FOTOSYNTÉZA DÝCHÁNÍ ASIMILÁTY

Transkript

1 Teoretický úvod FOTOSYNTÉZA DÝCHÁNÍ ASIMILÁTY Praktikum fyziologie rostlin

2 FOTOSYNTÉZA, DÝCHÁNÍ, ASIMILÁTY Fotosyntéza je komplexní proces, v nmž je energie sluneního záení absorbována fotosyntetickými pigmenty (chlorofyly a karotenoidy) a pemována v energii chemických makroergických vazeb v ATP, která slouží k zabudování CO 2 do organických slouenin. Pi necyklickém penosu elektronu vzniká vedle ATP i druhý faktor nezbytný pro asimilaci CO 2, redukní agens - NADPH (viz téma Barviva obr.2). Fotosyntézu ovlivuje mnoho faktor. Z faktor daných rostlinou samou je to pedevším genotyp a fyziologický stav (nap. vk). Z faktor vnjšího prostedí je to množství dopadající energie v oblasti fotosynteticky úinného záení (FAR = fotosynteticky aktivní radiace), teplota, dostupnost CO 2 (obr.1), vody a minerálních látek. U všech rostlin je CO 2 asimilován v Calvinov (C3) cyklu mezofylové buky buky pochev cévních svazk Obr. 2. Schéma listu C4 rostliny (pevzato z Taiz a Zeiger 2002) PN (CO2 µmol.m -2.s -1 ) koncentrace CO 2 (µl.l -1 ) Obr. 1. Vliv koncentrace CO 2 na istou fotosyntézu mladých pln vyvinutých list cukrové epy pi rzných ozáenostech (teplota 22 C) (viz. Box 1). Za katalýzy enzymem Rubisco (ribulóza-1,5- bisfosfátkarbo-xyláza/oxygenáza) je CO 2 vázán na ribulóza-1,5-bisfosfát. Vzniká nestálý šestiuhlíkatý meziprodukt, který se spontánn hydrolyzuje na 2 molekuly 3-fosfoglyce-rátu (látka se 3 atomy C), který je za použití produkt primární fáze fotosyntézy ATP a NADPH redukován na sacharidy se 3 atomy C. Ty slouží k syntéze dalších sacharid, vetn optovné tvorby ribulóza-1,5- bisfosfátu. Rostliny C3 (pšenice, jemen, oves, hrách) vážou CO 2 jen touto cestou. Rostliny C4 (kukuice, proso, cukrová ttina, ananas) vážou CO 2 nejprve na fosfoenolpyruvát (PEP) za vzniku oxalacetátu - produktu se 4 atomy uhlíku. Tato reakce je katalyzována enzymem PEPkarboxylázou (fosfoenolpyruvátkarboxyláza) a probíhá v bukách mezofylu. Nkteré rostliny 2

