ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΦΥΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΦΥΤΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΦΥΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΦΥΤΩΝ Διερεύνηση της δυνατότητας εκτίμησης της φωτοσυνθετικής ταχύτητας ορισμένων μεσογειακών ειδών μέσω μετρήσεων του φθορισμού της χλωροφύλλης ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΚΥΚΛΟΣ: ΟΙΚΟΛΟΓΙΑ,ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ & ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Χονδρογιάννης Χρήστος Βιολόγος ΠΑΤΡΑ, Ιούνιος 213

2 ΜΕΛΗ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ Τα μέλη της Τριμελούς Εξεταστικής Επιτροπής Ι. Μανέτας Γ. Πετροπούλου Καθηγητής Πανεπιστήμιο Πατρών Επ. Καθηγήτρια Πανεπιστήμιο Πατρών Επιβλέπων Γ. Γραμματικόπουλος Επ. Καθηγητής Πανεπιστήμιο Πατρών

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Για την πραγματοποίηση και τη συγγραφή της παρούσας εργασίας βοήθησαν, με τον τρόπο τους, αρκετοί άνθρωποι τους οποίους θα ήθελα να ευχαριστήσω. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της διπλωματικής εργασίας μου, Επίκουρο Καθηγητή Γεώργιο Γραμματικόπουλο για την καθοδήγησή του κατά τη διάρκεια των πειραμάτων και της συγγραφής της παρούσας εργασίας, καθώς και για τις συζητήσεις μας πάνω σε επιστημονικά και γενικότερα θέματα. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα υπόλοιπα μέλη της τριμελούς επιτροπής, Ιωάννη Μανέτα και Γεωργία Πετροπούλου, για το κλίμα συνεργασίας και τη φιλική ατμόσφαιρα που δημιούργησαν στο Εργαστήριο Φυσιολογίας Φυτών. Ακόμα θα ήθελα να ευχαριστήσω την Αλεξάνδρα που μου έμαθε τα κατατόπια του εργαστηρίου και προσπάθησε, με σχετική επιτυχία, να μου διδάξει την αρετή της οργάνωσης. Επίσης, το Σπύρο για τη συνεργασία μας σε ερευνητικό και φιλικό επίπεδο και την Έλενα για τη στήριξη που μου παρείχε. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα υπόλοιπα παιδιά του μεταπτυχιακού για τις όμορφες στιγμές που περάσαμε μαζί, και κυρίως την Ειρήνη που ήταν πάντα δίπλα μου καθ όλη τη διάρκεια του μεταπτυχιακού. 1

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 4 ABSTRACT 5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ιδιότητες του φωτός Φωτοσυνθετικές χρωστικές Δομή χλωροπλαστών Φωτεινές αντιδράσεις φωτοσύνθεσης Σκοτεινές αντιδράσεις φωτοσύνθεσης Αντιστάσεις στη διάχυση του CO Επίδραση ορισμένων περιβαλλοντικών παραμέτρων στη φωτοσύνθεση Μεσογειακό κλίμα Λειτουργικές ομάδες φυτών των Μεσογειακών οικοσυστημάτων Φθορισμός της χλωροφύλλης Χρήση της ανάλυσης του φθορισμού της χλωροφύλλης Χρήση του φθορισμού της χλωροφύλλης στα Μεσογειακά οικοσυστήματα 23 ΣΚΟΠΟΣ 25 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Φυτικό υλικό Μέτρηση φωτοσυνθετικής ταχύτητας Αρχή λειτουργίας του αναλυτή αερίων (LI-COR 64) Καμπύλη εξάρτησης της φωτοσύνθεσης από το φως Μέτρηση του φθορισμού της χλωροφύλλης Φθορισμόμετρο συνεχούς διέγερσης (HandyPEA) JIP-test 2.4 Πειραματική διαδικασία 37 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Καμπύλες εξάρτησης της φωτοσύνθεσης από το φως Αποτελέσματα του είδους Ceratonia siliqua Αποτελέσματα του είδους Ligustrum japonicum Αποτελέσματα του είδους Nerium oleander 5 2

5 3.5 Αποτελέσματα του είδους Phlomis fruticosa Αποτελέσματα του είδους Capparis spinosa Αποτελέσματα του είδους Cercis siliquastrum Αποτελέσματα του είδους Malva sylvestris 2 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 9 3

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η εκτίμηση της παραγωγικότητας των χερσαίων οικοσυστημάτων προϋποθέτει τη δημιουργία αξιόπιστων μοντέλων παραγωγικότητας. Τα μοντέλα παραγωγικότητας τροφοδοτούνται με μια σειρά βιοτικών (φωτοσυνθετική ταχύτητα, συγκέντρωση χλωροφύλλης, ειδική μάζα φύλλου) και αβιοτικών παραμέτρων (θερμοκρασία, ένταση φωτός, βροχόπτωση) των φυτικών ειδών και του περιβάλλοντος. Μία από τις σημαντικότερες βιοτικές παραμέτρους αποτελεί η μέγιστη φωτοσυνθετική ταχύτητα κάτω από κορεσμένες εντάσεις φωτός, σε φυσιολογικές συγκεντρώσεις CO 2 και στις επικρατούσες θερμοκρασίες (A sat ). Η μέτρηση της A sat στο πεδίο με τις κλασσικές μεθόδους (αναλυτής αερίων) είναι επίπονη και χρονοβόρος διαδικασία. Για το λόγο αυτό νέοι τρόποι υπολογισμού της A sat προτείνονται. Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε η δυνατότητα εκτίμησης της A sat ορισμένων μεσογειακών φυτών μέσω της ανάλυσης της ταχείας φάσης ανόδου του φθορισμού της χλωροφύλλης (JIP-test). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια είδη Malva sylvestris και Capparis spinosa, το φυλλοβόλο είδος Cercis siliquastrum, το ημιφυλλοβόλο είδος Phlomis fruticosa, και τα σκληρόφυλλα είδη Nerium oleander, Ceratonia siliqua και Ligustrum japonicum. Οι μετρήσεις της A sat πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση αναλυτή αερίων ανοικτού τύπου (LI-64, LICOR), ενώ για τη μέτρηση της ταχείας φάσης ανόδου του φθορισμού χρησιμοποιήθηκε φθορισμόμετρο υψηλής χρονικής ανάλυσης (HandyPEA, Hansatech). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε εποχιακή βάση. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων μας, δεν βρέθηκε κάποια παράμετρος του JIP-test που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γενικευμένος δείκτης της A sat, αντίθετα η A sat εμφάνισε πολύ καλή συσχέτιση με τη στοματική αγωγιμότητα. Εντούτοις, στα σκληρόφυλλα είδη και το ημιφυλλοβόλο είδος βρέθηκε καλή συσχέτιση μεταξύ της A sat και των δεικτών ψε, δr και φr για τα χειμερινή ομάδα μετρήσεων. Η δυσμενέστερη περίοδος για τα πολυετή είδη φαίνεται πως είναι το καλοκαίρι. Τέλος, ο δείκτης V K /V J μπορεί να υποδείξει τις κύριες καταπονητικές περιόδους. 4

7 ABSTRACT The evaluation of the productivity of terrestrial ecosystems presupposes the creation of reliable productivity models. The productivity models are supplied with a series of biotic (photosynthetic rate, chlorophyll concentration, specific leaf mass) and abiotic parameters (temperature, light intensity, rainfall) of the plant species and of the environment. One of the most important biotic parameters is the maximum photosynthetic rate under saturated light intensities, under ambient CO 2 concetration and under the prevailing temperatures (A sat ). The measurement of A sat under field conditions using the traditional methods (gas analyzer) is a laborious and time consuming process. For this reason new methods of A sat calculation are suggested. In the present study the possibility of A sat estimation in some Mediterranean species with the use of the fast chlorophyll fluorescence transient (JIP-test) has been examined. For this purpose, the annual species Malva sylvestris and Capparis spinosa, the deciduous species Cercis siliquastrum, the semi-deciduous species Phlomis fruticosa, and the sclerophyllous species Nerium oleander, Ceratonia siliqua και Ligustrum japonicum have been used. The A sat measurements have been carried out with the use of an open gas exchange analyzer (LI-64, LICOR), while for the measurement of the fast chlorophyll fluorescence transient a high-time resolution fluorometer (HandyPEA, Hansatech) has been used. The measurements were carried out on a seasonal basis. According to the results of our experiments, no JIP-test parameter has shown to act as a generalized index of A sat, while A sat has shown a very good correlation with stomatal conductance. However, at the sclerophyllous and the semi-deciduous species, a good correlation between A sat and ψε, δr και φr indices has been shown for the winter team. The most adverse period of the year for the perennial species is summer. Finally, V K /V J index is indicative of the most stressful periods for our species. 5

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ CO 2 + Η 2 Ο [CΗ 2 Ο] ν + Ο 2 Η εξίσωση αυτή αποτελεί τη γενικευμένη εξίσωση της φωτοσύνθεσης. Η απλότητα της εξίσωσης δεν επιτρέπει ούτε στον πιο ευφάνταστο άνθρωπο να συλλάβει τόσο την πολυπλοκότητα, όσο και τη σπουδαιότητα της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης. Κατ αρχάς, με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική, αποτελώντας τον συνδετικό κρίκο μεταξύ φυσικού και βιολογικού περιβάλλοντος. Μέσω της φωτοσύνθεσης, δημιουργείται από τους αυτότροφους οργανισμούς (εκτός των χημειοαυτότροφων οργανισμών) που αποτελούν τη βάση της τροφικής αλυσίδας, το σύνολο της πρωτογενούς παραγωγικότητας που υπολογίζεται πως φτάνει τους 1,5 x 1 11 τόνους οργανικού άνθρακα το χρόνο (Field et al, 199). Επίσης, η σύσταση της ατμόσφαιράς μας δεν θα ήταν όπως τη γνωρίζουμε σήμερα, αν δεν πραγματοποιούταν η διαδικασία της φωτοσύνθεσης, καθώς παράγει άμεσα το απαραίτητο για τους ετερότροφους οργανισμούς οξυγόνο (Ο 2 ), αλλά και το όζον (Ο 3 ) που προστατεύει τους οργανισμούς από την υπεριώδη ακτινοβολία. 1.1 Ιδιότητες του φωτός Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπει ο Ήλιος αποτελείται από ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό πεδίο, τα επίπεδα μετάδοσης των οποίων είναι κάθετα μεταξύ τους. Η φύση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι διττή: κυματική και σωματιδιακή. Ως κύμα χαρακτηρίζεται από ένα μήκος κύματος (λ) και μια συχνότητα (f), που συνδέονται με τον τύπο C=λ f, όπου C η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Το μήκος κύματος χαρακτηρίζει ποιοτικά την ακτινοβολία. Επιπλέον ως σωματιδιακή, η ηλιακή ακτινοβολία αποτελείται από στοιχειώδη σωματίδια που καλούνται φωτόνια. Τα φωτόνια χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένο ποσό ενέργειας το οποίο είναι αντιστρόφως ανάλογο του μήκους κύματος (Ε=h C/λ). Το φάσμα της εκπεμπόμενης από τον Ήλιο ακτινοβολίας που φθάνει στην επιφάνεια της γήινης ατμόσφαιρας κυμαίνεται μεταξύ 15nm-3nm και χωρίζεται σε 3 διαφορετικές περιοχές: α) Την υπεριώδη περιοχή (Ultraviolet, UV) που κυμαίνεται σε μήκη κύματος μεταξύ 15nm και 4nm. Η υπεριώδης περιοχή του φάσματος υποδιαιρείται σε 3 περιοχές. Τη UV- 6

