Fiziologie Vegetala

UNIVERSITATEA DE ŞTIINŢE AGRICOLE ŞI MEDICINĂ VETERINARĂ

FACULTATEA DE AGRICULTURĂ SPECIALIZĂRILE:

AGRICULTURĂ INGINERIE ECONOMICĂ

I.D. Prof. dr. Liana Doina TOMA

Conf. dr. Carmenica Doina JITĂREANU Asist. dr. Cristina SLABU

FIZIOLOGIE VEGETALĂ MANUAL DE STUDIU

IAŞI – 2006

CUPRINS INTRODUCERE ..........................................................................................3 CAPITOLUL 1- REGIMUL DE APĂ AL PLANTELOR .......................4 1.1. Absobţia apei de către plante .........................................................4 1.1.1. Rădăcina ca organ de absobţie...........................................4 1.1.2. Schimbul de apă dintre celula vegetală şi mediul extern .....................................................................7 1.1.3. Influenţa diferiţilor factori asupra absorbţiei apei din sol.......................................................................13 1.2. Circulaţia apei în plante ...............................................................14 1.2.1. Calea de circulaţie a apei .................................................14 1.2.2. Forţele care determină urcarea apei în plantă ...............................................................................16 1.3. Transpiraţia ..................................................................................19 1.3.1. Definiţia şi importanţa transpiraţiei .................................19 1.3.2. Tipurile de transpiraţie.....................................................19 1.3.3. Influenţa factorilor interni asupra transpiraţiei ......................................................................21 1.3.4. Influenţa factorilor externi asupra transpiraţiei ......................................................................24 CAPITOLUL 2 - NUTRIŢIA MINERALĂ A PLANTELOR ...............................................................26 2.1. Absorbţia şi circulaţia elementelor minerale în plante............................................................................................26 2.1.1. Rădăcina ca organ de absorbţie .......................................26 2.1.2. Influenţa factorilor externi asupta absorbţiei sărurilor minerale din sol .................................................29 2.1.3. Circulaţia elementelor minerale în plante........................31 2.2. Rolul fiziologic al elementelor minerale......................................32 2.2.1. Azotul ..............................................................................32 2.2.2. Fosforul............................................................................37 2.2.3. Potasiul ............................................................................39 2.2.4. Fierul................................................................................41 CAPITOLUL 3 – FOTOSINTEZA ..........................................................43 3.1. Definiţia şi importanţa fotosintezei..............................................43 3.2. Organele şi organitele fotosintezei...............................................44 3.3. Pigmenţii fotosintetici ..................................................................47 3.3.1. Plasarea în cloroplaste .....................................................47 3.3.2. Extragerea şi separarea pigmenţilor.................................48 3.3.3. Compoziţia chimică a pigmenţilor ..................................49 3.3.4. Proprietăţile fizice şi chimice ale pigmenţilor.......................................................................49 3.4. Mecanismul fotosintezei ..............................................................51 3.5. Influenţa factorilor externi asupra fotosintezei ............................59 3.5.1. Lumina.............................................................................59

3.5.2. Bioxidul de carbon...........................................................61 3.5.3. Temperatura.....................................................................62 3.5.4. Apa...................................................................................63 3.5.5. Nutriţia minerală..............................................................65 CAPITOLUL 4 – RESPIRAŢIA PLANTELOR.....................................66 4.1. Definiţie şi importanţă .................................................................66 4.2. Respiraţia aerobă..........................................................................66 4.2.1. Substratul respirator.........................................................66 4.2.2. Mecanismul respiraţiei aerobe.........................................67 4.2.3. Influenţa diferiţilor factori asupra respiraţiei...................69 CAPITOLUL 5 - CREŞTEREA PLANTELOR......................................72 5.1. Etapele de creştere celulară. Particularităţi de creştere la diferite organe .............................................................72 5.1.1. Etapele de creştere celulară .............................................72 5.1.2. Creşterea organelor..........................................................74 5.2. Influenţa factorilor externi asupra creşterii ..................................75 5.2.1. Temperatura.....................................................................75 5.2.2. Lumina.............................................................................76 5.2.3. Umiditatea aerului şi solului............................................79 5.3. Influenţa factorilor interni asupra creşterii...................................80 5.3.1. Hormonii stimulatori de creştere .....................................80 5.3.2. Hormonii inhibitori de creştere........................................86 5.3.3. Substanţe bioactive sintetice............................................88 CAPITOLUL 6 - DEZVOLTAREA PLANTELOR ...............................91 6.1. Caracteristicile ciclului de dezvoltare ..........................................91 6.2. Etapele înfloririi plantelor ............................................................92 6.3. Influenţa factorilor externi asupra înfloririi .................................92 6.3.1. Temperatura.....................................................................92 6.3.2. Lumina.............................................................................97 6.4. Influenţa factorilor interni asupra înfloririi ................................103 6.4.1. Determinismul trofic......................................................103 6.4.2. Determinismul hormonal ...............................................107 6.5. Înflorirea propriu-zisă ................................................................108 6.5.1. Fenologia înfloririi.........................................................108 6.5.2. Fiziologia înfloririi ........................................................110 6.6. Fiziologia fructificării ................................................................114 6.6.1. Polenizarea şi fecundarea ..............................................114 6.6.2. Formarea şi creşterea fructului ......................................115 6.6.3. Maturarea fructelor ........................................................117 6.6.4. Creşterea şi maturarea seminţelor..................................119



INTRODUCERE DEFINIŢIA, OBIECTUL DE STUDIU ŞI IMPORTANŢA FIZIOLOGIEI VEGETALE Fiziologia vegetală este o ramură a ştiinţelor biologice care se ocupă cu studiul proceselor vitale din plante. Termenul de fiziologie îşi are originea în limba greacă, de la cuvintele physis = natură şi logos = ştiinţă. Viaţa plantelor reprezintă forma superioară de mişcare a materiei concretizată

în

organisme

vii,

plante

şi

animale.

Cunoaşterea

particularităţilor proprii proceselor vitale din plante prezintă o deosebită importanţă teoretică şi practică. Din punct de vedere teoretic, fiziologia vegetală este o ştiinţă biologică fundamentală, care studiază mecanismele ce controlează modul de organizare şi funcţionare a organismelor vegetale. La nivelul societăţii umane, plantele prezintă o importanţă deosebită deoarece, prin intermediul agriculturii, oferă sursa de hrană şi alte mijloace necesare traiului şi posibilitatea creării unui ambient favorabil, prin amenajarea de spaţii verzi. La nivelul biosferei, în lanţul trofic al ecosistemelor

naturale,

plantele

constituie

categoria

producătorilor,

singurele organisme capabile să absoarbă substanţe minerale şi energia din mediul abiotic şi să le transforme în forme organice, proprii materiei vii. Din punct de vedere practic, fiziologia vegetală este una din ştiinţele de bază în cultura plantelor. Ea sintetizează cunoştinţele pe baza cărora sunt elucidate şi controlate procesele vitale din plante, în scopul cerut de practică. ~ncă de la începutul acestui secol, K.A. Timiriazev spunea: "Omul de ştiinţă studiază viaţa plantelor în scopul de a acţiona pentru transformarea ei în conformitate cu cerinţele şi nevoile practicii". Astfel, fiziologia vegetală stă la baza ramurilor practice ale ştiinţelor agricole cum sunt Fitotehnia, Legumicultura, Pomicultura, Viticultura, Floricultura şi Arboricultura. Ea contribuie la utilizarea însuşirilor genetice favorabile, în special de productivitate şi rezistenţă la stress în ameliorarea plantelor, la valorificarea însuşirilor pedologice şi agrochimice ale solurilor în procesele de nutriţie a plantelor de cultură etc. Pe drept cuvânt, fiziologia vegetală este considerată "mecanica fină a agriculturii raţionale".

CAPITOLUL 1 REGIMUL DE APĂ AL PLANTELOR 1.1. ABSORBŢIA APEI DE CĂTRE PLANTE 1.1.1. Rădăcina ca organ de absorbţie a apei Plantele prezintă un organ specializat la funcţia de absorbţie a apei, care este rădăcina. La plantele terestre rădăcina absoarbe apa din sol, îndeplinind în acelaşi timp şi funcţia de fixare a plantei. ¾ Ramificarea rădăcinii. Absorbţia optimă a apei din sol este favorizată de caracteristicile morfo-fiziologice şi anatomice ale rădăcinii. Mărirea suprafeţei de absorbţie, realizată prin mărirea suprafeţei de contact cu particulele solului se face prin proprietatea rădăcinii de a se ramifica. Astfel, rădăcina principală, provenită din radicula embrionului se ramifică în rădăcini secundare, terţiare etc. Raportul de dezvoltare dintre rădăcina principală şi rădăcinile secundare dă naştere diferitelor tipuri morfologice de rădăcini şi reprezintă un caracter de specie. Astfel, unele plante au rădăcini pivotante, în care rădăcina principală este puternic dezvoltată, iar rădăcinile secundare sunt reduse, de exemplu inul, sfecla, trifoiul şi lucerna. La graminee şi la plantele perene prin bulbi sau bulbo-tuberculi rădăcina principală dispare, fiind înlocuită de rădăcini fasciculate adventive. Plantele lemnoase au rădăcini rămuroase, îngroşate, în care rădăcina principală este egală ca mărime cu rădăcinile secundare. Uneori, la plantele lemnoase există o specializare a rădăcinilor rămuroase în rădăcini lungi, cu rol de fixare şi rădăcini scurte, cu rol de absorbţie, de exemplu la pin (fig.1). Morfologia rădăcinii este determinată genetic. Astfel, capacitatea rădăcinii de a se ramifica prezintă particularităţi specifice în timpul ciclului ontogenetic. Cercetările efectuate cu C14 demonstrează că ramificarea rădăcinii la cereale încetează la înflorire; cantitatea de asimilate translocate la rădăcini este foarte mică în timpul înspicării. La leguminoase, de exemplu la soia şi năut ramificarea rădăcinii continuă şi după înflorire, dar într-un ritm mai redus.

Fig. 1 – Tipuri morfologice de rădăcini: A – rădăcină pivotantă la cânepă (Canabis sativa); B – rădăcină fasciculară la mohor (Setaria glauca); C – rădăcină rămuroasă la măr (Malus pumila var. domestice)

Potenţialul de adâncire în sol este de asemenea specific, fiind de 65 cm la mazăre, 113 cm la grâu, 190 cm la lupin şi 10 m la măr. Rădăcinile de lucernă şi viţa de vie pătrund foarte adânc în sol. Potenţialul de adâncire a rădăcinii în sol mai profund de 30 cm constituie un caracter urmărit în ameliorare în sporirea rezistenţei la secetă. Astfel, la fasole liniile rezistente la secetă au rădăcini ce ajung la 1,2 m, iar cele sensibile au rădăcini ce ajung numai la 0,8 m. Caracterele de rezistenţă la secetă sunt controlate de gene din sistemul radicular. Morfologia rădăcinii este controlată şi de gradul de aprovizionare cu apă din sol. Într-un sol cu apă suficientă ramificarea rădăcinii este redusă, superficială. Astfel, umiditatea ridicată din sol determină o adâncire a rădăcinilor de grâu şi lupin numai până la 80 cm. Pinul şi stejarul care trăiesc în turbărie şi în luncile mlăştinoase îşi distribuie rădăcinile în straturile superficiale ale solului. În zonele uscate, ramificarea rădăcinii este puternică, spre sursa de apă. Se spune că rădăcinile "aleargă în sol după apă". Apa din sol exercită un efect morfogenetic asupra rădăcinii plantelor. Astfel, la plantele din zonele umede, volumul rădăcinii este redus, poate ajunge numai 10 % din volumul plantei, pe când la plantele de deşert, volumul rădăcinii poate ajunge la 90 % din volumul plantei. La o aprovizionare optimă cu apă, volumul rădăcinii reprezintă 50 % din volumul plantei. (fig.2)

Fig. 2 – Particularităţi în răspândirea pe orizontală a rădăcinilor de cartof (dreapta) şi pe verticală a celor de sfeclă (stânga)

¾ Perii absorbanţi. Deşi este puternic ramificată, rădăcina prezintă o zonă

specializată

la

funcţia

de

absorbţie a apei care este vârful rădăcinii. Acesta se extinde pe o lungime de 4-7mm în zona apicală a tuturor ramificaţiilor rădăcinii. Zonele vârfului rădăcinii sunt: piloriza, vârful vegetativ, zona netedă, zona perilor absorbanţi

şi

zona

aspră.

Vârful

rădăcinii reprezintă zona de creştere în care au loc cele trei etape de creştere celulară: în zona meristematică are loc diviziunea, în zona netedă - alungirea, iar în zona perilor absorbanţi are loc diferenţierea celulelor rădăcinii în rizodermă, scoarţă şi cilindru central. Zona perilor absorbanţi reprezintă Fig. 3 – Secţiune longitudinală prin vârful rădăcinii de orz (Hordeum vulgare pil. – piloriza; 1 – vârful vegetativ; 2 – regiunea netedă; 3 – regiunea piliferă; c.c. – cilindru central; p – periciclu; end – endoderm

zona rădăcinii specializată la funcţia de absorbţie a apei (fig.3). Perii absorbanţi sunt celule ale rizodermei

puternic

alungite,

cu

lungimea de 8-15 mm şi diametrul 10 µ. Perii sunt unicelulari, au o membrană subţire, alcătuită din caloză şi substanţe pectice, cu o mare capacitate de gelificare şi aderenţă la sol şi cu o mare permeabilitate. Citoplasma reprezintă un strat periferic, subţire în care se găseşte nucleul cu

poziţia apicală. Conţinutul celulei este ocupat de o vacuolă mare, cu suc vacuolar concentrat, în care apa este absorbită prin fenomenul de endosmoză. Numărul perilor absorbanţi este în general de 220-420/mm2. Ei măresc suprafaţa rădăcinii de 12 ori la mazăre şi realizează o suprafaţă totală a rădăcinii de 130 de ori mai mare decât a părţii aeriene la grâu. La plantele lemnoase numărul perilor absorbanţi poate fi de 730/mm2 la frasin, 880/mm2 la stejar şi 1200/mm2 la arţar. Lungimea perilor absorbanţi poate fi de 0,2 mm la rapiţă sau 2,3-3 mm la grâu. S-a calculat că la secară lungimea totală a perilor absorbanţi este de 10.000 km. Creşterea perilor absorbanţi este influenţată de conţinutul de apă şi elemente minerale din sol. Lungimea acestora este invers corelată cu conţinutul de apă şi conţinutul de fosfor din sol la rapiţă şi este redusă de concentraţia scăzută de calciu, dar mărită de concentraţia scăzută de NO3- la grâu. Durata de viaţă a perilor absorbanţi este scurtă, de 2-3 zile, dar poate ajunge la 10 săptămâni la grâul de toamnă. La unii arbori, de exemplu la pin, absorbţia apei se face şi în zona aspră, prin lenticele. Funcţia de absorbţie a apei în zona perilor absorbanţi este favorizată de structura anatomică a rădăcinii din această zonă, diferenţiată în parenchim absorbant la nivelul scoarţei şi în vase conducătoare lemnoase la nivelul cilindrului central. 1.1.2. Schimbul de apă dintre celula vegetală şi mediul extern Între celula vegetală şi mediul extern există un permanent schimb de substanţe şi energie. În cadrul acestui schimb, celula absoarbe din mediu apă, substanţe minerale şi energie luminoasă şi cedează de asemenea apă, substanţe minerale şi energie calorică. Schimbul de apă dintre celulă şi mediul extern se realizează printr-un proces care prezintă un aspect fizic şi un aspect fiziologic. Aspectul fizic este condiţionat de permeabilitatea membranelor şi se realizează prin fenomenele fizice de difuziune, imbibiţie şi osmoză, în conformitate cu gradientul de concentraţie. El constituie aşa-numita absorbţie pasivă.



Aspectul fiziologic se realizează pe baza unui consum de energie eliberat în respiraţie, împotriva gradientului de concentraţie, în conformitate cu necesităţile metabolice ale celulei. El constituie aşa-numita absorbţie activă. ¾ Difuziunea, imbibiţia şi osmoza Difuziunea este fenomenul de interpătrundere omogenă a două substanţe miscibile, de concentraţii diferite, puse în contact direct. Difuziunea se datoreşte energiei cinetice moleculare. Legile difuziunii se referă la sensul şi viteza de difuziune. Sensul difuziunii este de la mediul cu o concentraţie mai mare spre mediul cu o concentraţie mai mică, până la egalizarea concentraţiei. Viteza de difuziune este invers proporţională cu mărimea particulelor care difuzează. În plante difuziunea determină pătrunderea apei şi substanţelor minerale prin membrana celulară, precum şi pătrunderea gazelor CO2 şi O2 în ostiolele stomatelor, camera substomatică şi spaţiile intercelulare din celulele mezofilului. Imbibiţia este fenomenul de interpătrundere a moleculelor de apă printre moleculele unei alte substanţe. În urma imbibiţiei are loc creşterea în volum şi greutate a acesteia. Imbibiţia se datoreşte energiei cinetice a moleculelor de apă, precum şi proprietăţii diferiţilor radicali chimici ai substanţei, numiţi radicali hidrofili de a lega apa în mod reversibil. Dintre componentele celulare, substanţele proteice ale protoplasmei prezintă cel mai ridicat grad de imbibiţie, datorat unui mare număr de radicali hidrofili liberi, cum sunt -NH2, - COOH, -OH. Glucidele complexe, amidonul şi celuloza se îmbibă mai puţin, având un număr mai redus de radicali hidrofili, iar lipidele nu se îmbibă deloc, deoarece conţin numai radicali hidrofobi. Imbibiţia are o importaţă deosebită în procesul de germinaţie a seminţelor stând la baza absorbţiei apei de către acestea. Seminţele cu rezerve proteice se îmbibă mult mai mult (80-90%) decât seminţele care conţin rezerve glucide (20-30%). De asemenea, substanţele pectice din tegumentul seminal se îmbibă foarte puternic.



Osmoza este fenomenul de amestecare a două soluţii de concentraţii diferite separate printr-o membrană semipermeabilă sau fenomenul de pătrundere a solventului unei soluţii printr-o membrană semipermeabilă. Osmoza este un caz particular de difuziune. Ca şi difuziunea, osmoza se realizează până la egalizarea concentraţiilor, dar contrar difuziunii, osmoza se efectuează de la soluţia mai diluată spre soluţia mai concentrată, deoarece pătrunde numai apa. Osmoza se datoreşte unei forţe numită forţă sau presiune osmotică. Valoarea acesteia depinde de diferenţa de concentraţie dintre cele două soluţii. Osmoza poate fi pusă în evidenţă cu ajutorul unui dispozitiv numit osmometrul Pfeffer (fig.4). Osmometrul Pfeffer este alcătuit dintr-un vas poros, în porii căruia se depune

o

membrană

semipermeabilă, preparată pe cale chimică. Membrana semipermeabilă este reprezentată de un precipitat de ferocianură de Cu şi se obţine din ferocianură de K şi sulfat de Cu. Osmometrul

Pfeffer

este

folosit la punerea în evidenţă a Fig. 4 – Osmometrul lui Pfeffer v – vas cilindric poros; c – dop de cauciuc; r – robinet; m – manometru; a – vas cu apă; s – membrană semipermeabilă de precipitaţie; z – soluţie de zharoză

osmozei şi la măsurarea presiunii osmotice a diferitelor soluţii. Pentru aceasta, în vas se pune o soluţie de zaharoză sau NaCl 20%, apoi se

închide vasul cu un dop de cauciuc prelungit cu un tub de sticlă legat de un manometru cu mercur. Osmometrul se pune într-un vas cu apă. După un timp se constată că nivelul mercurului din manometru se modifică datorită măririi volumului soluţiei din osmometru. Deoarece soluţia externă este mai diluată, având un caracter hipotonic, apa intră în osmometru prin fenomenul de osmoză, numit endosmoză. În cazul în care soluţia externă osmometrului este mai concentrată decât cea internă, având un caracter hipertonic, apa iese din osmometru prin fenomenul de osmoză, numit exosmoză. Cu



ajutorul manometrului cu mercur se poate măsura valoarea presiunii osmotice a soluţiei din osmometru. Absorbţia apei de către celula vegetală se face prin fenomenul de osmoză. Celula vegetală este asemănătoare unui osmometru Pfeffer. Vasul poros

este

permeabil,

similar

membranei

celulare,

membrana

semipermeabilă este similară membranelor citoplasmatice, plasmalema şi tomoplastul, iar soluţia din osmometru este similară sucului vacuolar. Presiunea osmotică a celulei este dată de diferenţa de concentraţie dintre sucul vacuolar şi soluţia externă. ¾ Plasmoliza, deplasmoliza şi turgescenţa Schimburile osmotice dintre celula vegetală şi mediul extern sunt puse în evidenţă prin fenomenele de plasmoliză, deplasmoliză şi turgescenţă. Plasmoliza este fenomenul de ieşire a apei din celulă în cazul când ţesutul

este

pus

într-o

soluţie

hipertonică. Ca urmare a ieşirii apei prin

exosmoză,

citoplasma

se

desprinde de membrana celulară, vacuola îşi micşorează volumul, iar concentraţia sucului vacuolar se măreşte. Plasmoliza are loc în trei faze:

Fig. 5 –Turgescenţa şi plasmoliza

−

plasmoliza incipientă, care constă în desprinderea citoplasmei de membrană numai la colţurile acesteia;

−

plasmoliza concavă, care constă în desprinderea parţială a citoplasmei de membrană;

−

plasmoliză convexă, care constă în desprinderea totală a citoplasmei de membrană (fig.5).

Deplasmoliza este fenomenul invers plasmolizei, de intrare a apei în celulele plasmolizate, în cazul când ţesutul este pus într-o soluţie hipotonică. Ca urmare a intrării apei prin endosmoză, citoplasma se alipeşte de membrana celulară, vacuola îşi măreşte volumul, iar concentraţia sucului vacuolar scade. Apa pătrunde în celulă până la starea de turgescenţă. Fenomenul de plasmoliză prezintă o importanţă fiziologică deosebită, fiind utilizat ca un indiciu de viabilitate a celulei. Proprietatea de < 10 >

semipermeabilitate este caracteristică numai protoplasmei vii, prin moarte protoplasma devine permeabilă. Turgescenţa este starea fiziologică normală, de hidratare optimă a celulei. În celulele turgescente conţinutul de apă este maxim. Turgescenţa se datoreşte elasticităţii limitate a membranelor celulare, care la un moment dat se opune intrării apei în celulă, deşi soluţia externă este hipotonică. Starea de turgescenţă contribuie la susţinerea mecanică a ţesuturilor la plantele ierboase. Forţele care participă la absorbţia apei de către celule sunt presiunea osmotică, presiunea membranei şi forţa de sucţiune a celulei. ¾ Presiunea osmotică şi presiunea de turgescenţă Presiunea osmotică a celulei este numită şi potenţial osmotic şi este dată de concentraţia sucului vacuolar. Ea se datoreşte substanţelor osmotic active din vacuolă, cum sunt glucidele solubile, sărurile minerale şi favorizează pătrunderea apei în celule. Presiunea osmotică este influenţată de factorii externi şi interni. Factorii externi sunt: −

umiditatea aerului şi solului: cu cât aceasta este mai ridicată, presiunea osmotică este mai scăzută;

−

temperatura: scăderea temperaturii determină o mărire a presiunii osmotice a celulelor prin acumularea glucidelor osmotic active, ceea ce duce la scăderea punctului de îngheţ al sucului vacuolar; creşterea temperaturii determină o mărire a presiunii osmotice a celulelor prin evaporarea apei libere;

−

lumina: intensitatea luminoasă ridicată măreşte acumularea glucidelor solubile prin fotosinteză;

−

salinitatea solului măreşte presiunea osmotică a celulelor prin acumularea de săruri minerale şi glucide solubile.

Factorii interni sunt: −

specia şi potenţialul de adaptare ecologică: presiunea osmotică este mică la plantele de apă, are valori medii la plantele mezofile şi glicofile şi valori foarte mari la plantele de deşert şi de sărătură;

−

organul plantei: presiunea osmotică creşte de la rădăcină spre frunze; < 11 >

−

ţesutul: în rădăcină presiunea osmotică creşte în sens centripet, de la perii absorbanţi spre cilindrul central;

−

vârsta plantelor: presiunea osmotică creşte de la celulele tinere la celulele adulte.

Determinarea presiunii osmotice a celulelor nu poate fi făcută direct, cu ajutorul osmometrului, ci se face prin metode indirecte. Aceste metode sunt fiziologice şi fizice. Dintre metodele fiziologice face parte metoda plasmolitică, care constă în găsirea unei soluţii foarte apropiate de concentraţia sucului vacuolar, capabilă să provoace plasmoliza incipientă la 50% dintre celule. Dintre metodele fizice face parte metoda refractometrică, care constă în citirea la refractometru a concentraţiei sucului vacuolar extras prin presare din celule şi metoda crioscopică, care constă în determinarea concentraţiei sucului vacuolar la un aparat numit crioscop, pe baza determinării punctului de congelare a acestuia. Presiunea de turgescenţă este denumită şi presiunea membranei şi reprezintă presiunea cu care membrana apasă asupra citoplasmei. Ea se află în relaţie inversă cu presiunea osmotică a celulei, mărindu-se pe măsura pătrunderii apei în celulă. La celulele turgescente, valoarea presiunii de turgescenţă este maximă, ea fiind egală ca mărime şi de sens contrar cu presiunea osmotică a celulei. ¾ Forţa de sucţiune Forţa de sucţiune este forţa activă a celulei, care determină pătrunderea apei. Ea se modifică în celule în funcţie de gradul de aprovizionare cu apă, fiind o rezultantă a acţiunii presiunii osmotice şi a presiunii de turgescenţă. La celulele mature forţa de sucţiune (S) este considerată diferenţa dintre presiunea osmotică (PO) şi presiunea de turgescenţă (PT): S = PO - PT La celulele plasmolizate, în care PT = 0, S = PO; în timpul deplasmolizei, S = PO - PT, iar la celulele turgescente, la care PO = PT, S = 0 (fig.6). Forţa de sucţiune variază cu vârsta celulelor, fiind mai ridicată la celulele tinere decât la cele adulte şi prezintă o dinamică diurnă, fiind mai ridicată în timpul amiezii decât dimineaţa şi seara. < 12 >

Fig. 6 – Schema K. Hoffler care prezint\ valoarea for]ei de suc]iune celular\ func]ie de cre[terea volumului celulei de la starea de plasmoliz\ la turgescen]\ maxim\.

Determinarea forţei de sucţiune a celulelor poate fi efectuată prin metode fiziologice, care constau în găsirea unei soluţii izotonice, cu aceeaşi concentraţie cu cea a sucului celular. Aceasta se face prin introducerea unor porţiuni de ţesut identice în soluţii de concentraţii diferite, dar foarte apropiate între ele. Datorită schimburilor osmotice dintre ţesutul vegetal şi soluţii, are loc modificarea dimensiunilor acestuia şi a concentraţiei soluţiilor respective. Soluţia izotonică este considerată ca fiind soluţia în care, datorită absenţei schimburilor osmotice, atât dimensiunea ţesutului vegetal, cât şi concentraţia soluţiei externe rămân neschimbate. Presiunea osmotică şi forţa de sucţiune a celulelor au o mare importanţă fiziologică, contribuind la absorbţia apei de către rădăcină şi transportul ei către organele aeriene. Din punct de vedere practic, aceste forţe constituie indici fiziologici care relevă starea de hidratare a organelor plantei. Determinarea acestor indici reprezintă baza fiziologică a aplicării irigaţiilor. 1.1.3. Influenţa diferiţilor factori asupra absorbţiei apei din sol Absorbţia apei din sol este influenţată de factori externi şi interni. ¾ Factorii externi. Temperatura solului. Absorbţia apei începe la 00C la plantele cu sistem radicular superficial şi la -50C la arbori; se intensifică până la 250< 13 >

320C, apoi scade treptat, iar la 400C încetează. Solurile reci, deşi bine aprovizionate cu apă, sunt "fiziologic uscate". La temperaturi scăzute, absorbţia apei este inhibată, încât la 50 se absoarbe numai 25% din apa absorbită la 250C. Acest fenomen se datoreşte scăderii cu 50 % a permeabilităţii protoplasmei, scăderii capacităţii de imbibiţie şi măririi vâscozităţii acesteia, precum şi reducerii mobilităţii soluţiei solului. Lumina stimulează absorbţia apei prin rădăcină intensificând transpiraţia, atât prin creşterea temperaturii, cât şi prin deschiderea stomatelor. Prin fotosinteză, lumina furnizează substanţele organice, sursa de energie metabolică în respiraţia rădăcinii. Concentraţia soluţiei solului. Absorbţia apei fiind în esenţă un fenomen de osmoză, depinde de raportul de concentraţie cu soluţia solului. O bună absorbţie se realizează la o concentraţie a soluţiei solului de 1-5 ‰ şi o presiune osmotică a acesteia de 0,1-2 atm. Plantele de sărătură, numite halofite au o toleranţă ridicată la concentraţia soluţiei solului, datorată unui potenţial osmotic ridicat, realizat în special prin pătrunderea diferiţilor ioni minerali în vacuolă. Dintre plantele de cultură, sfecla de zahăr prezintă o toleranţă mai mare faţă de concentraţia soluţiei solului, datorată originii acestei specii în halofita Beta maritima. Dintre plantele floricole, crizantema prezintă o toleranţă ridicată la concentraţia soluţiei solului. Aeraţia solului. Absorbţia apei este optimă la o aeraţie ce determină o concentraţie de 16-18% O2 în sol. Sub concentraţia de 5% O2, pe un sol inundat sau compact, absorbţia apei este inhibată deoarece respiraţia rădăcinilor devine anaerobă. Alcoolul etilic intoxică rădăcina, iar CO2 scade permeabilitatea rădăcinii şi intoxică planta. Fenomenul se întâlneşte în zonele inundate sau în oraşe, pe solurile acoperite cu pavaj. În acest caz se produce un dezechilibru între absorbţie şi transpiraţie, care duce la ofilirea plantelor. Durata maximă de rezistenţă la lipsa oxigenului provocată de inundaţii este de 1-3 zile la unele cucurbitacee, 4-6 zile la fasole şi cartof şi 8-10 zile la grâu şi porumb. Reacţia soluţiei solului (pH). În general, absorbţia rădăcinii este optimă la pH neutru. Modificarea pH-ului, mai ales alcalin reduce permeabilitatea membranelor celulare, frânând absorbţia apei. Dintre plantele de cultură, valoarea pH-ului optim pentru absorbţie este de 5 la

< 14 >

cartof, 6 la trifoi, 6-7 la grâu şi 7-8 la lucernă. La Rhododendron absorbţia apei este favorizată de pH-ul acid al soluţiei solului. ¾ Factorii interni. Intensitatea transpiraţiei. Absorbţia pasivă a apei este stimulată de mărirea intensităţii transpiraţiei. Dinamica diurnă a absorbţiei apei în timpul creşterii. La plantele de trandafir cultivate în soluţii nutritive absorbţia apei prezintă un maxim în timpul zilei. Dinamica ontogenetică a absorbţiei apei. La plantele de Gladiolus sp., absorbţia apei este maximă la formarea inflorescenţelor. 1.2. CIRCULAŢIA APEI ÎN PLANTE 1.2.1. Calea de circulaţie a apei Apa circulă în plante prin vasele lemnoase şi prin ţesutul parenchimatic. ¾ Circulaţia prin vasele lemnoase se efectuează pe distanţe mari, până la zeci de metri, prin ţesutul conducător lemnos al rădăcinii, tulpinii şi frunzei. Vasele lemnoase sunt trahee şi traheide. Traheele sunt celule prozenchimatice puse cap la cap, cu pereţii laterali lignificaţi, între care au dispărut membranele despărţitoare. Ele sunt vase perfecte, adevărate conducte, întâlnite la angiosperme. După tipul îngroşării cu lignină, pot fi inelate, spiralate, reticulate şi punctate (fig.7).

Fig. 7– Tipuri de vase lemnoase A – inelat; B1, B2 – spiralate; C – reticulat; D - punctat

< 15 >

Traheidele sunt celule prozenchimatice, de asemenea cu pereţii laterali lignificaţi, între care există pereţi despărţitori. Ele sunt vase imperfecte întâlnite la gimnosperme. Circulaţia apei prin vasele de lemn poate fi pusă în evidenţă prin metoda decorticării şi prin metoda soluţiilor colorate. Metoda decorticării constă în folosirea de butaşi de soc, care prezintă la partea superioară muguri şi care se decortică la bază, îndepărtând succesiv diferite ţesuturi, şi anume scoarţa, liberul, lemnul şi măduva. Se introduc butaşii decorticaţi cu baza în apă. După un timp se constată că la toţi butaşii se formează din muguri frunze, cu excepţia celui la care s-a îndepărtat ţesutul conducător lemnos. Metoda soluţiilor colorate constă în introducerea unor ramuri de plante, de exemplu tei în soluţii colorate în roşu sau albastru cu coloranţi vitali. După 24 de ore se fac secţiuni la baza ramurilor, constatându-se că se colorează în roşu sau albastru numai vasele lemnoase. Sensul de circulaţie a apei în vasele lemnoase este ascendent. Viteza de circulaţiei este mare, datorită ascensiunii pasive a apei. La angiospermele ierboase viteza de circulaţie este de 0,7-1,7 m/oră. La angiospermele lemnoase este de 4-40 m/oră. La liane viteza este maximă, de 150 m/oră, iar la gimnosperme este minimă 1,2-2,5 m/oră. ¾ Circulaţia prin ţesutul parenchimatic se efectuează pe distanţe mici, de câţiva mm, prin parenchimul cortical al rădăcinii din zona perilor absorbanţi până la cilindru central şi prin mezofilul frunzei, de la nervuri până la camera substomatică. Circulaţia apei se efectuează datorită osmozei prin protoplasmă şi imbibiţiei prin membrana celulelor vii ale rădăcinii şi frunzelor. Sensul circulaţiei este lateral, iar viteza de circulaţie este mică, de 1mm/oră. 1.2.2. Forţele care determină urcarea apei în plantă Ascensiunea apei în plantă se efectuează cu ajutorul unor forţe fiziologice, care sunt presiunea radiculară şi forţa de aspiraţie a frunzelor şi a unor forţe fizice, care sunt forţa de coeziune a moleculelor de apă, forţele de capilaritate şi de imbibiţie a vaselor lemnoase. ¾ Presiunea radiculară este numită forţa motrice inferioară. Ea reprezintă forţa activă a rădăcinii capabilă să pompeze continuu apa în corpul plantelor. Valoarea presiunii radiculare este în medie de 1 atm. la < 16 >

plantele ierboase şi de 1-3 atm. la plantele lemnoase, de exemplu 1 atm. la arţarul de zahăr şi 2,5 atm. la mesteacăn. Presiunea radiculară lipseşte la conifere. La plantele lemnoase este deosebit de activă primăvara şi realizează urcarea apei la înălţimi mari, de 15 - 20 m înainte de apariţia frunzelor. Presiunea radiculară poate fi pusă în evidenţă prin fenomenele de plâns sau lăcrimare a plantelor şi de gutaţie. Plânsul plantelor constă în eliminarea apei sub formă de picături din organele rănite. Valoarea presiunii radiculare, respectiv cantitatea de apă eliminată prin plâns poate fi măsurată prin secţionarea tulpinii unei plante deasupra coletului şi racordarea porţiunii rămase la un manometru cu mercur (fig.8). Seva de lăcrimare este seva brută care conţine apă, substanţe minerale, dar şi substanţe organice, în special glucide, de exemplu 1,4-1,9% la mesteacăn, 1,2-3,2% la arţarul de zahăr şi 1,6-3,0% la Agave americana, aminoacizi, acizi organici, vitamine etc.

