fotosinteza, meritve fotosinteze - bf.uni-lj.si · peroksisom fotorespiracija - svetlobno dihanje...
TRANSCRIPT
Učinkovitost izrabe vode (water use efficiency)
Fotosintezna učinkovitost izrabe vode (WUEPh)
Produkcijska učinkovitost izrabe vode (WUEP)
]s m OH mmol / s m CO μmol [ ijatranspiracafotosintez
= WUE 1-2-2
1-2-2Ph
O]H kg DM g [ vode poraba
snov) suha (org. biomase aproizvodnj = WUE 2
1-P
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
Zunanja membrana
Notranja membranaStroma lamele
Tilakoide
Grana lamele
Notranja membranaStroma
Tilakoida
Lumen tilakoide Stroma
lamela
KLOROPLAST
Granum
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
fotokemičnereakcija -
tilakoidanamembranakloroplasta
biokemičnereakcija -stroma
kloroplasta
svetloba
svetloba
kisiksladkor
sladkor
vodakisik
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
reducent(NADPH)e-
H2OO2 + H+
H+
H+
H+
H+H+
ADP +P
energijaATP
H+
lumen
tilakoida
stroma
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
Red
oks
pote
ncia
lok
sidi
rajoč
redu
cira
joč
Elektronska transportna veriga
rdeč
asv
etlo
ba
dolg
oval
ovna
rdeč
asv
etlo
ba
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
karotenoidi
klorofil b
klorofil a
antenskikompleks
reakcijskicenter reakcijski
center
svetlobasvetloba
zman
j še v
a nje
e ne r
gije
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
Red
oks
pote
ncia
lok
sidi
rajoč
redu
cira
joč
Elektronska transportna veriga
šibek reducent
močan oksidant
močan reducent
šibek oksidant
rdeč
asv
etlo
ba
dolg
oval
ovna
rdeč
asv
etlo
ba
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
svetloba
svetloba
FOTOSISTEM II FOTOSISTEM I
citokromb6f kompleks
linearni (neciklični elektronski transport)ciklični elektronski transport
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
KARBOKSILACIJA
REDUKCIJA
REGENERACIJA
ribuloze1,5 bifosfat
(3x)
3-PGA = 3-fosfogliceratGAP = gliceraldehid-3-fosfat
Calvin-ov cikel= reduktivni cikelpentoze fosfata
RUBISCO
RUBISCO = ribuloze bifosfat karboksilaza / oksigenaza
substrat: ribuloze-1,5-bifosfatreakcija:
i) karboksilacija
CO2 H2OKARBOKSILACIJA
RUBISCO
ribuloze-1,5-bifosfat
2-karboksi-3-ketoarabinitol-1,5-biofosfat
3-fosfoglicerat
2 x
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
V intaktnem listu so za optimalno fotosintezo na presnovnem nivoju pomembni trije dejavniki
aktivnost encima Rubiscoregeneracija ribuloze bifosfata (RuBP)metabolizem trioze fosfata (TPU)
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
Stroma kloroplasta
Citoplazma
Sladkor(trioza)
Calvinovcikel
Škrob (primarni ali asimilacijski)
Sladkor(trioza)
Sladkor(trioza)
Pi
Pi
Saharoza
Transport (floem)
Poraba v celici
RUBISCO = ribuloze bifosfat karboksilaza / oksigenaza
substrat: ribuloze-1,5-bifosfat.reakcija:
i) karboksilacija
Ribuloze-1,5-bifosfat + CO2 → 2 x 3-fosfoglicerat
ii) oksigenacija (fotorespiracija)Ribuloze-1,5-bifosfat + O2 → 2-fosfoglikolat + 3-fosfoglicerat + 2H+
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
fosfogligolat
3-fosfoglicerathidroperoksidni
intermediat
oksigenacija
enediolatniintermediat
ribuloze-1,5- bifosfat
peroksisom
Fotorespiracija - svetlobno dihanje
kloroplast
Celica mezofila[ CO2 ] ≈ 100 µl l -1
Celica žilnega ovoja[ CO2 ] ≈ 1000-2000 µl l -1
Atmosfera[ CO2 ] ≈ 360 µl l -1
Meritve fotosinteze
Meritve porabe CO2
kemijske metodeizotopske metodemeritve absorpcije v IR spektru
Meritve nastajanja O2
kemijske metode (npr. titracija po Winkler-ju)kisikova elektroda
CO2 + H2O → sladkor + O2
SVETLOBNE REAKCIJE(tilakoidna membrana)
TEMOTNE REAKCIJE(stroma kloroplasta)
DIHANJE (RESPIRACIJA)(mitohondrij)
SVETLOBNO DIHANJE –FOTORESPIRACIJA)
(kloroplast, peroksisom, mitohondrij)
O2 CO2
Δ O2 Δ CO2
Molekuli vode in ogljikovega dioksida absorbirata svetlobo v infrardečem delu spektra – to lahko uporabimo za
kvantitativno detekcijo obeh molekul
FOTOSINTEZATRANSPIRACIJA
STOMATALNA PREVODNOST
referenčna [CO2][H2O]
vzorčna [CO2] [H2O] Δ [CO2]
Δ [H2O]
KONTROLA SVETLOBE in
TEMPERATURE
KONTROLA [CO2], RH
IRGA – infra-rdeči plinski analizator
s površina lista (m2)a asimilacija CO2 (mol CO2 m-2 s-1)E transpiracija (mol CO2 m-2 s-1)ui, uo hitrost vstopnega in izstopnega toka zraka (mol s-1)ci, co molski delež ogljikovega dioksida v zraku (mol CO2 mol-1 zraka)wi, wo molski delež vode v zraku (mol H2O mol-1 zraka)
Transpiracija (E) in fotosinteza (a) spremenita koncentraciji vode in CO2zraka, ke prehaja komoro. Zaradi transpiracije se poveča tudi hitrost toka zraka (uo).
