Система фотосинтеза - Photosynthesis system

Системы фотосинтеза - это электронные научные инструменты, предназначенные для неразрушающего измерения скорости фотосинтеза в полевых условиях. Системы фотосинтеза обычно используются в агрономических и экологических исследованиях, а также в исследованиях глобального углеродного цикла .

Как работают системы фотосинтеза

Системы фотосинтеза функционируют, измеряя газообмен листьев . Углекислый газ из атмосферы поглощается листьями в процессе фотосинтеза , где CO
2используется для производства сахаров по молекулярному пути, известному как цикл Кальвина . Эта просадка CO
2вызывает больше атмосферного CO
2распространяться через устьица в воздушные пространства листа. Пока стома открыта, водяной пар может легко диффундировать из тканей растения - процесс, известный как транспирация . Это обмен СО
2 и водяной пар, который измеряется как показатель скорости фотосинтеза.

Основными компонентами фотосинтетической системы являются листовая камера, инфракрасный газоанализатор (IRGA), батареи и консоль с клавиатурой, дисплеем и памятью. Современные системы фотосинтеза «открытой системы» также включают миниатюрные одноразовые баллоны со сжатым газом и трубы для подачи газа. Это связано с тем, что в наружном воздухе наблюдаются естественные колебания содержания CO.
2и содержание водяного пара, которое может вносить шум измерения. Современные системы фотосинтеза «открытой системы» удаляют CO
2и водяного пара, пропуская через натриевую известь и дриерит, затем добавляют CO
2с контролируемой скоростью, чтобы получить стабильный CO
2концентрация. Некоторые системы также оснащены контролем температуры и съемным световым блоком, поэтому влияние этих переменных окружающей среды также можно измерить.

Анализируемый лист помещается в камеру для листьев. CO
2концентрации измеряются инфракрасным газоанализатором. IRGA излучает инфракрасный свет через образец газа на детектор. CO
2в образце поглощает энергию, поэтому снижение уровня энергии, которое достигает детектора, указывает на то, что CO
2концентрация. Современные IRGA учитывают тот факт, что H
2O поглощает энергию на тех же длинах волн, что и CO
2. Современные IRGA могут либо сушить пробу газа до постоянного содержания воды, либо содержать как CO
2и IRGA водяного пара для оценки разницы в CO
2 и концентрации водяного пара в воздухе между входом в камеру и выходом из нее.

Liquid Crystal Display на консоли отображает измеренные и расчетные данные. Консоль может иметь слот для PC-карты. Сохраненные данные можно просмотреть на ЖК-дисплее или отправить на ПК. Некоторые системы фотосинтеза позволяют общаться через Интернет с использованием стандартных протоколов интернет-связи.

Современные фотосинтетические системы также могут быть разработаны для измерения температуры листьев, температуры воздуха в камере, PAR ( фотосинтетически активного излучения ) и атмосферного давления . Эти системы могут рассчитывать эффективность водопользования (A / E), устьичную проводимость (gs), внутреннюю эффективность водопользования (A / gs) и субстоматный CO.
2концентрация (Ci). Температура камеры и листа измеряется термисторным датчиком. Некоторые системы также предназначены для контроля условий окружающей среды.

Простое и общее уравнение фотосинтеза: CO
2+ H
2O + (Световая энергия) → C 6 H 12 O 6 + O 2

«Открытые» системы или «закрытые» системы

Есть два различных типа фотосинтетической системы; "открыто" или "закрыто". Это различие относится к тому, обновляется ли атмосфера в закрывающей листья камере во время измерения.

В «открытой системе» воздух непрерывно проходит через створчатую камеру для поддержания CO.
2 в камере для листьев в постоянной концентрации. Анализируемый лист помещается в камеру для листьев. Основная консоль снабжает камеру воздухом с известной скоростью с известной концентрацией CO.
2и H
2O . Воздух направляется на лист, затем СО
2и H
2Определяется концентрация O в воздухе, выходящем из камеры. Выходящий воздух будет иметь более низкий уровень CO.
2 концентрация и более высокий H
2Концентрация O, чем в воздухе, поступающем в камеру. Скорость CO
2поглощение используется для оценки скорости ассимиляции фотосинтетического углерода , в то время как скорость потери воды используется для оценки скорости транспирации. Поскольку CO
2потребление и H
2Оба выброса O происходят через устьица, высокий уровень CO
2ожидается, что поглощение будет совпадать с высокими показателями транспирации. Высокие показатели CO
2поглощение и H
2Потеря O указывает на высокую устьичную проводимость.

