Odezva asimilačního aparátu vyšších rostlin na různé spektrální složení záření

Mgr. Jan SEMER

Doctoral thesis

Response of the assimilation apparatus of higher plants to different spectral quality of light

Abstract:

Ve své disertační práci jsem se zabýval krátkodobou odezvou asimilačního aparátu vyšších rostlin na různé spektrální složení dopadající radiace. Z krátkodobého hlediska musí být rostlina schopna vyhnout se poškození svého fotosyntetického aparátu a na druhou stranu dostatečně využívat dopadající energii k fotosyntéze. To může být během fluktuujících světelných podmínek obtížné, protože během expozičních maxim může nadbytek absorbované energie rostlinu poškodit a naopak v průběhu expozičních minim by nemuselo být využití dopadající energie dostatečně efektivní. Rostliny mají mnoho ochranných a regulačních mechanismů, které jim pomáhají optimalizovat využití dopadající radiace. Mnohé z těchto mechanismů jsou řízeny intenzitou a kvalitou dopadající radiace. Hlavní metodikou této práce byla Pulzně Amplitudově Modulovaná (PAM) fluorescence chlorofylu, pomocí které byl stanovován funkční stav fotosystému II (PSII). Další významnou metodikou bylo stanovení pohybu chloroplastů pomocí měření změn v transmitanci listu. Rešeršní část práce shrnuje hlavní ochranné a regulační mechanismy PSII a jejich spektrální závislost. Zaměřuje se na jejich rozdílnou fyzikální podstatu a zejména se pak zabývá tím, jak se indukce těchto mechanismů projeví v intenzitě detekované PAM fluorescence a ve výpočtech fluorescenčních parametrů. Pokles intenzity detekované PAM fluorescence totiž není způsoben pouze nefotochemickým zhášením v pravém fyzikálním slova smyslu, ale také snížením expozice PSII v důsledku stavových přechodů a úhybové reakce chloroplastů. Experimentální část obsahuje motivaci k provedení experimentů, metodickou část a komentáře k mým publikacím. V rámci článků jsme se zaměřili na mechanismy měnící množství energie zachycené PSII, čímž se mění rozdělení energie ve PSII. Mezi tyto mechanismy patří ochrannými pigmenty zprostředkované stínění, stavové přechody a světlem indukované pohyby chloroplastů. Dále jsme se zaměřili na analýzu problematiky změny absorpce PSII v průběhu měření, která je způsobena zejména pohyby chloroplastů. Protože analýza prokázala, že při používání standardních způsobů výpočtu některých fluorescenčních parametrů (jako například ?NO, ?NPQ) může dojít k jejich zkreslení, odvodili jsme vzorce nové, které touto chybou nejsou zatíženy.

Abstract:

My dissertation deals with the short-term response of the higher plants assimilation apparatus to di?erent spectral composition of incident radiation. The plant must be able to avoid damaging its photosynthetic apparatus and, on the other hand, sufficiently utilize the incident energy to photosynthesis, in the short term horizon. This can be difficult during fluctuating lighting conditions, since the absorbed excess energy can damage the plant and vice versa during the exposure minima the use of incident energy might not be sufficiently effiective. Plants have many protective and regulatory mechanisms to help them optimize utilization of incident radiation. Many of these mechanisms are controlled by the quantity and quality of incident radiation. The main methodology of this work was Pulse Amplitude Modulated (PAM) chlorophyll fluorescence, which was used to determine the functional state of photosystem II (PSII). Another important methodology was the determination of chloroplast movement by measuring changes in leaf transmittance. The theoretical part of dissertation summarizes the main protective and regulatory mechanisms of PSII and their spectral dependence. It focuses on their different physical principle and in particular deals with the manifestations of these mechanisms in the intensity of detected PAM fluorescence and in the calculations of fluorescence parameters. Indeed, the decrease in the intensity of the detected PAM fluorescence is not only result of non-photochemical quenching in the true sense of the word, but is also caused by a reduction of PSII absorption due to state transitions and chloroplast movement. The experimental part contains the motivation for research, the methodological part and comments to my publications. In the articles, we focused on the mechanisms that change the amount of energy captured by PSII related to changing the energy partitioning in PSII. These mechanisms include shielding, state transitions, and light-induced chloroplast movements. Furthermore, we focused on the analysis of PSII absorption change during measurement, which is caused mainly by chloroplast movements. The performed analysis has shown, that determination of some fluorescence parameters (such as ?NO, ?NPQ) may be distorted, when standard methods of calculating are used. Therefore we derived new formulas that are not burdened with this error.

Keywords

fluorescence chlorofylu, pohyby chloroplastů, rozdělení energie ve PSII, spektrální kvalita, akční spektra

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 7. 2019

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 22. 8. 2019
• Supervisor: Mgr. Michal Štroch, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Applied Physics / Biofyzika