FYZIKA VE FYZIOLOGII ROSTLIN Martina Špundová Katedra biofyziky PřF UP Olomouc
TRANSPORT VODY V ROSTLINÁCH 1. chemický a vodní potenciál 2. transport vody v rostlinách 3. metody a přístroje pro stanovení vodního potenciálu a jeho složek FOTOSYNTÉZA 1. úvod 2. gazometrické měření rychlosti fotosyntézy 3. fluorescence chlorofylu a její využití při studiu stresů rostlin
VODA V (ROSTLINNÉ) FYZIOLOGII 1. struktura biomolekul 2. rozpouštědlo 3. prostředí pro biochemické reakce 4. substrát v biochemických reakcích (fotosyntéza) 5. regulace teploty (transpirace) 6. regulace turgidity rostlinných orgánů (růst, tvar orgánů, pohyb listů a květů) 7. transportní médium
FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI VODY VODÍKOVÉ MŮSTKY 1. velké specifické teplo (4,2 kj kg -1 K -1 ) 2. velké skupenské teplo vypařování (při 25 C: 10,5 kj mol -1 ) ochlazování při transpiraci
OCHLAZOVÁNÍ PŘI TRANSPIRACI Kaňa, Vass 2008, Environ Exp Bot 64, 90-96 Merlot et al. 2002, Plant J 30, 601-609
FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI VODY VODÍKOVÉ MŮSTKY 3. velké povrchové napětí (při 20 C: 0,0728 N m -1 ) 4. kapilární jevy KOHEZE, ADHEZE -smáčivé povrchy: ELEVACE zakřivený povrch tlak (podtlak)
TRANSPORT VODY V ROSTLINÁCH -samovolný tok vody mezi dvěma místy (v rostlině) pouze v případě, že voda má v těchto místech rozdílný chemický potenciál m w m w1 > m w2
TRANSPORT VODY V ROSTLINÁCH chemický potenciál vody (J mol -1 ) m w = m w 0 + R T ln a w + V w p + m w g h R univerzální plynová konstanta (8,314 J mol -1 K -1 ) T teplota (K) a w aktivita vody V w parciální molární objem vody (1,8 * 10-5 m 3 mol -1 ) p... hydrostatický tlak
TRANSPORT VODY V ROSTLINÁCH R T ln a w =... = - p V w m w = m w 0 - p V w + V w p + r w V w g h Y w = m w /V w VODNÍ POTENCIÁL Y w = -p + p + r w g h Y w = Y s + Y p + Y g
TRANSPORT VODY V ROSTLINÁCH VODNÍ POTENCIÁL (MPa) Y w = Y s + Y p + Y g Y s osmotický potenciál Y p tlakový potenciál (kladný v buňkách, záporný v xylému) Y g gravitační potenciál
VODNÍ POTENCIÁL A JEHO SLOŽKY strom
FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI VODY VODÍKOVÉ MŮSTKY 3. velké povrchové napětí (při 20 C: 0,0728 N m -1 ) 4. kapilární jevy KOHEZE, ADHEZE -smáčivé povrchy: ELEVACE zakřivený povrch tlak (podtlak)
TLAK POD ZAKŘIVENÝM POVRCHEM KAPALINY Laplaceův vztah pro kapilární tlak (kulová plocha): f i 2 s i p = = S R s... povrchové napětí R... poloměr křivosti povrchu (= poloměr kapiláry r při dokonalé smáčivosti) r h
DO JAKÉ VÝŠKY VYSTOUPÍ VODA V KAPILÁŘE? vodní sloupec v kapiláře bude v rovnováze, když: 2 s r = h ρ g h = 2 s r ρ g při 20 C: s = 0,073 N m -1 ρ = 998,2 kg m -3 g = 9,81 m s -2 1,5. 10-5 3. 10-5 h = = r d
