Mendelova univerzita v Brně

Mendelova univerzita v Brně Zahradnická fakulta v Lednici Ústav zelinářství a květinářství Sledování intenzity fotosyntézy u skleníkové kultury zeleniny Diplomová práce Vedoucí diplomové práce: Ing. Aleš Jezdinský, Ph.D. Vypracovala: Bc. Petra Konvičná Lednice 2015

Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto práci: Sledování intenzity fotosyntézy u skleníkové kultury zeleniny vypracovala samostatně a veškeré použité prameny a informace jsou uvedeny v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědoma, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 Autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Lednici dne:. podpis

Poděkování: Touto cestou bych chtěla poděkovat vedoucímu této diplomové práce Ing. Alešovi Jezdinskému, Ph.D za odborné vedení, rady, připomínky a pomoc, které mi během zpracování diplomové práce poskytl. Dále bych také chtěla poděkovat panu Ing. Miroslavu Vachůnovi, Ph.D. za pomoc při statistickém vyhodnocení dat. V neposlední řadě, bych chtěla poděkovat své rodině za podporu během celého studia.

OBSAH: 1 ÚVOD... 8 2 CÍL PRÁCE... 9 3 LITERÁRNÍ ČÁST... 10 3.1 Okurka salátová... 10 3.1.1 Původ a botanická charakteristika... 10 3.1.2 Nutriční hodnota... 11 3.1.3 Nároky na prostředí... 11 3.1.4 Sklizeň a požadavky na jakost... 12 3.1.5 Odrůdy... 12 3.2 Fotosyntéza... 13 3.2.1 Fáze fotosyntézy... 14 3.2.1.1 Světelná fáze... 15 3.2.1.2 Temnotní fáze... 16 3.2.2 Fotosystémy... 18 3.2.2.1 Fotosystém I... 19 3.2.2.2 Fotosystém II... 20 3.2.3 Fotofosforylace... 20 3.5.3.1 Necyklická fosforylace... 21 3.2.3.2 Cyklická fosforylace... 22 3.2.4 Listy... 23 3.2.5 Chloroplasty... 24 3.2.6 Chlorofyl... 26 3.2.7 Celková a čistá fotosyntéza... 27 3.2.7.1 Kvantový výtěžek fotosyntézy... 28 3.2.8 Faktory ovlivňující fotosyntézu... 28 3.2.8.1 Genetika... 28 3.2.8.2 Světelné záření... 29 3.2.8.3 CO2... 30 3.2.8.4 Teplota... 32 3.2.8.5 Voda... 33 3.2.8.6 Minerální výživa... 36 3.2.8.7 Další vlivy... 36 3.3 Faktory růstu a technická vybavenost skleníku... 36 3.3.1 Světlo... 36 3.3.2 Stínění... 38 3.3.3 Větrání... 39 3.3.3.1 Přirozené větrání... 39 3.3.3.2 Aktivní větrání... 39 3.3.4 Voda a závlaha... 40 3.3.4.1 Kvalita závlahy... 41 3.3.4.2 Závlahové systémy... 41

3.3.5 Pěstební médium... 42 3.4 Hydroponie... 43 3.4.1 Pozitiva a negativa hydroponie... 43 3.4.2 Přívod živného roztoku... 44 3.4.3 Příprava stanoviště... 44 3.4.3.1 Záhonové uspořádání... 44 3.4.3.2 Čedičová plsť... 45 3.5 Rychlení okurek... 46 3.5.1 Předpěstování okurek... 46 3.5.2 Režim teploty... 46 3.5.3 Režim závlahy... 46 3.5.4 Substrát a výživa... 47 3.5.5 Ochrana... 47 4 MATERIÁL A METODIKA... 49 4.1 Založení experimentu... 49 4.2 Charakteristika prostředí... 50 4.2.1 Klimatologie... 50 4.3 Rostlinný materiál... 51 4.4 Metodika měření... 52 4.4.1 Obsah chlorofylu... 52 4.4.2 Fluorescence... 53 4.4.3 Měření fotosyntézy... 55 4.4.5 Metodika zpracování dat... 56 5 VÝSLEDKY... 57 5.1 První část experimentu... 57 5.2 Hlavní část experimentu... 66 5.2.1 Obsah chlorofylu... 66 5.2.2 Fluorescence... 68 5.2.2.1 Parametr F 0... 68 5.2.2.2 Parametr Fv... 69 5.2.2.3 Parametr Fm... 70 5.2.2.4 Parametr Fv / Fm... 72 5.2.2.5 Parametr Fv / F 0... 73 5.3.1 Parametry fotosyntézy... 75 5.3.1.1 Hodnocení jednotlivých parametrů... 76 6 DISKUZE... 81 7 ZÁVĚR... 85 8 SOUHRN A RESUME, KLÍČOVÁ SLOVA... 86 9 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 88 10 SEZNAM PŘÍLOH... 93

SEZNAM OBRÁZKŮ, TABULEK, GRAFŮ POUŽITÝCH V TEXTU Obrázky Obrázek č. 1: Schéma fotosyntézy (Kincl, Krpeš, 1998) Obrázek č. 2: Necyklická fosforylace (Folk, 2013) Obrázek č. 3: Cyklická fosforylace (Folk, 2013) Obrázek č. 4: Průřez chloroplastem (Glogster, 2007 2012) Obrázek č. 5: Struktura chlorofylu (Hnilička et al., 2005) Obrázek č. 6: Světelné křivky u sciofytů a heliofytů (Kincl, Krpeš, 1998) Obrázek č. 7: Závislost intenzity fotosyntézy na rozdílné teplotě (Šebánek, 1983) Obrázek č. 8: Závislost fotosyntézy a transpirace na vodivosti průduchů (Zámečník, 2008) Obrázek č. 9: Míra absorpce chlorofylu a karotenoidů (Pokluda, Kobza, 2011) Obrázek č. 10: Struktura clony (Pokluda, Kobza, 2011) Obrázek č. 11: Zastínění okurek (Pokluda, Kobza, 2011) Obrázek č. 12, 13: Vlastní fotografie aktivní větrání Obrázek č. 14, 15: Vlastní fotografie vedení kapkové závlahy ve skleníku Obrázek č. 16, 17: Vlastní fotografie čedičová plsť, záhonové uspořádání Obrázek č. 18: Vlastní fotografie předpěstování okurek Obrázek č. 19, 20: Vlastní fotografie monitoring škůdců pomocí lepových desek Obrázek č. 21: Vlastní obrázek způsob měření chlorofylu a fluorescence Obrázek č. 22: Vlastní fotografie - přístroj Obrázek č. 23: Vlastní fotografie - měření Obrázek č. 24: Vlastní fotografie - fluorometr Obrázek č. 25: Vlastní fotografie - spona Obrázek č. 26: Obrazovka fluorometru (Návod přístroje OS30p+) Obrázek č. 27: Vlastní fotografie - Lcpro+ Obrázek č. 28: Vlastní fotografie - obrazovka Obrázek č. 29, 30: Vlastní fotografie - samotné měření Lcpro+ Tabulky Tabulka č. 1: Tabulka č. 2: Tabulka č. 3: Tabulka č. 4: Tabulka č. 5: Tabulka č. 6: Tabulka č. 7: Tabulka č. 8: Tabulka č. 9: Parametry kvalitní závlahové vody Průměrné množství závlahové vody Vnější klimatické podmínky Rozkladová tabulka popisných statistik u varianty V1 Rozkladová tabulka popisných statistik u varianty V2 Rozkladová tabulka popisných statistik u varianty V3 Rozkladová tabulka popisných statistik (středně staré listy) u varianty V1 Rozkladová tabulka popisných statistik (středně staré listy) u varianty V2 Rozkladová tabulka popisných statistik (středně staré listy) u varianty V3 Tabulka č. 10: Rozkladová tabulka popisných statistik (staré listy) u varianty V1 Tabulka č. 11: Rozkladová tabulka popisných statistik (staré listy) u varianty V2 Tabulka č. 12: Rozkladová tabulka popisných statistik (staré listy) u varianty V3 Tabulka č. 13: Hodnocení mladých listů na základě F v /F m

