Studium odezvy asimilace CO 2 vybraných druhů dřevin na dynamický světelný režim

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav ekologie lesa Studium odezvy asimilace CO 2 vybraných druhů dřevin na dynamický světelný režim Diplomová práce Vedoucí práce: RNDr. Irena Marková, CSc. Vypracovala: Bc. Alexandra Březinová Brno 2010

2

3

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Studium odezvy asimilace CO 2 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.

5 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.

6 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 CO 2 vybraných druhů dřevin na dynamický světelný režim jsem pozorovala indukci a deaktivaci procesů spojených s asimilací uhlíku (asimilace CO 2, stomatální vodivost, transport elektronů) u rozdílných druhů stromů a listů adaptovaných na nízkou/vysokou ozářenost a druhů dřevin pěstovaných v přirozené a zvýšené koncentraci CO 2. Ke studiu byly použity metody gazometrie, chlorofylová fluorescence a matematické modelování indukčních křivek pro získání parametrů IS 60 a T 90. 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 CO 2 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 CO 2, Fagus sylvatica, Picea abies, Tilia cordata, Morus alba.

7 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 CO 2 assimilation of selected tree species in response to dynamic light regime, I examined the induction and deactivation processes related on carbon assimilation (assimilation of CO 2, 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 CO 2. The gas exchange measurements, chlorophyll fluorescence and mathematical modeling of induction curves were used to obtain the parameters IS 60 and T 90. 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 CO 2 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 CO 2, Fagus sylvatica, Picea abies, Tilia cordata, Morus alba.

8 Obsah 1. ÚVOD CÍL PRÁCE LITERÁRNÍ PŘEHLED Dynamický světelný režim (DSR) Podstata DSR Dynamika lesního ekosystému Difusní záření Postiluminační fixace CO Adaptace rostlin na DSR Vliv světla na asimilaci CO Světelná křivka fotosyntézy-ustálené podmínky Indukční křivka fotosyntézy- dynamické podmínky Vliv zvýšené koncentrace CO 2 na fyziologii rostlin A/Ci křivka Aklimační deprese fotosyntézy Vliv zvýšené koncentrace CO 2 na indukci fotosyntézy MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ Obecný popis experimentu Popis rostlinného materiálu Kultivace dřevin v podmínkách zvýšené koncentrace CO Metody měření Měření rychlosti asimilace CO Popis přístroje LI Popis vlastního měření Analýza dat Měření fluorescence Statistické zpracování dat VÝSLEDKY Měření parametrů fotosyntézy v ustáleném stavu CO 2 křivky asimilace Měření parametrů fotosyntézy v DSR Gazometrické parametry Fluorescenční parametry DISKUZE Rozdíly mezi slunným a stinným listem Ustálené světelné podmínky Dynamické světelné podmínky Vliv koncentrace CO Ustálené světelné podmínky Dynamické světelné podmínky ZÁVĚR...62

9 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 CO 2, 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 CO 2. 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

10 2. CÍL PRÁCE 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 CO 2 (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

11 3. LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1. Dynamický světelný režim (DSR) 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 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

12 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 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

13 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 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 CO 2 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

14 Postiluminační fixace CO 2 Efektivní využití slunečných skvrn pro fotosyntetickou fixaci CO 2 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 CO 2. 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 CO 2 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 CO 2 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

15 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 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

16 3.2. Vliv světla na asimilaci CO 2 Rychlost fotosyntézy je ovlivňována vnějšími faktory (světlo, CO 2, teplo aj.). Ve středních zeměpisných šířkách je limitujícím faktorem nejčastěji intenzita dopadající sluneční radiace (Larcher 2003). Pro studium asimilace CO 2 se v poslední době nejvíce používá gazometrická metoda. Gazometrie umožňuje měření rychlosti výměny plynu mezi listem a okolní atmosférou. Příjem resp. výdej CO 2 rostlinou se projeví změnou [CO 2 ] 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 [CO 2 ] v okolní atmosféře (tzv. CO 2 křivka fotosyntézy). Z těchto závislostí lze stanovit fotosyntetické parametry, které danou rostlinu charakterizují z biofyzikálního a biochemického hlediska (Marek a kol. 2008) Světelná křivka fotosyntézy ustálené podmínky Světelná křivka fotosyntézy nebo také PI křivka (z anglického Photosynthesis vs. Irradiance curves) vyjadřuje závislost asimilace CO 2 při zvyšující se intenzitě světla při určité teplotě a [CO 2 ]. Jako první se touto problematikou zabýval britský fyziolog Blackman (1905). Na střemše vavřínové (Prunus laurocerasus) a topinamburu (Helianthus tuberosus) 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 (R D ). Je to množství uvolněného CO 2 při nulové ozářenosti. Při postupném zvyšování intenzity dopadající radiace dochází k vyrovnání procesu dýchání a asimilace. Tento bod se označuje jako světelný kompenzační bod (Γ I ) - rostlina nafotosyntetizuje tolik CO 2, 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