Fig. 8 – Determinarea presiunii radiculare cu ajutorul unui manometru cu mercur

Fig. 9 – Apa eliminată prin transpiraţia frunzelor unei ramuri introduse în tubul vertical cu apă (a) provoacă o presiune negativa care face ca mercurul (Hg) să urce în acesta

Gutaţia constă în eliminarea apei sub formă de picături din organele întregi, în special prin frunze, în condiţiile în care atmosfera este saturată cu vapori de apă. Gutaţia poate fi observată în vârful frunzelor la plante cultivate în ghivece, introduse sub un clopot de sticlă. Atât în cazul provocării plânsului cât şi al gutaţiei, la plante este împiedicat procesul de transpiraţie. < 17 >

Durata de timp cât funcţionează presiunea radiculară variază în funcţie de specie. La plantele ierboase anuale presiunea radiculară poate fi activă chiar pe toată durata perioadei de vegetaţie, dar valoarea ei scade la sfârşitul acesteia. La Agave americana presiunea radiculară funcţionează până la 7 săptămâni, în timp ce la plantele lemnoase durează 3-5 săptămâni de la pornirea în vegetaţie. Cantitatea de sevă ce se poate colecta prin lăcrimare este 5 l/zi la mesteacăn şi 7,5 l/zi la Agave americana. ¾ Forţa de aspiraţie a frunzelor este numită forţa motrice superioară. Ea reprezintă forţa cu care frunzele aspiră continuu apa provenită din sol în corpul plantelor. Valoarea forţei de aspiraţie a frunzelor este foarte ridicată, depăşind în general 15-20 atm. dar poate ajunge şi până la 900 atm., în aerul cu o umiditate relativă de 50%. Forţa de aspiraţie a frunzelor este de 15,2 - 15,4 atm. la frasin şi 18,1-20,4 atm. la stejar. Forţa de aspiraţie a frunzelor poate fi măsurată prin introducerea unei ramuri într-un tub de sticlă racordat la un manometru cu mercur (fig.9). Forţa de aspiraţie a frunzelor se datoreşte eliminării continue a apei în procesul de transpiraţie. Ea este o forţă pasivă determinată de deficitul de apă din atmosferă, care determină absorbţia permanentă a apei din vasele de lemn din nervuri spre celulele mezofilului. Cele două forţe fiziologice se pot manifesta numai prin acţiunea forţelor fizice. ¾ Forţa de coeziune a moleculelor de apă este forţa care permite ridicarea apei sub forma unei coloane neîntrerupte cu secţiunea de 1 cm2 până la înălţimea de 10,33 m, după care are loc întreruperea coloanei datorită "vidului lui Torricelli". Această forţă are valoare de 1 atm. Coeziunea moleculelor de apă poate fi pusă în evidenţă prin dispozitivul Askenasy. Într-o pâlnie de sticlă se prepară o pastă de gips. După ce conul de gips s-a întărit în tub se pune apă şi se introduce cu baza într-un vas cu mercur. După un timp se constată ascensiunea mercurului în tubul de sticlă, fenomen datorat coeziunii dintre moleculele de apă, dintre moleculele de apă şi mercur şi evaporării continue a apei la suprafaţa gipsului. ¾ Forţa de capilaritate. Vasele lemnoase au un diametru foarte mic, de 30-300µ, fiind vase capilare. Această caracteristică permite ridicarea apei sub acţiunea forţei de o atmosferă până la înălţimi mult mai mari decât < 18 >

10,33 m, datorită forţei de coeziune a moleculelor de apă. În plantă coloana de apă porneşte din zona perilor absorbanţi ai rădăcinii şi se termină în frunză. Ea poate atinge înălţimi de 120 m la Sequoia gigantea, 160 m la eucaliptul australian şi 200 m la liane. ¾ Imbibiţia. Pereţii laterali ai vaselor lemnoase impregnaţi cu lignină se îmbibă puternic cu apă, permiţând menţinerea neîntreruptă a coloanei de apă din vasele de lemn. 1.3. TRANSPIRAŢIA 1.3.1. Definiţia şi importanţa transpiraţiei ¾ Transpiraţia este procesul prin care plantele elimină apa sub formă de vapori. Deşi depinde de umiditatea atmosferică, respectiv de deficitul de vapori al atmosferei, transpiraţia este un proces fiziologic complex, fiind legat de structura şi funcţiile plantei. Transpiraţia are un rol pozitiv în viaţa plantei. Ea contribuie la manifestarea forţei de aspiraţie a frunzelor, care determină absorbţia şi circulaţia apei şi a sărurilor minerale, reglează temperatura corpului plantei, ferindu-l de supraîncălzire şi previne creşterea peste măsură a turgescenţei. În acelaşi timp transpiraţia are şi un rol negativ. În cazul unei secete prelungite provoacă ofilirea şi chiar moartea plantei; dereglează deschiderea stomatelor, cu efecte negative asupra absorbţiei CO2 în fotosinteză. Timiriazev a numit transpiraţia "un rău necesar". 1.3.2. Tipurile de transpiraţie Transpiraţia se efectuează prin toate organele aeriene, în special prin frunze, ramuri sau tulpini. Frunzele transpiră cel mai intens datorită unor particularităţi morfo-funcţionale. Ele au o suprafaţă foarte mare şi un număr mare de stomate; mezofilul are o grosime redusă şi numeroase spaţii intercelulare, care permit o permanentă eliminare a apei sub formă de vapori pe baza curentului permanent, ascendent de sevă brută. La diferite organe, transpiraţia poate fi de trei tipuri, şi anume transpiraţie lenticelară, cuticulară şi stomatală. ¾ Transpiraţia lenticelară are loc prin

ramurile şi tulpinile

suberificate ale arborilor şi arbuştilor şi se efectuează prin lenticele. Nu poate fi controlată de către plantă, ci depinde numai de condiţiile < 19 >

atmosferice. În zilele de arşiţă transpiraţia lenticelară împiedică creşterea excesivă a temperaturii ramurilor. Cantitatea de apă transpirată prin ramuri şi tulpini este deosebit de redusă. ¾ Transpiraţia cuticulară se efectuează prin cuticula frunzelor. Are în general valori scăzute, deoarece cuticula de pe peretele extern al epidermei este impregnată cu substanţe grase, hidrofobe. Transpiraţia cuticulară este mai ridicată la organele tinere. Astfel, la frunzele tinere poate atinge 35-50% din transpiraţia totală, pe când la frunzele bătrâne atinge doar 3-5%. De asemenea, la plantele de umbră sau din zone umede transpiraţia cuticulară este mai intensă decât la cele de soare sau de deşert. ¾ Transpiraţia stomatală este cea mai răspândită şi se realizează prin stomate, în special în frunze. Stomatele sunt formaţiuni epidermice alcătuite din două celule reniforme puse faţă în faţă între care există o deschidere numită ostiolă. Pereţii interni, care delimitează ostiola sunt îngroşaţi, iar cei externi, dinspre celulele epidermice sunt subţiri. Spre deosebire de celulele epidermice care nu conţin cloroplaste, celulele stomatice conţin cloroplaste. Sub celulele stomatice se găseşte o cameră substomatică, care este în legătură cu spaţiile intercelulare din mezofilul frunzei (fig.10). La plantele din familia graminee, celulele stomatice au formă de haltere.

Fig. 10 – Celule epidermice şi stomatice în secţiune tangenţială prin frunza de Tradescantia zebrina c.ep. – celule epidermice; c.s. – celule stomatice; p.d. – perete dorsal extern; p.v. – perete ventral intern; ost – ostiolă; c.a. – celule anexe; lp. - leucoplaste

Transpiraţia stomatală se desfăşoară în două faze. În prima fază are loc procesul fiziologic de eliminare a apei din celulele mezofilului în spaţiile intercelulare. În a doua fază au loc procesele fizice de difuziune a vaporilor de apă prin ostiole şi evaporare la suprafaţa frunzei, ca urmare a deficitului < 20 >

hidric din aerul atmosferic. Difuziunea vaporilor de apă prin ostiole este însă controlată de plantă prin mişcările de închidere şi deschidere a stomatelor. 1.3.3. Influenţa factorilor interni asupra transpiraţiei Numărul de stomate pe suprafaţa frunzelor este variabil, fiind în general de 10-600/mm2. La speciile lemnoase foioase este mai ridicat şi anume la stejar - 350-500/mm2, în timp ce la conifere este mai scăzut şi anume la molid -20-40/mm2. Numărul de stomate este diferit pe cele două epiderme ale frunzei. În funcţie de acest caracter, frunzele pot fi de trei categorii: −

hipostomatice, la care stomatele sunt dispuse numai pe epiderma inferioară, de exemplu la majoritatea arborilor de foioase şi a pomilor fructiferi;

−

epistomatice , la care stomatele sunt dispuse numai pe epiderma superioară, de exemplu la nufăr;

−

amfistomatice, la care stomatele sunt dispuse pe ambele epiderme, de exemplu la majoritatea plantelor cultivate ierboase.

Intensitatea transpiraţiei se află în realţie directe cu numărul stomatelor până la o anumită densitate a acestora, de 700/mm2, când distanţa dintre stomate depăşeşte de 10 ori diametrul unei stomate. Peste această densitate, intensitatea transpiraţiei scade datorită fenomenului numit "efect de margine". Între stomate apar zone de interferenţă laterale care împiedică difuziunea vaporilor de apă în atmosferă. ¾ Poziţia stomatelor. La majoritatea speciilor stomatele se găsesc la acelaşi nivel cu celulele epidermice. La unele specii xerofite stomatele se găsesc sub nivelul acestora, comunicând cu exteriorul prin cavităţi numite cripte, de exemplu la leandru sau Ficus elastica. La higrofite din contră, stomatele se găsesc pe vârful unor ridicături. ¾ Gradul de deschidere a stomatelor. Plantele reglează intensitatea transpiraţiei prin frunze prin mecanisme de închidere şi deschidere a stomatelor. Aceste mecanisme sunt controlate de factorii externi, şi anume lumina şi apa şi de factori interni, prezenţa cloroplastelor şi îngroşarea inegală a pereţilor celulelor stomatice. Stalfelt (1927) distinge diferite tipuri de reacţii.

< 21 >

Reacţia fotoactivă de deschidere. Sub acţiunea luminii, prin fotosinteză în celulele stomatice se sintetizează glucide solubile osmotic active, ce măresc forţa de sucţiune a acestora şi determină absorbţia apei prin fenomenul de endosmoză. Celulele stomatice devin turgescente, iar datorită inegalei îngroşări a pereţilor, stomata se deschide. La întuneric, în celulele stomatice scade forţa de sucţiune, are loc exosmoza, celulele devin flasce, iar stomata se închide. Reacţia hidroactivă de închidere. În zilele secetoase, datorită transpiraţiei intense, celulele stomatice îşi pierd turgescenţa, iar stomatele se închid. Fenomenul are loc la un deficit hidric de 2-25% la fag şi 5% la stejar; Reacţia hidropasivă de închidere şi deschidere. În zilele ploioase, starea de turgescenţă a celulelor epidermice exercită o presiune asupra celulelor stomatice, care se închid. Prin scăderea umidităţii, are loc deshidratarea celulelor epidermice, presiunea asupra celulelor stomatice scade, iar stomatele se deschid. Alte cercetări relevă implicarea metabolismului plantelor în mişcările de închidere şi deschidere a stomatelor. Acestea se efectuează prin hidroliza şi sinteza amidonului din celulele stomatice, catalizate de acţiunea enzimei amilază. Sensul de acţiune enzimatică este condiţionat de pH. În timpul zilei pH-ul celular creşte datorită utilizării CO2 în fotosinteză, ceea ce determină sensul hidrolizant al activităţii enzimatice cu formarea de glucide osmotic active. În timpul nopţii pH-ul celular scade datorită acumulării CO2 şi a H2CO3, ceea ce determină sensul sintetizant al activităţii enzimatice cu formarea de amidon, osmotic inactiv. Mecanismul închiderii şi deschiderii stomatelor este controlat de substanţele hormonale şi anume, deschiderea este provocată de acţiunea citochininelor, iar închiderea de acumularea acidului abscisic în celulele stomatice. Un rol deosebit în deschiderea stomatelor îl are K+, element absorbit în celulele stomatice prin schimb ionic cu celulele anexe. ¾ Suprafaţa foliară. Plantele îşi corelează suprafaţa foliară cu gradul de aprovizionare cu apă din mediu. La higrofite suprafaţa foliară este mare, iar transpiraţia este intensă; la xerofite suprafaţa foliară este redusă până la ţepi, iar transpiraţia este redusă.

< 22 >

¾ Poziţia frunzelor. În zonele umede frunzele au poziţie orizontală, pentru a capta cât mai multă lumină şi a intensifica transpiraţia. În zonele aride frunzele au o poziţie verticală, pentru a capta cât mai puţină lumină şi a reduce transpiraţia. ¾ Concentraţia sucului vacuolar. La plantele de sărătură şi deşert, concentraţia sucului vacuolar este mărită prin acumulare de săruri minerale, glucide solubile sau acizi organici, ceea ce reduce intensitatea transpiraţiei. La plantele din zone umede concentraţia sucului vacuolar este scăzută, ceea ce măreşte intensitatea transpiraţiei. ¾ Prezenţa plastidelor şi antocianilor măreşte intensitatea transpiraţiei, deoarece pigmenţii verzi şi galbeni din cloroplaste, cât şi antocianii roşii, albaştrii şi violacei absorb radiaţiile spectrului de lumină, mărind temperatura frunzei. ¾ Sinteza unor uleiuri volatile sau parfumuri. Prin evaporarea în atmosferă, uleiurile volatile absorb o parte din radiaţiile calorice, micşorează intensitatea transpiraţiei şi evită supraîncălzirea plantelor, de exemplu la labiate şi rozacee. ¾ Dinamica diurnă a transpiraţiei . În timpul zilei, transpiraţia este de 10-12 mai intensă decât noaptea, fiind favorizată de temperatura ridicată, lumina intensă şi umiditatea relativă a aerului. La plantele bine aprovizionate cu apă intensitatea transpiraţiei creşte de dimineaţă, atingând maximum la ora 13-14, după care scade spre seară. În condiţii de secetă intensitatea transpiraţiei prezintă două maxime şi anume: dimineaţa, la orele 9-10 şi după amiaza la orele 14 şi un minim la orele 12-13, datorată închiderii hidroactive a stomatelor. ¾ Dinamica sezonieră este evidentă la plantele perene lemnoase, arbori şi arbuşti, transpiraţia fiind mult mai redusă iarna decât în timpul sezonului de vegetaţie. Plantele cu frunze căzătoare transpiră iarna prin ramuri, muguri etc. Plantele sempervirescente transpiră iarna şi prin frunze, dar intensitatea transpiraţiei este mult mai redusă decât în timpul verii. Astfel la pin, frunzele transpiră de 300-400 ori mai puţin iarna decât vara. În timpul sezonului de vegataţie procesul de transpiraţie este maxim primăvara, iar în a doua perioadă a acestuia, în timpul verii şi toamnei intensitatea transpiraţiei scade.

< 23 >

1.3.4. Influenţa factorilor externi asupra transpiraţiei ¾ Temperatura aerului. Procesul de transpiraţie începe la 00C. La arborii şi arbuştii sempervirescenţi din zona temperată, transpiraţia nu încetează nici la temperaturi sub 00C, dar este mult încetinită. Transpiraţia se intensifică prin creşterea temperaturii până la 400C. La stejar, prin ridicarea temperaturii de la 200 la 400C transpiraţia creşte de 5 ori. Temperatura optimă pentru plante este de 250-300C, când deficitul hidric creat nu este dăunător plantei. Între 300-400C transpiraţia este reglată prin închiderea stomatelor pe cale fiziologică, iar între 400-480C, transpiraţia încetează datorită coagulării protoplasmei. Frunzele moarte pierd apa prin evaporare. Temperatura acţionează asupra transpiraţiei prin creşterea deficitului de vapori din atmosferă, a temperaturii frunzelor şi a permeabilităţii protoplasmei pentru apă. ¾ Umiditatea relativă a aerului. Viteza de evaporare a apei din stomate la un moment dat este dată de formula: V=

4 r K (F−f) P

în care: V = viteza de evaporare; r = raza ostiolei; K = coeficientul de difuziune; F = tensiunea vaporilor saturaţi; f = tensiunea vaporilor din aer la un moment dat; P = presiunea atmosferei; F - f = deficitul de saturaţie în vapori de apă a aerului. Intensitatea transpiraţiei se află în relaţie directă cu deficitul hidric al aerului atmosferic. Prin scăderea gradului de saturaţie în vapori al aerului, creşte deficitul hidric şi respectiv intensitatea transpiraţiei. În aerul saturat în vapori de apă, transpiraţia este foarte redusă sau chiar lipseşte. Transpiraţia decurge intens, fără efecte dăunătoare la umiditatea aerului de 60-80%, când deficitul nu depăşeşte 40-50%. ¾ Lumina influenţează transpiraţia în mod direct şi indirect. Efectul direct se datoreşte energiei calorice, care intensifică transpiraţia. La lumină directă transpiraţia creşte de câteva ori, iar la lumină difuză numai cu 3040%. Efectul indirect se datoreşte acţiunii luminii asupra închiderii şi deschiderii stomatelor şi asupra permeabilităţii protoplasmei. Dintre diferite radiaţii ale spectrului solar, radiaţiile albastre, indigo şi violet sporesc intensitatea transpiraţiei de 1,5 ori faţă de radiaţiile roşii şi galbene. < 24 >

¾ Presiunea atmosferică. Transpiraţia se intensifică prin scăderea presiunii atmosferice. La plantele alpine, transpiraţia este mai intensă decât la plantele de şes datorită valorilor scăzute ale presiunii atmosferice. ¾ Curenţii de aer. La intensitate moderată, vântul intensifică transpiraţia cu cca. 100%; Prin deplasarea vaporilor de apă, vântul măreşte deficitul hidric în zona frunzelor. La intensitate mare a vântului , stomatele se închid, iar transpiraţia scade. Vântul rece măreşte umiditatea în spaţiile intercelulare şi reduce transpiraţia; vântul cald deshidratează puternic frunzele provocând uscarea lor sau a plantei. Vântul influenţează mai mult transpiraţia stomatică decât pe cea cuticulară. La mesteacăn, mărirea vitezei vântului sporeşte transpiraţia stomatelor cu 140%, iar pe cea cuticulară numai cu 25%.

< 25 >

CAPITOLUL 2 NUTRIŢIA MINERALĂ A PLANTELOR Substanţele organice complexe ce alcătuiesc corpul plantelor şi asigură buna desfăşurare a proceselor fiziologice din organismul vegetal sunt sintetizate pe baza substanţelor minerale pe care plantele le absorb din mediul înconjurător. Procesul de absorbţie a substanţelor minerale şi de transport al acestora în corpul plantei în scopul sintezei substanţelor organice proprii se numeşte nutriţie minerală. Elementele minerale absorbite din mediu pot avea diferite roluri, şi anume: −

rol plastic, participănd în sinteza unor substanţe de constituţie, de exemplu C , H, O, N, S, P, Ca, Mg, Si;

−

rol metabolic, catalitic, de activare sau inhibare a proceselor enzimatice, de exemplu Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, B;

−

rol în reglarea echilibrului osmotic, modificarea permeabilităţii celulare şi a proprietăţilor fizico-chimice ale coloizilor plasmatici, de exemplu K, Na, Ca, Mg.

2.1. ABSORBŢIA ŞI CIRCULAŢIA ELEMENTELOR MINERALE ÎN PLANTE 2.1.1. Rădăcina ca organ de absorbţie Elementele minerale sunt absorbite prin rădăcină la nivelul perilor absorbanţi, sub formă de ioni. La plantele acvatice şi la plantule absorbţia elementelor minerale se face pe toată suprafaţa rădăcinii. La plantele lemnoase absorbţia se face cu ajutorul micorizelor. Deşi protoplasma celulară prezintă proprietatea de semipermeabilitate, ea este permeabilă pentru diferite substanţe, de exemplu elementele minerale. Permeabilitatea protoplasmei pentru diferite substanţe este relativă şi selectivă, în funcţie de necesităţile fiziologice ale celulei. Deşi elementele minerale sunt absorbite concomitent cu apa, mecanismul absorbţiei acestora în celula vegetală este independent de < 26 >

absorbţia apei. Astfel, în timp ce apa pătrunde în formă moleculară, prin imbibiţie şi osmoză, dependent de gradientul de concentraţie, elementele minerale sunt absorbite în stare disociată în ioni, nu prin fenomene fizice, ci independent de gradientul de concentraţie. Absorbţia elementelor minerale se face pe baza energiei furnizate de respiraţie. Mecanismul absorbţiei elementelor minerale în celule este pasiv şi activ. ¾ Absorbţia pasivă Absorbţia pasivă se face prin fenomene fizice, fără consum energetic celular: Adsorbţia constă în fixarea ionilor pe suprafaţa membranei celulare sau a plasmalemei. Adsorbţia poate fi mecanică, când ionii sunt fixaţi cu forţe slabe la nivelul membranei celulare şi al plasmalemei şi polară când ionii sunt fixaţi cu forţe puternice la suprafaţa plasmalemei, rezultând combinaţii numite chelaţi. Chelaţii rezultă din fixarea ionilor de către grupările - COOH sau - NH2 din structura plasmalemei. Schimbul ionic se face atât la nivelul suprafeţei membranei celulare, cât şi a plasmalemei. Sabinin arată că în respiraţia celulară se produce CO2, care în reacţie cu apa dă acid carbonic. Acesta disociază în ioni conform reacţiei: H2CO3 = HCO3- + H+; HCO3- = CO32- + H+ H+, HCO3- şi CO32- proveniţi din respiraţie, dar şi H+ şi OH-, proveniţi din disocierea apei, ca şi radicalii de acizi organici (acid malic, citric etc) proveniţi din respiraţie, reprezintă fondul de schimb al rădăcinii. Jenny şi Overstreet (1939) arată că între rădăcini şi soluţia solului există un schimb de ioni care se face cu ioni de aceiaşi sarcină electrică, cation cu cation şi anion cu anion. Astfel, K+ se absoarbe de către rădăcină prin schimb cu H+, iar NO3- se absoarbe prin schimb cu OH- sau HCO3-. Difuziunea permite pătrunderea ionilor minerali prin membrana celulară, permeabilă, dar şi prin membranele biologice, semipermeabile. Difuziunea simplă realizează transportul pasiv, în sensul gradientului de concentraţie. Difuziunea facilitată prin membranele biologice foloseşte transportori proteici, dar nu necesită consum de energie. Ea se datoreşte energiei cinetice a ionilor şi creşte cu temperatura. < 27 >

¾ Absorbţia activă Absorbţia activă se face cu consum de energie metabolică, provenită din respiraţia celulelor şi realizează transpotul activ, împotriva gradientului de concentraţie. Ea permite traversarea barierei de difuziune reprezentată de citoplasmă până la vacuolă. Mecanismul de transport ionic de la suprafaţă spre interiorul celulei a fost explicat de Sutcliffe (1962) prin participarea transportorilor, citocromilor şi mitocondriilor. Transportorii efectuează traversarea ionilor prin plasmalemă, fixând reversibil ionii minerali prin formarea unui complex ion - transportor. Ei sunt reprezentaţi de proteine structurale, peptide, aminoacizi, fosfolipide etc din membrana plasmatică, ce fixează ionii pe partea externă a plasmalemei, apoi difuzează prin plasmalemă până la partea sa internă. La acest nivel, ionii sunt cedaţi în citoplasmă, iar transportorul revine pe partea externă a plasmalemei, fiind capabil de o nouă fixare a ionilor. Activitatea transportorilor de formare a complexului ion-transportor, de deplasare a ionilor prin plasmalemă şi eliberarea lor în citoplasmă se efectuează cu consum de energie provenită din respiraţie. Transportul ionilor prin intermediul transportorilor se caracterizează prin specificitate şi prin efectul de saturaţie. Specificitatea este capacitatea transportorilor de a deosebi ionii transportaţi. Efectul de saturaţie constă în creşterea vitezei de transport al ionilor paralel cu mărirea concentraţiei acestora numai până la un anumit nivel. Cercetările recente au pus în evidenţă canalele proteice ca cele mai perfecţionate structuri în membranele biologice pentru transportul ionilor. Ele sunt formate din macromolecule proteice, ce străbat complet membranele realizând transportul selectiv al diferiţilor ioni. Viteza transportului selectiv prin canalele proteice este foarte mare, de 3-4 ori mai mare decât viteza transportului ionilor cu transportori. Selectivitatea ionilor este efectuată în anumite zone-filtre unde are loc o interacţiune putenică a ionilor cu diferite grupări în special -COOH şi -NH2 din moleculele proteice. Canalele proteice din membrane sunt foarte diverse, corespunzător diversităţii ionilor transportaţi. În plasmalema celulelor vegetale au fost puse în evidenţă canale proteice pentru K, Ca şi Cl. S-a constatat că prin canalele proteice se realizează un transport pasiv.

< 28 >

Citocromii efectuează deplasarea ionilor în interiorul citoplasmei. Ei sunt enzime ale respiraţiei, cu capacitatea de a trece din stare oxidată în stare redusă datorită conţinutului în fier: -eFe2+ • Fe3+ +eprin acceptare sau transfer de electroni. În mod similar, citocromii trec reversibil din starea oxidată în stare redusă prin captarea şi cedarea ionilor minerali. Mitocondriile deversează ionii minerali în vacuole la nivelul tonoplastului. Ele sunt organite citoplasmatice cu rol în respiraţie care se află în mişcare permanentă în hialoplasmă. Mitocondriile sunt antrenate de energia rezultată din respiraţie, iar enzimele respiraţiei leagă labil ionii minerali. 2.1.2. Influenţa factorilor externi asupra absorbţiei sărurilor minerale din sol Absorbţia sărurilor minerale din sol este influenţată de acţiunea factorilor externi: ¾ Temperatura solului. Absorbţia începe la temperatura de 1-100C, este optimă la 20-250C pentru plantele mezofile şi 25-320C pentru plantele termofile, de origine tropicală şi subtropicală şi încetează la 35-450C. Temperatura scăzută inhibă mai puternic absorbţia anionilor decât a cationilor. Experienţele cu izotopi radioactivi au arătat că la temperaturi joase (60C) plantele absorb de 3 ori mai mulţi cationi decât anioni şi de 2 ori mai mulţi anioni de P decât NO-3. Temperatura scăzută inhibă absorbţia şi transportul activ al ionilor în rădăcini, reducând intensitatea respiraţiei, care constituie sursa de energie pentru aceste procese şi favorizează absorbţia pasivă, bazată pe fenomenele fizice de difuziune şi adsorbţie. ¾ Umiditatea solului. În condiţii normale, umiditatea solului favorizează absorbţia prin solubilizarea sărurilor şi mobilizarea ionilor. În lipsa apei, soluţia solului se concentrează excesiv, iar activitatea microorganismelor cu rol în solubilizarea elementelor minerale este inhibată. În exces de umiditate, absorbţia este inhibată prin inhibarea respiraţiei rădăcinilor. < 29 >

¾ Aeraţia solului stimulează absorbţia elementelor minerale prin intermediul respiraţiei. Scăderea gradului de aeraţie din sol inhibă activitatea microbiană şi perturbă procesele de nitrificare, micşorând cantitatea de ioni de N accesibili plantelor. De asemenea, scăderea concentraţiei O2 în sol inhibă asimilaţia ionilor minerali, în special cei de azot la nivelul rădăcinii. S-a constatat că aeraţia redusă perturbă procesul de sinteză a proteinelor din rădăcini. ¾ Reacţia solului (pH-ul) modifică permeabilitatea protoplasmei şi absorbţia elementelor minerale, precum şi activitatea microbiană din sol. Absorbţia optimă a ionilor minerali are loc la un pH cuprins între 5 şi 8. Anionii sunt absorbiţi mai intens la un pH slab acid, iar cationii la un pH slab bazic. Dintre plantele de cultură, speciile sensibile la pH-ul acid sunt grâul, orzul, sfecla de zahăr, inul, trifoiul şi bumbacul. Ele pot fi cultivate pe soluri acide numai în urma aplicării unor amendamente calcaroase. Speciile rezistente sunt ovăzul, secara şi cartoful. Dintre plantele legumicole, sunt sensibile la pH-ul acid ceapa şi morcovul, iar rezistente sunt ardeii şi tomatele. Pomii fructiferi sunt foarte sensibili la pH-ul alcalin. La măr, apar simptome de cloroză, iar la păr creşterea este inhibată. Speciile fructifere rezistente la pH acid sunt citricele şi agrişul. ¾ Concentraţia soluţiei solului. Valoarea optimă a concentraţiei soluţiei solului este de 0,5 - 1,5‰, iar cea maximă este de 5‰. Peste această valoare caracterul soluţiei solului devinde hipertonic şi toxic, datorită acumulării unor ioni, în special cationi. Dintre plantele de cultură, grâul, sfecla, bumbacul, tomatele şi pepenii verzi suportă bine concentraţii ridicate de săruri din sol, iar ovăzul, inul şi hrişca sunt foarte sensibile. Caracterul toxic al soluţiei solului se datoreşte în special cationilor, la care toxicitatea se prezintă în următoarea ordine: Ba2+> Mg2+ > Sr2+ > NH+4 > K+> Ca2+ Plantele adaptate la concentraţii ridicate ale soluţiei solului se numesc halofile. Adaptarea acestora se face prin mărirea concentraţiei sucului vacuolar prin acumularea de săruri. Reglarea concentraţiei soluţiei solului se face atât natural prin ploi, cât şi artificial prin irigaţii, spălare şi drenaj. ¾ Textura solului este dată de compoziţia granulometrică. În funcţie de această însuşire solurile pot fi: grele (argiloase), mijlocii şi uşoare. Plantele de cultură preferă în general solurile uşoare, de exemplu secara, < 30 >

lupinul, salata, gulia, ridichea, spanacul şi tomatele sau soluri mijlocii, de exemplu grâul, porumbul, soia, sfecla de zahăr, inul şi cânepa. Pe soluri grele se cultivă varza, bobul şi reventul. La cereale, pe soluri grele are loc fenomenul de descălţare. ¾ Antagonismul ionic. Orice ion, chiar indispensabil, în stare pură în soluţia solului este toxic, dar prin amestec cu alţi ioni, efectul toxic se anulează, fiind înlocuit cu un efect de stimulare reciprocă a absorbţiei elementelor minerale. S-a constatat că disponibilitatea unui ion este influenţată de prezenţa altor ioni în soluţia solului. În acelaşi timp, prezenţa anumitor elemente este antagonistă absorbţiei altora. Astfel Na micşorează în general absorbţia K, deşi manifestă un efect stimulator asupra producţiei la sfecla de zahăr. Absorbţia diferiţilor cationi, de exemplu Ca şi Mg este micşorată prin intensificarea absorbţiei K+ şi NH+4. Absorbţia cationilor intensifică în general absorbţia anionilor. 2.1.3. Circulaţia elementelor minerale în plante Ionii minerali absorbiţi în celulele rădăcinii sunt utilizaţi în trei direcţii: −

o parte se acumulează în vacuola perilor absorbanţi, favorizând menţinerea unui potenţial osmotic necesar absorbţiei osmotice a apei;

−

o parte (cationul NH4+ şi anionii NO3-, SO42-- sau PO43-) sunt utilizaţi în celulele rădăcinii la sinteza unor substanţe organice, de exemplu aminoacizi, citochinine etc;

−

o parte, mai ales cationii sunt transportaţi din parenchimul cortical al rădăcinii în cilindrul central, şi anume în vasele de lemn şi sunt antrenaţi odată cu seva brută în sens ascendent, spre centrele de utilizare metabolică din organele aeriene.