Tabulka č. 14: Hodnocení středně starých listů na základě F v /F m Tabulka č. 15: Hodnocení starých listů na základě F v /F m Tabulka č. 16: Základní statistiky obsahu chlorofylu Tabulka č. 17: Statistické hodnocení obsahu chlorofylu Tabulka č. 18: Popisné charakteristiky parametru F 0 Tabulka č. 19: Popisné charakteristiky parametru F v Tabulka č. 20: Popisné charakteristiky parametru F m Tabulka č. 21: Popisné charakteristiky parametru F v /F m Tabulka č. 22: Popisné charakteristiky parametru F v /F 0 Tabulka č. 23: Základní popisné statistiky parametrů fotosyntézy Tabulka č. 24: Korelace Tabulka č. 25: Statistické hodnocení parametrů A, E, WUE, gs Grafy Graf č. 1: Graf č. 2: Graf č. 3: Graf č. 4: Graf č. 5: Graf č. 6: Graf č. 11: Graf č. 14: Graf č. 15: Graf č. 16: Graf č. 17: Graf č. 19: Graf č. 20: Obsah chlorofylu v závislosti na termínu Obsah chlorofylu v závislosti na opakování Parametr F 0 v závislosti na daném termínu Parametr F v v závislosti na daném termínu Parametr F m v závislosti na daném termínu Parametr F v /F m v závislosti na termínu Parametr F v /F 0 v závislosti na termínu Výkon čisté fotosyntézy vs. termín Parametr A vs. opakování Parametr E vs. termín Parametr E vs. opakování Stomatální vodivost průduchů vs. termín Parametr gs vs. opakování

1 ÚVOD Fotosyntéza je jedním z nejsložitějších procesů, které probíhají na naší planetě Zemi. Jednodušeji řečeno jedná se o vytváření organických látek rostlinami z vody a atmosférického CO 2 za současného uvolnění kyslíku. Využívá sluneční záření jako zdroje energie. Fotosyntéza je fotochemický proces, při kterém fotosynteticky aktivní pigmenty v zelených částech rostlin přijmou energii světelného záření a přemění ji svým mechanizmem na energii chemickou. Fotosyntéza bývá ovlivněna mnoha faktory, které ji zpomalí, až zastaví nebo naopak ji mohou zrychlit. Jedná se o faktory vnější a vnitřní. Fotosyntéza velmi úzce souvisí se skleníkovým efektem na Zemi. Koncentrace CO 2 v atmosféře stoupá neustále. Je to hlavně způsobeno, tím, že v současné době dochází k přílišnému úbytku biomasy na planetě a tím spojované globální problémy. Průběh fotosyntézy je především závislý také od podmínek vznikajících během dne, ale i vegetačního období. Fotosyntéza kromě výživy poskytuje člověku velmi různorodý materiál i pro technickou produkci, sacharidy, dřevo, tuky Je základním zdrojem pro výrobní činnost člověka. Je známa více jak půl století jako zvláštní ojedinělý a originální proces. Tato diplomová práce se zabývá problematikou intenzity fotosyntézy z různých pohledů. Jsou zde popsány jednotlivé fáze a faktory, které mají velký vliv na průběh a rychlost fotosyntézy. Určitá část diplomové práce je také věnována skleníkové produkci, pěstování modelové zeleniny ve skleníku, tedy hydroponii. Experimentální část je rozdělena do dvou částí, kdy první část se zabývá zjištěním vhodnosti segmentu a stáří listu pro samotné měření vybraných parametrů fotosyntézy. V první části byl hodnocen obsah chlorofylu a schopnost rostlin využívat sluneční záření, tedy fluorescenci. Druhá část pokusu navazuje na první část, kde na základě statistického vyhodnocení byl měřen určitý druh a segment listu pomocí fotosyntetického přístroje, mimo jiné se opět měřil obsah chlorofylu a také i fluorescence. V závěru práce jsou zhodnoceny jednotlivé parametry a interpretace a v poslední řadě i praktické doporučení. 8

2 CÍL PRÁCE Cílem diplomové práce je vypracování literární rešerše týkající se problematiky intenzity fotosyntézy. Zaměřit se na skleníkovou produkci. Vypracování metodiky pokusu a založení experimentu u modelového druhu zeleniny. Posléze pomocí přístroje Lcpro+ provést měření vybraných parametrů. Rozšířit měření o denní křivky aktivity fotosyntézy. Statistické vyhodnocení a interpretování naměřených dat. Vyslovit závěr týkající se jednotlivých fyziologických charakteristik, které ovlivňují průběh fotosyntézy a vyvození praktického závěru. 9

3 LITERÁRNÍ ČÁST 3.1 Okurka salátová Okurka (Cucumis sativus L.) patří do čeledi tykvovité (Cucurbitaceae);(PETŘÍKOVÁ, 2006) Okurka patří mezi plodovou zeleninu a řadí se mezi teplomilné rostliny s vysokými nároky na teplo, ale i na živiny a neméně důležitou vodu. Většinou bývá pěstována z předpěstované sadby (MELICHAR, 1997). Okurky salátovky mají vysoký podíl vody až 97 % a nízký energetický obsah (52kJ/100 g), a jsou energeticky velmi chudou zeleninou. Od okurek nakladaček jsou rozdílné tím, že rostliny mají delší stonky, větší listy a samozřejmě i větší plody. Nároky na pěstování jsou podobné (PETŘÍKOVÁ, 2006). 3.1.1 Původ a botanická charakteristika Okurka patří k nejstarším kulturním rostlinám a pochází z Indie. V Evropě se objevila v 5. století před n. l. (MELICHAR, 1997). Původem byla liánovitá jednoletá rostlina s hořkými bobulemi, ale za staletí a šlechtěním se okurka změnila na poléhavou rostlinu, která má jak samčí tak samičí květy (MALÝ et al., 1998). Okurka je jednoletá rostlina, která vytváří mělkou kořenovou soustavu (MELICHAR, 1997). Hlavní kořen narůstá do délky až 100 mm a bohatě se větví do šířky (PETŘÍKOVÁ, HLUŠEK, 2012). Snadno může zakořenit i z lodyhy, která je popínavá, dužnatá a mírně hranatá. Listy jsou se třemi až pěti laloky a jsou dlanité. Většinou jsou sytě zelené, a na povrchu drsné, pokryté tvrdými chloupky (MALÝ et al., 1998). Květy jsou žluté, jednopohlavní a kalichovité (MELICHAR, 1997). Co se týká samčích květů, tak ty kvetou brzy a nachází se na hlavním stonku. Samičí květy se objevují později, a to hlavně na vedlejších stoncích. Plodem je dužnatá bobule s bradavičnatým nebo hladkým povrchem (MALÝ et al., 1998). Bobule je vejčitá, soudečkovitá, válcovitá, skládající se ze tří nebo pěti pouzder. Dužnina je jemně aromatická s určitou hořkostí. Hořkost je způsobena nedostatkem vody ve fázi sklizně, či vysokými teplotami nebo i velkými teplotními výkyvy mezi dnem a nocí. Hořkost okurek je hlavně způsobena glykosidy bryoninem a bryonidinem, které se vyskytují v kořenech (MALÝ et al., 1998). Dužnina je vodnatá, zelenobílá, jemně nasládlé chuti (PETŘÍKOVÁ, HLUŠEK, 2012). Poměr kyseliny jablečné 10

