Teoretický úvod
FOTOSYNTÉZA •
DÝCHÁNÍ •
ASIMILÁTY
Praktikum fyziologie rostlin
FOTOSYNTÉZA, DÝCHÁNÍ, ASIMILÁTY Fotosyntéza je komplexní proces, v n mž je energie slune ního zá ení absorbována fotosyntetickými pigmenty (chlorofyly a karotenoidy) a p em ována v energii chemických makroergických vazeb v ATP, která slouží k zabudování CO2 do organických slou enin. P i necyklickém p enosu elektronu vzniká vedle ATP i druhý faktor nezbytný pro asimilaci CO2, reduk ní agens - NADPH (viz téma Barviva obr.2).
Z faktor daných rostlinou samou je to p edevším genotyp a fyziologický stav (nap . v k). Z faktor
vn jšího
prost edí je to množství dopadající energie
v
oblasti
ú inného
zá ení
fotosynteticky teplota,
fotosynteticky (FAR
aktivní
dostupnost
=
radiace),
CO2
všech
Obr. 1.
rostlin
asimilován v Calvinov
koncentrace CO2 (µ µl.l-1)
(obr.1),
vody a minerálních látek. U
PN (CO2 µ mol.m-2.s-1)
Fotosyntézu ovliv uje mnoho faktor .
je
CO2
Vliv koncentrace CO2 na istou fotosyntézu mladých pln vyvinutých list cukrové epy p i r zných ozá enostech (teplota 22°C)
(C3) cyklu (viz. Box 1). Za katalýzy enzymem Rubisco (ribulóza-1,5bisfosfátkarbo-xyláza/oxygenáza) ribulóza-1,5-bisfosfát.
Vzniká
je
CO2
nestálý
vázán
na
šestiuhlíkatý
meziprodukt, který se spontánn hydrolyzuje na 2 molekuly 3-fosfoglyce-rátu (látka se 3 atomy C), který je za použití produkt
primární fáze fotosyntézy ATP a NADPH
redukován na sacharidy se 3 atomy C. Ty slouží k syntéze dalších sacharid , v etn mezofylové bu ky
op tovné tvorby ribulóza-1,5-
bisfosfátu. Rostliny C3 (pšenice, je men, oves, hrách) bu ky pochev cévních svazk
Obr. 2.
Schéma listu C4 rostliny
(p evzato z Taiz a Zeiger 2002)
vážou CO2 jen touto cestou. Rostliny C4 (kuku ice, proso, cukrová t tina, ananas) vážou CO2 nejprve na fosfoenolpyruvát (PEP) za vzniku oxalacetátu - produktu se 4 atomy uhlíku. Tato reakce je katalyzována enzymem PEP-
karboxylázou (fosfoenolpyruvátkarboxyláza) a probíhá v bu kách mezofylu. N které rostliny 2
redukují oxalacetát na malát (v chloroplastech) jiné ho transaminují na aspartát (v cytosolu). Malát nebo aspartát jsou transportovány do bun k pochev cévních svazk (specifická struktura C4 rostlin), kde jsou dekarboxylovány (schéma listu C4 rostliny viz. obr. 2). Uvoln ný CO2 je dále fixován C3 cestou. Vedle CO2 vzniká pyruvát, který je transportován zp t do mezofylu a slouží k p em n na PEP. Tak se uzavírá cyklus zvaný Hatch v – Slack v – Kortschak v.
