Ekofyziologie rostlin - Vliv environmentálních podnětů na fotosyntézu

Podobné dokumenty
Vertikální distribuce fotosyntetické aktivity v lesních porostech v průběhu jasných a oblačných dní.

Ekofyziologie rostlin - fotosyntetická asimilace uhlíku

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

Impact of radiation regime on CO 2 assimilation of forests. Otmar Urban Global Change Research Center AS CR, v.v.i.

Vodní režim rostlin. Regulace výměny plynů otevřeností průduchů. fotosyntézy Efektivita využití vody Globální změna klimatu Antitranspiranty

Vyjádření fotosyntézy základními rovnicemi

Studium struktury fotosyntetického aparátu pomocí konfokální mikroskopie a stereologických metod

VLIV SPEKTRÁLNÍHO SLOŽENÍ FOTOSYNTETICKY AKTIVNÍ RADIACE NA INDUKCI FOTOSYNTÉZY TERMOOPTICKÝ JEV

Smrk ztepilý (Picea abies /L./ Karst.) v podmínkách globálnízměny klimatu

Růst dřevin v podmínkách globálnízměny klimatu

Vodní režim rostlin. Regulace výměny plynů otevřeností. průduchů. Stomatální limitace rychlosti transpirace a rychlosti. Efektivita využití vody

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013. Lubomír Nátr. Lubomír Nátr

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

Ekosystém. tok energie toky prvků biogeochemické cykly

Stomatální vodivost a transpirace

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

Vylepšování fotosyntézy

Ekofyziologie produkčníaktivity

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

Fyziologické stránky fotosyntézy

Oddělení biomasy a vodního režimu

FYZIKA VE FYZIOLOGII ROSTLIN

MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013. Lubomír Nátr. Lubomír Nátr

Ekologie fotosyntézy

Toky látek a energie EKOLOGIE LESA. Scénář Toky látek a energie. Ekofyziologie rostlin

14. Fyziologie rostlin - fotosyntéza, respirace

Průduchy regulace příjmu CO 2

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

SOIL ECOLOGY the general patterns, and the particular

Suchozemské (terestrické) ekosystémy C cyklus

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

TRANSPIRACE A EVAPOTRANSPIRACE V EKOFYZIOLOGII LESNÍCH DŘEVIN

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

Ing. Matěj Orság Vodní bilance rychle rostoucích dřevin

Vodní režim rostlin. Transpirace. Energetická bilance listu. Fickovy zákony Hraniční vrstva Kutikula Průduchy

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

ení k tvorbě energeticky bohatých organických sloučenin

Fyziologické a anatomické přizpůsobení sazenic na stres suchem - metody studia stresu

FYZIOLOGICKÉ DŮSLEDKY PŮSOBENÍ NEDOSTATKU VODY NA ROSTLINY CHMELE Physiological consequences of water shortage on hop plants

Transpirace a evapotranspirace v ekofyziologii lesních dřevin Radek Pokorný, Zdeňka Klimánková, Otmar Urban, Lenka Krupicová, Zuzana Zvěřinová

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

aneb Fluorescence chlorofylu jako indikátor stresu

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

SLEDOVÁNÍ JARNÍCH FENOLOGICKÝCH FÁZÍ U BUKU LESNÍHO VE SMÍŠENÉM POROSTU KAMEROVÝM SYSTÉMEM

Fyziologie rostlin - maturitní otázka z biologie (3)

DISTRIBUCE FOTOSYNTETICKY AKTIVNÍHO ZÁŘENÍ VE SMRKOVÉM POROSTU DISTRIBUTION OF PHOTOSYNTHETIC ACTIVE RADIATION IN SPRUCE STAND

Fotosyntéza Uhlíkový metabolismus. Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR Laboratoř fotosyntézy v Třeboni

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE

Organizmy a biogeochemické cykly hlavních prvků (C,N,P) a látek (voda) v ekosystému. (Hana Šantrůčková, Katedra biologie ekosystémů, B 361)

Úvod k lesním ekosystémům

DEPOZIČNÍ TOK OZONU NAD SMRKOVÝM POROSTEM A JEHO KORELACE S ČISTOU EKOSYSTÉMOVOU PRODUKCÍ

Vodní režim rostlin. Transpirace. Energetická bilance listu Fickovy zákony Hraniční vrstva Kutikula Průduchy

Organizmy a biogeochemické cykly hlavních prvků (C,N,P) a látek (voda) v ekosystému. (Hana Šantrůčková, Katedra biologie ekosystémů, B 361)

Aktivita CLIL Chemie I.