DO JAKÉ VÝŠKY MŮŽE VYSTOUPIT VODA V ROSTLINĚ? průměr cévních elementů xylému: 100 mm h = 3. 10-5 = 0,3 m MÁLO! 10-4 průměr celulózových mikrokapilár v buněčné stěně mezofylových buněk: 10-100 nm h = 300-3000 m teoreticky
TRANSPORT VODY V ROSTLINÁCH Transpiration - YouTube.url
MĚŘENÍ VODNÍHO POTENCIÁLU A JEHO SLOŽEK - PSYCHROMETR (Yw,( Ys) - TLAKOVÁ KOMORA (Yw)( - KRYOSKOPICKÝ OSMOMETR (Ys)( - TLAKOVÁ SONDA (Yp)(
PSYCHROMETRICKÉ MĚŘENÍ VODNÍHO POTENCIÁLU Yw w = (RT/Vw) ln (p/po) Yw w = (RT/Vw) ln (RH) p/po relativní vlhkost vzduchu p = aktuáln lní tlak vodní páry ve vzduchu, který je v rovnováze se vzorkem (MPa) po = tlak nasycené vodní páry (MPa) při p i teplotě T
PSYCHROMETRICKÉ MĚŘENÍ VODNÍHO POTENCIÁLU
TERMOČLÁNKOVÉ PSYCHROMETRY WESCOR C-52 Sample chamber WESCOR Dew Point Microvoltmeter, model HR-33T
TERMOČLÁNKOVÉ PSYCHROMETRY WESCOR Dew Point Microvoltmeter HR-33T+C-52 Sample chamber
TERMOČLÁNKOVÉ PSYCHROMETRY KALIBRACE
TERMOČLÁNKOVÉ PSYCHROMETRY WESCOR C-52 Sample chamber rozsah: -0.05 to -8 MPa přesnost: 0.01 MPa ± 2% -přímé měření Ψ w -nepřímé měření Ψ p = Ψ w -Ψ s nevýhody: -dlouhé vyrovnávání -destruktivní měření
TLAKOVÁ KOMORA Y w = - P v komoře
TLAKOVÁ KOMORA PMS INSTRUMENT Company Model 600 Pressure Chamber Instrument Model 615 Pressure Chamber Instrument
TLAKOVÁ KOMORA PMS INSTRUMENT Company Portable pressure bomb
TLAKOVÁ KOMORA
TLAKOVÁ KOMORA
KRYOSKOPICKÝ OSMOMETR - osmotický potenciál l (Ψ( s ) roztoků - bod tánít
TLAKOVÁ SONDA - tlakový potenciál Ψ p v jednotlivých buňkách buňka zelené řasy Nitella
TLAKOVÁ SONDA - tlakový potenciál Ψ p v jednotlivých buňkách vyšší šších rostlin
BIOFYZIKA FOTOSYNTÉZY co je to FOTOSYNTÉZA? 6 H 2 O + 6 CO 2 C 6 H 12 O 6 + 6 O 2
KDE PROBÍHÁ FOTOSYNTÉZA? vnitřní struktura listu
mezofylová buňka chloroplast thylakoidní membrána http://www.life.uiuc.edu/cgi-bin/plantbio/cell/cell.cgi
LOKALIZACE FOTOSYNTETICKÝCH REAKCÍ chloroplast světelné reakce temnotní reakce
GAZOMETRICKÉ METODY - CO 2,H 2 O, O 2 -IČanalyzátor CO 2
IČ ANALYZÁTOR CO 2 PRINCIP: - specifická absorpce heteroatomických molekul -hlavní absorpční pás CO 2 : 4.25 µm -dalšípásy: 2.66 a 2.77 µm -překryv s absorpčním spektrem vodní páry (2.7 µm)
IČ ANALYZÁTOR CO 2 ZDROJ IČ -Ni-Cr spirála -600-800 C REFERENČNÍ CELA ANALYTICKÉ CELY DETEKTOR ABSORPČNÍ KOMŮRKY
IČ ANALÝZA CO 2 OTEVŘENÝ SYSTÉM RYCHLOST FOTOSYNTETICKÉ ASIMILACE CO 2 : air conditioning A N = f (C I -C O )/S f průtok vzduchu listovou komůrkou (C I -C O ) rozdíl koncentrace CO 2 na vstupu/výstupu z komůrky S plocha listu (v komůrce) -možnost regulace CO 2 a vodní páry
GAZOMETR LI-6400 (LICOR)
GAZOMETRICKÉ PARAMETRY RYCHLOST FOTOSYNTETICKÉ ASIMILACE CO 2 A N = f (C I -C O )/S [mmol CO 2 m -2 s -1 ] = [mol air s -1 ] [mmol CO 2 mol air -1 ] / [m 2 ] RYCHLOST TRANSPIRACE E = f (w O -w I )/S [mmol H 2 O m -2 s -1 ] = [mol air s -1 ] [mmol H 2 O mol air -1 ] / [m 2 ]
