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

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

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

Vyjádření fotosyntézy základními rovnicemi

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

aneb Fluorescence chlorofylu jako indikátor stresu

Vylepšování fotosyntézy

7 Fluorescence chlorofylu in vivo

FOTOSYNTÉZA. Princip, jednotlivé fáze

12-Fotosyntéza FRVŠ 1647/2012

Fluorescence chlorofylu

VLIV SPEKTRÁLNÍHO SLOŽENÍ FOTOSYNTETICKY AKTIVNÍ RADIACE NA INDUKCI FOTOSYNTÉZY TERMOOPTICKÝ JEV

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

Energetický metabolismus rostlin. respirace

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

1- Úvod do fotosyntézy

Fotosyntéza (2/34) = fotosyntetická asimilace

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

FOTOBIOLOGICKÉ POCHODY

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

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

Světelné reakce fotosyntézy. - fixace energie záření

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

Měření fluorescence chlorofylu hedery helix

4 Přenos energie ve FS

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

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

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

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

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

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

Ekologie fotosyntézy

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

Biosyntéza sacharidů 1

EKOTECH Fluorescence chlorofylu in vivo 1

14. Fyziologie rostlin - fotosyntéza, respirace

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

RYCHLÁ KINETIKA FLUORESCENČNÍ INDUKCE

Struktura bílkovin očima elektronové mikroskopie

Sacharidy a polysacharidy (struktura a metabolismus)

6 Přenos elektronů a protonů

Fotosyntéza a Calvinův cyklus. Eva Benešová

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

METABOLISMUS SACHARIDŮ

ení k tvorbě energeticky bohatých organických sloučenin

Fotofyzikální děje během fotosyntetické přeměny zářivé energie na biochemicky využitelnou formu

FYZIKA VE FYZIOLOGII ROSTLIN

FOTOSYNTÉZA ZÁKLAD ŽIVOTA NA ZEMI

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

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

Fotosyntéza. Ondřej Prášil

Fotosyntéza. Ondřej Prášil

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

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

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

Energetický metabolismus rostlin

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

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

B METABOLICKÉ PROCESY

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

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

Energetický metabolismus rostlin

FOTOSYNTÉZA Správná odpověď:

ODŮVODNĚNÍ VEŘEJNÉ ZAKÁZKY

Roční průběh základních fluorescenčních parametrů dvou stálezelených rostlin

6. Tzv. holocenní klimatické optimum s maximálním rozvojem lesa bylo typické pro a) preboreál b) atlantik c) subrecent

2. ČÁST - METABOLICKÉ PROCESY

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

Ekosystém. tok energie toky prvků biogeochemické cykly

6. FYZIOLOGICKÉ STRÁNKY FOTOSYNTÉZY.

2. ČÁST - METABOLICKÉ PROCESY

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

Fotosyntézu lze schematicky vyjádřit: hv CO H 2 O (CH 2 O)+ O 2 + H 2 O. Rozčlenění pochodů v chloroplastu na membránové a enzymové:

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Předmět: KBB/BB1P; KBB/BUBIO

Faktory počasí v ekologii - úvod

1. Napište strukturní vzorce aminokyselin D a Y a vzorce adenosinu a thyminu

Vodní režim rostlin. Mechanizmy pohybu průduchů. Obecné charakteristiky Reakce průduchů na světlo

Charakteristika složky 3) cytochrom-c NADH-Q-reduktasa cytochrom-c- oxidasa ubichinon cytochromreduktasa

Fluorescence, fotosyntéza a stress: jak to spolu souvisí?

Umělá fotosyntéza. Michael Hagelberg. Tomáš Polívka, Ústav fyzikální biologie

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

Využití fluorescence chlorofylu ke sledování fyziologického stavu vegetace

35.Fotosyntéza. AZ Smart Marie Poštová

Fotosyntéza. Dýchání a fotosyntéza, struktura a funkce antén a reakčních center, energetika transportu elektronů a protonů.

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

ON-LINE KVANTIFIKACE SINIC V SUROVÉ VODĚ

ÚSTAV FYZIKÁLNÍ BIOLOGIE JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH

EKOLOGIE LESA Primární produkce lesních ekosystémů funkce abiotických faktorů

1. Napište strukturní vzorce aminokyselin E a W a vzorce guanosinu a uracilu

Fotosyntézu lze schematicky vyjádřit: hv CO2 + 2 H2O (CH2O)+ O2 + H2O. Rozčlenění pochodů v chloroplastu na membránové a enzymové:

II. Rostlina a energie

Systémy pro využití sluneční energie

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

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

DYNAMIKA PROMĚNLIVOSTI KONVERZNÍHO FAKTORU ZA TYPICKÝCH DNŮ

LÁTKOVÝ A ENERGETICKÝ METABOLISMUS

Spektrometrické metody. Reflexní a fotoakustická spektroskopie

Eva Benešová. Dýchací řetězec

Dominantní FL ječmene jarního

Transkript:

Fotoinhibice, fotopoškození a fotoprotekční mechanismy Měření množství dopadající energie světla Ozářenost W.m -2 (osvětlenost ln.m -2 = lux) Fotonová (kvantová) ozářenost mol.s -1.m -2 Vzájemné převody závisí na vlnových délkách fotonů (tedy přesné jsou jen pro monochromatické světlo)!