ii wuwuEs −= 00
)zraka mol OH (mol vode delez molski,)s (mol toka izstopnega in vstopnega hitrost,
)s m (molijatranspirac)(m lista površina
1-20
1-0
1-2-
-2
ww
uuEs
i
i
Esuu i +=0
( )( )0
0
1 wswwuE ii
−−
=
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
00 cucuas ii −= s površina lista (m2) a asimilacija CO2 (mol CO2 m-2 s-1) ui, uo hitrost vstopnega in izstopnega toka zraka (mol s-1) ci, co molski delež ogljikovega dioksida v zraku (mol CO2 mol-1 zraka)
Esuu i +=0
( )0
0 cEs
ccua ii −−
=
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
Različne izvedbe merilnih kivet za merjenje fotosinteze
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
Kaj meriti ? Kako meriti ?
merjenje dnevnih potekovmerjenje ob kontroliranih okoljskih dejavnikihmoduliranje posameznega dejavnika ali večdejavnikov hkrati
merjenje posameznega lista (kateri list in koliko listov izbrati?)merjenje veje, poganjkamerjenje cele rastline
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
okoljski dejavniki:svetloba, CO2, voda,
mineralna hranila
+ notranji dejavniki
kont
rola
oz.
mod
ulira
nje
teh
deja
vnik
ov o
b m
eritv
ah iz
men
jave
plin
ov
fotosinteza
Dnevni potek fotosinteze pri jablani ‘Elstar’ (E) in ‘Jonagold’ (J), za drevesa v sušnem stresu (S) in kontrolna drevesa (K)
-505
101520
9 10 11 12 13 14 15 16 17
PnE-K E-S J-K J-S
neto
-foto
s in t
eza
[ µm
o l C
O2
m-2
s- 1]
ura
Helena Šircelj, doktorska disertacija, 2001
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
7:40 10:04 12:28 14:52 17:16 19:40
Time [h:mm]
Stom
atal
con
duct
ance
[m
ol H
2 O m
-2 s
-1]
resistant clone
sensitive clonePoly. (sensitive clone)
Poly. (resistant clone)
Veberič Simon, dipl.delo
Trifolium repens ‘Regal’
Svetlobna odvisnost fotosinteze
PFD, jakost svetlobe [µmol m-2 s-1]
neto
-foto
sint
eza
[µm
ol C
O2
m-2
s-1 ]
dihanje v temi
svetlobna kompenzacijska točka(sproščanje CO2 = poraba CO2)
omejitveni d. je svetloba
omejitveni d. je ogljikov dioksid
saturacija
jakost svetlobe (μmol m-2 s-1)
foto
sint
eza
(μm
ol C
O2
m-2
s-1)
senčni list (rast pri 92 μmol m-2 s-1)
sončni list (rast pri 920 μmol m-2 s-1)
Svetlobna odvisnost fotosinteze - primer
kronična fotoinhibicija(velik presežek svetlobe)
dinamična fotoinhibicija(zmeren presežek svetlobe)
optimalna fotosinteza
absorbirana svetloba (μmol m-2 s-1)
foto
sint
eza
( μm
ol m
-2s-1
)
FotoinhibicijaFotoinhibicija = zmanjšanje fotosintetske aktivnosti zaradi negativnih vplivov premočne svetlobe na fotosintetski aparat.