a kyseliny citrónové, která převažuje je charakteristickým znakem (PETŘÍKOVÁ, HLUŠEK). V dnešní době jsou vyšlechtěny odrůdy čistě pouze se samičím kvetením a se schopností tvořit partenokarpické plody, tedy plody bez oplodnění. Semena jsou žlutobílá, podlouhlá a plochá (MELICHAR, 1997). Semeno klíčí při teplotách od 10 do 12 C, optimum je při teplotě 20-30 C (MALÝ et al., 1998). 3.1.2 Nutriční hodnota Obsahuje 3,5 4 % sušiny, 0,7 %, 0,2 % tuků, 2,7 % cukrů. Z cukrů tvoří 0,5 % glukóza, 0,4 % fruktóza, 0,2 % sacharóza, 0,2 % pektinové látky, 0,2 % hemicelulóza 0,6 % celulóza (MALÝ et al., 1998) Ve šťávě se vyskytují tyto látky: β karoten, vitamíny B1,B2, PP. Kyselina l askorbová v hodnotě asi 110 mg. 1000 g -1 čerstvé hmoty. Mají nízkou energetickou a výživovou hodnotu. Jsou těžce stravitelné (MALÝ et al., 1998). Další nutriční hodnoty, které uvádí (KOPEC, 1998) jsou uvedeny v příloze č. 1. 3.1.3 Nároky na prostředí Vyžadují humózní a zásadité půdy. Okurky jsou teplomilné, a proto se pěstují v teplých oblastech. Na nízké teploty jsou citlivé. Pokud klesne teplota pod 10 C, dochází k fyziologickým poruchám (MELICHAR, 1997). Nejlépe se jim daří v chráněných polohách kukuřičné nebo řepařské oblasti do nadmořské výšky 280 m (MALÝ et al., 1998). Pokud jsou pěstovány na půdě, ideální jsou půdy písčitohlinité, hlinité, jílovitohlinité, nehodí se půdy příliš vlhké, těžké, ph 6,6 7,2. Potřebují dostatek humusu ve svrchní vrstvě ornice, který je důležitý pro udržení vlhkosti, ale i půdního vzduchu. Lodyha by měla být dostatečně osluněna. Délka slunečního svitu 1 800 2 200 hodin během vegetace. Důležitá je i doplňková závlaha (MALÝ et al., 1998). Optimální teplota půdy by měly být mezi 21 24 C a vzduchu 22 30 C (PETŘÍKOVÁ, HLUŠEK, 2012). 11

3.1.4 Sklizeň a požadavky na jakost Okurky se sklízí ručně, nebo také pomocí sklízecích plošin. Sklizňové období je závislé na dobrém zdravotním stavu, a pokud je zdravotní stav vyhovující, tak sklizeň trvá u této kultury 6 a více týdnů. Sklizeň začíná počátkem července, kde výsev proběhl v květnu. Pozdní odrůdy koncem července, či začátkem srpna. Sklizňový interval je 5-7 dní. Po sklizni je nutné jakostní třídění dle normy ČSN 46 3155 (MALÝ et al., 1998). Okurky salátové, které jsou pěstované hydroponicky, se sklízí během své vegetační doby, tedy během 3 měsíců. Poté se kultura zlikviduje a rostliny okurky se pěstují znovu. Plody mají oproti okurkám nakládačkám delší uchovatelnost. Výnos je 40000 50000 kg.ha -1 (PETŘÍKOVÁ, HLUŠEK, 2012). Salátovky se třídí do třech jakostních tříd a u všech těchto tříd je požadováno, aby minimální hmotnost plodu byla 180 g. U třídy výběr a I. jakost u plodů o hmotnosti nejméně 500 g, délka nejméně 300 mm, u plodů o hmotnosti 250 500 g, délka nejméně 250 mm. U II. jakosti může být maximálně 10 % plodů, které neodpovídají požadavkům I. jakosti (MALÝ et al., 1998). Plody nesmějí být hořké (PETŘÍKOVÁ, 2006). 3.1.5 Odrůdy K 1. červnu 2011 je zapsáno ve státní odrůdové knize celkem 38 odrůd okurek salátovek. Mimo jiné i odrůdy skleníkové (hadovky, mini, a midi okurky), vesměs hybridních (PETŘÍKOVÁ, HLUŠEK, 2012). Odrůdy se dělí na 3 skupiny. První skupinou jsou odrůdy skleníkové (partenokarpické, čistě samičí), druhou skupinou jsou fóliovníkové neboli pařeništní a poslední skupinou jsou odrůdy polní (MELICHAR, 1997). Dle (ÚKZUZ, 2014) je v Evropě registrováno 873 odrůd okurek salátových, z toho je 33 odrůd z České republiky. 12

3.2 Fotosyntéza Fotosyntéza je jeden z nejstarších a současně nejdůležitějších dějů. Schopnost fotosyntézy mají nejen eukaryotní organismy, ale také i prokaryontní organismy jako jsou jednobuněčné sinice, zelené nebo purpurové bakterie (ZEHNÁLEK, 2007). Fotosyntéza je kvalitativně i kvantitativně nejdůležitější biochemický pochod na Zemi (PAVEL, 1983). Fotosyntéza je proces, při kterém dochází u rostlin k přeměně energie světelného záření v energii chemickou, a ta je využívání k asimilaci CO 2 (LUŠTINEC, ŽÁRSKÝ, 2003). Organismy, které jsou schopny fotosyntézy, se nazývají fotoautotrofní. Fotosyntéza vyšších rostlin se váže především na mezofylové buňky v listech a probíhá ve specializovaných organelách, které se nazývají chloroplasty HNILIČKA et al., 2005). Fotosyntéza bývá označována jako soubor reakcí, která se dá vyjádřit pomocí rovnice: hv je kvantum zářivé energie Tento vztah se chápe jako vyjádření souhrnu všech reakcí, které vede ke vzniku organických látek (CH 2 O) n a současného uvolnění molekulárního O 2, a to z CO 2 a H 2 O (PROCHÁZKA et al., 1998). Kinetická energie se při fotosyntéze přeměňuje v chemickou energii makroergických vazeb, které umožní, aby energií základní chudé substráty se přeměňovaly v energii bohaté organické látky (PAVEL, 1983). Fotosyntéza je katalyzována soustavou enzymů, které se nacházejí v chloroplastech vyšších rostlin a zelených řas a v chromatoforech fotosyntetizujících bakterií (PAVEL, 1983). Z fyzikálního hlediska je pochod fotosyntézy přeměna energie slunečního záření na energii chemickou biologickým objektem (ZEHNÁLEK, 2007). Z chemického hlediska se jedná o velmi náročný a složitý děj. Jedná se tedy o převod uhlíku z nejvíce oxidované formy o nízké energii, CO 2, do molekuly redukované sloučeniny, která má vysokou energii sacharidu (ZEHNÁLEK, 2007). 13

Probíhající děj fotosyntézy lze i chápat jako fotokatalytickou přeměnu CO 2 a H 2 O na složité molekuly vysoce energetických látek, které tvoří biomasu na planetě Zemi a produkují O 2, který je nezbytnou součástí atmosféry a tedy i pro samotný život na Zemi. Po koloběhu vody je fotosyntéza druhý nejsložitější proces (KINCL, KRPEŠ, 2000). Obr. č. 1 Schéma fotosyntézy (KINCL, KRPEŠ, 2000) Vysvětlení obrázku č. 1 1. Probíhá příjem energie elektromagnetického záření (= absorpce a fixace kvant slunečního záření) 2. Převod sluneční energie na energii chemickou (= přenos elektronů pomocí transportních řetězců reverzibilními oxidačně redukčními systémy, tvorba ATP a NADPH + H + ) 3. Dochází k využití chemické energie pro syntézu (tvorbu) cukru (= asimilace CO 2 do sacharidů); (KINCL, KRPEŠ, 2000). 3.2.1 Fáze fotosyntézy Fotosyntéza probíhá ve dvou oddělených, ale navazujících fázích světelná a temnotní (ZEHNÁLEK, 2007). 14

