Vedoucí: prof. RNDr. Jitka Klimešová, CSc.

Lidé ׀ Grantové projekty ׀ Publikace

Výzkumná témata

• Hodnocení rozmanitosti odnožování z kořenů vzhledem k hormonální rovnováze v kořenech a kořenové anatomii
• Popis ekonomického spektra podzemních orgánů, jako jsou oddenky, tlusté kořeny, hlízy nebo cibule, a studium jejich perzistence, anatomie, ukládání uhlohydrátů a obsahu sušiny
• Posouzení, které funkční znaky podporují perzistenci rostlin v ostrovních systémech
• Zkoumání reakce na narušení porovnáním klonálních a neklonálních rostlin
• Zkoumání ekologicko-fyziologických znaků vodních masožravých rostlin ve vztahu k jejich růstu, minerální výživě, charakteristikám pastí a dormance turionů.

Hlavním výzkumným zájmem našeho týmu jsou omezení, která morfologie rostlin představuje pro ekologické funkce rostlin. Při studiu těchto omezení využíváme manipulativní experimenty a terénní výzkum vlastností rostlin podél gradientů prostředí.

V našich studiích používáme rostlinnou morfologii, anatomii a ekofyziologii. Pro zvýšení povědomí o morfologii a anatomii rostlin poskytujeme podporu dalším výzkumníkům ve formě databází, příruček a kurzů.

• Databáze klonálních vlastností a vlastností banky pupenů u rostlin střední Evropy: https://clopla.butbn.cas.cz/
• Příručka standardních protokolů pro měření modulárních vlastností rostlin: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1433831918301434
• Kurz zaměřený na teoretická východiska i praktické určování klonálních vlastností a vlastností banky pupenů u rostlin Go belowground!

Pracovní skupiny:

• Klonální rostliny: https://www.butbn.cas.cz/klonalni-rostliny
• Ekologie vodních a mokřadních rostlin: https://www.butbn.cas.cz/ekologie-vodnich-a-mokradnich-rostlin
• Funkční ostrovní biogeografie: https://www.butbn.cas.cz/funkcni-ostrovni-biogeografie

Vybrané výsledky z posledních let

1/ Hormonální nerovnováha stojí za výhodnou, ale vzácnou schopností odnožovat z kořenů

Odnožování z kořenů je výhodná, avšak vzácná vlastnost umožňující klonální růst a regeneraci rostlin po poranění, dokonce po fragmentaci kořenového systému. Schopnost je to typická pro vytrvalé plevele orné půdy. V experimentech s páry příbuzných rostlin lišících se schopností odnožovat z kořenů jsme potvrdili hypotézu, že kořenoodnožující druhy mají nižší poměr auxinu k cytokininu než jejich příbuzní. Tomuto nízkému poměru se však většina rostlin brání, aby předešly riziku růstových deformací.

• Martínková J., Klimeš A., Motyka V., Adamec L., Dobrev P. I., Filepová R., Gaudinová A., Lacek J., Marešová I. & Klimešová J. 2023: Why is root sprouting not more common among plants? Phytohormonal clues and ecological correlates. Environmental and Experimental Botany 205, 1 – 11. doi:10.1016/j.envexpbot.2022.105147
• Martínková J., Motyka V., Bitomský M., Adamec L., Dobrev P. I., Filartiga A., Filepová R., Gaudinová A., Lacek J. & Klimešová J. 2023: What determines root-sprouting ability: Injury or phytohormones? American Journal of Botany 110, 1 – 12. doi:10.1002/ajb2.16102

Příbuzné rostliny lišící se schopností odnožovat z kořenů po narušení. Nahoře rostlina schopná odnožovat z kořenů a dole rostlina bez této schopnosti. A, D – rostliny před narušením; B, E – rostliny, u kterých byla odstraněna nadzemní biomasa; C, F – rostliny regenerující po narušení.