Transportul

elementelor

minerale

prin

protoplasma

celulelor

parenchimului cortical al rădăcinii se face în mod activ, iar prin membranele acestora în mod pasiv, prin fenomenele fizice de adsorbţie, schimb ionic şi difuziune. Ascensiunea elementelor minerale în curentul sevei brute prin vasele de lemn se efectuează în mod pasiv datorită forţei motrice superioare determinată de transpiraţia frunzelor. Tot prin vasele de lemn circulă < 31 >

elementele minerale în curentul de reutilizare, de la organele bătrâne, spre organele tinere în perioadele cu cerinţe nutritive ridicate. Cercetări recente demonstrează circulaţia elementelor minerale şi prin vasele de liber. Hocking (cit. de Blevins, 1994) arată că în sucul floemic provenit din vasele de liber, concentraţia elementelor minerale este mult mai ridicată decât în sucul xilemic, provenit din vasele de lemn. Circulaţia elementelor minerale în plante, mai ales viteza şi sensul de circulaţie pot fi studiate prin metoda trasorilor radioactivi. S-a arătat că la pin P32 are o viteză de circulaţie de 1,4 m/oră în rădăcini şi 0,5 m/oră în tulpini. În timpul vegetaţiei, viteza de circulaţie a P32 este de 20 m/oră la mesteacăn şi de 30-60 m/oră la stejar. 2.2. ROLUL FIZIOLOGIC AL ELEMENTELOR MINERALE 2.2.1. Azotul Azotul este cel mai important element, absolut indispensabil vieţii plantelor. ¾ Forma din sol. Azotul se găseşte în sol în cea mai mare cantitate sub formă de compuşi organici, proveniţi din resturile organice vegetale şi animale. Compuşii minerali reprezintă numai 1% din totalul azotului din sol, dar sunt forma asimilabilă de către plante. Azotul asimilabil se reînnoieşte continuu prin mineralizarea azotului organic. Mineralizarea este un proces de natură biologică, efectuat de microorganisme, în special bacterii, care cuprinde etapele de amonificare şi nitrificare. În procesul de amonificare, efectuat de bacteriile amonificatoare, din substanţele organice rezultă NH3. Acesta, în parte se degajă, în parte se combină cu diferiţi acizi, formând săruri de NH4+, de exemplu sulfaţi, carbonaţi, nitraţi, iar restul este oxidat sub acţiunea bacteriilor nitrificatoare. Oxidarea NH3 în nitrificare cuprinde două faze. În prima fază acţionează specii din genurile Nitrosomonas şi Nitrosococcus, nitritbacterii care oxidează NH3 la acid azotos. În a doua fază acţionează specii din genul Nitrobacter, nitratbacterii care oxidează acidul azotos la acid azotic. Între compuşii organici şi cei minerali din sol există un produs intermediar numit humus, ce deţine cca. 2-5%. < 32 >

¾ Forma de absorbţie a azotului de către plante este reprezentată în special de ionii NO-3 şi NH+4. Ea depinde de specie, vârsta plantei, fenofază, pH-ul şi concentraţia soluţiei solului. Principala formă de absorbţie este considerată NO-3. Absorbţia NO-3 se face concomitent cu absorbţia cationilor şi anionilor. Deoarece absorbţia anionilor este mai intensă decât cea a cationilor, iar adsorbţia NO-3 este compensată de eliminarea OH- de către rădăcină, în urma absorbţiei NO-3 are loc alcalinizarea soluţiei solului. S-a arătat că la grâu, porumb şi orz absorbţia preponderentă a NO-3 este stimulată de fertilizarea cu N, după o perioadă de deficienţă. Absorbţia NH4+ concomitent cu a altor cationi este compensată de eliminarea H+ de către rădăcină, ceea ce determină acidifierea soluţiei solului Plantele tinere absorb azotul sub formă de NH4+, iar plantele mature sub formă de NO3-. N2 atmosferic din spaţiile dintre particulele solului este absorbit de către microorganismele simbionte, de exemplu bacteria Rhizobium leguminosarum, care formează nodozităţi cu plante din familia leguminoase (Fabaceae), de exemplu leguminoasele alimentare şi furajere sau diferite specii lemnoase. ¾ Prezenţa în plante. Azotul absorbit în formă minerală de NO3- şi NH4+ este transformat în plante în substanţe organice. La o nutrţie abundentă de NO3-, acest ion este asimilat în proporţii diferite la nivelul rădăcinii în diferite forme de N organic (aminoacizi, amide, ureide) în funcţie de specie. Cantitatea de NO3- neasimilată în rădăcini este translocată prin xilem în organele aeriene şi asimilată la nivelul frunzei. Această reacţie se datoreşte caracterului netoxic al ionului NO3- . La o nutriţie moderată cu NO-3, acest ion este asimilat în rădăcină. Asimilarea NO3- presupune mai întâi reducerea sa la NH4+ Acest proces cuprinde două etape. Prima etapă constă în reducerea NO3- la NO2catalizată de enzima nitratreductază. A doua etapă constă în reducerea NO2- la NH4+ catalizată de enzima nitritreductază. NH4+ absorbit din sol

sau provenit din reducerea nitraţilor este

asimilat în forme de N organic, atât în rădăcini cât şi în frunze. NH4+ intră în plante în combinaţie cu cetoacizii proveniţi din respiraţie , de exemplu < 33 >

acidul piruvic, acidul oxalilacetic şi acidul alfa cetoglutaric şi formează aminoacizi şi amide. NH3 + acid piruvic-----------------> alanină NH3 + acid oxalilacetic----- -----> acid asparagic NH3 + acid alfa cetoglutaric-- -> acid glutamic NH3 + acid aspargic--------------> asparagină NH3 + acid glutamic--------------> glutamină Pe baza aminoacizilor şi amidelor se sintetizează substanţele proteice, acizii nucleici, enzimele, clorofila, vitaminele, alcaloizii, glicosizii etc. Fixarea simbiotică a N2 implică sinteza NH4+ din N2. Această reacţie necesită o mare cantitate de energie şi putere reducătoare pentru a rupe legăturile N ≡ N şi a reduce N2 la NH4+. Cele mai importante organisme fixatoare de azot sunt bacteriile simbiotice din genul Rhizobium care formează nodozităţi pe rădăcinile leguminoaselor. Forma şi structura nodozităţilor variază cu specia. Astfel, nodozităţile sunt sferice la soia şi ovoidale la lucernă. Nodozităţile au o regiune infectată cu bacterii, localizată în centru. În timpul dezvoltării nodozităţilor, bacteriile suferă modificări morfologice şi fiziologice. Reducerea N2 este catalizată de enzima nitrogenază Nitrogenaza necesită condiţii anaerobiotice, cu valori scăzute de O2. Concentraţia scăzută de O2 este menţinută cu ajutorul leghemoglobinei, o hemoproteină de culoare roşie, asemănătoarei hemoglobinei, care are o mare afinitate pentru O2. Activitatea nitrogenazei necesită o intensă putere reducătoare şi energie sub formă de ATP, care sunt obţinute pe baza glucidelor sintetizate în frunzele plantei în procesul de fotosinteză. ¾ Acţiuni specifice. Azotul intră în componenţa principalelor substanţe din celula vegetală, cum sunt proteinele structurale, având un rol plastic esenţial. De asemenea, intră în structura unor compuşi ca enzimele, clorofila, vitaminele, hormonii, având un rol metabolic esenţial. Azotul participă în fotosinteză, respiraţie, creştere, reproducere, fructificare, precum şi în biosinteza unor compuşi secundari ca alcaloizi şi glicosizi. În lipsa azotului, viaţa plantelor nu e posibilă. Rolul azotul şi acţiunile sale specifice sunt demonstrate prin numeroase rezultate experimentale la plantele de cultură.

< 34 >

La grâu, azotul este cel mai necesar dintre toate elementele minerale. Temperatura joasă stimulează absorbţia NH4+ şi diminuează absorbţia NO3-. Absorbţia N se poate prelungi până la maturitatea deplină a boabelor în condiţiile unei hidratări suficiente. La porumb, fertilizarea cu N intensifică absorbţia şi metabolizarea N în plante. Utilizarea N este maximă la 2-3 săptămâni înainte de apariţia paniculului. De asemenea, fertilizarea cu N intensifică absorbţia P, transportul P în xilem şi absorbţia microelementelor Fe, Cu, Zn şi Mn. La sfecla de zahăr, fertilizarea cu N până la 240 kg/ha stimulează intensitatea fotosintezei, iar fertilizarea cu NPK (N30, P70, K90) a mărit recolta rădăcinilor de la 25,6 la 45,3 - 49,7 t/ha. La floarea soarelui, fertilizarea cu N a intensificat absorbţia N, P, K, Ca şi Mg, a stimulat creşterea suprafeţei foliare şi activitatea fotosintetică. Dintre plantele legumicole, la castraveţi, fertilizarea cu NO-3 intensifică activitatea nitratreductazei în frunze, iar la tomate biosinteza aminoacizilor atât în frunze, cât şi în rădăcini. La spanac, utilizarea NO-3 în frunze este stimulată de prezenţa K, iar la pepene galben şi verde, raportul de fertilizare NH+4/ NO-3 de 1/3 stimulează intens creşterea plantelor (suprafaţa foliară, diametrul tulpinii, greutatea vie şi uscată a rădăcinii, tulpinii şi frunzelor). La pomii fructiferi N este absorbit în special ca NO-3, este asimilat şi translocat în diferite organe. La începutul primăverii, N este translocat spre muguri, frunze şi flori. În cursul verii, N este translocat de la frunzele bătrâne la cele tinere, iar la sfârşitul verii şi în timpul toamnei, are loc translocarea N din frunze spre ramuri şi rădăcini. La măr, fertilizarea cu NO3

a intensificat sinteza nitratreductazei în rădăcini şi frunze, iar la păr,

absorbţia NO-3 de către rădăcini se intensifică linear în timpul primăverii, fiind maximă la 55 de zile de la pornirea mugurilor. La viţa de vie, fertilizarea cu (NH4)NO3 sporeşte intensitatea fotosintezei, iar fertilizarea cu NPK standard a sporit producţia cu 18203087 kg/ha. Momentele critice ale nutriţiei cu azot sunt creşterea lăstarului şi înflorirea. ¾ Simptome de carenţă şi exces. Carenţa de azot perturbă procesele de creştere vegetativă şi înflorire, precum şi formarea organelor de repaus

< 35 >

(bulbi, tuberculi, tubero-bulbi etc). În frunze se produce cloroza, scăderea conţinutului de clorofilă şi a intensităţii fotosintezei. La grâu, insuficienţa N micşorează înfrăţirea, iar frunzele au o culoare verde deschis. La porumb, carenţa N determină culoarea verde-gălbuie a frunzelor. Îngălbenirea limbului are loc de la vârf spre bază, de-a lungul nervurii mediane. Cloroza de N apare în faza de 7-8 frunze şi începe cu frunzele bătrâne, de la baza tulpinii. La o carenţă pronunţată de N, plantele nu formează ştiuleţi. La sfecla de zahăr, insuficienţa N determină cloroza frunzelor, care se manifestă mai întâi la frunzele bătrâne, apoi se extinde la toate frunzele. Este perturbată morfogeneza foliară şi a rădăcinilor, este redusă intensitatea fotosintezei şi cantitatea de zahăr din rădăcini. La cartof, carenţa N determină o reducere a morfogenezei frunzelor şi o perturbare a sintezei glucidelor. La plantele legumicole, de exemplu tomatele, castraveţii şi varza, carenţa N determină cloroza frunzelor, reducerea suprafeţei foliare şi a creşterii vegetative. La viţa de vie carenţa de N determină perturbarea creşterii şi lignificării lăstarilor şi scăderea producţiei de struguri. Excesul de N are un efect negativ asupra plantelor, care se manifestă atât direct, cât şi indirect. Efectul direct al excesului se datoreşte toxicităţii unor compuşi anorganici cu N. Cel mai toxic compus este NH+4. Toxicitatea sa apare când intensitatea absorbţiei depăşeşte intensitatea asimilaţiei, ceea ce determină acumularea NH+4 în citoplasma celulelor peste limitele normale. Toxicitatea NH+4 se manifestă mai intens asupra rădăcinii, decât asupra organelor aeriene, deoarece rădăcinile sunt supuse unor concentraţii mai ridicate, iar translocaţia NH+4 spre organele aeriene este foarte redusă. Efectul indirect al excesului de N se datoreşte perturbării unor procese metabolice care determină perturbarea proceselor de creştere şi fructificare. La grâu excesul de N produce o înfrăţire exagerată, un consum de apă neeconomic şi micşorează rezistenţa plantelor la cădere. La porumb, excesul de N determină intensificarea morfogenezei foliare, iar frunzele au o culoare verde închis. Are loc o diminuare a rezistenţei la boli şi alte condiţii de stress. Efectul toxic al NH+4 se manifestă prin inhibarea transportului NO-3 şi a absorbţiei Zn2+, ceea ce determină perturbarea creşterii şi fructificării. < 36 >

La plantele legumicole, excesul de N prelungeşte creşterea vegetativă şi întârzie procesul de fructificare, de asemenea micşorează rezistenţa plantelor la boli şi dăunători. La sfecla roşie, excesul de N a mărit conţinutul de nitraţi al rădăcinii peste limitele admise în hrana copiilor. Dintre plantele pomicole, la măr, excesul de N măreşte sensibilitatea la boli fiziologice şi reduce calitatea fructelor, în special fermitatea pulpei şi conţinutul de zahăr. La piersic, excesul de azot reduce de asemenea calitatea fructelor, afectând culoarea, tăria şi compoziţia chimică şi măreşte concentraţia N în fructe. La viţa de vie, excesul de N determină o sporire exagerată a masei foliare, prelungirea perioadei de vegetaţie, reduce numărul de ciorchini şi boabe pe ciorchine, întârzie coacerea lemnului şi măreşte sensibilitatea plantelor la boli şi îngheţ. 2.2.2. Fosforul ¾ Prezenţa în sol. Fosforul se găseşte în sol sub formă de săruri fosfatice, uşor sau greu solubile şi sub formă organică. La arbori, rădăcinile micorizante au capacitatea de a solubiliza compuşii insolubili, în special pe solurile puternic acide. ¾ Forma de absorbţie. Fosforul este absorbit din sol sub formă de ioni PO43- sau H2PO4-. ¾ Prezenţa în plante. Spre deosebire de N şi S, absorbiţi sub formă oxidată de anioni NO3- şi SO42-, şi apoi reduşi în plante, P nu este redus. Sub forma ionului PO43-, fosforul intră în compoziţia unor substanţe organice cu rol esenţial, de exemplu acizi nucleici, fosfolipo-proteine, compuşi fosforilaţi ai glucidelor, NADP, enzime, de exemplu NADP-dehidrogenază, decarboxilază, vitamina B12, compuşi macroergici, de exemplu acizi adenozin mono,di şi trifosforici (AMP, ADP, ATP). ¾ Acţiuni specifice. Fosforul îndeplineşte în plante un rol plastic, intrând în componentele structurale ale protoplasmei, de exemplu nucleoproteine din nucleu şi citoplasmă şi fosfolipo-proteine din membranele citoplasmatice. De asemenea prezintă un rol morfogenetic, organogen participând în diviziunea celulară sub forma acizilor nucleici, purtătorii mesajului genetic. Fosforul prezintă un rol energetic, favorizând captarea energiei luminoase sub forma energiei chimice potenţiale < 37 >

înmagazinată în NADPH2, cât şi în compuşii macroergici de tip ATP în timpul fotosintezei şi eliberarea energiei chimice în timpul respiraţiei. În fosforilarea fotosintetică: AMP + PO43- Æ ADP + PO43- Æ ATP La sinteza unei molecule de ATP este acumulată o cantitate de energie de 7600 cal. Energia acumulată în ATP este eliberată şi utilizată în procesele metabolice din plantă, cum sunt sinteza glucidelor, protidelor etc. ATP Æ ADP + PO43- + 7600 cal. Fosforul prezintă de asemenea un rol metabolic intrând în structura unor enzime şi participând în biosinteza principalelor substanţe organice, de exemplu glucide, proteine, lipide etc. La plantele tinere de orz, fosforul anorganic este încorporat în mai puţin de un minut în nucleotide şi fosfolipide. La mazăre, încorporarea fosforului în ATP are loc după 10 secunde, iar în nucleotide după 30 de secunde. Aceasta este urmată de încorporarea în hexozofosfaţi. La grâu, fosforul este al doilea element esenţial, care se valorifică însă eficient numai în prezenţa N. Rădăcinile de grâu fiind de dimensiuni reduse, valorifică mai ales fosforul asimilabil din zona radiculară. Necesarul de fosfor este maxim în fazele de înfrăţire şi împăiere. La plantele agricole, metabolismul P este legat de cel al Mg şi Ca. Absorbţia P este dependentă de prezenţa Mg, iar fertilizarea cu P stimulează absorbţia Mg şi Ca. La grâu, fertilizarea cu P a sporit conţinutul de Mg şi Ca şi a scăzut concentraţia K. La soia fertilizarea cu P a sporit conţinutul de Mg, Ca, K şi a stimulat transportul asimilatelor spre seminţele în curs de dezvoltare. La fasole , fertilizarea cu P a dat sporuri de recoltă de 27-50%. La plantele legumicole, P favorizează fructificarea, cele mai mari necesităţi de P având varza, sfecla, ceapa, fasolea şi mazărea. La pomii fructiferi, P este indispensabil atât proceselor de creştere, cât şi de fructificare. Utilizarea fosforului în legătură cu aceste procese a fost pusă în evidenţă prin metoda trasorilor, folosind P32 la măr, păr, gutui şi piersic. La viţa de vie, fertilizarea cu P elimină cloroza de Mg. Fosforul stimulează înflorirea şi fructificarea plantelor, scurtează perioada de vegetaţie, măreşte rezistenţa la stress climatic, de exemplu ger şi secetă şi biotic, de exemplu boli şi dăunători. < 38 >

¾ Simptomele de carenţă şi exces. În lipsa P este perturbat procesul de morfogeneză a diferitelor organe. Plantele rămân mici, iar frunzele se răsucesc. Frunzele sunt la început verzi, iar apoi se colorează în roşu violet, sub formă de pete, datorită blocării transportului glucidelor solubile, care duce la sinteza glicosizilor antocianici. De asemenea, în lipsa P este perturbată înflorirea şi fructificarea. La porumb, carenţa P întârzie apariţia paniculului şi mătăsirea, ştiuleţii au rânduri neregulate, iar boabele nu se maturează. Insuficienţa P blochează transportul asimilatelor din frunze, ceea ce determină formarea pigmenţilor antocianici. Frunzele au o culoare verde-închis, apoi se colorează în roşu de la vârf spre bază. La plantele lemnoase, în lipsa fosforului are loc oprirea creşterii, frunzele rămân mici şi se răsucesc. Are loc încetinrea creşterii mugurilor floriferi şi stimularea creşterii mugurilor vegetativi, căderea prematură a frunzelor şi florilor. La pomii fructiferi, carenţa P reduce creşterea mugurilor floriferi şi determină căderea fructelor. Dintre efectele metabolice ale carenţei fosforului se menţionează culoarea verde închis a frunzelor la arbori şi verde albăstrui cu nuanţe purpurii la lalele, datorită blocării transportului glucidelor şi formării antocianilor în frunze. Excesul de P grăbeşte înflorirea şi fructificarea plantelor. La sfecla de zahăr are loc încetarea creşterii rădăcinilor şi o maturizare tehnologică foarte rapidă în detrimentul producţiei de zahăr. La plantele legumicole, excesul de P determină apariţia unor boli fiziologice, manifestate prin scăderea conţinutului de Ca şi sporirea conţinutului de N,K şi Mg. 2.2.3. Potasiul ¾ Forma din sol. Potasiul se află în sol sub formă de săruri solubile, de exemplu cloruri, azotaţi, sulfaţi, ca ion K+. ¾ Forma de absorbţie. Potasiul este absorbit sub formă de cation K+. ¾ Prezenţa în plante. Potasiul este cationul predominant în plantă. El se găseşte sub forma ionului K+ liber, mai ales în zonele cu metabolism intens, de exemplu meristemele primare, cambiul, periciclul, embrionul seminţelor, fructele în formare. Este un element foarte mobil, circulând în plante de la organele bătrâne spre cele tinere. Este foarte rar întâlnit în

< 39 >

combinaţii organice, ca săruri ale acizilor organici, de exemplu acizii tartric, malic, oxalic. ¾ Acţiuni specifice. Potasiul intensifică absorbţia apei şi reduce transpiraţia, mărind presiunea osmotică a sucului vacuolar, gradul de hidratare şi permeabilitatea protoplasmei. K participă la deschiderea şi închiderea stomatelor. Creşterea concentraţiei K în celule stomatice (> de 300 mM) determină mărirea potenţialului osmotic al acestora şi absorbţia apei prin endosmoză, urmată de deschiderea stomatei. Scăderea concentraţie K determină micşorarea potenţialului osmotic şi ieşirea apei prin exosmoză. Potasiul stimulează transportul sevei în xilem şi transportul rapid al asimilatelor de la frunze, ceea ce menţine o intensitate fotosintetică ridicată. Deşi nu participă în structură, K activează 60 de enzime importante în metabolism, în special în sinteza amidonului şi a proteinelor. Potasiul determină radioactivitatea naturală a plantelor ca izotop K40. Datorită potenţialului energetic oferit de acesta, potasiul stimulează procesele fiziologice de fotosinteză, respiraţie, sinteza şi acumularea glucidelor, lipidelor şi proteinelor. Potasiul stimulează diviziunea celulară, activitatea enzimelor şi biosinteza clorofilei, contribuie la sporirea rezistenţei plantelor la factorii de stress abiotic, de exemplu ger şi secetă şi biotic, de exemplu boli şi dăunători, precum şi rezistenţa fructelor la păstrare. K+ prezintă o acţiune antagonistă cationilor Na+, Ca2+ şi Mg2+, anulând acţiunea toxică a excesului acestora. K este absorbit aproape în întregime numai în timpul creşterii vegetative, o cantitate foarte mică este translocată în fructe şi seminţe. Aplicarea K la grâu în faza reproductivă are un efect redus asupra recoltei de seminţe. La plantele legumicole, K este unul din elementele de bază ale nutriţiei minerale. Cele mai mari consumatoare de K sunt ţelina, castraveţii şi ceapa. La pomii fructiferi, K participă în procesele de creştere, fiind întâlnit mai ales în organele tinere (meristeme, muguri), dar şi în procesele de fructificare, stimulând creşterea şi maturarea fructelor, precum şi calităţile de păstrare ale acestora.

< 40 >

¾ Simptome de carenţă şi exces. Insuficienţa potasiului provoacă dereglări profunde la plante. Creşterea plantelor este redusă, atât prin blocarea diviziunii celulare, cât şi prin scăderea turgescenţei; plantele rămân mici şi pipernicite. Frunzele suferă cloroze şi necroze, cunoscute sub numele de arsuri. Îngălbenirea frunzelor are loc mai întâi pe margini şi vârf şi este urmată de brunificarea, răsucirea şi cloroza acestora. Carenţa potasiului stimulează activitatea enzimelor hidrolizante, şi anume amilaza, pectinaza, proteaza şi inhibă activitatea enzimelor cu rol în sinteza glucidelor şi proteinelor. Astfel, în plante scade conţinutul de amidon şi proteină şi creşte conţinutul zaharurilor solubile, aminoacizilor şi amidelor. Lipsa potasiului scade capacitatea de rezistenţă a plantelor la ger, secetă şi boli. La grâu, insuficienţa K produce o reducere a creşterii, a rezistenţei la cădere şi la boli. La porumb, insuficienţa K produce îngălbenirea şi uscarea frunzelor de la margini. Ştiuleţii nu se fixează bine pe plantă şi nu formează boabe la vârf. La sfecla de zahăr, carenţa K reduce creşterea rădăcinii şi rezistenţa la boli. La cartof, insuficienţa K reduce creşterea plantei, frunzele se brunifică, apoi se necrozează şi se usucă. La tomate, deficienţa K a redus intensitatea creşterii plantei, iar simptomele de cloroză apar pe frunzele adulte 12-17. La castraveţi, calitatea fructelor a scăzut prin scăderea conţinutului de Ca din pericarp. La pomii fructiferi, carenţa de K se manifestă prin înroşirea şi brunificarea frunzelor, apariţia unor necroze marginale şi răsucirea limbului spre epiderma inferioară. La piersic, are loc o îngălbenire a frunzelor de la baza spre vârful ramurii. La viţa de vie, insuficienţa K dertermină căderea florilor. Excesul de potasiu provoacă de asemenea efecte negative la plante, cum sunt reducerea înălţimii plantelor şi scăderea calităţii florilor, scăderea greutăţii uscate a plantelor şi a fotosintezei nete, scăderea conţinutului de P, Ca, Mg, Fe, Co, Br, şi acumularea de K şi Zn în frunze. 2.2.4. Fierul ¾ Forma din sol. Fierul se găseşte în sol sub formă de oxizi, de exemplu hematit şi limonit şi săruri feroase sau ferice ca Fe2+ şi Fe3+.

< 41 >

¾ Forma de absorbţie. Fierul este absorbit din sol ca ioni ferici Fe3+, mai puţin feroşi Fe2+. Capacitatea de a solubiliza Fe depinde de pH-ul din jurul rădăcinii. Speciile care elimină OH- alcalinizează mediul, fiind considerate ineficiente, de exemplu cerealele şi ierburile. Speciile care acidifică solul şi secretă substanţe reducătoare solubilizează Fe, fiind considerate eficiente, de exemplu tomatele. ¾ Prezenţa în plante. Fierul intră în componenţa unor enzime ale respiraţiei, de exemplu citocromi, citocromoxidază, catalază, peroxidază şi ale fotosintezei, de exemplu citocromi şi ferredoxină. ¾ Acţiuni specifice. În plante fierul participă la transferul de electroni în respiraţie şi fotosinteză prin trecerea: -eFe2+ • Fe3+ +eFierul catalizează biosinteza clorofilei şi a pigmenţilor carotenoizi şi favorizează formarea ultrastructurii cloroplastelor, metabolismul N, transportul elementelor minerale în citoplasmă. ¾ Simptome de carenţă. Insuficienţa fierului este evidentă la plante prin diferite simptome: încetarea creşterii rădăcinii şi tulpinii sau fenomenul de cloroză a frunzelor, manifestat prin îngălbenirea, apoi decolorarea totală. Cloroza se manifestă la frunzele tinere. La o carenţă puternică, frunzele devin aproape albe. Spre deosebire de cloroza de Mg, cloroza ferică afectează atât mezofilul, cât şi nervurile. Carenţa Fe determină scăderea conţinutului unor acizi solubili şi a clorofilei în plante. La porumb, carenţa Fe a determinat reducerea sistemului lamelar şi a numărului de grane în cloroplaste. La mazăre, deficienţa Fe induce intensificarea activităţii reductazei ferice şi acidifierea rizosferei. La măr, deficienţa Fe determină modificarea structurii anatomice a frunzei, şi anume celulele ţesutului palisadic au fost expuse lax, scurtate şi deformate, cu mai puţine cloroplaste.

< 42 >

CAPITOLUL 3 FOTOSINTEZA 3.1. DEFINIŢIA ŞI IMPORTANŢA FOTOSINTEZEI Fotosinteza este procesul fiziologic prin care plantele verzi sintetizează substanţe organice din CO2, H2O şi săruri minerale, în prezenţa luminii solare şi a clorofilei, cedând în mediu O2. Termenul de fotosinteză a fost dat de fiziologul Pfeffer (1877) de la cuvintele greceşti photos = lumină şi synthesis = sinteză. Fotosinteza este calea biologică de captare a luminii solare prin care plantele verzi transformă energia radiantă solară în energie chimică potenţială, înmagazinată în substanţe organice sintetizate: hν CO2+ H2O + substanţe minerale → substanţe organice +O2Ç clorofilă

"Frunza verde... grăuntele microscopic de clorofilă este un focar, un punct al spaţiului universal în care intră energia solară şi în care îşi au originea toate manifestările vieţii pe Pământ (Moghilevski, 1949). Datorită fotosintezei, plantele verzi sunt considerate organisme cu nutriţie autotrofă (autos = singur, trophein = a se hrăni), singurele capabile să-şi sintetizeze hrana din substanţe minerale şi energie luminoasă solară. Importanţa fotosintezei este vitală pentru evoluţia şi menţinerea vieţii pe Terra. Fotosinteza este singurul proces prin care se sintetizează substanţe organice asimilabile pentru toate organismele vii. Fotosinteza purifică atmosfera terestră: prin consumul de CO2 şi prin degajarea O2 se crează condiţii optime respiraţiei aerobe. Oxigenul eliberat de fotosinteză reînnoieşte zilnic rezervele din atmosfera terestră, care se menţin în limitele optime pentru respiraţia plantelor şi a animalelor. Pe drept cuvânt, jungla Amazonului, cel mai vast teritoriu de vegetaţie de pe planetă este considerat "plămânul de oxigen al Terrei". În momentul de faţă, acumularea excesivă a CO2 în aerul atmosferic care determină "efectul de seră" , ce poate avea consecinţe ecologice catastrofale la nivel planetar, poate fi prevenită numai de fotosinteză. < 43 >

De asemenea, fotosinteza are un rol cosmic, fiind singurul proces de captare a energiei unui corp extraterestru şi transformarea sa în energie chimică, utilizabilă în activitatea metabolică a tuturor organismelor vii. 3.2. ORGANELE ŞI ORGANITELE FOTOSINTEZEI ¾ Frunza ca organ al fotosintezei. Deşi fotosinteza are loc în toate organele verzi (tulpini ierboase, fructe tinere etc), principalul organ al fotosintezei este frunza. Limbul frunzei este lăţit, prezintă o suprafaţă mare şi o grosime mică, care permit captarea cu uşurinţă a energiei luminoase şi CO2 din atmosferă şi accesul acestora la cloroplaste. Absorbţia CO2 are loc prin stomate, iar prin intermediul fasciculelor conducătoare din nervuri, frunza este permanent aprovizionată cu apă şi săruri minerale din sol. Frunza prezintă un parenchim asimilator numit mezofil, bogat în cloroplaste. Mezofilul poate avea diferite tipuri de structură: −

bifacială, diferenţiat în parenchim palisadic spre faţa superioară şi parenchim lacunos spre faţa inferioară (fig.11);

Fig. 11 – Secţiune transversală printr-o frunză de fag ep.s. – epiderma superioară; ţ.pl. - ţesut palisadic; c. col. – celule colectoare; ţ.l. - ţesut lacunos; n. – fascicul conducător dintr-o nervură; st. – stomată; sp.i. – spaţii intercelulare cu aer; ep.i. – epiderma inferioară

−

equifacială, care prezintă parenchim palisadic spre ambele feţe ale frunzei, de exemplu la garoafă;

−

omogenă, nediferenţiat în parenchim palisadic şi lacunos, de exemplu la porumb.

< 44 >

Schimbul de gaze (CO2 şi O2) cu aerul atmosferic în timpul fotosintezei este realizat prin formaţiunile epidermice numite stomate repartizate în mod diferit pe cele două feţe, în funcţie de specie. Prin dispoziţia lor pe tulpină, frunzele sunt adaptate pentru fixarea unei cantităţi optime de lumină necesară fotosintezei. Astfel, dispoziţia alternă se realizează după o linie dispusă în spirală, iar dispoziţia opusă la două noduri consecutive se realizează cruciş. În mozaicul foliar, frunzele de vârste şi mărimi diferite ajung toate la acelaşi nivel. Se înlătură astfel posibilitatea umbririi reciproce a frunzelor. Prin mişcarea de creştere numită fototropism, frunzele se orientează spre sursa de lumină prin curbarea peţiolului, care expune limbul frunzei perpendicular pe direcţia razelor solare. ¾ Cloroplastele reprezintă organitele fotosintezei. Ele au o arhitectură extrem de complexă care le permite să îndeplinească rolul unor "baterii solare miniaturizate, microuzine biosintetice" în care are loc fotosinteza. Studiul interrelaţiei dintre structura şi funcţiile cloroplastelor, din care rezultă realizarea celui mai important şi complex fenomen de pe Terra a fost posibil pe seama unor aprofundate cercetări de microscopie electronică, biofizică, biochimie şi fiziologie. Cloroplastele sunt corpusculi sferici sau ovali, de culoare verde cu dimensiuni de 3-10 µ lungime şi 0,5-4 µ grosime, vizibili la microscopul optic, fiind numite şi grăuncioare de clorofilă. Într-o celulă cloroplastele pot fi în număr de 20-50, până la 100. Cloroplastele se pot deplasa în celule în mod pasiv, odată cu curenţii citoplasmatici sau în mod activ, în funcţie de intensitatea luminii. Ultrastructura cloroplastelor a fost stabilită la microscopul electronic. Din punct de vedere morfo-fiziologic componentele cloroplastelor se împart în constituienţi principali şi secundari. Constituienţii principali sunt reprezentaţi de sistemele membranare şi stromă. Sistemul

membranar

extern

conferă

forma

şi

dimensiunile

cloroplastelor, precum şi proprietatea de permeabilitate. El este alcătuit dintr-o membrană dublă de natură fosfolipo-proteică numită anvelopă, formată din două foiţe cu grosimea de câte 50 Å, între care există un spaţiu de 200 de Å

< 45 >

Sistemul membranar intern asigură desfăşurarea reacţiilor complexe din timpul fotosintezei. Este alcătuit din membranele fotosintetice numite tilacoide. Tilacoidele sunt orientate în cloroplast în direcţie paralelă cu axul longitudinal şi realizează o suprafaţă de reacţie foarte mare. Ele sunt organizate în unităţi funcţionale numite grana. Forma şi organizarea tilacoidelor granare a fost studiată prin diferite tehnici şi a stat la baza alcătuirii unor modele ipotetice (de exemplu Grunning şi Stear, 1977). Conform acestor modele, tilacoidele granale alcătuiesc discuri suprapuse unul peste altul încât realizează formaţiuni de tip cilindric. Între tilacoidele granale există tilacoidele intergranare, care realizează o reţea de comunicaţie şi transport între discurile granale (fig.12).