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

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

AGRITECH S C I E N C E, 1 1 VYBRANÉ MIKROKLIMATICKÉ PARAMETRY V RŮZNÝCH SYSTÉMECH USTÁJENÍ TELAT V PŘÍSTŘEŠKOVÝCH INDIVIDUÁLNÍ BOXECH (PIB)

12-Fotosyntéza FRVŠ 1647/2012

1. Ekologie zabývající se studiem jednotlivých druhů se nazývá: a) synekologie b) autekologie c) demekologie

Dýchací řetězec (Respirace)

Voda a energie v klimatizačnom zariadení planéty Zem

Měření odporu transportních cest, stupně jejich integrace a embolizace

Ústav výzkumu globální změny AV ČR, v.v.i. Uhlíková pumpa lesních porostů - její význam pro mitigaci globální změny. Michal V.

Dominantní FL ječmene jarního

Meteorologické faktory transpirace

Fotosyntéza (2/34) = fotosyntetická asimilace

Rožnovský, J., Litschmann, T., (eds): Závlahy a jejich perspektiva. Mikulov, , ISBN

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

FOTOSYNTÉZA. Princip, jednotlivé fáze

Proč by se průmysl měl zabývat výzkumem nanomateriálů

Co umí strom aneb o zeleni s trochou fyziky. Jan Pokorný ENKI, o.p.s. Ústav systémové biologie a ekologie AVČR

EKOLOGIE LESA Primární produkce lesních ekosystémů funkce abiotických faktorů

Kořenový systém plodin jako adaptační opatření na sucho

7 Fluorescence chlorofylu in vivo

STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST. Schopnost lesního porostu poutat oxid uhličitý spojitost s globální změnou klimatu

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

Modulace fotosyntézy, zvyšování produktivity genetickými modifikacemi, biotechnologie, umělá fotosyntéza,

CARBONACEOUS PARTICLES IN THE AIR MORAVIAN-SILESIAN REGION

1- Úvod do fotosyntézy

Characterization of soil organic carbon and its fraction labile carbon in ecosystems Ľ. Pospíšilová, V. Petrášová, J. Foukalová, E.

5. Příjem, asimilace a fyziologické dopady anorganického dusíku. 5. Příjem, asimilace a fyziologické dopady anorganického dusíku

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

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

Univerzita Karlova v Praze. Přírodovědecká fakulta. Studijní program: Biologie. Studijní obor: Biologie

METABOLISMUS SACHARIDŮ

Struktura vs mikroklima lesa, porostu

FOTOSYNTÉZA Správná odpověď:

Air Quality Improvement Plans 2019 update Analytical part. Ondřej Vlček, Jana Ďoubalová, Zdeňka Chromcová, Hana Škáchová

Toky energie v ekosystémech a evapotranspirace. Jakub Brom LAE ZF JU a ENKI o.p.s.

Vodní režim rostlin. Úvod Adaptace, aklimace: rostliny vodní, poikilohydrické (řasy, mechy, lišejníky, kapradiny, vyšší rostliny) a homoiohydrické.

Jan F. Humplík Laboratoř růstových regulátorů & Oddělení chemické biologie a genetiky, CRH, ÚEB AV ČR

Biosyntéza sacharidů 1

MĚŘENÍ RADIAČNÍHO REŽIMU KORUNOVÉ VRSTVY POMOCÍ MIKROČIDEL S VLÁKNOVOU OPTIKOU

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

Salaš, P. (ed): "Rostliny v podmínkách měnícího se klimatu". Lednice , Úroda, vědecká příloha, 2011, s , ISSN

Fluorescence chlorofylu

CLIMATE CHANGE IMPACT ON RELATIONS AMONG EVAPOTRANSPIRATION, WATER USE EFFICIENCY AND CROP YIELDS ON DANUBIAN LOWLAND

Respirace. (buněčné dýchání) O 2. Fotosyntéza Dýchání. Energie záření teplo BIOMASA CO 2 (-COO - ) = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3

Transkript:

