Ekofyziológia a biochémia mrazuvzdorných kaktusovIng. Alexander Fehér, Cactaceae etc., 1/2001
Každý rastlinný druh má svoje špecifické teplotné body (tzv. kardinálne body) - minimum, optimum a maximum. Interval medzi minimom a maximom teplôt, ktoré druhy tolerujú, sa nazýva ekologická valencia teplôt. Podľa šírky tejto valencie, kaktusy považujeme za polyeurytermné, tz. majú širokú amplitúdu teplôt (rozšírené sú od trópov až po oblasti s pravidelným výskytom mrazov v Kanade, či Patagónii), ale optimum majú pri vyšších teplotách. Teplotné body sa menia cirkadiánne (v priebehu dňa) a cirkaanuálne (v priebehu roka). V prvom prípade hovoríme o striedaní sa dní a nocí, v druhom o striedaní vegetačného obdobia a vegetačného kľudu. Podľa týchto kritérií rozlišujeme dve rôzne oblasti výskytu odolných druhov kaktusov. V Severnej Amerike a v Patagónii sú veľké teplotné rozdiely medzi ročnými obdobiami. Aj semená kaktusov sú prispôsobené týmto cirkaanuálne sa meniacim podmienkam, keďže po dozretí kvôli lepšiemu klíčeniu musia prejsť nízkymi teplotami, ktoré v nich vyvolajú určité enzymaticky podmienené fyziologické zmeny. V juhoamerických Andách rozdiely v priebehu ročných období sú malé, ale výkyvy nočných a denných teplôt bývajú veľké. Práve takáto periodicita zabraňuje u nás pestovaniu juhoamerických vysokohorských druhov na skalkách a kaktusových záhonoch, ktoré sú síce mrazuvzdorné, ale len v určitých cirkadiánnych fázach. Dôležitá je aj dĺžka trvania mrazov. Napr. Carnegia gigantea môže zahynúť, ak teploty pod 0° C trvajú dlhšie ako 36 hodín, ale prežijú, ak cez deň stúpne teplota nad 0° C. Fotoperiodizmus (relatívna dĺžka denného svetla a tmy) tiež ovplyvňuje mrazuvzdornosť kaktusov.
Veľmi nízke teploty (často pod 0° C) chápeme ako stresory (stresové faktory) na ktoré rastliny reagujú rôznou pružnosťou. V pestovateľských podmienkach teplotné minimum jednotlivých druhov je smerodajné len čiastočne. Iba od tohoto údaju nie je možné odvodiť mrazuvzdornosť alebo zimovzdornosť. Mrazuvzdornosť je schopnosť rastliny fyziologickými (hlavne fyzikálno-chemickými a metabolickými) procesmi pripraviť a usporiadať bunkové štruktúry, pletivá a orgány, aby tie odolali nízkej teplote aj pod bodom mrazu, pričom zimovzdornosť je schopnosť rastliny prezimovať v konkrétnych minimálnych ekologických podmienkach. Nezahrňuje iba teplotné minimum, ale aj frekvenciu a dĺžku trvania nízkych teplôt, zrážkové pomery, prúdenie vzduchu a ďalšie faktory prostredia. Keďže voda tuhne pri bode mrazu, na vodu bohaté pletivá sukulentov sú vystavené veľkému nebezpečenstvu zamrznutia. Pri väčšine rastlín prezimujú len niektoré orgány, v ktorých sú uložené obnovovacie púčiky (delivé pletivo - meristém). Raunkiaer prispôsobenie rastlín počas nepriaznivého obdobia delí do viacerých skupín, pričom najväčšiu časť kaktusov môžeme zaradiť do skupiny chamaefytov. Sú to kry alebo trváce byliny, ktorých obnovovacie púčiky sú uložené max. 25 až 30 cm nad zemou (Coryphantha, Echinocereus, Pediocactus, Sclerocactus atď.). Len malú časť zimovzdorných kaktusov môžeme zaradiť do skupiny fanerofytov, ktoré majú obnovovacie púčiky v nadzemných orgánoch vo výške nad 25 cm (napr. Cylindropuntia imbricata). Niektoré vzpriamené druhy kaktusov v zimných mesiacoch majú poľahnuté články skryté (chránené) pod snehovou pokrývkou (napr. Opuntia humifusa) alebo sa sťahujú do zeme (napr. Mamillaria meiacantha).