Поскольку атмосфера обновляется, «открытые» системы не подвергаются серьезному воздействию утечки газа наружу и адсорбции или абсорбции материалами системы.

Напротив, в «закрытой системе» одна и та же атмосфера постоянно измеряется в течение определенного периода времени, чтобы установить скорость изменения параметров. CO
2 концентрация в камере снижается, а H
2Концентрация O увеличивается. Это менее устойчиво к утечкам и ад / абсорбции материала.

Расчет скорости фотосинтеза и связанных параметров

Расчеты, используемые в системах «открытых систем»;

Для получения СО 2 , чтобы диффундировать в лист, устьица должны быть открыты, что позволяет внешнюю диффузии водяного пара. Следовательно, проводимость устьиц влияет как на скорость фотосинтеза (A), так и на транспирацию (E), и полезность измерения A повышается за счет одновременного измерения E. Внутренний CO
2 концентрация (C i ) также определяется количественно, поскольку C i представляет собой показатель доступности первичного субстрата (CO 2 ) для A.

Ассимиляции углерода определяется путем измерения скорости , с которой лист усваивает CO
2. Изменение CO
2 рассчитывается как CO
2 течет в камеру листа, в μ моль моль -1 СО
2, минус, истекающий из листовой камеры, в мкмоль моль -1 . Скорость фотосинтеза (уровень CO
2 обмен в листовой камере) - разница в CO
2 концентрация через камеру с поправкой на молярный расход воздуха на м 2 площади листа, моль м -2 с -1 .

Изменение давления паров H 2 O - это давление водяного пара на выходе из створчатой ​​камеры в мбар за вычетом давления водяного пара в створчатой ​​камере в мбар. Скорость транспирации - это дифференциальная концентрация водяного пара, мбар, умноженная на поток воздуха в камеру листа на квадратный метр площади листа, моль с -1 м -2 , деленный на атмосферное давление в мбар.

Расчеты, применяемые в системах «закрытых систем»;

Лист помещается в камеру для листьев с закрытой известной площадью листа. После закрытия камеры концентрация углекислого газа постепенно снижается. Когда концентрация снижается после определенного момента, таймер запускается и останавливается, когда концентрация достигает второй точки. Разница между этими концентрациями дает изменение содержания углекислого газа в ppm . Чистая скорость фотосинтеза в микрограммах углекислого газа с -1 дается выражением;

(V • p • 0,5 • FSD • 99,7) / т

где V = объем камеры в литрах, р = плотность диоксида углерода в мг см -3 , ФСД = концентрация диоксида углерода в м.д. , соответствующий изменению в двуокиси углерода в камере, т = время в секундах для концентрации уменьшить на установленную величину. Чистый фотосинтез на единицу площади листа получают путем деления чистой скорости фотосинтеза на площадь листа, заключенную в камере.

Приложения

Поскольку фотосинтез, транспирация и устьичная проводимость являются неотъемлемой частью базовой физиологии растений , оценки этих параметров можно использовать для исследования многих аспектов биологии растений . Научное сообщество растений приняло фотосинтетические системы как надежные и точные инструменты для помощи в исследованиях. В научных журналах есть множество рецензируемых статей, в которых использовалась фотосинтетическая система. Чтобы проиллюстрировать полезность и разнообразие применений фотосинтетических систем, ниже вы найдете краткие описания исследований с использованием фотосинтетических систем;