Závislost rychlosti čisté fotosyntézy (P N ) na ozářenosti (PAR) - s rostoucí ozářeností klesá účinnost využití záření 3 0 0,0 7 ε - kvantový výtěžek ε =mol CO 2 /mol fotonů (kvantum = foton) P N (µmol CO 2 m -2 s -1 ) 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 P N ε 0,0 6 0,0 5 0,0 4 0,0 3 0,0 2 0,0 1 ε (mol CO 2 mol -1 quanta) -5 0,0 0 0 2 00 4 00 6 00 8 00 10 0 0 12 0 0 1 40 0 1 60 0 P A R (µm o l m -2 s -1 ) ε- max. teoretická hodnota = 0,125 mol CO 2 / mol kvant (min. kvantový požadavek Q (ε = 1/Q) je: Q = 8 mol kvant / mol CO 2 ) 2 H 2 O 4 e- 4 fotony v PSII 4 fotony PSI 2 NADPH Na redukci každé ze dvou fosfoglycerových kys. vzniklých po navázání CO 2 na ribulóza-1,5- bisfosfát je potřeba 1 NADPH (které se oxiduje) Fotoinhibice soubor procesů projevujících se snížením rychlosti fotosyntézy při zvyšující se ozářenosti Fotopoškození - snížení počtu fčních fotosystémů - fotosyntetických struktur (proteinů) - UV světlo, oxidativní poškození (ROS, P680 +, ) ROS: 1 O 2 - nastává i za nízké ozářenosti, ale rychlá oprava nenastává fotoinhibice Fotoprotekce - snížení E přenesené do RC (ε) (= snížení E k fotochemii) - předcházení fotopoškození (rychle vratné změny)

Fotopoškození mechanismy a cíle PSII 1) blok transportu elektronů 2) poškození D1 ( D2, proteiny cyt b559) Vysoká ozářenost (poškozování PSII D1 za světla pořád!): donorová strana: 1) poškození OEC 2) P680 + - oxidativní poškození okolí akceptorová strana PSII: málo oxid. PQ 3 P680* 1 O 2 (x PTO, STN7) Nízká ozářenost: Q B- - rekombinace náboje zpět na P680 3 P680* 1 O 2 Fotopoškození mechanismy a cíle PSI - jen při nízké teplotě (zřejmě inhibicí aktivity SOD Cu/Zn) - kumulativní poškození celého PSI 1. O 2- poškození FeS klastrů (F A, F B ) blok transportu e - Pomalá oprava mnoho dní po přenesení do tepla

Oprava PSII výměna poškozeného D1 (PSII repair cycle) Odbourání 1. fosforylace proteinů PSII (STN8, příp. STN7- především LHCII) 2. odpoutání LHCII, monomerizace 3. transport do strom. membrán, odpoutání OEC proteinů 4. defosforylace (PBCP (TLP40)) 5. degradace D1 (FtsH, degh) Vložení nového 1. kotranslačně (interakce s D2 a cyt b559) 2. odštěpení C-konce v luminu 3. interakce s anténami CP43, CP47 4. připojení dalších podjednotek (OEC) 5. monomer do gran, dimerizace, +LHCII?

Fotoinhibice je způsobena příliš silnou ozářeností Původní představa: - D1 je poškozován přebytkem záření zachyceného fotosyntetickými pigmenty ALE (při bloku repair chloramfenicol, lincomycin) - rychlost poškození je zcela úměrná ozářenosti! (tedy nastává i při nízké!) - účinné vlnové délky se liší od absorpce Chl a karotenoidů - nemění se inhibicí DCMU (blok QA QB) ani glykol (glycer)aldehydem (blok fosforibulokinase), ani ROS! Revize: ozářenost vede k fotopoškození D1, příliš silná ozářenost vede k inhibici reparace D1 Primární poškození ne fotos. absorpce, ne ROS Cíl - Mn klastr - přímá absorpce záření (UV, žluté) - uvolnění Mn neredukuje se primární donor P680 + (alt. donor ascorbate!) - P680 + poškození D1 Výměna poškozeného D1 (PSII repair cycle) - silně inhibována ROS (~ ozářenosti!) - inhibice translace D1 (EF-G)

Fotoinhibice důsledek nerovnováhy mezi poškozením a opravnými pochody Fotoprotekce - ochrana před nadbytečným tokem energie do listů Strukturní úroveň listu - paraheliotropismus (x dia-) - tenčí listy, ochranné pigmenty (x UV, VIS) (fenolické l., antokyany, flavonoidy) úroveň buňky: dlouhodobé: méně chloroplastů, krátkodobé: pohyb chloroplastů - PHOT1, 2, CHUP1, aktin, - méně poškození, méně ROS (opravy stíhají) pevné nastavení není tropismus!