Ekofyziologie rostlin - Vliv environmentálních podnětů na fotosyntézu Otmar Urban, CVGZ AV ČR Tato akce se koná v rámci projektu: Vybudování vědeckého týmu environmentální metabolomiky a ekofyziologie a jeho zapojení do mezinárodních sítí (ENVIMET; r.č. CZ.1.7/2.3./2.246) realizovaného v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

Radiační režim intenzita sluneční radiace kvalita sluneční radiace

A, umol(co2) m -2 s -1 FOTONY Světelná křivka asimilace (LRC) CO2 RuBP regenerace Rubisco-limited R D temnotní (mitochond.) respirace 16 μmol(co 2 ) m -2 s -1 12 Г I kompenzační ozářenost 8 Θ μmol (photon) m -2 s -1 4 AQE (tg α) zdánlivá tg hyperbolická funkce kvantová účinnost mol(co 2 ) mol -1 (photons) -4 Θ zakřivení ( 1) [CO2] = konstantní bezrozměrné -8 A max světlem saturovaná 25 5 75 1 125 15 rychlost asimilace μmol(co 2 ) m -2 s -1 PPFD, umol(photons) m -2 s -1 A AQE I A max (AQE I A 2 Θ max ) 2 4 AQE I Θ A max R D Prioul JL, Chartier P (1977) Annals of Botany, 41, 789 9.

A (μmol m -2 s -1 ) Příklady A-PPFD křivek 2 16 12 8 4-4 -8 Nardus Carex Hieracium A_Fit 25 5 75 1 125 15 PPFD (μmol m -2 s -1 ) Herbaceous species (ISBE)

Rozdíly mezi slunným a stinným listem sun shade Walter Larcher: Plant Ecological Physiology Listy/rostliny aklimované na stín: nižší R D nižší Г I vyšší AQE nižší A max Stinné listy jsou: tenčí s větší listovou plochou (vyšší specifická listová plocha SLA; cm 2 g -1 ) nižší počet stomat na jednotku listové plochy vyšší obsah chlorofylů a karotenoidů na jednotku sušiny (mg g DW -1 ) náhodně orientovaná granna nižší obsah dusíku

Anatomie listů Vogelmann T.C. optické vlastnosti listů palisádový parenchym usnadňuje pronikání přímého záření před zářením difúzním culumnar palisade mesophyll spongy mesophyll shade leaf

Slunné x stinné listy stinné listy získané asimiláty investují do syntézy a udržení bílkovinných struktur spojených s primární fází fotosyntézy účinného záchytu kvanta záření velké chloroplasty větší plochou tylakoidních membrán vyšší počet náhodně orientovaných gran tj., efektivnější absorpce všesměrového difúzního záření slunné listy investice do sekundární fáze vyšší obsah dusíku vyšší obsah Rubisco vyšších maximální rychlosti asimilace CO2 vyšších rychlosti transpirace (účinné ochlazování).

Chl a/b Chls/ Cars Chl (a+b) (mg g -1 ) Cars (x+c) (mg ḡ 1 ) Rozdíly mezi slunným a stinným listem 14 12 1 8 ** ** ** slunný stinný a 2,5 2, 1,5 ** ** ** b 6 ** 1, * 4,5 2 Acer Fagus Tilia Abies, Acer Fagus Tilia Abies 4 3 ** ** ** ** c 7 6 5 * ** ** ** d 2 1 4 3 2 1 Acer Fagus Tilia Abies Acer Fagus Tilia Abies

Rozdíly mezi slunným a stinným listem Amax (μmol m -2 s -1 ) 14 12 1 8 6 4 2 * * * * Amax (μmol mgdw -1 h -1 ) 1,,8,6,4,2 * * slunný stinný * a Acer Fagus Tilia Abies b, Acer Fagus Tilia Abies Kubiske ME, Pregitzer KS Funct. Ecol. 11 (1997) 24-32: stinné listy stín-málosnášejících druhů reagují primárně změnou SLA, stín-snášející druhy reagují na zastínění zejména formou biochemické aklimace fotosyntetického aparátu.