-2,00
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
PFD (μmol m-2 s-1)
Net
o fo
tosi
ntez
a (μ
mol
CO
2 m
-2 s
-1)
138111822232531374447
Fagus sylvatica
BRIČKA - Pohorje, 2002
Svetlobna odvisnost fotosinteze – primer svetlobno različno adaptiranih mladih dreves bukve v starejšem sestoju smreke
CO2 kompenzacijska točka
C3 rastline
C4 rastline
atmosferska koncentracija CO2, Ca (Pa)
asim
ilaci
jaC
O2
(μm
ol m
-2s-
1 )
Odvisnost fotosinteze od koncentracije CO2
Shema prikazuje pretok zraka, kontrolo vlage in konc. CO2, pretoka in namestitev ref. in anal. analizatorjev IRGA v merilnem sistemu LI-6400
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
koncentracija CO2 v listu, Ci (Pa)
asim
ilaci
jaC
O2
(μm
ol m
-2s-
1 )
C3 rastline
C4 rastline
ACi - krivulja
CO2 (Ca)
CO2 (Ci)
lai g
ACC −=
V intaktnem listu so za optimalno fotosintezo na metaboličnem nivoju pomembni trije dejavniki
aktivnost encima Rubiscoregeneracija ribuloze bifosfata (RuBP)metabolizem trioze fosfata (TPU)
Long in Bernacchi, 2003
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
V intaktnem listu so za optimalno fotosintezo na metaboličnem nivoju pomembni trije dejavniki
1. aktivnost encima Rubisco2. regeneracija ribuloze bifosfata (RuBP)3. metabolizem trioze fosfata
V naravnih razmerah sta posebej ključna prva dva procesa (Tabela prikazuje vpliv svetlobe in CO2 nanju).
-5
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Ci (umol CO2 mol-1)
Net
-pho
tosy
nthe
sis
(um
ol C
O2 m
-2s-1
)
nf_1 model_1 nf_2 model_2 nf_3 model_3
- Echinochloa crus-galli -
Plot 20 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30f(x) = -8,07+28,68*(1-exp(-0,0023*x))
Plot 7
Ci [µmol CO2 mol-1]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-10
-5
0
5
10
15
20
25
30f(x) = -4,71+25,39*(1-exp(0,0022)*x))
predicted-10 -5 0 5 10 15 20 25
-10-505
1015202530
f(x) = -6,46*10-6+xr2 = 0,93
Plot 4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-10
-5
0
5
10
15
20
25
30f(x) = -3,72+26,77*(1-exp(-0,0042*x))
predicted-10 -5 0 5 10 15 20 25
-10-505
1015202530
CO
2- exc
hang
e [µ
mol
CO
2 m-2
s-1
]
f(x) = -1,425*10-5+xr2 = 0,97
predicted-10 -5 0 5 10 15 20 25
-10-505
1015202530 f(x) = -1,32*10-6+x
r2 = 0,96
CO
2- exc
hang
e [µ
mol
CO
2 m-2
s-1
]C
O2- e
xcha
nge
[µm
ol C
O2 m
-2 s
-1]
Ci ( µmol mol-1)
CO
2ex
chan
ge (
µm
ol C
O2
m-2
s-1)
soil CO2
0.4 %
24 %
3 %
- Phleum pratense -
Significant differences:
• A2000, A700, A350
• carboxylation efficiency • CO2 compensation point
Odvisnost netofotosinteze odpornih in občutljivih klonov plazeče detelje (Trifolium repens‘Regal’) od intercelularne koncentracije CO2 (Ci) za 17. dec. 2001 (rastlinjak).
-8
2
12
22
32
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Ci (µl l-1)
neto
foto
sint
eza
(µm
ol C
O 2 m
-2 s-1
)
model za odporne klone
model za občutljive klone
netofotosinteza odpornihklonovnetofotosinteza občutljivihklonov
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
PAR = 1500 μmol m-2s-1
okoljski dejavniki:svetloba, CO2, voda,
mineralna hranila
+ notranji dejavniki
kont
rola
oz.
mod
ulira
nje
teh
deja
vnik
ov o
b m
eritv
ah iz
men
jave
plin
ov
fotosinteza
Fotosinteza listov jablane ‘Fuji’/M26 – prikazana je odvisnost fotosinteze od koncentracije CO2 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
Intercelularna koncentracija CO2 (ppm)
Asi
mila
cija
CO
2
Učinkovitost izrabe dušika (nitrogen use efficiency)
Fotosintezna učinkovitost izrabe dušika (NUEPh)
]m N mmol / s m CO μmol [ lista površino na N vsebnost
afotosintez = NUE 2-1-2-
2Ph
Produkcijska učinkovitost izrabe dušika (NUEP)
] N kg DM g [ dušik vgrajeni
snov) suha (org. biomase aproizvodnj = NUE 1-
P
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
okoljski dejavniki:svetloba, CO2, voda,
mineralna hranila
+ notranji dejavniki
kont
rola
oz.
