aneb Fluorescence chlorofylu jako indikátor stresu

Podobné dokumenty
7 Fluorescence chlorofylu in vivo

Fotosyntéza (2/34) = fotosyntetická asimilace

Vyjádření fotosyntézy základními rovnicemi

FOTOSYNTÉZA. Princip, jednotlivé fáze

Měření fluorescence chlorofylu hedery helix

RYCHLÁ KINETIKA FLUORESCENČNÍ INDUKCE

FYZIOLOGIE ROSTLIN VÝŽIVA ROSTLIN 1) AUTOTROFNÍ VÝŽIVA ROSTLIN 2) HETEROTROFNÍ VÝŽIVA ROSTLIN

Fotofyzikální děje během fotosyntetické přeměny zářivé energie na biochemicky využitelnou formu

Fotosyntéza Světelné reakce. Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR Laboratoř fotosyntézy v Třeboni

Luminiscence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) fluorescence, fosforescence. chemicky (chemiluminiscence)

Fotosyntéza Ekofyziologie. Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR Laboratoř fotosyntézy v Třeboni

Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)

1- Úvod do fotosyntézy

FOTOSYNTÉZA. Mgr. Alena Výborná Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou VY_32_INOVACE_01_1_07_BI1

Využití fluorescence sinic a řas při hodnocení kvality vod. RNDr. Štěpán Zezulka, PhD.

KOMPLEXY EUROPIA(III) LUMINISCENČNÍ VLASTNOSTI A VYUŽITÍ V ANALYTICKÉ CHEMII. Pavla Pekárková

4 Přenos energie ve FS

FOTOSYNTÉZA I. Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74. Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

FOTOSYNTÉZA. CO 2 a vody. - soubor chemických reakcí. - probíhá v rostlinách a sinicích. - zachycení a využití světelné energie

12-Fotosyntéza FRVŠ 1647/2012

Měření množství dopadající energie světla. Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy

FOTOSYNTÉZA. soubor chemických reakcí,, probíhaj v rostlinách a sinicích. z CO2 a vody jediný zdroj kyslíku ku pro život na Zemi

Zobrazování účinků herbicidu na fotosyntézu mapováním chlorofylové fluorescence listů vyšších rostlin.

VLIV SPEKTRÁLNÍHO SLOŽENÍ FOTOSYNTETICKY AKTIVNÍ RADIACE NA INDUKCI FOTOSYNTÉZY TERMOOPTICKÝ JEV

Fluorescence chlorofylu

Škola: Gymnázium, Brno, Slovanské náměstí 7 III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Název projektu: Inovace výuky na GSN

Světlosběrné komplexy rostlin. Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy. (+ světlosběrné komplexy) Rodina Lhc (light harvesting complex)

Fyziologie rostlin. 9. Fotosyntéza část 1. Primární fáze fotosyntézy. Alena Dostálová, Ph.D. Pedagogická fakulta ZČU, letní semestr 2013/2014

EKOTECH Fluorescence chlorofylu in vivo 1

Autor: Katka Téma: fyziologie (fotosyntéza) Ročník: 1.

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK CZ.1.07/1.5.00/ Anotace. Fotosyntéza světelná fáze. VY_32_INOVACE_Ch0214.

FLUORIMETRICKÉ STANOVENÍ FLUORESCEINU

METABOLISMUS SACHARIDŮ

ení k tvorbě energeticky bohatých organických sloučenin

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

Energetický metabolismus rostlin. respirace

FOTOBIOLOGICKÉ POCHODY

Každá molekula kyslíku kterou právě dýcháme vznikla někdy v nějaké rostlině. Každý atom uhlíku našeho těla byl kdysi včleněn fotosyntézou do nějaké

ODŮVODNĚNÍ VEŘEJNÉ ZAKÁZKY

Spektroskopické metody. převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti

Fluorescence (luminiscence)

12. Zhášení fluorescence

Biosyntéza sacharidů 1

Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)

Fotosyntéza. Ondřej Prášil

Energie fotonů je předávána molekulám chlorofylu A, který se zachyceným fotonem excituje (uvolní se energeticky bohatý elektron).

(Návod k praktiku) Produkty. I.typ II.typ. X 1 Σ + g nm nm. Kyslík

Fluorescence, fotosyntéza a stress: jak to spolu souvisí?