Slunný x stinný distribuce asimilace

Fotosyntetické výkony dřevin asimilační kapacita listnaté (opadavé); 2-25 umol m -2 s -1 Populus 2-3 umol m -2 s -1 Alnus glutinosa, Acer mono, Fagus sylvatica 3-4 umol m -2 s -1 jehličnaté (stálezelené); 2-1 umol m -2 s -1 Pinus sylvestris, P. radiata 16-17 umol m -2 s -1 Picea spp. 2-3 umol m -2 s -1 stromy výhradně C3 typ fotosyntézy, ALE! Euphorbia forbesii (Hawai) Chenopodiaceae Polygonaceae (polokeře ruských stepí) C4 Clusia rosea CAM (v případě nepříznivých podmínek)

Př.: C3 vs. C4 rostliny saturace světlem CAM (1/1) < C3 (1/3) < C4 fotorespirace C3 (1/3 z celkové fotosyntézy) > CAM > C4 () A Nmax (umol m -2 s -1 ) C4 (35-4) > C3 (15-3) > CAM (1-5) teplotní optimum C3: 15-25 C C4: 25-4 C CAM: kol. 4 C produkce sušiny (t ha -1 y -1 ) C3: 22 3.3 C4: 38.6 16.9 C4: velká variabilita dat

Vliv environmentálních podnětů na fotosyntézu - kvalita dopadající radiace

Difusse index, dimensionless PAR, mmol m -2 s -1 Srovnání slunných x stinných dnů Urban et al.: Global Change Biology 13: 157-168, 27 A B 16 PAR_cloudy PAR_sunny 12 8 4 : 6: 12: 18: : Time, h 1, Cloudy Sunny,8,6,4,2, : 6: 12: 18: : Time, h NEE, mmolco2 m -2 s -1 15 1 5-5 -1-15 5 1 15 NEE-eddy_cloudy NEE-model_cloudy NEE-eddy_sunny NEE-model_sunny NEE-fit PAR, mmol m -2 s -1 Fig.1A,B: Typical daily courses of photosynthetically active radiation intensity (PAR; A) and diffuse index (diffuse/ global radiation; B). Fig.2: Typical relationships between NEE and PAR over the day with prevailing direct ( ) and diffuse ( ) solar radiation. stinné dny - převládající difůzní záření (diffuse index >.8), NEE byla relativně vyšší v porovnání se slunnými dny, NEE byla vyšší až o 15% při ozářenosti 4 mmol m -2 s -1, AQE vyšší o 2%, Г I nižší o 5% lepší využití nízkých intenzit slunečního záření.

Tair, C I. nižší celkové respirace ekosystému nižší teplota Leaf respiration, mmolco2 m -2 s -1 4 35 3 25 2 15 1 5 Cloudy Sunny,25,5,75 1 Time, h Fig.3: Typical daily courses of air temperature (Tair). respirace jednotlivých částí ekosystémů vykazují pozitivní korelaci s teplotou exponenciální závislost hlavní zdroj CO 2 půda se v krátkodobém měřítku nemění závislost na půdní vlhkosti Soil CO2 efflux, umolco 2 m -2.s -1 8 6 4 2 y = 1,251e,937x R 2 =,799 Stem CO 2 efflux, mmolco 2 m -2 s -1 6 5 4 3 2 1 y =,274e,1167x R 2 =,7935 2,5 2, 1,5 1,,5 y =,1132e,919x R 2 =,5368 5 1 15 2 25 Soil temperature, o C 5 1 15 2 25 Cambium temperature, C, 5 1 15 2 25 3 Leaf temperature, C Fig.4A,B,C: The exponential relationships between the rate of CO 2 efflux from soil (A), stems (B) and leaves (C) and actual temperature. An automatic closed gas exchange system SAMTOC has been used for the measurements of soil and stem CO 2 effluxes. Mentioned equations were used for the modelling of night-time fluxes in Fig.2.

AN, mmol m -2 s -1 GS, mmol(h2o) m -2 s -1 VPD, kpa II. nižší vodní sytostní deficit 4 3 2 1 Sunny Cloudy : 6: 12: 18: : Time, h Fig.5: Typical daily courses of vapour pressure deficit (VPD) over the days with prevailing direct vysoká hodnota VPD vede k uzavírání průduchové štěrbiny a snížení stomatální vodivosti pro difusi CO 2 vysoké intenzity PAR (>1) tak vedou k redukci intercelulárního CO 2 pokles rychlosti asimilace CO 2 na úrovni letorostu A 1 8 6 4 2-2 25 5 75 1 125 15 PAR, mmol m -2 s -1 An_cloudy An_sunny Fit_cloudy Fit_sunny B 3 Gs_cloudy 25 Gs_sunny GsFit-lin 2 GsFit-Keen 15 1 5 5 1 15 2 PAR, mmol m -2 s -1 Fig.6A,B: The relationship between CO 2 assimilation (A N ) and photosynthetically active radiation (PAR) on the level of individual shoots (panel A) and the relationship between stomatal conductivity (G S ) and intensity of incident PAR (panel B). Symbols represents days with prevailing direct radiation, diffuse radiation. Data obtained by the open IRGA system CIRAS-1 (PP Systems, U.K.).

