Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav ekologie lesa
Studium odezvy asimilace CO2 vybraných druhů dřevin na dynamický světelný režim Diplomová práce
Vedoucí práce: RNDr. Irena Marková, CSc.
Vypracovala: Bc. Alexandra Březinová Brno 2010
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Studium odezvy asimilace CO2 vybraných druhů dřevin na dynamický světelný režim vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MENDELU v Brně.
dne………………………………………. podpis diplomanta……………………….
PODĚKOVÁNÍ
Děkuji své vedoucí diplomové práce, RNDr. Ireně Markové, CSc., za poskytnutí možnosti spolupráce s Ústavem systémové biologie AV ČR. Dále velmi děkuji Mgr. Otmaru Urbanovi, PhD. za odborné informace a celkovou podporu při tvorbě práce a Ing. Ondřeji Šilerovi za pomoc při zpracování dat.
Abstrakt Fotosyntetické procesy jsou ve většině prací zkoumány v ustálených podmínkách. Rostliny jsou ale v přírodě vystaveny dynamickému světelnému režimu. V diplomové práci Studium odezvy asimilace CO2 vybraných druhů dřevin na dynamický světelný režim jsem pozorovala indukci a deaktivaci procesů spojených s asimilací uhlíku (asimilace CO2, stomatální vodivost, transport elektronů) u rozdílných druhů stromů a listů adaptovaných na nízkou/vysokou ozářenost a druhů dřevin pěstovaných v přirozené a zvýšené koncentraci CO2. Ke studiu byly použity metody gazometrie, chlorofylová fluorescence a matematické modelování indukčních křivek pro získání parametrů IS60 a T90. Z výsledků měření nelze obecně udělat závěr, že stín tolerance dřevin
měla
vliv
na
indukci/deaktivaci
fotosyntézy.
Rozdíly
v indukčních
charakteristikách mezi slunnými a stinnými listy byly prokázány jen u některých dřevin. Stejně tak vliv zvýšené koncentrace CO2 se projevil jako druhově specifický. Zjištěné výsledky mohou zpřesnit modelové výpočty uhlíkové bilance v ekosystémech vystavených přirozeným radiačním podmínkám.
Klíčová slova: Fotosyntetická indukce/deaktivace, tolerance stínu, zvýšená koncentrace CO2, Fagus sylvatica, Picea abies, Tilia cordata, Morus alba.
Abstract Although photosynthesis is naturally driven by highly dynamic light environments, the great majority of studies was focused on the measurement of steady-state photosynthetic parameters. In this thesis, Study of CO2 assimilation of selected tree species in response to dynamic light regime, I examined the induction and deactivation processes related on carbon assimilation (assimilation of CO2, stomatal conductance, electron transport) in different tree species and leaves adapted to low/high irradiance and tree species grown in natural and elevated concentrations of CO2. The gas exchange measurements, chlorophyll fluorescence and mathematical modeling of induction curves were used to obtain the parameters IS60 and T90. I can not generally conclude that shade tolerant species had faster induction and slower deactivation of photosynthesis. Differences in the induction characteristics between sun and shade leaves have been demonstrated only for some species. Similarly, the effect of increased CO2 concentration seemed to be species specific. Results of this study can improve the model calculations of carbon bilance in ecosystems exposed to natural conditions of radiation.
Key words: Photosynthetic induction/deactivation, shade tolerance, elevated CO2, Fagus sylvatica, Picea abies, Tilia cordata, Morus alba.
Obsah 1. 2. 3.
ÚVOD ...................................................................................................................................................9 CÍL PRÁCE ........................................................................................................................................10 LITERÁRNÍ PŘEHLED.....................................................................................................................11 3.1. Dynamický světelný režim (DSR) ..............................................................................................11 3.1.1. Podstata DSR ......................................................................................................................11 3.1.2. Dynamika lesního ekosystému............................................................................................12 3.1.3. Difusní záření ......................................................................................................................13 3.1.4. Postiluminační fixace CO2 ..................................................................................................14 3.1.5. Adaptace rostlin na DSR .....................................................................................................15 3.2. Vliv světla na asimilaci CO2 .......................................................................................................16 3.2.1. Světelná křivka fotosyntézy-ustálené podmínky.................................................................16 3.2.2. Indukční křivka fotosyntézy- dynamické podmínky ...........................................................19 3.3. Vliv zvýšené koncentrace CO2 na fyziologii rostlin ...................................................................23 3.3.1. A/Ci křivka..........................................................................................................................23 3.3.2. Aklimační deprese fotosyntézy ...........................................................................................24 3.3.3. Vliv zvýšené koncentrace CO2 na indukci fotosyntézy.......................................................24 4. MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ........................................................................................26 4.1. Obecný popis experimentu..........................................................................................................26 4.2. Popis rostlinného materiálu.........................................................................................................26 4.3. Kultivace dřevin v podmínkách zvýšené koncentrace CO2 .........................................................27 4.4. Metody měření ............................................................................................................................28 4.4.1. Měření rychlosti asimilace CO2 ..........................................................................................28 4.4.2. Popis přístroje LI-6400........................................................................................................28 4.4.3. Popis vlastního měření ........................................................................................................30 4.4.4. Analýza dat..........................................................................................................................33 4.4.5. Měření fluorescence ............................................................................................................34 4.4.6. Statistické zpracování dat....................................................................................................36 5. VÝSLEDKY .......................................................................................................................................37 5.1. Měření parametrů fotosyntézy v ustáleném stavu .......................................................................37 5.1.1. CO2 křivky asimilace ..........................................................................................................37 5.2. Měření parametrů fotosyntézy v DSR.........................................................................................41 5.2.1. Gazometrické parametry .....................................................................................................41 5.2.2. Fluorescenční parametry .....................................................................................................48 6. DISKUZE ...........................................................................................................................................53 6.1. Rozdíly mezi slunným a stinným listem .....................................................................................53 6.1.1. Ustálené světelné podmínky................................................................................................53 6.1.2. Dynamické světelné podmínky ...........................................................................................55 6.2. Vliv koncentrace CO2.................................................................................................................58 6.2.1. Ustálené světelné podmínky................................................................................................58 6.2.2. Dynamické světelné podmínky ...........................................................................................60 7. ZÁVĚR ...............................................................................................................................................62
1.
ÚVOD
Ve všech médiích se neustále hovoří o globální změně klimatu. Často pak dochází až k přílišnému zobecňování tohoto problému, takže si mnozí lidé neuvědomují provázanost všech procesů, které ke globálním změnám vedou.
Aby se správně zhodnotil vliv globální změny na biosféru, je nutné správně kvantifikovat uhlíkový cyklus. Jednou ze základních částí uhlíkového cyklu je fotosyntéza, tedy příjem uhlíku fotoautotrofními organismy.
Procesy fotosyntézy jsou ve většině dřívějších prací zkoumány jen v ustálených podmínkách. Přitom v přírodě se takové podmínky běžně nevyskytují. V porostu dochází běžně k střídání vysoké a nízké intenzity záření v různě dlouhých intervalech způsobených různými vnějšími faktory jako je přechod oblačnosti, zastínění jinými rostlinami nebo pád stromu. Pro správné pochopení fotosyntetických procesů je proto nutné zkoumat fotosyntézu
metodami, které co nejvíc odpovídají skutečným
podmínkám.
V současné době se jen málo prací zabývá synergickým působením dynamického světelného režimu při zvýšené koncentraci CO2, a proto některé jevy není možné přesně interpretovat, pokud nebude provedeno více srovnávacích studií.
Předložená diplomová práce využívá moderních metod ekofyziologie k prozkoumání fotosyntetických procesů za podmínek dynamického světelného režimun a zvýšené koncentrace CO2. Diplomová práce vznikla jako součást řešení grantového projektu CzechTerra – Adaptace uhlíkových depónií v krajině v kontextu globální změny (MŽP ČR, reg. č. SP/2d1/93/07) na pracovišti Ústavu systémové biologie a ekologie AV ČR, v.v.i. v Brně.
9
CÍL PRÁCE
2.
Cílem diplomové práce bylo: •
Vypracovat literární rešerši na téma vlivu fluktuující intenzity sluneční radiace na procesy aktivace a deaktivace fotosyntézy.
•
Seznámit se s metodikou stanovení rychlosti asimilace CO2 (A) a stomatální vodivosti (Gs) pomocí gazometrické metody a zvládnout práci s otevřeným gazometrickým systémem LI-6400 (LI-COR, USA).
•
Seznámit
se
s metodikou
stanovení
fluorescence
chlorofylu
a pomocí
zobrazovací fluorescence a výpočtem základních fluorescenčních parametrů. Zvládnout práci se zobrazovacím kinetickým fluorescenčním systémem FluorCam (PSI, ČR). •
Na modelových dřevinách (smrk ztepilý a buk lesní) provést experimenty, které umožní stanovení množství asimilovaného uhlíku za různých chodů dynamického světelného režimu.
•
Získané výsledky vhodně graficky a statisticky zpracovat a pokusit se o komentář a diskusi s dosavadními literárními zdroji (viz seznam doporučené literatury).
10
3.
LITERÁRNÍ PŘEHLED
3.1. Dynamický světelný režim (DSR) 3.1.1. Podstata DSR
Sluneční světlo je velmi důležitý faktor prostředí, který řídí fotosyntetickou fixaci oxidu uhličitého rostlinami. Fotosyntetický aparát rostlin reaguje na změny a kvalitu osvětlení. Rostliny v přirozeném prostředí jsou nevyhnutelně vystaveny dynamickým změnám ozářenosti (PPFD; photosynthetic photon flux density) a spektrálního složení dopadající sluneční radiace. Tyto změny mohou nastat v širokém časovém a prostorovém měřítku (Bjırkman a Ludlow 1972, Chazdon a Pearcy 1986, Murchie a Horton 1997, Niinemets 2007).
Většina vědeckých studií fotosyntézy byla dříve řešena v laboratorních podmínkách za stabilního osvětlení známé intenzity. Výsledky těchto pokusů ale nelze zcela aplikovat na přirozené podmínky. Přirozený světelný režim zdaleka není pravidelný a naše porozumění fotosyntézy za proměnlivých světelných podmínek je velmi omezené. Dynamický světelný režim je způsobován v rámci terestrických ekosystémů zejména změnou vzájemné polohy Země–Slunce, pohybem oblačnosti a vzájemným stíněním rostlin či větví stromů (Chazdon a Pearcy 1986, Valladares a Pearcy 1997, Pearcy 2007).
Vlivem různé dostupnosti záření jsou rostliny vystaveny rychlým změnám intenzity světla. Pro podrostní druhy rostlin, na které dopadá jen minimální část slunečního záření, je proto nezbytné zajistit rychlé přizpůsobení změně světelné intenzity a využít toto krátkodobé světlo pro asimilaci co nejefektivněji. Tyto krátké okamžiky výskytu světla o vysoké intenzitě bývají označované jako sluneční skvrny.
3.1.1.1.
Sluneční skvrny
Jednoznačná definice slunečních skvrn neexistuje, zejména z důvodů jejich prostorové i časové heterogenity. Pearcy a kol. (1994) definoval sluneční skvrny jako rychlé 11
výkyvy světla o vysoké intenzitě na pozadí tlumeného světla. Ačkoli jsou přítomné jen malý zlomek dne, často tvoří velký podíl z celkového toku fotonů dostupného pro fotosyntézu v podrostu.
Sluneční skvrny můžeme charakterizovat jejich prostorovou velikostí, délkou trvání, ostrostí (tj. rychlostí přechodu mezi minimální intenzitou difúzní radiace a maximální intenzitou přímé sluneční radiace), maximální hodnotou PPFD závisející na výšce a správném naaranžování rostlin uvnitř lesního podrostu stejně tak i na pozici Slunce na obloze, která je funkcí solární deklinace a solárního času (Chazdon a Pearcy 1991). Výskyt sluneční skvrny v určité lokalitě a čase závisí na různých a často ovlivňujících se faktorech: 1) aktuálním postavení slunce v průběhu dne a dané struktuře podrostu, 2) rychlosti pohybu oblačnosti a její mohutnosti, které zatemní nebo odhalí Slunce a 3) pohybu listoví a větví v korunách porostů indukovaných větrem. Všechny tyto faktory spolu reagují za vzniku vysoce dynamického světelného režimu (Chazdon a Pearcy 1991, Pearcy 2007).
Všechny stanoviště jsou charakteristické určitým stupněm denní fluktuace PPFD v rozmezí slunečných skvrn trvajících několik sekund nebo méně, až po mraky indukovanou fluktuaci PPFD trvající v rozmezí hodin (Knapp a Smith 1987).
Na základě dostupných literárních údajů došli autoři souhrnných článků (Pearcy 1988, Pfitsch a Pearcy 1989) k závěru, ze podrostní vegetace je v různých typech ekosystémů a zeměpisných poloh vystavena v průměru 50 až 300 slunečním skvrnám za den, a většina z nich je kratší než 10 sekund.
3.1.2. Dynamika lesního ekosystému
Lesní ekosystémy utvářejí svou strukturou velmi proměnlivé světelné prostředí. Převážná většina stromů prožívá ranou část svého života ve stínu, který je jen krátce přerušován rychlými záblesky intenzivního světla prosvítající skrz koruny vyšších stromů. K světelným změnám dochází nejen v podrostu, ale i v korunách stromů například vlivem větru. Proto je prostorová a časová variabilita světla v podrostu nutná pro porozumění ekologie a ekofyziologie lesního ekosystému jako celku.
12
Délka trvání slunečních skvrn a jejich podíl na celkovém PPFD byly pozorovány u různých porostů. Chazdon (1988) z literárních údajů vyvodil, že v jasných dnech podrost listnatých a jehličnatých lesů mírného pásu dostává 50 % svých dostupných PPFD ze slunečných skvrn. Ve stále zelených tropických lesích, je průměr 50 až 70 % PPFD. Naproti tomu podrostní vegetace vzdálená od sebe pouze pár metrů uvnitř lesa může obdržet v daném dnu diametrálně odlišné množství fotonů ze slunečních skvrn.
3.1.3. Difusní záření
Kromě intenzity radiace jsou pro rostlinnou asimilaci významné i další světelné charakteristiky, jako je spektrální složení, nebo zda se jedná o záření přímé či záření difusní.
Studium difusního záření se stává aktuálním tématem vzhledem k tomu, že většina environmentálních scénářů globálního oteplování počítá se zvětšováním podílu difusního záření vlivem zvyšování koncentrace vodní páry v ovzduší (Gu a kol. 2003).