17 (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 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 CO 2 do mezibuněčných prostor listu, difúze CO 2 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 A max. Pokud porovnáme světelné křivky různých rostlinných druhů, je patrné, že rostliny C3 (Calvin-Bensonův cyklus) dosahují daleko nižších hodnot A max než C4 rostliny (Hatch- Sleckův cyklus). Je to díky vysoké afinitě enzymu C4 rostlin Pep-karboxylázy k CO 2 a speciální listové struktuře, umožňující využití CO 2 vydaného fotorespirací PI křivky slunných a stinných listů Přehled rozdílů v závislosti asimilace CO 2 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

18 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 CO 2 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 CO 2 A max a nižší faktor zakřivení φ) Matematické modelování světelných křivek Pro závislost rychlosti asimilace CO 2 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 ) 2ϕ max 2 4ϕαA max I R D (3.1) kde A [µmol(co 2 ) m -2 s -1 ] je aktuální rychlost asimilace při daném PPFD I [ µmol(fotonů) m -2 s -1 ], A max je světlem saturovaná rychlost asimilace CO 2, φ je číslo 18

19 v intervalu 0 1, které udává tvar světelné křivky a α je kvantový výtěžek asimilace [mol(co 2 ) mol(fotonů) -1 ], který udává změnu rychlosti asimilace CO 2 při změně PPFD o 1 µmol(fotonů) m -2 s -1 a R D je rychlost temnotního, mitochondriálního dýchání [µmol(co 2 ) m -2 s -1 ] 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 CO 2 limitována procesem regenerace ribulóza-1,5- bisfosfátu (primární akceptor CO 2 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 CO 2 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 ) I II II I IV list adaptovaný na tmu 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

20 Parametry indukčních křivek K popisu indukce fotosyntézy se používá několik fotosyntetických parametrů. Indukční stav asimilace IS 60 (popřípadě IS 120 ) je parametr udávající procento dosažené maximální rychlosti asimilace A max 60 sekund (popřípadě 120 sekund) po vystavení rostliny saturačnímu světlu. Parametr T 90 (popřípadě T 50 ) je čas potřebný pro dosažení 90 % (popřípadě 50 %) A max (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 IS 60, IS 120, T 50, T 90 pro asimilaci CO 2 (A) a parametrů T 50, T 90 popisujících indukci otevírání průduchové štěrbiny (G S ). Obdobný přehled již dříve sestavili Naumburg a Ellsworth (2000). V diplomové práci jsem se zaměřila na přehled nových literárních zdrojů. 20

21 21 Tab. 1: Srovnání indukčních parametrů pro různé rostlinné druhy z dostupných literárních zdrojů.

22 Vysvětlivky k tabulce: 1 C4 tráva, 2,3,4 keř, 5 bylina, 6 měřeno ve skleníku, 7,8 měřeno jen v podrostu, 9 světlomilný, 10 stín tolerantní, 11 středně stín tolerantní, 12 zastíněný skleník, 13 skleník-les, 14 kultivační sféry, 15 hydratovaná rostlina/dehydratovaná rostlina, 16 podrost, 17 normální [CO2] / zvýšená [CO2], dní v 50 % stínu/ 75 % stínu, 19 22