Analysis of stomatal conductance O. Urban et al.: Functional Ecology 26: 46-55, 212.

Relative photon distribution, r.u. III. spektrální posun slunečního záření 4,5E-3 3,5E-3 2,5E-3 1,5E-3 Cloudy Sunny 4 45 5 55 6 65 7, nm Fig.7: Relative photon distribution over the days with prevailing direct ( ) and diffuse ( ) radiation estimated by spectroradiometer LI-18 (LICOR, U.S.A.). nárůst vlnových délek v modré oblasti spektra 45-5 nm absorpční maxima chlorofylů (Chls) a karotenoidů (Cars) napomáhá (usnadňuje) otevírání průduchové štěrbiny nárůst intercelulární koncentrace [CO 2 ]

Role fototropinů v rostlinách Briggs and Christie: Trends in Plant Science 7: 24-21, 22 fototropismus otevírání stomat migrace chloroplastů low x high PPFD (nepřímá aktivace Rubisco??) B-light receptors

IV. účinnější pronikání difúzního záření do korunové vrstvy H (m) Ln(PPFDTrans) A B PPFDtrans (%) 1 75 5 25 6.2 6 5 4 3 2 1 Cloudy Sunny 25 5 75 1 5 4 3 2 1-1 Cloudy Sunny LA cumul (%) 1 2 3 SELA (μmol s -1 ) y =.62x +.95 R 2 =.99 y =.8x -.23 R 2 =.99 2 4 6 8 H (m) Cloudy Sunny difúzní záření proniká lépe do spodních pater korunové vrstvy nižší ( 25%) extinkční koeficienty (ca.6 x.8) větší část listové plochy je fotosynteticky aktivní (Г I : 3 4 μmol m -2 s -1 ) 7% LA je potenciálním zdrojem CO 2 (stinné dny 45%) Fig. 9A,B: Relationship between cumulative leaf area (LA cumul ) and transmitted photosynthetic photon flux density (PPFD trans ) estimated during sunny (empty circles) and cloudy (full circles) days (A). Slopes of linear relationship between logarithmic PPFD trans and canopy height (H) represent the extinction coefficients (small graph). Calculation was done on the basis of PPFD transmittance measurements and foliage distribution (Pokorný et al., 24) within the canopy. Distribution of solar equivalent leaf area (SELA) within vertical canopy profile (B). SELA was calculated for incident PPFD 4 μmol m -2 s -1. Empty columns, sunny days; Filled columns, cloudy days.

Total fixed CO 2 total fixed CO 2 over 24-h periods day-time Light Use Efficiency (LUE) based on A-I curves and detailed measurements of I within canopy total sum of assimilated CO 2 154 17 g during cloudy days, 89 18 g during sunny days shoots located in the lowest part of the canopy attained markedly positive carbon balance under diffuse radiation

Vliv environmentálních podnětů na fotosyntézu - zvýšená koncentrace CO2

STOMATÁLNÍ VODIVOST Primární vlivy CO 2 - vstupní substrát fotosyntézy RYCHLOST FOTOSYNTÉZY [umolco2 m -2 s -1 ] karbamylace RUBISCO inact + CO 2 + Mg 2+ Rubisco act karboxylace CO 2 + RuBP trioza fosfáty [mmol m -2 s -1 ] 2 15 1 5 16 12 8 4 - fotorespirace 25 5 75 1 125 15 Koncentrace CO 2 ; C int [umolco 2 mol -1 ] -4 - regulace průduchové vodivosti Historická studie Woodward Nature 1987: stomatal density (4%; počet na plochu) stomatal index (poměr stomatálních/ epidermálních buněk)