9 C με μήκη κύματος από 15nm έως 2nm, την UV-B με μήκη κύματος μεταξύ 2nm και nm και την UV-A με μήκη κύματος nm-4nm. β) Την υπέρυθρη ακτινοβολία (Infrared, IR) με μήκη κύματος >7nm, και μέχρι τα 3nm. γ) Την Εικόνα 1. Κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γήινης ατμόσφαιρας και στην επιφάνεια της Γης ( ορατή ακτινοβολία με μήκη κύματος μεταξύ 4nm και 7nm, η οποία είναι η περιοχή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αντιλαμβάνεται που το ανθρώπινο μάτι και σε γενικές γραμμές οι περισσότεροι οργανισμοί (Vandergrif, 27). Το φάσμα όμως της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που φθάνει στη Γη διαφέρει ποιοτικά και ποσοτικά από αυτό που φθάνει στην κορυφή της γήινης ατμόσφαιρας. Έτσι ενώ η αναλογία στην κορυφή της ατμόσφαιρας για τις τρεις περιοχές του φάσματος είναι 5% UV, 67% IR, 2% ορατή, στην επιφάνεια της θάλασσας είναι 2% UV, 53% IR και 45% ορατή (Εικ. 1). Η διαφοροποίηση αυτή παρατηρείται γιατί ένα μέρος της ακτινοβολίας απορροφάται από τη στοιβάδα του όζοντος στη στρατόσφαιρα (κυρίως στη UV περιοχή) και ένα μέρος από τους υδρατμούς και το CO 2 της ατμόσφαιρας (κυρίως στην IR περιοχή). Από τη στιγμή λοιπόν που το φως θα φτάσει σε ένα φυτικό οργανισμό μπορεί να ακολουθήσει τρεις διαφορετικές οδούς: 1) να ανακλαστεί (R), 2) να διέλθει από το φυτό (T) και 3) να απορροφηθεί (A). Από τις τρεις αυτές οδούς η σημαντικότερη είναι η τρίτη καθώς για να έχει βιολογική δράση το φως πρέπει να απορροφηθεί (νόμος του Blackman). 1.2 Φωτοσυνθετικές χρωστικές Τα φυτά περιέχουν ειδικά μόρια που αξιοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία, τις φωτοσυνθετικές χρωστικές. Οι φωτοσυνθετικές χρωστικές είναι ουσίες που απορροφούν στην ορατή περιοχή του φάσματος και συμμετέχουν στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Τα φάσματα απορρόφησης των ουσιών αυτών είναι χαρακτηριστικά για κάθε ουσία, παρουσιάζοντας κάποια μέγιστα απορρόφησης και επηρεάζονται 7

10 τόσο από το διάλυμα μέσα στο οποίο βρίσκονται όσο και από την συμπλοκοποίησή τους με πρωτεΐνες. Από χημικής άποψης διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: 1) τις χλωροφύλλες, 2) τα καρωτενοειδή, και 3) τις φυκομπιλίνες. Οι χλωροφύλλες ανήκουν στις πορφυρίνες και είναι λιποδιαλυτές. Τα φάσματα απορρόφησής τους παρουσιάζουν δύο μέγιστα, εκ των οποίων ένα είναι στο κυανό (στα 43nm για τη χλωροφύλλη α και στα 455nm για τη χλωροφύλλη β) και ένα στο ερυθρό (66 nm για την χλωροφύλλη α και 643 για τη χλωροφύλλη β). Τα καρωτενοειδή είναι τερπενοειδείς ενώσεις και διαλύονται σε οργανικό διαλύτη. Χωρίζονται σε καροτένια που αποτελούνται αποκλειστικά από άνθρακα και υδρογόνο, και τις ξανθοφύλλες που περιέχουν και οξυγόνο. Τα φάσματα απορρόφησης των καρωτενοειδών είναι συμπληρωματικά με τα φάσματα απορρόφησης των χλωροφυλλών, και παρουσιάζουν μέγιστα απορρόφησης στην πράσινη περιοχή του φάσματος (Lichtenthaler, 197). Οι φωτοσυνθετικές χρωστικές συμπλοκοποιούνται με ειδικές πρωτεΐνες, σχηματίζοντας τις φωτοσυλλεκτικές κεραίες (Light Harvesting Complex, LHC), για τη μεγιστοποίηση της απορρόφησης του φωτός (Jansson, 1994). Με βάση τα φάσματα απορρόφησης των χρωστικών, η μεταφορά ενέργειας πραγματοποιείται σύμφωνα με την αλληλουχία: καρωτενοειδή χλωροφύλλη β χλωροφύλλη α ενεργό κέντρο Οι φωτοσυνθετικές χρωστικές διεγείρονται μέσω της απορρόφησης ενός φωτονίου, οπότε και ένα ηλεκτρόνιό τους μεταβαίνει από τη βασική κατάσταση σε μια διεγερμένη κατάσταση. Η κατάσταση της διέγερσης διαρκεί για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Ακολουθεί η αποδιέγερση των φωτοσυνθετικών χρωστικών, οπότε και το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στη βασική ή θεμελιώδη κατάσταση. Υπάρχουν τέσσερις δυνατοί τρόποι με τους οποίους μπορεί να πραγματοποιηθεί η αποδιέγερση των χρωστικών: 1) υπό μορφή αποβολής θερμότητας (Q), 2) μέσω μεταφοράς της ενέργειας διέγερσης σε γειτονικό μόριο (μεταφορά παλμού), 3) μέσω εκπομπής φθορισμού (F), και 4) μέσω της αποβολής ενός ηλεκτρονίου (ιονισμός). Από τους παραπάνω τρόπους τα καρωτενοειδή αποδιεγείρονται με τους δύο πρώτους τρόπους, οι χλωροφύλλες α και β με τους τρεις πρώτους τρόπους, ενώ μόνο η χλωροφύλλη α του ειδικού ζεύγους των ενεργών κέντρων αποδιεγείρεται και με τον τέταρτο τρόπο. Η αποδιέγερση μέσω αποβολής ηλεκτρονίου της χλωροφύλλης α του ειδικού ζεύγους των ενεργών κέντρων είναι η πρώτη από μία σειρά οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων που συμβαίνουν κατά τις φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης (βλέπε 1.4).

11 1.3 Δομή χλωροπλαστών Οι φωτοσυνθετικές χρωστικές, όπως και τα ένζυμα που είναι απαραίτητα για τη φωτοσύνθεση, βρίσκονται σε ένα εξειδικευμένο ημιαυτόνομο οργανίδιο, το χλωροπλάστη. Ο χλωροπλάστης, όπως και κάθε πλαστίδιο, περιβάλλεται από μια διπλή μεμβράνη που καλείται πλαστιδιακός φάκελος (Εικ. 2). Η κάθε μεμβράνη έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά διαπερατότητας. Οι μεμβράνες αυτές περικλείουν το Εικόνα 2. Τρισδιάστατη δομή χλωροπλάστη (Καλαχάνης, 211) στρώμα, στο οποίο υπάρχει ένα εκτεταμένο δίκτυο μεμβρανών που ονομάζονται θυλακοειδή. Στο στρώμα υπάρχουν κυκλικά μόρια DNA, τα ένζυμα του κύκλου του Calvin, ριβοσώματα και άμυλο. Τα θυλακοειδή παρουσιάζουν αναδιπλώσεις στο χώρο, σχηματίζοντας συστοιχίες, που καλούνται θυλακοειδή των grana και ενώνονται μεταξύ τους με τα θυλακοειδή του στρώματος, ενώ περιβάλλουν ένα χώρο, το μικροχώρο (lumen), (Staehelin, 23). Στις μεμβράνες των θυλακοειδών βρίσκονται τα δύο φωτοσυστήματα, το σύμπλοκο cytb 6 f και η ATP-συνθετάση. Τα σύμπλοκα αυτά παρουσιάζουν διαφορές ως προς την κατανομή τους στα δύο είδη θυλακοειδών. Το φωτοσύστημα Ι (PSI) και η ATP-συνθετάση βρίσκονται στις εκτεθειμένες στο στρώμα μεμβράνες, δηλαδή στα θυλακοειδή του στρώματος και στις εκτεθειμένες στο στρώμα μεμβράνες των grana, το φωτοσύστημα ΙΙ (PSII) κατά κύριο λόγο στις μεμβράνες των grana, ενώ το κυτόχρωμα b 6 f (cytb 6 f) συναντάται εξίσου στα δύο είδη μεμβρανών (Anderson, 22). 1.4 Φωτεινές αντιδράσεις φωτοσύνθεσης Η διαδικασία της φωτοσύνθεσης χωρίζεται σε δύο φάσεις: τις φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης, όπου είναι απαραίτητη η παρουσία φωτός για την πραγματοποίησή τους, και τις σκοτεινές αντιδράσεις οι οποίες πραγματοποιούνται και χωρίς την παρουσία φωτός. 9

