Výzkumný tým 11: Fyziologie a kryobiologie rostlin

Pracovní pozice a specializace: samostatný vědecký pracovník – kryoprezervace in vitro kultur bramboru, chmele a révy vinné, fyziologické a termické charakteristiky meristémů při dehydrataci a nízké teplotě

Cílem je studium vlivu nízkých a ultra-nízkých teplot na rostliny pro rozvoj metod kryoprezervace a využití těchto metod při uchování vybraných genotypů s požadovanými vlastnostmi při ultra-nízkých teplotách a pro eliminaci vybraných patogenů rostlin. Problematika kryobiologie je studována pomocí biotechnologických postupů s využitím technik in vitro a ex vitro. Tolerance rostlin vůči nízkým a ultra-nízkým teplotám a nedostatku vody je hodnocena pomocí fyziologických a biofyzikálních parametrů na úrovni rostlinných orgánů nebo na úrovni celistvé rostliny. Nevýzkumná činnost se týká Kryobanky vegetativně množených rostlin v rámci Národního programu konzervace a využívání genetických zdrojů rostlin a agrobiodiversity se samostatnou kapitolou Kryokozervace genofondů vegetativně množených plodin. Kryobanka se řídí kontrolou managementu kvality podle EN ISO 9001:2009. Laboratoř je referenční laboratoří pro kryoprezervaci rostlin pro Evropu a referenční laboratoří kalorimetrie rostlin pro Střední a Východní Evropu pro TA Instruments

Výzkum

Další činnosti

Jiné činnosti (služby)

Ing. Jiří Zámečník, CSc.: samostatný vědecký pracovník

RNDr. Alois Bilavčík, Ph.D.: vědecký pracovník – kryoprezervace in vitro kultur a dormantních pupenů ovocných dřevin. Vývoj technologií množení alternativních a nových ovocných dřevin a stanovení jejich teplotní odolnosti v podmínkách ČR.

Zdenka Hybnerová: samostatný technik – příprava rostlin v in vitro podmínkách.

Kontakty na pracovníky týmu (telefon, mobil, e-mail) naleznete zde.

Pro hodnocení poškození dormantních pupenů čtyř odrůd jabloní po vystavení mrazu bylo použito metody výtoku elektrolytů a růstu pupenů v optimálních podmínkách. Obě metody, konduktometrická a růstová, se ukázaly vhodné pro odhad mrazového poškození dormantních pupenů. Byly prokázány statisticky významné rozdíly odolnosti k mrazu u sledovaných odrůd jabloně. Při metodě sledování růstu je nutné brát v úvahu i ostatní faktory zimy než je jen nízká teplota. Při vystavení dormantních pupenů mrazu je nutné optimalizovat rozsah teplot a počty zkoumaných vzorků. Obě metody lze použít pro analýzu mrazuvzdornosti ovocných druhů a pro stanovení teplot pro první stupeň kryoprezervace dormantních pupenů.

Citace:

Jadrná et al. (2012) Assessment of frost damage rates in apple dormant buds by conductometry and growth tests. Acta Horticulturae (ISHS), 932: 453-459

Druhy, které patří do rozsáhlého rodu Hypericum, jsou velmi variabilní. Rozdíly morfologických, fyziologických a biochemických vlastností různých druhů rodu Hypericum, které souvisí s jejich rozšířením ve světě, ovlivňují i jejich přirozenou odolnost k podmínkám životního prostředí, hlavně pak k teplotním extrémům. Bylo zjištěno, že tolerance k mrazu u deseti vybraných druhů rodu Hypericum spp. se pohybovala mezi -11 ° C (vyjádřeno v LT50), u druhů vyskytujících se na celém světě, a -4 ° C pro druhy citlivé k mrazu, které se vyskytuj v subtropické oblasti. I když míra průměrné regenerace pro všechny kryoprezervované druhy při použití stejné vitrifikační metody kryoprezervace nepřesáhla 30 %, vliv genetické predispozice tolerance k chladu by měl být brán v úvahu při optimalizaci protokolu kryokonzervace. Dále byl zkoumán možný stimulační účinek chladové aklimatizace a dalších stresorů spojených s vitrifikací na obsah hypericinu, jedinečných sekundárních metabolitů, syntetizovaných u mnoha druhů Hypericum a formování morfologických struktur, které slouží jako místa pro akumulaci těchto sloučenin. Naše výsledky ukázaly, že účinky chladu nemají vliv na biosyntézu hypericinu, ani na korelaci mezi obsahem hypericinu a kvantitativních charakteristik hypericin akumulující tmavé uzlíky.