3.2.1.1 Světelná fáze Jedná se o fotochemický děj, který spočívá v tom, že dochází k přeměně energie fotonů slunečního záření na energii chemickou. Energie záření se nejprve mění na energii excitovaných elektronů, která posléze v tzv.,,biochemické baterii, která je složená z oxidoreduktáz, používá na výrobu makroergických sloučenin ATP (zdroj chemické energie) a NADPH + H + (energií bohaté redukovalo) (ZEHNÁLEK, 2007). Mechanismus v první fázi fotosyntézy lze chápat jako oxidoredukční proces s primární funkcí fotochemické oxidace chlorofylu dvou typů reakčních center, v nichž probíhají 2 zářením iniciované reakce (KINCL, KRPEŠ, 2000). Světelná fáze probíhá v lamelární struktuře v chloroplastech (PAVEL, 1983). Fotochemické reakce ve světelné fázi probíhají dle následující rovnice: (HNILIČKA et al., 2005). 12 H 2 O + světelné záření 12 (H 2 ) + 6O 2 Podstatou této primární reakce je štěpení vody na světle (fotolýza vody, anebo Hillova reakce, dle anglického biochemika, který v roce 1937 dokázal jeho existenci), které poskytuje elektrony a vodíkové kationy (protony) pro tvorbu ATP a NADPH + H + (HNILIČKA et al., 2005). Primární reakcí všech fotochemických pochodů je absorpce světelných kvant pomocí fotosyntetických pigmentů, ke kterým se řadí chlorofyl a a chlorofyl b. Dále jsou to přídavné pigmenty jako karotenoidy a některá tetrapyrrolová barviva s otevřeným řetězcem. Chlorofyly jako základní kofaktory enzymů světelné fáze jsou porfyritové pigmenty. V chloroplastech se nacházejí 4 formy chlorofylu a to a,b,c,d (PAVEL, 1983). Světelnou fázi provádí fotosyntetizující aparát, který je u fototrofů složen z 3 součástí: 1. Fotoreceptory (pigmenty absorbující záření) 2. Fotosyntetické reakční centrum (přeměňuje světelnou energii na elektrickou energii) 3. Řetězec oxidoreduktáz (přeměňují světelnou energii excitovaných elektronů na energii chemickou, výroba ATP a NADPH + H + ); (VODRÁŽKA, 1993). 15

U oxygenních fototrofů sestává světelná fáze ze 4 kroků: (VODRÁŽKA, 1993). 1. Fotochemická excitace fotoreceptoru (chlorofylu), tzn. záchyt slunečního záření, kde výsledkem jsou excitované elektrony. 2. Fotolýza vody 3. Fotoredukce NADP + NADP + + 2H + + 2e - NADPH + H + 4. Fotofosforylace (tvorba ATP) Pozn. Proces fotofosforylace ojasnil D. Arnon až v roce 1954 a jeho mechanismus byl vysvětlen v roce 1964 P. Mitchellem (VODRÁŽKA, 1993). 3.2.1.2 Temnotní fáze Temnotní fáze je biosyntéza sacharidů z CO 2 prostřednictvím redukčního činidla NADPH a energie ATP. Nepotřebuje světelnou energii a probíhá za tmy, dokud se nevyčerpají zásoby ATP a NADPH (ZEHNÁLEK, 2007). Převážná část vzniklého ATP a NADPH ze světelné fáze se spotřebuje k redukci karboxylových skupin, vznikajících fixací CO 2 na vhodné organické akceptory, menší část se spotřebovává na redukci dusičnanů a síranů. V temnotné fázi vzniká celá řada organických látek, z nichž nejvýznamnější jsou sacharidy (PAVEL, 1983). CO 2 vstupuje do metabolizmu celého organismu a slouží jako zdroj C pro výrobu mastných kyselin, aminokyselin, purinů, chlorofylu a dalších látek (ZEHNÁLEK, 2007). Temnotní fáze fotosyntézy probíhá v kapalné části chloroplastu (stromatu) a v cytosolu a zahrnuje celou řadu enzymatických reakcí (HNILIČKA et al., 2005). 16

V chloroplastech za fotosyntézy byly zjištěné 2 účinné karbonylační reakce, které umožňují dostatečně rychlé procesy biosyntézy organických látek, pokud je plynulá redukce. Zejména se jedná o karbonylaci ribulózo-1,5difosfátu a karbonylaci kyseliny fosfoenolpyrohroznové. Tyto reakce jsou základem temnotní fáze a dvou temnotních cyklů, a to Calvinova cyklu a Hatchova a Slackova cyklu (PAVEL, 1983). Calvinův cyklus (C3 cyklus): V roce 1956 M. Calvin objasnil mechanizmus fixace CO 2, který v roce 1961 obdržel Nobelovu cenu za chemii (ZEHNÁLEK, 2007). Calvin objevil dílčí reakce fotosyntézy a jednotlivé meziprodukty identifikoval (HNILIČKA et al., 2005). Tento základní proces fixace CO 2 lze uskutečnit pomocí 3 dalších reakcí ke kombinaci reakcí glykolýzy při odbourávání glukózy a pentózafosfátového cyklu. Tím vznikne nový anabolický cyklus, který probíhá v chloroplastech rostlinných buněk (ZEHNÁLEK, 2007). Calvinův cyklus sestávající se z 3 kroků: (VODRÁŽKA, 1993). 1. Fixace CO 2 v organické formě: aktivace CO 2 jeho včleněním do pětiuhlíkatého cukru ribulosa-1,5-bifosfátu jako karboxyl za rozpadu vzniklé nestálé sloučeniny na 2 molekuly 3-fosfoglycerátu (3-PGA), které mají 3 atomy uhlíku (VODRÁŽKA, 1993). Tento krok se uskutečňuje pomocí enzymu ribulóza-1,5-bifosfát karboxyláza/oxygenáza (PROCHÁZKA, 2006). 2. Redukce aktivovaného CO 2 : Nejprve se na 3-PGA napojí další fosfátová skupina, která je uvolněná hydrolýzou molekuly ATP. Vznikne kyselina 1,3-bisfosfoglycerová a pak následně dojde k redukci pomocí NADPH za vzniku glyceraldehyd-3-fosfátu. Díky tomu, že při fixaci oxidu uhličitého vzniknou 2 molekuly 3-PGA bude celkový náklad na redukci 2 ATP a 2 NADPH (PROCHÁZKA, 2006). 3. Regenerace akceptoru CO 2 : Jedná se o opak regenerační fáze pentózového cyklu. (VODRÁŽKA, 1993). Tento krok je velmi složitý, kde dochází k tomu, že řetězec fosforylovaných cukrů vede k syntéze ribulóza-5-fosfátu, který je nutný další molekulou ATP převést na ribulóza-1,5-bifosfát. Ten slouží pak jako akceptor pro další molekulu CO 2 (PROCHÁZKA, 2006). 17

Aby vznikla tříuhlíkatá molekula glyceraldehydu-3-fosfátu je potřeba fixovat 3 molekuly CO 2. Cyklus musí proběhnout třikrát dokola. Vytvořená látky glyceraldehydu-3-fosfátu se zpracovává v jiných syntézách přímo v chloroplastu a je transportován z chloroplastu do cytosolu (PROCHÁZKA, 2006). Nedůležitějším enzymem Calvinova cyklu je enzym, označující jako,,rubisco (ribulóza-1,5-bifosfát-karboxyláza/oxygenáza). Katalytické schopnosti Rubisco jsou aktivovány pouze za světla za přítomnosti Mg 2+ a CO 2 (HNILIČKA et al., 2005). U C 3 rostlin je účinek fotosyntézy úměrný množství zářivé energie, která je absorbována. Účinnost fotosyntézy u C 3 rostlin bývá snížena fotorespirací až o 30-50 %. Teplotní optimum se pohybuje od 18 25 C. Její účinnost je o 30 50 % snížená díky fotorespiraci. Fotorespirace je u rostlin, kde probíhá Calvinův cyklus při intenzivním ozáření 1,5 3,5krát vyšší než dýchání v temnotní fázi. Dvouděložné rostliny a trávy mírného pásma mají hodnoty fotorespirace 10 až 20 mg CO 2. dm -2. h -1 (KINCL, KRPEŠ, 2000). Existují a další fixace CO 2 u C 4 rostlin a CAM. Rozdíly oproti C 3 rostlinám jsou uvedeny v příloze č. 2 (HNILIČKA et al., 2005). 3.2.2 Fotosystémy V membráně tylakoidů se nacházejí 4 supramolekulární komplexy: 1. Fotosystém II (PSII) tento systém katalyzuje rozklad H 2 O za uvolnění O 2, dále je také poolem molekul plastochinonu funkčně spojený s komplexem cytochromů b 6 /f (PROCHÁZKA et al., 1998). 2. Cytochrom b 6 /f přenášející elektrony z PSII do PSI (PROCHÁZKA et al., 1998). Je složen obvykle ze 4 integrálních proteinů. Nachází se ve všech částech membrán tylakoidů (PROCHÁZKA, 2006). 3. Fotosystém I (PSI) tento systém získává elektron pro své reakční centrum z cytochromového komplexu a jeho přenosem přes ferredoxin dochází k redukci NADP + (PROCHÁZKA et al., 1998). 18

