Vliv klimatu na růst rostlin

Nadužívání zemědělské půdy v kombinaci se změnou klimatu představuje pro ekosystémy i jejich obyvatele zatím nevídanou hrozbu. Mezi oběti této změny patří i rostliny, které tvoří důležitou část biodiverzity v horách jihovýchodní Evropy podél Balkánského poloostrova.

Teplota jako klíčový faktor

Teplota je klíčovým faktorem pro růst a vývoj rostlin. Spolu s množstvím světla, oxidu uhličitého, vlhkosti vzduchu, vody a živin ovlivňuje teplota růst rostlin a v konečném důsledku i výnosy plodin. Všechny tyto faktory by měly být v rovnováze.

Teplota ovlivňuje rostlinu z krátkodobého i dlouhodobého hlediska. Není divu, že bylo provedeno mnoho výzkumných prací zaměřených na správné teplotní strategie pro efektivní pěstování. Optimální teplota pro rostliny však závisí na řadě faktorů. Reakce rostliny na okolní teplotu závisí na tom, v jaké fázi vývoje se nachází. Rostliny mají vlastní biologické hodiny, které určují jejich citlivost na teplotu.

Rozdíly mezi teplotou vzduchu a teplotou rostlin

Většina biologických procesů se při vyšších teplotách zrychluje, což může mít na rostliny pozitivní i negativní vliv. Jednou z výhod je například rychlejší růst nebo produkce plodů. Nicméně nadměrná respirace je nepříznivá, protože to znamená, že zbývá méně energie pro vývoj plodů a ty budou o to menší. Některé účinky jsou krátkodobé, jiné dlouhodobé.

Například asimilační bilance rostliny je ovlivněna teplotou a projevuje se okamžitě. Rostliny mají odlišnou teplotu než okolní vzduch, protože se ochlazují odpařováním a ohřívají slunečním zářením. Rostliny se vždy snaží dosáhnout optimální teploty a důležitá je při tom rovnováha mezi teplotou vzduchu, relativní vlhkostí a světlem. Pokud je světla příliš mnoho, rostlina se zahřívá, což vede ke vzniku rozdílu mezi teplotou rostliny a vzduchu. Aby se rostlina ochladila, musí zvýšit rychlost transpirace.

Čtěte také: Klimatické vlivy na ovce

Kromě teploty závisí rychlost transpirace na podmínkách prostředí, jako je světlo, hladina CO2 v atmosféře a relativní vlhkost vzduchu a v neposlední řadě také na druhu rostliny.

Různé části rostliny reagují na změny teploty odlišně. Teplota plodů úzce souvisí s teplotou vzduchu, když se zvýší teplota vzduchu, zvýší se i teplota plodů a naopak. Teplota plodů však kolísá méně než teplota vzduchu a také trvá déle (někdy i o několik hodin déle) než se ohřejí nebo vychladnou. Naproti tomu teplota květů je vyšší než vzduchu nebo listů a okvětní lístky transpirují mnohem rychleji než listy. Teplota rostlin v horní části koruny podléhá větším výkyvům než v dolní části koruny. Vrcholy rostlin se také snáze zahřívají vlivem slunečního záření, a proto při vysoké hladině světla dosáhnou vyšší teploty než okolní vzduch.

Deficit tlaku par (VPD)

Relativní vlhkost prostředí závisí na teplotě a rychlosti proudění vzduchu. Vyšší teploty obecně vedou u rostlin ke zvýšené transpiraci. Částečně proto, že se molekuly pohybují rychleji, ale teplý vzduch také pojme více vodní páry. Pokud nedochází k pohybu vzduchu, vzduch kolem listů se nasytí vodní párou, což zpomalí proces vypařování. Rozdíl v obsahu vodní páry ve vzduchu a bodem nasycení se nazývá deficit tlaku vodní páry (VPD).