12 Εικόνα 3. Πορεία των φωτεινών αντιδράσεων της φωτοσύνθεσης ( Οι φωτεινές αντιδράσεις αποτελούν το φωτοχημικό κομμάτι της φωτοσύνθεσης (Εικ. 3). Η πρώτη αντίδραση που πραγματοποιείται είναι η παγίδευση ενός φωτονίου από το LHCII. Η παγιδευμένη ενέργεια μεταφέρεται με μεταφορά παλμού στο ειδικό ζεύγος του ενεργού κέντρου του PSII (P6), το οποίο αποδιεγείρεται αποδίδοντας ένα ηλεκτρόνιο σε παρακείμενο δέκτη (Barber and Archer, 21). Το ηλεκτρόνιο του ειδικού ζεύγους αναπληρώνεται, μέσω του συμπλόκου αναγωγής οξυγόνου (Oxygen Evolving Complex, OEC), από ένα μόριο νερού που είναι ο αρχικός δότης ηλεκτρονίων (Umena et al, 211). Η οξείδωση του νερού πραγματοποιείται σύμφωνα με την εξίσωση: 2H 2 O 4H + + O 2 + 4e - Με την αντίδραση αυτή έχουμε την παραγωγή μοριακού οξυγόνου (Ο 2 ) και κατιόντων υδρογόνου (Η + ) που παραμένουν στο μικροχώρο. Το ηλεκτρόνιο του P6 μεταφέρεται στον αρχικό δέκτη φαιοφυτίνη (Pheo) και διαδοχικά στην κινόνη Α (Q A ) και ύστερα στην κινόνη Β (Q B ) που αποτελούν τους δευτερογενείς δέκτες. Η Q B με την προσθήκη 2 ηλεκτρονίων και 2 πρωτονίων μετατρέπεται σε πλαστοϋδροκινόνη (PQH 2 ). Στη συνέχεια πραγματοποιείται ο κύκλος Q γύρω από το κυτόχρωμα cytb 6 f. Η PQH 2 οξειδώνεται πλήρως με την απώλεια 2 ηλεκτρονίων και 2 πρωτονίων, με τα πρωτόνια να μεταφέρονται από το στρώμα στο lumen. Από τα 2 ηλεκτρόνια που χάνει η PQH 2, το ένα κατευθύνεται στη γραμμική ροή ηλεκτρονίων, και το δεύτερο σε μια κυκλική διαδικασία που αυξάνει ακόμα περισσότερο τον αριθμό των πρωτονίων του μικροχώρου. Στη γραμμική ροή ηλεκτρονίων το ηλεκτρόνιο μεταφέρεται αρχικά στο σύμπλεγμα Rieske, στη συνέχεια στο κυτόχρωμα f (cyt f), 1

13 και τελικά στην πλαστοκυανίνη (PC). Το άλλο ηλεκτρόνιο μέσω του κυτοχρώματος b L (cyt b L ) ανάγει μία κινόνη σε πλαστοημικινόνη (Q - ), και τελικά με την προσθήκη ενός ακόμα ηλεκτρονίου και 2 πρωτονίων σε πλαστοϋδροκινόνη (Baniulis et al, 2). Η PC με την οξείδωσή της αντικαθιστά το ηλεκτρόνιο του ενεργού κέντρου του PSI (P7) το οποίο οξειδώθηκε με τρόπο παρόμοιο με αυτόν του PSII, ύστερα από την απορρόφηση ενός φωτονίου (Ben-Shem et al, 23). Από εκεί το ηλεκτρόνιο του P7 μεταφέρεται διαδοχικά σε ένα μόριο χλωροφύλλης (Α ), σε ένα μόριο φυλλοκινόνης (Α 1 ), σε μια σειρά θειοσιδηρούχων ενώσεων (FeS X, FeS A, FeS B ) και τελικά στη φερρεδοξίνη (Fd). Από τη φερρεδοξίνη το ηλεκτρόνιο μεταφέρεται στο ΝΑDP με τη βοήθεια της αναγωγάσης του NADP, η οποία ανάγει το ΝΑDP σε NADPH, που αποτελεί τον τελικό δέκτη ηλεκτρονίων της γραμμικής ροής. Τέλος, η δημιουργούμενη, κατά τη διάρκεια της ροής ηλεκτρονίων, κλίση συγκέντρωσης πρωτονίων (με τα πρωτόνια να συσσωρεύονται στο lumen) εξισορροπείται με τη μεταφορά πρωτονίων στο στρώμα μέσω της ATP-συνθετάσης, παράγοντας ΑΤΡ. Τα προϊόντα των φωτεινών αντιδράσεων της φωτοσύνθεσης είναι αναγωγική δύναμη υπό τη μορφή του NADPH, και χημική ενέργεια υπό τη μορφή του ΑΤΡ. Το οξυγόνο εμφανίζεται ως παραπροϊόν της οξείδωσης του νερού. 1.5 Σκοτεινές αντιδράσεις φωτοσύνθεσης Οι σκοτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης αποτελούν το καθαρά βιοχημικό κομμάτι της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης. Για τη διεξαγωγή τους δεν απαιτείται η παρουσία του φωτός, παρ όλα αυτά χρησιμοποιούν τα προϊόντα των φωτεινών αντιδράσεων, δηλαδή το ΑΤΡ και το NADPH. Οι σκοτεινές αντιδράσεις, ή αλλιώς κύκλος του Calvin (Εικ. 4), χωρίζονται σε τρία στάδια: 1) το στάδιο της καρβοξυλίωσης, 2) το στάδιο της αναγωγής, και 3) το στάδιο της αναγέννησης (Ridge, 25). Η πρώτη αντίδραση του κύκλου του Calvin είναι η καθήλωση ενός μορίου CO 2 μέσω της καρβοξυλίωσης της 1,5-διφωσφορικής ριβουλόζης (RuBP). Η αντίδραση αυτή καταλύεται από το ένζυμο καρβοξυλάση-οξυγονάση της 1,5-διφωσφορικής ριβουλόζης (Rubisco), το αφθονότερο ένζυμο στη Γη. Από την αντίδραση αυτή προκύπτει ένα ασταθές ενδιάμεσο προϊόν και στη συνέχεια το 3-φωσφογλυκερινικό οξύ (PGA). 11

14 To δεύτερο στάδιο ξεκινά με την φωσφορυλίωση του PGA (με κατανάλωση ΑΤΡ) από την 3-φωσφογλυκερινική κινάση και τη μετατροπή του σε 1,3- διφωσφογλυκερινικό οξύ. Το 1,3-διφωσφογλυκερινικό οξύ ανάγεται (με την κατανάλωση NADPH) σε 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη από το ένζυμο ΝADPγλυκερυναλδευδ-3-φωσφορική αφυδρογονάση. Από την 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη, με τη δημιουργία των φωσφορικών τριοζών, οδηγούμαστε στην δημιουργία σουκρόζης ή αμύλου. Το τρίτο στάδιο αρχίζει με την ισομερίωση 2 μορίων 3-φωσφογλυκεραλδεΰδης σε 3-φωσφορική διυδροξυακετόνη. Στη συνέχεια με την αντίδραση με ένα ακόμα Εικόνα 4. Στάδια του κύκλου του Calvin ( μόριο 3-φωσφογλυκεραλδεΰδης η 3- φωσφορική διυδροξυακετόνη μετατρέπεται σε 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη, αντίδραση που καταλύεται από το ένζυμο αλδολάση. Η υδρόλυση της 1,6-διφωσφορικής φρουκτόζης δίνει την 6-φωσφορική φρουκτόζη. Οι άνθρακες 1 και 2 του μορίου αυτού μεταφέρονται από μια τρανσακετολάση σε ένα τέταρτο μόριο 3- φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης, δίνοντας μια 5-φωσφορική ξυλουλόζη. Οι εναπομείναντες 4 άνθρακες της 6-φωσφορικής φρουκτόζης σχηματίζουν μια 4-φωσφορική ερυθρόζη, που αντιδρά με ένα μόριο 3-φωσφορικής διυδροξυακετόνης δίνοντας μία 1,7- διφωσφορική σεδοεπτουλόζη. Η αναγωγή της 1,7-διφωσφορικής σεδοεπτουλόζης (με κατανάλωση NADPH) μας δίνει την 7-φωσφορική σεδοεπτουλόζη. Μέσω μιας τρανσακετολάσης, η 7-φωσφορική σεδοεπτουλόζη δίνει μια μονάδα 2 ατόμων άνθρακα σε ένα πέμπτο μόριο 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης παράγοντας μία 5- φωσφορική ξυλουλόζη, ενώ τα εναπομείναντα 5 άτομα άνθρακα μετατρέπονται σε 5- φωσφορική ριβόζη. Τόσο η 5-φωσφορική ξυλουλόζη μέσω μιας επιμεράσης, όσο και η 5-φωσφορική ριβόζη μέσω μιας ισομεράσης, μετατρέπονται σε 5-φωσφορική ριβουλόζη. Τέλος μέσω της 5-φωσφορικής κινάσης της ριβουλόζης (κατανάλωση ΑΤΡ) έχουμε την αναγέννηση της 1,5-διφωσφορικής ριβουλόζης (Taiz & Zaiger, 26). Όπως παρατηρούμε, για την καθήλωση ενός μορίου CO 2 απαιτούνται 2 μόρια NADPH και 3 μόρια ΑΤΡ. Συνολικά, για την παραγωγή μιας εξόζης έχουμε την παρακάτω αντίδραση (Stryer, ):