Vliv CO 2 na rychlost asimilace ANact [µmol m -2 s -1 ] 8 6 4 2 AC EC GSact [mmol m -2 s -1 ] 12 1 8 6 4 2 AC EC -2 3: 6: 9: 12: 15: 18: 21: 3: 6: 9: 12: 15: 18: 21: A TIME of DAY [h] D TIME of DAY [h] nárůst 2-3 % PAR > 25 μmol m-2 s-1 limitace primární fází limitace sekundární fází pokles 2-6 % uzavírání průduchové štěrbiny (snížení hustoty průduchů) listnáče výraznější odezva AKLIMAČNÍ DEPRESE

Aklimační deprese fotosyntézy pokles Asat asimilační kapacity nižší stimulace Amax Smrk ztepilý, Špunda a kol. (25) Plant Science

Příčiny aklimační deprese #1 I. Redistribuce/ snížení konc. anorganického fosfátu CO 2 => zvýšené akumulace fosforolyvaných meziproduktů Calvinova cyklu => k redistribuce Pi mezi vnitřním prostorem chloroplastů a cytozolem => limitující pro syntézu adenozin trifosfátu (ATP), množství Pi a ATP/ADP může vést ke zpětnovazebné limitaci aktivity enzymu RUBISCO-aktiváza II. Snížení obsahu či aktivity enzymu RUBISCO množství Rubisco v důsledku potlačení genové exprese pro přepis genů RUBISCO zpětnovazebné regulace nestrukturními sacharidy (glukóza a sacharóza) aktivity enzymu karbonikanhydráza (v důsledku potlačení genové exprese)

Příčiny aklimační deprese #2 III. Poškození tylakoidů v důsledku nadměrné akumulace škrobu transportu asimilátů z chloroplastu do cytozolu přes TPT je závislý na PO 4 3- => nedostatek Pi hromadění asimilátů ve stromatu => škrob => nadměrná akumulace škrobových zrn v chloroplastech zastínění světlosběrných komplexů a jejich reakční centra mechanickému poškození tylakoidních membrán IV. Úroveň minerální výživy, efekt dusíku nedostatek dusíku prohlubuje aklimační depresi fotosyntézy stres způsobený nedostatečnou minerální výživou může úplně eliminovat pozitivní účinek zvýšené koncentrace CO2 CO2 vede k přerozdělení N v rámci listů či celé rostliny (re-optimalizace) od Rubisca směrem k proteinům elektronového transportu (regenerace RuBP) z listů do kořenového systému tzv. zřeďovacímu efektu zachování stejnému množství N, které však připadá na vyšší množství biomasy

Příčiny aklimační deprese #3 Změny poměru zdroj sink CO2 pro udržení vysoké rychlosti fotosyntézy je nutná přítomnost aktivních C sinků listové plochy, počet mezof. b. tvorba sekundárních letorostů, tvorba mezipřeslenových větví chybějící C sinky, např. aktivní bazální meristémy u starších jehlic => urychlení a prohlubování AK model vývoje aklimace fotosyntézy Biochemickou změna ΔB fixace CO2 enzymem RUBISCO, regenerace RuBP a triózafosfátů, Morfologická změna ΔM zabudování sacharidů do struktury, CO 2 Účinnost karboxylace Produkce asimilátů Biochemická Morfologická Transport změna ( B) změna ( M) z listu Ne A max M > B? Ano A max Luo Y. a kol. (1999) GCB Změna poměru nada podzemní biomasy

Chl a /b DEPS [%] Vliv CO 2 na fotorespiraci RL [µmol m -2 s -1 ] 4 3 2 1 AC EC význam fotorespirace ochrana před nadměrnou ozářeností metabolismus dusíku B 3: 6: 9: 12: 15: 18: 21: TIME of DAY [h] 1. rozpad LHC 2. xantofylový cyklus 3.6 3.5 AC EC 3 25 AC EC 3.4 2 3.3 15 3.2 1 3.1 5 3. 3: 6: 9: 12: 15: 18: 21: 3: 6: 9: 12: 15: 18: 21: A TIME of DAY [h] A TIME of DAY [h]

Y, MPa Sekundární vlivy CO 2 vodní režim CO2 => přivření průduchové štěrbiny, typické snížení Gs o 2 až 6% mladé stromy, listnaté stromy => pokles rychlosti transpirace (na jednotku listové plochy) podílí se i zvýšená depozice epikulárních vosků ALE: velké zvýšení celkové listové plochy => nárůstu celkové evapotranspirace => menší snížení vodního potenciálu listů rostlin v průběhu dne CO2 chrání rostliny před nadměrným vysycháním snižuje negativní účinky vodního stresu (zejména v období sucha). : 6: 12: 18: : 6:.6.5 AC varianta EC varianta -.5 Transpirační tok, l h -1.4-1. -1.5-2. TIME, hours Amb Elev.3.2.1. 29-6 3-6 1-7 2-7 3-7 Dny v roce