3 redukují oxalacetát na malát (v chloroplastech) jiné ho transaminují na aspartát (v cytosolu). Malát nebo aspartát jsou transportovány do bunk pochev cévních svazk (specifická struktura C4 rostlin), kde jsou dekarboxylovány (schéma listu C4 rostliny viz. obr. 2). Uvolnný CO 2 je dále fixován C3 cestou. Vedle CO 2 vzniká pyruvát, který je transportován zpt do mezofylu a slouží k pemn na PEP. Tak se uzavírá cyklus zvaný Hatchv Slackv Kortschakv. Box 1: Rostliny C3 - schéma Calvinova cyklu a fotorespirace Produkty primární fáze fotosyntézy NADPH a ATP jsou v sekundární fázi fotosyntézy použity pedevším k redukci kyseliny 3-P-glycerové (3-fosfoglycerátu, 3-PGA) na monosacharidy se 3 atomy C triózy. Z hlediska toku energie, jejího uložení do stabilních chemických vazeb a její využitelnosti pro další životní dje je tato reakce jednou z nejvýznamnjších reakcí na naší planet. Kyselina 3-P-glycerová vzniká v rostlin nkolika cestami. Její vznik pi fixaci CO 2 lze považovat za nejdležitjší, nebo vede ke zvýšení množství organicky vázaného uhlíku. Vznik kyseliny 3-P-glycerové probhne v nkolika fázích. V první fázi je CO 2 navázán na organický substrát, fosforylovaný monosacharid s 5 atomy C, ribulóza-1,5-bisfosfát. Reakce je katalyzována enzymem, jehož celé jméno je ribulóza-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza, zkrácen je tento enzym oznaován jako Rubisco. Rubisco katalyzuje navázání CO 2 na ribulóza- 1,5-bisfosfát, vzniká nestálý meziprodukt o 6 atomech C, který se neprodlen hydrolyzuje na 2 molekuly kyseliny 3-P-glycerové (3-PGA). Redukce 3-PGA na triózu (aldehyd) probíhá ve dvou krocích. První krok je fosforylace atomu C v pozici 1, pi níž se spotebuje 1 ATP a vzniká kyselina 1,3-bis-fosfo-glycerová (1,3-PGA). 3-PGA + ATP 1,3-PGA + ADP Tato kyselina je v dalším kroku redukována na 3-P-glyceraldehyd (3- PGAld). Pi redukci se spotebuje NADPH a uvolní se anorganický fosfát Pi. Reakce je katalyzována izoenzymem 3-P-glyceraldehyd dehydrogenázou, který je specifický pro plastidy a k redukci mže použít jen NADPH. NADPH + 1,3-PGA 3-P-GAld + NADP + + Pi Glyceraldehyd-3-P je izomerizován v ketonickou formu, vzniká dihydroxyacetonfosfát (DHAP). Reakce je katalyzována trióza-p izomerázou. Z 1 molekuly ribulóza-1,5-bisfosfátu a z 1 molekuly CO 2 tak vzniknou 2 molekuly sacharid se 3 atomy C, k jejich vzniku se spotebují 2 ATP a 2 NADPH, produkty svtelné fáze fotosyntézy.vzniklé fosforylované triózy, pedevším však DHAP, jsou transportovány z chloroplastu do cytoplazmy a v tomto kompartmentu mohou vstoupit do rzných metabolických cest. Urité množství fosforylovaných trióz setrvává v chloroplastu. Slouží k regeneraci substrátu pro Rubisco, k vytvoení energetické rezervy pro období tmy (škrob) i jako substráty pro další dležité metabolity tvoené v chloroplastu. 3

