Fotosinteza, meritve fotosinteze. Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Transcript

1 Fotosinteza, meritve fotosinteze Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

2 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 redukcija oksidacija Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

3 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

4 H 2 O CO 2 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

5 Učinkovitost izrabe vode (water use efficiency) Fotosintezna učinkovitost izrabe vode (WUE Ph ) WUE Ph = fotosintez a transpirac ija [ μmol CO 2 m -2 s -1 / mmol H O m 2-2 s -1 ] Produkcijska učinkovitost izrabe vode (WUE P ) proizvodnj a biomase (org. suha snov) -1 WUE P = [ g DM kg H2O] poraba vode Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

6 KLOROPLAST Stroma lamele Notranja membrana Tilakoide Zunanja membrana Grana lamele Stroma Notranja membrana Tilakoida Lumen tilakoide Granum Stroma lamela Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

8 notranja membrana lumen tilakoide zunanja membrana stroma grana tilakoide stroma tilakoide

9 svetloba fotokemične reakcija - tilakoidana membrana kloroplasta biokemične reakcija - stroma kloroplasta kisik sladkor svetloba sladkor voda kisik Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

11 stroma e - reducent (NADPH) energija ATP H + ADP +P H 2 O tilakoida O 2 +H + H + H + H + H + H + lumen Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

12 Elektronska transportna veriga Redoks potencial oksidirajoč reducirajoč rdeča svetloba dolgovalovna rdeča svetloba Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

13 svetloba svetloba karotenoidi klorofil b klorofil a antenski kompleks zmanjševanje energije reakcijski center reakcijski center Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

14 šibek reducent močan oksidant močan reducent Elektronska transportna veriga šibek oksidant oksidirajoč reducirajoč Redoks potencial rdeča svetloba dolgovalovna rdeča svetloba Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

15 Citokrom b6f kompleks Kompleks, ki sprošča kisik svetloba svetloba Fotosistem II Fotosistem I

16 linearni (neciklični elektronski transport) ciklični elektronski transport svetloba citokrom b6f kompleks svetloba FOTOSISTEM II FOTOSISTEM I Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

17 sladkor voda kisik Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

18 Calvin-ov cikel = reduktivni cikel pentoze fosfata ribuloze 1,5 bifosfat (3x) KARBOKSILACIJA RUBISCO REGENERACIJA REDUKCIJA 3-PGA = 3-fosfoglicerat GAP = gliceraldehid-3-fosfat

19 RUBISCO = ribuloze bifosfat karboksilaza / oksigenaza substrat: reakcija: ribuloze-1,5-bifosfat i) karboksilacija KARBOKSILACIJA CO 2 RUBISCO H 2 O 2 x ribuloze-1,5- bifosfat 2-karboksi-3-ketoarabinitol- 1,5-biofosfat 3-fosfoglicerat Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

20 V intaktnem listu so za optimalno fotosintezo na presnovnem nivoju pomembni trije dejavniki aktivnost encima Rubisco regeneracija ribuloze bifosfata (RuBP) metabolizem trioze fosfata (TPU) Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

21 Stroma kloroplasta Škrob (primarni ali asimilacijski) Calvinov cikel Sladkor (trioza) Sladkor (trioza) Pi Sladkor (trioza) Pi Citoplazma Poraba v celici Saharoza Transport (floem)

22 RUBISCO = ribuloze bifosfat karboksilaza / oksigenaza substrat: reakcija: ribuloze-1,5-bifosfat. i) karboksilacija Ribuloze-1,5-bifosfat + CO 2 2 x 3-fosfoglicerat ii) oksigenacija (fotorespiracija) Ribuloze-1,5-bifosfat + O 2 2-fosfoglikolat + 3-fosfoglicerat + 2H + Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

23 Fotorespiracija - svetlobno dihanje kloroplast fosfogligolat peroksisom ribuloze-1,5 -bifosfat enediolatni intermediat oksigenacija hidroperoksidni intermediat 3-fosfoglicerat

