorofila b 644, carotina și xantofila) participă indirect în această etapă fotofizică, prin captarea unei cantități reduse de fotoni pe care îi transferă pe clorofila a 683 prin inducție moleculară sau prin fenomene de rezonanță. Transformarea energiei luminoase în energie chimică. Cea de-a treia etapă a fazei Hill din procesul fotosintetic cuprinde trei subetape: ·fotofosforilarea aciclică; ·fotofosforilarea ciclică; ·fotoliza apei. Prin procesele de fosforilare, plantele verzi înmagazinează o parte din energia liberă care provine din activitatea metabolică proprie sau de la soare și conservă un anumit potențial energetic sub formă de molecule stabile, bogate în energie, de ATP, care, prin hidroliză este utilizat în satisfacerea nevoilor termodinamice ale reacțiilor endergonice din metabolism. În aceste procese ATP-ul este într-o continuă sinteză și hidroliză. La animale, cea mai mare parte a energiei este produsă din sinteza ATP în procesul de fosforilare oxidativă, care are loc la nivelul mitocondriilor. La plantele verzi fotoautotrofe există, pe lângă fosforilarea oxidativă, procese de sinteză a ATP prin fosforilare fotosintetică sau fotofosforilare. Procesul prin care se creează un compus fosforilat, bogat în energie, de origine fotochimică, independent de oxidările respiratorii. Fotofosforilarea aciclică. În momentul transferului de energie de pe molecula de clorofilă a 683 pe molecula de clorofila a 700 are loc o excitare de scurtă durată a electronilor din atomul de Mg ++, care determină ca doi electroni (e -) să se desprindă de pe clorofilă și să se cupleze cu fotonii de lumină. În această stare de excitație, electronii liberi, cu un nivel energetic ridicat, sunt transportați de anumite substanțe (NADP, citocromii b și f, vitamina K și FMN- flavinmononucleotid) și trece, împreună cu fotonii, pe diferite sisteme de oxidoreducere (feredoxina, NADP și feredoxin – NADP- reductaza.) Feredoxina este o heteroproteină cu greutate moleculară de 10 500 – 13 000, având 95-100 aminoacizi și o grupare prostetică ferosulfurică (2Fe – 2S), care îi dau culoare roșie. Biosinteza ferodoxinei are loc în ribozomii citoplasmatici, prin reacții dependente de lumină.feredoxina prezintă absorbții maxime din spectrul de lumină la 227 nm, 330 nm și 420 nm, cu variații funcție de modul de legare a atomilor de Fe ++ pe molecula proteică. Îndeplinește rolul unei pile electrice, împreună cu cuantozomii și lamelele granelor, fiind activă în fluxul electronic aciclic care implică fotoreducerea moleculelor de NADP +. Feredoxin-NADP-reductaza este o flavoproteidă, cu greutatea moleculară = 40 000, cu o punte _ S_S și patru grupări _SH, conține ca grupare prostetică FAD (flavin-adenin-dinucleotid). Din momentul trecerii fotonilor de feredoxină, aflată în stare oxidată, are loc fotoreducerea feredoxinei și deplasarea în continuare a electronilor energizanți pe sistemul piridin-nucleotid, unde are loc reducerea NADP + în NADPH, într-un proces catalizat de feredoxin _ NADP_ reductaza. 109În acest moment are loc transformarea energiei luminoase în energie chimică potențială, înmagazinată în legături macroergice (ATP și NADPH): hv. 7600cal/mol ADP+2H 2O + P anorganic ATP + 4H + + O2 feredoxină 4NADP + + 4 H +→ 4 NADPH Acest proces de transformare energetică a fost denumit fotofosforilare aciclică, care asigură producerea în corpul plantei a unei cantități de ATP de 30 de ori mai mare decât prin fosforilările oxidative ce au loc la nivelul condriozomilor. Grupările ATP și NADPH sunt componentele energetice care rezultă în faza de lumină a fotosintezei, folosite parțial în faza de întuneric pentru reducerea CO 2 În producerea unei molecule de NADPH sunt necesare două molecule de clorofilă a 700, care eliberează câte doi electroni energizanți (e -), cu rol de reducere a unei molecule de NADP +. Electronii eliberați nu mai revin direct la molecula de clorofilă. Reacțiile succesive care cuprind fotodisocierea moleculei de apă la nivelul granelor constau din captarea a câte patru cuante de lumină (îndeosebi radiații roșii): 8fotoni 2ADP + 2H 2O+ 2NADP + 2 ATP + 2 NADPH + 2 H + + O2 feredoxină Rezultă deci că în fotoliza apei își are originea H + utilizat în faza de întuneric pentru reducerea CO 2, precum și O 2 eliberat în schimbul gazos fotosintetic. Din granele cloroplastelor, O 2 difuzează în citoplasmă, unde este dizolvat în apă, trece în spațiile intercelulare în stare gazoasă și se elimină în mediul extern prin osteolele deschise ale stomatelor. Fotofosforilarea ciclică. Cercetările au stabilit că în ciclul de reducere a CO 2 în faza de întuneric a fotosintezei necesită o cantitate mai mare de ATP decât NADPH, respectiv ATP / NADPH = 1,5/ 1 Din fotofosforilarea aciclică rezultă un raport egal cu unitatea ATP/NADPH =1 /1, diferența necesară de ATP fiind produsă în fosforilarea ciclică ce se desfășoară la nivelul clorofilei a 700,aflată în stare excitată. După desprinderea electronilor energizanți, clorofila a 700 prezintă două valențe libere și trece în stare de biradical, pe o durată de 10 -3 – 10-2 secunde, având un nivel energetic ridicat și o mare capacitate de reacție. În această stare, clorofila se încarcă pozitiv și devine extrem de instabilă, capabilă să recepționeze de la un donator un electron și un foton de H +. Astfel clorofila trece în stare redusă, formă care poate realiza atât procese de sinteză, cât și de descompunere a unor substanțe, prin reacții de oxidoreducere. Numărul moleculelor transformate pe această cale este egal cu numărul fotonilor absorbiți, conform principiului echivalenței fotochimice lui A Eistein, care stabilește că o moleculă întră într-o reacție fotochimică 110după ce a absorbit un foton, iar un mol de substanță poate reacționa numai după ce a absorbit 6,023 ∙1023 fotoni. Între fosforilarea aciclică și cea ciclică s-a stabilit o legătură directă la nivelul feredoxinei. De aici, electronul liber este transferat pe citocromul b 6 și apoi pe citocromul f, pe care îi reduc prin reacții catalizate de sisteme enzimatice specifice. Prin intermediul citocromilor, clorofila își recapătă electronii pierduți, a căror energie se acumulează sub formă de grupări macroergice ATP. În afară de citocromi, donatori de electroni pentru clorofila excitată pot fi: vitamina K, FMN și plastochinona, intermediari în transportul energiei captate de pigmenții din sistemul II. În acest mod se realizează fotofosforilarea ciclică într-un circuit închis, în care clorofila a servește concomitent atât ca donator cât și ca acceptor de electroni. În toate aceste reacții fotochimice, cationul Mg ++ nu își modifică valența, deși molecula de clorofilă a poate să elibereze sau să primească electroni. Această posibilitate se datorește modificării atomilor de azot din nucleii pirolici adiacenți care pot, temporar, să se încarce pozitiv sau negativ, grație rezonanței dublelor legături conjugate. Prin aceasta, clorofila poate să elibereze electroni sau să-i primească de la alte surse, producând un permanent flux electronic. Grupările macroergice ATP care rezultă prin fotofosforilarea nu pot să difuzeze spre citoplasmă, întrucât membrana dublă a cloroplastelor este impermeabilă. Transferul energiei din cloroplaste în citoplasmă și în diferite organite citoplasmatice se face prin intervenția triozo-fosfaților fotosintetizați și a acidului fosfogliceric, care rezultă în reacțiile de glicoliză. 111 Figura nr. 48 – Reprezentarea schematică a transportului de electroni în fotosinteză AP – antena de pigmenți; CR – centrul de reacție; Mn – substanță necnoscută, care conține mangan; PQ – plastochinonă; Cit b 6 – citocrom b 6; cit f – citocrom f; FD – ferredoxină; fp – flavoproteină, (d. Boldor și colab., 1981) 5.4.2. Faza de intuneric a fotosintezei Este denumită și faza F.F. Blackmann sau faza termo-chimică enzimatică și include anumite reacții biochimice, independente de lumină, dar dependente de temperatură, în care intervin anumite enzime localizate în stroma nepigmentată a cloroplastelor. Principalele reacții ale fazei de întuneric sunt: integrarea carbonului pe o substanță acceptoare, reducerea CO 2, cedarea energiei înmagazinată în ATP și NAPH în substanțele organice primare formate în fotosinteză (trioze fosforilate) și polimerizarea acestora în substanțe organice complexe (glucide, lipide, proteină, acizi nucleici, pigmenți). Prima reacție a carboxilării fotosintetice constă în fixarea CO 2 pe un complex organic acceptor, existent în stroma cloroplastelor: 112RH + CO 2→ R_ C_OH ׀׀ O ATP 5-fosforibuloză 1,5-difosforibuloză enediol Fosfo-pento- carboxi chinaza dismutaza 1,5-dofosfo H 2O acid 3- fosfogliceric 2-carboxi carboximutaza 3-cetoribitol Figura nr. 49 – Fixarea CO 2 pe acceptor organic și formarea acidului 3-fosfogliceric Acid 3-fosfogliceric + ATP acid 1,3-difosfogliceric + ADP Figura nr. 50 – Dubla fosforilare a acidului gliceric În lanțul de procese biochimice care au loc la întuneric, primul acceptor organic este compusul 5-fosforibuloza, care provine din hexoze, fosforilate printr-un lanț de reacții intermediare. În afară de 5-fosforibuloza există și alți acceptori pentru CO 2 (acid piruvic, acid oxalilacetic, glicina), dar cu rol foarte redus și în alte procese metabolice. Compusul 5-fosforibuloza este esterificat, în prezența enzimei de fosfopentochinaza și a energiei date de ATP trecând în 1,5-difosforibuloză. Prin mutarea grupării cetonice de la C 2 la C 3 se formează un compus izomer instabil (enediol) care în prezența carboximutazei (o enzimă cu grupări _SH esențiale) are capacitatea de a capta CO 2 la nivelul C 2, dând o nouă substanță instabilă (1,5-difosfo-2-carboxi-3-cetoribitol) și energie calorică evaluată la 8 Kcal/mol CO 2 fixat. Ultimul compus instabil se rupe între C 2 și C 3, sub acțiunea enzimei carboximutazei și a H2O,dând naștere la două molecule de acid 3-fosfogliceric. Acidul 3-fosfogliceric este fosforilat în prezența unei grupări macroergice ATP și a enzimei fosfoglicerochinaza, trecând în acid 1,3-difosfogliceric. În continuare, sub influența H + provenit din fotoliza apei și difuzat în stroma cloroplastelor prin intermediul dehidrazelor, precum și în prezența grupărilor nucleotidice reduse (NADPH, are loc reducerea acidului 1,3-difosfogliceric în aldehida 3-fosfoglicerică, rolul catalitic fiind îndeplinit de enzima 3-fosfogliceraldehiddehidrogenaza. 113 Figura nr. 51 – Reducerea acidului gliceric fosforilat cu NADPH și H + provenite din fosforilarea fotosintetică Aldehida 3-fosfoglicerică este o trioză fosforilată și reprezintă cel mai simplu compus glucidic sintetizat în fotosinteză. Pentru sinteza glucidelor mai complexe, respectiv formarea hexozelor, aldehida 3-fosfoglicerică este izomerizată în prezența triozofosfatozomerazei și trece în 3- fosfodihidroxiacetonă. Aldehidă 3-fosfoglicerică → 3-fosfodihidroxiacetonă Figura nr. 51 – Izomerizarea aldehidei glicerice în dihidroxiacetonă Sub acțiunea enzimei aldolaza are loc combinarea unei molecule de 3-fosfodihidroxiactonă, dând naștere la prima hexoză în stare dublă fosforilată, respectiv 1,6-difosfofructoza (esterul Harden-Zong). Aldehida 3-fosfoglicerică 3 Fosfo-hidroxiacetona Triozofosfat- izomeraza Aldolaza 1,6-Difosfofructoza Figura nr. 52 – Sinteza acidului 1,6 difosfofructoza ca prima hexoză creată în fotosinteză Prin procese de defosforilare, 1,6-difosfofructoza se transformă în 6 fosfofructoză (esterul Neuberg). Această defosforilare la nivelul cloroplastelor implică prezența feredoxinei, a cationului Mg ++, a grupării _SH și a enzimei fructozo-1,6-difosfataza. În continuare, prin reacții de izomerizare, 6-fosfofructoza trece în 6-fosfoglucoză (esterul Robinson), iar prin defosforilare trece în glucoză,fructoză, manoză, galactoză. 1.6- difosfoglucoză 6-fosfofructoză Esterul Harden-Jong fosfataza Esterul Neuberg izomeraza 114 ferodoxină redusă 6-fosfoglucoză Glucoză Esterul Robison Figura nr. 53 – Reacții de izomerizare și defoforilare pentru formarea diferitelor hexoze după fotosinteză Acestea se păstrează în cloroplaste sau trec în leucoplaste, unde polimerizează în granule de amidon. Pentru sintetizarea unei molecule de hexoză sunt necesare 6 molecule de CO 2, 18 molecule de ATP și 12 molecule de NADPH, ceea ce denotă că în întregul lanț al reacțiilor fotosintetice raportul de consum este: ATP/ NADPH = 18/12 = 1,5/ 1 Din calcule rezultă că pentru a obține 100grame glucoză vor intra în reacție: 147 g CO 2 + 60 g H 2O+ 374 Kcal → 100 g C 6H12O6 + 107 g O 2. Cocncomitent cu sintetizarea glucidelor solubile are loc și metabolizarea lor trecând în diferiți alți compuși organici. După numai 5 secunde de expunere la lumină într-o atmosferă cu carbon marcat (C 14O2) apar acizi organici (malic, enolpiruvic), după 10 secunde se formează primii aminoacizi (alanina, acidul asparagic), iar după 30 secunde apar acidul citric, zaharoza și diferiți alți aminoacizi (serina, glicina, acidul glutamic). Tot din 6-fosfofructoza are loc regenerarea acceptorului organic (5-fosforibuloza) cu care începe lanțul carboxilărilor fotosintetice. În prezența tiamin-pirofosfatului (TPP) și sub acțiunea unei transcetolaze, 6-fosfofructoza este scindată de 4-fosfoeritroză și un complex enzimă- TPP-glicolaldehidă. 6-Fosfofructoză TPP 4-Fosfoeritroză +complex enzima –TPP- glicolaldehidă Figura nr. 54 – Scindarea moleculei de 6-fosfofructoză cu formarea de 4-fosfoeritroză În continuare, 4-fosfoeritroza, sub acțiunea unei aldolaze, se condensează cu 3-fosfodihidroxiacetona dând un glucid cu 7 atomi de carbon (1,7- difosfosedoheptuloza) care, prin hidrolizare sub acțiunea unei fosfataze, trece în 7-fosfosedoheptuloza. În prezența tiamin-pirofosfatului (TPP) și sub acțiunea unei transcetolaze, 7-fosfosedoheptuloza trece în 5-fosforiboză și complexul enzimă –TPP- glicoaldehida iar sub acțiunea enzimei fosforibozoizomeraza, 5-fosforiboza trece în 5-fosforibuloza (primul acceptor al CO 2). 115 Figura nr. 55 – Ciclul Calvin cu cele trei etape: carboxilarea, reducerea și regenerarea (d. Taiz, 1998) Moleculele din complexul enzimă –TPP- glicoaldehidă se combină cu aldehidă- 3-fosfoglicerică și sub acțiunea unei transcetolaze trece în 5 –fosfoxiluloză, o cetopentoză fosforilată care sub acțiunea unei epimeraze devine 5-fosforibuloză. În final, din conversia a cinci molecule de aldehidă 3-fosfoglicerică rezultă trei molecule de 5-fosforibuloză. Acest ciclu de transformări biochimice, care începe din momentul acceptării CO 2 pe un substrat organic (5-fosforibuloza) și sfârșește prin regenerarea acestui compus pentru o nouă fixare a CO 2, are durata de aproximativ 5 secunde și este cunoscut sub numele de ciclul M. Calvin. 5.4.3. Tipuri fotosintetice la plante Până în 1966 era admis că fixarea la lumină a CO 2 atmosferic și încorporarea carbonului în substanțe organice s-ar face la toate speciile vegetale pe o cale unică, conform reacțiilor din ciclul CALVIN, denumit mai recent ciclul C 3, întrucât primul compus stabil, format după cuplarea CO 2 pe acceptorul organic, este un compus cu 3 atomi de carbon (acidul 3-fosfogliceric). Există unele specii vegetale la care fixarea fotosintetică a CO 2 atmosferic se efectuează pe o altă cale (numită ciclul Hatch, Slack, Kortschak – HSK) sau ciclul C 4, pentru că primii compuși stabili, formați după cuplarea CO 2, sunt doi produși cu 4 atomi de carbon (acidul malic și acidul aspartic), care derivă dintr-un compus instabil tot cu patru atomi de carbon (acidul oxalilacetic). La plantele Crassulaceae s-a constatat un metabolism special (metabolismul acidului crassulacean, prescurtat CAM), prin care au capacitatea de a fixa, la întuneric, 116cantități mari de CO 2 atmosferic și provenit din respirația internă, pe care îl transformă în acid malic, printr-o dublă carboxilare în prezența ribulozo- 1,5-difosfocarboxilaza și fosfoenolpiruvatcarboxilaza. La lumină, acidul malic este decarboxilat, iar CO 2 eliberat este redus prin ciclul C 3. Speciile vegetale caracteristice tipurilor fotosintetice. Plantele de tipul C 3 formează majoritatea speciilor vegetale din zonele temperate și tropicale (grâu, orz, ovăz, floarea soarelui, sfeclă pentru zahăr, tutun, etc.). Plantele de tipul C 4, mai puțin numeroase, aparțin la două familii monocotiledonate și opt familii de dicotiledonate. Dintre monocotiledonate există 7 specii din familia Cyperaceae și 113 specii din familia Gramineae , iar dintre dicotiledonate aparțin de tipul C 4 16 specii Amaranthaceae , 22 specii Chenopodiaceae , 7 specii Euphorbiaceae , 1 specie din familia Composite etc. Cele mai importante plante cultivate și din flora spontană care se integrează în tipul C 4 sunt: Zea mays ,Sorghum vulgare ,Saccharum officinarum , Panicum miliaceum , Setaria italica ,Cynodon dactylon , Atriplex (A.holocarpa ,A.rosea , A. vesicaria , A. spongiosa ),Amaranthus edulis etc. Modul de fixare fotosintetică a CO 2 se corelează cu arhitectonica internă caracteristică a țesutului foliar și a cloroplastelor. Fiecare fascicul vascular din limb este înconjurat de o teacă de celule perivasculare mari acoperită la exterior de un inel de celule mezofiliene (structura Karnz). Plantele de tipul crassulacean sunt: Seaum ,Opuntia ,Kalancko ë,Bryophyllum . Țesutul foliar este spongios cu celule palisadice care prezintă goluri mari și vacuole mari. La același gen de plante există specii de tip C 3 și C 4, ceea ce permite realizarea unor încrucișări sexuate între plante din cele două tipuri și obținerea de hibrizi interspecifici cu potențiale sporite de productivitate. Figura nr. 56 – Structura frunzelor la plantele de tip C 4 (d. Milică și colab., 1982) 117 Mecanismul carboxilărilor fotosintetice la plantele de tip C 4 și CAM. La tipul fotosintetic C 4, CO 2 atmosferic fixează la lumină un substrat cu 3 atomi de carbon rezultat din glicoliză (acidul fosfoenolpiruvic), a apărut prin fosforilarea acidului piruvic în prezența piruvat-fosfat-dichinazei. Sub acțiunea fosfoenol-piruvat carboxilazei, apare un acid alfacetonic instabil, cu 4 atomi de carbon (acidul oxalilacetic). Sub acțiunea a două melatdehidrogenaze, una cloroplastică ce necesită NADPH și alta citoplasmatică ce necesită NADH, acidul oxalilacetic este redus în acid malic. În unele cazuri, acidul oxalilacetic este aminat și trece în acid aspartic, sub acțiunea aspartataminotransferazei. La unele plante de tip C 4 (Zea mays , Sorghum bicolor , Saccharum officinarum , Digitaria sanguinalis ) se acumulează preferențial acid malic (70% acid malic + 20% acid aspartic + 10% acid 3-fosfogliceric și glucide fosforilate). În schimb, la alte specii (Panicum ,Amaranthus ,Atriplex ,Cynodon ) se acumulează mai ales acid aspartic, diferențele fiind datorate garniturilor enzimatice specifice. Acizii dicarboxilici de tipul C 4 (oxalilacetic, malic, asprtic) suferă o decarboxilare la nivelul grupării din C 4 dând acid piruvic, care se fosforilează, în prezența piruvatdichinazei, trecând în acid fosfoenolpiruvic, substrat care poate servi pentru o nouă carboxilare primară. CO 2 degajat la carboxilarea acizilor dicarboxilici, cu formare de acid piruvic, este captat de enzima ribulozo-1,5-difosfocarboxilaza, care o trece pe 1,5-difosoribuloză, trecând în acid 3-fosfogliceric, după reacțiile din ciclul Calvin- Benson (tipul C 3), ceea ce demonstrează că plantele de tip C 4 pot să combine la lumină și întuneric după reacțiile caracteristice celor două tipuri (C 4 și C3). 118 Figura nr. 57 – Stadiile fixării CO 2 la plantele de tipul C 4 (d. Taiz, 1998) Formarea acizilor decarboxilici cu 4 atomi de carbon are loc în celulele mezofilului foliar, iar decarboxilarea se face în celulele din teaca fasciculelor vasculare. Pentru 1 mol CO 2 fixat de plantele C 4 sunt utilizate 5 mol ATP și 2 mol NADPH. Frunzele speciilor de tip C 4 au intennsități foarte ridicate de asimilație netă (42-85mg CO 2/ dm 2/ h) și o fotorespirație foarte scăzută, practic nulă, comparativ cu plantele de tip C 3 cu fotosinteză netă pe jumătate și cu pierderi prin fotorespirație de 25-33%. 119 Plantele cu carboxilare tip CAM sunt capabile să fixeze cantități mari de CO 2, atât din atmosferă cât și din respirația internă. Fixarea fotosintetică a CO 2 la Crassulaceae implică două sisteme: a) primul se desfășoară pe calea beta-carboxilării acidului fosfoenolpiruvic sub acțiunea fosfoenolpiruvatcarboxilazei urmată de reducerea acidului oxalilacetic în acid malic sub acțiunea malatdehidrogenazei; b) al doilea sistem este catalizat de acțiunea ribulozo-1,5-difosfocarboxilazei, dând, după fixarea CO 2 un acid cu 3 atomi de carbon (acidul 3-fosfogliceric) care se reduce prin ciclul Calvin, asemănător plantelor cu metabolism de tip C 3. Figura nr. 58 – Mecanismul metabolismului de tip CAM: (A) la întuneric; (B) la lumină (d. Taiz, 1998) 5.4.4. Relația dintre fotosinteză și fotorespirație Fotosinteza și respirația sunt două lanțuri opuse și concomitente ale metabolismului; una include absorbția CO 2 și convertirea luminii în energie chimică acumulată în legături C_C sau C_H, iar cealaltă se caracterizează prin schimburi gazoase inverse și ruperea legăturilor macroergice cu eliberare de energie. Transferul de electroni în fotosinteză are loc de la H 2O spre NADP +, iar în respirație de la NADPH + H + spre O2. O parte din materia organică acumulată în fotosinteză este degradată prin respirație, ceea ce impune ca în calcularea fotosintezei reale totale să se însumeze fotosinteza aparentă cu respirația. 120 Mult timp s-a considerat că valoarea respirației este constantă, la lumină sau la întuneric. Există o stimulare a respirației la lumină, prin accelerarea unor reacții de oxidare asupra substraturilor direct legate de metabolismul intermediar al fotosintezei. La lumină fotorespirația poate fi de 3-5 ori mai intensă decât procesele respiratorii de la întuneric. Ea poate fi pusă în evidență la plantele de tip metabolic C 3 (grâu, sfeclă, spanac, tutun), dar este aproape nulă la plantele de tip C 4 (porumb, trestia de zahăr și alte specii originare din regiuni tropicale, subtropicale și deșertice). La plantele de tip C 3,fotorespirația este puternic intensificată prin creșterea conținutului de O 2 din atmosferă până la plafonul de 100% de O 2. Lumina are efecte stimulatoare pe o durată scurtă, mai active fiind radiațiile albastre. Fotorespirația crește paralel cu ridicarea temperaturii până la un anumit plafon termic optim care este, în general, inferior celui de la respirația în întuneric, dar superior celui de la fotosinteza reală și aparentă. Mecanismul fotorespirației a fost elucidat prin marcarea compușilor fotosintetizați cu C 14, stabilindu-se că sub acțiunea enzimei ribulozodifosfocarboxilaza, care în fotosinteză fixează CO 2 la enediol, manifestă aici o afinitate ridicată pentru O 2 și acționează ca o oxigenază, catalizând formarea în cloroplaste a acidului glicolic. Prin oxidarea 1,5-difosforibulozei apare acidul 3-fosfogliceric și acid 1-fosfogliceric, care este hidrolizat sub acțiunea catalitică a unei fosfataze specifice și trece în acid glicolic. Oxidarea acidului glicolic în acid glioxilic este realizată de peroxizomi, organite citoplasmatice ovoide cu proprietățile unei catalaze. Peroxizomii posedă o enzimă (glutamatglioxilataminotransferaza), activă în catalizarea formării glicinei, care se decarboxilează în prezența enzimei serinhidroximetiltransferaza, cu formarea aminoacidului serina și cu eliberarea de CO 2. Serina poate fi utilizată în sinteza proteinelor sau este tranformată în acid gliceric, ce este redus în cloroplaste prin ciclul fotosintetic Calvin. În timp ce la speciile de tip C 3 fotorespirația determină pierderi foarte mari ale productivității, la speciile de tip C 4 fotorespirația este foarte redusă sau aparent absentă, datorită capacității ridicate de reținere a CO 2, legat cu o afinitate puternică de enzima fosfoenolpiruvatcarboxilaza. 121 Figura nr. 59 – Schema procesului de fotorespirație (d. Burzo și colab, 1999) 5.5. Factorii care influențează fotosinteza Prin schimbul permanent de substanțe și energie, plantele se află într-un contact intim cu mediul înconjurător, iar intensitatea fotosintezei are la bază acțiunea factorilor externi și a unor factori interni, determinați de însăși natura plantelor și de interacțiunea tuturor factorilor. 1225.5.1. Factorii externi Lumina. Fotosinteza depinde într-o foarte mare măsură de intensitatea luminii și de durata acțiunii sale asupra frunzelor. Pentru plantele heliofile cultivate în zona temperată există o relație de proporționalitate directă între intensitatea proceselor fotosintetice și intensitatea luminii până la 50 000 lucși. Peste această limită are loc o plafonare a activității fotosintetice, cu valori de asimilare maximă până la 100 000 lucși. La o intensitate luminoasă mai mare de 100 000 lucși începe inhibarea fotosintezei, astfel că la 140 000 lucși procesele asimilatoare încetează total. În condițiile din zona temperată, intensitatea luminii variază în limite foarte largi, ajungând la 100 000 lucși în mijlocul zilelor de vară și numai câțiva lucși în nopțile cu lună plină. Între aceste limite, intensitatea luminii depinde de grosimea stratului de aer străbătut, precum și de prezența norilor din atmosferă, care rețin razele de lumină, îndeosebi radiațiile AIV, cu lungimi de undă mai mici. La plantele heliofile, intensitatea fotosintezei crește în relație directă cu cu intensitatea luminii până la 1/5 din lumina solară maximă, urmează apoi o creștere mai lentă până la ½ din lumin ă directă, după care se plafonează. Atingerea plafonului maxim în activitatea fotosintetică se realizează atunci când cloroplastele sunt suficient iluminate. La o iluminare excesiv de puternică, peste pragul de adaptabilitate, sunt vătămate, cloroplastele, enzimele și pigmenții. Această situație se întâmplă la scoaterea directă a plantelor din seră (cu lumină redusă) în câmp deschis (cu lumină solară directă). Între plantele heliofile și cele ombrofile există diferențe de reacție față de intensitatea de lumină, explicate prin unele deosebiri anatomo-morfologice. Plantele heliofile au frunze mai groase, cu mai multe stomate, cu țesut palisadic mai bine dezvoltat, cu 2-3 straturi de celule, rețea deasă de nervuri, celule mici, cloroplaste mai mici, cantitatea de clorofilă mai redusă, cu un raport mai mic între pigmenții verzi și cei galbeni. La frunzele plantelor ombrofile, celulele palisadice sunt mai scurte și dispuse pe un singur strat, astfel că iluminarea cloroplastelor se poate realiza la o intensitate mai redusă a luminii incidente. În cazul plantelor ombrofile (în desișuri și păduri, precum și plantele ornamentale din apartamente), atingerea plafonului fotosintezei maxime are loc la 1/8 -1/10 din lumina solară directă (aproximativ 10 000-12000 lucși). Scăderea intensității fotosintezei poate începe chiar de la 15 000 lucși, datorită vătămării protoplasmei celulelor asimilatoare sau a pigmenților verzi din cloroplaste. În coroana pomilor există o variație distinctă sub aspectul adaptării la condițiile diferite de iluminare. Frunzele din centrul coroanei, cu cantitate de clorofilă mai redusă, nu pot elabora substanțe organice nici pentru consumul propriu și de aceea apelează la asimilatele produse de frunzele mai active din vârful tulpinii sau ramurilor, expuse la lumină directă. Diferențele dintre speciile heliofile și ombrofile mai pot fi consemnate sub aspectul intensității luminoase minime la care începe asimilația CO 2: 80-100 lucși la plantele de lumină și numai 8-10 lucși la plantele de umbră. Cele mai importante din punct de vedere practic sunt datele asupra punctului de compensație care reprezintă intensitatea de lumină la care cantitatea de CO 2 absorbit în 123fotosinteză este egală cu cea eliminată în procesul de respirație. La acest nivel, fotosinteza este în echilibru cu respirația, iar planta stagnează în creștere, întrucât nici nu câștigă și nici nu pierde substanță organică. Cunoașterea intensității luminoase care asigură creșterea normală are o mare importanță în stabilirea densității culturilor, îndeosebi la plantele cultivate în condiții de lumină artificială (solarii, sere), știut fiind că la o intensitate luminoasă sub punctul de compensație planta mai mult consumă prin respirație decât asimilează prin fotosinteză. Punctul de compensație are valori mai ridicate la plantele heliofile (500-1000 lucși) și mai reduse la cele ombrofile (100-300 lucși), diferențele fiind datorate și altor factori, cum ar fi: -intensitatea diferită a respirației; – temperatura mediului; – vârsta frunzelor. La frunzele tinere, punctul de compensație are valori mai mari, datorită unei respirații mai intense comparativ cu frunzele bătrâne. La temperaturi scăzute, punctul de compensație se deplasează spre intensități mai slabe de lumină întrucât scade mult intensitatea respirației. La culturile cu densitate mare, pentru o productivitate maximă a fotosintezei este necesar să se asigure ca frunzele cele mai umbrite, situate la baza plantei, să fie expuse la o intensitate luminoasă deasupra punctului de compensație. În caz contrar, consumul este mai intens decât acumularea de substanțe organice, iar frunzele pier lent prin inaniție. Compoziția spectrală a luminii. Radiațiile de lumină din spectrul vizibil, cu lungimi de undă între 400 și 700 nm, sunt absorbite în proporție de 82%, iar restul de 18% se reflectă sau străbate frunza. Randamentul fotosintetic și direcția de sinteză organică depind de calitatea luminii absorbite de frunze. Lucrările făcute cu specia Cosmos bipinatus au arătat că în lumină roșie se acumulează cea mai mare cantitate de biomasă uscată. Prin absorbția radiațiilor ROG plantele sintetizează mai multe glucide, iar prin absorbția radiațiilor AIV se intensifică sinteza substanțelor proteice. Această particularitate poate fi folosită la plantele cultivate în lumină artificială modificând conținutul în glucide sau proteine funcție de îmbogățirea luminii cu radiații roșii sau albastre. În practica horticolă este folosită și lumina monocromatică. În serele cu geamuri colorate în roșu și albastru sau în solariile acoperite cu folii de material plastic, care au fluorescență roșie-albăstruie, asociind și ceilalți factori de vegetație la plafoane optime, se pot obține producții sporite de tomate, ardei, salată, spanac, fasole etc. Aplicarea radiațiilor infraroșii, cu lumini de undă peste 750 nm, poate provoca efecte dăunătoare în cazul când sunt absorbite de frunze, deoarece se transformă în căldură și intensifică transpirația în mod inutil. În natură se constată că la diferite ore din zi variază proporția radiațiilor de lumină în raport cu unghiul de incidență a razelor față de orizontala locului. În orele dimineții sau spre seară crește procentul radiațiilor roșii, iar cu cât unghiul de incidență este mai apropiat de 90 0 (spre prânz) crește procentul radiațiilor cu lungime de undă scurtă (ultraviolet, violet, indigo, albastru). Concentrația CO 2. Prin mărirea concentrației de CO 2, peste valorile medii existente în atmosferă (0,03%), are loc o intensificare progresivă a fotosintezei, cele două elemente fiind într-o relație ce se înscrie într-o curbă logaritmică, cu o zonă de 124plafonare în partea superioară. Mărirea concentrației de CO 2 de 8 ori față de existentul din atmosferă, respectiv până la 0,24%, determină o intensificare a fotosintezei după o relație lineară. Prin mărirea concentrației de CO 2 la plafoane și mai ridicate, intensitatea fotosintezei prezintă valori în continuă creștere, aflate în relație logaritmică cu doza de CO2. Această creștere este în strânsă legătură cu modul în care se manifestă ceilalți factori mai ales, intensitatea luminii și temperatura. Îmbogățirea cu CO 2, a atmosferei din mediul natural este constatată în lunile aprilie și octombrie, din cauza respirației microorganismelor din sol, activate la o umiditate crescută. În lunile de vară mărirea artificială a dozei de CO 2 este necesară mai ales în orele de după prânz, când procentul de CO 2 din aer este redus, ca urmare a activității fotosintezei intense de până la prânz. Limita superioară a CO 2, care devine toxică pentru celulele asimilatoare, este greu de precizat, întrucât este în strânsă dependență de alți factori externi. La doze exagerate (peste 3-10%) CO 2 devine toxic asupra protoplasmei și determină o reducere a intensității fotosintezei mai sensibile fiind tomatele și floarea soarelui. Unele specii care conțin cantități mari de acizi organici (vița de vie) sunt mai puțin sensibile la doze mari de CO2, suportând chiar concentrații de peste 10%. Limita inferioară a concentrației de CO 2 la care începe procesul de fotosinteză este cuprins între 0,008 și 0,11%. Pătrunderea CO 2 în frunze este în relație directă cu intensitatea mișcării curenților de aer și cu mărimea presiunii atmosferice. Curenții de aer deplasează din jurul frunzelor stratul de aer sărăcit în CO 2 prin fotosinteză și aduc, în schimb, mase noi de aer proaspăt, cu o concentrație normală de CO 2. De asemenea, s-a constatat că pătrunderea CO2 în frunze se face prin difuziune la o anumită presiune atmosferică. La altitudini mari scade presiunea atmosferică, scade concentrația de CO 2 din aer și se reduce intensitatea fotosintezei. Relația dintre presiunea atmosferică și difuziunea CO 2 în frunze este unul dintre factorii de bază care determină zonalitatea verticală a vegetației. Temperatura. La majoritatea speciilor de plante fotosinteza începe în jur de 0 0C și se intensifică paralel cu creșterea temperaturii; la fiecare 10 0 se înregistrează o intensificare a fotosintezei de 1,5-1,6 ori, fiind în relație cu creșterea vitezei reacțiilor chimice (conform legii lui Van ΄t Hoff). Temperaturile optime pentru o fotosintez ă intensă sunt cuprinse între 20 și 37 0C, cu unele variații funcție de specie: 32 0C la cartof, 35 0C la tomate și salcâm, 37 0C la castravete. Cu toate acestea, ținând plantele timp mai îndelungat la temperaturi de 37 0C, fotosinteza scade în intensitate datorită unei acțiuni dăunătoare asupra cloroplastelor, iar temperatura optimă se deplasează spre temperaturi mai joase. Valorile optime ale temperatrurii sunt influențate de intensitatea luminii și de conținutul în CO 2 din atmosferă. Dacă doza de CO 2 se menține constantă (0,03%) se observă că la o intensitate slabă de lumină temperatura optimă pentru fotosinteză este de 100C. În schimb, la o iluminație puternică se realizează cantități mari de produse intermediare, care pot fi metabolizate numai la temperaturi mai ridicate. 125 Figura nr. 60 – Dependența fotosintezei de temperatură la cartof (1), tomate (2) și castravete (3) (d. Sălăgeanu, 1972) Când temperatura depășește 37-40 0C procesul de fotosinteză scade rapid, până la întreruperea totală, datorită vătămării protoplasmei, frânarea activității enzimatice și inactivarea cloroplastelor. Fotosinteza reală devine nulă, iar peste 45 0C are chiar valori negative, deoarece respirația a egalat și chiar depășit valoarea fotosintezei aparente. La plantele din zone reci, la speciile cu frunze persistente sau care iernează în stare vegetativă, fotosinteza poate avea loc și la temperaturi negative (-4 0C la grâu, -5 0C la molid, brad, ienupăr, mahonia). Apa. Fotosinteza depinde în mare măsură de aprovizionarea cu apă a țesuturilor frunzelor care asigură turgescența celulelor stomatice, cu rol în deschiderea sau închiderea stomatelor. Apa are rol și în hidratarea normală a celulelor asimilatoare și ca materie primă în fotosinteză, prin cedarea O 2 în fotoliza apei și prin cedarea H 2 utilizat în reducerea CO 2 fixat în gruparea carboxilică a acidului gliceric. La plantele terestre, fotosinteza maximă are loc atunci când țesuturile frunzelor au o saturare cu apă de 87-92%, deci cu un ușor deficit de 8-13% Excesul de apă, până la saturarea completă a celulelor, este dăunător deoarece are loc inundarea spațiilor intercelulare, blocarea proceselor metabolice ale celulelor, diminuarea respirației, diminuarea absorbției radiculare a apei și sărurilor minerale din sol. De aceea, la culturile irigate, intensitatea maximă a fotosintezei are loc abia la 1-3 zile după udare. La un deficit mare de apă, în timpul secetei atmosferice și a solului, fotosinteza scade mult în intensitate sau încetează complet, în momentul când s-a ajuns la coeficientul de ofilire. În acest caz are loc o deshidratare accentuată a celulelor asimilatoare, apar dereglări funcționale la nivelul cloroplastelor, nu se poate realiza dizolvarea CO 2 la nivelul membranelor uscate ale celulelor palisadice, crește vâscozitatea protoplasmei, iar enzimele acționează hidrolitic. Fără apă se produc mișcări hidroactive de închidere a osteolelor stomatelor, ceea ce împiedică pătrunderea aerului cu CO 2 în frunze și are loc o creștere exagerată a vâscozității protoplasmei. Dacă după o secetă prelungită survine ploaia, fotosinteza este reluată, însă atingerea valorilor maxime se constată numai după vreo 7-10 zile. 126Umiditatea relativă a aerului. Determină o fotosinteză intensă atunci când se găsește la valori cuprinse între 70 și 90% și provoacă o scădere considerabilă a proceselor fotosintetice la valori de 35-40%, întâlnite pe timp de arșiță, la orele de prânz. Substanțele minerale. Au un rol important în procesele de asimilație. Unele elemente minerale (Mg, N) participă la alcătuirea moleculei de clorofilă, altele intră în componența proteinelor din grane sau din întreaga masă foliară (N, P, S) . O serie de alte elemente minerale au rol de a cataliza diferite reacții fotosintetice. Fierul determină o stimulare a sintezei nucleilor pirolici din molecula de clorofilă și este un component important al citocromilor și ferodoxinei, ambele implicate în desfășurarea fazei de lumină a fotosintezei. Manganul este un activator al reacțiilor de oxidoreducere și are rol în sinteza clorofilei, cuprul intervine în menținerea stabilității complexului clorofilolipoproteic din cloroplaste. Fosforul și potasiul au rol important în sinteza glucidelor solubile și a amidonului; borul stimulează transportul asimilatelor din frunze, asigurând condiții favorabile pentru fixarea unor noi cantități de CO 2. În cazul deficitului de azot, simptomele caracteristice (frunze galbene și mici) sunt corelate cu modificările provocate în aparatul fotosintetic, ca: degradarea ultrastructurii cloroplastelor și blocarea capacității fotosintetizante a pigmenților. De aceea, desfășurarea intensă a fotosintezei este realizată numai atunci când plantele sunt aprovizionate suficient cu toate aceste macroelemente și microelemente. Prezența substanțelor toxice. Fotosinteza este foarte sensibilă față de acțiunea unor substanțe toxice și narcotice, provenite fie prin poluarea atmosferei fie prin stropirile sau prăfuirile cu pesticide. În prezența acestor substanțe (SO 2, As2O3, H2S, HF, erbicide, insecticide, fungicide, cloroform, eter etilic etc.) intensitatea asimilatoare se reduce, datorită efectului nociv manifestat asupra citoplasmei, a cloroplastelor și a enzimelor oxidoreducătoare implicate în fotosinteză. Între specii există o variație de rezistență a aparatului asimilator la poluarea atmosferică. Salcâmul este cel mai rezistent și de aceea se recomandă ca în jurul surselor de noxe să se facă plantații de salcâm sunt însă sensibile plantele de grâu, porumb, alte graminee, iar dintre speciile lemnoae, prunul, teiul, fagul, chiparosul etc. La acestea poluarea atmosferică, mai ales cu bioxid de sulf sau oxizi de azot, provoacă degradări profunde în structura cloroplastelor și a clorofilei, frunzele se îngălbenesc și pier în scurt timp. Dealtfel, degradarea cloroplastelor în prezența SO 2 se datorește faptului că acestea se combină ușor cu apa și formează acid sulfuric, extrem de coroziv. Oxigenul. Procesele fotosintezei sunt maxime atunci când concentrația de O 2 din atmosfera înconjurătoare este cuprinsă între 2 și 20%. La concentrații mai mari de oxigen, în aer (peste 50%) intensitatea fotosintezei este mult diminuată. 5.5.2. Factorii interni Dintre factorii interni care influențează desfășurarea fotosintezei se pot menționa: specia de plantă, structura și vârsta frunzei, cantitatea de clorofilă, acumularea asimilatelor în frunze etc. 127Specia. S-a constatat că, în medie, plantele ierbacee au o intensitate fotosintetică de 5-10 mg CO 2/dm2/ oră. Valori mai mari față de această medie se găsesc la leguminoase, probabil datorită unei bune aprovizionări cu azot, și la floarea soarelui. La alte specii, fotosinteza este mai redusă (3-5 mg CO 2), de exemplu, la plantele lemnoase, datorită unei aprovizionări mai slabe a frunzelor cu săruri minerale, și la plantele suculente, la care spațiile intercelulare sunt reduse, iar difuziunea CO 2 este foarte lentă (cactuși). Structura frunzelor. Are un rol important în pătrunderea CO 2 în frunze, printr-o serie de caractere anatomomorfologice, ca: grosimea limbului, a epidermei și a cuticulei, densitatea stomatelor și gradul lor de deschidere, suprafața spațiilor intercelulare, numărul straturilor de celule palisadice, numărul cloroplastelor și capacitatea lor de funcționare. Vârsta frunzelor. Intensitatea fotosintezei este maximă la frunzele mature, deoarece cloroplastele sunt mari, clorofila funcționează normal și predomină metabolismul glucidic. La frunzele foarte tinere există o activitate fotosintetică mai redusă, datorită suprafeței foliare reduse, numărului de cloroplaste mai redus, mici și cu clorofilă puțină. La frunzele bătrâne are loc o îmbătrânire a coloizilor materiei vii, scade activitatea enzimatică, cloroplastele se distrug, se reduce mult conținutul de clorofilă, iar fotosinteza scade sau încetează total, odată cu metabolismul glucidic. La porumb, până la înflorit, cea mai intensă activitate fotosintetică se constată la frunza a patra de la vârf, iar rolul primordial se schimbă paralel cu maturarea și îmbătrânirea frunzelor pe verticala plantei. Funcție de variația intensității fotosintetice, în dependență de vârsta frunzelor, au fost elaborate criteriile științifice care stau la baza tăierilor în verde (ciupit, cârnit, cioplit) utilizate în practica hortiviticolă. Cantitatea de clorofilă. Determinările au stabilit că nu există, în toate cazurile, o proporționalitate directă și permanentă între intensitatea fotosintezei și conținutul de clorofilă din țesutul asimilatelor deoarece intervin alți factori, ca, vârsta frunzei, calitatea cloroplastelor și capacitatea lor de funcționare, intensitatea luminii etc. O relație de proporționalitate directă dintre cantitatea de clorofilă și intensitatea fotosintezei se constată la o iluminare slabă (spre seară sau pe timp noros), mai ales la frunzele bazale dintr-o cultură cu densitate mare sau la plantele ombrofile. Plantele cu frunze verde-închis (cu multă clorofilă) asimilează mai intens în condițiile unei nebulozități mai mari, ceea ce arată că speciile și soiurile cu frunze verde închis sunt indicate pentru regiunile cu nebulozitate mare. Dealtfel, s-a constatat că frunzele plantelor heliofile au un conținut mai redus de clorofilă, iar intensitatea activității fotosintetice crește paralel cu intensitatea luminii până la valoarea maximă din zi (75000 -100 000 lucși). Frunzele plantelor ombrofile au un conținut mai ridicat de clorofilă, iar intensitatea fotosintetică crește numai până la 1/3 – ½ din intensitatea maxim ă a luminii directe, după care se plafonează sau scade brusc. Acumularea asimilatelor în frunze. Uneori în celulele asimilatoare ale frunzei se acumulează cantități prea mari de substanțe organice asimilate, datorită încetinirii transportului spre alte organe sau consumului redus prin respirație. În acest caz are loc o frânare a fotosintezei îndeosebi la plantele zaharofile, care păstrează în frunze cantități mari de glucide solubile, osmotic active. Acestea determină ca celulele asimilatoare să 128devină centre osmotice spre care se îndreaptă sucul vacuolar al celulelor din jur, fără a permite evacuarea substanțelor sintetizate. La plantele amilifere amidonul acumulat nu mărește presiunea osmotică, însă în cantități prea mari determină o supraîncărcare a cloroplastelor care nu mai funcționează normal. 5.6. Variații diurne și sezoniere în intensitatea fotosintezei Interacțiunea complexă a factorilor externi și interni, care acționează simultan sau succesiv, determină o desfășurare neuniformă a proceselor fotosintetice, atât în cursul unei zile, cât și în toată perioada de vegetație a plantelor. În zilele senine și liniștite de vară fotosinteza crește în intensitate începând cu primele ore ale dimineții datorită creșterii intensității luminoase, a ridicării temperaturii și a deschideii stomatelor prin reacția fotoactivă. Fotosinteza se intensifică până spre orele 9-10, se menține la un plafon ridicat în timpul amiezii, după care urmează o scădere treptată spre seară și încetează în cursul nopții. Scăderea inetnsității fotosintezei după amiază se datorește atât diminuării intensității luminii, cât și încărcării cloroplastelor cu substanțe organice sintetizate, îndeosebi amidon. Acest regim general al fotosintezei prezintă variații distincte, funcție de intervenția unor factori externi nefavorabili, ca: arșița, vânturile uscate, lumina excesivă de intensă la orele de amiază sau nebulozitatea ridicată. Ca o rezultantă a acțiunii acestor factori, intensitatea fotosintezei înregistrează frecvent o depresiune la orele de amiază, când se constata chiar valori negative în acumularea de substanțe organice, respirația depășind fotosinteza reală. Această depresiune se datorește creșterii deficitului de apă în frunze, ca urmare a unei transpirații puternice, supraîncălzirii țesuturilor, închiderii stomatelor, frânării pătrunderii CO 2 în frunze. Depresiunea bruscă a fotosintezei pe o durată de ½ – 1 or ă este datorată și acumulării, în exces – în frunze, a rezervei temporare de substanțe organice sintetizate, când cloroplastele sunt supraîncărcate, mai ales cu amidon, iar activitatea lor fotosintetică scade foarte mult. Această scădere a fotosintezei este mai accentuată în cazul când solul este slab aprovizionat cu apă și mai ales la plantele fotofile, cu frunze verde-închis, la care procesul de fotosinteză depinde mai mult de temperatură decât de lumină; acestea absorb o cantitate mare de energie luminoasă, care provoacă vătămarea protoplasmei și a activității enzimatice. Prin realizarea unei umidități suficiente în sol și prin umbrirea frunzelor în orele de la amiază, această depresiune a fotosintezei poate fi atenuată chiar înlăturată. După ce asimilatele în exces au fost transportate din frunze spre alte organe, procesul de fotosinteză reîncepe destul de intens, realizând după amiază un al doilea maximum (mai redus decât cel de dimineață). Variații în intensitatea fotosintezei diurne au loc în zile cu nebulozitate mare, când curba fotosintezei este aproape paralelă cu abscisa, la un nivel foarte scăzut. În aceste condiții, frunzele plantelor ombrofile acumulează de 4-5 ori mai multe zaharuri decât ale 129plantelor heliofile. De remarcat că la plantele ombrofile, fotosinteza are un mers diurn regulat, fără maxime și minime. În cursul perioadei de vegetație, fotosinteza are un mers variabil funcție de complexul factorilor naturali care caracterizează diferitele anotimpuri și de modificarea factorilor interni în cursul perioadei anuale. În primele faze de vegetație, când frunzele sunt foarte tinere și mici, fotosinteza este redusă. Valoarea fotosintezei se intensifică odată cu maturarea frunzelor și atinge valori maxime spre mijlocul perioadei de vegetație. Trebuie subliniat că în zona temperată există condiții externe favorabile pentru agricultură între lunile martie și octombrie, ceea ce permite ca soiurile cu o perioadă de vegetație lungă să asigure o producție mai mare decât la cele cu perioade de vegetație scurtă, datorită folosirii energiei luminoase pe un interval mai îndelungat din sezonul anual. 5.7. Coeficientul de utilizare a energiei solare Din cantitatea totală de energie luminoasă care ajunge pe pământ de la soare este utilizată numai 0,1-0,2% pentru producerea materiei organice din plantele verzi, ceea ce denotă existența unui randament energetic extrem de scăzut. Datele unor specialiști arată că, teoretic, s-ar putea ajunge la un coeficient de utilizare a luminii solare până la 8-10% din total, ceea ce presupune un randament sporit de 50-100 ori. Din totalul energiei ajunsă pe sol, frunzele primesc o mică parte, iar restul cade alături de frunză și nu este valorificat. Din cantitatea de lumină care ajunge pe suprafața frunzelor este folosită în procesul de fotosinteză numai în proporție de 2-5%, restul energiei fiind neutilizată în modul următor: -15% se reflectă de pe suprafața frunzei în funcție de însușirile cuticulei (netedă, lucioasă, mată) și se risipește în spațiu; -10% trece prin frunze fără a fi absorbită, funcție de grosimea limbului și de intensitatea culorii verzi; -peste 70% se absoarbe din frunze, dar se transformă în energie calorică, fiind consumată în procesul transpirației și la creșterea temperaturii frunzei, risipindu-se în spațiul înconjurător sub formă de radiații calorice. Valoarea coeficientului de utilizare a energiei luminoase în fotosinteză prezintă unele variații de la o specie la alta, funcție de particularitățile anatomomorfologice și fiziologice. Cantitatea redusă de energie folosită în fotosinteză se datorește, în mare parte, procentului ridicat de radiații neutilizate de cloroplaste, fie din spectrul vizibil (verzi, galbene) fie din spectrul invizibil (infraroșii, ultaviolete). Radiațiile infraroșii (cu lungimi de undă peste 750 nm) sunt absorbite foarte puțin în comparație cu radiațiile din spectrul vizibil (ROGVAIV), deoarece se reflectă în proporții foarte mari (peste 50%), mai mult în lumină directă și mai puțin în lumină difuză. Dealtfel, lumina difuză este utilizată într-un procent mai ridicat în fotosinteză decât lumina directă, ceea ce explică un coeficient mare de folosire a luminii la plantele submerse, din apa mărilor și oceanelor. Cel mai bine sunt utiliazte radiațiile monocromatice (ROG și AIV) din spectrul vizibil. 130 Neutilizarea energiei solare la un randament ridicat se datorește și unor factori interni sau externi care nu permit folosirea completă a capacității de lucru a cloroplastelor sau determină consumuri neeconomice și neutile de energie; o mare parte din radiațiile absorbite sunt valorificate ca energie calorică pentru încălzirea țesuturilor sau pentru procesul de vaporizare a apei în transpirație, iar o altă parte din energie este captată de unele substanțe colorate din celula vegetală, dar inactive sub aspect fotosintetic. Studierea coeficientului de utilizare a energiei solare în procesul de fotosinteză permite să se elucideze posibilitățile concrete de asigurare a hranei populației de către culturile agricole, știind că aproape întreaga materie organică existentă în natură este produsul, direct sau indirect, al activității fotosintetice a plantelor verzi. 5.8. Chemosinteza Capacitatea unor organisme (chemautotrofe) de a realiza sinteza substanțelor organice din substanțe minerale cu ajutorul energiei chimice eliberate în procesele de oxidare a unor substanțe organice ca H 2, H2S, Fe, NH 3, HNO 3 este un tip de nutriție autotrofă. Organismele chemosintetizante sunt bacteriile. Dupa substan țele minerale pe care le oxideaza, bacteriile chemoautotrofe pot fi de mai multe tipuri: ·bacteriile sulfuroase; ·bacteriile nitrificatoare; ·hidrogenbacteriile; ·bacteriile feruginoase; ·bacteriile metanogene. Bacteriile sulfuroase înlatura efectul toxic al hidrogenului sulfurat și redau sulful în circuitul biologic. Ele se găsesc pe fundul apelor stătătoare și oxideaza compușii minerali cu sulf. Sursa lor de energie este constituită din hidrogenul sulfurat (H 2S) pe care îl trasforma în sulf (S), acid sulfuros (H 2SO3) și acid sulfuric (H 2SO4). Sulful astfel obținut este absorbit și asimilat de plante. Bacteriile nitrificaroare : carența azotului în nutriția plantelor duce la îngălbenirea frunzelor la încetinirea sau oprirea creșterii acestora. Excesul de azot duce la prelungirea perioadei de vegeta ție, la formarea abundentă a frunzelor și la mărirea sensibilității la boli. Azotul poate fi luat de plante din sol, din apă, din atmosferă și chiar din corpul altor organisme. Bacteriile nitrificatoare trasformă amoniacul (NH 3) în acid azotos (NHO 2) și pe acesta în acid azotic (NHO 3). Din aceasta categorie fac parte nitritbacteriile, care trăiesc în natura în prezența altor bacterii saprofite, ce descompun substanțele organice din cadavre punând în libertate NH 3 și nitratbacteriile (ex: Nitrobacter ,Azotobacter ). Hidrogenbacteriile sunt răspândite în gunoiul de grajd, solurile mlăștinoase, tinoavele și apele stătătoare. Ele oxidează hidrogenul și sunt răspândite în aceste medii puțin aerate în care are loc punere în libertata a hidrogenului prin fermentarea celulozei. Bacteriile feruginoase oxideaza sărurile feroase în compuși ferici. Sunt răspândite în soluri și ape care conțin compuși ai fierului. Fierul este utilizat de plante sub 131formă de săruri feroase și ferice . El este absorbit de plantele terestre prin sistemul radicular, iar de plantele acvatice, submerse prin întreg corpul lor, sub formă de ioni. Carența fierului în corpul plantei determină îngălbenirea frunzelor și încetinirea creșterii. Bacteriile metanogene sunt bacterii anaerobe care trăiesc în nămolul mlaștinilor, lacuri și ape de canal, precum și în stomacul animalelor erbivore, unde participă la degradarea hranei vegetale. Bacteriile metanogene produc mari cantitati de gaz metan care se ridica la suprafața apei sub forma de bule, în straturile profunde de nămol al apelor statatoare. Ele reduc dioxidul de carbon (CO 2) la metan (CH 4) în condiții anaerobe, în prezența unor catalizatori celulari. 4H2 + CO 2à CH4 + 2H 2O La toate tipurile de bacterii chemosinteza se desfășoară în doua etape: 1.Faza de lumina: ·absorbția luminii de către pigmenții fotosintetizanți; ·formarea agentului reducător în forma NADPH + H +; ·eliberarea oxigenului prin fotoliza apei; ·formarea ATP-ului ca sistem de transfer al energiei. 2.Faza de întuneric: ·preluarea dioxidului de carbon de către un acceptor; ·reducerea dioxidului de carbon; ·formarea de substanțe organice cu conținut energetic ridicat (fructoză, glucoză); ·regenerarea acceptorului. 5.9. Heterosinteza Plantele heterotrofe, reprezentate predominant prin ciuperci, sunt incapabile să asimileze CO 2, pe cale fotosintetică sau chemosintetică. Ele pot sintetiza cantități mici de substanțe organice pornind de la acidul piruvic rezultat din glicoliză, cu formare de acid oxalilacetic. După modul de nutriție, plantele heterotrofe se apropie de imensa majoritate a bacteriilor și animalelor dar, spre deosebire de acestea, au capacitate mai mare de a sintetiza substanțe organice pornind de la surse anorganice cu azot și sulf. Plantele heterotrofe s-au adaptat să folosească substanțele organice sintetizate de autotrofe sau de alte grupe de heterotrofe. Ele sunt lipsite complet de pigemenți clorofilieni. În funcție de proveniența carbonului organic, plantele heterotrofe se împart în saprofite, simbiotice și parazite. 5.9.1. Nutriția plantelor saprofite Plantele saprofite trăiesc pe resturi de plante și animale, de unde folosesc carbonul. În această grupă intră multe specii de actinomicete, bacterii și ciuperci, răspândite peste tot. Absorb ția substanțelor nutritive se face cu ajutorul pseudopodelor, 132solubilizarea acestor substanțe realizându-se cu ajutorul enzimelor specifice din citoplasma celulară. După natura substanțelor utilizate în nutriție saprofitele pot fi clasificate în două grupe: saprofite omnivore și saprofite specializate. Saprofitele omnivore se hrănesc cu carbonul existent în orice fel de substanță organică, oricât de complexă ar fi, deoarece conțin enzimele necesare pentru degradare. Reprezentativ pentru acest grup este mucegaiul verde comun Penicillium glaucum . Saprofitele specializate sunt mai pretențioase în ceea ce privește sursa de carbon organic, deoarece nu au întreaga gamă de enzime pentru hidroliza substanțelor complexe, iar unele necesită anumite condiții de mediu: substrat organic, valori de pH, concentrația mediului nutritiv, surse de azot organic. Reprezentativ pentru acest grup este ciuperca Mycoderma aceti , care utilizează ca sursă de carbon alcoolul etilic, pe care îl transformă în acid acetic și, după consumarea lui, utilizează în continuare acidul acetic drept sursă de carbon. Saprofitele, prin modul lor de nutriție, exercită asupra substanțelor organice din sol o funcție de mineralizare, în urma căreia resturile de plante și de animale sunt aduse într-o formă utilizabilă în nutriția plantelor superioare autotrofe. Dacă nu ar exista saprofite, în mediu s-ar acumula cantități de substanțe organice din ce în ce mai mari, în care s-ar bloca treptat toate substanțele minerale necesare autotrofelor în nutriția lor. De asemenea, multe ciuperci saprofite prezintă importanță prin faptul că sunt comestibile. Drojdiile se cultivă pentru a fi folosite ca furaj sau în industria farmaceutică, la fabricarea berii sau în panificație. Din biomasa unor specii de ciuperci din genul Penicillium se extrag substan țe antibiotice (penicilina, aureomicina). Alte plante saprofite sunt utilizate în industria alimentară deoarece produc o serie de fermentații. 