Fig. 12 – Reprezentarea schematică a relaţiilor dintre lamelele cloroplastului (din Nougarede, 1969): zg – zona granală; zig – zona intergranală, 1 – formarea tilacoidelor granale prin clivarea longitudinală a lamelelor; 2 – lamele stromatice; 3 – tilacoide granale formate prin invaginarea lamelelor stromatice; 1 – lamelă

În tilacoidele granale se efectuează fixarea energiei luminoase şi transformarea ei în energie chimică în faza de lumină a fotosintezei. Stroma reprezintă masa fundamentală a cloroplastului, structurată omogen şi descrisă încă din 1883 de Meyer, sub numele de matrix. În stroma se efectuează întregul lanţ de reacţii metabolice de reducere a carbonului şi biosinteza produşilor primari ai fotosintezei. Constituenţii secundari ai cloroplastelor sunt nucleoizii, ribozomii şi plastoglobulii. Nucleoizii sunt unităţi structurale alcătuite din ADN cloroplastic specific, ce conţine proteine nonhistonice şi care se replică continuu. Într-un cloroplast, nucleoizii sunt în general în număr de unul şi reprezintă sediul eredităţii extranucleare, cloroplastice. În anumite cazuri, de exemplu la diferite mutante de Beta vulgaris, nucleoizii pot fi numeroşi, ajungând la 10% din masa cloroplastului. Ribozomii plastidali sunt mai mici decât cei citoplasmatici, care au o mărime de 1,35 - 1,4 ori mai mare. Ei pot fi izolaţi sau poliribozomi şi < 46 >

conţin o cantitate mai mică de ARN, 1-2% din substanţa uscată, care determină sinteza unei proteine plastidale. Plastoglobulii sunt formaţiuni sferice sau ovoidale cu caracter osmiofil, numite şi corpusculi osmiofili, iar din această cauză sunt denşi din punct de vedere electronomicroscopic. Ei sunt evidenţi în cloroplaste în special la senescenţa frunzei sau în cazul carenţei de N, când se formează în urma degradării tilacoidelor. Plastoglobulii conţin vitaminele K şi E (alfa tocoferol), chinonă şi plastochinonă. La exteriorul cloroplastului există un strat subţire de citoplasmă numit peristromă, care îi conferă acestuia o mobilitate activă, amiboidală. Compoziţia chimică a cloroplastelor cuprinde: proteine 41-55%, lipide 18-37%, clorofilă + carotenoizi 5-10%. Raportul clorofilă a/b = 3/1, iar clorofilă/carotenoizi = 4/1. Proteinele pot fi structurale şi enzimatice intrând în alcătuirea aparatului fotosintetic, dar şi în echipamentul enzimatic al reacţiilor fotosintetice. Lipidele participă de asemenea în structura cloroplastului şi în reacţiile metabolice din timpul fotosintezei. Acizii nucleici (ADN şi ARN) asigură ereditatea extranucleară. Diferite elemente minerale, intră în componentele structurale şi metabolice ale cloroplastului. 3.3. PIGMENŢII FOTOSINTETICI Pigmenţii fotosintetici sau asimilatori sunt reprezentaţi de pigmenţii verzi clorofilieni (clorofila a şi b) şi pigmenţii galbeni sau carotenoizi (carotine şi xantofile). Clorofila este pigmentul care dă culoarea verde plantelor şi prezintă proprietatea unică de a capta lumina solară. Clorofila este considerată "adevăratul Prometeu care fură focul din ceruri". 3.3.1. Plasarea în cloroplaste Pigmenţii fotosintetici sunt plasaţi în cloroplaste la nivelul tilacoidelor granale, fiind dispuşi în lamelele fosfolipo-proteice ale acestora. Moleculele de clorofilă au o formă de zmeu, care este un dipol având un pol hidrofil (capul) şi un pol hidrofob (coada). Polul hidrofil este plasat în stratul proteic al lamelei fosfolipo-proteice, cu o înclinare de 45o. Polul

< 47 >

hidrofob este situat în stratul fosfolipidic al lamelei. Pigmenţii carotenoizi, hidrofobi sunt plasaţi în stratul fosfolipidic. Complexul dintre pigmenţii fotosintetici şi membranele fosfolipoproteice ale granei formează unităţi sferice cu diametrul de 90Å, numite cuantozomi (Calvin). După Park şi Biggins (1964) un cuantozom conţine 160 molecule clorofilă a + 70 molecule clorofilă b + 48 molecule pigmenţi galbeni, fosfolipide, sulfolipide, digliceride. Azotul proteic se uzează continuu, ceea ce determină un necesar permanent de N pentru cloroplaste. 3.3.2. Extragerea şi separarea pigmenţilor Studiul pigmenţilor fotosintetici poate fi efectuat numai prin extragerea şi separarea acestora din frunze. Extragerea pigmenţilor se face cu solvenţi organici: alcool etilic şi metilic, eter, cloroform, acetonă etc. Separarea lor din extractul sau soluţia brută de pigmenţi utilizează diferite metode care se bazează pe gradul diferenţiat de solubilitate în diferiţi solvenţi sau pe gradul diferit de adsorbţie pe unele medii inerte (hârtie, pulberi etc). Metoda Sorby Krauss constă în tratarea extractului alcoolic de pigmenţi dintr-o eprubetă cu benzină. După agitare, amestecul se separă în două zone: în partea superioară se află solventul benzină, ce conţine pigmenţii verzi şi carotina, iar în partea inferioară solventul alcool ce conţine xantofila. Metoda Timiriazev constă în saponificarea clorofilelor dintr-un extract alcoolic cu o soluţie de hidroxid, NaOH sau Ba(OH)2, separarea clorofilelor saponificate prin filtrare, iar apoi separarea pigmenţilor galbeni prin solubilizare diferenţiată în benzină şi alcool. Benzina conţine carotina, iar alcoolul conţine xantofila. Metoda cromatografiei pe hârtie, pe coloană sau în strat subţire constă în antrenarea pigmenţilor sub acţiunea unui solvent organic şi separarea lor pe baza adsorţiei diferenţiate pe unele medii inerte. Aceste medii pot fi hârtia cromatografică în cromatografia pe hârtie, zaharoza, CaCO3, Al2O3, MgO şi amidonul în cromatografia pe coloană şi pulberi cu siliciu în cromatografia în strat subţire. Pigmenţii se separă pe baza diferenţei de culoare.

< 48 >

3.3.3. Compoziţia chimică a pigmenţilor Formula chimică a clorofilei este următoarea: Clorofila a - C55H72O5N4Mg Clorofila b - C55H70O6N4Mg Din

punct

de

vedere

chimic

clorofila are o structură porfirinică, asemănătoare hemoglobinei din sânge şi citocromilor, enzime ale respiraţiei. Ea este alcătuită dintr-un nucleu porfirinic în centrul căruia se află un atom de Mg2+. Acesta dă fluorescenţa şi culoarea verde clorofilei. Nucleul porfirinic prezintă două funcţii acide -COOH, ca acid clorofilinic esterificate cu doi alcooli şi Fig. 13 – Structura chimică a moleculei de clorofilă a (dupp H. Mohr, 1969)

anume metanolul şi fitolul (C20H39OH). Molecula clorofilei a

conţine acid

clorofilinic a, iar molecula clorofilei b

conţine acid clorofilinic b (fig. 13). Prin această structură, molecula clorofilei posedă un pol hidrofil nucleul porfirinic şi un pol hidrofob - fitolul, caracter de o deosebită importantă în fixarea clorofilei în lamelele fosfolipo-proteice ale granei cloroplastului. Formula chimică a carotinelor este C40H56. Carotinele sunt hidrocarburi nesaturate ce conţin 11 legături duble conjugate şi două legături metilice, cu rol în absorbţia radiaţiilor solare. Cele mai importante carotine sunt alfa şi beta carotenul. Xantofilele prezintă o structură asemănătoare, C40H56O2. Cele mai importante xantofile sunt luteina, violaxantina şi zeaxantina. Raportul pigmenţi verzi/pigmenţi galbeni = 4/1. 3.3.4. Proprietăţile fizice şi chimice ale pigmenţilor Proprietăţile pigmenţilor fotosintetici pot fi studiate cu ajutorul extractului alcoolic sau soluţiei de pigmenţi. ¾ Proprietăţile fizice ale pigmenţilor fotosintetici sunt:

< 49 >

Culoarea. Clorofila a are culoare verde-albăstrui, clorofila b verdegălbui, carotinele galben - portocaliu şi xantofilele- galben-verzui. Solubilitatea. Pigmenţii fotosintetici sunt solubili în solvenţi organici, dar sunt insolubili în apă. Fluorescenţa este proprietatea soluţiei de pigmenţi de a avea culoare verde privită în lumina directă, prin transparenţă şi culoarea roşie privită prin reflexie. Datorită fluorescenţei clorofila transformă radiaţiile cu lungime de undă mică în radiaţii cu lungime de undă mare. Fluorescenţa cloroplastelor din frunzele vii este mult mai redusă decât cea a soluţiei de pigmenţi deoarece în stare vie numai o mică parte din pigmenţi se găsesc în soluţie, cea mai mare parte sunt adsorbiţi sau formează combinaţii labile cu substanţe proteice. Absorbţia selectivă a radiaţiilor. Soluţia de pigmenţi fotosintetici absoarbe în mod selectiv radiaţiile spectrului vizibil şi anume radiaţiile roşii şi albastre, indigo şi violet. Nu sunt absorbite radiaţiile verzi, galbene şi portocalii, care reprezintă culorile pigmenţilor fotosintetici. Clorofila a prezintă o absorbţie maximă a radiaţiilor în lungimile de undă 672, 683, 700 şi respectiv 435 nm. Clorofila b prezintă o absorbţie maximă a radiaţiilor în lungimile de undă 644 şi respectiv 453 nm., iar pigmenţii carotenoizi prezintă o absorbţie maximă a radiaţiilor în lungimile de undă 400-480 nm. (fig. 14)

a) b) Fig. 14 – Spectrele de absorbţie ale clorofilei a – examinare la spectroscop; b – examinare la spectrofotometru

Spectrele de absobţie ale clorofilei pot fi studiate la spectroscop sau la spectrofotometru. ¾ Proprietăţile chimice ale pigmenţilor decurg din acţiunea acestora cu acizii şi cu hidroxizii: < 50 >

Formarea feofitinei rezultă din reacţia clorofilei cu acizi organici sau minerali. Tratarea extractului alcoolic de pigmenţi dintr-o eprubetă cu o soluţie diluată de HCl determină brunificarea soluţiei. În reacţie cu acidul, atomul de Mg2+ din molecula clorofilei este înlocuit cu doi atomi de H+, rezultând feofitina, o substanţă de culoare brună. Saponificarea clorofilei rezultă din reacţia cu hidroxizii. Tratarea soluţiei de clorofilă cu NaOH determină desfacerea moleculei de clorofilă în acizi clorofilinici a şi b, alcool fitilic şi metanol. Acizii clorofilinici formează cu atomul de Na săruri, prin reacţia de saponificare. Clorofila saponificată îşi schimbă solubilitatea în solvenţi organici, fiind solubilă în alcool etilic. 3.4. MECANISMUL FOTOSINTEZEI Deşi de la descoperirea fotosintezei au trecut mai bine de 200 de ani, mecanismul acestui proces a fost elucidat abia în ultimele decenii, pe baza utilizării celor mai înalte descoperiri ale ştiinţei şi tehnicii în domeniul chimiei, biochimiei, biofizicii, microscopiei electronice, în special prin utilizarea izotopilor radioactivi ai carbonului, hidrogenului şi oxigenului. Cercetările au dus la descoperirea a trei tipuri de mecanism al fotosintezei, şi anume tipul fotosintetic C3, tipul fotosintetic C4 şi tipul fotosintetic CAM. ¾ Tipul fotosintetic C3 În acest tip fotosintetic, fotosinteza reprezintă un şir de reacţii ce alcătuiesc un mecanism foarte complicat. O parte dintre aceste reacţii se desfăşoară la lumină, iar altă parte la întuneric. Din această cauză, fotosinteza cuprinde două faze: faza de lumină şi faza de întuneric. Reacţiile fazei de întuneric au fost elucidate de către cercetătorul american Calvin şi colaboratorii săi (1961). Reacţiile fazei de lumină nu sunt însă pe deplin elucidate; ele au fost clarificate numai parţial, necesitând încă cercetări în viitor. Faza de lumină a fotosintezei (numită şi faza Hill) este faza reacţiilor fotochimice. Ea se realizează în grana cloroplastelor şi cuprinde procesele de captare a energiei luminoase şi transformarea ei în energie chimică, stocarea energiei în compuşi organici şi fotoliza apei. Tot la lumină are loc pătrunderea CO2 în celulele fotosintetizante ale mezofilului frunzei. < 51 >

Absorbţia energiei luminoase şi transformarea ei în energie chimică. În faza de lumină energia solară este transformată în energie chimică, planta verde fiind numită " cea mai bună maşină de conversie cuantică". Aceasta se realizează într-un proces complicat de transfer de electroni şi ioni de hidrogen la o anumită substanţă chimică de natură organică, numită nicotinamid-adenin-dinucleotid-fosfat aflat în stare oxidată (NADP+). Lanţul transferului de electroni cuprinde ca element esenţial molecula de clorofilă a , singurul component fotosensibil şi este declanşat de acţiunea cuantei de lumină hν asupra acesteia. Întregul proces al transferului de electroni şi hidrogen este puternic endergonic (înmagazinator de energie). Energia se înmagazinează prin trecerea NADP+ din stare oxidată în stare redusă NADPH2 şi prin sinteza acidului adenozintrifosforic (ATP), un compus macroergic din acid adenozindifosforic (ADP) şi un radical de fosfat organic (P). Sinteza ATP în timpul procesului de fotosinteză este numită fosforilare fotosintetică sau fotofosforilare. După Arnon (1954-1960) ecuaţia acestei faze este: hν 2ADP + 2P + 2NADP+ + 2 H2O ⇑ 2ATP + 2NADPH2 + O2

Absorbţia energiei luminoase şi transformarea ei în energie chimică prin declanşarea transportului de electroni energizanţi şi fosforilarea fotosintetică se realizează cu participarea a două sisteme fotosintetice (SF) numite sistemul fotosintetic I (SFI) şi sistemul fotosintetic II (SFII). Sistemul fotosintetic este alcătuit dintr-un complex de pigmenţi asimilatori constituiţi într-un centru de absorbţie şi un centru de reacţie, ce formează aşa numita unitate de fotosinteză. Centrul de absorbţie este format din molecule ce funcţionează ca nişte antene. Acestea au rol în captarea energiei luminoase şi transferarea ei la centrul de reacţie. Centrul de absorbţie reprezintă cca. 99% din pigmenţii sistemului fotosintetic. El conţine molecule de clorofilă a, clorofilă b şi pigmenţi carotenoizi care au proprietatea de a absorbi din spectrul vizibil radiaţii cu lungimi de undă mai mici de 680 nm. Astfel se realizează îmbunătăţirea aprovizionării cloroplastului cu energie solară din zona spectrală în care clorofila a are o absorbţie slabă. Centrul de reacţie este reprezentat de clorofila a şi anume pentru SFI specia de clorofilă a cu absrobţie maximă în lungimea de undă 700nm, < 52 >

numită şi clorofilă a 700 sau P700, iar în SFII specia de clorofila a cu absorbţie maximă în lungimea de undă 680 nm, numită şi clorofilă a 680 sau P680. Sub acţiunea cuantei de lumină, pigmenţii centrelor de reacţie P700 şi P680 emit electroni energizanţi e- şi astfel molecula clorofilei se oxidează primind sarcina + (clorofila a+) pentru un timp foarte scurt. După aceasta, molecula clorofilei se reduce imediat prin primirea unui electron normal e-. În centrul de reacţie, alăturii de pigmenţii P700 şi P680 trebuie să existe un acceptor şi un donor primar de electroni. Sub acţiunea luminii, cele două sisteme fotosintetice funcţionează ca adevărate pompe de electroni, emiţând continuu electroni energizanţi. Funcţia clorofilei în unitatea fotosintetică este un fenomen cooperativ, şi anume un mare număr de molecule, de ordinul sutelor cooperează pentru conversia energiei unui singur foton, într-un electron energizant. Acest fenomen reprezintă o reacţie de adaptare a plantelor în vederea utilizării cât mai eficiente a energiei solare şi a obţinerii unui randament fotosintetic cât mai ridicat.

Fig. 15 – Rprezentarea schematică a transportului de electroni în fosforilarea ciclică şi aciclică (schema în Z) la organismele care elimină O2 în fotosinteză (conceptul lui Hillşi Bendall, 1960). Săgeţile indică direcţia transpotului de electroni. Scala verticală arată valorile potenţiale ale intermediarilor la un pH=7,0; PQ – plastochinona; PC – plastocianina; Fd – ferredoxina; cit – citocromi; Pacc. – pigmen]i accesorii; Mn2+ compuşi cu mangan cu rol de acceptori de electroni ai oxidrilului.

< 53 >

Funcţionarea celor două sisteme fotosintetice ce declanşează transportul de electroni în reducerea NADP+ şi fosforilarea fotosintetică este reprezentată de " schema în Z", concepută de Hill şi Bendal (1960) (fig. 15). Conform acestei scheme, în SFI sub acţiunea cuantei de lumină hν P700 cedează un electron energizant e- unui acceptor X cu structură necunoscută, care apoi îl cedează unei substanţe numită ferredoxină (Fd), iar aceasta moleculei de NADP+, care se reduce. Imediat, molecula de P+700 revine la starea normală prin acceptarea unui electron normal e- de la o substanţă numită citocrom f (cit f). Lanţul transferului de electroni apare astfel: eeeecit f ⇑ P-700 ⇑ X ⇑ Fd ⇑ NADP+ ⇑ NADPH2

În SFII, sub acţiunea cuantei de lumină hν asupra pigmenţilor accesorii, energia absorbită de aceştia este transferată la P680, care cedează un electron energizant e- unui compus neidentificat Y. De la Y electronul etrece de-a lungul unui lanţ de compuşi ce cuprinde plastochinona (PQ), citocromii b şi f (cit b şi f), plastocianina (PC) şi P700. P680 îşi reface deficitul de electroni pe seama fotolizei apei. Electronii proveniţi din fotoliza apei sunt transportaţi la P680 cu ajutorul unei enzime ce conţine Mn2+. Lanţul transferului de electroni apare astfel: eeeeeeee2+ OH ⇑ EMn ⇑ P680 ⇑ Y ⇑ PQ ⇑ cit b ⇑ cit f ⇑ PC ⇑ P700

Deoarece prin fotoliza apei se degajă O2, se consideră că SFII participă la degajarea O2 fotosintetic. Dintre componentele lanţului de transfer de electroni, citocromii sunt enzime ce conţin în moleculă fier. Acesta realizează transferul e- prin reacţia: -eFe2+ • Fe3+ +eFerredoxina conţine de asemenea grupări ferosulfurice ce permit transferul electronilor. În procesul transferului de electroni energizanţi are loc şi fosforilarea fotosintetică sau fotofosforilarea, prin care plantele înmagazinează o parte < 54 >

din energia solară absorbită sub forma moleculei de ATP. După cum rezultă din schema în Z, fotofosforilarea poate fi ciclică şi acilică. Fotofosforilarea ciclică se realizează cu participarea SFI, ce are ca centru de reacţie P700. Sub acţiunea cuantei de lumină, acesta declanşează un circuit închis de electroni: e- cedat de P700 acceptorului X poate reveni la molecula de clorofilă a 700 prin intermediul cit f- plastocianina. Energia absorbită se acumulează sub forma unei singure molecule de ATP, rezultând fotofosforilarea ciclică. Fenomenul are loc fără participarea apei, fără degajarea O2 şi fără reducerea NADP+. Fotofosforilarea aciclică se realizează cu participarea SFII şi are ca centru de reacţie P680. Sub acţiunea cuantei de lumină, acesta cedează electronii energizanţi la clorofila a 700 din SFI prin intermediului lanţului de transfer de electroni şi primeşte electronii necesari revenirii la nivelul iniţial din fotoliza apei. Energia absorbită se acumulează sub forma a două molecule de ATP, rezultând fotofosforilarea aciclică. Fenomenul are loc simultan cu degajarea unei molecule de O2 şi participă la reducerea NADP+. Din schema în Z rezultă că transportul electronilor se bazează pe crearea în decursul lanţului de reacţii fotochimice a unei diferenţe de potenţial electric. Fotoliza apei şi degajarea O2 reprezintă faza cea mai puţin cunoscută şi cea mai ipotetică din cadrul fotosintezei. Mult timp s-a considerat că oxigenul degajat în fotosinteză provine din CO2. Abia în 1930 van Niel sugerează ideea că O2 fotosintetic provine din apă, care se descompune sub acţiunea energiei luminoase absorbite de clorofilă printr-o reacţie numită fotoliză. Această ipoteză a fost confirmată în anul 1941 prin utilizarea izotopului radioactiv O18. De asemenea, prin utilizarea izotopului radioactiv H3 s-a arătat că H+ din apă serveşte la reducerea CO2. Detaliile chimice ale eliberării O2 sunt încă ipotetice. hν 2H2O ⇑ 2H+ + 2e- + 2(OH-) hν 2(OH-) ⇑ 2H2O +1/2O2 sau

hν H2O ⇑ 2H+ + 2e- + 1/2 O2 hν 2H2O ⇑ 4H+ +4e- + O2

< 55 >

Separarea hidrogenului de oxigen din molecula apei şi degajarea O2 este permisă de structura lamelară a cloroplastului. Producerea unei molecule de O2 în fotosinteză necesită 8 fotoni, deci 4 fotoni în fiecare unitate de fotosinteză. Pe de altă parte, s-a arătat că la generarea unei molecule de O2 şi fixarea unei molecule de CO2 cooperează 2400 de molecule de clorofilă a. Deci în fiecare unitate de fotosinteză, 1200 de molecule de clorofilă participă la captarea energiei a 4 fotoni, ceea ce reprezintă 300 de molecule de clorofilă/foton. Deci 300 de molecule de clorofilă contribuie la transportul unui singur foton în fiecare unitate de fotosinteză. Dintre acestea, numai o singură moleculă de clorofilă a în fiecare SF este capabilă de transferul fotosintetic de electroni, celelalte servesc numai la captarea energiei şi cedarea ei la P700. Absorbţia CO2 în cloroplaste. Tot în faza de lumină, aerul încărcat cu CO2 pătrunde prin ostiolele stomatelor care sunt deschise, trece în spaţiile intercelulare şi ajunge la pereţii celulelor mezofilului. În mediul umed din peretele celular CO2 este dizolvat în apă, apoi trece în acid carbonic (H2CO3) care disociază astfel: H2CO3 ⇑ H+ + HCO3- sau H2CO3 ⇑ 2H+ + CO32-; ionii HCO-3 şi CO32- pătrund în citoplasmă până la cloroplaste. Faza de întuneric a fotosintezei (numită şi faza

Blackman) se

realizează în stroma cloroplastelor. Ea cuprinde un şir de reacţii biochimice sau metabolice care au fost elucidate pe baza cercetărilor efectuate de Calvin şi colab., prin utilizarea izotopului radioactiv C14. Pentru aceste cercetări, acest colectiv a primit premiul Nobel pentru Chimie în anul 1961. Materialul de cercetare utilizat a constat din alge verzi unicelulare (Chlorella, Scenedesmus) crescute în culturi îmbogăţite cu CO2 în condiţii constante de temperatură, lumină şi pH. Suspensiile de alge tratate cu C14O2 au fost expuse la lumină perioade foarte scurte de timp, cuprinse între câteva secunde şi un minut. Materialul vegetal a fost fixat rapid în alcool metilic la fierbere. După extragere şi fracţionare, produşii fotosintezei au fost analizaţi prin cromatografie bidimensională pe hârtie, iar izotopul radioactiv a fost identificat în compuşi intermediari şi finali prin autoradiografie. La plantele superioare, majoritatea experienţelor au fost efectuate pe frunze de spanac. Cercetările au demonstrat că reacţiile fazei de întuneric se desfăşoară ciclic, iar după numele descoperitorului, acest ciclu a fost denumit ciclul lui Calvin. < 56 >

Reacţiile biochimice ale ciclului Calvin sunt catalizate de enzime şi se încadrează în trei grupe: reacţii de carboxilare, reacţii de reducere şi reacţii de regenerare. Reacţiile de carboxilare constau în fixarea CO2 atmosferic pe un acceptor organic şi încorporarea acestuia într-o substanţă organică. Cercetările au stabilit că acceptorul CO2 este o pentoză difosforilată, şi anume 1,5-difosforibuloza (RuDP), care fixează o moleculă de CO2 atmosferic sub acţiunea enzimei ribulozo 1,5-difosfat carboxilaza (RuDP carboxilaza sau carboxidismutază). Această enzimă are o greutate moleculară mare, de 500.000. Ea reprezintă jumătate din proteinele conţinute în stromă şi cuprinde 8 subunităţi mari, cu greutatea moleculară 50.000, sintetizate în cloroplast şi 8 subunităţi mici cu greutatea moleculară 12.000, sintetizate în citoplasmă. Prin acceptarea CO2 se formează un compus instabil (1,5-difosfo, 2carboxi, 3-cetoribitol) care sub acţiunea enzimei carboximutază şi în prezenţa unei molecule de H2O dă naştere la 2 molecule de acid 3fosfogliceric (APG). Acest compus apare numai în câteva secunde şi reprezintă primul compus stabil al fotosintezei (fig. 16).

Fig. 16 – Fixarea CO2 pe acceptor organic şi formarea acidului 3-fosfogliceric

Formarea acidului 3-fosfogliceric este o reacţie capitală, deoarece efectuează încorporarea CO2 din aer într-o moleculă organică din corpul plantei. Reacţiile de reducere constau în reducerea carbonului cu ajutorul H+ şi energiei acumulate în faza de lumină, înmagazinarea energiei în molecule organice şi sinteza produşilor primari ai fotosintezei. În această etapă, acidul 3-fosfogliceric (APG) este redus la aldehida 3fosfoglicerică (AldPG), sub acţiunea enzimei 3-fosfoglicerat dehidrogenaza, cu ajutorul NADPH2 format în faza de lumină, care reprezintă reducătorul direct al CO2 în fotosinteză. Deoarece puterea reducătoare a NADPH2 cu < 57 >

potenţial electric E = - 0,35 V nu este suficientă, reacţia necesitând E = 0,51 V, surplusul de energie este oferit de ATP, format de asemenea în faza de lumină. Această reacţie reprezintă momentul cel mai important de încărcare a moleculei organice sintetizate cu energie. Aldehida 3-fosfoglicerică este o trioză C3 fosforilată şi reprezintă cel mai simplu compus glucidic sintetizat în fotosinteză. Ea stă la baza sintezei tuturor produşilor primari ai fotosintezei. Astfel, prin izomerizare la 3-fosfodihidroxiacetonă sub acţiunea enzimei triozofosfatizomerază şi prin condensare sub acţiunea enzimei aldolază, are loc sinteza primei hexoze difosforilate, 1,6 - difosfofructoza (esterul Harden Young). Prin defosforilarea acestuia se formează 6 fosfofructoza (esterul Neuberg), iar prin izomerizarea acestuia se formează 6-fosfoglucoza (esterul Robinson). Prin defosforilare se obţine glucoza (fig. 17).

Fig. 17 – Reducerea acidului gliceric fosforilat cu NADPH şi H+ provenite din fosforilarea fotosintetică

Pentru sinteza unei molecule de glucoză sunt necesare 6 molecule de CO2, 18 molecule de ATP şi 12 molecule de NADPH2, deci raportul de consum energetic ATP/NADPH2 = 18/12 = 1,5. Concomitent are loc sinteza acizilor organici: piruvic, glicolic, malic, care apar la numai 5 secunde de expunere la lumină şi a aminoacizilor alanină şi acid asparagic, care apar după 10 secunde. După 30 de secunde apar zaharoza, acidul citric şi aminoacizii glicină, serină şi acid glutamic. Reacţiile de regenerare constau în refacerea acceptorului CO2. Aceste reacţii au la bază formarea unor compuşi intermediari cu 4 atomi de C fosfoeritroza şi 7 atomi de C - sedoheptuloza, care dau naştere 5fosforibulozei şi utilizează de asemenea energia acumulată în faza de lumină. < 58 >

Deoarece primul compus glucidic sintetizat în fotosinteză în timpul ciclului Calvin este o trioză, substanţă cu 3 atomi de C, acest ciclu a fost denumit şi tipul fotosintetic C3. Tipul fotosintetic C3 este caracteristic pentru majoritatea plantelor în special din zona temperată. Dintre plantele de cultură acestui tip aparţin grâul, orzul, sfecla, cartoful, tutunul etc. 3.5. INFLUENŢA FACTORILOR EXTERNI ASUPRA FOTOSINTEZEI 3.5.1. Lumina Lumina solară reprezintă sursa de energie pentru biosinteza substanţelor

organice

în

fotosinteză.

Radiaţiile

solare

sunt

unde

electromagnetice cu diferite lungimi de undă: radiaţii vizibile, cu lungimea de undă de 390-700nm, radiaţii ultraviolete, cu lungimea de undă 700nm. Dintre acestea, numai radiaţiile vizibile sunt active fotosintetic, reprezentând 45% din totalul radiaţiilor ce ajung pe scoarţa terestră, restul sunt inactive. Dintre radiaţiile care cad pe plante sunt absorbite 80%. Dintre acestea numai 1% sunt folosite în fotosinteză. Plantele prezintă adaptări pentru a absorbi o cantitate cât mai mare de radiaţii, cum sunt mişcările de creştere numite fototropisme, frunzele orientate perpendicular pe direcţia razelor de lumină sau deplasarea cloroplastelor în interiorul celulei pentru a absorbi o cantitate cât mai mare de lumină. Influenţa cantitativă se referă la intensitatea luminii. În funcţie de intensitatea luminii plantele se clasifică în plante heliofile, adaptate la o intensitate luminoasă ridicată (helios = soare) şi plante ombrofile, adaptate la o intensitate luminoasă scăzută. Dintre plantele heliofile cultivate în zona temperată fac parte grâul, porumbul, floarea soarelui şi viţa de vie. La aceste plante, fotosinteza începe la o intensitate luminoasă de 80-100 de lucşi. Intensitatea fotosintezei creşte proporţional cu intensitatea luminii până la 50.000 de lucşi. Peste această valoare are loc o plafonare a fotosintezei până la 100.000 de lucşi. La o intensitate luminoasă mai mare de 100.000 de lucşi, intensitatea fotosintezei scade, iar la 140.000 de lucşi fotosinteza încetează < 59 >

(fig. 18). Faţă de

intensitatea luminii într-o zi însorită de vară de 100.000 de lucşi se constată că plantele heliofile pot valorifica 50% din lumina solară directă. Fig. 18 – Influenţa luminii asupra intensităţii fotosintezei: AB – porţiunea liniară; BC – porţiunea logaritmică; CD – porţiunea paralelă cu abscisa; DE – porţiunea descendentă a curbei, în lumină supraoptimă (după N. Sălăgeanu)

La plantele heliofile punctul de compensaţie, respectiv intensitatea luminii la care cantitatea de CO2 absorbit în fotosinteză este egală cu cantitatea eliminată în respiraţie are valoarea de 500-1000 de lucşi. Frunzele plantelor heliofile prezintă caracteristici morfo-anatomice şi fiziologice cum sunt grosimea mare, numărul mare de stomate, parenchimul palisadic bi sau tristratificat, reţeaua densă de nervuri, cloroplastele mici, cu cantitate de clorofilă mai redusă, raportul redus între pigmenţii verzi şi pigmenţii galbeni. Plantele ombrofile sunt plantele din păduri, desişuri sau plantele ornamentale de apartament. La aceste plante, fotosinteza începe la o intensitate luminoasă de 8-10 lucşi şi creşte proporţional cu intensitatea luminii până la valoare de 10.000 de lucşi. Peste această valoare are loc o plafonare a fotosintezei până la 15.000 de lucşi, după care intensitatea fotosintezei scade. Se constată că plantele ombrofile pot valorifica numai 10% din lumina solară directă. La plantele ombrofile punctul de compensaţie este de 100-300 de lucşi. Frunzele au grosime mică, număr redus de stomate, parenchim palisadic unistratificat, reţea rară de nervuri, cloroplaste mari cu o cantitate mare de clorofilă, iar raportul dintre pigmenţii verzi şi cei galbeni este ridicat. Plantele heliofile sunt în general originare din zonele sudice. Plantele ombrofile sunt originare în general din zonele temperate şi nordice. Cunoaşterea intensităţii luminii care asigură o fotosinteză optimă are o importanţă deosebită practică în stabilirea densităţii culturilor, atât în condiţii de câmp cât şi în spaţii protejate.

< 60 >

Influenţa calitativă se referă la compoziţia spectrală a luminii. Randamentul

fotosintezei

diferă

în

funcţie

de

culoarea

luminii

monocromatice. S-a constatat că radiaţiile roşii, portocalii şi galbene favorizează biosinteza glucidelor, iar radiaţiile albastre, indigo şi violet favorizează sinteza substanţelor proteice. Folosirea luminii monocromatice, roşie sau albastră poate fi utilă în spaţiile protejate în dirijarea biosintezei substanţelor organice la diferite specii horticole. Această metodă a permis sporirea producţiei la tomate castraveţi, ardei, salată, spanac şi fasole. 3.5.2. Bioxidul de carbon - CO2 Sursa de CO2 pentru plante o constituie aerul atmosferic. Concentraţia CO2 în aer este în general constantă, 0,03%. Totuşi ea suferă variaţii diurne şi sezoniere. Variaţiile diurne sunt mici, datorate scăderii prin consumul în fotosinteză în timpul zilei şi creşterii prin degajare în respiraţie în timpul nopţii. Variaţiile sezoniere sunt mult mai mari, cuprind oscilaţii de până la 10% şi sunt datorate creşterii primăvara şi toamna şi scăderii, ca urmare a fotosintezei intense în timpul verii. Concentraţia CO2 este uniformizată de curenţii de aer care se deplasează atât pe orizontală cât şi pe verticală. Menţinerea constantă a concentraţiei CO2 rezultă din echilibrul existent în natură între fenomenele care îl produc şi cele care îl consumă. Fenomenele producătoare de CO2 sunt erupţiile vulcanice, mofetele şi activităţile industriale care implică arderi de combustibil. Cea mai mare cantitate de CO2 este însă produsă de respiraţia plantelor şi a animalelor, fiind de origine biogenă. Rezerva de CO2 pentru atmosferă este reprezentată de apa oceanului planetar. Aceasta conţine concentraţii de 80 de ori mai mari decât aerul atmosferic. CO2 din apă provine din respiraţia animalelor şi plantelor marine, din descompunerea acestora, din formarea calcarului din cochilii etc. Principalul proces consumator de CO2 pe planetă este fotosinteza. Se apreciază că plantele consumă anual 174 miliarde t de CO2, din care 19 miliarde t sunt consumate de plantele de uscat şi 155 miliarde t de plante acvatice.

< 61 >

În cercetări experimentale s-a arătat că limita inferioară a concentraţiei CO2 la care începe fotosinteza este de 0,008 - 0,011%. Concentraţia CO2 de 0,03% din atmosferă este apropiată de valoarea de minim necesară fotosintezei. Prin mărirea concentraţiei CO2 peste această valoare are loc o intensificare a fotosintezei. La concentraţii mici de CO2, intensitatea fotosintezei creşte proporţional cu concentraţia. Aceasta se explică prin participarea directă a CO2 în fotosinteză după legea maselor, conform căreia în reacţiile chimice viteza de reacţie creşte proporţional cu concentraţia substanţei. Valorile optime ale CO2 pentru fotosinteză sunt în medie de 0,2 -0,3 %. Plantele heliofile desfăşoară fotosinteza maximă la o concentraţie de CO2 de 2-3%, iar cele ombrofile la o concentraţie de 0,5-1%. La viţa de vie fotosinteza maximă are loc la o concentraţie de 10% CO2. Peste aceste valori, intensitatea fotosintezei scade prin mărirea concentraţiei CO2, iar valoarea de 3-10% este toxică (fig. 19). Acţiunea toxică a excesului de CO2 se poate datora acidifierii citoplasmei şi scăderii pH-ului. Acest fenomen determină închiderea stomatelor. La grâu, excesul de CO2 a inhibat activitatea citocromului.