Čím vyšší je VPD, tím více vody může rostlina odevzdat transpirací. Pokud je však VPD příliš vysoké, rostlina se může dostat do stresu, protože není schopna nahradit množství vody, které ztrácí transpirací. U většiny rostlin by se hodnota VPD měla pohybovat v rozmezí 0,45 až 1,25 vyjádřená v kilo pascalech (kPa jednotka pro tlak), přičemž optimální hodnota je přibližně 0,85 kPa. VPD se řídí víceméně stejným průběhem jako úroveň okolního osvětlení, tedy ráno stoupá a jakmile kolem poledne dosahuje maxima, pak opět postupně klesá.

Většina vody v atmosféře je přítomna ve formě vodní páry. Vodní pára je neviditelná, ale její přítomnost můžeme poznat na vlastní kůži podle toho, jak se cítíme pohodlně (vyšší vlhkost vzduchu způsobuje, že se cítíme ulepení). Množství vodní páry ve vzduchu ovlivňuje také viditelnost.

Čtěte také: Vliv Energie na Přírodu

Stomata a jejich role

Rostliny regulují proces transpirace a ochlazování pomocí specializovaných rostlinných orgánů zvaných stomata. Stomata jsou drobné otvory v listech, které otevírají nebo zavírají a omezují tak množství vodní páry unikající z rostlin. Čím vyšší okolní teplota, tím více se stomata otevírají. Je obtížné změřit otevřenost stomat, proto můžeme k odhadu použít VPD. Když jsou stomata otevřená, může do listů a z listů proudit více plynů.

Faktory prostředí ovlivňují rychlost, s jakou tento proces (stomatální vodivost) probíhá. Kupříkladu vyšší relativní vlhkost vede k rychlejšímu proudění, zatímco vyšší hladina CO2 rychlost stomatální vodivosti snižuje. Na vodivost však mají vliv i jiné faktory než prostředí, například rostlinné hormony a barva světla, které rostlina přijímá (vlnová délka). Rostlinný hormon kyselina abscisová reguluje koncentraci iontů ve stomatech a způsobuje, že se otevřou velmi rychle (během několika minut). Světlo o kratší vlnové délce (asi 400-500 nanometrů (nm), tedy modré světlo) způsobí, že se stomata otevřou více než světlo o delší vlnové délce (asi 700 nm, tedy červené světlo).

Optimální denní a noční teploty

Ve dne a v noci probíhají v rostlině odlišné procesy a podle toho se liší i optimální teplota. K transportu cukrů dochází převážně v noci, a to hlavně směrem k teplejším částem rostliny. Listy se ochlazují rychleji než plody a květy, a proto většina dostupné energie směřuje do částí rostliny, které ji potřebují k růstu a vývoji.

Optimální kombinace denní a noční teploty byly zkoumány v prvním klimatizovaném skleníku na světě (takzvaném fytotronu) v kalifornském technologickém institutu v roce 1949. Pokusy prokázaly, že rajčata vyrostla vyšší při kombinaci vysoké teploty během světlé části dne a nižší teploty během tmavé části dne než při konstantní teplotě. Tato schopnost rostlin „rozlišovat" mezi změnami teploty během dne a noci se nazývá termoperiodismus a má vliv na kvetení, tvorbu plodů a růst.

Množství cukru, které putuje do rostoucích pletiv (kde je energie potřebná), může být při vyšších nočních teplotách omezeno, a tím je omezen i růst rostlin. Bylo také zjištěno, že při kombinaci vysokých denních teplot a nízkých nočních teplot může u rostlin dojít k prodlužování stonků. Nízká noční teplota zlepšuje vodní bilanci v rostlině, což je hlavní důvod většího prodlužování stonku. Teplotu lze tedy využít jako nástroj regulace výšky rostlin, ale nízké noční teploty mohou také šetřit energii.

Čtěte také: Změny v jet streamu v důsledku klimatu

Optimální teplota vzduchu závisí také na intenzitě světla a množství oxidu uhličitého v ovzduší. Rostliny fungují podobně jako studenokrevní živočichové, protože jejich metabolismus a rychlost fotosyntézy se zvyšuje v závislosti na teplotě okolního vzduchu.