Box 1: Rostliny C3 - schéma Calvinova cyklu a fotorespirace Produkty primární fáze fotosyntézy – NADPH a ATP jsou v sekundární fázi fotosyntézy použity p edevším k redukci kyseliny 3-P-glycerové (3-fosfoglycerátu, 3-PGA) na monosacharidy se 3 atomy C – triózy. Z hlediska toku energie, jejího uložení do stabilních chemických vazeb a její využitelnosti pro další životní d je je tato reakce jednou z nejvýznamn jších reakcí na naší planet . Kyselina 3-P-glycerová vzniká v rostlin n kolika cestami. Její vznik p i fixaci CO2 lze považovat za nejd ležit jší, nebo vede ke zvýšení množství organicky vázaného uhlíku. Vznik kyseliny 3-P-glycerové prob hne v n kolika fázích. V první fázi je CO2 navázán na organický substrát, fosforylovaný monosacharid s 5 atomy C, ribulóza-1,5-bisfosfát. Reakce je katalyzována enzymem, jehož celé jméno je ribulóza-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza, zkrácen je tento enzym ozna ován jako Rubisco. Rubisco katalyzuje navázání CO2 na ribulóza1,5-bisfosfát, vzniká nestálý meziprodukt o 6 atomech C, který se neprodlen hydrolyzuje na 2 molekuly kyseliny 3-P-glycerové (3-PGA). Redukce 3-PGA na triózu (aldehyd) probíhá ve dvou krocích. První krok je fosforylace atomu C v pozici 1, p i níž se spot ebuje 1 ATP a vzniká kyselina 1,3-bis-fosfo-glycerová (1,3-PGA). 3-PGA + ATP 1,3-PGA + ADP Tato kyselina je v dalším kroku redukována na 3-P-glyceraldehyd (3PGAld). P i redukci se spot ebuje NADPH a uvolní se anorganický fosfát Pi. Reakce je katalyzována izoenzymem 3-P-glyceraldehyd dehydrogenázou, který je specifický pro plastidy a k redukci m že použít jen NADPH. NADPH + 1,3-PGA 3-P-GAld + NADP+ + Pi Glyceraldehyd-3-P je izomerizován v ketonickou formu, vzniká dihydroxyacetonfosfát (DHAP). Reakce je katalyzována trióza-P izomerázou. Z 1 molekuly ribulóza-1,5-bisfosfátu a z 1 molekuly CO2 tak vzniknou 2 molekuly sacharid se 3 atomy C, k jejich vzniku se spot ebují 2 ATP a 2 NADPH, produkty sv telné fáze fotosyntézy.Vzniklé fosforylované triózy, p edevším však DHAP, jsou transportovány z chloroplastu do cytoplazmy a v tomto kompartmentu mohou vstoupit do r zných metabolických cest. Ur ité množství fosforylovaných trióz setrvává v chloroplastu. Slouží k regeneraci substrátu pro Rubisco, k vytvo ení energetické rezervy pro období tmy (škrob) i jako substráty pro další d ležité metabolity tvo ené v chloroplastu.
3
Asimilace CO2 pot ebuje stálou p ítomnost substrátu ribulóza-1,5-P2, v n mž je vázáno 5 atom C, 5/6 molekul vznikajícího fosfoglycerátu se podílí na regeneraci substrátu. Regenerace substrátu se uskute uje adou reakcí, které se souborn nazývají Calvin v cyklus, cyklus C3 nebo cyklus C3-CR. Melvin Calvin r.1950 objasnil asimilaci CO2. Ozna ení C3 vychází ze skute nosti, že první stálé produkty fixace CO2 mají 3 atomy C. CR zd raz uje, že se jedná v podstat o redukci CO2. Touto cestou asimilují CO2 všechny rostliny. Rostliny, které p i fotosyntéze fixují CO2 pouze v Calvinov cyklu (C3) se nazývají rostliny C3. Z 3-P-glyceraldehydu a dihydroxyacetonfosfátu vzniká fosforylovaná hexóza – fruktóza-1,6-P2, fosfát v pozici 1 je odšt pen a adicí další triózy (3-P-GAld) na tuto hexózu vzniká jedna molekula pentózy, xylulóza-5-P, a jedna molekula tetrózy, erytróza-4-P. Tetróza se