Diurnální změny fotosyntetické aktivity (fluorescence chlorofylu) arktických půdních krust s dominancí sinic a řas ve výškovém gradientu

Alžběta Paterová

Master's thesis

Diurnal changes of photosynthetic activity (chlorophyll fluorescence) in Arctic soil crust cyanobacteria and microalgae in elevation gradient

Abstract:

Tato diplomová práce se zaměřuje na ekofyziologii biologických půdních krust (BSC) s převahou sinic a řas, posuzuje diurnální a sezónní cykly (léto 2022 a podzim 2023) fotosyntetické aktivity pomocí fluorescence chlorofylu na třech experimentálních lokalitách ve výškovém gradientu v okolí města Longyearbyen na Svalbardu. Literární rešerše obsahuje prvotně podrobnou charakteristiku Arktidy v souvislostech globálního oteplování, která je nezbytná pro pochopení fungování arktických ekosystémů a jejich budoucího vývoje. V rámci této klimatické změny se Arktida za poslední dvě desetiletí oteplila o dvojnásobek celosvětového průměru a je očekáváno dodatečné oteplení až o 7 °C. Další část charakterizuje sinice, řasy a BSC, které musí v arktickém prostředí čelit extrémním podmínkám a limitujícím faktorům prostředí omezujících fotosyntézu, růst a reprodukci, jako jsou nízká a měnící se teplota, vysoká intenzita slunečního záření (včetně škodlivých účinků UV záření) během polárních dnů, dlouhá období tmy během polárních nocí, krátké vegetační období, nízká dostupnost živin, vysoká salinita a oxidační stres. Neustále jsou vystavovány cyklům mrazu a tání, výkyvům v sezónních a denních teplotách. Řasy a sinice si dokázaly vytvořit adaptační a aklimatizační strategie, které představují komplexní proces a velké množství synergických adaptací na tyto vzájemně se ovlivňující stresové podmínky arktického prostředí. Tyto strategie jsou popisovány v poslední části literární rešerše. V této diplomové práci byl měřen maximální kvantový výtěžek (Fv/Fm) charakterizující celkový fyziologický stav BSC. Dále byly měřeny podmínky prostředí a dopočítána relativní rychlost přenosu elektronů (rETR) během fotosyntézy. Bylo zjištěno, že během léta BSC na svazích hory Breinosa dokázaly zůstat aktivní bez větších odchylek v měření S2 (průměr Fv/Fm=0,55) a S3 (průměr Fv/Fm=0,58). V údolí Bjørndalen (S1) byly pod vlivem stresu (průměr Fv/Fm=0,35), nejméně aktivní byly oba dva dny kolem 17:00 a nejvíce aktivní od 23:00 do 5:00. Při podzimním měření na S1 byly BSC vystaveny závažnému stresu (průměr Fv/Fm=0,2) s minimem Fv/Fm=0,1 v ranních hodinách a maximem Fv/Fm=0,4 ve 12:30. U obou měření docházelo k prudkému růstu rETR v dopoledních hodinách a k poklesu ve druhé části dne. Během léta byly zjištěny pozitivní korelace mezi PAR (fotosynteticky aktivním zářením) a rETR (signifikantní na S2 a S3) a negativní korelace mezi PAR a Fv/Fm (signifikantní na S3).

Abstract:

This master's thesis focusses on the ecophysiology of biological soil crusts (BSC) dominated by cyanobacteria and algae, assessing diurnal and seasonal cycles (summer 2022 and autumn 2023) of photosynthetic activity using chlorophyll fluorescence at three experimental sites in an altitudinal gradient around Longyearbyen, Svalbard. The literature research provides an initial detailed characterisation of the Arctic in the context of global warming, which is essential for understanding the functioning of Arctic ecosystems and their future dynamics. The Arctic has warmed by twice the global average over the last two decades and additional warming of up to 7 °C is expected due to the climate change. Next section charactirizes cyanobacteria, algae and BSC that have to cope with extreme conditions in the Arctic environment and limiting environmental factors that restrict photosynthesis, growth and reproduction, such as low and changing temperatures, high solar radiation intensity (including harmful effects of UV radiation) during polar days, long periods of darkness during polar nights, short growing seasons, low nutrient availability, high salinity and oxidative stress. They are constantly exposed to freeze-thaw cycles and fluctuations in seasonal and diurnal temperatures. Algae and cyanobacteria have been able to develop adaptation and acclimation strategies that represent a complex process and a large number of synergistic adaptations to these interacting stress conditions of the Arctic environment. These strategies are described in the last section of the literature research. In this master's theses, a maximum quantum yield (Fv/Fm) characterising the overall physiological state of BSC was measured. In addition, the environmental variables were measured and the relative electron transport rate (rETR) during photosynthesis was calculated. It was found that during the summer, BSC on the slopes of the Breinosa mountain were able to remain active without significant deviations in the measurements of S2 (average Fv/Fm=0,55) and S3 (average Fv/Fm=0,58) measurements. In the Bjørndalen valley (S1), they were under stress (average Fv/Fm=0,35), being least active both days around 17:00 and most active from 23:00 to 5:00. In the autumn measurements in S1, BSCs were under severe stress (average Fv/Fm=0,2) with a minimum Fv/Fm=0,1 in the morning and a maximum Fv/Fm=0,4 at 12:30. For both measurements, there was a steep increase in rETR in the morning and a decrease in the second part of the day. During summer, positive correlations between PAR (photosynthetically active radiation) and rETR (significant at S2 and S3) were found and negative correlations between PAR and Fv/Fm (significant at S3).

Keywords

Arktida, biologické půdní krusty (BSC), sinice, řasy, fluorescence chlorofylu

Keywords

Arctic, biological soil crusts (BSC), cyanobacteria, algae, chlorophyll fluorescence

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 3. 2024

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Josef Elster, CSc.
• Reader: Linda Nedbalová, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme:
Applied Ecology