14. Fyziologie rostlin - fotosyntéza, respirace

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

Barevné principy absorpce a fluorescence

Fotosyntéza a Calvinův cyklus. Eva Benešová

Využití fluorescence chlorofylu ke sledování fyziologického stavu vegetace

Moderní nástroje pro zobrazování biologicky významných molekul pro zajištění zdraví. René Kizek

SLEDOVÁNÍ VZTAHU MEZI OBSAHEM ENZYMU RUBISCO A KONCENTRACÍ CO 2 V CHLOROPLASTU

Struktura bílkovin očima elektronové mikroskopie

Zoologická mikrotechnika - FLUORESCENČNÍ MIKROSKOPIE

Fluorescenční rezonanční přenos energie

Co vás dnes čeká: Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74. Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

Vybrané spektroskopické metody

Metody spektrální. Metody molekulové spektroskopie. UV-vis oblast. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

2. ČÁST - METABOLICKÉ PROCESY

Barva produkovaná vibracemi a rotacemi

Dýchací řetězec. Viz též přednášky prof. Kodíčka (snímky a blány v levém sloupci)

Předmět: KBB/BB1P; KBB/BUBIO

Spektrometrické metody. Reflexní a fotoakustická spektroskopie

Barevné principy absorpce a fluorescence

Světelné reakce fotosyntézy. - fixace energie záření

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

2. ČÁST - METABOLICKÉ PROCESY

Ekologie fotosyntézy

Roční průběh základních fluorescenčních parametrů dvou stálezelených rostlin

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

Ing. Pavel Hrzina, Ph.D. - Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů Katedra elektrotechnologie K13113

- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Fotosyntéza

Název: Fotosyntéza. Autor: Mgr. Jiří Vozka, Ph.D. Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

Dýchací řetězec (Respirace)

Chemická kinetika. Chemické změny probíhající na úrovni atomárně molekulové nazýváme reakční mechanismus.

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

FYZIKA VE FYZIOLOGII ROSTLIN

7. Měření fluorescence při excitaci kontinuálním světlem ( steady-state )

Stručný úvod do spektroskopie

Několik pokusů s LED. ZDENĚK POLÁK Jiráskovo gymnázium v Náchodě. Abstrakt. Použití LED. Veletrh nápadů učitelů fyziky 17

FOTOSYNTÉZA V DYNAMICKÝCH

Pokročilé cvičení z fyzikální chemie KFC/POK2 Vibrační spektroskopie

Diskutujte, jak široký bude pás spojený s fosforescencí versus fluorescencí. Udělejte odhad v cm -1.

Vylepšování fotosyntézy

B METABOLICKÉ PROCESY

Interakce fluoroforu se solventem

Nové metody v průtokové cytometrii. Vlas T., Holubová M., Lysák D., Panzner P.

Možnosti využití zobrazovací fluorescence chlorofylu a

Přednáška IX: Elektronová spektroskopie II.

ANOTACE vytvořených/inovovaných materiálů

Využití a princip fluorescenční mikroskopie

A5M13VSO MĚŘENÍ INTENZITY A SPEKTRA SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ

Transkript:

Měření fotosyntézy rostlin pomocí chlorofylové fluorescence aneb Fluorescence chlorofylu jako indikátor stresu Fotosyntéza: Fotosyntéza je proces, ve kterém je světelná energie zachycena světlosběrnými anténami (proteinové komplexy obsahující pigmenty), přenesena na reakční centra fotosystému a sledem redoxních reakcí je následně přeměněna na energii chemických vazeb ve formě ATP a NADPH; tyto jsou dále využity při fixaci CO 2 v Calvinově cyklu, jak můžete vidět na obrázku 1. My se v tomto úkolu zaměříme na studium fotosyntézy pomocí měření tzv. variabilní fluorescence chlorofylu. Obrázek 1: Vlevo: Anatomie chloroplastu, vpravo: zjednodušené schéma fotosyntézy Obecně lze fotosyntetické reakce rozdělit do následujících pěti úrovní: primární procesy absorpce světla na úrovni pigmentů, tzv. nábojová separace (primární světelná reakce kdy zachycená energie světla se využije k redukci elektronového přenašeče), elektronový transport v tylakoidní membráně, enzymatické reakce Calvinova cyklu ve stromatu a pomalé regulační zpětnovazebné procesy. Variabilní fluorescence chlorofylu je ovlivněna především primárními procesy ve fotosystému II (komplex proteinů a pigmentů kde dochází k nábojové separaci) ale odráží také všechny následné reakce, neboť fluorescence chlorofylu je doplňková k alternativním cestám využití absorbovaného světla, kterými jsou primární fotochemie a tepelná disipace. Platí tedy, že fluorescence chlorofylu je nejvyšší, když je výtěžek fotochemických procesů (tedy fotosyntézy, převážně aktivity fotosystému II) a tepelné disipace nejnižší a naopak. Z tohoto důvodu lze využít změny ve fluorescenci chlorofylu k měření fotochemických procesů ve fotosystému II (a částečně i následných

