Měření množství dopadající energie světla. Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy. (osvětlenost ln.m -2 = lux) Ozářenost W.

Transkript

1 Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy Měření množství dopadající energie světla Ozářenost W.m -2 (osvětlenost ln.m -2 = lux) Fotonová (kvantová) ozářenost mol.s -1.m -2 Vzájemné převody závisí na vlnových délkách fotonů (tedy přesné jsou jen pro monochromatické světlo)!

2 Závislost rychlosti čisté fotosyntézy (P N ) na ozářenosti (PAR) - s rostoucí ozářeností klesá účinnost využití záření 3 0 0,0 7 ε - kvantový výtěžek ε =mol CO 2 /mol fotonů (kvantum = foton) P N (µmol CO 2 m -2 s -1 ) P N ε 0,0 6 0,0 5 0,0 4 0,0 3 0,0 2 0,0 1 ε (mol CO 2 mol -1 quanta) -5 0, P A R (µm o l m -2 s -1 ) ε- max. teoretická hodnota = 0,125 mol CO 2 / mol kvant (min. kvantový požadavek Q (ε = 1/Q) je: Q = 8 mol kvant / mol CO 2 ) 2 H 2 O 4 e- 4 fotony v PSII 4 fotony PSI 2 NADPH Na redukci každé ze dvou fosfoglycerových kys. vzniklých po navázání CO 2 na ribulóza-1,5- bisfosfát je potřeba 1 NADPH (které se oxiduje) Fotoinhibice soubor procesů projevujících se snížením rychlosti fotosyntézy při zvyšující se ozářenosti Fotopoškození - snížení počtu fčních fotosystémů - fotosyntetických struktur (proteinů) - UV světlo, oxidativní poškození (ROS, P680 +, ) ROS: 1 O 2 - nastává i za nízké ozářenosti, ale rychlá oprava nenastává fotoinhibice Fotoprotekce - snížení E přenesené do RC (ε) (= snížení E k fotochemii) - předcházení fotopoškození (rychle vratné změny)

3 Fotopoškození mechanismy a cíle PSII 1) blok transportu elektronů 2) poškození D1 ( D2, proteiny cyt b559) Vysoká ozářenost (poškozování PSII D1 za světla pořád!): donorová strana: 1) poškození OEC 2) P oxidativní poškození okolí akceptorová strana PSII: málo oxid. PQ 3 P680* 1 O 2 (x PTO, STN7) Nízká ozářenost: Q B- - rekombinace náboje zpět na P680 3 P680* 1 O 2 Fotopoškození mechanismy a cíle PSI - jen při nízké teplotě (zřejmě inhibicí aktivity SOD Cu/Zn) - kumulativní poškození celého PSI 1. O 2- poškození FeS klastrů (F A, F B ) blok transportu e - Pomalá oprava mnoho dní po přenesení do tepla

4 Oprava PSII výměna poškozeného D1 (PSII repair cycle) Odbourání 1. fosforylace proteinů PSII (STN8, příp. STN7- především LHCII) 2. odpoutání LHCII, monomerizace 3. transport do strom. membrán, odpoutání OEC proteinů 4. defosforylace (PBCP (TLP40)) 5. degradace D1 (FtsH, degh) Vložení nového 1. kotranslačně (interakce s D2 a cyt b559) 2. odštěpení C-konce v luminu 3. interakce s anténami CP43, CP47 4. připojení dalších podjednotek (OEC) 5. monomer do gran, dimerizace, +LHCII?

5 Fotoinhibice je způsobena příliš silnou ozářeností Původní představa: - D1 je poškozován přebytkem záření zachyceného fotosyntetickými pigmenty ALE (při bloku repair chloramfenicol, lincomycin) - rychlost poškození je zcela úměrná ozářenosti! (tedy nastává i při nízké!) - účinné vlnové délky se liší od absorpce Chl a karotenoidů - nemění se inhibicí DCMU (blok QA QB) ani glykol (glycer)aldehydem (blok fosforibulokinase), ani ROS! Revize: ozářenost vede k fotopoškození D1, příliš silná ozářenost vede k inhibici reparace D1 Primární poškození ne fotos. absorpce, ne ROS Cíl - Mn klastr - přímá absorpce záření (UV, žluté) - uvolnění Mn neredukuje se primární donor P680 + (alt. donor ascorbate!) - P680 + poškození D1 Výměna poškozeného D1 (PSII repair cycle) - silně inhibována ROS (~ ozářenosti!) - inhibice translace D1 (EF-G)

6 Fotoinhibice důsledek nerovnováhy mezi poškozením a opravnými pochody Fotoprotekce - ochrana před nadbytečným tokem energie do listů Strukturní úroveň listu - paraheliotropismus (x dia-) - tenčí listy, ochranné pigmenty (x UV, VIS) (fenolické l., antokyany, flavonoidy) úroveň buňky: dlouhodobé: méně chloroplastů, krátkodobé: pohyb chloroplastů - PHOT1, 2, CHUP1, aktin, - méně poškození, méně ROS (opravy stíhají) pevné nastavení není tropismus!

