III. Sekce environmentálních účinků na terestrické ekosystémy

Studium a posouzení vlivu environmentálních faktorů (především zvýšené koncentrace CO2, teploty, závlahy, spektrálního složení sluneční radiace, či změny minerální výživy) a jejich vzájemných interakcí na metabolismus, fyziologii a produkční procesy rostlin, a to na různých hierarchických úrovních (ekosystém, rostlina, pletivo), je klíčovou podmínkou pro zpřesnění prognóz dopadů globální změny na suchozemské ekosystémy a pro vytvoření návrhu vhodných opatření zmírňujících tyto dopady.

Hlavní cíle sekce:

a) objasnění adaptačních a regulačních mechanismů souvisejících s dopady globální změny klimatu (především pak se zvýšenou koncentrací skleníkových plynů, zvyšováním teploty, vlivem sucha a změnou spektrálního složení radiace) na fyziologii, metabolismus a produkční procesy rostlin, vývoj metod pro včasnou diagnostiku působení stresových faktorů,

b) hlavní inovace metodického přístupu spočívá v popisu změn metabolického profilu rostlin při působení environmentálních stresů a nalezení funkčních spojení mezi metabolickým profilem rostlin a jejich fyziologickými / fenologickými vlastnostmi. Cílem je identifikovat hlavní metabolické dráhy v rostlinách, které se podílejí na fyziologické adaptaci rostlin a funkční stabilitě ekosystémů k působení projevů globální změny.

Vedoucí
Ing. Karel Klem, PhD.
klem.k@czechglobe.cz

Adresa
Bělidla 986/4a, 603 00 Brno

Zahrnuje:
Laboratoř ekologické fyziologie rostlin
Laboratoř metabolomiky a izotopových analýz
Oddělení xylogeneze a tvorby biomasy
Oddělení ekosystémové výměny stopových plynů

 

Laboratoř ekologické fyziologie rostlin


Urban Otmar, doc., Mgr., Ph.D. - vedoucí

Vědečtí pracovníci :
Ač Alexander, Mgr., Ph.D.
Calfapietra Carlo, Dr.,
Gargallo Garriga Albert, Dr.
Grace John, prof.
Holub Petr, Mgr., Ph.D.
Jansen Marcel, prof., Ph.D.
Juráň Stanislav, Ing., Ph.D.
Karlický Václav, Mgr., Ph.D.
Klem Karel, Ing., Ph.D.
Kováč Daniel, Mgr., Ph.D.
Kurasová Irena, Mgr., Ph.D.
Mishra Kumud, Dr., PhD
Mishra Anamika, Mgr., Ph.D.
Puranik Swati, Dr.
Šebela David, Ing., Ph.D.
Šprtová Mirka, Mgr., Ph.D.
Špunda Vladimír, doc., RNDr., CSc.
Štroch Michal, Mgr., Ph.D.
Tripathi Abhishek, M.Sc., Ph.D.
Večeřová Kristýna, Mgr., Ph.D.
Veselá Barbora, Mgr.
Vítek Petr, Mgr., Ph.D.
Záhora Jaroslav, Ing., CSc.

Ostatní :
Hodaňová Petra, Ing., et Ing.
Machelová Adéla, Bc.
Novotná Kateřina, Ing.
Pernicová Natálie, Bc.
Rajsner Lukáš
Roshka Inna
Vavříková Jana, Ing.

Doktorandi :

 

Laboratoř ekologické fyziologie rostlin se zabývá studiem vybraných fyziologických procesů rostlin v širokém časovém (aktivace fyziologických procesů v sekundách až procesy tvorby biomasy v řádu let) i prostorovém měřítku (aktivita enzymů až toky látek v ekosystémech). Zvláštní důraz je kladen na studium ekofyziologie fotosyntézy. Tyto procesy jsou studovány s důrazem na produkční aktivitu rostlin vystavených modifikovaným růstovým podmínkám dle scénářů předpokládané změny klimatu.