4. ATP syntáza tato syntáza využívá protonový gradient, která je vytvořena přenosem elektronů k syntéze ATP na vnějším povrchu tylakoidní membrány (PROCHÁZKA et al., 1998). Je umístněna vždy v blízkosti fotosystému I, tedy jen v těch tylakoidních membránách komunikující se stromkem. Je tvořen komplexem 9ti polypeptidů. Zprostředkovává tvorbu ATP z ADP (PROCHÁZKA, 2006). Oba fotosystémy (PSI a PSII) se skládají z jádra (core komplex) a světloměrného systému (LHCI a LHCII) = light harvesting komplex. (PROCHÁZKA et al., 1998). 3.2.2.1 Fotosystém I R. Emerson v 50. letech zjistil, že při oxygenní fotosyntéze spolupracují 2 fotosystémy. První fotosystém vyrábí silné redukční činidlo (ferredoxin), redukující NADP + (VODRÁŽKA, 1993). Fotosystém I je bohatší na pigmenty, které absorbují světelné záření při větších vlnových délkách a převládá v něm chlorofyl a nad chlorofylem b, a to v poměru 6:1 až 10:1. Chlorofyl a má maximální absorpci při vlnové délce 700 nm (P 700 ). Ostatní pigmenty stejně jako u fotosystému II jsou pomocné (NOVÁČEK, 2008). Fotosystém I se nachází výhradně v takových částech tylakoidních membrán, které komunikují přímo se stromatem. Není v částech tylakoidů, které k sobě přiléhají. Jádro fotosystému I obsahuje 2 velké polypeptidy (Ia, Ib), které na sebe vážou molekulu chlorofylu a. K proteinům reakčního centra je připojeno i několik přenašečů elektronů, ale identifikace není dosud ještě známa (PROCHÁZKA, 2006). Na molekuly chlorofylu a ve fotosystému I jsou navázány molekuly nosičové bílkoviny (14 molekul chlorofylu na 1 molekulu bílkoviny o relativní molekulové hmotnosti 110 000). Molekula reakčního centra má v základním stavu, tedy ve tmě redoxní potenciál E = + 0,45 V. Přenos fotonů ze sběračových chloroplastů dochází k distribuci elektronů molekuly P 700 a k jejímu přechodu do excitovaného stavu P* 700, za současného poklesu redoxního potenciálu na E = - 0,55 V. Posléze excitované elektrony se přesouvají z molekuly P* 700 na ferredoxin (oxidoreduktáza, nehemový protein typu Fe 4 S 4 s relativní molekulovou hmotností 11 600), je vázán na tylakoidní membránu. Poté dojde k přenosu elektronů na rozpustný ferredoxin 19

(E = - 0,32 V) za vzniku NADPH. Protony pocházejí z fotolýzy vody (ZEHNÁLEK, 2007). Pigmenty fotosystému I a II jsou soustředěné do tzv. světlosběrných komplexů LHC, které zářivou energii absorbují a na základě molekulární resonance ji odvádějí do centra fotosystémů, tedy do reakčního centra (LUŠTINEC, ŽÁRSKÝ, 2005). 3.2.2.2 Fotosystém II Fotosystém II je lokalizován v granální membráně tylakoidů, hlavní část je tvořena 6 integrálními a 3 periferními proteiny. Jádro (RC) fotosystému II tvoří 2 integrální proteiny, které se označují jako D1 a D2, na které je navázáno asi 50 molekul chlorofylu a, včetně 1 ionizovatelné molekuly P680 (PROCHÁZKA, 2006). Fotosystém II obsahuje molekuly chlorofylu a i b, které jsou vázané na nosičové bílkoviny (po třech molekulách chlorofylu a a b na 1 molekulu bílkoviny s relativní molekulovou hmotností 28 000). Absorpční maximum u PSII je 680 nm. Reakční centrum molekuly chlorofylu (P 680 ) má za tmy redoxní potenciál E = + 0,82 V). Při ozáření přechází do excitovaného stavu P* 680 s redoxpotenciálem E = 0 V. Akceptorem excitovaných elektronů je zřejmě látka, která má povahu karotenoidu. Uvolněním elektronů z P* 680 a jejich přechodem na P 700 vzniká oxidovaná forma chlorofylu P 680, která reaguje určitým sledem, ne dosud zcela objasněným (ZEHNÁLEK, 2007). K PSII patří i komplex, ve kterém dochází k fotolýze vody. Označuje se též jako OEC (Oxygen Evolving Center). Na proteiny v blízkosti RC je připojeno asi 100 molekul chlorofylů a i b + několik molekul betakarotenu. Tento celek je pojmenován jako vnitřní anténa. K PSII je připojena i další, tzv. vnější anténa, obsahující 100 až 250 molekul chlorofylu a i b zhruba ve stejném poměru (PROCHÁZKA, 2006). 3.2.3 Fotofosforylace Základ reakce je v ionizaci molekuly pigmentu na úkor světelných kvant tak, že chlorofyl se díky účinku jednoho kvanta energie světla dostane do vzbuzeného 20

stavu a účinkem druhého kvanta se ionizuje, při tom se vytvoří kationt chlorofylu a dochází k uvolnění elektronu, viz reakce níže (ŠEBÁNEK, 1983). Účinkem 2 fotonů se z molekuly pigmentu uvolní elektron, který má vysokou energii a ten je přebrán oxidoredukční systémem, kde se na úkor jeho energie rozloží molekula H 2 O a dojde k vytvoření asimilačních faktorů. Ionizovaný pigment se buďto vrátí do původního stavu tím, že se k němu vrátí i velmi energeticky nízký elektron. Na základě toho jestli se vrací původní elektron po odevzdání části energie na syntézu ATP nebo zdali k němu přijde jiný elektron. Podle toho rozdělujeme cyklickou a necyklickou fosforylaci (ŠEBÁNEK, 1983). 3.5.3.1 Necyklická fosforylace Velký problém u fotosyntézy je přenos elektronů z H 2 O tedy z fotolýzy vody na NADP +. Redukovat NADP + na NADPH má ferredoxin se silným negativním redoxním potenciálem. Reakce je katalyzována flavoproteinem. Elektrony z fotolýzy vody jsou přes PSII přeneseny přenašečem Q ((quencher) dosud neobjasněný) na NADP +, tento proces je nazván necyklická fosforylace. Díky fotolýze vody se uvolní 2 elektrony a 2 ionty H +, redukující NADP na NADPH + H +. Produkty necyklické fosforylace jsou: NADPH + H +, ATP, O 2 z fotolýzy (KINCL, KRPEŠ, 2000). Na rozdíl od cyklické fosforylace se liší tím, že na excitovaný chlorofyl se nevrací původní elektron, ale elektron pocházející z molekuly H 2 O. Lze jej vyjádřit rovnicí viz níže: (KINCL, KRPEŠ, 2000). 21

