letnik 62 številka 01-2010 UDK630 ISSN 0024-1067 Cena 4,50 EUR revija o lesu in pohištvu les wood Kopengahen, hopenhagen, manana ■ Nova spoznanja o procesih nastanka lesa ■ ČAR LESA 2010 - razpis Oddelek za lesarstvo Biotehniška fakulteta Univerza v Ljubljani http://les.bf.uni-lj.si/ Edina visokošolska institucija v Sloveniji, kjer lahko pridobiš nazive: / Dipl„mira„, inženir ie!a,«,a / Maeister inïenlr ^ m Doktor lesarskih znanosti JE TVOJA PRIHODNOST 1134 les revija □ lesu in pohištvu Ustanovitelj in izdajatelj Zveza lesarjev Slovenije. Uredništvo in uprava 1000 Ljubljana, Karlovška cesta 3, Slovenija tel. 01/421-46-60, faks: 01/421-46-64 e-pošta: revijaJes@siol.net Uredništvo in sodelavci uredništva Glavni urednik: prof. dr. Franc Pohleven Odgovorni urednik: doc. dr. Miha Humar Tehnični urednik: Stane Kočar, univ. dipl. inž. Lektoriranje: Darja Vranjek, prof. slov. in soc. Oblikovalska zasnova revije Boštjan Lešnjak Tisk Littera Picta d.o.o. Uredniški svet Predsednik: Bruno Gričar Člani: Peter Tomšič, univ. dipl. oec., Mitja Strohsack, univ. dipl. iur., mag. Miroslav Štrajhar, univ. dipl. inž., Bruno Komac, univ. dipl. inž., mag. Andrej Mate, dipl. oec., Stanislav Škalič, univ. dipl. inž., Janez Pucelj, univ. dipl. inž., Igor Milavec, univ. dipl. inž., Florijan Cifrek, Edi Iskra, prof. dr. Marko Petrič, doc. dr. Milan Šernek, Zdenka Steblovnik, univ. dipl. inž., mag. Darinka Kozinc, univ. dipl. inž., mag. Majda Kanop, univ. dipl. inž., prof. dr. Franc Pohleven, Bojan Pogorevc, univ. dipl. inž. Uredniški odbor prof. em. dr. dr. h. c. mult. Walter Liese (Hamburg), prof. dr. Helmuth Resch (Dunaj), dr. Milan Nešič (Beograd), prof. dr. Radovan Despot (Zagreb) prof. dr. Vito Hazler, doc. dr. Miha Humar, doc. dr. Manja Kitek Kuzman, Alojz Kobe, univ. dipl. inž., dr. Nike Krajnc, strok. svet. Borut Kričej, prof. dr. Jože Kušar, doc. Nada Matičič, prof. dr. Primož Oven, prof. dr. Marko Petrič, prof. dr. Franc Pohleven, mag. Marija Slovnik, doc. dr. Milan Šernek, prof. dr. dr. h. c. Niko Torelli, Stojan Ulčar, mag. Miran Zager, prof. dr. Roko Zarnič Letna naročnina Posamezna številka 4,50 EUR Dijaki in študenti 16 EUR. Posamezniki 35 EUR. Podjetja in ustanove 160 EUR. Obrtniki in šole 80 EUR. Tujina 160 EUR + poštnina. Naročnina velja do preklica. Pisne odjave upoštevamo ob koncu obračunskega obdobja. Transakcijski račun Zveza lesarjev Sloven ije-LES, Ljubljana, Karlovška cesta 3, IBAN (TR): SI56 0310-0100-0031-882 pri SKB d.d., Ljubljana SWIFT: SKBASI2X Revija izhaja v dveh dvojnih in osmih enojnih številkah letno. Za izdajanje prispeva Ministrstvo za znanost, šolstvo in šport Republike Slovenije. Na podlagi Zakona o davku na dodano vrednost spada revija Les po 43. členu pravilnika med nosilce besede, za katere se plačuje DDV po stopnji 8,5 %. Vsi znanstveni članki so dvojno recenzirani. Izvlečki iz revije LES so objavljeni v AGRIS, Cab International - CD-Tree ter v drugih informacijskih sistemih. KÜPENHAGEN -COPENHAGEN - MANANA Upanje Zemljanov v sklenitev tolikanj želenega, globalno uravnoteženega in obvezujočega dogovora o zmanjšanju izpustov CO2 na veličastni decembrski podnebni konferenci, je splavalo po vodi. Nekateri odkrito govorijo kar o »podnebni sramoti« in o Kopenhagnu kot »mestu zločina«. Zadovoljiti smo se morali z nejasnim dogovorom o omejitvi globalnega segrevanja pod dve stopinji Celzija glede na predindustrijsko dobo, vendar brez konkretnih zavez o zmanjšanju emisij, s katerimi bi ta cilj lahko dosegli. Zadeva se je končala tako, da so države pozvali, naj do februarja naznanijo svoje zaveze za omejitev izpustov do leta 2020. Tehnično naj bi »Kopenhagenski dogovor« dorekli na ministrski konferenci OZN (COP16) v Ciudad de Mexicu decembra 2010, torej že spet manana (»jutri«), ki v špansko govorečih deželah mnogokrat ne pomeni nič drugega kot odlašanje ter prelaganje pomembnih in težavnih stvari na nedoločljiv kasnejši čas. Šaljivci v Mehiki upravičeno trdijo, da je manana »najbolj deloven dan v tednu«. Malo se bojim, da ne bodo imeli spet prav ... Tudi če ne verjamemo v globalno segrevanje (prim. razkrita poročila o dvomih klimatologov z britanske univerze East Anglia: »climagate«), pa je prišlo v Kopenhagnu do pomembnega napredka. Za razliko od Kjotskega protokola, ki je sprva za ponor priznal le »aforestacijo« in »reforestacijo« ter s kasnejšim Mara-keškim dogovorom (COP7), za razvite države, delno še zdržno gospodarjenje z gozdovi, so v Kopenhagnu izrecno poudarili pomen ohranjanja gozdov (»avoided deforestation«), zlasti tropskih, za kar so razvite države obljubile visoka sredstva. Letni sekvestracijski potencial gozdov znaša približno 1,7 Gt ogljika in ni dosti manjši od potenciala oceanov (približno 2,0 Gt ogljika)! Skušnjava po uničenju tropskega gozda, ki prispeva kar petino vseh izpustov, je velika. Razgozdena rodovitna tropska tla so izjemno donosna (oljna palma, kava, trsni sladkor, kakao, soja, živinoreja, itd.)! Bi se odrekli jutranji kavici s trsnim sladkorjem ali pa čokoladi? Previdni gozdarji in ekologi pri tem opozarjamo, da »reforestacija« ni sajenje monokultur in »agroforestry« ali kakršno koli »ozelenjevanje«, ki resda s fotosintezo veže CO2, ne predstavlja pa gozdnega ekosistema s številnimi vitalnimi funkcijami (npr. biodiverziteta). Pričakujemo tudi, da bodo slednjič realistično ovrednotili izjemen pomen zdržnega gospodarjenja z gozdom ter pomen rabe CO2-nevtralnega lesa kot materiala in energenta za blaženje podnebnih sprememb. Razočaran sem preračunal letalske izpuste za 15.000 udeležencev konference na povprečni razdalji Kopenhagen - New York in nazaj. Vsak je v »zrak poslal« 1,5 t CO2, kar je ekvivalentno dvema kubikoma sveže smrekovine. Vsi skupaj so ozračje »obogatili« za 22.500 t CO2, kar ustreza 30.000 m3 sveže smrekovine ali 100 hektarom gozda. Ekohipokrizija ... Pot v gozd je pot domov. (John Muir) prof. dr. dr. h. c. Niko Torelli Jožica GRIČAR* udk: 630*811.12 celična stena rastlin in nova spoznanja o procesih nastanka lesa Cell wall of plants and current knowledge on wood formation processes Izvleček: V prispevku je opisana celična stena rastlin in različni tipi celic v drevesu. Predstavljene so modelne rastline, na katerih potekajo raziskave o delovanju kambija in celični diferenciaciji. Podana so nova spoznanja o biologiji nastanka lesa. Ključne besede: celična stena, diferenciacija, lignifikacija, modelne rastline, nastanek lesa (ksilogeneza), sklerenhim Abstract: In the paper, cell wall of plants and various cell types in trees are described. Model plants used for studies of cambial activity and cell differentiation are presented. Current knowledge on biology of wood formation is given. Key words: cell wall, differentiation, lignification, model plants, wood formation (xylogenesis), sclerenchyma CELICNA STENA RASTLIN Celična stena rastlin je urejena struktura, sestavljena iz različnih polisaharidov, proteinov in aromatskih spojin (Derma-stia, 2007). Celične stene bi lahko poimenovali tudi zunanje ogrodje rastline, saj določajo obliko celice, končnega organa in s tem celotne morfologije rastline. Rastlini nudijo mehansko oporo in delujejo kot fizična pregrada za abiotske in biotske dejavnike. Vendar pa vloga celičnih sten ni zgolj mehanska, pač pa so vključene tudi v rast rastlin, celično diferenciacijo, medcelično komunikacijo in pretok vode. Brez celičnih sten bi bile rastline upogljive gmote proto-plazme, bolj podobne sluzastim kupom kot pa veličastnim drevesom in drugemu zelenju, ki krasi naš