Podľa starších, dnes už čiastočne vyvrátených názorov, pri nízkych teplotách v bunkách kaktusov s vysokým obsahom vody vznikajú kryštáliky ľadu (najmä vo vakuolách), ktoré tlakom a ostrými hranami porušujú bunkové štruktúry, najmä bunkové steny a vakuoly, čím v dôsledku klesajúceho turgoru (tlaku) zamrznuté rastliny mäknú a uhynú. Podľa novších predstáv ľadové kryštáliky vznikajú v intercelulároch (medzibunkových priestoroch). V zime viskóznejšie bunky (spravidla s menším obsahom voľnej vody) sa zmršťujú a cez semipermeabilnú (polopriepustnú) membránu prepustia vodu do intercelulárov, kde sa kryštalizuje v ľad. Tlak pár nad ľadom je nižší ako tlak pár nad podchladeným roztokom, preto sa ľad správa ako suchý vzduch, pretože odoberá protoplazme vodu, čím bunku čiastočne dehydratuje (odvodňuje). Tento proces je známy ako mrazová plazmolýza (napr. mrazuvzdorná Coryphantha vivipara pri -15° C uhynie až po strate viac ako 90 % vody). Pri Opuntia fragilis bolo zistené, že jedinci z juhu pri nízkych teplotách stratia viac vody, ako jedinci zo severu. Počas procesu dehydratácie, v dôsledku nadmernej koncentrácie solí a organických kyselín sa inaktivujú aj niektoré enzýmy. Ďalej dehydratáciou obsah protoplastu málo odolných kaktusov sa zahusťuje, sústredením katiónov vodíka sa zvyšuje kyslosť protoplazmy a bielkoviny koagulujú (zhlukujú, zrážajú sa). V dôsledku denaturácie bielkovín sa membrány poškodia, extracelulárne kryštáliky ľadu sublimujú a voda sa stratí pre rastlinu. Čím je menší obsah vody v pletivách kaktusov v období mrazov, tým sú odolnejšie (porovn. zvrásnené, čiastočne dehydratované články zimovzdorných opuncií v zime). Množstvo vody v pletivách je podmienené dedične (genotyp) a tiež prostredím - množstvom zrážok, zásobou vody v pôde, priepustnosťou substrátu atď. (genotyp + vplyv prostredia = fenotyp). Z toho vyplýva, že k najúčinnejším zásadám pestovania mrazuvzdorných resp. zimovzdorných kaktusov patrí: a) dôkladný výber ekotypov (lokálnych foriem druhov) z oblastí s najnižšími teplotami (v tomto nám napomáhajú poľné čísla zberateľov a dodávateľov semien a rastlín); b) správny výber miesta skalky alebo kaktusového záhona (chránený od mrazivých severných vetrov na svahu s južnou expozíciou); c) podľa odolnosti druhov aj jesenná a zimná ochrana proti zrážkam (fóliový kryt počas dažďov a dobre drenážovaný, veľmi priepustný štruktúrny, skeletový substrát). Prípadný úhyn kaktusov v dôsledku mrazov nasleduje buď okamžite, alebo až po rokoch (napr. pri mohutnej Carnegia gigantea niekedy až po 9 rokoch!). Najbežnejším príznakom zamrznutia pletiva je matná nekróza ("fľaky" v pletive). Na presnejšiu lokálnu identifikáciu takto poškodených pletív nám slúži metylčerveň, ktorá sa akumuluje iba v neporušených vakuolách živých buniek kaktusov.  Pr. č. 1: Pletivá kaktusov v zime (začiatkom februára), zväčšenie: 300x a) zdravé pletivo kaktusu pri asi +10° C (Austrocylindropuntia subulata) b) zdravé pletivo kaktusu pri asi +10° C (Opuntia ficus-indica) c) mrazom deštruované pletivo pri -13° C (Austrocylindropuntia subulata) d) zdravé pletivo zimovzdorného kaktusu pri -13° C (Opuntia compressa agg.) Tak ako všetky rastliny, aj kaktusy sú najodolnejšie v období odpočinku - dormancie. Dormancia môže byť dobrovoľná - z vnútorných príčin, čiže endogénna - alebo vynútená - z vonkajších príčin, čiže exogénna. Endogénna dormancia má tri fázy: predormancia, vlastná dormancia a postdormancia. Dormanciu vyvolá indukcia, ktorá má tri etapy. V prvej fáze začiatok dormancie vyvolá tzv. korelatívny inhibítor (typu kyselina abscisová, kyselina salycilová atď.) a inaktivácia stimulátorov rastu (ako auxíny, giberelíny atď.). V takto vyvolanom období predormancie sa v bunkách znižuje hladina voľnej vody a zvyšuje sa hladina vody viazanej. V druhej fáze sa cytoplazma premení zo stavu sólu do stavu gélu (tzv. želatínovanie, väčšina živočíšnych buniek je stále v tomto stave). Cytoplazma sa odťahuje od bunkovej steny