24 2C 2C 5C 3C +1C 2C -1C 2 x 3C 3C 3C

25 C 4 metabolizem

26

27 Atmosfera [ CO 2 ] 360 µl l -1 Celica mezofila [ CO 2 ] 100 µl l -1 Celica žilnega ovoja [ CO 2 ] µl l -1

28 vrst rastlin, 33 družin CAM metabolizem

29

30

31 Meritve fotosinteze I. Meritve izmenjave plinov Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

32 Meritve fotosinteze CO 2 + H 2 O sladkor + O 2 Meritve porabe CO 2 kemijske metode izotopske metode meritve absorpcije v IR spektru Meritve nastajanja O 2 kemijske metode (npr. titracija po Winkler-ju) kisikova elektroda

33 Fotosinteza + Dihanje + Svetlobno dihanje

34 Dihanje

35 SVETLOBNE REAKCIJE (tilakoidna membrana) TEMOTNE REAKCIJE (stroma kloroplasta) Δ O 2 Δ CO 2 O 2 CO 2 DIHANJE (RESPIRACIJA) (mitohondrij) SVETLOBNO DIHANJE FOTORESPIRACIJA) (kloroplast, peroksisom, mitohondrij)

36 Molekuli vode in ogljikovega dioksida absorbirata svetlobo v infrardečem delu spektra to lahko uporabimo za kvantitativno detekcijo obeh molekul

37 KONTROLA SVETLOBE in TEMPERATURE FOTOSINTEZA TRANSPIRACIJA STOMATALNA PREVODNOST KONTROLA [CO 2 ], RH vzorčna [CO 2 ] [H 2 O] Δ [CO 2 ] Δ [H 2 O] referenčna [CO 2 ] [H 2 O] IRGA infra-rdeči plinski analizator

38 s površina lista (m 2 ) a asimilacija CO 2 (mol CO 2 m -2 s -1 ) E transpiracija (mol CO 2 m -2 s -1 ) u i, u o hitrost vstopnega in izstopnega toka zraka (mol s -1 ) c i, c o molski delež ogljikovega dioksida v zraku (mol CO 2 mol -1 zraka) w i, w o molski delež vode v zraku (mol H 2 O mol -1 zraka) Transpiracija (E) in fotosinteza (a) spremenita koncentraciji vode in CO 2 zraka, ke prehaja komoro. Zaradi transpiracije se poveča tudi hitrost toka zraka (u o ).

39 se = u w 0 0 u w i i s površina lista E u, u i w i transpiracija (mol m 0, w 0 (m -2 hitrost vstopnega in izstopnega toka molski delez vode ) -2 s -1 ) (mol H 2 O mol (mol s zraka -1 ) -1 ) u = ui + 0 se E = u i s ( w 0 w i ) ( 1 w ) 0 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

40 sa = u i c i u 0 c 0 s površina lista (m 2 ) a asimilacija CO 2 (mol CO 2 m -2 s -1 ) u i, u o hitrost vstopnega in izstopnega toka zraka (mol s -1 ) c i, c o molski delež ogljikovega dioksida v zraku (mol CO 2 mol -1 zraka) u = ui + 0 se a = u i ( c c ) i s 0 E c0 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

41 Različne izvedbe merilnih kivet za merjenje fotosinteze Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

42

43 Kaj meriti? Kako meriti? merjenje posameznega lista (kateri list in koliko listov izbrati?) merjenje veje, poganjka merjenje cele rastline merjenje dnevnih potekov merjenje ob kontroliranih okoljskih dejavnikih moduliranje posameznega dejavnika ali več dejavnikov hkrati Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

44 kontrola oz. moduliranje teh dejavnikov ob meritvah izmenjave plinov okoljski dejavniki: svetloba, CO 2, voda, mineralna hranila fotosinteza + notranji dejavniki