planet (Cosgrove, 2005). Rastline vsebujejo okoli 35 različnih tipov celic, ki se razlikujejo v velikosti obliki, stenskih značilnostih in mestu v rastlini (Cosgrove, 2005). Zgradba in ureditev stenskih komponent se razlikuje med rastlinskimi vrstami, med tkivi iste vrste, med posameznimi celicami in posameznimi sloji. Celične stene rastlin so za življenje ljudi zelo pomembne, saj predstavljajo surovino v tekstilni, lesni, celulozni in papirni industriji, pa tudi kot gorivo, zato je številčnost raziskav na tem področju povsem razumljiva (Zhong in Ye, 2007). dr., Gozdarski inštitut Slovenije, Oddelek za prirastoslovje in gojenje gozda, Večna pot 2, SI-1000 Ljubljana, e-pošta: jozica .gricar@gozdis.si Pretežen del celic v drevesu je obdanih s togo celično steno, sestavljeno iz celuloz, hemiceluloz, pektina, proteinov in/ali lignina. Delež teh komponent se spreminja znotraj mikropodročij celične stene posamezne celice, pa tudi med različnimi tipi celic. Sestava celičnih sten je prilagojena osnovni funkciji celice, zato imajo trahealni elementi, ki so namenjeni prevajanju vode, drugačno sestavo celične stene kot na primer celice krovnih tkiv, ki imajo zaščitno funkcijo. Debelina in sestava sten se lahko spreminja med rastjo celice, pa tudi kot odziv na neugodne abiotske in biotske dejavnike. Rastline so zmožne sintetizirati ustrezno količino različnih stenskih komponent in jih vgraditi na primerno mesto, tako da nastala celična stena ustreza nalogam, ki so specifične za vsak tip celice. Številni dejavniki, vključno s hormoni, citoskeletom, proteini, fosfoinozitidi ter oskrbo s sladkorji nukleotidov, so vpleteni v usmerjeno izločanje stenskega materiala, s čimer uravnavajo dinamiko nastajanja celične stene in njeno heterogenost (Zhong in Ye, 2007). TIPI RASTLINSKIH CELIC GLEDE NA ZNAČILNOST CELIČNIH STEN Celične stene lahko v splošnem delimo na primarne in sekundarne. Primarne stene so značilne za vse celice, nastanejo med citokinezo in se kasneje med celično ekspanzijo še spremenijo, sekundarne stene pa se v določenih celič- nih tipih oblikujejo po zaključku postkambijske rasti (Taiz in Zeiger, 2002). Glede na značilnosti celičnih sten lahko rastlinske celice delimo v tri osnovne tipe: parenhim, ko-lenhim in sklerenhim. Parenhimske in kolenhimske celice imajo samo primarno steno, sklerenhimske pa primarno in sekundarno steno (Cosgrove, 2005; Dermastia, 2007). Stene parenhimskih celic so navadno tanke in enotne zgradbe, vendar njihova sestava med različnimi tipi parenhimskih celic zelo variira (Zhong in Ye, 2007). Parenhimske celice se razlikujejo v velikosti, obliki in nalogah, ki jih opravljajo, vsem pa je skupna fleksibilna stena in živ protoplast v zreli stopnji razvoja. Razen poudarjene oporne vloge, ki jo danes opravljata kolenhim in sklerenhim, večino nalog v drevesu opravljajo parenhimske celice (Dermastia, 2007). Kolenhim je eno izmed specializiranih mehanskih tkiv rastlin, katerega razvoj je bil povezan s prehodom višjih rastlin na kopno. Pri majhnih rastlinah je bil namreč že tur-gorski tlak parenhimskih celic dovolj za oporo, medtem ko hitro rastočim in višjim zelnatim rastlinam to ni zadostovalo (Dermastia, 2007). Kolenhimske celice imajo dodatno odebelitev primarne stene z materialom, ki vsebuje veliko pektinskih spojin. Kolenhimske stene so slojevite, kjer se izmenjujejo sloji, bogatimi s celulozo, s sloji, bogatimi s pektini. Orientacija celuloznih mikrofibril se v slojih spreminja. Stena ni enotno odebljena, temveč le mestoma in zagotavlja ustrezno mehansko trdnost celice, ne da bi se zmanjšala plastičnost tkiv, kar je nujno, saj celice med rastjo ves čas spreminjajo obliko. Plastično snov lahko raztegnemo ali stisnemo v novo obliko brez poškodb, obliko pa snov