Integrace poklesu teploty (DIF)

Pojem DIF se týká vztahu mezi denními a nočními teplotami. Vliv střídání teplot na podélný růst stonků rostlin závisí na rozdílu (DIF) mezi denní a noční teplotou (který se vypočítá odečtením noční teploty od denní) a nikoliv na samostatných a nezávislých reakcích na denní a noční teplotu. Jinými slovy, důležitý je především rozdíl teplot a také to, kdy je teplota je vyšší, zda v noci nebo ve dne.

Růst listů není DIF výrazně ovlivněn, ale růst vnitřních částí stonků ano. Rostliny pěstované při kladném DIF jsou vyšší než rostliny pěstované při nulovém DIF a ty pěstované při nulovém DIF jsou vyšší a mají delší internodia než rostliny pěstované při záporném DIF. Mezi další důležité morfogenetické reakce na negativní DIF (tj. Rozdíly v prodlužování internodií a rozšiřování listů jsou výsledkem změn v procesu prodlužování a/nebo dělení buněk. Při negativním DIF jsou oba tyto procesy potlačeny, což může být důsledkem snížené aktivity giberelinů v subapikálním meristému (rostlinné tkáni zodpovědné za růst). Giberelin je rostlinný hormon, který stimuluje růst rostlin.

DIF má největší vliv na prodlužování stonků v období rychlého růstu, takže semenáčky jsou na rozdíly mezi denními a nočními teplotami citlivější než dospělé rostliny. Negativní DIF v rané fázi prodlužování stonku je proto důležitý při omezování výšky rostlin.

Prodlužování stonků může být také způsobeno kratším poklesem teploty (přibližně na dvě hodiny) během 24hodinového denního cyklu. Zpravidla k tomu dochází ráno nebo těsně před východem slunce ještě za tmy. Zdá se, že tato reakce na změny teploty je nejsilnější během prvních hodin světelné periody u rostlin s dlouhým dnem, rostlin s krátkým dnem a rostlin s neutrálním dnem. Rozdíly v citlivosti prodlužování stonků na teplotu v rámci denního a nočního období mohou být řízeny endogenním růstovým rytmem.

Integrace teploty je jednou ze strategií, kterou pěstitelé používají. Stanoví si minimální a maximální teplotu pro plodinu a pak se může nechat teplota kolísat do té doby, dokud je zachována průměrná teplota za určité období. Tato strategie využívá v maximální možné míře přirozené teplo.

Oxid uhličitý (CO2) a jeho vliv

O oxidu uhličitém jsme většinou slyšeli poprvé na základní škole. Z přírodopisu si zřejmě pamatujeme, že vzniká při hoření a při dýchání. V souvislosti s klimatickou změnou se o CO2 mluví jako o skleníkovém plynu a řeší se snižování emisí CO2.

Ve dne, kdy svítí slunce, probíhá v listech fotosyntéza a rostliny z oxidu uhličitého a vody vyrábí kyslík a sacharidy. Kyslík vypouští do atmosféry a sacharidy si nechávají v buňkách jako zdroj energie nebo jako stavební materiál pro další části rostliny. Je důležité si uvědomit, že list salátu nebo kmen starého dubu jsou tvořeny převážně uhlíkem, který rostlina navázala ze vzduchu. Jinak řečeno, rostliny dokáží oxid uhličitý z atmosféry odebírat a ukládat jej do svých těl.

Rozdíl mezi dnem a nocí, tedy fotosyntézou a buněčným dýcháním, se projevuje na místních koncentracích CO2, které by měly ve dne klesat a v noci růst.

Další kolísání koncentrací způsobují rostliny během roku. Na jaře a v létě, kdy je dostatek slunečního svitu, převažuje fotosyntéza a rostliny zabudovávají oxid uhličitý ze vzduchu do svých listů a kmenů. Na podzim a v zimě je slunečního svitu méně, převažuje dýchání a rostliny oxid uhličitý do atmosféru uvolňují. K tomu přispívá také třeba rozklad listů, které opadavé stromy na podzim shazují.