váže s další molekulou trióza-P (DHAP), vzniklý produkt se sedmi atomy C, sedoheptulóza-1,7-P2, se po odšt pení fosfátu v pozici 1 váže s další molekulou trióza-P za vzniku dalších dvou pentóz - xylulóza-5-P a ribóza-5-P. Pentózy jsou dále p em n ny (izomerací a epimerací) na ribulóza-5-P. Tento produkt je fosforylován na substrát pro navázání další molekuly CO2. P i této fosforylaci se spot ebuje další ATP ze sv telné fáze fotosyntézy. Z 5 trióz tak vzniknou 3 pentózy. Ke vzniku 5 trióz je t eba 5 NADPH a 5 ATP, další 3 ATP se spot ebují na fosforylaci ribulóza-5-P v pozici 1 V Calvinov cyklu, který sp je k regeneraci substrátu pro Rubisco, vznikají meziprodukty, využitelné v metabolických cestách, které vedou ke vzniku jiných d ležitých látek. Z hexóz se v chloroplastu syntetizuje škrob (zvaný asimila ní, p echodný nebo tranzitorní), který slouží jako pohotová rezerva. Erytróza-4-P je využívána spolu s fosfoenolpyruvátem k tvorb aromatických aminokyselin (fenylalanin, tyrozin, tryptofan), nezbytných pro syntézu protein kódovaných v chloroplastech. Ribóza-5-P je využívána k tvorb nukleových kyselin. Rubisco má vedle karboxylázové aktivity také schopnost katalyzovat navázání kyslíku. Rubisco váže kyslík na stejné vazebné místo jako CO2 a na stejný substrát (karboxylace a oxygenace se tedy vzájemn vylu ují). Oxygenázová aktivita Rubisco navozuje jinou metabolickou cestu, která se nazývá fotorespirace. Po navázání kyslíku na ribulóza-1,5-bisfosfát vzniká nestálý meziprodukt s 5 stomy C, který se rozpadá na dva produkty: kyselinu 3-P-glycerovou, která má 3 atomy C a vstupuje do cyklu C3 a sacharidového metabolismu, a kyselinu 2-P-glykolovou, která má 2 atomy C. Proto je fotorespirace n kdy (mén asto) nazývána také oxida ní fotosyntetický cyklus C2 (C2-CO). Kyselina 2-P-glykolová je defosforylována, transportérem ve vnit ní membrán chloroplastu je p enesena do cytoplazmy, kde patrn difúzí vstupuje do jiné bun né organely, do peroxizómu. Peroxizómy k chloroplast m p iléhají nebo se vyskytují v jejich t sné blízkosti. V peroxizómu je glykolát oxidován na glyoxylát, p i emž se spot ebovává kyslík a vzniká peroxid vodíku. Peroxid vodíku je inaktivován p ítomnou katalázou, glyoxylát je transaminován na glycin. Glycin opouští peroxizóm. V cytoplazm m že být použit k syntéze protein nebo pokra uje v cyklu C2 a vstupuje do mitochondrie. V mitochondrii ze dvou molekul glycinu vzniká serin. P i této komplexní reakci se uvol uje CO2 a NH3 a vzniká NADH. V tomto komplexním d ji tak ze dvou molekul s 2 atomy C vzniká molekula se 3 atomy C. Serin opouští mitochondrii. V cytoplazm m že být zabudován do protein nebo se vrací do peroxizómu, kde je deaminován. Amonná skupina m že být použita k již známé tvorb glycinu z glyoxylátu. Deaminací vzniká hydroxypyruvát, který je redukován na glycerát. Glycerát je transportován do chloroplastu, kde je fosforylován na 3-P-glycerát. P i této reakci se spot ebuje 1 ATP. Vzniklý 3-P-glycerát vstupuje do Calvinova cyklu. V cyklu C2 se metabolismus sacharid stýká s metabolismem dusíku a vznikají bu kou využitelné aminokyseliny. Pokud prob hne cyklus celý, od erpá se energie ve form ATP, což m že být za situace, kdy je ATP více než je bu ka v dané chvíli schopna využít, pro bu ku prosp šné.