zadrži, tudi ko delovanje sile preneha. Ko celice dozorijo, se lahko v stene odloži tudi lignin, ki jih dodatno ojača in naredi vodovzdržne (Dermastia, 2007). Sklerenhim je eno pomembnejših tkiv v drevesu. V splošnem ga delimo na prevodne elemente ksilema in nepre-vodne sklerenhimske celice. Pri slednjih nadalje ločimo sklereide in vlakna (Dermastia, 2007). Od kolenhima se razlikuje predvsem po načinu ojačitve rastline. Medtem ko je kolenhim močan zaradi plastičnosti sten, je sklerenhim elastičen. Elastična snov se vrne v prvoten položaj in obliko, ko delovanje sile preneha (Dermastia, 2007). Sklerenhimske celice ojačujejo popolnoma razvite organe. Sklereide in vlakna imajo v splošnem enotno odebeljene sekundarne stene, razen na območju pikenj, kjer sekundarna debelitev izostane. Sekundarna debelitev v traheal-nih elementih ima navadno določen vzorec; npr. krožen, spiralen, mrežast, lestvičast (Zhong in Ye, 2007). Les (sekundarni ksilem) je zgrajen pretežno iz sklerenhim-skih celic, zato je razumevanje njihovega razvoja z vidika ksilogeneze ključno. V nadaljevanju prispevka je opisan nastanek sklerenhimskih celic lesa. OMEJITVE PRI RAZISKAVAH NASTANKA LESA Znanstveniki so se že več kot pol stoletja nazaj zavedali pomena razumevanja nastanka lesa (npr. Bailey, 1952). V zadnjih letih je mogoče opaziti povečanje števila objav in posledično novih spoznanj na področju razvoja višjih rastlin, vendarle pa pretežen del raziskav poteka na primarnih meristemih poganjkov ali korenin ter na celicah in tkivih primarnega rastlinskega telesa (Chaffey, 2002). Tako je znanje o ksilogenezi, kambiju in sekundarnem va-skularnem sistemu še vedno precej skromno. V želji, da bi se vrzeli zapolnile, poteka danes veliko integralnih študij, kjer raziskovalci različnih znanstvenih disciplin (biologi, gozdarji, lesarji, biokemiki, matematiki) združujejo znanje in izkušnje ter proučujejo sekundarni vaskularni sistem na celičnem in molekularnem nivoju (Chaffey, 2002). Sekundarno rastlinsko telo nastane z delovanjem sekundarnih lateralnih meristemov in se začne v lesnatih rastlinah oblikovati po prvem letu rasti. Sestavljeno je iz sekundarnega floema, prevodnega kambija in sekundarnega ksilema, ki skupaj tvorijo sekundarni vaskularni sistem (Chaffey, 2002). Les predstavlja pretežni delež debelinske rasti dreves in je za ljudi pomemben predvsem za gorivo, pridobivanje vlaken in gradbeno/pohištveno industrijo. Z naraščajočo porabo lesa se je povečala tudi želja po njegovi učinkovitejši izrabi, ki pa zahteva tudi boljše razumevanje celične biologije nastanka lesa. Te raziskave pokrivajo področje genskega inženiringa lesa (izboljšanje metod za prenos genov) ter celične biologije (razumevanje razvojnih procesov nastanka lesa). Chaffey (2002) navaja kot glavne razloge za relativno skromen napredek na področju ksilogeneze: raziskave nastanka lesa so zelo zapletene, saj delo poteka na počasi rastočih (velikih) drevesih, za katere je značilna velika variabilnost v horizontalni in vertikalni smeri, kakor tudi med drevesi na istem rastišču in različnimi drevesnimi vrstami. Sekundarni vaskularni sistem je kompleksen in sestavljen iz različnih tipov celic, ki so aksi-alno ali radialno usmerjene, nekatere med njimi pa se lahko preoblikujejo iz enega tipa v drugega. Delovanje kambija je periodično, proces nastanka lesa pa vključuje številne razvojne faze (od delitev do ojedritve). Razvoju ene celice je nemogoče slediti, s ponavljajočim vzorčenjem tkiva nastajajoče branike na različnih mestih drevesa v kratkih časovnih intervalih pa v analize zajamemo še prostorsko komponento, saj se širina branike po obodu drevesa spreminja. Les je nehomogen material, vendar pa je uporaba naprednih tehnik odpravila kar nekaj ovir. Težave