23 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 Tinoco- Ojanguren 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 Vliv zvýšené koncentrace CO 2 na fyziologii rostlin A/Ci křivka A/Ci křivky fotosyntézy vyjadřují vztah mezi koncentrací CO 2 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 CO 2 a množstvím Rubisco. Směrnice této lineární části určuje karboxylační aktivitu enzymu Rubisco. Ve druhé, saturační fázi (nazývanou též inflexní fází), je rychlost příjmu CO 2 limitována rychlostí regenerace substrátu pro karboxylaci, primárního akceptoru CO 2 RuBP. Dále o A/Ci křivce pojednává kapitola

24 Aklimační deprese fotosyntézy Efektu souběžného vlivu DSR a zvýšené [CO 2 ] bylo zatím věnováno jen velmi málo pozornosti. Většina předchozích studií se zabývala studiem rostlin ve zvýšené koncentrací CO 2 při ustálených podmínkách (Nátr 2000, Urban 2003, Leakey a kol. 2002, 2005). CO 2 tvoří základní substrát fotosyntézy. Jeho koncentrace v atmosféře ovlivňuje rychlost fotosyntetických procesů. Současné množství CO 2 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 250 µmol(fotonů) m 2 s -1. Při nižších intenzitách světla limituje fotosyntézu množství dopadajících fotonů a vliv zvýšené [CO 2 ] se na úrovni rychlosti asimilace neprojeví (Špunda a kol. 2005). Z experimentálních výsledků se ukazuje, že zvýšení [CO 2 ] má rozdílný efekt při krátkodobém (dny týdny) a dlouhodobém (měsíce roky) působení. Krátkodobý efekt se projevuje nárůstem rychlosti asimilace, avšak dlouhodobý vliv zvýšené [CO 2 ] 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 [CO 2 ] a saturační ozářenosti) nebo poklesem rychlosti fotosyntézy při běžné [CO 2 ] (tj. 380 µmol(co 2 ) 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 CO 2 v rostlinách (např. Urban 2003, Ainsworth a Rogers 2007) Vliv zvýšené koncentrace CO 2 na indukci fotosyntézy V literatuře je doposud popsáno jen velmi málo experimentů, které se zabývají vlivem zvýšené [CO 2 ] na indukci fotosyntézy (Leakey a kol. 2005). Leakey a kol. (2002, 2005) došli ve svých experimentech k závěru, že zvýšená [CO 2 ] je spojena s rychlejší 24

25 fotosyntetickou indukcí. Hypotéza, že zvýšená [CO 2 ] vyvolává rychlejší indukci fotosyntézy, vychází z následujících předpokladů: 1) vyšší [CO 2 ] v okolí rostliny způsobí přivírání průduchů a tím snižuje průduchovou vodivost (Gs) a 2) vyšší [CO 2 ] snižuje obsah Rubisco v listech. Toto prokázala například Košvancová a kol. (2009), která po dvou letech kultivace ve dvojnásobné [CO 2 ] (700 µmol(co 2 ) 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 [CO 2 ] 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 [CO 2 ] dosaženo dříve jak plné aktivity všech molekul Rubisco, tak maximální stomatální vodivosti. Obecně lze shrnout, že působení zvýšené [CO 2 ] urychluje spíše první fáze indukce, která je primárně limitovaná aktivitou Rubisco a je charakterizovaná parametrem IS 60, zatímco sekundární fáze, limitovaná stomatální vodivostí a charakterizovaná parametrem T 90, 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 [CO 2 ] u různých rostlinných druhů. 25

26 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 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 [CO 2 ]. Tento experiment probíhal v Moravskoslezských Beskydech na Experimentálním ekologickém pracovišti Bílý Kříž ( s.š., 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) 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 (LI-COR, USA). V rámci druhého experimentu, kdy byl studován vliv zvýšené [CO 2 ] 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

27 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 [CO 2 ] je uveden v následující kapitole (kap. 4.3). Stromy ani studované listy nevykazovaly v době měření žádné zjevné známky poškození Kultivace dřevin v podmínkách zvýšené koncentrace CO 2 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(co 2 ) mol -1 ) a zvýšené (700 µmol(co 2 ) mol -1 ) [CO 2 ]. Sféry leží na ploše 10 x 10 m a jsou 7 m vysoké. CO 2 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 [CO 2 ]. Detailní popis lokality a mikroklimatu uvádí Urban a kol. (2001). Obr. 4.1: Kultivační sféry na Bílém Kříži 27