5.9.2. Nutriția plantelor parazite Organismele vegetale heterotrofe parazite utilizează în nutriția lor substanțe organice din ființele vii, pe care le îmbolnăvesc și uneori, chiar le omoară. Dintre aceste plante, cei mai mulți reprezentanți aparțin filumului Fungi. Ei sunt agenții micorizelor animalelor și ai bolilor criptogamice ale plantelor superioare. Parazitismul este caracteristic și unui număr mare de bacterii și plante superioare. Bolile produse de către bacteriile parazite poartă denumirea de bacterioze. Ciupercile parazite atacă plantele gazdă cu o virulență și o agresivtate ce depind de capacitatea lor de a secreta enzime și toxine. Enzimele produse de acești agenți patogeni se împart în două categorii: exoenzimele și endoenzimele. Exoenzimele sunt eliminate din celulele plantelor parazite și le permit să-și croiască drum în țesuturile plantelor gazdă, unde descompun diferitele substanțe organice, pe care le utilizează ca sursă de carbon în nutriție: celulaza, pectinaza, ligninaza sau descompun substanțele din celulele gazdei: amilaza, maltaza, lipaza, proteaza. Endoenzimele se găsesc în celulele plantelor parazite și participă la realizarea reacțiilor caracteristice metabolismului lor celular. Toxinele elaborate de agenții fitopatogeni sunt eliberate în afara celulelor lor și au rolul de aslăbi puterea de rezistență a plantelor gazdă. Dintre reacțiile morfo-anatomo-fiziologice manifestate de plantele gazdă în urma atacului parazitului amintim: 133·Nanismul – planta gazd ă rămâne pitică. ·Necrozarea țesuturilor atacate – ceea ce reduce suprafața foliară asimilatoare a plantei gazdă și are ca efect final diminuarea fotosintezei acestor plante; ·apariția de monstruozități florale – de exemplu virescența în care organele florale se transformă în sepale de culoare verde sau petaloidia , în care staminele se transformă în petale. ·Hipertrofia – organul infectat se mărește mult, de exemplu carpenul infectat de Taphrina carpini se ramifică mult, formând așa-numitele „mături de vrăjitoare”. ·Metabolism modificat: distrugeri ale membranelor și ale structurii protoplasmei celulare, de către parazit, împotriva pătrunderii lui în celule și a absorbției de substanțe organice, precum și împotriva toxinelor produse de acestea, celulele plantei gazdă reacționează prin refacerea distrugerilor produse, iar la toxinele parazitului ele reacționează prin antitoxine. Toate acestea reclamă un surplus de enrgie, pe care planta îl procură prin intensificarea respirației. Ca urmare, crește temperatura corpului plantelor bolnave în urma infecției. Intensitatea fotosintezei scade, mai ales în urma infect ării țesutului asimilator. Paraziții care atacă rădăcinile plantelor reduc absorbția apei și a sărurilor minerale, iar cei care atacă țesuturile conducătoare împiedică circulația substanțeșor în corpul plantei. Toate acestea duc la micșorarea suprafeței foliare și la o mai slabă intensitate a procesului de fotosinteză. ·Leziunile produse de agenții fitopatogeni intensifică pierderile de apă de către planta gazdă, și deci produc un dezechilibru hidric al acestora. ·Paraziții produc pagube agricole importante prin infectarea fructelor și a semințelor în curs de formare. Fanerogamele parazite sunt parazite obligate, iar majoritatea speciilor trăiesc în regiunile exotice. În țara nostră există doar câteva specii din genurile Cuscuta , Orobanche șiLathraea . Fanerogamele parazite sunt obligate la viața parazitară, neputându-se dezvolta în lipsa plantelor gazdă. La unele ( Orobanche șiLathraea ), nici chiar semințele nu germinează în liipsa substanțelor chimice emise de rădăcinile plantei gazdă. Toate sunt specializate, parazitând numai una sau un grup restrâns de specii; în același timp sunt holoparazite, adică se aprovizionează cu substanțe organice, iar într-o mică măsură și cu substanțe minerale de la planta gazdă. De exemplu, cuscuta nu absoarbe salicina din ramurile de salcie și nici substanțele aromate din cânepa pe care o parazitează. Prezen ța clorofilei la cuscută și Orobanche , arată că ele provin din plante autotrofe. Cuscuta (torțelul), din familia Convolvulaceae este reprezntată prin mai multe specii și parazitează tulpinile de lucernă, trifoi, viță de vie, cânepă, urzică vie, jaleș și chiar graminee. Planta este lipsit ă de frunze, iar tulpina ei subțire și de culoare slab verzuie se înfășoară pe tulpina plantelor suport. Planta adultă este lipsită de rădăcini (care dispar încă din stadiuș de plantulă) și formează numeroase flori, ce produc un mare număr de semințe cu un înveliș, ce le protejează de acțiunea corozivă a sucurilor gastrice din stomacul ierbivorelor. La germinarea lor, rădăcinița dispare repede, iar tulpina crește foarte mult la suprafața solului și execută mișcări de circumnutație (mișcări de rotire a vârfului) ce îi 134ușurează găsirea tulpinii unei plante gazdă, pe care se încolăcește, formând spire mai strânse și apoi spire mai laxe; acestea din urmă permit atingerea și atacarea altor plante gazdă. În cazul în care, în timpul acestor mișcări de circumnutație, nu întâlnește tulpini suport, tulpina de cuscută își trece substanțele organice din capătul posterior spre cel anterior, moare la capătul mai bătrân și crește la capătul mai tânăr, reușind să exploreze alte regiuni. La nivelul spirelor strânse pe tulpina suport, cuscuta trimite în planta gazdă haustori, ce pun în legătură vasele liberiene și cele lemnoase ale gazdei cu propriile sale vase liberiene și lemnoase. Prin aces ți haustori cuscuta se aprovizionează de la gazdă mai ales cu substanțe organice din seva elaborată. Tulpina cuscutei conține un mic procent de clorofilă, deci este capabilă să realizeze fotosinteza. Cuscuta produce pagube mari, mai ales la lucernă și trifoi. Figura nr. 61 – Cuscuta parazitând tulpinile plantelor: A – plantule de cuscută; plantula cea mai lungă are rădăcina și o parte a tulpinii moarte, dar ea continuă să crească prin vârf; B – tulpina cuscutei (c) cu flori (f) încolăcită pe tulpina plantei gazdă (t); C – secțiune transversală prin tulpina plantei gazdă (t) și longitudinală prin tulpina cuscutei (c); li – liber; le – lemn; h – haustor (d. Noll, 1971) 135 Figura nr. 62 – Cuscuta Orobanche (lupoaie) face parte din familia Orobanchaceae și este reprezentată prin mai multe specii ce parazitează pe rădăcinile de trifoi, lucernă, floarea-soarelui, cânepă, bob, mazăre și alte plante ierbacee. Planta are partea supraterană formată dintr-o tulpină gălbui-roșcată, cu frunze rudimentare, ce conțin foarte puțină clorofilă. Tulpina poartă numeroase flori, ce produc un număr mare de semințe. La germinarea semințelor, care are loc numai în apropierea rădăcinilor unor plante gazdă, se produce o formațiune cilindrică, alcătuită din tulpina și rădăcina principală, ce se aplică pe rădăcina plantei gazdă. Din umflătura formată pornesc rădăcini adventive, care se aplică pe alte rădăcini ale plantei gazdă și prin care lupoaia trimite haustori, prin intermediul cărora preia de la aceasta substanțele organice, apa și sărurile minerale. Orobanche produce mari pagube culturilor. Combaterea se realizează prin distrugerea ei imediat ce apare în culturi, pentru a împiedica fructificarea și răspândirea semințelor sale. Lathraea squamaria face parte din familia Scrophulariaceae și este cunoscută popular sub denumirea de „muma pădurii”. Ea parazitează rădăcinile unor foioase: stejar, fag, plop, alun, arin, etc. Partea supraterană a plantei apare primăvara devereme și este reprezentată de o tulpină cu frunze reduse, violacee și flori numeroase, ce produc un număr mare de semințe. Partea subterană este un rizom mare, cu solzi albi și groși, în care se acumulează substanțe de rezervă. De la baza rizomului pornesc rădăcini adventive care formează, în dreptul rădăcinii plantei parazitate, niște umflături, din care pornesc haustorii. Prin haustori muma pădurii absoarbe substanțele organice, apa și sărurile minerale necesare de la planta gazdă. 136 Semințele de Lathraea germinează numai în apropierea rădăcinilor arborilor gazdă, sub acțiunea unor substanțe emise de aceștia. Figura nr. 63 – Orobanche minor Figura nr. 64 – Lathraea squamaria parazitând parazitând pe rădăcini de Vicia faba pe rădăcina unei plante lemnoase (d. Boldor și colab., 1981) (d. Boldor și colab. , 1981) Figura nr. 65 – Orobanche minor Figura nr. 66 – Lathraea squamaria 137 În regiunile tropicale tr ăiesc numeroase spermatofite parazite: Pilostyles , Apodanthes ,Rafflesia , care au corpul redus la cordoane albe, asemănătoare hifelor de ciuperci, cordoane ce se strecoară printre țesuturile plantelor atacate. Aceste tulpini nu se pot evidenția decât la nivelul unor secțiuni prin tulpina plantei gazdă. Pe tulpina plantei gazdă apar numeroase flori, cu totul diferite de cele proprii, flori ce aparțin parazitului. Figura nr. 67 – Pilostyles thurberi Figura nr. 68 – Apodanthes sp Rafflesia armoldii paraziteaz ă pe rădăcinile și tulpinile de Cissus din Sumatra. Ea prezintă o floare enormă, de 1 m în diametru, de culoare roșie-portocalie (este cea mai mare floare cunoscută), cu un miros caracteristic, de carne stricată, care atrage unele insecte polenizatoare din grupa muștelor și care este diametral opus cu aspectul său deosebit. 138 Figura nr. 69 – Rafflesia arnoldii Figura nr. 70 – Mugure de Rafflesia arnoldii (cu o zi înainte de a se deschide) La fanerogamele parazite au apărut unele modificări morfologice: ·organele de asimilație (frunzele) lipsesc complet la Cuscuta sau sunt reduse la Orobanche șiLathraea; ·culoarea tulpinii și a frunzelor nu este verde, ci galbenă (excepție face nuanța verzuie la Cuscuta , laOrobanche ; ·rădăcinile lipsesc ( Cuscuta ) sau sunt reduse; ·lipsind frunzele sau acestea fiind reduse, plantele parazite transpiră slab și din această cauză vasele lor de lemn sunt slab dezvoltate; ·apar haustorii – organe de fixare și sugere; ·organele de înmulțire – florile și semințele sunt numeroase; pentru a asigura perpetuarea speciei. 5.9.3. Nutriția plantelor mixotrofe Plantele mixotrofe se caracterizeaz ă printr-o nutriție mixtă. Acestea își procură carbonul necesar pentru sinteza substanțelor organice proprii atât pe cale autotrofă, prin fotosinteză, cât și pe cale heterotrofă, recurgând la diferite substanțe organice și anorganice pe care le iau de la alte organisme. Din grupa plantelor mixotrofe fac parte plantele semiparazite și cele carnivore. a)Nutriția plantelor semiparazite Plantele semiparzite au frunzele verzzi, deci posedă pigmenți clorofilieni, dar prezintă și hautori, pe care îi introduc în țesutul lemnos din corpul altor plante. În țara noastră se întâlnesc reprezentanți ai genurilor Rhinanthus ,Melampyrum , Pedicularis ,Viscum , Loranthus , Euphrasia . O specie semiparazită întâlnită în pășunile și fânețele din zonele de deal și de munte este Rhinanthus crista – galii , ale cărei frunze și tulpini nu diferă de acelea ale fanerogamelor autotrofe. Rădăcinile sale sunt lungi și subțiri, lipsite de peri absorbanți. O 139singură plantă semiparazită emite haustori în rădăcinile mai multor plante, adeseori aparținând la specii diferite (graminee, leguminoase, etc.). Figura nr. 71 – Rhinanthus crista – galii (d. Péterfi și Sălăgeanu, 1972) Vâscul ( Viscum ) parazitează pe ramurile de plop, stejar, măr, păr, păducel, molid ș.a., unde sunt aduse semințele de către păsări, germinarea având loc numai la lumină. De la baza tulpinii sale pornesc prelungiri sub scoarța plantei-gazdă și apoi de aici haustori, care se pun în legătură cu vasele de lemn și mai rar cu cele de liber din tulpina plantei gazdă. Tulpina sa are frunze verzi persistente. Figura nr. 72 – Secțiune longitudinală printr-o ramură de plop (p) atacată de vâsc (v) (d. Péterfi și Sălăgeanu, 1972 ) 140 Figura nr. 73 – Viscum album Vâscul parazitează pe ramurile de plop, stejar, măr, păr, păducel, molid ș.a. unde sunt aduse semințele de către păsări, germinrea având loc numai la lumină. De la baza tulpinii sale pornesc prelungiri sub scoarța plantei-gazdă, de aici haustori, care se pun în legătură cu vasele de lemn și, mai rar, cu cele de liber din tulpina plantei gazdă. Tulpina sa, ramificată dichotomic, are numeroase frunze verzi persistente. b)Nutriția plantelor carnivore Plantele carnivore fac parte din familiile Droseraceae ,Lentibulaceae , Nepenthaceae ș.a. Plantele carnivore au organe verzi, care îndeplinesc fotosinteza. Totodat ă, prind animale mici, pe care le digeră, absorbind apoi diferitele substanțe organice solubilizate prin digestie. Frunzele acestor plante sunt transformate, la unele specii complet, iar la altele parțial, în organe care permit ademenirea, capturarea și reținerea acestor animale mici. Plantele carnivore se împart în trei categorii după adaptările dobândite pe linie evolutivă: ·plante carnivore care prind animalele cu ajutorul suprafeței lipicioase a frunzelor lor ( Drosera ,Pinguicula ); ·plante carnivore înzestrate cu urne ( Nepenthes , Utricularia ); ·plante carnivore care prezintă capcane, plante ce execută mișcări rapide în timpul capturării prăzii ( Dionaea, Aldrovanda ). 141Drosera rotundifolia (roua cerului) crește la noi în turbăriile din regiuni montane. Planta are rădăcini destul de slab dezvo ltate și o rozetă de frunze bazale, din mijlocul căreia pornește o tulpină floriferă. Pe fața superioară a frunzelor se găsesc tentacule marginale lungi și tentacule centrale mai scurte și dispuse pe restul suprafeței limbului. Tentaculele secretă o substanță lipicioasă, ce strălucește la soare și atrage astfel insectele. Când o insect ă, atrasă de secreția lipicioasă a tentaculelor, se atinge de un singur tentacul, nu se mai poate desprinde de acesta, din cauza substanței lipicioase. Capătul tentaculelor este sensibil la excitație și, datorită acestei însușiri, tentaculul atins de insectă transmite excitația, prin piciorul său, la tentaculele vecine. Figura nr. 74 – Drosera rotundifolia Aceasta se curbeaz ă spre locul în care se găsește insecta, iar limbul frunzei execută o mișcare, prin care fața lui superioară devine concavă, favorizând atașarea unui număr mai mare de tentacule pe insectă. În cele din urmă insecta nu se mai poate mișca și asfixiată de substanțele lipicioase emise de plantă, substanțe ce îi astupă stigmele. Ea este apoi digerată de enzimele proteolitice emise de plantă, până la aminoacizi, care sunt absorbiți atât la nivelul tentaculelor, cât și la nivelul unor peri epidermici mai mici. Apoi frunzele își reiau poziția normală, tentaculele revin la poziția inițială, iar părțile nedigerabile (resturile chitinoase) ale insectei cad de pe frunze, fiind îndepărtate de vânt și ploi, iar frunza poate să-și reia activitatea, prinzând alte insecte. Pinguicula vulgaris (foaie grasă) crește în locuri umede de munte. Pe suprafața limbului foliar se găsesc două tipuri de peri: peri glandulari pedicelați, ce produc o substanță lipicioasă, pentru prinderea insectelor și peri sesili, alcătuiți din celule secretoare ce produc un suc digestiv, cu acizi organici și enzime proteolitice. 142 Figura nr. 75 – Pinguicula vulgaris Insectele ajunse pe substan ța lipicioasă secretată de perii glandulari, iar secreția acestei substanțe devine mai abundentă, pe măsură ce ele ating un număr mai mare de peri, în încercările lor de a se elibera. Excitația produsă de către insecte este transmisă la marginile limbului foliar, care se îndoaie în sus și acoperă insectele. Digestia durează 1-3 zile, iar substanțele rezultate sunt absorbite de către perii sesili și de către marginile limbului frunzei. Reprezentanții genului Nepenthes cresc în pădurile din insulele Oceanului Indian, Sumatra, Madagascar, etc. Au frunzele cu partea bazală lățită, cu rol asimilator, care se continuă cu o porțiune lungă, filiformă, cu funcție de cârcel, rpinzându-se de ramurile arborilor din jur, iar capătul acestei porțiuni se continuă cu o urnă, la gura căreia se găsește un căpăcel, ce seamănă cu un limb foliar. Acest căpăcel se deschide numai după maturarea urnei, rămânând ulterior în permanență în poziție deschisă. Urnele sunt foarte frumos colorate, iar pe fața internă a căpăcelului și pe marginea interioară a gulerului au numeroși peri lucioși, orientați în jos, sub care se găsesc glande nectarifere, ale căror produse de secreție sunt dulci. Insectele atrase de culorile vii ale urnelor și de sucul secretat de glandele nectarifere se apleacă pe marginea netedă a deschiderii urnelor, pentru a ajunge la nectar și alunecă înăutru. Ele nu mai pot ieși din urnă deoarece alunecă de pe suprafața netedă, situată sub deschiderea urnei și cad din nou la fundul acesteia. În urma încercărilor de a scăpa din capcană, insectele cadepuizate la fundul urnei, unde se îneacă în lichidul existent aici. Acest lichid provine în urma secreției glandelor digestive și, în parte, din apa de ploaie care pătrunde în urnă în timpul precipitațiilor. Capacul urnei nu are nici un rol în prinderea pr ăzii. El nu închide urna în urma capturării insectelor, ci are rolul de a împiedica, întrucâtva,evaporarea lichidului din urnă și pătrundrea apei de ploaie în interiorul ei. Insectele sunt digerate de sucurile digestive produse de glandele digestive. 143 Figura nr. 82 – Nepenthes Genul Utricularia crește în țara noastră în lacurile de la șes, având întregul corp în apă, cu excepția florilor, care se ridică deasupra oglinzii apei. Frunzele sunt fin ramificate și poartă, fixate pe câte un pedicel, numeroase urne numite utricule, care sunt ovale și reprezintă capacnele pentru prinderea animalelor mici acvatice. Urnele au 1-2 mm. Pere ții lor sunt formați din două straturi de celule și sunt fixate de plantă printr-un peduncul. În partea opus ă pedunculului, urna prezintă o mică deschidere, astupată de un căpăcel ce se deschide spre interior. În jurul acestei deschideri se află câțiva peri senzitivi lungi, în parte ramificați. Figura nr. 76 – Utricularia vulgaris 144Animalele acvatice mici, care acut ă adăpost între frunzele de Utricularia , ating perii senzitivi de pe marginea acestora. Într-o fracțiune de secundă urna execută o mișcare de dilatare, ce produce sugerea apei și a animalului respectiv în urnă, prin îndepărtarea căpăcelului. Apoi căpăcelul se închide și animalul moare asfixiat, după consumarea oxigenului existent sub formă solvită în apa din urnă. Prada este digerată de enzimele produse de glandele secretoare. Produșii de digestie se absorb de către celulele stratului intern al peretelui urnei. La un interval de 15-20 minute urna devine capabilă să reia capturarea prăzii (până ce se umple cu animalele pradă). Sucurile secretate de glandele digestive ale tuturor plantelor carnivore conțin enzime, precum proteaze, esteraze și fosfataze acide. Nici o plantă carnivoră nu dispune de enzime capabile să descompună chitina. Dionaea muscipula se întâlnește în mlaștinile din pădurile Americii de Nord și Sud. Frunzele formează o rozetă bazală. Fiecare frunză are pețiolul lățit, cu rol asimilator, ce se continuă cu o porțiune scurtă, filiformă și apoi cu limbul împărțit, prin nervura mediană, în două jumătață egale, prevăzute cu numeroși țepi lungi pe margine. Cele două jumătăți ale limbului sunt așezate una față de cealaltă sub un unghi de 60-90 șși au câte trei perechi de peri senzitivi, ce pornesc de lângă nervura mediană și sunt orientați spre marginile limbului. Când o insectă ajunsă pe frunză atinge doi din perii senzitivi, excitația produsă este transmisă la limb. Cele două jumătăți ale limbului se îndoaie foarte repede în sus (0,01-0,02 secunde) de-a lungul nervurii mediane, iar țepii de pe marginile uneia dintre jumătățile limbului pătrund în intervalele dintre țepii celeilalte jumătăți, prinzând insecta în capcană. În urma acestei mișcări, ce se produce printr-o scădere bruscă a fenomenului de turgescență a celulelor situate pe partea superioară a limbului, în imediata vecinătate a nervurii mediane, între cele două jumătăți ale limbului rămâne un spațiu destul de mare. Insecta, prinsă și ucisă, începe să fie digerată cu ajutorul enzimelor proteolitice din compoziția sucurilor produse de numeroase glande digestive, ce se găsesc pe suprafața limbului și substanțele rezultate în urma digestiei determină o excitație, care duce la continuarea mișcării de închidere a capcanei. Figura nr. 77 – Dionaea muscipula Aceast ă mișcare se produce mai încet decât prima, dar se continuă până când cele două jumătăți ale limbului se ating complet, strângând complet prada. În funcție de 145mărimea prăzii, frunza se deschide după 8-20 zile, eliminând resturile nedigerate, ce sunt luate de vânt. Deși nu moare în toate cazurile, frunza nu mai prinde alte insecte, funcționând ca un organ de capturare a prăzii doar o singură dată în viața ei. Aldrovanda vesiculosa este o plantă acvatică submersă, cu frunzele mici, așezate în verticile. În țara noastră trăiește în bălțile din Delta Dunării și în Lacul Snagov. Aceasta prinde animalele mici acvatice și le digeră într-un nod asemănător cu Dionaea . Figura nr. 78 – Aldrovanda vesiculosa Drosophyllum lusitanicum crește pe târmurile uscate din Spania, Portugalia, Maroc. Este cultivată de localnici în ghivece, în vederea combaterii muștelor din locuințe. Figura nr. 79 – Drosophyllum sp Sarracenia laciniata crește în regiunile mlăștinoase ale Americii de Nord, formând urne înalte de 60-70 cm. 146 Figura nr. 80 – Sarracenia sp La unele genuri Nepenthes șiDrosera enzimele sunt prezente în permanență în lichidele secretate, în timp ce la reprezentanții altor genuri ( Pinguicula ,Dionaea ) glandele digestive încep să producă secreția lor doar în momentul capturării prăzii, procesul fiind indus de prezența unor substanțe azotate, îndeosebi a acidului uric, care se găsește în cantități mari în excrementele insectelor. Glandele secretoare de enzime digestive realizeaz ă în același timp și absorbția produșilor de digestie, iar în cazul speciilor adaptate la mediul acvatic intervin și în absorbția apei din capcane, după capturarea prăzii. Glandele secretoare de enzime digestive realizează în același timp și absorbția produșilor de digestie, iar în cazul speciilor adaptate la mediul acvatic intervin și în absorbția apei din capcane, după capturarea prăzii. Plantele carnivore pot crește și în lipsa nutriției cu animale, caz în care produc totuși flori și semințe cu putere de germinație normală, dar mai puține ca număr, iar talia lor este mai mică. Speciile de Drosera șiPinguicula asimilează CO 2 la fel de intens ca și plantele fotoautitrofe ce trăiesc în aceleași medii. De asemenea, substanțele azotoase, preluate de plantele carnivore din prada capturată, le intensifică fotosinteza. Deci, sensul nutriției carnivore constă în aprovizionarea acestor plante cu substanțe minerale nutritive (în special azotate și fosforilate). Majoritatea plantelor carnivore trăiesc în natură în stațiuni sărace în substanțe minerale. Drosera , de exemplu, trăiește în locuri umede, mlăștinoase, în care substratul conține cantități mari de acizi humici. Aceștia inhibă puternic dezvoltarea bacteriilor nitrificatoare și a celorlalte bacterii care participă la circuitul azotului. Aceste substraturi conțin și cantități insuficinete în compuși cu fosfor și potasiu, ceea ce îngreunează foarte mult nutriția minerală a plantelor din aceste stațiuni. Sistemul radicular al multor plante carnivore este slab sau chiar foarte slab dezvoltat, iar la genurile Utricularia șiAldrovanda , rădăcinile lipsesc complet. Nici una dintre plantele carnivore terestre nu posedă micorize, care să le permită aprovizionarea, în condiții mai bune, cu săruri minerale. S-a demonstrat, experimental, că plantele carnivore pot fi crescute, ținându-le cu rădăcinile în apă distilată, în cazul în care li se administrează ca hrană suplimentară 147insecte, precum și în lipsa hranei animale, dovedindu-se, astfel, că se pot dezvolta normal, în cazul în care sunt crescute pe soluții minerale complete. 5.9.4. Nutriția plantelor simbionte În natură există asociații trofice mai mult sau mai puțin intime dar durabile, între diferite organisme vegetale, dintre care unul este în mod obligatoriu autotrof, iar celălalt heterotrof. Acest tip de asocia ții este denumit simbioză, iar indivizii care o alcătuiesc se numesc simbionți. Cei doi simbionți trăiesc în deplină armonie, aducându-și avantaje reciproce. Tipuri de simbioză existente în natură: ·simbioza între plantele leguminoase și microroganismele fixatoare de azot; ·simbioza la licheni; ·micorizele. 1. Simbioza între plantele leguminoase și microorganismele fixatoare de azot rezultă în urma infestării rădăcinilor plantelor leguminoase cu bacterii din genul Rhizobium care, în urma multiplicării lor în interiorul celuleor rădăcinii, declanșează formarea nodozităților pe rădăcinile plantei gazdă. În afară de speciile simbionte ale genului Rhizobium , fixarea N 2 se mai realizează și de către alte microroganisme (ciuperci, bacterii). Cele mai multe specii de Rhizobium infectează în mod specific gazdele leguminoase. Nodularea (formarea de nodozitați) implică recunoașterea mutuală, cel mai adesea foarte precisă, între bacterii și planta-gazdă. Atașarea bacteriilor pe rădăcinile plantei-gazdă are loc la nivelul perilor absorbanți radiculari sau a unor leziuni ce apar la nivelul emergenței rădăcinilor laterale. În perii radiculari bacteriile sunt închise ca într-un tub – filamentul sau cordonul infecțios – înconjurat de un material pectic și celulozic de dezvoltat în continuare peretelui celular, cordon ce înaintează, se ramifică, străbate numeroase celule, determină stimularea diviziunii celulare în regiunea cortexului radicular și formarea de nodozități, ca un proces controlat și ca o structură diferențială. Nodulul apare ca un organ vegetal superior dezvoltat, organ ce funcționează ca un sistem aerob fixator de N 2, în care bacteriile normale evoluează spre stadiu de bacteroizi – forme fixatoare de N 2. Bacteroizii sunt localizați în „pachete” individuale de 3-4 celule înconjurate de un perete de origine vegetală și de un citosol bogat în proteine și în leghemoglobină (pigment roșu, similar mioglobinei, capabil să lege reversibil, dar cu mare afinitate, O 2). În celulele (adesea tetraploide) ale parenchimului cortical deci, bacteriile găsesc un mediu bogat în glucide, ce le favorizează nutriția. Ele fixează azotul molecular pe care îl încorporează în celulele lor. Plantele leguminoase se apără contra invaziei bacteriene lizând o parte din aceste bacterii și folosesc azotul organic sintetizat de ele în urma asimilării azotului molecular. Prin urmare, plantele leguminoase aprovizionează bacteriile cu substanțe organice, substanțe minerale și apa de care au nevoie, iar bacteriile pun la dispoziția leguminoaselor azotul ce le este necesar. În această simbioză bactria se comportă ca un parazit. Această rezultă din reacția leguminoaselor care, în perioada cuprinsă între momentul infectării lor și cel al formării 148nodozităților, își opresc creșterea. De aceea simbioza este considerată drept un caz particular de parazitism. Datorită azotului acumulat în rădăcinile și în celulele bacteriilor după recoltarea leguminoaselor, solul rămâne bogat în azot și de aceea, culturile ce urmează după leguminoase, pe parcela respectivă, necesită cantități mai mici de îngrășăminte cu azot. S-a calculat că la un hectar cultivat cu leguminoase se acumulează 100-400 kg azot, din care 30% rămân în resturile vegetale din sol, iar 70% este folosit de simbionți (plantă și bacterie). În natură există și plante neleguminoase capabile să fixeze simbiotic azotul molecular. Numărul acestora este de aproximativ 190 specii. 2.Simbioza lichenică Lichenii alc ătuiesc un grup taxonomic aparte, format din circa 10 000 specii. Talul lor este alcătuit din alge și ciuperci, aflate în relații de simbioză. Ciupercile din talul lichenilor aparțin în majoritatea lor clasei Ascomycetes , iar algele sunt unicelulare, verzi sau albastre. Lichenii reprezintă o individualitate atât din punct de vedere morfo-anatomic, cât și fiziologic. În această simbioză atât alga, cât și ciuperc cresc mai bine decât în cazul când cei doi parteneri sunt crescuți separat. Alga din asociația simbiotică aprovizionează ciuperca cu produșii rezultați în procesul de fotosinteză. Pe lângă glucide, în aczul în care partenerul autotrof este reprezntat prin alge albastre-verzi, ciuperca preia și compușii cu azot și, la rândul ei ciuperca furnizează algei apa și sărurile minerale de care are nevoie, preluându-le din substrat sau direct din precipitații sau din vaporii de apă existenți în atmosferă. Totodată, ciuperca protejează alga împotriva uscăciunii, permițându-i să trăiască în condiții care îi sunt inaccesibile în stare liberă, în absența acestei simbioze. Lichenii reprezintă deci, organisme bine individualizate, în cadrul cărora cei doi simbionți trăiesc într-o uniune durabilă, caracterizată prin relații extrem de complexe, a căror natură nu este încă pe deplin elucidată. 3. Micoriza reprezintă simbioza între rădăcinile diferitelor plante superioare și hifele miceliene. Speciile de plante superioare cu micorize sunt foarte numeroase (aprox. 50% din numărul total). Hifele ciupercilor care intervin în această simbioză se identifică greu, deoarece ele se înmulțesc aproape exclusiv pe cale vegetativă. Speciile de ciuperci implicate în micorize aparțin mai ales genurilor Rizoctonia șiBoletus . Pe baza raporturilor ce se stabilesc între ciupercile micoritice și rădăcinile plantelor gazde, micorizele au fost clasificate în trei grupe: ·Micorize ectotrofe – formează în jurul rădăcinilor plantei gazdă un manșon; care poate prezenta spre exterior hife libere, ce se strecoară printre particulele solului. În scoarța rădăcinii gazdă hifele simbiotice pătrund numai în spațiile intercelulare de la câteva straturi de celule ale rădăcinii, formând rețeaua intercelulară Hartig. Este caracteristică arborilor de pădure din familiile Betulaceae, Fagaceae, Salicaceae, Pinaceae, Tiliaceae, la cre hifele ciupercii învelesc ca o pâslă deasă vârful rădăcinilor. 149·Micorize endotrofe – se întâlnesc la unii arbori de p ădure și la pomi fructiferi, cât și la plante ierbacee (cereale, leguminoase, cartof). Familiile la care se formează micorize endotrofe sunt: Ericaceae, liliaceae, Aroideae, Orhideae. În cazul acestui tip de micoriză ciuperca pătrunde și se instalează la interiorul celulelor rădăcinii. ·Micorize ecto-endotrofe – se caracterizează prin faptul că ciupecile simbionte formează în jurul rădăcinilor un manșon și trimit hife în interiorulceluleor rădăcinii. Se întâlnesc la specii de Betula ,Populus etc. Rolul micorizelor: ·ciuperca aprovizioneaz ă planta superioară cu săruri minerale; ·simbiontul aprovizionează ciuperca micoritică cu substanțele organice necesare; ·hifele de ciupercă reprezintă un mijloc important de care dispun plantele superioare pentru procurarea apei și a sărurilor minerale; ·ciupercile micoritice pot absorbi din sol și azotul aflat sub formă organică, astfel încât simbiontul superior este bine aprovizionat cu azot (plantele din terenurile mlăștinoase). 5.10. Nutriția cu azot a plantelor Azotul este unul dintre cele mai importante elemente ale nutriției minerale a plantelor. Conținutul de azot din organisme variază între 1-60%. Azotul este un element plastic, el participând la alcătuirea moleculelor de nucleoproteine și protide protoplasmatice și în formarea lipoproteidelor din citomembrane. Azotul intră în compoziția clorofilelor, în alcaloizi, vitamine (B 1, B6, acid nicotinic), hormoni vegetali. Este un element constitutiv al apoenzimelor, coenzimelor (NAD +, FAD, ATP). Întrând în alcătuirea proteinelor, azotul intervine în cele mai numeroase procese ale metabolismului plantelor. 5.10.1. Sursele de azot pentru plante Azotul, în sol se găsește sub trei forme principale: azot organic, nitric și amoniacal. Formele de azot imediat accesibile plantelor sunt reprezentate de compușii anorganici simpli. Conținutul lor nu depășește 1-2% din azotul total. Acești compuși sunt solubili și reprezentați de NH 4+, NO 3-, NO 2-, N2O și NO. Pentru nutriția plantelor NH4+ și NO 3- sunt cei mai importanți. Azotul se găsește în sol mai ales sub formă de combinații organice, care reprezintă aproximativ 98-99% din azotul total. Prin mineralizarea azotului organic se formează combinații anorganice, ultimul stadiu al acestor transformări fiind azotul nitric. Anual, 1-2% din rezervele de azot organic ale solului trec în acest mod în stare disponibilă pentru plante. Specii de bacterii, ciuperci și alge fixează și reduc azotul molecular atmosferic, transformându-l în combinații azotoase, care ulterior pot fi preluate de plantele superioare. Grupe de microorganisme fixatoare de azot molecular: 150-speciile de Azotobacter chroococcum , A.beijerincki , A. agile ,A.indicum , Azotomonas insolita , trăiesc libere în sol și fixează azotul molecular în condiții aerobe, prin procese enzimatice proprii; -speciile de Clostridium pasteurianum ,C.butyricum ,Methanobacterium fixează azotul molecular în condiții anaerobe; -mucegaiurile Mucor ,Penicillium , Aspergillus , algele albastre-verzi ( Nostoc , Anabena ) prezintă facultatea de fixare a azotului molecular atmosferic; -bacteriile și ciupercile simbiotice au capacitatea de a utiliza azotul molecular în metabolismul lor (bacteriile din rădăcinile leguminoaselor Rhizobium , ciupercile din genul Actinomyces din rădăcinile copacilor). 5.10.2. Nutriția plantelor cu azot nitric și azot amoniacal Carența azotului în mediul nutritiv duce la: -încetinirea procesului de formare a substanțelor protidice; -oprirea creșterii țesuturilor și frunzelor. Plantele au culoare verde deschis, frunzele de la bază sunt mortificate, culoarea lor mergând de la galben până la brun-deschis, tulpina este scurtă și subțire. Cerealele înfrățesc puțin. Rădăcinile sunt foarte lungi în raport cu lungimea lăstarilor. Insuficiența azotului se remarcă deseori pe solurile podzolice și pe cele nisipoase. Dintre plantele indicatoare ale insuficienței solului în azot menționăm: Draba verna ,Holosteum umbellatum , Cerastium arvense . Excesul de azot favorizează un raport mărit între paie și boabe la cereale, micșorează rezistența șa păstrarea a fructelor și legumelor; el se înregistrează în cazuri foarte rare. Ca plante indicatoare de soluri bogate în azot nitric cităm: Atriplex tatarica , Atropa belladona , Chenopodium album , Datura stramonium , Urtica dioica etc. Plantele necesită azotul în cantități diferite. La cereale, necesarul de azot variază de la o specie la alta. Grâul consumă de două ori mai mult azot decât fosfor. Ovăzul folosește cantități mai mari de azot decât grâul. Porumbul are nevoie, de asemenea, de cantități mari de azot. În solurile slab acide (pH=5-6) sursa de azot o reprezintă azotul nitric, iar în solurile neutre plantele utilizează mai bine azotul amoniacal. Unele plante (cartoful, orezul, inul) preferă pentru cea mai mare parte a perioadei de vegetație nutriția cu azot nitric. Absorbția de azot amoniacal sau nitric depinde de faza de vegatție în care se află plantele. De exemplu, tutunul în faza de plantulă absoarbe mai mult ionul NH 4+, iar în faza de înflorire ionul NO 3-. În prezența carbonaților, absorbția amoniului este mai intensă. Azotul participă la procesele metabolice sub formă redusă, deci este necesară reducerea prealabilă a surselor oxidate de azot. Astfel, azotul amoniacal este absorbit mai repede decât nitriții, iar aceștia sunt absorbiți mai repede decât nitrații. Plantele verzi au capacitatea de a sintetiza materie organică azotată și deci și amonoacizii ce stau la baza acestei materii, din formele minerale ale azotului (din amoniac și din nitrați). Pentru sinteza aminoacizilor plantele au nevoie în afară de azot și de carbon. Sursa de carbon pentru plante o reprezintă CO 2. Sinteza aminoacizilor se efectuează pe 151baza asimilării nitraților sau a amoniacului din sol. Procesul se desfășoară cu formarea unui șir de produși intermediari, se soldează cu reducerea nitraților până la amoniac. Amoniacul rezultat din reducerea nitrților, sau cel rezultat din hidroxizi sau săruri de amoniu, este utilizat în sinteza aminoacizilor și apoi a protidelor. Fiecare etapă a reducerii nitraților până la amoniac este însoțită de schimbarea valenței atomului de azot și este catalizată de enzime, care sunt activate de: molibden (nitratreductaza), cupru (nitritreductaza și hiponitritreductaza), mangan și magneziu (hidroxilaminreductaza). Aminoacizii se formează într-o serie de reacții care se produc între substanțele rezultate în urma reducerii azotului nitric (hidroxilamina și amoniacul) și produsele de metabolism ale glucidelor (acidul carbonic, aldehida acetică, diferiți acizi, oxiacizi, acizi alfa-cetonici ca acidul succinic, fumaric, malic, piruvic, etc.). Deci, la plante, glucidele îndeplinesc nu numai un rol energetic ci și un rol plastic. Sursa de carbon pentru plantele lipsite de clorofilă, pentru sinteza aminoacizilor, o reprezintă carbonul din substanțele organice preluate din mediu, de obicei hidrați de carbon. 5.10.3. Circuitul azotului 1) Azotul din compușii organici este mineralizat prin amonificare până la amoniac sub acțiunea microrganismelor proteolitice. Acest proces se desfășoară deosebit de intens în condiții aerobe. 2) Amoniacul este oxidat până la nitrați, prin activitatea microorganismelor nitrificatoare. Condițiile indispensabile pentru buna desfășurare a reacției sunt: reacția neutră a solului și o bună aerisire. În solurile slab aerisite, cu apă stagnantă sau acide, mineralizarea azotului se oprește la faza de amoniac. În astfel de condiții staționale se dezvoltă plante de cultură sau plante spontane care utilizează ca sursă de azot amoniacul (hrișca, ovăzul, cartoful). 152 Figura nr. 81 – Circuitul biologic al azotului (d. Müler, 1968) 153Capitolul 6 TRANSFORMAREA, CIRCULAȚIA ȘI DEPUNEREA SUBSTANȚELOR ORGANICE ÎN PLANTE 6.1. Sinteza, transformarea și depunerea substanțelor organice În plantele verzi, ca urmare a fotosintezei, se acumulează o multitudine de substanțe ce sunt transportate spre zonele de creștere, pentru sporirea în greutate și volum a tuturor organelor vegetale. O parte din aceste substanțe organice se consumă în procesul de respirație pentru procurarea energiei metabolice celulare, iar cea mai mare parte se depune în organele de rezervă și fructe. Migrarea intensă a substanțelor organice în plante se face sub formă de soluție, sevă organică (elaborată), în principal prin floem – vase liberiene și în mică parte prin xilem, mai ales primăvara. 6.1.1. Glucidele Dintre toate substanțele produse prin fotosinteză, glucidele (hidrații de carbon formează proporția cea mai mare, aproximativ 2/3, restul fiind alte substanțe organice, dar mai ales cele cu azot (1/3). Pornind de la 1,6-difosfofructoză (esterul Harden-Joung), prin defosforilare și izomerizare se formează monoglucidele (glucoză, fructoză), iar apoi diglucide (zaharoza) și poliglucide. Glucidele pot fi transformate prin oxidare în acizi organici, prin reducere în lipide și prin oxidare combinată cu adiție de amoniac în aminoacizi, compuși de bază în alcătuirea substanțelor proteice. În organismele vegetale, glucidele sunt substanțe ternare, în care proporția elementelor (C : O : H) este de aproximativ 1 : 1 : 2 și alcătuiesc substanțele de bază ale țesuturilor de susținere și ale celulelor vegetale, în general. Ele se acumulează în sucul tuturor celulelor vii, formând materialul de bază de sinteză pentru unii complecși, cum sunt heterozide, acizi nucleici și esteri fosforici, substanțe foarte stabile, care circulă cu ușurință în corpul plantelor. Monoglucidele cele mai răspândite în plante sunt: trioze, pentoze și hexoze. Dintre trioze (oze cu 3 atomi de C în moleculă), aldehida glicerică și dioxiacetona sunt substanțele primare ale fotosintezei ce se află în echilibru dinamic și reprezintă baza de obținere a substanțelor celor mai complexe. Ca pentoze, mult răspândite sunt: xiloza, arabinoza și riboza (aldopentoze), cu grupare aldehidică în C 1 și riboza (cetopentoză) cu grupare cetonică în C 2. Aceste pentoze sunt mai puțin răspândite în celulele vegetale ca substanțe pure, dar se găsesc în cantități mari în compuși. De exemplu, riboza, intră în compoziția acizilor nucleici, a unor vitamine și enzime iar prin polimerizare dă ribani. Arabinoza intră în molecula hemicelulozei din membranele vegetale, sub formă de arabani, existenți ca gume secretate de prun, cireș, piersic, conifere. Xiloza se condensează în poliglucidul xilan din membranele celulare, gume vegetale, pectoză sau protopectină, împreună cu arabanii (tegumente seminale, coceni de porumb). 154Pentozele se pot metila și se formează astfel ramnoza, cât și keracianozidul, care este un heterozid (ramnoză și agliconul cianidol) din fructe de cireșe și colorantul quercetina din scoarța de stejar. Dintre hexoze o mare răspândire în plante o au: manoza, galactoza (aldohexoze) și fructoza, sorboza (cetohexoze). Glucoza se depune ca substanțe de rezervă în sucul bacelor de struguri, în celulele bulbilor de ceapă. În struguri se găsește alături de fructoză în cantitate mare, de până la 200 g/l. Glucoza este cel mai important monoglucid și substanța de bază în formarea dizaharidelor (zaharoza, maltoza, lactoza, celobioza) și a polizaharidelor (amidon, glicogen, celuloză). Fructoza este o cetohexoză; se mai numește zahăr de fructe unde se află în cantități mari. Formează poliglucide nereducătoare, dintre care cel mai important este inulina (C 6H10O5)n ce se găsește în napi și rădăcini de Dahlia șiInula . Oligoglucidele pot fi: diglucidele (formate din două oze) triglucidele (3 oze), tetraglucidele (din 4 oze). Dintre diglucide , cea mai importantă este zaharoza, formată din glucoză și fructoză prin eliminarea unei molecule de apă. (C 12H22O11). Zaharoza este o substanță foarte solubilă, se acumulează în sucul vacuolar al celulelor verzi și ca substanță de rezervă în celulele mezofilului (la graminee), în parenchimul tulpinilor de trestie pentru zahăr și în cel al rădăcinilor de sfeclă pentru zahăr. Maltoza este un alt diglucid, ce se găsește în cantitate mare în semințe pe cale de germinare, ca produs de hidroliză a amidonului. Sub acțiunea amilazei, amidonul hidrolizează în 20% dextrine și 80% maltoză. Lactoza se găsește în laptele animalelor și este folosită de microorganismele lactice pentru formarea acidului lactic în fermentația lactică. Dintre triglucide menționăm: rafinoza și gentianoza. Rafinoza (glucoză + fructoză + galactoză) se află în rădăcinile sfeclei pentru zahăr (0,2 – 1%) și la prelucrarea acesteia trece în melasă. În soia, trifoi, măzăriche, diverse labiate, lupin se găsesc și alte triglucide. Dintre tetraglucide cităm stahioza din boabele de fasole. Poliglucidele sunt substanțe de polimerizare de la monoglucide prin eliminarea mai multor molecule de apă. Amidonul reprezintă cel mai răspândit poliglucid din celulele vegetale (C6H10O5)n, ca substanță de rezervă și sursă de hrană. Se acumulează în semințe, fructe, frunze, rădăcini și tuberculi. Se depune ca substanță de rezervă sub formă de granule, în aminoplastele organelor de rezervă și au o formă caracteristică. 155 Figura nr. 82 – Forme diferite ale granulelor de amidon: A, B – granule simple ( Solanum tuberosum ); C, D – granule semicompuse ( Solanum tuberosum ); E – granule poliedrice ( Zea mays ), F, G – granule mari și mici ( Triticum vulgare ); H – granule simple, cu hil ramificat ( Phaseolus vulgaris ); I – granule compuse ( Oryza sativa ); h – hil; gp – granule parțiale (simple); stc – straturi de creștere; (d. Gabriela Șerbănescu-Jitariu, 1980) Granula de amidon este formată dintr-un înveliș extern, care are ca bază substanța numită amilopectina (76-80% din total) și partea internă, formată din amiloză (20-24% din total), ce se colorează intens în albastru cu iodul. Enzima ce hidrolizează amidonul este amilaza, care, împreună cu maltaza din semințele germinate, îl hidrolizează până la maltoză și glucoză. Amidonul formează 70-80% din endospermul seminal al semințelor de cereale și din tuberculul de cartof. Glicogenul este un alt poliglucid, ce se acumulează mai mult în celulele algelor albastre, ciuperci, mixomicete, formând așa numitul schelet micelar în care se încrustează. Hemicelulozele însoțesc celuloza în tulpina plantelor lemnoase, alături de lignină, rășini, taninuri, substanțe minerale. Dintre plante numai unele microorganisme conțin enzime ce hidrolizează celuloza în celobioză (celulaza) și glucoză (celobioza). În plantele textile celuloza alcătuiește ceea ce se numește fibre, respectiv fuiorul la in și cânepă și vata din capsulele de bumbac. 156Heterozidele sunt substanțe formate din zaharuri, combinate cu substanțe neglucidice (agliconi). În această grupă sunt incluși glucosizii din vacuola celulelor vegetale ca: alcoolici – salicina (tulpini de salcie), siringina (tulpini de liliac), flavonici, cu agliconul flavonol și antocianici cu agliconii, pelargonidină, cianidină și delfinidină, coloranți din petalele de Crocus ,Pelargonium ,Delphinium etc. Acești pigmenți antocianici și flavonici (pigmenți galbeni) sunt indicatori naturali ai reacției sucului vacuolar (culoare roșie în mediul acid, culorile albastră și galbenă în mediul alcalin, culoare violetă în mediul neutru). Antocianii dau culoarea albăstruie, violetă, roșie la petale, frunze, rădăcini, fructe. Factorii de mediu cu anumite valori pot influența sinteza antocianilor în plante (temperatură joasă, lumină puternică, lumină roșie sau violetă, uscăciunea mediului și traumatismele). 2. Lipidele În cazul unei nutriții deficitare în azot, celulele verzi produc prin fotosinteză o proporție mai mare de substanțe grase, uneori chiar de 10 ori mai mult. În cloroplastele izolate de floarea-soarelui s-a putut evidenția prezența 14C din 14CO2 asimilat, în acizi grași proveniți din acidul 3-fosfogliceric. Sinteza substanțelor grase necesită însă o cantitate mai mare de H + respectiv de NADPH 2 obținut în faza de lumină a fotosintezei. Lipidele se acumulează mai ales în semințele plantelor, cum ar fi: floarea –soarelui (30-50%), rapiță (42%), arahide (48-60%), ricin 51%, soia 15-30%. În zonele temperate, lipidele se găsesc în plante ca uleiuri, în zonele calde ca substanțe solide (nuci de cocos). În fructe, lipidele se acumulează numai la măslini ( Olea europea ). Uleiurile vegetale sunt triesteri ai glicerinei cu acizii grași. Dintre acizii saturați mai răspândiți la formarea uleiurilor vegetale sunt: palmitic șistearic , iar ca acizi nesaturați acidul oleic și linoleic Pentru folosirea lipidelor, celulele vegetale le hidrolizează în acizi grași și glicerină, iar acizii grași sunt tranfosrmați în glucide solubile (glucoză, fructoză și zaharoză). Lipidele au o energie potențială de 9,3 kcal la 1 g ulei. În plante, alături de ulei, în cariopsele cerealelor și boabe de leguminoase se găsesc steroli (0,2-0,6%), dintre care cei mai importanți sunt: citosteroli, stigmasteroli și spinasteroli. De asemenea, se mai află heterozide steroidice, cardiotonice și saponine. Cele cardiotonice sunt în plante medicale, ca: Digitalis purpurea (semințe și frunze), din care se extrage digitalina. Saponinele sunt substanțe tensioactive, ce formează emulsii și se folosesc ca detergenți, dar și ca substanțe farmaceutice (hormoni steroidici); predomină în Saponaria officinalis șiGypsophila paniculata . 6.1.3. Substanțe organice cu azot Cele mai simple substanțe organice cu azot – aminoacizii – se pot forma direct în fotosinteză, fapt relevat prin aceea că la lumină sinteza proteinelor are loc foarte repede în plante, în numai 3-5 minute. O altă cale de obținere a proteinelor este din aminoacizi rezultați din produsele intermediare ale degradării oxidative a glucidelor prin adiționare de NH 3 (aminare reductivă). Proteinele sunt substanțe fundamentale (matrix ale protoplasmei celulare, în compoziția căreia au o pondere mai mare de 50%. În organele vegetale se acumulează ca 157substanțe de rezervă în semințe, mai ales în cele de leguminoase, 25-30% la fasole, soia, mazăre, lupin etc. de asemenea se depun în cariopsele de grâu și porumb (10-12%). Proteinele sunt clasificate biochimic în: holoproteide șiheteroproteide. Ca holoproteide sunt: aminoacizii, peptidele (cu 2-30 aminoacizi) și proteinele moleculare. Dintre heteroproteide se pot menționa: fosfoproteide, glucoproteide, nucleoproteide și cromoproteide. Heteroproteidele sunt formate dintr-o proteină propriu-zisă și o grupare prostetică (neazotată). Holoproteidele. Aminoacizii sunt substanțe de bază ale proteinelor și se formează în citoplasmă prin aminare reductivă și transaminare de la acizi cetonici, prin sinteza primară în fotosinteză (serina, alanina), dar mai ales prin sinteza secundară pe baza produșilor intermediari (acizi organici) ai respirației celulare. În substanțele proteice proporția elementelor este următoarea: 53-54%C, 19,2 % O 2, 16% N, 7% H 2 0,5-2% S; unele proteine conțin și fosfor. Trebuie remarcată specificitatea proteinelor pentru fiecare individ și în cadrul acestuia a fiecărui organ și țesut. Deosebirile dintre substanțele proteice se datoresc componenței lor în aminoacizi: s-au izolat 28 acizi aminici esențiali grupați astfel: monobazici: glicocol, alanina, valina, leucină, izoleucină, fenilamină; oxiaminoacizi: serina, treonina, oxiglutamic, tirozina; bibazici: asparagic, glutamic; diaminoacizi: ornitina, lizina; tioaminoacizi: cisteina, cistina, metionina; heterociclici: prolina, oxiprolina, histidina, triptofan. Substanțele proteice sunt hidrofile, amfotere, în celulele vegetale sunt sub formă de soluții coloidale apoase și sub formă solidă, în grăunciorii de aleuronă. Dintre diferitele substanțe proteice în plante se găsesc: albumina, globulina (legumina din mazăre, conglutina din lupin, edestina din semințe de cânepă) , gluteina din cariopsele cerealelor, formate din glutenine și gliadine; când lipsește gluteina aluatul nu crește. Cariopsele de orz și secară conțin cele mai puține glutenine, iar porumbul nu are gluteine. Cele mai simple ca structură sunt prolaminele (zeina din porumb), ca și histonele. Moleculele proteice au proprietatea de a se încatena, formând lanțuri lungi sau mai scurte (drepte sau ramificate), alcătuind micele coloidale (agregate moleculare) ce pot lega (fixa) diferite substanțe, mai mult sau mai puțin labil: apă, elemente minerale, substanțe organice (radicali). Heteroproteidele se pot grupa în: fosfoproteide, glucoproteide, nucleoproteide, cromoproteide. Fosfoproteidele conțin în molecula lor H 3PO4 legat de serină și treonină. Glucoproteidele sunt formate din proteine și glucide. Ambele grupe se găsesc în cea mai mare proporție în organismele animale. Nucleoproteidele sunt cele mai importante din celulele vii , animale și vegetale. Acizii nucleici (ARN, ADN) conțin baze azotate (purinice sau pirimidinice), glucide (pentoze sau dezoxiriboza) și H 3PO4. Unitatea constituentă a acizilor nucleici sunt nucleotidele. Cromoproteidele reprezintă o grupă cu deosebită importanță fiziologică. În această grupă intră: clorofila, carotenoproteidele și enzime de mare însemnătate în catabolism (respirație, fermentații), ca: citocromi, citocromoxidaza (pigmenți roșii), peroxidazele, catalaza, dehidraze aerobe – flavinenzimele (FAD și FMN). Toate aceste proteide au proteina pe structura unei porfirine, iar partea prostetică poate fi un nucleu tetrapirolic cu Mg ++ ca la clorofilă, cu Fe ++ ca la citocromi, peroxidaze, catalaze. Celulele vii, atât vegetale cât și animale, au proprietatea de a-și constitui nucleul 158porfirinic și coloranții tetrapirolici, nucleu de care depinde întreaga capacitate biologică a organismului respectiv. Sinteza intensă a proteinelor are loc mai ales în frunzele tinere și mature, cu activitate fotosintetică ridicată. În frunzele bătrâne, datorită proteolizei intense, se găsesc mari cantități de aminoacizi și amide. Aceasta se datorește scăderii sintezei secundare, cât și folosirii aminoacizilor cu substrat în respirația celulară. Proteinele se acumulează cel mai mult în sistemele enzimatice. Formarea substanțelor proteice în plante prin polimerizarea aminoacizilor pe ribozomii din ergastoplasmă, sediu de formare a substanțelor proteice în plante. Plantele verzi formează mai repede proteine decât plantele lipsite de clorofilă, deoarece au un conținut ridicat de glucide produse prin fotosinteză, ai căror produși intermediari din timpul glicolizei pot fixa amoniacul, dând substanțe organice cu azot (aminoacizi) din care, prin transformări ulterioare, se formează întregul complex de substanțe proteice. Substanțele proteice acumulate prin sinteza primară în frunze migrează sub formă de aminoacizi sau asparagină în celelalte organe ale plantelor. Descompunerea proteinelor în substanțe mai simple asimilabile are loc sub influența enzimelor. În organele unde se repartizează, aminoacizii participă la resinteza proteinelor (sinteza secundară). Concomitent cu descompunerea proteinelor are loc și punerea în libertate a unor cantități mari de NH 3, aceasta mai ales în procesul germinării semințelor, când unii aminoacizi nu-și găsesc integrarea în unele substanțe proteice și rămân de ,, prisos” , descompunându-se mai departe în NH 3 și alte substanțe neazotate, prin intermediul unei enzime de dezaminare. Din determinarea compoziției chimice a semințelor în curs de germinare s-a putut constata că proteinele scad în decurs de 15 zile, dar crește mereu cantitatea de aminoacizi în special de amide și asparagină. Dacă se face hidroliza substanțelor proteice în vitro nu se obțin niciodată asparagină, ci numai aminoacizi. Deci, asparagina rezultă numai în plante din acidul asparagic. În organismul vegetal viu, pe lângă cetoacizi, asparagina este prin excelență substanța ce fixează NH 3, fiind substanța organică de bază de la care se pleacă în sinteza proteinelor. 6.1.4. Substanțe organice secundare Ca substanțe organice secundare se pot menționa: uleiurile eterice, alcaloizii, taninurile, gumele. Uleiurile eterice au un rol biologic încă necunoscut. Se acumulează în diferite organe vegetale, dar mai ales în petale, semințe, rădăcini, coajă, lemn. Aceste substanțe sunt formate mai ales din hidrocarburi terpenice. Uleiul din petale de trandafir conține o terpenă aciclică numită citronelol. În cojile de portocale, lămâi, în chimen și țelină se găsește d-limonenul și l-limonenul. În frunzele de mentă se află mentol, pinen, limonen, în cele de busuioc (ocimen + metil chavicol), la pelin tuionă + felandren. Parfumul florilor de crizantemă are următorii compuși chimici: tetracolsan + hexacosan + frutescină; la levănțică există lavandulol + etilamilcetonă + linalol + butirat de izoamil; la mușețel se găsește un amestec de parafine + acetilene + furfurol. 159La măr, în fructe și semințe, se acumulează ca uleiuri eterice – formiat de amil și acetat de izoamil; la fenicul – fenchon, felandron și anetol, iar în nucile verzi – hidrojuglonă. În rădăcini de hrean, semințe de muștar și în ridichi se află uleiuri eterice ce conțin seneroli (heterozide cu sulf). Sinigrina din muștar conține alilsenevol. Gustul specific din migdalele amare, ca și cel din sâmburii de prun, piersici, caise și zarzăre este dat de un heterozid cu azot – cianogen – denumit amigdalină. Plantele cu un conținut mare de uliuri eterice (40%) acumulează ceea ce numim balsamuri , existente în câteva specii de plante lemnoase exotice. Alcaloizii sunt substanțe organice heterociclice cu azot, care se obțin prin transformarea aminoacizilor, aminelor și aldehidelor. Rolul lor în plante nu este încă precizat, dar este bine cunoscut pentru organismul uman și animal, fiind substanțe folosite în terapeutica medicală. Alcaloizii se acumulează în diferite specii din familiile: Magnoliaceae ,Papaveraceae ,Ranunculaceae ,Solanaceae ,Cruciferae șiLiliaceae și anume în vase conducătoare, vase laticifere, scoarță, rădăcini, frunze, meristemele apicale, țesuturi epidermice. Taninurile sunt polifenoli ce se pot lega ușor de proteine și alți polimeri. Se acumulează în sucul vacuolar, ca taninuri hidrolizabile și condensate, în unele fructe necoapte, în rădăcini, scoarța pomilor, conuri de brad și chiar frunze din speciile de Labiatae. Substanțele tanante cunoscute din plante sunt: juglanina din cojile de nucă (Juglans ), catechina din frunzele de ceai, castalagina din frunzele de castan comestibil, glucogalina din revent și taninul turcesc din galele de pe ramurile de stejar. Cauciucul este un politerpen (C 5H8)n , ce se găsește în seva arborelui de cauciuc ( Hevea brasiliensis ), dar și în alte 500 specii, de exemplu specii de Euphorbia, ce secretă din tulpini un latex lipicios. De asemenea, se găsește în sucul din tuburile laticifere de la Taraxacum cocksagâz . 6.2. Transportul substanțelor organice în plante Substanțele organice sintetizate în rădăcini se deplasează spre organele aeriene prin xilem. Cele mai multe substanțe organice sunt sintetizate în frunze, de unde circulă prin toate țesuturile vii. Țesuturile conducătoare specializate pentru acest proces sunt tuburile ciuruite (floem). 6.2.1. Evidențierea transportului prin floem Se deschid tuburile ciuruite făcând incizii prin scoarță O altă metodă este aceea a inelării prin care se observă că părți din plantă de sub inelare își încetează creșterea și adesea mor. Substanțele elaborate circulă de sus în jos (descendent). Transportul ascendent și descendent al sevei organice se face prin floem, respectiv prin tuburile ciuruite și numai într-o mică măsură prin parenchimul liberian. 2. Mecanismul circulației prin floem Mecanismele sugerate pentru deplasarea prin floem nu pot fi înțelese decât pe 160baza cunoașterii structurii acestui țesut conducător. Floemul la plantele superioare este alcătuit din tuburi ciuruite, fiecare fiind format din celule vii, denumite elemente ciuruite. Acestea sunt alungite, așezate cap la cap, despărțite prin membrane transversale, prevăzute cu mulți pori, cu diametrul de 0,5-10 µ,denumite plăci ciuruite. La nivelul acestor peri există o continuitate a ergatoplasmei de la o celulă la alta, prin care substanțele pot trece cu mare viteză. Un glucozan, denumit caloză , este adesea depozitat în jurul porilor plăcilor ciuruite și mai târziu poate îngusta lumenul porului sau îl poate astupa complet iarna sau la sfârșitul perioadei funcționale a tubului ciuruit. Caloza poate fi îndepărtată din plăcile ciuruite, fapt ce arată că celulele care alcătuiesc tubul ciuruit au o activitate metabolică, deși nu posedă nucleu, sunt bogate în citoplasmă, efectuează procese enzimatice. Tuburile ciuruite sunt legate prin plasmodesme ca celulele parenchimatice vecine, la toate nivelele, asigurându-se astfel transferul substanțelor din seva elaborată la țesuturile vecine. La angiosperme, de-a lungul tuburilor ciuruite se află celulele anexe, câte două pe o parte a unui tub. Când tuburile ciuruite nu mai funcționează celulele anexe mor în același timp. Numeroase plasmodesme leagă tuburile ciuruite cu aceste celule anexe. Celulele anexe sunt nucleate, au citoplasmă densă și o intensă activitate metabolică, iar legătura lor cu tubul ciuruit a dus la ideea că ele joacă un rol special în procesul translocației în tuburile ciuruite corespunzătoare. Liberul formează o rețea continuă în plantă, de la meristemele primare din vârful vegetativ și până la extremitatea nervurilor foliare, asigurând astfel translocația substanțelor organice pentru toate organele. 