Fig. 19 – Intensitatea fotosintezei la diferite specii în funcţie de concentraţia CO2 din aer (după Sălăgeanu, 1963). 1 – Lycopersicon esculentum; 2 – Heliathus annuus; 3 – Vitis vinifera

Sporirea concentraţiei CO2 în atmosfera mediului poate avea efecte de stimulare a fotosintezei, cu efecte de sporire a producţiei la diferite plante de cultură. Acest lucru este posibil la culturile legumicole şi floricole realizate în spaţii protejate închise, sere sau răsadniţe. 3.5.3. Temperatura La majoritatea speciilor de plante fotosinteza începe la 00C. La cerealele de toamnă, de exemplu la grâu poate avea loc şi la -50C. De la < 62 >

valorile termice de minim, intensitatea fotosintezei creşte cu creşterea temperaturii până la valorile optime, curba evoluţiei fotosintezei respectă legea lui Van't Hoff, după care o creştere a temperaturii cu 100C provoacă o creştere de 1,5-2 ori a vitezei reacţiilor chimice, deci şi a intensităţii fotosintezei. Temperaturile optime pentru fotosinteză sunt cuprinse între 200C şi 350C, de exemplu 320C la cartof, 350C la tomate şi 350-370C la castraveţi şi alte cucurbitaceae - plante termofile. La castraveţi, la temperatura de 350C, intensitatea fotosintezei, activitatea RuDP carboxilazei, greutatea plantei şi a fructelor sunt maxime. Valorile de optim ale temperaturii pentru fotosinteză sunt influenţate de intensitatea luminii. La o intensitate luminoasă slabă, temperatura optimă scade, ajungând la 100C, în timp ce la o intensitate luminoasă ridicată temperatura optimă creşte. (fig. 20)

Fig. 20 – Dependenţa fotosintezei de temperatură: 1 – cartof; 2 – tomate; 3 - castravete

Peste valorile de 350C intensitatea fotosintezei scade, iar la 450C fotosinteza reală devine nulă deoarece respiraţia depăşeşte valorile fotosintezei aparente. Efectul negativ al temperaturilor ridicate este la început reversibil, apoi devine ireversibil. În aceste condiţii are loc vătămarea protoplasmei, degradarea cloroplastelor şi inhibarea activităţii enzimatice. Diferite rezultate experimentale la plantele de cultură demonstrează că la leguminoasele fasole, mazăre şi bob, temperaturile de 300/250C zi/noapte au redus intensitatea fotosintezei prin degradarea clorofilei, apreciată prin scăderea fluorescenţei acesteia. 3.5.4. Apa Apa este indispensabilă procesului de fotosinteză şi manifestă asupra acestuia o acţiune indirectă şi o acţiune directă. Acţiune indirectă constă în participarea la închiderea şi deschiderea stomatelor şi în hidratarea optimă a celulelor din mezofilul frunzei prin asigurarea turgescenţei celulelor < 63 >

stomatice. Prin această acţiune, apa favorizează accesul CO2 la cloroplaste. Acţiunea directă constă în faptul că apa constituie sursa de H+ eliberat prin fotoliză, necesară reducerii CO2 în procesul de sinteză a glucidelor. Valorile optime ale conţinutului de apă al frunzelor pentru fotosinteză sunt de 87-92%, iar ale umidităţii aerului de 70-90%. Peste aceste valori are loc împiedicarea accesului CO2 la cloroplaste prin închiderea hidropasivă a stomatelor, inundarea spaţiilor intercelulare din mezofil, diminuarea respiraţiei şi a accesului sărurilor minerale prin blocarea absorbţiei O2. În lipsa apei, în timpul secetei atmosferice la umiditatea de 35-40% şi a secetei solului are loc săderea intensităţii fotosintezei, iar la coeficientul de ofilire încetarea completă. Fotosinteza este unul dintre procesele cele mai sensibile la deshidratare. Toate deteriorările provocate de deshidratare în celule se reflectă în activitatea aparatului fotosintetic. La porumb, Moss şi colab. (1961) au arătat că în condiţii de secetă frunzele prezintă o intensitate fotosintetică scăzută, deşi nu manifestă semne vizibile de ofilire. La grâu, în condiţii de deficit hidric intensitatea fotosintezei este maximă la intensitate luminoasă slabă, pe când în condiţii normale la intensitate luminoasă puternică. Seceta reduce capacitatea plantelor de a utiliza intens lumina solară. La conţinutul hidric de 40-50% în frunze, fotosinteza aparentă este nulă. La pomi, Schneider şi Childers au constatat o scădere a intensităţii fotosintezei cu până la 50%, prin scăderea umidităţii din sol, la măr. La nuc, transpiraţia intensă a scăzut intensitatea fotosintezei. Mecanismul reducerii fotosintezei sub acţiunea stressului hidric se datoreşte unor factori stomatici şi unor factori nonstomatici. Fotosinteza este inhibată de stressul hidric prin închiderea stomatelor. Conductanţa stomatelor reprezintă viteza de difuziune a CO2 prin stomate. Modificarea conductanţei stomatelor la stressul de apă moderat prezintă un mers paralel cu modificarea fotosintezei la bumbac, tomate, porumb, grâu, fasole, soia şi măr. Factorii nonstomatici constau în degradarea structurii cloroplastelor, mărirea vâscozităţii protoplasmei, activitatea hidrolizantă a enzimelor, de exemplu la bumbac, sau în distrugerea sistemului de tilacoide la floarea soarelui, în degradarea structurii granale şi apariţia de vacuole în stromă.

< 64 >

3.5.5. Nutriţia minerală Elementele minerale participă direct şi indirect în fotosinteză. Azotul intră în componenţa clorofilei, în alcătuirea

proteinelor

structurale şi a enzimelor din cloroplaste, a NADP şi în componenţa aminoacizilor, produşi primari ai fotosintezei. Lipsa N a provocat micşorarea intensităţii fotosintezei la porumb, bumbac şi fasole şi a scăzut conţinutul de pigmenţi fotosintetici la inul de ulei. La castraveţi şi inul de ulei în lipsa azotului a avut loc degradarea ultrastructurii lamelare a cloroplastelor şi apariţia de plastoglobuli. Fosforul participă în structura lamelară a cloroplastelor, în structura ATP şi NADP, în fosforilarea compuşilor intermediari ai fotosintezei. Lipsa P a provocat la floarea soarelui dezorganizarea structurii membranare a cloroplastelor. Cercetări efectuate cu C14 au arătat că la floarea soarelui lipsa P inhibă transportul asimilatelor. Potasiul prezintă o funcţie importantă în fotosinteză, deşi nu are rol structural. Prin caracterul său osmoregulator participă la deschiderea stomatelor favorizând absorbţia CO2. K prezintă un important rol catalitic în formarea aparatului fotosintetic şi în desfăşurarea fotofosforilărilor, intensifică absorbţia P, sinteza şi transportul asimilatelor. În lipsa K la floarea soarelui şi inul de ulei are loc degradarea structurii lamelare a cloroplastelor prin dilatări ale tilacoidelor. Magneziul participă în componenţa clorofilei. La fasole, deficienţa de Mg a provocat închiderea stomatelor, scăderea conţinutului de clorofilă şi reducerea intensităţii fotosintezei. Sulful participă în sinteza proteinelor din cloroplaste, a aminoacizilor cu sulf, produşi ai fotosintezei şi a glutationului cu rol în reacţiile de oxidoreducere. S catalizeză biosinteza clorofilei. În lipsa S frunzele sunt clorotice cu nervuri de culoare deschisă. Fierul catalizează biosinteza nucleilor pirolici din molecula clorofilei şi participă în structura citocromilor şi a ferredoxinei care efectuează transferul de e- în faza de lumină a fotosintezei. Tiţu şi Djendov au arătat că în lipsa Fe la floarea soarelui are loc distrugerea sistemului lamelar al cloroplastului, fragmentarea discurilor granale şi apariţia de vezicule. La piersic, deficienţa Fe a micşorat conţinutul de clorofilă, a determinat apariţia fenomenului de cloroză şi inhibarea reacţiilor din sistemul fotosintetic II (SFII). < 65 >

CAPITOLUL 4 RESPIRAŢIA PLANTELOR 4.1. DEFINIŢIE ŞI IMPORTANŢĂ Respiraţia este procesul de degradare oxidativă a substanţelor organice proprii, din care se eliberează energia necesară proceselor vitale, reprezentând latura catabolică a metabolismului. La exterior respiraţia se manifestă sub forma unui schimb de gaze, invers fotosintezei, în care se absoarbe O2 şi de degajă CO2. Ca şi conţinut, constă într-un şir de reacţii de oxido-reducere catalizate de enzime, din care se degajă treptat energia. Respiraţia este un proces caracteristic tuturor ţesuturilor vii ce are loc permanent, ziua şi noaptea, cât timp durează viaţa plantei. Energia eliberată din respiraţie ia diferite forme: cea mai mare parte se concentrează în legăturile macroergice ale compuşilor fosfatici de tipul ATP, ca energie chimică, utilizată în metabolism la sinteza unor compuşi organici complecşi, la absorbţia şi circulaţia activă a apei, substanţelor minerale şi organice, la creşterea, înflorirea şi fructificarea plantelor. O parte a energiei se transformă în energie mecanică sau electrică, iar o altă parte, cca. 35% se transformă în energie calorică. Respiraţia este de două tipuri, aerobă şi anaerobă. 4.2. RESPIRAŢIA AEROBĂ Respiraţia aerobă este modul de respiraţie a plantelor superioare. Ea constă în oxidarea completă a substanţelor organice, cu ajutorul oxigenului atmosferic până la CO2, H2O şi energie, conform reacţiei: C6H12O6 + 6 O2 Æ 6CO2 + 6H2O + E

(674 k cal)

4.2.1. Substratul respirator ¾ Substratul respirator. Substanţele organice oxidate în respiraţie constituie substratul respirator. Acesta este reprezentat în primul rând de

< 66 >

glucide, dar mai pot fi folosite lipidele şi acizii organici. Proteinele sunt folosite în respiraţie numai în caz de înfometare sau în cazuri patologice. Între volumul de CO2 degajat şi cel de O2 absorbit în respiraţie există un anumit raport numit coeficient respirator, Q = CO2/O2. În cazul unui substrat respirator glucidic Q = 1, deoarece CO2/O2 = 1 conform ecuaţiei: C6H12O6 + 6 H2O Æ 6 CO2 + 6 H2O + E glucoză Q = 6CO2/6O2 = 1

În cazul substratului respirator lipidic, mai puţin oxidat Q < 1, deoarece CO2/O2 < 1, conform reacţiei: C18H26O2 + 26 O2 Æ 18 CO2 + 18 H2O + E acid stearic Q = 18 CO2/ 26 O2 = 0,69

În cazul substratului respirator reprezentat de acizi organici, puternic oxidat, Q > 1 deoarece CO2/O2 > 1, conform reacţiei: 2C2O4H2 + O2 Æ 4 CO2 + 2 H2O + E acid oxalic Q = 4 CO2/ O2 = 4

Utilizarea substratului respirator proteic în cazuri de înfometare sau patologice are loc prin dezaminarea aminoacizilor. Coeficientul respirator are de asemenea o valoare subunitară, Q = 0,8. Prin determinarea coeficientului respirator al unor celule, ţesuturi sau organe, rezultat din măsurarea CO2 degajat şi a O2 absorbit se poate deduce natura chimică a substratului respirator utilizat. Astfel, în timpul coacerii fructelor, valoare lui Q creşte de la 0,85 la 2,70, ceea ce demonstrează utilizarea acizilor organici în procesul de respiraţie, în paralel cu acumularea zaharurilor solubile. 4.2.2. Mecanismul respiraţiei aerobe Substratul respirator glucidic este hidrolizat până la glucoză. Metabolizarea glucozei are loc într-o fază anaerobă şi o fază aerobă. Din punct de vedere chimic, reacţiile metabolice din faza anaerobă constituie glicoliza, iar cele din faza aerobă constituie ciclul Krebs şi lanţul respirator. Faza anaerobă sau glicoliza constă în transformarea glucozei în două molecule de acid piruvic. Această fază nu necesită participarea oxigenului atmosferic şi se desfăşoară în hialoplasmă. Ea nu este semnificativă din punct de vedere energetic, ducând la formarea a numai 4 molecule de ATP. Principalele reacţii ale glicolizei sunt: < 67 >

−

fosforilarea şi izomerizarea glucozei sub acţiunea enzimelor până la 1,6 difosfofructoză;

−

scindarea 1,6 difosfofructozei în aldehidă 3-fosfoglicerică şi fosfat de dihidroxiacetonă, sub acţiunea enzimei aldolază;

−

oxidarea aldehidei 3 - fosfoglicerice până la acid 3-fosfogliceric sub acţiunea enzimei triozofosfat- dehidrogenază;

−

transformarea acidului 3-fosfogliceric în acid piruvic.

Faza aerobă cuprinde ciclul Krebs şi lanţul respirator. Această fază se desfăşoară numai în prezenţa oxigenului atmosferic şi are loc în mitocondrii. Ea este cea mai importantă din punct de vedere energetic, şi constă dintr-un şir de reacţii de oxido-reducere catalizate de enzime, din care se degajă lent energia, dar are loc şi sinteza unor acizi organici ce folosesc altor sinteze. Din punct de vedere chimic, faza aerobă constă în degradarea acidului piruvic până la CO2, H2O şi energie. Ciclul Krebs este precedat de o decarboxilare oxidativă a acidului piruvic, care constă în degajarea unei molecule de CO2 şi oxidarea substratului prin dehidrogenare. Compusul rezultat duce la sinteza acetil CoA în urma unui proces de activare catalizat de enzime, cu consum de energie. Acetil CoA serveşte la sinteza acidului citric, dar poate fi utilizată şi la sinteza acizilor graşi şi a aminoacizilor, corelând astfel metabolismul glucidic cu cel lipidic şi proteic. Ciclul Krebs, realizează metabolizarea acidului citric, numită şi "moara acidului citric". Acest ciclu constă într-un lanţ de reacţii de dehidrogenare şi decarboxilare catalizate de enzimele dehidrogenaze şi decarboxilaze. Reacţiile chimice din ciclul Krebs implică participarea acizilor tricarboxilici (cu trei grupări - COOH) şi anume acidul citric, izocitric, oxalsuccinic şi cetoglutaric. Din această cauză, ciclul Krebs a fost denumit şi ciclul acizilor tricarboxilici. Prin reacţiile de decarboxilare, cu eliminarea a două molecule de CO2, lanţul de reacţii chimice se continuă cu participarea acizilor dicarboxilici (cu două grupări -COOH şi anume acidul succinic, fumaric, malic şi oxalilacetic). Acidul oxalilacetic contribuie la sinteza acidului citric cu ajutorul acetil CoA, sub acţiunea enzimei citratsintetază. Prin reacţiile de dehidrogenare are loc oxidarea substratului, din care rezultă degajarea treptată a energiei. Energia chimică eliberată prin procesul < 68 >

de fosforilare oxidativă este înmagazinată în molecula de ATP şi determină sinteza a 30 de molecule de ATP. Această energie va fi utilizată prin hidroliza ATP în ADP + P, sub acţiunea enzimei ATP-ază. Reacţiile de oxidare a substratului în ciclul Krebs determină formarea de H+ şi electroni e-. H+ este transportat temporar pe NADP+ şi FADP+, ducând la formarea NADPH2 şi FADPH2, iar electronii e- sunt transportaţi prin lanţul respirator. În lanţul respirator are loc transferul de electroni e- proveniţi din ciclul Krebs până la oxigenul atmosferic O2 şi activarea acestuia prin transformarea oxigenului molecular în oxigen atomic. Transferul de electroni este catalizat de enzimele oxidaze, şi anume citocromii a,b,c şi citocromoxidaza. 2e-

O = O Æ - O - O - (O2-) +

-2-

2H +2O

catalază

= H2O2

2 H2O2

→

H2O + O2

Formarea apei determină eliberarea unei cantităţi de energie chimică de 52 Kcal/mol NADPH2. Substratul respirator lipidic este hidrolizat până la glicerină şi acizi graşi, care sunt oxidaţi până la acid piruvic, iar apoi acesta este metabolizat în ciclul Krebs. Substratul respirator proteic este hidrolizat până la aminoacizi. Aceştia suferă o dezaminare oxidativă fiind transformaţi în acizi organici şi respectiv acid piruvic care este metabolizat în ciclul Krebs. 4.2.3. Influenţa diferiţilor factori asupra respiraţiei ¾ Factorii externi: Temperatura. În timpul iernii, plantele respiră şi la temperaturi negative. Grâul de toamnă respiră începând de la temperatura de -40C - 70C. Coniferele respiră şi la temperaturi mult mai scăzute, de exemplu molidul până la - 350, iar ienupărul până -400C. În sezonul de vegetaţie respiraţia începe la cca. 00, se intensifică cu creşterea temperaturii şi devine maximă la 350C care reprezintă optimul termic al respiraţiei. Între valorile de minim şi optim, acţiunea temperaturii asupra respiraţiei se manifestă conform legii lui Van't Hoff, după care o creştere a temperaturii de 100C determină o dublare a intensităţii respiraţiei (Q10 = 2 x). Respiraţia este < 69 >

inhibată la 450 - 500C când are loc degradarea citoplasmei, a mitocondriilor şi inactivarea enzimelor. Lumina. Influenţează respiraţia în mod direct prin creşterea temperaturii şi indirect prin furnizarea substratului respirator şi reglarea schimbului gazos prin stomate. Fotorespiraţia este procesul de respiraţie efectuat la lumină. Este caracteristică plantelor de tip fotosintetic C3 care trăiesc în zona temperată şi absentă la plantele de tip fotosintetic C4 din zonele tropicale. La aceste plante eficienţa fotosintetică este mai mare. Umiditatea. În sol, creşterea umidităţii determină scăderea intensităţii respiraţiei, iar scăderea umidităţii determină intensificarea respiraţiei. Un conţinut ridicat de apă în sol determină reducerea respiraţiei aerobe prin reducerea cantităţii de O2 şi apariţia respiraţiei anaerobe. Insuficienţa apei în sol determină utilizarea ineficientă a energiei în procesul de absorbţie a apei şi substanţelor minerale. În aer, umiditatea ridicată determină scăderea intensităţii respiraţiei prin închiderea hidropasivă a stomatelor şi perturbarea schimbului de gaze. Concentraţia O2 şi CO2. Respiraţia este maximă la o concentraţie de 10-20% O2. Sub concentraţia de 3% O2, respiraţia aerobă încetează fiind înlocuită cu o respiraţie anaerobă. Scăderea concentraţiei de O2 are loc în solurile tasate, nelucrate timp îndelungat sau în solurile acoperite cu asfalt. În mod natural, scăderea concentraţiei O2 din sol are loc paralel cu creşterea concentraţiei CO2, datorită respiraţiei rădăcinilor plantelor sau a respiraţiei microorganismelor. Cele mai sensibile plante sunt cartoful şi fasolea, dintre plantele legumicole şi vişinul dintre pomii fructiferi. Plantele de apă, de exemplu orezul nu resimt lipsa O2 şi respiră normal aerob datorită unui parenchim aerifer, iar chiparosul de baltă are rădăcinii respiratorii numite pneumatofori. Creşterea concentraţiei de CO2 în sol până la 3-5 % nu modifică respiraţia aerobă, dar la concentraţia de 12-15% CO2 respiraţia este inhibată. Sărurile minerale. NH4+ participă la sinteza NADPH2, cu rol în transportul de electroni. K+ menţine structura mitocondriilor şi stimulează sinteza ATP. Fe2+ intră în structura citocromilor, iar PO43 - intră în molecula de ATP.

< 70 >

¾ Factorii interni. Vârsta plantei. La plantele tinere respiraţia decurge mai intens decât la plantele mature. Astfel, respiraţia este foarte intensă în faza de creştere meristematică şi de elongaţie şi scade în faza de diferenţiere celulară. La frunzele de floarea soarelui în vârstă de 22 de zile, intensitatea respiraţiei este de 3 mg CO2 /g subst.uscată/oră, în timp ce la cele în vârstă de 136 de zile, intensitatea respiraţiei este de numai 0,08 mg CO2/g subst. uscată/oră. La frunzele de varză în vârstă de 3 zile, intensitatea respiraţiei este de 3,2 mg CO2/g/oră, în timp ce la cele în vârstă de 70 de zile este de 0,27 mg CO2/g/ oră. Respiraţia se intensifică din nou în faza de îmbătrânire a organelor plantei. Organul şi ţesutul . Respiraţia este minimă la rădăcini şi se intensifică la tulpini şi frunze. Respiraţia este maximă la flori, iar la acestea este maximă la gineceu. Ţesuturile fiziologic active, de exemplu meristemele respiră mai intens decât ţesuturile diferenţiate. Starea de activitate fiziologică. Organele de repaus, de exemplu seminţele, tulpinile subterane, rădăcinile tuberizate şi mugurii au o respiraţie foarte scăzută, care se intensifică la germinare sau la pornirea în vegetaţie. La cerealele de toamnă şi ramurile plantelor lemnoase, intensitatea scăzută a respiraţiei în timpul iernii constituie un indice fiziologic al rezistenţei la ger. Conţinutul de apă al celulelor este în relaţie directă cu intensitatea respiraţiei. La seminţele cu un conţinut de apă de 7-14%, respiraţia este foarte redusă. Prin creşterea conţinutului de apă respiraţia se intensifică, deoarece apa favorizează activitatea enzimelor. Cunoaşterea relaţiei dintre conţinutul de apă al seminţelor şi intensitatea respiraţiei are o importanţă deosebită în timpul germinaţiei seminţelor în sol, cât şi în timpul păstrării în depozite. Starea sanitară a plantei. La plantele bolnave, intensitatea respiraţiei este mult mai ridicată decât la plantele sănătoase. Infecţia cu ciuperci sau virusuri intensifică activitatea enzimelor respiraţiei. Traumatismele, rănirea, distrugerea mecanică a ţesuturilor şi înţepăturile provocate de insecte intensifică respiraţia, ceea ce favorizează formarea unui ţesut de calusare. După aceasta respiraţia revine la normal.

< 71 >

CAPITOLUL 5 CREŞTEREA PLANTELOR Creşterea este procesul de mărire stabilă şi ireversibilă a volumului şi greutăţii celulelor, ţesuturilor şi organelor plantei, datorită sporirii continue a cantităţii de substanţă uscată, ca urmare a unor procese biosintetice, de transformare şi depunere a substanţelor organice proprii. Procesul de creştere începe de la o celulă ou, care prin diviziune, mărire în volum şi greutate şi diferenţiere în ţesuturi şi organe, formează caracterele speciei. În timpul creşterii are loc morfogeneza organelor vegetative: rădăcina, tulpina, frunzele etc. Creşterea plantelor poate avea loc în tot cursul vieţii, datorită prezenţei unor puncte de creştere ce conţin ţesuturi meristematice, care funcţionează continuu, formând organe noi. 5.1. ETAPELE DE CREŞTERE CELULARĂ. PARTICULARITĂŢI DE CREŞTERE LA DIFERITE ORGANE 5.1.1. Etapele de creştere celulară În procesul de morfogeneză a organelor vegetative, celulele plantelor parcurg trei etape de creştere: etapa creşterii embrionare, etapa creşterii prin extensie şi etapa diferenţierii celulare. ¾ Etapa creşterii embrionare sau de diviziune are loc în ţesuturile meristematice, în care principala funcţie fiziologică a celulelor este diviziunea. Prin acest proces celulele se înmulţesc mărindu-şi numărul, dar nu şi dimensiunile. Celulele au dimensiuni mici şi o membrană celulozică subţire; raportul nucleo-plasmatic este ridicat, nucleul are poziţie centrală, iar vacuolele sunt mici şi numeroase, răspândite în protoplasmă. Activitatea fiziologică de formare a protoplasmei constă în primul rând în proteosinteza intensă, favorizată de prezenţa acizilor nucleici, a unui echipament enzimatic bogat şi a unor hormoni stimulatori din grupa auxinelor şi citochininelor. < 72 >

¾

Etapa

creşterii

prin

extensie celulară, de alungire sau elongaţie are loc în zonele cu poziţie subterminală.

Prin

acest

proces

celulele care şi-au încetat diviziunea îşi măresc volumul până la limitele normale, în special prin alungire (fig.21). Mărirea volumului se face pe baza pătrunderii apei în celule prin fenomenul de osmoză. Vacuolele mici îşi măresc volumul şi fuzionează într-o Fig. 21 – Localizarea zonelor de diviziune şi de alungire celulară la rădăcini (după Peterfi şi Sălăgeanu, 1972)

central.

singură În

vacuolă,

sucul

dispusă

vacuolar

se

acumulează glucide solubile, acizi organici şi săruri minerale. Nucleul ia

o poziţie periferică, iar citoplasma apare ca un strat periferic ce căptuşeşte membrana. Ca urmare a creşterii în volum a protoplasmei are loc creşterea în suprafaţă a membranei celulare, celulozice prin procesul de interpătrundere sau intus-suscepţiune. Acest proces constă în intercalarea în spaţiile structurii reticulate a membranei celulozice de noi fibrile de celuloză produse de protoplasmă şi este favorizat de prezenţa acizilor nucleici şi a unor hormoni stimulatori din grupa auxinelor şi giberelinelor. Auxinele determină lărgirea ochiurilor din reţeaua celulozică, care devine laxă şi depune noi fibrile celulozice, iar membrana se reface. La celulele din vârful rădăcinii şi tulpinii creşterea prin extensie este polară, pe când la celulele din frunze creşterea prin extensie este uniformă, pe toată suprafaţa. ¾ Etapa diferenţierii celulare. Din etapele anterioare rezultă celule identice ca formă şi funcţii, care în etapa de diferenţiere se specializează morfo-fiziologic, rezultând ţesuturi şi organe. Protoplasma suferă transformări importante prin apariţia unor organite de tipul plastidelor (verzi, roşii-portocalii, incolore), cu funcţii fiziologice distincte, de fotosinteză, depozitare etc. Membrana celulară creşte în grosime prin depunerea de celuloză, cutină, lignină, suberină etc. < 73 >

Fenomenul de depunere sau apoziţie are loc în sens centrifug la ţesuturile acoperitoare sau în sens centripet la ţesuturile conducătoare lemnoase sau mecanice. Sensul diferenţierii organelor este controlat de raportul unor hormoni endogeni din grupa auxinelor şi a citochininelor. Auxinele dirijează rizogeneza, respectiv formarea rădăcinii, pe când citochininele caulogeneza, respectiv formarea tulpinii. Diferenţierea celulară este stimulată de apariţia hormonului inhibitor acid abscisic şi de lumină. 5.1.2. Creşterea organelor Creşterea organelor se efectuează prin creşterea celulelor şi a ţesuturilor acestora. Creşterea începe cu o etapă embrionară, localizată în meristeme numită meresis, continuată cu alungirea celulelor formate numită auxesis şi terminată cu diferenţierea structurii anatomice tipice. Creşterea organelor se face în lungime şi în grosime. Creşterea în lungime se datoreşte meristemelor primare, iar creşterea în grosime se datoreşte meristemelor secunare. ¾ Creşterea în lungime a rădăcinii se datoreşte meristemelor apicale. Zona de alungire are o poziţie subterminală, pe o distanţă de 5-10 mm de la vârf. ¾ Creşterea în lungime a tulpinii se datoreşte unor meristeme apicale şi unor meristeme intercalare. La tulpini există trei tipuri de creştere: −

apicală, datorată meristemelor apicale, zona de alungire are o poziţie subterminală, situată pe o distanţă de câţiva cm de la vârf;

−

intercalară, la baza tulpinii, de exemplu la Amaryllis sau la baza internodurilor, de exemplu la Equisetum;

−

liniară, pe toată lungimea internodurilor.

¾ Creşterea frunzelor se face în lungime şi suprafaţă şi se datoreşte unor meristeme bazale la monocotiledonate, unor meristeme intercalare la ferigi sau de pe toată suprafaţa la dicotiledonate. La frunzele perforate de Monstera deliciosa în unele zone creşterea este oprită, iar în frunze apar găuri. ¾ Creşterea în grosime a rădăcinii şi tulpinii se datoreşte meristemelor secundare cambiu şi felogen, situate în poziţie laterală, în cilindrul central şi respectiv în scoarţa acestor organe. < 74 >

5.2. INFLUENŢA FACTORILOR EXTERNI ASUPRA CREŞTERII 5.2.1. Temperatura Temperatura este unul dintre cei mai importanţi factori climatici care influenţează creşterea plantelor şi controlează răspândirea vegetaţiei pe glob. Temperatura acţionează asupra plantelor prin punctele cardinale de minim, optim şi maxim specifice fiecărei plante. Între limitele de minim şi maxim se află valorile preferendumului termic, iar în afara punctelor cardinale, creşterea plantelor este oprită. ¾ Temperatura minimă de creştere este numită şi minim de creştere, zero de creştere sau zero biologic. Ea prezintă valori diferite, cuprinse între 00-150C. Valorile minime, de 00 - 50C sunt caracteristice în general pentru speciile de origine nordică, în timp ce valorile maxime, de 10 - 150, sunt caracteristice speciilor de origine sudică. Temperatura minimă de creştere este de 50C la grâu, orz, ovăz, legumele din zona temperată, de 6 - 80C la pomi, de 100C la vita de vie şi de 10 - 150C la tomate, ardei, vinete, castraveţi, pepeni, fasole. Dintre speciile lemnoase, salcia, plopul şi arinul prezintă valori ale minimului de creştere de 00- 50C, în timp ce stejarul, nucul, platanul şi salcâmul prezintă valori ale minimului de 100C. Sub valorile minime de temperatură, plantele încetează creşterea, dar nu mor. Plantele lemnoase din zona temperată pot suporta temperaturi mult mai scăzute decât minimul de creştere. ¾ Temperatura optimă asigură creşterea organelor plantei cu o intensitate maximă şi este cuprinsă în general între 180-370C, funcţie de specie. Temperatura optimă pentru înfrăţire la cereale este de 60 - 120C, iar de alungirea paiului este de 120 - 140C. La legume, temperatura optimă de creştere este de 130C la varză şi ridichi, 160C la cartofii timpurii, salată, spanac, morcov, 190C la sfeclă, ceapă, usturoi, 220C la ardei, tomate, fasole, dovlecei, 250C la castraveţi, pepeni galbeni şi verzi. În funcţie de cerinţele termice optime, plantele fructifere se clasifică în:

< 75 >

−

specii puţin pretenţioase, de exemplu mărul, prunul, vişinul, agrişul, coacăzul, zmeurul şi căpşunul;

−

specii cu cerinţă moderată, de exemplu cireşul, gutuiul, nucul;

−

specii cu cerinţe mari, de exemplu piersicul, caisul, migdalul.

¾ Temperatura maximă de creştere este cuprinsă în general între 350-450C. Plantele pot supravieţui şi peste valorile maximului. Plantele lemnoase din zona temperată suportă mult mai greu temperaturile ridicate decât pe cele scăzute. Pentru supravieţuire sunt necesare mecanisme biologice speciale de adaptare şi rezistenţă. Acţiunea temperaturii asupra creşterii plantelor pe baza punctelor cardinale se manifestă atât la nivelul organismului întreg, pe tot parcursul fazei de creştere, cât şi la nivelul tuturor organelor, pe diferite fenofaze. Ritmul de creştere al plantelor este influenţat de raportul dintre temperatura zilei şi a nopţii, fenomen numit termoperiodism. La Pinus taeda, creşterea cea mai activă are loc atunci când diferenţa dintre temperatura zilei şi a nopţii este mai mare, ceea ce se explică prin originea sa în zonele nordice, unde se realizează aceste condiţii. 5.2.2. Lumina Lumina manifestă asupra creşterii plantelor o acţiune directă şi o acţiune indirectă. ¾ Acţiunea directă este manifestată prin intensitatea şi calitatea luminii şi prin durata zilnică de iluminare, numită fotoperioadă. Intensitatea luminii condiţionează parcurgerea normală a tuturor fazelor de vegetaţie, deci şi a creşterii plantelor. În funcţie de acest factor, plantele sunt adaptate la diferite intensităţi de lumină şi se clasifică în plante iubitoare de lumină sau heliofile şi plante iubitoare de umbră sau ombrofile. Dintre plantele de cultură, speciile heliofile sunt reprezentate de floarea soarelui, bumbac, porumb şi viţa de vie, iar speciile ombrofile sunt reprezentate de fasole şi inul de fuior. În funcţie de intensitatea luminii plantele legumicole se împart în 4 categorii: −

plante pretenţioase la lumină, de exemplu tomatele, ardeii, vinetele, pepenii verzi şi galbeni; < 76 >

−

plante puţin pretenţioase la lumină, de exemplu spanacul, morcovul, pătrunjelul şi mărarul;

−

plante nepretenţioase la lumină, de exemplu mazărea şi ceapa pentru frunze;

−

plante care nu au nevoie de lumină pentru a produce organe vegetative comestibile, de exemplu andivele şi sparanghelul.

În funcţie de cerinţele faţă de lumină, plantele fructifere se clasifică în: −

plante cu cerinţe mari, de exemplu nucul, piersicul şi caisul;

−

plante cu cerinţe moderate, de exemplu mărul, părul, prunul şi vişinul;

−

plante cu cerinţe reduse, de exemplu zmeurul, coacăzul şi agrişul.