so se pojavljale tudi pri izbiri primernih modelnih vrst, na srečo pa sekundarna rast ni omejena le na lesnate rastline (Chaffey, 2002). MODELNE RASTLINE Izbrane modelne vrste omogočajo usmerjene raziskave rastlin, kar zagotavlja hiter in usklajen napredek na tem področju. Sprva je bilo veliko raziskav o ksilogenezi in vitro opravljenih na cinijah (Zinnia elegans) iz družine nebi-novk, vendar pa rastilna ni najprimernejša za procese nastanka lesa, ki potekajo v drevesu. Druga modelna rastlina je navadni repnjakovec (Arabidopsis thaliana) iz družine križnic, sorodnik brokolija in cvetače (slika 1). Ima kratek življenjski cikel in se ga brez težav goji v laboratoriju. Na različne strese se odziva podobno kot mnoge poljščine. V primerjavi z drugimi rastlinami ima majhen genom (120 milijonov baznih parov - Mb), ki so mu ga v celoti določili in o tem poročali v reviji Nature leta 2000 (Dennis in Suggidge, 2000; http://novebiologije.wikia.com/wiki/ Genomi_rastlin). Na 5 kromosomih so zapisi za okrog 25.000 genov. Za primerjavo: genom koruze je velik 2500 Mb in pšenice 16000 Mb. Leta 1777 je angleški botanik in entomolog William Curtis v svoji knjigi Flora Londinensis zapisal, da je repnjakovec rastlina brez posebnih lastnosti in uporabe, danes pa je zaradi svojega genoma ena izmed pomembnejših na svetu (Endersby, 2007). Na re-pnjakovcu je mogoče opraviti preliminarne raziskave nastanka lesa in jih nato potrditi na drevesih. Rastlina razvije kambij, ki lahko živi in deluje nekaj mesecev ter v tem času proizvede znatno količino lesa. Zgradba lesa in kambija je morfološko in ultrastrukturno podobna kot pri topolu. V tem smislu je mogoče repnjakovec obravnavati kot »miniaturno drevo« in ga uporabiti za osnovna vprašanja o celični biologiji sekundarnega vaskularnega sistema (zlasti za nastanek lesa). Vendarle pa ima uporaba repnjakovca kot modelne rastline za raziskave ksilogeneze omejitve, saj ne obsega vseh pomembnih značilnosti sekundarnega vaskularnega sistema dreves, kot na primer produkcije ranega in kasnega lesa, procesa ojedritve ali periodičnega delovanja kambija (Chaffey, 2002). Med lesnatimi rastlinami se je kot model najprej začel uporabljati topol (rod Populus) zaradi majhnega genoma, ki je primerljiv z repnjakovcem. Topoli, zlasti nekateri hi-bridi, so zelo primerni za tovrstne raziskave tudi zato, ker Slika 1. Navadni repnjakovec (www2.arnes.si). rastejo zelo hitro in je znana njihova anatomska zgradba lesa. V reviji Science je jeseni 2006 izšel članek (Tuskan in sod., 2006), v katerem raziskovalci iz 39 sodelujočih skupin poročajo o osnovnih podatkih o genomu prvega drevesa, topola (Populus trichocarpa). To je vrsta topola, ki uspeva na zahodu Severne Amerike in je zaradi hitre rasti zelo pomemben za lesno-predelovalno industrijo. Nukleotidno zaporedje so določili s hitro (t.i. »shotgun«) metodo, kot je to danes običajno tudi pri določanju drugih genomov. Genom so prebrali po kosih, ki so se prekrivali, tako da so v povprečju vsako bazo določili 7,5-krat. Celoten genom je velik okrog 500 milijonov baznih parov, kar je približno 4-krat več kot pri repnjakovcu, a dosti manj kot nekatere druge višje rastline. Skupaj ima topol 19 kromosomov (http://novebiologije.wikia.com/wiki/Genom_topola). Zaradi dolgega življenjskega cikla dreves je veliko raziskav opravljenih na juvenilnem lesu, zlasti pri transgenih drevesih. Vendar pa se mehanizem nastajanja juvenilnega lesa razlikuje od adultnega lesa, zato ugotovitev ni mogoče neposredno aplicirati na slednjega. Navkljub številnim prednostim topola kot modelne lesnate rastline pa se je potrebno zavedati, da je to le eden izmed difuzno poroznih listavcev severne poloble, za katerega je značilen neetažni kambij. Za venčasto porozne