Bylo experimentálně prokázáno, že na úrovni lesních celků způsobuje vyšší podíl difusní složky světla při stejné světelné intenzitě vyšší hodnoty fotosyntézy (např. Urban 2007). Johnson a Smith ( 2006) také ověřili pozitivní vliv difusního záření na podrostní druhy Abies fraseri v Apačském pohoří. Zjistili, že PPFD v podrostních podmínkách bylo méně variabilní při velmi nízké oblačnosti (cloud-immersed conditions) než v jasných dnech a že sazenice Abies fraseri v podrostu dosahují o 22 % větší asimilaci CO2 při nízké oblačnosti než za jasných dnů. Naproti tomu Brodersen a kol. (2008) studovali vliv difusního záření na úrovni listu a došli k zcela opačným závěrům. Pozorovali fotosyntézu listů Helianthus annuus (C3) a Amaranthus retroflexus (C4) při difusním i přímém světle a zaznamenali 10 až 15 % zvýšení asimilace při přímém světle než v difusních podmínkách. Rozdílné výsledky na listové a porostové úrovni by mohly být vysvětleny podle Brodersona závislostí struktury a vývoje listu na jeho mikroklimatu a postavení v koruně.
13
3.1.4. Postiluminační fixace CO2 Efektivní využití slunečných skvrn pro fotosyntetickou fixaci CO2 vyžaduje rychlou indukci asimilačních procesů. Valladers a Pearcy (1997) uvádí čtyři hlavní schopnosti rostlin ovlivňující efektivitu fotosyntézy při DSR: (i) rychlá indukce fotosyntézy na úrovni aktivace enzymů při zvýšení intenzity radiace, (ii) udržení indukce (aktivovaného stavu) i při nízké intenzitě světla po co nejdelší dobu, (iii) rychlá stomatální odezva na nárůst intenzity světla a současně uchování vysoké stomatální vodivosti po odeznění sluneční skvrny a (iv) účinná postiluminační fixace CO2. Postiluminační fixace závisí na výstavbě vysoce energetických metabolitů (angl. assimilatory
charge),
které
rostlina
získá
během
vysokého
PPFD.
Jsou
to vysokoenergetické pooly meziproduktů Calvinova cyklu. U C3 rostlin je tvoří Ribulosa-1,5-bisfosfát a triosa-P pool (Laisk a kol. 1984, Sharkey a kol. 1986, Pearcy 2007). Po náhlém poklesu PPFD jsou tyto pooly schopny prodloužit fotosyntézu. Pons a Pearcy (1992) na rostlinách sóji prokázali, že postiluminační fixace přispívá k fotosyntéze více při krátkých než při dlouhých skvrnách. Je možné, že postiluminační fixace může být vyšší u stinných než u slunných listů (Chazdon a Pearcy 1986, Valladares a Pearcy 1997).
Chazdon a Pearcy (1986) prokázali u plně indukovaných stínomilných bylin Alocasia macrorrhiza, rostoucích v podrostu tropického lesa, fixaci CO2 po 5 sekundové sluneční skvrně o 60 % vyšší, než odpovídá výpočtu na základě měření fotosyntézy v rovnovážných, tzv. steady-state, podmínkách. Zatímco rostliny stejného druhu pěstované na světle vykazovaly podobné hodnoty uhlíkové fixace jako při ustálené rychlosti fotosyntézy. Vysvětlením je, že CO2 asimilace pokračuje relativně vysokou rychlostí ještě několik sekund potom, co je intenzita světla redukována.
Vliv postiluminační fixace se zjišťuje pomocí výpočtu LUE´f (lightfleck use efficiency). Tento parametr udává poměr integrované asimilace dosažené během sluneční skvrny a očekávané asimilace, která by byla dosažená v rovnovážných podmínkách, měřených v nízké a vysoké světelné intenzitě (Chazdon a Pearcy 1986).
14
Pro krátké sluneční skvrny (1 – 5 s) může LUE´f dosahovat 150 až 250 % (Chazdon a Pearcy 1986, Pons a Pearcy 1992). Valladadares a Pearcy (1997) prokázali, že LUE´f klesá rychle se stoupající dobou trvání sluneční skvrny a je ovlivněno indukčním stavem listu. Ztráta indukce byla rychlejší u rostlin slunných než stinných, což potvrzuje význam postiluminační fixace pro rostliny žijící v prostředí, kde intenzita slunečního záření je limitující substrát fotosyntézy.
3.1.5. Adaptace rostlin na DSR
Rostliny můžou na změny v dopadající světelné energii reagovat různými cestami. Při dlouhodobých změnách dochází ke genetické adaptaci rostlinného aparátu. Během evoluce se vyvinuly rostliny světlomilné (heliofyty), rostoucí při vysokých ozářenostech na otevřených stanovištích, a rostliny stínomilné (sciofyty), adaptované na světlo nízké intenzity.
Změny v osvětlení ale probíhají i v mnohem kratších intervalech a mnohem vyšší rychlostí. Larcher (2003) rozlišuje adaptace krátkodobé na modulační a modifikační. Modulační probíhají rychle a jsou dočasné. Jedná se o například pohyb listů, zajišťující lepší vystavení záření a jiné fototropické, fotonastické a fototaktické pohyby. Zejména sem ale patří funkcionální adaptace metabolismu rostlin ke kolísajícím změnám osvětlení.
Modifikační adaptace jsou adaptace na průměrné radiační podmínky během vegetačního období a strukturní znaky se při nich uchovávají. Na stromech se postupně vyvíjejí v podmínkách vysoké světelné intenzity slunné listy, dosahující mnohem vyšší fotosyntetické asimilace než listy stinné (Boardman 1977, Lichtenthaler 1981, Lichtenthaler a Babani 2004). Pro stinné listy spodních pater korunové vrstvy stromů stejně jako podrostní vegetaci je typické, že získané asimiláty jsou investovány především do syntézy a udržení bílkovinných struktur spojených s primární fází fotosyntetického procesu, tj. účinného záchytu kvanta záření. Dále o této problematice Špunda a kol. (1998) či Lichtenthaler a kol. (2007)
15
3.2. Vliv světla na asimilaci CO2 Rychlost fotosyntézy je ovlivňována vnějšími faktory (světlo, CO2, teplo aj.). Ve středních zeměpisných šířkách je limitujícím faktorem nejčastěji intenzita dopadající sluneční radiace (Larcher 2003).
Pro studium asimilace CO2 se v poslední době nejvíce používá gazometrická metoda. Gazometrie umožňuje měření rychlosti výměny plynu mezi listem a okolní atmosférou. Příjem resp. výdej CO2 rostlinou se projeví změnou [CO2] v atmosféře obklopující měřený objekt. Tato změna je měřená pomocí infračerveného analyzátoru plynu (IRGA) a je výrazně závislá na intenzitě dopadající radiace (tzv. „světelná křivka“ fotosyntézy) a [CO2] v okolní atmosféře (tzv.„CO2 křivka“ fotosyntézy). Z těchto závislostí lze stanovit fotosyntetické parametry, které danou rostlinu charakterizují z biofyzikálního a biochemického hlediska (Marek a kol. 2008).
3.2.1. Světelná křivka fotosyntézy – ustálené podmínky
Světelná křivka fotosyntézy nebo také PI křivka (z anglického Photosynthesis vs. Irradiance curves) vyjadřuje závislost asimilace CO2 při zvyšující se intenzitě světla při určité teplotě a [CO2]. Jako první se touto problematikou zabýval britský fyziolog Blackman (1905). Na střemše vavřínové (Prunus laurocerasus) a topinamburu (Helianthus tuberosus).
3.2.1.1.
Parametry PI křivek
Světelná křivka má typický tvar nerovnoosé hyperboly a z jejího průběhu je možno odečíst řadu fotosyntetických parametrů. První důležitá hodnota získaná z křivky je temnotní nebo také mitochondriální respirace (RD). Je to množství uvolněného CO2 při nulové ozářenosti. Při postupném zvyšování intenzity dopadající radiace dochází k vyrovnání procesu dýchání a asimilace. Tento bod se označuje jako světelný kompenzační bod (ΓI) - rostlina nafotosyntetizuje tolik CO2, kolik prodýchá. Začátek světelné křivky až ke kompensačnímu bodu má větší sklon než za ním. Tento jev se podle svého objevitele nazývá Kokův jev. Je způsoben tím, že produkty fotosyntézy
16
(ATP) brzdí mitochondriální dýchání a fotosyntéza probíhá zdánlivě s větší účinností. Za kompenzačním bodem v rozsahu světelné intenzity 50 až 250 µmol(fotonů) m-2 s-1 je fotosyntéza přímo úměrná dostupnému záření a křivka má lineární závislost. Směrnice této lineární části je označována jako tzv. kvantový výtěžek asimilace (α). Jelikož s rostoucí intenzitou světla přestávají být fotony limitním faktorem fotosyntézy, je v praxi parametr α měřen v rozsahu intenzit PPFD 20 – 150 µmol(fotonů) m-2 s-1 (Hall a kol. 1993).
Při další zvyšování ozářenosti dochází k inflexi křivky, křivka už není limitována světlem. Ovlivňují ji zejména reakce: •
přenos elektronů přenašeči mezi fotosystémy,
•
přesun NADPH+H+ a ATP k reakcím Calvinova cyklu,
•
enzymové reakce tohoto cyklu,
•
rychlost vstupu CO2 do mezibuněčných prostor listu,
•
difúze CO2 k asimilujícím buňkám až do chloroplastů,
(Marek a kol. 2008).
Zakřivení křivky je definováno koeficientem konvexity (φ). Jedná se o bezrozměrné číslo v intervalu 0 až 1. Jeho hodnota udává rychlost přechodu mezi fází lineární a fází saturační. Po zakřivení křivka stoupá jen mírně. fotosyntetické procesy jsou světelně saturované a další zvyšování světla už na asimilaci nepůsobí. V saturační fázi dosáhne rostlina maximální hodnoty asimilace Amax. Pokud porovnáme světelné křivky různých rostlinných druhů, je patrné, že rostliny C3 (Calvin-Bensonův cyklus) dosahují daleko nižších hodnot Amax než C4 rostliny (HatchSleckův cyklus). Je to díky vysoké afinitě enzymu C4 rostlin Pep-karboxylázy k CO2 a speciální listové struktuře, umožňující využití CO2 vydaného fotorespirací.
3.2.1.2.
PI křivky slunných a stinných listů
Přehled rozdílů v závislosti asimilace CO2 u slunných a stinných listů uvádí ve své publikaci např. Boardman (1977) nebo Bjırkman (1981), ze současné literatury např. Špunda a kol. (1998), Lichtenthaler a kol. (2007), Lambers a kol. (2008) a další.
17
Tvar PI křivek světlomilných a stínomilných rostlin se liší. Stejně tak můžeme pozorovat rozdíly mezi listy slunnými a stinnými. U stínomilných rostlin a stinných listů obecně leží hodnoty kompenzačních bodů v nižších intenzitách světla. Je to proto, že stinné rostliny a listy vykazují nižší hodnoty mitochondriální respirace. Stinné rostliny dosahují také saturace rychlosti asimilace CO2 při nižších hodnotách PPFD. Počáteční sklon světelné křivky, charakterizovaný jako kvantový výtěžek asimilace, rostlin světlomilných a stínomilných je stejný.
V rámci výškových pater rostlinných porostů existuje gradient minerálních látek. Zejména gradient dusíku pak může způsobit, že stinné listy vykazují v rámci jedné rostliny vyšší hodnoty kvantového výtěžku než listy slunné, a to z důvodu vyššího obsahu fotosynteticky aktivních pigmentů (chlorofylů a karotenoidů) na jednotku listové plochy či jednotku suché hmotnosti. Při vysokých ozářenostech může naopak u stinných listů a stínomilných rostlin docházet k poškození fotosyntetického aparátu v důsledku fotoinhibice (Muraoka a kol. 2000). Přechod ze světlem limitované části do světlem saturované části je obecně náhlý u stinných listů, ale více postupný u slunných listů (vyšší hodnoty světlem saturové rychlosti asimilace CO2 – Amax a nižší faktor zakřivení φ).
3.2.1.3.
Matematické modelování světelných křivek
Pro závislost rychlosti asimilace CO2 na ozářenosti se používají různé matematické modely. Neexistuje žádný univerzální model, který by byl ideální pro všechny rostliny. Jednotlivé modely jsou vhodné v různých podmínkách.
Rychlost fotosyntézy jako funkce iradiace může být dobře popsána pomocí nerovnoosé hyperboly (Prioul a Chartier 1977, Hall a kol.1993 ):
A=
αI + A max −
(αI + A max )2 − 4ϕαA max I 2ϕ
− RD (3.1)
kde A [µmol(CO2) m-2 s-1] je aktuální rychlost asimilace při daném PPFD I [ µmol(fotonů) m-2 s-1], Amax je světlem saturovaná rychlost asimilace CO2, φ je číslo
18
v intervalu 0 – 1, které udává tvar světelné křivky a α je kvantový výtěžek asimilace [mol(CO2) mol(fotonů)-1], který udává změnu rychlosti asimilace CO2 při změně PPFD o 1 µmol(fotonů) m-2 s-1 a RD je rychlost temnotního, mitochondriálního dýchání [µmol(CO2) m-2 s-1].
3.2.2. Indukční křivka fotosyntézy − dynamické podmínky
Indukce fotosyntézy je časový interval vyžadovaný k ustálení rychlosti fotosyntetického procesu poté, co byla rostlina adaptovaná na tmu nebo nízkou ozářenost a následně ozářena světlem saturační intenzity. Typický průběh znázorňuje tzv. indukční křivka (Obr. 3.1.). Podle reakcí, které v temnotně adaptované rostlině při ozáření probíhají, se křivka dělí na čtyři základní fáze (např. Schulte a kol. 2003, Urban a kol. 2007, Košvancová a kol. 2009, Pearcy 2007): (I) Po vystavení neindukované rostliny světlu vysoké intenzity je asimilace CO2 limitována procesem regenerace ribulóza-1,5bisfosfátu (primární akceptor CO2 v Calvinově cyklu). Tato rychlá první fáze trvá 1 až 2 min a pak přechází v pomalejší druhou fázi (II), kterou limituje neúplná aktivace enzymu ribulóza-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza (Rubisco). Aktivace enzymu Rubisco trvá dle literárních údajů v rozsahu od 5 do 10 min. Poté indukční křivka přechází do třetí fáze (III), která je primárně limitována otevíráním průduchů, což je proces trvající 30 až 60 min. Třetí fáze je z celého indukčního procesu nejpomalejší, nárůst rychlosti asimilace CO2 je limitován nedostatečnou stomatální vodivostí. Čtvrtá fáze (IV) reprezentuje plně indukovaný list a fotosyntéza se nachází v ustáleném stavu.
A (µmol(CO 2) m-2 s -1)
25 I
II I
II
20
IV
15 10 5 list adaptovaný na tmu 0 -5 0
5
10
15
20
25
30
35
40
čas (min)
Obr. 3.1: Ukázka indukční křivky fotosyntézy u listu topolu (Populus x euramericana) s vyznačením čtyř základních fází indukce. Převzato z Urban a kol. (2008).
19
3.2.2.1.
Parametry indukčních křivek
K popisu indukce fotosyntézy se používá několik fotosyntetických parametrů. Indukční stav asimilace IS60 (popřípadě IS120) je parametr udávající procento dosažené maximální rychlosti asimilace Amax 60 sekund (popřípadě 120 sekund) po vystavení rostliny saturačnímu světlu. Parametr T90 (popřípadě T50) je čas potřebný pro dosažení 90 % (popřípadě 50 %) Amax (např. Chazdon a Pearcy 1991, Naumburg a Ellsworth 2000, Urban a kol. 2008). Obdobně lze tyto parametry aplikovat na indukční stav vodivosti průduchů (Košvancová a kol. 2009).