Box 2: Rostliny C4 - schéma malátové cesty Rostliny C4 fixují oxid uhli itý dvakrát. Fixaci v Calvinov cyklu (cyklus C3) p edchází fixace hydrogenuhli itanového aniontu HCO3- na fosfoenolpyruvát (PEP). Produkt fixace - kyselina oxaloctová (oxalacetát) – má 4 atomy C, proto se následující ada reakcí, vedoucí k regeneraci fosfoenolpyruvátu, ozna uje jako cyklus C4 a rostliny, které tento zp sob fixace provozují, se nazývají rostliny C4. Podle v dc , kte í našli tuto metabolickou cestu, se cyklus ozna uje také jako cyklus Hatch v – Slack v – Kortschak v. Fixace HCO3- na PEP probíhá v bu kách mezofylu, produkt se ty mi atomy C je transportován do bun k pochev cévních svazk , kde se CO2 uvolní a je znovu fixován enzymem Rubisco.Navázání HCO3- na PEP je katalyzováno enzymem fosfoenolpyruvát karboxylázou (PEP-karboxylázou), který je aktivován Mg2+, a probíhá v cytoplazm bun k listového mezofylu. PEP- karboxyláza má k HCO3- vysokou afinitu a efektivn ho váže i p i jeho velmi nízkých koncentracích. Reakce je vysoce exergonická a prakticky irreverzibilní. Na rozdíl od Rubisco, PEP-karboxyláza není schopna vázat kyslík. První reakce cyklu C4 - vznik oxalacetátu - je u všech rostlin C4 stejná. Dále jsou známy t i r zné metabolické cesty. R zné druhy rostlin C4 využívají r zné cesty. V mezofylu vzniká z oxalacetátu malát nebo aspartát. Tyto produkty jsou transportovány do bun k pochev cévních svazk . V metabolické variant , která je pokládána za nej ast jší, je oxalacetát v mezofylových bu kách transportován z cytoplazmy do chloroplast , kde je redukován na malát. K redukci je využito NADPH (produkt primární fáze fotosyntézy), reakce je katalyzována chloroplastovou NADP-specifickou
4
malátdehydrogenázou. Malát je z chloroplastu transportován do cytoplazmy mezofylové bu ky (antiport oxalacetát – malát) a dále do bu ky, která p iléhá k cévnímu svazku a spolu s dalšími bu kami tvo í jeho pochvu. Tyto bu ky k cévnímu svazku i k sob navzájem t sn p iléhají (mají minimum intercelulárních prostor ) a na stranách k mezofylu mají výrazn ztlustlé bun né st ny, impregnované suberinem. Bu ky mezofylu a bu ky pochev cévních svazk jsou propojeny etnými plasmodezmy. Bu ky pochvy tvo í výraznou, pro rostliny C4 charakteristickou v n itou strukturu (Kranz anatomy). V bu kách pochvy cévního svazku malát vstupuje do chloroplastu, kde je oxidativn dekarboxylován malát dehydrogenázou, která váže NADP (tzv. NADP-jable ný enzym). P i této reakci vzniká NADPH + H+, CO2 a pyruvát. Uvoln ný CO2 váže Rubisco na ribolóza-1,5-bisfosfát a dále probíhají reakce cyklu C3. K redukci 1,3-bisfosfoglycerátu se využívá NADPH, který vzniká p i oxidativní dekarboxylaci malátu. Malát tak vlastn p enáší reduk ní sílu z chloroplast mezofylových bun k do chloroplast bun k pochev cévních svazk , které tak mohou omezit vlastní produkci NADPH. Protože NADPH vzniká p i necyklickém p enosu elektronu membránou thylakoidu, kterého se ú astní fotosystém II lokalizovaný v granálních thylakoidech, je pochopitelné, že chloroplasty v bu kách pochev cévních svazk mají málo gran a charakterizují se jako agranální. Chloroplasty mezofylových bun k mají naopak grana výrazná a etná, jsou granální. Rozdílnost chloroplast v mezofylu a v pochvách cévních svazk je charakteristický rys rostlin C4 s touto metabolickou variantou. Také škrob se tvo í jen v chloroplastech bun k pochev cévních svazk . ATP, pot ebné k fosforylaci 3-P-glycerátu v pozici 1, v chloroplastech bun k pochev cévních svazk u t chto rostlin vzniká p edevším p i cyklickém p enosu elektronu. Množství NADPH, které je p inášeno malátem z mezofylu, je však pro množství 3-Pglycerátu vznikajícího v chloroplastech pochev nedostate né. ást 3-P-glycerátu (odhaduje se, že až 50%) je transportována do mezofylu, kde je v chloroplastech redukována na triózy. Tímto zp sobem se v bu kách pochev cévních svazk snižuje pot eba vlastní tvorby NADPH. Koncentrace CO2 v bu kách pochev cévních svazk je vysoká, oxydázová aktivita Rubisco se nerealizuje, fotorespirace prakticky neprobíhá. Pyruvát, vzniklý p i oxidativní dekarboxylaci malátu, je použit pro regeneraci PEP. Pyruvát je transportován zp t do chloroplast mezofylových bun k, kde je využit k tvorb PEP. Vznik PEP z pyruvátu je reakce energeticky velmi náro ná. Pyruvát reaguje s ATP za vzniku PEP, AMP a pyrofosfátu (PPi). AMP je dále fosforylován na ATP, k emuž je t eba dalších 2 ATP. Reakce je katalyzována specifickým enzymem pyruvát,fosfát dikinázou. Ve tm je aktivita tohoto enzymu aktivn inhibována. Vzniklý PEP je transportován do cytoplazmy. K rostlinám C4, které do pochev cévních svazk transportují malát, pat í nap . kuku ice, cukrová t tina, irok a Cyperus rotundus (obtížný plevel).