vrste, iglavci, tropske vrste oz. vrste z etažnim kambijem so ti rezultati le deloma uporabni, zato so se raziskave razširile tudi na druge vrste: evkalipt, oreh, robinijo in bor (Chaffey, 2002). KSILOGENEZA Proces nastanka sekundarnega ksilema (lesa) oz. ksiloge-neza zajema celične delitve v kambiju in diferenciacijo, kjer se tankostene kambijeve celice razvijejo v funkcionalne elemente z lignificirano sekundarno celično steno (Samuels in sod., 2006). Diferenciacijo pri trahealnih elementih in vlaknih razdelimo na več zaporednih faz, ki so med seboj povezane: determinacijo, postkambijsko rast celic, biosintezo slojevite sekundarne celične stene, lignifikacijo ter programirano celično smrt (slika 2). V enem radialnem nizu lahko sledimo vsem različnim stopnjam razvoja celice (slika 3). Ksilogeneza vodi do specializacije celic glede na njihovo kemijsko zgradbo, morfološke značilnosti in funkcije. Iz kambijeve celice nastanejo različni tipi ksilem-skih celic, katerih edinstvene lastnosti in tridimenzionalna zgradba določajo strukturo in s tem lastnosti lesa. Delitve v kambiju in postkambijska rast določata širino letnega ksilemskega prirastka, odlaganje sekundarne celične stene (in lignifikacija) pa akumulacijo biomase v celične stene ksilemskih in floemskih celic (letni prirastek biomase) (Larson, 1994; Plomion in sod., 2001). Eden prvih ključnih korakov za razumevanje procesov nastanka celične stene je molekularna in biokemijska raz- Slika 2. Shematski prikaz oblikovanja traheide iz kambijeve celice. Slika 3. Lesne celice v različnih stopnjah razvoja pri navadni smreki: celice v postkambijski rasti (PR), odlaganje sekundarne celične stene in lignifikacija (SL) ter zrele traheide (MT). KC - kambij, F - nastajajoča branika sekundarnega floema, daljica - 100 ^m. člemba genov, ki so vključeni v biosintezo posamezne komponente celične stene. V zadnjem desetletju lahko zasledimo silen napredek v identifikaciji in opredelitvi genov, ki so vključeni v biosintezo stenskih polisaharidov (celuloze, glukomanana, ksiloglukana, ksilana in pektina) in lignina (Cosgrove, 2005; Zhong in Ye, 2007, Mellerowicz in Sundberg, 2008; Vanholme et al., 2008). DIFERENCIACIJA Ko se celica preneha deliti, je obdana s primarno celično steno, ki je zelo tanka in raztegljiva. Prične se specifičen razvoj celice (t.i. diferenciacija), kjer se usposobi za opravljanje določenih nalog (Wardrop, 1965; Plomion in sod., 2001). Diferenciacija je proces specializacije celic, v katerem nastanejo različni tipi celic z različnimi strukturnimi in funkcijskimi lastnostmi in obsega številne medsebojno povezane biokemijske, fiziološke in morfološke procese (Torelli, 1990, 1998). Ko je proces celične diferenciacije zaključen, se celica strukturno in/ali biokemijsko loči od izvorne kambijeve celice (Savidge, 1996). Prva stopnja je determinacija, ki določi smer razvoja (tip) celice. Determinacijo lahko definiramo kot izpolnitev pogojev, ki omogočajo prehod iz enega celularnega stanja v drugega. Zgodijo se številne biokemijske in genetske spremembe, ki so potrebne za takšen prehod. V nadaljevanju so možnosti celice za nadaljnji razvoj omejene, saj lahko iz nje nastane le en tip celice (Chaffey, 1999, 2002). Različen razvoj prvotno podobnih celic je rezultat selektivne genske ekspresije. V določeni celici se izrazijo in prepišejo v mRNA ter nato prevedejo v proteine le izbrani geni. Nastali specifični proteini določajo identiteto celice (Torelli, 2000). Med diferenciacijo derivatov kambijevih celic se vrši proces celične morfogeneze, v katerega je vključen mikrotu-bularni citoskelet (Chaffey in sod., 1997). Citoskelet je zbirka raznovrstnih proteinov, ki se nahajajo v citoplazmi vseh evkariontskih celic in so v rastlinskih celicah