V Tabulce 1 je uvedený literární přehled hodnot indukčních parametrů IS60, IS120, T50, T90 pro asimilaci CO2 (A) a parametrů T50, T90 popisujících indukci otevírání průduchové štěrbiny (GS). Obdobný přehled již dříve sestavili Naumburg a Ellsworth (2000). V diplomové práci jsem se zaměřila na přehled nových literárních zdrojů.
20
Tab. 1: Srovnání indukčních parametrů pro různé rostlinné druhy z dostupných literárních zdrojů.
21
zastíněný skleník,13 skleník-les,
podrost,17 normální [CO2] / zvýšená [CO2],
12
18
14
15
19
hydratovaná
26 dní v 50 % stínu/ 75 % stínu,
kultivační sféry,
Vysvětlivky k tabulce: 1C4 tráva, 2,3,4 keř, 5 bylina, 6 měřeno ve skleníku,7,8 měřeno jen v podrostu, 9 světlomilný,10 stín 16
tolerantní,11 středně stín tolerantní, rostlina/dehydratovaná rostlina,
22
3.2.2.2.
Rozdíly v indukci u slunných a stinných listů
Vzhledem k tomu, že stinné listy jsou více ovlivněny měnícím se DSR, mohlo by se předpokládat, že indukce fotosyntézy bude u těchto listů rychlejší. Nicméně výsledky výzkumu nejsou jednoznačné. Příčiny mohou být v různém provedení experimentů a je potřeba provést další výzkum. Rychlejší indukci u stinných listů zaznamenali TinocoOjanguren a Pearcy (1993) na rostlinách pepřovníku zlatého nebo Küppers a Schneider (1993) u buku lesního. Urban a kol. (2007) sledovali 5 druhů dřevin různé tolerance ke stínu. Měření probíhalo v noci, aby listy rostlin byly plně adaptované na tmu, což vedlo k úplné inaktivaci fotosyntetických enzymů a aktivaci nočních inhibitorů. Došli k závěru, že indukce fotosyntézy není úzce spjatá s druhovou tolerancí ke stínu. Silně tolerantní druhy Tilia cordata, Abies alba se v indukci u slunných a stinných listů prokazatelně nelišily, ačkoli u méně stín tolerantních druhů Fagus sylvatica a Acer pseudoplatanus a světlomilné Picea abies byla prokazatelně kratší indukce u stinných listů. Potvrdili také, že indukce slunných listů má obecně tvar hyperbolické křivky, zatímco u stinných je běžnější sigmoidální křivka.
3.3. Vliv zvýšené koncentrace CO2 na fyziologii rostlin 3.3.1. A/Ci křivka
A/Ci křivky fotosyntézy vyjadřují vztah mezi koncentrací CO2 v podprůduchové dutině (ci) a rychlosti fotosyntézy při určité teplotě a ozářenosti. A/Ci křivku je možno rozčlenit do dvou fází. V počáteční, lineární fázi je rychlost asimilace limitována množstvím CO2 a množstvím Rubisco. Směrnice této lineární části určuje karboxylační aktivitu enzymu Rubisco. Ve druhé, saturační fázi (nazývanou též inflexní fází), je rychlost příjmu CO2 limitována rychlostí regenerace substrátu pro karboxylaci, primárního akceptoru CO2 – RuBP. Dále o A/Ci křivce pojednává kapitola 4.4.3.2.
23
3.3.2. Aklimační deprese fotosyntézy
Efektu souběžného vlivu DSR a zvýšené [CO2] bylo zatím věnováno jen velmi málo pozornosti. Většina předchozích studií se zabývala studiem rostlin ve zvýšené koncentrací CO2 při ustálených podmínkách (Nátr 2000, Urban 2003, Leakey a kol. 2002, 2005).
CO2 tvoří základní substrát fotosyntézy. Jeho koncentrace v atmosféře ovlivňuje rychlost fotosyntetických procesů. Současné množství CO2 v atmosféře není pro fotosyntézu saturační a při zvyšování jeho koncentrace dochází k zvyšování asimilační rychlosti.
Toto
ale
platí
jen
v
případě,
že
intenzita
světla
přesáhne
2 -1
250 µmol(fotonů) m s . Při nižších intenzitách světla limituje fotosyntézu množství dopadajících fotonů a vliv zvýšené [CO2] se na úrovni rychlosti asimilace neprojeví (Špunda a kol. 2005).
Z experimentálních výsledků se ukazuje, že zvýšení [CO2] má rozdílný efekt při krátkodobém (dny – týdny) a dlouhodobém (měsíce – roky) působení. Krátkodobý efekt se projevuje nárůstem rychlosti asimilace, avšak dlouhodobý vliv zvýšené [CO2] může vést k tzv. aklimační depresi fotosyntézy (např. Jarvis 1998, Urban 2003, Ainsworth a Rogers 2007). Aklimační deprese fotosyntézy se projevuje poklesem asimilační kapacity rostlin (rychlost fotosyntézy za podmínek saturační [CO2] a saturační ozářenosti) nebo poklesem rychlosti fotosyntézy při běžné [CO2] (tj. 380 µmol(CO2) mol-1). Její vznik je vysvětlován v literatuře různými hypotézami: 1) redistribuce či snížení koncentrace anorganického fosfátu, 2) snížení obsahu či aktivity enzymu Rubisco, 3) mechanické poškození tylakoidů v důsledku nadměrné akumulace škrobu, 4) inhibování transkripce genů, 5) úroveň minerální výživy, efekt dusíku, 6) změny ve struktuře světlosběrných komplexů, 7) změny poměru zdroj/sink CO2 v rostlinách (např. Urban 2003, Ainsworth a Rogers 2007).
3.3.3. Vliv zvýšené koncentrace CO2 na indukci fotosyntézy V literatuře je doposud popsáno jen velmi málo experimentů, které se zabývají vlivem zvýšené [CO2] na indukci fotosyntézy (Leakey a kol. 2005). Leakey a kol. (2002, 2005) došli ve svých experimentech k závěru, že zvýšená [CO2] je spojena s rychlejší 24
fotosyntetickou indukcí. Hypotéza, že zvýšená [CO2] vyvolává rychlejší indukci fotosyntézy, vychází z následujících předpokladů: 1) vyšší [CO2] v okolí rostliny způsobí přivírání průduchů a tím snižuje průduchovou vodivost (Gs) a 2) vyšší [CO2] snižuje obsah Rubisco v listech. Toto prokázala například Košvancová a kol. (2009), která po dvou letech kultivace ve dvojnásobné [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) zjistila u buku lesního (Fagus sylvatica) a smrku ztepilého (Picea abies) snížení Gs o 40 % respektive 50 % a snížení obsahu Rubisco o 28 % respektive 48 %. Vliv zvýšené [CO2] na rychlost otevírání průduchů po ozáření a foto-aktivaci Rubisco není zcela jasný. Lze proto předpokládat, že během fotosyntetické indukce bude u rostlin pěstovaných ve zvýšené [CO2] dosaženo dříve jak plné aktivity všech molekul Rubisco, tak maximální stomatální vodivosti.
Obecně lze shrnout, že působení zvýšené [CO2] urychluje spíše první fáze indukce, která je primárně limitovaná aktivitou Rubisco a je charakterizovaná parametrem IS60, zatímco sekundární fáze, limitovaná stomatální vodivostí a charakterizovaná parametrem T90, je ovlivňována méně. K těmto výsledkům došli jak Naumburg a Ellsworth (2000), tak Košvancová a kol. (2009). Naumburg a Ellsworth (2000) také uvádí ve své práci přehled rozdílů indukčních stavů po 60 s saturačního světla a při zvýšené [CO2] u různých rostlinných druhů.
25
4.
MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ
4.1. Obecný popis experimentu První část měření byla provedena v laboratorních podmínkách v Brně na Ústavu systémové biologie a ekologie Akademie věd ČR (49°11's.š., 16°36' v.d.) v období červen až červenec 2009. V rámci tohoto experimentu jsem se zaměřila na studium vlivu DSR na slunný a stinný typ listoví vybraných druhů dřevin. V srpnu 2009 proběhla druhá polovina experimentu, která byla věnována studiu souběžného vlivu DSR a zvýšené růstové [CO2]. Tento experiment probíhal v Moravskoslezských Beskydech na Experimentálním ekologickém pracovišti Bílý Kříž (49° 30´ 09´´ s.š., 18° 32´ 19´´ v.d.). Detailní popis lokality Bílý Kříž, včetně mikroklimatických charakteristik je uveden v kapitole 4.3 a v ročence meteorologických měření (Marková a kol. 2009).
4.2.
Popis rostlinného materiálu
V prvním experimentu byly použity listy čtyř stromů mírného pásu – tři stromy listnaté: morušovník bílý (Morus alba L.), buk lesní (Fagus sylvatica L.), lípa srdčitá (Tilia Cordata Mill.) a jeden jehličnan, smrk ztepilý (Picea abies [L.] Karst).
Jednotlivé druhy stromů se liší svou tolerancí k zastínění. Lípa srdčitá je charakteristická svou vysokou tolerancí stínu, buk je středně světlomilný, smrk a moruše velmi světlomilné dřeviny. V korunách stromů (stáří 15 až 35 let) byla patrná zřetelná diferenciace na slunné a stinné patro. V průběhu jasných bezoblačných dnů byla ve svrchních, slunných patrech korunové vrstvy maximální intenzita fotosynteticky aktivní radiace (PPFD) 1500 µmol(fotonů) m-2 s-1, zatímco ve spodních, stinných patrech nepřesáhly hodnoty PPFD 500 µmol (fotonů) m-2 s-1. Intenzita dopadající fotosynteticky aktivní radiace byla měřena pomocí kalibrovaného čidla Quantum Sensor Li-Cor Q 14-910 (LI-COR, USA).
V rámci druhého experimentu, kdy byl studován vliv zvýšené [CO2] v atmosféře, bylo použito náhodně vybraných sazenic buku lesního a smrku ztepilého. Tyto sazenice byly od roku 2005 pěstovány v tzv. kultivačních sférách (detailní popis viz Urban a kol.
26
2001). Sazenice (v době měření stáří 6 let) pochází z přírodní oblasti Moravskoslezské Beskydy, semenářská oblast Západokarpatská a Karpatská. Podrobný popis způsobu kultivace dřevin ve zvýšené [CO2] je uveden v následující kapitole (kap. 4.3). Stromy ani studované listy nevykazovaly v době měření žádné zjevné známky poškození.
4.3.
Kultivace dřevin v podmínkách zvýšené koncentrace CO2
Experimentální ekologické pracoviště Bílý Kříž leží v nadmořské výšce 908 m. Průměrná roční teplota je 4,9°C. Průměrná vlhkost vzduchu je 80 % a průměr ročních srážek je 1400 mm za posledních 10 let. Průměrný počet dnů se sněhovou pokrývkou je 160 dní za rok.
V areálu jsou umístěny dvě kultivační sféry (Obr. 4.1) a jedna kontrolní plocha. Kultivační sféry slouží k pěstování smíšeného smrko-bukového porostu v běžné (375 µmol(CO2) mol-1 ) a zvýšené (700 µmol(CO2) mol-1 ) [CO2]. Sféry leží na ploše 10 x 10 m a jsou 7 m vysoké.
CO2 je skladováno v kapalné formě v zásobníku o obsahu 17 tun. Roční spotřeba je asi 100 tun. Ventilátory vymění vzduch ve sféře za přibližně 1 min. Otevírání a zavírání lamelových oken je řízeno automaticky v závislosti na síle a směru větru z důvodu udržení potřebné [CO2]. Detailní popis lokality a mikroklimatu uvádí Urban a kol. (2001).
Obr. 4.1: Kultivační sféry na Bílém Kříži
27
4.4.
Metody měření
Ke studiu odezvy fotosyntézy na působení dynamického světelného režimu bylo použito metod gazometrie a fluorescence.
4.4.1. Měření rychlosti asimilace CO2 Pomocí gazometrické techniky, otevřeným systémem LI-6400 (LI-COR, USA), byla sledována rychlost asimilace CO2 (A), vodivost průduchů (GS), rychlost temnotního dýchání (RD) a intercelulární [CO2] (Ci). Tyto i jiné parametry jsou přístrojem vyhodnocovány na základě změn koncentrace plynů (CO2 a H2O) mezi rostlinným pletivem a okolní atmosférou (Urban a kol., 2007). Koncentrace plynů je určena metodou infračervené analýzy plynů (IRGA). Teplota listu byla v průběhu všech měření udržována mezi 23 až 25 °C. Přístroj LI-6400 patří v současné době mezi nejpoužívanější gazometrické systémy v ekofyziologii rostlin.
4.4.2. Popis přístroje LI-6400
LI-6400 je otevřený systém, což znamená, že měření fotosyntézy a transpirace je založeno na rozdílu koncentrací CO2 a H2O v proudu vzduchu, který prochází asimilační komorou.
LI-6400 má na rozdíl od tradičních otevřených systémů analyzátory plynů umístěny v těsné blízkosti asimilační komůrky. Tím se eliminují časové prodlevy a umožňuje se stanovení rychlých změn rychlosti fixace CO2 listem. Standardní součásti přístroje jsou: Konzola (řídící jednotka), snímací hlavice a propojovací kabel (Obr. 4.3.a). Mezi volitelné součásti patří například CO2 mixér, zdroj světla s LED diodami, válcová komora pro jehličnany, PAM 2000 adaptér a další. Řídící jednotka je opatřená klávesnicí a LCD obrazovkou. Na pravé straně řídící jednotky je umístěn konektor na propojení s hlavicí a místo pro vložení baterií. Na levé straně jsou tuby s desikantem (řídí koncentraci vodní páry pomocí vazby na CaSO4 )
28
Obr. 4.2: Schéma průtoku vzduchu v LI-6400 s použitím CO2 mixéru. Vzduch je nasáván membránovou pumpou z atmosféry. Desikant (CaSO4) a scrubr (Na2CO3 ) zbaví přicházející vzduch vodní páry a CO2. Následně je upraven pomocí externího CO2 mixéru na stabilní požadované množství plynů.
a scrubrem (oxid uhličitý je vázán Na2CO3). Dále se zde nachází volitelný zdroj CO2. Snímací hlavice se skládá z asimilační komory, odpružené rukojeti, dvou Peltierových termoelektrických chladičů, analytického a referenčního analyzátoru plynů.
Tlak uvnitř asimilační komory je mírně vyšší než v okolním prostředí, aby se zajistilo, že venkovní vzduch nevstoupí dovnitř asimilační komory a neovlivní [CO2] a [H2O]. Difuse po tlakovém spádu ven z komory je omezena černým neoprénovým těsněním, které má nejmenší propustnost CO2.
29
Obr. 4.3a
Obr. 4.3.b
Obr. 4.3a: Přístroj LI-6400, Obr 4.3b: Senzorická hlavice s LCF (leaf chamber fluorometer)-převzato z manuálu.