28 4.4. Metody měření Ke studiu odezvy fotosyntézy na působení dynamického světelného režimu bylo použito metod gazometrie a fluorescence Měření rychlosti asimilace CO 2 Pomocí gazometrické techniky, otevřeným systémem LI-6400 (LI-COR, USA), byla sledována rychlost asimilace CO 2 (A), vodivost průduchů (G S ), rychlost temnotního dýchání (R D ) a intercelulární [CO 2 ] (C i ). Tyto i jiné parametry jsou přístrojem vyhodnocovány na základě změn koncentrace plynů (CO 2 a H 2 O) 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 Popis přístroje LI-6400 LI-6400 je otevřený systém, což znamená, že měření fotosyntézy a transpirace je založeno na rozdílu koncentrací CO 2 a H 2 O 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 CO 2 listem. Standardní součásti přístroje jsou: Konzola (řídící jednotka), snímací hlavice a propojovací kabel (Obr. 4.3.a). Mezi volitelné součásti patří například CO 2 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 CaSO 4 ) 28

29 Obr. 4.2: Schéma průtoku vzduchu v LI-6400 s použitím CO 2 mixéru. Vzduch je nasáván membránovou pumpou z atmosféry. Desikant (CaSO 4 ) a scrubr (Na 2 CO 3 ) zbaví přicházející vzduch vodní páry a CO 2. Následně je upraven pomocí externího CO 2 mixéru na stabilní požadované množství plynů. a scrubrem (oxid uhličitý je vázán Na 2 CO 3 ). Dále se zde nachází volitelný zdroj CO 2. 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 [CO 2 ] a [H 2 O]. Difuse po tlakovém spádu ven z komory je omezena černým neoprénovým těsněním, které má nejmenší propustnost CO 2. 29

30 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 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 CO 2 (A) ani ve stomatální vodivosti (G S ) 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 ) a změnu [CO 2 ] v rovnovážných podmínkách (kap ). 30

31 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 Intenzita radiace byla měněna za pomocí LED zdroje světla LI B (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 CO 2 a stomatální vodivost) byly automaticky ukládány v intervalu 10 s. Čárky značí intervaly měření fluorescenčních parametrů F m (maximální fluorescence listu ve světelně adaptovaném stavu), F 0 (minimální výtěžek Chl-F ve světelně adaptovaném stavu) a F s (intenzita fluorescence v ustáleném stavu). Gazometrický přístroj zaznamenával vybrané fotosyntetické parametry automaticky v intervalu 10 s. Fluorescenční parametry byly zaznamenávány v pravidelných 31

32 intervalech podle schématu (Obr. 4.4). Měření proběhlo za konstantní [CO 2 ] (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 A/Ci křivka V druhé fázi experimentu byla zjišťována odezva rostlin na změnu [CO 2 ] (tzv. CO 2 křivka fotosyntézy, A/Ci). A/Ci křivka vyjadřuje závislost rychlosti asimilace CO 2 na jeho [CO 2 ] (konkrétně intercelulární koncentraci). Měření CO 2 křivek bylo prováděno při daných hodnotách [CO 2 ] (1500, 700, 380, 250, 100 µmol(co 2 ) mol -1 ). Adaptace listů na změnu koncentrace trvala 5 až 8 min. Získané hodnoty rychlosti asimilace CO 2 při daných koncentracích CO 2 byly použity pro vypočítání řady fotosyntetických parametrů pomocí programu PhotosynAssistant ver (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 CO 2 při saturačním ozáření a saturační [CO 2 ] (A sat ), maximální rychlost karboxylace Rubisco in vivo (V Cmax ), maximální rychlosti elektronového transportu (J max ). Při intercelulární [CO 2 ] do ca 300 µmol(co 2 ) mol -1 lze rychlost asimilace CO 2 vypočítat pomocí rovnice: 0,5O A = 1 C τ i [ C V c max Ci i + Kc(1 + O / Ko)] R s (4.1) kde A - rychlost asimilace CO 2 [µmol(co 2 ) m -2 s -1 ], O - intercelulární [O 2 ] [µmol(o 2 ) mol -1 ], τ - specifitní faktor pro distribuci RuBP mezi CO 2 a O 2 (bezrozměrný), Kc a Ko konstanty Michaelis-Mentenové pro karboxylaci a oxygenaci Rubisco (bezrozměrné), Ci - [CO 2 ] [µmol(co 2 ) mol -1 ], V Cmax - maximální rychlost karboxylace při limitaci množstvím aktivních míst Rubisco [µmol(co 2 ) m -2 s- 1 ], R S rychlost výdeje CO 2 na 32

