БІОФІЗИКА РОСЛИН - Ю. І. Посудін - 2004

IІ. ПРОЦЕСИ ПЕРЕНОСУ В СИСТЕМІ РОСЛИНА-ҐРУНТ-ПОВІТРЯ

6. ПЕРЕНОС МАСИ

6.9. ВИМІРЮВАННЯ ПОТОКІВ ВОДИ ТА РОЗЧИНЕНИХ РЕЧОВИН

6.9.1. Спостереження за кореневою системою

Різотрони. Один із методів спостереження за кореневою системою рослин базується на використанні спеціальних камер - різотронів (від грецьких слів rhizos - корінь та tron - прилад для вивчення), які обладнані скляними стінками. Деталі кореневої системи досліджують за допомогою спеціально сконструйованого мікроскопа та фотоапарата. Крім того, надається можливість вимірювати водний потенціал, температуру, концентрацію газів, вологість. У цілому різотрони характеризуються високою вартістю та складністю монтажу, через що частіше використовують мінірізотрони - кореневі перископи, виконані з пластикових трубок діаметром близько 70 мм, довжиною НО см, які занурюють у ґрунт [Bolmi, 1979]. Основними елементами мінірізотрона є надземна затемнена (7) та прозора підземна (2) частини трубки, дзеркало (3), джерело світла (4), система лінз (5) або мініатюрна відеокамера (рис. 6.19). Прилад надає інформацію щодо густини кореневої системи, росту коріння та впливу на коріння постачання води та поживних речовин. Модифікація мінірізотрона являє собою фіброскоп, що складається з двох світловодів - для проходження світла до коріння та отримання зображення. Всі різотронні системи дають можливість спостерігати за кореневою системою рослин in situ, без її пошкодження.

Рис. 6.19. Основні елементи мінірізотрона (пояснення у тексті).

Перфорована ґрунтова система. Ґрунтовий моноліт, що розміщений у коробці з прозорими передньою та задньою стінками, містить періодично розташовані численні канали, через які спостерігають за корінням [Tweeland Schalk, 1981]. Вважається, що ріст коріння у ґрунті та каналах суттєво не відрізняється. Таку систему застосовують у лабораторних умовах; у польових дослідженнях подібну перфоровану систему можна утворити за допомогою двох траншей на відстані 20-30 см з отворами між ними.

Метод ЯМР-зображень. Принципи ЯМР-техніки розглянуті у розділі "ВИМІРЮВАННЯ ВОДНОГО ПОТЕНЦІАЛУ та його компонентів". Ґрунт є прозорим для статичного та радіочастотного магнітних полів середовищем. Використання протонного ('Н) ядерного магнітного резонансу дає можливість оцінити розподіл води у ґрунті та отримати зображення вологого коріння in situ [Rogers andBottomley, 1987].

6.9.2. Контроль за споживанням мінеральних речовин рослинами

Ще в середині XIX сторіччя було проведено експеримент (Sachs, 1860, цит. по [Hopkins, 1999]), основною метою якого було з'ясування мінімального набору поживних речовин, необхідних для рослини. Рослину вирощували так, щоб коренева система знаходилася у розчині поживних речовин. Вміст цього культурального середовища наведено у табл. 6.4.

Таблиця 6.4. Вміст поживних речовин, необхідних для вирощування рослини [Sachs, 1860]

Причому, розчин речовин підлягав аерації. Цей експеримент поклав початок технології, яку назвали гідропонікою. В сучасних умовах для точного (10"^s г-мл"¹) визначення вмісту поживних речовин використовують останні досягнення аналітичної техніки.

Атомна абсорбційна спектрометрія. Цей метод полягає у випаровуванні речовини, яку досліджують (у полум'ї графітової трубки або плазми високочастотного розряду), після чого через пару речовини пропускають оптичне випромінювання. Реєстрація ступеня ослаблення інтенсивностей ліній елемента, який визначають, дає можливість оцінювати концентрацію його у зразку. На сьогодні метод дозволяє визначати до 70 різних хімічних елементів. Недоліком методу є малий час перебування атомів у полум'ї, вплив в'язкості, поверхневого натягу і хімічних процесів на результати вимірювань, довготривала підготовка зразків з метою видобування елементів.