zastopane predvsem v dveh oblikah; kot mikrotubuli in mikrofilamen-ti (Chaffey, 1999). Mikrotubuli so zgrajeni iz enakih količin molekul beljakovin a- in ß-tubulina. V rastočih celicah imajo mikrotubuli vlogo pri usmeritvi celuloznih mikrofibril razvijajočih se celičnih sten. V manjšem obsegu so vključeni tudi v celične delitve (Farrar in Evert, 1997; Chaffey, 1999). Prerazporeditev mikrotubulov kaže na pričetek determinacije kambijevih derivatov (Chaffey in sod., 1997). Trakovne in fuziformne celice kambijeve cone imajo mrežasto razporejeni mikrotubularni citoskelet, s pričetkom diferenciacije kambijevih celic v sekundarni floem ali ksilemska vlakna pa se naključno, mrežasto razvrščeni kortikalni mikrotubuli prerazporedijo helikalno (Chaffey in sod., 1997). Kortikalni mikrotubuli so v floemskih celicah ter ksilemskih vlaknih znatno daljši kot v fuziformnih kambijevih celicah. Mikrofilamenti so navadno prisotni v svežnjih in zgrajeni predvsem iz molekul beljakovin aktina (Pickering, 1996). Dolgi so lahko več mikronov in pogosto so enako orientirati in nameščeni kot mikrotubuli in lahko sodelujejo pri ureditvi mikrotubulov s križnim povezovanjem z njimi (Chaffey, 1999). Mikrofilamenti naj bi vplivali na spremembo orientacije kortikalnih mikrotubulov (Lachaud in sod., 1999). RAST CELICE Prvi znak diferenciacije je razločna ekspanzija kambijevih derivatov, ki nastane zaradi povečanja volumna vakuol brez kakršnih koli očitnih sprememb v strukturi celice (Larson, 1994). V fazi površinske rasti lahko celica nekajkrat poveča svoje dimenzije. Smer, v kateri je rast najinenziv-nejša, je odvisna od tipa celice. Premer povečajo aksialne traheide ranega lesa iglavcev in še posebej trahejni členi ranega lesa venčasto poroznih listavcev (Torelli, 1998). Površinska rast pri traheidah gre v glavnem na račun povečanja radialnih dimenzij, medtem ko se trahejni členi najprej povečajo v radialni, nato pa še tangencialni smeri. Tangencialni premer trahejnih členov je lahko do 50-krat večji od tangencialnega premera fuziformnih kambijevih celic. Dolžina trahejnih členov je pri evolucijsko primi-tivnejših vrstah nekoliko večja, pri naprednejših pa celo nekoliko krajša od fuziformnih inicialk. V splošnem je podaljševanje aksialnih traheid pri iglavcih z dolgimi fuzifor-mnimi celicami majhna in ne preseže 20 %, pri naprednih vrstah kritosemenk s kratkimi fuziformnimi celicami pa je lahko tudi preko 400 % (Torelli, 1998; Čufar 2006). Raztezanje sten rastlinskih celic poteka v procesu nadzorovanega polimerskega lezenja. Encimi rahljajo celično steno in ji tako omogočajo raztezanje, istočasno pa se v celično steno integrirajo novi polimeri, da stena ne postane pretanka in šibka (Cosgrove, 2005). V tem počasnem, časovno odvisnem in nepovratnem raztezanju se celulozne mikrofibrile in polisaharidni matriks znotraj stene počasi premikajo in s tem povečujejo svojo površino. Razporeditev celuloznih mikrofibril določa, kako bo celica rasla. Pektini imajo pomembno vlogo pri nadzorovanju razteznosti celične stene (Plomion in sod., 2001). Med razvojem celične stene so v njej prisotni različni proteini, ki imajo pomembno vlogo pri sestavi in morfologiji celičnih sten ksilemskih elementov (Plomion in sod., 2001). Ekspanzini so proteini, ki rahljajo vodikove vezi med po-lisaharidi celične stene (Cosgrove, 2005). V celicah, ki se podaljšujejo, so mikrotubuli postavljeni pravokotno na smer širjenja celice, ko se podaljševanje ustavi, pa se mikrotubuli preusmerijo v podolžno smer (Dermastia, 2007). Na mestih bodočih pikenj se oblikujejo številna krožna območja brez mikrotubulov (Chaffey, 2002). Ker so celice tesno povezane med seboj, prosti premiki celic niso mogoči, zato je rastlinska morfogeneza omejena na lokalna