Necyklická fosforylace je uskutečněna 2 světelnými reakcemi. V prvním světelné reakci dojde k aktivaci chlorofylu a, ze kterého přechází elektron na ferredoxin a redukuje ho. Díky přítomnosti enzymu ferredoxin-nadp-reduktázy přejde elektron z ferredoxinu na NADP + a redukuje jej na NADPH+ H +, kde se ferredoxin zpětně oxiduje. NADP + přijme H + z disociované vody, která slouží jako donor vodíku pro tvorbu NADPH a také jako zdroj elektronů pro molekulu chlorofylu b, která je kladně nabitá. Ta vznikne při druhé světelné reakci, kde elektron z chlorofylu b přejde na plastochinonu a redukuje jej. Z plastochinonu přechází elektron přes cytochrom f na kationt chlorofylu a a přitom se vytvoří z ADP a kyseliny fosforečné ATP (ŠEBÁNEK, 1983). Obr. č. 2 Necyklická fosforylace (FOLK, 2013) 3.2.3.2 Cyklická fosforylace Elektrony z fotosystému I mohou přicházet z neidentifikovatelných látek označujících písmenem Z i obráceně přes cytochrom b na plastochinonu a přes cytochrom f a plastocyanin, redukující chlorofyl, opět do molekul chlorofylu a v PSI, což umožňuje cyklický transport elektronů tedy cyklickou fosforylaci. Produktem cyklické fosforylace jsou molekuly ATP (KINCL, 2000). Cyklická fosforylace probíhá a naaerobních podmínkách bez asimilace CO 2. Jedná se o uzavřený cyklus (ŠEBÁNEK, 1983). 2 ADP + 2 H 3 PO 4 hv 2 ATP (ŠEBÁNEK, 1983) 22

Při cyklické fosforylaci se uplatní fotosystém I, probíhá bez přítomnosti vody, a je společná pro všechny organismy, u kterých probíhá fotosyntéza (HNILIČKA et al., 2005). Obr. č. 3 Cyklická fosforylace (FOLK, 2013) 3.2.4 Listy Listy rostlin mají velmi důležitou roli a svou morfologickou strukturou zabezpečují průběh fotosyntézy (PROCHÁZKA et al., 1998). Listy jsou plochými útvary, jsou přizpůsobeny k maximální absorpci slunečního záření a k maximálnímu zkrácení transportních drah pro výměnu plynů mezi okolní atmosférou a vnitřním prostředím. Vnitřní povrch listu je 10-20krát větší než povrch vnější. Díky většímu vnitřnímu povrchu se výrazně zvětšuje plocha, na které probíhá výměna plynů mezi buňkami mezofylu a vzduchem v intercelulárách. 25 až 50 % celkového objemu listu zaujímají interceluláry. Interceluláry ohraničují větší část povrchu buněk mezofylu. Povrch mezofylových buněk, který přiléhá k povrchu sousedních buněk, je menší než povrch, který tvoří stěny intercelulár. Tento fakt, má velký význam v rámci difuze CO 2 do fotosyntetizujících buněk listů ale i pro samotnou transpiraci (LUŠTINEC, ŽÁRSKÝ, 2005). Slunečního záření, které dopadá na povrch listů, se odráží, část je pohlcena a část listem prochází. Celkový podíl odraženého, procházejícího a pohlceného záření je dán anatomií listu, obsahem pigmentů a sklonu listu směrem k dopadajícímu záření. Např. list je schopen 20 % záření propustit, 25 % odrazit a 55 % pohltit. Absorpce listů je největší v modré, červené a žluté oblasti spektra. Nejvíce listy odráží a propouští záření 23

zelené a krátkovlnné infračervené. 90-95% pohlcené energie je ztraceno v podobě tepla. Zbytek záření se využívá ve fotochemických reakcích (LUŠTINEC, ŽÁRSKÝ). Z hlediska fotosyntézy má velký význam anatomická struktura listu, která se vyznačuje tzv. věnčitým typem. Toto pojmenování bylo označeno již v minulém století a označil jej Haberlandt jako tzv. Kranz-typ. Pro věnčitou strukturu je charakteristická parenchymatická pochva cévních svazků, kde její buňky obsahují granální chloroplasty s velkými škrobovými zrny (PROCHÁZKA et al., 2005). UV záření zadržují voskové kutikulární korkové vrstvy epidermálního pletiva a fenolové složky buněčné šťávy ve vnější buněčné vrstvě. Do hloubky listu se dostane nejvíc 2-5 %, ale většinou je to méně než 1 % UV záření. Zhruba 70 % fotosyntetického účinného záření pronikající do mezofylu, je chloroplasty pohlceno (LARCHER et al., 1988). Sluneční světlo Svrchní epidermis Vosková pokožka Palisádový mezofyl Houbovitý mezofyl Spodní epidermis Buňka s chloroplasty Výměna plynů přes průduchy Buňka s chloroplasty Obr. č. 4 Průřez listem (BBC, 2014) Vzdušný prostor Vosková pokožka 3.2.5 Chloroplasty Chloroplasty jsou nejmenší strukturní a funkčními jednotkami, schopny i po izolování pohlcovat záření, fixovat CO 2 a zabudovávat C do sacharidů (PROCHÁZKA et al., 1998). 24

Chloroplasty jsou organely, ve kterých probíhá fotosyntéza. Jsou to zelené tělíska o průměru 5-10 μm. Mají různý tvar, zpravidla bochníčkovitý nebo vřetenovitý (LUŠTINEC, ŽÁRSKÝ, 2005). V mezofylech buněk listů se jich nachází asi 30, ale tohle množství je závislé v rozmezí hodnot od 10 do 100. Na 1 mm 2 plochy listu připadne asi 500 000 chloroplastů. Na povrchu se nachází dvojitá selektivně permeabilní (polopropustná) membrána, která má tloušťku 10 až 20 nm, dále se skládá ze stromatu, což je vnitřní bílkovinná základní hmota. Ve stromatu složitým skládáním membrány lamely vznikají tylakoidy, které uvnitř chloroplastu tvoří shluky, nazývající se grana. Průměrný chloroplast obsahuje asi 50 gran. Tylakoidy gran jsou spojené tylakoidy, vycházející z gran do prostoru stroma a nazývající se intergrana. Vnitřní část tylakoidu, je lumen (HNILIČKA et al., 2005). Lumen je vyplněn vodným roztokem solí (LUŠTINEC, ŽÁRSKÝ, 2005). Uvnitř chloroplastů se nacházejí malé ribozomy a molekuly DNA. V chloroplastech jsou fáze fotosyntézy prostorově oddělené. Oddělení fází fotosyntézy umožňuje, aby reakce probíhaly vedle sebe a přitom se nějakým způsobem neovlivňovaly. Světelná fáze probíhá díky 2 fotosystémům na tylakoidech. V granách tylakoidu je umístněný fotosystém I a fotosystém II. Fotosystém I je pouze v tylakoidech stromatu. Temnotní fáze probíhá v chloroplastu v kapalné části, ve stromatu, kde jsou důležité enzymy pro fixaci CO 2 (HNILIČKA et al., 2005). Vnější membrána je relativně propustná, vnitřní je propustná selektivně (LUŠTINEC, ŽÁRSKÝ, 2005). Vnější membrána Grana Lumen Vnitřní membrána Stroma Tylakoidy Obr. č. 5 Průřez chloroplastem (GLOGSTER, 2007-2012) 25

