TP Измерване на газообмен: IRGA методология
Преди да влезем в технически аспекти, нека да разгледаме концепцията за нетен обмен на въглерод: CO 2 В тези листа на соеви култури, които виждаме на снимката, има асимилация на CO 2 чрез фотосинтеза (червена стрелка), а от друга страна, емисия на CO 2 чрез процеси като тъмно дишане и фотодишане (светлосиня стрелка). Между двата въглеродни потока (асимилация минус емисии) се установява нетен обмен на CO 2
Тогава този нетен обмен на CO 2 (INC) ще бъде: INC (= An) = брутен (Rd + FR) Където: - нетен асимилация CO 2 - брутен брутен асимилация или обща фотосинтеза (червената стрелка на диаграмата) - Rd тъмно или митохондриално дишане - FR фотодишане - (Rd + FR) е сумата от процесите, които отделят CO 2 (синята стрелка на диаграмата)
An (= INC) = брутен (Rd + FR) CO 2 Бялата стрелка представлява нетния поток на въглерод, в този случай нетната скорост на усвояване
Този подход може да се приложи към въглеродния поток при други ситуации INC (= An) = A брутен (Rd + FR) CO 2 INC (= An) = A брутен Rd Растителни листа C 4 В този случай терминът FR изчезва (липса на фотодишане в C растения 4)
CO 2 INC = Rd Хетеротрофни органи (плодове, корен, ствол, грудка и др.) В тези примери няма асимилация и имаме само като нетен поток емисията на CO 2 чрез дишане
В случай на фотосинтетични органи, INC (An) обикновено се изразява въз основа на площта на листата и времето. Например: μmol CO 2 m -2 s -1 (представлява колко CO 2 се усвоява в нетна форма в дадена фотосинтетична област и за единица време) CO 2 CO 2
В случай на хетеротрофни органи, INC (Rd) може да се изрази на база тегло (в идеалния случай сухо тегло или прясно тегло), напр. Мол CO 2 g -1 h -1 (или единици като μl CO 2 Kg -1 PF min -1) CO 2 INC = Rd Хетеротрофни органи (плодове, корен, ствол, грудка и др.) По споразумение честотата на дишане ще има положителен знак (въпреки че знаем, че това е загуба на въглерод за органа)
Как можем да измерим въглеродния обмен? (или скоростта на асимилация, или честотата на дишане в зависимост от случая) Най-широко използваната методология за измерване на обмена на CO 2 е техниката, известна като IRGA IRGA е съкращение от: Infra Red Gas Analyzer, т.е.
Методология за измерване на газовия обмен от IRGA Какво е обосновката: Хетероатомните молекули (като CO 2 и H 2 O) абсорбират дължините на вълните в инфрачервеното (800 nm = 0,8 μm) Това свойство на молекулите CO 2 и H 2 O се използва за определете количествено нивата на тези газове във въздушна проба
CO 2 има пик на абсорбция при a = 4.25 μm H 2 O = 2.59 μm (µm)
Диаграма на собствена IRGA - Да предположим, че газ, съдържащ CO 2, циркулира вътре в тръба (която е прозрачна за IR). - От едната страна на тръбата имаме IR излъчвател на излъчване (напр. Нажежаема жичка от волфрам). - Има IR детектор от другата страна на канала - Колкото по-високо е нивото на CO 2, циркулиращо през тръбата, толкова по-малко сигнал ще регистрира IR CO 2 детекторът Този начин на количествено определяне е аналогичен на спектрофотометър (само вместо да се използва абсорбция на видимо излъчване, то го прави в IR) IR излъчвател IR детектор Всъщност поглъщането на IR излъчване следва закона на Ламберт-Бир Абсорбция = C . L
1. А сега, представете си, че имаме IRGA, включена в газова циркулационна верига (задвижвана от помпа). 2. В тази система има и водонепропусклива камера (изолирана отвън и с прозрачна повърхност, която позволява осветление) и в който се поставя лист или част от лист 3. Да предположим, че въздухът навлиза в камерата с концентрация на CO 2 = 380 ppm (нормално атмосферно ниво) (модифициран от Varela et al, 2000) 4. Ако листът асимилира CO 2 чрез фотосинтеза, как ще бъде нивото на CO 2 на изхода от запечатаната камера? Равен, по-висок или по-нисък? 5. От разликата в ppm на CO 2 на входа спрямо изхода на камерата и знаейки изложената площ на листата и изминалото време, можем да разберем нетната скорост на усвояване на този лист
