Układ fotosyntezy

LI-6800 Portable Photosynthesis System analysing photosynthesis in a maize leaf
System fotosyntezy analizujący tempo fotosyntezy liścia kukurydzy

Systemy fotosyntezy to elektroniczne instrumenty naukowe przeznaczone do nieniszczących pomiarów tempa fotosyntezy w terenie. Systemy fotosyntezy są powszechnie stosowane w agronomicznych i środowiskowych , a także w badaniach globalnego obiegu węgla .

Jak działają systemy fotosyntezy

Systemy fotosyntezy działają poprzez pomiar wymiany gazowej liści . Atmosferyczny dwutlenek węgla jest pobierany przez liście w procesie fotosyntezy , gdzie CO2 jest wykorzystywany do generowania cukrów w molekularnym szlaku znanym jako cykl Calvina . To zasysanie CO 2 indukuje dyfuzję większej ilości atmosferycznego CO 2 przez aparaty szparkowe do przestrzeni powietrznych liścia. Gdy stomia jest otwarta, para wodna może łatwo wydostawać się z tkanek roślinnych w procesie znanym jako transpiracja . To właśnie ta wymiana CO 2 i pary wodnej jest mierzona jako przybliżenie tempa fotosyntezy.

Podstawowymi elementami systemu fotosyntetycznego są komora liściowa, analizator gazów w podczerwieni (IRGA), baterie oraz konsola z klawiaturą, wyświetlaczem i pamięcią. Nowoczesne systemy fotosyntezy „systemu otwartego” obejmują również miniaturowe jednorazowe butle ze sprężonym gazem i rury doprowadzające gaz. Wynika to z faktu, że w powietrzu zewnętrznym występują naturalne wahania zawartości CO 2 i pary wodnej, co może powodować zakłócenia pomiarowe. Nowoczesne systemy fotosyntezy „układu otwartego” usuwają CO 2 i parę wodną przez przejście przez wapno sodowane i Drierite, a następnie dodają CO 2 z kontrolowaną szybkością, aby uzyskać stabilne stężenie CO2 . Niektóre systemy są również wyposażone w kontrolę temperatury i wyjmowaną jednostkę oświetleniową, dzięki czemu można również zmierzyć wpływ tych zmiennych środowiskowych.

Liść do analizy umieszcza się w komorze na liście. Stężenia CO2 pomocą analizatora gazów na podczerwień. IRGA emituje światło podczerwone przez próbkę gazu na detektor. CO 2 w próbce pochłania energię, więc obniżenie poziomu energii docierającej do detektora wskazuje stężenie CO 2 . Nowoczesne IRGA uwzględniają fakt, że H 2 O pochłania energię o podobnych długościach fal jak CO 2 . Nowoczesne IRGA mogą albo osuszać próbkę gazu do stałej zawartości wody, albo zawierać zarówno CO2 oraz IRGA z parą wodną do oceny różnicy stężeń CO 2 i pary wodnej w powietrzu między wejściem a wylotem komory.

Wyświetlacz ciekłokrystaliczny na konsoli wyświetla zmierzone i obliczone dane. Konsola może mieć gniazdo kart PC. Zapisane dane można przeglądać na wyświetlaczu LCD lub przesyłać do komputera. Niektóre systemy fotosyntezy umożliwiają komunikację przez Internet przy użyciu standardowych protokołów komunikacji internetowej.

Nowoczesne systemy fotosyntetyczne mogą być również zaprojektowane do pomiaru temperatury liści, temperatury powietrza w komorze, PAR ( promieniowanie aktywne fotosyntetycznie ) i ciśnienia atmosferycznego . Systemy te mogą obliczać efektywność wykorzystania wody (A/E), przewodnictwo aparatów szparkowych (gs), samoistną efektywność wykorzystania wody (A/gs) oraz stężenie CO2 pod aparatem szparkowym (Ci). Temperatury komory i liści są mierzone za pomocą czujnika termistorowego. Niektóre systemy są również zaprojektowane do kontrolowania warunków środowiskowych.