Атомна емісійна спектрометрія. Суть методу полягає у вивченні спектрів випромінювання атомів, молекул та іонів, збуджених різноманітними джерелами електромагнітного випромінювання, з метою якісного та кількісного визначення складу речовини. При цьому в речовину, що досліджується, надходить аерозоль із розчину з окислювачем та паливним газом; вона збуджується полум'ям пальника, дугою, іскрою або плазмою. Під впливом високої температури починається іонізація речовини і випромінювання її атомами світла певної довжини хвилі. Сучасні полум'яні спектрофотометри здатні визначати 30-35 елементів в одному зразку за одну хвилину. Недоліком методу є необхідність підтримання постійної температури, мала концентрація атомів, що збуджуються, порівняно із загальною концентрацією атомів, деяка частина енергії збуджених атомів віддається через непружні зіткнення навколишнім частинкам, що є причиною порушення лінійної залежності інтенсивності випромінювання від концентрації атомів. Крім того, емісійні спектри багатолінійчасті, тому є небезпека накладання ліній окремих атомів.

ЯМР-спектрометрія. Метод ядерного магнітного резонансу (принципи якого розглянуто у розділі 6.7 "Вимірювання водного потенціалу та його компонентів") дозволяє вивчати in vivo потоки іонів Р, Na, К, II тощо з культурального середовища до поверхні коріння та процеси Транспортування іонів через клітинні мембрани та між клітинними органелами; визначати зміни хімічних форм важливих мінеральних елементів у клітинах та між клітинами in situ; досліджувати функції поживних мікроелементів. Метод ЯМР-спектрометрїї дає можливість зрозуміти функції різних поживних елементів у метаболізмі рослини, досліджувати процеси транспортування іонів у рослинних клітинах, оцінити роль певних поживних речовин (наприклад, кальцію) у підтриманні цілісності клітинної мембрани.

Електронний парамагнітний Резонанс. Метод ЕПР-спектроскопії полягає в резонансному поглинанні електромагнітної енергії речовинами, що містять парамагнітні частинки (парамагнетики - це речовини, здатні намагнічуватися у зовнішньому магнітному полі вздовж напрямку поля). У постійному магнітному полі рівні енергії парамагнітної частинки розщеплюються, що дає можливість спостерігати спектр ЕПР. Об'єктами спостереження є атоми і молекули з непарною кількістю електронів (N, II, NО), вільні радикали хімічних сполук з неспареними електронами (наприклад, СН), іони з частково заповненими внутрішніми оболонками тощо. Метод ЕПР-спектроскопії дозволяє досліджувати властивості білкових структур, в'язкість цитоплазми, функції та структури мембран. Важливим застосуванням техніки ЕПР є вивчення впливу дефіциту різноманітних поживних речовин на метаболічні процеси та функції мембран у рослинних клітинах.

Використання радіоізотопів. Одним із важливих досягнень у вивченні мінерального живлення рослин є застосування радіоактивних ізотопів для мічення шляхів переносу поживних речовин по ланцюгу "ґрунт-рослина-споживач". Але для реалізації цієї технології потрібні довгоіснуючі ізотопи; крім того, застосування радіоактивних ізотопів у польових умовах досить проблематичне через можливе забруднення ґрунту та високу вартість технології.

Мас-спектрометрія. Метод оснований на розділенні іонізованих молекул і атомів згідно з їхніми масами внаслідок дії електричних і магнітних полів на пучки іонів, що летять у вакуумі. Одним з останніх досягнень є поєднання техніки аргонової плазми (яку використовують як джерело для атомної емісійної спектроскопії) та мас-спектрометрії. Висока іонізаційна ефективність аргонової плазми разом із чутливістю мас-спектрометрії дає можливість аналізувати близько 90 % елементів періодичної таблиці Менделєєва у відносних концентраціях 10^-10-10^-8 з високою швидкодією - близько 30 елементів за хвилину. Отже, ця техніка демонструє могутній потенціал у сфері кількісних вимірювань елементного складу різних типів мінерального живлення.