5
Mírou fotosyntézy je množství asimilovaného CO2. Sou asn s fotosyntetickou asimilací CO2 probíhají procesy v podstat opa ného charakteru, v nichž se CO2 uvol uje - respirace RD (dýchání) a fotorespirace RL (oxidace substrátu oxygenázovou aktivitou Rubisco – glykolátová cesta – C2 cyklus). Respirace zahrnuje procesy glykolýzy v cytosolu, Krebs v cyklus a transport elektronu vnit ní membránou v mitochondrii. CO2 se uvol uje v Krebsov cyklu. Celková (hrubá) fotosyntéza PG je t mito procesy snížena. Výsledné množství zabudovaného CO2 je istá fotosyntéza PN. Platí tedy: PG = PN + RD + RL Na sv tle o nízkých intenzitách m že výdej CO2 nad asimilovaným CO2 p evažovat. Stav, kdy je množství asimilovaného CO2 stejné jako množství CO2 , které se uvol uje dýcháním a fotorespirací (PG = RD + RL ; PN = 0), se nazývá kompenzovaný. Koncentrace
CO2
v prost edí, p i níž kompenzovaný stav nastane je kompenza ní
koncentrace CO2 . Kompenza ní koncentrace CO2 pro rostliny C4 je p i teplotách kolem 20oC nižší (do 10 µ mol CO2 . mol-1 vzduchu) než u rostlin C3 (20 - 40 µmol CO2 . mol-1 vzduchu). Ozá enost, p i které tento stav nastane je kompenza ní ozá enost. Rostliny adaptované na stín mají nižší sv telnou kompenza ní ozá enost než rostliny, které rostou p i vyšších ozá enostech. Ze zá ivé energie, která dopadne na Zemi za jeden rok, z stává v asimilátech fixováno asi 0,1 - 0,2%. Z energie dopadající na jednotku plochy listových epelí jsou k isté fotosyntéze využita asi 2%. Z energie fotosynteticky aktivního zá ení, které dopadne na jednotkovou plochu porostu b hem vegeta ní sezóny, je v biomase fixováno mén než 18%, což je považováno za teoreticky dosažitelné maximum. Rychlost isté fotosyntézy lze stanovit na základ zm n koncentrace CO2
nebo O2
v uzav eném systému nebo jako množství vzniklých asimilát . Na fixaci 1 molu CO2 je t eba 8 mol foton z oblasti fotosynteticky aktivní radiace. Rychlost respirace lze stanovit jako množství CO2, které se uvolní z jednotkové plochy listu (m2) za jednotku asu (s) ve tm . Primární produkty fotosyntetické asimilace CO2 , vznikající v Calvinov cyklu, jsou sacharidy (cukry, glycidy). Jsou zdrojem energie, organicky vázaného uhlíku a výchozími substráty pro tvorbu dalších látek - aminokyselin i lipid . Látky s 3 - 7 atomy C jsou monosacharidy a dle po tu atom C se klasifikují jako triózy (3C), tetrózy (4C), pentózy 6
(5C), hexózy (6C) a heptózy (7C). Chemicky jsou sacharidy polyalkoholy s aldehydickou nebo ketonickou skupinou, která je u monosacharid , ale i n kterých disacharid
a
polysacharid , volná a zna n reaktivní. Pentózy a hexózy tvo í 5- nebo 6- lenné cyklické
Obr. 3. Sacharidy aldehydická skupina
ketonická skupina
glukóz a
fruktóza
sacharóza 1
4 glykosidická vazba
opakující se jednotka (celobióza)
molekuly s heteroatomem kyslíku. Nej ast jší hexózy jsou u rostlin - glukóza s aldehydickou skupinou a fruktóza se skupinou ketonickou. Monosacharidy jsou stavebními jednotkami di-, oligo- a polysacharid . Monosacharidy jsou v t chto látkách vázány glykosidickou vazbou. Z disacharid je u rostlin nej ast jší sacharóza. Je tvo ena molekulou glukózy a fruktózy. Nemá volnou aldehydickou ani ketonickou skupinu a je nejvýznamn jším transportním cukrem. M že být také ukládána ve vakuolách jako sacharid zásobní ( epa, cukrová t tina).