CO2 jako "energeťák" pro rostliny

Je prokázáno, že kysličník uhličitý rostlinám jednoznačně svědčí. S trochou nadsázky můžeme říci, že pro rostliny je to vlastně takový „energeťák“. Během dne potřebují rostliny dostatek oxidu uhličitého a v noci potřebují kyslík. Oxidu uhličitého najdeme v atmosféře dostatek na to, aby stačil k růstu rostlin, pěstovaných v outdoor podmínkách. Nedostatek CO2 můžeme zaznamenat zejména při indoor zahradničení. Na vině je v drtivé většině případů nedostatečné větrání nebo špatná ventilace.

Doporučujeme pamatovat si základní poučku po pěstování, pokud jde o záměrné přidávání oxidu uhličitého do ovzduší. Čím více světla rostliny mají, tím více CO2 potřebují. Při intenzivní kultivaci pod umělém osvětlení to samozřejmě platí dvojnásob. Jakmile zvýšíte koncentraci oxidu uhličitého v domácí pěstírně na hodnotu alespoň okolo 500 pmm, dojde ke zrychlení růstu až o 15 %. Nezřídka však i o celých 20 %. Hraniční koncentraci pak představuje hodnota 1000 pmm. U té můžeme očekávat zrychlení růstu téměř o polovinu. Tuto hranici však neradno překračovat.

Globální oteplování a jeho specifické dopady

Změna klimatu je celosvětový problém, způsobený zvyšující se koncentrací oxidu uhličitého a jiných skleníkových plynů v atmosféře. Roztává led na pólech, zvyšuje se hladina oceánů, průměrná teplota po celé planetě stoupá.

V současnosti je koncentrace oxidu v atmosféře na úrovni 420 ppm, tedy z milionu částic vzduchu je 420 částic oxidu uhličitého. To je o zhruba 40 procent více než před třiceti lety. "Nárůst oxidu uhličitého má i pozitivní efekt, zvyšuje intenzitu fotosyntézy," upozorňuje bioklimatolog Mendelovy univerzity Zdeněk Žalud. Dodává, že jakékoliv zvýšení koncentrace podporuje růst. Ale pouze pod podmínkou, že budou mít rostliny dostatek vody a živin v půdě.

Podle Karla Klema z Ústavu výzkumu globální změny Akademie věd vyšší koncentrace oxidu prospívá v několika směrech. Mimo zmíněnou rychlejší fotosyntézu má také vliv na ukládání uhlíku v půdě, ten pak podporuje půdní život a má vliv na vznik humusu, který je nejúrodnější částí půdy. Má pozitivní vliv i na plody rostlin.

"Zvyšuje obsah škrobů, cukrů, oleje a snižuje obsah bílkovin," zmiňuje Klem. To není příznivé například pro kvalitu pekařské pšenice, ale v případě sladovnického ječmene, rýže či olejnin se naopak jejich kvalita zvyšuje.

Vyšší teplota a více oxidu uhličitého v atmosféře mohou ovlivňovat i lesy. "Účinnost fotosyntézy je nejvyšší kolem 30 stupňů Celsia," říká Radim Hédl z Oddělení vegetační ekologie Botanického ústavu Akademie věd. Podle něj vyšší koncentrace vede k tomu, že stromy produkují více biomasy, kterou ukládají do svého dřeva. Díky tomu jsou pak stromy mohutnější. "Naopak teploty vyšší než 35 stupňů fotosyntézu zpomalují nebo úplně zastaví," doplňuje Hédl.

