Cambridge University Report

Expertýza procesu hubení plevele pomocí Foamstreamu 

Dr. David Hanke

Katedra rostlinné vědy

University of Cambridge

Fyziologický proces, v časovém horizontu sekund až minut

1. Vliv na přeměnu proteinu

Při teplotách vyšších než 60 °C dochází k rychlému odbourávání proteinů. Tzn. že molekuly získávají kinetickou energii dostatečnou k tomu, aby nenávratně narušily všechny slabé vazby, které drží tvar molekuly v přesném složení ve vodě rozpustné konformaci. Tyto velké molekuly vystupují z roztoku s téměř okamžitou ztrátou veškeré enzymové aktivity. Při této teplotě rostlina nestačí zhnědnout a umírá zelená. Při teplotách mezi 40-60 °C, jsou proteiny také nevratně odbourány, avšak k tomuto procesu dochází pomaleji, i teplorezistentnější peroxidázy a esterázy jsou sice pomaleji, přesto nevratně odbourány.

Zvýšená kinetická energie substrátových molekul snižuje aktivační energii potřebnou pro enzymovou konverzi, která obvykle způsobuje zhnědnutí. Za těchto okolností vede k přechodnému výbuchu a celkově zvýšené aktivitě těchto enzymů.

2. Vliv na přeměnu lipidu

• V membráně

Při teplotách mezi 35 °C až 40 °C (hodnota závisí na původním klimatu rostliny, zvyšující se v pořadí: mírný  vs. středozemní vs. polopouštní ) se slabé vazby, které stabilizují lipidové dvojvrstvé jádro všech biologických membrán,  shodují  a přesahují kinetickou energii. V důsledku toho se membrány stávají netěsnými a při vyšších teplotách dochází ke ztrátě integrity. To vede k řadě důsledků.

Navenek dojde uvnitř plazmové membrány (PM) k úniku kapalného obsahu buněk a vytěsnění plynu z intercelulárních prostorů. V listech se utvoří rozsáhlá mezibuněčná plynná fáze a stane se velkou částí vnitřního objemu. Dopadající světlo je rozptýleno a odráží se od nesčetných buněčných povrchů. S intercelulárními prostory naplněnými kapalinou, se vetšina dopadajícího světla spíš přenáší, než že by se odrážela. V důsledku toho je list tmavší a průsvitnější. Zvýšená propustnost plazmové membrány také vede ke ztrátě tuhosti všech nedřevěných tkání – listů a výhonků – které se spoléhají na turgor tuhosti. Turgor je vnitřní tlak, který  důsledkem tendence vody pronikat do buňky směrem ke kondenzačnímu gradientu, působí proti překážení tuhé stěny. Když se rozpuštěné látky v PM neuchovávají, tento tlak se zhroutí a listy bezvládně svěsí.

U vnitřní tonoplastické membrány (TP) ohraničující vakuol, jsou následky spíše chemické než fyzikální. Vakuol je s přehledem největším orgánem v rostlinné  buňce a je plněn obrovskou škálu toxických chemických zbraní proti škůdcům a patogenům, které jsou v ní uloženy z hlediska bezpečnosti, včetně téměř všech trvalek,  korozních fenolů, neaktivovaných a udržovaných ve vakuu kovalentními vazbami k tvorbě esterů a glykosidů. V tepelně poškozených rostlinných buňkách tyto konjugované fenoly pronikají přes TP do cytoplazmy, kde stále aktivní hydrolázy odštěpují volné fenoly – jsou toxické kvůli jejich reaktivitě na aminoskupiny proteinů a nukleových kyselin. Nyní volné fenoly pronikají přes PM do buněčné stěny, kde jsou peroxidazami převáděny na fenolové radikály.  Jsou to jedny z nejčistěji reagujících chemikálií, které reagují bez rozdílu s přítelem i nepřítelem, v sebevražedné orgii ničení viditelné jako hnědnutí. Tato konjugovaná sekvence fenol / hydroláza / peroxidáza za normálních podmínek probíhá při běžných teplotách v důsledku přerušení PM a TP při fyzickém napadení býložravci nebo onemocnění organismu- to je ono hnědnutí, viditelné na povrchu brambor nebo jablečného ovoce. Poškozené buňky iniciují reakci, která se pak šíří do sousedních neporušených buněk, které jsou usmrcovány za účelem vytvoření chemické firewallu. Při normálních teplotách je řetězová reakce, poškozená fenolickými látkami vytvářejícími ještě více fenolických látek, tlumena korektivními reakcemi nestlačených buněk. Což omezuje hnědnutí v okolí rány. Brzdění hnědnoucího procesu zahrnuje použití antioxidačních chemikálií, jako jsou askorbát a tokoferol.

Při hubení trvalých plevelů by mělo být cílem podporovat šíření řetězové reakce generující fenolové radikály a snížit možnost aby je nepoškozené buněky obsahovali. Jednou ze strategií je prodloužit čas vystavení tepelnému stresu a anoxii. To má za cíl vystavit rostlinu  teplotám destabilizující membránu, vystavit škodlivým teplotám a nízké dostupnosti kyslíku pod plynotěsnou izolační pěnovou přikrývkou. Rozsah šíření poškození fenolickými látkami lze posoudit přidruženým zbarvením.

• Na povrchu 

Celý povrch, s výjimkou absorbčních špiček kořenů, je chráněn před ztrátou vody vrstvou skládající se z kutinu, jehož molekulární mezery jsou naplněny pevným hydrofobním voskem, který se vylučuje a tvoří souvislý vnější povlak. Při vyšších než normálních teplotách se vosk roztaví, vrstva se rozpadne na kapičky kapaliny a to umožňuje neomezenou ztrátu vody, takže živé tkáně uschnou a vysichají až do podoby papíru.

Amfipatické detergenty jsou zahrnuty v herbicidních sprejích, aby potáhly povrchový vosk a zvlhčovali povrch rostlin při běžných okolních teplotách. Stejné mycí prostředky mohou být použity k výrobě pěny. Avšak pěnové mycí prostředky jsou molekulárně dvojvrstvé a jsou tak nestabilní při vyšších teplotách. V každém případě, k hubení plevele teplem nejsou takové mycí prostředky nutné, protože vosky už byli horkem rozpuštěny. Ve skutečnosti jsou horké detergenty micelární, lubrikují povrchy rostlin, narušují tak přilnavost pěny. Toxicita takových saponátů, které v životním prostředí zanechávají usazeniny, jsou jejich zjevnou nevýhodou.

Vývojový proces, v časovém horizontu dnů

Všechny rostliny uchovávají stresově relativně odolné pupeny v nečinném stavu jako účinný mechanismus pro přežití.  U trvalek přežívají takto spící pupeny, takže rostlina je schopna přežít i sérii katastrof.

Pupeny obsahují specialní chemikálie napomáhající přežít stresová období a jejich buňky neobsahují velké vakuoly ani fenoly. Nejobtížněji hubitelnými plevely jsou takové, které své pupeny uchovávají  pod zemí, kde izolační vlastnosti půdy zmírňují nadzemní teplotu. Jedinou účinnou strategií je opakovat proces v časově optimálních intervalech: musí být dostatečně dlouhé na to, aby se pupeny vynořily ze země a natolik krátké, aby se předešlo novému růstu z uložených rezerv pupenů.