SVĚTELNÉ KŘIVKY FOTOSYNTÉZY SLUNNÉ VS. STINNÉ ROSTLINY
SVĚTELNÉ REAKCE FOTOSYNTÉZY
CO SE DĚJE PO DOPADU SVĚTLA NA LIST? dopadající světlo odražené světlo chlorofylová fluorescence absorbované světlo FOTOSYNTÉZA teplo prošlé světlo
ABSORPCE CHLOROFYLŮ chlorofyl a absorpční spektra chlorofylů
CO SE DĚJE PO ABSORPCI FOTONU MOLEKULOU CHLOROFYLU? excitovaný stav FLUORESCENCE foton ENERGIE TEPLO PŘENOS ENERGIE základní stav molekula chlorofylu
FLUORESCENCE CHLOROFYLU emisní spektrum chlorofylu a 5000 intenzita fluor. [rel. j.] 4000 3000 2000 1000 0 600 650 700 750 800 vlnová délka [nm]
MOLEKULY CHLOROFYLU V THYLAKOIDNÍCH MEMBRÁNÁCH antény (LHC) reakční centrum e - e - donor (H 2 O) akceptor
PŘENOS ELEKTRONŮ A PROTONŮ
stresový faktor FLUORESCENCE CHLOROFYLU V LISTU antény (LHC) FLUORESCENCE reakční centrum e - e - TEPLO FOTOSYNTÉZA donor (H 2 O) akceptor
FLUORESCENČNÍ INDUKCE CHLOROFYLU V LISTU tma světlo tma FOTOSYNTÉZA čas (min)
FLUORESCENČNÍ KAMERA 250 200 F M 150 FLUORESCENCE, r.u. 100 50 0 F V F 0 F S F M -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 TIME, seconds Photon Systems Instruments, s.r.o.
VLIV PATOGENNÍ HOUBY INDUKCE FOTOSYNTETICKÉHO ELEKTRONOVÉHO TRANSPORTU kontrolní list pšenice infikovaný list pšenice čas (s) J. Scholes, Department of Animal and Plant Sciences, University of Sheffield
VLIV PATOGENNÍ HOUBY Lycopersicon spp. + Oidium neolycopersici
VLIV FOTOSYNTETICKÝCH HERBICIDŮ - deriváty fenylmočoviny, triazinu, karbamátů, -přerušení elektronového transportu mezi Q A a Q B herbicid
POUŽITÍ FLUORESCENČNÍCH METOD fluorescenční mikroskop měření pod vodou měření v porostu
MĚŘENÍ OBSAHU CHLOROFYLU PROPUSTNOST LISTŮ PROPUSTNOST LISTU: λ = 650 (940) nm
MĚŘENÍ OBSAHU CHLOROFYLU PROPUSTNOST LISTŮ ABSORPCE PROPUSTNOST SPAD
POHYB CHLOROPLASTŮ accumulation response (slabé světlo) avoidance response (intenzivní světlo) face position side position
POHYB CHLOROPLASTŮ face position side position
POHYB CHLOROPLASTŮ VLIV NA MĚŘENÍ OBSAHU CHLOROFYLU face position side position PROPUSTNOST 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 side position face position 400 500 600 700 800 λ [nm] PROPUSTNOST SPAD
POHYB CHLOROPLASTŮ MĚŘENÍ POMOCÍ SPAD DENNÍ CHOD polní podmínky fytokomora
MĚŘENÍ OBSAHU CHLOROFYLU ODRAZIVOST LISTŮ 740 nm 660 nm NIR - VIS NDVI = NIR + VIS
MĚŘENÍ OBSAHU CHLOROFYLU ODRAZIVOST LISTŮ listopad 2007 http://earthobservatory.nasa.gov/iotd/view.php?id=8622
MĚŘENÍ OBSAHU CHLOROFYLU ODRAZIVOST LISTŮ červen 2003 říjen 2003 http://en.wikipedia.org/wiki/normalized_difference_vegetation_index Gennaro Cappelluti
Tř. Svobody 26 Šlechtitelů http://biofyzika.upol.cz/