Fotoprotekce Zhášení ROS: - tvorba na PSII i PSI - blok chloroplastové translace (!) Fotoprotekce Změny na úrovni chloroplastu pomalejší: méně LHCII a LHCI ku PSII a PSI (rel. rychlá degradace LHC 1,2,3 a 6) méně PSI a PSII ku Rubisco krátkodobé: zvýšení disipace - Xantofylový cyklus (+ protonace PsbS) PQH/PQ STN7 fosforylace LHCII posílení cyklického transportu elektronů vyšší gradient H+ aktivace VDE vyšší disipace méně ROS rychlejší reparace D1 fosforylace LHCII (STN7 kinase) cyklický transport PSI

Xanthofyly anteraxanthin a zeaxanthin - zvýšená disipace světelné energie (teplo): chl excit + karotenoid => karotenoid excit + chl karotenoid + teplo (kinetická E) - přenos energie není doprovázen přenosem elektronu na chl a! Xantofylový cyklus - modifikace karotenoidů - (de)epoxidace při poklesu ph - zvýšená schopnost odvádění nadbytečné energie z chlorofylu - méně energie do fotochemie Diurnální změny - violaxanthin a zeaxanthin - anteraxanthin poměrně stabilní Místo disipace - nejvíce asi LHCII

Disipace světelné energie xantofyly Regulace prostřednictvím ph v lumen tylakoidu - prostřednictvím violaxanthin deepoxidase (VDE) - PsbS protein (protonizace vazba zeaxanthinu) - zřejmě úloha v odpoutávání či změně konformace LHCII - neváže karotenoidy! - zhášení až 80 % exc. singletových chlorofylů - u zastíněných zůstává deepoxid. stav déle - u jehličnanů v zimě permanentně deepoxidováno Disipace světelné energie = nefotochemické zhášení fluorescence chlorofylu Disipace karotenoidy v LHCII - odpoutání od PSII - tvorba trimerů (role PsbS?)

Fluorescence chlorofylu: 680 nm LHCII 685 nm CP43 695 nm CP47 720 nm PSI core 740 nm LHCI C3 rostliny: 70-95 % fluor. z PSII! fluorescence PSI: vcelku neměnná Kautského efekt (Fluorescence induction): - rychlý nárůst a pomalý pokles fluorescence po ozáření listu ze tmy OJIP křivka - chloroplasty ze tmy (dark adopted): 1. krátký pulz o nízké intenzitě (fotoaktivace, ) 2. hodnota fluorescence F o (Origin) - všechna reakční centra otevřená (mohou přijímat kvanta) = Q A oxidovaný 3. kontinuální, saturační světlo F m (Peak) - za cca 1 s všechna reakční centra uzavřená (Q A plně redukovaný) 3 = saturační

OJIP fotochemická fáze (0-J) na ozářenosti tepelná fáze (J-I-P) teplotě inflexní body = zhášení fluorescence! (různé mechanismy) - ne zcela jasné! Fluorescence chlorofylu - pomalá Fotochemické zhášení qp = (F m F s )/(F m F 0 ) kolik E jde k PSI Nefotochemické zhášení qn = (F m F m )/(F m F 0 ) F 0 všechny PSII otevřené F m všechny PSII uzavřené F s steady state fluorescence při daném osvětlení F v = F m F 0 maximální variabilní fluorescence φ = F v / F m = (1 - F 0 / F m ) max. účinnost využití excitační energie PSII (poměrně konstantní = 0,83 kvantovému požadavku 9-10 fotonů na O 2 )

Nefotochemické zhášení fluorescence chlorofylu (NPQ) = fotoprotekce qn = q E + q T + q I q E feed-back deexcitation (ph aktivace: VDE, PsbS) q T state transition (fosforylace LHCII) q I fotoinhibice (poškozené fotosystémy disipují) Využití energie záření - účinnost využití difúzního záření je vyšší