Proste i ogólne równanie fotosyntezy to: CO 2 + H 2 O + (Energia świetlna)→ C 6 H 12 O 6 + O 2

Systemy „otwarte” lub systemy „zamknięte”.

Istnieją dwa różne typy systemów fotosyntezy; „otwarte” lub „zamknięte”. To rozróżnienie odnosi się do tego, czy atmosfera komory otaczającej liście jest odnawiana podczas pomiaru.

W „systemie otwartym” powietrze jest stale przepuszczane przez komorę na liście, aby utrzymać stałe stężenie CO2 w komorze na liście. Liść do analizy umieszcza się w komorze na liście. Konsola główna dostarcza do komory powietrze ze znaną szybkością o znanym stężeniu CO 2 i H 2 O . Powietrze jest kierowane nad liść, następnie określane jest stężenie CO 2 i H 2 O w powietrzu opuszczającym komorę. Powietrze wychodzące będzie miało niższe stężenie CO 2 i wyższą zawartość H 2 O niż powietrze wpływające do komory. Szybkość pochłaniania CO 2 służy do oceny szybkości asymilacji węgla w procesie fotosyntezy , natomiast szybkość utraty wody służy do oceny szybkości transpiracji. Ponieważ pobieranie CO 2, jak i uwalnianie H 2 O zachodzą przez aparaty szparkowe, oczekuje się, że wysokie tempo wchłaniania CO 2 zbiegnie się z wysokimi wskaźnikami transpiracji. Wysokie wskaźniki wychwytu CO 2 i utraty H 2 O wskazują na wysokie przewodnictwo szparkowe.

Ponieważ atmosfera jest odnawiana, „otwarte” systemy nie są poważnie dotknięte wyciekiem gazu na zewnątrz oraz adsorpcją lub absorpcją przez materiały systemu.

Natomiast w „układzie zamkniętym” ta sama atmosfera jest mierzona w sposób ciągły przez pewien okres czasu w celu ustalenia tempa zmian parametrów. Stężenie CO 2 w komorze spada, podczas gdy stężenie H 2 O wzrasta. Jest to mniej odporne na wycieki i wchłanianie/absorpcję materiału.

Obliczanie tempa fotosyntezy i powiązanych parametrów

Obliczenia stosowane w systemach „systemów otwartych”;

Aby CO 2 mógł dyfundować do liścia, aparaty szparkowe muszą być otwarte, co umożliwia dyfuzję pary wodnej na zewnątrz. W związku z tym przewodnictwo aparatów szparkowych wpływa zarówno na szybkość fotosyntezy (A), jak i transpirację (E), a przydatność pomiaru A jest zwiększona przez równoczesny pomiar E. Wewnętrzne stężenie CO 2 (C i ) jest również określane ilościowo, ponieważ C i reprezentuje wskaźnik dostępności podstawowego substratu ( CO 2 ) dla A.

Asymilację węgla określa się mierząc szybkość, z jaką liść asymiluje CO 2 . Zmianę CO 2 oblicza się jako CO 2 wpływający do komory liścia, w μ mol mol -1 CO 2 minus wypływ z komory liścia, w μmol mol -1 . Szybkość fotosyntezy (szybkość wymiany CO 2 w komorze liścia) to różnica w stężeniu CO 2 przez komorę, skorygowana o molowy przepływ powietrza na m 2 powierzchni liścia, mol m −2 s −1 .

Zmiana prężności pary H 2 O to ciśnienie pary wodnej na zewnątrz komory liścia, w mbar, pomniejszone o ciśnienie pary wodnej w komorze liścia, w mbar. Szybkość transpiracji to różnica stężeń pary wodnej, mbar, pomnożona przez przepływ powietrza do komory liścia na metr kwadratowy powierzchni liścia, mol s-1 m - 2 , podzielona przez ciśnienie atmosferyczne, w mBar.