15 6CO ATP + NADPH + H 2 O C 6 H O ADP + 1 Pi + NADP + 6 H Αντιστάσεις στη διάχυση του CO 2 Κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης, το CO 2 που βρίσκεται στην ατμόσφαιρα που περιβάλλει το φυτό θα πρέπει να φτάσει στην περιοχή που πραγματοποιείται καρβοξυλίωση με τη βοήθεια της Rubisco, στους χλωροπλάστες των φυτικών κυττάρων. Κινούσα δύναμη της μεταφοράς του CO 2 αποτελεί η κλίση συγκέντρωσης μεταξύ των δύο σημείων. Στην πορεία του προς την περιοχή καρβοξυλίωσης, το CO 2 συναντά μια σειρά από αντιστάσεις (Εικ. 5). Η πρώτη αντίσταση που συναντά είναι η αντίσταση του οριακού στρώματος (boundary layer resistance, r b ), που οφείλεται σε ένα σχετικά ακίνητο στρώμα αέρα πάνω από την επιφάνεια του φύλλου (Vesala, 199). Η τιμή της αντίστασης του οριακού στρώματος εξαρτάται από τις ιδιότητες του φύλλου (μέγεθος επιφάνειας, ύπαρξη τριχών), αλλά κυρίως εξαρτάται Εικόνα 5. Αντιστάσεις που συναντά το CO 2 κατά τη διάχυσή του στα σημεία καρβοξυλίωσης ( από την ταχύτητα του ανέμου, καθώς με δυνατό άνεμο μηδενίζεται (Schreuder et al, 21). Το επόμενο εμπόδιο που συναντά το CO 2 είναι η αντίσταση των στομάτων (leaf stomatal resistance, r s ). Επειδή η εφυμενίδα της επιδερμίδας των φύλλων είναι πρακτικά αδιαπέραστη από τα αέρια (Lendzian, 26), η μόνη πύλη εισόδου του CO 2 προς το εσωτερικό του φύλλου είναι ο στοματικός πόρος. Τα στόματα αποτελούν την κύρια αντίσταση της διάχυσης του CO 2, καθώς το κλείσιμό τους μπορεί να μηδενίσει την είσοδο του CO 2 στα φυτά. Το άνοιγμα και το κλείσιμο των στομάτων δεν επηρεάζεται μόνο από τις ανάγκες του φυτού σε CO 2, αλλά και από την υδατική κατάσταση του φυτού, αφού τα στόματα αποτελούν τα σημεία εξόδου του νερού (Chaves, 1991), μέσω του διαπνευστικού ρεύματος. Μετά την είσοδό του στο φυτό, το CO 2 έρχεται αντιμέτωπο με την αντίσταση του μεσοκυττάριου χώρου (intercellular air space resistance, g i ), που συνίσταται στη δυσκολία που αντιμετωπίζει το CO 2 13

16 μέχρι να φτάσει στα κυτταρικά τοιχώματα των κυττάρων του μεσόφυλλου (Aalto and Juurola, 22). Τέλος, ακολουθεί η αντίσταση του μεσόφυλλου ή αντίσταση της υγρής φάσης (mesophyll resistance, r m ), κατά την οποία το CO 2 περνά από την αέρια φάση στην υγρή. Η αντίσταση του μεσόφυλλου διακρίνεται σε μια σειρά από επιμέρους αντιστάσεις. Αρχικά το CO 2 διαλύεται στο νερό που βρίσκεται στα κυτταρικά τοιχώματα (r w ), διαπερνά την κυτταρική μεμβράνη, στη συνέχεια περνά στο κυτταρόπλασμα, διαπερνά το φάκελο του χλωροπλάστη και φτάνει στο σημείο που επιτελείται η καρβοξυλίωση από τη Rubisco (r liq ) (Evans et al., 29). 1.7 Επίδραση ορισμένων περιβαλλοντικών παραμέτρων στη φωτοσύνθεση Όπως αναλύσαμε προηγουμένως, η φωτοσύνθεση είναι μια πολύπλοκη διαδικασία με αρκετά διαφορετικά στάδια και τη συμμετοχή ενός μεγάλου αριθμού ενζύμων για την πραγματοποίησή της. Καθώς η φωτοσύνθεση πραγματοποιείται σε ένα διαρκώς μεταβαλλόμενο περιβάλλον, υπόκειται στην επήρεια μιας σειράς περιβαλλοντικών παραγόντων, που μπορούν να επιδράσουν σε κάθε ένα από τα επιμέρους βήματά της. Οι παράγοντες αυτοί μπορεί να έχουν είτε άμεση είτε έμμεση επίδραση στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Από την πληθώρα των παραγόντων που επηρεάζουν τη φωτοσύνθεση, θα εξετάσουμε τους τρεις βασικότερους που είναι η ένταση του φωτός, η θερμοκρασία και τα υδατικά αποθέματα. Το φως αποτελεί τον πλέον καθοριστικό παράγοντα της φωτοσύνθεσης, καθώς είναι αυτό που εκκινεί τη φωτοσύνθεση και αποτελεί την κινητήρια δύναμή της. Η ένταση του φωτός καθορίζει την ταχύτητα των φωτεινών αντιδράσεων της φωτοσύνθεσης. Όταν το φως βρίσκεται σε χαμηλές εντάσεις καθίσταται περιοριστικό για την ταχύτητα της φωτοσύνθεσης. Η ταχύτητα της φωτοσύνθεσης παρουσιάζει γραμμική αύξηση σε συνάρτηση με την ένταση του φωτός μέχρι μια ορισμένη τιμή έντασης, πέρα από την οποία το φως παύει να είναι περιοριστικός παράγοντας και είναι ειδοεξαρτώμενη. Όμως, και η περίσσεια φωτός αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για την αύξηση του φυτού, σε βαθμό όχι μικρότερο από την έλλειψή του. Σε υψηλές εντάσεις, τα φωτοσυνθετικά κέντρα δέχονται περισσότερη ενέργεια από αυτή που μπορούν να υποστηρίξουν ως γραμμική ροή ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα τη δημιουργία των πολύ βλαβερών ενεργών μορφών οξυγόνου (Reactive Oxygen Species, ROS), που καταστρέφουν το PSII, φαινόμενο που είναι γνωστό ως φωτοαναστολή (photoinhibition) (Aron et al, 1993). 14

17 Η φωτοσύνθεση σε σχέση με τη θερμοκρασία παρουσιάζει μια χαρακτηριστική κωδωνοειδή καμπύλη. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, αναστέλλεται η ροή ηλεκτρονίων (Huner et al, 199) και τα ένζυμα του κύκλου του Calvin δε λειτουργούν στο μέγιστο βαθμό (Sage, 22), με αποτέλεσμα η ταχύτητα της φωτοσύνθεσης να περιορίζεται, ενώ σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, μπορεί να έχουμε καταστροφή των μεμβρανών του χλωροπλάστη ή συνολικά του κυττάρου (Mahajan and Tuteja, 25). Σε υψηλές θερμοκρασίες παρατηρείται πτώση της καθαρής φωτοσύνθεσης, καθώς ευνοείται η λειτουργία της Rubisco ως οξυγονάσης έναντι της καρβοξυλίωσης (Jordan and Orgen, 194), με αποτέλεσμα να μειώνεται η καθήλωση CO 2. Σε ακραία υψηλές θερμοκρασίες (>4 ο C), έχουμε καταστροφή του PSII (Yamane et al, 199) και οι μεμβράνες των θυλακοειδών εμφανίζουν διαρροές (Huve et al, 211). Η επίδραση του νερού στη φωτοσύνθεση είναι έμμεση. Όταν το νερό υπάρχει σε πολύ μεγάλες ποσότητες, είναι πιθανό να εμφανιστούν φαινόμενα υποξίας, κάτι που συμβαίνει σχετικά σπάνια. Συνηθέστερη είναι η έλλειψη νερού (ξηρασία). Σε συνθήκες έλλειψης νερού συντίθεται στη ρίζα του φυτού η ορμόνη αμπσκισικό οξύ (Abscisic Acid, ABA), που μεταφέρεται με το διαπνευστικό ρεύμα στα φύλλα, όπου προκαλεί το κλείσιμο των στομάτων (Davies and Zhang, 1991). Το κλείσιμο των στομάτων παρεμποδίζει την είσοδο του CO 2 στα κέντρα καρβοξυλίωσης της Rubisco, οπότε παρεμποδίζεται ο κύκλος του Calvin. Επιπλέον, αυξάνεται η αντίσταση του μεσόφυλλου (Flexas and Medrano, 22), παρεμποδίζοντας περαιτέρω την είσοδο του CO 2 στα κέντρα καρβοξυλίωσης της Rubisco. Επίσης, σε συνθήκες έντονης ξηρασίας, μπορεί να προκληθούν βλάβες στη δομική και λειτουργική ακεραιότητα της φωτοσυνθετικής συσκευής. Οι τρεις αυτοί περιβαλλοντικοί παράγοντες επιδρούν ο καθένας με το δικό του ξεχωριστό τρόπο στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Στο περιβάλλον όμως οι τρεις αυτοί παράγοντες συνυπάρχουν, οπότε η επίδραση που ασκούν στη φωτοσύνθεση μπορεί να είναι συνεργιστική ή ανταγωνιστική, φαινόμενα που καθορίζονται και από τις έντονες διακυμάνσεις τόσο κατά τη διάρκεια του έτους, όσο και κατά τη διάρκεια της μέρας. 1. Μεσογειακό κλίμα Οι περιοχές με Μεσογειακό κλίμα κατανέμονται σε περιοχές με γεωγραφικά πλάτη μεταξύ 3 ο και 45 ο βόρεια και νότια του Ισημερινού, στις δυτικές ή 15