7 Fotoprotekce Zhášení ROS: - tvorba na PSII i PSI - blok chloroplastové translace (!) Fotoprotekce Změny na úrovni chloroplastu pomalejší: méně LHCII a LHCI ku PSII a PSI (rel. rychlá degradace LHC 1,2,3 a 6) méně PSI a PSII ku Rubisco krátkodobé: zvýšení disipace - Xantofylový cyklus (+ protonace PsbS) PQH/PQ STN7 fosforylace LHCII posílení cyklického transportu elektronů vyšší gradient H+ aktivace VDE vyšší disipace méně ROS rychlejší reparace D1 fosforylace LHCII (STN7 kinase) cyklický transport PSI

8 Xanthofyly anteraxanthin a zeaxanthin - zvýšená disipace světelné energie (teplo): chl excit + karotenoid => karotenoid excit + chl karotenoid + teplo (kinetická E) - přenos energie není doprovázen přenosem elektronu na chl a! Xantofylový cyklus - modifikace karotenoidů - (de)epoxidace při poklesu ph - zvýšená schopnost odvádění nadbytečné energie z chlorofylu - méně energie do fotochemie Diurnální změny - violaxanthin a zeaxanthin - anteraxanthin poměrně stabilní Místo disipace - nejvíce asi LHCII

9 Disipace světelné energie xantofyly Regulace prostřednictvím ph v lumen tylakoidu - prostřednictvím violaxanthin deepoxidase (VDE) - PsbS protein (protonizace vazba zeaxanthinu) - zřejmě úloha v odpoutávání či změně konformace LHCII - neváže karotenoidy! - zhášení až 80 % exc. singletových chlorofylů - u zastíněných zůstává deepoxid. stav déle - u jehličnanů v zimě permanentně deepoxidováno Disipace světelné energie = nefotochemické zhášení fluorescence chlorofylu Disipace karotenoidy v LHCII - odpoutání od PSII - tvorba trimerů (role PsbS?)

10 Fluorescence chlorofylu: 680 nm LHCII 685 nm CP nm CP nm PSI core 740 nm LHCI C3 rostliny: % fluor. z PSII! fluorescence PSI: vcelku neměnná Kautského efekt (Fluorescence induction): - rychlý nárůst a pomalý pokles fluorescence po ozáření listu ze tmy OJIP křivka - chloroplasty ze tmy (dark adopted): 1. krátký pulz o nízké intenzitě (fotoaktivace, ) 2. hodnota fluorescence F o (Origin) - všechna reakční centra otevřená (mohou přijímat kvanta) = Q A oxidovaný 3. kontinuální, saturační světlo F m (Peak) - za cca 1 s všechna reakční centra uzavřená (Q A plně redukovaný) 3 = saturační

11 OJIP fotochemická fáze (0-J) na ozářenosti tepelná fáze (J-I-P) teplotě inflexní body = zhášení fluorescence! (různé mechanismy) - ne zcela jasné! Fluorescence chlorofylu - pomalá Fotochemické zhášení qp = (F m F s )/(F m F 0 ) kolik E jde k PSI Nefotochemické zhášení qn = (F m F m )/(F m F 0 ) F 0 všechny PSII otevřené F m všechny PSII uzavřené F s steady state fluorescence při daném osvětlení F v = F m F 0 maximální variabilní fluorescence φ = F v / F m = (1 - F 0 / F m ) max. účinnost využití excitační energie PSII (poměrně konstantní = 0,83 kvantovému požadavku 9-10 fotonů na O 2 )

12 Nefotochemické zhášení fluorescence chlorofylu (NPQ) = fotoprotekce qn = q E + q T + q I q E feed-back deexcitation (ph aktivace: VDE, PsbS) q T state transition (fosforylace LHCII) q I fotoinhibice (poškozené fotosystémy disipují) Využití energie záření - účinnost využití difúzního záření je vyšší