Teplota listu je měřena termočlánky umístěnými ve spodní části asimilační komory. Sestava kabelů obsahuje dva elektrické kabely a dvě hadice na proudění vzduchu. Spojuje řídící jednotku a snímací hlavici. 4.4.3. Popis vlastního měření
Pro experiment byly použity větve stromů se stinnými nebo slunnými listy, které byly ihned po provedení řezu přesunuty do nádoby s vodou, aby nedošlo k embolii v xylému. Za experimentálních podmínek nebyly zjištěny rozdíly v rychlosti asimilace CO2 (A) ani ve stomatální vodivosti (GS) mezi takto oddělenými větvemi a větvemi ponechanými na stromě. Pro každou variantu rostlinný druh plus stinný nebo slunný list bylo provedeno 4 až 6 měření.
Na listy byly aplikovány dva měřící protokoly, pomocí kterých byla studována odezva fotosyntézy na modelový dynamický světelný režim (kap. 4.4.3.1) a změnu [CO2] v rovnovážných podmínkách (kap. 4.4.3.2).
30
4.4.3.1.
Dynamický světelný režim
Měření probíhalo v čase od 8 hodin dopoledne do 16 hodin odpoledne. Vybrané listy byly vystaveny působení zjednodušeného modelového dynamického světelného režimu. Průběh modelového dynamického světelného režimu je zachycen na Obr. 4.4. Intenzita radiace byla měněna za pomocí LED zdroje světla LI-6400-02B (LI-COR, USA).
V první fázi měření byly listy po dobu cca 30 min vystaveny nízké intenzitě světla (50 µmol m-2 s-1), tak aby došlo ke sjednocení výchozího stavu všech listů. Během posledních 12 min této periody byly listy uzavřeny do asimilační komůrky a započalo měření gazometrických a fluorescenčních parametrů. Poté následovala perioda o vysoké intenzitě světla 1150 µmol(fotonů)m-2 s-1 po dobu 40 min. Perioda nízkých intenzit světla byla postupně prodlužována a činila 2, 6 a finálně 9 min. Tyto intervaly jsou odděleny periodou o vysoké (saturační) intenzitě světla (15 min). Za tuto dobu dosáhne list maximální rychlosti asimilace.
Obr. 4.4: Schéma měřícího protokolu simulujícího zjednodušený dynamický světelný režim. Gazometrické parametry (tj. rychlost asimilace CO2 a stomatální vodivost) byly automaticky ukládány v intervalu 10 s. Čárky značí intervaly měření fluorescenčních parametrů Fm´(maximální fluorescence listu ve světelně adaptovaném stavu), F0´ (minimální výtěžek
Chl-F ve světelně adaptovaném stavu) a Fs (intenzita fluorescence v ustáleném stavu). Gazometrický přístroj zaznamenával vybrané fotosyntetické parametry automaticky v intervalu 10 s. Fluorescenční parametry byly zaznamenávány v pravidelných
31
intervalech podle schématu (Obr. 4.4). Měření proběhlo za konstantní [CO2] (375 ± 5 µmol mol-1), vlhkosti vzduchu (60 %) a teplotě listu (23 – 25 C). Průtok vzduchu přes asimilační komoru byl udržován na 500 µmol s-1.
4.4.3.2.
A/Ci křivka
V druhé fázi experimentu byla zjišťována odezva rostlin na změnu [CO2] (tzv. CO2 křivka fotosyntézy, A/Ci). A/Ci křivka vyjadřuje závislost rychlosti asimilace CO2 na jeho [CO2] (konkrétně intercelulární koncentraci). Měření CO2 křivek bylo prováděno při daných hodnotách [CO2] (1500, 700, 380, 250, 100 µmol(CO2) mol-1). Adaptace listů na změnu koncentrace trvala 5 až 8 min. Získané hodnoty rychlosti asimilace CO2 při daných koncentracích CO2 byly použity pro vypočítání řady fotosyntetických parametrů pomocí programu PhotosynAssistant ver. 1.1.2 (Dundee Scientific, Anglie).
Tento program vychází z matematického modelu fotosyntézy, který publikovali Farquhar a Caemmererová (1980). V rámci diplomové práce jsem se zaměřila na tyto důležité fotosyntetické parametry - rychlost asimilace CO2 při saturačním ozáření a saturační [CO2] (Asat), maximální rychlost karboxylace Rubisco in vivo (VCmax), maximální rychlosti elektronového transportu (Jmax). Při intercelulární [CO2] do ca 300 µmol(CO2) mol-1 lze rychlost asimilace CO2 vypočítat pomocí rovnice:
Vc max Ci 0,5O A = 1 − − Rs τCi [Ci + Kc (1 + O / Ko)]
(4.1)
kde A - rychlost asimilace CO2 [µmol(CO2) m-2 s-1], O - intercelulární [O2] [µmol(O2) mol-1], τ - specifitní faktor pro distribuci RuBP mezi CO2 a O2 (bezrozměrný), Kc a Ko konstanty Michaelis-Mentenové pro karboxylaci a oxygenaci Rubisco (bezrozměrné), Ci - [CO2] [µmol(CO2) mol-1], VCmax - maximální rychlost karboxylace při limitaci množstvím aktivních míst Rubisco [µmol(CO2) m-2 s-1], RS – rychlost výdeje CO2 na
32
světle v atmosféře o nulové [CO2] [µmol(CO2) m-2 s-1]. Parametry kinetiky Rubisco (Kc, Ko, τ) byly přepočteny na aktuální teplotu listů (letorostů) podle rovnic, které uvádí Harley a Baldocchi (1995). Při intercelulárních koncentracích CO2 vyšších než 300 µmol(CO2) mol-1 je rychlost asimilace CO2 dána rovnicí:
0,5O JCi A = 1 − ⋅ − Rd τCi 4(Ci + O / τ J =
(4.2)
αPPFD αPPFD 1+ J max
(4.3) 2
Kde J je potenciální rychlost elektronového transportu [µmol(elektronů)m2s-1]; Jmax je rychlost přenosu elektronů při saturaci ozářeností [µmol(elektronů)m2s-1];α je účinnost přeměny energie dopadajícího záření a PPFD je aktuální intenzita dopadajícího záření [µmol(fotonů)m2s-1].
4.4.4. Analýza dat
Naměřené hodnoty A a Gs byly proloženy sigmoidální křivkou pomocí metody nejmenších čtverců podle Zipperen a Press 1997.
A(Gs ) =
min − max t 1− i
s
+ max
(4.4)
kde A je rychlost asimilace; GS vodivost průduchů; min je asymptotické minimum A nebo GS před osvětlením listu; max je asymptotické maximum A nebo GS dosažené během periody saturačního světla; t je čas; i je hodnota asimilace v inflexním bodě; s je směrnice křivky.
33
Čas potřebný k dosažení 90 % indukce A a Gs byl získán z fotosyntetických indukčních křivek pomocí následující rovnice (4.5), kde x je 90 % Amax nebo 90 % Gs max. Procento rychlosti asimilace CO2 (IS60) z Amax dosažené 60s po osvětlení saturačním světlem bylo vypočteno podle Chazdon a Pearcy (1986) z rovnice (4.6).
1/ s
x − A min T 90( A) = i A max − x
IS 60( A) =
(4.5)
A60 − A min A max − A min
* 100 (4.6)
Analogickým postupem lze stanovit parametry T50 – čas potřebný k dosažení 50 % Amax a IS120 – indukční stav 120 s po osvětlení saturační intenzitou světla vyjádřeného jako procento Amax. Tyto parametry se v literatuře také používají.
4.4.5. Měření fluorescence
V experimentu byl použit nezobrazovací fluorometr LCF (leaf chamber fluorometer) model 6400-40 (LI-COR, USA) (Obr. 4.3.b). Původní záměr užití zobrazovacího kinetického fluorescenčního systému FluorCam (PSI, ČR) byl na začátku experimentu přehodnocen,
protože
bylo
vhodnější
pro
daný typ
měření
použít
výhod
kombinovatelnosti fluormetru LCF a gazometrického přístroje LI-6400.
Fluorometr je připojen k senzorické hlavici LI-6400 a umožňuje tak současné měření plynové výměny i fluorescence. Jedná se o fluorometr s pulzní amplitudovou modulací (PAM). Sestává se z řady LED diod: 3 modré (470 nm), 1 far-red (740nm) a ostatní červené (kolem 630nm) a dvou detektorů (aktinický a fluorescenční). Modré a červené LED, v poměru intenzit 30:70, byly použity pro generování aktinického světla intenzity 50, respektive 1150 µmol(fotonů) m-2 s-1. Pokud se používá ve spojení s LI-6400, fluorescence a výměna plynu se měří na kruhové listové ploše o rozměru 2,5 cm2.
34
Lze rozlišit dva základní typy fluorometrů, tzv. nezobrazovací a zobrazovací fluorometry. Nezobrazovací fluorometry integrují fluorescenční signál z celého měřeného vzorku (např. list) a výstupem měření je jediná fluorescenční indukční křivka nebo soubor fluorescenčních parametrů pro daný vzorek. Lze jimi měřit velmi rychlé procesy světelných fází fotosyntézy probíhajících na tylakoidní membráně.
V posledních letech se technika chlorofylové fluorescence stala všudypřítomnou v ekofyziologických studiích. Žádný experiment zjišťování výtěžku fotosyntézy v polních podmínkách se nezdá být kompletní bez nějakých fluorescenčních dat. Tento trend podpořil představení velkého množství uživatelsky přátelských a přenosných chlorofylových fluorometrů (Maxwell a Johnson 2000).
Zjednodušený princip vzniku chlorofylové fluorescence v listech rostlin je následující: Kvantum světla je pohlcené molekulou chlorofylu. Jeho energie se transformuje na valenční elektrony chlorofylu a zvýší jejich excitovaný stav. Elektrony uvolní energii jednou ze tří cest a rychle se vrátí na původní úroveň. Energie elektronů může být využita vyzářením fluorescencí, tepelnou disipací nebo na fotochemii fotosyntézy.
Tyto tři procesy si navzájem konkurují, pokles zastoupení jakéhokoli z těchto neexcitačních procesů se projeví vzrůstem zastoupení jiného (Govindjee 1995). V normálním stavu rostliny rozdělují energii do jednotlivých složek tak, že fotosyntetická složka má cca 80 – 90 % energie, tepelná disipace cca 5 – 15 % a fluorescence pouze 0,5 – 2 % (Lichtenthaler 1996).
Aktuální hodnota fluorescence (FS) byla stanovována v intervalu 1 min pomocí krátkých záblesků měřícího světla (délka pulsu 10 µs, intenzita 0,003 µmol(fotonů) m–2 s–1), generovaných červenými LED (630 nm).
Ve vybraných časech (viz. Obr. 4.4) byly pomocí modrých LED (470 nm) aplikovány saturační pulsy (délka 0,8 s, intenzita 6000 µmol(fotonů) m–2 s–1), které umožnily stanovení maximální hodnoty fluorescence u listů adaptovaných na světlo (Fm´). Získané fluorescenční parametry umožnily následný výpočet kvantového výtěžku fotosystému II (ΦPSII) a rychlosti elektronového transportu (ETR) dle rovnic (Maxwell a Johnson 2000):
35
Φ PSII =
Fm´ − FS Fm ´
Fm´ − FS ETR = Fm´
=
∆F Fm ´
,
(4.7)
0,5PPFDα leaf
(4.8)
Kde FS je aktuální hodnota fluorescence emitovaná listem při dané ozářenosti [r.j.], Fm´ je maximální hodnota fluorescence emitovaná listem adaptovaným na světlo během saturačního pulsu [r.j.], PPFD je intenzita dopadající fotosynteticky aktivní radiace (aktinické světlo)[ µmol(fotonů)m2s-1], αleaf reprezentuje absorptanci dopadajícího záření studovaným listem (0,82) a faktor 0,5 předpokládá rovnoměrnou distribuci excitací mezi oba fotosynstémy (PS II a PS I).
4.4.6. Statistické zpracování dat
Pro porovnání statisticky významných rozdílů naměřených dat mezi druhy stromů, slunnými a stinnými listy a AC a EC variantami byl použit Levenův test pro zjištění homogenity rozptylu a dále jednofaktorová ANOVA. Přestože počet opakování byl relativně malý (N = 5), bylo předpokládáno normální rozložení dat. Rozdíly mezi AC a EC variantami byly testovány na hladinách významnosti p = 0,05 a 0,01.
36
5.
VÝSLEDKY
5.1. Měření parametrů fotosyntézy v ustáleném stavu 5.1.1. CO2 křivky asimilace Získané hodnoty rychlosti asimilace CO2 při daných [CO2] byly použity pro výpočet fotosyntetických parametrů Asat [µmol(CO2) m-2 s-1], Jmax [µmol(elektronů)m2s-1] a VCmax [µmol(CO2) m-2 s-1] pomocí programu PhotosynAssistant ver. 1.1.2 (Dundee Scientific, Anglie).
Všechny studované druhy prokázaly nižší rychlost CO2 saturovné asimilace (Asat) u stinných listů (Obr. 5.1). Rozdíly mezi stinným a slunným listem byly statisticky vysoce průkazné pro buk, smrk a lípu. U buku lesního byly pozorovány největší hodnoty Asat ze všech měřených druhů a zároveň i největší rozdíly mezi slunným a stinným listem (57% pokles u stinných listů). Nejmenší rozdíly mezi slunným a stinným listem se objevily u světlomilné moruše. Z porovnání dřevin pěstovaných v AC a EC podmínkách (Obr. 5.2) vyplývá, že zvýšená [CO2] měla pro Asat opačný trend u buku než u smrku. Zatímco u buku došlo v EC variantě k statisticky vysoce průkaznému poklesu Asat o 19,5 %, u smrku se objevil mírný nárůst (o .17,1 %). Maximální rychlost elektronového transportu (Jmax) kopírovala výsledky saturační rychlosti asimilace Asat, což odpovídá teorii, protože asimilační kapacita je primárně limitovaná rychlostí regenerace RuBP. V porovnání slunných a stinných listů stromů byly statisticky průkazné rozdíly u buku, smrku a lípy (Obr. 5.3). Největší rozdíl v hodnotách Jmax u slunných a stinných listů byl opět zjištěn pro buk, kde pokles u stinných listů činil 59 % v porovnání s hodnotami u stinného listu. U všech dřevin kromě moruše se projevil pokles hodnot pro stinné listy.
37
Obr. 5.1 : Rychlost asimilace CO2 při saturačním ozáření a saturační [CO2] (Asat). Srovnání slunných stinných listů, sledované u buku lesního, smrku ztepilého,lípy srdčité a moruše bílé. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
Obr. 5.2 : Rychlost asimilace CO2 při saturačním ozáření a saturační [CO2] (Asat). Srovnání normální a zvýšené [CO2] sledované u buku lesního, smrku ztepilého. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
Stejný trend jako u Asat se prokázal i pro rozdíly mezi AC a EC variantou u buku a smrku (Obr. 5.4). Hodnoty u buku byly statisticky průkazně nižší při EC o 23 %, zatímco u smrku narostly o 65 %.