3.2.6 Chlorofyl Chlorofyl se řadí mezi fotosyntetické pigmenty. List v průměru obsahuje asi 70 miliónů buněk obsahující 5. 10 9 chloroplastů. V každém chloroplastu je 600 miliónů molekul chlorofylu (PROCHÁZKA et al., 1998). Chlorofyl tvoří asi 1 % sušiny zelených částí rostlin. Základní strukturou chlorofylu jsou porfyriny (4 pyrolová jádra navázána na Mg, který je v centru chlorofylu, spojená methionovými můstky). Na jednom jádru je připojena fytolová část (HNILIČKA et al., 2005). Fytol je alkohol s 20 uhlíky, podmiňující rozpustnost v tucích (KINCL, KRPEŠ, 2000). Dnes je známo 7 typů zelených barviv: chlorofyl a, b, c, d,e a bakteriochlorofyly a a b. Největší důležitost je připisována chlorofylu a, má modrozelenou barvu a sumární vzorec C 55 H 72 O 5 N 4 Mg, vyskytující se u všech vyšších rostlin sinic i řas. U fotosyntetizujících bakterií se chlorofyl a nenachází, ty mají bakteriochlorofyl. Chlorofyl b, je žlutozelený se sumárním vzorcem C 55 H 70 O 6 N 4 Mg. Tento chlorofyl typu b se vyskytuje jak u vyšších rostlin, krásnooček, zelených řas. Ostatní uvedené chlorofyly se vyskytují jen u řas. Chlorofyl c se vyskytuje u chaluh, obrněnek, zlativek a rozsivek, kde je součástí pigmentových komplexů. Některé druhy ruduch obsahují chlorofyl d (HNILIČKA et al., 2005). Chlorofyl a i b jsou hlavní pigmenty vyšších rostlin absorbující záření v oblasti 380-470 nm a 650 680 nm. Pokud dopadne na zelenou rostlinu světlo (záření o vlnové délce 400-700 nm) dojde k absorpci modrofialové a červené oblasti spektra, zatímco zelená oblast se odráží a díky tomu rostliny jsou vidět zeleně zbarvené. (KINCL, KRPEŠ, 2000). Chlorofyl se u většiny rostlin vytváří pouze na světle, výjimku tvoří některé zelené řasy a jehličnany, ty syntetizují chlorofyl za tmy (ŠEBÁNEK, 1983). Struktura chlorofylu je uvedená v příloze č. Základem vzniku chlorofylu je protochlorofyl a světlo. Červené dlouhovlnné světlo napomáhá tvorbě chlorofylu. Další podmínkou pro vznik chlorofylu je přítomnost Fe +2. Nedostatek Fe způsobí u rostlin žlutnutí (chlorózu); (ŠEBÁNEK, 1983). 26

3.2.7 Celková a čistá fotosyntéza Množství energie, které je vázané při fotosyntéze nebo celkové množství vázaného CO 2 se označuje jako celková fotosyntéza (gross photosynthesis) = GP. Celková uvolněná energie nebo CO 2 je vyjádřena respirací (RS). Energie se vyjadřuje v joulech příjem CO 2 v μmolech na jednotku listové plochy za jednotku času. GP je mnohem větší než RS a mění se během měření (LUŠTINEC, ŽÁRSKÝ, 2005). Hodnoty u jednotlivých druhů rostlin jsou velmi proměnlivé a závisí na ontogenezi rostlin a podmínkách prostředí. V dobrých podmínkách dochází k asimilaci 4 6 g CO 2. h -1, pokud jsou špatné podmínky pouze jen desetiny gramu (ŠEBÁNEK, 1983). Růst rostlin a výnos plodiny je závislý na rozdílu mezi celkovou fotosyntézou a respirací. Rozdíl se označuje jako čistá fotosyntéza (NP). Pokud klesne čistá fotosyntéza na 0 (rychlost respirace velmi vysoká nebo celková fotosyntéza velmi nízká) potom platí vztah GP = RS. Jedná se o stav, který nastane při tzv. kompenzační koncentraci CO 2, čili fotosyntéza vyrovnává respiraci. Pokud rovnováha nastane v závislosti na ozářenosti, jedná se o kompenzační ozářenost (LUŠTINEC, ŽÁRSKÝ 2005). V noci fotosyntéza neprobíhá, CO 2 se uvolní dýcháním. Dopoledne rychlost fotosyntézy stoupá, nejvyšších hodnost dosahuje v poledních hodinách a v odpoledních hodinách opět klesá (PAVLOVÁ, 2005). Účinnost fotosyntézy je definována jako poměr výkonu k příkonu. Za výkon se považuje množství energie, které je uloženo v asimilátech. Dopadne-li celkové množství energie na listovou plochu, účinnost je nižší jak 1 %. Pokud ovšem se bere jako příkon energie PAR, hodnoty účinnosti se mohou pohybovat okolo 5 %. Maximální účinnost záření v modré oblasti PAR je kolem 20 %. V červené oblasti 30 %., kde se energie mění v teplo (PAVLOVÁ, 2005). Rychlost fotosyntézy lze stanovit jako změnu koncentrace CO 2 nebo O 2 v uzavřeném systému. Na fixaci 1 molu CO 2 je potřeba 8 molů fotonů z PAR (ANONYM, 2013). 27

3.2.7.1 Kvantový výtěžek fotosyntézy Vyjadřuje počet molů uvolněného kyslíku nebo počet molů fixovaného oxidu uhličitého při využití energie 1 molu fotonů. Maximální hodnoty kvantového výběžku fotosyntézy jsou dosaženy při nízké ozářenosti a při inhibici fotorespirace. Hodnoty dle Warburga dosahují 0,3. Obecně se přijímá hodnota kvantového výtěžku 0,125 (PROCHÁZKA et al., 1998). Pro fotosyntézu v atmosféře o současné koncentraci CO 2 je hodnota kvantového výtěžku 0,08 (LUŠTINEC, ŽÁRSKÝ, 2005). 3.2.8 Faktory ovlivňující fotosyntézu Proces fotosyntézy bývá ovlivňován celou řadou vnitřních a vnějších faktorů. Faktory, které ovlivňují fotosyntézu, je celá řada, mezi nimi se řadí např. světelné záření (intenzita, složení spektra, délka působení), teplota, koncentrace CO 2, rychlost větru, vodní režim, minerální výživa, obsah a složení chloroplastového aparátu, enzymový systém, množství vody v pletivu, věk, ontogeneze rostlin a orgánů a mnohé další (ŠVIHRA, 1981). Rychlost fotosyntézy je závislá na faktoru, který je zastoupen v minimu, i když ostatní vnější faktory jsou v optimálním stavu. Takový faktor se nazývá limitujícím faktorem (limiting factor). Průběh syntézy je optimální, pokud všechny faktory jsou v optimu (ŠEBÁNEK, 1983). 3.2.8.1 Genetika Ke genetickým faktorům se řadí zejména druhové a odrůdové morfologické a strukturní vlastnosti asimilačních orgánů a vnitřní faktory fyziologické. Druhová a odrůdová variabilita značně ovlivňuje rychlost fotosyntézy. Některé nekulturní druhy mají mnohem větší rychlost fotosyntézy než kulturní druhy (ŠEBÁNEK, 1983). 28

Jednotlivé druhy rostlin jsou dlouhodobě adaptovány na různé typy stanovišť a jejich fotosyntéza se vzájemně liší. Lze je podstatě pozorovat na základě veličiny nazývané fotosyntetická kapacita listu. Tohle kritérium bylo definované v roce 1960 českými vědci I. Šetlíkem, J. Bartošem a Š. Kubínem. Hodnoty jsou různé v závislosti na rostlinách. U C 4 rostlin se udává hodnota 20 40 μmol CO 2. m -2. s -1. Pro C 3 rostliny z mírného pásu 3 20 μmol CO 2. m -2. s -1. Nízké hodnoty fotosyntetické kapacity listu mají CAM rostliny, hodnoty se pohybují v rozmezí od 0,6 do 2,4 μmol CO 2. m -2. s -1. Vysoké hodnoty dosahují pouštní byliny a trávy, které jsou dostatečně zásobeny vodou (PAVLOVÁ, 2005). 3.2.8.2 Světelné záření Vztah světla a fotosyntézy je velmi komplexní, je uskutečňován na různých úrovních a zahrnuje celou řadu mechanizmů. Množství energie, charakterizuje veličina nazývající se hustota toků fotonů fotosynteticky aktivního záření. Tato veličina se vztahuje na jednotkovou plochu listu a na jednotku času. Značí se dle anglické zkratky PPFD (photosynthetic photon flux density);(pavlová, 2005). Rozdíly v hodnotách intenzity dopadajícího záření jsou různé dle zeměpisné šířky místa, nadmořské výšky, povahy terénu Maximální hodnoty intenzity dopadajícího záření na rostliny za jasného letního dne se pohybují v rozmezí 400-600 W.m -2, což je 2000-2500 μmol. m -2. s -1 U světlomilných rostlin (heliofytů), pokud nastane snížení intenzity záření, klesne čistá fotosyntéza, která při 5 % z plného slunečního záření dosáhne nulových hodnot. Jedná se o kompenzační ozářenost. U stínomilných rostlin (sciofytů), nastane tento stav o něco později, asi při 1 % plného slunečního záření. Z toho plyne, že čím má rostlina vyšší kompenzační ozářenost, tím j rostlina více světlomilná. Další charakteristika hodnotící intenzitu záření na rostlinu je saturační ozářenost. Např. C 3 rostliny dosahují hodnot saturační ozářenosti 400-650 μmol. m -2. s -1. Světlomilné rostliny lépe využívají červené světlo, stínomilné lépe využívají paprsky modrofialové. Nejméně účinné je zelené záření (HNILIČKA et al., 2005). 29