~ NP procesů, např. rychlost elektronového transportu). Z pohledu variabilní fluorescence chlorofylu odráží tyto děje fotochemické zhášení, tedy pokles intenzity fluorescence. Současně lze fluorescenci chlorofylu využít ke studiu fotoprotektivního mechanismu disipace absorbovaného světla na teplo, tzv. nefotochemického zhášení fluorescence. Fluorescence chlorofylu a nefotochemické zhášení: Fluorescence chlorofylu představuje emisi světla (o vyšší vlnové délce), která je spojena s absorpcí světelné energie dopadajícího záření (o nižší vlnové délce) molekulami chlorofylu. Fluorescence chlorofylu je vyzařována v různých oblastech spektra, avšak většina měřících metod používá fluorescenci chlorofylu v rozsahu 690-710 nm. Intenzita fluorescence chlorofylu umožňuje získat informace o využití světelné energie primárních reakcích fotosytézy a částečně odráží i následné biochemické procesy fixace uhlíku v Calvinově cyklu. Měřením fluorescence chlorofylu lze tedy velmi přesně stanovit rychlost transportu elektronů v membráně tylakoidu a její následné spotřebování při fixaci CO 2. Navíc lze pomocí fluorescence chlorofylu určit poměr absorbované energie, která je přeměněna (disipována) na teplo anebo využita ve fotochemicky reakcích. Obrázek 2: Fluorescence chlorofylu, Vlevo: Jablonského diagram znázornující primární procesy po absorpci světla chlorofylem, uprostřed a je absorpční a fluorescenční emisní spektrum chlorofylu, Vpravo: 3 způsoby využití absorbované světelné energie. Proces nefotochemického zhášení

představuje přechod z prvního excitovaného stavu (1 st excited state), do základního stavu chlorofylu (Ground state) energie excitovaného stavu se disipuje tak přeměnuje na teplo. Nefotochemické zhášení: Jedním z procesů zabraňujících poškození fotosyntetických komplexů v době vysoké ozářenosti je nefotochemické zhášení (z anglického Nonphotochemical quenching, NPQ). Je to obranný mechanismus, díky kterému je nadbytečná excitační energie (která nemůže být využita fotochemicky, ale naopak může poškodit fotosyntetické komplexy) vyzářena do okolí ve formě tepla. V následující experimentální části se soustředíme na studium právě nefotochemického zhášení. Princip experimentu: Zaměříme-li se na fluorescenční emisi, můžeme rozlišit dva typy soupeřících procesů deexcitace: fotochemickou konverzi energie v reakčních centrech fotosystému II a nefotochemickou ztrátu excitační energie ve formě tepla. Oba tyto mechanismy vedou ke zhášení fluorescence chlorofylu (tedy jejímu poklesu), proto se také rozlišuje fotochemické (qp) a nefotochemické (qn) zhášení fluorescence chlorofylu. Oba koeficienty qp a qn lze určit pomocí jednoduchého měření. Typický výsledek takového měření je možné vidět na Dark period Light period obrázku 3. Obrázek 3: Zhášecí analýza listu špenátu získaná pomocí přístroje PAM 2500. F M hodnota maximální fluorescence pro na tmu adaptovaný vzorek (všechna reakční centra jsou otevřená, proces NPQ je inaktivní); F 0 hodnota minimální fluorescence pro na tmu adaptovaný vzorek; F M hodnota