 

2/ Odpad nebo poklad? Záchrana oddenků během sucha

Chtěli jsme zjistit, zda rostliny recyklují zásobní cukry z odumírajících oddenků, protože množství nevyužitých cukrů v oddenku může podstatně ovlivnit jeho rozložitelnost a tím i cyklus uhlíku v půdě. K zodpovězení této otázky jsme založili experiment s 8 oddenkatými druhy bylin pěstovanými v květináči, který byl rozdělen na dvě půlky. Odumírání oddenků jsme chtěli navodit pomocí sucha aplikovaného na polovinu květináče, ve které se nacházely staré části oddenků (metoda vyvinutá pro získání odumřelých oddenků a studium jejich dekompozice). V druhé polovině květináče byly podmínky optimální. Rostliny jsme v průběhu růstové sezóny odebírali z obou polovin a analyzovali obsah zásobních cukrů. Oddenky nejen že nejevily v průběhu pokusu známky senescence, ale zachovaly si také nezměněné obsahy zásobních cukrů. Zdá se tedy, že si rostliny během sucha chrání oddenky jako nezbytný orgán, který jim může zajistit regeneraci, až sucho pomine. Ukázalo se tak, že klasická metoda používaná ke studiu dekompozice oddenků není vhodná, protože nevede, k jejich odumření a dokazuje spíše, že oddenek je pro rostlinu velmi důležitý orgán, kterého se v případě stresu nerada zbavuje.

• Lubbe F. C., Bitomský M., Bartoš M., Marešová I., Martínková J. & Klimešová J. 2023: Trash or treasure: Rhizome conservation during drought. Functional Ecology 37, 2300 – 2311. doi:1111/1365-2435.14385

 
Pokusné rostliny ve skleníku Botanického ústavu v Třeboni.

 

3/ Skrytá část diferenciace jemných kořenů bylin: zásobní podzemní orgány určují vlastnosti jemných kořenů.

Rozdíly ve znacích jemných kořenů jsou obecně považovány za základ rozdílné schopnosti druhů žít na stanovištích lišících se dostupností živin. Role ostatních podzemních orgánů v tomto vztahu nebyla dosud známa, proto jsme zkoumali, do jaké míry jsou vlastnosti jemných kořenů určeny typem podzemních zásobních orgánů a/nebo orgánů klonálního růstu (např oddenky). Použitím fylogenetických komparativních technik jsme zjistili, že ekonomické vlastnosti, tedy délka života a rychlost růstu jemných kořenů souvisí s prodlužující se délkou života podzemních zásobních orgánů a/nebo orgánů klonálního růstu (od jednoletek a druhů se stolony, přes oddenkaté až po neklonální vytrvalé druhy). Toto sdílené kontinuum v kořenových znacích a délce života podzemních zásobních/ klonálních orgánů, koreluje s prostředím, kde se příslušné druhy vyskytují. Rychle rostoucí a krátkověké kořeny a podzemní zásobní orgány a/nebo orgány klonálního růstu lze nalézt v produktivních a narušených společenstvech, zatímco druhy opačných vlastností na neproduktivních stanovištích. To potvrzuje, že délka života podzemních zásobních orgánů a/nebo orgánů klonálního růstu ovlivňují vlastnosti kořenů u bylin.

Spolupracující subjekt: Universita Karlova, Katedra botaniky

• Klimešová. J. & Herben, T. 2023: The hidden half of the fine root differentiation in herbs: nonacquisitive belowground organs determine fine-root traits. Oikos 2023, 1 – 10. doi:1111/oik.08794

Pořadí rostlin se zvyšující se délkou života kořenující jednotky od jednoletek a rostlin se stolony, přes oddenkaté po neklonální byliny.