3. Formele sub care circulă substanțele organice prin floem Pentru obținerea sevei din tuburile ciuruite s-a analizat compoziția picăturilor obținute din stiletul de afide recoltat din tubul ciuruit. Substanțele găsite în floem au fost glucide, proteine, acizi organici, substanțe minerale. Glucidele. Peste 90% din substanța uscată au constituit-o glucidele. La multe specii de arbori singurul glucid găsit în vasele liberiene a fost zaharoza. Teste efectuate asupra speciilor din familia leguminoase au arătat că zaharoza este singurul glucid prezent. În unele specii din familiile Oleaceae , Verbenaceae , Bignoniaceae , sunt prezente în cantități apreciabile glucide superioare zaharozei. S-a găsit în plantele de Cucurbita pepo aprovizionate cu C 14O2, după 30 minute de absorbție, că 70% din radioactivitate a putut fi detectată în stahioză și verbascoză. Concentrația de zahăr toatal din sevă a fost 0,2-0,5M. Compușii cu azot. Substanțele cu azot sunt transportate prin tuburile ciuruite sub formă de aminoacizi și amide. În stiletul de afide la salcie se găsesc: acid aspartic, acid glutamic, serina, alanina, valina, leucina, fenilalanina, asparagina, glutamina și, posibil acidul aminobutiric. Cea mai mare concentrație s-a găsit primăvara în mugurii umflați, unde azotul total a fost 0,2%. În frunzele mature, N-total a fost mai mic de 0,03%, iar din aceasta un mic conținut l-a avut acidul aspartic, acidul glutamic, glutamina și urme de asparagină; în frunzele bătrâne N- total crește din nou, iar compușii prezenți primăvara la dezmugurire au fost găsiți din ou. 161Acizi organici. Peel și Westhary au semnalat prezența în exudatul plantelor a acizilor citrici, tartic și oxalic Substanțe minerale. Prin vasele ciuruite circulă și unele substanțe minerale care nu au fost utilizate în frunze. Ziegler a detectat fosfor anorganic în exudatul scoarței, dar în concentrații sub 0,1%. Pell și Westharly au semnalat prezența potasiului în exudatul de la salcie, în concentrație de până la 2%. 6.2.4. Direcția transportului asimilatelor Substanțele organice pot migra din tuburile ciuruite spre parenchimurile lemnoase ale organelor de rezervă, unde sunt înmagazinate. Aceasta este un transport orizontal , care se face pe distanțe scurte și cu viteze mai mici. Migrarea substanțelor în parenchimuri este un proces activ, metabolic, legat de respirație. Bauer a aplicat florizidin, o substanță chimică ce afectează transferul fosforului, la frunzele de Pelargonium și a găsit o evidentă încetinire a transportului din limb. Întrucât inhibitorii metabolismului frânează transportul prin parenchimuri, s-a sugerat dependența lui de activitatea metabolică. Infiltrarea ATP-ului în frunze a accelerat migrarea în țesuturile parenchimatice, presupunându-se că și fotosinteza are rol în acest transport. Se consideră că unele substanțe fosforilate sau de natură proteică pot interveni ca transportori ai asimilatelor în parenchimuri. Direcția de scurgere a sevei elaborate în tuburile ciuruite poate avea două direcții: una descendentă de la frunze spre tulpină și rădăcină și alta spre centrele de mobilizare, reprezentate prin flori, fructe, tuberculi și bulbi. În timpul perioadei de vegetație direcția de circulație a substanțelor organice este diferită. În fazele creșterii vegetative, seva elaborată circulă spre organele plantei în creștere. În momentul formării fructelor deplasarea substanțelor organice se face către zonele de fructificare. La floarea-soarelui asimilatele din anumite frunze sunt transportate către fiecare sector a capitulului. S-a arătat de asemenea, că frunzele superioare alimentează, în principal, ramurile din partea superioară și mijlocie a tulpinii, în timp ce frunzele mai de jos alimentează rădăcinile. Există însă deplasări ascendente de la frunzele de jos, proces care se intensifică dacă unele din frunzele superioare sunt înlăturate. Dealtfel, rolul frunzelor în alimentarea plantelor cu asimilate este în funcție de vârsta lor. În cercetări cu C 14 s-a constatat că frunzele mature de piersic îndeplinesc funcții diferite. Primele 5-7 frunze de pe pareta superioară a lăstarului alimentează apexul și frunzele tinere, în timp ce restul frunzelor trimit asimilatele, în afara lăstarului respectiv, în toată planta. Frunzele tinere folosesc propriile asimilate pentru creșterea lor. Când creșterea este discontinuă toate frunzele de pe lăstar ,, exportă” asimilatele în întreaga plantă. Categoriile de substanțe organice care migrează prin floemul plantelor pomicole sunt: asimilatele de rezervă și asimilatele noi. Asimilatele de rezervă, depozitate în rădăcini după căderea frunzelor, sunt utilizate, în principal, pentru formarea aparatului fotosintetic în primăvara următoare, pentru creșterea rădăcinilor noi și la formarea primelor țesuturi vasculare. 162Asimilatele noi sunt folosite în cel mai înalt grad la formarea fructelor, care se acumulează. La piersic, substanțele de rezervă sunt intrebuințate mai mult de soiurile timpurii, în comparație cu soiurile târzii. Resturile de asimilate noi, nevalorificate în fructe, sunt transportate toamna în rădăcini. 5. Factorii care influențează transportul substanțelor organice Temperatura . O.F. Curtis a observat efectul scăzut al temperaturii asupra translocației, constatând o semnificativă întârziere a transportului de substanțe organice până la 6 0C. Cercetări ulterioare au arătat că, la pețioli de sfeclă pentru zahăr, cât și la tulpinile de tomate, scăderea temperaturii intensifică ritmul translocării substanțelor organice. B öhning a investigat efectul temperaturii asupra translocației glucidelor din frunzele de fasole și a găsit un optim la 35 0 C, iar la tomate 24 0 C. Vernon și Aranoff au găsit la soia că transportul în condiții de temperatură scăzută 2 0 C se reduce la mai puțin de jumătate față de temperatura normală de viață a plantei. Efectul negativ al temperaturii asupra transportului de substanțe organice ar putea fi corelat cu creșterea vâscozității sevei și cu ritmul scăzut al proceselor metabolice. Lumina influențează evident translocația substanțelor organice, furnizând energia pentru pentru formarea produșilor de fotosinteză. Transportul substanțelor asimilate este de 3-4 ori mai intens ziua decât noaptea. S-a găsit la dovleac, în plantele tinere, că atât ziua cât și noaptea asimilatele sunt transportate către rădăcină; mai târziu acest transport spre rădăcină are loc numai noaptea. După 50 de zile majoritatea substanțelor sunt translocate în tulpină ca substanțe de rezervă, iar în plantele mature asimilatele circulă din nou către rădăcină noaptea. Ritmicitatea nictimerală se pune în legătură cu prezența calozei în tuburile ciuruite, sintetizată noaptea și dizolvată la sfârșitul zilei, cât și cu activitatea protoplasmatică a elementelor ciuruite și celulelor anexe. Umiditatea influențează favorabil translocația. S-a demonstrat că un deficit prelungit al umidității solului reduce fluxul asimilatelor din frunze spre rădăcini la sfecla pentru zahăr și spre spice la grâu. Această scădere se poate datora și unui efect secundar, și anume micșorarea cantității substanțelor asimilate din frunze și creșterea pierderilor prin respirație. Fertilizarea cu azot a sporit translocația asimilatelor din frunze spre rădăcinile de dovleac. Așezând plante într-o soluție de NO 3NH4 s-au transportat de peste patru ori mai multe asimilate radioactive în rădăcini decât la plantele ținute în apă distilată. Pe lângă efectul pozitiv al azotului asupra transportului, la grâu, floarea- soarelui, s-a constatat că și deficiența de potasiu a redus translocația, chiar mai mult decât deficiența de azot. Borul , în soluție de 10 ppm, alături de zaharoză (cu C 14) aplicat pe frunze a determinat o creștere a radioactivității în tulpini cu 550% față de martorul fără bor. 163Capitolul 7 RESPIRAȚIA PLANTELOR Pe calea reacțiilor de sinteză a substanțelor organice proprii, atât plantele autotrofe cât și cele heterotrofe, după mecanisme specifice, acumulează anumite substanțe organice de rezervă, bogate în energie chimică potențială. O parte din aceste rezerve este consumată la nivelul celulelor vii în procesul de respirație, în care se eliberează energie chimică. 7.1. Definiție și importanță Respirația este procesul fiziologic în care substanțele organice sunt descompuse în celulele vii, pe cale enzimatică, prin reacții de oxidoreducere, cu eliberare de energie chimică. Respirația, ca proces exergonic, are o mare însemnătate în viața plantelor, întrucât furnizează energia necesară reacțiilor de sinteză, respectiv sinteza proteinelor, grăsimilor, pentru absorbția elementelor nutritive din sol, circulația diferitelor substanțe, mișcări ale plantelor, procese de creștere etc. Multe aspecte din viața plantelor pot fi ușor înțelese dacă se cunoaște procesul de respirație. Astfel, germinarea semințelor, creșterea rădăcinilor pot fi frânate de factori care limitează respirația. Respirația este opusă ca sens fotosintezei; ea face parte din latura catabolică a metabolismului. În respirație, substanțele organice de rezervă sunt folosite treptat, potrivit cu cerințele celulei pentru energie. Respirația este comună tuturor celulelor vii, pe toată durata vieții lor, atât ziua cât și noaptea. Respirația poate avea loc cu participarea oxigenului atmosferic sau fără participarea oxigenului din atmosferă. În funcție de aceasta, se disting două tipuri de respirație: respirația aerobă șirespirația anaerobă . Respirația aerobă sau anaerobioza este specifică plantelor anaerobionte, adaptate să respire în absența oxigenului molecular atmosferic (microorganisme de fermentație și unele aerobionte aflate în condiții de lipsă de oxigen molecular). 164 În timpul zilei, la lumină, organele verzi realizează respirația concomitent cu fotosinteza. Organele lipsite de pigmenții asimilatori, deși nu efectuează reacții de fotosinteză, respiră totuși, utilizând ca substrat respirator substanțe organice transportate de la organele asimilatoare prin curentul sevei elaborate, pe calea vaselor de liber. Atât în respirația aerobă cât și în cea anaerobă se pune în libertate energie chimică, care, cantitativ, este mult mai redusă în respirația anaerobă decât în respirația aerobă. Energia eliberată se înmagazinează în legăturile dintre atomi și grupări de molecule. Cea mai mare parte din energia chimică eliberată se concentrează în legăturile macroergice ale compușilor fosfatici de tipul ATP, ca energie chimică fiziologic utilizabilă. O cantitate relativ mică de energia eliberată este utilizată pentru menținerea structurii protoplasmei celulelor vii ( respirație de întreținere ), la celulele în creștere o cantitate mai mare de energie este folosită în procesele de sinteză a substanțelor organice de structură ( respirație de creștere ). O altă parte din energia chimică eliberată în respirație se transformă în energie mecanică, folosită în realizarea curenților citoplasmatici, o parte se transformă în energie electrică, iar altă parte este transformată în energie calorică, care este iradiată și pierdută sub formă de căldură. Se apreciază că circa 35% din cantitatea de energie chimică eliberată în respirație se pierde sub formă de căldură. Aceasta denotă că nu toată cantitatea de energie chimică eliberată este uzilizată în procesele vitale. 7.2. Respirația aerobă Este tipul de respirație care se realizează în prezența oxigenului molecular din atmosferă, pe baza ecuației globale: C6H12O6 + 6 CO 2 + 6 H 2O + E (674 Kcal) De aici rezultă că în respirația aerobă are loc o oxidare totală a unei hexoze (glucoza) până la CO 2 și apă, cu eliberarea întregii cantități de energie chimică înmagazinată; schimbul de gaze respiratorii constă îna bsorbția O 2 și degajarea de CO 2. Energia este inclusă în ATP, cu ajutorul căruia celula heterotrofă acoperă cheltuiala sa energetică. La celula verde fotoautotrofă ATP este format în respirație prin energia de întreținere, iar cea mai mare parte din ATP este format în cloroplaste, fiind utilizat local în aceste organite. Energia chimică eliberată în respirație și formarea de ATP, constituie esența procesului de respirație numită energeză, iar degajarea de energie calorică este cunoscută catermogeneză . Cantitatea de energie chimică care se eliberează depinde de natura chimică a substratului; la un gram de glucoză folosită în respirație se eliberează 3,9 Kcal, la 1 g de amidon 4,1 Kcal, la 1 g de proteine 5,7Kcal la 1 g de lignică 6,3 Kcal iar la 1g de grăsimi 9,4 Kcal. Substratul respirator este oxidat treptat la temperatura și presiunea atmosferică normale, reacțiile procesului fiind catalizate de enzime specializate. Cea mai mare cantitate din energia chimică eliberată este utilizată prin asimilarea în sinteza compușilor organici complecși (proteine, amidon, grăsimi, acizi nucleici), la absorbția și circulația activă a apei și a substanțelor minerale și organice, la reducerea nitraților și sulfaților, la menținerea potențialului electric celular, la creștere și mișcările efectuate la nivelul organelor. 165 În lanțul numeroaselor reacții complexe ale procesului respirației rezultă pe parcurs diferiți produși intermediari dintre care unii constituie punctul de plecare în sinteza altor substanțe; CO 2 care rezultă în final este reutilizat în fotosinteză la nivelul frunzelor, iar apa endogenă, de origine respiratorie, participă la diverse reacții celulare, alături de apa deja existentă în celule. 7.2.1. Intensitatea respirației Este dificil să se facă o comparație a intensității respirației diferitelor plante, organe, țesuturi și celule, deoarece valorile nu sunt constante, ci variază funcție de activitatea fiziologică, în etape bine definite de creștere și dezvoltare. Expresive în această direcție sunt datele din tabelul 7. Tabelul nr. 7 Intensitatea respirației țesuturilor la unele organe de plante la temperatura de 15-20 0(în mg CO2 substanță organică uscată / 24 ore) Organul analizatIntensitatea respirației Frunze de grâu 138,7 Frunze de tei 92,4 Rădăcini tinere de grâu 53,4 Rădăcini tinere de ovăz 31,0 Muguri de liliac în repaus 11,6 Muguri de tei în repaus 7,3 Semințe germinate de muștar 58,3 Semințe germinate de floarea-soarelui 43,7 Rădăcini tuberizate de sfeclă pentru zahăr 6,7 Coajă de lămâie 69,3 Fructe întregi de lămâi 12,4 Miez de lămâie 10,6 Tubercul întreg de cartof 2,35 Coajă de cartof (tuberculi) 11,3 Muguri de cartof în repaus 13,8 Miceliu de Aspergillus niger ( 2 culturi pe zi) 751,1 Miceliu de Aspergillus niger ( 3 culturi pe zi) 1682,0 Miceliu de Aspergillus niger ( 4 culturi pe zi) 276,1 166 Rezultă că plantele inferioare (bacterii, ciuperci) respiră mai intens decât plantele superioare; aceasta se explică prin faptul că plantele inferioare au un ciclu ontogenetic de durată scurtă, în care are loc diviziunea și creșterea, procese care reclamă consum intens de energie respiratorie pentru sinteza substanțelor organice structurale. La plantele superioare, intensitatea respirației se mărește în următoarea succesiune: plantele submerse, plante de uscat suculente, fasole, floarea-soarelui, cereale. Plantele cu frunze caduce respiră mai intens decât cele cu frunze persistente. Speciile cu fotosinteză de tip C 3 respiră mai intens decât cele de tip C 4 La aceeași plantă, respirația variază în intensitate cu starea de activitate vitală, cu dezvoltarea și organul vegetal. Plantele aflate în stare de viață activă respiră mai intens decât în stare de viață latentă. La toate speciile vegetale, respirația este intensă primăvara, când plantele sunt tinere, cu creșterea activă, apoi scade în timpul verii și mai mult toamna. 7.2.2. Cantitatea de substanțe organice folosite în respirație Producția de biomasă este strâns corelată cu raportul dintre consumul respirator și cantitatea de substanțe organice ce se formează în fotosinteză. ținând seama de faptul că fotosinteza are loc numai la nivelul organelor verzi, în special frunze, și numai în timpul zilei la lumină, pe când respirația are loc la nivelul tuturor celulelor vii, cu și fără pigmenți asimilatori, atât ziua cât și noaptea, rezultă ponderea acestui consum respirator. Cu cât cantitatea totală de țesuturi lipsite de pigmenți este mai mare în raport cu organele fotosintetizante, cu atât consumul respirator este mai ridicat. În general, consumul respirator, exprimat în procente din totalul substanțelor organice formate în fotosinteză, este mai mic la plante erbacee și mai mare la cele lemnoase; crește, de asemenea, cu vârsta. La trestia pentru zahăr, acest consum respirator este cuprins între 20 și 25% din totalul asimilatelor, la orez, trifoiul târâtor și sfecla pentru zahăr este de 25%, în timp ce la bumbac este cuprins între 30 și 40%. În literatură se arată că la plantele cu fotosinteză de tip C 3 (ciclul Calvin) numai în timpul zilei consumul respirator ajunge până la 50% din asimilate, fiind realizat prin fotorespirație. La plantele lemnoase, consumul respirator este destul de mare; la măr, reprezintă circa 33%, iar la arborii de pădure în vârstă de 25 de ani ajunge la 40%, pe când la cei în vârstă de 85 de ani atinge 50%, deoarece odată cu vârsta sporește ponderea relativă a țesuturilor cu respirație activă și în același timp scade intensitatea fotosintezei. 7.2.3. Natura substanțelor organice utilizate în respirație și coeficientul respirator La autotrofe dintre substanțele organice simple și complexe existente în celulele vii, sunt utilizate în respirație substanțele de rezervă, în primul rând glucidele de rezervă, care constituie substratul respirator fundamental și universal. Pot fi utilizate și alte substanțe, cum sunt proteinele, lipidele (la semințele grase și fructele de măslin), acizii organici (acid oxalic la plantele de Oxalis șiRumex , acid citric la fructele de lămâi, acid tartric la fructele tinere de viță de vie, acid malic la fructele tinere de măr), manita (la 167lăstarii tineri de frasin, măslin, frunze de dafin, cafea, arborele de scorțișoară, mărul lupului, salbă moale, lupoaie), sorbită (scoruș, măr, păr, moșmon). Heterotrofele utilizează în respirație glucide, proteine, lipide, aldehide, acizi organici, alcooli, hidrocarburi etc. Pentru oxidarea acestor substanțe are loc absorbția oxigenului molecular și degajarea bioxidului de carbon, potrivit schimbului gazos respirator. În funcție de natura chimică a substanțelor organice oxidate, cantitatea de O 2 absorbit diferă de cea de CO 2 eliminat, între care există un anumit raport. Raportul dintre cantitatea de CO 2 eliminat și cantitatea de O 2 absorbit în respirație este denumit coeficientul respirator. Cunoașterea valorii acestui coeficient este deosebit de importantă întrucât permite stabilirea naturii chimice a substratului respirator. Coeficientul respirator se notează cu Q r = CO 2 / O2. Când în respirație sunt oxidate complet glucidele, ajungând până la CO 2 și H 2O, valoarea Q r este egală cu unitatea după ecuația: C6H12O6 + 6 O 2 + 6 H 2O + E ; Q r = 6 CO 2 / 6 O 2 = 1 În cazul folosirii acizilor organici, valoarea Q r este mai mare decât unitatea, deoarece acizii organici au molecula bogată în oxigen și pentru oxidarea lor completă cantitatea de oxigen care se absoarbe din atmosferă este mai mică decât cea de bioxid de carbon care se elimină; de exemplu, la oxidarea acidului oxalic Q r = 4; 2 C2O4H2 + O2→ 4 CO 2 + 2 H 2O + E ; Q r = 4 CO 2 / O2 = 4 Valori supraunitare pentru Q r se obțin și în cazul maturării semințelor grase de plante oleaginoase care acumulează lipide derivând din glucide conform realției: 6 C6H12O6 + 13 O 2→ C16H32O + 20 CO 2 + 20 HO ; Q r = 20 CO 2 / 13 O2 = 1,53 Asemănător este și cazul germinării semințelor cu tegument greu permeabil pentru O 2, la care resprirația aerobă decurge concomitent cu respirația anaerobă, iar valoarea Q r este supraunitară, situație întâlnită și la celulele parenchimatice profunde, unde accesul O 2 este anevoios. Când sunt consumate în respirație predominant substanțele lipidice, ca în cazul germinării semințelor de plante oleaginoase și în respirația celulelor parenchimatice de la unele plante lemnoase ce conțin un procent ridicat de lipide (nuc, salcâm, mesteacăn, arțar, plop, tei, casta, pin), Q r este mai mic decât unitatea, valoarea medie fiind de 0,7, funcție de greutatea moleculară a acizilor grași. Prin oxidarea aerobă completă a acidului stearic, valoarea Q r este de 0,69 după ecuația: C18H36O2 + 26 O 2→ 18 CO 2 + 18 H 2O ; Q r = 18 CO 2 / 26 O 2 = 0,69 168iar pentru glicerină Q r = 0,96. Aceasta este situația finală, însă lipidele sunt tranformate mai întâi în glucide, care apoi sunt folosite în respirație. Valoarea Q r mai mică decât unitatea se obține și prin oxidarea substanțelor proteice în respirație (Q r = 0,8). Se recurge la utilizarea proteinelor, ca substrat respirator, numai după epuizarea glucidelor și când plantele sunt înfometate sau în cazuri de stare patologică. În procesele de transformare a proteinelor rezultă amoniac, ca urmare a dezaminării aminoacizilor; amoniacul nu este eliminat ci stocat, prin formarea amidelor (asparagina și glutamina). Prin cunoașterea valorii Q r se poate preciza baza materială a catabolismului: dacă Qr = 1 denotă că în respirație sunt utilizate glucidele, dacă Q r = 0,7 înseamnă că sunt folosite lipidele, dacă Q r = 0,8 sunt folosite proteinele. Aceste date au un caracter orientativ, deoarece Q r variază în funcție și de alți factori (accesul de O 2, temperatura, transformări metabolice intermediare). Valoarea Q r variază și cu vârsta organului vegetal: la fructele de scoruș, zmeur, tomate, coacăz, prun, pepene galben, spre sfârșitul creșterii, când încă se formează acizi organici, Q r = 0,85 ; în faza de aromă la aceleași fructe Q r= 1,25, iar în faza de maturare Qr = 2,70. valorile Q r la diferite organe și țesuturi sunt trecute în tabelul 8. Tabelul nr. 8 Valoarea coeficientului respirator la diferite organe și țesuturi Organul Valoarea Q r Frunze de la diferite specii bogate în glucide 1 Semințe de grâu germinate 1 Semințe de in germinate 0,65 Semințe de in în curs de maturare 1,22 Fruct maturat de măr 1 Fruct de măr după păstrarea de iarnă 1,5 Fruct întreg de lămâi 1,3 Coajă de lămâie 0,09 Miez de lămâie 2,09 Fruct întreg de mandarin 1,15 Coaja fructului de mandarină 1,01 Miezul fructului de mandarină 2,62 7.2.4. Mecanismul respirației Respirația este un proces complex, care constă dintr-un lanț de reacții de oxidare și reducere. La plantele superioare, prima fază a respirației aerobe este glicoliza anaerobă care reprezintă un ansamblu de reacții ce decurg fără participarea oxigenuleui moleculer din aer, reacții prin care glucoza este transformată enzimatic în două molecule de acid 169piruvic. În continuare, în aceste condiții aerobe, fiecare din cele două molecule de acid piruvic este metabolizată în ciclul Krebs până la CO 2 și H2O. Principalele etape ale glicolizei anaerobe, ce se desfășoară în hialoplasma celulară, sunt: În prima etapă, glucoza, prin fosforilare sub acțiunea hexochinazei și cu consum de ATP, trece în 6-fosfoglucoză (esterul Robison), care se transformă în prezența fosfoglucomutazei, în 6 – fosfofructoză (esterul Neuberg) și apoi sub acțiunea fosfohexochinazei, cu consum de ATP, în 1,6- difosfofructoza (esterul Harden-Zong). Îna două etapă, 1,6 difosfofructoza este scindată în două molecule triozofosfat și anume fosfodihidroxiacetonă și aldehida 3-fosfoglicerică sub acțiunea aldolazei. Acești doi produși pot trece unul în altul sub acțiunea triozofosfatizomerazei. Figura nr. 83 – Etapele succesive ale glicolizei (d. Favard, 1967) Îna treia etapă , aldehida 3-fosfoglicerică, sub acțiunea unei dehidraze specifice, prin oxidare, trece în acid 3-fosfogliceric, iar sub acțiunea fosfogliceromutazei, în acid 2-fosfogliceric, cu formare de ATP. Înetapa a patra, sub acțiunea enolazei, acidul 2-fosfogliceric este transformat în acid 2-fosfoenolpiruvic, iar acesta sub acțiunea fosfoferazei se transformă în acid enolpiruvic, care apoi, sub acțiunea fosfopiruvatchinazei, trece în acid piruvic. În această etapă se eliberează apă și se formează ATP, ceea ce constituie cunoscutul proces de fosforilare a substratului. În glicoliza anaerobă, o moleculă de glucoză formează două molecule de acid piruvic, transformare care este însoțită de sinteza a patru molecule de ATP. Paralel apar unii compuși ce pot participa la sinteza anumitor aminoacizi; prin dehidrogenarea 170acidului fosfogliceric rezultă acidul fosfohidroxipiruvic precursorul serinei, ce intră în constituția altor aminoacizi (triptofan, fenilalanină, tirozină, cisteină, glicocol). Figura nr. 84 – Bilanțul energetic al glicolizei (d. Binet, 1968) În anumite condiții anaerobe, acidul piruvic este redus direct în acid lactic, prin intermediul lactat-dehidrogenazei și al NADH 2, format în reacția de oxidare a aldehidei fosfoglicerice în acid fosfogliceric. Alteori, acidul piruvic, sub acțiunea unei carboxilaze (a cărei coenzime este pirofosfatul de tiamină), prin decarboxilare, trece în aldehidă acetică, care este apoi redusă la alcool etilic de către alcooldehidrogenază, situație întâlnită la fructul de măr supramaturat, la țesutul din rădăcina de morcov, sfecla pentru zahăr, porumb etc. Prin anumite reacții ce alcătuiesc faza aerobă a oxidării celulare, acidul piruvic este descompus, în cadrul ciclului acidului citric, cu participarea oxigenului molecular, în CO2 + H 2O. La acest ciclu, participă acizi organici cu trei grupări carboxilice (funcții 171acide) și de aceea se numește ciclul acizilor tricarboxilici sau ciclul Krebs, prin care este eliberată cea mai mare cantitate de energie chimică. Figura nr. 85 – Etapele ciclului Krebs (d. Binet, 1968) Fiecare moleculă de acid piruvic, după o decarboxilare oxidativă, trece în radicalul acetil activat și este fixat de un acceptor, care îl introduce în ciclul Krebs. Potrivit teoriei duble activări, descompunerea acidului piruvic are loc prin dehidrogenare efectuată de enzime specifice (dehidrogenaze), care fixează temporar hidrogenul și îl transportă pe un acceptor final. Oxigenul molecular este activat de către citocromi, se combină cu hidrogenul și formează apă; în același timp se produce și desprinderea bioxidului de carbon (decarboxilarea). 172Pe măsura dehidrogenării substratului, se eliberează treptat și energie chimică. Descompunerea aerobă a acidului piruvic în ciclul Krebs se realizează în mitocondrii, unde se află atât enzimele respiratorii specifice, cât și transportorii de electroni din lanțul respirator. Acidul piruvic este ușor decarboxilat oxidativ, sub acțiunea catalitică a unui complex format din pirofosfat de tiamină, NAD, acid lipoic și HS. CoA, reacția fiind exergonică. Rezultă acid acetic, care este activat prin combinare ce HS. CoA, formând acetil-S CoA o substanță de mare importanță, care corelează metabolismul glucidic cu cel lipidic și protidic. Radicalul acetil, legat la HS. CoA, poate intra în ,, moara ciclului citric” , unde este descompus până la CO 2 și H 2O, sau poate fi utilizat în reacțiile de sinteză reductivă a acizilor grași, pornind tot de la acetil-S. CoA și trecând prin malonil-S. CoA Introducerea radicalului acetil activat prin citratsintetaza din ciclul Krebs se face cu ajutorul acidului oxalilacetic, iar desprinderea hidrogenului de substrat – reacție exergonică – este operată de către dehidraze, care îl transportă la NAD. În ciclu se eliberează două molecule de CO 2 și, în final, acidul oxalilacetic se reface. Se formează ATP prin reacții de fosforilare oxidativă, cuplate cu lanțul citocromilor. În respirația celulară, ciclul Krebs poate fi modificat în anumite țesuturi în care grăsimile sunt convertite în glucide, parcurgând o cale mai scurtă numită ciclul acidului glioxilic, considerat ca o variantă a ciclului Krebs; enzimele izocitriaza și malatsintetaza sunt prezente în glicoxizomi și nu în mitocondrii. Figura nr. 86 – Ciclul pentozofosfaților (d. Binet, 1968) Izocitritaza catalizează în mod reversibil reacția: acid izocitric → acid succinic + acid glioxilic, iar acidul succinic rezultat intră normal în ciclul Krebs. Malatsintetaza intervine în condensarea acetil-coenzimei A cu acidulglioxilic, dând acid malic. Există și o altă cale de degradare oxidativă a glucidelor numită calea pentozelor, ciclul pentozofosfaților sau catena Dickens-Horecker, în care apare acidul gluconic. 173În acest ciclu nu se formează ATP, dar ia naștere NADPH 2 favorizând unele sinteze de compuși organici, ca nucleotide, acizi grași, lipide, steroli, pe calea asigurării metabilitelor necesare. Enzimele necesare reacțiilor acestui ciclu funcționează în hialoplasmă și nu în mitocondrii. Degradarea glucidelor. Molecula de glucoza, alcătuită din 6 atomi de carbon, este descompusă în CO 2 + H 2O, prin glicoliza anaerobă și ciclul acizilor tricarboxilixi (ciclul Krebs). Hidrogenul desprins de pe substrat, în cantitate de 10 atomi, este legat tranzitoriu de NADH 2, apoi se combină cu oxigenul absorbit din atmosferă și formează apă endogenă, cu eliberare de energie chimică, în cantitate de 52 kcal/mol NADH 2, ceea ce denotă că formarea apei este o etapă hotărâtoare a respirației în furnizarea energiei libere. În respirația aerobă a glucidelor se eliberează CO 2, ce furnizează o cantitate redusă de energie utilă, și se eliberează H 2O, prin reacții ce au loc numai la sfârșitul lanțului respirator sub acțiunea citocromoxidazei. Cât privește formarea ATP în celulele vii, se poate rezuma că aceasta are loc în: fosforilarea fotosintetică în cloroplaste, în desfășurarea glicolizei anaerobe din hialoplasma celulară (4 ATP), în fosforilarea oxidativă în mitocondrii (30 ATP). Energia chimică, eliberată în respirație pe calea dehidrogenării substratului și prin oxidarea hidrogenului, este fixată prin legături macroergice create în sinteza ATP și devine utilizabilă prin hidroliza ATP în ADP + P, sub acțiunea ATP-azei. ATP furnizează astfel energie chimică necesară diferitelor procese și fenomene endergonice, ca: sinteza materialelor peretelui celular, sinteza proteinelor de structură și de rezervă, a lipidelor, a acizilor nucleici și alte numeroase sinteze. Ea este utilizată la reducerea NO 3- și SO 4++, absorbția și circulația activă a apei și a substanțelor minerale, la efectuarea diferitelor mișcări la nivelul organelor, mișcări intracelulare, în producerea de căldură, ce se pierde în mediu. Degradarea lipidelor. Substanțele grase constituie substratul respirator de bază în timpul germinării semințelor oleaginoase. Lipidele sunt descompuse hidrolitic în glicerol și acizi grași, sub acțiunea lipazei. Glicerolul activat trece în triozofosfat, care în glicoliza anaerobă este oxidat la acid piruvic. Acizii grași sunt supuși unor reacții de beta-oxidare până la acetil-S-C0A. Oxidarea completă până la CO 2 și H 2O are loc în continuare în cadrul ciclului Krebs, fapt ce arată că atât lipogeneza cât și lipoliza sunt fenomene legate strâns de metabolismul glucidelor. Enzimele care efectuează beta-oxidarea acizilor grași se află în mitocondrii. În lanțul reacțiilor de beta-oxidare participă la dehidrogenaze cu NAD sau FAD; se formează acetil-S.CoA, se eliberează 4 H +, ce sunt transportați la oxigen prin NAD și FAD, și se formează 5 ATP. Radicalul acetil este punctul de plecare în sinteza altor substanțe ca: terpene, steroli, acizi grași, carotenoide, glucide. Degradarea substanțelor proteice. Prin hidroliză catalizată de proteaze (proteinaze și peptidaze), substanțele proteice (proteide, proteine, peptide) trec în aminoacizi, formă sub care pot circula și se redistribuie în plantă, unde sunt utilizați în diferite procese: creșterea embrionului în timpul germinării semințelor, respirație etc. În respirație, prin dezaminare oxidativă, anumiți aminoacizi conduc la formarea acizilor 174alfa-cetonici și beta-cetonici. Acizii alfa-cetonici, ca: piruvic, oxalilacetic și alfa-cetoglutaric rezultă prin dezaminarea oxidativă a aminoacizilor (alanină, acidul aspartic, acidul glutamic). Acizii beta-cetonici, care rezultă în oxidarea fenilalaninei, izoleucinei, tirozinei, pot participa la sinteza acizilor grași ori pot intra în catabolismul lipidic. Un rol deosebit de important au aminoacizii cu nucleu benzenic, prin catabolismul cărora rezultă acetil-ScoA, din care, după o serie de transformări, se formează acidul succinic activat, precursor al nucleului pirolic, clorofilei și citocromilor. 7.2.5. Influența factorilor interni și externi asupra respirației Intensitatea procesului de respirație aerobă este influențată de numeroși factori interni și externi Dintre factorii interni se pot aminti: Vârsta plantei. La plantele tinere, respirația decurge mai intens decât la plantele în vârstă; la frunzele de floarea-soarelui în vârstă de 22 de zile, intensitatea respirației este de 3 mg CO 2 / g s.u./ h, pe când la vârsta de 136 de zile numai 0,08mg CO 2/g s.u./h. Frunzele de varză în vârstă de 3 zile elimină 3,2 mg/g/h, iar la 70 de zile 0,27 mg CO2/g/h. La plantele anuale de cultură, variația intensității respirației este în raport cu vârsta. La fructele cărnoase, tinere, respirația este intensă și scade odată cu creșterea lor în dimensiuni și cu maturarea. La fructele unor specii respirația se intensifică mult la maturare, mai ales la schimbarea culorii, în fenomenul denumit climaterix; după o anumită perioadă de timp, variabilă cu specia, intensitatea respirației scade și are loc supramaturarea fructelor. Cu cât respirația este mai intensă în faza de maturare a fructului cu atât capacitatea de păstrare este mai limitată. Apar substanțe volatile, de tipul esterilor acizilor acetic, capronic, caprilic, precum și alcool etilic sau aldehidă acetică, ce influențează asupra gustului și aromei fructelor. Organul și țesutul vegetativ. La plantele în stare de viață activă, respirația este redusă la rădăcină, se intensifică la tulpină și frunză; cel mai intens decurge respirația la flori în cursul deshidratării, îndeosebi la gineceu, cu o intensitate respiratorie mai mare, comparativ cu celelalte componente florale (androceu, petale, sepale), datorită modificărilor metabolice specifice. Mugurii de păr deschiși respiră de cinci ori mai intens decât mugurii în repaus, iar mugurii de păr terminali respiră mai intens decât cei laterali. Țesuturile vegetale active fiziologic se caracterizează prin nivel de intensitate respiratorie mai ridicat, în comparație cu țesuturile slab active fiziologic. Meristemele apicale (primare) și meristemele cu poziție laterală (secundare- cambiul și felogenul) respiră mai intens decât parenchimurile. Celulele liberiene respiră mai intens decât parenchimul liberian, mai slab cele din parenchimul medular și de depozitare. Semințele, tulpinile subterane, rădăcinile tuberizate, aflate în repaus respiră cu o intensitate foarte scăzută față de aceleași organe în stare de viață activă, datorită conținutului redus de apă, activității enzimatice reduse, temperaturii scăzute și acumulării inhibitorilor. 175Semințele tinere, în formare, respiră intens, dar pe măsura maturării, nivelul respirației se reduce la minimum, se menține foarte scăzut pe toată durata repausului și sporește considerabil în timpul germinării semințelor. La ramurile plantelor lemnoase și la cerealele de toamnă, intensitatea respirației în timpul iernii constituie un indice fiziologic de rezistență la ger, cunoscând că dacă organul este rezistent cantitatea de CO 2 este minimă. De asemenea, respirația este un indice sensibil al activității fiziologice și poate servi ca indicator al acțiunii toxice a diferitelor substanțe folosite în tratamentele aplicate la plante. Exemple privind intensitatea respirației la diferite organe și țesuturi sunt prezente în tabelul 9. Tabelul nr. 9 Intensitatea respirației la diferite plante Planta Intensitatea respirației Frunze de trifoi roșu la 20 0C 27,2 cm 3 CO2/ zi/g s. uscată Semințe germinate de salată 82,5 cm 3 CO2/ zi/g s. uscată Radicele în curs de creștere 40-80 cm 3 CO2/ zi/g s. uscată Muguri în curs de deschidere 36-65 cm 3 CO2/ zi/g s. uscată Semințe în curs de germinare 60-120 cm 3 CO2/ zi/g s. uscată Miceliu de Aspergillus niger 1800 cm 3 CO2/ zi/g s. uscată Cantitatea de rezerve organice. Cantitatea de substanțe organice de rezervă ce urmează a fi folosite ca substrat oxidativ joacă un rol însemnat asupra intensității respirației. Frunzele etiolate, care nu pot sintetiza glucide la lumină din lipsă de pigmenți asimilatori, nu dispun de rezerve de substanțe organice și, ca urmare, au respirația foarte redusă. Activatorii și inhibitorii enzimelor respiratorii. Unele substanțe minerale nutritive, prezente în celulele vii în concentrații mici, intensifică activitatea enzimelor respiratorii și măresc intensitatea respirației celulare. Astfel sunt: fierul, cuprul, manganul, zincul, cobaltul, cu rol de coenzime. Fosforul mărește intensitatea respirației, prin stimularea sintezei unor transportori de hidrogen (dehidrazele), iar potasiul favorizează activitatea enzimatică prin radiațiile emise de atomii radioactivi prezenți împreună cu atomii de potasiu neradioactivi, sporind respirația. În opoziție cu acțiunea activatorilor, se constată acțiunea unor inhibitori ai enzimelor respiratorii, care conduc la micșorarea intensității respirației. Pe măsură ce se acumulează acizi organici și CO 2 în celulă este inhibată activitatea enzimelor respiratorii și intensitatea procesului scade. Acidul cianhidric, care rezultă prin hidroliza amigdalinei în timpul germinării semințelor la Rosaceae , inhibă activitatea enzimelor și pe această cale determină scăderea intensității respirației. 176Oxidul de carbon acționează prin blocarea activității unor enzime ale respirației (citocromoxidaza sau fenomenul respirator a lui Warburg), decuplează respirația de fosforilarea oxidativă, iar consumul de substrat respirator devine ineficace. Respirația este inhibată de 2,4-dinitrifenol, acidul monoiodacetic, clorura de natriu și alți compuși ce se pot acumula în celule. Conținutul în apă al celulelor. Are un rol important în mersul respirației. Când conținutul în apă din semințe este sub cel al umidității critice de păstrare timp îndelungat (7-8% apă la semințele grase, 12-14% apă la semințele amidonoase), respirația are o intensitate extrem de redusă, deoarece apa din celule este puternic legată de biocoloizii hidrofili ai protoplasmei, iar apa liberă este în cantitate insuficientă.când conținutul în apă liberă al semințelor se mărește și depășește umiditatea critică cu 4-6% respirația se intensifică, deoarece se asigură mediul apos necesar dispersiei coloizilor, activitatea enzimatică hidrolitică și oxidativă intensă. Respirația frunzelor nu depinde atât de strâns de variațiile mici ale conținutului în apă ca la semințe. Excesul de umiditate la semințe determină reducerea intensității respirașiei, pentru că aprovizionarea celulelor cu oxigenul necesar respirației aerobe devine insuficientă. Cunoașterea influenței conținutului în apă al semințelor asupra intensității respirației este importantă atât la păstrarea lor în depozite, cât și în asigurarea umidității necesare germinării semințelor în sol. Starea sanitară a plantei. Determină modificări importante ale intensității respirației. La plantele bolnave, în anumite etape ale evoluției bolii, intensitatea respirației este mult mai ridicată decât la plantele sănătoase, datorită activării sistemelor enzimatice. În cazul bolilor produse de ciuperci parazite (micoze) este intensificată activitatea fenoloxidazelor, peroxidazelor și a citocromoxidazelor. La frunzele de tutun, infecția cu virusuri determină creșterea activității fosfatazelor și fenoloxidazelor. La cartof, infecția plantei cu agentul patogen al manei ( Phytophthora infestans ) intensifică activitatea glucozo-6-fosfatdehidrogenazei, ca dealtfel întreaga activitate enzimatică celulară. În respirația plantelor de cartof bolnave de mană predomină ciclul pentozofosfaților. La plantele bolnave, modificarea intensității respirației este determinată și de toxinele elaborate de agentul patogen, fapt demonstrat experimental cu extract obținut din specii diferite de Fusarium , care, aplicat la plantele de bumbac neinfectat, produce absorbția mai intensă a oxigenului molecular și mărește ritmul respirator. Prin decuplarea respirației care decurge normal, de sinteza ATP, adică fosforilarea oxidativă, care este împiedicată, se acumulează atât radical fosfat cât și acceptorul său, ceea ce determină un schimb de gaze patologic. În cazul infecțiilor cu agenți patogeni, la intensificarea procesului de respirație contribuie și paraziții prin respirația lor proprie mai ridicată. Traumatismele, sfâșierea mecanică a țesuturilor, înțepăturile provocate de insecte intensifică respirația; prin secționarea tuberculilor de cartof respirația se intensifică de patru ori. Ritmul crescut al respirației în urma rănilor durează timp de 6-9 zile, interval în care are loc cicatrizarea, prin formarea unui țesut de calusare, după care procesul revine la normal. La locul traumatizat, respirația se intensifică, prin accesul sporit al oxigenului și prin ridicarea temperaturii. Factorii externi care influențează respirația sunt: 177Temperatura mediului. Temperatura are o influență puternică asupra intensității respirației. În cursul perioadei de repaus, la plantele perene ierbacee și lemnoase respirația decurge și la temperaturi negative sub 0 0. La grâu de toamnă, în timpul iernii, respirația începe la temperaturi negative până la – 4, -7 0C, la Laurocerassus la – 6 0C, iar la alte plante poate fi găsit un schimb de gaze respirator la temperaturi și mai coborâte: Picea excelsa până la – 35 0C, Juniperus communis până la -30 0C, -40 0C, unii licheni ( Cladonia ,Evernia ) până la -27 0, – 37 0C, iar unele plante alpine până la -17 0C (tabelul 10). La temperaturi mai scăzute respirația este blocată, iar plantele trec în stare de anaerobioză. Tabelul nr. 10 Temperaturi negative până la care are loc respirația iarna Picea excelsa -35 0C Plante alpine -17 0C Juniperus communis -30, -40 0C Laurocerasus – 6 0C Licheni (Cladonia, Evernia)-27, -37 0C Grâu de toamnă -4, -7 0C La frunzele aciculare de pin, comparativ cu temperatura de -12 0C, intensitatea respirației se mărește de 25 ori la temperatura de 0 0C. Lumina. Respirația este influențată în mod indirect de către lumină: pe calea sporirii gradului de temperatură, pe calea furnizării substratului respirator, ce are originea în reațiile de fotosinteză la nivelul frunzelor pe calea intensificării schimbului gazos respirator prin stomate. Acestea se deschid la lumină prin mișcări fotoactive, mai sensibile la lumină fiind stomatele de la plantele cu fotosinteză de tip C 3, la care formarea glucidelor urmează calea ciclului clasic Calvin. Fotorespirația, proces fiziologic sensibil la lumină, care constă în degajarea de CO2 la lumină, este specifică plantelor de tip C 3 din zonele temperate și are valori mai mari decât respirația la întuneric. Fotorespirația este absentă la plantele cu fotosinteză de tip C 4 a acizilor dicarboxilici (catena Hatch-Slack), la plantele din zona tropicală și din zonele aride îndeosebi ierburi. Fotorespirația are ca substrat acidul fosfoglicolic, care este sintetizat în cloroplaste prin oxidarea ribulozodifosfatului, ce servește și ca acceptor inițial de CO 2 în ciclul clasic Calvin și decurge la lumină concomitent cu fixarea fotosintetică a CO 2. Umiditatea din sol și din aer. Exercită o influență evidentă asupra respirației plantelor. La un conținut ridicat de apă al solului, respirația aerobă a rădăcinii este mult încetinită, deoarece excesul apei determină reducerea cantității de oxigen din sol, iar respirația aerobă devine predominant respirația anaerobă. În asemenea condiții, scade activitatea funcțională a rădăcinii în absorbția substanțelor minerale și a apei. În condiții de insuficiență a apei în sol, respirația rădăcinilor mai ales a frunzelor este intensificată, dar energia chimică eliberată în respirație este ineficient utilizată în absorbția apei și a substanțelor minerale, datorită deficitului de apă accesibilă din sol. Intensificarea respirației este mai accentuată atunci când umiditatea scăzută din sol se asociază cu umiditatea scăzută din aer, îndeosebi la nivelul frunzelor. 178 Umiditatea ridicată a aerului determină scăderea intensității respirației la nivelul frunzelor, prin închiderea hidropasivă a stomatelor și deci scăderea schimbului gazos respirator. Concentrația în oxigen și bioxid de carbon din mediu. Influențează puternic asupra intensității respirației. La concentrații de peste 10%, respirația rădăcinii decurge aerob intens; la 5% O 2 vârfurile de rădăcini respiră cu intensitate de două ori mai redusă decât la 20%; la concentrații mai mici de 3%, oxigenul devine cu totul insuficient, iar rădăcinile respiră numai anaerob. Scăderea concentrației oxigenului din atmosfera solului se datorește consumului permanent a acestuia în respirația rădăcinilor și microorganismelor. Paralel există tendința de sporire a concentrației de bioxid de carbon în atmosfera solului, ca urmare a degajării sale în respirația rădăcinilor și microorganismelor din sol. Scăderea concentrației de oxigen și creșterea celei de bioxid de carbon evoluează rapid în solurile grele, tasate, nelucrate timp îndelungat, și în solurile acoperite cu o crustă de asfalt. În condiții de inudare, unele curcubitacee, precum cartoful, fasolea, vișinul, Liriodendron etc. nu rezistă și pier, deoarece predomină respirația anaerobă, ineficientă din punct de vedere energetic. Concentrația în bioxid de carbon din atmosfera solurilor grele, tasate, nestructurate sau cu umiditate în exces, influențează mult respirația rădăcinilor. Ca produs al activității respiratorii a rădăcinilor și microorganismelor din sol, creșterea concentrației în bioxid de carbon până la 3-5% nu afectează respirația aerobă, dar peste această concentrație poate fi oprită, datorită efectului toxic al CO 2. Unele substanțe minerale din sol. O serie de substanțe, ca: nitrații, sulfații, sărurile de amoniu și de potasiu, după absobția lor din sol, stimulează respirația atât pe calea transportului de electroni, cât și pe calea unor procese de sinteză care suferă modificări. Astfel, ionul amoniu participă la sinteza glutaminei când ia naștere NAD (nicotinamidadenindinucleotid), cu rol în transportul de electroni; ionul de potasiu favorizează menținerea structurii mitocondriilor unde raporturile ionice stimulează sinteza ATP; sulfatul face parte din molecula coenzimei A (HS_CoA); fierul se găsește în molecula citocromilor. Atât coenzima A cât și citocromii sunt enzime respiratorii foarte importante, cu rol în intensificarea procesului de respirație. În plus, s-a demonstrat că prezența fosforului, clorului și a altor elemente în soluția nutritivă determină intensificarea respirației; în cantitate supraoptimală aceste elemente exercită acțiuni toxice asupra celulelor vii și provoacă scăderea intensității respirației. Acțiunea unor substanțe chimice. Numeroase substanțe chimice (erbicide, insecticide, fungicide, anumiți inhibitori și îngrășăminte folosite în agricultură) exercită influențe variate asupra respirației diferitelor organe ale plantelor, funcție de specia de plantă, de faza de vegetație și de condițiile de mediu. Unele dintre acestea stimulează respirația, pe când altele din contră o reduc. O parte din uleiurile naftenice care se aplică în combaterea insectelor, modifică diferit respirația frunzelor și ramurilor la plantele lemnoase, în raport cu factorii menționați: vârsta, starea țesuturilor, calitatea uleiului folosit. 179Uleiurile de hidrocarburi au intensificat respirația mai mult la frunzele tinere, comparativ cu cele bătrâne, când sunt aplicate pe fața inferioară a limbului frunzelor, cu cuticula mai subțire Sub influența îngrășămintelor și a unor compuși de tipul clordanului respirația rădăcinilor este sporită la toate speciile, în timp ce spergonul și tiozanul la unele specii măresc intensitatea respirației rădăcinilor, la altele o reduc; la fel acționează biocidele calomelul, stoddardul. Nu trebuie neglijată acțiunea inhibitoare asupra enzimelor respiratorii, exercitată de unele substanțe, ca: azide, ceanide, fluoruri, malonați, iodoacetați dietilditiocarbamați, care reduc intensitatea respirației. 7.3. Respirația anaerobă Respirația anaerobă este tipul de respirație care decurge în absența oxigenului molecular din atmosferă. Specifică unor plante inferioare anaerobionte (unele bacterii și ciuperci), ea se întâlnește și la unele organe vegetative de la plantele superioare, bogate în rezerve glucidice (rădăcinile tuberizate de sfeclă pentru zahăr, tuberculi de cartof, celulele vii situate în profunzime la fructe, tulpini). La plantele superioare, respirația anaerobă poate fi ușor pusă în evidență, atât la organe vegetative, cât și la semințele în curs de germinare aflate în lipsă de oxigen. În funcție de specie și organ, de durata de timp și de procentul de oxigen, se formează alcool etilic, acid lactic, bioxid de carbon etc. Respirația anaerobă la plantele inferioare, obligate sau facultativ anaerobe, este cunoscută sub denumirea de fermentație . La multe plante, inclusiv la drojdii, principalul produs care rezultă în respirația anaerobă este alcoolul etilic; la alte ciuperci și bacterii rezultă diferiți produși de fermentație (acidul lactic, acidul butiric), în funcție de care se disting: fermentația alcoolică, fermentația lactică, fermentația butirică. 7.3.1. Mecanismul fermentației Ecuația sumară care exprimă respirația anaerobă la plantele superioare, precum și fermentația alcoolică la drojdii este: C6H12O6→ 2 CH 3∙ CH2OH + 2 CO 2+ E (28,5 Kcal) În general, în anaerobioză, consumul de glucoză este mult mai ridicat decât în aerobioză, dar cantitatea de energie chimică eliberată este redusă (16-30 Kcal) și nu rezultă apă endogenă. După cum se vede din ecuația globală, în respirația anaerobă substratul respirator de bază este tot glucoza. În afară de glucoză, în fermentație mai pot fi utilizate, ca substrat fermentescibil, fructoza, manoza, mai rar galactoza. Pentozele și glucidele complexe nu sunt fermentescibile după ce sunt solubilizate hidrolitic pe cale enzimatică, trecând în glucide simple. 180 În respirația anaerobă, degradarea substanțelor organice se realizează incomplet, fără participarea oxigenului din atmosferă, prin reacții de dehidrogenare, ducând la formarea unor produși intermediari (alcooli, acizi, aldehide, etilenă etc.), care înglobează în molecula lor cea mai mare parte din energia potențială. Procesul de fermentație se caracterizează prin reacții de oxidoreducere în care acceptorii finali de electroni sunt compuși organici Plantele superioare puse în condiții de anaerobioză rezistă un anumit timp la asfixie, prin trecerea la respirația intramoleculară, care constă în degradarea glucidelor în lipsa oxigenului molecular, proces ce poate să apară la fructele supramaturate, țesuturi profunde și rădăcini inundate. În respirația intramoleculară rezultă produși similari, ca și în fermentația alcoolică. Acest subtip de respirație decurge cu intensitate maximă la 40 0C și se deosebește de fermentații prin aceea că enzimele care participă în reacții se află în însăși celulele țesutului respectiv și nu sunt secretate de forme externe (microorganisme). Între respirația aerobă și anaerobă există o legătură de geneză, care s-a stabilit în evoluția organismelor vii. Primele forme care au apărut pe pământ au avut o respirație anaerobă. Apariția plantelor verzi, capabile să efectueze fotosinteză, a avut ca efect îmbogățirea atmosferei în O 2 și prin aceasta a determinat adaptarea organismelor la tipul de respirație aerobă. Respirația este un proces care se realizează în trei faze: -în prima faza are loc trecerea hexozelor în formă activă cu ajutorul acidului fosforic și a enzimei fosfataza; -faza a doua se caracterizează prin descompunerea dezmolitică a hexozelor activate, cu formarea de produși intermediari instabili (aldehida glicerică, acidul piruvic etc.) prin intermediul enzimelor cu acțiune dezmolizantă; -a treia fază constă în oxidarea în prezența oxigenului din aer a produșilor intermediari cu ajutorul enzimelor oxidante (respirație aerobă sau în mediul anaerob (fermentație). 7.3.2. Tipurile de fermentație Fermentațiile se realizează în condiții de anaerobioză, iar organismele respective poartă denumirea de anaerobionte. Acestea se pot împărți în două grupe mari: anaerobionte facultative, care pot realiza ambele tipuri de respirație și anaerobionte obligate, care nu necesită oxigen molecular atmosferic pentru respirație, oxigenul acționând chiar toxic. L. Pasteur are meritul de a fi lămurit mecanismul fermentației la microorganisme, pe care l-a denumit ,, viață fără aer”. După produșii finali rezultați se cunosc mai multe tipuri de fermentație și anume: alcoolică, lactică, propionică, butirică, acetică etc. Fermentația alcoolică. Este caracteristică ciupercii Saccharomyces, care fermentează glucoza cu producere de alcool etilic și degajare de CO 2. Ciuperca poate fermenta și manoza, iar zaharoza, maltoza sunt descompuse în prealabil în monoglucide. Unele ciuperci ce aparțin genului Mucor, Rhisopus, Penicillium și Aspergillus sunt de asemenea, capabile să producă fermentație alcoolică. Procesul fermentației alcoolice se poate exprima prin ecuația lui Gay Lussac: 1811 mol C 6H12O6→ 2 mol CH 3_ CH 2OH + 2 mol CO 2 + 25 Kcal În mecanismul procesului de fermentație alcoolică se pot distinge 5 etape: 1)În celula de drojdie de bere, glucoza se transformă pe cale enzimatică, trecând prin mai multe reacții chimice în glucide fosforilate. În prezența fosfatului anorganic și a enzimei hexochinaza, din glucoză se formează 1-fosfoglucoză (esterul lui Cori) care, sub acțiunea fosfoglucomutazei, se transformă în 6-fosfoglucoză (esterul lui Robison). În continuare, prin reacția de fosforilare și sub acțiunea hexochinazei se obține 1,6-difosfofructoza (esterul lui Harden-Young). Figura nr. 87 – Prima etapă a fermentației alcoolice (fosforilarea și izomerizarea glucozei) ATP Glucoză 1- Fosfoglucoză 6- Fosfoglucoză hexochinaza Fosfoglucomutaza ADP ATP 1,6 -Difosfofructoză Hexochinaza ADP 2)Prin depolimerizare, în prezența aldolazei, esterul Harden-Young trece în esteri fosforici de trioze (3-fosfodihidroxiacetona și aldehida 3-fosfoglicerică . Cele două molecule de fosfattrioze pot fi transformate una în alta, într-un proces reversibil, în care fosfotriozofosfatizomeraza intervine catalitic, pentru a asigura un echilibru între trioze. Figura nr. 88 – Etapa a doua a fermentației alcoolice (formarea triozelor fosforilate) 1,6-Difoafofructoza Aldehida 3- fosfoglicerică Aldolaza 3)Moleculele de fosfattrioze se transformă prin oxidoreducere (reacția lui Cannizaro), cu formare de acid 3-fosfogliceric și fosfatglicerină (fig.91) . Reacția este catalizată de o dehidrază capabilă să ia hidrogenul prin dehidrogenare și să-l cedeze pe alte combinații chimice. Activitatea dehidrazei este legată de acțiunea unei coenzime, o nucleotidă cristalizabilă numită codehidrază. În etapa a treia apare glicerina, ca produs secundar în fermentația alcoolică. Figura nr. 89 – Etapa a treia a fermentației alcoolice (formarea acidului gliceric și a glicerinei) H 2O Aldehida + 3-Fosfodioxiacetonă Acid 3- fosfogliceric + 1823- fosfoglicerică Oxidoreductaza Fosfoglicerol 4)Prin esterificarea intramoleculară a acidului 3-fosfogliceric, sub acțiunea reversibilă a triozomutazei, se formează acidul 2-fosfogliceric. Sub acțiunea enolazei se ajunge la acidul 2-fosfoenolpiruvic, care, prin defosaforilare, trece în acid enolpiruvic și apoi în acid piruvic. Prin intervenția carboxilazei, acidul piruvic se decarboxilează și trece în aldehidă acetică. Figura nr. 90 – Etapa a patra a fermentației alcoolice (formarea aldehidei acetice) Acid 3-fosfogliceric acid 2-fosfogliceric acid 2-fosfo- triozomutaza Enolaza enolpiruvic glucoza + acid 2-fosoenolpiruvic 1,6-difosfofructoza + acid enolpiruvic acid enolpiruvic acid piruvic aldehidă acetică carboxilaza CO 2 5)În ultima faza a fermentației alcoolice are loc reacția lui Cannizaro în care aldehido-reductaza cuplează aldehida 3-fosfo-glicerică cu aldehida acetică ducând la formarea alcoolului etilic și a acidului 3-fosfogliceric. Figura nr. 91 – Etapa a cincea a fermentației alcoolice (formarea alcoolului etilic) H 2O Aldehida 3-fosfoglicerică + aldehida acetică aldehidoreductaza acid 3-fosfogliceric + alcool etilic. Fermentația alcoolică netipică mai poate fi produsă și de unele bacterii: Pseudomonas Lindneri, Bacillus macerans, B. Granulobacter pectinovorum, Escherichia coli etc. Aceste bacterii pot fermenta pentoze, hexoze și diglucide, într-o fermentație mixtă, în care, pe lângă alcoolul etilic și bioxid de carbon, se mai formează acetonă, acid lactic și acid acetic. Fermentația lactică. Constă din descompunerea moleculelor de lactoză, rezultând acid lactic cu eliberare de energie. Este specifică pentru bacteriile lactice (Streptococcus lactis, leuconoctoc citovorum, L. Dextranicum, L. Mesenteroides, Lactobacillus bulgaricus, L. Delbr üccki, L. Casei, Aerobacter aerogenes ), precum și pentru unele ciuperci ca Mucor șiRhisopus . Fermentația lactică se realizează printr-un lanț de reacții asemănătoare cu cele care au loc în fermentația alcoolică, până la acidul piruvic. În continuare, la fermentația lactică, acidul piruvic este supus acțiunii codehidrazei și se reduce direct, cu formarea de acid lactic. 