območja, kjer potekajo celične delitve in selektivno povečanje celic (Cosgrove, 2005). V rastočih celicah je stena značilno tanka (od 0,1 |m do 1 |m) in fleksibilna, sestavljena večinoma iz polisaharidov in v manjši meri strukturnih proteinov. Pod svetlobnim mikroskopom je videti kot nežna koprena, opazovanja pod elektronskim mikroskopom pa razkrijejo njeno vlaknasto strukturo. Navkljub tankosti pa stena oblikuje močno omrežje, ki deluje podobno kot steznik, saj stiska in daje obliko pro-toplastu, ki ga obdaja (Cosgrove, 2005). BIOSINTEZA SEKUNDARNE CELICNE STENE Ko je primarna celična stena oblikovana, začne nastajati masivna, toga in večslojna sekundarna celična stena (sloji S1, S2 in S3) (slika 4). Sintezo aktivnega širjenja pektinsko bogate primarne celične stene zamenja sinteza sekundarne celične stene, ki sestoji pretežno iz celuloznih in hemiceluloznih slojev, ki se v naslednji stopnji lignificira-jo. Proces je voden z usklajeno ekspresijo številnih genov specifično vključenih v biosintezo ter zgradbo štirih gla-vih komponent celične stene: polisaharidov (celuloza in hemiceluloze), lignina, proteinov in drugih topnih (stilbe-ni, flavonoidi, tanini, terpeni) in netopnih (pektini) komponent celične stene (Plomion in sod., 2001). V tej fazi v celični steni poteka tudi oblikovanje obokanih pikenj. Bio-sinteza hemiceluloz poteka v Golgijevem aparatu v dveh korakih: sinteza glavne verige s polisaharidno sintazo in nato dodajanje stranskih verig v reakcijah, ki jih katalizi-rajo različne glikoziltransferaze (Plomion in sod., 2001). Polisaharidi prehajajo v celično steno z eksocitozo drobnih veziklov (Torelli, 2000). Celulozne mikrofibrile se sinte-tizirajo v plazmalemi v posebnih terminalnih proteinskih kompleksih - rozetah. Na njih se nahajajo enote celuloze sintaze, ki so vključene v biosintezo celuloze, rastoča celulozna veriga pa se izloča skozi membrano prek por (Torelli, 2000; Plomion in sod, 2001). Sinteza strukturnih stenskih proteinov in encimov za preoblikovanje stene poteka na zrnatem endoplazemskem retiklu (Dermastia, 2007). Mikrotubuli naj bi upravljali gibanje celulozno-sintaznega kompleksa v plazemski membrani (Chaffey, 1999, 2002). Najnovejše študije kažejo, da so v nastajanje celuloznih mikrofibril primarne in sekundarne celične stene vključeni različni geni, saj se okolje, v katerem se sintetizirajo, razlikuje. Primarne stene so namreč bogate s pektinom in nastajajo med rastjo celice, sekundarne stene vsebujejo zelo malo pektina, celulozne mikrofibrile pa so v vseh treh slojih urejene (Zhong in Ye, 2007). LIGNIFIKACIJA Sinteza lignina je bil eden ključnih dogodkov v evoluciji kopenskih rastlin, saj jim zagotavlja mehansko jakost in odpornost proti razkroju, ki sta bili ključni za prehod z vodnega v kopensko okolje (Torelli, 2000; Dermastia, 2007). Lignifikacija oziroma olesenitev celičnih sten je pomembna biokemična ter morfološka sprememba v rastlinski celici med diferenciacijo. Proces lignifikacije zajema biosintezo monolignolov, njihov transport v celično steno ter polimerizacijo fenil propanskih molekul v končno makro-molekulo lignina (Hatfield in Vermerris, 2001). V energijsko zelo potratnem biosinteznem procesu nastane heterogeni ligninski polimer z visokim razmerjem C/H in C/O, kar se izraža v njegovi visoki kalorični vrednosti (Boudet, 2000). Lignin se odloži znotraj ogljiko-hidratnega matriksa ka m bij ■ sinteza komponent celične stene oblikovana 'celična stena oblikovanje slojev celične stene sinteza poll s aha rid o v sinteza fenolnih kislin sinteza I ignina In različnih monolignolov 1 monomer na sestava in stopnja kondenzacije Gymnosperm. traheida ]ML, CC — ; — Si - » Sz — „pektinske substance - . t arabinoaalaklan ----ksiïan- S3 - celuloza -