38
Obr. 5.3.: Maximální rychlosti elektronového transportu (Jmax). Srovnání slunný/stinný list sledované u buku lesního, smrku ztepilého,lípy srdčité a moruše bílé. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05, *: :p < 0,05;** p<0,01); n = 5.
Obr. 5.4.: Maximální rychlosti elektronového transportu (Jmax). Srovnání normální a zvýšené [CO2] u listu buku lesního a smrku ztepilého. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
Maximální rychlost karboxylace Rubisco in vivo VCmax byla u všech stinných listů studovaných dřevin nižší. Rozdíly mezi slunným a stinným listem byly statisticky průkazné pro buk, smrk a lípu (Obr. 5.5). Největší rozdíl mezi stinným a slunným
39
listem, stejně jako u Asat a Jmax byl u buku lesního (62% pokles oproti slunným listům). Zvýšená [CO2] způsobila shodně pokles VCmax u smrku i buku. U EC varianty se objevil pro smrk a buk pokles o 10,4 % respektive 19 % (Obr. 5.6).
Obr. 5.5.: Maximální rychlost karboxylace Rubisco in vivo (VCmax). Srovnání slunný/stinný list sledované u buku lesního, smrku ztepilého, lípy srdčité a moruše bílé. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p>0,05; *: p<0,05;**: p<0,01); n = 5.
Obr. 5.6: Maximální rychlost karboxylace Rubisco in vivo (VCmax). Srovnání normální a zvýšené [CO2] u listu buku lesního a smrku ztepilého. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n=5.
40
Analýza CO2 křivek smrku odhalila, že růst rostlin ve zvýšené [CO2] se projeví aklimací fotosyntetického aparátu. U smrku ztepilého došlo k poklesu maximální rychlosti karboxylace Rubisco in vivo VCmax a zároveň vzestupu v maximální rychlosti elektronového transportu J max. Podíl Jmax/VCmax byl stabilní u všech druhů v rozmezí 2 – 3. Smrk, moruše i buk měly vyšší hodnoty tohoto parametru u stinných listů. Poměr Jmax/VCmax byl přibližně stejný pro slunné i stinné listy lípy. Z porovnání parametru pro AC a EC listů buku a smrku vyplývá nárust o 85 % u EC listů smrku a pokles 5,5 % u buku. V obou případech byl ale rozdíl statisticky neprůkazný.
5.2. Měření parametrů fotosyntézy v DSR 5.2.1.
Gazometrické parametry
Při porovnání vývoje indukčního stavu 60 s (IS60) a 120 s (IS120) po ozáření saturačním světlem po různě dlouhé době zastínění (2 min, 6 min, 12 min a >30 min) (Obr. 5.7) byl pozorován kontinuální pokles indukčních stavů u buku a moruše pro stinné i slunné listy a u smrku pro slunné listy u obou zmiňovaných parametrů. Analýza vývoje IS60 po různě dlouhé aklimaci na stín u lípy a smrku ukázala mírný vzestup indukce v porovnání IS60 po 2 a 6 min zastínění u slunného i stinného listu lípy a v porovnání IS60 po 6 a 12 min u stinného listu smrku. Celkově došlo k největším rozdílům v indukci mezi hodnotami IS60 po 12 min a IS60 při počáteční periodě nízkého světla >30 min. V porovnání mezi slunnými a stinnými listy (Obr. 5.8) byly naměřeny vyšší indukční stavy u slunných listů po 2 min zastínění u všech studovaných dřevin. Po >30 min zastínění byly naměřeny nižší IS60 u slunných listů buku, lípy a smrku. U moruše, která vykázala největší pokles indukce s prodlužující se dobou stínu u stinných listů – 79,5 % (ze srovnání IS60 po 2 min a 30 min zastínění), byl indukční stav po >30 min vyšší pro slunné listy oproti stinným o 32,5 % (statisticky neprůkazné). Parametr IS120 se svým chováním příliš nelišil od parametru IS60, a proto nebyl ve výsledcích hodnocen.
41
Obr. 5.7 : Průběh indukčního stavu 60 s IS60 a 120 s IS120 po ozářením saturačním světlem u všech sledovaných druhů stromů pro slunný a stinný list v závislosti na prodlužující se délce stínu. Znázorněny jsou průměrné hodnoty po 2, 6, 12 a >30 min stínu se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
Při vystavení buku a smrku zvýšené [CO2] klesalo IS60 s prodlužující se délkou předcházejícího zastínění u AC i EC varianty buku i smrku (Obr. 5.9). U buku byly indukční stavy ve všech fázích délky zastínění nižší pro EC variantu. U smrku se projevila vyšší indukce u AC varianty mezi 12 min a >30 min zastíněním.
42
Obr. 5.8: Průběh indukčního stavu 60 s po ozářením saturačním světlem IS60 u všech sledovaných druhů stromů pro slunný a stinný list v závislosti na prodlužující se délce stínu. Znázorněny jsou průměrné hodnoty po 2, 6, 12 a >30 min stínu se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
Obr. 5.9: Průběh indukčního stavu 60 s po ozářením saturačním světlem IS60 při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-) CO2 pro smrk a buk v závislosti na prodlužující se délce zastínění . Znázorněny jsou průměrné hodnoty po 2, 6, 12 a >30 min stínu se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
43
Parametr T90(A), představující dobu potřebnou k dosažení 90 % maximální asimilace, charakterizuje druhou fázi fotosyntetické indukce, která je primárně limitovaná rychlostí otevírání průduchů. Čas dosažení 90 % maximální rychlosti asimilace Amax (rychlost asimilace CO2 při saturační ozářenosti a růstové [CO2]) se prodlužoval u stinných i slunných listů buku a moruše s prodlužující se délkou zastínění, která předcházela saturačnímu světlu (Obr. 5.10). Rozdílné chování vykázaly smrk a lípa. Slunné listy smrku měly dobu dosažení 90 % Amax kratší po 6 min aklimace na stín než po 2 min stínu. Parametr T90 stinných i slunných listů lípy byl po 2 min stínu delší než po 6 min. Nejrychlejší indukce dosáhly po 2 min stínu slunné listy moruše (21 s), nejpomalejší T90 byla naměřena pro stinné listy smrku po >30 min (29 min).
Obr. 5.10: Čas dosažení 90 % indukce T9 0u všech sledovaných druhů stromů pro slunný a stinný list v závislosti na prodlužující se délce stínu . Znázorněny jsou průměrné hodnoty po 2, 6, 12 a >30 min stínu se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
Obr. 5.11 srovnává změnu T90 provázející zvýšenou [CO2]. Doba 90 % asimilace se prodlužovala u smrku i buku s prodlužující se délkou zastínění u AC i EC varianty. Celkově lze shrnout, že zatímco po 2 a 6 min zastínění byla doba 90 % asimilace kratší 44
při přirozené [CO2], po 12 a 30 min zastínění u smrku a 30 min zastínění u buku bylo T90 při zvýšené [CO2] nižší (11 – 10,5 min u buku a 15,5 – 2.5 min u smrku).
Obr. 5.11: Čas dosažení 90 % indukce T90 při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) CO2 pro smrk a buk v závislosti na prodlužující se délce stínu. Znázorněny jsou průměrné hodnoty po 2, 6, 12 a >30 min stínu se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5
Rychlost otvírání průduchů po ozáření listu byla vypočítána jako sklon lineární části indukční křivky vodivosti průduchů GS (Obr. 5.12). Nejvyšší rychlost otvírání průduchů byla naměřena pro slunné listy buku lesního − 9,5 mmol(H2O)m-2 s-1 min-1. Naopak nejpomalejší otvírání průduchů − 2,3 mmol(H2O) m-2 s-1 min-1 bylo zaznamenáno u stinných listů smrku. V porovnání mezi slunným a stinným listem druhů nebyly patrné statisticky průkazné rozdíly v tomto parametru.
Naměřená data stomatální vodivosti z roku 2009 byla pro srovnání AC a EC varianty použita jen pro buk lesní. Data smrku byla po zpracování vyřazena, protože při měření došlo pravděpodobně k přístrojové chybě a data nešla interpretovat. Pro druhové srovnání uvádím výsledky dřívějších experimentů získané z publikace Košvancová a kol. (2009).
Rozdíl rychlosti otvírání průduchů, v důsledku zvýšení intenzity dopadajícího světla, byl vyšší u EC rostlin buku. U smrku byla rychlost světlem indukovaného otevírání průduchů v EC variantě pomalejší v porovnání s variantou AC (Obr. 5.13).
45
Obr. 5.12: Rychlost otevírání průduchů rostlin aklimatizovaných na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání
pro stinné a slunné listy
pozorovaných dřevin. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
Obr. 5.13: Rychlosti otevírání průduchů listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání -1
při běžné [CO2]
-1
(375 µmol(CO2) mol ) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol ) pro smrk a buk. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
46
Dalším sledovaným parametrem bylo časové zpoždění otevírání průduchů, tj. časový interval od okamžiku vystavení listů vysoké ozářenosti do okamžiku, kdy došlo ke zřetelnému otevírání průduchů (Obr. 5.14). Časové zpoždění otvírání průduchů se projevilo nejvíce u slunných listů moruše (14,5 min), nejmenší zpoždění pak vykázal buk: 2,4 a 3,4 min u stinných respektive slunných listů.
Mezi AC a EC variantou došlo k většímu zpoždění (statisticky neprůkazné) otvírání průduchů při zvýšené [CO2] u buku i u smrku (Obr. 5.15).
Obr. 5.14: Časové zpoždění otevření průduchů listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání pro stinné a slunné listy pozorovaných dřevin. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky) .V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
47
Obr. 5.15: Časové zpoždění otevření průduchů listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání. při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) pro smrk a buk. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
5.2.2.
Fluorescenční parametry
V rámci diplomové práce byly zpracovány pouze dva parametry z indukční křivky ETR. Vyhodnocovala se maximální (světlem saturovaná) rychlost elektronového transportu v plně indukovaném stavu (ETRmax) a počáteční sklon indukční křivky. Tato směrnice udává účinnost indukce elektronového transportu.
Prezentované hodnoty byly stanoveny z indukčních křivek naměřených na listech, které byly adaptované na nízkou ozářenost (50 µmol m-2 s-1) po dobu cca 30 min. V ostatních fázích experimentu došlo k velmi rychlé indukci ETR, kdy již po 1 min, kdy byly listy rostlin vystaveny zpět vysoké ozářenosti, došlo k plné indukci – dosažení 100 % maximální hodnoty ETR.
Statistická vyhodnocení průkaznosti a směrodatné odchylky parametrů ETRmax a αETR nebyly vyhodnoceny z důvodu, že se křivka induce fitovala za použití průměrných hodnot. Tudíž každá skupina měření (slunný/stinný, AC/EC) obsahuje jen jeden prvek.
48
Na Obr. 5.16 jsou znázorněny indukční křivky rychlosti transportu elektronů (ETR), měřené pomocí fluorescenční techniky, po vystavení listů rostlin vysoké, saturační ozářenosti. Z grafu je patrné, že vývoj indukce se výrazně lišil mezi slunným a stinným listem.
Obr. 5.16: Indukční křivky ETR u slunného a stinného listu pozorovaných dřevin v závislosti na čase. Znázorněny jsou průměrné hodnoty se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
Zvýšená [CO2] celkově podpořila rychlost elektronového transportu u obou sledovaných druhů (Obr. 5.17).
49
Obr. 5.17 Indukční křivky ETR listů buku a smrku pozorovaných při při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) v závislosti na čase. Znázorněny jsou průměrné hodnoty se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO2] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5.
Maximální rychlosti elektronového transportu ETRmax byly pro všechny druhy stromů u slunných listů vyšší (Obr 5.18). Největší změny zaznamenaly stínomilné druhy dřevin: buk 68% a lípa 59% pokles v porovnání se slunnými listy. Světlomilné dřeviny vykázaly nižší rozdíly v porovnání slunný/stinný list: smrk – 47% a moruše – 16% snížení ETRmax u stinných listů
Obr. 5.18: Rychlost maximálního elektronového transportu listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání pro stinné a slunné listy pozorovaných dřevin. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce).
50
ETRmax ve zvýšené [CO2] se u studovaných dřevin projevilo opačným trendem (Obr. 5.19). V EC variantě došlo u smrku k 25% zvýšení ETRmax, u buku byly pro EC variantu dosaženy nižší hodnoty o 6 % oproti AC
Obr. 5.19: Rychlost maximálního elektronového transportu listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) pro smrk a buk. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce).
Předpoklad, že rychlost indukce do saturované fáze αETR bude vyšší pro slunné listy se potvrdil u všech dřevin kromě moruše (Obr. 5.20). Nejvyšší hodnoty αETR byly zjištěny u slunných listů buku (0,12 µmol(e-) m-2 s-2). Avšak největší rozdíl mezi slunným a stinným listem vykázala lípa (74% snížení u stinných listů).
Rychlost indukce elektronového transportu αETR byla u smrku i buku vyšší při zvýšené [CO2] (Obr. 5.21). Změna byla patrnější pro smrk (145 %).
51
Obr. 5.20: Směrnice počátečního lineárního stoupání (αETR) listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání pro stinné a slunné pozorovaných dřevin. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce).
Obr. 5.21: Směrnice počátečního lineárního stoupání (αETR) listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) pro smrk a buk. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce).
52
6.
DISKUZE
6.1. Rozdíly mezi slunným a stinným listem 6.1.1. Ustálené světelné podmínky
V rámci diplomové práce byly studovány listy z horních a spodních pater korunové vrstvy, tedy listy adaptované na vysokou a nízkou ozářenost. Zároveň byly k experimentu vybrány stromy s různou tolerancí stínu. Podle Úradníčka (2009) je lípa srdčitá vysoce stínomilná dřevina, buk lesní stínomilná dřevina, smrk ztepilý je světlomilná dřevina, snášející v mládí zástin. Moruše je světlomilná, ale snáší i slabé zastínění. (Fowells a Means 1990).
Tab. 6.1 A: Srovnání fotosyntetických parametrů pro stinné a slunné listy studovaných dřevin (část A: buk a lípa, část B: smrk a moruše) vypočtených z CO2 křivek asimilace (Asat, Jmax, VCmax) a indukčních křivek stanovených po 30 minutách (IS60, T90, αETR, ETRmax), kdy byly studované listy vystaveny nízké ozářenosti (50 µmol m-2 s-1). Jednotlivé parametry jsou popsány v textu (kap. 4.4.3.2, 4.4.4, 4.4.5) a seznamu zkratek. Slunné listy v počtu procent jsou užity jako 100% hodnota.