183 Fermentația lactică are loc în tuberculii de cartof, atunci când sunt ținuți într-o atmosferă de azot. După o perioadă mai lungă de timp, formarea acidului lactic se diminuează, în schimb se produce alcool etilic și bioxid de carbon. Acidul lactic este prezent în unele semințe pe cale de germinație. Fermentația propionică. Este considerată o continuare a fermentației lactice; acidul piruvic, format în glicoliză, se transformă prin decarboxilare în acid oxalilacetic, care prin hidrogenare suferă o reducere la acid succinic, iar acesta prin decarboxilare dă naștere la acid propionic. Printre produsele finale ale fermentației propionice sunt prezente și acidul acetic, bioxidul de carbon și apa. 3 C6H12O6→ 4 CH 3 _ COOH + 2 CH 3 _ COOH + 2 CO 2 + 2 H 2O + energie Hexoză acid propionic acid acetic Bacteriile butirice sunt foarte răspândite în îngrășămintele naturale, în lapte, cașcavaluri. Ele aparțin genurilor Clostridium (C. Pasteurianum) șiGranulobacter (G. Butyricum, G. pectinovorum). Fermentația butirică se desfășoară după un lanț de reacții, în care apar ca produși intermediari: hidrat de metil-glioxal, aldehida acetică, acid formic, alcool, ducând, în final, la acid butiric + CO 2+ H2. O parte a acidului butiric se combină cu hidrogenul eliberat din acidul formic și se transformă în alcool butiric. Pe lângă acești produși, în fermentația butirică se mai formează în cantități mici, alcool etilic, acetonă, alcool izopropilic. În natură, fermentația butirică are loc la descompunerea anaerobă a celulozei și a substanțelor pectice . Cercetările au arătat că la degradarea anaerobă a celulozei participă două bacterii: Bacillus celulosae hydrogenicus, care în procesul fermentației produce hidrogen șiBacillus celulosae methanycus, care dă naștere la metan. În acest proces participă și Clostridium termosellum, facultativ anaerob, care fermentează celuloza la 60-65 0C, dând naștere la acizi volatili, cu predominarea acidului acetic și a alcoolului etilic. Această bacterie s-a izolat din gunoiul de grajd de la cabaline. În prezent se admite că și degradarea celulozei se datorește unui proces de fermentație aceto-butirică, cu formare de CO 2 și H 2; metanul ia naștere la sfârșitul procesului fermentativ. Bacteriile care participă la procesul fermentativ al celulozei, sunt rase ale aceleiași specii, cu sisteme enzimatice asemănătoare. Una prezintă o enzimă în plus de reducere a CO2 sau de decarboxilare a acidului acetic. După părerea specialiștilor, degradarea fermentativă a celulozei constă dintr-un singur mecanism chimic, care se desfășoară în etape succesive. Prin hidrolizarea enzimatică a celulozei, cu participarea bacteriilor metanice și hidrogenice, rezultă glucoză, care trece în acid piruvic și aldehidă acetică. În continuare, prin condensarea aldolică și oxidoreducerea aldehidei acetice se formează acid butiric, acid acetic și alcool etilic. Prin activitatea bacteriei metanice, într-un proces fermentativ secundar, are loc formarea metanului, ca urmare a decarboxilării acidului acetic și a reducerii CO 2 184Celuloza, amidonul și alte poliglucide din sol sau din gunoiul de grajd, sub acțiunea unor bacterii ( Clostridium etc.), sunt degradate și prin fermentație acetopropionică, după o prealabilă hidroliză. Aceasta este considerată ca o conjugare a două procese fermentative mai simple (fermentația lactică și acetohidrogenică). Acidul lactic se formează pe seama acidului piruvic, rezultat în etapa de degradare a glucidului și devine acceptor al hidrogenului format în fermentația acetohidrogenică, reducându-se la acid propionic. Degradarea amidonului. În sol amidonul este degradat hidrolitic într-un proces ce depinde de gradul de aerisire, umiditate și temperatură a solului. La temperatura solului de peste 30 0C, intervin bacteriile anaerobe de tipul Clostridium . Sub acțiunea microorganismelor din sol, degradarea amidonului include trecerea în acid piruvic, aldehidă acetică și este dusă până la formarea de alcool etilic și acizi organici. Mecanismul chimic al procesului de fermentație acetopropionică se poate reprezenta schematic prin ecuația: 2 C6H12O6 + H2O→ 2 CH 3CH2 _ COOH + CH 3∙ COOH+ CH 3∙ CH2OH + 2 CO 2 + 2H2O Glucoză Acid propionic Acid acetic Alcool etilic Microorganismele amilolitice din sol dispun de un sistem enzimatic în care sunt prezente enzimele de decarboxilare și de oxidoreducere. Solul conține și bacterii anaerobe care participă în degradarea fermentativă a unor substanțe organice (acidul lactic, glicerol, manitol), cu formare de acid butiric. Bacteriile butirice care intervin în degradarea acestor substanțe sunt anaerobe obligatoriu și se dezvoltă bine când cantitatea de oxigen atmosferic nu depășește 20.30 miligrame la litru. Fermentația butirică este produsă de Clostridium sacharobutyricum, care, în procesul de degradare, formează acid butiric și mici cantități de acid acetic, CO 2 și H2. Degradarea hemicelulozelor. În sol, hemicelulozele, rezultate din resturile vegetale, sunt supuse degradării, sub acțiunea unor bacili sporulați și nesporulați. Ca produși ai degradării hemicelulozei rezultă manani, arabani, xilani și acizi uronici. Dintre aceștia, acizii uronici sunt mai greu fermentați. Din fermentația hemicelulozei rezultă acid butiric. Degradarea substanțelor pectice. Substanțele pectice sunt prezente în lamela mediană din fibrele de in și cânepă, în țesutul lemnos etc. În cantități mai mari (50%) se găsesc în fructele cărnoase, în rădăcinile plantelor etc. Odată cu resturile vegetale, substanțele pectice ajung în sol, unde sunt supuse unui proces de degradare hidrolitică, sub acțiunea microorganismelor anaerobe. Microorganismele ( Clostridium felsineum, Granulobacter pectinovorum ) determină degradarea hidrolitică a pectinei și apoi fermentația butirică a galactozei și arabinozei: C6H12O6→ CH3 _ CH 2 _ COOH + 2 CO 2 + 2 H 2 Glucoză Acid butiric C5H10O5→ CH3 _ CH 2 _ CH 2 _ COOH + CO 2 + H2O. 185 Arabinoză Fermentația butirică are loc în solurile mlăștinoase, pe fundul bălților, în nămolul bazinelor cu apă, în orizonturile inferioare ale solului. Fermentația acetonobutirică și acetonoetilică. Sunt alte tipuri de fermentații a substanțelor glucidice, în condiții de anaerobioză. Procesul are loc sub acțiunea bacteriei Clostridium acetono-butylicum , cu producere de alcool butiric, acetonă, alcool etilic, CO2, H2 și alte substanțe în cantități mai mici, ca acetil-metilcarbinol și alcool izopropilic. Bacteriile acționează atât în mediul neutru, cât și în mediu acid. Acest tip de fermentație este înrudit cu fermentația butirică, însă aldehida acetică, rezultată prin degradarea glucidelor, duce la formarea aldolului, care, prin dismutație, poate da naștere unei molecule de alcool oxibutiric și unei molecule de acid oxibutiric. Prin oxidoreducere, substanțele trec una în alcool butiric, alta în acid acetilacetic, care la rândul său, prin decarboxilare, dă naștere acetonei, sub acțiunea carboxilazei. Prin reducere, acetona poate fi convertită în alcool izopropilic. Alcoolul butiric se poate forma și prin reducerea directă a aldolului (aldehidei oxibutirice) sau a acidului butiric. Acetona se formează și prin dismutația prealabilă a aldehidei acetice aldolizate, cu formare de acid acetic și alcool etilic, care se pot condensa prin dehidrogenare, dând naștere acidului acetilacetic. 2 CH 3 _ CHO + H 2O→ CH3 _ CH 2OH + CH 3 – COOH Aldehidă acetică Alcool etilic + Acid acetic CH3 _ CH 2OH + CH 3COOH → CH3 – CO – CH 2 _ COOH + 2 H 2 Alcool etilic + Acid acetic → acid acetilacetic Caracteristică este și formarea acetil-metil-carbinolului sub acțiunea carboligazei, în procesul de aldolizare a aldehidei acetice. H H ׀ | CH3 _ C = O + C _ CH 3→ CH3 _ CO _ C _ CH 3 ׀ ║ ║ H O OH Aldehidă acetică Acetil-metil-carbinol Fermentația acetică. Este o fermentație netipică, produsă de bacteriile acetice (Bacterium acetycum, B. Pasterurianum, B. Kutzngianum etc.), care transformă aerob alcoolul etilic în acid acetic, conform ecuației: CH2 _ CH 2OH + O 2→ CH3 _ COOH + H 2O. Alcool etilic Acid acetic În prima faza a acestui proces, prin oxidare aerobă a alcoolului etilic, se formează aldehida acetică, care funcționează ca donator de hidrogen și se transformă în acid acetic. 186Procesul de fermentație acetică are loc când vinul și berea sunt lăsate în contact direct cu aerul. După circa o săptămână vinul se transformă în acid acetic. 7.3.3. Utilitatea practică a cunoștințelor despre respirația anaerobă Cunoașterea procesului fiziologic de respirație, a particularităților lui în condiții de aerobioză și anaerobioză, prezintă o deosebită importanță practică. Studiul naturii chimice diferitelor tipuri de fermentație a deschis largi posibilități de aplicare a lor în practică. Fermentația alcoolică. Găsește aplicații în fabricarea băuturilor alcoolice (vinuri, bere) și a pâinii. Este cunoscut faptul că fermentația alcoolică a mustului este un proces biochimic complex și decurge în trei faze: -faza prefermentativă , care durează 1-3 zile de la introducerea mustului în vasul fermentativ până la degajarea evidentă a CO 2, când temperatura se ridică la 18-20 0C, iar conținutul în glucide începe să scadă; -faza de fermentare tumultoasă , ce durează 4-6 zile, până la scăderea degajării CO2, când temperatura lichidului ajunge la 25-30 0C; -faza postfermentativă liniștită, când scade puterea de fermentare a drojdiilor, prin acumularea alcoolului care inhibă activitatea lor, degajarea CO 2 este foarte slabă, iar temperatura vinului începe să scadă treptat. Fermentația se poate produce dirijat , prin folosirea drojdiilor selecționate, sau spontan, datorită drojdiilor existente în masa mustului ca: Hansenniaspora uvarum , Cloekera apiculata ,Sacharomyces ellipsoideus și S. apiculatus , care împreună reprezintă 90% din totalul levurilor. La strugurii roșii se întâlnește frecvent Sacharomyces chevolieri , la cei atacați de mucegaiuri sunt prezente și speciile Saccharomyces florentinus , S. rosei ,Schizosaccharomyces pombe etc. Uneori, după fermentația alcoolică și după scurgerea vinului de pe boștină, intervine fermentația malolactică, care constă în descompunerea acidului malic în acid lactic și acid carbonic. Fermentația alcoolică are loc și în procesul de panificație, prin adăugarea drojdiei de bere; creșterea aluatului este rezultatul degajării CO 2 produs în procesul fermentativ, iar gustul specific al aluatului este dat de degajarea alcoolului etilic. Fermentația lactică. Are aplicații în industria laptelui la obținerea chefirului, iaurtului etc. La prepararea laptelui acru intervin bacteriile Streptococcus lactis, Lactobacillus bulgaricus, Bacterium acidophillum, care fermentează lactoza din lapte, descompunându-le în acid lactic. Fermentația lactică are aplicații practice și în prepararea murăturilor, în însilozarea nutrețurilor, în industria pielii, a vopsitoriei. Microorganismele care intervin în prepararea murăturilor sunt: Bacterium brasicae , care fermentează glucidele din varză, descompunându-le în acid lactic, și Bacterium cucumeris fermentatis , la murarea castraveților. Fermentația lactică își găsește aplicabilitate în însilozarea furajelor proaspete, dacă conțin un anumit conținut de glucide; porumbul se pretează bine la însilozarea în stare proapspătă ca masă verde, având un conținut de 6-8% glucide. La nutrețurile 187bogate în proteine, dar sărace în glucide, se adaugă melasă în siloz. Pentru realizarea procesului fermentativ este necesar să se creeze în siloz condiții de anaerobioză; porumbul se recoltează în faza de lapte-ceară, se toacă și se tasează pentru evacuarea O2. Microflora masei însilozate, la început, este variată, conținând, pe lângă bacteriile lactice ( Streptococcus, Lactobacillus ) și alte bacterii: Bacetrium herbicola aureum, Pseodomonas fluorescens, Bacillus subtilis etc. Procesul fermentației lactice decurge intens timp de 2-3 săptămâni, cu acumulare de acid lactic care împiedică dezvoltarea bacteriilor de putrefacție și astfel furajul se conservă. Este indicat ca fermentația lactică să se producă la o temperatură de 25-30 0C, pentru ca pierderile în glucide să nu depășească 5-10%. Dirijarea fermentației lactice se poate face prin adăugarea în masa însilozată a culturilor de Lactobacillus delbruckii și L. cucumeris fermentalis , sub formă de suspensie apoasă, 7-10 litri la o tonă de nutreț și la 1% melasă. Dacă însilozarea se face defectuos, are loc fermentația butirică, care dă un miros neplăcut furajului. Fermentația propionică are aplicații practice în prepararea cașcavalului. Lactoza din laptele preparat se transformă în acid lactic, care sub influența bacteriilor propionice, trece în acid propionic și acid acetic. Prezența acestor doi acizi dă gustul specific cașcavalurilor. Fermentația butirică are aplicații în topitul biologic al cânepei și inului. Sub acțiunea bacteriilor Granulobacter pectinovorum la in și Clostridium felsineum la cânepă, pectatul de calciu din lamela de legătură a celulelor se transformă în acid butiric, CO2,H2 șiCH4. Cunoașterea proceselor fermentative care are loc cu producere de CH 4 (metan) prezintă deosebită importanță practică în instalațiile casnice pentru producerea gazului necesar arderii. Capitolul 8 CREȘTEREA PLANTELOR 8.1. Definiții și principii Creșterea este proprietatea fiziologică a materiei vii, care se definește ca o mărire stabilă și ireversibilă a volumului și greutății totale a celulelor, țesuturilor și organismului, datorită sporirii continue a cantității de substanță uscată, în urma proceselor de sinteză, transformare și depunere a materiei organice. În acest proces se pornește de la o celulă zigot (zigot sau spor) care, prin înmulțire, mărire în volum și acumulare de noi compuși asimilați se transformă, prin diferențiere, în anumite țesuturi și organe. Acestea sporesc în dimensiuni și greutate, până ajung la limitele caracteristice speciei. 188 Mărirea reversibilă a volumului și greutății, cum este umflarea fizică a semințelor prin imbibare cu apă, deși se manifestă printr-o modificare a dimensiunilor, nu poate fi considerată ca u fenomen de creștere fiziologică deoarece, după uscare, semințele revin la volumul și greutatea inițială. În procesul de creștere fiziologică, embrionul ajunge la dimensiuni tot mai mari, dar nu mai poate să revină la mărimea pe care o avea inițial în interiorul seminței. În unele cazuri, creșterea în volum nu este însoțită de o creștere în greutate. Astfel, semințele germinate la întuneric dau plantule cu volum sporit, dar cu greutate uscată în continuă scădere, datorită unei pierderi treptate de substanțe organice, în procese catabolice de respirație ce predomină asupra proceselor de sinteză, practic nule în lipsa luminii. Paralel cu procesele de creștere se desfășoară și procesele de dezvoltare , care includ evoluția ontogenetică a plantei de la celula nediferențiată până la organismul matur, ce poartă toate organele vegetative și generative caracteristice speciei. Între aceste procese există anumite relații directe care, însă, nu sunt obligatorii. O sporire considerabilă a masei vegetale poate fi însoțită uneori de un ritm redus de dezvoltare. Așa, de exemplu, cerealele de toamnă semănate primăvara cresc abundent, formează o masă vegetativă bogată, dar nu înspică și nu se dezvoltă. Creșterea plantelor se deosebește de creșterea animalelor, deoarece poate avea loc în tot cursul vieții, iar numărul organelor sporește continuu, prin apariția de noi tulpini, ramuri și frunze care nu au existat în sămânță. Această creștere continuă se explică prin aceea că în punctele de creștere (vârful tulpinii, vârful rădăcinii, muguri, cambiu, felogen) se păstrează țesuturi meristematice acvatice, care funcționează permanent, formând noi organe, atât timp cât trăiește întregul organism vegetal. 8.2. Etapele de creștere Procesul complex al creșterii fiziologice include creșterea celulelor, țesuturilor, organelor și a plantei întregi, luată ca un tot unitar viu. La organele în creștere (vârfuri de rădăcini și tulpini, frunze, muguri fructe, etc.) există țesuturi meristematice tinere, cu celule care prezintă nuclee voluminoase și membrane subțiri, situate în zonele de creștere și diferențiere, unde îndeplinesc anumite funcții fiziologice. Lungimea acestor zone este variabilă de la un organ la altul; la rădăcină este de circa 1 cm, iar la tulpină ajunge la 10 cm. În zonele de creștere se observă mai întâi o înmulțire a celulelor, apoi creșterea treptată în volum a celulelor meristematice și, în final, diferențierea anatomică, morfologică și funcțională corespunzătoare țesuturilor și organelor din care fac parte. Celulele care rezultă se vor diferenția între ele prin presiune osmotică, transpirație, fotosinteză, respirație, biosinteze. Procesul fiziologic de creștere se desfășoară în trei etape: a) etapa creșterii embrionare, când are loc diviziunea celulară; b) etapa creșterii prin alungire sau extensie celulară; c) etapa de diferențiere internă a elementelor celulare, formându-se primordiile de rădăcină, tulpină, floare, fruct, frunze. Etapele creșterii pot fi localizate topografic (la rădăcini, tulpini și frunze) sau se succed în timp (la fructe). 1898.2.1. Etapa creșterii embrionare Etapa creșterii embrionare constă în diviziunea celulelor existente în țesuturile meristematice și formarea protoplasmei dense în celulele tinere, prin acumularea de materie organică complexă, îndeosebi substanțe proteice și diferiți alți compuși macromoleculari (amidon, lipide, acizi nucleici, fosfatide). Procesul creșterii embrionare este favorizat de prezența în celulă a nucleului, a ribozomilor din ergatoplasmă, a acizilor nucleici (ADN-n, ARN-n, ARN-m, ARN-t), a unor vitamine (B 1, B2, C, acidul pantotenic) și a anumitor enzime care participă în metabolismul glucidic, lipidic și, în special, protidic, cu rol esențial în formarea protoplasmei. Diviziunea celulară este stimulată de fitohormonii naturali (auxine, citochinine, gibereline) și inhibată de unele substanțe chimice, cum sunt: colchicina, mercaptoetanol, 4-azouracil, 5-bromuracil etc., care blochează sinteza proteinelor și a acizilor nucleici, precum și repartizarea în polii fusului nuclear a cromozomilor clivați. 8.2.2. Creșterea prin extensie celulară Creșterea prin extensie celulară constă din mărirea de mai multe ori a volumului celular, în special prin alungirea celulelor. Vacuolele mici apar în protoplasmă își măresc mult volumul, datorită pătrunderii apei prin procese de osmoză și se contopesc într-o singură vacuolă mare, situată în centrul celulei. Acum se acumulează în sucul vacuolar glucide solubile, acizi organici, săruri minerale, iar în membrana scheletică se depun substanțe de constituție. Caracteristic pentru etapa creșterii prin extensie celulară este întinderea elastică și plastică a membranei externe, ca urmare a acționării concomitente a următoarelor forțe: absorbția apei din osmoză; creșterea presiunii de turgescență; intensificarea proceselor metabolice, respectiv respirația și sinteza glucidelor și proteinelor; modificări în starea fizico-chimică a membranei celulare. Experimental s-a constatat că rolul esențial în creșterea celulelor prin extensie îl au membranele celulozice, ale căror însușiri se modifică datorită unui biochimism complicat la nivelul protoplasmei, în care intervin acizii nucleici și hormonii naturali de creștere. Acest complex de factori interni determină ca, în zona de alungire celulară, membrana scheletică să crească în suprafață, prin intercalarea în spațiile intermicelare vechi a unor noi microfibrile celulozice, produse de protoplasmă. La celulele din vârful rădăcinilor și tulpinilor această creștere a membranei este mai activă la polii celulei, unde membrana prezintă o mai mare plasticitate, datorită așezării laxe a microfibrilelor celulozice. Aceasta permite depunerea în rețeaua celulozică a noilor particule de celuloză, prin procesul de intussuscepțiune. La celulele din frunze și din fructe, creșterea prin extensie are loc uniform, în toate direcțiile. În toate țesuturile de creștere, etapa extensiei celulare are o durată mult mai mare decât atapa diviziunii celulare. Extensia poate surveni imediat după terminarea etapei embrionare (de exemplu, la plantele anuale) sau după o anumită perioadă de repaus, cum 190este cazul mugurilor de la plantele lemnoase, care se găsesc în etapa embrionară la sfârșitul verii și trec la extensia celulară abia în primăvara următoare. Depunerea noilor microfibrile celulozice se face pe suprafața internă a membranei primare, la început în rânduri perpendiculare pe axul longitudinal al celulei și apoi pe direcția axei de creștere, permițând astfel mărirea dimensiunilor celulare. În zona de alungire a celulei membrana celulozică are o plasticitate mai mare, conținând cantități mai ridicate de substanțe pectice, care alcătuiesc faza continuă a membranei. Punțile de calciu care leagă catenele de acizi pectici sunt înlocuite cu grupări metilice, sub acțiunea pectinmetilesterazelor, a căror activitate este stimulată de hormonii naturali de creștere respectiv de auxinele endogene. Prin metilarea pectinei, legăturile dintre substanțele constitutive ale membranei devin laxe, iar toată masa de substanțe pectice devine mai plastică și opune o rezistență mai mică presiunii de turgescență. Se poate deci spune că auxinele existențe în țesuturi influențează întinderea elastică sau plastică a membranelor, lărgirea ochiurilor din rețeaua fibrilară și desfacerea legăturilor submicroscopice dintre micelele pectocelulozice. Auxinele stimulează și activitatea enzimei poligalacturonaza, care hidrolizează pectinele în acid galacturonic liber. La început, membrana celulară se subțiază dar, prin depunerea de noi fibrile micelare de celuloză, se formează o rețea compactă, care, ulterior, devine rigidă și ajunge la grosimea inițială, când nu mai permite intercalarea unor micele celulozice. În procesul extensiei membranei un rol important îl are depunerea hemicelulozei pe suprafața internă a membranei, proces influențat tot de activitatea auxinelor naturale. Hemiceluloza acționează în mărirea plasticității membranei celulare și în creșterea permeabilității pentru apă, pătrunsă în celulă prin fenomenul de osmoză. 8.2.3. Etapa de diferențiere celulară Din masa de celule care rezultă după diviziunea și elongația celulară și care în aparență sunt identice, iau naștere primordiile anumitor țesuturi sau organe ale plantei, cu particularități morfologice și funcționale distincte. În această diferențiere, fiecare celulă capătă structura, caracterele și însușirile proprii țesutului pe care îl va forma (epidermă, scoarță, parenchim central, vase conducătoare, țesuturi mecanice sau de depozitare etc.). Sensul diferențierii este reglat de raportul dintre diferite substanțe hormonale endogene (cu acțiune stimulatoare și inhibitoare), precum și între acestea și diferite vitamine existente în celulele respective. Atunci când mediul de cultură conține numai auxine, celulele din măduva de tutun dau naștere la un calus din care vor apare rădăcini. Dacă mediul de cultură conține și vitamina B 6 (piridoxină, adermină), calusul va da naștere unui mare mugure vegetativ. În etapa de difențiere celulară are loc și îngroșarea membranei scheletice, prin depunerea unor straturi noi de celuloză, lignină sau suberină pe suprafața internă a membranei, prin fenomenul de apoziție cu sens centripet. Compușii organici depuși pe membrană sunt produși de protoplasmă, care se consumă treptat, ajungând, în final, la celula cu membrane îngroșate, dar lipsite de protoplasmă vie, așa cum este cazul vaselor lemnoase. 8.3. Mecanismul creșterii 191Creșterea plantelor se realizează ca o rezultantă a unui complex de procese fiziologice și biochimice determinate de activitatea țesuturilor meristematice, de durata etapelor de creștere, de însușirile biologice ale fiecărei specii și de acțiunea factorilor de mediu din anul sau sezonul respectiv. 8.3.1. Legile generale ale creșterii În ritmul de creștere a plantelor și separat a diferitelor organe și țesuturi există o anumită legitate. La început creșterea este mai lentă, urmează apoi o creștere foarte intensă, până la atingerea unui maximum iar la sfârșit are loc o încetinire a ritmului creșterii, până la oprirea totală. Această legitate a fost denumită perioada mare de creștere. Explicația legității în ritmul de creștere a plantelor este dată de corelația cu sinteza și activitatea hormonilor naturali de creștere. În prima perioadă, cu creștere lentă, are loc sinteza hormonilor endogeni, a căror activitate este intensă în perioada de creștere maximă. În perioada creșterii maxime se epuizează atât hormonii endogeni, cât și energia rezultată din fosforilările oxidative, ducând la inhibarea sistemului enzimatic care mijlocește fosforilarea respectivă. Această explică reducerea treptată a ritmului creșterii finale, până la încetarea totală a creșterii. Reprezentarea grafică a ritmului de creștere dă o curbură caracteristică, cu valori maxime după 3-5 zile, iar creșterea generală a plantei sau organului respectiv dă o curbură sigmoidă, în formă de S. Din legitatea ritmului de creștere se distinge un ritm sezonier care este influențat de factorii mediului extern, de o serie de particularități biologice specifice, de lipsa temporară a unor substanțe nutritive și de variațiile, în dinamică, ale cantității substanțelor stimulatoare sau inhibitoare naturale. Ritmicitatea creșterii diurne este determinată de alternanța dintre zi și noapte. Dacă temperatura nu scade sub anumite limite, creșterea în lungime este mai intensă noaptea decât ziua. Primăvara, când există temperaturi mai scăzute în timpul nopții, ritmul de creștere este mai intens ziua. Legitatea creșterii plantelor se calculează viteza specifică de creștere și creșterea relativă. Viteza specifică de creștere este acumularea de masă uscată în unitatea de timp și se exprimă prin relația: V = log G 1/G0 x 2,3026 / t în care: G 0 este greutatea uscată inițială; G 1 – greutatea uscată finală; t- durata de vegetație. Creșterea relativă se exprimă în valori procentuale, în raport cu greutatea uscată, inițială și finală, a plantei. R = (G 1 – G0)100 / G 0 unde G 0 este greutatea uscată inițială; G 1- greutatea uscată la momentul dat. 192 Creșterea organelor la plante este, în general, foarte lentă și se poate stabili prin comparație, la intervale mari de timp. Există și excepții, cum sunt, de exemplu, staminele de secară, care cresc rapid în câteva minute și tulpinile unor specii de bambus, care cresc cu 60cm pe zi. 8.3.2. Creșterea în lungime a tulpinii Se disting trei tipuri de creștere a tulpinii, funcție de poziția meristemelor active: -creșterea acropetală , terminală sau subterminală (de exemplu la in); -creșterea intercalară , prin țesuturile meristematice situate fie la baza fiecărui internod (de exemplu, la Gramineae , laAmarylis ); -creșterea lineară realizată pe toată lungimea tulpinii sau a internodurilor. La majoritatea plantelor superioare, cu tulpini nearticulate, creșterea în lungime este îndeplinită de țesuturile meristematice localizate în vârful tulpinii, pe o zonă ce se întinde pe 10-15cm (creștere terminală) (fig. 92). Figura nr. 92 – Stabilirea zonelor de alungire maximă a internodurilor la tulpinile de Phaseolus vulgaris (d. Milică și colab., 1982) La mugurii de la plantele lemnoase, etapa embrionară de formare și diferențiere are loc la sfârșitul verii și în toamnă, după care urmează o perioadă de repaus până în primăvara viitoare. Odată cu atingerea condițiilor optime de creștere în primăvară, celulele conului de creștere al mugurilor trec în stare activă și determină deschiderea și alungirea conului dând naștere la lăstari. Alungirea lăstarilor se produce datorită creșterii prin extensie celulară, respectiv prin întinderea membranelor. Funcție de particularitățile biologice interne și de adaptarea la condițiile mediului extern, deschiderea mugurilor la plantele lemnoase se face diferențiat, mai devreme sau mai târziu, cu variații între specii de până la 3-4 săptămâni. În cazul tulpinilor articulate, lungimea este determinată de intensitatea diviziunii și extensiei celulare din zonele de creștere intercalară subnodală. Înălțimea finală a tulpinii la plantele ierbacee este determinată de lungimea perioadei active de creștere din cursul anului (în medie 1-3 luni), iar la speciile lemnoase de durata perioadelor de creștere activă din cursul întregii vieți. 1938.3.3. Creșterea în grosime a tulpinii Tulpina crește în grosime prin activitatea țesuturilor meristematice secundare, cu poziție laterală (cambiul din cilindrul central și felogenul din scoarță). Participarea liberului secundar și a elementelor scoarței secundare este neînsemnată în îngroșarea tulpinii. La speciile lemnoase există o ritmicitate diurnă și sezonieră în creșterea în grosime a tulpinii, datorată unei influențe puternice a factorilor de mediu. Ritmicitatea diurnă are loc cu destulă regularitate, dar este greu de urmăritdatorită schimbărilor survenite în conținutul de apă din țesuturi. Ritmicitatea sezonieră este explicată prin acumularea substanțelor elaborate în procesul de fotosinteză, cu mari variații influențate de evoluția factorilor de mediu. Creșterea în grosime a tulpinii începe la scurt timp (3-18 zile) după deschiderea mugurilor, când se formează primele celule ale inelului de îngroșare anuală. Acest proces durează 2-4 luni, cu variații în funcție de specie și de survenirea unor condiții climatice favorabile sau nefavorabile, care explică diferențierile în grosimea inelelor anuale. Creșterea în grosime a pomilor este mai redusă în primii ani și devine tot mai intensă, până atinge un maximum în vârste înaintate, iar apoi scade treptat spre bătrânețea pomului. 8.3.4. Creșterea rădăcinilor Creșterea rădăcinilor se realizează prin activitatea țesuturilor meristematice, localizate în zona netedă. Deasupra pilorizei există o zonă de diviziune celulară (meresis), în care se găsesc celulele meristematice cu conținut ridicat în protoplasmă și cu un nucleu voluminos. Mai sus este zona extensiei celulare (auxesis) și apoi zona de diferențiere celulară. Aceasta arată că la rădăcină există o creștere substanțială, pe o lungime de 5-10 mm de la vârf. La rădăcinile aeriene zona de creștere este extinsă la 20-500 mm. Pentru creșterea rădăcinilor este folosită energia metabolică eliberată prin respirația celulelor. Energia degajată se poate transforma în energie mecanică, cu rol în pătrunderea vârfului de creștere al rădăcinii printre particulele solului. La plantele lemnoase se constată că în decursul sezonului anual de vegetație creșterea rădăcinilor înregistrează două perioade de creștere maximă, și anume: una la sfârșitul primăverii (aprilie-mai) și a doua către toamnă (septembrie – octombrie). În primăvară, creșterea rădăcinilor începe mai devreme și mai intens decât creșterea lăstarilor. În toamnă, creșterea rădăcinilor are un ritm lent și se poate prelungi uneori spre iarnă, la rădăcinile pătrunse în straturile adânci ale solului, chiar dacă straturile superficiale sunt înghețate. În timpul verii, scăderea ritmului de creștere a rădăcinii se corelează cu reducerea umidității din sol. Perioada de creștere activă a rădăcinilor începe mai devreme la plantele tinere decât la cele vârstnice, iar ritmul de creștere depinde de temperatura și umiditatea solului. Dirijând acești factori se poate regla creșterea sistemului radicular, ceea ce influențează capacitatea de producție a plantelor cultivate. 1948.3.5. Creșterea frunzelor La frunzele plantelor dicotiledonate creșterea în suprafață a limbului se face prin activitatea meristemelor situate îndeosebi într-o zonă intercalară de la baza limbului, în vârf și marginal. La început are loc o mărire a suprafeței limbului spre vârf, datorită unei creșteri apicale pe un interval scurt de timp. Ulterior va predomina o creștere bazală, laterală sau pe toată suprafața limbului la speciile dicotiledonate și o creștere exclusiv bazală la speciile monocotiledonate. Acest tip de creștere bazală explică posibilitatea frunzelor de Gramineae de a continua creșterea după ce au fost retezate prin cosire (otăvire). La Monstera deliciosa , care prezintă limburile perforate, procesul de creștere nu are loc în anumite zone și de aceea pe aceste porțiuni apar orificii de dimensiuni variate. Creșterea în grosime a frunzei se realizează prin activitatea unui țesut meristematic situat sub epiderma feței superioare. Pețiolul frunzei are zona meristematică pe toată întinderea sa, cu activitate mai intensă în imediata apropiere a limbului. 8.3.6. Creșterea fructelor Fructele cresc în etape succesive, care corespund cu etapele de creștere a celulelor. La început fructele cresc prin diviziune celulară, după care urmează, în toată masa fructelor, procesele de mărire în volum, prin extensie celulară și diferențiere. Diviziunea celulelor durează după anteză 3-4 săptămâni la măr, piersic și prun, 6-8 săptămâni la păr, când fructul atinge un diametru de până la 1,5 cm, cu forme și mărimi funcție de gen, specie și soi. 8.4. Factorii externi care influențează procesele de creștere Intensitatea creșterii reprezintă o rezultantă a interrelației dintre acțiunea factorilor de mediu și particularitățile fiziologice și biochimice caracteristice fiecărei specii de plante. Temperatura. Influențează asupra creșterii plantelor în mod diferențiat prin punctele cardinale de creștere (minim, optim, maxim) specifice fiecărei plante. Între pragul termic minim și cel maxim ritmul proceselor de creștere decurge după legea vitezei reacțiilor chimice, în funcție de temperatură, adică viteza creșterii se dublează după fiecare 10 0 C. Temperatura minimă necesară creșterii are valori diferite, funcție de specia de plantă și de stadiul de dezvoltare. Secara, grâul, orzul, mazărea, inul, cânepa, lucerna încep creșterea la temperaturi de 0-5 0C, vița de vie la 5-6 0C, porumbul la 8-10 0C, fasolea la 10-12 0C, nucul la 10-14 0C, iar plantele din familia Curcubitaceae (pepene, castravete, dovleac) la 14-18 0C. Temperatura optimă asigură o creștere a plantelor și organelor cu intensitate maximă. Prezintă valori care variază cu specia de plantă între 18 și 37 0C (la lucernă 200C, la grâu și in 25 0C, porumb 32 0C, viță de vie 28-30 0C, cânepă și castraveți 35 0C). 195 Valoarea optimă de temperatură care determină o creștere maximă nu corespunde în toate cazurile cu valorile termice necesare altor manifestări vitale ale plantei. Uneori, plantele au o viteză mare de creștere, dar rămân firave și disproporționate dimensional. Se consideră că la fiecare specie ar exista un optim armonic, la care toate funcțiile fiziologice ale plantelor se manifestă cu maximă intensitate. Determinarea optimului armonic necesită instalații speciale (seră, fitotron), în care toți factorii pot fi dirijați concomitent. Optimul armonic nu are valori constante în tot cursul perioadei de vegetație, ci concordă cu adaptarea speciei respective la evoluția condițiilor de mediu din cursul dezvoltării filogenetice și ontogenetice. Temperatura maximă, frecvent peste 35-40 0C, determină o scădere bruscă a ritmului de creștere până la încetarea în jurul temperaturii de 45-50 0C. Numai la unele bacterii termofile maximul de temperatură este ridicat la 60-70 0C. Speciile de plante provenite din climatul temperat suportă mai greu temperaturile ridicate și mai ușor temperaturile scăzute. Un rol important în ritmul de creștere a plantelor îl are raportul dintre temperatura zilei și a nopții (termoperiodism). La unele specii provenite din zonele temperate și subpolare, procesele de creștere sunt mai intense cu cât diferența de temperatură dintre zi și noapte este mai mare. Temperatura are și o acțiune morfogenetică asupra plantelor, modificând forma diferitelor organe vegetale, în afara anumitor limite termice. Rădăcinile de morcov cresc lungi și în formă conică la temperaturi joase, dar devin scurte și groase la temperaturi ridicate. Tuberculii de cartofi ținuți la temperaturi scăzute pozitive dau stoloni scurți, terminați cu noi tuberculi de dimensiuni reduse. La petunia se formează flori albastre la temperaturi ridicate și flori albe la temperaturi mai scăzute. Lumina. Influențează ritmul de creștere al plantelor atât prin acțiuni directe cât și indirecte, prin intermediul procesului fotosintetic în care se sintetizează materie organică. Creșterea plantelor este dependentă de intensitatea luminii, de calitatea acesteia și de durata iluminării zilnice. Intensitatea luminii. La întuneric, speciile vegetale pot înregistra procese de creștere, fie în tot ciclul de vegetație (bacterii, ciuperci), fie numai pe perioada consumării substanțelor de rezervă (cormofite). Plantele superioare crescute la întuneric sunt etiolate, cu tulpini lungi, internoduri alungite, frunze mici, lipsite de clorofilă, țesuturi slab diferențiate, celule mari cu membrane foarte subțiri, iar țesuturile mecanice prea puțin dezvoltate din care cauză tulpinile au o mare fragilitate. În condiții optime de lumină, plantele superioare au tulpini scurte și viguroase, frunze mari, de culoare verde, datorită prezenței clorofilei, au celule mici cu membrane cutinizate. Lumina frânează alungirea tulpinii, dar stimulează creșterea limbului foliar, corelat cu intensitatea proceselor fotosintetice. Exceptând valorile termice în afara unor limite extreme (minimă și maximă), la care plantele nu mai cresc, ritmul de creștere a plantelor este în strânsă relație cu intensitatea luminii, dar diferențiat la plantele ombrofile și heliofile. Plantele de umbră au sistemul radicular mai slab dezvoltat, tulpini alungite și fragile, frunze subțiri, cu țesut palisadic redus și cloroplaste puține și mari, rețea rară de fascicole libero-lemnoase și celule mari, cu membrane subțiri. 196 Acțiunea diferențiată a luminii și întunericului asupra plantelor poate fi folosită în practica horticolă și agricolă. Unele legume (sparanghel, revent, țelină) se păstrează în biloane de pământ, pentru a se asigura o turgescență ridicată a celulelor și frăgezimea țesuturilor îngropate. Ritmul de creștere și vigurozitatea plantelor din răsadnițe poate fi reglat prin dirijarea regimului de lumină, ridicând ferestrele sau stropind geamurile cu var. Însăși producția culturilor și calitatea recoltelor sunt dependente de intensitatea luminii, reglată prin densitatea plantelor la unitatea de suprafață. Inul de ulei se seamănă rar, pentru că la lumină intensă să producă tulpini florifere care, vor mări producția de sămânță, în timp ce inul de fuior se seamănă des, plantele se umbresc reciproc, iar tulpinile se alungesc și asigură o bună calitate a fibrelor. Compoziția spectrală a luminii. Ritmul de creștere a plantelor se modifică în dependență de lungimile de undă ale radiațiilor luminoase. În lumină roșie, tulpinile cresc mari dar cotiledoanele și frunzele rămân mici. Paralel cu scăderea lungimii de undă, de la 650-700nm (roșu) spre 400-480 nm (albastru-indigo-violet) se constată o descreștere a lungimii tulpinii și o mărire a suprafeței limbului foliar. Aceasta dă o explicație înălțimii mai reduse a plantelor alpine, datorită cantității mari de raze ultraviolete din compoziția luminii, care ar acționa și în degradarea auxinelor endogene, stimulatoare de creștere. Gradul de saturare cu apă. Funcție de turgescența celulară, respectiv gradul de hidratură a țesuturilor, se desfășoară funcțiile fiziologice normale ale plantelor asigurând ritmul de creștere a celulelor prin diviziune și extensie, diferențiat de la o specie la alta. La mucegaiuri creșterea se reduce când hidratarea țesuturilor scade sub 90% și încetează sub 95%. Semințele uscate rămân în stare de repaus și își păstrează viabilitatea pe o lungă perioadă de timp, dar germinează repede la un grad de hidratare de 50-60%. Ritmul de creștere a rădăcinilor înregistrează un maxim atunci când atmosfera solului este saturată în vapori de apă. În schimb, tulpinile și frunzele cresc intens numai la o umiditate relativă a aerului de 50-60%, cu condiția ca zonele meristematice de creștere să fie protejate contra deshidratării prin acoperire cu bractee sau cu un strat cuticular gros. În condiții de secetă, la o deshidratare a țesuturilor meristematice, are loc blocarea creșterii prin extensie celulară, astfel că la lăstari și frunze încetează alungirea, după o perioadă de creștere mult redusă, plantele rămânând scunde, cu frunze și flori mici și celule foarte mici. Oxigenul. Este absolut necesar atât în atmosfera solului cât și în aer, pentru o bună creștere a rădăcinilor și a masei supraterestre. În atmosfera solului, dozele optime de O 2 pentru a asigura un ritm intens al creșterii sunt de 6% la soia, 8% la ovăz și 3% la orez. Influența oxigenului asupra creșterii rădăcinilor depinde și de concentrația de CO 2 din atmosfera solului; la 25% O 2 plantele pot suporta concentrații de 45% CO 2. Mărirea dozei de O 2 din atmosfera solului și din aer contracarează, parțial, acțiunile negative ale unor gaze toxice (bioxid de sulf, acid fluorhidric, acid clorhidric, clor, amoniac, oxid de carbon etc.). 8.5. Substanțele regulatoare de creștere 1978.5.1. Substanțe stimulatoare În această grupă se disting trei categorii de compuși: auxine, gibereline, citochinine. 8.5.1.1. Auxine Auxinele sunt compuși naturali, fiziologic polivalenți, care, în doze extrem de reduse, direct sau indirect, pot efectua atât creșterea cât și dezvoltarea plantelor, respectiv formarea organelor vegetative și generative. Primele izolări ale uxinelor din țesuturile vegetale se datoresc lucrărilor concomitente ale lui N. G. Holodnîi și Went (1928), care prezintă o metodă de captare a auxinei naturale din vârful rădăcinii sau din vârful coleoptilului de Avena sativa. Sunt descrise însușirile fiziologice de stimulare a creșterii determinând orientarea rădăcinilor spre centrul pământului (geotropism) și a tulpinilor spre sursa de lumină (fototropism). Teoria generală a tropismelor, numită toria Holodnîi-Went, stipulează ,,curburile creșterii plantelor, induse de factorii interni sau externi se datoresc unei distribuiri inegale a auxinei endogene între cele două părți ale organismului care se curbează”. În lucrările sale, F. W.Went a captat auxina din vârfurile coleoptilelor de Avena sativa, prin trecerea ei în cuburi de agar. Figura nr. 93 – Captarea auxinei în agar: A – cubul de agar pus în locul vârfului coleoptilului nu influențează creșterea; B – cubul de agar pe care a stat vârful coleoptilului stimulează creșterea; C – extragerea auxinei din vârfurile coleoptilelor pe cuburi de agar. Prin așezarea unilaterală a unui cub de agar cu auxină pe coleoptilul decapitat se poate produce curbarea acestuia (d. Weaver, 1972) În cazul cuburile de agar cu auxină naturală au fost așezate pe suprafața unor coleoptile secționate s-au produs curburi în creșterea plantelor, în funcție de poziția lor de aranjare. Unghiul de curbură ar fi proporțional cu concentrația substanței de creștere, exprimată în ,, unități Avena” , egale cu cantitatea de auxină care, aplicată pe coleoptilul 198decapitat de ovăz, produce o curbură de 10 grade, la o temperatură de 22 0C și la o umiditate relativă a aerului de 92% . Prezența auxinelor naturale în plante. Lucrările de extragere, purificare și identificare chimică au pus în evidență prezența auxinelor naturale, în concentrații extrem de reduse, în diferite organe ale plantelor, acumulându-se îndeosebi în organele cu creștere activă (muguri, frunze tinere, vârfuri de tulpini și de rădăcini, polen ovar fecundat, cotiledoane, semințe imature.) Prin aplicarea metodelor cromatografice s-a constatat prezența auxinelor și în alte organe, intrând în amestecuri complexe cu rol stimulator sau inhibitor (în semințe, fructe și frunze de măr, fructe de coacăz și căpșun, ovule de piersic etc.) cantități infime de auxine se găsesc în cambiu și în țesuturi parenchimatice. Biogeneza auxinelor naturale. Compusul auxinic natural găsit în diferite țesuturi vegetale a fost denumit heteroauxină și identificată chimic cu acidul beta-indolilacetic sau acidul indol-3-acetic (prescurtat AIA), cu formula bruta C10H9O2N. Sinteza primară a auxinelor presupune existența unui precursor care se transformă, prin oxidare pe cale chimică, la un anumit nivel de fertilizare și indiferent de regimul de lumină. Acest precursor este triptofanul, un aminoacid existent în protoplasma vie, care trece treptat în triptamină, acid β-indolilpiruvic, β-indolilacetaldehid ă și acid β-indolilacetic. Compu șii intermediari au fost găsiți, în stare naturală, în diferite organe ale plantelor de porumb, mazăre, bob, lupin, varză, floarea-soarelui, păpădie. Cel mai important rol revine acidului β- indolilpiruvic, considerat ca ,, placa turnant ă,, a reacțiilor metabolice din sinteza auxinelor. La plantele din familia Cruciferae triptofanul este un precursor primar atât pentru biosinteza AIA, cât și a unor compuși specifici (glucobrassicin, sulfoglucobrassicin), având un intermediar comun (indolacetaldoxin). Toate aceste transformări biochimice au la bază anumite procese enzimatice, pentru fiecare treaptă metabolică existând o anumită enzimă specifică. Auxinele se sintetizează în frunzele tinere, de unde migrează spre vârfurile de creștere ale tulpinii și lăstarilor, sub formă de proauxină inactivă, în stare legată de proteine. În vârfurile vegetative, auxinele inactive se desprind de proteine și sub acțiunea unor enzime proteolitice devin libere și active. Sub această formă activă circulă bazipetal (descendent) prin vasele liberiene și mai rar prin țesuturile parenchimatice, adiacente vaselor conducătoare. Circulația auxinelor nu se face prin difuziune, ci pe principiul polarității, datorită diferenței de potențial electric dintre vârful plantei (cu sarcină electrică negativă) și baza plantei (cu sarcină electrică pozitivă). În acest mod, auxina încărcată cu sarcină electrică negativă, va circula, în principal, spre polul pozitiv bazal. Auxinele pot migra și transversal, în cazul organelor așezate orizontal (lăstari) sau iluminate lateral, ceea ce explică geotropismul rădăcinilor și fototropismul tulpinilor. Viteza de transport a auxinelor naturale este de 4 mm/oră în rădăcini și 10-12 mm/oră în restul plantei. Inactivarea auxinelor. În prezența luminii captată de unii fotoreceptori (riboflavină beta-caroten) are loc degradarea auxinelor, ca un proces de oxidare și trecere într-o formă oxidată și inactivă, numită lumi-auxin-lactonă sau lumi-auxon: auxine active + O 2 + lumină → auxină inactivă + CO 2 199 Această inactivare a auxinelor naturale explică mișcările de fototropism, fiind mult influențată de radiațiile cu lungimi de undă scurte (albastre, violete și, îndeosebi ultraviolete). Dacă sursa de iluminare a plantei este asimetrică, în partea iluminată are loc formarea oxidativă a 3-metilen-oxindolului, un compus inactiv pentru procesele de creștere Datorită proceselor concomitente de biosinteză și degradare oxidativă, stocul auxinic dintr-un organ va fi alcătuit din precursori auxinici, auxine active, auxine vehiculate, auxine degradate și auxine nedisponibile. Substanțe stimulatoare sintetice. Paralel cu extragerea și separarea auxinelor naturale au fost sintetizate numeroase substanțe chimice, cu structură asemănătoare cu a compușilor endogeni, având o puternică influență asupra metabolismului plantelor și cu multiple aplicații în practica agricolă și horticolă. Aceste substanțe sunt: derivați ai indolului, naftalenului, acidului fenoxiacetic, acidului ftalamic și acizi benzoici substituiți. Cei mai activi compuși sintetici sunt acidul alfa-naftilacetic, acidul beta-naftoxiacetic, acizii alfa și beta-fenoxiacetici, acidul indolilbutiric,a cidul indolilproprionic, acidul 2,4-diclor-fenoxiacetic (2,4-D) și acidul 2, 4, 5-triclorfenoxiacetic (2, 4, 5- T). Relația dintre structura chimică și activitatea biologică. O moleculă activă de auxină naturală sau sintetică trebuie să aibă: -un sistem ciclic sub formă de nucleu indolic, naftalenic sau benzoic; -minimum o dublă legătură în ciclu; -o grupare carboxilică laterală; -minimum un atom de carbon pe partea laterală, între sistemul ciclic și gruparea COOH. Acțiunea fiziologică a auxinelor. Auxinele naturale și sintetice exercită diferite acțiuni fiziologice, care declanșează reacții particulare de creștere, dezvoltare și metabolism. Modificări citologice. Tratamentul auxinic intensifică creșterea prin extensie celulară, alungirea membranei celulare și îngroșarea ei interioară, prin depunerea de noi substanțe formative. Totodată sunt modificate proprietățile fizice ale membranelor (elasticitate, plasticitate, permeabilitate) proprietățile structurale(orientarea microfibrilelor de celuloză) și proprietățile chimice (natura proteinelor plasmatice, compoziția pectinelor). Auxinele la concentrații mai scăzute stimulează diviziunea celulară, iar la concentrații mai ridicate stimulează elongația celulară. 200 Figura nr. 94 – Reprezentarea schematică a funcțiilor acidului β-indolilacetic la plante (d. Steward, 1965) Stimularea germin ării semințelor. Tratamentele cu AIA, 2,4-D și ANA măresc facultatea și energia germinativă a semințelor și stimulează formarea radiculei și plumulei. Tulpinile necesită pentru alungire o concentrație mai ridicată (10 -5 – 10 -6 M) decât rădăcinile (10 -12 – 10 -10 M). În doze prea ridicate, auxinele determină tulburări morfologice, de la simple deformații (hipertrofii), la torsiuni, necrozări, fasciații, până la apariția de tumori (hiperplasii). Efecte asupra înrădăcinării butașilor, puieților și arborilor la transplantare. Unele auxine sintetice (AIA, ANA, 2,4-D, 2, 4, 5 -T) stimulează formarea rădăcinilor la specii care, în mod normal, înrădăcinează greu prin butași (Ilex, Forsythia, Magnolia, Evonymus, Taxus, Hibiscus, Clematis, Viburnum, Lonicera, Acer, Cornus, Rosa etc). Aplicarea acestor compuși este de perspectivă la butășire, marcotaj, transplantarea puieților din pepenieră, transplantarea arbuștilor și arborilor mari la alcătuirea spațiilor verzi (fig. 100). 201 Figura nr. 95 – Efectul auxinei (AIA) asupra formării rădăcinilor la butașii de Ilex opaca (B) comparativ cu butașii netratați (A) (d. Hitchcock și colab., 1940) Legat de rolul auxinelor în accelerarea diviziunii celulare din zonele de calusare, se utilizează pentru vindecarea rănilor la pomi și stimularea prinderii altoilor. Rolul auxinelor în formarea mugurilor și înflorire. În doze mari, auxinele mențin în stare de latență mugurii pomilor și de pe tuberculii de cartof. La măr, vișin, cireș, piersic și prun stropirile cu soluții de ANA întârzie deschiderea mugurilor florali cu 1-2 săptămâni, pentru a evita vătămările cauzate de gerurile târzii din primăvară. La legumele depozitate (cartof, morcov, ceapă, sfeclă roșie, gulie, nap), tratamentele cu auxine sintetice întârzie pornirea în vegetație a mugurilor. În declanșarea înfloririi un rol activ îl au auxinele endogene existente în ovar, la baza inflorescenței și în peduncul. Polenul conține de asemenea, auxine implicate în crșterea tubului polinic, în creșterea inițială a ovarului și a noului fruct. Efecte asupra formării și căderii fructelor. În timpul polenizării și fecundării are loc o biosinteză a auxinelor naturale. Creșterea fructului este stimulată de auxinele sintetizate în semințe, de unde difuzează în pulpa fructului și declanșează extensia celulelor. Pe baza administrării auxinelor exogene este posibilă formarea fructelor fără polenizare, obținându-se fructe partenocarpice (fără semințe) la tomate, vinete, pepeni, fragi, struguri, păr, măr etc. Încetarea creșterii fructului și căderea prematură se datoresc reducerii treptate a auxinelor și acumulării de substanțe inhibitoare naturale. În practica pomicolă se poate aplica metoda hormonală de combatere a căderii premature a fructelor prin stropiri cu soluții de ANA, 2,4-D și îndeosebi, de acid alfa-2,4,5-triclorfenoxiproprionic (10-20 ppm). Aceste tratamente previn căderea fructelor înainte de recoltare, accelerează maturarea lor și intensifică pigmentarea pieliței. Întârzierea îmbătrânirii țesuturilor. se poate realiza prin tratamente cu auxine, ceea ce poate fi asociat cu menținerea unui anumit nivel de proteine și acizi nucleici din țesuturile vegetale. 2028.5.1.2. Gibereline În urmă cu peste 50 de ani fitopatologul e. Kurosawa (1928) a descoperit efecte stimulatoare ale unor substanțe naturale prezente în ciuperca Giberella fujikuroi, care provoacă boala ,, bakanae” la orez, manifestată printr-o creștere exagerată a plantelor și decolorarea lor. Izolarea acestei substanțe active a fost făcută de T. Zabuta, care o denumește giberelină , după numele ciupercii care o produce. Compusul activ a fost ulterior preparat pe scară industrială și livrat sub numele de giberelină (În S.U.A.) și acid giberelic (în Anglia), mai ales după ce P.W. Brian (1955) a elaborat un procedeu mai perfecționat de cultivare a ciupercii Gibberella jujikuroi, pe un substrat glucidic, analog celui folosit la producerea penicilinei. În prezent se cunosc 52 gibereline, notate cu GA 1- GA 52, care au fost identificate prin metode moderne de separare și analiză (electroforeză, spectrometrie, cromatografie). Prezența giberelinelor în plante. Prin teste biologice specifice și separare cromatografică s-a reușit detectarea giberelinelor naturale în circa 130 specii de plante superioare (100 dicotiledonate și 30 monocotiledonate) (semințe de mazăre, fasole, lupin, orz, porumb, pepene; rădăcini de mazăre și fasole; frunze de grâu; tuberculi de cartof în curs de formare). Se găsește, de asemenea, în ciuperci, bacterii, alge, mușchi, ferigi. Locul de sintetizare a giberelinelor este în embrionii semințelor în curs de germinare, în frunzele tinere, mugurii apicali, organe florale, vârfuri de rădăcini. Din aceste zone circulă în toate țesuturile, prin xilem și floem, cu o viteză de 5 cm/oră. Structura chimică a giberelinelor. În structura chimică a giberelinelor există un schelet comun denumit giban, la care se anexează anumite grupări laterale. Diferențele dintre cele 52 forme de gibereline constau în numărul și amplasarea grupărilor hidroxilice, metilice și carboxilice laterale, prezența unei duble legături (la GA 3, GA 5, GA7, GA 22) și a radicalului lactonic. Biogeneza giberelinelor. Precursorul giberelinelor naturale este acidul mevalonic care trece dintr-un diterpenoid triciclic, apoi în Kauren, Kaurenol, acid Kaurenoic și, în final, în acid giberelic. Reacțiile până la ciclizare sunt catalizate de enzime solubile și au loc numai în prezența ATP și a ionilor de Mg. Aceste reacții au fost puse în evidență în semințe imature de pepene, mazăre, plantule de ricin și în ciuperca Gibberella. Precursorii obligatorii sunt transformați, prin reacții de hidroxilări intermediare, până la formarea aldehidelor GA 12, care printr-un lanț de izomerizări, trec în alte forme giberelice. În plantulele de Pisum sativum lanțul transformărilor metabolice este: GA 12→GA44→ GA19 → GA20→ GA29, iar în semințele de Curcubita maxima este: GA 12 →GA24→ GA36→ GA13→ GA43. Mecanismul acțiunii giberlinelor. Acțiunea giberelinelor asupra metabolismului hormonilor de creștere, determinând acumularea lor în țesuturi. Ulterior s-a arătat că giberelinele accelerează creșterea organelor vegetale, prin sporirea conținutului de auxine din țesuturi pe două căi: -stimularea sintezei auxinelor naturale, prin intensificarea procesului de transformare a unor precursori (de tipul triptofanului), care trec în triptamină și 203apoi în auxine endogene; conținutul de auxine sporește de 43 de ori la Hyoscyamus și de 200 de ori la mazăre după tratamentul cu GA 3; -frânarea degradării oxidative a auxinelor naturale, ca urmare a acțiunii giberelinelor de a inactiva sau reduce activitatea enzimelor responsabile de degradarea oxidativă a auxinelor (auxin-oxidazei). Totodată, giberelinele determină o intensificare pronunțată a diviziunii celulare din axul tulpinii, ceea ce este pus pe seama stimulării activității specifice a ARN asociat cu ADN ale căror molecule cresc în volum, în nucleul celular. Acțiuni fiziologice ale giberelinelor. Cele mai importante sunt: -Stimularea germinării semințelor. GA3 determină întreruperea stării de repaus seminal și stimulează energia și facultatea germinativă a seminețelor. Astfel, semințele de cartof care, normal, germinează numai după câteva luni de repaus, pot încolți numai după 7 zile prin tratament cu GA 3 (50-500ppm), la temperaturi de 10-15 0C. În mod similar, giberelinele întrerup starea de repaus la mugurii pomilor, arbuștilor și a tuberculilor prin modificările esențiale provocate în conținutul de proteine, aminoacizi, acizi nucleici și auxine din embrion și vârful de creștere. -Stimularea creșterii tulpinii. După un timp extrem de scurt în urma tratamentului cu GA 3, se constată o stimulare energetică a creșterii tulpinii și lăstarilor la plante, îndeosebi la nivelul țesuturilor tinere. Internodurile se alungesc prin intensificarea elongației celulelor epidermice și parenchimatice. Efecte de stimulare a creșterii tulpinii s-au constatat la numeroase specii de plante (fasole, mazăre, cartof, cânepă), care poate ajunge la 5 m înâlțime prin tratamente repetate, apoi la graminee, castraveți, dovleac. Dovlecel, topinambur, precum și la plantele floricole. La speciile care prezintă fenomenul de nanism (mazăre, fasole, bob, porumb, zorele), aplicarea giberelinei învinge această piticire, de natură genetică sau fiziologică, și provoacă o creștere rapidă a plantelor, de peste 10 ori față de martor. -Creșterea frunzelor. Prin tratamente cu GA 3 se realizează o stimulare a creșterii suprafeței foliare, ca urmare a intensificării extensiei celulare și a diviziunii celulare, ducând uneori la formarea de celule polinucleate. Crește suprafața frunzelor la lactuca, ridiche, țelină, mazăre, trifoi, cartof și mușcată. -Modificarea dominanței apicale. Aplicată direct pe mugurii axilari, inhibați în creștere de auxinele naturale, giberelina determină pornirea în vegetație a mugurilor laterali, învingând dominanța aplicală și dând o creștere stufoasă, cu multe ramificații laterale (de exemplu, la crizanteme). -Stimularea înfloririi și fructificării. Giberelinele accelerează înflorirea la lactuca chiar fără trecerea plantei prin faza de rozetă, morcov, ridiche, varză, tomate, fasole, dalia, petunia, salvie, crizantema, begonie, ciclamen. O particularitate deosebită în acțiunea giberelinelor constă în capacitatea de înlocuire, în unele cazuri, a inducției termice și fotoperiodice, provocând înflorirea în condiții în care, în mod natural, plantele nu înfloresc. Astfel, se poate provoca înflorirea plantelor bianuale (morcov, pătrunjel, sfeclă) încă din primul an de vegetație, în condiții termice în care plantele netratate au rămas în fază vegetativă de asemenea, este indusă înflorirea plantelor de zi lungă ținute în fotoperioade de zi scurtă ( Crepis tectorum , Silene armeria ,Rudbeckia sp) sau permite înflorirea în afara sezonului obișnuit 204( lăcrămioare). La castraveți și pepeni, GA 3 determină o modificare a raportului dintre florile mascule și femele, în sensul creșterii numărului de flori staminate. De asemenea, stimulează germinarea polenului și creșterea tubului polenic. În dezvoltarea ulterioară a fructelor se constată că la plantele tratate cu GA 3, GA4, GA 7 apare frecvent fenomenul de partenocarpie (măr, păr, piersic, cireș, vișin, struguri, tomate). Modificari în metabolismul plantelor: -scăderea conținutului de amidon datorită activității hidrolitice intense a alfa-amilazei din stratul aleuronic al semințelor de cereale și transformarea în zaharuri solubile; -scăderea conținutului de N total și proteic și modificarea compoziției aminoacizilor liberi; -creșterea conținutului de acizi nucleici (ARN, ADN) în zonele cu procese intense de diferențiere primară a celulelor și activitatea mitotică celulară; -întârzierea procesului de îmbătrânire a țesuturilor vegetale, prin menținerea unui anumit conținut de acizi nucleici; -corectarea efectelor negative provocate de viroze și de Botrytis; -intensificarea transpirației, fotosintezei și a respirației plantelor; -sensibilizarea la secetă și arșiță, prin intensificarea transpirației, crearea unui deficit de apă din țesuturi, diminuarea vâscozității plasmei etc. Aplicații practice. Se propune tratarea solului cu gibereline în vederea stimulării germinării semințelor de buruieni aflate în repaus și distrugerea lor înainte de semănatul plantelor de cultură. De asemenea, cu ajutorul giberelinelor, fabricile de bere pot folosi orzul cu germinație slabă pentru obținerea malțului. Cu gibereline se poate stimula creșterea gazonului în perioada de primăvară și toamnă, când temperaturile sunt prea scăzute; se poate provoca ramificarea unor plante floricole (crizanteme) și înfloritul mai timpuriu, cu obținerea unor flori mai mari și cu valoare decorativă superioară. 