mod
ulira
nje
teh
deja
vnik
ov o
b m
eritv
ah iz
men
jave
plin
ov
fotosinteza
Fotosinteza - Jablana cv. 'Zlati Delišes'
0
10
20
30
40
15-sept 25-sept 5-okt 15-okt 25-okt
čas
Foto
sint
etsk
a ka
paci
teta
(u
mol
m-2 s
-1)
Fotosinteza - sezonski aspekt
PAR 1500 µmol m-2 s-1
CO2 2000 µmol mol-1
okoljski dejavniki:svetloba, CO2, voda,
mineralna hranila
+ notranji dejavniki
kont
rola
oz.
mod
ulira
nje
teh
deja
vnik
ov o
b m
eritv
ah iz
men
jave
plin
ov
fotosinteza
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 - jablana cv. 'Zlati Delišes'
0
10
20
30
40
kontrola-polna
kontrola-obrana
pk-polna pk-obrana
Obravnavanje
Foto
sint
etsk
a ka
paci
teta
(um
ol m
-2 s
-1)
Veberič, Štampar & Vodnik, Gartenbauwissenschaft, 3, 2002
Fotosinteza listov polnih in obranih dreves jablane ‘Zlati delišes’, foliarno gnojenih ali negnojenih s PK pripravkom
SVETLOBNE REAKCIJE(tilakoidna membrana)
TEMOTNE REAKCIJE(stroma kloroplasta)
DIHANJE (RESPIRACIJA)(mitohondrij)
SVETLOBNO DIHANJE –FOTORESPIRACIJA)
(kloroplast, peroksisom, mitohondrij)
O2 CO2
Δ O2 Δ CO2
katoda (Pt)
anoda (Ag)
papir
O2
membrana
raztopina elektrolita
Kisikova elektroda
Pt-katoda
Ag-anoda O-ring
plast. osnova
zaporni vijak
voda (term. kopel) voda (term. kopel)
reakcijski medij
magnetno mešalo
raztopina KCl
anoda (Ag)
teflonska membrana
katoda (Pt)
zapiralni obroč
Kisikova elektroda
Meritve fotosinteze in dihanja skorje pri jablani – vpliv starosti
Kotar in sod., 2003
-10
-5
0
5
10
15
O2 (µmol m-2 s-1)
1 2 3 4 5 6
letnik
fs dihfotosinteza dihanje
izmenjava O2[µmol m-2 s-1]
Meritve fluorescence
fotokemično delo P (fotokemično dušenje)toplota D (nefotokemično dušenje)fluorescenca F
P + D + F = 1
e-P 680
Chl a*oddajanje toplote fluorescenca
svetloba
Z QAe-e-
fotokemično delo
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
Meritve fluorescence - Kautsky-ev efekt
Če prenesemo zeleno rastlino iz teme na svetlobo, se v času1 sekunde poveča fluorescentni signalRazlaga:
zasičenost prenašalcev elektrona predvsem kinonov (QA) - zaprtireakcijski centri
Po ca 1s se začne fluorescentni signal zmanjševati - dušenjefluorescenceRazlaga:
zaradi aktivacije fotosinteze se e- učinkovito transportirajo stranod PSII - fotokemično dušenjeenergija se izgublja v obliki toplote - nefotokemično dušenje
Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin
osnovna fluorescenca temotno adaptiranega vzorca
saturacijski pulz
potencialna učinkovitost PSIIFv/Fm = (Fm -F0) / Fm
Meritve fluorescence – metoda saturacijskega pulza
Saturacijski svetlobni pulzΦII = P = 0
Fm + Dm = 1 ali Dm = 1 – Fm (1)
ker je D/F = Dm/Fm
D = F (1-Fm)/Fm (2)
s kombinacijo (2) in P + F + D = 1 dobimo
P = 1 – F – D = 1- F - F (1-Fm)/Fm = (Fm – F)/Fm = Fv/Fm
potencialna učinkovitost PSIIFv/Fm = (Fm -F0) / Fm
dejanska učinkovitost PSIIΦPSII = (Fm’ -Ft) / Fm (yield)
Parametri fotokemičnega dušenja
ΦPSII kvantna učinkovitost PSII (Fm’-Ft) / Fm’qP delež odprtih PSII (Fm’- Ft) / (Fm’- F0’)Fv/Fm potencialna učinkovitost PSII (Fm -F0) / Fm
J hitrost linearnega toka e- J = ΦPSII * PFD *(0.5)
Parametri nefotokemičnega dušenja
NPQ nefotokemično dusenje (Fm0’-Fm’) / Fm’
Kumare - meritve fluorescence 17.8.00
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00
čas
Fv /
Fm
ABCDE