53
Tab. 6.1 B
Kromě rozdílů ve složení a funkci slunného a stinného asimilačního aparátu, které jsou popsány v kapitolách 3.1.5, 3.2.1 a 3.2.2 a sumarizovaných v Tab. 6.1, se adaptace na rozdílnou intenzitu světla projevuje i změnou morfologických parametrů: Slunné listy mají menší stomata, ale jejich hustota je větší než u stinných listů. Rozdíl je i v uspořádání chloroplastů. Mezi stinnými a slunnými listy je rozdíl také v tloušťce listu a jeho ploše. Zatímco slunné listy jsou silnější a mají menší rozměr než listy stinné, stinné listy jsou větší a tenčí. Specifická listová plocha (SLA), definovaná jako poměr plochy čepele ku hmotnosti sušiny, je větší u stinných listů (Lichtenthaler 1981, Sarijeva a kol. 2007, Lichtenthaler a kol. 2007). Slunné listy v našem případě dosahovaly hodnot SLA v rozmezí 30 – 70 g cm-2, zatímco u stinných listů to bylo 58 – 110 g cm-2.
Na základě studia parametrů CO2 křivky byly zjištěny typické rozdíly pro slunný a stinný asimilační aparát. U stinných listů se objevily nižší Asat (o 57 % u buku, o 43% u lípy, o 28% u smrku, u moruše 1.3 %) (Tab. 6.1 a Obr. 5.1). Také například Šprtová a Marek (1999) pozorovali pokles asimilační kapacity u stinných jehlic smrku ztepilého: o 11% méně v porovnání s listy slunnými. Portes a kol. (2010) uvádí nižší Asat u stinných listů Guazuma ulmifolia a Hymenaea courbaril o 61 % respektive 43 % v porovnání s listy slunnými.
Z teorie CO2 křivky vyplývá, že je rychlost asimilace CO2 limitována dvěma procesy. Při nízkých intercelulárních koncentracích CO2 (do 250 µmol(CO2) mol-1) je limitována především aktivitou Rubisco (VCmax) a při vyšších koncentracích je limitována regenerací RuBP, tedy rychlostí elektronového transportu potřebného pro tvorbu ATP.
54
Tato limitace se dá vyjádřit parametrem Jmax. Změna Asat tedy odpovídá změnám Jmax v porovnání slunný x stinný (Tab. 6.1 a Obr. 5.3). Hodnoty VCmax byly opět nižší u stinných listů dřevin (Tab 6.1 a Obr. 5.5) v porovnání se slunnými. Nižší hodnoty VCmax i Jmax u stinných listů zjistili také jiní autoři u listnatých i jehličnatých druhů dřevin (Šprtová a Marek 1999 u smrku ztepilého, Merilo a kol. 2005, Lichtenthaler a Babani 2004 ).
Funkční rozdíly mezi slunným a stinným listovím ve velké míře souvisí s distribucí dusíku v korunách stromů, která není rovnoměrná (Kull a Niinemets 1998). Mluví se o tzv. vertikálním gradientu dusíku. Ve slunném patře koruny je množství dusíku vyšší než v stinných listech dolního patra. Díky tomu obsahují stinné listy méně dusíku, který jakožto hlavní prvek bílkovin je důležitý také pro stavbu enzymů. Enzym Rubisco obsahuje až 50% dusíku listu (Spreitzer a Salvucci 2002). Menší obsah Rubisco ve stinných listech potom vede k poklesu rychlosti karboxylace VCmax. Podíl Jmax/VCmax byl vyšší u stinných listů (u buku o 8 %, u moruše o 9 %, u smrku o 4 %, u lípy zůstal stejný) (Tab. 6.1). Změna poměru vyjadřuje skutečnost, že stinné listy investují získané asimiláty zejména do tvorby pigmentů a látek podílejících se na elektronovém transportu, tj. primární fázi fotosyntézy, zatímco investice do tvorby Rubisco (klíčový enzym sekundární fáze) je potlačená. U slunných listů je tomu naopak (Lichtenthaler a kol. 2007, Špunda a kol. 1998).
Diferenciace na slunné a stinné patro závisí na celkovém habitu, tvaru koruny, zápoji, pozici stromu. Za jistých okolností nemusí dojít ke zřetelné diferenciaci na slunné a stinné listy. Například Eschenbach (2000) pozorovala, že tato diferenciace neexistuje u Alnus glutinosa. To se projevilo i u námi studované moruše bílé. Z hodnot v tabulce 6.1 lze vyčíst, že u výše uvedených parametrů nenastala u moruše téměř žádná změna.
6.1.2. Dynamické světelné podmínky
Literární přehled v Tabulce 3.1 uvádí široké rozpětí doby indukce charakterizované parametrem T90 od 4 min Lasianthus attenuatus (stín tolerantní tropický keř) do 72 min u slunných listů Acer pseudoplatanus (stín tolerantní dřevina). Doba indukce v tomto
55
experimentu po 30 min zastínění byla 19 – 29 min pro stinné druhy dřevin (buk a lípa) a 21 – 25 min pro slunné druhy dřevin (smrk a moruše) (Obr. 5.10 ).
Z Tabulky 3.1 přehledu parametrů vyplývá, že rozsah hodnot délky indukce je poměrně široký a velmi závisí na konkrétních podmínkách experimentu. Rychlost fotosyntetické indukce obecně závisí: 1) na rostlinné aklimaci na převládající podmínky růstu (podrostní druhy, druhy žijící na lesních mýtinách) (Cao a Booth 2001, Lichtenthaler a Babani 2004), 2) na předcházející světelné historii rostliny, tzn. v jakých radiačních podmínkách se list nacházel před vystavením vysoké ozářenosti, tato světelná historie ovlivňuje rozsah aktivace fotosyntetických enzymů (Han a kol. 1999, Cai a kol., 2005), 3) na ekologických faktorech jako teplota (Küppers a Schneider 1993) a množství vody (Tinoco-Ojanguren a Pearcy 1993, Allen a Pearcy 2000a).
Urban a kol.(2007) například měřili indukci u buku v průběhu noci, tedy na stromech, které byly zcela adaptované na tmu. Za těchto podmínek naměřili T90 20 min pro stinný list a 34 min pro slunný list a IS60 17,5 % u stinných listů buku a 16 % u slunných. Hodnoty T90, pozorované v podmínkách tohoto experimentu, byly pro stinné listy buku po 30 min zastínění 19 min a 25 min pro slunný list (Obr. 5.10). IS60 stinných listů po 30 min zastínění bylo 35 % a 21 % u slunných (Obr. 5.8 b). Rozdílné hodnoty v obou experimentech potvrzují myšlenku, kterou vyslovili Kirschbaum a Laisk (2005). Zjistili totiž, že i velmi nízká ozářenost (menší než 10 µmol m-2 s-1) je schopna udržet asimilační aparát v aktivovaném stavu. Zejména se jedná o udržení vysokého aktivačního stavu enzymu Rubisco. Ve tmě totiž dochází k dekarbamylaci Rubisco, případně taky k navázání nočních inhibitorů (např. karboxy-arabinol-fosfát, RuBP), a tím se tento enzym stává nefunkční. Pro jeho zpětnou karbamylaci je potřeba ATP a změna pH prostředí ve stromatu chloroplastů v důsledku iniciace transportu elektronů. Tím se aktivuje enzym Rubisco aktiváza, který se následně podílí na karbamylaci Rubisco (Spreitzer a Salvuci 2002, Parry a kol. 2008). Proto pozorujeme u rostlin vystavených nízké intenzitě světla vyšší hodnoty IS60 než u rostlin vystavených úplnému zatmění před vlastním měřením. V literatuře se tato skutečnost označuje jako světelná historie rostliny (Han a kol. 1999, Cai a kol. 2005).
Celkově lze shrnout, že deaktivace fotosyntézy probíhá rychleji u stinných listů stín méně tolerantních rostlin. Srovnání indukčních stavů IS60 po 2 min a 30 min zastínění 56
ukázalo pokles indukce u moruše o 79 % a u smrku o 68 %, u stinných listů stín tolerantních druhů pak jen o 61 % u buku a 52 % u lípy (Obr. 5.8).
Stinné listy si zachovaly vyšší indukční stav déle než slunné listy u tří ze čtyř sledovaných druhů, avšak moruše bílá tento trend nepotvrdila, a proto nelze uzavřít, že stinné listy mají celkově vyšší schopnost zachování indukce.
Podle teorie je indukční křivka limitována dvěma základníma procesy: 1) nedostatečnou aktivitou enzymu Rubisco a 2) nedostatečnou stomatální vodivostí. Aktivitu Rubisco popisuje parametr IS60, příp. IS120, a stomatální vodivost parametr T90, příp. T50. Strategie stinných listů je rozdílná u různých druhů dřevin. Toto je patrné i z Tabulky 6.1. U buku došlo u stinných listů po 30 min zastínění k zvýšení indukčního stavu a zároveň se doba indukce zkrátila o 24 %. Lípa vykázala indukční stav vyšší u stinných listů, ale zároveň se doba indukce o 9% prodloužila. Indukční stav po 60 s zůstal u smrku nezměněn, i když T90 vzrostlo u stinných listů o 18%. Moruše měla dokonce nižší indukční stav o 32% v porovnání se slunnými listy, její doba indukce byla však stejná pro oba typy listů.
Naumburg a Elllworth (2000) zaznamenali ve svém experimentu rozdíl v indukční dynamice mezi nahosemennými a krytosemennými dřevinami. Došli k závěru, že nahosemenné dřeviny mají tendenci k delší indukci fotosyntézy než krytosemenné. Při tomto experimentu jsem pozorovala rozdíly v délce indukce mezi jehličnanem a ostatními listnatými stromy (Tab. 6.1, Obr. 5.10). Dříve uvedené tvrzení se však potvdilo jen u stinných jehlic smrku po 30 min zastínění. Doba dosažení plně indukovaného stavu u těchto jehlic byla nejdelší ze všech studovaných druhů. Slunné jehlice smrku tento trend ale nepotvrdily. Z měření fluorescence vyplynulo, že rychlost indukce elektronového transportu (hodnocená jako αETR, Obr. 5.20) byla vždy vyšší u slunných listů v porovnání s listy stinnými. Bai a kol. (2008) naměřil 9% pokles u doby dosažení 90 % maximálního elektronového transportu (T90ETR) při srovnání Fagus Lucida na mýtině a v podrostu. Rychlejší indukce elektronového transportu u slunných listů má potenciální účinek v tom, že chrání rostlinu před fotoinhibičním poškozením. Fotoinhibice jsou změny
57
struktury a funkce fotosyntetického aparátu způsobené zvýšenou ozářeností. Týká se zejména PSII a projevuje se sníženou účinností fotosyntézy (Procházka 1998).
Pokud je rychlost odebírání elektronů z PSII nedostatečná například kvůli zrychleným primárním procesům fotosyntézy, dochází k hromadění produktů, plastochinony a chinony jsou redukovány a neumožní přenos elektronů. Dochází k reakcím mezi oxidovaným chlorofylem P680, redukovaným feofytinem a běžným kyslíkem za vzniku vysoce reaktivního singletního kyslíku. Tento kyslík může poškodit celý elektrotransportní řetězec. (Procházka 1998).
6.2. Vliv koncentrace CO2 6.2.1. Ustálené světelné podmínky
Zvýšená [CO2] vede ke zvýšené rychlosti asimilace CO2 za saturační ozářenosti prakticky u všech druhů rostlin, které vykazují C3 typ fotosyntetické asimilace CO2 (např. Leakey a kol. 2002, Ainsworth a Rogers 2007, Urban 2003, Nátr 2000, Jarvis 1998). Tato stimulace je primárně daná potlačením fotorespirace v důsledku zvýšení poměru mezi koncentrací CO2 a koncentrací O2 v listech. Fotorespirace je proces, ke kterému dochází v důsledku toho, že enzym Rubisco má jak karboxylázovou tak oxygenázovou aktivitu (např. Spreitzer a Salvuci 2002).
Z CO2 křivek asimilace jsem odečetla, že maximální rychlost asimilace při saturační ozářenosti (1150 µmol(foton) m-2 s-1) a růstové [CO2] byla u smrku 9,45 ± 0,69 µmol m-2s-1 v AC variantě (průměr ± standardní odchylka) a 19,48 ± 2,98 µmolm-2s-1 v EC variantě (tj. nárůst o 106 %) a u buku byla rychlost asimilace 14,92 ± 1,69 µmolm-2s-1 v AC a 19,88 ± 3,17 µmolm-2s-1v EC (tj. nárůst o 33 %).
Při dlouhodobém pěstování rostlin ve zvýšené [CO2] může nastat aklimační deprese fotosyntézy (Urban 2003, Ainsworth a Rogers 2007). Ta se projevuje buď snížením asimilační kapacity (Asat) u rostlin pěstovaných v EC oproti variantě AC nebo tak, že rostliny pěstované při zvýšené [CO2] mají při běžné [CO2] (t.j. 385 µmol(CO2) mol-1) nižší rychlost asimilace než rostliny pěstované v přirozené [CO2]. Hodnota asimilační kapacity Asat je limitovaná rychlostí regenerace RuBP − primárního akceptoru CO2.
58
Rychlost regenerace je dána především rychlostí transportu elektronů na tylakoidní membráně (Jmax, Obr. 5.4), která určuje rychlost produkce ATP potřebné k regeneraci RuBP. -1
Tab. 6.2: Srovnání fotosyntetických parametrů při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol )
a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) pro smrk a buk vypočtených z CO2 křivek asimilace (Asat, Jmax, VCmax) a indukčních křivek stanovených po 30 minutách (IS60, T90, αETR, ETRmax), kdy byly studované listy vystaveny nízké ozářenosti (50 µmol m-2 s-1). Jednotlivé parametry jsou popsány v textu (kap. 4.4.3.2, 4.4.4, 4.4.5) a seznamu zkratek. Slunné listy v počtu procent jsou užity jako 100% hodnota.
Hodnota rychlosti asimilace při běžné [CO2] je primárně limitovaná rychlostí karboxylace, kterou zajišťuje enzym Rubisco a je charakterizovaná parametrem VCmax (Farquhar a kol. 1980). Parametry Jmax a VCmax jsou proto vhodnými indikátory změny stavu asimilační aktivity rostlin.
Sage a kol. (1989) a Ainsworth a Rogers (2007) uvádí, že existují tři základní druhy aklimace fotosyntetického aparátu na zvýšenou [CO2]: 1) VCmax zůstane neovlivněné a zároveň se sníží asimilační kapacita Asat, 2) VCmax poklesne a zároveň Asat se nezmění, 3) poklesnou VCmax i Asat. V našem experimentu došlo při vystavení rostlin vyšší [CO2] k druhově specifické odezvě. Zatímco u buku jsem pozorovala pokles obou parametrů Asat i VCmax (Tab. 6.2), u smrku se objevil mírný vzestup Asat, ale zároveň se snížila VCmax (viz také Obr. 5.2, 5.4 a 5.6).
59
Ukazuje se ale, že rovnováha mezi procesy karboxylace a RuBP regenerace není konstantní, ale mění se v průběhu vegetační sezóny (Onoda a kol. 2005). To souvisí s aktivitou uhlíkových sinků (Luo a kol. 1999). V případě nízké aktivity uhlíkového sinku dochází k hromadění asimilátů v listech (dochází ke zvyšování koncentrace tzv. nestrukturních sacharidů) a tyto negativně ovlivňují množství a aktivitu enzymu Rubisco (např. Jensen 2004, Fukayama a kol. 2009).