7
Mono- a disacharidy jsou siln hydrofilní (lehce rozpustné ve vod ) a siln osmoticky aktivní. Polysacharidy jsou vysokomolekulární látky, v tšinou obtížn
nebo zcela
nerozpustné ve vod , s nízkou osmotickou aktivitou a reaktivitou. Vznikají kondenzací monosacharid a disacharid . et zením 1
et zce jsou lineární nebo v tvené. Lineární et zce vznikají
4 glykosidickou vazbou, v tvení pak vazbou 1
6. Polysacharidy mají funkci
p edevším stavební - celulóza nebo zásobní - škrob (v plastidech) nebo fruktany (ve vakuolách, nap . inulin). Škrob, nej ast jší zásobní polysacharid, je polykondenzát α-D-glukózových jednotek. Má dv složky - lineární nev tvenou amylózu (200 - 1 000 glukózových jednotek), rozpustnou v horké vod , a v tvený amylopektin (6 000 glukózových jednotek), který udává semikrystalický charakter škrobových zrn v plastidech. Fruktany jako zásobní polysacharidy tvo í jen n které druhy rostlin (nap . Asteraceae nebo C3 trávy). Fruktany se tvo í a ukládají ve vakuolách bun k asimila ních nebo zásobních pletiv. Jejich základní stavební jednotkou je fruktóza, inulin má 32 - 34 fruktózových zbytk , fruktany C3 trav asi 300. Inulin nemá krystalickou strukturu, je rozpušt n v obsahu vakuoly. Množství zásobních polysacharid , které se hromadí v listech na sv tle ( škrob, fruktany) se ve tm
snižuje. Polysacharidy jsou hydrolyzovány a mohou být využity jako substráty pro
získání energie p i mitochondriální respiraci nebo jsou p em n ny na transportní formy a translokovány do jiných ástí rostliny. Transportní formou asimilát je nej ast ji sacharóza. Transportovány mohou být i rafinóza, stachyóza, verbaskóza, manitol, sorbitol. Celulóza - nejrozší en jší organická slou enina biosféry - je d ležitou složkou bun né st ny. Molekula je tvo ena lineárními et zci vystav nými z β-D-glukózy. Jednotlivé et zce tvo í svazky, vláknité agregáty - elementární mikrofibrily. Celulární mikrofibrily jsou uloženy v amorfní matrix, tvo ené hemicelulózami, pektiny (také deriváty sacharid ) a bílkovinami (viz. Obr. 3.). V primárních bun ných st nách jsou fibrily uspo ádány nepravideln , v sekundárních (pokud se po ukon ení r stu bu ky tvo í) pravideln .
8
pektiny
hemicelulóza
rhamnogalakturonan I (pektin)
celulózové mikrofibrily
proteiny
Obr. 3. Hlavní komponenty bun né st ny (podle Taiz a Zeiger 2002)
Literatura: Buchanan, B., Gruissem, W. and Jones, R. (Eds.) - Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologist. 2000. Pavlová L. Fyziologie rostlin (skriptum). Karolinum. 2006.
Salisbury a Ross. Plant Physiology. Waldsworth Inc., Belmont, California. 1992. Taiz, L. and Zeiger, E. Plant Physiology. Sinauer Associates, Inc., Publichers. 2002.