Колонкова хроматографія. Хроматографічні Методи базуються на розділенні, знаходженні і визначенні речовин завдяки неоднаковості їхньої поведінки в системі з двох фаз, які не змішуються, - рухомій і нерухомій. Рухомою фазою може бути рідина (розчин суміші речовин, що аналізуються) або газ (суміш газів), нерухомою - тверда речовина або рідина, адсорбована на твердій речовині, яку називають носієм. Під час переміщення рухомої фази вздовж нерухомої кожен компонент суміші осідає (сорбується) на нерухомій фазі (сорбенті) відповідно до матеріалу сорбенту, затримується і сповільнює свій рух. Через те, що різні компоненти мають різну спорідненість, відбувається просторове розділення цих компонентів - певні компоненти затримуються на початку шляху, інші просуваються уперед тощо. Колонкова хроматографія передбачає розділення у колонці; окремі компоненти затримуються на різних ділянках колонки і можуть бути виділені для подальшого хімічного аналізу за допомогою комп'ютерної системи. Цей метод застосовують для швидкого виділення слідових кількостей металевих забруднювачів з розчинів мінерального живлення, для приготування надчистих розчинів, при дослідженнях можливих застосувань слідових металів для забезпечення росту рослин.

6.9.3. Аналіз флоемної рідини

Для того щоб довести, що фотоасиміляти переносяться саме по флоемі, потрібен аналіз флоемної рідини. Тут дослідника зустрічає ряд труднощів, пов'язаних з тим, що функції елементів транслокаційної системи флоеми виконують живі клітини, які функціонують, містять цитоплазму і не так легко виділяють свій вміст, як судини ксилеми. Крім того, під час зрізання паростка чи листка можливе окислення ексудату (продуктів виділення) флоеми з подальшим утворенням гелю. Щоб подолати ці труднощі, використовують оригінальні методологічні засоби.

Витонченим способом вивчення вмісту ситоподібних елементів флоеми є використання стилетів попелиці, яка споживає флоемний сік. Після анестезування попелиці її стилет виділяють і аналізують вміст, який може виділятися протягом кількох днів. Таким чином було з'ясовано, Що більш ніж 90 % загальної кількості розчинених речовин складають Вуглеводи, зокрема сахароза, концентрація якої варіює від 0,2 до 0,5 М. Перевагою методу є відсутність забруднення флоемного соку. В той же час обмеженість методу обумовлена можливістю аналізу лише тих рослин, які становлять інтерес для попелиці.

Ще один перспективний метод передбачає використання радіоактивних ізотопів - таких як ¹⁴С. Прикладом застосування цієї Методики є дослідження транслокації фотоасимілятів у черешках Цукрового буряка Beta vulgaris. Відрізаний листок поміщають на 10 хв. у камеру з джерелом радіоактивного двоокису вуглецю ¹⁴СО, після чого мічені фотоасиміляти знерухомлюються за допомогою рідкого азоту. Далі готують тонкий шар замороженого черешка, який розміщують на рентгенівській плівці. Плівка засвічується в тих місцях, де накопичуються мічені фотоасиміляти. У такий спосіб було доведено, що фотоасиміляти та інші органічні речовини транспортуються саме по тканині флоеми (рис. 6.20).

Рис. 6.20. Використання радіоактивних ізотопів (¹⁴С) для дослідження транслокації фотоасимілятів у черешках цукрового буряка Beta vulgaris: 1 - епідерміс; 2 - паренхіма; 3 - волокно; 4 - флоема; 5 — ксилема.

Контрольні запитання

1. У чому полягають методи вимірювання водного потенціалу та його компонентів?

2. Чим обумовлений потік води та розчинених речовин у клітині?

3. Що таке поверхневий натяг?

4. Що називають додатковим тиском?

5. Написати та пояснити формулу Лапласа.

6. Що таке точка в'янення?

7. Охарактеризувати шляхи транспорту води через кореневу систему рослини.

8. Пояснити механізми ксилемного транспорту та транслокації по флоемі.

9. Пояснити основні методи контролю за споживанням мінеральних речовин рослинами.