4 Asimilace CO 2 potebuje stálou pítomnost substrátu ribulóza-1,5-p 2, v nmž je vázáno 5 atom C, 5/6 molekul vznikajícího fosfoglycerátu se podílí na regeneraci substrátu. Regenerace substrátu se uskuteuje adou reakcí, které se souborn nazývají Calvinv cyklus, cyklus C3 nebo cyklus C 3 -CR. Melvin Calvin r.1950 objasnil asimilaci CO 2. Oznaení C3 vychází ze skutenosti, že první stálé produkty fixace CO 2 mají 3 atomy C. CR zdrazuje, že se jedná v podstat o redukci CO 2. Touto cestou asimilují CO 2 všechny rostliny. Rostliny, které pi fotosyntéze fixují CO 2 pouze v Calvinov cyklu (C3) se nazývají rostliny C3. Z 3-P-glyceraldehydu a dihydroxyacetonfosfátu vzniká fosforylovaná hexóza fruktóza-1,6-p 2, fosfát v pozici 1 je odštpen a adicí další triózy (3-P-GAld) na tuto hexózu vzniká jedna molekula pentózy, xylulóza-5-p, a jedna molekula tetrózy, erytróza-4-p. Tetróza se váže s další molekulou trióza-p (DHAP), vzniklý produkt se sedmi atomy C, sedoheptulóza-1,7-p 2, se po odštpení fosfátu v pozici 1 váže s další molekulou trióza-p za vzniku dalších dvou pentóz - xylulóza-5-p a ribóza-5-p. Pentózy jsou dále pemnny (izomerací a epimerací) na ribulóza-5-p. Tento produkt je fosforylován na substrát pro navázání další molekuly CO 2. Pi této fosforylaci se spotebuje další ATP ze svtelné fáze fotosyntézy. Z 5 trióz tak vzniknou 3 pentózy. Ke vzniku 5 trióz je teba 5 NADPH a 5 ATP, další 3 ATP se spotebují na fosforylaci ribulóza-5-p v pozici 1 V Calvinov cyklu, který spje k regeneraci substrátu pro Rubisco, vznikají meziprodukty, využitelné v metabolických cestách, které vedou ke vzniku jiných dležitých látek. Z hexóz se v chloroplastu syntetizuje škrob (zvaný asimilaní, pechodný nebo tranzitorní), který slouží jako pohotová rezerva. Erytróza-4-P je využívána spolu s fosfoenolpyruvátem k tvorb aromatických aminokyselin (fenylalanin, tyrozin, tryptofan), nezbytných pro syntézu protein kódovaných v chloroplastech. Ribóza-5-P je využívána k tvorb nukleových kyselin. Rubisco má vedle karboxylázové aktivity také schopnost katalyzovat navázání kyslíku. Rubisco váže kyslík na stejné vazebné místo jako CO 2 a na stejný substrát (karboxylace a oxygenace se tedy vzájemn vyluují). Oxygenázová aktivita Rubisco navozuje jinou metabolickou cestu, která se nazývá fotorespirace. Po navázání kyslíku na ribulóza-1,5-bisfosfát vzniká nestálý meziprodukt s 5 stomy C, který se rozpadá na dva produkty: kyselinu 3-P-glycerovou, která má 3 atomy C a vstupuje do cyklu C3 a sacharidového metabolismu, a kyselinu 2-P-glykolovou, která má 2 atomy C. Proto je fotorespirace nkdy (mén asto) nazývána také oxidaní fotosyntetický cyklus C2 (C2-CO). Kyselina 2-P-glykolová je defosforylována, transportérem ve vnitní membrán chloroplastu je penesena do cytoplazmy, kde patrn difúzí vstupuje do jiné bunné organely, do peroxizómu. Peroxizómy k chloroplastm piléhají nebo se vyskytují v jejich tsné blízkosti. V peroxizómu je glykolát oxidován na glyoxylát, piemž se spotebovává kyslík a vzniká peroxid vodíku. Peroxid vodíku je inaktivován pítomnou katalázou, glyoxylát je transaminován na glycin. Glycin opouští peroxizóm. V cytoplazm mže být použit k syntéze protein nebo pokrauje v cyklu C2 a vstupuje do mitochondrie. V mitochondrii ze dvou molekul glycinu vzniká serin. Pi této komplexní reakci se uvoluje CO 2 a NH 3 a vzniká NADH. V tomto komplexním dji tak ze dvou molekul s 2 atomy C vzniká molekula se 3 atomy C. Serin opouští mitochondrii. V cytoplazm mže být zabudován do protein nebo se vrací do peroxizómu, kde je deaminován. Amonná skupina mže být použita k již známé tvorb glycinu z glyoxylátu. Deaminací vzniká hydroxypyruvát, který je redukován na glycerát. Glycerát je transportován do chloroplastu, kde je fosforylován na 3-P-glycerát. Pi této reakci se spotebuje 1 ATP. Vzniklý 3-P-glycerát vstupuje do Calvinova cyklu. V cyklu C2 se metabolismus sacharid stýká s metabolismem dusíku a vznikají bukou využitelné aminokyseliny. Pokud probhne cyklus celý, oderpá se energie ve form ATP, což mže být za situace, kdy je ATP více než je buka v dané chvíli schopna využít, pro buku prospšné. Box 2: Rostliny C4 - schéma malátové cesty Rostliny C4 fixují oxid uhliitý dvakrát. Fixaci v Calvinov cyklu (cyklus C3) pedchází fixace - hydrogenuhliitanového aniontu HCO 3 na fosfoenolpyruvát (PEP). Produkt fixace - kyselina oxaloctová (oxalacetát) má 4 atomy C, proto se následující ada reakcí, vedoucí k regeneraci fosfoenolpyruvátu, oznauje jako cyklus C4 a rostliny, které tento zpsob fixace provozují, se nazývají rostliny C4. Podle vdc, kteí našli tuto metabolickou cestu, se cyklus oznauje také jako cyklus Hatchv Slackv Kortschakv. Fixace HCO - 3 na PEP probíhá v bukách mezofylu, produkt se tymi atomy C je transportován do bunk pochev cévních - svazk, kde se CO 2 uvolní a je znovu fixován enzymem Rubisco.Navázání HCO 3 na PEP je katalyzováno enzymem fosfoenolpyruvát karboxylázou (PEP-karboxylázou), který je aktivován Mg 2+, a probíhá - v cytoplazm bunk listového mezofylu. PEP- karboxyláza má k HCO 3 vysokou afinitu a efektivn ho váže i pi jeho velmi nízkých koncentracích. Reakce je vysoce exergonická a prakticky irreverzibilní. Na rozdíl od Rubisco, PEP-karboxyláza není schopna vázat kyslík. První reakce cyklu C4 - vznik oxalacetátu - je u všech rostlin C4 stejná. Dále jsou známy ti rzné metabolické cesty. Rzné druhy rostlin C4 využívají rzné cesty. V mezofylu vzniká z oxalacetátu malát nebo aspartát. Tyto produkty jsou transportovány do bunk pochev cévních svazk. V metabolické variant, která je pokládána za nejastjší, je oxalacetát v mezofylových bukách transportován z cytoplazmy do chloroplast, kde je redukován na malát. K redukci je využito NADPH (produkt primární fáze fotosyntézy), reakce je katalyzována chloroplastovou NADP-specifickou 4