9
Zadání praktických úloh k tématu:
FOTOSYNTÉZA P ehled úloh k vypracování: Úkol 1: prost edí
Rychlost fotosyntézy v závislosti na podmínkách
1a)
Sledujte zm ny rychlosti isté fotosyntézy v závislosti na ozá enosti u rostlin slune nice (Helianthus annuus). Rychlost PN vyjád ete jako množství CO2 (µmol) asimilovaného jednotkovou plochou listu (m2) za jednotku asu (s).
1b) Sledujte vodivost pr duch , transpiraci a rychlost isté fotosyntézy listu slune nice b hem vadnutí.
Pro ob úlohy použijte p ístroj TPS-1.
10
Úkol 1:
Rychlost fotosyntézy v závislosti na podmínkách prost edí Cíl: Demonstrovat vztah mezi rychlostí fotosyntézy a ozá eností rostliny a ukázat, jakým zp sobem rostlina reaguje na dostupnost vody v prost edí
Hypotéza, kterou b hem práce ov íme: Rostliny dynamicky reagují na zm ny vn jšího prost edí.
Díl í úlohy: 1a)
Sledujte zm ny rychlosti isté fotosyntézy v závislosti na ozá enosti u rostlin slune nice (Helianthus annuus). Rychlost PN vyjád ete jako množství CO2 (µmol) asimilovaného jednotkovou plochou listu (m2) za jednotku asu (s).
1b) Sledujte vodivost pr duch , transpiraci a rychlost isté fotosyntézy listu slune nice b hem vadnutí.
Princip: Fotosyntéza je fotochemický d j, využívající energii z dopadajícího slune ního zá ení. P i nízkých ozá enostech roste rychlost fotosyntézy vícemén lineárn se vzr stající ozá eností, protože je limitována rychlostí fotochemických d j
a pracuje s maximální
možnou ú inností. P i vysokých ozá enostech naopak limitují rychlost fotosyntézy návazné procesy (p enos elektron , chemické d je Calvinova cyklu). S vzr stajícím množstvím zá ení se proto rychlost p ibližuje k maximální hodnot (liší se v závislosti na druhu rostliny, fyziologickém stavu i dlouhodobým podmínkám stanovišt ), p i nadm rných ozá enostech naopak dochází k poklesu v d sledku poškození fotosyntetického aparátu (fotoinhibice). Pro fotosyntézu je nezbytná vým na plyn
(CO2, O2 a H2O) mezi rostlinou a okolním
prost edím prost ednictvím pr duch . P i nedostatku vody se pr duchy zavírají, klesá jejich vodivost a spolu s tím rychlost transpirace i rychlost isté fotosyntézy. P ístroj TPS-1 analyzuje koncentraci CO2 a vodní páry ve vzduchu, který vstupuje do listové komory (výrobcem ozna ovaný jako referen ní) a který ji opouští (výrobcem zvaný analyzovaný), tj. pracuje v otev eném systému. CO2 je analyzován na základ schopnosti absorbovat infra ervené zá ení ( pomocí
kapacitního
bimetalového
max
senzoru.
11
jeho
= 4260 nm), tlak vodní páry je zjiš ován Z rozdílu
nam ených
(referen ních
a
analyzovaných) hodnot jsou vypo teny hodnoty rychlosti
isté fotosyntézy, celkové
transpirace, vodivosti pr duch a koncentrace CO2 v uvnit listu. P edpokládá se, že v mezibun ných
v etn
mezofylu podpr duchových vzduch
prostorách
vodní
dutin
je
párou Satura ní
saturován.
koncentrace je úm rná teplot listu a z této hodnoty lze koncentraci a tlak vodní páry uvnit
listu
odvodit.
Obr. 1: P ístroj TPS-1
Koncentrace vodní páry v okolním prost edí listu je m ena p ímo. Rozdíl je úm rný vodivosti pr duch
(vliv hrani ní vrstvy vzduchu je snížen na minimum nastaveným
pr tokem vzduchu listovou komorou). Známe-li vodivost pr duch pro vodu, koncentraci CO2 ve vzduchu vystupujícím z listové komory (m ena p ímo) a víme-li, že vodivost vzduchu pro CO2 je 1,6krát nižší než pro vodu, lze vypo ítat koncentraci CO2 uvnit listu. Koncentrace CO2 uvnit listu významn ovliv uje rychlost fotosyntézy a p sobí i na otvírání i zavírání pr duch . Nam ené a vypo tené hodnoty se ukládají v pam ti p ístroje a pomocí kabelu a p íslušného programu je lze p enést, zobrazit a uložit v po íta i. V po íta i lze údaje dále zpracovat v programu EXCEL.