33 světle v atmosféře o nulové [CO 2 ] [µmol(co 2 ) 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 CO 2 vyšších než 300 µmol(co 2 ) mol -1 je rychlost asimilace CO 2 dána rovnicí: A = 0,5O JC i 1 Rd (4.2) i i J = τ C 4( C + O / τ αppfd (4.3) αppfd 1 + J max 2 Kde J je potenciální rychlost elektronového transportu [µmol(elektronů)m 2 s -1 ]; Jmax je rychlost přenosu elektronů při saturaci ozářeností [µmol(elektronů)m 2 s -1 ];α je účinnost přeměny energie dopadajícího záření a PPFD je aktuální intenzita dopadajícího záření [µmol(fotonů)m 2 s -1 ] Analýza dat Naměřené hodnoty A a Gs byly proloženy sigmoidální křivkou pomocí metody nejmenších čtverců podle Zipperen a Press min max A( Gs ) = + max (4.4) s t 1 i kde A je rychlost asimilace; G S vodivost průduchů; min je asymptotické minimum A nebo G S před osvětlením listu; max je asymptotické maximum A nebo G S dosažené během periody saturačního světla; t je čas; i je hodnota asimilace v inflexním bodě; s je směrnice křivky. 33

34 Čas potřebný k dosažení 90 % indukce A a G s byl získán z fotosyntetických indukčních křivek pomocí následující rovnice (4.5), kde x je 90 % A max nebo 90 % G s max. Procento rychlosti asimilace CO 2 (IS60) z A max dosažené 60s po osvětlení saturačním světlem bylo vypočteno podle Chazdon a Pearcy (1986) z rovnice (4.6). T 90 x A min ( A) = i A max x 1/ s (4.5) IS 60 ( A) = A A 60 max A A min min *100 (4.6) Analogickým postupem lze stanovit parametry T 50 čas potřebný k dosažení 50 % A max a IS 120 indukční stav 120 s po osvětlení saturační intenzitou světla vyjádřeného jako procento A max. Tyto parametry se v literatuře také používají Měření fluorescence V experimentu byl použit nezobrazovací fluorometr LCF (leaf chamber fluorometer) model (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 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 cm 2. 34

35 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 % energie, tepelná disipace cca 5 15 % a fluorescence pouze 0,5 2 % (Lichtenthaler 1996). Aktuální hodnota fluorescence (F S ) 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 (F m ). Získané fluorescenční parametry umožnily následný výpočet kvantového výtěžku fotosystému II (ΦPSII) a rychlosti elektronového transportu (ETR) dle rovnic (Maxwell a Johnson 2000): 35

36 Fm FS F Φ PSII = F = F, (4.7) m m Fm FS ETR = 0,5PPFDα leaf F (4.8) m Kde F S je aktuální hodnota fluorescence emitovaná listem při dané ozářenosti [r.j.], F m 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)m 2 s -1 ], α leaf reprezentuje absorptanci dopadajícího záření studovaným listem (0,82) a faktor 0,5 předpokládá rovnoměrnou distribuci excitací mezi oba fotosynstémy (PS II a PS I) 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

37 5. VÝSLEDKY 5.1. Měření parametrů fotosyntézy v ustáleném stavu CO 2 křivky asimilace Získané hodnoty rychlosti asimilace CO 2 při daných [CO 2 ] byly použity pro výpočet fotosyntetických parametrů A sat [µmol(co 2 ) m -2 s -1 ], J max [µmol(elektronů)m 2 s -1 ] a V Cmax [µmol(co 2 ) m -2 s -1 ] pomocí programu PhotosynAssistant ver (Dundee Scientific, Anglie). Všechny studované druhy prokázaly nižší rychlost CO 2 saturovné asimilace (A sat ) 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 A sat 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 [CO 2 ] měla pro A sat opačný trend u buku než u smrku. Zatímco u buku došlo v EC variantě k statisticky vysoce průkaznému poklesu A sat o 19,5 %, u smrku se objevil mírný nárůst (o.17,1 %). Maximální rychlost elektronového transportu (J max ) kopírovala výsledky saturační rychlosti asimilace A sat, 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 J max 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