a na povrchu cytoplazmy sa utvorí lipoidná membrána na zabránenie vstupu vody do bunky. Bunka sa zmenšuje a cytoplazma je viskóznejšia a elastickejšia. V takomto stave bunky zimovzdorných kaktusov pretrvávajú počas najnižších teplôt a preukazujú najväčšiu odolnosť proti mrazu. Ochranu zvýšia aj tzv. osmoticky účinné látky, ako uhľohydráty (cukry, ako napr. pektíny), aminokyseliny, soli, antokyany, triesloviny, rôzne slizy, ale aj vysokomolekulárne bielkoviny, glykoproteidy a lipoproteidy. Zníženie teploty tuhnutia je pre dané "rozpúšťadlo" konštantná veličina, ktorá je nezávislá od chemickej povahy rozpustenej látky, a závisí iba od počtu častíc rozpustenej látky v roztoku. V bunkách kaktusov sa predpokladá vznik tzv. stresových proteínov, z ktorých najznámejšie sú tzv. protimrazové proteíny. Tieto proteíny znižujú bod tuhnutia vody v bunkách (tzv. kryoskopický efekt). Cukry, ich deriváty (škrob, dextrín), niektoré aminokyseliny a proteíny pôsobia aj priamo tým, že niektoré bunkové štruktúry, membrány a enzýmy obaľujú ochrannou vrstvou (ochranné koloidy, emulgátory). V období postdormancie sa zvyšuje množstvo endogénnych rastových regulátorov, ktoré stimulujú metabolizmus nukleových kyselín, delenie a rast buniek a stav bunky sa premení z gélu na sól. Exogénna dormancia je vyvolaná nízkymi teplotami, resp. mrazom. Takto vynútená dormancia nesmie byť prerušená vysokými teplotami, lebo rastlina v "bdelom" stave stráca odolnosť proti nízkym teplotám. V chladnejších oblastiach USA medzi obdobím dažďov (v lete) a príchodom mrazov (koncom jesene a v zime), býva suché obdobie. Rastlina prejde do vegetačného kľudu zvädnutím, obsah vody sa v bunkách zníži a dochádza ku strate turgoru. V jesenných mesiacoch a v zime bunková šťava hustne (rastlina už nečerpá vodu) a v tkanivách stúpa obsah cukrov v dôsledku hydrolýzy polysacharidov. Zvyšuje sa koncentrácia bunkovej šťavy a tým sa zníži aj riziko zamrznutia bunky. Zvyšovanie množstva cukru a jeho vplyv na odolnosť buniek proti nízkym teplotám je všeobecne známe. Zvyšuje sa aj stabilita koloidov, čím sa zvýši ochrana buniek proti mrazom. Tiež sa predpokladá, že cukry neovplyvňujú len osmotické vlastnosti bunky, ale sú aj metabolicky využité na syntézu ochranných látok. Experimentálne bolo zistené, že pri Opuntia fragilis sa v zime osmotický tlak mierne zvýši a množstvo sušiny o málo zníži. (Pre úplnosť ešte uvádzam, že podľa niektorých autorov bunková šťava kaktusov je málo koncentrovaná a koncentrácia sa nezvyšuje ani v zime. Rastliny dýchajú aj v chladných obdobiach, hoci pomalšie ako pri vyšších teplotách, a preto zo sušiny sa ubúda aj v zime, takže pomer sušiny k vode je prakticky konštantný.) Pri Opuntia humifusa bolo zistené, že produkuje mukopolysacharid, ktorí viaže nadbytočnú vodu. Pri kaktusoch majú protimrazové účinky aj alkoholy, z ktorých najčastejšie sa uvádza glycerol, zriedkavejšie aj manitol a sorbitol. V októbri či novembri v bunkách zimovzdorných kaktusov vznikajú rôzne enzýmy, kryštály a škrobové zrnká. Bunkové štruktúry (najmä biomembrány) sa reorganizujú. Skupiny chloroplastov si vytvárajú zhluky (agregáty) - spozorované napr. u niektorých druhov rodu Opuntia. Centrálna vakuola sa rozdelí na väčší počet malých vakuol. Ku zvýšeniu rezistencie prispieva aj výnimočná regeneračná schopnosť zimovzdorných kaktusov a naviac pletivá kaktusov sú schopné teplo aj samy vyprodukovať, napr. podľa Nobela chlorenchým niektorých druhov kaktusov (Coryphantha vivipara, Carnegia gigantea) pri teplote -5° C zvyšuje svoju teplotu o 3 až 4° C. Aj minerálne látky vplývajú na odolnosť kaktusov. Dusík je hlavnou zložkou bielkovín, nukleových kyselín, rastových regulátorov, vitamínov atď. Hnojením dusíkom na jar a v lete sa snažíme dosiahnuť postačujúci ročný nárast biomasy, aby pletivá rastlín boli kompaktné a odolnejšie voči nepriaznivým vplyvom. Nie je správne ho predávkovať, lebo s tým sa poruší štruktúra pletiva (veľkosť, kompaktnosť a usporiadanie