8.5.1.3. Citochininele Încă din anul 1982, J. Wiesner a consemnat existența probabilă a unei substanțe care, în concentrații foarte scăzute, declanșează și stimulează diviziunea celulară (citochineza). Compu șii naturali și sintetici. Aminopurina are capacitatea de a stimula diviziunea celulară în țesuturile calusului din măduva tulpinii de tutun. Toate substan țele cu activitatea biologică similară au primit denumirea de chinine, chinetine și mai recent fitochinine, citomine sau citochinine. Dintre acestea s-a adoptat dumirea de citochinine, care include substanțele ce determină un mare număr de reacții de crește și efecte fiziologice legate de reglarea diviziunii celulare, creșterea celulei prin extensie, diferențierea și organogeneza plantelor. Bioteste specifice și purificarea citochininelor. Prin bioteste cu sensibilități și specificități caracteristice, care permit detectarea unor cantități de citochinine în doze de 1-1000µ g/l, s-au identificat compuși endogeni la aproximativ 40 specii de plante superioare (semințe în curs de germinare de lactuca, mazăre, orz,lupin, în rădăcini,în seva circulantă prin xilem și în fructele tinere de măr, păr, piersic, prun, gutui,tomate ). 205 Prezența citochininelor în vasele conducătoare de lemn (xilem) arată că sinteza acestor compuși naturali se face în rădăcini, de unde migrează acropetal spre fructe, frunze și muguri, odată cu curentul de transpirație. Prin extragere și purificare a citochininelor naturale din boabe de porumb zaharat s-a izolat un compus în stare cristalină denumit zeatină. Acesta a fost ulterior identificată în hidrolizatele acidului ribonucleic din porumb, mazăre și spanac și sintetizată chimic. Ulterior s-a descoperit o altă citochinină (izopentiladenina) în bacterii, drojdii, mazăre spanac, precum și 1-trifenilureea din laptele de cocos. Atât zeatina cât și izopepentiladenina sunt de circa 10 ori mai active decât 6- furfurilaminopurina. În ultimii ani au fost sintetizați peste 50 de compuși chimici, care manifestă proprietăți similare cu citochininele naturale (1-enziladenină,6-benzilaminopurină, 6-fenilaminopurină,8-azochinetină). Biosinteza citochininelor. Citochininele endogene derivă din degradarea acizilor nucleici trecând prin anumite nucleotide. Sinteza citochininelor este paralel ă cu biosinteza sterolilor și a altor substanțe terpenoidice. În aceste procese, compusul central activ ar fi acidul mevalonic, un precursor pentru catena laterală dimetilalilică. Acțiunile fiziologice ale citochininelor. Asemenea ac țiuni sunt: Stimularea diviziunii celulare .Se datorește unor modificări esențiale în ciclu mitotic: reducerea duratei fazei presintetice (G1) din ciclul mitotic, intensificarea ritmului de sintetizare a ADN (S) și prelungirea perioadelor postsintetice. Totodată este influențată creșterea prin extensie celulară, iar din raportul dintre citochinine și auxine naturale rezultă procesele de diferențiere a țesuturilor, care determină sensul activității cambiale și dezvoltarea xilemului. Când în acest raport chinetina este în cantitate redusă are loc diferențierea rădăcinii, iar dacă chinetina este în doze mari se diferențiază mugurii. Prin efectul asupra stimulării creșterii tulpinii și asupra diferențierii și formării diferitelor organe există posibilitatea de reglare a formei caracteristice fiecărei specii, cu port înalt sau tufă ramificată. Diferențierea și formarea organelor la plante. Ca urmare a intensificării diviziunii și extensiei celulare au loc acțiuni organoformative, ca: -stimularea germinării semințelor, mai ales la temperaturi excesive; -stimularea form ării sistemului radicular și a tuberculilor de cartof; -stimularea formării și creșterii frunzelor, prin alungirea limbului pe un pețiol foarte scurt; -înlăturarea dominanței apicale, respectiv al rolului inhibitor al mugurului apical asupra creșterii mugurilor laterali, determinând o ramificare a creșterii tulpinii la Perilla , Centaurea , Crepis , Aster ,Ilex; -stimularea dezvoltării mugurilor, a organelor florale, a legării fructelor și semințelor în fruct, dezvoltarea ovarelor; -inducerea formării fructelor partenocarpice; -intensificarea transportului asimilatelor prin plante și acumularea acestora în țesuturile și organele cu rol primordial; -mărirea rezistenței plantelor la temperaturi scăzute sau ridicate, la infecții cu ciuperci, exces de umiditate, la substanțe chimice din doze toxice și îndeosebi la secetă, prin evitarea denaturării proteinelor și a acizilor nucleici din frunzele veștede 206Întârzierea îmbătrânirii țesuturilor . Prin proprietatea ce o au, de a stimula sinteza proteinelor, a pigmenților clorofilieni și a acizilor nucleici și prin polarizarea circulației metaboliților din țesuturile adiacente spre cele tratate, citochininele au rol esențial de a întârzia îmbătrânirea plantelor. 8.5.2. Substanțe cu acțiune retardantă În ultimele trei decenii a fost descoperit un nou grup de substanțe chimice cu proprietăți biologice caracteristice, ce se deosebesc atât de stimulatorii, cât și de inhibitorii de creștere. Acestea au un rol esențial în metabolismul plantelor, reducând o anumită perioadă ritmul proceselor de diviziune și elongație celulară din tulpini, ceea ce determină o frânare a creșterii în înălțime. Datorită efectului de ,,întârziere” a proceselor de creștere, aceste substanțe au primit denumirea de ,, retardanți”. Tipuri de compuși sintetici. Începând cu anul 1949 au fost sintetizați numeroși compuși chimici cu acțiune retardantă, care au fost înseriați sub denumirile de Compusul I, II, etc. Compusul I , a fost denumit 2,4-DNC sau clorura de 2,4-diclorbenzilnicotinium cu efecte de frânare a proceselor de elongație a tulpinilor, fără dereglări formative. Compusul II , face parte din grupul carbamaților de amoniu quaternar, cu rol în inhibarea sintezei giberelinelor, scăderea conținutului de auxine naturale și intensificarea activității auxin-oxidazei, a catalazei și peroxidazei. Are aplicabilitate în horticultură. Compusul III , denumit Carvadan, obținut prin izomerizarea inelului terpenic al preparatului Amo 1618. Este eficace în tratamentele la fasole și crizanteme. Compusul IV , denumit BOH sau betahidroxietilenhidrazidă, prezintă efecte retardante în frânarea creșterii în lungime a tulpinilor la castravete, tomate, mazăre, fasole etc., stimulând concomitent procesele de înflorire. Compușii V și VI sunt două forme izomere, sub denumirile de Fosfon-D și Fosfon-S. Au eficacitate la aplicarea pe sol pentru unele specii horticole (fasole, crizanteme, azalee, petunii etc.). Compusul VII are cea mai mare aplicabilitate în practica agricol ă și horticolă. Este un compus de amoniu quaternar analog al colinei, denumit clorură de (2-cloroetil) trimetilamonium, cunoscut și sub denumirile sinonime de Cycocel, CCC, Clorură de clorcolină, TUR, ZAR, Batyr, Chlormequat, Retacel, Antivylegac, Stabilan, WR-62, Emisuron, Liozin, kjukukel etc.Se livrează ca soluție sau cristalizat, în stare pură sau în amestec cu îngrășămintele chimice și cu unele fungicide și erbicide (2,4-D, DNOC, Dialen, Dicotex, Dinoseb, Fenuron, Monuron, Diuron). Aplicat ca soluție pe sol și mai ales prin stropiri pe frunze, în doze maxime de 2500-5000 ppm, funcție de sensibilitatea speciei, CCC acționează ca un antimetabolit, antigiberelină și antiauxină frânând unele sisteme enzimatice și biochimice implicate în sinteza substanțelor endogene cu rol stimulator. Compusul VIII , are denumiri similare B-9, B-995, Diamninozide, SADH și Alar-85. Este o formă stabilă a acidului N-dimetilaminosuccinamic, ca 2,2-dimetil hidrazida acidului succinic, indicat pentru tratamentul extraradicular cu soluții apoase (în concentrații între 1000-5000 ppm), cu mare eficacitate la numeroase specii vegetale, îndeosebi pomicole, viticole și legumicole. La pomi reduce creșterea lăstarilor, favorizează diferențierea mugurilor generativi și înflorirea abundentă, previne căderea 207fiziologică prematură a fructelor, intensifică colorația pieliței fructelor, reduce frecvența atacului unor boli, prelungește durata de păstrare a fructelor. Compușii neânseriați. Au structuri chimice foarte diverse, cel mai activ este acidul 2-cloroetilfosfonic, cu denumiri sinonime Ethrel, CEPA și Amchem 66-329, care în ultimii ani a cunoscut o mare extindere în producția horticolă mondială. Efectele stimulatoare asupra proceselor de înflorire, fructificare și maturare sunt corelate cu descompunerea treptată a Ethrelului, cu eliberare în exterior a etilenului. Similar cu produsul american Ethrel au fost sintetizați noi compuși chimici cu efecte retardante asemănătoare (Hidrel, Dehidrel, Camposan, Flordimex Permazian, Phynazol, Rollfrucht). Acțiuni fiziologice ale retardanților. Asemenea acțiuni sunt: Modificarea caracterelor anatomo-morfologice ale plantelor. Toate substanțele retardante frânează procesele de creștere în lungime a tulpinilor și lăstarilor, mai ales la nivelul internodurilor, care în momentul tratării se găsesc în faza intensă de diferențiere și alungire. La grâu are loc o reducere a lungimii paiului cu 20-45 cm. La plantele horticole se scurtează internodurile, se îngroașă tulpinile și este stimulată ramificația laterală, se obțin răsaduri viguroase de bună calitate. Stimularea înfloririi și maturării . După tratamentele cu retardanți este stimulată transformarea mugurilor vegetativi floriferi, este grăbită înflorirea (mai ales cu Ethrel ) și se reduce procentul florilor avortate, asigurând o bună fecundare și legare a fructelor. La plantele monoice și andromonoice (castravete, pepene, dovleac) se modifică exprimarea sexului prin tratamente cu Ethrel și Alar crește numărul de flori femele purtătoare de fruct, iar înflorirea se declanșează aproape simultan, înlesnind recoltarea mecanizată a fructelor și valorificarea cu cheltuieli reduse. La cerealele păioase (îndeosebi la grâu) s-a constatat că prin tratamente cu substanțe retardante se obțin sporuri ale producției de semințe cu variații funcție de soiuri cuprinse între 300 și 1100 kg/ha. Cel mai ridicat spor la producția de grâu de toamnă a fost de 1906kg/ha după tratamente cu CCC. La cartof se grăbește formarea tuberculilor, acțiune deosebit de importantă la culturile timpurii. La plantele floricole crește valoarea estetică și comercială prin dirijarea creșterii lăstarilor și a formei tufei și prin transformarea mugurilor vegetativi în muguri floriferi (azalee, hortensie, camelie, zorele, garoafe, crin etc.). În plantațiile de pomi (măr, păr, piersic, cireș etc.) se modifică raportul dintre creștere și producție, prin reducerea creșterii în lungime a lăstarilor, mărirea procentului de flori legate, stimularea creșterii fructelor, reducerea căderii premature a frunzelor și obținerea unei recolte de calitatea superioară, cu valoare comercială ridicată. Mărirea rezistenței plantelor la factorii nefavorabili . Îmbunătățind potențialul de adaptare a plantelor la diferiți factori noi de viață (homeostazie), retardanții măresc rezistența la temperaturi scăzute, secetă, arșiță, salinitate, boli și dăunători. Crește capacitatea de rezistență la ger și la brumele de primăvară și de toamnă la cereale, plante termofile – tomate, fasole, mazăre, bob,varză – precum și la arborii și arbuștii fructiferi. Aceste efecte sunt explicate prin mărirea forței osmotice a celulelor și creșterea conținutului de acid ascorbic și dehidroascorbic din frunzele și rădăcinile plantelor tratate cu retardanți. 208 Clorura de clorcolină mărește rezistența la secetă a plantelor prin păstrarea turgescenței țesuturilor o perioadă mai mare îndelungată, epuizarea mai lentă a rezervelor de apă din sol, reducerea intensității evapotranspirației și coeficientului de transpirație. Mărind presiunea osmotică a sucului celular, retardanții determină o creștere a toleranței plantelor la excesul de săruri din sol, contribuind la o valorificare superioară a țesuturilor sărăturoase. 8.5.3. Substanțe inhibitoare Activitatea auxinelor naturale din plante poate fi deseori mascată sau anihilată de anumite substanțe endogene, cu rol inhibitor. 8.5.3.1. Tipuri de inhibitori naturali și efectele lor fiziologice În majoritatea cazurilor, inhibitorii endogeni sunt lactone nesaturate, compuși fenolici simpli sau complecși, acizi organici și flavonoide, prezenți în diferite organe ale plantelor (semințe, bulbi, tuberculi,muguri etc.). Inhibitorii au capacitatea de a reduce sau anula activitatea substan țelor stimulatoare și de a provoca o inhibare a creșterii plantelor, cu intensități variate, până la starea de repaus profund. Inhibitorul beta. A fost extras din rădăcini și tulpini și separat prin cromatografie pe hârtie, cu efecte similare blastocolinelor care inhibă germinarea semințelor în fruct sau în perioada de latență. Acidul abscisic. Se presupune că acidul abscisic este prezent în absolut toate speciile vegetale, cu variații sezonale funcție de starea fiziologică a țesuturilor: frunze de Brassica oleracea ,Prunus persica ,Fragaria ananassa , lăstari de fasole, tomate, mazăre, lupin, măceș, tuberculi de cartof, semințele de porumb, mazăre, lupin, măr, viță de vie. Transportul acidului abscisic din zona de sinteză în cea de acțiune se face prin floem, de unde se extinde în seva xilemului. Circulația are loc după o polaritate distinctă, fiind de trei ori mai intensă în sens descendent decât ascendent. Florizinul. Este un inhibitor natural din grupa flavonoizilor. Acest compus rezultă din glicozidarea și condensarea polifenolilor și se sintetizează numai în frunze, la lumină de zi scurtă, din toamnă sau din primăvară. După sinteză, în frunze florizinul se descompune prin deglicozidare pe cale enzimatică, tot la lumină și trece în floretin, un compus ușor circulant, cu proprietăți stimulatoare asupra înfloririi și creșterii embrionare. Floretinul migrează în muguri, dar aici suferă o nouă glicodizare și trece în florizin, care exercită o acțiune pregnantă de inhibare în perioadă de repaus mugural din cursul iernii. Odată cu venirea primăverii, conținutul de florizin din muguri și tulpini scade brusc, prin transformarea lui în compuși înrudiți (floretin și acid floretic) care au acțiuni stimulatoare asupra creșterii mugurilor. Se consideră că din raportul cantitativ și calitativ al acestor compuși, cu proprietăți fiziologice diferențiate, ar rezulta ritmul proceselor de creștere a plantelor în diferite sezoane și faze de vegetație. Cumarina. Este o lactonă nesaturată, care se sintetizează în frunze și se acumulează în diferite țesuturi vegetale (fructe, semințe), la specii din familiile Umbelliferae, Rutaceae, Papillionaceae, Orchidaceae. Acidul cinamic. Există în plante sub două forme izomere (cis și tras). Se consideră că ar fi un precursor al cumarinei care rezultă dintr-un lanț de transformări: 209Acid cis-cinamic → acid trans-cinamic → acid cumaric → cumarin ă. Scopoletina. Prezentă în aproape toate organele vegetale, scopoletina poate fi sub formă liberă, fie sub formă glicozidică. Efecte de inhibare naturală în diferite țesuturi au mai fost constatate la unii acizi organici (malic, citric, ferulic, cafeic), alcaloizi (chinina, cafeina, cocaina, fisostignina), precum și compusul antimitotic narciclasina existentă în bulbii de Narcissus . Efectele fiziologice ale inhibitorilor naturali. Acidul abscisic are multiple întrebuințări: -prezintă o evidentă acțiune antigiberelică, antiauxinică, antichininică; -menține starea de repaus a plantelor fiind prezentă în țesuturile meristematice (embrion, cambiu, meristeme apicale, oosfere nefecundate), precum și în coaja tuberculilor de cartof. -reglează creșterea mugurilor și înflorirea prin modificarea raportului dintre substanțele stimulatoare (auxine, gibereline, citochinine) și cele inhibitoare; -favorizează procesul de abscisie (cădere) a fructelor și frunzelor prin grăbirea formării stratului de separare din pețiol și peduncul, ceea ce înlesnește unele aplicabilități practice evidente (rărirea florilor și fructelor tinere evitând fenomenul de periodicitate a rodirii; ușurează recoltarea fructelor la maturitate prin slăbirea aderenței pedunculului; poate contribui la defolierea plantelor la momentul dorit de cultivator); -previne încolțirea semințelor din fruct; – grăbește îmbătrânirea la secetă a plantelor, prin reglarea mișcărilor de închidere și deschidere a stomatelor. Florizinul acționează ca antimetabolit, întrerupând sinteza acizilor nucleici și a proteinelor și inhibând procesul de respirație și de fosforilare oxidativă. Cumarina inhibă încolțirea semințelor prin efectul de frânare a diviziunii mitotice celulare și a creșterii sistemului radicular. 8.5.3.2. Inhibitori sintetici Colaborarea dintre chimi ști și fiziologi a permis sintetizarea a numeroși compuși cu rol de inhibare diferitelor procese metabolice la plante pentru scopuri legate de cerințele imediate ale practicii agricole. Hidrazida maleică împiedică diviziunea celulară în apexul tulpinii și alte țesuturi meristematice; determină o reducere a lungimii lăstarilor la pomi și mărirea numărului de lăstari florali în anul următor; provoacă întârzierea înfloririi inhibarea formării inflorescențelor, atunci când tratamentul se face în timpul antezei; inhibă încolțirea tuberculilor de cartof și a bulbilor de ceapă în timpul păstrării în depozite. Toate aceste procese de inhibare au dus la ideea utilizării hidrazidei maleice în efectuarea cârnitului chimic, înlocuind cârnitul manual la unele specii de plante (viță de vie, unii pomi fructiferi și arbuști decorativi). Efectele de inhibare se datoresc unei blocări a anumitor sisteme enzimatice, dereglării metabolismului hidraților de carbon și stimulării activității AIA-oxidazei, ceea ce explică proprietățile de antiauxină. Actinomicin-D este un puternic inhibitor al metabolismului nucleinoproteic, oprind creșterea plantelor. Aceste efecte se explică prin blocarea sintezei acidului 210ribonucleic și a proteinelor, blocarea activității enzimelor fotosintetice, inhibarea creșterii prin extensie a membranelor celulare, reducerea forței de turgescență și a conținutului de glucide. Chloramfenicol are un puternic efect antigiberelic manifestat prin: inhibarea sintezei proteinelor solubile; reducerea conținutului de pigmenți foliari, prin dezorganizarea structurală a cloroplastelor și inhibarea formării lamelelor din plastide; diminuarea intensității proceselor fotosintetice și a sintezei glucidelor solubile în membranele celulare; dereglarea proceselor mitotice, provocând rupturi cromozomale în metafază și anafază. Puromicina este un antimetabolit care inactivează unele enzime implicate în sinteza antocianilor. 8.6. Vitaminele ca substanțe bioactive Procesele de creștere, dezvoltare și metabolism sunt dirijate și de alte substanțe cu rol bioactiv, atât naturale cât și sintetice. Dintre cele naturale menționăm vitaminele, iar dintre cele sintetice erbicidele. Vitaminele sunt substanțe naturale nehormonale și necalorigene, cu structuri chimice mult diversificate, dar apropiate prin activitatea lor biologică. Plantele conțin cantități foarte mici din unele substanțe speciale, necesară în buna funcționare organismului uman. Denumirea de vitamine a fost dată de Cazimir Funk (1912), care le considera drept amine necesare vieții ( vita-aminae ). Deși nu toate vitaminele au aceeași compoziție chimică și nu aparțin în întregime din grupa aminelor, totuși denumirea generală dată de Funk se păstrează până în prezent. Clasificarea vitaminelor. Vitaminele au fost notate cu litere mari ale alfabetului și poartă denumirea corespunzătoare structurii lor chimice sau efectului principal exercitat asupra organismelor umane și animale. După natura solubilității, vitaminele sunt împărțite în două grupe: liposolubile și hidrosolubile. Vitaminele liposolubile sunt: vitamina A (axeroftol)-antixeroftalmică; vitamina D (calciferol)- antirahitică; vitamina E (tocoferol)- antisterilității; vitamina K (filochinona)-antihemoragică; vitamina F (amestec de 3 acizi grași nesaturați: linoleic, linolenic, arachidonic). Vitaminele hidrosolubile sunt: vitamina B 1 (tiamina)- antineuritică sau antiberiberică; vitamina B 2 (riboflavina); vitamina B 6 (adermina)- antidermatică; vitamina B 12 (codamina) –antianemică; vitamina Bc (acid folic); vitamina C (acid ascorbic)- antiscorbutică; vitamina H (biotina); vitamina H 1 (acid para-aminobenzoic) – antiacromatică; vitamina P (citrină + rutină)- permeabilității; vitamina PP (amida acidului nicotinic)- antipelagroasă. Biosinteza vitaminelor în plante . Vitaminele se găsesc în aproape toate speciile vegetale, atât la plantele inferioare cât și la cele superioare. Vitamina A (axeroftol) este un derivat al carotenului, sintetizat în cantități mari în frunze și tulpini. Molecula de vitamină A reprezintă o jumătate din molecula de caroten, din care rezultă prin scindare oxidativă, în prezența unei diastaze numită carotinază. Sursele cele mai bogate în provitamina A sunt: lucernă, morcov, salată, spanac, pătrunjel, tomate, ceapă verde, caise, cireșe și prune. În cantități foarte reduse vitamina A 211se află în cartofi, castraveți, sfeclă, gulii, ceapă uscată, struguri, mere, pere, nuci, alune, din care uneori poate lipsi total. Rolul vitamina A constă în catalizarea proceselor oxidative și în stimularea sintezei purinelor, constituenți importanți ai nucleului celular. Vitamina B 1 (tiamina) se sintetizează numai în frunzele mature ale plantelor, de unde migrează prin țesutul liberian spre organele de acumulare. Predomină în germenii semințelor de grâu și orez, soia linte, bob, mazăre, nuci, struguri, morcov, spanac, cartof, sfeclă, salată,varză, mere, pere. Intră în compoziția carboxilazei, care scindează acidul piruvic în procesele de catabolizare a glucidelor. Are rol important în transformarea glucidelor și a triptofanului din plante. Este descompus ă enzimatic de tiaminaza descoperite în plantele de ferigă și Equisetum. Vitamina B 2 (riboflavina) se găsește în plantele de tomate, sparanghel, ovăz, frâu, frunze de pătrunjel, salată, spanac, mazăre, caise. Are rol în sinteza unor enzime oxido-reducătoare (dehidraze). Activată prin fosforilare participă în reacțiile de oxidare celulară, legate de procesele respiratorii. Vitamina B 6(adermina,piridoxina) predomină în tărâțele de orez, de grâu, porumb, mazăre, spanac, cartof. Are rol în biosinteza proteinelor și acizilor grași, întrucât conține trei derivați piridinici (piridoxină, piridoxamină, piridoxal) ai căror esteri fosforici îndeplinesc funcția de coenzime, cu activitate esențială în anumite transformări metabolice (transaminaze, decarboxilarea aminoacizilor, utilizarea triptofanului, metabolismul lipidic). Vitamina B 12 (codamina) se găsește în diferite microorganisme și în boabe de mazăre. Are rol în sinteza acizilor nucleici implicați în diviziunea celulară și în sinteza aminoacizilor cu sulf. (metionina). Vitamina C (acidul ascorbic) are ca precursori în plante glucoza și galactoza, care prin oxidare dau acizii uronici (acid glucuronic și acid galacturonic). Aceștia trec mai departe în acid oxipiruvic și aldehidă glicerică iar prin condensare dau acidul ascorbic. Vitamina C a fost izolat ă prima dată din sucul de portocale, varză și ardei. În plante vitamina C se găsește ca acid ascorbic și acid dehidroascorbic, asociat cu proteinele, cu care formează un complex numit ascorbigen. Vitamina C din țesuturile vegetale conține, în medie 5% acid dehidroascorbic. Vitamina C predomină la plante din familiile Iridaceae șiRosaceae ; cantități mari se găsesc în: Gladiolus gandavensis ,Maringo oleifera ,Juglans regia (frunzulițe și fructe necoapte), Rhamnus cathartica , fructe de măceș, în lămâi, mandarine, coacăze negre și roșii, ardei, varză, pătrunjel, cartofi tineri, tomate. Are rol de transportor de hidrogen în procesele oxidative celulare și de protejare a organismelor față de factori nefavorabili abiotici (ger, secetă), față de boli și intoxicații chimice. Evită degradarea fotochimică a heteroauxinei . Vitamina D (calciferol) lipsește din plante în stare finită, însă apare sub formă de fitosteroli (provitamina D) care trece în vitamina D sub acțiunea radiaților ultraviolete. Vitamina E (alfa- și beta-tocoferol) se sintetizează numai în plante și predomină în uleiul din semințele de grâu, porumb, orez, ovăz, bumbac, soia, floarea-soarelui. Tocoferolul provine din fitol și se depozitează mai întâi în cloroplastele frunzelor. 212Vitamina H (biotina) are rol în transformările unor aminoacizi și exercită funcția de coenzimă în metabolismul glucidelor și al acizilor organici. Predomină în tomate, muguri, tuberculi de cartof, unele semințe, grăunciori de polen, cotiledoane, cambiu etc. Vitamina K (filochinona) apare ca un derivat al naftochinonei; este prezentă în urzică, lucernă, spanac, conopidă, varză, morcov, tomate. Vitamina P este conținută în cantități mari în fructele de coacăz și lămâi și are rol în respirația plantelor, constituind un sistem oxidoreducător. Vitamina PP (acidul nicotinic) intră în compoziția unor enzime oxidoreducătoare (dehidraze) și a coenzimelor NAD +și NADP + . Formează gruparea prostetică a unei dehidraze care participă la fermentația alcoolică. Stimulează formarea rădăcinilor. Este prezentă în tărâțe de orez și grâu, frunze de spanac, varză, conopidă, piersice, prune, mere. Modificarea con ținutului de vitamine în ontogeneza plantelor. În cursul ontogenezei există o variație mare în dinamica de acumulare a vitaminelor în diferite organe ale plantelor. În semințele uscate ale plantelor vitaminele se găsesc în cantități foarte reduse. Ele se sintetizează în timpul germinației, îndeosebi din a treia zi, când procesele metabolice se intensifică ajungând la 10-12 zile de la începutul germinației la un conținut de 5-50 ori mai mare decât în semințele negerminate. Acumularea maximă în plante este realizată în perioada înfloririi și a fecundării, când au loc cele mai intense migrații de vitamine din frunze spre organele de reproducere (fructe,semințe). Toamna se constată o scădere bruscă a conținutului de vitamine din frunze datorită îmbătrânirii țesuturilor foliare sau pregătirii plantelor pentru repausul de iarnă. În tuberculii de cartof, acumularea vitaminei C înregistrează un maxim în faza de înflorire, după care urmează o scădere treptată până la maturitatea fiziologică, diminuare continuată și în timpul păstrării tuberculilor în depozite. La cereale, în faza formării boabelor are loc o creștere energetică a conținutului unor vitamine (B 1,B2, Bc, H, PP), cu un maximum în perioada coacerii în lapte sau în ceară. Acțiunea vitaminelor asupra proceselor de creștere a plantelor. Vitaminele sintetizate în plante exercită acțiuni bine definite asupra proceselor de creștere și reproducere. Fiind substanțe organice specifice de importanță vitală, vitaminele sunt capabile să producă modificări fiziologice profunde. Unele alcătuiesc grupul prostetic al enzimelor, contribuind la transportul de H + în oxidoreduceri sau a acidului fosforic în schimburile energetice. Vitaminele C, B 1, Bc și PP stimulează energia germinativă a semințelor, creșterea embrionului, creșterea tulpinii și a rădăcinii, înrădăcinarea butașilor unor specii lemnoase (Vitis, Mahonia ,Morus ,Platanus , Cytrus ). Vitaminele C, A, B 1, B2 stimulează formarea și germinarea grăunciorilor de polen, creșterea tubului polenic și procesele de fecundare. Vitaminele B 1și PP pot mări producția la mazăre, ridichi, lucernă, trifoi, Agrostis , Poa. Vitamina B 1 mărește producția la morcov, varză tutun și intensifică procesele de creștere la Cosmos șiCamelia . 213 Vitaminele B 1, B6, C și PP măresc recolta de grâu, tomate, tutun, floarea-soarelui, hrișcă și bumbac, ca urmare a creșterii semnificative a masei vegetative, aeriene sau subterane . În înrădăcinarea butașilor la diferite specii pomicole și viticole, vitamina PP are un rol esențial, alături de auxinele naturale. Procesele de fecundare sunt autodirijate, ca efect direct al prezenței vitaminelor C, B, A și PP care stimulează formarea și germinarea grăunciorilor de polen din floare, creșterea tubului polenic, polenizarea și fecundarea. Cercetările făcute la bumbac au arătat că vitaminele B 6, C și PP măresc numărul de capsule și de semințe, reducând căderea ovarelor și asigurând o îmbunătățire a nutriției organelor generative. Totodată are loc o grăbire a proceselor de înflorire și maturare. Vitamina C are capacitatea de a mări gradul de adaptare biologică a plantei la condițiile variabile ale mediului ambiant (homeostazie), îndeosebi rezistența la ger și secetă. Aceasta se explic ă prin caracterul puternic reducător al acidului ascorbic cu rol intensificarea reacțiilor de oxidoreducere. 8.7. Erbicidele și mecanismul fiziologic de acțiune a lor După modul de acțiune, erbicidele se împart în două grupe: a)erbicide de contact, care pătrund în țesuturile plantei și distrug direct celulele prin efecte toxice sau corozive locale (100kg/ha H 2SO4, 200kg/ha FeSO 4, clorat de natriu, arseniați, sulfamați, tiocianați, cianamida de Ca, tetraborat de Na); b)erbicide sistemice (translocate), care pătrund în sistemul circulator al plantelor (xilem, floem) și provoacă perturbări generalizate în metabolism, manifestate prin modificări histologice și fiziologice. Erbicidele se aplică în sol sau prin stropirea plantelor (erbicide foliare). Mecanismul acțiunii selective. Erbicidele sistemice sunt absorbite de rădăcinile tuturor plantelor (cultivate sau buruieni) și vehiculate, prin vasele conducătoare, la diferite țesuturi. Speciile rezistente la erbicidul respectiv au capacitatea de degradare enzimatică și biochimică a grupărilor toxice, pe care le transformă în substanțe inactive sau chiar stimulatoare. Alte specii nu posedă garnitura corespunzătoare, iar grupările toxice rămân active și provoacă un dezechilibru metabolic, modificări histologice și fiziologice ca: blocarea fotosintezei și a respirației, inhibarea sintezei proteinelor și a acizilor nucleici, dereglarea funcțiilor mitocondriale energetice, oprirea diviziunii celulare, distrugerea țesuturilor sau a plantei întregi. Selectivitatea unui erbicid se datore ște configurației lui structurale, compoziției chimice și proprietăților fiziologice. Întrucât există o mare diversitate a garniturilor enzimatice caracteristice genurilor și speciilor de plante, nu poate exista erbicid cu aplicabilitatea universală, care să distrugă toate buruienilor din culturile agricole și horticole. La erbicidele foliare, eficacitatea depinde și de structura morfologică și fiziologică a plantelor; dicotiledonatele, cu suprafață foliară mare, rețin o cantitatea mai mare de soluție decât monocotiledonatele, iar speciile cu strat ceros pronunțat pe limb rețin mai greu soluția de erbicid și sunt mai puțin sensibile. 214Particularități în eficacitatea unor erbicide. Erbicidele sistemice pe bază de 2,4-D (acid 2,4-diclorfenoxiacetic) și MCPA (acid 4-cloro-2-metilfenoxiacetic) fac o grupă separată, care acționează ca substanțe stimulatoare de creștere în doze mici și inhibitoare în doze mari ce provoacă moartea plantelor ca urmare a unor fasciații, răsuciri, îndoiri, crăpături în epidermă și înmulțirea haotică a celulelor. Simazinul se aplică pe sol la culturile de porumb, măr, păr, prun, viță de vie, frag, căpșun, zmeur, coacăz, unele legume (morcov, sparanghel, fasole, mazăre, ridiche, cartof, sfeclă roșie), terasamente de cale ferată, terenuri de sport, drumuri, parcuri, piețe, canale de scurgere K. Roth corelează activitatea erbicidului cu conținutul plantelor în polifenoli, activitatea peroxidazei și potențialul redox, necesar pentru funcționarea normală a clorofilei. Atrazinul, aplicat prin stropiri pe frunze după răsărirea plantelor, se folosește la culturile de porumb, sorg, viță de vie și pomi, distrugând majoritatea buruienilor, cu unele excepții (costrei, pir, volbură, coada calului). Prometrinul (Gesagaard 50) este un erbicid pe bază de fenol, din grupa triazinelor, aplicat la culturi de cartof, floarea-soarelui, fasole, morcov, tomate și lucerniere tinere. Surcopur șiStam F 34 sunt erbicide selective pentru cultura de orez, eficace în combaterea buruienilor: Avena fatua , Thypha latifolia , Cynodon dactylon ,Amaranthus , Capsella bursa , Chenopodium etc. 8.8. Corelațiile și dominanța apicală Sunt interacțiunile fiziologice stabilite între organele și țesuturile plantelor care conduc la o creștere armonioasă a tuturor părților plantei și mențin o rezervă de muguri pentru ciclurile următoare de vegetație. Mugurii dorminzi de sub scoarța tulpinii rămân în stare de repaus și nu pornesc în creștere pentru a da noi lăstari decât după îndepărtarea mugurului terminal (apical) sau a întregii coroane, deoarece asupra mugurilor dorminzi a fost exercitată o inhibare de natură hormonală din partea formațiunilor de creștere din coroană, car îi mențin în stare de repaus prelungit. Dacă se îndepărtează vârful tulpinii sau al lăstarului principal, mai mulți muguri axilari dau naștere la lăstari noi și determină formarea tufei globulare (de exemplu mazăre, unele specii floricole). Dominanța apicală este cu a atât mai slabă cu cât mugurii laterali sunt mai depărtați de vârf. La unele specii ( Vicia ,Cicer ,Inula , anumite Labiatae ) inhibarea hormonală nu este atât de puternică, iar din mugurii axilari pot apărea lăstari scurți, cu câteva frunze. La Kochia dominanța apicală lipsește total, iar planta crește sub formă de tufă. Această dominanță apicală, exercitată de mugurul din vârf, se explică prin sensibilitatea diferită a mugurilor față de concentrațiile mari de auxine naturale acumulate în apex. De aici, auxinele migrează descendent prin tulpină sau lăstar și inhibă creșterea mugurilor laterali, mult mai sensibili; numai după îndepărtarea mugurului apical se ajunge la o concentrație optimă de auxine în mugurii laterali, care cresc și formează lăstari. Frânarea creșterii mugurilor axilari nu se datorește numai auxinelor, ci și unor substanțe inhibitoare de tipul cumarinei, care se formează în rădăcini și frunze mari, de unde migrează spre tulpini; după combinarea cu auxinele devin inhibitori ai corelației, cu efecte negative asupra mugurilor axilari sau dorminzi. 215La unele plante lemnoase, în timpul maturării lemnului mugurii intră în repaus, datorită acționării substanțelor inhibitoare migrate din frunze, iar raporturile dintre muguri se modifică prin dispariția dominanței apicale. La plante există și o dominanță fiziologică, explicată prin concurența pentru substanțele nutritive dintre organele de fructificare și restul plantei, dintre frunze și muguri, dintre rădăcini și masa aeriană. Organele de fructificare (flori, fructe) polarizează substanțele nutritive și exercită acțiuni negative asupra mugurilor. De aceea, în anii cu fructificare puternică și pe un fond nutrițional insuficient au loc o creștere redusă a plantelor și o și o micșorarea numărului de muguri floriferi pentru anul următor. Cunoașterea fenomenului de corelație dintre organe permite dirijarea masei aeriene și a sistemului radicular, prin tăieri raționale (în uscat sau în verde) și prin administrări de substanțe hormonale sintetice (la palmete, garduri vii, transplantări). 8.9. Regenerarea și polaritatea Regenerarea este procesul fiziologic prin care organismul se reface din părți izolate (tulpini cu muguri, rădăcini, frunze, calus, celule individualizate). Se formează țesuturi și organe, cu funcții bine definite. Regenerarea stă la baza înmulțirii vegetative prin frunze ( Bryophyllum ), stoloni (Fragaria ,Ajuga reptans ,Mentha ), marcote (vița de vie), butași de tulpină (pomi fructiferi), butași de frunze ( Begonia ). Altoirile au la bază tot un proces de regenerare a calusului dintre altoi și portaltoi. Cultura de țesuturi sau cu suspensii de celule este o formă nouă de înmulțire vegetativă pornind de la meristeme, măduva tulpinii, floem, calus sau chiar dintr-o singură celulă somatică. Prin această metodă s-a obținut în serie, de noi plantule la speciile de Rosa ,Daucus , Nicotiana , Dianthus , Heliantus , Orchidee . Polaritatea este însușirea plantelor de a forma la capete opuse organe diferite ca structură anatomo-morfologică. La plantele superioare terestre se distinge o axă longitudinală care se termină cu rădăcini la polul inferior și cu vârful de creștere la polul superior. Aceast ă polaritate în repartiția organelor este o expresie a diferențierii funcțiilor și a specializării organelor cu anumite funcții. Fenomenul se manifest ă și la organe sau părți de organe separate. În cazul regenerării plantelor de butași (de exemplu, Salix ,Pelargonium ,Vitis etc.), la capătul inferior morfologic se vor forma rădăcini (pol rizogen), iar la capătul superior se formează lăstari cu frunze (pol caulogen). Poziția și funcțiile celor doi poli se corelează cu sensul polar de circulație a auxinelor naturale din lăstari. Prin migrarea auxinelor spre polul rizogen se micșorează cantitatea de auxină din partea superioară, mugurii sensibili la auxine nu mai sunt inhibați și pornesc în creștere, dând lăstari. 216 Figura nr. 102 – Fenomenul de polaritate la butași de Salix (butași în poziție normală și inversă) (d. Boldor și colab., 1981) La unele specii (Hedera )polaritatea nu are un caracter atât de fix, iar inversarea poziției butașilor, determină schimbarea poziției celor doi poli morfologici. În practica viticolă și pomicolă, prin operațiile de tăiere, inelări, cercuiri sau adăugarea de auxine se poate inversa polaritatea, funcție de scopurile urmărite; prin efectuarea unei inelări la mijlocul butașului, fiecare din porțiunile despărțite prin inel se comportă ca un butaș aparte. Capitolul 9 MIȘCĂRI DE ORIENTARE ȘI DE CREȘTERE LA PLANTE Mișcarea este o însușire esențială a materiei vii, întâlnită atât la animale cât și la plante. La plante, mișcarea se realizează prin deplasarea în întregime sau prin orientarea organelor spre sursele de substanțe nutritive, de apă și de energie necesare sintezei substanțelor organice. Deci aceste mișcări sunt rezultate din orientarea organelor plantei în spațiu pentru îndeplinirea optimă a funcțiilor de nutriție, de apărare și de înmulțire. Mișcările pot fi pasive, în efectuarea cărora plantele nu intervin și active, pentru care plantele consumă energie proprie. Ambele categorii de mișcări se întâlnesc atât la plantele libere, cât și la cele fixate de anumite substraturi. 9.1. Mișcările pasive Mișcările pasive se realizează pe baza unor adaptări ce permit plantelor întregi sau anumitor organe ale acestora să fie răspândite dintr-un loc în altul. Majoritatea mișcărilor pasive se bazează pe mecanisme fizice. Aceste mișcări se întâlnesc mai ales la plantele fixate de substrat și se realizează prin modificarea volumului celular. 9.1.1. Mișcări prin imbibiție 217 Sunt caracteristice fructelor uscate și se realizează prin modificări inegale ale volumului diferitelor părți care alcătuiesc organul, sub acțiunea apei de imbibiție anizotropă, pătrunsă în micelele celulozice. Ca exemplu pot servi p ăstăile de Orobus vernus care pe timp de secetă se desfac, executând o răsucire într-o spirală spre interior. Figura nr. 96 – Păstăi de Orobus vernus (d. Péterfi și Sălăgeanu, 1972) a – în stare închis ă; b – în curs de deschidere 9.1.2. Mișcări prin coeziune Sunt prezente la sporangiile ferigilor. Între membranele celulare și apa pe care o conțin, forța de coeziune ajunge la valori până la 1000 atm. provocând mișcări ale plantelor. Asemenea mișcări se găsesc și la celulele endoteciului de la antere; acesta are îngroșări în formă de stea pe fața internă și în formă de cordoane paralele pe fețele laterale. Când se pierde apa, membranele externe subțiri și elastice sunt trase spre interior, realizându-se un mecanism de deschidere a anterei (fig.97). 218Figura nr. 97 – Sporange de Polypodium (d. Boldor și colab., 1981) a- văzut din față; b – din profil; c – sporange deschis 9.1.3. Mișcări prin aruncare Sunt caracteristice filamentelor staminelor unor plante din familia Urticaceae. La maturarea polenului, anterele concrescute la baza filamentelor se desprind de acestea și execută o mișcare bruscă de întindere, aruncând polenul la o distanță oarecare. 9.2. Mișcările active Mișcările active sunt fenomene întâlnite frecvent în viața plantelor și se efectuează cu un consum de energie. Din această categorie fac parte mișcările intracelulare, mișcările plantelor fixate de substrat și mișcările plantelor libere. 9.2.1. Mișcări intracelulare Sunt mișcările pe care le fac organitele celulare, cum ar fi mișcarea nucleului, a cloroplastelor și a citoplasmei. Mișcarea cloroplastelor . S-a constatat atât la plantele inferioare cât și la plantele superioare. În celulele palisadice ale frunzelor aeriene, cloroplastele se orientează permanent cu muchia pe direcția razelor de lumină. Când lumina este mai slabă, cloroplastele se aglomerează pe pereții transversali, cu latura mai mare orientată spre razele de lumină. Mecanismul mișcării este explicat fie prin curenții protoplasmatici, care antrenează cloroplastele în mișcare fie prin modificarea tensiunii superficiale a învelișului lor. Mișcările nucleului. Aceste mișcări au putut fi observate în perii absorbanți ai rădăcinilor și în tuburile polinice, unde nucleii se deplasează spre punctele cu activitate metabolică mai intensă. În cazul unei răniri, nucleii se deplasează către peretele celular din apropierea rănirii. Mișcarea citoplasmei. Curenții citoplasmatici sau identificat în perii absorbanți de pe rădăcinile de graminee, perii de pe frunzele de Tradescantia ,Vallisneria spiralis și la alte plante; viteza curenților depinde de intensitatea desfășurării reacțiilor metabolice. Viteza de circulație a curenților citoplasmatici se determină cu ocularul micrometric, urmărind deplasarea unui cloroplast în lungul peretelui celular. Mișcarea cloroplastelor poartă denumirea de dineză. Substanțele glucidice simple stimulează viteza de circulație a citoplasmei, intervenind ca sursă de energie. 9.2.2. Mi șcările plantelor fixate pe substrat La plantele fixate de substrat s-au constatat atât mișcări pasive, cât și mișcări active. Anumi ți factori externi, cum ar fi lumina, apa, gravitația, concentrația substanțelor chimice, pot provoca la plantele fixate de substrat excitații, ce vor determina o reacție în modul de orientare a organelor. La plantele superioare, excitanții externi produc așa numitele tropisme. Acestea pot fi: paralelotrope și plagiotrope. Tropismele 219paralelotrope orientează organul, în creșterea sa, paralel cu direcția excitantului; atunci când organismul în creștere se îndreaptă spre excitant, mișcarea este pozitivă, iar când se orientează în sens invers excitantului este negativă. În mișcările plagiotrope, organele iau poziții oblice față de direcția excitantului sau perpendiculare. Excitanții provoacă multiple multiple modificări în protoplasma celulară. Datorită excitanților are loc creșterea permeabilității membranelor, o scădere a vâscozității, se modifică potențialul electric și intensitatea respirației. Aceste modificări se produc într-un timp relativ scurt și se propagă în lungul protoplasmei celulei și a organului respectiv. După excitație și reacție au loc fenomene de revenire la starea inițială a coloizilor, a permeabilității și a potențialului electric. Din această categorie fac parte tropismele și nastiile. 9.2.2.1. Tropismele Tropismele sunt mișcări de creștere determinate de acțiunea unilaterală a unui factor. Tropismele pot fi pozitive, când organul în creștere se orientează în direcția de acțiune a excitantului și tropisme negative, când organul se orientează opus direcției excitantului. Reacția se produce prin curbarea organelor și se clasifică după natura excitantului în: geotropism, fototropism, chemotropism, electrotropism etc. Geotropismul. Este mișcarea de creșterea plantelor provocată de acțiunea unilaterală a forței de gravitație. Geotropismul orientează organele plantelor pe direcția acțiunii forței de atracție a Pământului. Aceasta explică poziția verticală a tulpinilor plantelor care cresc pe un teren înclinat. Geotropismul este prezent atât la plantele superioare, cât și la plantele inferioare (alge, ciuperci și licheni). La plantele superioare orientarea organelor nu este supusă întâmplării, tulpina întotdeauna va crește în sus (geotropism negativ), iar rădăcina în jos (geotropism pozitiv). Datorită acestui fapt rădăcina pătrunde în sol, absoarbe apa, substanțele minerale, tulpina iese la suprafața pământului și frunzele se orientează în poziție potrivită pentru captarea energiei solare. Sub acțiunea unilaterală a forței de gravitație se creează în plantă o stare de excitație ce se repartizează inegal pe partea inferioară și superioară, care va duce la o reacție de curbare a organismului. Timpul de excitare necesar pentru a produce curbură vizibilă poartă denumirea de timp de prezentare . Locul de percepere a excitației geotrope a fost cercetat de către Ch. Darwin (1880), prin îndepărtarea unor porțiuni din vârful rădăcinii și tulpinii principale puse apoi în poziție orizontală (fig. 98). Figura nr. 98 – Curbură negativ ortogeotropă a tulpinii (t) și pozitiv ortogeotropă a rădăcinii (r) a unei plăntuțe; s-sămânță (d. Péterfi și Sălăgeanu, 1972) 220După modul de reacție s-a stabilit că rădăcinile principale percep excitațiile produse de forța gravitație la vârful lor, pe distanța de 3-5mm de la vârf, iar tulpinile principale pe o lungime de 10-20 mm de la vârf. În anul 1892, Noll a arătat că excitația geotropă este percepută de către granulele din celulele parenchimatoase de la vârful rădăcinii. În schimbul poziției plantelor apar diferențe de potențial electric, și anume pe fața inferioară crește potențialul negativ, ceea ce va duce la o distribuire inegală a ionilor pe cele două fețe ale organelor. Urmărind acțiunea auxinei în geotropism, Holodnîi, Went, Boysen Jensen au extras, pe agar, auxină din vârfurile coleoptilelor crescute în poziție orizontală; în blocul inferior de agar se extrage o cantitate mai mare de auxină decât de pe cel superior. Problema se pune de ce la aceeași cantitate de auxină celulele rădăcinii reacționează într-un fel, iar celulele tulpinii în altul. Fenomenul acesta se explică prin sensibilitatea diferită a celulelor în creștere ale rădăcinii și ale tulpinii față de acțiunea auxinei. La aceeași cantitate de auxină, celulele tulpinii sunt stimulate de creștere, iar ale rădăcinii sunt inhibate, ceea ce la plantele așezate orizontal va produce curbarea rădăcinii în jos și a tulpinii în sus. Figura nr. 99 – Etapele reacției geotropice de Vicia faba (d. Troll, 1961) Plagiotropismul se constată la organele cu simetrie radiară cum sunt: frunzele, rizomii, stolonii, ramificații de ordinul I ale rădăcinii și ale tulpinii, care reacționează prin curbare. Rolul geotropismului în viața plantelor este foarte important, pentru că orientează organele în poziția potrivită desfășurării normale a proceselor fiziologice. Fototropismul. Este fenomenul de orientare a plantelor spre lumină, constituind o mișcare de creștere determinată de acțiunea unilaterală a acestui factor. Plantele tinere în creștere, când sunt luminate unilateral, se curbează în direcția razelor de lumină. Curburile fototropice au loc în zona de alungire a celulelor și se pot pune în evidență introducând plante tinere într-o cameră obscură, prevăzută cu un mic orificiu pentru pătrunderea fasciculului de lumină. După câteva ore se poate vedea curbura vârfului tulpinii spre sursa de lumină, iar rădăcina se orientează în sens opus. 221 Figura nr. 100 – Orientarea organelor unei plante de muștar spre lumină (d. Péterfi și Sălăgeanu, 1972) Atât rădăcina cât și tulpina sunt paralel fototrofe sau ortofototrofe, tulpina manifestă un fototropism pozitiv, rădăcina negativ, iar frunzele – fiind plagiotrope- orientează limbul în așa fel încât razele de lumină să cadă perpendicular pe ele aceasta ca o consecință a ortofototropismului pozitiv al pețiolului. Pentru explicarea mecanismului perceperii excitației luminoase s-au făcut numeroase experiențe. Unii oameni de știință acceptă ideea că lumina este percepută de citoplasma celulelor prin reacții fotochimice realizate prin intermediul unei substanțe chimice. Cel mai puternic au reacționat plantele la radiații cu lungimea de undă 440 și 480 nm, care corespund cu spectrul de absorbție al carotinei. La coleoptilele de ovăz, concentrația cea mai mare de caroten se află în celulele din primii 2 mm de la vârf. Cu alte cuvinte, perceperea excitațiilor luminoase s-ar face în vârful tulpinii. Indiferent de poziția plantei, frunzele (organe plagiotrope) au limbul orientat în așa fel încât lumina să cadă perpendicular. Orientarea limbului este asigurată de pețiol, care crește drept sau execută curburi și torsiuni. Fenomenul acesta este determinat de acțiunea luminii, care a fost percepută de celulele limbului. Prin schimbarea poziției plantei se schimbă și poziția unor frunze; după scurt timp frunzele tinere orientează limbul în poziție normală. Fenomenul de fototropism este de mare importanță pentru plante, determinând orientarea frunzelor spre lumina optimă. Între acțiunea forței de gravitație și acțiunea luminii există o sincronizare care asigură orientarea generală a platelor în natură. Chemotropismul. Curburile determinate de acțiunea unor substanțe chimice poarte denumirea de chemotropism. Când curbarea se face spre partea cea mai concentrată a soluției chemotropismul este pozitiv, iar când organul în creștere se curbează, evitând o soluție, chemotropismul este negativ. Cercetări asupra chemotropismului s-au făcut cu hifele ciupercilor, cu tuburi polenice și cu rădăcini constatându-se că hifele ciupercilor prezintă un chemotropism pozitiv față de zaharoză, asparagină, peptonă și săruri de amoniu și un chemotropism negativ față de acizi, alcooli și unele săruri (KNO 3, MgSO 4). Tot chemotropism pozitiv au și tuburile polenice, care 222cresc prin stil spre ovar și pătrund în ovul orientându-se spre locul unei anumite substanțe chimice secretate de acesta. În desfășurarea chemotropismului hifelor de ciuperci și al tuburilor polenice nu se cunoaște mecanismul de percepere a excitației chimice și al reacției la acesta. La rădăcini apar curburi chemotropice când sărurile minerale se află în concentrații diferite pe cele două fețe opuse. De obicei, curburile chemotrope la rădăcini apar numai în cazul soluțiilor electrolitice. Față de neelectrolite rădăcinile nu sunt sensibile. Ar fi posibil ca sărurile minerale și în mod deosebit cationii să producă în rădăcini diferențe de potențial electric, astfel că, în realitate, să aibă loc un lectrotropism. Electrotropismul. Rădăcinile plantelor, prin care trece transversal un curent electric, de câțiva milivați, se curbează și devin concave. Coleoptile de ovăz, care au fost supuse unui curent electric continuu transversal lângă vârf vor continua să crească, reacționând printr-o curbură spre polul pozitiv. Curentul electric în plantă produce o polaritate și ca urmare la polul negativ se va acumula o cantitate mai mare de anioni ai auxinei, care vor stimula creșterea în lungime a celulelor, ceea ce va produce curbarea organului. Higrotropismul. Este o mi șcare de creștere determinată de acțiunea unilaterală apei. Orientarea organelor spre locurile mai umede se face prin reacții higrotropozitive și este întâlnită la rădăcini și rizoizi. Curburile pe care le face rădăcina de mazăre se datoresc factorului apă, zona perceperii diferenței de umiditate este în vârful rădăcinii și se poate evidenția prin acoperirea cu hârtie umectată. Reacția are loc la nivelul zonei de alungire a celulelor. Învelind zona de alungire cu hârtie umectată și lăsând vârful rădăcinii liber, se constată că rădăcina crește, executând curbarea hidrotropă. Rădăcinile plantelor reacționează în atmosfera solului cu o umiditate cuprinsă între 80 și 100%. S-a constatat că reacțiile hidrotrope sunt mai puternice decât cele geotrope. Hidrotropismul are mare importanță pentru viața plantelor, deoarece se poate orienta spre sursele de apă. Tigmotropismul. Este mișcarea unor organe ale plantelor, provocată de atingerea de un obiect. Cel mai bun exemplu de tigmotropism se găsește la cârceii de viță de vie. Aceștia au o creștere intensă astfel că în timpul unei zile un cârcel poate dubla lungimea sa . În decursul creșterii intense, cârcelul execută mișcări de răsucire, descriind un con răsturnat. Găsind în timpul creșteri un suport, cârcelul execută o mișcare de circumferință, răsucindu-se pe suport și în felul acesta ajutând la susținerea tulpinii agățătoare. S-a constatat că sensibilitatea maximă a cârcelului este pe fața inferioară și pe fețele laterale, fața superioară fiind mai puțin sensibilă. La plante ( Clematis ,Tropaeolum ), tigmotropismul se observă la pețiol, iar la Vanilla șiSyngonium podophyllum la rădăcinile adventive. Tigmotropsmul, atât la cârcei cât și la rădăcini și pețiol, constă dintr-o creștere inegală a celulelor de pe diferite părți ale organului. Acest fenomen se poate reduce prin excitanți mecanici, ca: temperatura ridicată sau scăzută, răniri, curent electric etc. Excitația mecanică este percepută numai dacă are o anumită intensitate. Cârceii celor mai multe plante nu au un organ special pentru perceperea excitației. La Curcubitaceae s-a constatat prezența unor celule epidermice care au peretele exterior mai subțire. În acest loc, protoplasma se apropie suprafa ța organului. În protoplasma acestor celule s-a observat prezența unor granule, bastonașe, cristale, care ar participa la transmiterea impulsurilor venite de la membrană. Excitația se transmite la celule profunde 223ale cârcelului, având un sens acropetal și bazipetal, pe o distanță de 1-2 cm. În locul de atingere a excitantului se produce o intensificare a creșterii pe fața convexă curbându-se pe suport în formă de spirală (fig. 101). Figura nr. 101 – Cârcelul de Bryonia dioica (d. Boldor și colab., 1981) În natură, excitațiile se repetă la intervale la intervale de timp nu prea lungi și sunt produse de vânt care determină atingerea cârcelului de suport, acesta încolătăcindu-se de suport. S-a observat că există o porțiune din cârcel cu spirale într-un sens și jumătate în alt sens, ceea ce imprimă o rezistență mai mare la acțiunea vântului. 9.2.2.2. Nastii Mișcările de creștere neorientate, determinate de acțiunea uniformă a unor factori fizici sau chimici poartă denumirea de nastii. Spre deosebire de tropisme, nastiile sunt mișcări provocate de factori cu acțiune difuză, ca: schimbarea temperaturii sau intensității luminii. Aceste mișcări se constată la organe cu simetrie dorsoventrală și se realizează prin modificarea intensității creșterii sau prin modificarea turgescenței celulelor pe două fețe opuse. În cazul în care creșterea este mai rapidă pe partea superioară a organului se va produce o epinastie , care determină deschiderea mugurilor, a florilor. Dacă creșterea este mai rapidă pe fața inferioară se produce o hiponastie , care provoacă la unele flori închiderea învelișului floral. Nictinastiile sunt provocate de alternanța zilei cu noaptea. Foarte multe flori își închid noaptea corola iar dimineața o deschid (de exemplu florile de in, păpădie etc). La unele leguminoase poziția frunzelor se schimbă odată cu trecerea de la noapte la zi. Prin faptul că mișcările de închidere și mai ales de deschidere a corolei se fac cu mare regularitate. Mișcările fotonastice de închidere ale stomatelor produc încetarea fotosintezei și a transpirației, iar mișcările fotonastice ale frunzelor, în timpul zilei sunt favorabile 224îndeplinirii fotosintezei. După unii autori, poziția verticală a limbului frunzei în timpul nopții ar avea rolul menținerii unei anumite temperaturi în jurul tulpinii. Tigmonastiile șichemonastiile sunt mișcările unor organe ale unor specii de plante, provocate de atingerea lor sau prezența unor substanțe chimice. La planta de Drosera rotundifolia , atingând un tentacul în porțiunea sa glandulară, piciorul său se îndoaie, se curbează spre interiorul frunzei (fig. 102). Figura nr. 102 – Mi șcări nictinastice la frunze (d.Boldor și colab., 1983) Excita țiile sunt produse de obiecte solide sau de insecte. Perceperea excitației tactile are loc la nivelul glandei. La glande, peretele extern al membranei este îngroșat neuniform, iar protoplasma se prelungește acele neregularități. Reac ția constă în curbarea tentaculului, determinată de alungirea feței exterioare. Mișcarea tentaculului poate fi provocată și de sărurile minerale cu azot sau chiar de acizii aminici. În acest caz, mișcarea poartă denumirea de chemonastie. Seismonastii. La unele plante, la atingerea unui obiect solid, filamentele staminelor, lobii stigmatelor, perii senzitivi de pe frunze sau chiar limbul foliar se lasă în jos. Aceste mișcări, provocate de excitații mecanice, se numesc seismonastii. La Mimosa pudica , atingerea plantei este urmată de lăsarea frunzelor în jos. După un timp scurt apare o mișcare de revenire, executată cam într-un ¼ pân ă la½ de or ă. Reacția poate fi provocată și înainte ca frunza să revină. La plantele de Mimosa, seismonastiile pot fi provocate și de arderea cu un chibrit, de substanțe chimice, de curenții electrici continui sau alternativi (fig.103). 225 Figura nr. 103 – Mimosa pudica cu frunze în poziție normală (a) și în urma unei excitații (b) (d. Péterfi și Sălăgeanu, 1972) În general, după o reacție, planta intră într-o fază refractară, în care au loc fenomene de refacere a organismului. După unii cercetători, excitantul ar determina biosinteza unei substanțe de excitație, care se transmite prin apa din vasele de lemn până la pulvinulele ce se află la baza pețiolului. Aici are loc creșterea permeabilității membranelor plasmatice pe jumătatea inferioară, ceea ce duce la scăderea turgescenței celulelor. Această stare va duce la lăsarea frunzei în jos. Mișcarea de revenire a organelor plantei la starea inițială are loc în urma refacerii permeabilității membranelor și hidratării celulelor. Filamentele staminelor de Berberis vulgaris când sunt atinse de insecte, se curbează brusc, atingând antera de stigmat. Sensibilitatea mare a filamentului este la baza sa, pe fața internă, în vecinătatea unei nectarii. Excitația este transmisă numai în lungul filamentului respectiv, nu și la cele vecine. La planta carnivoră Dioica muscilola , frunzele prezintă pe margine peri senzitivi ce au la bază un pedicel, pe care se află celule senzitive. Peretele extern al acestor celule are niște articulații. Pe celulele senzitive se află celule parenchimatice cu pereții îngroșați. Când un asemenea păr este atins produce o îndoire a sa la nivelul articulațiilor. Excitația se transmite la celulele de pe fața inferioară a mezofilului frunzei de lângă nervura mediană. Când cele două jumătăți de frunze se apropie, dinții marginali se îmbucă, nepermițând ieșirea insectei. 