5 malátdehydrogenázou. Malát je z chloroplastu transportován do cytoplazmy mezofylové buky (antiport oxalacetát malát) a dále do buky, která piléhá k cévnímu svazku a spolu s dalšími bukami tvoí jeho pochvu. Tyto buky k cévnímu svazku i k sob navzájem tsn piléhají (mají minimum intercelulárních prostor) a na stranách k mezofylu mají výrazn ztlustlé bunné stny, impregnované suberinem. Buky mezofylu a buky pochev cévních svazk jsou propojeny etnými plasmodezmy. Buky pochvy tvoí výraznou, pro rostliny C4 charakteristickou vnitou strukturu (Kranz anatomy). V bukách pochvy cévního svazku malát vstupuje do chloroplastu, kde je oxidativn dekarboxylován malát dehydrogenázou, která váže NADP (tzv. NADP-jablený enzym). Pi této reakci vzniká NADPH + H +, CO 2 a pyruvát. Uvolnný CO 2 váže Rubisco na ribolóza-1,5-bisfosfát a dále probíhají reakce cyklu C3. K redukci 1,3-bisfosfoglycerátu se využívá NADPH, který vzniká pi oxidativní dekarboxylaci malátu. Malát tak vlastn penáší redukní sílu z chloroplast mezofylových bunk do chloroplast bunk pochev cévních svazk, které tak mohou omezit vlastní produkci NADPH. Protože NADPH vzniká pi necyklickém penosu elektronu membránou thylakoidu, kterého se úastní fotosystém II lokalizovaný v granálních thylakoidech, je pochopitelné, že chloroplasty v bukách pochev cévních svazk mají málo gran a charakterizují se jako agranální. Chloroplasty mezofylových bunk mají naopak grana výrazná a etná, jsou granální. Rozdílnost chloroplast v mezofylu a v pochvách cévních svazk je charakteristický rys rostlin C4 s touto metabolickou variantou. Také škrob se tvoí jen v chloroplastech bunk pochev cévních svazk. ATP, potebné k fosforylaci 3-P-glycerátu v pozici 1, v chloroplastech bunk pochev cévních svazk u tchto rostlin vzniká pedevším pi cyklickém penosu elektronu. Množství NADPH, které je pinášeno malátem z mezofylu, je však pro množství 3-Pglycerátu vznikajícího v chloroplastech pochev nedostatené. ást 3-P-glycerátu (odhaduje se, že až 50%) je transportována do mezofylu, kde je v chloroplastech redukována na triózy. Tímto zpsobem se v bukách pochev cévních svazk snižuje poteba vlastní tvorby NADPH. Koncentrace CO 2 v bukách pochev cévních svazk je vysoká, oxydázová aktivita Rubisco se nerealizuje, fotorespirace prakticky neprobíhá. Pyruvát, vzniklý pi oxidativní dekarboxylaci malátu, je použit pro regeneraci PEP. Pyruvát je transportován zpt do chloroplast mezofylových bunk, kde je využit k tvorb PEP. Vznik PEP z pyruvátu je reakce energeticky velmi nároná. Pyruvát reaguje s ATP za vzniku PEP, AMP a pyrofosfátu (PPi). AMP je dále fosforylován na ATP, k emuž je teba dalších 2 ATP. Reakce je katalyzována specifickým enzymem - pyruvát,fosfát dikinázou. Ve tm je aktivita tohoto enzymu aktivn inhibována. Vzniklý PEP je transportován do cytoplazmy. K rostlinám C4, které do pochev cévních svazk transportují malát, patí nap. kukuice, cukrová ttina, irok a Cyperus rotundus (obtížný plevel). 5