18 νοτιοδυτικές ακτές των ηπείρων και καλύπτουν λιγότερο από το 1% της συνολικής επιφάνειας της γης (Εικ. 6). Συγκεκριμένα, περιοχές με μεσογειακό κλίμα θεωρούνται οι παράκτιες περιοχές της Χιλής (5% της συνολικής έκτασης των περιοχών με μεσογειακό κλίμα), τα δυτικά παράλια της Βόρειας Αμερικής (1% του συνόλου), τα νοτιοδυτικά παράλια της Αυστραλίας (22% του συνόλου), το νοτιοδυτικό άκρο της Εικόνα 6. Περιοχές με Μεσογειακό κλίμα ( Αφρικής (3% του συνόλου) και φυσικά οι περιοχές γύρω από τη Μεσόγειο (6% του συνόλου). Βασικά χαρακτηριστικά του μεσογειακού κλίματος αποτελούν οι ήπιοι βροχεροί χειμώνες, τα ξηρά θερμά και μακρά καλοκαίρια και οι απότομες και συχνά ραγδαίες μεταβολές του καιρού. Ειδικότερα, η συνολική ετήσια βροχόπτωση κυμαίνεται μεταξύ 275 και 9 nm και τουλάχιστον το 65% της παραπάνω ποσότητας πέφτει κατά τη διάρκεια του χειμώνα (Νοέμβριος έως Απρίλιος στο Βόρειο ημισφαίριο, Μάιος έως Οκτώβριος στο Νότιο ημισφαίριο), ενώ από το υπόλοιπο 35%, το μεγαλύτερο μέρος της πέφτει συνήθως κατά τον Οκτώβριο ή το Μάιο (βόρειο ημισφαίριο). Ο χειμώνας περιλαμβάνει ένα μήνα με μέση θερμοκρασία κάτω των 15 ο C, ενώ οι ώρες ανά έτος κατά τις οποίες η θερμοκρασία πέφτει κάτω από τους ο C δεν ξεπερνούν το 3% των συνολικών ωρών. Το καλοκαίρι, η μέση θερμοκρασία ανέρχεται στους 25 ο C, αλλά το ημερήσιο μέγιστο συχνά ξεπερνά τους 35 ο C (Köppen, 1936). Από τα παραπάνω καθίσταται σαφές πως το Μεσογειακό κλίμα παρουσιάζει έντονη εποχικότητα με λίγο έως πολύ σαφή διαχωρισμό μεταξύ των εποχών. Η μέγιστη φωτοσυνθετική ταχύτητα στα Μεσογειακά οικοσυστήματα ακολουθώντας την εποχικότητα του κλίματος, παρουσιάζει και αυτή με τη σειρά της έντονη

19 εποχικότητα. Η άνοιξη αποτελεί την ευνοϊκότερη εποχή για την ανάπτυξη των φυτών, καθώς οι υψηλές εντάσεις φωτός σε συνδυασμό με τις θερμοκρασίες, που κυμαίνονται γύρω από το βέλτιστο για τις φωτοσυνθετικές λειτουργίες, και η αφθονία των υδατικών αποθεμάτων, συνθέτουν ένα ιδανικό περιβάλλον. Το φθινόπωρο αποτελεί την αμέσως λιγότερο ευνοϊκή εποχή καθώς οι συνθήκες που επικρατούν είναι παραπλήσιες με αυτές τις άνοιξης. Στις αρχές όμως του φθινοπώρου και μέχρι τις πρώτες βροχοπτώσεις τα υδατικά αποθέματα είναι χαμηλά, καθώς έχουν περιοριστεί από το καλοκαίρι που προηγείται, ενώ προς το τέλος του φθινοπώρου παρατηρούνται χαμηλές θερμοκρασίες. Το μεσογειακό κλίμα περιέχει δύο δυσμενείς περιόδους για τα φυτά, τη χειμερινή και τη θερινή. Οι χαμηλές θερμοκρασίες του χειμώνα επιδρούν αρνητικά στη δραστικότητα των ενζύμων της φωτοσύνθεσης, με αποτέλεσμα την εμφάνιση χαμηλών μέγιστων φωτοσυνθετικών ταχυτήτων. Επίσης, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, όταν οι χαμηλές θερμοκρασίες συμπέσουν με υψηλές εντάσεις φωτός, υπάρχει κίνδυνος φωτοαναστολής (Oliveira and Penuelas, 2). Το καλοκαίρι οι υψηλές θερμοκρασίες εξελίσσονται σε παράγοντα καταπόνησης για τα φυτά. Εκτός από τις άμεσες επιπτώσεις που μπορεί να έχουν στις διάφορες φυσιολογικές λειτουργίες και βιοχημικές αντιδράσεις, οι υψηλές θερμοκρασίες προκαλούν αυξημένη εξατμισοδιαπνοή, που σε συνδυασμό με την παρατεταμένη ξηρασία, δημιουργούν συνθήκες εντονότατης υδατικής καταπόνησης. Αυτό οδηγεί στο κλείσιμο των στομάτων και τελικά στην παρεμπόδιση της εισόδου του CO 2 στους χλωροπλάστες. (Κυπαρίσσης και Λεβίζου, 211) Το κλίμα της περιοχής της Πάτρας Το κλίμα της περιοχής της Πάτρας (3 ο 15 Ν, 21 ο 44 Ε) είναι τυπικό μεσογειακό, όπως φαίνεται και στο ομβροθερμικό διάγραμμα (Εικ. 7) για τα έτη 1955 έως Οι υψηλότερες θερμοκρασίες εμφανίζονται τον Ιούλιο και τον Αύγουστο, ενώ οι μήνες με τη μεγαλύτερη βροχόπτωση είναι ο Νοέμβριος, ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος. Η ξηρή περίοδος διαρκεί περίπου 5 μήνες (από τις αρχές Μαΐου έως τα μέσα Σεπτεμβρίου). Η Πάτρα, λόγω του ότι βρίσκεται στη Δυτική Ελλάδα, δέχεται μεγαλύτερο ύψος βροχόπτωσης σε σύγκριση με περιοχές της Ανατολικής Ελλάδας. 17

20 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ( ο C) ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ (mm) Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Εικόνα 7. Ομβροθερμικό διάγραμμα της περιοχής της Πάτρας για τα έτη (στοιχεία ΕΜΥ) 1.9 Λειτουργικές ομάδες φυτών των Μεσογειακών οικοσυστημάτων Το μεσογειακό κλίμα, με την έντονη εποχικότητά του, όπως αυτή αναλύθηκε στα προηγούμενα, ευνοεί την ύπαρξη συγκεκριμένων λειτουργικών ομάδων φυτών στα αντίστοιχα οικοσυστήματα. Οι ομάδες αυτές είναι τα σκληρόφυλλα αείφυλλα, τα ημιφυλλοβόλα, τα φυλλοβόλα, τα ποώδη είδη και τα γεώφυτα. Η κάθε λειτουργική ομάδα εμφανίζει τα δικά της ειδικά χαρακτηριστικά, που της δίνουν τη δυνατότητα να ανταπεξέλθει στις δυσμενείς περιόδους του μεσογειακού κλίματος. Τα σκληρόφυλλα αείφυλλα είδη αποτελούν την πλέον χαρακτηριστική ομάδα των μεσογειακών οικοσυστημάτων. Οι προσαρμογές που εμφανίζουν τα βοηθούν ώστε να ανταπεξέλθουν στην παρατεταμένη ξηρή περίοδο του καλοκαιριού. Η αντοχή των σκληρόφυλλων αείφυλλων ειδών στην ξηρασία καθίσταται εφικτή μέσω του περιορισμού της απώλειας νερού, που επιτυγχάνεται με μια ποικιλία μορφολογικών χαρακτηριστικών. Η επιφάνεια των φύλλων των σκληρόφυλλων αείφυλλων ειδών καλύπτεται από μια παχιά εφυμενίδα, που συχνά συνοδεύεται από την παρουσία κηρών εξωτερικά αυτής, καθώς και την ύπαρξη τριχώματος που αυξάνει την αντίσταση του οριακού στρώματος και την ανακλαστικότητα των φύλλων (Karabourniotis and Bornman, 1999). Τη μείωση των υδατικών απωλειών εξυπηρετεί και η εσωτερική δομή των φύλλων, όπου παρατηρείται πολύστοιβη επιδερμίδα, καλά ανεπτυγμένος σκληρεγχυματικός ιστός και συμπαγές παρέγχυμα με περιορισμένους μεσοκυττάριους χώρους και παχιά κυτταρικά τοιχώματα. Η συμπαγής δομή των φύλλων των σκληρόφυλλων αείφυλλων ειδών αντανακλάται στον υψηλό δείκτη SLM (Specific Leaf Mass), ο οποίος εκφράζει το ξηρό βάρος ανά 1

21 επιφάνεια φύλλου και αποτελεί έναν ευρέως διαδεδομένο δείκτη ξηροφιλίας. Η ειδική μάζα φύλλου (SLM) παρουσιάζεται σημαντικά υψηλότερη στα σκληρόφυλλα αείφυλλα είδη έναντι των λοιπών λειτουργικών ομάδων (Paula and Pausas, 26). Ο υψηλός δείκτης SLM προσδίδει πλεονέκτημα στα σκληρόφυλλα αείφυλλα είδη, καθώς ευνοεί την επανάκαμψη των φύλλων μετά από περίοδο ξηρασίας (Salleo et al, 1997). Ακόμα, ο υψηλότερος δείκτης SLM σχετίζεται με υψηλότερες τιμές του δείκτη WUE (Water Use Efficiency) (Paula and Pausas, 26). O δείκτης αποδοτικότητας χρήσης του νερού (WUE) εκφράζεται ως το πηλίκο της φωτοσυνθετικής ταχύτητας προς το ρυθμό διαπνοής και μας δείχνει το καθαρό ποσό του άνθρακα που καθηλώνεται από την απώλεια ενός kg νερού μέσω της διαπνοής. Επιπλέον, τα στόματα, όχι μόνο είναι μικρά σε μέγεθος, αλλά εμφανίζονται μόνο στην κάτω επιφάνεια των φύλλων και συχνά μέσα σε κρύπτες ελαχιστοποιώντας τις υδατικές απώλειες (Jordan et al, 2). Τα παχιά φύλλα αποτελούν μια σημαντική ενεργειακή επένδυση για τα φυτά. Το υψηλό κατασκευαστικό κόστος των φύλλων των σκληρόφυλλων αείφυλλων ειδών αντισταθμίζεται από τη σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής των φύλλων αυτών (Reich et al, 1997), καθώς διατηρούνται στο φυτό για περίπου δύο χρόνια. Στον αντίποδα βρίσκονται τα φυλλοβόλα είδη. Τα φυλλοβόλα είδη αποφεύγουν τη δυσμενή χειμερινή περίοδο, που λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών επιτρέπονται μόνο χαμηλές φωτοσυνθετικές ταχύτητες, μέσω της αποβολής του συνόλου του φυλλώματός τους. Η διαδικασία της πτώσης των φύλλων πραγματοποιείται προς το τέλος του φθινοπώρου. Προς το τέλος του χειμώνα τροφοδοτείται η έκπτυξη νέων φύλλων από τους οφθαλμούς (Κυπαρίσσης και Λεβίζου, 211). Τα ημιφυλλοβόλα είδη μπορούν να τοποθετηθούν σε μια ενδιάμεση κατηγορία μεταξύ των σκληρόφυλλων αείφυλλων και των φυλλοβόλων ειδών, αφού παρουσιάζουν στοιχεία και των δύο κατηγοριών, παρουσιάζοντας ταυτόχρονα τα δικά τους ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Διατηρούν φύλλα καθ όλη τη διάρκεια του έτους όπως και τα σκληρόφυλλα αείφυλλα είδη, εμφανίζουν όμως μερική φυλλόπτωση κατά την ξηρή περίοδο, προσομοιάζοντας στα φυλλοβόλα είδη. Η μερική φυλλόπτωση συνοδεύεται συνήθως από εποχιακό διμορφισμό των φύλλων. Κατά κανόνα φέρουν δύο διαφορετικούς τύπους φύλλων, τα χειμερινά κατά τη διάρκεια της υγρής περιόδου και τα θερινά κατά τη διάρκεια της ξηρής περιόδου. Τα χειμερινά και τα θερινά φύλλα των ημιφυλλοβόλων ειδών παρουσιάζουν μορφολογικές και φυσιολογικές διαφορές οι οποίες αντικατοπτρίζουν τις υδατικές 19