V souvislosti se změnou teploty se mění i místa, kde lze zemědělské plodiny pěstovat. "Produkční zemědělství se posunuje do vyšších nadmořských výšek," potvrzuje profesor Žalud. Podle něj vyšší teploty prospívají například na Vysočině. Oblasti kolem 500 až 600 metrů nad mořem začínají být produktivnější než nížiny, kde převažují spíše negativní efekty klimatické změny, jako je sucho, nedostatek sněhu, jarní mrazy a příliš vysoké teploty.

Sucho a jeho dopady

V souvislosti se změnami klimatu se bude snižovat primární produkce rostlinného pokryvu a zvyšovat rozklad půdní organické hmoty, což následně sníží mikrobiální půdní aktivitu a vázání (sekvestraci) uhlíku rostlinami, a tak podpoří proces desertifikace (vznik, případně rozšiřování pouští v suchých oblastech).

Vegetace mírného pásma z odhadovaného prodloužení vegetační doby (v průměru až o 15-20 dnů) může sice profitovat, ale z důvodu úbytku vláhy může naopak výrazně strádat. Urychlení vegetace v jarním období však také přináší vyšší rizika poškození rostlin pozdními mrazy.

Bez výraznějšího zvýšení srážek a při předpokládaném nárůstu výparu bude ve větší míře ohrožena suchem řada našich nejproduktivnějších oblastí, ve kterých budou klesat hodnoty vláhových indexů.

Vědci z Ústavu výzkumu globální změny Akademie věd - klimatolog Pavel Zahradníček a jeho kolega, profesor Miroslav Trnka varovali, že už v uplynulých pěti letech bylo v Česku největší sucho za 2 100 let. Jak to asi změní českou krajinu? Masivní odumírání smrkových porostů je již toho asi nejviditelnější připomínkou a očekává se, že sucho u nás zredukuje i pěstování pšenice a dalších plodin.

Zatímco před 100 lety byla jižní Morava nejvýnosnější oblastí z pohledu zemědělců, tak dnes to zdaleka neplatí. A už to není ani Haná a Polabí. Naopak v posledních letech byly produkčně velmi úspěšné vyšší polohy jako Českomoravská vrchovina, kde se dříve mluvilo o tom, že končí chleba a začíná kamení.

Při tom nejhoršími scénáři může být ke konci století postiženo suchem až 80 % výměry pěstování pšenice. Pěstování pšenice by tak přestalo být výhodné. Mluví se tedy častěji o vyšlechtění odolnějších odrůd a případně až k přechodu na stabilnější plodiny jako proso a čirok.

Adaptace rostlin na změny klimatu

Mezinárodní tým pod vedením vědců z Botanického ústavu AV ČR prokázal, že se klonální rostliny mohou přizpůsobit změně klimatu, aniž by změnily svoji DNA. Umožňuje jim to epigenetická paměť.

Výzkumný tým však poprvé na přírodních populacích ukázal, že by evoluce rostlin mohla být zajištěna nejen náhodnými změnami v kódu DNA, jak předpokládá současná evoluční teorie, ale i pomocí epigenetických procesů, kterými rostliny reagují na přírodní podmínky. Epigenetické mechanismy umožňují změny v aktivitě genů a mohou se dědit z generace na generaci bez toho, aniž by rostliny měnily svoji DNA. „Zapínání“ a „vypínání“ určitých genů umožňuje organismům reagovat na měnící se prostředí a ovlivňovat tak jejich růst.

„U náhodných mutací jsou změny v sekvenci DNA řádově tisíckrát pomalejší než změny v epigenomu. Rostliny pod stresemPředchozí průzkum dokázal, že rostliny mohou připravit své potomky na různé stresové jevy, jako je například sucho či nedostatek živin. Úlohu epigenetických mechanismů v tomto procesu však vědci dosud nikdy jednoznačně nepotvrdili v přírodních podmínkách.

Výzkum na široce rozšířeném druhu jahodníku obecného jako jeden z prvních svého druhu potvrdil, že lokální klima, jako je nízká či naopak vysoká teplota, vyvolává charakteristickou epigenetickou variabilitu (v tomto případě metylaci DNA), která rostlinám umožňuje reagovat na okolní klimatické podmínky.

