Jarosław Grządziel
grupa: poniedziałek, godz. 8.00
Sprawozdanie z ćwiczenia nr 8
Fotosynteza
Warunki i czynniki
Fotosynteza jest zjawiskiem polegającym na przekształceniu energii świetlnej w chemiczną. W absorpcji promieni świetlnych biorą udział tzw. kompleksy zbierające energię – LHC. Stąd kierowana jest ona na centra rekcji PSI i PSII (centra reakcji fotosystemu). Transport elektronów związany jest z tworzeniem gradientu protonowego w poprzek błon tylakoidu, który odpowiedzialny jest za napędzanie chemosyntezy ATP. Najpierw zostaje pobudzony chlorofil (P680) w centrum PSII, który przekazuje elektrony na feofitynę i dalsze receptory. Część energii świetlnej odbierana jest przez chlorofil (P700) związany z PSI, skąd elektrony po przejściu przez szereg przenośników trafiają na ferrodoksynę a następnie plastochinon, co umożliwia chemosyntezę ATP. Jest to fosforylacja cykliczna. Występuje również fosforylacja niecykliczna, która polega na wprowadzeniu dodatkowych elektronów pochodzących z rozkładu cząsteczki wody, które redukują plastochinon, a NADP zostaje utleniony, natomiast ferrodoksynę przenosi elektrony na NADP.
Część elektronów zostaje rozproszona lub wyzwalana w postaci ciepła lub emisji światła o dłuższej długości fali niż ta którą chlorofil został pobudzony – zjawisko zwane fluorescencją. Dlatego chlorofil pod wpływem działania promieni UV emituje światło czerwone (długość fali światła: UV 100-400 nm; czerwone: 630-780 nm). Nie jest więc możliwa emisja światła o krótszej długości fali, np. poprzez naświetlanie światłem czerwonym i emisji światła zielonego czy niebieskiego).
Najwyższy poziom fluorescencji chlorofil osiąga, podczas gdy zahamowany zostaje fotosyntetyczny transport elektronów, wówczas następuje redukcja akceptorów elektronów, a w konsekwencji utrata energii w postaci ciepła i fluorescencji. Można zatem wykorzystać zjawisko fluorescencji do pomiarów sprawności procesów fotochemicznych.
Zazwyczaj pobieranie CO2 i uwalnianie O2 odbywa się w stosunku 1:1. Tlen jest gazowym produktem rozkładu wody w procesie fotosyntezy, a wytworzona siła asymilacyjna (ATP i NADPH2) redukuje absorbowany CO2, włączany do związków organiczncych. Tak więc zmiany tego stosunku mogą również posłużyć pomiarom natężenia fotosyntezy (która zależy od takich czynników zewnętrznych jak: długość i natężenie światła, temperatura, stężenie dwutlenku węgla, dostępność wody oraz wewnętrznych jak: zawartość chlorofilu, anatomia liścia, rozkład chloroplastów w liściu).
Wpływ długości światła na natężenie fotosyntezy.
Pomiar szybkości fotosyntezy, fotorespiracji czy oddychania mitochondrialnego w ciemności możliwy jest dzięki zmierzeniu wymiany gazu pomiędzy liściem a otoczeniem. Przy pomocy zestawu przedstawionego poniżej mogliśmy zmierzyć zmiany stężenia CO2 z wykorzystaniem analizatora podczerwieni (IRGA).
Rośliny do fotosyntezy wykorzystują tylko określone przedziały długości fali. W skutek wykształcenia dodatkowym barwników, niektóre rośliny zdolne są do przeprowadzania procesu fotosyntezy z wykorzystaniem światłą o innym składzie energetycznym (np. rośliny głębinowe) – zjawisko to nazywamy adaptacją chromatyczną.
