Fotosinteza, meritve fotosinteze - bf.uni-lj.si · peroksisom Fotorespiracija - svetlobno dihanje kloroplast. 5C +1C 2 x 3C 2C 3C 2C 2C-1C 3C 3C. C 4 metabolizem. Celica mezofila

Fotosinteza, meritve fotosinteze

Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

redukcija

oksidacija



CO2

H2O


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


Zunanja membrana

Notranja membranaStroma lamele

Tilakoide

Grana lamele

Notranja membranaStroma

Tilakoida

Lumen tilakoide Stroma

lamela

KLOROPLAST

Granum



notranjamembrana

zunanjamembrana

stromastroma

tilakoidegrana

tilakoide

lumen tilakoide

fotokemičnereakcija -

tilakoidanamembranakloroplasta

biokemičnereakcija -stroma

kloroplasta

svetloba

svetloba

kisiksladkor

sladkor

vodakisik



reducent(NADPH)e-

H2OO2 + H+

H+

H+

H+

H+H+

ADP +P

energijaATP

H+

lumen

tilakoida

stroma


Red

oks

pote

ncia

lok

sidi

rajoč

redu

cira

joč

Elektronska transportna veriga

rdeč

asv

etlo

ba

dolg

oval

ovna

rdeč

asv

etlo

ba


karotenoidi

klorofil b

klorofil a

antenskikompleks

reakcijskicenter reakcijski

center

svetlobasvetloba

zman

j še v

a nje

e ne r

gije


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


Fotosistem II Fotosistem I

Kompleks, ki sprošča kisik

Citokrom b6fkompleks

svetloba

svetloba

svetloba

svetloba

FOTOSISTEM II FOTOSISTEM I

citokromb6f kompleks

linearni (neciklični elektronski transport)ciklični elektronski transport


sladkor

vodakisik


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


V intaktnem listu so za optimalno fotosintezo na presnovnem nivoju pomembni trije dejavniki

aktivnost encima Rubiscoregeneracija ribuloze bifosfata (RuBP)metabolizem trioze fosfata (TPU)


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+


fosfogligolat

3-fosfoglicerathidroperoksidni

intermediat

oksigenacija

enediolatniintermediat

ribuloze-1,5- bifosfat

peroksisom

Fotorespiracija - svetlobno dihanje

kloroplast

5C+1C

2 x 3C

5C

2C

3C

2C

2C- 1C

3C3C

C4 metabolizem

Celica mezofila[ CO2 ] ≈ 100 µl l -1

Celica žilnega ovoja[ CO2 ] ≈ 1000-2000 µl l -1

Atmosfera[ CO2 ] ≈ 360 µl l -1

CAM metabolizem

16.000 vrst rastlin, 33 družin

Meritve fotosinteze –I. Meritve izmenjave plinov


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

Fotosinteza

+ Dihanje+ Svetlobno dihanje

Dihanje

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

−−

=


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 −−

=


Različne izvedbe merilnih kivet za merjenje fotosinteze


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


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

http://images.google.com/imgres?imgurl=homepage.mac.com/glyndavies/apple.jpg&imgrefurl=http://homepage.mac.com/glyndavies/illustration.html&h=364&w=360&sz=30&tbnid=sRd5xYY64mUJ:&tbnh=116&tbnw=115&prev=/images%3Fq%3Dapple%26hl%3Dsl%26lr%3D%26ie%3DUTF-8%26oe%3DUTF-8

Dnevni potek fotosinteze

6:00 6:0018:00 18:00

neto

CO

2as

imila

cija oblaki

oblaki

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’

CAM metabolizem

CAM metabolizem

porometer

http://www.ppsystems.com/graphics/IRGA/PMR4.jpg

Kontrola svetlobe in temperature

Kontrola vlažnosti zraka in [CO2] v

zraku

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


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


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


mineralna hranila


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



mineralna hranila


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


mineralna hranila


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

Kisikova elektroda

Kisikova elektroda

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

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 fotosinteze –II. Meritve fluorescence


reducent(NADPH)e-

H2OO2 + H+

H+

H+

H+

H+H+

ADP +P

energijaATP

H+

lumen

tilakoida

stroma


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


reducent(NADPH)e-

lumen

stroma

tilakoida

FOTOKEMIČNO DELO

FLUORESCENCA

TOPLOTA

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


Fotosistem II Fotosistem I

Kompleks, ki sprošča kisik

Citokrom b6fkompleks

svetloba

svetloba

reducent(NADPH)

lumen

stroma

tilakoida

FOTOKEMIČNO DELO = 0

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

reducent(NADPH)e-

lumen

stroma

tilakoida

FOTOKEMIČNO DELO

FLUORESCENCA

TOPLOTA

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

Svetlobne krivulje, izmerjene s plinskim analizatorjem

Svetlobne krivulje, izmerjene s fluorometrom

Documents

Fotosinteza, meritve fotosinteze - bf.uni-lj.si · peroksisom Fotorespiracija - svetlobno dihanje kloroplast. 5C +1C 2 x 3C 2C 3C 2C 2C-1C 3C 3C. C 4 metabolizem. Celica mezofila