K hlavním cílům laboratoře patří:

a) top-down analýza toků látek a energií v různých typech ekosystémů na základě detailní analýzy vertikálního profilu fyziologických vlastností porostů v ustáleném i dynamickém růstovém prostředí,

b) poznání dopadů globální změny na fyziologii rostlin a produkční procesy v měřítku rostlina – ekosystém, a to zejména na základě multifaktoriálních impaktových experimentů,

c) poznání adaptačních a regulačních mechanismů souvisejících s dopady globální změny, včetně zjištění druhové a genotypové variability ve schopnosti adaptace,

d) v součinnost s Laboratoří metabolomiky sledovat změn v obsahu primárních i sekundárních metabolitů v rostlinách, které mohou být významné pro změnu kvalitativních parametrů produkce (aminokyseliny, jednoduché cukry, esenciální mastné kyseliny), mohou ovlivňovat změnu odolnosti k houbovým chorobám a škůdcům (fenolické látky, fytoalexiny, jasmonáty) či mohou plnit regulační a signální funkce v rostlině (rostlinné hormony, ergosterol, AOS),

e) vývoj optických diagnostických metod určených pro diagnostiku působení stresu vyhodnocením fyziologických procesů na základě výběru citlivých excitačně-emisních fluorescenčních spekter, citlivých pásem a indexů spektrální odrazivosti v oblasti UV/VIS/NIR a využití FT-IR a Ramanské spektroskopie

Pro splnění těchto cílů je využíváno následující infrastruktury:

a) přenosné gasometrické systémy pro stanovení rychlosti asimilace/disimilace CO2 a rychlosti transpirace, resp. stomatální vodivosti, na úrovni individuálních listů (letorostů)

b) fluorimetry (integrační i zobrazovací) pro detekci fluorescenčního signálu chlorofylu a, který umožňuje rychlý monitoring poškození či změnu funkčního stavu rostlin

c) spektrofotometry pro stanovení obsahu pigmentů, aktivity enzymů a koncentrace vybraných metabolitů ve studovaných rostlinách, stanovení křivek spektrální odrazivosti a transmitance na úrovni listu a porostu

d) FTIR a Ramanův zobrazovací spektrometr pro vyhodnocení změn v plošné distribuci metabolitů na úrovni listu a metabolický fingerprinting

Laboratoř metabolomiky a izotopových analýz


Tříska Jan, prof., Ing., CSc. - vedoucí

Vědečtí pracovníci :
Kotas Petr, RNDr.
Kozáčiková Michaela, Ing.
Oravec Michal, Mgr., Ph.D.
Svobodová Kateřina, Mgr.
Vrchotová Naděžda, RNDr., CSc.

Doktorandi :
Sendecká Katarína, Ing.

Ostatní :
Bednář Jan
Vilímková Olga, Ing.

 

Biochemický profil rostlin, který metabolomika studuje, je výsledkem interakce mezi genotypem, prostředím a regulačními mechanismy a vytváří tak jedinečný biochemický „otisk prstu“ růstového prostředí v rostlinách. Environmentální metabolomika představuje relativně nový výzkumný směr, který umožňuje např. identifikovat vliv environmentální zátěže na rostliny/ekosystémy, pochopit vnitřní (molekulární) mechanismy jak rostliny reagují na vnější podněty (odezva), jak se rostliny adaptují na změny růstových podmínek (adaptabilita, plasticita) a jak je utvářena funkční stabilita rostlin (robustness).

Hlavní cíle laboratoře:

a) pomocí chromatografických technik ve spojení s hmotnostní spektrometrií komplexně analyzovat, identifikovat a kvantifikovat metabolity v rostlinách a půdách (rhizosféře) s cílem popsat celkový metabolom vybraných rostlin a rhizosféry (širokospektrální screening metabolického profilu),

b) popsat změny v metabolickém profilu rostlin při působení environmentálních stresů,

c) nalézat funkční spojení mezi metabolickým profilem rostlin a jejich fyziologickými (např. fotosyntéza)/ fenologickými (např. růst) vlastnostmi,

d) detekovat poměry stabilních izotopů v systému půda-rostlina-atmosféra a v jednotlivých vybraných metabolitech,

e) identifikovat hlavní metabolické dráhy podílející se na fyziologické adaptaci rostlin k působení globální změny a utváření jejich funkční stability.