buniek), čo znižuje fyziologickú odolnosť rastlín. Fosfor priamo zvyšuje trvanlivosť a biochemicky aj odolnosť rastlín. Jeho deficit spomaľuje látkové premeny, brzdí rast, dochádza k predĺženiu vegetačného obdobia a ku skráteniu vegetačného pokoja, čo v prípade zimovzdorných kaktusov je nežiadúce. Ovplyvňuje rast koreňov a vývin generatívnych orgánov. Kaktusári odporúčajú používať kyslý fosforečnan draselný. Draslík - okrem iných dôležitých funkcií - ovplyvňuje zdravý rast rastlín, metabolizmus cukrov, aktivizuje rozličné enzýmy a zvyšuje turgor buniek, vďaka čomu udržuje vnútorný tlak v pletivách rastlín. Ovplyvňovaním turgoru s hnojením draslíkom, môžeme dosiahnuť aj vyššiu fyziologickú odolnosť buniek proti nízkym teplotám. Vápnik ovplyvňuje rast rastlín (najmä koreňov), vplýva na syntézu bielkovín i chlorofylu a na mobilizáciu cukrov a bielkovín. Ovplyvňuje aj fyzikálno-chemický stav protoplazmy (napr. viskozitu). Horčík je súčasťou chlorofylu, podporuje príjem fosforu, jeho transport a metabolizmus. Ovplyvňuje aj koloidno-chemické vlastnosti protoplazmy a odolnosť rastlín proti nízkym teplotám. Nedostatok horčíka v substráte znižuje účinnosť minerálnych látok na báze N, P a K. K mikroelementom patria najmä bór (B), kobalt (Co), mangán (Mn), meď (Cu), zinok (Zn), molybdén (Mo) a iné. V rastlinách sa vyskytujú len v malých množstvách, ale sú nevyhnutné najmä pri enzymatických a v iných katalytických procesoch. Zvyšujú vitalitu a odolnosť rastlín. Keďže fyziologický mechanizmus odolnosti rastlín proti nízkym teplotám funguje na báze biochemických reakcií, predpokladá sa, že so správnymi biostimulátormi je možné tento mechanizmus ovplyvniť. Najjednoduchší spôsob je aplikácia rastových regulátorov riadiacich najmä dormanciu. Správne množstvo a obdobie aplikácie však treba ešte experimentálne overiť, lebo nevhodné dávkovanie spomínaných látok môže vyvolať opačný účinok. Podľa J. Nováka chemickou cestou (napr. aplikáciou kyslého fosforečnanu draselného alebo "prítomnosťou glycerínu v bunkách") sa dá zvýšiť mrazuvzdornosť až o 15° C (?). Glycerol okrem iných účinkov vplýva najmä na turgor cytoplazmy. Bolo zistené, že injekcia protimrazových ochranných látok (tzv. kryoprotektantov, ako napr. glukóza alebo metylglukóza) do pletiva opuncií menej ovplyvňuje odolnosť buniek, ako obsah vody v pletivách (podľa Nobela). Účinné je aj zamiešanie práškového bóraxu do substrátu na jeseň, alebo postupné dávkovanie roztoku bóraxu alebo kyseliny boritej. O možnosti aplikácie protimrazových proteínov získaných z rastlín a z rýb, už bolo písané v tomto časopise (1991/4, s. 17-18). Generatívne a vegetatívne šľachtenie (kríženie - hybridizácia a opakované vrúbľovanie - mentorovanie) ponúkajú ďalšie možnosti zvyšovania odolnosti kaktusov, ale ich popis presahuje rámec tohoto príspevku (sú uvedené v bežnej a v špecializovanej literatúre o kaktusoch). Juhoamerické vysokohorské druhy úspešne mentoroval A. V. Frič, čím u nich vyvolal umelú zimovzdornosť (napr. pri Oreocereus bolivianus). Keby sa nám podarilo v zime regulovať aktivitu bielkovinového a enzymatického aparátu buniek, dostali by sme sa bližšie ku zvyšovaniu odolnosti rastlín proti nízkym teplotám. Jednu z možností poskytuje regulácia nenasýtenosti bielkovín, čo spočíva v premene bielkovín na organické polovodiče (pomocou kyseliny askorbovej a iných reagentov). Experimentálne overenie týchto reagentov a presná formulácia ich aplikácie môže značne prispieť ku zvýšeniu odolnosti buniek a pletív. Elektrooscilačná regulácia katalytických procesov pomocou peacemakeru je iba vo fáze výskumu. Na záver by som chcel dodať, že pestovanie zimovzdorných kaktusov na Slovensku je iba v začiatkoch a jeho širšie uplatnenie bude možné iba po získaní spoľahlivejšieho sortimentu odolných druhov a ekotypov a po správnej interpretácii a aplikácii teoretických poznatkov z ekofyziológie a biochémie týchto rastlín. (Zoznam použitej literatúry je v archíve autora). |