9.2.2.3. Nutații La plantele fixate de substrat se întâlnesc mișcări autonome și mișcări induse. Mișcările autonome sunt determinate de factorii interni ai plantei, având loc atunci când 226factorii mediului extern sunt constanți. Asemenea mișcări poartă denumirea de nutații. Există nutații efemere și nutații periodice. Nutații efemere se produc o singură dată în viața plantei. Exemplu de nutație efemeră este îndepărtarea cotiledoanelor în timpul germinării semințelor, acestea luând poziția orizontală. La deschiderea mugurilor foliali și florali are loc o mișcare determinată de creșterea mai intensă a primordiilor florale pe fața internă tot printr-o nutație efemeră. Nutații periodice sunt mișcări executate de vârful tulpinii și de vârful rădăcinii în jurul unui ax central. Aceste mișcări se mai numesc și circumnutații; ele se realizează în zona de alungire a celulelor și rezultă prin deplasarea succesivă a intensității creșterii celulelor de jur împrejurul axei centrale a organului respectiv. Exemple de circumnutații sunt mișcările tulpinilor plantelor volubile. Aceste plante au tulpini relativ flexibile, pentru că țesutul mecanic este mai slab dezvoltat și de aceea susțin mai greu frunzele. În cazul în care în apropierea lor este un suport, se încolăcesc în jurul acestuia, orientând frunzele spre lumină. Există plante volubile la care tulpina circumnutează atât spre stânga, ct și spre dreapta (de exemplu, o liliacee exotică numita Bowiea volubilis ). Fasolea urcătoare și zorelele circumnutează spre stânga, în timp ce hameiul execută această mișcare spre dreapta (fig. 104). Figura nr. 104 – Demonstrarea mișcărilor de circumnutație în creșterea tulpinii de fasole (d. Milică și colab., 1982) La executarea circumnutațiilor nu intervine nici lumina și nici forța de atracție a Pământului. Mișcarea de circumnutație este autonoma și constă într-o apropiere și depărtare ritmică a vârfului tulpinii de suport. Deplasarea succesivă a intensității creșterii de jur împrejurul axei centrale a tulpinii se explică printr-o repartizare neuniformă a auxinei. Când tulpina circumnutantă se află în poziție oblică sau orizontală, sub influența gravitației auxina se deplasează transversal în jumătatea inferioară. 9.2.3. Mișcările plantelor libere 227Algele verzi și albastre, diatomeele, flagelatele și bacteriile se deplasează cu întregul corp, iar la criptogamele vasculare și la gimnosperme se mișcă numai gameții sexuali, de la ambele sexe. Mișcările plantelor libere se realizează în diferite moduri și au rolul de a deplasa plantele spre locuri mai favorabile vieții. Mișcările plantelor libere poartă denumirea de tactisme și după factorul care le provoacă li s-a dat denumirea de chemotactisme, aerotactisme, higrotactisme, fototactisme, termotactisme. Chemotactismul microorganismelor fa ță de glucoză, lactoză, zaharoză, asparagina este pozitiv, iar față de salicilatul de sodiu este negativ. Fototactismul este mișcarea de deplasare a microorganismelor mobile spre locurile cu o luminozitate optimă pentru efectuarea fotosintezei. De exemplu algele verzi mobile au spre extremitatea anterioară o pată oculară sau stigmă, care conține caroten și se pare că ar avea rol în perceperea luminii. Termotactismul poate fi observat la mixomicetele Fuligo varians . Dacă se pune pe o bucată de hârtie de filtru o porțiune de plasmodiu și se introduce un capăt în apă rece și altul în apă caldă se constată deplasarea sa spre apă caldă. 9.2.4. Rolul mișcărilor în viața plantelor Mișcările pasive au rol în răspândirea semințelor sau a sporilor, contribuind la perpetuarea speciilor și la menținerea arealului lor. La plantele libere, tactismele permit deplasarea lor spre zonele în care valoarea unor factori ai mediului (lumin ă, temperatură, umiditate, nutrimente) le este mai convenabilă. La plantele superioare, mișcările provocate de direcția de acțiune a unor excitanți din mediul extern (tropismele) determină orientarea organelor într-o manieră care să le permită utilizarea mai bună a diferiților factori. Nictinastiile și termonastiile permit protejarea părților mai sensibile ale florilor (androceul și gineceul), iar altele favorizează procesul de polenizare. 228Capitolul 10 STAREA DE REPAUS LA PLANTE Plantele în dezvoltarea lor ontogenetic ă, trec printr-o activitate de activitate fiziologică intensă și printr-o perioadă de viață lentă (repaus). În climatul temperat, starea de repaus se datorește alternării perioadelor calde cu perioadele reci. Repausul este reacția, caracterizată prin scăderea intensității proceselor metabolice sub acțiunea factorilor nefavorabili. Perioada de repaus este trecută de unele plante, ca cerealele de toamnă, cu întreg organismul lor. Pentru majoritatea plantelor anuale parcurgerea perioadei de repaus se face prin muguri și semințe, iar pentru unele plante prin bulbi, rizomi, rădăcini îngroșate. Ciclurile anuale ale viței de vie și ale pomilor (arbori, arbuști) din climatul temperat se caracterizează prin interpunerea unei perioade de repaus, trecută prin muguri și țesutul cambial. 10.1. Repausul biologic și repausul forțat Ca tipuri principale de repaus se disting: repausul biologic, obligatoriu, numit și repaus endogen, organic și repausul impus numit și repausul forțat. Repausul biologic. Este o însușire ereditară a plantelor ca rezultat al adaptării la condițiile nefavorabile, fiind provocat de acumularea în țesuturi a substanțelor inhibitoare de creștere și de scădere bruscă a conținutului în auxine. Repausul biologic se caracterizează printr-o activitate vitală foarte scăzută (respirație, transpirație, activitate enzimatică). Procesul creșterii încetează complet și nu poate fi reluat de regulă, nici când condițiile externe devin favorabile; la plantele lemnoase trecute în seră în lunile noiembrie și decembrie mugurii nu cresc, deoarece nu au parcurs starea de repaus biologic, obligatoriu. Intrarea în repaus se realizează în diferite momente; plantele efemere și efemeroide intră în repaus primăvara, ceapa și usturoiul intră în repaus vara, iar speciile lemnoase și vița de vie intră în repaus toamna, după îngălbenirea și căderea frunzelor. Inducerea repausului este determinată, în principal, de sinteza și acumularea acidului abscisic, care are o acțiune inhibitoare asupra unor sinteze; este blocată sinteza hormonilor de creștere, a acizilor nucleici și a proteinelor. Acest moment este precedat de migrarea rezervelor de N, P și glucide din frunze către celelalte. La pomi și vița de vie, intrarea în stare de repaus biologic este precedată de o etapă de repaus, care are loc la sfârșitul perioadei de vegetație și se caracterizează prin modificări legate de maturarea lăstarilor, scăderea procentului de apă liberă și totală, acumularea unor cantități mari de amidon etc. Î n func ție de specie și de soi, plantele lemnoase intră în repaus biologic toamna, mai devreme sau mai târziu. La vița de vie, intrarea în repaus este pregătită, ca și la pomi, printr-o acumulare masivă de amidon în coardele mature și în lemnul multianual. Hidroliza amidonului de rezervă în părțile aeriene ale plantei are loc în perioada 10 octombrie – 15 noiembrie. Repausul forțat. Este determinat de condițiile nefavorabile de mediu (temperatură, lipsă de apă, oxigen) din lunile ianuarie și februarie. Plantele pot trece la starea de viață activă numai dacă temperatură depășește pragul biologic, cu valori specifice pentru fiecare specie și soi. Ieșirea din repaus forțat are loc ca urmare a 229reducerii treptate a acidului abscisic, a inducerii sintezei stimulatorilor de creștere și a acizilor nucleici, precum și a intensificării activității enzimatice. În natur ă se mai întâlnesc și alte tipuri de repaus ca repausul relativ, repausul secundar sau indus, periodic, aparent. 10.2. Repausul mugural La plantele lemnoase și unele plante erbacee (bulboase, tuberculifere etc.) repausul este realizat de către muguri. Procesul mugurilor constituie un proces de adaptare la condi ții nefavorabile din timpul iernii. La unele specii de plante, cum sunt cerealele de toamnă, arborii și arbuștii, vița de vie, inducerea repausului la muguri este determinată de temperatură scăzută și de durata de iluminare zilnică, ce determină modificări în echilibrul hormonal. Cercetările au scos în evidență rolul temperaturilor scăzute în biologia arborilor și arbuștilor, care necesită anumite cerințe față de frig. Vegis a arătat relația care există între fotoperioadă și durata repausului la muguri; zilele scurte și fotoperioadele de zi scurtă determină încetarea creșterii, iar fotoperioadele de zi lungă determină creșterea vegetativă. G. Klebs a dovedit că lumina continuă împiedică intrarea în starea de repaus, iar scurtarea zilelor grăbește acest proces. Reglarea repausului este dată de raportul dintre stimulatori și inhibitori. Frunza este organul sensibil la acțiunea inhibitorilor, de la care impulsul este transmis spre apex. Sub acțiunea zilelor scurte și a nopților lungi are loc migrarea inhibitorilor din frunze în muguri, unde se acumulează și induce starea de repaus. Teoria cu privire la relația dintre inhibitori și perioada de repaus a mugurilor a fost confirmată printr-o serie de cercetări; la mugurii unor plante lemnoase, odată cu parcurgerea repausului, scade cantitatea de inhibitori endogeni 10.2.1. Modificări în timpul repausului mugurilor Starea de repaus a mugurilor se caracterizează printr-o serie de modificări fiziologice și biochimice care au loc în țesuturi, iar profunzimea lor se corelează cu capacitatea de rezistență la ger a pomilor. Modificările citologice vizează starea fizică a protoplasmei; are loc creșterea vâscozității plasmei și trecerea ei la starea de hidrogel coloidal, sporește conținutul în apă legată și se pierde o parte din apa liberă prin transpirație, la nivelul lenticelelor și a cuticulei. Tot sub aspect citologic apar modificări, ca individualizarea protoplasmei celulelor (plasmoliza de iarnă), când se reduc la maximum schimburile dintre celule. Procesele fiziologice sunt mult încetinite, respirația se diminuează, ca urmare a limitării pătrunderii O 2 și a blocării activității enzimatice prin întreruperea formării complexului enzimă-substrat. De asemenea, este diminuată activitatea unor enzime, ca: amilaza, invertaza, catalaza, peroxidaza, fosfataza. În timpul repausului au loc modificări în conținutul substanțelor organice de rezervă; sporește conținutul de glucide solubile rezultate prin hidroliza enzimatică a amidonului. Glucidele solubile au rol deosebit de important în sporirea rezistenței plantelor la condiții nefavorabile, prin creșterea concentrației sucului vacuolar, evitând 230astfel coagularea ireversibilă a protoplasmei. La intrarea în repaus, unele plante (nuc, tei etc.) acumulează în organele vegetative lipide, la exteriorul protoplasmei, și prin aceasta se reduce permeabilitatea pentru apă și gaze; o anumită limitare a absorbției O 2 poate induce repausul la muguri. În timpul repausului are loc scăderea conținutului în acizi nucleici (ARN, ADN); sinteza ARN este limitată de ADN, întrerupând procesul creșterii. Multiplele modificări care au loc în muguri în timpul repausului pledează pentru reacția adaptativă a plantelor la condițiile externe nefavorabile. 10.2.2. Ieșirea din repausul mugural După parcurgerea repausului biologic are loc ieșirea plantelor din această stare, proces ce se realizează eșalonat, în funcție de specie și de durata repausului. Lăstarii tineri trec printr-un repaus mai puțin profund decât cei vârstnici. Mugurii floriferi au repausul biologic mai puțin profund decât vegetativi. Țesuturile interne trec, de asemenea, printr-un repaus mai puțin profund decât cele externe. În condițiile climatului temperat, durata repausului este impusă de menținerea condițiilor nefavorabile, în special a temperaturilor scăzute, față de care prezintă sensibilitate diferită. Dintre pomi, migdalul necesită cel mai mic număr de zile pentru parcurgerea repausului biologic, după care urmează prunul, caisul, piersicul, cireșul și mai mult mărul, părul și alte specii lemnoase. Temperaturile joase, apropiate de 0 0C, favorizează la unii muguri (cais, piersic, etc.) diviziunea celulară, dar nu și alungirea celulelor. A.Vegis distinge trei tipuri de muguri, în funcție de adaptarea lor la diferite grade de temperatură: -muguri care cresc numai la temperaturi sc ăzute (cais, piersic, cireș); -muguri care cresc numai la temperaturi ridicate (30 0C), ca cei ai tuberculului de cartof; -muguri care cresc la temperaturi medii; aici se încadrează majoritatea plantelor lemnoase. După ieșirea din repaus, mugurii devin sensibili la acțiunea factorilor nefavorabili și îndeosebi la temperaturi extreme. Ieșirea din repausul biologic la mugurii pomilor fructiferi se poate aprecia după: -creșterea în volum a țesuturilor staminelor și ale pistilului; -desprinderea stratului tapet de țesutul tranzitoriu, ca rezultat al consumului substanțelor de rezervă de către celulele sporogene din sacii polinici, care se transformă treptat în celulele-mamă ale grăunciorilor de polen. Aceste modific ări citologice au loc după 3-4 zile cu temperaturi superioare pragului biologic al speciilor și precede microsporogeneza. Pe tot parcursul repausului, la sâmburoase ovulele rămân sub formă de primordii; după ieșirea din repaus, au loc unele modificări biochimice și fiziologice care pregătesc reintrarea în stare de viață activă. 10.3. Repausul seminal 231 Repausul semințelor se realizează sub influența factorilor interni și externi și apare în timpul maturării fiziologice fiind, în esență, repausul embrionului. La 25% din speciile lemnoase și erbacee, semințele au capacitatea să germineze imediat după recoltare, dacă sunt semănate în condiții favorabile. La celelalte specii, semințele trebuie să treacă printr-o anumită perioadă de repaus, pentru a deveni capabile să germineze. Odată instalat repausul biologic, semințele nu pot trece la activitatea vitală intensă, chiar dacă condițiile sunt favorabile. 10.3.1. Tipuri de repaus la semințe Semințele diferitelor specii au perioade de repaus cu durate variate, ca rezultat al unor cauze interne: impermeabilitatea învelișurilor seminale, starea fiziologică a embrionului, existența inhibitorilor în țesuturi. În dependen ță de acești factori, repausul biologic al semințelor poate fi de natură tegumentară, embrionară și hormonală Repausul tegumentar este dat de natura și structura tegumentului seminal, care îi imprimă un anumit grad de impermeabilitate pentru apă și gaze. Unele specii de plante din familia leguminoaselor au tegument tare și impermeabil și din această cauză, pătrunderea apei se realizează îndeosebi prin hil (trifoi roșu, trifoi târâtor etc.). Impermeabilitatea tegumentului seminal pentru apă se întâlnește la salcâmul alb, ienupărul de Virginia, teiul american. La multe specii de arbori (frasinul american, pinul strob) impermeabilitatea se manifestă relativ și pentru oxigen. A Vegis presupune că la temperaturi ridicate permeabilitatea scăzută pentru O 2 duce la respirația anaerobă, care are drept efect formarea substanțelor cu rol inhibitor, ce induce starea de repaus a semințelor. Repausul embrionar este dat de starea fiziologică a embrionului, nematurat fiziologic. La unele specii de plante (frasinul comun. Pinul european, numeroase rosacee, stejarul roșu etc.) embrionul nu se maturează suficient și are nevoie de o anumită perioadă de postmaturare, ceea ce imprimă starea de repaus embrionar. La unele semințe (de măr, păr ,viță de vie, jneapăn etc) se întâlnește un repaus psichrolabil ; ieșirea din repaus a embrionului se realizează repede, la temperaturi scăzute în asociere cu condiții de umiditate, ceea ce constituie baza teoretică a procesului de stratificare a semințelor în practica pomicolă. Repausul psichrolabil poate cuprinde tot embrionul sau numai cotiledoanele ( repaus epicotilar ). La Impatiens balsamina, starea de repaus a embrionului se suprimă prin uscare ( repaus xerolabil ). Embrionul în stare se repaus nu mai crește, iar activitatea fiziologică este foarte scăzută. Procesul creșterii nu are loc deoarece ADN-ul nu se autoreproduce, ARN- mesager și enzimele nu se sintetizează, iar proteosinteza încetează, ca urmare a suprimării sintezei ATP, furnizorul de energie chimică. Procesul respirației se reduce la minimum datorită impermeabilității pentru gaze a învelișurilor embrionului și întreruperii complexului enzimă-substrat respirator ,prin interpunerea lipidelor. Repausul hormonal este declanșat de prezența inhibitorilor germinației în țesuturile fructului, tegumentului seminal, endosperm, embrion. Existența inhibitorilor endogeni în țesuturile care înconjoară embrionul a fost confirmată prin experiențe la diferite semințe (stejar roșu, frasin, mesteacăn etc.) Substanțele inhibitoare care mențin repausul semințelor și frânează germinația aparțin mai multor grupe de substanțe: o primă grupă este constituită dintr-un amestec de 232acizi organici (malic, tartric, citric) cunoscuți sub numele de blastocoline, prezenți în pulpa fructelor, unde împiedică germinarea semințelor. În tegumentul seminal la prunoidee sunt prezente heterozide cianogene, cu rol inhibitor. În funiculul silicvei de muștar alb se află un heterozid cu sulf, la care gruparea activă este izotiocianul ( ― N ═ C ═ S) din cauza c ăruia semințele nu germinează decât numai după desprinderea funiculului. La cariopsele proaspete de cereale acționează ca inhibitor aldehida acetică și salicilică. La unele fructe, inhibarea germinației este determinată de prezența lactonelor din pulpă, unii acizi fenolici (acid cinamic, cofeic, cumaric, ferulic, salicilic), unii alcaloizi și esențe volatile. 10.3.2. Ieșirea din repaus a semințelor. Germinarea Ieșirea din repaus a semințelor trebuie corelată cu acțiunea temperaturii, umidității, luminii și a aerisirii. La unele specii de (măr, piersic, etc), semințele necesită pentru ieșirea din repaus temperaturi joase, de 0-5 0C, timp de 1-4 luni, după care sunt capabile să germineze la temperaturi de 20 0C. Aceste cerințe pentru temperaturi joase sunt satisfăcute prin stratificarea semințelor pe o durată de 1-4 luni, când se înlătură inhibitorii din tegument și embrion și se sintetizează citochinice și gibereline, stimulatori ai creșterii. Germinația semințelor reprezintă un ansamblu de modificări morfologice, anatomice, biochimice și fiziologice complexe, care permit trecerea embrionului de la starea de repaus sau latență biologică la starea de viață activă. Longevitatea facultății germinative. Pentru germinare, semințele trebuie să posede o anumită capacitate sau facultate germinativă, care este condiționată de o serie de factori interni și externi (gradul de vătămare a seminței, vechimea sau durata de păstrare, atacul unor paraziți vegetali și animali sau starea sanitară a seminței, formarea și maturarea embrionului seminței). În funcție de durata de timp cât se păstrează capacitatea germinativă, semințele se împart în trei grupe de longevitate: – semințe microbiotice, care au o longevitate scurtă: câteva zile sau săptămâni (Salix , Populus , Betula ,Sacharum officinarum , Tilia ,Hevea , Citrus ) un an ( Arachis ) doi ani ( Allium cepa ,Zea mays , Scorzonera hispanica ) sau trei ani ( Pisum sativum , Phaseolus vulgaris ); – semințele mezobiotice , cu longevitate cuprinsă între 4 și 15 ani, cum sunt cele deRumex , Lens esculenta , Sinapis (4 ani), de Daucus ,Spinacia (5ani), de Beta vulgaris , Curcubita pepo ,Vicia faba (6 ani), de Cucumis sativum , Cichorium intybus (10 ani), de Digitalis lanata și D. purpurea (15 ani); – s emințele macrobiotice , care pot germina după păstrare în repaus forțat timp îndelungat, uneori chiar peste două sute de ani. Experiențe cu semințe păstrate în condiții artificiale, aflate în repaus forțat, în stare uscată și la temperatură moderată, au arătat că semințele de Cylisus biflorus pot germina după 84 ani de păstrare, semințele de Leucaena leucophaea după 99 ani, de Cassia bicapsularis – 115 ani, semințele de Cassiamultijuga -158 de ani, iar cele de Nelubium speciosum din Nympheaceae pot germina după 250 de ani, de păstrare. Condițiile externe ale germinării seminței. Pentru germinarea seminței sunt necesare anumite condiții externe (apa și oxigenul în cantități suficiente, temperatura între anumite limite, lumina sau întunericul). 233Umiditatea solului. Este o condiție obligatorie a germinării. Influența apei asupra germinării este deosebit de evidentă, întrucât semințele pot fi conservate timp îndelungat în stare de repaus forțat datorită lipsei de apă. Apa îmbibă tegumentul seminal, care devine ușor permeabil pentru apă, O 2 și CO 2; pătrunde în sămânță atât în stare lichidă, cât și în stare de vapori. În continuare are loc o rapidă absorbție a apei de către embrion, care își modifică conținutul în apă de la 8- 12% la aproximativ 120% din substanța uscată. Inițial, conținutul în apă al endospermului este mult mai scăzut și el se mărește predominant pe calea imbibiției coloizilor plasmatici hidrofili, care anterior se aflau în stare de deshidratare înaintată. Valoarea forței de imbibiție a semințelor uscate de cereale (amidonoase) și de leguminoase (albuminoase) este cuprinsă între 1000 și 1300 de atmosfere. Ca urmare, coloizii plasmatici trec în stare de hidrozol, are loc dispersia lor, se acumulează apa liberă în celule, se activează sistemele enzimatice hidrolizate care descompun rezervele organice, se intensifică respirația celulară. Fenomene specifice st ării de viață activă și treceri seminței la germinare. Cantitatea de apă necesară germinării semințelor este cunoscut sub denumirea de apă de germinare , iar cantitatea maximă de apă pe care o poate fixa sămânța poartă denumirea de putere absorbantă a seminței . Aceasta din urmă variază funcție de specie: ricin 28-65%, porumb 50-65%, mazăre 110-133%, lupin alb 142-170%, bob 154-187%. Aerația solului. Influența oxigenului din mediul extern asupra germinării seminței este evidentă; sub influența lui reacțiile de degradare a rezervelor și de noi sinteze la nivelul celulelor în diviziune și în creștere decurg foarte intens, paralel cu activitatea respiratorie. Efectul dăunător al inundațiilor se manifestă asupra germinării semințelor prin aerația slabă, defectuoasă, în solurile grele și tasate, unde se adaugă și efectul negativ al produșilor de respirație anaerobă. De aceea, se impune mobilizarea solului înainte de semănat în vederea asigurării unei bune aerisiri a stratului arabil, creând astfel condiții optime pentru germinare. Temperatura influen țează germinarea semințelor în mod diferit funcție de specia de plante și de adaptarea plantelor pe parcursul evoluției lor filogenetice. Germinarea semințelor are loc între anumite limite de temperatură. Se distinge o temperatură minimă, considerată limita inferioară sub care germinarea nu are loc, o temperatură maximă, ca limită superioară deasupra căreia germinarea semințelor este imposibilă și o temperatură optimă, la care intensitatea proceselor metabolice este maximă, iar proteosinteza, care stă la baza diviziunilor celulare, înregistrează un nivel ridicat. Cele trei coordonate termice variază de la o specie la alta, fiind mai ridicate la semințele care provin de la plantele de origine sudică, comparativ cu semințele plantelor de origine nordică sau din climatul temperat (tab. 11). Tabelul nr.11. Temperaturile de germina ție la unele plante cultivate Specia Temperatura Minimă Optimă Maximă Muștar alb 0,5 27 37 In 1,8 21 28 Soia 5,0 30 40 234Mazăre 2,0 30 35 Morcov 4,0 25 30 Grâu de toamnă 2,0 21 28 Porumb 9,0 33 46 Fasole 10,0 32 37 Castravete 12,0 15 40 Dovleac 13,0 33 46 Lămâi 15,0 30 40 Germinarea semințelor este mai activă sub acțiunea temperaturilor variabile, comparativ cu temperaturile constante chiar dacă sunt optime. La semințele cu repaus psihrolabil, germinarea este stimulată prin frig și umezeală, însușire care stă la baza procesului practic, cunoscut în horticultură sub denumirea de stratificare. În regiunile temperate, o deosebită importanță are pentru practică cunoașterea temperaturii minime de germinare a semințelor la diferite specii de plante de cultură, pentru că în funcție de aceasta se efectuează semănatul primăvara. Întrucât temperatura minimă de germinare variază funcție de specie, efectuarea semănatului este eșalonată pe culturi. Efectuarea semănatului când în sol se realizează temperatura minimă de germinare a semințelor, specifică fiecărei culturi în parte este necesară deoarece aceasta constituie epoca ei optimă pentru semănat. Se cunoaște faptul că la temperatura minimă germinarea seminței este lentă, durează o perioadă de timp mai mare, pe când temperatura optimă asigură o germinare rapidă, cu o durată de timp mult mai scurtă. La soia, de exemplu la 25 0C și umiditatea corespunzătoare, germinarea are loc, în câteva zile, în timp de la temperatura minimă procesul decurge mai anevoios. Trebuie luată în considerare și creșterea temperaturii în sol primăvara, astfel că tinerele plante să valorifice din plin umiditatea solului, alături de ceilalți factori de vegetație. Lumina joac ă un rol important pentru germinare, numai la semințele cu repaus fotolabil, care germinează la lumină. Necesit ă lumină pentru germinarea semințelor de: Nicotiana tabacum ,Poa, Salicaria ,Oenothera ,Lobelia ,Veronica ,varietăți de Lactuca , vâsc. Semințele se cereale, leguminoase, Lobelia erinus sunt indiferente față de lumină și ele pot germina atât la lumină, cât și la întuneric, în timp ce semințele cu repaus scotolabil, ca cele de Phacelia ,Phlox ,Nigella germinează numai în obscuritate. După caz, cerințele de lumină sau de întuneric pentru germinarea semințelor pot fi suprimate prin păstrarea în mediu uscat, prin scarificarea tegumentului, prin decorticare, prin expunere la acțiunea temperaturii necorespunzătoare. Pentru semin țele scotolabile, temperatura de germinare este mai scăzută, iar pentru cele fotolabile, mai ridicată. Faptul că semințele aflate în repaus mult timp în sol germinează când sunt aduse la suprafața solului, prin lucrările culturale, este explicat, la unele specii, prin influența particulară a luminii. Efectul luminii asupra germinării semințelor este legat de influența diferitelor radiații din spectru, îndeosebi de influența razelor roșii, fenomen descoperit de Borthwick, Hendricks și col. în experiențele efectuate cu semințe de Lactuca . Asupra germinării semințelor influențează și alți factori fizico-chimici: concentrația în diferiți ioni minerali prezenți în mediu, presiunea osmotică a soluției 235externe, tratamente aplicate la semințe cu ultrasunete, curent electric, pe durate de timp și doze variabile cu specia. Modificările biochimice și fiziologice din timpul germinării. În timpul germinării semințelor are loc desfășurarea succesivă a unor faze distincte cum sunt: imbibiția semințelor, hidratarea celulelor embrionului, consumul de oxigen, intensificarea activității enzimatice și a metabolismului, inițierea diviziunii și a alungirii celulelor, diferențierea structurală și funcțională a celulelor și prin aceasta diferențierea țesuturilor, creșterea conținutului în zaharuri reducătoare și, în final, ieșirea embrionului. Figura nr. 105 – Germinația hipogee și germinația epigee (d. Burzo și colab., 1999) 236 Figura nr. 106 – Etape de dezvoltare (ontogenetice) în diferențierea unei plante: 1,2 – embrion în două etape de dezvoltare; 3 – plantulă; 4 – plantă; a – cotiledoane; b – gemulă; c – hipocotil; d – perișori radiculari; e – radiculă; f – mugure apical; g – frunză propriu-zisă; h – muguri laterali; i – tulpină; j – radicele; k – rădăcină principală; l – vârf vegetativ al rădăcinii Concomitent se produc unele modificări fiziologice și biochimice care caracterizează ieșirea din repausul seminal și diferitele faze ale germinației: -crește permeabilitatea membranelor pentru apă și pentru gaze; -se intensifică respirația aerobă și reacțiile de hidroliză a rezervelor complexe acumulate în endosperm sau în cotiledoane; -se declanșează reacțiile de sinteză a noi substanțe organice cu rol plastic în formarea protoplasmei celulelor noi formate; -se intensifică activitatea acizilor ribonucleici (mesager, solubil și ribozomal), în strânsă asociere cu sporirea capacității de proteosinteză a embrionului. Cantități mari de gibereline sunt elaborate de embrion, fiind implicate în sinteza unor enzime (alfa-amilaza, proteaze, lipaze) care acționează asupra micromoleculelor de amidon, proteide și lipide, scindându-le în glucide solubile, aminoacizi, amide. Acești produși de hidroliză sunt utilizați ca substanțe cu rol plastic în alcătuirea noilor compuși organici de structură din embrion și din noua plantulă. În timpul germinării semințelor se intensifică brusc procesul de respirație, având ca substrat respirator diferite substanțe organice ca: glucoza, zaharoza, rafinoza, lipidele și, în final, proteinele. 237 În etapele inițiale ale germinării semințelor, mecanismul respirației decurge, în mod obișnuit, cu formarea de acid piruvic și, în continuare, cu desfășurarea ciclului Krebs. În timpul descompunerii rezervelor organice se formează ATP, care participă la realizarea diferitelor reacții de ansamblu, iar, prin defosforilare, rezultă energie calorică, cunoscută ca termogeneză, precum și energie mecanică utilizată la ancorarea rădăcinii în sol. Se consideră că germinația se desfășoară până în momentul apariției clorofilei, când planta începe să realizeze reacții de fotosinteză și devine autotrof – fotosintetizantă, independentă din punct de vedere trofic. Capitolul 11 DEZVOLTAREA PLANTELOR Spre deosebire de creștere, care este un fenomen cantitativ, de acumulare de masă vegetativă, dezvoltarea evoluției individuală a plantelor, începând cu germinația și, trecând prin anumite etape calitative, se încheie cu înflorirea și fructificarea. Aceast ă evoluție duce la realizarea ciclului ontogenetic și cuprinde o serie de modificări morfologice, anatomice și fiziologice. Aceste modificări se fac într-o succesiune riguroasă, determinată de factorii ereditari, ce se manifestă numai sub influența factorilor de mediu. Ciclul de dezvoltare a plantelor cuprinde mai multe etape: vegetativ ă, generativă, îmbătrânirea și moartea individului. Durata ciclului individual de dezvoltare la plante este foarte diferită. Astfel, la unele bacterii acest ciclu este de câteva minute, la unele talofite este de la câteva ore la câteva săptămâni, iar la unele plante superioare poate fi de sute 238de ani. Ținând cont de interdependența dintre perioada vegetativă și cea reproductivă, antofitele, cuprind următoarele grupe de plante: a)Plante efemere, care au ciclul de vegetație foarte scurt, de 5-6 săptămâni (de exemplu, Draba verna ); b)Plante monocarpice, care fructifică numai odată într-un ciclu de viață individual (anuale, bienale, plurienale). Plantele bienale au ciclul ontogenetic de doi ani; în primul an cresc numai vegetativ, iar în al doilea an formează flori și fructe (varza, morcovul, sfecla etc.). Prin împiedicarea înfloritului se poate prelungi ciclul ontogenetic pân ă la 2-3 ani. Acest fapt arată legătura cauzală, dialectică, între înflorit, fructificare și moartea plantelor. Există și plante monocarpice perene (Agave americana), care în Mexic înfloresc după 8-10 ani și apoi mor; c)Plante policarpice, care trăiesc mai mulți ani (perene) și înfloresc an de an sau la doi ani. Înflorirea plantelor perene nu este urmată de moartea lor, iar creșterea vegetativă este reluată în fiecare an, fiind urmată de înflorire (mărul,părul etc.). Anteza (formarea florilor) cuprinde mai multe etape, și anume: inducția florală, în care are loc transformarea meristemului vegetativ în primordii florale; formarea mugurului floral, datorită creșterii primordiilor florale; formarea părților reproducătoare (polen și ovul); deschiderea florilor. Formarea florilor cuprinde transformări organogenetice profunde la nivelul meristemului de creștere și se realizează prin diferite fenomene de creștere, cum sunt: diviziunea, alungirea și diferențierea celulară, histogeneza, organogeneza și trecerea de la viața latentă la viața activă. În genetica moleculară, tranziția meristemului apical de la starea vegetativă la anteză este explicată prin prezența ,,genelor florale”, care în meristemul vegetativ sunt în stare de expresie. Aceste gene florale conțin informația genetică necesară pentru caracterele meristemului floral. Imediat după tranziția de la faza vegetativă la cea generativă, în meristemul apical urmează o etapă complexă, în care sunt diferențiate structurile florale. Unul din momentele cele mai importante dina această fază este diferențierea sexuală și producerea macrosporofitelor și microsporofitelor. Dintre factorii externi, temperatura joasă pozitivă și durata de iluminare zilnică (fotoperioada) au un rol primordial în procesul de dezvoltare a plantelor, constituind stadii obligatorii. Stadiul în care temperaturile joase pozitive reprezintă condiția trecerii de la faza vegetativă la cea generativă se numește vernalizare (iarovizare), iar stadiul în care durata zilei de lumină este factorul determinant al dezvoltării plantelor se numește fotoperiodism. 11.1. Vernalizarea (iarovizarea) plantelor La majoritatea plantelor temperaturile joase pozitive au o profund ă influență asupra inițierii și dezvoltării organelor de reproducere. Plantele anuale necesită temperaturi scăzute în primele faze de creștere. Plantele bienale rămân vegetative în primul an și înfloresc în al doilea an, dacă vor fi expuse la tratament cu temperaturi scăzute. Deoarece temperaturile joase pozitive au efect și asupra ieșirii din repaus a mugurilor și semințelor (postmaturație). Chouard definește rolul fiziologic al vernalizării 239ca fiind dobândirea sau accelerarea capacității de înflorire sub influența tratamentului cu temperaturi scăzute. Prin cercetările lui T.D. Lîsenko, efectuate la cerealele de toamnă (grâu și secară), s-au stabilit condițiile pentru iarovizarea semințelor; umiditate moderată (40-45% din masa semințelor), temperatură scăzută pozitivă (0 0C- +7 0C) și aerație normală. Durata vernalizării depinde de natura plantei, de condițiile mediului extern și, într-o măsură mai mică, de vârsta plantelor. Fiecare soi de grâu necesită o anumită durată de tratament cu temperaturi scăzute. Soiurile nordice (suedeze) necesită mai multe zile reci (70-80 zile) decât cele sudice (italiene) (25-30 zile), iar grâul de primăvară numai 10-15 zile. După cerințele pentru temperaturi scăzute, plantele au fost împărțite în trei grupe mari: plante anuale de toamnă, care își încep vegetația la sfârșitul toamnei, rezistă peste iarnă sub formă de plantule și sunt vernalizate semințele germinate; plante bienale , care întră în iarnă sub formă de plante destul de mari, înfloresc în anul următor și sunt vernalizate într-o faza mai avansată de creștere; plante perene, care, în fiecare sezon, produc lăstari sau ramificații noi ce necesită temperaturi scăzute pentru a putea forma flori. 11.1.1. Vernalizarea plantelor anuale, bienale și perene Vernalizarea plantelor anuale. Noțiunea de vernalizare a fost sugerată de diferențele fiziologice dintre plantele anuale de toamnă și cele anuale de primăvară. La secară din soiul Petkus, forma de primăvară nu necesită vernalizare, iar dacă este crescută în seră la 18 0C începe procesul de diferențiere a primordiilor florale în faza de 7 frunze. La forma de toamnă, crescute în aceleași condiții, procesul de diferențiere începe abia când planta a format 20-25 de frunze, dacă este expusă la zi lungă. Dacă semințele germinate din forma de toamnă sunt ținute la temperatura de 2 0C, diferențierea începe tot după a 7-a frunză. Deci, prin vernalizare, forma de toamnă devine practic o formă de primăvară. Vernalizarea plantelor bienale. Din această grupă fac parte unele plante la care vernalizarea este absolut necesară (varza, morcovul, sfecla). Dar nu toate speciile bienale necesită vernalizarea; astfel, Centaurea șiCicuta nu sun influențate de acțiunea frigului, dar sunt bienale pentru că necesită zile lungi, mai multe decât într-un singur sezon. Varza și sfecla, în primul an de vegetație, formează o rozetă de frunze. În cursul iernii are loc procesul de vernalizare, iar în anul următor plantele vor forma o tulpină floriferă, cu condiția ca să primească 14 ore de lumină pe zi. Însușirea plantelor de a reacționa la tratamentul cu temperaturi joase este determinată genetic. Acest fapt este clar redat de comportamentul măsălariței (Hyoscyamus niger ), care are două forme: anuală și bienală. Forma anuală înflorește în primul an de vegetație, pe când forma bienală necesită, obligatoriu, o perioadă de frig, pentru a putea înflori în al doilea an de vegetație. Complexul genetic necesar pentru modificarea proceselor chimice specifice, în vederea inițierii florale, se pare că lipsește la forma bienală, dar poate fi substituit printr-un tratament cu temperaturi joase. Faza de rozetă sau vârsta de minim 10 zile sunt condiții obligatorii pentru a putea percepe acțiunea frigului. 240 După terminarea procesului de vernalizare, plantele bienale au o reacție fotoperiodică tipică de plante de zi lungă. La țelină ( Apium graveolens ) , însușirea de plantă bienală se datorește necesității de vernalizare. La morcov ( Daucus carota ) se întâlnește o mare diversitate de forme: unele soiuri se pot vernaliza sub formă de sămânță, la altele răcirea semințelor determină doar o înflorire mai timpurie în anul următor. Aceasta înseamnă că în semințe se acumulează o parte din efectul vernalizării. Dacă se îndepărtează 4/5 din rădăcină, deci rezervele nutritive, atunci mugurii nu se vernalizează. Varza de Bruxelles ( Brasica oleracea gemmifera ) constituie o excepție; florile se formează în timpul unei lungi faze juvenile, la temperaturi de 5-10 0C, dar temperaturile scăzute sunt necesare pentru formarea primordiilor florale și nu pentru o vernalizare propriu-zisă. Vernalizarea plantelor perene. Acest tip de vernalizare a fost elucidat, în mare măsură, datorită studiilor făcute la Geum urbanum . Frunzele acestei plante sunt dispuse sub formă de rozetă, pornind de pe un rizom subteran. După trecerea iernii apar lăstari laterali pe care se formează flori. Mugurul terminal al rozetei nu se iarovizează, asigurând în acest fel perenitatea. La unele graminee perene ca: Cynosurus cristatus , Lolium perenne ,Dactylis glomerata ,Poa pratensis , anteza este condiționată de acțiunea temperaturilor scăzute. La aceste plante se iarovizează lăstarul principal care înflorește. Lăstarii laterali neiarovizați, care apar vara, sau mugurii care iau naștere din tulpini subterane, asigură caracterul de perenitate. La unele ierburi ( Phleum pratense ) perenitatea este asigurată de intrarea în repaus a lăstarilor de toamnă sub acțiunea zilei scurte. Transmiterea vernalizării prin altoire. Dacă pe forma bienală de Hyoscyamus niger nevernalizată se altoiește forma anuală, ambele forme vor înflori în același timp, fără intervenția frigului. Transmiterea stării de vernalizare prin altoirea de plante nevernalizate pe plante vernalizate a dus la presupunerea că în urma vernalizării se formează un hormon denumit ,,vernalin” , cu acțiune morfogenetică, neidentificat încă. Vârsta plantelor și vernalizarea. La cerealele de toamnă posibilitatea vernalizării există încă în semințe necoapte și se păstrează în tot cursul vieții. LaSecale cereale iarovizarea se poate realiza la 5 zile dup ă anteză, când embrionul are numai 8 celule. Plantele bienale nu se pot vernaliza ca sămânță, ci numai ca plantule, în vârstă de cel puțin 10 zile. La planta bienală Lunaria biennis vernalizarea se realizează în celule foliare cu activitate mitotică intensă. 11.1.2. Temperatura de vernalizare La cerealele de toamnă temperatura optimă de vernalizare este între 0 0C și +3 0C, iar temperatura minimă la care mai are loc acest proces variază de la -4 0C până la -8 0C. La unele specii temperatura de vernalizare este mai mare (+7 0C până la +9 0C). Între temperatura și durata de vernalizare există un raport strâns. Efectul temperaturilor se însumează, însă eficiente sunt numai acele zile în care plantele sunt expuse la o temperatură favorabilă pentru vernalizare. Numeroase experiențe au arătat că procesele 241ce se petrec în timpul vernalizării sunt reversibile, dar odată terminate, vernalizarea devine ireversibilă. Procesul vernalizării are loc în mai multe etape. După 7-11 zile de frig se atinge un stadiu intermediar instabil, car în următoarele 4 zile se stabilizează. Dacă după 7-11 zile de frig se acționează cu temperaturi ridicate (35 0C-40 0C), efectul vernalizării este anulat, având loc procesul de devernalizare, iar dacă urmează 4 zile de temperaturi scăzute sau mijlocii (15 0C) devernalizarea nu mai este posibilă. 11.1.3. Mecanismul vernalizării Procesul de vernalizarea se explică prin prezența unui hormon ipotetic (vernalinul), încă neidentificat, care se formează în timpul iarovizării și poate fi transmis prin altoire. Se pare că prin vernalizare este afectat sistemul genetic, printr-o activare stabilă a genelor. Efectul de vernalizare se transmite prin diviziune celulară, de la celulă la celulă, iar lumina are influență numai în meristemele lăstarilor cu diviziune celulară și vernalizată. Efectul vernalizării nu se diminuează în procesul de creștere, ci are un caracter de autoreproducere. La plantele perene, pierderea stării de vernalizare are loc în timpul meiozei și din această cauză ele necesită vernalizare în fiecare an. Perceperea temperaturilor sc ăzute este localizată în embrionul activ sau în meristemele caulinare active. Dar sunt excepții, de pildă la Streptocarpus wendlandii , la care organul de asimilare este o singură frunză embrionară, iar pentru inducerea înfloritului are nevoie simultan de frig și de zi scurtă, factori percepuți de frunza în care nu are loc diviziunea celulară și translocați la baza frunzei unde se formează flori. În prezent, explicarea procesului de vernalizare se bazează pe teoria lui Chouard, care a reușit să unească fapte contradictorii într-o formulare unitară. El a constatat că fenomenul de vernalizare se realizează la temperaturi joase, dar această cale generală poate fi ocolită uneori prin folosirea de temperaturi ridicate ( Scrophularia alata ), prin fotoperioade scurte (secară, Campanula media ), prin tratamente cu giberelină (Hyocyamus ) sau prin nutriție bogată, lumină intensă și giberelină. 242Figura nr. 107 – Plante vernalizate și nevernalizate de Hyoscyamus niger în condiții de fotoperioade diferite (după Péterfi și Sălăgeanu, 1972) Faptele principale de la care începe teoria lui Chouard sunt devernalizarea mugurilor și incapacitatea de vernalizare a mugurilor la plantele perene. La speciile perene atât frigul cât și ziua scurtă sau hrana abundentă au ca efect înlăturarea dominanței apicale, eliberând mugurii axilari de sub influența inhibitoare a mugurului terminal. 11.2. Fotoperiodismul Termenul de fotoperiodism definește reacția unei plante la durata perioadelor zilnice de lumină și de întuneric. Plantele răspund în mod distinct la alternarea perioadelor de lumină și întuneric. Înfloritul, creșterea vegetativă, alungirea internodiilor, germinarea semințelor și căderea frunzelor constituie anumite cazuri ale reacției fotoperiodice la plante. 11.2.1. Reacția fotoperiodică a plantelor Garner și Allard au numit fotoperiodism reacția față de durata zilei, iar durata zilnică de iluminare a primit denumirea de fotoperioadă. Distingem fotoperioade inductive , care determină înfloritul plantelor și fotoperioade neinductive , care mențin plantele în stare vegetativă. În urma experiențelor efectuate de Garner și Allard s-a descoperit că plantele reacționează în mod diferit față de lungimea zilei. Terminologia folosită pentru clasificarea plantelor față de durata de iluminare se bazează pe un ciclu de lumină și întuneric de 24 de ore. Astfel există următoarele tipuri de plante: -plante de zi scurtă, care au nevoie de 6-12 ore lumină pe zi și înfloresc când lungimea zilei este inferioară lungimii critice. Lungimea (durata) critică este durata minimă de iluminare în decurs de 24 de ore. Durata luminii care depășește lungimea critică va menține planta de zi scurtă în stare vegetativă. Lungimea critic ă a zilei este specifică pentru fiecare specie. Câteva exemple de plante de zi scurtă: Nicotina tabacum ,Xanthium pensylvanicum ,Glicinae max (soiul Biloxi), Oryza sativa , Chenopodium album , Perilla ocimoides , Chrysanthemum , Cosmos , Dahlia , meiul, cânepa etc.; -plante de zi lungă, care au nevoie de o iluminare zilnică de peste 14 ore până la lumina continuă și înfloresc când se depășește numărul de ore de lumină critică. Exemple de plante de zi lungă: Spinacia oleracea ,Triticum aestivum ,Hordeum vulgare ,Lactuca , Linum usitatisimum , Beta vulgaris , Hyoscyamus nuger , Daucus carota , Rudbeckia bicolor , Callistephus chinensis ,Petunia , Dianthus , Fuchsia etc; -plante indiferente , care înfloresc dup ă o anumită perioadă de creștere vegetativă, independent de lungimea fotoperioadei. Exemple: Lycopersicum esculentum ,Pisum sativum (unele varietăți), Cucumis sativus ,Phaseolus vulgaris ,Capsicum annuum , Helianthus anuus ,Taraxacum officinalis etc. Deși rare, se menționează unele specii de plante care necesită pentru a înflori 243fotoperioade lungi, urmate de fotoperioade scurte ( Bryophyllum crenatum , B. verticilatum ) și plante care înfloresc când fotoperioadele scurte sunt urmate de fotoperioade lungi ( Campanula media ,Trifolium repens ). Plantele care nu înfloresc deloc la fotoperioade nefavorabile sunt plante cu reacție fotoperiodică calitativă. Alte specii au reacție fotoperiodică cantitativă și prezintă capacitatea de a înflori și la fotoperioade neinductive, dar cu o mare întârziere. În cadrul aceluiași gen există specii, varietăți sau soiuri cu diferite reacții fotoperiodice. La genul Nicotiana avem Nicotiana tabacum de zi scurtă și Nicotiana sylvestris de zi lungă. La soia avem soiul Biloxi , de zi scurtă și soiul Agate neutru. Aceast ă diversitate de forme este importantă pentru ameliorare. 11.2.2. Fotoperioade inductive (cicluri fotoinductive) Numărul de cicluri necesare pentru inducerea înfloritului variază mult de la o specie la alta. De exemplu, Xanthium pensylvanicum necesită un singur ciclu fotoinductiv (fotoperioadă inductivă) pentru inițierea primordiilor florale. În schimb, Salvia occidentalis , plantă de zi scurtă, necesită cel puțin 17 cicluri fotoinductive pentru a înflori, iar pentru Plantago lanceolata , planta de zi lungă, sunt necesare 25 de cicluri fotoinductive pentru a manifesta o reacție florală maximă. Înfloritul la plante se realizează respectând fotoperiodismul după legea ,,tot sau nimic”. O plantă dacă a primit numărul de fotoperioade inductive necesare va înflori chiar dacă imediat va fi supusă fotoperioadelor neinductive. La plantele de zi scurt ă s-a observat o inducție parțială. Astfel, Impatienss balsamina necesit ă numai trei cicluri fotoinductive pentru inițierea mugurilor floriferi. Dar pentru că acești muguri să formeze flori sunt necesare opt cicluri fotoinductive. LaChrysanthemum sunt necesare 15 zile scurte pentru ca vârful vegetativ să devină generativ cu primordii florale și alte 10 zile scurte pentru ca conurile generative să evolueze; dacă această continuare se face cu zile lungi, primordiile florale degenerează și cad. Formarea primordiilor florale la Lemna gibba necesită minimum o zi lungă, dar sunt necesare 6 zile lungi pentru a obține flori mature. Pe baza acestor date s-a ajuns la concluzia că există un factor care intervine în reacția de înflorire și care se acumulează în timpul fotoperioadelor inductive . La unele plante ( Xanthium ) se acumulează suficiente cantități din acest factor într-o singură zi pentru a putea provoca înfloritul, dar alte plante necesită mai multe zile inductive. 11.2.3. Perceperea acțiunii fotoperiodice Organele care recepționează și sintetizează stimulul fotoperiodic sunt în primul rând frunzele și mugurii. Există numeroase dovezi în sprijinul faptului că organele de percepție în reacția de înflorire la cicluri fotoinductive sunt frunzele. Dacă se expune o singură frunză de Xanthium la fotoperioade scurte, în timp ce restul plantei primește zile lungi, se formează flori. Dacă se altoiesc frunze fotoinduse pe altă plantă supusă unui ciclu neinductiv se va provoca înfloritul plantei receptoare. Pentru a se produce înfloritul este necesar ă o 244suprafață minimă de țesut foliar. Vârsta frunzei are, de asemenea, influență asupra sensibilității fotoperiodice. 11.2.4. Reacții de lumină și de întuneric în fotoperiodism În condi ții normale, plantele primesc un ciclu combinat de lumină și de întuneric într-un interval de 24 de ore. Plantele de zi scurtă înfloresc dacă primesc o perioadă de întuneric mai lungă decât perioada critică, iar plantele de zi lungă înfloresc când durata perioadei de întuneric este inferioară valorii critice. Reacțiile de întuneric ale ciclului de zi scurtă prezintă trei faze: a)reacții de întuneric, care se petrec în primele 2-3 ore ale nopții lungi, când are loc transformarea fitocromului din forma care absoarbe P 735 în forma care absoarbe P650; această reacții determină latura calitativă a efectului fotoperiodic, spre înflorire sau starea vegetativă; b)reacții de întuneric, care au loc în prima jumătate a nopții lungi; c)reacții de biosinteză a hormonilor înfloritului, care au loc în a doua jumătate a nopții lungi. Prin caracteristicile lor biochimice, reacțiile de lumină și întuneric sunt identice la speciile de zi lungă și de zi scurtă, prin sistemele de pigmenți receptori, și depind de condițiile de mediu. Lungimea perioadei de întuneric determin ă inițierea reală a primordiilor florale, dar lungimea perioadei de lumină determină numărul de primordii florale care se vor forma. Reac ția optimă la Soia biloxi are loc un fotociclu între 16 ore de întuneric și 11 ore de lumină. Fotoperioadele mai lungi sau mai scurte de 12 ore provoacă diferențierea unui număr mai mic de flori. 11.2.5. Fotoperiodismul și fitocromul Pentru ca lumina să fie eficientă, ea trebuie să fie absorbită. Primele lucrări asupra fotoperiodismului au fost consacrate efectului luminii albe asupra înfloritului sau a efectului combinat al tuturor lungimilor de undă ale spectrului vizibil. Se pare că receptorul lungimii de undă eficace în fotoperiodism este comun la toate plantele. Cele mai eficiente lungimi de undă față de inhibarea înfloritului se situează între 620 nm (portocaliu – roșu); lumina roșie se consideră radiația cea mai eficace în cazul reacției de întrerupere luminoase. Radiațiile infraroșii folosite singure nu au nici un efect ca factor de întrerupere a întunericului, adică nu transformă noaptea lungă în două nopți scurte. Totuși, dacă o slabă radiație infraroșie se aplică imediat după lumina roșie, în decursul unei nopți lungi, corespunzătoare unui ciclu fotoinductiv pentru plante de zi scurtă, se va realiza înfloritul. Dacă radiația infraroșie este urmată imediat de lumina roșie, înfloritul va fi inhibat. Deci radiația aplicată ultima dată determină reacția plantei. De aici rezultă că în acest proces intervine un pigment, care poate exista sub două forme: una care absoarbe radiația roșie cu o lungime de undă de 660 nm (P r) și alta care absoarbe radiația infraroșie de 730 nm (P ir). Cele două forme sunt interconvertibile fotochimic, la întuneric sau in vitro,sub influența condițiilor termice. Acest pigment a fost izolat și denumit fitocrom . 245 Figura nr. 108 – Acțiunea fitocromilor asupra antezei plantelor de zi scurtă, Kalanchoe bloss-feldiana : a – plantă crescută în zile scurte de 8 ore lumină pe zi; b – plantă crescută în aceleași condiții, dar iluminată pentru 1 minut cu lumină roșie în cursul nopții; c – plantă crescută în aceleași condiții ca și planta b, însă după 1 minut de iluminare cu lumină roșie, a fost expusă, pentru 1 minut la lumina roșu-închis (d. Milică și colab., 1982) Fitocromul face parte din categoria pigmen ților senzor, fiind foarte sensibil și aflându-se în plante în concentrații foarte mici. Este caracteristic pentru plantele superioare, constituind o cromoglicoproteină solubilă în apă, de culoare albastră – verzuie, cu o grupare prostetică formată din patru nuclei pirolici. Fitocromul P r este inactiv fiziologic, iar P ir este legat probabil de o substanță X –posibil o membrană plasmatică sau o proteină de legătură din această membrană. Lumina zilei conține proporții aproape egale de roșu și infraroșu, dar pentru efectul fitocromului nu este hotărâtor raportul P r/ Pir, ci numai concentrația complexului P irX care prezintă două tipuri de efecte: rapide și lente. Ca efecte rapide se menționează reacțiile de mișcare, cum sunt mișcările frunzelor la Mimosa și activările de enzime, de pildă triozofosfatdehidrogenaza specifică pentru NADP. Efectele fitocromului pot să aibă loc și prin influențarea metabolismului hormonilor; lumina roșie mărește concentrația de giberelină în frunze, probabil prin eliberarea de gibereline legate, dar și prin influențarea sintezei de noi gibereline. În legătură cu mecanismul de acțiune a fitocromului este acceptată ipoteza lui H. Mohr, conform căreia fitocromul acționează asupra sistemului de legare a proteinelor și ca mediator în sistemul de transmitere a influenței luminii asupra reglării activității genelor organismului. Dacă se face abstracție de etapele intermediare, lanțul general de reglare ar fi următorul: Lumină – Fitocrom – ADN- Proteine – Reacție fiziologică. În legătură cu rolul fitocromului în reacția fotoperiodică s-a stabilit că unul dintre cele mai importante procese ale reacțiilor de întuneric ale fotoperiodismului este transformarea lui P 730 în P 660, că viteza acestei conversii determină durata generală a perioadei critice a nopții, că înfloritul plantelor de zi scurtă necesită prezența P 660 în timpul nopții lungi, iar înfloritul speciile de zi lungă prezența de P 730. În cursul zilei (lumină albă naturală), în plantă se va acumula fitocromul P 730, care absoarbe radiația infraroșie. Această formă a pigmentului este inhibitoare pentru înfloritul plantelor de zi 246scurtă și stimulatoare pentru înfloritul plantelor de zi lungă. La începutul unei perioade de întuneric, forma sensibilă la infraroșu (P 730) va fi supusă unei degradări termice și spontan se transformă în forma fitocromului ce absoarbe roșu (P 660), care stimulează înfloritul plantelor de zi scurtă și inhibă înfloritul plantelor de zi lungă. Transformarea în timpul nop ții a lui P 730 în P 660 durează 3ore și 25 minute. Fitocromul este prezent în multe plante și, fără îndoială, poate fi prezent în toate. S-a izolat din plante superioare, ca: tutun, ovăz, porumb, fasole etc., din rădăcini, tulpini, micropil, pețiol, muguri vegetativi, cotiledoane, coleoptile, fructe în creștere, receptacule florale și inflorescență. 11.2.6. Fotoperiodismul și ritmurile circadiene În fotoperiodism măsurarea biologică a timpului este foarte precisă. Plantele reacționează prin încetinirea sau accelerarea dezvoltării, în funcție de abaterile de la durata critică a zilei cu o ,,abatere” de 15 sau chiar 5 minute. Plantele care înfloresc într-o anumită perioadă a anului cu o precizie de până la o săptămână, măsoară timpul cu o eroare medie de 1-3% față de valoarea perioadei măsurate. Aceasta demonstrează că în reacția fotoperiodică, într-un anumit fel, trebuie să aibă loc un proces legat de un anumit timp biologic, care servește plantelor drept ceasornic biologic intern. Cronometrarea biologică este legată de desfășurarea simultană în timp a diferitelor reacții fotoperiodice ale metabolismului, de corelare a activității funcționale a organismului cu mersul diurn sau sezonier al varietății mediului extern. Conform concepției lui E. Bünning, în fiecare celulă există un proces oscilator central, determinat ereditar, care trece în cursul zilei prin două faze diferite, denumite arbitrar ,, faza de încărcare” și ,,faza de descărcare”. Fiecare fază durează 12 ore și prin schimbarea lor se schimbă starea internă a metabolismului. Unul dintre semiciclurile ritmului diurn a primit denumirea de ,,fotofil”, deoarece în această fază lumina acționează pozitiv asupra metabolismului, iar al doilea semiciclu a fost denumit ,,scotofil”, deoarece realizarea este asigurată de întuneric. Pentru ca plantele să înflorească lumina trebuie să coincidă cu faza fotofilă, iar întunericul cu faza scotofilă. La plantele de zi scurtă prelungirea iluminării peste durata critică a zilei face ca lumina să ajungă și în faza scotofilă, fapt ce împiedică înfloritul. La fel dacă întrerupem noaptea lungă cu o perioadă scurtă de lumină, se dereglează ritmul endogen și plantele nu mai înfloresc. La plantele de zi lungă s-a constatat existența a două faze fotofile: una la începutul ciclului și alta la sfârșit, separate de o fază indiferentă. Ca exemple ale mișcărilor circadiene se pot aminti: mișcările diurne periodice la frunzele de Phaseolus multiflorus , în condițiile variației naturale lumină-întuneric, cu o poziție de zi (erectă) și una de noapte (aplecată) a frunzelor. Dacă supunem plantele de fasole la întuneric continuu sau la lumină continuă, mișcarea ritmică va continua fiind mișcarea ritmică endogenă. Ceasornicul fiziologic dirijează și alte fenomene, de pildă: frecvența mitozelor (este maximă noaptea), volumului nucleului, forma cloroplastelor, intensitatea fotosintezei, activitatea și concentrația multor enzime, concentrația de ATP, intensitatea gutației, termoperiodismul și alte procese. 11.2.7. Fotoperiodismul și formarea organelor de rezervă 247 Formarea tuberculilor și a bulbilor prezintă unele aspecte comune cu formarea florilor, fiind de multe ori indusă fotoperiodic. Tuberculii se formează prin diferențierea meristemelor, prin pierderea polarității și prin intensificarea creșterii celulelor datorită alungirii. Formarea tuberculilor este, de cele mai multe ori, o reacție la ziua scurtă (dalii, begonii, topinambur și multe soiuri de cartof). La zi lungă se formează numai lăstari și flori, dar nu și tuberculi. Semnalul fotoperiodic este recepționat de frunzele mature. Se consideră că formarea tuberculilor în vârful stolonilor este determinată de un ,,hormon tuberculifer” , care se formează în frunze la zi scurtă și la temperaturi relativ scăzute. Acest stimul al formării tuberculilor se poate transmite și prin altoire. În dirijarea formării tuberculilor, pe lângă hormonul tuberculifer, mai poate interveni un inhibitor (acidul abscisic), care se formează în frunze la zi scurtă, și citochininele. Formarea bulbilor este o reacție de zi lungă (ceapă, usturoi, stânjenel etc.) 11.2.8. Importanța fotoperiodismului în repartizarea geografică a plantelor Fotoperiodismul trebuie considerat ca o adaptare genetică a plantelor la succesiunea anotimpurilor. Este o adaptare realizată în decursul filogeniei la schimbările normale anuale ale mediului în biotop. Plantele de zi scurtă înfloresc când în biotopul lor natural se instalează zilele scurte. Speciile de zi lungă sunt răspândite mai ales în zonele temperate și polare, iar cele de zi scurtă sunt legate după origine sau locul de răspândire din zonele subtropicale și ecuatoriale. Plantele neutre au o arie de răspândire mult mai mare. Caracterul de neutru poate fi rezultatul pierderii sensibilității fotoperiodice, ca urmare a schimbării arealului și a evoluției acesteia în noile condiții. Aceasta se constată mai ales la bumbac, la care formele sălbatice tropicală sunt de zi scurtă, dar unele soiuri noi, ameliorate, cultivate mai spre nord, au devenit neutre. Interrelația dintre fotoperiodism și răspândirea geografică a plantelor demonstrează în mod clar că specificul reacției fotoperiodice a înfloritului corespunde integral dinamicii duratei zile în decursul vegetației active, din locurile de viețuire sau de origine. Reacția fotoperiodică înainte de toate o reacție de adaptare a plantelor la durata zilei, ca factor ecologic. Această adaptare se fac prin procesele de vernalizare, fotoperiodism și prin repausul seminal sau mugural. 