Pro splnění těchto cílů bude využíváno následujícího klíčového přístrojového vybavení:

a) vysokotlaká kapalinová chromatografie s hmotnostní detekcí (LC-MS) pro širokospektrální screening metabolitů (non-target analýzy) a analýzu vybraných skupin metabolitů (target analýzy),

b) plynová chromatografie s hmotnostní detekcí (GC-MS) pro detekci těkavých a snadno derivatizovatelných metabolitů, doplněná o termogravimetrický analyzátor pro studium dynamiky uhlíkového cyklu v půdách,

c) izotopový hmotnostní detektor (irMS), spojený s plynovou a kapalinovou chromatografií, pro detekci poměru stabilních izotopů (13C/12C, 15N/14N, 34S/32S, D/H, 18O/16O) v plynných i pevných vzorcích systému půda-rostlina-atmosféra a poměru izotopů v jednotlivých vybraných metabolitech.

 

Oddělení xylogeneze a tvorby biomasy


Horáček Petr, prof., Dr., Ing. - vedoucí

Vědečtí pracovníci :
Krejza Jan, Ing., Ph.D.
Stojanović Marko, M.Sc., Ph.D.

Doktorandi :
Bellan Michal, Ing.
Fajstavr Marek, Ing.
Holata Filip, Ing.
Nezval Ondřej, Mgr.
Uchytilová Tereza, Ing.

Ostatní :
Benc Martin, Ing.
Noyer Estelle, Dr.
Šlížek Jiří

 

Výzkumná aktivita oddělení se ubírá dvěma základními směry: i) studiem vodního režimu a ii) studiem procesu tvorby a alokace biomasy v lesních ekosystémech. Vodní režim je kvantifikován klasickou vodní bilancí, a to množstvím vstupujících srážek, výstupem v podobě odtoku a evapotranspirace.  Evapotranspirace je stanovována jak na základě měření mikroklimatických parametrů ve vertikálním profilu korunové vrstvy porostu tak z analýzy turbulentních toků mezi porostem a přilehlou vrstvou atmosféry. Transpirace je kvantifikována na úrovni jedince pomocí „tepelných“ metod. Fenologie porostních celků je studována pomocí zobrazovacích kamer, tvorba biomasy se stanovuje pomocí automatických dendrometrů a aplikací speciálních alometrických rovnic. Struktura porostů je sledována s využitím metod DPZ – LiDar.

Oba základní směry výzkumu oddělení jsou primárně spojeny s aktivními fyziologickými procesy fotosyntézy, respirace a transpirace, které jsou řízeny parametry prostředí.  Proto je zkoumán i modifikovaný vliv těchto parametrů (sucho, zvýšená teplota apod.) či simulace dalších „stresových“ podmínek (snížená dostupnost dusíku v půdě, zvýšená vzdušná koncentrace CO2, či O3 v ovzduší, zvýšený příkon UV-B radiace apod.) na vodní režim a produkci biomasy. Oddělení při svých výzkumných aktivitách průřezově spolupracuje s výzkumnými sekcemi II až 5.

Hlavní cíle oddělení:

a)      Popsat a kvantifikovat energetickou bilanci vybraných porostů dané struktury

b)     Popsat a kvantifikovat uhlíkovou bilanci vybraných porostů dané struktury

c)      Časově a prostorově identifikovat produkční aktivitu porostu v závislosti na působení faktorů prostředí

d)     Modelování vývoje ekosystému s ohledem na změnu klimatu

e)     Vývoj nových metodik či přístrojů použitelných především v lesnické praxi

Oddělení ekosystémové výměny stopových plynů


Macháčová Kateřina, Dr., rer.nat., Mgr. - vedoucí

Doktorandi :
Agyei Thomas, MSc.
Ofori-Amanfo Kojo Kwakye, MSc.

Ostatní :
Borák Libor, RNDr., Mgr., Ph.D.
Laptaszyński Leszek, Ing.