 

4/ Efekt vlhkosti, živin a narušení na velikost a vytrvávání zásobního orgánu u bylin mírného klimatu

Rostliny využívají své listy a stonky nad zemí k získávání uhlíku pro růst a údržbu, zatímco přebytečný uhlík ukládají pro pozdější použití v zásobních orgánech. V současné době jsou zásoby uhlíku  jako součást teorie strategií růstu rostlin většinou přehlíženy, proto víme jen málo o tom, jak velikost zásob reaguje na gradienty prostředí a narušení. Abychom zaplnili tuto mezeru, použili jsme obrázky oddenků pro více než 200 druhů z databáze klonálních rostlin (CLO-PLA), abychom změřili velikost a perzistenci zásobních orgánů a porovnali je s podmínkami prostředí, ve kterých jednotlivé druhy žijí. Velikost oddenků byla největší ve vlhkých podmínkách a nejmenší při častém rušení. Vlhkost a silné narušení podporovaly roční přírůstky dlouhých oddenků, zatímco vysoká frekvence narušení podporovala oddenky s krátkou životností. Zjistili jsme tedy existenci dvou strategií zásobních orgánů: (1) změny v persistenci podél gradientů produktivity a narušení a (2) změny objemu objem podél gradientu velikosti rostliny.

Toto je první analýza vztahu mezi skladováním a prostředím pro podrobnější analýzy, bude nutné posouzení zásobních sacharidů.

• Bartušková A., Lubbe F. C., Jiangiang Q., Herben T., & Klimešová J. 2022: The effect of moisture, nutrients and disturbance on storage organ size and persistence in temperate herbs. Functional Ecology 36, 314 – 325. doi: 10.1111/1365-2435.13997

Morfologické značky na podzemních orgánech stonkového původu, které byly použity pro odhad velikosti a vytrvávání zásobního orgánu.

 

5/ Vytrvat: Strategie vytrvávání rostlin na edafických ostrovech

Druhům na ostrovech hrozí vysoké riziko vyhynutí v důsledku změn životního prostředí, včetně globálního oteplování, změn ve využívání půdy a invazí. V místním měřítku lze vymírání kompenzovat strategiemi podporujícími perzistenci in situ. Zkoumali jsme, jak dosud přehlížené rysy rostlin související s vytrváváním (tedy s konzervativním růstem, velikostí a dlouhověkostí) na edafických ostrovech reagují na změny v míře izolovanosti ostrova a prostředí (půda a mikroklima). Extrémnější ostrovní a půdní podmínky měly tendenci podporovat rostliny s konzervativnější strategií. Zatímco klonální druhy konzistentně reagovaly na změny v míře izolace ostrova a půdních podmínkách, neklonální rostliny vykazovaly různé a druhově specifické reakce. Z toho vyplývá, že riziko vyhynutí v důsledku změn prostředí se může u těchto dvou skupin rostlin lišit.

• Ottaviani G., Méndez-Castro F. E., Conti L., Zelený D., Chytrý M., Doležal J., Jandová V., Altman J. & Klimešová J. 2022: Sticking around: Plant persistence strategies on edaphic islands. Diversity and Distributions 28, 1850 – 1862. doi:10.1111/ddi.13586

Podobnost druhových vlastností klonálních (a) a neklonálních (b) rostlin na terestrických ostrovech.

 

6/ Ostrovní výskyt podporuje lokální vytrvávání na terestrických ostrovech

Teorie ostrovní biogeografie předpovídá počet druhů na ostrovech v závislosti na jejich vzdálenosti od pevniny a na jejich velikosti na základě schopností šíření rostlin a místní speciaci druhů. Schopnost druhu přetrvat na ostrově je však přehlížena. Na třech evropských edafických ostrovních systémech jsme ukázali, že ostrovní charakter podporuje a vybírá u rostlin strategie, které mají vlastnosti typické pro lokální vytrvávání jako je míra klonálního rozmnožování, a současně redukuje diverzitu těchto vlastností.

• Conti L., Méndez-Castro F. E., Chytrý M., Götzenberger L., Hájek M., Horsák M., Jiménez-Alfaro B., Klimešová J., Zelený D. & Ottaviani G. 2022: Insularity promotes plant persistence strategies in edaphic island systems. Global Ecology and Biogeography 31, 753 – 764. doi:10.1111/geb.13465

Geografická poloha a krajinná konfigurace tří studovaných edafických ostrovních systémů v Evropě.