22 συνθήκες της εποχής κατά την οποία αναπτύσσονται. Τα θερινά φύλλα έχουν μικρότερο μέγεθος, είναι πιο παχιά και πιο συμπαγή από τα χειμερινά φύλλα εμποδίζοντας τις υδατικές απώλειες (Kyparissis and Manetas, 1993). Τα ετήσια είδη ολοκληρώνουν τον κύκλο της ζωής τους σε μια καθορισμένη περίοδο του χρόνου, ενώ τον υπόλοιπο χρόνο βρίσκονται υπό μορφή σπερμάτων. Η πλειονότητα των ετήσιων ειδών ολοκληρώνουν τον κύκλο της ζωής τους κατά την υγρή περίοδο του έτους οπότε και τα υδατικά αποθέματα είναι επαρκή. Παρ όλα αυτά υπάρχουν ετήσια είδη των οποίων ο κύκλος ζωής ολοκληρώνεται κατά την ξηρή περίοδο του έτους, διαθέτοντας προσαρμογές που τους επιτρέπουν την αποφυγή της ξηρασίας. Τα φύλλα των ετήσιων ειδών παρουσιάζουν απλή δομή, με μικρό πάχος, λίγες στοιβάδες κυττάρων και στόματα και στις δύο επιφάνειες (αμφιστοματικά), καθώς η κατασκευή πολυπλοκότερων φύλλων θα ήταν δαπανηρή από τη στιγμή που τα φύλλα χρησιμοποιούνται για μία αναπτυξιακή περίοδο μόνο (Καραμπουρνιώτης και Λιακόπουλος, 29). Τα γεώφυτα κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου απαντώνται ως ληθαργικές μορφές, με τη μορφή υπόγειων αναπαραγωγικών οργάνων, παρακάμπτοντας με τον τρόπο αυτό το πρόβλημα της θερινής ξηρασίας (Καραμπουρνιώτης, 23). Πέρα από τις επιμέρους προσαρμογές που έχουν αναπτύξει οι διαφορετικές λειτουργικές ομάδες των μεσογειακών οικοσυστημάτων και είναι ειδικές για την κάθε ομάδα, έχουν αναπτύξει και μια σειρά μηχανισμών (κυρίως σε φυσιολογικό επίπεδο) που απαντώνται σε όλες τις λειτουργικές ομάδες. Οι μηχανισμοί αυτοί αφορούν κυρίως στην ελαχιστοποίηση της παγίδευσης και περεταίρω χρήσης του φωτός που απορροφάται. Σε συνθήκες υψηλών εντάσεων φωτός και χαμηλών θερμοκρασιών (χειμώνας) ή υψηλών εντάσεων φωτός και περιορισμένης δυνατότητας εισόδου του CO 2 στα σημεία καρβοξυλίωσης της Rubisco, το φως που απορροφάται από τα φύλλα ξεπερνά τη δυνατότητα των κυττάρων να το αξιοποιήσουν για φωτοχημικό έργο ή φωτοαναπνοή. Κάτω από τέτοιες συνθήκες, τα φυτά είναι πιθανό να υποστούν βλάβες στη φωτοσυνθετική τους συσκευή (φωτοαναστολή). Για την αποφυγή της φωτοαναστολής, τα είδη των Μεσογειακών οικοσυστημάτων έχουν αναπτύξει μια σειρά από φυσιολογικές προσαρμογές. Μια τέτοια προσαρμογή αποτελεί η μείωση των φωτοσυνθετικών χρωστικών, κάτι που έχει παρατηρηθεί σε ημιφυλλοβόλα (Kyparissis et al, 1995) και αείφυλλα είδη (Munne-Bosch and Alegre, 2). Μια διαφορετική προσαρμογή αποτελεί η διοχέτευση της περίσσειας ενέργειας σε 2

23 εναλλακτικές οδούς πέραν του φωτοχημικού έργου. Τέτοιες οδούς αποτελούν η φωτοαναπνοή, η αντίδραση Mehler (Flexas and Medrano, 22) καθώς και η απόσβεση υπό μορφή θερμότητας από τον κύκλο των ξανθοφυλλών (Demmig-Adams and Adams, 26). Ένας επιπλέον φωτοπροστατευτικός μηχανισμός που έχει παρατηρηθεί είναι η αυξημένη σύνθεση αντιοξειδοτικών ουσιών (Munne-Bosch and Penuelas, 23), οι οποίες αδρανοποιούν τις ελεύθερες ρίζες. Οι προσαρμογές που έχουν αναπτύξει οι διαφορετικές λειτουργικές ομάδες ώστε να ανταπεξέλθουν στο Μεσογειακό κλίμα, επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τη φωτοσυνθετική απόδοση της κάθε ομάδας. Τα ετήσια φυτά και τα γεώφυτα, με την καιροσκοπική στρατηγική και την απλή δομή των φύλλων τους, παρουσιάζουν πολύ μικρές αντιστάσεις στη διάχυση του CO 2 στα σημεία καρβοξυλίωσης της Rubisco, εμφανίζοντας τις μεγαλύτερες ταχύτητες φωτοσύνθεσης, φωτοσυνθέτοντας όμως για λίγους μήνες το χρόνο. Τα φυλλοβόλα είδη παρουσιάζουν μικρότερες φωτοσυνθετικές ταχύτητες, αλλά διατηρούν θετικούς ρυθμούς φωτοσύνθεσης για περίπου 6 έως 9 μήνες το χρόνο. Αντίθετα, τα σκληρόφυλλα αείφυλλα είδη παρουσιάζουν ακόμα μικρότερες φωτοσυνθετικές ταχύτητες, εξαιτίας του υψηλού δείκτη SLM που εμφανίζουν. Τα είδη με υψηλό δείκτη SLM εμφανίζουν αυξημένες αντιστάσεις στη διάχυση του CO 2 στα σημεία καρβοξυλίωσης της Rubisco (Niinemets and Sack, 26), καθώς έχουν αυξημένη αντίσταση οριακού στρώματος, μεσοκυττάριου χώρου και μεσόφυλλου. Ακόμα, έχουν χαμηλότερη περιεκτικότητα σε φωτοσυνθετικές χρωστικές, συγκριτικά με τις υπόλοιπες λειτουργικές ομάδες (Wright and Cannon, 21). Επίσης η συντήρηση φύλλων με υψηλό δείκτη SLM είναι αρκετά δαπανηρή για την οικονομία του φυτού, γεγονός που μεταφράζεται σε υψηλή αναπνοή στο σκοτάδι. Όμως, φωτοσυνθέτουν καθ όλη τη διάρκεια του έτους, με σημαντικό ποσοστό της ετήσιας καθήλωσης του άνθρακα να πραγματοποιείται κατά τους χειμερινούς μήνες (Tenhunen et al, 197). 1.1 Φθορισμός της χλωροφύλλης O φθορισμός είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο μια ουσία που απορροφά ένα φωτόνιο γίνεται η ίδια πηγή φωτεινής ακτινοβολίας, εκπέμποντας ένα φωτόνιο μικρότερης ενέργειας (άρα και μεγαλύτερου μήκους κύματος), λόγω απωλειών ενέργειας υπό μορφή θερμότητας. Ο φθορισμός, ως τρόπος αποδιέγερσης των χλωροφυλλών είναι ανταγωνιστικός με την αποδιέγερση υπό μορφή θερμότητας και 21