38 Obr. 5.1 : Rychlost asimilace CO 2 při saturačním ozáření a saturační [CO 2 ] (A sat ). 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 [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5. Obr. 5.2 : Rychlost asimilace CO 2 při saturačním ozáření a saturační [CO 2 ] (A sat ). Srovnání normální a zvýšené [CO 2 ] sledované u buku lesního, smrku ztepilého. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5. Stejný trend jako u A sat 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

39 Obr. 5.3.: Maximální rychlosti elektronového transportu (J max ). 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 [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05, *: :p < 0,05;** p<0,01); n = 5. Obr. 5.4.: Maximální rychlosti elektronového transportu (J max ). Srovnání normální a zvýšené [CO 2 ] 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 [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5. Maximální rychlost karboxylace Rubisco in vivo V Cmax 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

40 listem, stejně jako u A sat a J max byl u buku lesního (62% pokles oproti slunným listům). Zvýšená [CO 2 ] způsobila shodně pokles V Cmax 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 (V Cmax ). 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 [CO 2 ] 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 (V Cmax ). Srovnání normální a zvýšené [CO 2 ] 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 [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n=5. 40

41 Analýza CO 2 křivek smrku odhalila, že růst rostlin ve zvýšené [CO 2 ] se projeví aklimací fotosyntetického aparátu. U smrku ztepilého došlo k poklesu maximální rychlosti karboxylace Rubisco in vivo V Cmax a zároveň vzestupu v maximální rychlosti elektronového transportu J max. Podíl J max /V Cmax byl stabilní u všech druhů v rozmezí 2 3. Smrk, moruše i buk měly vyšší hodnoty tohoto parametru u stinných listů. Poměr J max /V Cmax 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 Měření parametrů fotosyntézy v DSR Gazometrické parametry Při porovnání vývoje indukčního stavu 60 s (IS 60 ) a 120 s (IS 120 ) 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 IS 60 po různě dlouhé aklimaci na stín u lípy a smrku ukázala mírný vzestup indukce v porovnání IS 60 po 2 a 6 min zastínění u slunného i stinného listu lípy a v porovnání IS 60 po 6 a 12 min u stinného listu smrku. Celkově došlo k největším rozdílům v indukci mezi hodnotami IS 60 po 12 min a IS 60 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 IS 60 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 IS 60 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 IS 120 se svým chováním příliš nelišil od parametru IS 60, a proto nebyl ve výsledcích hodnocen. 41

42 Obr. 5.7 : Průběh indukčního stavu 60 s IS 60 a 120 s IS 120 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 [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5. Při vystavení buku a smrku zvýšené [CO 2 ] klesalo IS 60 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

43 Obr. 5.8: Průběh indukčního stavu 60 s po ozářením saturačním světlem IS 60 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 [CO 2 ] 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 IS 60 při běžné [CO 2 ] (375 µmol(co 2 ) mol -1 ) a zvýšené [CO 2 ] (700 µmol(co 2 ) mol - ) CO 2 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 [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5. 43

44 Parametr T 90 (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 A max (rychlost asimilace CO 2 při saturační ozářenosti a růstové [CO 2 ]) 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 % A max kratší po 6 min aklimace na stín než po 2 min stínu. Parametr T 90 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 T 90 byla naměřena pro stinné listy smrku po >30 min (29 min). Obr. 5.10: Čas dosažení 90 % indukce T 9 0 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 [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5. Obr srovnává změnu T 90 provázející zvýšenou [CO 2 ]. 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