Затворена конфигурационна система Тази, която току-що описахме, е от затворен тип: въздухът циркулира под формата на верига между помпа, камера, IRGA и т. Н. Ето какви са били по-старите системи IRGA. Какви недостатъци имат?: - Когато въздухът циркулира през камерата отново и отново, нивата на CO 2 намаляват и това променя условията на измерване. - В същото време влажността вътре в камерата се увеличава с изпотяване на листа. (Извлечено от Varela et al, 2000) - Можете също така да увеличите Tº на въздуха и листа в камерата (в зависимост от вида на използвания източник на светлина)
В друг тип система, наречена отворена конфигурация (еднопосочен поток), има две вериги паралелно, всяка със собствена IRGA: - еталонна верига, която НЕ преминава през камерата, където е листът - верига с пробата, която преминава през камерата, където листът фотосинтезира (или диша само ако е на тъмно или ако е хетеротрофен орган) Разликата в концентрацията на CO 2, която се записва между еталонната верига и тази на пробата, ще бъде пропорционална на листата скорост на фотосинтеза (за листна площ и разглеждано време) По тази причина тези видове системи се наричат диференциали
Предимство на отворените системи (в сравнение със затворения тип): - Нивото на CO 2 може да се поддържа постоянно, без намаления (ако е фотосинтезиращ лист) или надморска височина (ако е хетеротрофно дишане на органи) - Съвременните системи контролират различни променливи в измервателна камера: - Температура (те имат система на Пелтие и дисипатори) - Те могат да контролират влажността на камерата (с десикант), полученото от листа осветление (светодиоди), нивото на CO 2 (инжектор с компресиран CO 2 касети) и понякога нивото на кислорода (за това трябва да добавите устройство, което смесва въздуха с N 2. и по този начин разрежда атмосферния O 2)
ИНФРАЧЕРВЕН ГАЗЕН АНАЛИЗАТОР (IRGA), използван в TP: CIRAS 2 (PP системи)
В TP ще използваме отворена система CIRAS-2 (PP Systems). Потокът на газ е еднопосочен Диференциален режим CO 2 на референтна система (без лист) се сравнява спрямо система за анализ (въздух, преминал през камерата, където е листа)
Конзола CIRAS-2 с преносим компютър Вътре са IRGA, помпи, филтри, батерии, сушител, разходомери и др. Това е преносима система: може да се използва на полето в естествена среда или в култури.Чрез вътрешността на тази мрежа маркучите, които свързват скобата (камерата) с конзолата, както и електрическа и информационна връзка. Скоба, камерата, където е поставен листът или част от него (вижте повече подробности на следващия слайд)
В самата скоба (сектор, където листът е заклещен) има стъкло, което затваря камерата (не може да се види на снимката). В този пример, тъй като се измерва с изкуствена светлина, по-горе виждаме куб с решетка на светодиодите и следователно горната част на скобата не може да се види Вентилатор, който разсейва топлината Изображение на скобата, измерваща фотосинтеза на диви видове, в този случай с използване на слънчева светлина Измерване на фотосинтеза с изкуствена светлина Какви предимства има работата с изкуствена светлина ?: - Можем да станем независими от вариациите в облъчването, които се появяват при естествени условия и които пречат на измерването (време на деня, облачност) (вж. Слайда по-долу) - Въпреки това, понякога в зависимост от целта на изследването, измерването се изисква в реални условия на място (естествена светлина)