La nivel celular intensitatea luminoasă optimă reduce extensia celulelor şi favorizează diferenţierea acestora. Prin acest efect este redusă creşterea tulpinilor şi a lăstarilor şi este intensificată creşterea rădăcinilor; este stimulată diferenţierea ţesuturilor conducătoare şi mecanice. ceea ce dă naştere unor plante viguroase şi măreşte rezistenţa tulpinilor la cădere, de exemplu la cereale. Frunzele sunt groase, de culoare verde. Intensitatea luminii exercită asupra plantelor un efect morfogenetic. La intensitate luminoasă slabă sau în lipsa luminii plantele suferă procesul de etiolare, caracterizat prin modificări de creştere numite fotomorfoze. La plantele dicotiledonate, în lipsa luminii, tulpinile se alungesc, iar frunzele rămân mici, uneori se reduc la solzi, în timp ce la plantele monocotiledonate tulpinile rămân scurte, iar frunzele se alungesc. În lipsa luminii este favorizată elongaţia celulară, stimulată de acţiunea auxinelor endogene. Intensitatea luminoasă slabă provoacă decolorarea plantelor. Plantele etiolate pierd culoarea verde şi rămân colorate în galben-pal, deoarece lumina favorizează biosinteza clorofilei. De asemenea la intensitate luminoasă slabă, plantele devin fragile. Tesuturile mecanice sunt slab dezvoltate deoarece lumina stimulează diferenţierea celulară. Calitatea luminii influenţează creşterea în mod diferit. Astfel, radiaţiile roşii favorizează extensia şi reduc diviziunea celulară, în timp ce radiaţiile albastre, indigo, violet şi ultraviolet au un efect invers. În regiunile nordice, în care lumina difuză este săracă în radiaţii albastre, indigo şi violet < 77 >

arborii cresc la înălţimi considerabile, în timp ce pe platourile alpine, în care lumina este bogată în aceste radiaţii, talia plantelor este redusă. S-a constatat că radiaţiile roşii stimulează sinteza unor stimulatori de creştere şi anume auxinele, giberelinele şi citochininele şi reduc sinteza acidului abscisic. Lumina albastră stimulează biosinteza proteinelor şi determină modificări structurale la nivel subcelular. Acţiunea stimulatoare a radiaţiilor albastre este percepută prin intermediul flavonoidelor şi carotenoizilor, pigmenţi cu absorbţie maximă în zonele 430 - 470 nm. La plantele leguminoase radiaţiile roşii stimulează creşterea pe baza intensificării biosintezei substanţelor glucidice. La salată, spanac şi varză, radiaţiile albastre, indigou şi violet stimulează morfogeneza frunzelor pe baza stimulării fotosintezei. Radiaţiile ultraviolete degradează ţesuturile, dar în concentraţie mică stimulează biosinteza vitaminelor. Radiaţiile infraroşii au efect negativ prin cantitatea ridicată de căldură. La culturile de legume din sere s-a constatat că sticla reţine radiaţiile ultraviolete şi infraroşii. Durata de iluminare zilnică sau fotoperioada influenţează de asemenea, creşterea plantelor. În general, creşterea este stimulată de condiţiile de fotoperioadă lungă, numite de zi lungă de 14-18 ore şi este inhibată de condiţiile de fotoperioadă scurtă numite de zi scurtă de 10-12 ore de iluminare zilnică. Din această cauză, creşterea plantelor anuale, bienale sau a lăstarului plantelor perene are loc în timpul primăverii şi verii şi încetează la începutul toamnei. Reducerea creşterii în condiţii de zi scurtă, la începutul toamnei, favorizează desfăşurarea normală a proceselor de fructificare şi căderea frunzelor şi determină intrarea mugurilor în repaus la plantele perene. Dirijarea condiţiilor de iluminare în cultura plantelor se poate face în spaţii închise prin reglarea intensităţii şi calităţii luminii, precum şi a densităţii de semănat, iar în câmp prin zonarea raţională în teritoriu, amplasarea pe diferite expoziţii ale pantei de teren, orientarea culturilor în direcţia nord-sud, distanţa de semănat sau plantare, combaterea speciilor concurente etc. ¾ Acţiunea indirectă a luminii asupra creşterii rezultă din participarea luminii ca sursă de energie în sinteza substanţelor organice, în

< 78 >

fotosinteză. Produşii fotosintezei, reprezintă substratul material pe baza căruia are loc creşterea. 5.2.3. Umiditatea aerului şi solului Apa este un alt factor climatic care controlează răspândirea vegetaţiei pe glob, deoarece este indispensabilă vieţii plantelor. Ca şi alţi factori climatici, apa exercită asupra creşterii plantelor un efect morfogenetic, creşterea fiind dirijată de cantitatea de apă din mediu. La nivel celular, apa asigură creşterea prin extensie a celulelor. Creşterea şi morfologia rădăcinii depind de cantitatea de apă din sol, iar creşterea şi morfologia organelor aeriene depind de cantitatea de apă din aerul atmosferic. Conţinutul de apă din mediu acţionează asupra creşterii plantelor conform punctelor cardinale, minim, optim şi maxim. În afara valorilor de minim creşterea este oprită. Valorile optimului sunt în general de 50-60% umiditate relativă a aerului şi 60% din capacitatea totală pentru apă în sol. Peste valorile de maxim, creşterea plantelor este de asemenea oprită. În cursul perioadei de vegetaţie consumul de apă al plantelor este variabil. Fazele în care consumul de apă este maxim se numesc faze critice. La cereale, de exemplu grâu, orz, ovăz, faza critică este împăierea. La plantele pomicole fazele critice sunt creşterea lăstarului şi înflorirea, iar la viţa de vie creşterea lăstarului care necesită o umiditate a aerului de 75-80%. Umiditatea atmosferei este deosebit de importantă în cultura legumelor, necesarul fiind de 90-95% la castraveţi, 80-90% la salată, spanac şi varză, 70-80% la morcov şi mazăre, 60-70% la ardei, vinete şi fasole, 5060% la tomate şi 45-55 % la pepeni verzi, galbeni şi dovlecei. În funcţie de cerinţele faţă de apă, plantele pomicole se clasifică în 4 categorii şi anume: −

specii foarte exigente, de 700 mm de precipitaţii, de exemplu arbuştii fructiferi şi castanul comestibil;

−

specii cu cerinţe mari, de 600-700 mm de precipitaţii, de exemplu gutuiul, mărul şi prunul;

−

specii cu cerinţe moderate, de cca. 600 mm de precipitaţii, de exemplu părul, nucul, cireşul şi vişinul;

−

specii cu cerinţe reduse, sub 600 mm de precipitaţii, de exemplu piersicul, caisul şi migdalul. < 79 >

În natură plantele sunt adaptate la diferite condiţii de umiditate în mediu. În funcţie de acest factor există 4 grupe ecologice de plante. ƒ

Plantele hidrofile trăiesc în mediul acvatic.

ƒ

Plantele higrofile sunt plante terestre care trăiesc într-un mediu cu umiditate ridicată.

ƒ

Plantele mezofile sunt plante terestre care trăiesc într-un mediu cu umiditate moderată.

ƒ

Plantele xerofile sunt plante terestre care trăiesc într-un mediu cu umiditate foarte scăzută.

5.3. INFLUENŢA FACTORIILOR INTERNI ASUPRA CREŞTERII Creşterea plantelor este controlată de anumite substanţe endogene care fac parte din grupa hormonilor vegetali. Hormonii sunt substanţe endogene, transportabile şi active în cantităţi foarte mici care favorizează desfăşurarea proceselor metabolice. Ei au fost descoperiţi pentru prima dată la animale şi denumiţi ca atare de Starling (1906) (hormaein = a stimula). La plante, existenţa hormonilor a fost presupusă încă din 1675 de către savantul Malpighi, sub forma unei substanţe cu rol în reglarea creşterii pe care a denumit-o "materia ad radices promovendas". 5.3.1. Hormonii stimulatori de creştere Hormonii stimulatori de creştere se clasifică în auxine, gibereline şi citochinine. ¾ Auxinele au fost descoperite de cercetările concomitente ale lui Went şi Holodnîi (1928) în coleoptilul de ovăz (Avena sativa). Went a demonstrat prezenţa auxinei în vârful coleoptilului, posibilitatea acesteia de a difuza pe agar-agar şi rolul auxinei în curbarea coleoptilului spre sursa de lumină în mişcarea de creştere numită fototropism. Sursa de auxină este vârful coleoptilului, iar zona de reacţie, care provoacă curbarea este subterminală. Prezenţa în plante. Cercetările de extragere, purificare şi identificare chimică au pus în evidenţă prezenţa auxinelor în diferite organe ale < 80 >

plantelor, în special cele cu creştere activă: vârfuri ale tulpinii şi rădăcinii, muguri, flori (polen, ovar), seminţe în curs de germinare. Auxina naturală a fost identificată chimic cu acidul beta-indolilacetic, cu formula C10H9O2 notat prescurtat AIA. Biosinteza auxinelor porneşte de la un precursor care este aminoacidul triptofan. Acesta se transformă succesiv în triptamină, acid betaindolilpiruvic, beta-indolilacetaldehidă şi acid beta-indolilacetic. Biosinteza este un proces metabolic catalizat de enzime, care are loc în frunze. Din frunze auxinele migrează în sens ascendent, acropetal, spre vârfurile rădăcinii şi tulpinii, sub formă de protoauxină inactivă, legată de proteine. În zonele de vârf are loc activarea auxinelor, prin desfacerea acestora de substanţele proteice. În forma activă, auxinele circulă în plante în sens descendent, bazipetal, spre baza rădăcinii şi a tulpinii, zona coletului. Circulaţia auxinelor în plantă se face prin ţesutul conducător liberian, pe baza diferenţei de potenţial electric între vârful organelor, cu sarcină electrică – şi baza organelor, cu sarcină electrică +. Auxinele fiind electronegative, circulă în plantă în sens bazipetal. Viteza de transport a auxinelor este de 4 mm/oră în rădăcini şi 10-12mm/oră în tulpini. Transportul polar al auxinelor în lăstarul de măr a fost detectat prin folosirea izotopului radioactiv H3 în AIA. Inactivarea auxinelor. Auxinele sunt degradate în plante sub acţiunea luminii printr-un proces de oxidare, în care auxina activă este transformată în forma inactivă, numită lumi - auxin lactona. Acţiuni fiziologice. La nivel celular, auxinele controlează creşterea celulelor. În concentraţii mai scăzute, stimulează diviziunea, iar în concentraţii mai ridicate extensia celulară. În etapa diviziunii celulare auxinele stimulează sinteza acizilor nucleici, în special a ARN-m (mesager) cu rol în sinteza proteinelor. Acest efect a fost pus în evidenţă în rădăcinile de sfeclă de zahăr, în hipocotilul de soia şi în seminţele de fasole. Mecanismul de acţiune al auxinelor în biosintezele organice cuprinde următoarele etape: −

în plasmalemă auxina interacţionează cu receptorul specific, iar complexul AIA - receptor activează funcţionarea pompei

< 81 >

protonice, de H+ şi stimulează procesele de absorbţie a elementelor minerale; −

în nucleoplasmă auxina formează complexe proteice ce induc procesul de transcripţie, iar ARN-m pătrunde în citoplasmă unde activează biosinteza proteinelor;

−

în citoplasmă, auxina interacţionează cu receptorii localizaţi în membranele reticulului endoplasmatic şi activează biosinteza fosfolipidelor şi altor compuşi structurali (Polevoi, 1991).

În etapa extensiei celulare auxinele stimulează creşterea în suprafaţă, elasticitatea, plasticitatea şi permeabilitatea membranei, precum şi absorbţia apei şi elementelor minerale. Mecanismul de acţiune a auxinei asupra creşterii membranei sau peretelui celular este următorul: auxinele activează pompele protonice din plasmalemă şi transportul protonilor de la citoplasmă la peretele celular. Transportul ionilor H+ favorizează absorbţia cationilor, în special K+ şi Ca2+, dar şi ieşirea HCO3-. Ca rezultat are loc acidifierea pereţilor celulari, fixarea Ca2+ şi intensificarea activităţii enzimelor hidrolizante. Aceasta modifică componenţii polimeri ai membranelor celulare şi duce la slăbirea legăturilor din pereţii celulari. Ca urmare, sub acţiunea forţei de turgescenţă are loc creşterea prin extensie a acestora. Direcţia extensiei depinde de orientarea microfibrilelor de celuloză din membranele celulare. Degradarea auxinei sub acţiunea luminii controlează raportul dintre etapele de extensie şi diferenţiere celulară. Acţiunea fiziologică a auxinelor este demonstrată de sporirea conţinutului acestora în timpul diferitelor procese de creştere din plante cum sunt germinarea seminţelor, pornirea mugurilor, rizogeneza, morfogeneza ţesutului conducător lemnos, creşterea în lungime şi grosime a lăstarului, formarea şi creşterea fructelor. Astfel, în timpul germinaţiei seminţelor de fasole, concentraţia auxinelor creşte în jurul embrionului, ceea ce determină atragerea substanţelor cu rol plastic spre această zonă. La tomate, auxinele endogene determină hidroliza substanţelor din endosperm, creşterea embrionului şi a plantulei. La viţa de vie conţinutul de auxine din muguri este minim în timpul repausului. Întreruperea repausului a produs o creştere a conţinutului

< 82 >

de auxine în mugurii de pin, ceea ce permite reluarea capacităţii de creştere a acestora. Auxinele stimulează formarea şi creşterea rădăcinilor. Rizogeneza butaşilor de crizanteme şi a tubero-bulbilor de Freesia a fost asociată cu creşterea auxinelor în zonele de formare a rădăcinilor. La porumb, conţinutul de auxine din frunze este maxim în timpul creşterii vegetative. La leguminoase, biosinteza auxinei din triptofan este stimulată de formarea nodozităţilor, iar la tomate, prezenţa auxinelor şi a formelor intermediare de biosinteză a acestora din triptofan a fost pusă în evidenţă în toate organele cu creştere intensă. Auxinele controlează creşterea în lungime a lăstarului la plantele lemnoase, conţinutul fiind maxim în timpul perioadei mari de creştere, precum şi creşterea în grosime, stimulând activitatea cambiului şi morfogeneza ţesutului conducător lemnos. Absorbţia AIA în lăstarii de măr testată cu H3, în H3AIA este maximă în timpul perioadei de creştere. Conţinutul de auxine creşte în flori în timpul polenizării, favorizând creşterea tubului polenic şi interacţiunea acestuia cu ovarul şi ovulul în timpul fecundării. După fecundare, embrionul seminţei reprezintă sursa de auxine care stimulează creşterea fructului. Acest fenomen a fost pus în evidenţă la porumb, la pomi şi arbuşti fructiferi. La viţa de vie conţinutul de auxină în boabe este minim în faza de pârgă; în lipsa auxinelor în urma fecundării se formează fructe fără seminţe. ¾ Giberelinele au fost descoperite de Kurosawa (1926) la plante de orez, bolnave de boala "bakane" sau boala lăstarilor lungi, produsă de ciuperca Gibberella fujikuroi. Din aceste plante Iabuta (1935) a izolat o substanţă activă pe care a denumit-o giberelină. Ulterior au fost identificate numeroase tipuri de giberelină, astfel că în prezent sunt cunoscute un număr mult mai mare. Prezenţa în plante. Giberelinele au fost identificate într-un număr mare de specii de plante, în diferite organe cum sunt vârful tulpinii şi rădăcinii, muguri, flori, seminţe în curs de germinare etc. Biosinteza giberelinelor porneşte de la un precursor numit acid mevalonic, care se transformă succesiv într-un diterpenoid triciclic numit kauren, apoi kaurenol, acid kaurenic şi acid giberelic. Procesul de sinteză necesită prezenţa ATP şi a ionilor de Mg2+ şi are loc în frunzele tinere, de < 83 >

unde giberelinele migrează în vârful rădăcinii şi al tulpinii. În aceste zone giberelinele stimulează producerea şi transportul descendent al auxinelor. Circulaţia giberelinelor în plante se face prin ţesuturile conducătoare lemnos şi liberian, cu o viteză de 5 cm/oră. Acţiuni fiziologice. La nivel celular mecanismul de acţiune al giberelinelor constă în sporirea conţinutului de auxine, atât prin stimularea biosintezei, cât şi prin frânarea degradării acestora. Astfel, giberelinele manifestă o acţiune complementară auxinelor în etapa diviziunii, dar mai ale în etapa extensiei celulare. Giberelinele stimulează biosinteza acizilor nucleici, în special ARNm, cu rol în sinteza proteinelor. Această activitate a fost pusă în evidenţă în frunzele de orz şi în mugurii tuberculilor de cartof. Cercetări recente demonstrează că la nivel celular giberelinele intensifică procesul de transcripţie. Mecanismul de acţiune al giberelinelor asupra inducţiei genelor a fost pus în evidenţă în timpul germinaţiei seminţelor de floarea soarelui. În timpul acestui proces giberelina trece din embrionul în creştere în endosperm, unde iniţiază biosinteza enzimelor hidrolizante, alfa-amilazele, proteaza, fosfataza, beta-glucanaza, ribonucleaza. Enzimele hidrolizează rezervele din endosperm, iar produşii de hidroliză sunt utilizaţi la creşterea embrionului. Acţiunea giberelinei determină mai întâi modificări la nivelul reticulului endoplasmatic şi al polizomilor ce determină sinteza alfaamilazei, urmate de creşterea conţinutului de ARN. Acţiunea fiziologică a giberelinelor este demonstrată, ca şi în cazul auxinelor, prin sporirea conţinutului endogen al acestora în timpul unor procese de creştere. Astfel, conţinutul de gibereline creşte în seminţe în timpul germinaţiei. În seminţele germinate de grâu au fost evidenţiate giberelinele G1, G3, G8, G18 şi G20 şi G92, care controlează sinteza alfa-amilazei în embrion. La fasole, conţinutul de gibereline endogene creşte în timpul germinaţiei la 3 - 4 zile după îmbibare, fiind mai ridicat în embrion şi cotiledoane. La tuberculii de cartof, conţinutul de giberelină creşte la întreruperea repausului mugurilor, fiind corelat cu ritmul de creştere al tulpinilor după plantare. La viţa de vie conţinutul giberelinei endogene este minim în < 84 >

muguri în timpul repausului profund şi creşte spre sfârşitul stării de repaus. Conţinutul de gibereline endogene creşte şi în mugurii de Salix viminalis şi Betula pubescens, la întreruperea stării de repaus. La porumb, giberelinele endogene determină alungirea tulpinilor şi mărirea conţinutului de auxină endogenă. În rădăcini au fost puse în evidenţă G1 şi G3, giberelinele stimulând activitatea enzimei nitrat – reductaza. La tomate, în timpul creşterii intense au fost puse în evidenţă numeroase tipuri de giberelină în frunze. La pomii fructiferi, giberelinele stimulează creşterea în lungime a lăstarului, conţinutul maxim fiind în timpul perioadei mari de creştere. Mecanismul de acţiune al giberelinelor constă în stimularea alungirii internodurilor. De asemenea, giberelinele stimulează activitatea cambiului şi morfogeneza ţesutului conducător lemnos. Luckwill (1970) arată că la măr giberelina sintetizată în frunze migrează acropetal în apexul lăstarului, unde stimulează transportul bazipetal a auxinelor. Aceasta intensifică activitatea metabolică şi stimulează morfogeneza noilor elemente ale lăstarului. La lalele conţinutul de giberelină este corelat cu intensitatea creşterii lăstarului florifer. În timpul înfloririi, creşterea conţinutului de gibereline în flori stimulează creşterea corolei, de exemplu la Mirabilis jalapa şi Pharbitis nil. Acumularea giberelinei are loc mai întâi în androceu, apoi în gineceu favorizând polenizarea şi fecundarea. După fecundare, giberelinele provenite din embrionul seminţei stimulează etapele iniţiale ale creşterii fructului. Giberelina nu stimulează rizogeneza datorită rolului scăzut în stimularea diviziunii celulare. ¾ Citochininele. Spre deosebire de auxine şi gibereline care au fost descoperite mai întâi în plante pe baza efectelor de stimulare a creşterii şi apoi identificate din punct de vedere chimic, citochininele au fost mai întâi sintetizate pe cale chimică, ca substanţe cu rol în stimularea diviziunii celulare. Miller (1955) a obţinut un compus numit aminopurina care a stimulat diviziunea celulară în ţesuturile calusului provenit din măduva tulpinii de tutun. Abia în 1963, Letham extrage şi purifică citochinina naturală din boabele nemature de porumb zaharat, pe care o numeşte zeatină. Ulterior au fost identificate la plante şi alte citochinine, cum este izopentenil-adenina. < 85 >

Prezenţa în plantă . Prezenţa citochininelor a fost pusă în evidenţă la o serie de plante în ţesuturi cu diviziune celulară intensă, cum sunt seminţele germinate, rădăcinile, lăstarii, fructele tinere etc. Biosinteza citochininelor se face pe baza degradării acizilor nucleici, având ca precursor acidul mevalonic. Sinteza are loc în rădăcini, de unde citochininele sunt transportate ascendent, odată cu seva brută, prin ţesutul conducător lemnos. Acţiuni fiziologice. La nivel celular, acţiunea fiziologică a citochininelor se manifestă prin stimularea diviziunii celulare. Citochininele stimulează biosinteza acizilor nucleici, în special a ARN-m, cu rol în sinteza proteinelor, stimulează biosinteza ARN-polimerazelor şi intensifică activitatea funcţională a nucleului. În citoplasmă, citochininele determină intensificarea dezvoltării reticulului endoplasmatic, sporirea numărului de ribozomi în special al polizomilor şi intensifică translaţia. În cloroplaste se formează noi grane şi lamele, iar în mitocondrii creşte numărul crestelor mitocondriale. Prin acest efect, citochininele întârzie îmbătrânirea şi provoacă întinerirea ţesuturilor. În plantă rolul citochininelor este relevat de conţinutul acestora în timpul diferitelor procese fiziologice. Astfel, conţinutul de citochinine este ridicat în seminţele în curs de germinare. La mugurii de Populus x robusta, conţinutul citochininelor este foarte scăzut în timpul repausului, dar creşte la pornirea acestora, iar la mugurii de Rosa hybrida, la ieşirea din repaus conţinutul de citochinine creşte, principala formă fiind zeatin-ribozidul şi zeatin-ribozid-monofosfatul. În frunzele tinere de Rosa hybrida a fost identificată izopentenil-adenina, iar în lăstarii tineri, produşi fosforilaţi cu rol în sinteza citochininelor. Conţinutul de citochinine este ridicat în seminţe, după fecundare, în perioada de creştere prin diviziune a fructelor. 5.3.2. Hormonii inhibitori de creştere ¾ Acidul abscisic este considerat principalul hormon cu acţiune inhibitoare asupra creşterii plantelor. În modul său de acţiune, acidul abscisic manifestă o activitate competitivă stimulatorilor de creştere, auxine, gibereline şi citochinine. În anul 1963 Addicott a descoperit o substanţă care accelerează căderea sau abscisia fructelor de bumbac, pe care a denumit-o abscisină II. < 86 >

În 1964, Wareing a descoperit o substanţă inhibitoare care induce repausul sau dormanţa mugurilor, pe care a denumit-o dormină. Prin determinarea compoziţiei chimice, aceste substanţe s-au dovedit identice, iar în anul 1967 au primit denumirea de acid abscisic. Prezenţa în plante. Acidul abscisic a fost identificat în organele vegetale la diferite specii, în legătură cu diferite procese fiziologice. Astfel, conţinutul de acid abscisic este ridicat în seminţe şi muguri în timpul stării de repaus. Acidul abscisic se acumulează în plantele anuale în perioada de îmbătrânire sau senescenţă şi determină oprirea creşterii lăstarului la plantele perene. De asemenea, produce căderea frunzelor şi stimulează coacerea fructelor. Cercetări recente demonstrează participarea acidului abscisic în mecanismele de rezistenţă a plantelor la condiţiile de stress. Biosinteza acidului abscisic are loc în frunze, având ca precursor acidul mevalonic. Circulaţia se face prin ţesutul conducător liberian, fiind mai intensă în sens descendent decât ascendent, dar uneori şi prin ţesutul conducător lemnos. Acţiunea fiziologică. La nivel celular acidul abscisic manifestă o acţiune competitivă stimulatorilor. El inhibă diviziunea şi extensia celulelor, dar favorizează diferenţierea celulară. Acidul abscisic inhibă sinteza auxinelor, giberelinelor şi citochininelor şi a acizilor nucleici, în special a ARN-m, cu rol în sinteza proteinelor. Acidul abscisic a manifestat o acţiune competitivă cu auxinele şi giberelinele în germinarea seminţelor de orz şi cu giberelinele şi citochininele în germinarea seminţelor de salată. Acţiunea competitivă cu giberelinele s-a manifestat în timpul repausului la cartof, iar cu auxinele în timpul înrădăcinării butaşilor. Acidul abscisic se acumulează în seminţele de grâu în repaus şi scade în timpul germinaţiei. De asemenea, se acumulează în mugurii în repaus de piersic, măr şi viţă de vie. Acidul abscisic favorizează coacerea fructelor de tomate, măr şi lămâi. Acidul abscisic controlează rezistenţa la secetă a cerealelor. La grâu conţinutul endogen creşte pe soluri uscate, iar la porumb menţine potenţialul de creştere al rădăcinii la stress hidric. La grâu şi porumb, acidul abscisic endogen măreşte rezistenţa la secetă prin reglarea conductanţei stomatale. < 87 >

La grâu, acidul abscisic induce acumularea 4-aminobutiratului, mecanism implicat în rezistenţa la stress, iar la porumb controlează biosinteza ARN-m şi a proteinelor specifice rezistenţei la secetă, precum şi acumularea prolinei. Acidul abscisic endogen induce rezistenţa la îngheţ la plantele de grâu favorizând acumularea de zaharuri, proteine solubile şi substanţă uscată şi protejează plantulele de porumb de degradarea provocată de răcire. La grâu, acumularea acidului abscisic a redus efectele negative ale salinităţii solului asupra producerii de substanţă uscată, a intensităţii transpiraţiei şi a conţinutului de clorofilă a şi b. La pomii fructiferi conţinutul de acid abscisic endogen controlează rezistenţa la secetă, la piersic prin micşorarea conductanţei stomatale, iar la măr prin reducerea fotosintezei şi transpiraţiei. La viţa de vie fotosinteza şi transpiraţia sunt reduse de către acidul abscisic endogen prin micşorarea conductanţei stomatale. 5.3.3. Substanţe bioactive sintetice Extragerea şi separarea hormonilor naturali din plante, purificarea şi stabilirea structurii chimice a acestora, a creat posibilitatea sintezei substanţelor hormonale sau a altor substanţe înrudite pe cale artificială. Cunoaşterea modului de acţiune fiziologică a diferitelor grupe de substanţe şi utilizarea lor în practică deschide perspectiva unei largi posibilităţi de dirijare a proceselor fiziologice la plante. După modul de acţiune, substanţele bioactive sintetice sunt stimulatori, inhibitori şi retardanţi. Primele două categorii reprezintă sinteze artificiale ale unor hormoni naturali sau a unor substanţe înrudite, iar a treia categorie reprezintă o grupă de substanţe inexistente în mod natural în plante, dar care au rol în dirijarea diferitelor procese fiziologice, în general prin întârzierea creşterii (retarder = a întârzia). ¾ Auxinele. În laborator auxina naturală a fost identificată cu acidul beta-indolilacetic. Auxinele sintetice sunt derivaţi ai indolului, naftalenului, acidului fenoxiacetic etc. Ele sunt acidul beta-indolilbutiric (AIB), acidul beta-indolilpropionic (AIP), acid alfa-naftoxiacetic (ANA), acid alfafenoxiacetic (AFA), acid 2,4-diclorfenoxiacetic (2,4-D), acid triclorfenoxiacetic (2,4,5-T).

< 88 >

2,4,5-

¾ Giberelinele naturale au fost identificate ca având în structură un schelet numit giban, la care se anexează diferite grupări laterale. Diferenţele dintre diferitele forme de gibereline constau în amploarea grupărilor hidroxilice, metilice şi carboxilice laterale, prezenţa unor duble legături şi a radicalului lactonic etc. Dintre toate formele de gibereline se utilizează mai ales GA3, acidul giberelic. ¾ Citochininele au fost sintetizate mai întăi în laborator, ca aminopurină, şi alte substanţe cu acţiune similară. Au fost identificate la plante sub formă de zeatină şi izopentenil-amino-purină. În prezent sunt utilizaţi compuşii sintetici 1-benzil-adenina (BA), 6-benzilaminopurina (BAP), 6-fenilaminopurina (FAP) şi 8-azochinetina. ¾ Acidul abscisic (ABA) a fost sintetizat pe cale chimică. În afara acestuia au fost sintetizaţi şi alţi compuşi chimici cu rol de inhibitori metabolici, cum sunt hidrazida maleică, actinomicina D, puromicina şi cloramfenicolul. Stimulatorii şi inhibitorii sintetici manifestă asupra proceselor fiziologice acţiuni similare hormonilor naturali. ¾ Retardanţii manifestă un rol fiziologic important deoarece reduc pe o anumită perioadă ritmul proceselor de diviziune şi extensie celulară în tulpini, ceea ce determină o frânare a creşterii în înălţime a plantelor. Începând din anul 1949 au fost sintetizaţi numeroşi compuşi chimici cu acţiune retardantă, care au fost experimentaţi în scopul dirijării proceselor fiziologice la plante. Cei mai utilizaţi sunt CCC, Alar, Ethrel, iar mai recent diferiţi produşii triazolici, de exemplu uniconazol, paclobutrazol şi triacontanol. Acţiunea fiziologică a retardanţilor constă în modificarea caracterelor morfo-fiziologice. Retardanţii frânează creşterea în lungime a tulpinii, mai ales prin reducerea alungirii internodurilor. De asemenea stimulează înflorirea, fructificarea şi maturarea fructelor, grăbind aceste procese. Retardanţii măresc rezistenţa plantelor la condiţiile nefavorabile; prin reducerea extensiei celulare, favorizează diferenţierea ţesuturilor, ceea ce asigură rezistenţa la temperaturi scăzute, secetă, arşiţă, salinitate, boli şi dăunători. ¾ CCC (Cycocel, clorura de clor-colină) a fost descoperită de Tolbert (1960) ca fiind clorura de (2-cloroetil) trimetil-amoniu. Este administrat la < 89 >

plante prin stropiri foliare sau ca îngrăşământ în sol. Eficacitatea maximă este obţinută prin tratamente extraradiculare. În sol persistă numai 3-4 săptămâni, fiind descompus treptat datorită activităţii microorganismelor. Acţiunea fiziologică a CCC constă în inhibarea creşterii în lungime a tulpinii şi lăstarilor prin acţiunea antiauxinică şi antigiberelinică. CCC inhibă biosinteza auxinei şi giberelinei endogene, inactivează prin descompunere auxinele aplicate exogen şi reduce activitatea enzimatică. ¾ Alar-85 (B-9, SADH, daminozid) a fost descoperit de Dahlgren şi Simmerman (1963) ca fiind acidul N-dimetil-amino-succinamic. Este administrat la plante prin stropiri foliare, într-o gamă foarte largă de concentraţii (100-5.000 ppm). Prin aplicare în sol duce la unele efecte de toxicitate. Acţiunea fiziologică constă de asemenea în frânarea creşterii lăstarilor şi stimularea diferenţierii florale, a fructificării, dar şi a diferenţierii ţesuturilor. ¾ Ethrel (Ethephon, CEPA) a fost descoperit în 1967 ca fiind acidul 2 cloro-etil-fosfonic. Este administrat la plante prin stropiri foliare cu soluţii apoase. Acţiunea fiziologică constă în frânarea creşterii în lungime a tulpinii şi lăstarilor, dar şi stimularea înfloririi, fructificării şi maturării fructelor pe baza descompunerii în etilen. Ethrelul are acţiune antigiberelinică, inhibă biosinteza şi translocarea şi grăbeşte degradarea giberelinelor. ¾ Compuşii triazolici au fost descoperiţi în anii '80, fiind substanţe ce conţin heterociclii cu azot. Cei mai cunoscuţi sunt paclobutrazolul, uniconazolul şi triapentenolul. ¾ Paclobutrazol (PP - 333) a fost descoperit de Lever şi colab. (1982). ¾ Uniconazol (S - 33007) a fost descoperit de Izumi şi colab. (1984). ¾ Triapentenol (RSW - 0411) a fost descoperit de Laerssen şi Reiser (1987). Acţiunea fiziologică a acestor compuşi constă de asemenea în reducerea creşterii tulpinii şi lăstarului, stimularea fructificării şi a rezistenţei plantelor la condiţiile de stress. Mecanismul de acţiune constă în special în activitatea antigiberelinică, prin blocarea biosintezei giberelinei endogene. Spre deosebire de compuşii de tip CCC care blochează biosnteza giberelinei înainte de kauren, compuşii triazolici inhibă reacţiile oxidative dintre kauren şi acidul kaurenoic. < 90 >

CAPITOLUL 6 DEZVOLTAREA PLANTELOR 6.1. CARACTERISTICILE CICLULUI DE DEZVOLTARE Dezvoltarea este procesul de evoluţie individuală a plantelor care asigură reproducerea şi se încheie cu înflorirea şi fructificarea. Spre deosebire de creştere, care este un proces cantitativ, dezvoltarea este un proces calitativ. Succesiunea de transformări morfologice, anatomice şi fiziologice realizate de către plantă în timpul creşterii şi dezvoltării constituie ciclul de dezvoltare sau ciclul ontogenetic al plantelor. Etapele ciclului de dezvoltare sunt etapa vegetativă şi etapa generativă, care se încheie cu îmbătrânirea şi moartea plantei. Etapa vegetativă sau de creştere este denumită şi faza juvenilă. Plantele nu sunt capabile să înflorească imediat după germinare, ci trebuie să treacă prin faza juvenilă. În această fază planta este aprovizionată din mediu cu substanţe nutritive şi energie, care asigură şi sunt suficiente pentru creştere. Planta realizează astfel funcţia de nutriţie, pentru individ. Wareing (1987) arată că faza juvenilă pare a da un avantaj adaptativ plantei, prin întârzierea reproducerii sexuale până ce este atinsă o anumită mărime. Desfăşurarea fazei juvenile este foarte variabilă între specii şi soiuri. Astfel, la Chenopodium album durează 4-5 zile după germinare, în timp ce la arbori durează câţiva ani, de exemplu 10-25. La orez, durata fazei juvenile diferă între soiuri, de la 10 la 85 de zile după germinare. La soia unele soiuri nu au fază juvenilă cotiledoanele fiind sensibile la fotoperioadă pentru inducţia florală, în timp ce alte soiuri au o lungă fază juvenilă. Etapa generativă sau de reproducere este denumită şi faza de maturitate. Faza juvenilă este delimitată de faza de maturitate prin procesul de înflorire. Trecerea plantei la înflorire necesită, pe lângă aprovizionarea cu substanţe nutritive şi energie, şi un aport de informaţie din mediu, manifestat de acţiunea factorilor climatici, temperatura şi lungimea zilei. < 91 >

Prin aceasta se realizează proiecţia genotipului fiecărei specii în condiţiile ecologice ale zonelor de origine, condiţii absolut indispensabile funcţiei de reproducere, pentru specie. Mecanismul de acţiune al factorilor climatici locali asupra genotipului, din care rezultă adaptarea diferitelor specii la un anumit ambient este încă puţin cunoscut. Din această cauză, trecerea plantelor la înflorire este considerată " unul dintre cele mai dramatice şi misterioase procese din ontogenia plantelor". 6.2. ETAPELE ÎNFLORIRII PLANTELOR Înflorirea plantelor sau anteza cuprinde inducţia şi iniţierea florală, formarea şi maturizarea părţilor reproducătoare (polen şi ovul) şi dezvoltarea florală. ¾ Inducţia florală reprezintă totalitatea transformărilor metabolice, biochimice şi fiziologice ce caracterizează trecerea plantelor de la etapa vegetativă la cea generativă. ¾ Iniţierea florală este ansamblul transformărilor morfologice pe care le suferă meristemul vegetativ în cursul transformării sale în floare sau inflorescenţă, din care apar primordiile florale de sepale, petale, androceu şi gineceu. Inducţia şi iniţierea florală formează la un loc procesul de diferenţiere florală, care este desăvârşit prin formarea părţilor reproducătoare. ¾ Dezvoltarea florală constă în extensia primordiilor florale, maturizarea elementelor sexuale şi înflorirea propriu-zisă. 6.3. INFLUENŢA FACTORILOR EXTERNI ASUPRA ÎNFLORIRII 6.3.1. Temperatura Trecerea plantelor de la etapa vegetativă la etapa generativă este condiţionată de acţiunea temperaturilor scăzute pozitive. Acest fenomen a fost denumit vernalizare sau iarovizare (vernus, iarovoi = de primăvară). Fenomenul de vernalizare a fost descris pentru prima dată de Klippart (1852) la cerealele de toamnă, de exemplu grâu, secară, ovăz, care nu < 92 >