6 Mírou fotosyntézy je množství asimilovaného CO 2. Souasn s fotosyntetickou asimilací CO 2 probíhají procesy v podstat opaného charakteru, v nichž se CO 2 uvoluje - respirace R D (dýchání) a fotorespirace R L (oxidace substrátu oxygenázovou aktivitou Rubisco glykolátová cesta C2 cyklus). Respirace zahrnuje procesy glykolýzy v cytosolu, Krebsv cyklus a transport elektronu vnitní membránou v mitochondrii. CO 2 se uvoluje v Krebsov cyklu. Celková (hrubá) fotosyntéza P G je tmito procesy snížena. Výsledné množství zabudovaného CO 2 je istá fotosyntéza P N. Platí tedy: P G = P N + R D + R L Na svtle o nízkých intenzitách mže výdej CO 2 nad asimilovaným CO 2 pevažovat. Stav, kdy je množství asimilovaného CO 2 stejné jako množství CO 2, které se uvoluje dýcháním a fotorespirací (P G = R D + R L ; P N = 0), se nazývá kompenzovaný. Koncentrace CO 2 v prostedí, pi níž kompenzovaný stav nastane je kompenzaní koncentrace CO 2. Kompenzaní koncentrace CO 2 pro rostliny C4 je pi teplotách kolem 20 o C nižší (do 10 µ mol CO 2. mol -1 vzduchu) než u rostlin C3 (20-40 µmol CO 2. mol -1 vzduchu). Ozáenost, pi které tento stav nastane je kompenzaní ozáenost. Rostliny adaptované na stín mají nižší svtelnou kompenzaní ozáenost než rostliny, které rostou pi vyšších ozáenostech. Ze záivé energie, která dopadne na Zemi za jeden rok, zstává v asimilátech fixováno asi 0,1-0,2%. Z energie dopadající na jednotku plochy listových epelí jsou k isté fotosyntéze využita asi 2%. Z energie fotosynteticky aktivního záení, které dopadne na jednotkovou plochu porostu bhem vegetaní sezóny, je v biomase fixováno mén než 18%, což je považováno za teoreticky dosažitelné maximum. Rychlost isté fotosyntézy lze stanovit na základ zmn koncentrace CO 2 nebo O 2 v uzaveném systému nebo jako množství vzniklých asimilát. Na fixaci 1 molu CO 2 je teba 8 mol foton z oblasti fotosynteticky aktivní radiace. Rychlost respirace lze stanovit jako množství CO 2, které se uvolní z jednotkové plochy listu (m 2 ) za jednotku asu (s) ve tm. Primární produkty fotosyntetické asimilace CO 2, vznikající v Calvinov cyklu, jsou sacharidy (cukry, glycidy). Jsou zdrojem energie, organicky vázaného uhlíku a výchozími substráty pro tvorbu dalších látek - aminokyselin i lipid. Látky s 3-7 atomy C jsou monosacharidy a dle potu atom C se klasifikují jako triózy (3C), tetrózy (4C), pentózy 6