24 φωτοχημικού έργου. Περίπου το 2-5% της απορροφηθείσας ενέργειας χάνεται in vivo με φθορισμό, ο οποίος υπό σταθερή ένταση φωτός είναι σταθερός και σε θερμοκρασίες δωματίου οφείλεται σε ποσοστό 95% στο PSII (Govindjee, 1995). Το φαινόμενο του φθορισμού της χλωροφύλλης παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 134 από τον David Brewster (Govindjee, 1995). Ήταν όμως ο Kautsky και ο Hirsch (1931) που συνέλαβαν τη σχέση μεταξύ των φωτεινών αντιδράσεων της φωτοσύνθεσης και του φθορισμού της χλωροφύλλης α. Στα πειράματα που διεξήγαγαν, παρατήρησαν ότι φωτίζοντας φύλλα που έχουν παραμείνει για αρκετή ώρα στο σκοτάδι, παρατηρείται μια ραγδαία και απότομη άνοδος του φθορισμού από μία ελάχιστη τιμή (F ) σε μία μέγιστη τιμή (F M ), ενώ στη συνέχεια παρατηρείται μια σταδιακή πτώση μέχρι ο φθορισμός να φτάσει σε μια σταθερή τιμή (F S ). Διαπίστωσαν ακόμη ότι η φάση αύξησης του φθορισμού, η οποία δεν επηρεάζεται από αλλαγές της θερμοκρασίας (έως 3 ο C) ή την παρουσία αναστολέων, αντανακλά τη φωτοχημεία της φωτοσύνθεσης. Ακόμη, έδειξαν ότι η φάση μείωσης του φθορισμού σχετίζεται αντίστροφα με την αύξηση στο ρυθμό αφομοίωσης CO 2 (Strasser et al, 2) Χρήση της ανάλυσης του φθορισμού της χλωροφύλλης Η τεχνική του φθορισμού της χλωροφύλλης είναι μια σύγχρονη, μη επεμβατική, μη καταστρεπτική εύχρηστη και οικονομική μέθοδος για τη μελέτη των φωτοσυνθετικών χαρακτηριστικών των φυτικών οργανισμών, πλεονεκτήματα που έχουν καταστήσει αυτή τη μέθοδο ένα πολύ δημοφιλές εργαλείο στο πεδίο της φυσιολογίας φυτών τα τελευταία χρόνια. Χρησιμοποιείται συχνά στις οικολογικές μελέτες για να διερευνηθούν οι αποκρίσεις των φυτών στην κλιματική αλλαγή, όπως για παράδειγμα στην επίδραση των υψηλών θερμοκρασιών που οφείλονται στην αύξηση των επιπέδων του CO 2 στην ατμόσφαιρα (Mathur et al, 211, Yan et al, 211, Yan et al, 2) και στην ξηρασία που οφείλεται στην αλλαγή του προτύπου των βροχοπτώσεων (Goltsev et al, 2, Wang et al, 2), αλλά και στην εύρεση των καλύτερα προσαρμοσμένων στις κλιματικές αλλαγές ποικιλιών (Stefanov et al, 211, Boureima et al, 2, Redillas et al, 211). Επιπλέον έχει αξιοποιηθεί στη μελέτη των επιπτώσεων της ανθρωπογενούς ρύπανσης, όπως αέριων ρύπων (Heyneke et al, 2) και βαρέων μετάλλων (Adamski et al, 211). Τέλος, με τη μέθοδο του φθορισμού της χλωροφύλλης έχουν μελετηθεί οι επιπτώσεις μιας σειράς καταπονητικών 22

25 παραγόντων, όπως η αλατότητα (Xia et al, ), η υψηλή ένταση φωτός (Kalaji et al, 2), οι πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (van Heerden et al, ) και η έλλειψη θρεπτικών (Redillas et al, 211). Η ευρεία χρήση του φθορισμού της χλωροφύλλης για διαφορετικούς σκοπούς ενισχύει τη δυναμική αυτής της μεθόδου και διευρύνει τις δυνατότητές της. Παρ όλα αυτά κατά τη χρήση του φθορισμού της χλωροφύλλης θα πρέπει να παίρνονται υπ όψιν κάποια δεδομένα ώστε τα αποτελέσματά μας να είναι αξιόπιστα (Bussotti et al, 211). Αυτά είναι: - η φυσιολογική σημασία των παραμέτρων του φθορισμού σε συνθήκες πειράματος - η ποικιλότητα των δειγμάτων (π.χ. φύλλα φωτός-σκιάς), ώστε να σχεδιαστεί μια κατάλληλη δειγματοληπτική στρατηγική για το θέμα που μας ενδιαφέρει - η συγκρισιμότητα των αποτελεσμάτων όταν αυτά αποκτώνται από διαφορετικά όργανα ή διαφορετικές τεχνικές ανάλυσης του φθορισμού (Bussotti et al, 211). 1. Χρήση του φθορισμού της χλωροφύλλης στα Μεσογειακά οικοσυστήματα Η τεχνική του φθορισμού της χλωροφύλλης έχει αξιοποιηθεί σε μια πλειάδα μελετών που αφορά είδη που έχουν προσαρμοστεί στο Μεσογειακό κλίμα. Εξαιτίας της έντονης εποχικότητας του Μεσογειακού κλίματος, που καθιστά την κάθε εποχή ένα μοναδικό συνδυασμό αβιοτικών παραγόντων, ένα μέρος των μελετών αυτών εξετάζει τη μεταβολή διαφόρων φυσιολογικών παραμέτρων των φυτών σε συνάρτηση με την εποχή του έτους (Bussotti,, Ogaya and Penuelas, 23, Larcher, 2). Η επίδραση της ξηρασίας, που αποτελεί έναν σημαντικό παράγοντα καταπόνησης για τα μεσογειακά είδη, έχει μελετηθεί εκτενώς (Medrano et al, 22), κυρίως όμως κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, οπότε η έλλειψη νερού συνυπάρχει με τις υψηλές θερμοκρασίες και τις υψηλές εντάσεις φωτός (Valladares and Pearcy, 1997, Adams et al, 199), αλλά και σε συνδυασμό με την επίδραση της UV ακτινοβολίας (Nogues and Baker, 2). Ο φθορισμός της χλωροφύλλης έχει χρησιμοποιηθεί και στην απόκριση των φυτών στις συνθήκες του χειμώνα, οπότε και συνυπάρχουν υψηλές εντάσεις φωτός και χαμηλές θερμοκρασίες (Zeliou et al, 29, Ferri et al, ). Τέλος, αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας αποτελούν οι διαφορετικές στρατηγικές με τις οποίες οι λειτουργικές ομάδες που απαντώνται στα Μεσογειακά οικοσυστήματα, 23

26 ανταπεξέρχονται σε μια σειρά παραγόντων καταπόνησης (Ferri et al, 2, Llorens et al, 23, Valladares et al, 25).

27 ΣΚΟΠΟΣ Η εκτίμηση της παραγωγικότητας των χερσαίων οικοσυστημάτων προϋποθέτει τη δημιουργία αξιόπιστων μοντέλων παραγωγικότητας. Τα μοντέλα παραγωγικότητας τροφοδοτούνται με μια σειρά βιοτικών (φωτοσυνθετική ταχύτητα, συγκέντρωση χλωροφύλλης, ειδική μάζα φύλλου) και αβιοτικών παραμέτρων (θερμοκρασία, ένταση φωτός, βροχόπτωση) των φυτικών ειδών και του περιβάλλοντος. Μία από τις σημαντικότερες βιοτικές παραμέτρους είναι η μέγιστη φωτοσυνθετική ταχύτητα κάτω από κορεσμένες εντάσεις φωτός, σε φυσιολογικές συγκεντρώσεις CO 2 και στις επικρατούσες θερμοκρασίες (A sat ). Η A sat θεωρείται περισσότερο αξιόπιστη όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για συγκρίσεις επειδή διαμορφώνεται τόσο από συσσωρευμένες αλλαγές στη φωτοσυνθετική συσκευή όσο και από τις επικρατούσες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η μέτρηση της A sat στο πεδίο με τις κλασσικές μεθόδους είναι επίπονη και χρονοβόρος διαδικασία. Μία εναλλακτική εκτίμησή της που θα επέτρεπε τη σύντομη συλλογή μεγάλου όγκου δεδομένων θα ήταν εξαιρετικά χρήσιμη. Επειδή η καθαρή φωτοσυνθετική ταχύτητα επηρεάζεται εκτός των άλλων και από την αποτελεσματικότητα των φωτεινών αντιδράσεων, είναι πιθανή η ύπαρξη άμεσης ή έμμεσης συσχέτισης της A sat με μία ή περισσότερες διαδικασίες που πραγματοποιούνται κατά τη ροή της ενέργειας στα δύο φωτοσυστήματα. Για τον λόγο αυτό σχεδιάστηκαν παράλληλες μετρήσεις της A sat και του φθορισμού της χλωροφύλλης (κινητικές επαγωγής του φθορισμού της χλωροφύλλης - OJIP transients). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε μία σειρά χαρακτηριστικών ειδών των μεσογειακών οικοσυστημάτων διαφορετικών λειτουργικών τύπων (αείφυλλα σκληρόφυλλα, φυλλοβόλα, ημιφυλλοβόλα και χειμερινά ή θερινά ετήσια είδη). Από τις παράλληλες μετρήσεις που έγιναν σε εποχιακή βάση αναζητήθηκαν πιθανές συσχετίσεις της A sat με τις παραμέτρους του JIP-test για κάθε μεμονωμένο είδος αλλά και πιθανά κοινά πρότυπα για κάθε λειτουργικό τύπο. 25

28 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 2.1 Φυτικό υλικό Στα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν αυτοφυή είδη, καθώς και είδη που έχουν εγκλιματιστεί επιτυχώς στο Μεσογειακό κλίμα. Επιλέξαμε φυτά σκληρόφυλλα αείφυλλα (C. siliqua, N. oleander, L. japonicum), ημιφυλλοβόλους θάμνους (P. fruticosa), ετήσια φυτά (C. spinosa, M. sylvestris) και φυλλοβόλα δέντρα (C. siliquastrum), ώστε να καλύψουμε ένα μεγάλο εύρος βιομορφών (functional types) που συναντώνται στα μεσογειακά οικοσυστήματα. Τάξη Brassicales Fabales Fabales Lamiales Οικογένεια Capparaceae Fabaceae Fabaceae Oleaceae Γένος Capparis Ceratonia Cercis Ligustrum Είδος C. spinosa C. siliqua C.siliquastrum L. japonicum Κοινή ονομασία Κάππαρη Χαρουπιά Κουτσουπιά Λιγούστρο Τάξη Malvales Gentianales Lamiales Οικογένεια Malvaceae Apocynaceae Lamiaceae Γένος Malva Nerium Phlomis Είδος M. sylvestris N. oleander P. fruticosa Κοινή ονομασία Μολόχα Πικροδάφνη Ασφάκα Capparis spinosa (κάππαρη) Είναι ένας έρπων πολυετής και φυλλοβόλος θάμνος, που αναπτύσσεται την περίοδο του καλοκαιριού (Μάιος- Οκτώβριος) και ανήκει στην οικογένεια Capparaceae. Είναι ενδημικό της περιοχής της Μεσογείου. Τα φύλλα του είναι ωοειδή, σχεδόν στρογγυλά και σαρκώδη. Αναπτύσσει ένα εκτεταμένο ριζικό σύστημα. Εικόνα. C. spinosa (luirig.altervista.org) Cerαtonia siliqua (χαρουπιά) Είναι ένα σκληρόφυλλο αείφυλλο δέντρο, που ανήκει στην οικογένεια Fabaceae. Είναι ενδημικό στην περιοχή της Μεσογείου και στη Μέση Ανατολή. Μπορεί να φτάσει σε ύψος τα 15 μέτρα. Τα φύλλα του είναι Εικόνα 9. C. siliqua (en.wikipedia.org) 26