45 Dnevni potek fotosinteze neto CO 2 asimilacija oblaki oblaki 6:00 18:00 6:00 18:00

46

47 Dnevni potek fotosinteze pri jablani Elstar (E) in Jonagold (J), za drevesa v sušnem stresu (S) in kontrolna drevesa (K) neto-fotosinteza [µmol CO 2 m -2 s -1 ] Pn E-K E-S J-K J-S ura Helena Šircelj, doktorska disertacija, 2001

48 Trifolium repens Regal 1 Stomatal conductance [mol H2O m -2 s -1 ] 0,8 0,6 0,4 0,2 resistant clone sensitive clone Poly. (sensitive clone) Poly. (resistant clone) 0 7:40 10:04 12:28 14:52 17:16 19:40 Time [h:mm] Veberič Simon, dipl.delo

49 CAM metabolizem

50 porometer CAM metabolizem

51 Kontrola svetlobe in temperature Kontrola vlažnosti zraka in [CO 2 ] v zraku

52 Svetlobna odvisnost fotosinteze neto-fotosinteza [µmol CO 2 m -2 s -1 ] omejitveni d. je svetloba svetlobna kompenzacijska točka (sproščanje CO 2 = poraba CO 2 ) dihanje v temi omejitveni d. je ogljikov dioksid saturacija PFD, jakost svetlobe [µmol m -2 s -1 ]

53

54 Svetlobna odvisnost fotosinteze - primer fotosinteza (μmol CO 2 m -2 s -1 ) sončni list (rast pri 920 μmol m -2 s -1 ) senčni list (rast pri 92 μmol m -2 s -1 ) jakost svetlobe (μmol m -2 s -1 )

55 Fotoinhibicija Fotoinhibicija = zmanjšanje fotosintetske aktivnosti zaradi negativnih vplivov premočne svetlobe na fotosintetski aparat. optimalna fotosinteza fotosinteza (μmol m -2 s -1 ) dinamična fotoinhibicija (zmeren presežek svetlobe) kronična fotoinhibicija (velik presežek svetlobe) absorbirana svetloba (μmol m -2 s -1 )

56 Svetlobna odvisnost fotosinteze primer svetlobno različno adaptiranih mladih dreves bukve v starejšem sestoju smreke Neto fotosinteza (μmol CO2 m -2 s -1 ) 16,00 1 Fagus sylvatica 14, ,00 BRIČKA - Pohorje, , , , , , , ,00 PFD (μmol m -2 s -1 )

57 Odvisnost fotosinteze od koncentracije CO 2 C 4 rastline asimilacija CO 2 (μmol m -2 s -1 ) C 3 rastline CO 2 kompenzacijska točka atmosferska koncentracija CO 2, C a (Pa)

58 Shema prikazuje pretok zraka, kontrolo vlage in konc. CO 2, pretoka in namestitev ref. in anal. analizatorjev IRGA v merilnem sistemu LI-6400 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

59 AC i - krivulja CO 2 (C i ) asimilacija CO 2 (μmol m -2 s -1 ) C 4 rastline C 3 rastline CO 2 (C a ) C i = C a A g l koncentracija CO 2 v listu, C i (Pa)

60 V intaktnem listu so za optimalno fotosintezo na metaboličnem nivoju pomembni trije dejavniki aktivnost encima Rubisco regeneracija ribuloze bifosfata (RuBP) metabolizem trioze fosfata (TPU) Long in Bernacchi, 2003 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

61 V intaktnem listu so za optimalno fotosintezo na metaboličnem nivoju pomembni trije dejavniki 1. aktivnost encima Rubisco 2. regeneracija ribuloze bifosfata (RuBP) 3. metabolizem trioze fosfata V naravnih razmerah sta posebej ključna prva dva procesa (Tabela prikazuje vpliv svetlobe in CO 2 nanju).