45 při přirozené [CO 2 ], po 12 a 30 min zastínění u smrku a 30 min zastínění u buku bylo T 90 při zvýšené [CO 2 ] nižší (11 10,5 min u buku a 15,5 2.5 min u smrku). Obr. 5.11: Čas dosažení 90 % indukce T 90 při běžné [CO 2 ] (375 µmol(co 2 ) mol -1 ) a zvýšené [CO 2 ] (700 µmol(co 2 ) mol -1 ) CO 2 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 [CO 2 ] 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 G S (Obr. 5.12). Nejvyšší rychlost otvírání průduchů byla naměřena pro slunné listy buku lesního 9,5 mmol(h 2 O)m -2 s -1 min -1. Naopak nejpomalejší otvírání průduchů 2,3 mmol(h 2 O) 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

46 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 [CO 2 ] 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 při běžné [CO 2 ] (375 µmol(co 2 ) mol -1 ) a zvýšené [CO 2 ] (700 µmol(co 2 ) mol -1 ) pro smrk a buk. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5. 46

47 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 [CO 2 ] 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 [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5. 47

48 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 [CO 2 ] (375 µmol(co 2 ) mol -1 ) a zvýšené [CO 2 ] (700 µmol(co 2 ) mol -1 ) pro smrk a buk. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce) se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 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 (ETR max ) 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 ETR max 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

49 Na Obr 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 [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5. Zvýšená [CO 2 ] celkově podpořila rychlost elektronového transportu u obou sledovaných druhů (Obr. 5.17). 49

50 Obr Indukční křivky ETR listů buku a smrku pozorovaných při při běžné [CO 2 ] (375 µmol(co 2 ) mol -1 ) a zvýšené [CO 2 ] (700 µmol(co 2 ) mol -1 ) v závislosti na čase. Znázorněny jsou průměrné hodnoty se směrodatnými odchylkami (chybové úsečky). V grafu jsou uvedeny hladiny průkaznosti vlivu zvýšené [CO 2 ] zjištěné pomocí jednocestné ANOVA (n.s: p > 0,05; *: p < 0,05;**: p<0,01); n = 5. Maximální rychlosti elektronového transportu ETR max 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 ETR max 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

51 ETR max ve zvýšené [CO 2 ] se u studovaných dřevin projevilo opačným trendem (Obr. 5.19). V EC variantě došlo u smrku k 25% zvýšení ETR max, 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 [CO 2 ] (375 µmol(co 2 ) mol -1 ) a zvýšené [CO 2 ] (700 µmol(co 2 ) 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 [CO 2 ] (Obr. 5.21). Změna byla patrnější pro smrk (145 %). 51

52 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 [CO 2 ] (375 µmol(co 2 ) mol -1 ) a zvýšené [CO 2 ] (700 µmol(co 2 ) mol -1 ) pro smrk a buk. Znázorněny jsou průměrné hodnoty (sloupce). 52

53 6. DISKUZE 6.1. Rozdíly mezi slunným a stinným listem 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 CO 2 křivek asimilace (A sat, J max, V Cmax ) a indukčních křivek stanovených po 30 minutách (IS 60, T 90, αetr, ETR max ), kdy byly studované listy vystaveny nízké ozářenosti (50 µmol m -2 s -1 ). Jednotlivé parametry jsou popsány v textu (kap , 4.4.4, 4.4.5) a seznamu zkratek. Slunné listy v počtu procent jsou užity jako 100% hodnota. 53

54 Tab. 6.1 B Kromě rozdílů ve složení a funkci slunného a stinného asimilačního aparátu, které jsou popsány v kapitolách 3.1.5, a 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 g cm -2, zatímco u stinných listů to bylo g cm -2. Na základě studia parametrů CO 2 křivky byly zjištěny typické rozdíly pro slunný a stinný asimilační aparát. U stinných listů se objevily nižší A sat (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 A sat u stinných listů Guazuma ulmifolia a Hymenaea courbaril o 61 % respektive 43 % v porovnání s listy slunnými. Z teorie CO 2 křivky vyplývá, že je rychlost asimilace CO 2 limitována dvěma procesy. Při nízkých intercelulárních koncentracích CO 2 (do 250 µmol(co 2 ) mol -1 ) je limitována především aktivitou Rubisco (V Cmax ) a při vyšších koncentracích je limitována regenerací RuBP, tedy rychlostí elektronového transportu potřebného pro tvorbu ATP. 54