Obliczenia stosowane w systemach „układów zamkniętych”;

Liść umieszcza się w komorze liściowej, załączając znaną powierzchnię liścia. Po zamknięciu komory stężenie dwutlenku węgla stopniowo spada. Kiedy stężenie spada powyżej pewnego punktu, uruchamiany jest licznik czasu, który zatrzymuje się, gdy stężenie przechodzi w drugim punkcie. Różnica między tymi stężeniami daje zmianę dwutlenku węgla w ppm . Szybkość fotosyntezy netto w mikrogramach dwutlenku węgla s -1 wyraża się wzorem;

(V • p • 0,5 • FSD • 99,7) / t

gdzie V = objętość komory w litrach, p = gęstość dwutlenku węgla w mg cm- 3 , FSD = stężenie dwutlenku węgla w ppm odpowiadające zmianie stężenia dwutlenku węgla w komorze, t = czas w sekundach, po którym stężenie spadnie o zadaną wartość. Fotosyntezę netto na jednostkę powierzchni liścia uzyskuje się dzieląc tempo fotosyntezy netto przez powierzchnię liścia zamkniętą w komorze.

Aplikacje

Ponieważ fotosynteza, transpiracja i przewodnictwo szparkowe są integralną częścią podstawowej fizjologii roślin , oszacowania tych parametrów można wykorzystać do badania wielu aspektów biologii roślin . Społeczność naukowa zajmująca się roślinami ogólnie zaakceptowała systemy fotosyntezy jako niezawodne i dokładne narzędzia wspomagające badania. Istnieje wiele recenzowanych artykułów w czasopismach naukowych, które wykorzystywały system fotosyntezy. Dla zobrazowania użyteczności i różnorodności zastosowań systemów fotosyntetycznych, poniżej znajdziesz krótkie opisy badań z wykorzystaniem systemów fotosyntetycznych;