7 (5C), hexózy (6C) a heptózy (7C). Chemicky jsou sacharidy polyalkoholy s aldehydickou nebo ketonickou skupinou, která je u monosacharid, ale i nkterých disacharid a polysacharid, volná a znan reaktivní. Pentózy a hexózy tvoí 5- nebo 6-lenné cyklické Obr. 3. Sacharidy aldehydická skupina ketonická skupina glukóz a fruktóza sacharóza 1 4 glykosidická vazba opakující se jednotka (celobióza) molekuly s heteroatomem kyslíku. Nejastjší hexózy jsou u rostlin - glukóza s aldehydickou skupinou a fruktóza se skupinou ketonickou. Monosacharidy jsou stavebními jednotkami di-, oligo- a polysacharid. Monosacharidy jsou v tchto látkách vázány glykosidickou vazbou. Z disacharid je u rostlin nejastjší sacharóza. Je tvoena molekulou glukózy a fruktózy. Nemá volnou aldehydickou ani ketonickou skupinu a je nejvýznamnjším transportním cukrem. Mže být také ukládána ve vakuolách jako sacharid zásobní (epa, cukrová ttina). 7

8 Mono- a disacharidy jsou siln hydrofilní (lehce rozpustné ve vod) a siln osmoticky aktivní. Polysacharidy jsou vysokomolekulární látky, vtšinou obtížn nebo zcela nerozpustné ve vod, s nízkou osmotickou aktivitou a reaktivitou. Vznikají kondenzací monosacharid a disacharid. etzce jsou lineární nebo vtvené. Lineární etzce vznikají etzením 1 4 glykosidickou vazbou, vtvení pak vazbou 1 6. Polysacharidy mají funkci pedevším stavební - celulóza nebo zásobní - škrob (v plastidech) nebo fruktany (ve vakuolách, nap. inulin). Škrob, nejastjší zásobní polysacharid, je polykondenzát α-d-glukózových jednotek. Má dv složky - lineární nevtvenou amylózu ( glukózových jednotek), rozpustnou v horké vod, a vtvený amylopektin (6 000 glukózových jednotek), který udává semikrystalický charakter škrobových zrn v plastidech. Fruktany jako zásobní polysacharidy tvoí jen nkteré druhy rostlin (nap. Asteraceae nebo C3 trávy). Fruktany se tvoí a ukládají ve vakuolách bunk asimilaních nebo zásobních pletiv. Jejich základní stavební jednotkou je fruktóza, inulin má fruktózových zbytk, fruktany C3 trav asi 300. Inulin nemá krystalickou strukturu, je rozpuštn v obsahu vakuoly. Množství zásobních polysacharid, které se hromadí v listech na svtle ( škrob, fruktany) se ve tm snižuje. Polysacharidy jsou hydrolyzovány a mohou být využity jako substráty pro získání energie pi mitochondriální respiraci nebo jsou pemnny na transportní formy a translokovány do jiných ástí rostliny. Transportní formou asimilát je nejastji sacharóza. Transportovány mohou být i rafinóza, stachyóza, verbaskóza, manitol, sorbitol. Celulóza - nejrozšíenjší organická slouenina biosféry - je dležitou složkou bunné stny. Molekula je tvoena lineárními etzci vystavnými z β-d-glukózy. Jednotlivé etzce tvoí svazky, vláknité agregáty - elementární mikrofibrily. Celulární mikrofibrily jsou uloženy v amorfní matrix, tvoené hemicelulózami, pektiny (také deriváty sacharid) a bílkovinami (viz. Obr. 3.). V primárních bunných stnách jsou fibrily uspoádány nepravideln, v sekundárních (pokud se po ukonení rstu buky tvoí) pravideln. 8

9 hemicelulóza celulózové mikrofibrily pektiny rhamnogalakturonan I (pektin) proteiny Obr. 3. Hlavní komponenty bunné stny (podle Taiz a Zeiger 2002) Literatura: Buchanan, B., Gruissem, W. and Jones, R. (Eds.) - Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologist Pavlová L. Fyziologie rostlin (skriptum). Karolinum Salisbury a Ross. Plant Physiology. Waldsworth Inc., Belmont, California Taiz, L. and Zeiger, E. Plant Physiology. Sinauer Associates, Inc., Publichers