11.3. Fiziologia înfloritului și fructificării 11.3.1. Formarea florilor Procesul de formare a florii, adică trecerea de la faza vegetativă la cea generativă, este un moment crucial din viața plantelor și implică mai multe trepte, pornind de la perceperea influenței unui factor extern și terminând cu diferențierea unor structuri tridimensionale – primordiile florale. 248Zonele de creștere vegetativă ale lăstarului vor forma primordii ale organelor de reproducere, în loc de primordii vegetative. Această transformare de la funcția vegetativă la cea reproductivă se face prin modificări profunde în meristemul apical. Pentru formarea florilor este necesară o informație genetică, care nu joacă nici un rol în creșterea vegetativă. Transformarea zonelor de creștere vegetativă de la formarea primordiilor foliare la formarea de organe florale poate fi explicată prin activarea anumitor gene (genele înfloritului) sau prin modificarea autonomă a zonei meristematice vegetative, fie prin rolul florigenului în transformarea zonelor de creștere și activarea genelor înfloritului. Creșterea florilor se realizează sub influența auxinei sintetizate în meristeme și ovar. Auxina are un rol important în creșterea pedunculului floral, iar încetarea creșterii acestuia este în corelație cu producerea de către stamine a unui inhibitor. Îndepărtarea ovarului, care este o sursă bogată de auxine, are drept urmare căderea florii. 11.3.2. Fiziologia sexualității La plantele unisexuate, definitivarea sexului se face sub influența hormonilor. S-a constatat că auxinele, citochininele și etilena determină formarea sexului femel, iar giberelinele formarea sexului mascul. Prin tratarea florilor mascule și hermafrodite de la Bryophyllum sau de Vitis vinifera cu citochinine se obține transformarea acestora în flori femele. Florile mascule, femele și hermafrodite de Cucurbitaceae , mai ales cele de Cucumis sativum , depind mult de hormonii amintiți. În acest caz, prin temperatură și lumină (fitocrom) poate fi reglat nivelul giberelinei și astfel influențează manifestarea sexului. La cânepă, ziua lungă sau temperatura ridicată favorizează sexul mascul, iar ziua scurtă și frigul pe cel femel. 11.3.3. Fiziologia fructificării. Formarea fructului Prima etapă a procesului de fructificare o constituie polenizarea . Dar polenizarea nu duce numai la fecundarea ovulelor, ci contribuie și la declanșarea unor procese biochimice în stil, determinând transformarea în fruct a ovarului, iar în unele cazuri și a altor părți a florii. După germinarea grăunciorilor de polen pe stigmat are loc creșterea apicală a tubului polenic și intensificarea mișcărilor protoplasmatice. Tubul polenic înaintează în stil printr-un lumen central, prin spațiile intercelulare sau prin țesutul compact; lamele mediane dintre celule dizolvate cu ajutorul unor enzime hidrolitice conținute în tubul polenic. Orientarea și direcția de creștere a tubului polenic, în multe cazuri, are loc pe bază de chemotropism. Tubul polenic declanșează în stil o intensificare a activității unor enzime ale metabolismului glucidic, o sinteză mai mare de auxină din triptofan și o intensificare a respirației. Polenizarea stimulează deci sinteza auxinei, care progresează paralel cu înaintarea tubului polenic; ea apare mai întâi la vârfului stilului, apoi la baza lui și la urmă în ovar. La numeroase specii de angiosperme (circa 40%) autopolenizarea este împiedicată datorită unor mecanisme specifice, cum sunt: repartizarea staminelor și 249carpelelor pe indivizi diferiți (plante dioice); inhibarea creșterii tubului polenic de către stigmat, stil, ovar, incompatibilitate genetică. Se deosebesc două tipuri de mecanisme ale incompatibilității genetice. În cazul primului tip are loc o inhibiție a germinării polenului sau creșterii tubului polenic pe stigmat. Această incompatibilitate, întâlnită la crucifere și compozite, se numește incompatibilitate sporofitică , deoarece reacția este determinată de genotipul sporofitului diploid. La majoritatea plantelor acționează al doilea tip de incompatibilitate, care constă dintr-o interacțiune inhibitoare dintre țesutul stilului și tubul polenic. Aceasta este așa numita incompatibilitate gametofitică , pentru că nu depinde numai de genotipul sporofitului, ci în mod hotărâtor și de genotipul grăunciorului de polen, deci de gametofitul mascul. Formarea fructului. În urma fecundației duble, nucela din ovul se transformă în țesut nutritiv, numit perisperm, integumentele ovulelor formează tegumentul seminal, iar pereții ovarului se transformă în pericarp. În cursul acestor procese ovulul se transform ă în sămânță, iar carpela formează fructul. În formarea fructului un rol important îl joacă auxina din tubul polenic și din ovar. La unele specii de plante ovarul se transformă în fruct fără fecundarea oosferei. În acest caz, ovulele nu se transformă în semințe. Acest fenomen, denumit partenocarpie, este răspândit la fructele speciilor care au un mare număr de ovule în ovar, cum sunt: tomatele, pepenii, bananele și smochinele. Obținerea fructelor fără semințe se poate realiza cu ajutorul auxinei, iar la cireș, trandafir și măr, cu giberelină; la smochin și vița de vie, cu ambele, dar și cu citochinină. Partenocarpia natural ă există la speciile care au un conținut natural ridicat de hormoni în nucelă (viță de vie, banane, mandarine etc.). Procesul de creștere a fructelor cuprinde mărirea ovarului, uneori a țesuturilor receptaculului, printr-o creștere apolară sau, mai rar, polară. Dinamica creșterii fructului reprezintă o curbă sigmoidă simplă (mere, tomate, căpșuni etc.) sau bisigmoidă (vișine, prune, smochine,struguri etc.). Embrionul în creștere, pe lângă alte substanțe biologic active, sintetizează și auxine care de la locul de sinteză vor difuza până la pereții ovarului stimulând aici procesele de diviziune și extensie celulară. Această relație strânsă între auxină și procesul de formare și de creștere a fructelor a fost demonstrată la căpșun. Dacă se îndepărtează achenele (fructele) de pe receptacul se constată că receptaculul rămâne mic, nu se dezvoltă. Dacă se înlătură achenele numai pe de o parte a receptacolului, acesta va crește, se va îngroșa numai în zona în care au rămas achenele. Dacă achenele înlăturate sunt înlocuite de o pastă de lanolină cu auxină, atunci receptacolul se va dezvolta normal. În procesul de creștere a fructului se disting mai multe etape. La măr există cinci etape: -în prima etapă, după fecundare, creșterea fructului în volum se va face pe seama diviziunii celulare, până când mărul ajunge la dimensiunea unei alune; – în etapa a doua are loc creșterea în dimensiune a fructului pe seama extensiei celulelor fără diviziune. În fructe se acumuleaz ă mari cantități de apă, acizi organici, glucide, uleiuri și săruri minerale; -etapa a treia constă din diferențierea celulară când se formează țesuturi definitive (coaja, pulpa, semințele); -în etapa a patra are loc maturarea fructelor, culoarea verde se schimbă în mod treptat, până la nuanța caracteristică soiului; 250-ultima etapă se caracterizează prin îmbătrânirea fructului, fenomen însoțit de o serie de procese fiziologice și chimice care duc la moartea celulelor în fruct. În timpul maturării fructelor au loc o serie de transformări fiziologice și biochimice: -dezagregarea treptată a mitocondriilor prin procese oxidative energetice, cu eliberare de energie; -dispariția din fructe a amidonului, cu formare de glucide solubile (fructoză, glucoză, zaharoză); -diminuarea cantit ății de acizi organici (malic, tartric, oxalic, quinic, citric), dar acumularea de acid ascorbic prin transformarea glucozei; -demetilarea grupărilor carboxilice și deacetilarea grupărilor hidroxilice prin activitatea enzimelor pectinesteraza și poligalacturonaza asupra substanțelor pectice, ceea ce face ca pereții celulari să fie mai elastici; -pigmenții din coaja fructului suferă modificări cantitative și calitative profunde prin dispariția clorofilei și sinteza carotenoizilor și a antocianilor; -începerea degaj ării lente a substanțelor volatile, aromate, alcătuite din etilen, cetone, aldehide, esteri,alcooli etc. În cursul maturării fructelor, cel mai indicat indice pentru caracterizarea fazei de dezvoltare este dinamica intensității respirației, oferind posibilitatea ca prin dirijarea ei să se influențeze ritmul de coacere a fructelor. La măr, în prima etapă a formării fructelor, când au loc intense diviziuni celulare, respirația are valori ridicate, dar pe măsură ce fructul atinge dimensiunile normale respirația scade treptat în intensitate, până în momentul în care fructul începe să-și schimbe culoarea. Din această faza respirația începe să se intensifice foarte mult, până în momentul în care fructul dobândește culoarea specifică soiului, când respirația va avea valoarea maximă. Acest moment poartă denumirea de climacterix și corespunde cu maturarea comercială, fructul având cele mai bune calități pentru consum. După climacterix urmează supracoacerea, căreia îi corespunde o scădere accentuată a respirației. Nu la toate fructele s-a putut pune în evidență climacterixul. Astfel merele, caisele, bananele, piersicile, perele, prunele, tomatele, mango, avocado, papaya au climacterix, pe când cireșele, castraveții, smochinele, strugurii, lămâile, portocalele, pepenii și căpșunii nu prezintă fenomenul de climacterix. Majoritatea fructelor fără climacterix nu conțin amidon, iar maturația lor se face pe plantă. La fructele din această grupă intensitatea respirației este în continuă scădere, până la maturarea completă. În legătură cu apariția climacterixului sunt formulate mai multe ipoteze. Cea mai mult acceptată (teoria substratului activat) admite că în fructe, în urma activității fosfofructochinazei se formează fructoză fosforilată, necesară în prima etapă a respirației. În decursul procesului de maturare, procesele de fosforilare oxidativă continuă, deoarece transformările chimice care au loc în timpul coacerii necesită energie. Cea mai intensă fosforilare oxidativă are loc în faza de maximă manifestare a climacterixului. Cunoașterea modului de acțiune a factorilor mediului extern asupra proceselor complexe ce au loc în fructe prezintă o mare importanță. Acționând asupra factorilor de mediu se poate dirija maturarea fructelor, dar mai ales păstrarea acestora în stare proaspătă pe o perioadă mai lungă de timp. Dintre factorii de mediu de mare însemnătate sunt temperatura și compoziția atmosferei. Temperatura are o deosebită importanță pentru maturarea și păstrarea fructelor. Temperatura asigură o coacere normală, contribuind la obținerea unor fructe de calitate. 251Temperaturile scăzute contribuie la prelungirea fenomenului de maturație, întârzierea climacterixului, prelungind totodată perioada de păstrare a fructelor. Compoziția atmosferei influențează în mod direct coacerea și păstrarea fructelor. În interiorul fructelor se găsesc spații intercelulare mari, care la măr pot fi până 20% din volumul fructului. Atmosfera internă din aceste spații este în legătură cu cea externă, ceea ce permite modificarea după dorință a atmosferei interioare, pentru a asigura păstrarea fructelor pe o perioadă mai lungă a anului. În acest sens s-a studiat influen ța concentrației de oxigen și CO 2. Concentrațiile mai mari de oxigen decât în atmosferă intensifică respirația și grăbesc apariția climacterixului. Dacă concentrația de oxigen este sub nivelul critic, va avea loc o respirație anaerobă. Dozele mărite de CO 2, de 5-10% în atmosferă, au ca efect încetinirea respirației și întârzierea apariției climacterixului. La un conținut mai mare de carbon de 15% merele se brumifică, iar la 30%, în fructe se formează aldehida acetică, care este toxică. Rezultate favorabile s-au obținut prin reglarea concomitentă a oxigenului și bioxidului de carbon, făcându-se recomandări concrete pentru păstrarea fructelor. La soiul de măr McIntosh, condițiile optime de păstrare sunt: atmosfera formată din 2% O2, 5% CO 2, 93% N. Combinarea acestei atmosfere cu o temperatură de 4-5 0C a favorizat păstrarea fructelor în stare perfectă până la 12 luni. Rolul etilenului în stimularea respirației este mult timp cunoscut; în concentrații extrem de mici (1ppm) grăbește apariția climacterixului și coacerea fructelor. Sinteza etilenului este condiționată de temperatură; la 3 0C se formează foarte puțină, iar la12 0C are loc sinteza cea mai puternică. Se sintetizează în faza de precilmacterix, când acționează asupra coacerii fructelor. La fructele care nu prezintă climacterix, etilenul intensifică respirația pe toată durata maturării fructelor. 11.4. Fiziologia senescen ței (îmbătrânirii) plantelor Mecanismul fiziologic al senescenței nu este clarificat în întregime. Înlăturarea florilor prelungește viața plantelor monocarpice. Există indicații că proteinele din cloroplaste se degradează mai repede decât cele din protoplasmă, ceea ce poate fi corelat cu scăderea rapidă a intensității fotosintezei în frunzele care îmbătrânesc. În dinamica respirației celulare se observă anumite modificări: la începutul senescenței rămâne aproape constantă, către sfârșitul senescenței are loc o intensificare bruscă, după care urmează prăbușirea finală (moartea). În prezent se consideră că din fructele (semințele) în coacere pornește un ,, semnal de senescență,, , care se răspândește în plantă, iar frunzele și anumite zone de creștere sunt reprogramate pentru moarte. Aceasta este teoria reprogramării senescenței. La plantele perene cu frunze caduce din latitudinile temperate, înlocuirea sezonieră a sistemului foliar este o adaptare genetică la dificultatea aprovizionării cu apă în sezonul rece. Căderea de toamnă a frunzelor este precedată de o translocare a principalelor elemente chimice (N, Fe, P, K) și a unor substanțe organice în țesuturile de rezervă din tulpină. Dintre procesele biochimice importante în fenomenul de senescență amintim: hidroliza amidonului, a proteinelor, a clorofilei și a acizilor nucleici, ca și biosinteza antocianului. Anatomic, senescența frunzelor la multe plante lemnoase este însoțită de formare a unui strat de separare la baza pețiolului. 252 În reglarea fenomenelor de senescență a frunzelor participă în primul rând factorii endogeni, de natură hormonală, astfel că senescența este controlată de întregul organism. Hormonul care declanșează senescența și absciziunea este acidul abscisic (abscisin). Procesul de senescență la flori, în mare măsură, nu depinde de planta întreagă. Florile sun ,, programate” pentru o senescență relativ rapidă. Se pare că etilenul joacă un rol important în senescența florilor. Ofilirea corolei este însoțită de o creștere bruscă a sintezei de etilen. Producerea endogenă de etilen are loc după o reacție autocatalitică. La florile ofilite s-a constatat o activitate hidrolitică intensă, care afectează și acizii nucleici. Autoliza, care duce la moartea celulei, are loc datorită degradării sau ruperii tonoplastului, astfel că sucul vacuolar pătrunde în citoplasmă, unde creează un pH favorabil pentru activitatea hidrolazelor acide. Capitolul 12 FIZIOLOGIA REZISTENȚEI PLANTELOR LA CONDIȚIILE DE MEDIU NEFAVORABILE VIEȚII 253 Întregul potențial fiziologic de producției al plantelor agricole poate fi valorificat numai într-un ansamblu de condiții favorabile ale mediului înconjurător. Dacă în cursul vegetației apar condiții nefavorabile de viață, plantele vor suferi în grade diferite, funcție de potențialul de rezistență fiziologică a speciilor sau soiurilor respective. Prin noțiunea de rezistență fiziologică se înțeleg însușirile organismelor de a supraviețui influenței dăunătoare a mediului înconjurător și totodată capacitatea lor de a asigura o desfășurare normală proceselor vitale. Factorii climatici nefavorabili acționează asupra plantelor cu intensități diferite, producând atât tulburări funcționale cât și structurale. Tulburările funcționale perturbă desfășurarea normală a proceselor metabolice, ceea ce se repercutează nefavorabil asupra dezvoltării plantelor. Tulburările structurale afectează ultrastructura materiei vii, ceea ce determină moartea plantelor. Factorii abiotici din mediul extern, cu rol limitativ în desfășurarea activității vitale la plante, sunt: temperaturile scăzute pozitive și negative, temperaturile ridicate, lipsa, insuficiența sau excesul de apă din sol și atmosferă, excesul de săruri din sol, excesul de gaze și substanțe toxice care poluează atmosfera, solul și apele. 12.1. Acțiunea dăunătoare a temperaturilor scăzute pozitive asupra plantelor 12.1.1. Leziunile de răcire la plantele termofile Temperatura de răcire poate fi definită ca temperatură suficient de coborâtă pentru a produce leziuni, dar nu suficient de coborâtă pentru a produce înghețarea plantelor. Majoritatea plantelor (excepție orezul, trestia de zahăr) nu suferă leziuni de răcire câtă vreme temperatura aerului nu coboară sub 10 0C. leziunea de răcire este proprie plantelor tropicale și subtropicale, dar ea poate să provoace sterilitate la grâu (plantă de climat temperat) atunci când temperatura frunzelor ajunge la valori cuprinse între 0 și 3 0C, iar polenul se află în faza de diviziune a nucleului. Plantele termofile supuse temperaturilor de răcire pot să sufere vătămări elastice , care sunt reversibile, sau vătămări plastice, care sunt ireversibile și pot să ducă la moartea plantelor. După viteza de reacție față de răcire, Seible (1939) împarte plantele în două tipuri: 1 și 2. Tipul 1 cuprinde plante care prezintă pete pe frunze după câteva ore de răcire, datorită dezorganizării ultrastructurii citoplasmei și infiltrației spațiilor intercelulare cu apă: Tipul 2 cuprinde plante mai rezistente, care se ofilesc numai după 5-6 zile de răcire. În cazul primului tip există leziuni directe, iar în cazul tipului 2 există leziuni indirecte. Leziunea directă apare atunci când planta este răcită brusc, deci în urma unui ,,șoc rece” , ceea ce se poate explica prin creșterea bruscă a permeabilității protoplasmei 254și a membranelor plastice ale celulei. Odată cu apa ies afară din celulă și unele substanțe solubile în apă. În cazul cartofului, supus un timp mai îndelungat la răcire, s-au găsit scurgeri de cinci ori mai mari decât la martor, potasiul fiind aproape eliminat. Lyons și Asmundson explică creșterea permeabilității celulare în urma răcirii prin solidificarea lipidelor din membranele plasmatice ale celulelor. Odată cu solidificarea lipidelor se produce și o contracție a lor, fenomen care poate să producă fisuri în plasmalemă. La temperaturi mai mici de 4 0C fisurile sunt mai mari, iar scurgerile din celule mai intense. Dac ă survine o încălzire rapidă înainte de pierderea totală a conținutului celular și dacă în urma încălzirii lipidelor solidificate ale plasmalemei se relichefiază, semipermeabilitatea membranei se restabilește. Leziunea indirect ă sau de răcire lentă se produce după zile sau săptămâni de frig continuu. Se presupune că afecțiunea nu este nu este cauzată de creșterea permeabilității celulare, ci de importante perturbări metabolice. Leziunea de răcire lentă mu se manifestă de la început în mod vizibil, ci prin fenomene invizibile, care se exteriorizează mai târziu. La început sunt afectate anumite reacții biochimice, ceea ce se repercutează negativ asupra principalelor procese fiziologice a căror valoare se modifică; mai târziu se manifestă prin diferite simptome vizibile, macroscopic și microscopic. Mișcarea citoplasmei sau cicloza este cel mai spectaculos efect vizibil. Încă din 1864 Sachs a observat încetarea mișcării protoplasmei din perișorii radiculari la castravete și tomate, la temperaturi cuprinse între 10 și 12 0C, iar alți cercetători au constatat că mișcarea citoplasmatică a rămas abia perceptibilă, după 1-2 minute la 10 0C, în perișorii pețiolului la specii sensibile la răcire și a încetat total la temperaturi cuprinse între 5 și 0 0C. Prin modificarea gradului de permeabilitate a membranei externe a cloroplastului, la temperaturi scăzute, fotosinteza plantelor sensibile este dereglată și atinge valori inferioare punctului de compensație; glucidele sunt consumate în cantitate mai mare decât sunt sintetizate, iar fenomenul de inaniție ar putea să apară la diferite organe ale plantei sau la planta întreagă. Importante perturbări respiratorii la nivelul celulei pot fi cauzate de modificarea permeabilității membranei mitocondriale: crește coeficientul respirator la începutul leziunii, se înlesnește contactul dintre substratul supus oxidării și moleculele de enzime respiratorii și se produce inhibarea activității sistemului mitocondrial și instalarea respirației anaerobe. Din cauza oxidărilor incomplete care au loc în condițiile deficitului de oxigen, fenomen caracteristic respirației anaerobe, apar produși toxici pentru celulă, cum sunt: H 2O2 și CO 2. Un important fenomen respirator este creșterea exagerată a respirației la temperaturi ridicate, după trecerea plantelor de la tratament de răcire la tratament de încălzire. La plantele horticole, simptomele vizibile ale leziunii de răcire variază cu țesutul și cu amploarea leziunii și evoluează mai repede dacă țesutul sau organul este transferat la căldură imediat după răcire. Cele mai evidente simptome sunt adâncirea suprafe ței zonei necrozate și decolorarea exterioară. Încă din anul 1896 Molisch a descris o pătare brună la plantele tropicale, sensibile la frig, după o expunere de scurtă durată la temperaturi scăzute. Coaja bananelor verzi, expuse la răcire, devine cenușie, galbenă închis sau chiar neagră. La castraveți apare un fenomen tipic de adâncire a suprafeței fructului. Adânciturile rezultă din vătămarea celulelor de sub epiderma fructului, urmată de invazia microorganismelor 255care descompun fructul. Unele țesuturi se decolorează atât la interior cât și la exterior ca urmare a răcirii. Opărirea merelor se prezintă ca o decolorare brună, care dă epidermei un aspect fiert. Apare la fructele depozitate timp îndelungat la temperaturi cuprinse între 0 și 4 0C. la unele soiuri acest simptom cuprinde în scurt timp majoritatea pulpei. Simptomele mai sus descrise nu sunt specifice numai leziunii de r ăcire. Adâncirea suprafeței fructelor poate fi indusă și la temperaturi ridicate dacă fructele sunt ținute în atmosferă săracă în oxigen sau îmbogățită în CO 2. 12.1.2. Modificări biochimice și metabolice În țesuturile afectate de răcire s-au înregistrat intensificări ale activității invertazei, catalazei, piruvat-decarboxilazei și alcool – dehidrogenazei, glucozo-6-fosfatdehidroge-nazei, fosfoenol-piruvat-carboxichinazei etc. În același timp s-a constatat reducerea activității unor sisteme, ca: malat-dehidrogenaza, pectinesteraza etc. După cum se vede, întregul sistem enzimatic al ciclului Krebs este afectat de răcire. Degradarea amidonului. Este cunoscut faptul că sub influența frigului activitatea amilazei trece de la sinteză la hidroliză. Hidroliza amidonului are loc în tuberculii de cartof surprinși de îngheț și se manifestă practic prin îndulcirea cartofilor. Același fenomen se constată la pomi și vița de vie, când rezervele de amidon din scoarță sau de la baza mugurilor se hidrolizează transformându-se în zaharoză sau glucoză. Zaharurile măresc concentrația sucului celular și prin aceasta realizează coborârea punctului de îngheț al sucului celular și protejarea coloizilor plasmei împotriva coagulării. Degradarea proteinelor. În anul 1918, Pantanelli a descoperit un intens proces de proteoliz ă la fasole, tomate și tutun, sub acțiunea frigului. Dacă această hidroliză a proteinelor depășește un anumit nivel se produce moartea plantei. Seible (1939) stabilește că în primul rând sunt atacate proteinele protoplasmei, respectiv substanțele de constituție ale celulei. Odată cu aceasta este dezorganizată structura submicroscopică a citoplasmei celulare, cu efecte grave asupra activității vitale a celulei și a plantei. Macromolecula proteică este desfăcută de către proteinaze și transformată în aminoacizi. La rândul lor aminoacizii sunt dezaminați, iar în celulă se acumulează amoniac, toxic pentru celulă și pentru planta întreagă. Activitatea oxidativă a peroxidazei. V. N. Joikevici (1955) a constatat intensificarea activității de oxidare a peroxidazei; în celule se acumulează apă oxigenată care este toxică pentru celule și pentru planta întreagă. 12.1.3. Mecanismul rezistenței la răcire Mecanismul chimic implicat în procesul de creștere a rezistenței la răcire nu este bine cunoscut. Lyons și col. (1964) au găsit un conținut sporit de acizi grași nesaturați în mitocondrii, la plantele rezistente față de cele nerezistente la frig. Cu ajutorul carbonului radioactiv, Harris și James (1969) au constatat intensificarea formării de acizi grași nesaturați sub influența temperaturilor scăzute la semințe de floarea –soarelui, in și ricin. Christopher (1969) este de părere că formarea peroxizilor lipidici din acizii grași nesaturați ai membranelor plasmatice are un caracter foarte dăunător. Enzima 256glutation-peroxidaza poate cataliza reducerea peroxizilor tuturor acizilor grași polinesaturați care apar în membranele organitelor celulare. Este posibil deci ca lipidele membranei să fie în mod obișnuit protejate împotriva peroxidării prin puterea mai mare de reducere a celulelor cu activitate metabolică activă. Când însă celulele sunt răcite, metabolismul lor se reduce iar puterea reducătoare scade. În acest caz, lipidele membranei ar putea forma peroxizi, iar membrana își pierde proprietatea de semipermeabilitate. 12.1.4. Posibiliăți de reducere a efectului negativ al frigului Aclimatizarea și călirea sunt termeni folosiți curent și cuprind diferite modificări fiziologice și biochimice care facilitează trecerea plantelor de la o stare fiziologică sensibilă la o stare fiziologică de rezistență, la condiții nefavorabile de viață. Există experiențe care indică posibilitatea creșterii rezistenței plantelor prin expunere treptată și repetată la temperatură puțin deasupra domeniului de răcire. Reducerea efectului negativ al frigului asupra plantelor se poate face și prin tratarea plantelor cu temperatură alternativă. Acțiunea dăunătoare a frigului poate fi redusă prin întreruperea tratamentului de răcire cu tratament de încălzire (peste 20 0C), fapt constatat la diferite tipuri de țesuturi vegetale, cu condiția ca țesutul respectiv să revină la temperatura de încălzire înainte de apariția modificărilor degenerative. O importantă afecțiune a merelor, numită ,, stricarea merelor la temperatură scăzută” este cauzată de acumularea acidului acetic în timpul depozitării prelungite la temperatură scăzută. Tratamentele care au stimulat pierderea apei din țesuturi au redus acidul acetic, accelerând evacuarea sa sub formă de esteri acetați sau sub formă de acid liber, reducând astfel sensibilitatea la afecțiune. 12.2. Acțiunea dăunătoare a temperaturilor scăzute negative asupra plantelor 12.2.1. Principii și definiții privind rezistența la ger și iernare Limitele de temperatură între care plantele de cultură, ca și cele din flora spontană, își desfășoară activitatea vitală în mod activ sunt relativ restrânse. Pentru majoritatea plantelor aceste limite sunt cuprinse între 1 și 45 0C. Activitatea vitală mult redusă este posibilă și la temperaturi sub 0 0C, dar până la -10 0C, la care majoritatea proceselor fiziologice încetează. Circulația apelor în tulpina plantelor, de exemplu încetează la temperatura de -7 0 -80C. Noțiunea de rezistență la ger nu este identică cu noțiunea de rezistență la iernare. Prin rezistență la ger înțelegem capacitatea plantelor de a supraviețui la temperaturi scăzute mult sub zero grade. Prin rezistența la iernare înțelegem capacitatea plantelor de a suporta, fără vătămări semnificative, ansamblul condițiilor nefavorabile din perioada de iarnă, respectiv alternanța dintre perioade de ger cu perioade mai lungi sau mai scurte de temperaturi scăzute pozitive, însoțite de ninsori, ploi, topirea zăpezii, polei etc. Plantele anuale suportă iarna sub formă de semințe mature și uscate, foarte rezistente la ger. Majoritatea plantelor perene pierd organele aeriene și iernează sub 257formă de bulbi, rizomi, tuberculi, bine protejați împotriva gerului printr-un strat de pământ și zăpadă. Arborii de pădure, arbuștii cu frunze permanent verzi, cerealele de toamnă, trifoiul și lucerna, ierburile multianuale etc., suportă în mod activ acțiunea temperaturilor negative din cursul iernii. Esențele lemnoase, ale căror frunze cad toamna, trec prin iarnă în mod pasiv, planta întreagă găsindu-se în stare de repaus. Tot în mod pasiv suportă și rigorile iernii și plantele care iernează sub formă de tuberculi, bulbi, rizomi, semințe Rezistența la ger a unor organe ale plantei nu este totală și generală. La plantele ierboase suferă în primul rând partea aeriană și numai în caz extrem tulpinile subterane și rădăcinile sau rizomii. La plantele lemnoase, mai sensibili sunt lăstarii care n-au ajuns la maturitate fiziologică în toamnă. Partea cea mai sensibilă a lăstarilor sunt mugurii și vârfurile vegetative. Pagubele produse de ger ajung în anumiți ani la cifre uriașe. Importante pagube provoacă gerul pomilor și viței de vie, putând desființa plantații întregi în anumiți ani. Înghețurile târzii de primăvară cauzează pagube importante culturilor de cartof, castravete, tomate, fasole etc., iar cele timpurii de toamnă produc pagube legumelor și altor culturi tardive (tab. 12). Tabelul nr. 12 Temperatura minimă ( 0C) care determină moartea parțială a unor organe la câteva plante de cultură PlantaFloarea și mugurulFrunza TulpinaFructe necoapte și sămânța Dovleac 1,5 0,5 0,0 -0,5 Castravete 2,0 1,5 1,0 0,5 Bumbac 0,5 0,5 -1,0 -0,5 Ricin 1,2 0,5 -0,5 -0,7 Fasole 0,5 0,3 -1,0 -1,2 Tutun 0,5 0,0 – – Arahide 0,7 -0,6 -0,8 – Tomate și pepene1,0 1,0 0,5 0,0 Hrișcă 0,5 -0,7 -1,0 -1,0 Porumb 0,2 -0,8 -1,2 -1,5 Cartof -0,5 -0,8 -1,5 – Bob 0,0 -0,5 -1,0 – Soia -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 Floarea-soarelui -1,0 -2 -3,0 -2,5 În timpul iernii asupra plantelor ac ționează un complex de factori nefavorabili cum sunt: 258a) acțiunea directă a gerului, care provoacă scăderea progresivă a temperaturii aerului, uscarea frunzelor, datorită unor vânturi uscate și reci, scăderea bruscă a temperaturii aerului la venirea iernii fără o călire prealabilă a plantelor; b) acțiunea stratului de zăpadă, care poate să provoace asfixierea plantelor, mai ales dacă survine topirea zăpezii sau o ploaie, urmată de îngheț brusc ce înlesnește formarea unei cruste de gheață la suprafața zăpezii; c) acțiunea indirectă a gerului, care provoacă fenomenul ,,descălțării” și ruperea rădăcinilor, datorită dilatării solului și favorizează atacul unor paraziți. Față de aceste pericole este necesară participarea specialiștilor și practicienilor la stabilirea cauzelor dominante care determină pagubele produse de ger în fiecare zonă geografică a țării, spre a se lua măsuri corespunzătoare de prevenire și combatere a efectelor nefavorabile. Sectorului de cercetare în domeniul fiziologiei vegetale îi revine sarcina de a stabili bazele fiziologice ale proceselor de adaptare și supraviețuire, găsirea unor metodici eficiente de alegere a materialului biologic rezistent la ger și iernare. În lupta cu acțiunea nefastă a gerului și a condițiilor de iernare asupra plantelor cultivate, alegerea unor forme mai bine adaptate diferitelor condiții ecologice rămâne calea principală care asigură obținerea unor succese de valoare. 12.2.2. Cauzele pierii plantelor sub ac țiunea gerului Teoria ruperii membranelor celulare și a vaselor lemnoase. Primele teorii privind cauzele morții plantelor sub acțiunea temperaturilor scăzute negative au avut un caracter unilateral. Teoria ruperii membranelor celulare și a vaselor lemnoase explică moartea plantelor sub acțiunea înghețului, prin analogia cu spargerea paharului de sticlă în care îngheață apa. Moartea celulelor sub acțiunea înghețului a fost imaginată ca fiind rezultatul crăpării membranei celulare în urma dilatării conținutului celular înghețat. Experimental, însă, nu s-au găsit vase lemnoase sau liberiene și nici membrane celulare rupte din cauza dilatării. Teoria congelării intracelulare. La răcirea bruscă, cu viteză mai mare de 10 0C pe minut, are loc așa numitul ,, șoc rece” , care exercită leziuni primare directe asupra celulelor, ceea ce duce la moartea plantelor. Sub acțiunea înghețului brusc se formează rapid mari cantități de gheață în interiorul celulei, acolo unde se găsește apă liberă (vacuolă, protoplasmă, membranele plasmatice, membranele organitelor citoplasmatice). Întrucât protoplasma celulelor este foarte fin structurată,formarea cristalelor de gheață în masa de protoplasmă afectează ultrastructura plasmei fundamentale și odată cu aceasta funcția sa fiziologică în viața celulei. Cristalele de gheață din protoplasmă pot să separe organitele celulare, iar prin creștere să întrerupă legăturile funcționale ale acestora. Formarea cristalelor de gheață în membranele plasmatice (plasmalemă, tonoplast) le destramă ultrastructura și se pierd însușirile de semipermeabilitate. Formarea cristalelor de gheață în membranele organitelor celulare duce la dezorganizarea acestora și la pierderea funcției fiziologice, ceea ce afectează viața celulei. Toate aceste afecțiuni produc vătămări importante integrității celulare și perturbări majore ale permeabilității celulare, fenomene care duc la moartea imediată a celulei. 259 În cazul înghețului lent, se evită parțial congelarea intracelulară, prin creșterea permeabilității membranelor plasmatice sub acțiunea temperaturii scăzute, ceea ce permite ieșirea unei cantități de apă afară din celulă, într-un timp foarte scurt. Se pot considera rezistente la ger sau îngheț acele celule care au o bună permeabilitate a membranelor plasmatice pentru apă și ca urmare se pot deshidrata rapid, evitând congelarea conținutului celular. Leziunea celulei sub acțiunea înghețului brusc sau lent ar avea la bază denaturarea reversibilă sau ireversibilă a proteinelor protoplasmei celulare. În cazul celulelor congelate brusc în aer lichid, cristalele de gheață se formează extrem de rapid, acolo unde se află apa în celulă. La începutul congelării atât celulele, cât și mediul extern suferă un proces de suprarăcire, după care în mediu apar puncte de nucleație în jurul cărora se formează cristalele. Aceste cristale cresc mereu în volum până când devin mai mari decât macromoleculele proteice din protoplasma celulei. Asemenea cristale pot să se formeze între mănunchiurile de macromolecule proteice și dispun de o foarte mare forță de deshidratare a proteinelor celulare. Pe măsură ce cristalele deshidratează proteinele protoplasmei, ele cresc în volum și exercită o apăsare mecanică asupra moleculelor proteice, care se apropie una de alta, favorizând agregarea și coagularea proteinelor. Dacă agregarea (coagularea) afectează lipoproteinele membranei plasmatice (plasmalema) are ca rezultat pierderea semipermeabilității celulare și implicit moartea celulei. Leziunea celulei prin deshidratare excesivă. Dacă o celulă suprarăcită este înconjurată de gheață sau de o soluție pe punctul de a îngheța, raportul dintre tensiunea internă a vaporilor de apă și cea externă, crește odată cu scăderea temperaturii și se produce o deshidratare forțată, care determină moartea celulei. Celulele răcite mai lent de 10 0C pe minut sunt plasmolizate prin deshidratare și nu conțin gheață intracelulară, pe când cele răcite cu viteză de peste 10 0C pe minut sunt foarte puțin plasmolizate și conțin importante cantități de gheață intracelulară. Fotografii executate la microscopul electronic confirmă cele de mai sus. Congelarea intracelulară devine deci posibilă numai peste o anumită viteză critică de răcire a țesuturilor, funcție de specie și de permeabilitatea pentru apă a celulei. Leziunea prin rehidratare dup ă îngheț. La plantele superioare leziunea celulară este influențată nu de deshidratarea care se petrece înainte de îngheț, ci de refacerea hidratării în timpul dezghețului. Dacă dezghețul se produce lent, refacerea hidratării se desfășoară normal, iar celulele nu suferă; dacă dezghețul se produce rapid, apa invadează spațiile intracelulare și creează condiții de anaerobioză pentru celulele țesutului, cu toate consecințele nefaste care urmează. Cauza vătămării celulei sau țesutului, în cazul dezghețului rapid, pare a fi șocul osmotic. La cerealele de toamnă s-au constatat vătămări puternice, chiar distrugerea culturilor, dacă după o perioadă de îngheț survine brusc un interval de câteva zile de ,,moină” , cu temperaturi foarte ridicate. Dezghețarea rapidă produce inundarea plasmei cu apă, distrugerea structurii micelare, ruperea plasmodesmelor și moartea celulei. Se consideră că fenomenele osmotice de acest gen ar putea să aibă un rol mult mai important în leziunea celulelor decât se apreciază în prezent. Ipoteza disulfidică a leziunii celulare. J. Levitt a emis o teorie a leziunii de îngheț care se întemeiază pe modificări ale grupărilor sulfhidrice din proteinele celulei, respectiv din moleculele aminoacizilor cu sulf (cistină, cisteină, metionină, glutation). 260 Autorul susține că pe măsură ce apa din celulă se transformă în gheață, proteinele de structură din citoplasmă sunt presate și moleculele se apropie. În această situație, grupările sulfhidrice (- SH) ale moleculelor vecine se unesc și se pierd H, transformându-se în grupări disulfidice (S-S), după următoarea reacție: 2SH → S-S + 2H Se consider ă că moartea protoplasmei celulare ar fi determinată de pierderea grupărilor SH, indispensabile proceselor vitale. S-a observat că la plantulele necălite sau la acelea care au suferit un proces de decălire, grupările SH se oxidează foarte ușor. Pe de alt ă parte, procesul de călire determină o rezistență sporită împotriva oxidării grupărilor SH. Teoria congelării extracelulare. În cazul înghețului lent se produce o deshidratare a celulelor, cu scoaterea apei libere în spațiile intercelulare. În acest caz, apa înghețată extracelular provocând unele leziuni secundare, indirecte, care sunt însoțite și de unele modificări în reacțiile biochimice din celulă. Teoria coagulării proteinelor. Lindforss (1896) a fost primul om de știință care a presupus că glucidele ar putea proteja proteinele plasmei celulare împotriva coagulării. În sprijinul acestei păreri,Gorke a adus dovezi experimentale concrete. El a congelat suc stors din frunze de cereale, la temperaturi de -4 0C până la -40 0C, și a constatat că în sucul decongelat o parte din proteine au fost coagulate. Cu cât planta era mai rezistentă la îngheț, cu atât era mai joasă temperatura necesară coagulării proteinelor. Adăugându-se zahăr sucului celular, înainte de congelare, s-a constatat o reducere a cantității de coagulat. Pe baza acestei constatări, Gorke a explicat leziunea de îngheț fiind o coagulare a proteinelor protoplasmei celulare, iar rezistența la îngheț ca fiind fenomenul de protejare a proteinelor împotriva coagulării de către glucidele solubile care se acumulează în celule în timpul călirii plantelor. Mecanismul coagulării proteinelor celulare sub acțiunea gerului este rezultatul deshidratării puternice a acestor proteine de către cristalele de gheață, care se formează în spațiile intercelulare sau între plasmalemă și membrana celulozică. Cristalele de gheață formate în afara protoplasme dispun de o foarte mare forță de atracție pentru apă. Datorită acestui fenomen, apa din vacuolă și din protoplasmă este extrasă în afară, unde îngheață, mărind cristalele de gheață din afara protoplasmei. În acest mod, masa de proteină celulară care alcătuiește citoplasma este supusă unui intens proces de deshidratare, ceea ce duce la coagularea și implicit la moartea celulei. 12.2.3. Călirea plantelor Însușirea de rezistență la ger a cerealelor de toamnă se formează toamna, după răsărirea plantelor și se dezvoltă ulterior, sub influența temperaturilor din ce în ce mai scăzute și a zilelor din ce în ce mai scurte care se succed în acest sezon. S-a observat că unele soiuri suportă înghețuri mari în anumiți ani, dar în alți ani pier la înghețuri slabe. Rezisten ța la ger este minimă vara și atinge un maximum cursul iernii. Există, de asemenea, diferențe în ce privește rezistența la ger între un organ și altul sau în cadrul aceluiași organ între un țesut sau altul (de exemplu, înghețarea frecventă a vârfurilor la ramuri, la lăstari sau la corzile viței de vie datorită unei căliri defectuoase). Lumina are un rol deosebit de important în procesul de călire la ger a cerealelor de toamnă și a altor plante. După un regim necorespunzător de lumină, plantele intră în iarnă plăpânde și neînfrățite sau abia înfrățite, nu dispun de mari rezerve de glucide și pier 261sub acțiunea înghețului și dezghețului. Dar în anii cu toamne lungi, senine și însorite, plantele de toamnă intră în iarnă bine călite, iar glucidele care se formează în frunze toamna, în procesul de fotosinteză, se depun în nodurile de înfrățire, mărind rezistența plantelor la gerul de iarnă. Al doilea factor de mediu, deosebit de important în procesul de c ălire a plantelor de toamnă este temperatura. Acest factor favorizează desfășurarea în bune condițiuni a procesului de călire dacă se menține la valori apropiate de 0 0C timp îndelungat, atât ziua cât și noaptea. În astfel de condiții se realizează o acumulare normală a substanțelor protectoare, osmotic active (glucide solubile, acizi organici, aminoacizi cu sulf etc.) în sucul vacuolar, precum și deshidratarea treptată a celulelor și țesuturilor plantei înainte de a intra în iarnă. Ca urmare a adaptării la condițiile mediului ambiant soiurile care încep procesul de călire toamna devreme rezistă mai bine la ger, iar soiurile care au tendința de a vegeta și după venirea frigului sunt mai sensibile la ger. Trecerea plantelor la starea de repaus, caracterizat prin oprirea creșterii, este întotdeauna însoțită de o importantă sporire a rezistenței la ger. Dimpotrivă, trecerea de la starea de repaus la o activitate vitală intensă, fenomen care se petrece primăvara, odată cu venirea căldurii și în timpul căreia are loc reluarea creșterii,determină o puternică scădere a rezistenței la ger. Din această cauză, înghețurile de primăvară sunt mai dăunătoare decât gerurile de peste iarnă, deși acestea au temperaturi mult mai scăzute. În afara factorilor care măresc rezistența la ger, exisă și factori care o micșorează: toamna noroasă, umedă și rece; abundența de apă în țesuturi și celule; reacția acidă a sucului celular; alternarea înghețului cu dezghețul; strat de zăpadă persistent pe o perioadă prea îndelungată. Călirea plantelor lemnoase. Primul simptom vizibil de pregătire a plantelor lemnoase pentru iernare este căderea frunzelor, ca rezultat al influenței temperaturilor din ce în ce mai scăzute, a scurtării treptate a zilei, a prelungirii nopții, precum și a modificării raportului dintre diferiții hormoni existenți în celulele plantelor. Căderea frunzelor toamna la pomii fructiferi și la majoritatea copacilor din zona temperată și subpolară este un fenomen de adaptare la condițiile nefavorabile de temperatură și lumină. Plantele rețin în tulpini și ramuri apa strict necesară pe durata iernii, când absorbția se reduce foarte mult sau încetează cu totul. Înainte de căderea frunzelor asimilatele migrează din frunze în ramuri și sunt folosite la îngroșarea și suberificarea lăstarilor, lignificarea membranelor celulare, la fortificarea mugurilor și transformarea mugurilor vegetativi în muguri floriferi. Căderea prematură sau uscarea frunzelor din cauza secetei prelungite de vară sau a anumitor dăunători animali sau vegetali împiedică acumularea substanțelor de rezervă în ramuri și deci maturizarea fiziologică a lemnului, ceea ce determină sensibilizarea la ger a pomilor. Din aceleași cauze defolierea prematură a pomilor se răsfrânge negativ asupra transformării mugurilor vegetativi în muguri de rod. Când căderea frunzelor se prelungește până toamna târziu, călirea și maturizarea lemnului la pomi este dereglată din cauza păstrării asimilatelor în frunze. De aceea, atât la pomi cât și la vița de vie, rezistența la ger depinde în mare măsură de coacerea fiziologică a ramurilor și lăstarilor și de intrarea în repaus a mugurilor la momentul optim. 262 Procesul de călire a pomilor fructiferi, a viței de vie și a celorlalte specii lemnoase se realizează în patru etape sau faze, fiecare fiind obligatorie pentru trecerea în etapa următoare. Faza I începe cu intrarea în repaus relativ, în a doua jumătate a verii și începutul toamnei. Acest fenomen se caracterizează printr-o acumulare intensă a amidonului în ramuri și lăstari, acumularea azotului total și proteic și reducerea cantității de azot neproteic în celule și țesuturi. Faza a II-a constă în hidroliza enzimatică a amidonului din ramuri și lăstari sub influența amilazelor, ceea ce se petrece toamna în condițiile zilelor din ce în ce mai scurte. Amidonul se transformă în glucide solubile simple, care măresc potențialul osmotic al celulelor și concentrația sucului citoplasmatic, mai ales în țesuturile scoarței. Hidroliza amidonului durează aproximativ 30 de zile și se realizează pe măsură ce scade temperatura, desfășurându-se în bune condiții între +2 și +5 0C. la sfârșitul acestei faze de călire pomii fructiferi vița de vie, arbuștii fructiferi și toate celelalte specii de plante lemnoase multianuale suportă bine temperaturi de -15 0C și chiar -20 0C. Faza a III-a se desfășoară la temperaturi negative de -2 0C până la-6 0C, uneori mai scăzute, și constă în deshidratarea celulelor de unde apa trece în spațiile intercelulare, iar de aici se pierde în atmosferă în procesul de transpirație; în țesuturi scade procentul de apă liberă și crește procentul de apă legată, îndeosebi osmotic. Faza a IV-a se desfășoară la temperaturi foarte scăzute și se caracterizează prin reducerea foarte pronunțată a schimbului de substanțe, mărirea vâscozității protoplasmei și trecerea plantelor la repaus hibernal profund. Plasmodesmele care leagă protoplasma celulelor vecine se retrag în interiorul celulelor, plasmalema se desprinde de membrana celulozică și apare astfel fenomenul de individualizare a celulelor ca reacție de adaptare la mediul nefavorabil. Celulele se izolează funcțional unele de altele ș duc o viață independentă. În cazul speciilor pomicole mai rezistente la ger (mărul, cireșul, prunul etc.) se constată încetarea creșterii mai devreme, iar în timpul călirii în celulele acestor plante se petrec unele reacții fiziologice specifice, cum sunt: -scăderea gradului de hidratare a celulelor și țesuturilor, a permeabilității celulare, a conținutului de amidon și aminoacizi liberi; – creșterea conținutului de apă legată, proteine, lipide, glucide solubile și a complexului de lipide și substanțe tanante; -păstrarea peste iarnă a unei cantități de clorofilă în scoarța ramurilor și sporirea stabilității cloroplastelor din ramuri și lăstari. La speciile mai sensibile la ger (caisul și piersicul), în țesuturile plantelor rămâne o cantitate mai mare de apă liberă și de aminoacizi liberi, iar cloroplastele se micșorează, se contopesc și trec într-o masă granuloasă aglutinată. Dintre acestea, piersicul este foarte sensibil la ger și poate fi distrus n masă în iernile mai aspre. Soiurile de piersic mai indicate pentru condițiile naturale din țara noastră se caracterizează prin încetarea mai timpurie a creșterii lăstarilor, conținut mai mare de substanță uscată, amidon și apă legată. Procesele fiziologice și biochimice caracteristice perioadei de călire. În procesul călirii plantelor au loc importante modificări biochimice. Acumularea glucidelor. Fenomenul de ,, îndulcire” a plantelor atunci când sunt expuse la temperaturi joase este cunoscut din antichitate de pe vremea lui Plinius. 263 La plantele erbacee, acumularea glucidelor solubile se face îndeosebi în nodurile de înfrățire, mai puțin în frunze și foarte puțin în rădăcini. În mod obișnuit, concentrația de glucide solubile crete toamna pe măsură ce plantele se călesc și scade primăvara pe măsură ce plantele se decălesc. Asemenea modificări în concentrația glucidelor au loc atât la plantele erbacee de toamnă, cum sunt grâul și secara, cât și în plantele multianuale lemnoase și erbacee. Glucidele solubile pot spori rezistența la ger pe două căi: -prin efect osmotic , fenomen care constă în acumularea de glucide solubile în vacuolă, mărind concentrația sucului celular și coborând punctul de congelare al acestuia. În același timp se reduce cantitatea de gheață care s-ar putea forma în vacuolă datorită intensificării procesului de deshidratare celulară sub acțiunea gerului; -prin efect metabolic, deoarece fiind metabolizate în protoplasmă, la temperaturi joase de călire, glucidele produc modificări protectoare importante, care sporesc supraviețuirea la temperaturi cu mult mai scăzute decât se realizează prin efect osmotic. În procesul de călire, acumularea glucidelor solubile determină inactivarea unor substanțe naturale de creștere (auxine libere și legate), ceea ce duce la diminuarea procesului de creștere pe cale metabolică înainte de venirea iernii. Un conținut ridicat de auxine în celule împiedică desfășurarea celei de-a doua faze a procesului de călire, iar țesuturile rămân sensibile la ger. În ultimul timp, o mare atenție a fost acordată oligoglucidelor (glucopolifructozani) care se sintetizează în perioada de călire și, alături de monoglucide, joacă un important rol de mărire a potențialului de rezistență la ger a cerealelor de toamnă. Rolul protector al glucidelor constă în coborârea punctului de congelare a sucului vacuolar, trecerea coloizilor plasmatici din starea de sol în starea de gel, umplerea rețelei de gel cu soluție osmotic activă protectoare, reținerea apei pe cale osmotică și formarea unui înveliș protector de apă legată în jurul particulelor coloidale lipoproteice, din protoplasma celulară. Sinteza acizilor organici . În procesul de c ălire a cerealelor de toamnă se intensifică sinteza unor acizi organici, mai ales forma redusă a acidului ascorbic. Acidul ascorbic este un important agent de oxidoreducere, ce se acumulează în țesuturile în care predomină creșterea prin extensie celulară, de 5,5 ori mai mult decât în nodurile de înfrățire unde predomină procese de diviziune celulară. În cursul iernii, acidul ascorbic joacă un rol deosebit de important în sinteza, absorbția șreținerea de către protoplasmă a unor substanțe protectoare, cum sunt glucidele. Acumularea proteinelor. În prima faza a procesului de călire crește conținutul de substanțe proteice solubile, se dublează cantitatea de aminoacizi liberi, îndeosebi prolina și acidul glutamic, precum și amidele (asparagina și glutamina), care se acumulează intens în frunze și nodul de înfrățire și mai puțin în rădăcini. Deși conținutul total de aminoacizi nu este corelat pozitiv cu o mare rezistență la ger, aminoacidul specific prolină a fost găsit de către numeroși cercetători că se acumulează în pante la temperaturi de călire și scade cantitativ la decălire. Corelația pozitivă dintre conținutul de prolină și rezistența la ger este mai bună decât în cazul glucidelor. 264 Începând cu faza a doua de călire scade cantitativ proteina brută din nodurile de înfrățire, în schimb crește conținutul de triptofan și tirozină, aminoacizi cu rol activ, din punct de vedere fiziologic, în capacitatea de adaptare a plantelor la temperaturile negative din cursul iernii. Activitatea enzimatică. În perioada călirii plantelor, în special în faza a doua de călire, are loc o intensificare a activității hidrolitice a invertazei, proteazei, catalazei, dehidrazei și îndeosebi a peroxidazei. Acumularea unor substanțe organice neglucidice. Există anumite relații între procesul de călire și acumularea în celule și țesuturi a unor substanțe organice (aminoacizi cu sulf, acizi nucleici, antociani etc.) cu rol de protecție împotriva gerului. Metabolismul fosforului. În prima fază a călirii crește conținutul de fosfor din fracțiile fosfolipidice, crește conținutul de fosfor macroergic și fosforul organic solubil în acizi. Paralel scade, în mod treptat, fosforul anorganic, fosforul din nucleotide și din fracția fosfolipidelor. 12.2.4. Bazele genetice ale poten țialului de rezistență la ger Rezistența la ger este o însușire complexă, poligenică și cantitativă, care se moștenește așa cum se moștenesc și alte caractere cantitative. Această concluzie a fost confirmată în toate încrucișările făcute între părinți care contrastează din acest punct de vedere. În încrucișările sexuate, sensibilitatea la ger este dominantă față de rezistența la ger. În F1 transmiterea rezistenței la ger a grâului se înscrie între limitele determinate de rezistența genitorilor. În F 2 apare o variabilitate discontinuă, ceea ce se explică prin diferențe genetice mari între formele genitoare. În F 3 apare o segregație transgresivă în sens pozitiv,datorită constituției genetice divergente a părinților. Cele mai bune rezultate în activitatea de creare a unor forme rezistente la ger și iernare au fost obținute prin hibridări interspecifice (de exemplu, grâu cu secară) sau între soiuri îndepărtate geografic. 12.2.5. Factorii externi care influențează rezistența la ger și la iernare a plantelor Potențialul genetic de rezistență la ger și iernare a diferitelor specii de plante este modificat de ansamblul factorilor care alcătuiesc mediul înconjurător de viață. Principalele grupe de factori externi sunt de natură climatică, edafică, biologică și agrotehnică. Printre factorii climatici cu influențe radicale asupra plantelor care iernează în stare vegetativă, în zonele temperate, subpolare și polare, se pot menționa: temperatura aerului, cu pragurile termice minime survenite neprevizibil în timpul iernii; temperatura solului; lumina; umiditatea sau seceta solului; stratul de zăpadă, cu grosimi protectoare sau dăunătoare; crusta de gheață, vătămătoare prin asfixierea sistemului radicular. Factorii edafici care intervin în relația dintre sol și plantă în timpul nopții sunt: tipurile de sol cu mari variații de structură, textură, porozitate; componență mecanică și 265mineralogică, panta și expoziția terenului; microrelieful; umflarea solului prin înghețare, care produce fenomenul de ,,descălțare” a plantelor, în primăvară. Supraviețuirea plantelor de iarnă este periclitată și de acțiunea dăunătoare a unor factori biotici (mucegaiuri, bacterii, ciuperci) dintre care cel mai frecvent este mucegaiul de zăpadă ( Fusarium nivale ). Ansamblul măsurilor agrofitotehnice aplicate în toamnă influențează în mod hotărâtor, asupra comportării plantelor în perioada de iarnă. De o mare importanță este calitatea superioară a semințelor din soiul sau specia cu potențial ridicat de rezistență la ger. De asemenea, epoca optimă de semănat pentru intrarea culturilor în faza cu rezistența maximă la ger, adâncimea optimă de semănat și sistemul de fertilizare echilibrată sunt factori agrotehnici ce pot fi reglați de cultivatori în vederea asigurării unor condiții de rezistență sporită a plantelor la trecerea prin anotimpul rece al iernii. 12.3. Fiziologia rezistenței plantelor la secetă Rezistența plantelor la secetă constituie o problemă deosebit de importantă pentru agricultura mondială, deci și pentru țara noastră, dacă avem în vedere întinderile foarte mari ale zonelor geografice de pe suprafața pământului care sunt afectate de secetă. Sub acțiunea secetei plantele suferă din cauza deshidratării celulelor și a țesuturilor și din cauza creșterii considerabile a temperaturii corpului lor. Rezistența plantelor la secetă cuprinde deci capacitatea de a rezista la deshidratare (rezistența la uscăciune) și capacitatea de a suporta supraîncălzirea (rezistența la arșiță). Rezistența la arșiță nu include întotdeauna și rezistența la secetă. Plantele suculente (Cactaceele) prezintă o mare rezistență la căldură, dar nu rezistă la deshidratare. Dintre adaptările anatomice și morfologice ale plantelor la secetă, un rol deosebit de important îl are tipul și creșterea sistemului radicular al plantelor. Sistemele radiculare adânci și ramificate conferă o mare rezistență la secetă. Rezistența la secetă este o proprietate care se formează și evoluează în procesul de ontogeneză și se bazează pe întreaga filogenie a speciei respective. Plantele rezistente la secetă sunt acelea care în procesul de ontogeneză sunt capabile să se adapteze efectelor secetei, pot crește, se pot dezvolta și pot să realizeze producții normale pe baza unor proprietăți câștigate în procesul de evoluție sub influența condițiilor de mediu și a selecției naturale. 12.3.1. Ofilirea temporară și permanentă Există două feluri de secetă: secetă atmosferică și secetă pedologică sau seceta solului. Seceta atmosferică se caracterizează prin temperatură ridicată și umiditatea aerului relativ scăzută (10-20%) și care acționează prin încălzirea puternică a frunzelor sub acțiunea radiațiilor solare, intensificarea exagerată a transpirației și dezechilibrul dintre absorbție și transpirație, fenomen ce stă la baza ofilirii. Pagube deosebit de mari sunt provocate de vânturile fierbinți și uscate; se usucă mai ales frunzele de la baza tulpinilor, precum și organele florale. 