62 - Echinochloa crus-galli - 25 Net-photosynthesis (umol CO2 m -2 s -1 ) Ci (umol CO 2 mol -1 ) nf_1 model_1 nf_2 model_2 nf_3 model_3

63 f(x) = -3,72+26,77*(1-exp(-0,0042*x)) soil CO 2 - Phleum pratense - 15 CO2 exchange ( µmol CO2 m -2 s -1 ) Plot Plot 7 CO 2 - exchange [µmol CO 2 m -2 s -1 ] f(x) = -4,71+25,39*(1-exp(0,0022)*x)) CO 2 - exchange [µmol CO 2 m -2 s -1 ] f(x) = -8,07+28,68*(1-exp(-0,0023*x)) f(x) = -1,425*10-5 +x r 2 = 0, predicted 30 f(x) = -1,32*10-6 +x 25 r 2 = 0, predicted 0.4 % 3 % Significant differences: A 2000, A 700, A 350 carboxylation efficiency CO 2 compensation point Plot 2 CO 2 - exchange [µmol CO 2 m -2 s -1 ] f(x) = -6,46*10-6 +x r 2 = 0, predicted % Ci [µmol CO 2 mol -1 ] Ci ( µmol mol -1 )

64 netofotosinteza (µmol CO2 m -2 s -1 ) NF=28,81*(1-exp(-0,0039*(Ci-54,78))) NF=21,84*(1-exp(-0,0045*(Ci-55,38))) Modela se statistično značilno razlikujeta v parametru: a in c model za odporne klone model za občutljive klone netofotosinteza odpornih klonov netofotosinteza občutljivih klonov -8 Ci (µl l -1 ) PAR = 1500 μmol m -2 s -1 Odvisnost netofotosinteze odpornih in občutljivih klonov plazeče detelje (Trifolium repens Regal ) od intercelularne koncentracije CO 2 (Ci) za 17. dec (rastlinjak).

66 Asimilacija CO 2 Intercelularna koncentracija CO 2 (ppm) Fotosinteza listov jablane Fuji /M26 prikazana je odvisnost fotosinteze od koncentracije CO 2 pri rastlinah, ki so različno prehranjene z dušikom (N g m -2 ): =1.02, =1.42, = 1.82, = 2.55, = 3.27, =4.25 Cheng in Fuchigami, 2000

67 Učinkovitost izrabe dušika (nitrogen use efficiency) Fotosintezna učinkovitost izrabe dušika (NUE Ph ) NUE Ph = fotosintez a vsebnost N na površino lista [ μmol CO 2 m -2 s -1 / mmol N m -2 ] Produkcijska učinkovitost izrabe dušika (NUE P ) NUE P = proizvodnj a biomase (org. vgrajeni dušik suha snov) [ g DM kg -1 N ] Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

69 Fotosinteza - sezonski aspekt PAR 1500 µmol m -2 s -1 CO µmol mol -1 Fotosinteza - Jablana cv. 'Zlati Delišes' Fotosintetska kapaciteta (umol m -2 s -1 ) sept 25-sept 5-okt 15-okt 25-okt čas

71

72 Fotosinteza listov polnih in obranih dreves jablane Zlati delišes. Rdeča puščica nakazuje odstranitev plodov Veberič, Vodnik & Štampar, Europ. J. Hort. Sci, 68 (4), 2003

73 Fotosinteza listov polnih in obranih dreves jablane Zlati delišes, foliarno gnojenih ali negnojenih s PK pripravkom Fotosinteza - jablana cv. 'Zlati Delišes' Fotosintetska kapaciteta (umol m -2 s -1 ) kontrolapolna kontrolaobrana pk-polna pk-obrana Obravnavanje Veberič, Štampar & Vodnik, Gartenbauwissenschaft, 3, 2002

74 SVETLOBNE REAKCIJE (tilakoidna membrana) TEMOTNE REAKCIJE (stroma kloroplasta) Δ O 2 Δ CO 2 O 2 CO 2 DIHANJE (RESPIRACIJA) (mitohondrij) SVETLOBNO DIHANJE FOTORESPIRACIJA) (kloroplast, peroksisom, mitohondrij)