înspică semănate primăvara, numai dacă seminţele sunt expuse la temperaturi scăzute. Cercetările ulterioare au pus în evidenţă cerinţa de temperaturi scăzute atât la plantele anuale, cât şi la cele bienale şi perene. Vernalizarea plantelor anuale este evidentă la plantele anuale de toamnă, care germinează la sfârşitul toamnei, sunt vernalizate în acest stadiu şi rezistă peste iarnă sub formă de plantule. Din această categorie fac parte cerealele de toamnă. Astfel, grâul, ovăzul şi secara de toamnă necesită pentru vernalizare o temperatură de 00-70C. Durata vernalizării depinde de originea diferitelor soiuri. La grâu, soiurile nordice, originare din Suedia, necesită 70-80 zile, în timp ce soiurile sudice, originare din Italia, necesită numai 25-30 zile de vernalizare. Ovăzul de toamnă poate înspica dacă este semănat primăvara numai dacă seminţele germinează la temperatura de 00C. Secara de toamnă semănată primăvara în seră, la temperatura de 180C, înspică numai în faza de 20-25 de frunze; dacă seminţele germinează la 20C, înspicarea are loc în faza de 7 frunze, la fel ca şi la secara de primăvară. Prin vernalizare, forma de toamnă devine formă de primăvară. Plantele legumicole şi floricole anuale necesită pentru a înflori temperaturi scăzute în primele faze ale creşterii. Acestea sunt asigurate prin germinaţia seminţelor la temperaturi de 180-200C, urmată de o păstrare a plantelor în răsadniţe sau sere reci, în lunile februarie-martie înainte de plantarea în câmp. La mazăre şi linte vernalizarea seminţelor grăbeşte înflorirea şi fructificarea, iar la tomate vernalizarea plantulelor după apariţia cotiledoanelor, de asemenea grăbeşte procesul de dezvoltare. La garoafele anuale, germinaţia seminţelor are loc la 180- 200C, dar imediat după germinare este necesară o expunere la temperatura de 150C. Vernalizarea plantelor bienale este evidentă la plantele care îşi desfăşoară perioada vegetativă în primul an, intră în iarnă în formă avansată de creştere şi sunt vernalizate în acest stadiu. Din această categorie fac parte plantele legumicole varza, morcovul, ţelina şi sfecla. Varza şi sfecla formează în primul an o rozetă de frunze. În timpul iernii, are loc procesul de vernalizare, iar în al doilea an se formează tulpina floriferă în condiţii de 14 ore de lumină pe zi. La unele soiuri de morcov, vernalizarea are loc în

< 93 >

faza de seminţe, iar la alte soiuri este influenţată de rezervele nutritive din rădăcini. Plantele bienale floricole necesită pentru a înflori temperaturile scăzute asigurate în timpul iernii. Speciile bienale de Bellis, Cheiranthus, cultivate în primul an în pepiniere se plantează la locul definitiv în câmp toamna sau primăvara devreme. La Dianthus barbatus, formarea mugurilor floriferi necesită o perioadă de răcire sub 140C, până la mijlocul lunii decembrie; fără acest tratament mugurii rămân vegetativi. La Cineraria, temperatura optimă de vernalizare pentru inducţia florală este de 100C, iar durata optimă de expunere la 60C este de 2-3 săptămâni. Pentru a fi capabile să perceapă stimulul de vernalizare plantele anuale şi bienale trebuie să depăşească o fază de insensibilitate, numită juvenilă şi să intre într-o fază de sensibilitate numită de competenţă. La cerealele de toamnă, sensibilitatea la vernalizare apare încă la seminţele nemature. La secară, vernalizarea poate avea loc la 5 zile de la înflorire, când embrionul are numai 8 celule. La plantele bienale faza de competenţă poate apare după formarea de 6-7 frunze la Cineraria, după 7 săptămâni de la germinaţie la Lunaria şi după 4 luni de la germinaţie la Campanula. Acţiunea temperaturii scăzute la plantele perene. Plantele perene parcurg iarna în starea de repaus, sub formă de muguri pe ramuri, colet sau tulpini subterane. Înflorirea lor este bienală, deoarece în primul an are loc inducţia şi iniţierea florală, iar în al doilea an înflorirea propriu-zisă. Înflorirea propriu-zisă nu se realizează în condiţii optime dacă mugurii floriferi nu au suferit acţiunea temperaturilor scăzute din timpul iernii. Aceasta favorizează formarea organelor reproducătoare şi întreruperea repausului mugurilor în primăvară. La unele graminee perene ca Lolium perenne, Dactylis glomerata, Poa pratensis, înflorirea este condiţionată de acţiunea temperaturii scăzute. La aceste plante, vernalizarea are loc numai la nivelul lăstarului principal care înfloreşte, în timp ce lăstarii laterali asigură perenitatea plantei. La Dahlia, cea mai bună înflorire este asigurată de păstrarea rădăcinilor tuberizate la 60-90C, iar la Canna păstrarea rizomilor la 90C favorizează şi grăbeşte înflorirea. La gladiole întreruperea repausului mugurilor floriferi se face numai după o expunere la frig, la temperaturi de 00-50C, iar la Rhododendron organogeneza florală se face în lunile iulie-august la < 94 >

temperatura de 180-200C, după care plantele necesită expunerea la temperaturi scăzute pentru a înflori. Pomii fructiferi necesită cca. 50 de zile de temperaturi între 00 şi 100C pentru a-şi întrerupe repausul mugurilor şi a înflori. Perceperea şi transmiterea stimulului de vernalizare. Cercetările experiemntale au arătat că zona de percepere a acţiunii temperaturilor scăzute este reprezentată de ţesuturile meristematice din embrionul seminţei sau de meristemele active de pe tulpină. S-a dovedit că embrionul de secară poate fi vernalizat şi în absenţa endospermului, dacă este cultivat pe un mediu nutritiv ce conţine zaharuri. Transmiterea stării de vernalizare în ţesuturile meristematice se face de la celula mamă la celule fiice prin diviziune celulară, iar la planta întreagă prin altoire. Transmiterea stării de vernalizare prin altoire a fost obţinută la varză, sfeclă şi morcov. Exemplarele nevernalizate de la aceste specii înfloresc după altoire pe exemplare înflorite sau pe specii care nu necesită vernalizare. Starea de vernalizare nu se transmite prin altoire la unele plante floricole, de exemplu crizantema. După terminarea vernalizării plantele au o reacţie fotoperioadică de zi lungă. Mecanismul veranalizării presupune o serie de modificări citologice, fizico-chimice şi fiziologice în ţesuturile care percep acţiunea temperaturilor scăzute. Cercetări citologice efectuate la cerealele de toamnă în timpul vernalizării demonstrează o creştere în volum a nucleului celular, mai ales în coleoptil şi în frunzele tinere. Creşte numărul de nucleoli şi mitocondrii. În celulele în diviziune predomină etapele de profază şi pre-profază. Din punct de vedere fizico-chimic, la seminţele de grâu de toamnă în cursul vernalizării are loc o scădere a pH-ului celular de la 6 la 5, o intensificare a proceselor oxido-reducătoare şi o creştere a permeabilităţii protoplasmeni pentru apă şi elemente minerale. Din punct de vedere fiziologic, mecanismul vernalizării are un determinism trofic şi hormonal. Determinismul trofic are la bază o intensă activitate enzimatică, în special hidrolizantă. În seminţele vernalizate are loc o scădere a conţinutului de polizaharide şi o creştere a conţinutului de zaharuri solubile. În plantulele vernalizate apare o intensă sinteză de amidon de tranziţie, iar în plantele vernalizate are loc o scădere a conţinutului de glucide din frunze. De < 95 >

asemenea, în seminţele vernalizate de grâu dispar incluziunile lipidice, scade conţinutul şi greutatea moleculară a acizilor graşi. Grăuncioarele de aleuronă sunt solubilizate, ceea ce duce la creşterea conţinutului de proteine solubile. În frunzele plantelor vernalizate creşte mobilitatea proteinelor şi conţinutul de aminoacizi. Determinismul hormonal a fost sesizat de Melchers încă din 19361939. El presupune că în timpul vernalizării, sub acţiunea temperaturii scăzute în plante este sintetizat un hormon cu rol în formarea florilor, numit vernalină. Formarea şi acţiunea vernalinei a fost demonstrată prin vernalizarea plantelor nevernalizate atunci când au fost altoite în apropierea vârfului vegetativ al unei plante vernalizate. Experienţele au dovedit că acest hormon nu este specific, ci are o acţiune inductivă interspecifică şi intergenerică. Natura chimică a acestei substanţe nu a fost încă determinată. Cercetările ulterioare demonstrează că vernalizarea provoacă o creştere considerabilă a precursorilor auxinelor, de exemplu aminoacidul triptofan, urmată de o creştere a conţinutului de auxine endogene libere. La grâu, acumularea auxinelor libere are loc în primele 6 zile de vernalizare, după care urmează scăderea acestora şi acumularea auxinelor legate. Aplicarea auxinelor exogene interferează cu acţiunea temperaturilor scăzute. Astfel, la ovăzul de toamnă, tratamentul cu ANA accelerează vernalizarea în cursul tratamentului cu temperaturi scăzute, iar la varză şi mazăre, tratamentul cu AIA este sinergic temperaturilor joase. Experienţele de aplicare a giberelinelor exogene în timpul tratamentului cu temperaturi scăzute demonstrează participarea acestor substanţe în procesul de vernalizare. Tratamentul cu giberelină la secară în faza de plantulă determină o diferenţiere mai rapidă a spicului. Sfecla şi varza pot fi vernalizate la o temperatură mai ridicată în prezenţa giberelinelor. Giberelinele pot provoca înflorirea în absenţa temperaturilor scăzute la unele specii floricole bienale, cum sunt Digitalis purpurea şi Campanula medium. Se presupune că vernalizarea favorizează creşterea conţinutului de gibereline în plante. La Geum urbanum, cerinţa de vernalizare poate fi înlocuită prin aplicarea citochininelor sau prin suprimarea mugurelui apical. Aceasta demonstrează că vernalizarea diminuează dominanţa apicală prin sinteza citochininelor. < 96 >

Conform teoriei lui Chouard (1960), însuşirea plantelor de a reacţiona la tratamentul cu temperaturi joase este determinată genetic. la unele specii acţiunea temperaturilor scăzute în stimularea înfloririi poate fi înlocuită de o fotoperioadă scurtă, de exemplu la secară şi Campanula medium. Cunoaşterea cerinţelor de vernalizare la diferite genotipuri ale unei specii prezintă o deosebită importanţă practică în zonarea diferitelor soiuri în cultură. 6.3.2. Lumina Lumina manifestă o acţiune importantă asupra înfloririi plantelor prin durata de iluminare din timpul zilei, prin calitatea şi intensitatea luminii. ¾ Fotoperiodismul este reacţia plantelor la o anumită lungime a perioadei de iluminare din timpul zilei, numită fotoperioadă. În procesul de dezvoltare, fotoperiodismul este fenomenul prin care plantele înfloresc numai după ce au suferit o anumită durată de timp acţiunea unei anumite fotoperioade, respectiv o anumită inducţie fotoperiodică. Fotoperiodismul este caracteristic în special plantelor ierboase. Primele dovezi experimentale referitoare la efectul lungimii zilei asupra înfloririi au fost date de Tournois (1912) la plante de cânepă, la care înflorirea se face numai după expunere la o zi scurtă, cu o durată de iluminare de 6 ore/zi. Kleps (1913) arată că dimpotrivă, Sedum funckii înfloreşte numai în luna iunie, când ziua este lungă. Termenul de fotoperiodism este creat de Garner şi Allard (1920). Ei arată că plantele de tutun cu frunze mari, soiul Maryland mammouth, înfloresc numai în seră toamna, în condiţii naturale de zi scurtă. Dacă plantele sunt tratate artificial în timpul verii cu zi scurtă, înflorirea are loc şi în acest sezon. Durata de lumină a zilei a fost denumită fotoperioadă. În funcţie de acţiunea lor asupra înfloririi, fotoperioadele pot fi inductive, care determină înflorirea şi neinductive, care menţin starea vegetativă. Acţiunea fotoperioadei asupra înfloririi. În funcţie de reacţia fotoperiodică plantele se împart în 5 grupe. n Plantele de zi scurtă înfloresc numai după o expunere la o fotoperioadă scurtă, de 6-12 ore/zi. Dintre plantele de cultură, din această grupă fac parte specii de origine sudică, de exemplu porumbul, orezul, sorgul, meiul, soia, fasolea, alunele de pământ, trestia de zahăr şi cânepa, iar < 97 >

dintre plantele furajere Coronilla varia şi Setaria italica. Dintre plantele floricole, din această grupă fac parte plantele care înfloresc toamna (cu înflorire autumnală), de exemplu Dahlia, Chrysanthemum şi alte specii originare din zone sudice. Experienţele efectuate la Rudbeckia bicolor arată că inducţia fotoperiodică se face prin expunere la o fotoperioadă de 8 ore, iar la Chrysanthemum indicum înflorirea este stimulată de fotoperioada de 7 ore. o Plantele de zi lungă înfloresc numai după o expunere la o fotoperioadă lungă, de 14-18 ore/zi. Dintre plantele de cultură, din această grupă fac parte grâul, orzul, ovăzul, secara, hrişca, mazărea, lintea, sfecla de zahăr, ricinul, inul, hameiul, dintre legume spanacul, muştarul alb, mărarul, ridichia, iar dintre plantele furajere lucerna, trifoiul, Melilotus albus, Lolium perenne, Phleum pratensis, Bromus inernis, Vicia sativa, Alopecurus pratensis. Dintre plantele floricole, din această grupă fac parte plantele care înfloresc în timpul verii (cu înflorire estivală), de exemplu Phlox, Petunia, Dianthus şi alte specii originare din zona temperată. În diferite experienţe la plante ornamentale, în scopul obţinerii unei înfloriri eşalonate în tot timpul anului s-a încercat inducerea înfloririi la plantele de zi lungă în timpul iernii pe cale artificială, prin iluminarea suplimentară, folosind lămpi de sodiu de înaltă presiune. La Petunia hybra iluminarea suplimentară la 24 ore/zi a scăzut timpul de înflorire faţă de tratamentul cu fotoperioadă scurtă de la 105 la 66 zile, iar la Rosa cultivată în seră, iradierea suplimentară la 20 ore/zi a stimulat pornirea mugurilor şi a crescut numărul de flori. p Plantele neutre sau indiferente înfloresc independent de lungimea fotoperioadei. Dintre plantele de cultură, din această categorie fac parte floarea soarelui, bumbacul şi tutunul, iar dintre legume tomatele şi castraveţii. Dintre plantele floricole, din această grupă fac parte specii exotice, ca Aloe bulbifera, dar şi plantele care înfloresc primăvara (cu înflorire vernală), de exemplu Scilla bifolia şi Narcissus pseudonarcissus. Aceste plante, deşi înfloresc în condiţii de zi scurtă la începutul primăverii, sunt indiferente din punct de vedere fotoperiodic, deoarece în condiţii artificiale înfloresc şi în zi lungă; înflorirea lor este condiţionată numai de acţiunea temperaturilor scăzute. Garoafa este la origine o plantă de zi lungă, înflorind numai vara. În < 98 >

momentul de faţă, garoafa este considerată insensibilă sau indiferentă la fotoperioadă, înflorind tot timpul anului. Ameliorarea garoafei în scopul obţinerii unor culturi continue a fost posibilă deoarece s-a arătat că fotoperioada nu influenţează iniţierea florală; intensitatea ridicată a luminii în timpul verii stimulează însă dezvoltarea florală. q Plantele de zi lungă - zi scurtă. Unele specii necesită pentru a înflori fotoperioade lungi, urmate de fotoperioade scurte. Chiar la unele specii şi soiuri de crizanteme, plantatul devreme, în luna iunie sau expunerea plantelor la condiţii de zi lungă timp de 30 zile la 2 luni după plantare, a stimulat formarea florilor, mărimea şi greutatea florii. r Plantele de zi scurtă - zi lungă. Alte specii necesită pentru a înflori fotoperioade scurte urmate de fotoperioade lungi, de exemplu: Campanula medium şi Cineraria. Reacţia fotoperiodică a plantelor poate fi calitativă, când plantele nu înfloresc deloc în fotoperioada neinductivă şi cantitativă, când plantele înfloresc şi în fotoperioade neinductive, dar cu mare întârziere şi prezintă numeroase modificări morfologice. Astfel, crizantemele care înfloresc tot anul în ţările tropicale formează calatidii mici, cu piese florale deformate. Modificarea numărului pieselor florale este produsă de variaţii fotoperiodice la o serie de plante, de exemplu Dianthus carthusianorum şi trandafir. Numărul fotoperioadelor inductive poate fi diferit şi anume: la plantele de zi lungă există de obicei o singură fotoperioadă inductivă, în timp ce la plantele de zi scurtă poate exista o singură fotoperioadă inductivă la Oryza sativa, 3 la soia, 4 la cânepă, 12 la crizanteme, 15 - 20 la Cineraria, 25 la Plantago lanceolata. Diferite etape ale înfloririi necesită un număr diferit de fotoperioade inductive. Numărul fotoperioadelor inductive necesare iniţierii florale este mai redus decât al celor necesare dezvoltării florale. Astfel, la Chrysanthemum sunt necesare 15 fotoperioade inductive pentru iniţierea florală şi 25-28 pentru dezvoltarea florală. Unele specii sunt sensibile la acţiunea fotoperioadei atât pentru iniţierea, cât şi pentru dezvoltarea florală. La soia iniţierea florală are loc în condiţii de fotoperioadă lungă, iar dezvoltarea florală în condiţii de fotoperioadă scurtă. Alte specii prezintă sensibilitate fotoperiodică numai pentru iniţierea florală, de exemplu porumbul. La grâu, perioada de la iniţierea florală la anteză este prelungită de condiţiile de zi scurtă. < 99 >

Acţiunea perioadei de întuneric asupra înfloririi. Cercetările experimentale arată că înflorirea depinde nu numai de lungimea perioadei de lumină a zilei ci şi de perioada de întuneric a nopţii din intervalul de 24 ore al unei zile. Plantele de zi lungă necesită o perioadă scurtă de întuneric, fiind denumite şi plante de noapte scurtă, iar plantele de zi scurtă necesită o perioadă lungă de întuneric, fiind denumite şi plante de noapte lungă. Aceste plante nu înfloresc dacă perioada de întuneric este întreruptă de o scurtă perioadă de lumină, dar înfloresc, dacă o perioadă lungă de lumină este întreruptă de o perioadă scurtă de întuneric. Diferiţi autori consideră că fotoperioadele de lumină şi întuneric acţionează împreună. Alţi autori au remarcat că în fotoperiodism acţionează mai mult lungimea nopţii decât cea a zilei. Întreruperea perioadei de întuneric la soia, plantă de zi scurtă, cu o lumină albă sau roşie timp de 2 minute sau chiar 12 secunde, inhibă înflorirea, în timp ce întreruperea perioadei de întuneric la orz, plantă de zi lungă stimulează înflorirea. Întreruperea are eficienţă maximă după primele 8 ore de întuneric în timpul nopţii de 10, 12, 16 sau 20 de ore şi este puţin eficientă înainte de 3-4 ore şi după 16-20 de ore de întuneric. La plantele de zi scurtă, reacţiile de întuneric prezintă trei tipuri: reacţii care se petrec în primele 2-3 ore ale nopţii lungi; reacţii care se petrec în prima jumătate a nopţii şi reacţii care au loc în a doua jumătate a nopţii. Lungimea perioadei de întuneric determină la plante o acţiune calitativă, şi anume iniţierea primordiilor florale, în timp ce lungimea perioadei de lumină determină o acţiune cantitativă, şi anume numărul primordiilor florale. Acţiunea temperaturii asupra reacţiei fotoperiodice. La diferite specii ornamentale floricole, acţiunea fotoperioadei în stimularea diferenţierii florale se manifestă în relaţie cu vernalizarea. La cicoare (Cichorium intybus), stimularea iniţierii florale sub acţiunea zilei lungi nu poate avea loc decât după o expunere anterioară la vernalizare, timp de 4-6 săptămâni la o temperatură de 50C. Se presupune că vernalizarea sensibilizează plantele de zi lungă prin sinteza unui precursor al hormonului de înflorire. La cerealele de toamnă, cerinţele de vernalizare pot fi înlocuite de zile scurte, ele devenind plante de zi scurtă - zi lungă.

< 100 >

La alte specii reacţia fotoperiodică se modifică sub influenţa temperaturii ridicate. Astfel, Ipomoea purpurea, la temperatura de 130C este plantă de zi lungă, la 170-180C este indiferentă, iar la 210-250C este plantă de zi scurtă. Euphorbia pulcherrima la 130C este plantă de zi lungă, la 170180C este plantă de zi scurtă, iar la 210-250C nu înfloreşte. Perceperea excitaţiei fotoperiodice este realizată de către frunze, în care ia naştere un stimul fotoperiodic. Acesta este transportat în vârful vegetativ, unde declanşează inducţia şi iniţierea florală. Stimulul fotoperiodic este un mediator chimic, numit iniţiator floral endogen sau florigen. Excitaţia fotoperiodică este percepută nu numai de frunza întreagă, ci şi de porţiuni din suprafaţa limbului. Acest fapt a fost demonstrat prin experienţe efectuate pe Perilla ocymoides, plantă de zi scurtă. La două plante cu o singură frunză, o jumătate a limbului a fost expusă la condiţii de zi scurtă, iar cealaltă la condiţii de iluminare continuă. După 15 zile la una din plante s-a îndepărtat jumătatea expusă la zi scurtă, iar la cealaltă jumătatea expusă la lumină continuă. Pe tulpinile secţionate a fost altoit vârful unei plante de Perilla crescută în lumină continuă. Se constată că dintre cele două plante, altoiul înfloreşte numai la cea la care a fost păstrată jumătatea limbului expusă anterior la zi scurtă. La plantele perene lemnoase, arbori şi arbuşti înflorirea este bienală. Acţiunea fotoperioadei asupra înfloririi poate fi considerată prin efectul acesteia asupra creşterii. În primul an, fotoperioada lungă stimulează creşterea vegetativă în prima jumătate a sezonului de vegetaţie. Sub acţiunea fotoperioadei scurte, în a doua jumătate a sezonului de vegetaţie are loc încetarea creşterii, cea ce favorizează inducţia şi iniţierea florală. Diversele tipuri de cerinţe de mediu pentru înflorire sunt legate de condiţiile de mediu în care plantele de cultură au evoluat şi la care sau adaptat. Roberts şi Summerfield (1985) arată că cele mai multe plante de cultură originare din climatul temperat, sunt de zi lungă sau indiferente, cu sau fără cerinţe de vernalizare, iar cele de origine tropicală sunt de zi scurtă sau indiferente, fără cerinţe de vernalizare. Excepţie fac soia şi ceapa care sunt plante de zi scurtă, provenite din climatul temperat. În climatul temperat ziua lungă este sincronizată cu cea mai ridicată radiaţie solară şi temperatură favorabilă, pe care le utilizează pentru înflorire şi fructificare. În climatul tropical, sezonul ploios favorabil se termină la < 101 >

sfârşitul verii şi este urmat de sezonul uscat, nefavorabil. În aceste condiţii, ziua scurtă favorizează înflorirea şi fructificarea înaintea sezonului nefavorabil. În climatul temperat unde apa nu este un factor litant, ziua scurtă favorizează înflorirea şi fructificarea înaintea îngheţului de toamnă şi iarnă. Astfel, răspunsul de înflorire al plantelor la diferite lungimi ale zilei poate fi considerat o sofisticată strategie de adaptare la mediu. ¾ Calitatea luminii. Fotoperiodismul este controlat de energia luminoasă din zona de roşu sau infraroşu a spectrului. Efectul cel mai puternic asupra înfloririi îl are lumina roşie (660 nm). Ea este la fel de eficientă ca şi lumina albă în inhibarea înfloririi la plantele de zi scurtă şi în stimularea înfloririi la plantele de zi lungă, dacă este dată la mijlocul perioadei de întuneric. Aceste efecte sunt anulate dacă imediat după lumina roşie este dată o iluminare de câteva minute de lumină infraroşie sau roşu îndepărtat (730 nm). Această comportare se explică prin participarea pigmentului fitocrom, care controlează înflorirea atât la plantele de zi scurtă, cât şi la cele de zi lungă. Fitocromul există în două forme şi anume P660 şi P730, care se transformă una în alta. P660 este inactiv, iar P

730

este activ fiziologic. În

timpul zilei, P730 se acumulează în plantă şi stimulează înflorirea plantelor de zi lungă, dar o inhibă la plantele de zi scurtă. În timpul nopţii P730 se transformă în P660, care stimulează înflorirea la plantele de zi scurtă şi o inhibă la cele de zi lungă. Fitocromul acţionează ca un mediator în transmiterea influenţei luminii asupra reglării activităţii genelor. În acelaşi timp, s-a constatat că lumina roşie măreşte conţinutul de gibereline în frunze. Cercetările efectuate la măr au arătat că diferenţierea florilor este favorizată de lumina roşie şi inhibată de lumina albastră. ¾ Intensitatea luminii prezintă un rol deosebit asupra înfloririi. Combes (1910) a arătat că la numeroase specii de plante, la intensitate luminoasă ridicată se formează cele mai multe flori, iar înflorirea este grăbită. La intensitate luminoasă scăzută înflorirea este redusă şi este împiedicată formarea polenului, ovulelor şi gametogeneza. Sensibilitatea plantelor la intensitatea luminii îşi are originea în condiţiile ecologice ale

< 102 >

zonelor de origine şi explică sterilitatea unor specii sudice în climatul nordic. La plantele floricole scăderea intensităţii luminii produce avortarea şi căderea florilor. La Rosa hybrida, umbrirea în timpul zilei a scăzut numărul de muguri florali şi de inflorescenţe; fenomenul este redus prin micşorarea perioadei de umbrire. La Rhododendron, umbrirea cu 30 % a redus înflorirea la 69,6%, iar umbrirea cu 60 % a redus înflorirea la 12%. La plantele pomicole intensitatea luminii favorizează înflorirea ca sursă de energie. La merii tineri, umbrirea până la 37, 25 şi 11 % din intensitatea luminii solare a redus înflorirea cu 40, 56 şi respectiv 79 % comparativ cu pomii neumbriţi. Rezultate similare au fost obţinute la cais şi păr. Aceste rezultate pledează pentru respectarea unei densităţi optime de semănat la plantare sau pentru utilizarea unor forme de coroană care să asigure intensitatea luminoasă necesară înfloririi. Intensitatea luminoasă prea ridicată în zonele sudice determină efecte negative la plante, care duc la căderea frunzelor şi uscarea lăstarilor şi respectiv la reducerea diferenţierii florale, de exemplu la arborii de cafea, de cacao sau de vanilie. Pentru a evita acest efect sunt utilizate culturi intercalate cu bananier, care micşorează intensitatea luminoasă prin umbrire. S-a arătat că zona de percepere a acţiunii intensităţii luminii este frunza. Scăderea intensităţii luminii micşorează intensitatea fotosintezei şi transportul asimilatelor şi perturbă gametogeneza şi înflorirea plantelor. 6.4. INFLUENŢA FACTORILOR INTERNI ASUPRA ÎNFLORIRII Înflorirea plantelor are un determinism trofic şi un determinism hormonal. 6.4.1. Determinismul trofic Determinismul trofic este reprezentat de nutriţia minerală, conţinutul de glucide şi conţinutul de apă. ¾ Nutriţia minerală. Rolul azotului. Determinismul trofic al înfloririi este susţinut de teoria raportului C/N, emisă de Klebs (1903). Conform acestei teorii, predominarea glucidelor în plante favorizează înflorirea, iar < 103 >

predominarea compuşilor cu N favorizează creşterea vegetativă şi împiedică înflorirea. Kraus şi Kraybill (1918), în experienţe efectuate la tomate precizează că înflorirea este stimulată de un raport ridicat C/N, în condiţiile unei doze moderate de azot. Atât dozele reduse cât şi dozele ridicate de N au efect negativ asupra înfloririi. Aplicarea fertilizării cu azot stimulează înflorirea la diferite specii. Cercetări experimentale la diferite plante cultivate au arătat că atunci când este aplicat în doze şi momente potrivite, azotul favorizează formarea organelor vegetative, în special a aparatului fotosintetic. Fotosinteza este sursa de compuşi cu carbon, în special glucide, necesare iniţierii florale. La grâu şi orez, fertilizarea cu doze moderate de N măreşte numărul de spiculeţe şi flori. La diferite specii a fost demonstrată corelaţia pozitivă dintre gradul de dezvoltare a aparatului foliar şi înflorire. Astfel, fertilizarea cu azot a sporit numărul de frunze şi calitatea florilor la Dahlia variabilis, precum şi producerea de inflorescenţe la gladiole. La trandafir, formarea florilor este stimulată de conţinutul de N din mediu. La pomii fructiferi, aplicarea îngrăşămintelor cu N favorizează înflorirea. Cea mai favorabilă perioadă de fertilizare este vara. Efectul formelor de azot este diferit. La plantele lemnoase azotul nitric stimulează înflorirea prin mărirea conţinutului de aminoacizi arginină şi lizină, în timp ce azotul amoniacal inhibă înflorirea prin mărirea conţinutului de proteine. La pomii fructiferi, de exemplu mărul şi părul, iniţierea florală a fost asociată cu creşterea conţinutului de azot solubil în plante, în special aminoacizii arginina, lizină, acid asparagic, acid glutamic şi glutamina şi a conţinutului de acizi nucleici, în special ADN în muguri. Atherton şi colab., (1998) au studiat formele de proteine la Cineraria în timpul trecerii de la faza juvenilă la faza de competenţă în care plantele sunt capabile să reacţioneze la stimulii care induc iniţierea florală şi anume vernalizarea şi fotoperioada scurtă. În timpul fazei juvenile au fost identificate două forme de proteine, numite juvenile, care dispar în timpul trecerii la faza de competenţă, fiind înlocuite cu alte două tipuri de proteine numite mature sau competente. Proteinele juvenile acţionează ca inhibitori, iar proteinele competente ca stimulatori ai genelor înfloririi. Se presupune

< 104 >

că proteinele competente ar avea şi o funcţie metabolică, enzimatică, favorizând aprovizionarea cu glucide a apexului. Rolul fosforului. Datorită acţiunii sale morfogenetice, fosforul stimulează atât morfogeneza organelor vegetative (frunze, rădăcini), cât şi iniţierea florală. La lalele, fertilizarea cu fosfor a stimulat morfogeneza foliară şi florală, la trandafiri formarea rădăcinilor şi diferenţierea florală, iar la gladiole a stimulat înflorirea şi a sporit cantitatea şi calitatea producţiei de flori. Datorită rolului său în iniţierea florală, invers celui manifestat de excesul de azot, s-a emis teoria că înflorirea este stimulată de raportul ridicat P/N. La pomii fructiferi s-a constatat o acumulare a fosforului în plante în perioada premergătoare diferenţierii, mai intensă în mugurii floriferi. Acest fenomen poate fi corelat cu metabolismul acizilor nucleici, diferite cercetări demonstrând că iniţierea florală se caracterizaează printr-o acumulare de ADN şi ARN sau cu metabolismul glucidelor, substanţe importante în iniţierea florală. Rolul potasiului. Potasiul prezintă de asemenea un rol stimulator al înfloririi. Se consideră că inducţia şi iniţierea florală ar depinde de raportul ridicat K/N în frunze. Valoarea ridicată a acetui raport intensifică diferenţierea florală la măr. S-a arătat că fertilizarea cu potasiu stimulează înflorirea la garoafe, efect ce se poate explica prin stimularea fotosintezei. Rolul calciului. S-a arătat că conţinutul de calciu creşte în plante în legătură cu iniţierea florală la diferite specii lemnoase. Formarea mugurilor de rod la măr este strâns legată de prezenţa Ca în lăstar. Ca este prezent la începutul diferenţierii în cantitate mai mare în frunze, iar în timpul iernii în cantitate mai mare în muguri. ¾ Conţinutul de glucide. Glucidele constituie produşi primari ai fotosintezei, cu rol deosebit în înflorire. Teorii mai vechi susţin că înflorirea plantelor este stimulată de creşterea raportului C/N. La Canna indica, o bună diferenţiere florală la diferite soiuri este asigurată de o acumulare intensă de glucide înainte de intrarea în repaus. Cel mai ridicat conţinut îl deţine amidonul care se depozitează în special în rizomi. Valorile ridicate ale raportului C/N se obţin prin diferite tratamente care stimulează procesul de fotosinteză. La diferite specii, efectul fertilizării < 105 >

minerale de stimulare a morfogenezei aparatului foliar, a procesului de fotosinteză şi a transportului asimilatelor a dus la o stimulare corespunzătoare a înfloririi. La plantele lemnoase a fost demonstrată de asemenea, corelaţia pozitivă dintre conţinutul de glucide şi înflorire. Conţinutul de glucide creşte în axul lăstarului florifer, paralele cu scăderea acestuia în frunze. Rolul frunzelor în iniţierea florală la pomi a fost demonstrat prin tratarea acestora cu C14O2. După tratament, radioactivitatea a fost depistată în cantitate mare în muguri. După Grochowska (1973), formele de glucide din plantă sunt un indicator al direcţiei proceselor metabolice. Determinările efectuate la măr arată că în timpul inducţiei florale, în microblastele florifere şi muguri are loc o activitate anabolică, de depunere a amidonului, iar în timpul iniţierii florale are loc o activitate catabolică, de hidroliză a acestuia în zaharuri solubile. Aceste transformări se datoresc unor influenţe hormonale ce provin din frunze asupra activităţii enzimei amilază. Rezultate similare au fost obţinute păr şi gutui. La trandafirul de seră, Kool şi colab. (1997) propun cultivarea unor plante cu un singur lăstar bazal. Aceasta favorizează creşterea diametrului şi greutăţii lăstarului, dezvoltarea ţesutului conducător lemnos, şi permite acumularea unei cantităţi sporite de glucide cu rol în formarea florilor. Gonzalez Benavente-Garcia şi colab. (1995) au identificat în bulbii de tuberoze zaharuri solubile, cum sunt fructoza, glucoza şi zaharoza, pe care le consideră indicatori biochimici ai iniţierii florale. ¾ Conţinutul de apă. S-a arătat că inducţia şi iniţierea florală sunt favorizate de reducerea aprovizionării cu apă a plantelor. Acest efect se explică prin oprirea creşterii vegetative. Jackson şi Sweet (1972) arată că efectul aprovizionării cu apă este asemănător celui al formelor de azot şi anume lipsa apei, ca şi azotul nitric, stimulează iniţierea florală, mărind conţinutul de aminoacizi liberi; aprovizionarea cu apă ca şi azotul amoniacal, inhibă iniţierea florală, mărind conţinutul de proteine. După Chaudler, reducerea aprovizionării cu apă determină încetarea creşterii şi mărirea raportului C/N, datorită acumulării asimilatelor.

