Fotosinteza, meritve fotosinteze. Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

Fotosinteza, meritve fotosinteze Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

SVETLOBNE REKACIJE (tilakoidna membrana) TEMOTNE REAKCIJE (stroma kloroplasta) Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2004/05

Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2004/05

Fotosinteza ni omejena samo na liste... Anne Geddes

KLOROPLAST Stroma lamele Notranja membrana Tilakoide Zunanja membrana Grana lamele Stroma Notranja membrana Tilakoida Lumen tilakoide Granum Stroma lamela

notranja membrana lumen tilakoide zunanja membrana stroma grana tilakoide stroma tilakoide

svetloba fotokemične reakcija - tilakoidana membrana kloroplasta biokemične reakcija - stroma kloroplasta kisik sladkor svetloba sladkor voda kisik Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2004/05

SVETLOBNE REKACIJE (tilakoidna membrana) TEMOTNE REAKCIJE (stroma kloroplasta) Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2004/05

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

šibek reducent močan oksidant Elektronska transportna veriga močan reducent šibek oksidant Redoks potencial oksidirajoč reducirajoč rdeča svetloba dolgovalovna rdeča svetloba

svetloba svetloba karotenoidi klorofil b klorofil a antenski kompleks zmanjševanje energije reakcijski center reakcijski center Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2004/05

linearni (neciklični elektronski transport) ciklični elektronski transport svetloba citokrom b6f kompleks svetloba FOTOSISTEM II FOTOSISTEM I

sladkor voda kisik Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2004/05

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

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 +

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

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

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

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

Meritve fotosinteze I. Meritve izmenjave plinov Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2004/05

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

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)

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

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

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

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 zarku (mol CO 2 mol -1 zraka u = ui + 0 se a = u i ( c c ) i s 0 E c0

Različne izvedbe merilnih kivet za merjenje fotosinteze

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

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

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

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 20 15 10 5 0-5 E-K E-S J-K J-S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 ura Helena Šircelj, doktorska disertacija, 2001

CAM metabolizem

16.000 vrst rastlin, 33 družin CAM metabolizem

porometer CAM metabolizem

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 ]

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 )

Različna sposobno sončnih in senčnih klonov zlate rozge (Solidago virgaurea) za prilagoditev na svetlobo velike jakosti. Oba klona so gojili bodisi pri šibki ali močni svetlobi, ter nato izmerili svetlobne krivulje. Senčni kloni so se neuspešno adaptirali na močno svetlobo. sončna rastlina senčna rastlina fotosinteza (μmol CO 2 m -2 s -1 ) močna svetloba šibka svetloba šibka svetloba močna svetloba jakost svetlobe (µmol m -2 s -1 )

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 )

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 3 12,00 BRIČKA - Pohorje, 2002 8 11 10,00 18 8,00 22 6,00 23 25 4,00 31 2,00 37 44 0,00 47-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400-2,00 PFD (μmol m -2 s -1 )

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)

AC i - krivulja asimilacija CO 2 (μmol m -2 s -1 ) C 4 rastline C 3 rastline CO 2 (C i ) CO 2 koncentracija CO 2 v listu, C i (Pa)

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

C 4 metabolizem

Atmosfera [ CO 2 ] 360 µl l -1 Celica mezofila [ CO 2 ] 100 µl l -1 Celica žilnega ovoja [ CO 2 ] 1000-2000 µl l -1

- Echinochloa crus-galli - 25 Net-photosynthesis (umol CO2 m -2 s -1 ) 20 15 10 5 0-5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Ci (umol CO 2 mol -1 ) nf_1 model_1 nf_2 model_2 nf_3 model_3

30 25 20 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 ) 10 5 0-5 -10 30 25 20 15 10 5 0-5 -10 30 25 20 Plot 4 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 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 ] 30 25 20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 f(x) = -8,07+28,68*(1-exp(-0,0023*x)) f(x) = -1,425*10-5 +x r 2 = 0,97 15 10 5 0-5 -10-10 -5 0 5 10 15 20 25 predicted 30 f(x) = -1,32*10-6 +x 25 r 2 = 0,96 20 15 10 5 0-5 -10-10 -5 0 5 10 15 20 25 predicted 0.4 % 3 % Significant differences: A 2000, A 700, A 350 carboxylation efficiency CO 2 compensation point 15 10 5 0-5 -10 Plot 2 CO 2 - exchange [µmol CO 2 m -2 s -1 ] 30 25 20 15 10 5 0-5 -10 f(x) = -6,46*10-6 +x r 2 = 0,93-10 -5 0 5 10 15 20 25 predicted 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 24 % Ci [µmol CO 2 mol -1 ] Ci ( µmol mol -1 )

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

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).