Obserwacje:
| Warunki eksperymentu | stężenie CO2 [ppm] |
|---|---|
| Gaz referencyjny (pusta komora pomiarowa) |
630 |
Gaz analizowany (liść w komorze pomiarowej) |
|
| Światło białe | 537 |
| Światło niebieskie | 556 |
| Światło zielone | 580 |
| Światło czerwone | 532 |
Określenie poziomu wymiany gazowej:
1. Obliczenie różnicy zawartości CO2 pomiędzy gazem badanym a referencyjnym
2. Przekształcenie wartości dCO2, z ppm na μmol/l:
273⋅dCO2
22,413⋅(273+C)
gdzie
273 - temperatura absolutna
C - temperatura w °C
3. Przemnożenie otrzymanej wartości przez szybkość przepływu powietrza przez komorę
pomiarową (0,0166 L/s)
4. Przeliczenie na jednostkę powierzchni badanego liścia (0,0009 m2)
5. Przedstawienie wartości w tabeli
Wnioski
Najwyższy poziom wymiany dwutlenku węgla zaobserwowaliśmy przy zastosowaniu filtra czerwonego, niebieskiego oraz bez stosowania żadnego filtra – światło białe. Najmniejszą wartość uzyskaliśmy przy wykorzystaniu filtra zielonego. Chlorofile występujące w roślinie pochłaniają najefektywniej właśnie zakres światła o barwie czerwonej i niebieskiej, natomiast zielone światło jest najsłabiej przez nie pochłaniane. Światło białe jest składową wszystkich barw, więc z fotosynteza z jego udziałem również przebiegała na wysokim poziomie – wynika to ze współpracy obydwu układów fotosyntetycznych – pochłaniających światło niebieskie oraz czerwone.
Wpływ intensywności światła na natężenie fotosyntezy.
Rośliny światło i cieniolubne.
Rośliny, które przebywają w określonych warunkach (wysokość geograficzna, głębokość wody, różna ekspozycja na światło) wykazują pewne odmienne cechy – zarówno w budowie anatomicznej jak i na poziomie biochemicznym i molekularnym. Objawia się to w odmiennej morfologii blaszki liściowej a także w innym punkcie kompensacyjnym. Rośliny, które mają słabą dostępność promieni świetlnych wykazują bardzo niski punkt kompensacyjny – rzędu 0,3 – 1 % pełnego światła słonecznego. Rośliny światłolubne natomiast, mają przesunięty ten punkt nawet do 8%.
Wykorzystując aparat PSM możemy dokonać pomiaru niektórych parametrów, które posłużą nam do oceny poziomu aktywności PSII oraz określić zdolność i przydatność cech adaptacyjnych roślin przy zmianach środowiskowych – jak zmiana natężenia oświetlenia.
Parametrami stosowanymi do oceny stopnia wykorzystywania światła przez aparat fotosyntetyczny są:
- relatywna wydajność kwantowa (P),
- poziom transportu elektronów (ETR).
Jeżeli 1 μmol fotonów powoduje wzbudzenie 1 μmola elektronów z chlorofilu, a P przedstawia proporcję tych elektronów, które są użyte do procesów fotochemicznych, to ETR jest proporcjonalny do P i natężenia światła fotosyntetycznie czynnego (PAR) padającego na powierzchnię liścia.
Ponieważ tylko ok. 84% światła padającego jest absorbowane przez cząsteczki chlorofilu, a z tego 50% dociera do PSII, to ETR może być przedstawione:
ETR=P x PAR x 0,42
Otrzymane parametry pozwalają na obliczenie, jaka część energii świetlnej (tzw. relatywna wydajność kwantowa fotosyntezy) jest efektywnie wykorzystywana przez PSII do reakcji fotochemicznych. Można ją obliczyć, korzystając ze wzoru:
$$\mathbf{P = \ }\frac{\mathbf{F}_{\mathbf{m}}\mathbf{-}\mathbf{F}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{F}_{\mathbf{m}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{F}_{\mathbf{v}}}{\mathbf{F}_{\mathbf{m}}}\mathbf{\ }$$
znając jedynie podstawowe parametry fluorescencji:
Fm - fluorescencja maksymalna, uzyskiwana po okresie zacienienia liści, pojawiająca się w wyniku stopniowej redukcji akceptora elektronów QA, spowalniającej odbiór elektronów i zwiększającej rozproszenie energii; wzrasta wraz ze wzrostem liczby pobudliwych centrów reakcji PSII
F'm - maksymalna fluorescencja uzyskiwana po okresie długiego oświetlania (analogicznie)
F0 - mała wartość tego wskaźnika oznacza dużą efektywność pochłaniania energii przez anteny bez dodatkowych strat
Fv/Fm - stosunek fluorescencji zmiennej do maksymalnej, czyli relatywna wydajność kwantowa
fotosyntezy
Dla zdrowych, w pełni rozwiniętych liści, P = 0,82.