< 106 >

Diferite cercetări arată rolul apei în balanţa hormonală a plantelor. Astfel, o bună aprovizionare cu apă favorizează acţiunea stimulatorilor de creştere, pe când lipsa apei determină apariţia inhibitorilor. Din acest punct de vedere, scăderea conţinutului de apă în timpul inducţiei florale poate fi corelată cu avtivitatea diferiţilor hormoni implicaţi în acest proces. 6.4.2. Determinismul hormonal Determinismul hormonal al înfloririi a fost studiat în special în legătură cu necesitatea elucidării mecanismului reacţiei fotoperiodice a plantelor. Se consideră că sub acţiunea fotoperioadei inductive, în plante se formează un stimul al înfloririi, care activează genele înfloririi. Stimulul înfloririi a fost denumit de Ceailahian (1936) florigen. În experienţe efectuate pe plante de Chrysanthemum morifolium, el a demonstrat că frunzele reprezintă zona de percepere a acţiunii fotoperiodice, iar vârful vegetativ (meristemul apical) reprezintă zona de reacţie. Sub acţiunea fotoperioadei specifice, frunzele sintetizează florigenul, hormonul stimulator al înfloririi. Acest hormon este transportat în apex unde stimulează inducţia şi iniţierea florală. Florigenul este transportat prin ţesutul liberian, lemnos sau parenchimatic şi se poate transmite prin altoire. Viteza de circulaţie la Pharbitis nil, plantă de zi scurtă este de 2,83 mm/oră şi este mai mare la lumină. S-a arătat că florigenul nu este specific, el este transmisibil la specii diferite. Zeevart a altoit planta de zi lungă Sedum spectabile pe planta de zi scurtă Kalanchoe blossfeldiana; Sedum a înflorit în condiţii de zi scurtă. Dacă a altoit planta Kalanchoe blossfeldiana pe Sedum spectabile, Kalanchoe a înflorit în condiţii de zi lungă. Natura chimică a florigenului nu a fost identificată. Ceailahian (1958) presupune că florigenul prezintă două componente, şi anume giberelina şi antezina. Înflorirea este controlată de schimbările cantitative ale acestor componente. Plantele de zi lungă produc antezine în toate fotoperioadele, dar giberelină numai în zi lungă. Plantele de zi scurtă produc giberelină în toate fotoperioadele, dar antezine numai în zi scurtă. Lumina induce formarea unui compus sintetizat în timpul zilei, poate giberelina, care stimulează înflorirea la plante de zi lungă şi o inhibă la plante de zi scurtă. În timpul nopţii se sintetizează un alt compus, poate acidul abscisic, care < 107 >

inhibă înflorirea la plantele de zi lungă şi o stimulează la plantele de zi scurtă. Participarea giberelinelor ca o componentă a florigenului la inducţia şi iniţierea florală la plantele de zi lungă a fost confirmată ulterior de o serie de cercetări experimentale. Acestea arată că în timpul fotoinducţiei are loc o sporire a conţinutului de gibereline endogene şi că acţiunea fotoperioadei lungi în iniţierea florală poate fi înlocuită de tratamentul cu gibereline exogene. La plantele lemnoase, de exemplu la pomii fructiferi şi viţa de vie se constată că tratamentul cu giberelină inhibă iniţierea florală. Influenţa inhibitoare a giberelinei endogene asupra iniţierii florale este corelată cu influenţa stimulatoare asupra creşterii vegetative, de exemplu la măr, păr şi piersic. Inhibitorii endogeni, de exemplu acidul abscisic inhibă creşterea vegetativă şi stimulează iniţierea florală. Astfel, iniţierea florală este controlată de acţiunea stimulatorilor şi inhibitorilor endogeni. 6.5. ÎNFLORIREA PROPRIU-ZISĂ Înflorirea propriu-zisă este o componentă a dezvoltării florale. Dezvoltarea florală constă în creşterea primordiilor florale, maturizarea elementelor sexuale şi înflorirea propriu-zisă. Momentele cele mai importante ale dezvoltării florale sunt formarea polenului în antere şi a sacului embrionar în ovule. Formarea polenului sau microsporogeneza include meioza (diviziunea reducţională a celulelor mame ale polenului), eliberarea microsporilor din membrana celulelor mame şi transformare lor în polen. Formarea sacului embrionar sau macrosporogeneza include de asemenea meioza în celula iniţială a sacului embrionar şi formarea sacului embrionar ce conţine gametul femel oosfera. 6.5.1. Fenologia înfloririi Înflorirea propriu-zisă constă în deschiderea învelişului floral, astfel încât organele reproducătoare din floare rămân libere. La plantele anuale, dezvoltarea florală succede imediat inducţiei şi iniţierii florale şi se încheie cu înflorirea pe parcursul aceluiaşi an. La < 108 >

plantele perene, dezvoltarea florală are loc numai după parcurgerea perioadei de repaus a mugurilor reproducători sau floriferi în timpul iernii, astfel încât înflorirea are loc în anul următor inducţiei şi iniţierii florale. La plantele perene cu muguri floriferi total sexualizaţi, numiţi muguri florali sau tip buton, în care meristemul este în întregime transformat în primordii florale, înflorirea are loc imediat după pornirea în vegetaţie a mugurilor. Din muguri rezultă flori solitare, de exemplu la Forsythia, piersic şi cais sau inflorescenţe, de exemplu la liliac, florile mascule de nuc. La plantele perene cu muguri floriferi parţial sexualizaţi, numiţi muguri micşti, în care meristemul este numai parţial transformat în primordii florale, prin pornirea în vegetaţie a mugurilor, ia naştere un lăstar florifer cu o parte vegetativă care formează frunze, iar înflorirea are loc după ce a avut loc creşterea lăstarului. Din bobocii florali rezultă flori solitare, de exemplu la trandafir şi gutui sau inflorescenţe, de exemplu la Spiraea şi Padus racemosa. În funcţie de momentul înfloririi plantele se împart în: −

specii cu înflorire vernală, care înfloresc primăvara, de exemplu ghiocelul, vioreaua, laleaua, bujorul, caisul, cireşul, mărul, părul, gutuiul;

−

specii cu înflorire estivală, care înfloresc în timpul verii, de exemplu crinul, trandafirul, petunia, grâu, orzul, secara, ovăzul;

−

specii cu înflorire autumnală, care înfloresc toamna, de exemplu Dahlia şi crizantemele.

Durata de înflorire a unei plante poate fi scurtă, de câteva zile, de exemplu la lalele, medie, de 2-3 săptămâni la Sambucus nigra sau lungă la crizanteme, hortensie, orhidee, chiar de 3-4 luni la Helianthemum. Durata unei flori luată individual poate fi de 10 ore la Portulaca grandiflora, 2 zile la Papaver somniferum, 6 zile la Lilium candium şi chiar 1- 2 luni la unele orhidee tropicale. Durata înfloririi şi durata unei flori prezintă o deosebită importanţă pentru plantele cultivate în scop ornamental. Unele plante înfloresc înainte de înfrunzire. Aceste plante au mugurii floriferi tip buton, iar pornirea acestora are loc înainte de pornirea mugurilor vegetativi. Este întâlnită la cais, piersic şi migdal, la diferiţi arbuşti ornamentali, de exemplu Magnolia, dar şi la diferiţi arbori, de exemplu salcia, plopul şi nucul. La aceşti arbori, înflorirea înainte de înfrunzire < 109 >

favorizează polenizarea anemofilă, care se face prin vânt şi care este uşurată de lipsa frunzelor. La alte specii înflorirea coincide cu înfrunzirea, de exemplu la măr, păr, fag şi salcâm sau are loc după înfrunzire, de exemplu la soc, castan, tei şi viţa de vie. Cele mai multe flori se deschid în timpul zilei, câteva însă înfloresc noaptea, de exemplu Cestrum nocturnum. La multe specii florile se închid în timpul nopţii şi pe vreme de ploaie, deschizându-se când condiţiile de mediu sunt favorabile polenizării. La unele specii florile se deschid seara şi se închid dimineaţa ca la regina nopţii (Nicotiana alata), iar la altele se deschid dimineaţa şi se închid la amiază, de exemplu la zorele (Ipomoea rubrocoerulea). 6.5.2. Fiziologia înfloririi În timpul înfloririi fiecare piesă florală trece prin etapele de diviziune, alungire, maturitate şi îmbătrânire sau senescenţă. Sepalele îndeplinesc un rol protector, mai ales în faza de boboc. Petalele îndeplinesc un rol în polenizarea entomofilă, dar şi în transpiraţia florii şi în translocaţia substanţelor organice spre ovar. Culoarea petalelor este dată de diferiţi pigmenţi din cromoplaste şi vacuole. Pigmenţii carotenoizi sunt carotina şi xantofilele, care dau culoarea galbenă sau portocalie a florilor, de exemplu violaxantina la Viola şi crizantemaxantina la crizanteme. Pigmenţii glicosidici sunt flavonici şi antocianici. Pigmenţii flavonici dau culoarea galbenă şi albă, de exemplu robinina la salcâm şi tagetina la Tagetes. Pigmenţii antocianici dau culoarea roşie şi albastră , de exemplu pelargonidina la Pelargonium, peonina la Paeonia, antocianina la Petunia, cianidina la Centaurea, şi delfinina la Delphinium. Cercetări micro-spectrocolorimetrice şi micro-spectrofotometrice au pus în evidenţă diferite substanţe de natură flavonică sau fenolică care acţionează ca şi copigmenţi pentru pigmenţii antocianici. Amestecurile în proporţii diferite a acestor pigmenţi stau la baza culorilor variate ale florilor de Dianthus şi Iris. În stamine dezvoltarea anterelor este corelată cu creşterea greutăţii uscate, scăderea conţinutului de glucide şi creşterea conţinutului de lipide şi aminoacizi, iar formarea polenului este corelată cu creşterea conţinutului de ADN. Petalele şi staminele au cea mai scurtă durată de viaţă, în timp ce în pistil, diferenţiat încă din faza de primordiu, diviziunea are loc şi după < 110 >

fecundare. Dezvoltarea sa este corelată cu translocarea de glucide şi proteine din periant şi de creşterea cantităţii de auxine în ovul. Înflorirea este controlată de factori interni, trofici şi hormonali. ¾ Factorii trofici. S-a constatat că la diferite specii conţinutul de apă este minim în boboc, maxim la înflorire şi scade după fecundare. Apa este necesară atât elongaţiei primordiilor florale care are loc în perioada premergătoare înfloririi, cât şi intenselor procese metabolice, de natură catabolică din timpul acestui proces. De asemenea, în timpul înfloririi conţinutul de glucide în flori este maxim. Dinamica formelor de glucide reprezintă un indiciu al direcţiei proceselor metabolice. Astfel, la păr şi gutui, în flori se constată o intensă activitate metabolică în faza de boboc, relevată de un conţinut ridicat de amidon şi o intensificare a activităţii catabolice în timpul înfloririi, caracterizată printr-o creştere pronunţată a conţinutului de zaharuri solubile. Aceste substanţe contituie substratul proceselor energetice din timpul înfloririi, deoarece acest proces se caracterizează printr-o respiraţie foarte intensă. La Rosa hybrida, în timpul înfloririi, în flori a fost evidenţiată zaharoza, iar la alte specii, de exemplu la păr şi gutui, glucoza, fructoza şi zaharoza. Zaharurile solubile iau naştere în flori prin hidroliza amidonului. Creşterea conţinutului de glucide solubile în timpul înfloririi se datoreşte şi concentraţiei ridicate a acestor substanţe pe stigmat şi în lichidul stigmatic. Aceasta favorizează germinarea polenului şi creşterea tubului polenic pe stigmat. Cercetări efectuate "in vitro" au arătat că germinarea polenului şi creşterea tubului polenic poate fi obţinută prin cultivarea polenului în camere umede pe un mediu de glucoză sau zaharoză, în soluţii de concentraţii cuprinse între 3-30%. La diferite specii de Campanula, germinaţia polenului depinde de concentraţia soluţiei de zaharoză, fiind optimă la o concentraţie de15 %. La Petunia zaharoza reprezintă compusul de care depinde sinteza antocianinei, pigmentul care dă culoarea florilor. Înflorirea este însoţită de o creştere însemnată a conţinutului de aminoacizi în flori. Creşterea conţinutului de aminoacizi este necesară pentru formarea polenului. La Amaryllis vittata, s-a constatat că cel mai abundent aminoacid din polen este prolina. Acumularea acestui aminoacid asigură germinarea polenului la temperaturile de stress, coborâte sau ridicate. La lalele, cel mai ridicat conţinut îl are aminoacidul triptofan, urmat < 111 >

de acidul asparagic, serină şi glicină. La alte specii, de exmplu părul şi gutuiul, au fost evidenţiaţi arginina, glicocolul, acidul asparagic, acidul glutamic, histidina, cisteina şi asparagina. Diferite elemente minerale manifestă un rol important în controlul germinaţiei polenului şi creşterii tubului polenic în flori. Astfel la Papaver rhoeas calciul, sub formă de Ca2+ controlează creşterea tubului polenic, iar sărurile de Na şi de K inhibă creşterea tubului polenic prin inhibarea respiraţiei. Microlelementul B este un stimulator al germinaţiei polenului şi creşterii tubului polenic la Lilium longiflorum. Acţiunea stimulatoare a B se manifestă prin intensificarea proceselor energetice şi a activităţii de transport prin membrana plasmatică. Prin metoda trasorilor radioactivi folosind P32 s-a constatat că în timpul înfloririi are loc o utilizare foarte intensă a fosforului necesar proceselor energetice, sintezei ATP sau a acizilor nucleici cu rol în diviziunea celulară. ¾ Factorii hormonali. Înflorirea este controlată de auxinele sintetizate în ovar. Ele stimulează creşterea pedunculului floral. La Fritillaria s-a arătat că creşterea pedunculului floral prezintă două maxime, care corespund cu maximele conţinutului de auxină şi anume unul apare înaintea deschiderii, iar celălalt după deschiderea florii. Principala sursă de auxină este pistilul. Îndepărtarea ovarului în timpul înfloririi provoacă căderea florii. La Coleus căderea florii este determinată de îndepărtarea stigmatului. Maturaţia polenului şi creşterea tubului polenic măreşte de asemenea conţinutul de substanţe stimulatoare din floare. La Amaryllis vittata, este mărit conţinutul endogen de auxină, giberelină şi citochinină din polen. Aplicarea exogenă de AIA 1 µg, GA3 5 µg şi BA 10 µg a stimulat creşterea tuburilor polenice. Cercetări efectuate "in vitro" la diferite specii de Campanula cultivate pe medii de zaharoză demonstrează că tratamentul cu AIA şi GA3 10 ppm a intensificat germinarea polenului şi creşterea tubului polenic. Auxinele stimulează reacţiile catabolice din timpul înfloririi, de hidroliză a amidonului la zaharuri solubile şi a proteinelor la aminoacizi. De asemenea auxinele intensifică procesul de respiraţie şi activitatea enzimei catalază în timpul înfloririi. După fecundare ovulul fecundat devine o nouă sursă de auxină. < 112 >

După polenizare, în flori se acumulează substanţe hormonale cu rol în maturizare şi îmbătrânire, în special etilen. La florile de Petunia aceşti hormoni acţionează mai întâi asupra anterelor şi corolei, iar în pistil, mai ales în stigmat. Tratamentele cu GA3 la Petunia controlează expresia genei biosintetice a antocianinei şi stimulează absorbţia zaharozei de care depinde biosinteza pigmenţilor, iar tratamentele cu retardanţi la crizanteme au stimulat intensificarea culorii florilor. Dintre factorii externi înflorirea este controlată în primul rând de temperatură şi lumină. ¾ Temperatura este factorul climatic cel mai important în dezvoltarea florală în special în formarea elementelor reproducătoare. Experienţele efectuate la măr arată că microsporogeneza are loc la temperatura medie zilnică cuprinsă între 70 şi 140C. Temperatura mai mare de 200C în timpul meiozei produce sterilitatea polenului, iar la temperatura de 00C celulele mame ale polenului degenerează. Temperatura optimă de formare a sacului embrionar este cuprinsă între 150 şi 180C. Temperaturile scăzute întârzie formarea sacului embrionar. Temperaturile cuprinse între 260-270C grăbesc deschiderea anterelor şi reduc vabilitatea polenului. Temperaturile scăzute, apropiate de 00C, reduc de asemenea viabilitatea polenului. Temperatura controlează deschiderea florilor. La cireş, la temperaturi de peste 80C, deschiderea florilor are loc în 15-17 zile, iar la temperaturi sub 80C, înflorirea întârzie. Pentru realizarea înfloririi depline, în care florile au ajuns la maturitate şi sunt apte pentru polenizare este necesară o anumită sumă de temepraturi pozitive. Această sumă trebuie să totalizeze 2930C la cais, 3150C la cireş, 3270C la prun şi vişin. Temperatura stimulează viteza de înflorire la garoafe. La pansele (Viola x wittrockiana) cea mai rapidă trecere a florii de la boboc la înflorire deplină a fost obţinută la o temperatură de 250C. Lumina controlează expresia genelor de sinteză a flavonoidelor şi antocianilor care dau culoarea petalelor. La florile de Petunia, acţiunea luminii este percepută de frunze şi sepale şi stimulează pigmentaţia corolei. La orhideea Cattleya, sinteza antocianilor care dau culoarea florilor este stimulată de întuneric şi de temperatura joasă, de 120C în timpul nopţii.

< 113 >

6.6. FIZIOLOGIA FRUCTIFICĂRII 6.6.1. Polenizarea şi fecundarea ¾ Polenizarea. Polenizarea constituie prima etapă a procesului de fructificare. Polenizarea reprezintă fenomenul mecanic de transport al polenului de la anterele staminelor pe stigmatul gineceului, urmat de procesele fiziologice de germinare a polenului şi creştere a tubului polenic în stil, până la ovar. După provenienţa polenului, polenizarea poate fi directă şi încrucişată. Polenizarea directă se face cu polenul aceleiaşi flori şi se mai numeşte autopolenizare sau autogamie. Polenizarea directă se întâlneşte la florile hermafrodite homogame, la care androceul şi gineceul ajung la maturitate în acelaşi timp. La graminee, de exemplu la grâu şi orz, polenizarea se produce înainte ca inflorecenţele să iasă din teaca frunzei, iar la leguminoase, de exemplu la mazăre şi fasole înainte de deschiderea florilor. Florile cleistogame, de exemplu la Viola odorata şi Arachis hypogaea nu se deschid niciodată. Polenizarea încrucişată se face cu polen provenit de la o floare de pe un alt individ şi se mai numeşte alogamie (allos = altul). Polenizarea încrucişată se întâlneşte la florile unisexuate, dar şi la florile hermafrodite dichogame, la care androceul şi gineceul nu ajung la maturitate în acelaşi timp. Florile dichogame pot fi protandre, la care androceul ajunge la maturitate înaintea gineceului, de exemplu la Malvaceae şi Labiatae sau protogine, la care gineceul ajunge la maturitate înaintea androceului, de exemplu la Solanaceae. În funcţie de factorii care realizează transportul polenului, polenizarea încrucişată poate fi anemofilă şi entomofilă. Polenizarea anemofilă este efectuată de vânt. Plantele anemofile pot fi ierboase, de exemplu graminee şi Cyperaceae sau lemnoase, de exemplu conifere, Betulaceae, Fagaceae, Juglandaceae.Adaptările florilor la polenizarea anemofilă sunt lipsa învelişurilor florale, o cantitate mare de polen, prevăzut cu saci cu aer la conifere, stamine cu antere oscilante şi gineceu cu stigmate păroase la graminee. Polenizarea entomofilă este efectuată de insecte. Adaptările florilor la acest tip de polenizare sunt prezenţa învelişurilor florale, cu formă şi colorit

< 114 >

foarte variat, prezenţa glandelor nectarifere specializate în secreţia de nectar şi prezenţa papilelor secretoare care secretă uleiuri volatile caracteristice. Germinarea polenului pe stigmatul florii este favorizată de sucul dulce de pe lichidul stigmatic. Germinarea este continuată de creşterea tubului polenic în stil până la ovar, ovul şi sacul embrionar. Creşterea tubului polenic antrenează cei doi gameţi masculi. Creşterea tubului polenic este apicală şi se poate face prin lumenul central al stilului, prin spaţiile intercelulare sau prin ţesutul compact. Lamelele mediane ale celulelor sunt dizolvate cu ajutorul unor enzime hidrolizante. Orientarea şi direcţia de creştere a tubului polenic are loc pe baza chemotropismului, datorită unor substanţe secretate de ovar. Creşterea tubului polenic în stil necesită prezenţa Ca şi este stimulată de B. Creşterea tubului polenic declanşează o intensă activitate fiziologică în stil şi ovar. Are loc o intensificare a mişcării protoplasmatice, a respiraţiei şi a metabolismului glucidic şi o sinteză intensă de auxină. Astfel, polenizarea, prin efectul stimulator datorat mai întâi polenului şi apoi interacţiunii dintre polen şi ovar reprezintă prima sursă de auxină necesară formării şi creşterii fructului. ¾ Fecundaţia. În sacul embrionar are loc dubla fecundaţie, prin care un gamet mascul se uneşte cu gametul femel oosfera, rezultând oul sau zigotul principal, iar al doilea gamet mascul se uneşte cu nucleul secundar al sucului embrionar, rezultând zigotul secundar. 6.6.2. Formarea şi creşterea fructului În urma procesului de fecundaţie, ovulul se transformă în sămânţă, iar ovarul în fruct. Prin diviziuni repetate, oul sau zigotul principal dă naştere embrionului seminţei, zigotul secundar dă naştere ţesutului nutritiv numit endosperm, iar integumentele ovulului se transformă în tegumentul seminţei. Sub acţiunea stimulatoare a auxinelor provenite de la polen, din interacţiunea acestuia cu ovarul şi de la embrion, peretele ovarului se transformă în pericarpul fructului. Uneori, ovarul se poate transforma în fruct şi în lipsa fecundării. Aceste fructe se numesc partenocarpice (parthenos = fecioară) şi sunt lipsite de seminţe. Partenocarpia apare în mod natural la fructele cu un conţinut

< 115 >

ridicat de substanţe stimulatoare, cum sunt bananele şi mandarinele, sau la viţa de vie, la soiurile pentru stafide. Creşterea fructului se datoreşte creşterii celulelor pericarpului, care trec prin etapele de diviziune, elongaţie şi diferenţiere. Acest proces se realizează prin acţiunea balanţei hormonale dintre stimulatori şi inhibitori. Dinamica creşterii fructelor la diferite specii se poate realiza după o curbă sigmoidă simplă, caracteristică la măr, tomate, căpşuni sau după o curbă dublu sau bisigmoidă, caracteristică la viţa de vie, vişin, prun, smochin (fig. 22).

Fig. 22 – Curba de creştere a diametrului fructului A – sigmoidă; B – dublu sigmoidă Intensitatea de creştere a diametrului fructului în cazul: A – curbei sigmoide; B – curbei dublu sigmoide

Dezvoltarea fructului la măr cuprinde 5 etape: −

etapa de diviziune, care începe după fecundare şi durează până când fructul atinge dimensiunile unei alune;

−

etapa de extensie celulară, prin care fructul creşte până la dimensiunile normale, pe baza absorbţiei apei şi acumulării de glucide, substanţe minerale şi acizi organici;

−

etapa de diferenţiere, când fructul formează coaja sau epicarpul, pulpa sau mezocarpul şi seminţele;

−

etapa de maturitate, numită şi coacere;

−

etapa de îmbătrânire, numită şi senescenţă.

Dezvoltarea fructului la viţa de vie cuprinde de asemenea 5 etape: −

prima etapă de creştere, care începe după fecundare şi durează până la pârgă. Această etapă este numită şi herbacee, datorită

< 116 >

prezenţei clorofilei în epicarp şi este stimulată de auxinele, giberelinele şi citochininele provenite din seminţe; −

pârga, în care creşterea fructului încetează datorită scăderii considerabile a activităţii stimulatorilor endogeni;

−

a doua etapă de creştere, care durează de la pârgă la maturitate. Această etapă este numită şi translucidă, se caracterizează prin creşterea cu precădere a epicarpului şi pulpei fructului, scăderea conţinutului de clorofilă şi apariţia antocianilor la soiurile roşii, prin lipsa de creştere a seminţelor însoţită de scăderea completă a stimulatorilor endogeni şi acumularea acidului abscisic şi a etilenului;

−

maturarea sau coacerea;

−

îmbătrânirea sau senescenţa.

6.6.3. Maturarea fructelor Cea mai importantă etapă din timpul dezvoltării fructului este etapa de maturare sau coacere. Ea evoluează spre starea de climacterix, faza de maturare comercială a fructului, în care acesta prezintă cele mai bune calităţi pentru consum. Din punct de vedere fiziologic în faza de climacterix fructul prezintă culoarea, gustul şi mirosul specific soiului şi o intensitate maximă a procesului de respiraţie. Intensitatea maximă a respiraţiei în timpul climacterixului este corelată cu cea mai intensă fosforilare oxidativă, proces care oferă sursa de enegie necesară reacţiilor biochimice din timpul coacerii. În timpul maturării fructelor are loc dezagregarea treptată a mitocondriilor prin procese oxidative, cu eliberare de energie. Budini şi colab., (1979) au constatat o scădere a conţinutului de ATP, de exemplu de la 0,95 la 0,62 mg/100 fruct proaspăt la piersic şi de 1,30 la 0,81 mg/100 g fruct proaspăt la tomate. Din această cauză au propus utilizarea conţinutului de ATP ca indice biochimic pentru gradul de maturare al fructelor. În timpul maturării fructelor au loc o serie de transformări fiziologice şi biochimice care modifică însuşirile de conţinut şi structură ale acestora. Conţinutul şi formele de glucide. Conţinutul total de glucide creşte în timpul maturării fructelor, de exemplu la fructele de cireş de la 2,2 la 8,8 % în timp de 30 de zile de maturare pe pom. În fazele de creştere, în fructe se acumulează amidon, care în timpul maturării este hidrolizat la zaharuri < 117 >

solubile. Conţinutul de amidon reprezintă un indice fiziologic al gradului de maturare a fructelor, de exemplu la speciile pomicole seminţoase. Prezenţa amidonului este foarte redusă la sâmburoase. Zaharurile solubile se acumulează intens în fructe pe parcursul maturării. În fructele de măr, păr şi prun se acumulează fructoza, la struguri glucoza, iar în fructele de piersic se acumulează zaharoza. Aciditatea este dată de conţinutul de acizi organici, de exemplu acidul citric şi malic în fructele de măr şi citrice, acidul tartric în struguri, acidul malic în fructele de cireş. Conţinutul de acizi organici este ridicat în timpul creşterii şi scade la maturitatea fructului, datorită consumării acestora în respiraţie. În timpul maturării, în fructe se acumulează acidul ascorbic (vitamina C). Cel mai ridicat conţinut se găseşte în fructele de coacăz negru (177mg/100 g) şi citrice (45-53 mg/100 g). Raportul dintre conţinutul zaharurilor solubile şi conţinutul de acizi organici reprezintă un indice fiziologic al gradului de maturare a fructelor. Substanţele pectice, sub formă de propectină insolubilă intră în structura lamelei mediane, au rol de ciment celular şi realizează fermitatea pulpei fructului în faza de creştere. În timpul maturării are loc hidroliza substanţelor

pectice

sub

acţiunea

enzimelor

pectinesterază

şi

poligalacturonază, şi anume transformarea propectinei în pectină solubilă. Aceasta reduce fermitatea pulpei şi dă aspectul moale al fructului copt. La tomate, în timpul înroşirii fructului, activitatea pectin-estereazei se intensifică cu 30-40 %. La pere, maturarea peste iarnă se datoreşte creşterii pectinesterazei cu 50 % la 00C. La banane în timpul maturării, în timp de 11 zile propectina scade de la 0,53 la 0,22 %, iar pectina creşte până la 0,40%. Pigmenţii din epicarpul fructului îşi modifică conţinutul în timpul maturării. În timpul creşterii epicarpul conţine pigmenţi verzi, clorofilă a şi b. La maturitate pigmenţii clorofilieni sunt degradaţi sub acţiunea enzimei clorofilază, fiind înlocuiţi cu pigmenţii carotenoizi şi antocianici. S-a arătat că în fructul de măr, în timpul maturării, în timp de 30 de zile conţinutul de clorofilă a scăzut de la 0,142 la 0,006 mg/cm2 de epicarp. La portocale, în timp de 60 de zile conţinutul de clorofilă a a scăzut de la 4,1 la 1,0 mg/cm2, iar cel de clorofilă b de la 1,2 la 0,3 mg/cm2 de epicarp. Scăderea conţinutului de clorofilă este însoţită de creşterea conţinutului de pigmenţi carotenoizi şi antocianici. La tomate, conţinutul de < 118 >

pigmenţi carotenoizi a crescut în 7 zile de 10 ori, la pepene de la 0,1 la 2,0 mg/100 g substanţă vie, iar la banane de la 6,8 la 8,3 mg/ kg. La fructele de măr, acumularea intensă a antocianilor are loc la 2-3 săptămâni înainte de recoltare. Intensitatea acumulării stabileşte gradul de maturare a fructului. Acumularea antocianilor în epicarp are loc de la 5-6 µg în luna iunie, până la 30 µg/cm2 în luna august, la maturitate. La soiurile de struguri negri, conţinutul de antociani ajunge la maturitate la 568 mg/kg, din care 514 mg/kg pulpătă proaspătă o deţine pigmentul malvidină 3-glucozid. Degajarea substanţelor volatile aromate. În timpul maturării în fructe are loc sinteza unor substanţe aromate, volatile, care dau aroma şi gustul caracteristic. În fructele de măr se sintetizează acetatul de n-butil, aldehida acetică, acetatul de etil, alcoolul etilic şi etil-2-metilbutanatul. La păr se sintetizează aldehida acetică, acetatul de etil şi alcoolul etilic, la banane acetatul de izoamil şi amil, amil-propionatul şi amil-butiratul. La struguri se sintetizează linalolul şi geraniolul, iar la portocale mircenul, geraniolul şi terpinen-4-olul. Procesele biochimice şi fiziologice din timpul maturării pot fi controlate în timpul păstrării fructelor prin acţiunea unor factori externi, de exemplu temperatura, compoziţia atmosferei etc. 6.6.4. Creşterea şi maturarea seminţelor După fecundare ovulul dă naştere seminţei. Formarea seminţei mature are loc în două etape, şi anume o etapă de creştere şi o etapă de maturare. ¾ Etapa de creştere a seminţelor începe cu diviziunea celulelor. Diviziunea celulelor este completă după 21 de zile de la fecundare la fasole şi după 28 de zile de la polenizare la porumb. La sfârşitul diviziunii se realizează numărul maxim de celule ale embrionului, apreciat la fasole la 1,2 x 106. Cei mai importanţi compuşi în această etapă sunt ADN şi ARN, în special ARN-m cu rol în sinteza porteinelor metabolic active, structurale şi enzimatice. Creşterea în volum a seminţei este realizată prin extensia celulelor din endosperm şi cotiledoane. Ultrastructura celulelor prezintă cloroplaste cu structură granală bine dezvoltată, mitocondrii, ribozomi situaţi pe reticulul endoplasmatic şi vacuola mare centrală.

< 119 >

Activitatea fiziologică intensă se caracterizează printro-o intensitate ridicată a respiraţiei, o biosinteză intensă a proteinelor metabolic active, o intensă absorbţie a apei care ajunge la 90 % la seminţele de porumb şi un aport ridicat de zaharuri solubile şi aminoacizi. În etapa de creştere seminţele conţin o mare cantitate de stimulatori, auxine, gibereline şi citochinine. ¾ Etapa de maturare a seminţei cuprinde modificări citologice, biochimice şi fiziologice care asigură scăderea umidităţii până la 2-5 %, cu menţinerea viabilităţii embrionului. Studiile de ultrastructură arată că în celule dispare reticulul endoplasmatic şi ribozomii şi are loc degradarea structurii lamelare a cloroplastelor şi mitocondriilor. Componentele celulare trec de la activitatea metabolică intensă la o stare nefuncţională. Din punct de vedere biochimic, are loc o reducere a sintezei proteinelor metabolic active, reducerea conţinutului de apă, reducerea intensităţii respiraţiei datorită scăderii activităţii mitocondriale incapabilă de fosforilare oxidativă, a conţinutului de enzime oxidoreducătoare, de exemplu citocromoxidaza şi de ATP. Din punct de vedere fiziologic, are loc o intensă activitate de depozitare a substanţelor de rezervă în endosperm şi cotiledoane. Substanţele de rezervă sunt substanţe organice complexe sintetizate din substanţe simple, sub acţiunea enzimelor. Biosinteza amidonului de rezervă se face pe seama zaharurilor solubile transportate la seminţe, sub acţiunea enzimei amidon sintetază. Cercetările cu C14 arată că substratul preferat este ADP-glucoză. Amidonul este depozitat sub formă de grăuncioare de amidon sau amiloplaste. Forma grăuncioarelor de amidon variază cu specia. Conţinutul de amidon şi proporţia componentelor sale amiloză şi amilopectină sunt controlate genetic. Biosinteza proteinelor de rezervă se face pe seama aminoacizilor activaţi enzimatic, cu ajutorul energiei furnizate de ATP şi transportaţi la ribozomii de pe reticolul endoplasmatic. Sinteza proteinelor de rezervă este efectuată sub acţiunea unui ARN-m specific şi are loc în fazele timpurii ale maturării seminţelor. Spre sfârşitul maturării, ARN este degradat sub acţiunea enzimei ribonuclează, de exemplu la porumb, orez şi grâu. Proteinele de rezervă sunt depozitate sub formă de corpusculi proteici sau < 120 >

proteoplaste în cotiledoane şi endosperm sau grăuncioare de aleuronă în stratul de aleuronă din seminţele de cereale. Biosinteza lipidelor de rezervă se face pe seama alfa-glicerofosfatului format din glicerol şi ATP, sub acţiunea enzimei glicerochinază. Sub acţiunea enzimei şi a acetil CoA sunt sintetizate di şi tri gliceridele. Biosinteza lipidelor are loc în microzomi, iar depozitarea acestora are loc în oleoplaste în cotiledoane, de exemplu la soia, în endosperm la ricin şi în scutellum la cereale. Biosinteza lipidelor este controlată genetic. La rapiţă există o singură genă care controlează alungirea lanţului de acid oleic la acid erucic, în timp ce la şofran, trei gene controlează proporţia acidului oleic şi linoeleic, iar alte două gene controlează conţinutul de acid stearic. În timpul maturării seminţelor deshidratarea puternică determină inactivarea enzimelor amilaze, proteaze şi lipază şi a stimulatorilor endogeni, în special gibereline, prin legarea acestora de substrat. În acelaşi timp, în seminţe are loc acumularea acidului abscisic, care favorizează rezistenţa la deshidratare şi la alţi factori de stress din timpul repausului seminal.

< 121 >