266 Dacă seceta atmosferică durează prea mult se usucă și solul, ajungându-se la seceta solului sau seceta pedologică. Seceta pedologică apare la noi către sfârșitul verii, ca o consecință a insuficienței precipitațiilor. În aceste condiții, bilanțul de apă al plantelor devine progresiv deficitar. La început se manifestă un deficit restant, care se accentuează de la o zi la alta, iar după un timp planta nu mai poate reface turgescența nici noaptea. Rezerva de apă din sol scade sub coeficientul de ofilire, până la cantitatea inaccesibilă plantelor (apă moartă). Aceasta determină fenomenul de ofilire a plantelor, care la început se manifestă ,, temporar” , iar mai târziu ,, de durată”. Cele două feluri de secetă pot să acționeze separat sau concomitent, ceea ce accentuează efectele nefavorabile asupra plantelor. Ofilirea temporară. Vara pe timp de arșiță, mai ales la orele de amiază, când atmosfera este deficitară în vapori de apă, plantele se ofilesc și își pierd turgescența. Fenomenul apare din cauza unui dezechilibru între absorbția radiculară și transpirație, chiar dacă mai există apă în sol. Ofilirea plantei are caracter temporar, de câteva ore în cursul zilei, dar spre seară sau în cursul nopții organele aeriene ale plantei revin la starea de turgescență, completând deficitul de apă prin absorbție din sol. A doua zi fenomenul se repetă. Ofilirea permanentă. Când seceta atmosferică se suprapune peste cea pedologică și acționează concomitent, deficitul de apă din plante nu se mai restabilește în cursul nopții și devine ,,deficit restant” , care crește de la o zi la alta. Deficitul restant sau rezidual apare la plante dimineața, înainte de răsăritul soarelui. Când se epuizează întreaga cantitate de apă accesibilă plantelor din sol, bilanțul hidric al plantelor se dezechilibrează, iar plantele ajung la starea de ofilire permanentă sau de durată; starea de turgescență a plantelor nu se mai reface, începe concurența pentru apă dintre organe, frunzele tinere absorb apa din frunzele bătrâne, din vârfurile vegetative, flori și fructe tinere. Aceste modificări determină stagnarea creșterii, uscarea frunzelor bazale, avortarea ovarelor și căderea fructelor. Plantele rezistente la secetă pot pierde o cantitate mare de apă fără să sufere prea mult, în timp ce plantele sensibile la secetă prezintă dereglări ale proceselor fiziologice chiar la deficite reduse de apă din țesuturi. Deficitul hidric reducerea creșterea, în special în faza de alungire a celulelor, plantele sunt pipernicite și dau o producție slabă. 12.3.2. Modificări fizice și biochimice la plante sub acțiunea secetei Sub acțiunea secetei în celule se modifică vâscozitatea și elasticitatea protoplasmei. După trei zile de secetă, vâscozitatea protoplasmei crește și începe călirea plantei la secetă, ca o reacție de adaptare-apărare a plantei față de efectele deshidratării. Seceta solului cauzează diferite modificări biochimice. Deshidratarea provoacă hidroliza amidonului în celule și țesuturi, plantele au coeficienții respiratori mai mari decât în mod obișnuit, translocarea glucidelor din frunze în spice este mai lentă de 2-3 ori, frunzele acumulează zaharuri dar se reduce cantitatea de compuși cu fosfor. Seceta solului și deshidratarea plantelor determină importante modificări în metabolismul nitric; sinteza proteinelor este inhibată, iar procesele de degradare a proteinei devin mai active. În timpul ofilirii puternice scade energic cantitatea de azot proteic prin procese de hidroliză enzimatică, cu formare de aminoacizi, iar prin 267dezaminare apare amoniacul în cantități ce devin toxice pentru protoplasma vie. Concomitent sunt descompuși hidrolitic și alți compuși, cum sunt polizaharidele. De asemenea, are loc predominanța reacțiilor de hidroliză față de reacțiile de sinteză, atât în timpul supraîncălzirii, cât și în timpul deshidratării. 12.3.3. Metode de combatere a efectelor secetei Cel mai eficace mijloc de lupt ă împotriva secetei este irigarea culturilor care trebuie să asigure apa necesară plantelor, mai ales în perioadele critice ținând seama de evoluția secetei pedologice și de stadiul de creștere și dezvoltare a plantelor. Altă posibilitate de combatere a secete este crearea și cultivarea unor soiuri rezistente atât la plantele anuale de câmp cât și la cele la cele hortiviticole, cu toate că acestea din urmă suferă mai puțin, datorită sistemului lor radicular mai profund. O altă posibilitate este zonarea soiurilor funcție de condițiile pedoclimatice ale diferitelor zone geografice și de frecvența perioadelor e secetă. Administrarea îngrășămintelor organice și chimice, mai ales cu fosfor și microelemente contribuie la dezvoltarea xeromorfismului și este o cale eficientă de lupă contra efectelor secetei. De real folos în combaterea secetei sunt lucrările agrotehnice de afânare a solului și de distrugerea buruienilor, care contribuie la menținerea apei în sol, precum și folosirea perdelelor de protecție pentru menținerea zăpezii în cursul ierni. 12.3.4. Călirea plantelor la secetă Călirea plantelor la secetă, înainte de semănat, este o metodă de sporire a rezistenței la secetă a plantelor de cultură. Ea se realizează prin înmuierea semințelor în apă (de 15-20 0C) timp de două zile, uscarea lor la aer și însămânțarea ulterioară a semințelor. Conținutul de apă al semințelor trebuie să fie de 45% din greutatea uscată la aer pentru grâu, 60% pentru floarea soarelui și 30% pentru mei. Călirea înainte de semănat este urmarea unei reorganizări fiziologice obținute prin deshidratare: sporirea hidrofiliei coloizilor protoplasmei, modificarea pH, a vâscozității și elasticității protoplasmei. Ca urmare a îmbunătățirii însușirilor hidrofile ale coloizilor plasmei, plantele călite prezintă o fotosinteză intensificată și o productivitate netă a fotosintezei ridicată. Modificările amintite influențează caracteristicile anatomo-morfologice ale plantelor călite: o rețea mai densă de nervuri și vase , celule epidermice și stomatice mai mici, numărul de stomate mai mare pe unitatea de suprafață foliară. Caracteristicile anatomo-morfologice ale plantelor sunt tipice pentru un anumit fel de xeromorfism: o sinteză mărită a proteinelor, o diviziune celulară mai activă, o mai mare diferențiere a celulelor și creșterea suprafeței foliare. Plantele călite sunt mai rezistente la secetă și se refac mai repede după secetă. Au sistemul radicular mai bine dezvoltat și prezintă o suprafață de absorbție mai mare. Atât în condiții normale cât și după secetă, absorbția elementelor minerale nutritive este mai intensă la plantele călite. În metabolismul plantelor călite se constată menținerea activității de sinteză la un nivel ridicat în timpul secetei, frunzele cu un conținut mai ridicat de amidon și conținut mai mare de nucleoproteine. 26812.4. Fiziologia rezistenței plantelor la arșiță Supraîncălzirea plantelor modifică însușirile coloidal-chimice ale protoplasmei, precum și metabolismul și determină diferite reacții de adaptare a plantelor. Temperatura ridicat ă determină apariția unor pete galbene sau brune pe frunze, numite ,,arsuri”. Plantele își bazează rezistența la arșiță pe un coeficient de transpirație foarte ridicat, care le protejează de supraîncălzire. Din grupa plantelor cultivate, pepenele verde este o hemixerofită specifică, rezistentă la arșiță. La Curcubitacee se cunosc două tipuri de rezistență la arșiță. Dovleacul rezistă la căldură datorită caracteristicilor fiziologice și biochimice ale protoplasmei, iar pepenele verde supraviețuiește la arșiță datorită sistemului radicular profund și transpirației intense. Modificări de metabolism produse de arșiță. Problema centrală a rezistenței plantelor la arșiță este modul în care temperatura influențează viața plantei. Temperaturile ridicate distrug, prin hidroliză, ultrastructura protoplasmei, complexul lipoproteic și plastidele celulei. Energia degajată în respirație nu este folosită la sinteze, deci productiv, ci este eliberată sub formă de căldură. Amoniacul care se eliberează este toxic pentru celulele plantei și în plus intensifică eliberarea de căldură. În cea ce privește mecanismul de apărare împotriva toxicității amoniacului, plantele rezistente la arșiță au coeficientul respirator redus și acumulează acizi organici (cetoacizi), care reacționează mai departe cu amoniacul și formează amide (asparagină și glutamină). Unele studii arată că rezistența la arșiță este strâns legată de cantitatea de apă legată și de gradul de viscozitate a protoplasmei. Cactaceele, care sunt cele mai rezistente la secetă, posedă mari cantități de apă legată și vâscozitatea ridicată a protoplasmei celulare. Capacitatea de refacere este foarte importantă pentru plantele rezistente la secetă și căldură. Plantele rezistente la căldură (meiul și porumbul) acumulează amide mai lent decât floarea soarelui, care este mai puțin rezistentă. Prin reducerea intensității metabolismului are loc acumularea de acizi organici ca intermediari în respirație. Rezistența organismelor la temperaturi ridicate crește proporțional cu cantitatea de ARN. Proteina în complex cu ARN este mai rezistentă la coagularea termică decât proteina singură. Rolul sistemului radicular în rezistența la arșiță a platelor se manifestă prin activitate metabolică de sinteze și prin buna aprovizionare cu apă, care coboară temperatura corpului plantei. Este cunoscut faptul că rădăcina plantei constituie sediul sintezei unui număr mare de acizi organici (cetoacizi), aminoacizi și amide. Sub influența vânturilor uscate, în frunzele plantelor se formează amoniac, ca urmare a proteolizei și acesta este translocat în rădăcini, pentru a fi utilizat în sinteza unor compuși cu azot organic. Temperatura ridicată însă dereglează capacitatea de sinteză a sistemului radicular, iar amoniacul în exces mirează din nou în frunze, unde produce intoxicații. Plantele pot să sufere leziuni și să fie omorâte de temperaturile înalte în moduri diferite, aceasta depinzând de viteza cu care crește temperatura și de plafonul termic la care ajunge. O creștere lentă a temperaturii în corpul plantei are ca rezultat intoxicația 269plantei cu amoniac. O creștere rapidă a temperaturii dezorganizează structura submicroscopică a protoplasmei celulare și culminează prin coagularea proteinelor plasmei, ceea ce determină moartea celulei. Reacțiile de apărare ale plantei împotriva acțiunilor temperaturilor înalte constau dintr-o respirație intensificată, formarea unor cantități sporite de acizi organici care leagă amoniacul și o vâscozitate mai mare a protoplasmei. Organele de reproducere sunt deosebit de sensibile la arșiță, androceul este mult mai sensibil decât gineceul; din această cauză polenizarea și fecundarea sunt defectuoase. 12.5. Fiziologia rezistenței plantelor la concentrații mari de săruri 12.5.1. Efectele negative ale sărurilor asupra plantelor În zonele geografice secetoase, apa provenită din ploi și zăpezi nu spală în profunzime toate sărurile minerale rezultate din alterarea rocilor. Din această cauză în sol se acumulează treptat diferite săruri. Pe lângă aceasta, prin fenomenul de sărăturare secundară, solurile din zonele aride se îmbogățesc cu săruri aduse la suprafață din adâncime de către curentul ascendent de apă, sub influența evaporației. Cantități prea mari de săruri minerale în orizonturile superioare ale solurilor sărăturoase sunt dăunătoare pentru majoritatea plantelor de cultură sau din flora spontană în două moduri: pe de o parte măresc concentrația soluției solului, ceea ce îngreunează absorbția radiculară a apei, iar pe de altă parte excesul de săruri din sol are acțiune toxică asupra plantelor. Concentrația ridicată a soluției solului inhibă pe cale osmotică imbibiția și germinația semințelor, precum și creșterea sistemului radicular al plantulelor. Plantele abia răsărite suferă cel mai mult pe sărături din cauza concentrației mari de săruri; aceleași concentrații mari pot fi suportate fără daune de către plantele mature. Concentrația mare de săruri din celule exercită acțiune toxică asupra protoplasmei, inhibă procesele sintetice, mai ales fotosinteza și sinteza proteinelor. În celule se acumulează glucide solubile, aminoacizi și alte combinații. Acumularea acestor substanțe mărește presiunea osmotică a celulelor, ceea ce inhibă creșterea plantelor, dar în același timp este favorabilă absorbției apei din solurile sărăturate. Sub influența sărurilor toxice încetează formarea amidonului în celulele stomatice. 12.5.2. Particularitățile solurilor sărăturate Caracteristica principală a solurilor sărăturate este excesul de săruri solubile, care modifică însușirile fizice, mecanice, chimice și biologice ale solului: -porozitatea și permeabilitatea pentru aer și apă se reduc, datorită unor modificări în dispersarea coloizilor solului; -coeziunea și capacitatea solului măresc, mai ales sub influența Na + schimbabil; 270-forța osmotică de reținere a apei crește, datorită concentrației mari de săruri din soluția solului, ceea ce micșorează posibilitatea perișorilor absorbanți de a prelua apa din sol; -microflora și microfauna sărăturilor, mai ales bacteriile nitrificatoare și cele libere fixatoare de azot, își reduc activitatea; -echilibrul ionilor nutritivi se modifică și apare un dezechilibru între reacțiile chimice care se petrec în sol. Toxicitatea sărurilor din sărături depinde de cantitatea de cationi absorbiți de complexul coloidal al solului, de natura ionilor liberi din soluția solului, de concentrația soluției solului în anioni, precum și de raportul dintre aceștia. După gradul de solubilitate, sărurile din solurile sărăturate se împart: -săruri ușor solubil: NaCl, Na 2SO4, Na 2CO3, NaHCO 3, MgCl 2, MgO 4, Mg(HCO 3)2, CaCl 2, Ca(HCO 3)2; -săruri cu solubilitate mijlocie: CaSO 4 · 2H 2O (ghips); -săruri greu solubile: CaCO 3, MgCO 3. După natura sărurilor dominante, terenurile sărăturate pot fi: clorurice, sulfato-clorurice, sulfato-sodice, sodice și carbonatice. 12.5.3. Toleranța plantelor la acțiunea sărurilor Plantele halofite supraviețuiesc unor concentrații foarte ridicate de săruri datorită unor însușiri anatomice și fiziologice car le conferă o mare toleranță. Halofitele pot crește pe soluri cu conținut de -6% săruri, iar în soluții nutritive suportă concentrații saline foarte ridicate. Ele pot acumula cantități mari de săruri în țesuturi, cum este Salicornia , care poate atinge 10,1%. Frunzele de Nitraria schoberi , cea mai tolerantă dintre platele lemnoase, pot să aibă un conținut de săruri de 14% din s.u. sub formă de NaCl ș 57% săruri totale Desigur limitele de supraviețuire variază în cadrul vegetației halofitice. Unele familii pot supraviețui la limite ridicate de săruri, altele la limite scăzute. Halofitele pot fi împărțite în trei grupe care se deosebesc între ele prin diferite însușiri. Euhalofite. Plantele din această grupă ( Suaeda ,Salsola ,Salicornia ) se caracterizează printr-o foarte mare rezistență la săruri, pe care le acumulează în celule fără a exercita toxicitate. Sucul celular ajunge la presiune osmotică de peste 100 atmosfere, ceea ce asigură absorbția unor noi cantități de apă și de săruri din soluția solului, îndeosebi NaCl. Așa se explică posibilitatea acestor plante de a trăi pe solonceacuri umede de la malul mărilor și al oceanelor, soluri cu concentrații mari de săruri și cantități reduse de apă dulce. Principala caracteristic ă a acestor plante este suculența tulpinilor și a frunzelor. Crinohaofite. Pantele halofite din această grupă ( Statice gmelini ,Tamarix gallica și alte specii răspândite în stepe și deșerturi) absorb mari cantități de săruri din sol, dar le elimină prin frunze, datorită prezenței unui mare număr de glande excretoare pe limb. Pe vreme secetoas ă, la suprafața frunzelor se observă un strat de săruri uscate, care sunt suflate de vânt sau spălate de ploi. Glicohalofite. Plantele din această grupă ( Artemisia maritima ,Artemisia salina etc.) sunt adaptate pe soluri cu un conținut nu prea ridicat de săruri. Acumularea de 271săruri în celule este toxică, iar aprovizionarea cu apă se face cu ajutorul unor substanțe osmotic active, cum sunt glucidele solubile, acizii organici etc. înmagazinate în sucul celular în doze ridicate. După gradul de rezistență la săruri, plantele cultivate se comportă diferențiat: -plante rezistente la săruri: mazăre, fasole, orez, porumb, in, cartof, hrișcă, ovăz, castravete, ridiche, morcov, usturoi, trifoi, lucernă tânără, sparcetă, timoftică pomi fructiferi; -plante mijloci de rezistente: secară, grâu, orz, mei, bumbac, floarea-soarelui, varză, soia, bob, tomate, pir, obsigă, golomăț, iarbă de Sudan; -plante rezistente la săruri: orz (unele soiuri), sorg, sfeclă pentru zahăr, sfeclă furajeră, bumbac (unele soiuri) pene verde și pepene galben, dovleac, vinete, vară furajeră, lucernă veche, sulfină. Limita de toleran ță la săruri este indicată de încetarea creșterii, de formarea unor necroze sau arsuri marginale ale frunzelor, de căderea frunzelor sau de moartea plantei. Pe soluri cu un conținut de săruri mai mare de 1% nu crește nici o plantă de interes agricol. Pe sărăturile sodice plantele suferă datorită cationului Na + care, în procesele de schimb, poate să scoată din complexul coloidal al solului K +, Mg ++, Ca++, făcându-le inaccesibile plantelor și provocând astfel carențe nutritive. Cationul Na + are și o acțiune de dispersie a coloizilor ceea ce înrăutățește proprietățile fizico-mecanice ale solului. Concentrația mărită a ionilor de Na + mărește presiunea osmotică a soluției solului și îngreunează absorbția radiculară a apei. În această situație, chiar dacă există apă în sol, plantele se găsesc în condiții de ,,secetă fiziologică”. O singură substanță este de obicei mai toxică decât un amestec de substanțe. Acest lucru este explicabil, deoarece în sol există și acțiuni de antagonism ionic, ca și alți factori biotici și abiotici care pot schimba acțiunea sărurilor. 12. 5.4. Modificări produse la plantele de pe sărături Sub influența dăunătoare a sărurilor, plantele suferă o serie de modificări anatomo-morfologice,vizibile la frunze, tulpini, rădăcini, cât și la alte organe ale plantei. Printre aceste modificări pot fi amintite: -dereglarea structurii submicroscopice a cloroplastelor și apariția fenomenului de etiolare a frunzelor; -micșorarea suprafeței foliare, mai ales la frunzele bătrâne; -îngroșarea cuticulei și a țesutului palisadic în frunze sub influența clorurilor și a sulfaților; -schimbarea dimensiunilor celulelor stomatice; -creșterea suculenței țesuturilor mai ales pe sărături cu NaCl; -reducerea diametrului tulpinii și a înălțimii tulpinii, precum și lignificarea prematură a țesuturilor. Aminoacizii rezultați din hidroliza proteinelor suferă un proces de dezaminare, ceea ce duce la acumularea de NH 3 în celule, toxic la o anumită concentrație, provocând moartea plantei. Plantele dispun însă de un mijloc de autoapărare eficace împotriva 272toxicității amoniacului, și anume sinteza de cetoacizi, care se realizează în cadrul ciclului Krebs. Cetoacizii (alfa-cetoglutaric și oxalilacetic) preiau amoniac prin reacții enzimatice și dau naștere la aminoacizi (acid glutamic și acid asparagic), care pot să preia și ei amoniac formând amide (glutamină și asparagină). În felul acesta amoniacul dispare și odată cu el pericolul de intoxicație a celulelor. Acest mecanism biochimic de autoapărare a plantelor împotriva toxicității NH 3 situează plantele la un nivel superior animalelor și omului, deoarece în regnul vegetal nu se înregistrează pierderi de azot, care la regnul animal se elimină prin urină. Ca urmare a salinizării puternice, putresceina se acumulează în bob ( Vicia faba ), dar lipsește în orz și floarea soarelui, la care este posibilă dezaminarea putresceinei și eliberarea de NH 3, fenomen care duce la formarea prolinei. Leziunea produsă de acumularea putresceinei ar fi în acest caz rezultatul unei reduceri a activității diaminoxidazei. Printre produșii intermediari apare cadaverina, iar în final metilputresceina, produși toxici pentru plante, care pot să producă moartea acestora după ce ating o anumită concentrație în celule. S-a mai observat o intensificare însemnată a activității peroxidazei, care, asociată cu reducerea activității catalazei, determină acumularea apei oxigenate în celule și țesuturi și explică moartea plantelor atunci când atinge o anumită concentrație. 12.5.5. Posibilit ăți de sporire a rezistenței plantelor cultivate la săruri Rezistența plantelor de cultură la săruri nu este o însușire statică, ci o reacție de ansamblu a organismului la condițiile nefavorabile de viață pe sărături. Sporind treptat concentrația de săruri în sol se creează condiții favorabile adaptării plantelor la săruri. În procesul de adaptare a plantelor la concentrații mari de săruri în sol s-a constatat că ionii de Na, K, Cl, accentuează gradul de hidratare și dispersia coloidală a protoplasmei; elasticitatea protoplasmei crește ca urmare a unui grad sporit de hidratare a coloizilor plasmatici, iar vâscozitatea protoplasmei celulare scade, protoplasma devine mai fluidă. Plantele crescute mai mulți ani pe sărături se caracterizează printr-o fotosinteză mai activă și o respirație mai redusă, față de plantele neadaptate la săruri. Pentru sporirea rezistenței plantelor cultivate la concentrații mari de săruri se folosesc diferite procedee, care îmbunătățesc proprietățile fizico-chimice ale solului pe de o parte și însușirile chimice-coloidale ale protoplasmei celulare pe de altă parte. Dintre aceste procedee se pot aminti: Aplicarea unor amendamente . Funcție de tipul de sărătură și de conținutul în săruri se folosește ghipsul și fosfoghipsul pe solurile saline și alcalice cu reacție puternic alcalină și spumă de defecație, piatră de var fin măcinată și var ars în stare pulverulentă pe solodii și solonețuri solodizate. Aplicarea îngrășămintelor organice (gunoi de grajd, must de gunoi, resturi vegetale), cu scopul de a îmbunătăți proprietățile fizico-mecanice, chimice și biologice ale sărăturilor. Se pot aplica pe orice tip de sărătură. Aplicarea îngrășămintelor chimice fiziologice acide: (NH 4)2SO4, apă amoniacală (NH 4OH), ureea și azotatul de amoniu. 273Administrarea unor microelemente (Al, Mn, Cu, Zn), cu scopul de a modifica permeabilitatea membranelor plasmatice la celulele absorbante, de a mări conținutul de glucide din țesuturi și de a acționa antagonist cu ionul de Cl – aflat în exces pe sărături. Călirea plantelor față de săruri , prin tratarea semințelor înainte se semănat cu soluții de săruri în concentrații crescânde, ceea ce prezintă importanță pentru practica agricolă. 12.6. Fiziologia rezistenței plantelor la boli 12.6.1. Boli parazitare de natură infecțioasă Sunt provocate de virusuri, micoplasme, bacterii și ciuperci patogene, precum și de unele plante parazite (cuscuta, lupoaia, vâscul etc). Orice proces patologic la plante este condiționat de prezența agentului patogen virulent, de rezistența caracteristică a plantei față de infecția respectivă și de evoluția condițiilor mediului extern. Complexul care se creează între planta – gazdă și agentul patogen este supus permanent influenței directe a mediului ambiant, care acționează atât asupra plantei, căreia îi modifică rezistența, cât și aspra agentului patogen, căruia îi modifică virulența și agresivitatea. Această influență explică diferențierile de la an la an în manifestarea bolilor la plante, cu grade variate de diminuare a recoltelor. În patogeneză un rol fundamental îl prezintă complexul enzimatic secretat de agentul patogen, cu rol în specificitatea interacțiunii dintre patogeni și planta gazdă. Unele mutante de agenți patogeni nu sunt virulente, tocmai pentru că nu sunt capabile să producă aceste enzime. Aproape toți agenții patogeni se caracterizează prin capacitatea de a secreta enzime cu rol în degradarea legăturilor glicozidice prezente în poliglucidele din membranele primare ale celulei vegetale și de a crea astfel perforații pentru pătrunderea în interiorul celulei. Cea mai importantă enzimă secretată de agenții patogeni care atacă plantele dicotiledonate și care are rol în degradarea membranelor celulare este endopoligalacturonaza (EPG-aza). Diferențierile dintre specii și genuri de dicotiledonate de a rezista la atacul agenților patogeni constau din existența la plante a unei cantități variate de proteine, capabile de a bloca acțiunea EPG-azei . În afară de enzime, unii agenți patogeni secretă și anumite toxine, capabile de a produce la planta gazdă simptome de infecție. Soiurile de plante sunt sensibile la patogeni numai atunci când posedă anumiți receptori care, funcție de configurația lor spațială, pot interacționa cu moleculele toxice. Dacă planta gazdă nu posedă asemenea receptori agentul patogen nu poate acționa. Ca exemple de toxine menționăm: victorina secretată de ciuperca Helminthosporiu victoriae , care produce boala ,,victoria bright” la ovăz: periconina eliminată de ciuperca Periconia circinata , care provoacă boala ,,milo” la sorg; piricularina secretată de Piricularia oryzae , care produce boala ,,blast” la orez. 12.6.2. Bolile neparazitare, funcționale, neinfecțioase 274 Aceste boli numite și fiziopatii sunt provocate de acțiunea negativă a diverșilor factori interni sau externi, care determină perturbări ale proceselor fiziologice și modifică morfologia și anatomia plantei. Factorii de mediu care provoacă tulburări fiziologice sau funcționale la plante se pot grupa în: -factori fizico-chimici sau meteorologici (temperatura, lumina, umiditatea, ploile toren țiale, grindina, bruma, chiciura, inundațiile etc.) -factori edafici (structura solului, compoziția chimică, aerația și reacția solului etc.); -factorii agrotehnici, care pot să provoace vătămări mecanice în timpul vegetației, la recoltare, manipulare și prelucrare și vătămări chimice sub acțiunea produselor fitosanitare (pesticide) sau a îngrășămintelor chimice; -factorii genetici și diferiți produși metabolici ai plantelor însăși; -factori industriali , cum sunt: fumul fabricilor, praful de ciment, gazele toxice eliminate în atmosferă de industria chimică etc., provocând poluarea mediului (sol, aer, apă) în care trăiesc plantele. Tulburările provocate de acțiunea factorilor amintiți se manifestă foarte diferit, cele mai frecvente simptome sunt: cloroza, necroza, uscările parțiale sau totale, apoplexia etc. unele dintre aceste manifestări sunt reversibile, altele ireversibile. Cloroza. Sub denumirea cloroză se înțelege fenomenul de îngălbenire a frunzelor și a altor organe ce posedă clorofilă. Cloroza apare ca urmare a descompunerii clorofilei și datorită pierderii capacității de sinteză a unor noi cantități de clorofilă. Fenomenul poate să apară sub forma unei îngălbeniri parțiale (pete) sau totale a frunzelor. Deosebim mai multe feluri de cloroză: cloroză infecțioasă , determinată de leziuni provocate de ciuperci, bacterii sau virusuri; cloroza neinfecțioasă sau alimentară , care apare în urma unor tulburări de nutriție a plantelor; cloroza genetică ;cloroza climatică , apare când plantele se află pe soluri cu exces de apă sau inundație. Cauza cea mai frecventă a clorozei la plante este carența de Fe asimilabil, mai ales pe soluri cu conținut ridicat de Ca. Acest tip de cloroză se numește ,,cloroză ferică,, sau ,,cloroză calcică”. Pe soluri bogate în calciu (carbonat de calciu), fierul se insolubilizează și devine inaccesibil plantelor, provocând dereglarea procesului de formare a clorofilei în frunze. Cloroza apare după încetarea formării enzimei complexului feroporfirinic, care participă la formarea grupărilor pirolice din sinteza clorofilei și a altor produși porfirinici. Prejudiciul cauzat de cloroza calcică este foarte mare, deoarece 25-30% din suprafața solurilor lumii conțin exces de calciu în orizontul superior și pot să provoace cloroză la plantele sensibile. O serie de cercetări arată că pH solului joacă un rol important în insolubilizarea fierului. În solurile cu exces de carbonat, trecerea fierului în forme inaccesibile plantelor este legată de conținutul de fosfor al solurilor. Odată cu creșterea nivelului de fosfor în sol, se intensifică cloroza. O însemnată influență asupra apariției clorozei la plante o are proporția de microelemente din sol. Sporirea cantității de calciu, reduce absorbția fierului și a manganului, precum și raportul Fe : Mn. Excesul de nichel, cobalt, zinc și cupru provoacă insuficiența fierului, manganului și molibdenului. 275 Pe solurile bogate în humus, cloroza plantelor apare sub influența ionilor bicarbonici, care se formează din îngrășăminte, în condiții de umiditate sporită și aerisire slabă, urmarea fiind acumularea de CO 2. În frunzele clorotice s-a găsit o cantitate mai mică de clorofilă și fier activ și o cantitate mai mare de fosfor și de acizi organici în special citric, decât în frunzele verzi. De asemenea, crește conținutul de azot total, de azot neproteic și azot solubil (de 7-15 ori mai mare la mărul clorotic decât la mărul sănătos). În frunzele clorotice s-a observat și o creștere înzecită a cantității de arginină, acid asparagic și glutamic, serină, glicină și alanină. Dereglarea proceselor de schimb metabolic de substan țe poate duce la acumularea în plante a unor substanțe toxice, cum sunt cadaverina și putresceina. Cloroza se datorește dereglării legăturii funcționale dintre frunze și sistemul radicular al plantei. La pomii bolnavi de cloroză s-a observat o creștere bruscă a conținutului de glucide în frunze și o scădere în ramuri. Cele mai mari diferen țe se înregistrează în perioada cea mai caldă a verii, în iulie. Caracteristica specifică a modificării metabolismului azotului este încetinirea sintezei primare a proteinelor în rădăcini și organele aeriene, dar creșterea conținutului de azot amoniacal. În condițiile clorozării se produc importante modificări negative în starea și activitatea frunzelor. Se modifică activitatea enzimelor, scade conținutul de apă al frunzelor, se reduce permeabilitatea protoplasmei celulare, scade transpirația, se reduce conținutul de clorofilă, se reduc fotosinteza și respirația. Pentru prevenirea fenomenului de cloroză sunt necesare măsuri care să asigure activitatea normală a organelor de asimilație, precum și preîntâmpinarea dereglării schimbului metabolic de substanțe. Necroza. Necroza, respectiv moartea celulelor, țesuturilor și organelor este un fenomen destul de răspândit care poate fi provocat de cauze diferite, dar mai ales de acțiuni termice nefavorabile, de leziuni provocate de microorganisme și de boli funcționale. Necrozele provocate de insuficiența în sol a unor elemente ale nutriției minerale apar pe limbul foliar la pomi, ca urmare a carenței de K și Mg, pe lemn, rădăcini și lăstari în cazul carenței de bor, pe vârful lăstarilor la măr și citrice în lipsa de cupru și mangan și la rădăcinile fine, active și o ,,arsură” a frunzelor în carență de potasiu. Boala func țională a sâmburoaselor și simptomele sale. În ultimul timp se dau tot mai multe explicații asupra naturii neparazitare a uscării pomilor sau apoplexiei sâmburoaselor: prin influențele termice nefavorabile din cursul iernii, care vatămă rădăcinile și lemnul, sau prin aerisirea insuficientă a solului. Boala își face debutul în anii II și III după plantare, mai ales în perioada cea mai călduroasă a verii. Moartea omului prin apoplexie se produce în timp foarte scurt și începe cu ofilirea frunzelor de pe întreaga coroană și ulterior uscarea totală a pomului. În acest timp se modifică starea fizică a protoplasmei celulare și activitatea enzimelor celulare, se modifică regimul de oxido-reducere, are loc încetinirea fluxului de zaharuri din frunze și ramuri spre rădăcini, reducerea procesului de sinteză primară a proteinelor, reducerea conținutului de azot aminic și amidic în scoarța pomilor, precum și acumularea azotului amoniacal în lemn. S-a stabilit că dereglarea metabolismului sau a schimbului de substanțe, care duce la apariția bolii funcționale atât la sâmburoase cât și la sămânțoase, poate fi cauzat de 276numeroși factori ai mediului extern, care determină neconcordanță între condițiile de creștere și cerințele plantelor. În contextul de cauze care determină uscarea pomilor se pot menționa: insuficienta aprovizionare a plantelor cu potasiu și fosfor, ph-ul ridicat al solului, aerisirea insuficientă a solului și, îndeosebi temperatura ridicată. În aceste condiții are loc dezagregarea proteinelor celulare, și acumularea amoniacului în țesuturile plantelor, ceea ce determină apariția necrozei lemnului tânăr, cloroza și necroza țesuturilor frunzei precum și căderea frunzelor. În ceea ce privește predispoziția pomilor fructiferi la apoplexie,o influență hotărâtoare poate avea portaltoiul și gradul său de compatibilitate cu altoiul. Profilaxia apoplexiei se poate realiza printr-un complex de măsuri: -alegerea speciilor și soiurilor potrivite condițiilor locale; -amplasarea optim ă a plantației ținând seama de caracteristicile solului, relieful și de cerințele pomilor; -pregătirea corespunzătoare a solului și executarea corectă a plantației; -reglarea proporției de elemente nutritive, prin aplicarea îngrășămintelor minerale; -întreținerea sistematică a intervalelor dintre rândurile de pomi, folosindu-le pentru culturi intercalare. Microfilia. Boala cunoscut ă sub denumirea de microfilia pomilor apare la meri, peri, pruni, caiși, piersici, vișini și alte câteva specii arborescente. Se caracterizează prin dezvoltarea mugurului terminal al ramurilor de schelet în primăvară și transformarea lui în rozetă cu frunzulițe mici, înghesuite, care prezintă fenomenul de cloroză în pete (împestrițate). Muguri foliari situați pe ramuri sub această rozetă nu se deschid și astfel ramurile tinere apar cu un smoc de frunzulițe clorotice în vârf, iar mai jos sunt golașe. Pomii bolnavi fructifică slab, iar mai târziu se produce moartea lor. 12.6.3. Dereglarea proceselor fiziologice și biochimice la plante de către agenții patogeni Diferitele infecții produse de agenții patogeni sunt întotdeauna însoțite de modificări ale metabolismului, glucidelor, lipidelor și protidelor. Glucidele. La plantele bolnave se intensific ă hidroliza glucidelor de către carbohidrazele hidrolizante, produse de planta gazdă sub acțiunea toxinelor elaborate de paraziți. Descompunerea rezervelor de glucide ajunge până la dispariția lor, din cauza consumului de glucide în respirația mult intensificată la planta bolnavă. Acumularea glucidelor în frunzele unor plante bolnave este explicată printr-un consum scăzut de glucide de către celulele frunzelor sau pe seama frânării migrației lor din frunze în alte organe ale plantei, datorită leziunilor care apar la vasele liberiene. Proteinele. La plantele bolnave se constată o scădere a conținutului de azot atât în porțiunile infectate cât și în cele sănătoase, precum și modificarea raportului dintre azotul proteic și cel neproteic în favoarea celui neproteic (în frunzele de varză atacate de Botrys cinerea s-a constatat acumularea amoniacului). Lipidele. La frunzele de sfeclă atacate de Uromyces betae șiPuccinia glumarum o importantă acumulare de picături de grăsime în celulele sănătoase vecine cu cele bolnave, ca o reacție de apărare a frunzelor de sfeclă împotriva parazitului. 277Sub ac țiunea infecțiilor produse de către diferiți agenți patogeni se constată importante modificări ale valorii unor indici fiziologici la plantele bolnave. Se modific ă astfel ritmul normal de creștere și dezvoltare al plantelor, regimul de apă intensitatea fotosintezei și respirației, este dereglată circulația substanțelor minerale și organice etc. Modificarea regimului de apă al plantelor. Sub acțiunea infecțiilor parazitare se produce deshidratarea țesuturilor vegetale, explicată, pe de o parte, printr-o transpirație puternică, datorită faptului că osteolele stomatelor rămân deschise atât ziua cât și noaptea, iar pe de altă parte printr-o absorbție redusă de apă din sol, datorită putrezirii rădăcinilor plantei. Deshidratarea părții aeriene a plantei este posibilă și datorită împiedicării circulației ascendente a apei prin vasele lemnoase, de către bacterii (traheobacterioză) sau de către ciuperci (traheomicoză). Este cunoscută și reducerea intensității transpirației la diferite frunze atacate de mană. În cazul manei, reducerea transpirației se datorește faptului că osteolele stomatelor sunt închise de sporii și miceliul ciupercii. La alte plante, reducerea transpirației se realizează prin reducerea suprafeței foliare, ca urmare a formării de pete necrotice pe limbul frunzei. În zonele secetoase, reducerea transpirației plantelor este dăunătoare, deoarece înlesnește supraîncălzirea frunzelor. O intensificare a transpirației în timpul nopții se constată la plantele atacate de rugină. Acest lucru se explică prin menținerea osteolelor deschise la plantele atacate din cauza dereglării mecanismului enzimatic de închidere și deschidere al osteolelor. Modificarea fotosintezei. Sub acțiunea agenților patogeni se reduce și intensitatea fotosintezei, datorită diminuării suprafeței foliare, din cauza pătării frunzelor cu pete clorotice cauzate de distrugerea clorofilei și prin astuparea osteolelor de către miceliul ciupercii sau de către conidiofori (făinare, mană). Prin osteolele închise bioxidul de carbon din aer nu mai poate ajunge la celulele asimilatoare din mezofilul frunzei. Modificarea respira ției. Modificarea intensității respirației reprezintă caracteristica cea mai tipică a fenomenului patologic. În cele mai multe cazuri se produce intensificarea respirației, care se explică prin creșterea activității enzimelor respiratorii (oxidaze, dehidraze) sau prin creșterea permeabilității celulare la plantele bolnave. Se cunosc și câteva toxine care intensifică respirația la plantele bolnave. În cazul infecțiilor provocate de ciuperci parazite, intensificarea respirației se explică prin acumularea respirației plantei gazdă cu acea a ciupercii care, după cum se știe, este de sute de ori mai mare decât a plantelor. Modificarea circulației sevei brute și elaborate. Unii paraziți împiedică ascensiunea sevei prin astuparea vaselor lemnoase și prin aceasta provoacă ofilirea plantelor sau împiedică circulația elementelor nutritive spre frunze. Astuparea lumenului vaselor conducătoare se realizează de către compuși cu molecula nare provenită din degradarea pereților celulari (pectine) care, după îmbibare cu apă, își măresc volumul și formează astfel dopuri ce astupă lemnul vaselor. 12.6.4. Mecanismul rezistenței plantelor la acțiunea agenților patogeni De-a lungul filogeniei, plantele și-au câștigat o serie de însușiri de rezistență față de bolile infecțioase. În funcție de factorii care intervin, se deosebește o rezistență pasivă sau mecanică și o rezistență activă sau fiziologică. 278Rezistența pasivă. Este asigurată de elemente care limitează sau împiedică pătrunderea agentului patogen în țesuturile plantei. Dintre aceste elemente amintim: grosimea cuticulei, încrustarea membranei celulare, perozitatea și ceridele de pe fructe sau pe frunzele plantei. Grosimea cuticulei constituie o barieră greu de străbătut pentru numeroși paraziți vegetali; fructele, frunzele, tulpinile care au cuticulă groasă sunt mai rezistente la infecții decât cele care au cuticulă subțire. Încrustarea cu siliciu sau cu lignină a membranelor celulelor care formează epiderma frunzelor și a tulpinilor de cereale, asigură o bună rezistență la rugini. Ceridele, de pe frunzele de rapiță, garafă,varză, boabe de struguri sau de pe fructe (prune) constituie,de asemenea, o barieră greu de străbătut de către agenții patogeni. Perozitatea abundentă care se observă pe unele organe ale platelor (frunze, tulpini) opune o foarte bună rezistență pătrunderii agentului patogen în țesuturile frunzei. Rezistența activă. Denumită și fiziologică, acest tip de rezistență se bazează pe factori chimici care se formează în țesuturile plantei însăși. Acidul malic, oxalic și citric, localizați în sucul vacuolar al celulelor constituie factori de rezistență naturală față de infecțiile cauzate de bacterii și ciuperci; merele verzi nu sunt parazitate, deoarece au un conținut ridicat de aciditate. Există totuși ciuperci parazite, care suportă aciditatea sucului celular; bășicarea frunzelor la piersic ( Taphrina deformans ) se dezvoltă bine atât la pH foarte acid (4,3), cât și la pH foarte alcalin (9,6). Extinderea agenților patogeni în țesuturile plantei gazdă este oprită de către antibiotice, fenoli, alcaloizi, antociani, flavone, taninuri și uleiuri eterice, toate aceste substanțe fiind produși metabolici ai plantei gazdă. Fenolii din frunzele de măr și păr inhibă ciuperca parazită, care produce rapănul merelor și al perelor. Dezvoltarea paraziților vegetali în țesuturile plantelor este inhibată și de pigmenții flavonici și antocianici; parazitul pătrunde în corpul plantei, acolo secretă enzime, care descompun pigmenții în zahăr și aglucon. Aguconul eliberat determin ă coagularea proteinelor celulare, celulele mor, iar odată cu ele moare și parazitul. Pirocatechina și acidul pirocatechic din foițele externe, uscate și colorate de ceapă, au acțiune de apărare împotriva antracnozei cepei. Secrețiile rădăcinilor de in inhibă dezvoltarea ciupercii parazitate Fusarium cupresa șiFusarium oxysporum . Apărarea activă a plantelor se bazează, în genere, pe reacții citoplasmatice care se încheie cu formarea unor necroze. Stratul necrozat separă țesutul bolnav de cel sănătos formând un țesut de cicatrizare (chist), alcătuit dintr-un strat de celule suberificate și lignificate. Barierele care se opun răspândirii parazitului în țesuturile plantei gazdă se manifestă adesea prin stratul de suber. Alcaloidul solanin ă, care se formează în lăstarii tineri ai cartofului sporește rezistența la boli a plantei. Ceapa, usturoiul și o serie de alte plante conțin fitocide în organele lor, care îndeplinesc rol de apărare împotriva agenților patogeni, în special bacterioze. 12.7. Rezistența la poluarea mediului de viață 279Cea mai acută problemă a zilelor noastre este poluarea mediului de viață,respectiv a aerului, apei și solului. Poluarea aerului este un fenomen obișnuit în marile orașe și în zonele limitrofe. Apele subterane suferă poluare din cauza cantităților mari de îngrășăminte chimice și pesticide care se folosesc în agricultură și care sunt spălate de ploi în adâncime. Poluarea este caracteristică agriculturii moderne, mecanizate și chimizate. Poluarea mediului prin chimicalele folosite în agricultura contemporană poate fi mai periculoasă decât cea industrială sau cea produsă de către mijloacele de transport. În agricultură, substanțele poluante sunt împrăștiate pe suprafețe mult mai mari decât ariile afectate de industrie sau transporturi. Cel mai important rezultat al poluării în agricultură sunt alimentele, care pot fi degradate sub acțiunea îngrășămintelor chimice și a pesticidelor (fungicide, insecticide, erbicide). Sunt cunoscute câteva tipuri de poluare: Poluarea biologică, se realizează prin eliminarea și răspândirea în mediul înconjurător a diferitelor bacterii, virusuri, paraziți, producătoare de epidemii (gripă, hepatită, malarie etc.). Poluarea chimică, constă în eliminarea și răspândirea în mediul înconjurător a diferitelor substanțe chimice, în majoritate noi sinteze necunoscute în trecut și neexistente în natură, față de care organismul poate să meargă de la simple deranjamente până la puternice perturbări ale stării de sănătate și chiar pierderea vieții. 12.7.1. Poluarea atmosferei Cele mai importante surse de poluare a aerului atmosferic sunt: arderea gunoaielor, gazele rezultate din arderea unor combustibili, eliminate în atmosferă prin coșurile uzinelor electrice, ale industriei chimice, industriei metalurgice și în special industriei neferoase, praful eliminat în atmosferă la fabricile de ciment, gazele eliminate prin țevile de eșapament ale diferitelor mijloace de transport sau avioane. Atmosfera se poluează fie prin creșterea concentrației unor constituenți obișnuiți ai aerului (CO 2, ozon, peroxid de azot etc.), fie prin pătrunderea în atmosferă a unor compuși străini (elemente radioactive, substanțe organice de sinteză etc.). Poluarea atmosferei au urmări neplăcute, uneori grave, asupra organismelor vii: perturbă creșterea și dezvoltarea plantelor, diminuează valoarea alimentară a produselor agricole, provoacă mirosuri neplăcute mediului ambiant etc. Principalii poluanți ai atmosferei. Asemenea poluanți sunt: Bioxidul de carbon (CO2). Este un component gazos al atmosferei, care se găsește în proporții de 0.03-0,04%. În ultimul secol a înregistrat o creștere de 10%, datorită arderilor de combustibili fosili, iar până în anul 2000 are șanse să crească cu încă 8%. Creșterea procentului de CO 2 în atmosferă poată să ducă la intensificarea ,,efectului de seră,, ,adică la creșterea temperaturii solului la suprafață. Oxidul de carbon (CO) este un gaz fără gust, fără miros și fără culoare, din care cauză nu poate fi sesizat prin organele de simț ale omului. Acest gaz rezultă din arderi incomplete sau din arderi în care cantitatea de oxigen este insuficientă. Se combină foarte ușor cu hemoglobina din sânge formând carboxihemoglobina, ceea ce îngreunează oxigenarea sângelui și deci respirația. CO 2 are efect asupra sistemului nervos central, 280manifestându-se prin tulburări ale memoriei, modificări ale vederii, tulburări ale irigației mușchiului cardiac, favorizează infarctul la fumători etc. În aerul atmosferic se găsește în concentrație medie de 0,12cm 3 la m 3 de aer, dar în atmosfera marilor orașe, la nivelul solului, ajunge la 20cm 3la m3 aer. Anhidrida sulfuroasă sau bioxidul de sulf (SO2) provine în atmosferă din arderea cărbunilor a petrolului și din industria acidului sulfuric. Oxizii sulfului irită căile respiratorii, deoarece se dizolvă ușor în apă și în secrețiile căilor respiratorii. Populația supusă timp îndelungat iritațiilor cu SO 2 pierde simțurile de gust și miros. În atmosfera nepoluată SO 2 se găsește în cantități foarte mici(0,2cm 3/m3 aer). Depășirea de 2cm 3 /m3 aer devine critică pentru om, iar peste 0,044cm 3/ m3 aer afectează vegetația. Hidrogenul sulfurat (HS) este un produs foarte toxic, care provine în atmosferă prin fermentații și poate să atingă concentrația de 0,15 cm 3/ m3 aer. Derivații halogeni (clor, acid clorhidric, brom,fluor, acid fluorhidric) sun emiși în atmosferă de unități industriale chimice și pot să provoace consecințe grave pentru vegetație, soluri, animale și om. Arderea materialelor plastice constituie o importantă sursă de poluare atmosferică cu derivați halogeni, mai ales acid clorhidric. Oxizii azotului (N 2O; NO; NO 2; N 2O3; N 2O5) rezultă din arderea combustibililor la temperatură înaltă și sunt produși în cantitate mare de motoarele automobilelor. În atmosfera poluată, dimineața predomină NO iar mai târziu crește concentrația de NO 2, care atinge maximum la prânz; spre seară crește din nou concentrația de NO. Sub influența radiației solare, dar mai ales sub influența radiaților ultraviolete și în prezența oxigenului, monoxidul de azot (NO) trece în bioxid de azot (NO2).Fenomenul se poate produce și în sens invers și se numește ,, poluare fotochimică” a aerului. Oxizii de azot irită căile respiratorii și mucoasele nazale, pătrunzând mai profund decât oxizii sulfului. Apare astfel o salivație puternică, cresc secrețiile bronșice, se manifestă simptome de asfixiere. Hidrocarburile policiclice care apar în cursul arderilor incomplete, sunt deosebit de periculoase, fiind cancerigene. Metale grele . Dintre acestea, plumbul este cel mai periculos. Tetraetilul de plumb, ad ăugat în benzină ca antidetonant, este eliminat în atmosferă prin țevile de eșapament ale autovehiculelor, sub formă de aerosol. Se apreciază că fiecare automobil elimină anual în atmosferă 1kg plumb. Cadmiul, beriliul, mercurul și asbestul sunt, de asemenea, elemente poluante periculoase. Efectele atmosferei poluate. Atmosfera poluată exercită o serie de efecte nefaste asupra ecosistemelor, precum și perturbări în ciclul carbonului, oxigenului, sulfului etc. s-au constatat o serie de consecințe negative asupra vegetației, asupra animalelor și mai ales asupra populației urbane. Printre efectele negative ale atmosferei poluate asupra organismului se pot aminti astmul, bronșita cronică, emfizemul pulmonar, diferite alergii, cancerul pulmonar. Printre poluanții aerului se găsesc și substanțe mutagene, cum ar fi unele hidrocarburi policiclice, derivați organici ai azotului, benzipirenul etc. 28112.7.2. Poluarea apei Din cei aproximativ 1,4 miliarde Km 3 de apă ai pământului circa 97,3% reprezintă apa oceanelor și a mărilor,. Omul beneficiază numai de apa care se scurge la suprafața continentelor, adică circa 0,002% din total, ceea ce reprezintă aproximativ 30 000 Km 3. Datorită marilor cantități de ape uzate evacuate în râuri, numeroase râuri și lacuri sunt complet poluate Principalii poluanți ai apelor. Acești poluanți se împart în trei grupe: Agenții biologici , care poluează apele sunt alcătuiți din diferite tipuri de microorganisme patogene și materii organice supuse fermentației, care duc la o puternică contaminare bacteriologică a apei. Pe lâng ă apele uzate urbane, la poluarea biologică a apelor pot contribui și industriile alimentare, industria hârtiei etc. Se consideră că o fabrică de hârtie, de dimensiuni mijlocii, poluează apele ca și un oraș de 500000 locuitori. La fel de periculoase sunt apele uzate provenite de la marile complexe de creștere a animalelor. Agenții chimici, care poluează apele curgătoare provin de la industrii chimice de îngrășăminte, care deversează ape uzate cu nitrați, fosfați, etc. Cantitatea de azot nitric admisă în apa potabilă este de 10 p.p.m. Excesul de îngrășăminte cu azot în sol poate face ca o parte din nitrați și nitriți să ajungă în apa freatică în concentrație rea mare. Poluarea apelor cu fosfați este în mare măsură legată și de detergenții menajeri, care provin din apele urbane. O importantă sursă de poluare a apelor constituie hidrocarburile (produse petroliere). Benzina, de exemplu, se infiltrează în sol cu o viteză de 7 ori mai mare decât apa și face ca rezervele de apă subterană să devină improprii pentru băut. Prezintă pericol de poluare a apei și diferitele deșeuri industriale care conțin plumb, cupru, zinc, nichel, cadmiu, mercur etc. Substanțele organice de sinteză, cum sunt pesticidele și detergenții, prezintă pericole mari de poluare a apei. Puternice contaminări ale apelor curgătoare apar din cauza reziduurilor rămase de la fabricarea erbicidului 2,4-D după împrăștierea din avion a prafului DDT pentru combaterea insectelor din câmpuri și păduri sau de la diferite insecticide organo-clorurate. Agenții fizici care pot produce poluarea apei provin din deversarea în cursurile de apă a unor materii minerale insolubile, cum sunt reziduurile de la exploatările miniere. Tot în grupa agenților fizici se încadrează și poluarea termică a apelor de către uzinele electrice așezate în apropierea surselor de apă, cu scopul asigurării răcirii. De asemenea, poluarea radioactivă poate să apară în urma unor căderi de pulberi radioactive din aer. Efectele poluării apei. Un efect deosebit de grav al poluării apelor este ,,eutrofizarea lacurilor” , fenomen denumit și ,,moarea lacurilor” , care apar ca urmare a sporirii fertilității acestora prin aport de fosfați și nitrați. Prin proliferarea fitoplanctonului și a plantelor subacvatice, treptat lacul se comaltează, se îngustează și dispare. Poluarea chimică a apelor freatice afectează vegetația terestră prin excesul de erbicide, insecticide și detergenți. Problemele grave ridică poluarea apelor cu metale grele, mai ales mercur. Nocivitatea apelor poluate se răsfrânge negativ, direct sau indirect asupra tuturor organismelor vii (plante, animale, om). De aceea este necesar să fie bine cunoscute efectele negative ale poluării apei, spre a se lua măsuri de prevenire și de combatere. 28212.7.3. Poluarea solului Solul este unul dintre componentele deosebit de importante ale biosferei, capabil să întrețină viața plantelor terestre. Datorită fertilități sale, solul constituie principalul mijloc de producție în agricultură. Poluarea solului înseamnă orice acțiune care provoacă dereglări în funcția normală a solului ca mediu de viață pentru plante. Poluarea solului poate să fie fizică, chimică sau biologică, precum și radioactivă. Modalit ăți de poluare a solului. Sunt foarte diverse, incluzând apa de irigație, reziduurile, îngrășămintele chimice, pesticidele etc. Apa de irigație. Datorită calității necorespunzătoare a apei de irigație, mari suprafețe de terenuri agricole pot fi afectate de salinizare secundară sau înmlăștinire. Reziduuri. Importante efecte de poluare a solului pot avea reziduurile menajere, din industria alimentară, comerț și agricultură, apele uzate din industrie, deșeurile industriale de fabricație, dejecțiile animalelor. Îngrășămintele chimice. Produc cel mai intens proces de poluare a solului. Folosirea îngrășămintelor chimice cu azot pe scară tot mai largă în agricultură a determinat creșterea considerabilă a conținutului de nitrați în sol, în unele produse agroalimentare, mai ales în țelină, sfeclă, ridichi, mărar, pătrunjel, spanac, morcov, salată etc. în apele subterane, apele de suprafață. Apele potabile care au un conținut mai mare de 30mg nitrați la litru sunt improprii și trebuie evitate. Organizația Mondială a Sănătății admite 50mg/l, iar în Franța se admit 70mg/l. Superfosfații conțin o serie de impurități (metaloizi și metale) toxice, care constituie surse de poluare pentru sol. O parte din superfosfați nu se dizolvă în apă și, de aceea, an de an se acumulează în sol pe care-l poluează. Pesticidele. Fără îndoială folosirea pesticidelor în agricultură prezintă o serie de avantaje pentru sporirea producției și reducerea cheltuielilor de întreținere. Dar, alături de avantaje, prezintă și unele dezavantaje. Fiind toxice pentru diferite forme de viață (paraziți vegetali, insecte, buruieni), pesticidele prezintă un oarecare risc de nocivitate și pentru om, animale domestice, vânat, insecte și păsări utile etc. Utilizarea pesticidelor în agricultură a făcut ca apa, solul și aerul atmosferic să conțină cantități variabile de pesticide. Terenurile agricole tratate cu insecticide, în urma ploilor se îmbibă cu aceste substanțe. Cele mai mari cantități de reziduuri de pesticide organoclorurate se fixează în carne și pește (45% din total), lapte și derivatele lor (aprox. 8%). Prin intermediul produselor alimentare vegetale și animale (în proporție de 90%), pesticidele pătrund în organismul uman, unde, datorită liposolubilității lor, se acumulează. Din cauza pericolelor pe care le prezintă, tendința generală este de a reduce utilizarea pesticidelor organoclorate și înlocuirea lor cu pesticide biodegradabile. Microorganismele patogene constituie o altă sursă de poluare a solului și prezintă pericol de îmbolnăvire pentru plante, animale și om. Materiale radioactive căzute din atmosferă pe diferite pășuni sau plante cultivate pot, de asemenea, contamina solul. Problemele ridicate de protecția mediului înconjurător impun respectarea legislației existente și scot în evidență necesitatea abordări lor concomitente de către 283toate statele, printr-o cooperare internațională, care poate juca rol important în protecția și gospodărirea rațională a covorului vegetal, cu flora cultivată și spontană de pe Terra. BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ 4.ACATRINEI GH., 1991 – Reglarea proceselor ecofiziologice la plante, Ed. Junimea, Iași 5.ACATRINEI GH., 1975 – Biologia celulei vegetale, Ed. Științifică și Enciclopedică, București 6.ACATRINEI LIGIA, ACATRINEI GH., 2001 – Fiziologia țesuturilor vegetale 2847.ATANASIU L., 1984 – Ecofiziologie vegetală, Ed. Științifică și Enciclopedică, Bucuresti 8.BINET P., BRUNEL J.P., Physiologie végétale, T. I-III, Paris, Edition Doin, 1967-1968 9.BOLDOR O., TRIFU M., RAIANU O., 1981 – Fiziologia plantelor, Ed. Didactică și Pedagogică, București 10.BOLDOR O., TRIFU M., RAIANU O., 1981 – Fiziologia plantelor – lucrări practice, Ed. Didactică și Pedagogică 11.BURZO I. et al. , 1999 – Fiziologia plantelor de cultura, Vol. 1-4, Ed. Știința, Chișinău . 12.CANNY M.J., 1998 – Transporting water in plants, Am. Sci., 86 13.CHIFU T., MURARIU ALEXANDRINA, MUSTAȚĂ GH., 1998 – Fotosinteza și productivitatea ecosistemelor, Ed. Univ. „Al. I. Cuza”, Iași 14.CUPCEA E. et al. , 1965 – Lucrări practice de fiziologia plantelor, Ed. Did. și Pedagogică, București 15.DEMMING-ADAMS B., ADAMS W.W., 1992 – Photoprotection and other responses of plants to highlight stress 16.FITTER A., HAY R., 2002 – Environmental Physyology of Plants, Third Edition, Academic Press 17.GHIORGHIȚĂ G., 1999 – Bazele geneticii, Ed. Alma Mater, Bacău 18.MACHLIS L. et. al. , Plants in action. A laboratory manual of Plant psyliology. San Francisco, W. H. Freeman and Company, 1956 19.MC. INTYRE G.I., 1987 – The role of water in the regulation of plant development, Can. J. Bot., 65: 1287-1298 20.MILICĂ C. et al ., 1982 – Fiziologia plantelor, Ed. Didactică și Pedagogică, București 21.MILICĂ C. et al. , 1983 – Substanțe bioactive în horticultură, Ed. Ceres, București 22.MURARIU ALEXANDRINA, 2002 – Fiziologie vegetală, vol. I, Ed. Junimea, Iași 23.PARASCAN D., 1967 – Fiziologia plantelor, Ed. Didactică și pedagogică, București 24.PARASCAN D., DANCIU M., 1982 – Botanica și fiziologia plantelor – lucrări practice, Brașov, Universitatea din Brașov 25.PETERFI ȘT., SĂLĂGEANU N., 1972 – Fiziologia plantelor, Ed. Didactică și Pedagogică, București 26.RAIANU O., 1979 și 1982, Fiziologia plantelor, vol. I și II, Ed. Univ. „Al. I. Cuza”, Iași 27.SĂLĂGEANU N., ATANASIU L., 1981 – Fotosinteza, ed. Acad. R.S.R., București 28.ȘERBĂNESCU –JITARIU GABRIELA, TOMA C., 1980, Morfologia și anatomia plantelor, Ed. Didactică și Pedagogică, 12-28, 247-297 28529.ȘTIBAN M., 1985 – Bazele biochimice și biofizice în stimularea fotosintezei, Ed. Acad. R.S.R., București 30.TOMA C., NIȚĂ MIHAELA, 1997 – Celula vegetală, Ed. Univ. „Al. I. Cuza”, Iași 31.TOMA LIANA DOINA, 1998 – Fiziologie vegetală, Ed. „Ion Ionescu de la Brad”, Iași 32.TRIFU M., 1976 – Nutriția minerală a plantelor, Cluj-Napoca, Universitatea „Babeș-Bolyai” 33.TRIFU M., BARBAT I., 1997 – Fiziologia plantelor: capitole alese, Ed. Viitorul Românesc, București. 34.VOICA C., 1982 – Fiziologie vegetală, vol. I, Ed. Universității, București 35.ZAMFIRACHE MARIA-MAGDALENA, 2000 – Simbioza în lumea vie, Ed. Ed. Univ. „Al. I. Cuza”, Iași 36.ZAMFIRACHE MARIA-MAGDALENA, 2001 – Fiziologia plantelor (note de curs), Ed. Ed. Univ. „Al. I. Cuza”, Iași 37.ZEIGER E., FARQUAHAR C., COWAN I., 1987 – Stomatal function, Stanford University Press, Stanford C.A. 38.ZIEGLER I., 1972 – The effect of SO 2 on the activity of ribulose 1,5-diphosphate carboxylate in isolated spinach choloplasts, Planta 103 ***http://facultate.regielive.ro/cursuri/agronomie/fiziologia_plantelor-27826. html ***http://www.referate-lucrari.com/referat_BOTANICA-SI-FIZIOLOGIA-PL ANTELOR-123.html ***http://www.cnaa.acad.md/nomenclature/biology/030012/exam/ ***http://www.e-referate.ro/referate/Fotosinteza2005-03-18.html ***www.didactice.ro ***www.carnivorousplants.org