Vodní režim polední deprese fotosyntézy

Rozdíly ve vodním režimu rostlin anisohydric plants isohydric plants

Midday depression of photosynthesis Barták et al. Photosynthetica 37: 1-16, 1999 (Arbutus unedo) 9 12 15 Day time, h Why? uzavírání stomat pokles Ci asimilace (počáteční fáze CRC) za silného stresu suchem ( difúzních limitací) nízká [CO 2 ] v chloroplastech může vést k dekarbamylaci Rubisco J Bota et al. New Phytol. (24) nárůst fotorespirace R L s teplotou K CO2 /K O2 CO 2 /HCO 3 - H Muraoka et al. PCE (2) fotoinhibice během dne ΦPSII <.2 fotopoškození tylakoidní membrány - produkce ATP photo-bleaching

A Gs Relationship Wong, S.C., I.R. Cowan and G.D. Farquhar. 1979. Stomatal conductance correlates with photosynthetic capacity. Nature 282: 424 426. Lichtenthaler et al. Plant Physiology et Biochemistry 45: 577-588, 27.

Asimilace v korunové vrstvě A ( mol(co 2 ) m -2 s -1 ) A ( mol(co 2 ) m -2 s -1 ) 1 8 6 4 2-2 1 8 6 4 2 (a) (c) (b) 5 th whorl 8 th whorl Cloudy AM Cloudy PM Sunny AM Cloudy PM Fit 1 th whorl (d) 15 th whorl Cloudy Sunny Fit Cloudy AM Cloudy PM Sunny AM Sunny PM Fit Cloudy Sunny Fit 1 8 6 4 2-2 1 8 6 4 2 A ( mol(co 2 ) m -2 s -1 ) A ( mol(co 2 ) m -2 s -1 ) -2 2 4 6 8 1 12 2 4 6 8 1 12-2 PPFD ( mol(photons) m -2 s -1 ) PPFD ( mol(photons) m -2 s -1 )

Teplota

Teplotní optimum pro asimilaci CO 2 Picea mariana 22/14 C = LT 3/22 C = HT DANIELLE A. WAY & ROWAN F. SAGE: Plant, Cell and Environment (28) 31, 125 1262 DANIELLE A. WAY & ROWAN F. SAGE Global Change Biology (28) 14, 624 636

Modelling of temperature responses Arrhenius exponential function involving the temperature coefficient Q 1. k k r Q T 1 1 T r where k is the reaction rate, k r is the rate constant of physiological process at the reference temperature T r (e.g. 2 C), and Q 1 is the factor by which the rate constant increases for a 1 ºC temperature increment models with temperature optimum: k is the function of Ea, variation of the enthalpy, ΔH, and the entropy, ΔS) Johnson, I.R., Thornley, J.H.M.: Temperature dependence of plant and crop processes. Ann. Bot. 55: 1-24, 1985.

Q 1 parameter Urban et al. Photosynthetica 45: 392-399, 27.

Temperature impact on V Cmax exponential increase within the range T Leaf = 15 3 C T Leaf 35 C Rubisco deactivation V Cmax decrease mechanisms of Rubisco deactivation (I) Bernacchi et al. (21) T Leaf mesophyll conductance facilitate CO 2 diffusion into chloroplasts T Leaf 4 C strong mesophyll conductance insufficient CO 2 supply CO 2 assimilation (CRC) (II) Crafts-Brandner et Salvucci (2, 24) T Leaf 35 C portion of Rubisco active forms Rubisco specific activity main reasons: activity of Rubisco-activase synthesis of xylulose-1,5-bisphosphate (daily inhibitor)

Critical temperatures for PS II stability Hikosaka et al. (26) J. exp. Bot. 57: 291-32. Tgrowth thermostability 1. Calvin cycle enzymes 2. PSII (photosystem 2). 3. JAK ELEVATED CO2?? 1. Bjorkman, O. 198. Plants and their atmospheric environment. Blackwell Scientific Publications, Oxford. pp.273-31. 2. Dreyer et al. 21. Tree Physiology 21, 223-232.