10 Zadání praktických úloh k tématu: FOTOSYNTÉZA Pehled úloh k vypracování: Úkol 1: Rychlost fotosyntézy v závislosti na podmínkách prostedí 1a) Sledujte zmny rychlosti isté fotosyntézy v závislosti na ozáenosti u rostlin slunenice (Helianthus annuus). Rychlost P N vyjádete jako množství CO 2 (µmol) asimilovaného jednotkovou plochou listu (m 2 ) za jednotku asu (s). 1b) Sledujte vodivost prduch, transpiraci a rychlost isté fotosyntézy listu slunenice bhem vadnutí. Pro ob úlohy použijte pístroj TPS-1. 10

11 Úkol 1: Rychlost fotosyntézy v závislosti na podmínkách prostedí Cíl: Demonstrovat vztah mezi rychlostí fotosyntézy a ozáeností rostliny a ukázat, jakým zpsobem rostlina reaguje na dostupnost vody v prostedí Hypotéza, kterou bhem práce ovíme: Rostliny dynamicky reagují na zmny vnjšího prostedí. Dílí úlohy: 1a) Sledujte zmny rychlosti isté fotosyntézy v závislosti na ozáenosti u rostlin slunenice (Helianthus annuus). Rychlost P N vyjádete jako množství CO 2 (µmol) asimilovaného jednotkovou plochou listu (m 2 ) za jednotku asu (s). 1b) Sledujte vodivost prduch, transpiraci a rychlost isté fotosyntézy listu slunenice bhem vadnutí. Princip: Fotosyntéza je fotochemický dj, využívající energii z dopadajícího sluneního záení. Pi nízkých ozáenostech roste rychlost fotosyntézy vícemén lineárn se vzrstající ozáeností, protože je limitována rychlostí fotochemických dj a pracuje s maximální možnou úinností. Pi vysokých ozáenostech naopak limitují rychlost fotosyntézy návazné procesy (penos elektron, chemické dje Calvinova cyklu). S vzrstajícím množstvím záení se proto rychlost pibližuje k maximální hodnot (liší se v závislosti na druhu rostliny, fyziologickém stavu i dlouhodobým podmínkám stanovišt), pi nadmrných ozáenostech naopak dochází k poklesu v dsledku poškození fotosyntetického aparátu (fotoinhibice). Pro fotosyntézu je nezbytná výmna plyn (CO 2, O 2 a H 2 O) mezi rostlinou a okolním prostedím prostednictvím prduch. Pi nedostatku vody se prduchy zavírají, klesá jejich vodivost a spolu s tím rychlost transpirace i rychlost isté fotosyntézy. Pístroj TPS-1 analyzuje koncentraci CO 2 a vodní páry ve vzduchu, který vstupuje do listové komory (výrobcem oznaovaný jako referenní) a který ji opouští (výrobcem zvaný analyzovaný), tj. pracuje v oteveném systému. CO 2 je analyzován na základ jeho schopnosti absorbovat infraervené záení ( max = 4260 nm), tlak vodní páry je zjišován pomocí kapacitního bimetalového senzoru. Z rozdílu namených (referenních a 11

12 analyzovaných) hodnot jsou vypoteny hodnoty rychlosti isté fotosyntézy, celkové transpirace, vodivosti prduch a koncentrace CO 2 v uvnit listu. Pedpokládá se, že v mezibunných prostorách mezofylu vetn podprduchových dutin je vzduch vodní párou saturován. Saturaní koncentrace je úmrná teplot listu a z této hodnoty lze koncentraci a tlak vodní páry uvnit listu odvodit. Obr. 1: Pístroj TPS-1 Koncentrace vodní páry v okolním prostedí listu je mena pímo. Rozdíl je úmrný vodivosti prduch (vliv hraniní vrstvy vzduchu je snížen na minimum nastaveným prtokem vzduchu listovou komorou). Známe-li vodivost prduch pro vodu, koncentraci CO 2 ve vzduchu vystupujícím z listové komory (mena pímo) a víme-li, že vodivost vzduchu pro CO 2 je 1,6krát nižší než pro vodu, lze vypoítat koncentraci CO 2 uvnit listu. Koncentrace CO 2 uvnit listu významn ovlivuje rychlost fotosyntézy a psobí i na otvírání i zavírání prduch. Namené a vypotené hodnoty se ukládají v pamti pístroje a pomocí kabelu a píslušného programu je lze penést, zobrazit a uložit v poítai. V poítai lze údaje dále zpracovat v programu EXCEL. Laboratorní postup: Poteby: rostliny slunenice pístroj TPS-1 nžky zdroj svtla (lampa) erná tkanina poíta s programem TRANSFER a EXCEL Podrobný popis a návod k použití pístroje najdete na pracovním stole, pi vlastní práci s pístrojem Vám pomže vedoucí praktika. Provedení: 1. Pipravte k mení pístroj TPS-1. V jeho blízkosti instalujte také zdroj záení. 12