Въпреки че няма да даваме технически подробности за използването на оборудването (което е извън целите на дипломния курс по физиология на растенията), ще ви разкажем някои основни неща Тръба с CO 2 абсорбер А батерия частично отстранена, за да може се наблюдава Тръба с абсорбент на влага с изваден патрон за впръскване на CO 2 с индикатор за цвят и Това е изглед отзад на конзолата, където можете да видите тръбите с сушител (подобен силикагел) и CO 2 абсорбент (содалим). Тези тръби се вкарват в газовата верига на оборудването и регулират нивата на влажност и CO 2 в измервателната камера, в зависимост от решението на потребителя. Също така се наблюдават сменяемите батерии и CO 2 инжектор (с патрон CO2, компресирана проба ) В следващата връзка към YouTube можете да видите видео за CIRAS 3 (по-модерен модел). За тези, които не разбират английски, все пак им помага да видят различни характеристики на този тип оборудване https://www.youtube.com/watch?v=wyacotzpody
Някои съображения. 1. Трябва да се помни, че An е параметър на нивото на листата 2. Нетната скорост на асимилация до наситеност на светлината (A sat) е мярка за фотосинтетичния капацитет (на An in situ) 3. An се изразява в единици от Площ на листа (следователно, повлияна от дебелината на листата) 4. Стандартизация на типа листа и времето на измерванията 5. Точкови измервания vs. Криви на отговора Нека да анализираме малко тези въпроси
1. Трябва да се помни, че стойността на An, която получаваме, е параметър на нивото на листа. Да предположим, че затиснем този сектор от 2-ри лист на това растение (кръгла площ в пунктирана линия): 1. Нетната скорост на усвояване, която ще получаване не е задължително същото като това на други листа (с различни нива на N, онтогенеза, експозиция и т.н.) 2. Асимилацията на цялото растение ще се различава от тази на отделните листа, тъй като не включва въглерода обмен на други органи (напр. дишане на стъблото, състояние)
2. Скоростта на нетна асимилация до наситеност на светлината (A sat) е мярка за фотосинтетичния капацитет (на An in situ). Продължавайки с предишния пример . - Ако измерваме с облъчване, което насища фотосинтезата (например 1000 μmol фотони m -2 s -1 за растение C 3), стойността на An, която получаваме, ще бъде неговият фотосинтетичен капацитет (т.е. максималната възможна стойност на An). - Стойността, която An действително има in situ ще зависи от условията (например светлина), които острието има във всеки момент В зависимост от целта на изследването, професионалистът ще измерва An с реалните условия in situ, или с облъчване при наситеност на светлината
3. An се изразява в единици листна площ (следователно, повлияно от дебелината на листа) Нека видим това в 3D. Нека сравним тези две ситуации, две листа с ясно различна дебелина: - Количеството фотосинтетична тъкан, което ще бъде затегнато в измервателната камера (кръг и в пунктирани линии вертикалната проекция на разглежданата площ) ще бъде много различна, въпреки че има и една и съща площ Ако сравнените листа имат различна дебелина (т.е. различна специфична листна площ), е удобно да се изрази оценявайте фотосинтеза НЕ въз основа на площ, а въз основа на единица сухо тегло (така че количеството на фотосинтетичната тъкан да е сравнимо и в двата случая)
4. Стандартизация на вида лист и графика за измерване Трябва да сравним еквивалентни органи. В примера на предишни диапозитиви, ако в сорт ние изучаваме 2-рия. лист, в друг сорт ще измерим същия тип листа. В случаите, когато тази стандартизация е по-трудна, критерий, който се използва многократно, е да се измери напълно разширеният най-млад лист. Друг важен въпрос, който трябва да се вземе предвид, е времето (например, не можем да сравним измерванията в 9 часа, с Измервания в 16:00 ч.) Обикновено използва централната лента на деня (например от 11 до 15 ч.) Докато четат това, някои от вас вероятно си мислят, че ако имам изкуствена светлина със светодиоди, не ме интересува програмата. cri cri cri Въпреки това, МОЖЕ да има значение, тъй като някои видове имат ендогенни циркадни ритми (вътрешни ритми на растението, с цикъл от около един ден) в поведението на своите устици. В някои случаи това може да е проблем и трябва да зададете графика, за да разрешите този проблем.