 

Oddělení ekosystémové výměny stopových plynů se zabývá výzkumem toků metanu (CH4), oxidu dusného (N2O), v menší míře i oxidu uhličitého (CO2), z různých druhů stromů, půd a ekosystémů. CH4, N2O a CO2 jsou významné skleníkové plyny přispívající ke globální změně klimatu. Kromě půdy může být CH4 a N2O emitován taktéž povrchem rostlin. Údaje o emisích těchto plynů ze stromů jsou však více než nedostatečné. Dlouhodobým cílem oddělení je tedy kvantifikovat toky CH4 a N2O z dospělých stromů různých druhů a objasnit jejich dynamiky a mechanismy. Podařilo se nám identifikovat stromy boreálního lesa (borovice, smrk, bříza) jako chybějící zdroje CH4 a N2O v ekosystémové výměně skleníkových plynů a poukázat na jejich překvapivé sezónní dynamiky. Dále jsme ukázali, že stromy (buky) mohou být nejen emitorem, ale i sinkem pro N2O z atmosféry. Interdisciplinární přístup propojující rostlinnou fyziologii s půdní biologií a vědami o atmosféře nám umožňuje podrobné studium této problematiky. Výsledky výzkumu budou klíčové pro odhad budoucí bilance toků CH4 a N2O u evropských lesů a tím i pro inventarizaci toků skleníkových plynů. Studium vlivu parametrů prostředí na toky těchto plynů přispěje k predikci globální změny.

Hlavní cíle oddělení:

a) charakterizace a kvantifikace toků CH4 a N2O z dospělých dřevin různých druhů a z půdy v různých typech ekosystémů (lesní ekosystémy převážně temperátní a boreální zóny, mokřady, zemědělské půdy)

b) studium druhové a prostorové variability a sezónní a denní dynamiky těchto toků

c) studium vlivu parametrů prostředí (např. vlhkost a teplota půdy a vzduchu, PAR, UV, zvýšená koncentrace CO2) na výměně CH4 a N2O v kontinuu půda-strom-atmosféra a pochopení spojitostí mezi toky skleníkových plynů ze stromů a fyziologickou aktivitou stromů

d) výzkum původu stromy emitovaného CH4 a N2O

e) parametrizace modelů transportu těchto látek v systému půda – rostlina – atmosféra

f) objasnění role foto-autotrofních organismů asociovaných s dřevinami (řasy, lišejníky, mechy) v koloběhu CH4 a N2O

g) objasnění role dřevin v rámci celkové výměny CH4 a N2O lesními ekosystémy

h) měření toků plynných dusíkatých látek v kontinuu zemědělská půda - vegetace - atmosféra

Dlouhodobé cíle oddělení:

a) identifikace chybějících zdrojů a sinků pro výše uvedené plyny v bilanci skleníkových plynů v lesních ekosystémech

b) nalezení společné charakteristiky toků CH4 a N2O pro jednotlivé skupiny dřevin (např. upland vs. wetland tree species, listnaté stromy vs. jehličnany) v širším geografickém a klimatickém gradientu

Pro splnění těchto cílů je využíváno následující infrastruktury:

a) ekosystémové stanice v České republice a zahraničí (rozsáhlá spolupráce se zahraničními výzkumnými pracovišti)

b) statické komorové systémy (půda, kmen, list) pro měření toků plynů z jednotlivých komponentů ekosystému

c) plynový chromatograf a přenosné FTIR analyzátory (princip Fourierovy infračervené transformace) pro stanovení koncentrací studovaných plynů

d) rozličné podpůrné měřící systémy a přístroje, laboratorní zázemí pro inkubační experimenty, apod.

Pro splnění těchto cílů je využíváno následující infrastruktury:

a) ekosystémové stanice v České republice a zahraničí (rozsáhlá spolupráce se zahraničními výzkumnými pracovišti)

b) statické komorové systémy (půda, kmen, list) pro měření toků plynů z jednotlivých komponentů ekosystému

c) plynový chromatograf a přenosné FTIR analyzátory (princip Fourierovy infračervené transformace) pro stanovení koncentrací studovaných plynů

d) rozličné podpůrné měřící systémy a přístroje, laboratorní zázemí pro inkubační experimenty, apod.