75 Kisikova elektroda katoda (Pt) O 2 membrana anoda (Ag) papir raztopina elektrolita plast. osnova Pt-katoda Ag-anoda O-ring

76 Kisikova elektroda zaporni vijak voda (term. kopel) voda (term. kopel) reakcijski medij magnetno mešalo zapiralni obroč raztopina KCl anoda (Ag) katoda (Pt) teflonska membrana

77 Kisikova elektroda

78 Kisikova elektroda

79 Primer meritev odvisnosti fotosinteze od ph; kisikova elktroda (Pfanz, 1995)

80 Meritve fotosinteze in dihanja skorje pri jablani vpliv starosti izmenjava O 2 (µmol m -2 so -1 ) 2 [µmol m -2 s -1 ] letnik fotosinteza fs dihanje Kotar in sod., 2003

81 Meritve fotosinteze II. Meritve fluorescence Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

82

83 stroma e - reducent (NADPH) energija ATP H + ADP +P H 2 O tilakoida O 2 +H + H + H + H + H + H + lumen

85 Meritve fluorescence svetloba oddajanje toplote Chl a* fluorescenca e - e - P 680 Z Q A e - fotokemično delo fotokemično delo P (fotokemično dušenje) toplota D (nefotokemično dušenje) fluorescenca F P + D + F = 1 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

86 stroma FLUORESCENCA FOTOKEMIČNO DELO e - reducent (NADPH) tilakoida TOPLOTA lumen

87 Meritve fluorescence - Kautsky-ev efekt Če prenesemo zeleno rastlino iz teme na svetlobo, se v času 1 sekunde poveča fluorescentni signal Razlaga: zasičenost prenašalcev elektrona predvsem kinonov (Q A ) - zaprti reakcijski centri Po ca 1s se začne fluorescentni signal zmanjševati - dušenje fluorescence Razlaga: zaradi aktivacije fotosinteze se e - učinkovito transportirajo stran od PSII - fotokemično dušenje energija se izgublja v obliki toplote - nefotokemično dušenje Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

88 Citokrom b6f kompleks Kompleks, ki sprošča kisik svetloba svetloba Fotosistem II Fotosistem I

89 stroma reducent (NADPH) tilakoida lumen FOTOKEMIČNO DELO = 0

90 saturacijski pulz osnovna fluorescenca temotno adaptiranega vzorca potencialna učinkovitost PSII F v /F m = (F m -F 0 ) / F m

91 Meritve fluorescence metoda saturacijskega pulza Saturacijski svetlobni pulz Φ II = P = 0 F m + D m = 1 ali D m = 1 F m (1) ker je D/F = D m /F m D = F (1-F m )/F m (2) s kombinacijo (2) in P + F + D = 1 dobimo P = 1 F D = 1- F - F (1-F m )/F m = (F m F)/F m = F v /F m

92 stroma FLUORESCENCA FOTOKEMIČNO DELO e - reducent (NADPH) tilakoida TOPLOTA lumen

93 potencialna učinkovitost PSII F v /F m = (F m -F 0 ) / F m dejanska učinkovitost PSII Φ PSII = (F m -F t ) / F m (yield)

94 Parametri fotokemičnega dušenja Φ PSII kvantna učinkovitost PSII (F m -F t ) / F m qp delež odprtih PSII (F m - F t ) / (F m - F 0 ) F v /F m potencialna učinkovitost PSII (F m -F 0 ) / F m J hitrost linearnega toka e - J = Φ PSII * PFD *(0.5) Parametri nefotokemičnega dušenja NPQ nefotokemično dusenje (F m0 -F m ) / F m

95 Kumare - meritve fluorescence Fv / Fm 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 A B C D E 0,000 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 čas

96 Svetlobne krivulje, izmerjene s plinskim analizatorjem Svetlobne krivulje, izmerjene s fluorometrom