 

7/ Jak intenzita obhospodařování ovlivňuje oddenky a jejich funkci v travních společenstvech?

Ekologové věnují malou pozornost podzemní části rostliny, a když už ji sledují, zaměřují se na kořeny a jejich funkci v získávání živin. Pod zemí však mají rostliny i další orgány, u bylin jsou to hlavně oddenky. Oddenky obsahují zásoby uhlíku, zajišťují horizontální šíření rostliny, zprostředkovávají propojení mezi různými částmi klonu a spojují jemné kořeny a nadzemní rostlinné části. Kolik energie věnují luční rostliny těmto funkcím v podobě biomasy investované do oddenků? Lze biomasu oddenků předpovědět pomocí vlastností druhů vyskytujících se ve společenstvu? Na tyto a další otázky jsme se pokusili odpovědět analýzou 52 lučních společenstev, která byla buďto intenzivně nebo extenzivně zemědělsky využívaná. Zjistili jsme, že vlastnosti rostlin dovolují předpovědět rozložení biomasy rostlinného společenstva jen v extenzivně využívaných loukách. Důvodem byla nízká produkce oddenků u rostlin z intenzivně obhospodařovaných luk, která by mohla být také zodpovědná za změnu ekosystémových funkcí při příliš intenzivním hospodaření v travinných ekosystémech. Ztráta oddenkatých druhů a s tím spojená ztráta funkcí oddenků jako je ukládání uhlíku v půdě, integrace klonů a ochrana půdy před erozí, může být mechanismem, který vede k degradaci intenzivně využívaných trávníků v suchých oblastech a zaslouží si proto další pozornost.

• Klimešová J., Mudrák O., Martínková J., Lisner A., Lepš J., Filartiga A. L. & Ottaviani G. 2021: Are belowground clonal traits good predictors of ecosystem functioning in temperate grasslands? Functional Ecology 35, 787 – 795. doi:10.1111/1365-2435.13755
• Ottaviani G., Lubbe F. C., Lepš J., Lisner A., Martínková J., Mudrák O. & Klimešová J. 2021: Strong impact of management regimes on rhizome biomass across Central European temperate grasslands. Ecological Applications 31, 1 – 5. doi:10.1002/eap.2317

Louky lišící se intenzitou obhospodařování. Intenzita obhospodařování a biomasa oddenků vzrůstá od horního po dolní obrázek.

 

8/ Zásoby uhlíku u lučních rostlin a jejich vztah k ekonomice rostliny

Koncept ekonomického spektra rostliny, který je ve funkční ekologii velmi populární, dosud postrádá napojení na zásoby uhlíku a výzkum se soustřeďuje hlavně na fotosyntetickou účinnost listu v podmínkách různé dostupnosti zdrojů. Pokusili jsme se zjistit, jestli vlastnosti listů, ve kterých je asimilován uhlík, jsou koordinovány s vlastnostmi podzemních orgánů bylin, ve kterých je uhlík ukládán jako zásoba. Pro popis vlastností zásobních orgánů jsme použili anatomické znaky, morfologické znaky a údaje o typu a koncentraci zásobních cukrů. Na základě analýzy 40 lučních druhů jsme zjistili, že ekonomické vlastnosti listů jsou koordinovány s vlastnostmi zásobních orgánů jen málo a že obě skupiny vlastností jsou na sobě nezávislé a představují proto nezávislé strategie v rámci ekonomického spektra rostliny.