Aklimace fotosyntézy také závisí na stáří listu a jeho adaptaci ke světelným podmínkám (pozici v korunové vrstvě). Aklimační deprese je častěji pozorována u starších ročníků stálezelených dřevin (Ainsworth a Rogers 2007) a u slunných než stinných listů (např. Del Pozo a kol. 2007, Marek a kol. 2002)
6.2.2. Dynamické světelné podmínky
CO2 se účastní procesu karbamylace, při kterém po ozáření CO2 aktivuje Rubisco za přítomnosti Mg2+ a vytváří z něho pevný aktivovaný komplex. Proces karbamylace je katalyzován enzymem Rubisco aktiváza (Roh 1997). Proto jsme předpokládali, že zvýšená
koncentrace CO2 povede k rychlejší indukci fotosyntézy. Rychlost aktivace Rubisco je lineárně závislá na úrovni intercelulární [CO2] (Ci) během indukce (Wodrow a kol. 1996), což může být vysvětleno 1) požadavkem na CO2 v karbamylační reakci aktivačního procesu a 2) ochrannou rolí CO2 proti vazbě RuBP nebo s nočními inhibitory při dlouhé periodě nízkého světla (von Caemmerer a Quick 2000, Parry a kol. 2008).
Potvrdila to i Košvancová a kol. (2009), která naměřila u obou studovaných druhů vyšší IS60(A) v EC variantě, což je parametr charakterizující iniciální fázi fotosyntetické indukce (Fagus sylvatica: o 100 – 129% a Picea abies o 40 – 108%). Tento experiment proběhl po dlouhodobé aklimaci na tmu (min. 3 h). Výsledky mého měření ale prokázaly vzestup IS60(A) pouze u smrku ztepilého, který se zvýšil o 21% oproti AC variantě po 30 min zastínění (Obr. 5.9). U buku se tento trend neprojevil. Vzhledem k tomu, že experiment byl proveden bez předcházejícího úplného zastínění (rostliny byly vystaveny ozářenosti nižší než 50 µmolm-2s-1), je možné, že byl výsledek ovlivněn designem experimentu.
60
Hodnoty T90 po 12 a 30 min klesly u EC varianty smrku a po 30 min u buku (Tab 2.6 a Obr. 5.11). Výsledky potvrzují předpoklad, že vystavení vyšší [CO2] vede k rychlejší aktivaci fotosyntetického aparátu (Košvancová 2009, Leakey a kol. 2002, Kursar a Coley 1993).
Dřívější sledování deaktivace fotosyntézy prokázaly pomalejší deaktivaci při zvýšené [CO2] (Naumburg a Ellsworth (2000) − po 6 min zastínění, Leakey a kol. (2002) - 5 min zastínění). V tomto experimentu se pomalejší deaktivace při zvýšené [CO2] projevila u smrku. Hodnoty IS60 po 2 min ve srovnání s 30 min zastíněním klesly u AC varianty smrku o 40 %, u EC pak jen o 26 %. (Obr. 5.9). Studované rostliny buku nevykázaly žádné známky pomalejší deaktivace při zvýšené [CO2]. U obou druhů dřevin došlo ke zpoždění otvírání průduchů po vystavení vysoké intenzitě světla (Tab. 6.2, Obr. 5.15) při kultivaci ve zvýšené [CO2] v porovnání s variantou AC, byť tyto rozdíly byly statisticky neprůkazné. Mechanismus zpoždění otevření průduchů při zvýšené [CO2] není doposud uspokojivě vysvětlený (Leakey a kol. 2002). Rychlost otvírání průduchů (Obr. 5.13) se výrazně nezměnila při vyšší [CO2] (Tab. 6.2), což potvrzuje závěr Naumburg a Ellsworth (2000), kteří konstatovali, že rychlost otvírání průduchů není [CO2] ovlivněná. Košvancová a kol. (2009) uvádí, že reakce na EC je druhově specifická a je pravděpodobně způsobená akumulací sacharózy v apoplastech svěracích buněk (Lu a kol. 1997) a schopností rostlin odvádět tyto asimiláty z listu (Luo a kol. 1999).
61
7.
ZÁVĚR
Srovnání účinků DSR na různé druhy dřevin ukázalo, že stín tolerantní druhy buk a lípa dokázaly lépe využít měnící se světelné podmínky, tím, že si delší dobu udržely vyšší indukční stav. Mezi zkoumanými stín tolerantními druhy se objevily rozdílné strategie. Zatímco buk dosáhl po 30 min zastínění velmi rychle indukce a zároveň si udržel déle aktivovaný fotosyntetický aparát, u silně stín tolerantní lípy nedošlo k rychlejší indukci ve stinných listech, i když deaktivace stinných listů byla pomalejší.
Porovnání indukčních charakteristik slunných a stinných listů dřevin nevykázalo jednotný trend. Výrazné rozdíly mezi slunným a stinným listem byly naměřeny u buku. U třech druhů dřevin ze čtyř se projevila pomalejší deaktivace fotosyntetického aparátu u stinných listů než u slunných.
Byl také nalezena nejpomalejší indukce u stinných jehlic smrku po 30 minutách zastínění ve srovnání s hodnotami u stinných listů listnatých dřevin. Tento rozdíl se ale neprojevil mezi slunnými jehlicemi a listy.
Z výsledků měření lze konstatovat, že vyšší [CO2] nemá na využívání dynamického světelného režimu jednoznačný efekt a projevila se jako druhově specifická. Účinek [CO2] se projevil v rychlejší indukci fotosyntézy u obou druhů. Rozdíl se ale ukázal jako statisticky neprůkazný.
62
Seznam použité literatury Ainsworth E.A., Rogers A., 2007 : The response of photosynthesis and stomatal conductance to rising [CO2]: mechanisms and environmental interactions. Plant, Cell and Environment 30, s. 258–270.
Allen M.T., Pearcy R.W., 2000: Stomatal behavior and photosynthetic performance under dynamic light regimes in a seasonally dry tropical rain forest, Oecologia 122, s. 470–478. Bai K., Liao D., Jiang D. ,Cao K., 2008 :Photosynthetic induction in leaves of cooccurring Fagus lucida and Castanopsis lamontii saplings grown in contrasting light environments. Trees: Stucture and Function 22, s. 449–462.
Bjırkman O., 1981 : Responses to different quantum flux densities. Encyclopedia of plant physiology, Springer-Verlag, Berlin, s. 57-107.
Bjırkman O., Ludlow M.M., 1972:Characterization of the light¨climate on the floor of a Queensland rainforest. Camegie InstWashington Year Book 71, s.85-94.
Boardman N. K., 1977: Comparative photosynthesis of sun and shade plants. Annual Review of Plant Physiology 28, s. 355-77.
Brodersen C.R., Vogelmann T.C., Williams W.E., Gorton H.L., 2008: A new paradigm in leaf-level photosynthesis: direct and diffuse lights are not equal. Plant, Cell and Environment 31, s. 159-164.
Cai Z.Q., Cao K.F., Zheng L., 2003: Photosynthetic induction in seedlings of six tropical rainforest tree species. cta Phytoecology Sinica 27(5), s. 617–623.
Cai Z.Q., Rijkers T., Bongers F., 2005 : Photosynthetic acclimation to light changes in tropical monsoon forest woody species differing in adult stature. Tree Physiology 25, s. 1023–1031.
63
Cao K.F., Booth E.B., 2001: Leaf anatomical structure and photosynthetic induction for saplings of five dipterocarp species under contrasting light conditions in a Bornean heath forest. Journal of Tropical Ecology 17, s. 163–175.
Chazdon R.L., Pearcy R.W., 1986 :Photosynthetic responses to light variation in rainforest species. I. Induction under constant and fluctuating light conditions. Oecologia 69, s. 517–523.
Chazdon R.L., Pearcy R.W., 1991: The importance of sunflecks for forest understory plants. BioScience 41, s. 760-766.
Chazdon, R.L., 1988 :Sunflecks and their importance to forest understory plants. Advanced Ecology 18, s. 1-63.
Eschenbach Ch., 2000: The effect of light acclimation of single leaves on whole tree growth and competition - an application of the tree growth model ALMIS, Annals of Forest. Science. 57, s. 599-609.
Farquhar G.D., von Caemmerer S., Berry J.A., 1980: A biochemical model of photosynthetic CO2 assimilation in leaves of C3 species. Planta 149, s. 78–90.
Fowells H.A., Means, J.E., 1990: The tree and its environment. Silvics of North America
2, Hardwoods. Agriculture Handbook 654, U.S. Forest Service, USDA,
Washington, DC. 11s
Fukayama H., Fukuda T., Masumoto C., Taniguchi Y., Sakai H., Cheng W.G., Hasegawa T., Miyao M., 2009: Rice plant response to long term CO2 enrichment: Gene expression profiling. Plant Science 177, s. 203–210.
Govindjee, 1995: Sixty-three Years since Kautsky: Chlorophyll a Fluorescence. Australian Journal of Plant Physiology 22, s. 131-160.
64
Gu L., Baldocchi D.D.,Wofsy S.C., Munger J.W.,Michalsky J.J., Urbanski S.P., Boden T.A., 2003: Response of a Deciduous Forest to the Mount Pinatubo Eruption: Enhanced Photosynthesis, Science, 299, s. 2035–2038.
Hall D.O, 1993 :Photosynthesis and production in a changing environment:a field and laboratory manual.Chapman & Hall, London, ISBN 0412429004
Harley P.C., Baldochi D.D., 1995: Scaling carbon dioxide and water vapour exchange from leaf to canopy in a deciduous forest. I. Leaf model parametrization, Plant, Cell and Environment 18, s. 1146–1156.
Jarvis A.J., 1998: European Forests and Global changes. Cambridge University Press, ISBN 0-521-58478-7, 380s.
Jensen R.G., 2004: Activation of Rubisco controls CO2 assimilation in light: a perspective on its discovery. Photosynthesis Research 82, s. 187–193.
Johnson D.M., Smith W.K., 2006:Low clouds and cloud immersion enhance photosynthesis in understory species of a southern Appalachian spruce-fir forest. American Journal of Botany 93, s. 1625-1632.
Kirschbaum M.U.F., Oja V., Laisk A., 2005: The quantum yield of CO2 fixation is reduced for several minutes after prior exposure to darkness. Exploration of the underlying causes. Plant Biology 7, s. 58–66.
Knapp A.K., Smith W.K., 1987: Stomatal and photosynthetic responses during sun/shade transitions in subalpine plants: influence on water use efficiency. Planta 74, s. 62-67.
Košvancová M.,Urban O., Šprtová M.,Hrstka M., Kalina J., Tomášková I., Špunda V., Marek M.V., 2009: Photosynthetic induction in broadleaved Fagus sylvatica and coniferous Picea abies cultivated under ambient and elevated CO2 concentrations. Plant Science 177 (2), s. 123-130.
65
Kull O., Niinemets U., 1998: Distribution of leaf photosynthetic properties in tree canopies: comparison of species with different shade tolerance. Functional Ecoligy 12, s. 472–479.
Küppers M., Schneider H., 1993: Leaf gas exchange of beech (Fagus sylvatica L.) seedlings in lightflecks: effects of fleck length and leaf temperature in leaves grown in deep and partial shade, Trees 7, s. 160-168.
Kursar T.A., Coley P.D., 1993: Photosynthetic induction times in shade tolerant species with long and short-lived leaves, Oecologia 93(2), s. 165-170.
Laisk A., Oja V., Kiirats O., 1984: Assimilatory power (post-illumination CO2 uptake) in leaves - measurement, environmental dependencies and kinetic properties. Plant Physiology 76, s. 723-729.
Lambers H. , Chapin F.S. III , Pons T.L. , 2008: Plant Physiological Ecology. Springer New York, s. 375-442.
Larcher W.1988: Fyziologická ekologie rostlin. Academia, Praha, 368 s.
Leakey A.D.B., Press M.C., Scholes J.D., Watling J.R., 2002: Relative enhancement of photosynthesis and growth at elevated CO2 is greater under sunflecks than uniform irradiance in a tropical rain forest tree seedling. Plant, Cell and Environment 25, s. 1701–1704.
Leakey A.D.B., Scholes J.D., Press M.C., 2005: Physiological and ecological significance of sunflecks for dipterocarp seedlings. Journal of Experimental Botany 56, (411), s.469-482.
Lichtenthaler H.K., 1981: Adaptation of leaves and chloroplasts to high quanta fluence rates.Photosynthesis VI, Philadelphia, s. 273–287.
Lichtenthaler H.K., 1996: Vegetation stress: an introduction to the stress concept in plants. Journal of Plant Physiology 148, s. 4–14.
66
Lichtenthaler H.K., Ač A., Marek M.V. Kalina J., Urban O., 2007: Differences in pigment composition, photosynthetic rates and chlorophyll fluorescence images of sun and shade leaves of four tree species. In: Plant Physiology and Biochemistry 45 (8), s. 577-588.
Lichtenthaler H.K., Babani F., 2004: Light adaptation and senescence of the photosynthetic apparatus. Changes in pigment composition, chlorophyll fluorescence parameters and photosynthetic activity. Papageorgiou GC, Govindjee-Chlorophyll fluorescence: a signature of photosynthesis. Springer, Dordrecht, The Netherlands, s. 713–736.
Liu, Y.F., Xiao, L.T., Tong J.H., Li X.B., 2005: Primary application on the nonrectangular hyperbola model for photosynthetic light-response curve. Chinese Agricultural Science Bulletin 121, s. 76-79.
Lu P., Outlaw W.H., Smith B.G., Freed G.A., 1997: A new mechanism for the regulation of stomatal aperture size in intact leaves: Accumulation of mesophyll-derived sucrose in the guard-cell wall of Vicia faba, Plant Physiology 114, s. 109–118.
Luo Y., Reynolds J., Wang Y., Wolfe D., 1999: A search for predictive understanding of plant responses to elevated [CO2], Global Change Biology 5, s. 143-156.
Marek M. V., Urban O., Šprtová M., Pokorný R., Rosová Z., Kulhavý J., 2002: Photosynthetic assimilation of sun versus shade needles under long-term impact of elevated CO2, Photosynthetica, 40, s. 259-267. Marek M.V., Urban O., Marková I., 2008: Fyziologie rostlin pro lesní inženýry (skriptum). MZLU, Brno, ISBN 978-80-7375-228-6, 147s.
Marková I., Pavelka M.,Tomášková I., Janouš D., 2009: Ročenka meteorologických měření 2007: Experimentální ekologické pracoviště Bílý Kříž (Moravskoslezské Beskydy).Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR, Brno, ISBN 987-80-904351-00, 81s.
67
Maxwell K., Johnson G.N., 2000:Chlorophyll fluorescence—a practical guide. Journal of Experimental Botany 51, s. 659–668.
Merilo E., Heinsoo K., Kull O., Söderbergh I., Lundmark T., Koppel A., 2006: Leaf photosynthetic properties in a willow (Salix viminalis and Salix dasyclados) plantation in response to fertilization. European Journal of Forest Research 125, s. 93–100.