Laboratorní postup: Pot eby: • rostliny slune nice • p ístroj TPS-1 • n žky • zdroj sv tla (lampa) • erná tkanina • po íta s programem TRANSFER a EXCEL Podrobný popis a návod k použití p ístroje najdete na pracovním stole, p i vlastní práci s p ístrojem Vám pom že vedoucí praktika. Provedení: 1.
P ipravte k m ení p ístroj TPS-1. V jeho blízkosti instalujte také zdroj zá ení. 12
2.
Intaktní, dostate n zalité rostliny slune nice umíst te k p ístroji TPS-1, uzav ete ást epele listu do listové komory, zadejte p ístroji nezbytné údaje (zdroj sv tla, režim, délku intervalu zaznamenávání dat, listovou plochu, atd.) a za n te sledovat zm ny m ených parametr . Nastavte interval m ení 1 min.
3.
Nejprve listovou komoru p ikryjte ernou tkaninou. Po n kolika minutách (když dojde ke stabilizaci pom r v ásti listu uzav ené v komo e), za n te ode ítat m ené hodnoty. Nezapome te si zaznamenat íslo m ení, které se na displeji TPS-1 objevuje ve chvíli, kdy je m ení zaznamenáváno, abyste byli p i vyhodnocování schopni identifikovat dané m ení!
4.
Po n kolika minutách odkryjte tkaninu a za n te na rostlinu svítit. Zaznamenejte íslo nejbližšího m ení a op t n kolik minut nechte p ístroj zaznamenávat. Poté odst ihn te apikální ást rostliny (aniž dojde k vyjmutí listu z m ící kom rky), zaznamenejte íslo nejbližšího m ení a provád jte m ení až do doby, kdy rostlina viditeln vadne. N kolik minut poté m ení ukon ete.
5.
Nam ená data z p ístroje TPS-1 p esu te do po íta e pomocí programu TRANSFER, zobrazte v programu EXCEL a vybraná kriteria, tj. datum,
. m ení,
as, FAR
(fotosynteticky aktivní radiace), transpirace, vodivost pr duch , teplota listu,
istá
fotosyntéza, koncentrace CO2 uvnit listu transportujte do nového listu programu Excel. Podrobný návod je na Vašem pracovním stole, obra te se o radu na vedoucího praktika.
Vysv tlivky zkratek zkratka
Plot Record Day Month Hour Minute CO2 Ref CO2 Diff PAR mb Ref mb Diff Air Temp Leaf Area Flow Evap GS Leaf Temp PN C Int
parametr
íslo experimentu íslo záznamu (po adí m ení) den po ízení záznamu m síc po ízení záznamu hodina po ízení záznamu minuta po ízení záznamu referen ní koncentrace CO2 v ppm rozdíl analyzované a referen ní koncentrace CO2 v ppm m ená fotosynteticky aktivní radiace v mol · m-2 · s-1 referen ní tlak vodní páry v mb (milibar) rozdíl analyzovaného a referen ního tlaku vodní páry v mb teplota vzduchu v listové komo e °C plocha listu v listové komo e v cm2 rychlost pr toku vzduchu listovou komorou v cm3 · min-1 rychlost celkové transpirace v mmol H2O · m-2 listové plochy · s-1 vodivost pr duch v mmol H2O · m-2 plochy št rbiny · s-1 teplota listu ve °C rychlost isté fotosyntézy v mol CO2 · m-2 · s-1 koncentrace CO2 uvnit listu v ppm
13
Vyhodnocení experiment : Rychlost transpirace, rychlost isté fotosyntézy a vodivost pr duch b hem m ení znázorn te graficky (použijte program EXCEL). Nazna te v grafu body, kdy došlo ke zm n vn jších podmínek a uve te, o jakou zm nu se jednalo. V záv ru protokolu slovn popište, komentujte a snažte se vysv tlit pr b h zm n jednotlivých parametr b hem m ení.
14