Závislost rychlosti fotosyntézy na hustotě ozáření je opět jiná u různých rostlin. Rychlost fotosyntézy stoupá jen do určité hranice a dále se nedá už zvyšovat v závislosti na hustotě ozáření (KINCL, KRPEŠ, 2000). Obr. č. 6 Světelné křivky fotosyntézy u sciofytů a heliofytů Pozn.: S přibývající hustotou ozáření se zvyšuje příjem CO 2 až do bodu saturační ozářenosti. A, A' - dýchání, B.B' - kompenzační ozářenost, C - saturační ozářenost. (KINCL, KRPEŠ, 2000). 3.2.8.3 CO2 Obsah CO 2 se ve vzduchu neustále zvyšuje, hodnota se pohybuje kolem 0,038 %. (KINCL, KRPEŠ, 2000). CO 2 je nezbytný pro fotosyntetickou asimilaci uhlíku. Rostlina jej přijímá z okolního prostředí, ale také jej současně uvolňuje respirací a za světla fotorespirací. Pro růst rostlin je důležitý příjem CO 2 z okolního prostředí. Zvýšení koncentrace CO 2 v experimentálních podmínkách vede k pozitivním růstovým efektům. Koncentrace oxidu uhličitého bývá zvyšována často uměle za účelem zvednutí produkce u skleníkových kultur. Zvýšená koncentrace CO 2 ve skleníku vede současně ke snížení fotorespirace. Pokud koncentrace CO 2 se v ovzduší zvýší na 1000 μmol. mol -1 nevede ke tvorbě asimilátů ale má inhibiční efekt (PAVLOVÁ, 2005). 30

Specifická měrná hmotnost CO 2 je 0,001965 g. K asimilačnímu fotosyntetickému aparátu rostliny se plynný CO 2 dostane difúzí průduchy a ve formě iontu HCO - 3 díky kořenovému systému. Efektivnost příjmu CO 2 především závisí na typu listu a velikosti průduchových štěrbin. Štěrbiny mají elipsovitý tvar a délku 5 40 nm a šířku 2-10 nm. Dále efektivnost příjmu CO 2 je také ovlivněna tím, jak jsou průduchy rozloženy po povrchu listu. Čím je menší štěrbina průduchu tím dochází k rychlejší difúzi CO 2 po přepočtení na jednotku plochy (ŠEBÁNEK, 1983). Závislost rychlosti fotosyntézy na základě koncentrace CO 2 a osvětlení se zvyšuje dle logaritmické křivky. Nejmenší koncentrace CO 2, při které začíná fotosyntéza je 0,008 0,01 % (ŠVIHRA, 1981). Množství CO 2 je ve vzduchu nedostačující pro optimální průběh fotosyntézy rostlin, proto v uzavřených sklenících se zvyšuje množství CO 2 ve vzduchu až na 0, 15 %, tím jednak dochází ke zvýšení intenzity fotosyntézy a jednak k zvýšení výnosu rostlin (KINCL, FAUSTUS, 1978). Stanovení rychlosti fotosyntézy v závislosti na CO 2 musí vycházet nikoliv z koncentrace ve vzduchu, ale z koncentrace, která je v intracelulárách. Dá se vypočítat z rychlosti toku CO 2 do listu (z naměřené hodnoty rychlosti čisté fotosyntézy A z gazometrického přístroje), z vodivosti listu pro CO 2 (g co ) a z koncentrace CO 2 ve vnějším vzduchu (C a ) (PROCHÁZKA, 2006). Za optimálních podmínek osvětlení a teploty kolísá koncentrace CO 2 od 0,06 0,4 % ve vzduchu. Maximální koncentrace CO 2 pro fotosyntézu je složitější na základě toho, že výška koncentrace je spojená s intenzitou světla, která limituje fotosyntézu. Při optimálních podmínkách teploty, osvětlení a koncentrace CO 2 se rychlost fotosyntézy pohybuje od 200 5500 mg CO 2. m -2. hod -1 dle druhu rostliny, fáze růstu, ale i tvaru listové plochy (ŠEBÁNEK, 1983). Je prokázáno, že rychlost fotosyntézy vzrůstá při zvýšeném obsahu CO 2 ve vzduchu na 0,1 0,15 % 2 3krát, do 1 % 10 20krát (ŠEBÁNEK, 1983). 31

3.2.8.4 Teplota Teplota ovlivňuje významně rychlost fotosyntézy. Teplotní optimum pro čistou fotosyntézu u C 3 rostlin je 15 25 C (PROCHÁZKA, 2006), pro C 3 rostliny je teplota okolo 30 C nevhodná, protože výrazně vzrůstá oxygenázová aktivita enzymu Rubisco a tudíž fotorespirace vede ke snížení čisté fotosyntézy (HNILIČKA et al., 2005). Kdežto u C 4 rostlin je teplota vyšší (25 30 C). Rychlost fotosyntézy se s teplotou zvyšuje až po 40 C, při této teplotě už nastávají degradační procesy (PROCHÁZKA, 2006). U velké části rostlin mírného pásma se fotosyntéza zastaví při 0 C nebo mírně pod bodem mrazu. U tropických rostlin se však fotosyntéza zastaví při 5 až 10 C (HNILIČKA et al., 2005). Rychlost fotosyntézy závisí nejen na světle působícím ve světelné fázi, ale také i na teplotě v temnostní fázi. Průběh reakcí se urychluje při zvyšování teploty o 10 C 2-3krát, což se nazývá teplotní koeficient fotosyntézy (P Q ). Jednotlivé druhy rostlin mají různé koeficienty fotosyntézy. Při nízké teplotě je fotosyntéza velmi malá. Účinek teploty na fotosyntézu je komplikován současně tím, že s fotosyntézou probíhá dýchání. Rychlost fotosyntézy a dýchání se změnou teploty se mění nerovnoměrně (ŠEBÁNEK, 1983). Musí se však podotknout, že čím je působení vyšší teploty delší, tím je v konečném výsledku škodlivější její účinek (KINCL, FAUSTUS, 1978). Minimální teploty, kde se dá změřit fotosyntéza je u rostlin mírného pásma 0 až -3 C. Fotosyntéza za nízkých teplot (blížících se k nule) vede k hromadění nevyužitých asimilátů. Rychlost fotosyntézy se mění i v průběhu dne, tak i během vegetační doby (PROCHÁZKA, 2006). Intenzita fotosyntézy vykazuje na slunných stanovištích v poledních hodinách vlivem zvýšené teploty velký pokles (KINCL, FAUSTUS, 1978). Warburg zjistil, že pokud je vysoká intenzita světla P Q může dosáhnout vysokou hodnotu, až 4,7 v oblasti nižších teplot, protože chemické reakce temné fáze fotosyntézy jsou limitované teplotou. Při vyšší teplotě reakce proběhnou velmi rychle a P Q se snižuje. Při nízké intenzitě světla a vysoké teplotě je P Q rovno 1 (ŠVIHRA, 1981). 32