Elevated CO2 and temperature Hypothesis: Growth of tree species under elevated CO 2 concentration leads to an acclimation of photosynthetic apparatus to higher temperature (a shift of temperature optima of the carbon assimilation processes) Presumptions: elevated CO 2 decrease in stomatal conductance decrease in transpiration (decline in output of latent heat) increase in leaf temperature Smrk AC EC Buk AC EC poster by Petra Holišová

Temperature response curves A max ( mol CO2 m-2 s-1) 2 15 1 5 2 15 1 5 AC EC at growth CO 2 Fagus sylvatica Picea abies 3,6 C 3 C at growth CO 2 stimulation of A max by EC at low temperatures (bellow 14 C) is negligible temperature optima of A max were shifted by 3.6 and 3 C in beech and spruce, respectively temperature optima of V Cmax maximum carboxylation rate increased by ca 3 C in EC plants at 7 ppm CO 2 at 7 ppm CO 2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 1 15 2 25 3 35 4 45 Tleaf ( C) 14 Fagus sylvatica Picea abies V Cmax ( mol CO 2 m -2 s -1 ) 12 1 8 6 4 2 AC EC 3 C 3 C 1 15 2 25 3 35 4 45 1 15 2 25 3 35 4 45 Tleaf ( C)

Influence of WUE by temperature water use efficiency (WUE) WUE = A/E A = photosynthesis E = transpiration mmol(co 2 ) mol(h 2 O) -1 linear decrease with increasing temperature transpiration significantly increases with leaf temperature Urban et al. Photosynthetica 45: 392-399, 27.

A (μmol(co2) m -2 s -1 ) Vliv teploty na počáteční fázi LRC increase of R D (origin) with T leaf increase decrease of AQE (slope) with T leaf increase significant shift of compensation irradiance 3 2 1 TL= 6.6 C TL=16.9 C TL=25.1 C Fit -1-2 P. abies - sun leaves 2 4 6 8 1 PPFD (μmol(photons) m -2 s -1 )

Dark respiration (μmol m -2 s -1 ) Sun x shade leaves #1 R D 1.6 1.2.8 Sun Shade y =.895e.1169x R 2 =.7343 y =.891e.794x R 2 =.5219.4 5 1 15 2 25 3 Leaf temperature ( C) limited by enzyme activity limited by substrate (glucose) input

Compensation irradiance (μmol m -2 s -1 ) gama (umol m-2 s-1) Sun x shade leaves #2 Г I 4 35 3 25 Sun Shade 18 16 14 picea mariana (Way; Sage,28) Brassica oleracea (Kubota; Kozai, 1995) Phragmites communis (midday) (Gloser,1977) Phragmites communis (evening) (Gloser,1977) Laminaria saccharina (Davison,1991) Nardus stricta (Urban at all.,27) Hypericum maculatum (Urban at all.,27) 2 12 15 1 5 y = 12.261e.22x y = 1.711e.497x R 2 =.476 R 2 =.826 5 1 15 2 25 3 Leaf temperature ( C) 1 8 6 4 2 1 2 3 4 Tleaf ( C) Г I irradiance when the processes of CO 2 uptake and release are in the balance Г I increases with increasing leaf temperature (exponential increase) different responses for sun and shade leaves (following R D changes)

Response of Г I to temperature Ecosystem level gama I / Ta 3 25 2 15 1 5 y = 53.38e.66x R 2 =.5867 5 1 15 2 25 eddy-covariance technique conclusion: more light is required under hot days to have positive carbon uptake Piao, Phillipe Ciais et al. 28, Nature (??)

Temperature vs. gross C Fluxes in NH (>25 N) Spring: Warm temperatures accelerate growth more than soil decomposition. The annual relationship of NEP to temperature is positive => Warming enhances carbon uptake Autumn: Warm autumn accelerate growth less than soil decomposition. The annual relationship of flux to temperature is negative. => Warming reduces carbon uptake Piao et al. 28, Nature

Děkuji za pozornost! urban.o@czechglobe.cz Tato akce se koná v rámci projektu: Vybudování vědeckého týmu environmentální metabolomiky a ekofyziologie a jeho zapojení do mezinárodních sítí (ENVIMET; r.č. CZ.1.7/2.3./2.246) realizovaného v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.