Asimilace záření listem Anatomické adaptace: Epidermis (koncentrování světla) Palisádový prostup světla Houbový odrazy na površích (rozptyl) Variabilita asimilačních orgánů Vybrané fyziologické charakteristiky listů: (2548 druhů na 175 lokalitách planety, Wright et al. 2004, Nature) 1. Specifická hmotnost 14 až 1500 g (DM) m -2 2. Kapacita fotosyntézy (P N ) 5 až 660 nmol (CO 2 ) g -1 s -1 3. Obsah N v sušině listů 0,2 až 6,4 % 4. Doba života: 0,9 až 288 měsíců Charakteristiky listové čepele - různé strategie investic do vytváření listů v závislosti na vnějších podmínkách

Využití záření struktura porostu Absorpce záření porostem velmi záleží na struktuře porostu a LAI leaf area index kumulativní index pokryvnosti listoví (plocha listů / plocha půdy) LAI optimálně hodnoty 4 5 P N (µmol m -2 s -1 ) W m -2 leaf ground 174 10 o 10.5 60.2 500 30 o 19.4 38.9 766 940 50 o 70 o 22.3 29.1 23.5 25.0 Adaptace k asimilaci v porostu: (konkurovat ostatním x nekonkurovat sobě) 1000 90 o r 23.8 23.8 - anatomie listu - biochemie listu (rubisco, chlorofyl, xathofyly) - stomy, liány, epifyty, růžice - fylotaxe - natáčení listů (úhel) Celková účinnost využití záření se v porostu zvyšuje 25 P N (µmol CO 2 m -2 s -1 ) 20 15 10 5 0 8x8= = 64 13x4= = 52 17,6 x 2 =35,2 20,7 x 1 =20,7-5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1 Ozářenost (µmol kvant m -2 s -1 )

Produkce biomasy rostlin (hospodářského výnosu plodin) Hospodářský výnos (g m -2 rok -1 ) Y P = P N. HI P N = S. ε i. ε c / k kde Y P : hospodářský výnos (g m -2 rok -1) HI: sklizňový index (podíl hospodářsky hlavního produktu a hmotnosti sušiny celé rostliny, porostu) P N :čistá fotosyntetická produkce S: roční suma slunečního záření (MJ m -2 rok -1 ) ε i : účinnost pohlcení záření dopadajícího na porost rostlinami ε c : účinnost přeměny pohlceného záření ve fotosyntéze k: obsah energie v biomase (MJ g -1 ) Fotosyntetická produktivita ekosystémů na Zemi Celosvětová produkce: 105 Pg (C) rok -1 (P peta 10 15 ) - průměr u terestrických (bez zaledněných) tedy cca 200 g (C) rok -1 m -2 (jiné odhady až 400 g) 1 g C > 3,7 g CO 2 a 2,5 g DM (dry matter) 1 g CO 2 > 0,27 g C a 0,675 g DM 1 g DM > 1,47 g CO 2 a 0,378 g C

Ilustrace pro podmínky ČR Charakteristické hodnoty: S = 500. 10 7 J m -2 rok -1 ε i = 0,8 ε c = 0,01 k = 17500 J g -1 Produkce biomasy P N = 500. 10 7. 0,8. 0,01 / 17500 = = 2285 g m -2 rok -1 = = 2,285 kg m -2 rok -1 ε i : účinnost pohlcení záření ε c : účinnost přeměny záření k: obsah energie v biomase Hospodářský výnos Y P = P N. HI = 22,85. 0,5 = 11,43 t ha -1 rok -1 Možnosti zvyšování produkce biomasy a výnosů polních plodin S: - je určeno geografickou polohou εi: - je dáno fyzikálními vlastnostmi porostu - lze ovlivnit strukturou porostu dynamikou rozvoje listů během vegetace εc: - lze teor. zvýšit optimalizací ozářenosti jednotlivých listů - vertikální a prostorová orientace - anatomická stavba listů (?) - fyziologických funkcí (obsah N, snížení R L, ) - zvýšení aktivity rubisco HI: - maximum je patrně 0,6 (dosaženo u obilnin)

Využití slunečního záření ve fotosyntéze Příčiny ztráty Ztráta (%) Využitelný zůstatek Ne FAR 50,0 50,0 Odraz a propustnost 5,0 (10) 45,0 Absorpce nefotos. částmi 1,8 (4) 43,2 Fotochem. neúčinnost (teplo) 8,4 (20) 34,8 Typ fotosyntézy C3 C4 C3 C4 Metabolismus 22,8 (65) 24,8 12,0 10,0 Fotorespirace 3,5 (10) 0 8,3 10 Temnotní dýchání 3,4 (10) 4 5,1 6 Výsledná účinnost využití ve fotosyntéze 5,1 % 6,0 % v období vegetace (z absorbovaného PAR (43 %) = cca 12-14 %)