Citace:
Petijová, L., Bruňáková K., Zámečník J., Zubrická D., Mišianiková A., Kimáková K., Čellárová E. (2014) Relation between frost tolerance and post-cryogenic recovery in Hypericum spp. Cryoletters 35 (3),171-179

Termické vlastnosti kryoprotektivních roztoků v závislosti na jejich složení a rychlosti chlazení a ohřevu
Vlastnosti kryoprotektivních roztoků ovlivňují vlastnosti kyoprezervovaných vzorků. Ovlivňují jejich obsah vody, podíl krystalické vody a teplotu skelného přechodu. Výběr kryoprotektivního roztoku tak může ovlivnit výsledek kryoprezervace i stabilitu skladovaných vzorků. Jednotlivé metody kryoprezervace využívají rovněž různé rychlosti chlazení a ohřevu vzorků, které mohou rovněž ovlivňovat vlastnosti biologických vzorků. Proto byly porovnávány termické charakteristiky tří kryoprotektivních roztoků (PVS1, PVS2, PVS3) a dvou jejich modifikací (PVS2mod., PVS3mod.) při různých rychlostech chlazení a ohřevu. Teplota skelných přechodů těchto kryoprotektivních roztoků byla rozdílná a souvisela se složením těchto roztoků, především s obsahem vody. Teplota skelné přechodu se statisticky významně zvýšila při využití ultrarychlého chlazení (přímé ponoření do kapalného dusíku; 6000 °C/min) ve srovnání s pomalým chlazením (20 °C/min) o 1,2 °C. Hodnota změny teploty kapalného dusíku však neměla praktický význam na uložené vzorky, protože teplota skelného přechodu se nachází v širokém intervalu teplot 15-20 °C, kde je zjištěná velikost změny zanedbatelná. Výsledky prokázaly, že výběr kryoprotektivního roztoku má významný vliv na teplotu skelného přechodu, ale výběr metody chlazení či ohřevu neovlivňuje zásadně termické vlastnosti vzorků.
Citace:
Teixeira A.S., Faltus M., Zámecník J., González-Benito M.E., Molina-García A.D. (2014) Glass Transition and Heat Capacity Behaviors of Plant Vitrification Solutions. Thermochimica Acta 593, 43–49, doi:/10.1016/j.tca.2014.08.015)

Využití termické analýzy při validaci postupu kryoprezervace révy vinné
Termická analýza byla využita při optimalizaci postupu kryoprezervace u vybraných odrůd révy vinné (Blussard modrý, Portugal modrý, Kerner). Bylo zjištěno, že odrůda Kerner byla nejvíce citlivá vůči osmotickému stresu a dehydrataci. Nejdůležitějším parametrem pro hodnocení postupu dehydratace v průběhu kryoprotokolu byl obsah krystalické vody. Ten klesal postupně u všech odrůd společně s teplotou tání explantátů. Nejnižší teplota tání byla po dehydrataci zjištěna u odrůdy Blussard modrý, ale naopak byla u této odrůdy zjištěna nejvyšší regenerační schopnost ze všech odrůd a zároveň nejvyšší podíl krystalické vody. Z výsledků je patrné, že citlivost odrůd révy vinné vůči kryoprezervaci je dána především jejich odolností vůči osmotickému stresu a dehydrataci. Výsledky ukázaly, že pomalá a postupná dehydratace je nezbytná pro úspěšnou kryoprezervaci, a otužení explantátů révy vinné vůči osmotickému stresu zvyšuje jejich odolnost vůči následné dehydrataci.
Citace:
Faltus M., Bilavcik, A., Zamecnik J. (2015) Effect of cryoprotective solutions on thermal properties and dehydration tolerance in grapevine, Vitis, v tisku

Fyziologická a biofyzikální reakce rostlin za nízkých a ultranízkých teplot
Úvodem je definováno teplo, sdílení tepla, teplota, tepelná kapacita, na příkladu hlavních komponent složení rostlin, fázového stavu vody, ledu a organických látek. Fázové přechody jsou rozděleny podle přechodů prvního řádu, ke kterým patří teplota přechodu vody v tání, evaporaci a sublimaci. K tepelným přechodům druhého řádu patři hlavně teplota skelného přechodu. Dále je pojednáno o stresu nízké teploty a jejího působení na rostliny a jejich fyziologické odpovědi. Vyjmenovány jsou fyziologické strategie vyrovnání rostlin se stresem nízké teploty. Biofyzika intracelulárního, extracelulárního a extraorgánového mrznutí vody je popsána z hlediska škodlivosti pro rostlinu. Obranné mechanismy, které mají rostliny jsou vyjmenovány spolu s mechanismy otužovaní rostlin k nízkým teplotám včetně účinných bariér, které mají rostliny vůči šíření ledu v nich. Závěrem je pojednáno o biofyzikálních změnách v rostlinách při ultranízkých teplotách, tvorbě biologického skla a jeho aplikaci při kryoprezervaci rostlin
Citace:
Zamecnik J., Faltus M., (2014) Physiological and biophysical responses of plants under low and ultralow temperatures. Handbook of Plant and Crop Physiology, M. Pessarakli (ed), Taylor & Francis Group, 358-584