Wykonanie:
Pomiar w warunkach adaptacji do ciemności
- liście włożyliśmy do ciemnego pomieszczenia na 30 minut w celu ich adaptacji do ciemności, założyliśmy klips z zasuniętą przesłoną
- włączyliśmy aparat PSM. Ustawiliśmy go zgodnie z zaleceniami podanymi w instrukcji- włożyliśmy światłowód w klips, jednocześnie wyciągając przesłonę
- odczytaliśmy wartości poszczególnych parametrów fluorescencji- pomiar powtórzyliśmy dla natężenia światła wzbudzającego = 400 μmol m-2 s-1 (uprzednio pomiar dokonany był przy 200 μmol m-2 s-1)
Pomiar w warunkach ciągłego oświetlenia
- ustawiliśmy aparat PSM na parametry określone w instrukcji
- założyliśmy na liście roślin eksponowanych na światło klipsy z odsuniętą przesłoną i włożyliśmy światłowód w klips- wyniki pomiarów przedstawiliśmy w tabelce
Obserwacje:
| Liście adaptowane do ciemności |
|---|
| Natężenie światła wzbudzającego (PAR) |
| Roślina światłolubna |
| 200 μmol m-2 s-1 |
| 400 μmol m-2 s-1 |
| Roślina cieniolubna |
| 200 μmol m-2 s-1 |
| 400 μmol m-2 s-1 |
| Liście oświetlane |
|---|
| Natężenie światła wzbudzającego (PAR) |
| Roślina światłolubna |
| 200 μmol m-2 s-1 |
| 400 μmol m-2 s-1 |
| Roślina cieniolubna |
| 200 μmol m-2 s-1 |
| 400 μmol m-2 s-1 |
Wnioski
Poziom transportu elektronów w przypadku obydwu liści był wyższy dla roślin cieniolubnych niż dla światłolubnych, oznacza to iż rośliny cieniolubne lepiej wykorzystują fotony
Z tabeli wynika również że był on wyższy dla roślin adaptowanych do ciemności, niż dla roślin oświetlanych – zarówno w przypadku światło- jak i cieniolubnych, oznacza to iż rośliny mające gorszy dostęp do światła, lepiej wykorzystują fotony niż rośliny, które mają ciągły dostęp do promieni świetlnych
Przy dwukrotnym wzroście natężenia światła wzbudzającego, poziom transportu elektronów wzrastał średnio: dla roślin adaptowanych do ciemności ok. 1,8 razy, dla roślin oświetlanych aż 2,5 razy
Rośliny cieniolubne charakteryzują się niższym wskaźnikiem F0 w stosunku do światłolubnych, oznacza to większą efektywność pochłaniania energii przez anteny bez dodatkowych strat – jest to ważne, gdy rośliny mają ograniczony dostęp do światła i muszą wykorzystać dużo mniejsze porcje fotonów niż rośliny światłolubne, które mogą pozwolić sobie na nieco większe straty
Fluorescencja maksymalna jest większa w dla roślin światłolubnych (w przypadku roślin adaptowanych do ciemności), oznacza to większą ilość pobudliwych centrów reakcji PSII tej grupy po okresie zacienienia liści
Relatywna wydajność kwantowa w przypadku roślin adaptowanych do ciemności oscyluje w granicach wartości odpowiadających zdrowym roślinom – oznacza to prawidłowe i efektywne wykorzystywanie energii do reakcji fotochemicznych.
W przypadku roślin oświetlanych w sposób ciągły, wskaźnik ten jest nieco mniejszy, oznaczać to może większy stopień rozpraszania energii oraz możliwe uszkodzenia aparatu fotosyntetycznego bądź też jego częściowe zużycie
Na podstawie połowicznego czasu narastania fluorescencji możemy stwierdzić, że maleje on w przypadku zwiększenia natężenia oświetlania – a więc wzrost natężenia oświetlenia powoduje zwiększenie natężenia fluorescencji.
Jest on mniejszy również w przypadku roślin nastawionych na ciągłą ekspozycją na światło w stosunku do roślin adaptowanych do ciemności, oznacza to większą sprawność i wydajność transportu elektronów roślin adaptowanych do ciemności.