Fotosinteza - sezonski aspekt PAR 1500 µmol m -2 s -1 CO 2 2000 µmol mol -1 Fotosinteza - Jablana cv. 'Zlati Delišes' Fotosintetska kapaciteta (umol m -2 s -1 ) 40 30 20 10 0 15-sept 25-sept 5-okt 15-okt 25-okt čas

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

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 ) 40 30 20 10 0 kontrolapolna kontrolaobrana pk-polna pk-obrana Obravnavanje Veberič, Štampar & Vodnik, Gartenbauwissenschaft, 3, 2002

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)

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

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

Kisikova elektroda

Meritve fotosinteze in dihanja skorje pri jablani vpliv starosti 15 10 izmenjava O 2 (µmol m -2 so -1 ) 2 [µmol m -2 s -1 ] 5 0-5 -10 1 2 3 4 5 6 letnik fotosinteza fs dihanje Kotar in sod., 2003

Meritve fotosinteze II. Meritve fluorescence Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2004/05

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

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

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 rekcijski centri po ca 1s se začne fluorescentni signal zmanjševati - dušenje fluorescence Razlaga: i) zaradi aktivacije fotosinteze se e- učinkovito transportirajo stran od PSII - fotokemično dušenje ii) energija se izgublja v obliki toplote - nefotokemično dušenje

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

Kumare - meritve fluorescence 17.8.00 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

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10:20 11:49 12:40 13:51 14:56 16:00 16:54 17:52 18:54 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -10 PAR (umol m -2 s -1 ) Fotosinteza (umol CO2 m -2 s -1 ), Transpiracija (mmol m -2 s -1 ), Temp. (C) PAR Tlista transpiracija stomatalna prevodnost fotosinteza

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

Hkratno merjenje fluorescence in izmenjave plinov

Meritve fotosinteze III. Diskriminacijska analiza Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin 2005/06

Diskrimicaijska analiza Atmosferski CO 2 : 12 C (98.9 %) 13 C (1.1 %) 14 C (10-10 %) zaradi razlike v masi izotopov (2.3%) koristijo rastline manjši delež težjega ogljika ( 13 CO 2 ) kot lažjega ( 12 CO 2 ), diskriminirajo proti 13 C. Zaradi tega imajo rastlinska tkiva v primerjavi z zrakom manjše razmerje med 13 C in 12 C R = 13 12 CO CO 2 2

Izotopska sestava rastlin δ 13 C, izražena v promilih: fosilni belemnit; Pee Dee apnenčaste formacije, J. Karolina (0.01118) Tako C 3 kot C 4 rastline imajo negativne vrednosti δ 13 C. Rastlinsko tkivo vsebuje manj 13 C kot standard, kar pomeni da diskriminira proti 13 C v procesu fotosintezne asimilacije ogljika. Izotopska diskriminacija je izračunana upoštevajoč izotopsko razmerje zraka

Diskrimicaijska analiza - tipi fotosinteze RUBISCO PEP-karboksilaza Rubisco diskriminira veliko močneje proti 13 C kot PEP-karboksilaza, zato imajo C 4 ratsline manj negativno vrednost δ 13 C. δ 13 C = -28 o / oo C 3 δ 13 C = -9 o / oo C 4 δ 13 C vrednost CAM rastlin variira glede na funkcionalni tip. δ 13 C = -23 to -36 o / oo (povp. -27 o / oo ) δ 13 C = -10 to -18 o / oo (povp. -13 o / oo )

Filogenetski funkcionalni tipi CAM metabolizma pri rodu Aeonium večja kot je stopnja sukulentnosti (sposobnost kopičenja vode), večji je delež fiksacije CO 2 v temi v 24-urnem obdobju črno = sprejem CO 2 ponoči Pikčasto = sprejem CO 2 podnevi

Filogenetski funkcionalni tipi CAM metabolizma pri rodu Aeonium Večji kot je delež nočne fiksacije CO 2 v 24-urnem obdobju, manj negativna je vrednost δ 13 C.

Diskrimicaijska analiza in učinkovitost izrabe vode Za rastline s C 3 tipom fotosinteze, so ogljikova izotopska razmerja z izmenjavo CO 2, ki jo vrši list z atmosfero povezana na naslednji način: δ 13 C rastlina = δ 13 C zrak a ( b a) c c i a δ 13 C zrak = -8 %o c i, c a a = 4.4 %o koncentracija CO 2 v intercelularju lista (i) in zraku, atmosferi zunaj lista (a) frakcionacija povezana z razlikami v difuzivnosti 13 CO 2 in 12 CO 2 skozi l. reže b = 27 %o frakcionacija, ki jo vrši Rubisco ob vezavi CO 2