  • Naukowcy z Technion-Izraelskiego Instytutu Technologicznego i kilku instytucji amerykańskich badali łączny wpływ suszy i stresu cieplnego na Arabidopsis thaliana . Ich badania sugerują, że połączone skutki stresu związanego z upałem i suszą powodują, że sacharoza służy jako główny środek osmoprotekcyjny.
  • Fizjolodzy roślin z Uniwersytetu Putra w Malezji i Uniwersytetu w Edynburgu zbadali względny wpływ wieku i wielkości drzewa na cechy fizjologiczne dwóch gatunków liściastych. Zastosowano system fotosyntetyczny do pomiaru szybkości fotosyntezy na jednostkę masy liścia.
  • Naukowcy z University of California-Berkeley odkryli, że utrata wody z liści Sequoia sempervirens jest złagodzona przez gęstą mgłę w zachodnich Stanach Zjednoczonych. Ich badania sugerują, że mgła może pomóc liściom zatrzymać wodę i umożliwić drzewom wiązanie większej ilości węgla w okresach aktywnego wzrostu.
  • wpływ wzbogacania CO 2 na fotosyntezę zagrożonego wyginięciem zioła leczniczego. Tempo fotosyntezy (A) było stymulowane przez pierwsze 30 dni, a następnie znacznie spadło. transpiracji (E) znacznie spadła podczas wzbogacenia w CO2 , podczas gdy przewodnictwo szparkowe (gs) początkowo znacznie się zmniejszyło. Podsumowując, stwierdzono, że medycznie ważna część tej rośliny wykazywała zwiększony wzrost.
  • Naukowcy z Uniwersytetu Trás-os-Montes i Alto Douro w Portugalii uprawiali winorośle na zewnętrznych poletkach iw otwartych komorach, co podniosło poziom CO 2 . Zastosowano system fotosyntetyczny do pomiaru szybkości asymilacji CO2 ( A), przewodnictwa szparkowego (gs), szybkości transpiracji (E) i stosunku wewnętrznego stężenia CO2 do CO2 w otoczeniu ( Ci/Ca). Warunki środowiskowe wewnątrz komór spowodowały znaczne obniżenie plonu.
  • Badanie bioremediacji niklu z udziałem topoli ( Populas nigra ), przeprowadzone przez naukowców z Bułgarskiej Akademii Nauk i Narodowego Instytutu Badawczego we Włoszech ( Consiglio Nazionale delle Ricerche ), wykazało, że stres wywołany niklem zmniejsza tempo fotosyntezy i że efekt ten był zależny od zawartości Ni w liściach. W dojrzałych liściach stres Ni prowadził do emisji cis-β-ocymenu, podczas gdy w rozwijających się liściach prowadził do zwiększonej emisji izoprenu .
  • Fizjolodzy roślin z Pekinu zmierzyli szybkość fotosyntezy, szybkość transpiracji i przewodnictwo szparkowe w roślinach, które akumulują metal i tych, które go nie akumulują. Sadzonki hodowano w obecności 200 lub 400 μM CdCl 2 . Wykorzystano to do wyjaśnienia roli antyoksydacyjnego w reakcjach adaptacyjnych akumulatorów metali i nieakumulatorów na stres związany z kadmem.
  • W badaniu odporności na suszę i tolerancji soli odmiany ryżu, naukowcy z National Center of Plant Gene Research i Huazhong Agricultural University w Wuhan w Chinach odkryli, że transgeniczna odmiana ryżu wykazuje większą odporność na suszę niż odmiana konwencjonalna. Nadmierna ekspresja genu odpowiedzi na stres SNAC1 doprowadziła do zmniejszenia utraty wody, ale bez znaczącej zmiany w szybkości fotosyntezy.
  • Ten kanadyjski zespół zbadał dynamiczne reakcje przewodnictwa aparatów szparkowych (gs) fotosyntezy netto (A) na postępującą suszę u dziewięciu klonów topoli o kontrastującej tolerancji na suszę . gs i A mierzono przy użyciu systemu fotosyntetycznego. Rośliny były albo dobrze nawodnione, albo przygotowane przed suszą.
  • Naukowcy z Banaras Hindu University w Indiach zbadali potencjał wykorzystania osadów ściekowych w rolnictwie jako alternatywnej techniki utylizacji. Do uprawy ryżu w glebie rolnej dodawano osady ściekowe w różnych dawkach. Zmierzono tempo fotosyntezy i przewodnictwo aparatów szparkowych ryżu w celu zbadania reakcji biochemicznych i fizjologicznych dodatku ścieków.
  • Naukowcy z Lancaster University , The University of Liverpool i The University of Essex w Wielkiej Brytanii zmierzyli wskaźniki emisji izoprenu z palmy olejowej. Próbki pobierano przy użyciu systemu fotosyntetycznego, który kontrolował PAR i temperaturę liści (1000 μmol m -2 s -1 ; 30°C). Uważano, że PAR i temperatura są głównymi kontrolami emisji izoprenu z biosfery. Badania te wykazały, że emisje izoprenu z palmy olejowej podlegają silnej kontroli okołodobowej.
  • Różnorodność ekofizjologiczna i potencjał rozrodczy dzikich populacji kawy w Etiopii zostały ocenione jako praca przedłożona na Rheinischen Friedrich-Wilhelms-University of Bonn, Niemcy. Przeanalizowano uzupełniające badania polowe i ogrodnicze populacji rodzimych w różnych warunkach klimatycznych. Zachowanie ekofizjologiczne roślin oceniano za pomocą szeregu parametrów systemowych, w tym wymiany gazowej, którą mierzono za pomocą systemu fotosyntetycznego.
  • Wspólny projekt naukowców z University of Cambridge w Wielkiej Brytanii, Australian Research Council Centre of Excellence i Australian National University zaowocował walidacją modelu opisującego dyskryminację izotopów węgla w metabolizmie kwasu grubasa przy użyciu Kalanchoe daigremontiana .
  • Przyrządy tego typu mogą być również stosowane jako wzorzec do pomiaru stresu roślin . Trudne do zmierzenia rodzaje stresu roślin, takie jak stres zimna i stres wodny, można zmierzyć za pomocą tego typu oprzyrządowania.

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Photosynthesis_system&oldid=1098531184 ”