• Lubbe F. C., Klimeš A., Doležal J., Jandová V., Mudrák O., Janeček Š., Bartušková A. & Klimešová J. 2021: Carbohydrate storage in herbs: the forgotten functional dimension of the plant economic spectrum. Annals of Botany 127, 813 – 825. doi:10.1093/aob/mcab014

 

 

9/ Evoluce klonálního růstu u krytosemenných

Rostliny se rozmnožují semeny, ale mnoho rostlin se rozmnožuje i klonálně pomocí šlahounů, oddenků nebo kořenů. Jakkoliv je klonalita u rostlin častá, je na okraji badatelské pozornosti; nevíme ani jak se vyvíjela během evoluce, ani co svým nositelům umožňuje. To jsme hledali fylogenetickou analýzou ca. 3000 druhů evropské flóry. Ta ukázala velkou evoluční flexibilitu klonality. Rostliny tedy mohou pružně dosáhnout na její funkční výhody, když to prostředí vyžaduje, a stejně snadno se jí zbavit.

• Herben, T.; Klimešová, J. (2020). Evolution of clonal growth forms in angiosperms. New Phytologist 225: 999–1010. DOI: 10.1111/nph.16188.

Rozmanitost orgánů klonálního rozmnožování u rostlin. Jednotlivé typy klonálního rozmnožování mezi sebou poměrně snadno přecházejí, stejně tak jako rostliny mohou snadno klonální růst ztratit nebo znovu získat. Popisky v obrázku (shora zleva): nadzemní výběžky, epigeogenní oddenky, hypogeogenní oddenky, hlízy a cibule, kořeny s pupeny.

 

10/ Zvládají klonální rostliny lépe narušení než neklonální rostliny?

Obecně se očekává, že klonální rostliny zvládají lépe narušení než rostliny neklonální. Mají totiž větší zásoby pupenů, ze kterých vyrůstají po ztrátě nadzemních částí, a také cukrů, které k vyrůstání po narušení dodávají energii a stavební látky. V pokusu se 17 páry příbuzných rostlin lišících se klonalitoujsme rostliny vystavili několika druhům silného narušení jako je useknutí nadzemní části, mráz nebo zaplavení. Zjistili jsme, že klonální a neklonální rostliny jsou v regeneraci během prvního roku života stejně úspěšné v růstu. Obě skupiny rostlin však využívají k úspěšné regeneraci po narušení různé strategie, což může vést k tomu, že jejich schopnost regenerace se později v životěmůže lišit. Klonální rostliny více energie věnují budování podzemních zásob, neklonální rostliny zase efektivnímu růstu listů a jemných kořenů.

• Martínková, J., Klimeš, A., Puy, J., & Klimešová, J. 2020. Response of clonal versus non-clonal herbs to disturbance: Different strategies revealed. Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics 44: 125529.
• Martínková, J., Klimeš, A., & Klimešová, J. 2020. Young clonal and non-clonal herbs differ in growth strategy but not in aboveground biomass compensation after disturbance. Oecologia 193: 925–935.

Skleníkový pokus studující strategie klonálních a neklonálních rostlin. Foto J. Martínková

 

11/ Turiony – přezimující orgány vodních rostlin jako zdroj dusíku, fosforu a uhlíku pro jarní růst

Turiony jsou dormantní pupeny, které slouží vodním rostlinám k přezimování, obvykle na dně nádrže. Zkoumali jsme, do jaké míry obsahují zásoby živin nezbytných k jarnímu vyrůstání a jestli se jejich vlastnosti liší podle ekologické skupiny vodních rostlin (masožravé/ nemasožravé, kořenící/ vzplývavé apod.). Zjistili jsme, že hlavním zásobním sacharidem je škrob, který se v průběhu přezimování spotřebovává. Turiony jsou schopny alokovat pro nový růst rostliny na jaře až 40 % celkového dusíku a 60 % celkového fosforu. Obsahují dostatek fotosyntetických barviv, aby zásobily rostoucí rostlinu energií a uhlíkem. Nepotvrdili jsme, že různé ekologické skupiny rostlin se liší zásobami v turionech nebo jejich mobilizací.

• Adamec, L., Kučerová, A., & Janeček, Š. 2020. Mineral nutrients, photosynthetic pigments and storage carbohydrates in turions of 21 aquatic plant species. Aquat. Bot. 165: e103238

 

Zralé turiony bublinatky obecné (Utricularia vulgaris) mohou být velké až 25 mm. Foto L. Adamec