29 σύνθετα, αποτελούμενα από 4 έως 1 ωοειδή, σκληρά και λεία φυλλάρια. Η ανθοφορία του διαρκεί από τον Οκτώβρη έως το Νοέμβρη Cercis siliquastrum (κουτσουπιά) Εικόνα 1. C. siliquastrum ( Είναι ένα φυλλοβόλο δέντρο που ανήκει στην οικογένεια Fabaceae. Είναι ενδημικό της Νότιας Ευρώπης και της Δυτικής Ασίας. Φτάνει σε ύψος τα 5 μέτρα. Τα φύλλα του είναι λεία και νεφροειδή. Η περίοδος ανθοφορίας του διαρκεί από τα τέλη Φεβρουαρίου μέχρι και τα τέλη Απριλίου Ligustrum japonicum (λιγούστρο) Είναι ένας σκληρόφυλλος αείφυλλος θάμνος ή δέντρο που ανήκει στην οικογένεια Oleaceae. Είναι ενδημικό της Ιαπωνίας και της Κορέας. Το ύψος του φτάνει έως τα 5 μέτρα. Τα φύλλα του είναι λογχοειδή, σκληρά και δερματώδη. Φέρει άνθη την άνοιξη και το καλοκαίρι. Εικόνα 11. L. japonicum ( Malva sylvestris (μολόχα) Είναι μια μονοετής (Νότια Αφρική), ή διετής (περιοχές της Μεσογείου) ή Εικόνα. Μ. sylvestris (en.wikipedia. org) του καλοκαιριού. πολυετής (στις υπόλοιπες περιοχές με μεσογειακό κλίμα) πόα που ανήκει στην οικογένεια Malvaceae. Παρουσιάζει κοσμοπολίτικη εξάπλωση που περιλαμβάνει το σύνολο σχεδόν της Ευρώπης, τη Βόρεια Αφρική και το μεγαλύτερο μέρος της Ασίας. Φτάνει σε ύψος έως 1 μέτρο. Τα φύλλα της είναι μαλακά και παλαμοσχιδή. Η περίοδος ανθοφορίας της περιλαμβάνει όλη την περίοδο της άνοιξης και το ξεκίνημα 27

30 2.1.6 Nerium oleander (πικροδάφνη) Είναι ένας σκληρόφυλλος αείφυλλος θάμνος που ανήκει στην οικογένεια Apocynaceae. Συναντάται ως αυτοφυές ή έχει εγκλιματιστεί σε μια ευρεία περιοχή, η οποία ως δυτικό άκρο εμφανίζει το Μαρόκο, τη Μαυριτανία και την Πορτογαλία, περιλαμβάνει τις περιοχές γύρω από τη Μεσόγειο, τη Σαχάρα, την Αραβική Χερσόνησο και φτάνει ανατολικά ως τη Νότια Κίνα. Φτάνει σε ύψος έως 6 μέτρα. Έχει λογχοειδή, δερματώδη φύλλα. Η περίοδος ανθοφορίας του διαρκεί από τον Απρίλη έως και το Σεπτέμβρη. Εικόνα 13. N. oleander (en.wikipedia.org) Phlomis fruticosa (ασφάκα) Είναι ένας ημιφυλλοβόλος θάμνος που ανήκει στην οικογένεια Lamiaceae. Είναι ενδημικό στην Ελλάδα, την Κύπρο, την Τουρκία, την Αλβανία και σε περιοχές της πρώην Γιουγκοσλαβίας. Το ύψος του δεν ξεπερνά το 1,5 μέτρο. Εμφανίζει δύο είδη φύλλων: τα χειμερινά που φύονται το Δεκέμβρη και πέφτουν τον Ιούνη και τα θερινά που φύονται το Μάη και παραμένουν στο φυτό για τουλάχιστον 1 χρόνο (Kyparissis et al, 1997). Η περίοδος ανθοφορίας του διαρκεί από τα τέλη Μάρτη έως τις αρχές του Ιουλίου. Εικόνα 14. P. fruticosa ( 2.2 Μέτρηση φωτοσυνθετικής ταχύτητας Η μέγιστη καθαρή φωτοσυνθετική ταχύτητα ενός φυτού μπορεί να μετρηθεί είτε ως κατανάλωση CO 2, είτε ως παραγωγή Ο 2. Ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τρόπος μέτρησης είναι μέσω της κατανάλωσης CO 2. Για το σκοπό αυτό έχουν κατασκευαστεί αναλυτές αερίων 2 τύπων, ο ανοιχτός και ο κλειστός. Οι αναλυτές αερίων κλειστού τύπου (closed gas exchange systems) αποτελούν κλειστά συστήματα, στα οποία η συγκέντρωση του CO 2 τροποποιείται από το φυτό. Η μεταβολή της συγκέντρωσης του CO 2 σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο 2

31 εξισώνεται με την καθαρή ταχύτητα φωτοσύνθεσης του φυτού. Στους αναλυτές αερίων ανοικτού τύπου (open gas exchange systems), το δείγμα τοποθετείται σε θάλαμο στον οποίο παρέχεται αέρας με μετρούμενη ροή. Οι διαφορές της συγκέντρωσης του CO 2 μεταξύ του αέρα που εισέρχεται στο θάλαμο με το δείγμα (reference gas) και του εξερχόμενου από το θάλαμο αέρα (sample gas) πολλαπλασιαζόμενες με τη ροή του αέρα, μας δίνουν τη φωτοσυνθετική ταχύτητα του ιστού (Hunt, 23) Αρχή λειτουργίας του αναλυτή αερίων (LI-COR 64) Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκε αναλυτής αερίων ανοικτού τύπου της LI-COR (Li- 64, Lincoln, Ne, USA). Η αρχή λειτουργίας του οργάνου βασίζεται στην παράλληλη ύπαρξη δύο ανεξάρτητων μεταξύ τους αναλυτών αερίων υπέρυθρης ακτινοβολίας (IRGA analyzers), οι οποίοι τροφοδοτούνται με αέρα από μία ενσωματωμένη αντλία σταθερής ροής. Από τις διαφορές που Εικόνα 15. Αναλυτής αερίων τύπου Li-64 ( προκύπτουν μεταξύ του υπέρυθρου αναλυτή αερίων του θαλάμου αναφοράς (reference chamber) και του υπέρυθρου αναλυτή αερίων του θαλάμου δείγματος (sample chamber), και μέσω των κατάλληλων εξισώσεων υπολογίζονται οι εξής παράμετροι: Α: καθαρή φωτοσύνθεση (μmol CO 2 m -2 s -1 ) Trans: διαπνοή (mmol H 2 O m -2 s -1 ) Cond: αγωγιμότητα στομάτων (μmol m -2 s -1 ) C i : διακυτταρική συγκέντρωση CO 2 ή συγκέντρωση του CO 2 στους μεσοκυττάριους χώρους (μmol mol -1 ) Ο συγκεκριμένος αναλυτής αερίων παρέχει επίσης τη δυνατότητα ελέγχου και καθορισμού μιας σειράς περιβαλλοντικών παραγόντων που επηρεάζουν τη φωτοσυνθετική λειτουργία, δίνοντάς μας τη δυνατότητα επανάληψης των ίδιων συνθηκών μεταξύ των πειραμάτων, αλλά και τη μέτρηση της φωτοσυνθετικής ταχύτητας κάτω από τις επιθυμητές περιβαλλοντικές συνθήκες (ένταση φωτός, θερμοκρασία, σχετική υγρασία, συγκέντρωση CO 2 ). 29

32 Η ένταση του φωτός που παρέχεται στο δείγμα, παράγεται από μια φωτεινή πηγή κόκκινων και μπλε φωτοδιόδων (64-2Β, red-blue LED source) και μπορεί να πάρει τιμές μεταξύ (πλήρες σκοτάδι) και 2 μmol φωτονίων m -2 s -1 (πλήρες ηλιακό φως μιας ανέφελης μέρας). Η ρύθμιση του παρεχόμενου CO 2 γίνεται μέσω ενός συστήματος έγχυσης (64-1 CO 2 Injector System). Αρχικά ο ατμοσφαιρικός αέρας περνά μέσα από ένα θάλαμο που περιέχει μείγμα σόδας και ασβεστίου (soda lime), όπου απορροφάται όλο το CO 2. Ο εμπλουτισμός του παρεχόμενου αέρα με CO 2 πραγματοποιείται μέσω μιας ειδικής αμπούλας με συμπιεσμένο CO 2 σε υγρή μορφή. Οι τιμές του CO 2 μπορούν να οριστούν μεταξύ και 21 ppm, τιμή πολύ μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση του CO 2 στην ατμόσφαιρα (4 ppm). Ανάλογα γίνεται και ο καθορισμός της σχετικής υγρασίας του παρεχόμενου αέρα με τη διοχέτευσή του μέσω ενός θαλάμου με ξηραντικό (άνυδρο θειικό ασβέστιο), που μέσω μιας στρόφιγγας ρυθμίζει την ποσότητα του αέρα που αποξηραίνεται. Η τελευταία παράμετρος που μπορεί να ρυθμιστεί είναι η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιείται η φωτοσύνθεση. Για το σκοπό αυτό επιστρατεύονται δύο ανεμιστηράκια που είναι ενσωματωμένα στην κεφαλή μέτρησης και λειτουργούν σε συνδυασμό με δύο ψήκτρες (Peltier devices). Η θερμοκρασία μπορεί να πάρει τιμές μεταξύ -7 και +7 ο C από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος (LI-COR Biosciences, 25) Καμπύλη εξάρτησης της φωτοσύνθεσης από το φως Το φως αποτελεί έναν πολύ κρίσιμο πόρο στην οικονομία του φυτού, καθώς Εικόνα. Καμπύλη επαγωγής της φωτοσύνθεσης από το φως (Plant Physiology) 3 έλλειψη ή περίσσεια φωτός μπορεί να περιορίσει την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή του. Για την λεπτομερέστερη μελέτη της επίδρασης της έντασης του φωτός στη φωτοσύνθεση (σε σταθερή θερμοκρασία και με δεδομένη τη συγκέντρωση του CO 2 στην ατμόσφαιρα), κατασκευάζουμε τις λεγόμενες καμπύλες εξάρτησης της