Fyzika ve fyziologii rostlin

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 µw
µw1
>
µw2
TRANSPORT VODY V ROSTLINÁCH
chemický potenciál vody (J mol-1)
µw = µw0 + R·T·ln aw + Vw·p + mw·g·h
R … univerzální plynová konstanta (8,314 J mol-1 K-1)
T … teplota (K)
aw… aktivita vody
Vw… parciální molární objem vody (1,8 * 10-5 m3 mol-1)
p ... hydrostatický tlak
TRANSPORT VODY V ROSTLINÁCH
R·T·ln aw = .... = - π · Vw
µw = µw0 - π · Vw + Vw·p + ρw·Vw·g·h
Ψw = µw / Vw
VODNÍ POTENCIÁL
Ψw = -π + p + ρw·g·h
Ψw = Ψs + Ψp + Ψg
TRANSPORT VODY V ROSTLINÁCH
VODNÍ POTENCIÁL (MPa)
Ψw = Ψs + Ψp + Ψg
Ψs … osmotický potenciál
Ψp … tlakový potenciál
(kladný v buňkách, záporný v xylému)
Ψg … 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):
p =
∑ fi
i
S
=
2 σ
R
σ ... 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 σ
r
= h ρ g
h =
při 20°C:
σ = 0,073 N m-1
ρ = 998,2 kg m-3
g = 9,81 m s-2
h =
2 σ
r ρ g
1,5 . 10-5
r
=
3 . 10-5
d
DO JAKÉ VÝŠKY MŮŽE VYSTOUPIT
VODA V ROSTLINĚ?
průměr cévních elementů xylému: 100 µm
h =
3 . 10-5
10-4
= 0,3 m
MÁLO !
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 (Ψw, Ψs)
- TLAKOVÁ KOMORA (Ψw)
- KRYOSKOPICKÝ OSMOMETR (Ψs)
- TLAKOVÁ SONDA (Ψ
( p)
PSYCHROMETRICKÉ MĚŘENÍ
VODNÍHO POTENCIÁLU
Ψw = (RT/Vw) · ln (p/po)
Ψw = (RT/Vw) · ln (RH)
p/po … relativní vlhkost vzduchu
p = aktuální tlak vodní páry ve vzduchu, který je v rovnováze
se vzorkem (MPa)
po = tlak nasycené vodní páry (MPa) při 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 Ψw
- nepřímé měření Ψp = Ψw-Ψs
nevýhody:
- dlouhé vyrovnávání
- destruktivní měření
TLAKOVÁ KOMORA
Ψw = − 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 (Ψs)
roztoků
- bod tání
TLAKOVÁ SONDA
- tlakový potenciál Ψp
v jednotlivých buňkách
buňka zelené řasy Nitella
TLAKOVÁ SONDA
- tlakový potenciál Ψp
v jednotlivých buňkách
vyšších rostlin
BIOFYZIKA FOTOSYNTÉZY
– co je to FOTOSYNTÉZA?
6 H2O + 6 CO2
C6H12O6 + 6 O2
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
- CO2, H2O, O2
- IČ analyzátor CO2
IČ ANALYZÁTOR CO2
PRINCIP:
- specifická absorpce heteroatomických molekul
- hlavní absorpční pás CO2: 4.25 µm
- další pásy: 2.66 a 2.77 µm
- překryv s absorpčním spektrem vodní páry (2.7 µm)
IČ ANALYZÁTOR CO2
ZDROJ IČ
- Ni-Cr spirála
- 600-800°C
REFERENČNÍ
CELA
DETEKTOR
ANALYTICKÉ
CELY
ABSORPČNÍ
KOMŮRKY
IČ ANALÝZA CO2
OTEVŘENÝ SYSTÉM
RYCHLOST FOTOSYNTETICKÉ
ASIMILACE CO2:
air conditioning
AN = f·(CI-CO)/S
f… průtok vzduchu listovou komůrkou
(CI-CO)… rozdíl koncentrace CO2 na vstupu/výstupu
z komůrky
S… plocha listu (v komůrce)
- možnost regulace CO2 a vodní páry
GAZOMETR LI-6400 (LICOR)
GAZOMETRICKÉ PARAMETRY
RYCHLOST FOTOSYNTETICKÉ ASIMILACE CO2
AN = f·(CI-CO)/S
[µmol CO2 m-2 s-1] = [molair s-1] [µmol CO2 molair-1] / [m2]
RYCHLOST TRANSPIRACE
E = f·(wO-wI)/S
[mmol H2O m-2 s-1] = [molair s-1] [mmol H2O molair-1] / [m2]
SVĚTELNÉ KŘIVKY FOTOSYNTÉZY
„SLUNNÉ“ VS. „STINNÉ“ ROSTLINY
SVĚTELNÉ REAKCE FOTOSYNTÉZY
CO SE DĚJE PO DOPADU SVĚTLA
NA LIST?
dopadající
světlo
odražené
světlo
absorbované
světlo
chlorofylová
fluorescence
FOTOSYNTÉZA
teplo
prošlé světlo
ABSORPCE CHLOROFYLŮ
chlorofyl a
absorpční spektra chlorofylů
CO SE DĚJE PO ABSORPCI FOTONU
MOLEKULOU CHLOROFYLU?
excitovaný stav
foton
základní stav
ENERGIE
FLUORESCENCE
molekula
chlorofylu
TEPLO
PŘENOS ENERGIE
FLUORESCENCE CHLOROFYLU
emisní spektrum chlorofylu a
intenzita fluor. [rel. j.]
5000
4000
3000
2000
1000
0
600
650
700
750
vlnová délka [nm]
800
MOLEKULY CHLOROFYLU
V THYLAKOIDNÍCH MEMBRÁNÁCH
antény
(LHC)
reakční
centrum
e-
e-
donor akceptor
(H2O)
PŘENOS ELEKTRONŮ A PROTONŮ
FLUORESCENCE CHLOROFYLU
V LISTU
stresový
faktor
antény
(LHC)
reakční
centrum
FLUORESCENCE
TEPLO
e-
e-
donor akceptor
(H2O)
FOTOSYNTÉZA
FOTOSYNTÉZA
FLUORESCENČNÍ INDUKCE
CHLOROFYLU V LISTU
tma
světlo
tma
FOTOSYNTÉZA
čas (min)
FLUORESCENČNÍ KAMERA
250
F
M
200
FLUORESCENCE, r.u.
150
F
F
V
M
’
100
F
S
50
F
0
0
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
TIME, seconds
Photon Systems Instruments, s.r.o.
80
VLIV PATOGENNÍ HOUBY
INDUKCE FOTOSYNTETICKÉHO
ELEKTRONOVÉHO TRANSPORTU
infikovaný
list
pšenice
čas (s)
kontrolní
list
pšenice
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 QA a QB
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)
„face position“
„avoidance response“
(intenzivní světlo)
„side position“
POHYB CHLOROPLASTŮ
„face position“
„side position“
POHYB CHLOROPLASTŮ – VLIV NA
MĚŘENÍ OBSAHU CHLOROFYLU
„face position“
„side position“
0.030
side position
face position
PROPUSTNOST
0.025
0.020
0.015
0.010
PROPUSTNOST
0.005
0.000
400
500
600
λ [nm]
700
800
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/