  • Исследователи из Израильского технологического института Техниона и ряда американских институтов изучали комбинированное воздействие засухи и теплового стресса на Arabidopsis thaliana . Их исследования показывают, что комбинированное воздействие жары и засухи заставляет сахарозу служить основным осмозащитным средством.
  • Физиологи растений из Университета Путра Малайзии и Университета Эдинбурга исследовали относительное влияние возраста и размера деревьев на физиологические характеристики двух видов широколистных. Для измерения скорости фотосинтеза на единицу массы листа использовали фотосинтетическую систему.
  • Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что потеря воды листьями Sequoia sempervirens улучшается из-за сильного тумана на западе США. Их исследования показывают, что туман может помочь листьям удерживать воду и позволить деревьям связывать больше углерода в периоды активного роста.
  • Влияние обогащения CO 2 на фотосинтетическое поведение исчезающего лекарственного растения было исследовано этой командой в Университете Гарвала, Индия. Скорость фотосинтеза (A) стимулировалась в течение первых 30 дней, затем значительно снизилась. Скорость транспирации (E) значительно снизилась на протяжении всего обогащения CO 2 , тогда как устьичная проводимость (gs) первоначально значительно снизилась. В целом был сделан вывод, что важная с медицинской точки зрения часть этого растения показала усиленный рост.
  • Исследователи из Университета Трас-ос-Монтес и Альто-Дору , Португалия, выращивали виноградную лозу на приусадебных участках и в камерах с открытым верхом, что повысило уровень CO 2 . Фотосинтетическая система была использована для измерения СО 2 скорости ассимиляции (A), устьичная проводимость (GS), скорость транспирации (Е), а также внутреннюю СО 2 концентрации / окружающую среды СО 2 соотношения (Кий / Ca). Условия окружающей среды внутри камер привели к значительному снижению урожайности.
  • Исследование биовосстановления никелем с участием тополя ( Populas nigra ), проведенное учеными из Болгарской академии наук и Национального исследовательского института Италии ( Consiglio Nazionale delle Ricerche ), показало, что стресс, вызванный никелем, снижает скорость фотосинтеза, и что этот эффект был зависит от содержания Ni в листьях. В зрелых листьях стресс, связанный с Ni, приводил к выбросу цис-β-оцимена, тогда как в развивающихся листьях он приводил к увеличению выбросов изопрена .
  • Физиологи растений в Пекине измерили скорость фотосинтеза, скорость транспирации и устьичную проводимость у растений, которые накапливают металл, и тех, которые не накапливают металл. Проростки выращивали в присутствии 200 или 400 мкМ CdCl 2 . Это было использовано для выяснения роли антиоксидантного фермента в адаптивных ответах металлов-аккумуляторов и неаккумуляторов на кадмиевый стресс.
  • В ходе исследования засухоустойчивости и солеустойчивости сорта риса исследователи из Национального центра исследования генов растений и Сельскохозяйственного университета Хуачжун в Ухане, Китай, обнаружили, что трансгенный сорт риса показал более высокую засухоустойчивость, чем традиционный сорт. Избыточная экспрессия гена стрессовой реакции SNAC1 привела к снижению потери воды, но не к значительному изменению скорости фотосинтеза.
  • Эта канадская группа исследовала динамические реакции чистого фотосинтеза (A) устьичной проводимости (gs) на прогрессирующую засуху у девяти клонов тополя с контрастирующей засухоустойчивостью . gs и A были измерены с помощью фотосинтетической системы. Растения были либо хорошо политы, либо подготовлены к засухе.
  • Исследователи из индуистского университета Банарас , Индия, исследовали возможность использования осадка сточных вод в сельском хозяйстве в качестве альтернативного метода утилизации. Осадок сточных вод добавлялся с разной скоростью для выращивания риса на сельскохозяйственных почвах. Скорость фотосинтеза и устьичной проводимости риса измеряли, чтобы изучить биохимические и физиологические реакции на добавление сточных вод.
  • Исследователи из Ланкастерского университета , Ливерпульского университета и Университета Эссекса в Великобритании измерили уровень выбросов изопрена из масличной пальмы. Образцы были собраны с использованием фотосинтетической системы, которая контролировала PAR и температуру листьев (1000 мкмоль м -2 с -1 ; 30 ° C). Предполагалось, что PAR и температура являются основными факторами, контролирующими выброс изопрена из биосферы. Это исследование показало, что выбросы изопрена из масличной пальмы находятся под строгим суточным контролем.
  • Экофизиологическое разнообразие и селекционный потенциал популяций дикого кофе в Эфиопии были оценены в диссертации, представленной в Боннский университет Рейнишена Фридриха-Вильгельма , Германия. Были изучены дополнительные полевые и садовые исследования популяций, обитающих в различных климатических условиях. Экофизиологическое поведение растений оценивали по ряду параметров системы, включая газообмен, который измеряли с помощью фотосинтетической системы.
  • В результате совместного проекта исследователей из Кембриджского университета , Великобритания, Центра передового опыта Австралийского исследовательского совета и Австралийского национального университета была подтверждена модель, описывающая дискриминацию изотопов углерода в метаболизме кислоты крассулей с использованием каланхоэ daigremontiana .
  • Приборы этого типа также могут использоваться в качестве эталона для измерения стресса растений . С помощью этого типа приборов можно измерить сложные для измерения типы стресса растений, такие как холодовой стресс и водный стресс.

использованная литература

внешние ссылки