Ochrana biodiverzity a tradiční medicína

Profesor Nektarios Aligiannis a jeho tým z Athénské univerzity se snaží zvrátit vymírání unikátních rostlin, které se vyskytují v horách jižní Evropy -⁠ zejména těch, které se po staletí používaly v tradiční medicíně. Aligiannis a jeho kolegové spolupracují na projektu EthnoHERBS, jehož cílem je zachovat biodiverzitu rostlin v těchto horských ekosystémech. Nejde jim ale přitom jen o ochranu přírody.

„Balkán je místem s obrovským bohatstvím původních léčivých rostlin a jejich využívání pro medicínu má tady dlouhou tradici,“ vysvětluje Aligiannis. Tradičně se sbírala šťáva nebo se části rostliny sušily a používaly jako obklady. Případně se rostliny vařily a používaly jako antiseptický prostředek na omývání postižených míst. Jako rozpouštědla se používaly přírodní produkty -⁠ voda, olivový olej, víno a vinný ocet.

Záchrana přírodní lékárny

Jeho tým má k dispozici seznam těch nejdůležitějších rostlin, které se v průběhu staletí používaly k léčebným účelům. Patří mezi ně plantago neboli jitrocel, který se používá ke zmírnění zánětů, hypericum, známý jako třezalka, k léčbě depresí a calendula neboli měsíček využívaný k hojení ran.

Výzkumníci systematicky zkoumají rostliny v této oblasti a propojují výsledky tohoto výzkumu s tradičními znalostmi a zvyky prostřednictvím etnobotanických průzkumů. A nakonec tým s využitím nejmodernějších technologií v oblasti chemie přírodních produktů využívá léčebný potenciál rostlin. Nejslibnější z těchto druhů chtějí vědci pěstovat, aby z nich získávali přírodní účinné léky.

Vědci budou léčivky studovat i pomocí počítačových modelů, které jsou trénované k předvídání možné toxicity nebo podráždění. V současnosti se využívají pro získání léčivých látek z rostlin techniky, které vyžadují správné použití rozpouštědla a tepla. Bezpečnostní rizika spojená s organickými rozpouštědly při průmyslovém zpracování ale vedla k tlaku na používání „čistých“ technologií pro výrobu „zelených“ extraktů. Tou nejnadějnější je takzvaná mikrovlnná extrakce, která snižuje množství potřebného tepla a také vyžaduje méně rozpouštědel i času.

Satelity a sekvenování -⁠ dvě cesty k záchraně bylin

Evropští výzkumníci také využívají satelitní technologie a datové technologie, aby zmírnili hrozbu, že by mohlo dojít k vyhynutí těchto rostlin. „Vyvíjíme model, který umožní předpovědět riziko, kde a kdy daný druh vyhyne,“ uvedl Spyros Theodoridis ze Senckenbergského centra pro výzkum biodiverzity a klimatu v Německu.

„V balkánských horách teď pracujeme na nápravě této situace,“ řekl Theodoridis. Jeho tým se konkrétně zabývá čtyřmi hojně využívanými druhy byliny sideritis, známé u nás jako hojník.

„Abychom ukázali změnu dynamiky vegetace v posledních čtyřech desetiletích v pohořích Balkánského poloostrova, využíváme na to rozsáhlý archiv satelitních dat; díky němu vidíme reakci na rostoucí teploty a déletrvající sucha,“ vysvětluje Theodoridis. „Kromě toho sledujeme genetické změny v populacích této rostliny porovnáváním DNA celkem dvou set herbářových vzorků odebraných před rokem 1980 s DNA současných vzorků.“

tags: #vliv #klimatu #na #růst #rostlin

Oblíbené příspěvky:

• Vliv teploty na rozklad
• Živá a neživá příroda – dětská soutěž
• Tipy pro výběr mikiny
• Charles Darwin a jeho myšlenky o přírodě
• Co se děje s tříděným odpadem?