Muraoka H., Tang Y., Terashima I., Koizumi H., Washitani I., 2000: Contributions of diffusional limitation, photoinhibition and photorespiration to midday depression of photosynthesis in Arisaema heterophyllum in natural high light. Plant, Cell and Environment 23, s. 235–50.
Murchie E.H., Horton P., 1997: Acclimation of photosynthesis to irradiance and spectral quality in British plant species: chlorophyll content, photosynthetic capacity and habitat preference. Plant, Cell and Environment 20, s. 438–448.
Naramoto M., Han Q., Kakubari Y., 2001: The influence of previous irradiance on photosynthetic induction in three species grown in the gap and understory of a Fagus crenata forest. Photosynthetica 39, s. 545–552.
Nátr L., 2000: Koncentrace CO2 a rostliny, ISV Nakladatelství, Praha, ISBN 80-8586662-5, 257s.
Naumburg E., Ellsworth D.S., 2000: Photosynthesis sunfleck utilization potential of understory saplings growing under elevated CO2 in FACE. Oecologia 122, s.163–174. Niinemets U., 2007: Photosynthesis and resource distribution through plant canopies, Plant, Cell and Environment. 30, s. 1052–1071.
Onoda Y., Hikosaka K., Hirose T., 2005: The balance between RuBP carboxylation and RuBP regeneration: a mechanism underlying the interspecific variation in acclimation of photosynthesis to seasonal change in temperature, Functional Plant Biology 32, s. 903– 910.
68
Parry M.A.J., Keys A.J., Madgwick P.J., Carmo-Silva A.E., Andralojc P.J., 2008: Rubisco regulation: a role for inhibitors, Journal of Experimental Bototany 59, s. 1569– 1580.
Pearcy R.W., 1988: Photosynthetic utilization of lightflecks by understorey plants. Australian Journal of Plant Physiology 15, s. 223–238.
Pearcy R.W., Chazdon R.L., Gross L.J., Mott K.A., 1994: Photosynthetic utilization of sunflecks, a temporally patchy resource on a time scale of seconds to minutes. Exploitation of Environmental Heterogeneity by Plants: Ecophysiological Process Above- and Belowground. Eds. M.M. Caldwell and R.W. Pearcy, Academic Press, New York, s.175-236.
Pearcy R.W.,2007: Responses of plants to heterogenous light environments.Functional Plant Ecology s. 213-257.
Pfitsch W.A., Pearcy R.W., 1989: Daily carbon gain by Adenocaulon bicolor (Asteraceae), a redwood forest understory herb, in relation to its light environment. Oecologia 80, s. 465-470.
Pons, T.L., Pearcy R.W., 1992: Photosynthesis in flashing light in soybean leaves grown in different conditions. II. Efficiency of utilization of lightflecks. Plant, Cell and Environment 15, s. 577- 584.
Portes M.T., Damineli D.S., Ribeiro R.V., Monteiro J.A., Souza G.M., 2010: Evidence of higher photosynthetic plasticity in the early successional Guazuma ulmifolia Lam. compared to the late successional Hymenaea courbaril L. grown in contrasting light environments. Brazilian Journal of Biology 70, s. 75-83.
Portes M.T., Alves T.H., Souza G.M., 2008: Time-course of photosynthetic induction in four tropical woody species grown in contrasting irradiance habitats, Photosynthetica 46, s. 431-440.
69
Prioul J. L., Chartier P.: Partitioning of Transfer and Carboxylation Components of Intracellular Resistance to Photosynthetic CO2 Fixation: A Critical Analysis of the Methods Used. Annals of Botany 41, pp. 789-800, 1977.
Procházka S., Macháčková I., Krekule J., Šebánek J.,1998: Fyziologie rostlin, Academia Praha, Praha, ISBN 80-200-0586-2. 488s.
Rijkers T.,Vries P.J. de, Pons T.L., Bongers F., 2000: Photosynthetic induction in saplings of three shade-tolerant tree species: comparing understorey and gap habitats in a French Guiana rain forest. Oecologia 125, s. 331–340.
Roh K.S., Kim I.S., Kim B.W., Song J.S., Chung H.S., Song S.D., 1997: Decrease in carbamylation of rubisco by high CO2 concentration is due to decrease of rubisco activase in kidney bean. Journal of Plant Biology 40, s. 73–79.
Sage R.F., Sharkey T.D., Seemann J.R., 1989: Acclimation of Photosynthesis to Elevated CO2 in Five C3 Species. Plant Physiology 89, s. 590-596. Sarijeva, G., Knapp M., Lichtenthaler H.K., 2007: Differences in photosynthetic activity, chlorophyll and carotenoid levels, and in chlorophyll fluorescence parameters in green sun and shade leaves of Ginkgo and Fagus. Journal of Plant Physiology 164, s. 950–955.
Schreiber U., Schliwa U., Bilger W., 1986: Continuous recording of photochemical and non-photochemical chlorophyll fluorescence quenching with a new type of modulation fluorometer. Photosynthesis Research, 10(1), s. 51 - 62.
Schulte M., Offer Ch., Hanses U., 2003: Induction of CO2-gas exchange and electron transport: comparison of dynamic and steady state response in Fagus sylvatica leaves, Trees (17), s. 153-163.
Sharkey T.D., Seeman J.R., Berry J.A., 1986: Regulation of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase
activity in response to changing partial pressure of O2 and light in
Phaseolus vulgaris. Plant Physiology 81, s. 788-791.
70
Spreitzer R.J., Salvucci M.E., 2002: Rubisco: structure, regulatory interactions, and possibilities for a better enzyme.Annual Review of Plant Biology 53, s. 449–485.
Šprtová M., Marek M.V., 1999: Response of photosynthesis to radiation and intercellular CO2 concentration in sun and shade shoots of Norway spruce. Photosynthetica 37, s. 433–445.
Špunda V., Čajánek M., Kalina J., Lachetová I., Šprtová M., Marek M.V., 1998: Mechanistic differences in utilization of absorbed excitation energy within photosynthetic apparatus of Norway spruce induced by the vertical distribution of photosynthetically active radiation through the tree crown. Plant Science 133, s. 155165.
Špunda V., Kalina J., Urban O., Luis V.C., Sibisse I., Puertolas J., Šprtová M. and Marek M.V., 2005: Dinurnal dynamics of photosynthetic parameters of Norway spruce threes cultivated under ambient and elevated CO2: the reasons of midday depression in CO2 assimilation. Plant Science168, s. 1371–1381.
Tang Y., and Liang N., 2000: Characterization of the photosynthetic induction response in a Populus species with stomata barely responding to light changes. Tree Physiology 20, s. 969-976.
Tinoco-Ojanguren C., Pearcy R.W., 1993: Stomatal dynamics and its importance to carbon gain in two rainforest Piper species. I. VPD effects on the transient stomatal response to lightflecks, Oecologia 94, s. 388–394.
Úradníček L., Maděra P., Tichá S., Koblížek J., 2009: Dřeviny České republiky, Lesnická práce, ISBN: Z978-80-87154-62-5.
Urban O., 2003: Physiological impacts of elevated CO2 concentration ranging from molecular to whole plant responses. Photosynthetica. 41 (1), s. 9-20.
71
Urban O., Janouš D., Pokorný R., Marková I., Pavelka M., Fojtík Z., Šprtová M., Kalina J, Marek M.V., 2001: Glass domes with adjustable windows: A novel technique for exposing juvenile forest stands to elevated CO2 concentration. Photosynthetica. 39, s. 395-401.
Urban O., Košvancová M., Marek M.V., Lichtenthaler H.K., 2007: Induction of photosynthesis and importance of limitations during the induction phase in sun and shade leaves of five ecologically contrasting tree species from the temperate zone. In: Tree Physiology 27 (8), s. 1207-1215.
Urban O., Šprtová M., Košvancová M., Tomášková I., Lichtenthaler H.K., Marek M.V., 2008: Comparison of photosynthetic induction and transient limitations during the induction phase in young and mature leaves from three poplar clones, Tree Physiology 28, s. 1189–1197.
Using the LI-6400, 2001: LI-COR Biosciences, Inc. Lincoln, Nebraska, manuál.
Valladares F., Pearcy R.W., 1997: Interactions between water stress, sun–shade acclimation, heat tolerance and photoinhibition in the sclerophyll Heteromeles arbutifolia. Plant, Cell and Environment 20, s. 25 - 36.
von Caemmerer S., Quick W.P., 2000: Rubisco: physiology in vivo. Photosynthesis: physiology and metabolism. Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic Press, Dordrecht, s. 85–113.
Zippleren S.W., Press M.C., 1997: Photosynthetic induction and stomatal oscillations in relation to the light environment of two dipterocarp rain forest tree species, The Journal of Ecology 85(4), s. 491-503.
Zotz G., Mikona C., 2003: Photosynthetic Induction and Leaf Carbon Gain in the Tropical Understorey Epiphyte, Aspasia principissa, Annals of Botany 9, s. 353-359.
72
Seznam zkratek [CO2] A AC Amax Asat ATP Chl a Ci DSR EC ETR ETRmax F0´ stavu Fm´ Fs GS h IRGA IS60, IS120 Jmax LCF LED LUE min NADPH P680 PAM PPFD PS I/II QE RD r.j. Rubisco RuBP SLA T T90,50 Tlag VCmax α αETR ΓI φ ΦII
koncentrace CO2 rychlost asimilace CO2 okolní, běžná koncentrace CO2 maximální rychlost asimilace CO2 rychlost asimilace CO2 saturovaná PPFD a CO2 adenosin trifosfát chlorofyl a intercelulární koncentrace CO2 dynamický světelný režim zvýšená koncentrace CO2 rychlost transportu elektronů přes PS II maximální rychlost elektronového transportu minimální výtěžek chlorofylové fluorescence ve světelně adaptovaném maximální fluorescence listu ve světelně adaptovaném stavu intenzita fluorescence v ustáleném stavu vodivost průduchů hodina infračervený analyzátor plynů indukční stav vybraného fyziologického procesu 60 s respektive 120 s maximální rychlost elektronového transportu leaf chamber flurometer elektroluminiscenční dioda účinost využití slunečních skvrn minuta redukovaná forma nikotinamidadenindinukleotid fosfátu molekula chlorofylu v PSII pulsní amplitudová modulace hustota toku fotonů při fotosyntéze fotosystém I/II kvantová účinnost rychlost temnotního dýchání relativní jednotka ribulóza-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza ribulóza-1,5-bisfosfát specifická listová plocha teplota vzduchu udává dobu potřebnou pro dosažení 90 %/50 % maximální hodnoty zpoždění otevírání průduchů maximální rychlost karboxylace Rubisco kvantový výtěžek asimilace směrnice počáteční lineární fáze ETR světelný kompenzační bod koeficient konvexity světelné křivky kvantový výtěžek fotochemických reakcí PS II
73
Seznam obrázků Obr. 3.1: Ukázka indukční křivky fotosyntézy u listu topolu (Populus x euramericana) s vyznačením čtyř základních fází indukce. Převzato z Urban a kol. (2008).
20
Obr. 4.1: Kultivační sféry na Bílém Kříži.
27
Obr. 4.2: Schéma průtoku vzduchu v LI-6400 s použitím CO2 mixéru.
29
Obr. 4.3a: Přístroj LI-6400, Obr 4.3b: Senzorická hlavice s LCF (leaf chamber fluorometer), převzato z manuálu.
30
Obr 4.3b: Senzorická hlavice s LCF (leaf chamber fluorometer)-převzato z manuálu. 30
Obr. 4.4: Schéma měřícího protokolu simulujícího zjednodušený dynamický světelný režim.
31
Obr. 5.1: Rychlost asimilace CO2 při saturačním ozáření a saturační [CO2] (Asat). Srovnání slunných stinných listů, sledované u buku lesního, smrku ztepilého,lípy srdčité a moruše bílé.
38
Obr. 5.2: Rychlost asimilace CO2 při saturačním ozáření a saturační [CO2] (Asat). Srovnání normální a zvýšené [CO2] sledované u buku lesního, smrku ztepilého. 38
Obr. 5.3: Maximální rychlosti elektronového transportu (Jmax). Srovnání slunný/stinný list sledované u buku lesního, smrku ztepilého,lípy srdčité a moruše bílé.
39
Obr. 5.4: Maximální rychlosti elektronového transportu (Jmax). Srovnání normální a zvýšené [CO2] u listu buku lesního a smrku ztepilého.
74
39
Obr. 5.5: Maximální rychlost karboxylace Rubisco in vivo (VCmax). Srovnání slunný/stinný list sledované u buku lesního, smrku ztepilého, lípy srdčité a moruše bílé. 40 Obr. 5.6: Maximální rychlost karboxylace Rubisco in vivo (VCmax). Srovnání normální a zvýšené [CO2] u listu buku lesního a smrku ztepilého.
40
Obr. 5.7: Průběh indukčního stavu 60 s IS60 a 120 s IS120 po ozářením saturačním světlem u všech sledovaných druhů stromů pro slunný a stinný list v závislosti na prodlužující se délce stínu.
42
Obr. 5.8: Průběh indukčního stavu 60 s po ozářením saturačním světlem IS60 u všech sledovaných druhů stromů pro slunný a stinný list v závislosti na prodlužující se délce stínu.
43
Obr. 5.9: Průběh indukčního stavu 60 s po ozářením saturačním světlem IS60 při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-) CO2 pro smrk a buk v závislosti na prodlužující se délce zastínění.
43
Obr. 5.10: Čas dosažení 90 % indukce T9 0u všech sledovaných druhů stromů pro slunný a stinný list v závislosti na prodlužující se délce stínu.
44
Obr. 5.11: Čas dosažení 90 % indukce T90 při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2]
(700 µmol(CO2) mol-1) CO2 pro smrk a buk v závislosti na
prodlužující se délce stínu.
45
Obr. 5.12: Rychlost otevírání průduchů rostlin aklimatizovaných na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání pro stinné a slunné listy pozorovaných dřevin.
46
Obr. 5.13: Rychlosti otevírání průduchů listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) pro smrk a buk. 46
75
Obr. 5.14: Časové zpoždění otevření průduchů listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání pro stinné a slunné listy pozorovaných dřevin.
47
Obr. 5.15: Časové zpoždění otevření průduchů listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání. při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) pro smrk a buk.
48
Obr. 5.16: Indukční křivky ETR u slunného a stinného listu pozorovaných dřevin v závislosti na čase.
49
Obr. 5.17: Indukční křivky ETR listů buku a smrku pozorovaných při při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) v závislosti na čase. 50
Obr. 5.18: Rychlost maximálního elektronového transportu listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. 50
Obr. 5.19: Rychlost maximálního elektronového transportu listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol-1) pro smrk a buk.
51
Obr. 5.20: Směrnice počátečního lineárního stoupání (αETR) listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. 52
Obr. 5.21: Směrnice počátečního lineárního stoupání (αETR) listů aklimatizovaných >30 min na světlo nízké intenzity (50 µmol m-2 s-1) po ozáření saturačním světlem. Srovnání při běžné [CO2] (375 µmol(CO2) mol-1) a zvýšené [CO2] (700 µmol(CO2) mol1
) pro smrk a buk.
52
76