maximální fluorescence pro vzorek adaptovaný na dané světlo (proces NPQ je aktivován), F hodnota tzv. ustálené fluorescence pro danou intenzitu světla. Hodnota fluorescenčního výtěžku nám podá informaci o celkové změně v efektivitě fotochemických reakcí a tepelné disipace, ale nerozliší nám podíl obou složek zhášení. Pro tyto účely je třeba použít speciální měřící tzv. zhášecí analýzu pomocí fluorimetrů PAM. Při této analýze rozlišíme fotochemické a nefotochemické zhášení tak, že fotochemické zhášení zablokujeme pomocí saturačního pulsu (který zastaví fotochemickou aktivitu fotosystému II díky jeho totální redukci) a tím nám experiment ukáže pouze vliv nefotochemického zhášení na náš modelový systém. Z měření podobných tomu na obr. 3 můžeme spočítat hned několik velmi důležitých parametrů: F V /F M : Základní fluorescenční poměr F V /F M se definuje jako podíl variabilní (F V ) a maximální fluorescence (F M ) odráží maximální kvantový výtěžek fotochemie fotosystému II. Variabilní fluorescencí rozumíme rozdíl mezi okamžitou hodnotou fluorescence a minimální hodnotou fluorescence (F 0 ), která detekuje otevřená reakční centra fotosystému II ve tmě. Pro výpočet používáme hodnotu okamžité maximální fluorescence dosaženou silným světelným ozářením na tmu adaptované rostliny (F M ), tento záblesk způsobí uzavření všech reakčních center fotosystému II. Variabilní fluorescence se stanoví jako rozdíl F M - F 0 a základní fluorescenční poměr podle vzorce: F V /F M = (F M F 0 ) / F M. Minimální fluorescence F 0 se zjišťuje ozářením předzatemněné rostliny velmi nízkou hodnotou použitého záření, při které dochází k excitaci molekul chlorofylu fotosystému II, avšak tato intenzita neuzavírá reakční centrum neboť je dostatečně efektivně fotochemicky využita k redukci přenašečů tylakoidní membrány. F 0 proto představuje minimální fluorescenci závislou pouze na počtu pigmentů (chlorofylů) a je neovlivněna rychlostí přenosu elektronů v tylakoidní membráně. Fluorescenční poměr variabilní ku maximální fluorescenci (F V /F M ) je obecným indikátorem snížení funkce nebo poškození reakčních center (RC) fotosystému II. U zdravých, nepoškozených ani jinak negativně ovlivněných rostlin může F V /F M dosáhnout maximální hodnoty 0,83. Pokud je fotosyntetický aparát rostlin nebo celá rostlina vystavena působení některého stresu, dochází k negativnímu ovlivnění fotochemické funkce fotosystému II, což se projeví ve snížení hodnoty F V /F M. Dobře prostudovaným stresem, jehož důsledkem je snížení hodnoty F V /F M, je například stres tepelný, které nevratně poškozuje fotosystém II.

NPQ: NPQ = (F M -F M ) / F M je vyjádření koeficientu nefotochemického zhášení a představuje indikátor tepelné disipace nevyužité (fotochemicky nadbytečné) excitační energie. Postup experimentu: K měření použijte čerstvé listy špenátu (Spinacia oleracea) a listy stresované inkubací ve vodní lázni o teplotě 40 C po dobu 5 min. Před měřením nechte listy aklimovat na tmu asi 30 min. Zapněte přístroj PAM 2500, spusťte program PAMWIN_3 a začněte s měřením. Program sám nakreslí graf závislosti intenzity fluorescence chlorofylu na čase Vyexportujte výsledek měření a sledujte parametry F 0, F M, F M, NPQ u nejméně 3 listů za obou podmínek Porovnejte naměřené fluorescenční hodnoty u kontrolních a stresovaných listů Vysvětlete a prodiskutujte získané výsledky kontakt: Eliška Trsková, email: eliska.trskova@centrum.cz Reference: Hlízová, E (2008) Využití fluorescence chlorofylu ke sledování fyziologického stavu vegetace Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy v Praze, Katedra fyziologie rostlin, Bakalářská práce https://edu.glogster.com/glog/chloroplast/2cavi3k1ch6 http://www.botanika-puchnerova.estranky.cz/fotoalbum/fotosynteza/fotosynteza.jpg.--.html

Skripta Fyziologie rostlin, Masarykova univerzita, Přírodovědecká fakulta, Brno http://www.sci.muni.cz/~fyzrost/ Hájek T, Šantrůček J, skripta Malá fyziologie rostlin, 2012, Přírodovědecká fakulta, JČU Ruban A (2013) The Photosynthetic Membrane. Molecular Mechanisms and Biophysics of Light Harvesting. John Wiley & Sons, Ltd., United Kingdom