13 2. Intaktní, dostaten zalité rostliny slunenice umístte k pístroji TPS-1, uzavete ást epele listu do listové komory, zadejte pístroji nezbytné údaje (zdroj svtla, režim, délku intervalu zaznamenávání dat, listovou plochu, atd.) a zante sledovat zmny mených parametr. Nastavte interval mení 1 min. 3. Nejprve listovou komoru pikryjte ernou tkaninou. Po nkolika minutách (když dojde ke stabilizaci pomr v ásti listu uzavené v komoe), zante odeítat mené hodnoty. Nezapomete si zaznamenat íslo mení, které se na displeji TPS-1 objevuje ve chvíli, kdy je mení zaznamenáváno, abyste byli pi vyhodnocování schopni identifikovat dané mení! 4. Po nkolika minutách odkryjte tkaninu a zante na rostlinu svítit. Zaznamenejte íslo nejbližšího mení a opt nkolik minut nechte pístroj zaznamenávat. Poté odstihnte apikální ást rostliny (aniž dojde k vyjmutí listu z mící komrky), zaznamenejte íslo nejbližšího mení a provádjte mení až do doby, kdy rostlina viditeln vadne. Nkolik minut poté mení ukonete. 5. Namená data z pístroje TPS-1 pesute do poítae pomocí programu TRANSFER, zobrazte v programu EXCEL a vybraná kriteria, tj. datum,. mení, as, FAR (fotosynteticky aktivní radiace), transpirace, vodivost prduch, teplota listu, istá fotosyntéza, koncentrace CO 2 uvnit listu transportujte do nového listu programu Excel. Podrobný návod je na Vašem pracovním stole, obrate se o radu na vedoucího praktika. Vysvtlivky zkratek zkratka parametr Plot íslo experimentu Record íslo záznamu (poadí mení) Day den poízení záznamu Month msíc poízení záznamu Hour hodina poízení záznamu Minute minuta poízení záznamu CO2 Ref referenní koncentrace CO 2 v ppm CO2 Diff rozdíl analyzované a referenní koncentrace CO 2 v ppm PAR mená fotosynteticky aktivní radiace v mol m -2 s -1 mb Ref referenní tlak vodní páry v mb (milibar) mb Diff rozdíl analyzovaného a referenního tlaku vodní páry v mb Air Temp teplota vzduchu v listové komoe C Leaf Area plocha listu v listové komoe v cm 2 Flow rychlost prtoku vzduchu listovou komorou v cm 3 min -1 Evap rychlost celkové transpirace v mmol H 2 O m -2 listové plochy s -1 GS vodivost prduch v mmol H 2 O m -2 plochy štrbiny s -1 Leaf Temp teplota listu ve C PN rychlost isté fotosyntézy v mol CO 2 m -2 s -1 C Int koncentrace CO 2 uvnit listu v ppm 13

14 Vyhodnocení experiment: Rychlost transpirace, rychlost isté fotosyntézy a vodivost prduch bhem mení znázornte graficky (použijte program EXCEL). Naznate v grafu body, kdy došlo ke zmn vnjších podmínek a uvete, o jakou zmnu se jednalo. V závru protokolu slovn popište, komentujte a snažte se vysvtlit prbh zmn jednotlivých parametr bhem mení. 14