5. Специфични мерки срещу. Криви на отговор Точкови измервания: скоростта на фотосинтеза се измерва при определено облъчване (например, ако искаме да сравним фотосинтетичния капацитет на две разновидности на културата, ще направим n измервания при наситено облъчване в сорт А и n измервания в сорт В ) Отговор на кривите: реакцията на фотосинтезата на промени в променливи като облъчване или CO 2 се измерва на същия лист (с тези криви се получава различна информация; виж по-долу) 8 6 A sat An (mol CO 2 m -2 s - 1) 4 2 0 PC светлина -2 R n наклон = квантов добив на фотосинтеза (CO2) 0 200 400 600 800 инцидент PPFD (mol фотони m -2 s -1)
Засега ще се съсредоточим върху кривите на реакция на фотосинтезата към облъчване 8 A sat Фотосинтетичен капацитет 6 An (mol CO 2 m -2 s -1) 4 2 Обобщена крива на скоростта на фотосинтеза към облъчване (PPFD) 0 - 2 R n лек PC наклон = Квантов добив на фотосинтеза (CO2) 0 200 400 600 800 Инцидент PPFD (mol фотони m -2 s -1) (извлечен от Tambussi and Graciano 2010)
В TP ще изградим кривите на реакция на An на облъчване в 3 вида листа: - Апикален лист (изложен на силно облъчване) на Glycine max soybean C 3 - Базален соев лист (засенчен) - Alepopo sorgum leaf. плевел C 4 8 От всяка крива можем да получим: 6 A sat - Темпото на дишане в тъмнина - CP светлина (облъчване, където An = 0) - Фотосинтетичният капацитет (A sat) и наситеността на облъчване An (mol CO 2 m - 2 s -1) 4 2 0-2 R n PC светъл наклон = квантов добив на фотосинтеза (CO2) 0 200 400 600 800 инцидент PPFD (mol фотони m -2 s -1)
Резултати An (μmol CO 2 m -2 s -1) PPFD Апикална соя Базална соя Сорго от μmol фотони m -2 s -1 Алепо 0-1.6-0.8-1.55 50 0,3 0,7 - 0,50 100 2,3 2,6 1,5 200 5,6 6,0 4,3 350 8,5 6,9 8,6 500 12,2 7,5 14,0 700 14,5 7,9 17,0 1000 15,7 7,8 22,0 1500 15,4 7,9 27,0 2000 15,5 7,75 35,6
1. Кривите могат да бъдат изобразени с помощта на електронна таблица (Excel) 2. Осветителният компютър може да бъде получен, като се използват само стойностите на линейния сектор на кривата (напр. Първите 5 стойности, до малки ирианси): Те получават уравнението на линията (An като функция от облъчването) и след това те решават за променливата x до стойност на променливата y (т.е. An) = 0 3. Фотосинтетичният капацитет и облъчването (PPFD) на наситеността могат да бъдат получено графично чрез наблюдение на всяка крива (червени пунктирани линии в графиката) An (mol CO 2 m -2 s -1) 8 6 4 2 0 PC light A sat -2 R n Наклон = квантов добив на фотосинтеза (CO2) 0 200 400 600 800 Инцидент PPFD (мол фотони m -2 s -1)
Няколко въпроса, които да Ви насочат в дискусията и интерпретацията на резултатите: a. Сравнете кривите на трите вида листа. Какви разлики виждате? (фокус върху параметрите, описани по-горе, CP светлина, дишане, A sat, наситеност и др.) b. Обяснете от биохимична и физиологична гледна точка разликите, наблюдавани в предишния въпрос (не постулирайте аргументи от типа, защото той е адаптиран или аклиматизиран към това състояние. Формулирайте механистични обяснения). ° С. Какво е биологичното значение на PC светлината? Тоест какво е значението за баланса на С на едно листо?
В допълнение към извършването на описаната по-горе дейност, отговорете на следните въпроси: 1. Светодиодите, използвани като изкуствен източник на светлина в това оборудване, са червени и сини: защо мислите, че производителите са избрали тези цветове? Оправдавам. 2. Защо е важно да контролирате променливите в камерата, където острието е притиснато, през цялото време, през което измерването продължава? Помислете какво може да повлияе например промяна в температурата. 3. По-рано ви казахме, че IRGA, освен че измерват нетните промени в CO 2, могат да определят количествено промените в нивата на H 2 O. За какво може да е това? С други думи, какъв друг физиологичен процес би могъл да бъде измерен? 4. Да предположим, че искате да измерите скоростта на фотосинтеза на лист, който преди е бил в тъмнина. Могат ли да закрепят острието в оборудването, да включат светодиодите и да измерват Ан веднага? Обосновете във физиологичен и биохимичен контекст. Направете доклад за тази част от TP, включително въпросите, изброени по-горе. Не забравяйте да изпратите доклада на учителя, отговорен за вашата комисия, по имейл.
Приложение: споменаване на някои приложения на методологията IRGA Потоци на CO 2 в екосистемите Отчитане на CO 2 в камерите след прибиране на реколтата (Eddy ковариация): използва се за анализ на това колко въглерод фиксира една екосистема (напр. Гора, джунгла) Дишане на хетеротрофни тъкани (напр. Стволове) Специфични измервания на фотосинтезата и кривите на реакция: използвани в екофизиологични проучвания за подобряване на културите Дишане на почвените микроорганизми