13 Asimilace záření listem Anatomické adaptace: Epidermis (koncentrování světla) Palisádový prostup světla Houbový odrazy na površích (rozptyl) Variabilita asimilačních orgánů Vybrané fyziologické charakteristiky listů: (2548 druhů na 175 lokalitách planety, Wright et al. 2004, Nature) 1. Specifická hmotnost 14 až 1500 g (DM) m Kapacita fotosyntézy (P N ) 5 až 660 nmol (CO 2 ) g -1 s Obsah N v sušině listů 0,2 až 6,4 % 4. Doba života: 0,9 až 288 měsíců Charakteristiky listové čepele - různé strategie investic do vytváření listů v závislosti na vnějších podmínkách

14 Využití záření struktura porostu Absorpce záření porostem velmi záleží na struktuře porostu a LAI leaf area index kumulativní index pokryvnosti listoví (plocha listů / plocha půdy) LAI optimálně hodnoty 4 5 P N (µmol m -2 s -1 ) W m -2 leaf ground o o o 70 o Adaptace k asimilaci v porostu: (konkurovat ostatním x nekonkurovat sobě) o r anatomie listu - biochemie listu (rubisco, chlorofyl, xathofyly) - stomy, liány, epifyty, růžice - fylotaxe - natáčení listů (úhel) Celková účinnost využití záření se v porostu zvyšuje 25 P N (µmol CO 2 m -2 s -1 ) x8= = 64 13x4= = 52 17,6 x 2 =35,2 20,7 x 1 =20, Ozářenost (µmol kvant m -2 s -1 )

15 Produkce biomasy rostlin (hospodářského výnosu plodin) Hospodářský výnos (g m -2 rok -1 ) Y P = P N. HI P N = S. ε i. ε c / k kde Y P : hospodářský výnos (g m -2 rok -1) HI: sklizňový index (podíl hospodářsky hlavního produktu a hmotnosti sušiny celé rostliny, porostu) P N :čistá fotosyntetická produkce S: roční suma slunečního záření (MJ m -2 rok -1 ) ε i : účinnost pohlcení záření dopadajícího na porost rostlinami ε c : účinnost přeměny pohlceného záření ve fotosyntéze k: obsah energie v biomase (MJ g -1 ) Fotosyntetická produktivita ekosystémů na Zemi Celosvětová produkce: 105 Pg (C) rok -1 (P peta ) - průměr u terestrických (bez zaledněných) tedy cca 200 g (C) rok -1 m -2 (jiné odhady až 400 g) 1 g C > 3,7 g CO 2 a 2,5 g DM (dry matter) 1 g CO 2 > 0,27 g C a 0,675 g DM 1 g DM > 1,47 g CO 2 a 0,378 g C

16 Ilustrace pro podmínky ČR Charakteristické hodnoty: S = J m -2 rok -1 ε i = 0,8 ε c = 0,01 k = J g -1 Produkce biomasy P N = ,8. 0,01 / = = 2285 g m -2 rok -1 = = 2,285 kg m -2 rok -1 ε i : účinnost pohlcení záření ε c : účinnost přeměny záření k: obsah energie v biomase Hospodářský výnos Y P = P N. HI = 22,85. 0,5 = 11,43 t ha -1 rok -1 Možnosti zvyšování produkce biomasy a výnosů polních plodin S: - je určeno geografickou polohou εi: - je dáno fyzikálními vlastnostmi porostu - lze ovlivnit strukturou porostu dynamikou rozvoje listů během vegetace εc: - lze teor. zvýšit optimalizací ozářenosti jednotlivých listů - vertikální a prostorová orientace - anatomická stavba listů (?) - fyziologických funkcí (obsah N, snížení R L, ) - zvýšení aktivity rubisco HI: - maximum je patrně 0,6 (dosaženo u obilnin)

17 Využití slunečního záření ve fotosyntéze Příčiny ztráty Ztráta (%) Využitelný zůstatek Ne FAR 50,0 50,0 Odraz a propustnost 5,0 (10) 45,0 Absorpce nefotos. částmi 1,8 (4) 43,2 Fotochem. neúčinnost (teplo) 8,4 (20) 34,8 Typ fotosyntézy C3 C4 C3 C4 Metabolismus 22,8 (65) 24,8 12,0 10,0 Fotorespirace 3,5 (10) 0 8,3 10 Temnotní dýchání 3,4 (10) 4 5,1 6 Výsledná účinnost využití ve fotosyntéze 5,1 % 6,0 % v období vegetace (z absorbovaného PAR (43 %) = cca %)