Stanovení rychlosti čisté fotosyntézy gazometricky

Princip:
Fotosyntézu můžeme zjednodušeně definovat jako proces probíhající v zelených rostlinách, který převádí rostlinami absorbovanou část energie dopadajícího slunečního záření , spolu s CO₂ a H₂O, do energie chemických vazeb biochemických produktů fotosyntézy (ATP, NADPH, sacharidy). Jde o fixaci vzdušného oxidu uhličitého rostlinami a vznik sacharidů (sacharózy, škrobu apod.). Metody měření fotosyntézy můžeme rozdělit do několika oblastí. Následující výčet metod je v chronologickém sledu od metod nejstarších po nejmodernější.

Gravimetrické metody Fotosyntéza je měřena jako přírůstek hmotnosti fotosyntetizujícího objektu (hromadícího se asimilačního škrobu)

Manometrické a voluntometrické metody Měření změn tlaku a objemu sorbentu (látky napojené na komoru, v níž je uzavřen fotosyntetizující objekt). Warburgův respirometr.

Gazometrické metody Infračervené analyzátory plynů (CO₂, H₂O) napojené na komoru, v níž je uzavřen fotosyntetizující objekt).

Oxymetrické metody Clarkova kyslíková elektroda, stanovení koncentrace kyslíku v kapalném vzorku

Fluorometrické metody Fluorometry, přístroje měřící indukovanou fluorescenci molekul chlorofylu

Podrobněji se zmíníme o gazometrických metodách, které jsou předmětem tohoto cvičení. Gazometrické metody jsou založeny na principu měření rychlosti spotřeby CO₂ rostlinami. Zjednodušeně lze říci, že pomocí těchto metod měříme pokles koncentrace CO₂ v okolí rostliny vyvolaný fotosyntetickou fixací molekul CO₂. Podle uspořádání měřící aparatury, zejména zapojení infračerveného analyzátoru plynů (IRGA) do měřícího systému, rozlišujeme gazometrické metody:

uzavřené (cirkulačního typu)

otevřené (průtočného typu)

Pomůcky:

Technické:

infračervený analyzátor CO₂ (EGM-3, PP Systems, Velká Británie)

hmotový průtokoměr Hastings (Velká Británie)

sensor fotosynteticky aktivního záření Li-1400 (Li-Cor, USA)

2 tlačné pumpy

zdroj CO₂ (vzduchu o konstantní koncentraci CO₂) - tlaková lahev

zdroj záření (fotožárovka NARVA), chladící blok (vodní filtr)

expoziční komora

stolní scanner pro stanovení velikosti listové plochy

Obecné:

poznámkový blok, tužku

milimetrové pravítko

Experiment: Změny rychlosti fotosyntézy rostliny v závislosti na ozářenosti (světelná křivka fotosyntézy)

Postup:
Rostlinu kukuřice (Zea mays) vyjmeme z kultivační vany a její kořenový systém umístíme do nádobky s živným roztokem (Reid-York). Nádobku s rostlinou umístíme do expoziční komory, kterou propojíme s ostatními prvky otevřeného gazometrického systému podle následujícího schématu:

Rostlinu exponujeme po dobu 10 minut zářením (PPFD, angl. photosynthetic photon flux density) o intenzitě 1800 mmol m^-2 s^-1. Poté odečteme na displeji přístroje EGM-3 hodnotu koncentrace CO₂ (1) na vstupu do expoziční komory (CO₂in) a (2) na výstupu z expoziční komory (CO₂out). Zároveň pro tento okamžik měření (3) odečteme na stupnici hmotového průtokoměru průtok vzduchu měřícím systémem (litry za hodinu) a vše zaznamenáme do výsledkové tabulky (viz níže). Poté oddálením světelného zdroje od expoziční komory snížíme ozářenost na 1500 mmol m^-2 s^-1, rostliny ponecháme 10 minut přizpůsobit této ozářenosti a poté opakujeme postup měření (kroky (1) až (3)). Postupně snižujeme ozářenost v kroku přibližně 300 mmol m^-2 s^-1 a opakujeme postup (1) až (3), poslední měření činíme na zatemnělé rostlině (temnotní respirace).

Pro každou ozářenost vyplníme do výsledkové tabulky následující údaje:

PPFD
[mmol m^-2 s^-1] CO₂ (in)
[mmol CO₂ mol^-1] CO₂ (out)
[mmol CO₂ mol^-1] delta CO₂[mmol CO₂mol^-1] průtok (f)
[L hod^-1] listová plocha
[m²] Pn
[mmol (CO₂) m^-2 s^-1]

Vzorec pro výpočet rychlosti čisté fotosyntézy rostlin (Pn)

                delta CO₂ * f *   k
Pn   = ------------------------------
                      LA * 3600

Kde:
delta CO₂ je rozdíl koncentrace oxidu uhličitého (v ppm, tj. mmol CO₂ mol^-1) mezi vstupním (CO₂ in) a výstupním vzduchem (CO₂ out)
f je průtok vzduchu v litrech za hodinu (L hod^-1)
k je koeficient (jeho číselná hodnota je 0,041)
LA je listová plocha, na níž byla Pn stanovována, v m²3600 je koeficient převádějící časový údaj v hodinách na údaj ve vteřinách

Prezentace získaných dat (součást protokolu v části "Výsledky")

Výsledková měřící tabulka ve formě uvedené výše
Graf závislosti Pn na PPFD (graf typu XY, body zjištěné závislosti proložené křivkou)

Diskuze získaných dat (součást protokolu v části "Závěr")

Z vámi získaného grafu (světelné křivky fotosyntézy) odečtěte hodnotu kompenzační ozářenosti (Ic) pro měřenou rostlinku kukuřice (Zea mays).
Z vámi získaného grafu (světelné křivky fotosyntézy) odečtěte hodnotu temnotní respirace (Rd) pro měřenou rostlinku kukuřice (Zea mays).

Více o fotosyntéze naleznete na www stránkách předmětů Produkční biologie rostlin nebo Ekofyziologie fotosyntézy vyšších rostlin

Gravimetrické metody	Fotosyntéza je měřena jako přírůstek hmotnosti fotosyntetizujícího objektu (hromadícího se asimilačního škrobu)
Manometrické a voluntometrické metody	Měření změn tlaku a objemu sorbentu (látky napojené na komoru, v níž je uzavřen fotosyntetizující objekt). Warburgův respirometr.
Gazometrické metody	Infračervené analyzátory plynů (CO₂, H₂O) napojené na komoru, v níž je uzavřen fotosyntetizující objekt).
Oxymetrické metody	Clarkova kyslíková elektroda, stanovení koncentrace kyslíku v kapalném vzorku
Fluorometrické metody	Fluorometry, přístroje měřící indukovanou fluorescenci molekul chlorofylu

PPFD [mmol m^-2 s^-1]	CO₂ (in) [mmol CO₂ mol^-1]	CO₂ (out) [mmol CO₂ mol^-1]	delta CO₂[mmol CO₂mol^-1]	průtok (f) [L hod^-1]	listová plocha [m²]	Pn [mmol (CO₂) m^-2 s^-1]