Listy rostlin vystavené vzduchu vyměňují s atmosférou oxid uhličitý a kyslík v procesech fotosyntézy a dýchání. Článek vysvětluje principy, jakými se to děje, jak je možné výměnu CO2 měřit a jak se lze analýzou získaných dat dozvědět více o mechanismech, limitacích a regulaci fotosyntézy. Pojednání je určené hlavně studentům a jejich učitelům, ale i širší veřejnosti.
Navazující článek: Měření výměny plynů jako nástroj pro studium fotosyntézy II. (2025, 4: CXIX-CXXI)
K dalšímu čtení v Živě
Fyziologické adaptace sukulentních rostlin II. Uhlíkový metabolismus (1999, 3)
Fotosyntéza u ponořených rostlin II. Biochemické a anatomické adaptace a výměna plynů (2003, 2)
Život rostlin ve vzduchu – epifyty (2020, 2)
Válka proti opuncii – příběh jedné z nejhorších rostlinných invazí v novodobé historii člověka (2021, 3)
Vliv větru na transpiraci a fotosyntézu (2024, 6)
Použitá literatura
BUSCH, Florian A., et al. A guide to photosynthetic gas exchange measurements: Fundamental principles, best practice and potential pitfalls. Plant, Cell & Environment, 2024, 47.9: 3344-3364.
FARQUHAR, Graham D.; VON CAEMMERER, S. von; BERRY, Joseph A. A biochemical model of photosynthetic CO2 assimilation in leaves of C3 species. Planta, 1980, 149.1: 78-90.
SHARKEY, Thomas D. Photosynthesis in intact leaves of C3 plants: physics, physiology and rate limitations. The Botanical Review, 1985, 51.1: 53-105.
SHARKEY, Thomas D., et al. Fitting photosynthetic carbon dioxide response curves for C3 leaves. Plant, cell & environment, 2007, 30.9: 1035-1040.
STINZIANO, Jospeh R., et al. Principles of resilient coding for plant ecophysiologists. AoB Plants, 2021, 13.5: plab059.
Plant leaves exposed to air exchange carbon dioxide (CO2) and oxygen with the atmosphere through photosynthesis and respiration. This article explains the principles behind this process, how CO2 exchange can be measured, and how analysing the data obtained can inform us about the mechanisms, limits, and regulation of photosynthesis. The article is intended for students, their teachers, and the general public.
-
Schéma systému pro měření výměny plynů mezi listem (rostlinou) a atmosférou. Jsou zobrazeny základní složky tzv. otevřeného systému pro měření rychlosti fotosyntézy (A), transpirace (E) a difuzní vodivosti listu (gl): listová komora protékaná vzduchem nasávaným z volné atmosféry a hnaným pumpou, infračervené (IR) analyzátory pro měření koncentrace vodní páry a oxidu uhličitého (CO2), průtokoměr na vstupu vzduchu do komory a infračervené analyzátory na výstupu vzduchu z komory. Vzduch v komoře musí být míchaný ventilátorem a teplotu listu (Tl) měříme teploměrem (obvykle kontaktně pomocí termočlánku). IR analyzátory stanoví koncentrace vodní páry a CO2 na vstupu do komory (ein a cin) a na výstupu vzduchu z komory (eout a cout). Průtokoměrem stanovíme množství vzduchu, který projde komorou za jednotku času (F). Známe-li plochu listu S (obvykle se bere jako plocha exponovaná slunečnímu záření, tedy plocha jen jedné strany listu), spočteme rychlost transpirace E = F × (eout – ein) / S a fotosyntézy A = F × (cin – cout) / S. Takto změřené E nám poslouží k výpočtu vodivosti listu pro difuzní transport vodní páry ven z listu gl = E / (esTl – eout), kde esTl je koncentrace nasycené vodní páry při teplotě listu Tl. Orig. J. Šantrůček a T. Kalistová
-
Schéma klíčových struktur a pochodů při fotosyntéze listu. Typický bifaciální list (vlevo) je na příčném řezu (uprostřed) uspořádán tak, aby zachycoval dostatek slunečního záření a zároveň dovoloval vstup molekulám CO2 (červeně) z vnější atmosféry póry mezi svěracími buňkami průduchů (světle zelené buňky s chloroplasty ve spodní pokožce). Prostor uvnitř listu vymezený horní a spodní pokožkou – složenou z buněk bez chloroplastů (šedé) a kutikuly (modře) – je vyplněn mezofylovými buňkami (zelené) s chloroplasty (tmavě zelené) a mezibuněčnými prostory vyplněnými vzduchem (bílé). Procesy odehrávající se v chloroplastech znázorňuje schéma vpravo. Dochází zde k vázání energie světla do chemických vazeb adenosintrifosfátu (ATP) a nikotinamid adenindinukleotidfosfátu (NADPH) za současného štěpení vody a uvolnění kyslíku, které probíhá na na membránách tylakoidů – váčků uspořádaných v granech (sloupečcích nad sebou, středně zelená) – při světelných nebo primárních reakcích fotosyntézy. A dále se ATP a NADPH využívají k fixaci CO2 enzymy (karboxylačním enzymem Rubisco) a produkci tříuhlíkatého (3C) cukru (triózy) v Calvinově (Calvinově–Bensonově–Basshamově, CBB) cyklu ve stromatu (prostoru vně tylakoidů) chloroplastů (světle zelená). Triózy se transportují ven přes chloroplastovou obálku (tmavě zelená) nebo se z nich uvnitř chloroplastů syntetizuje škrob. Orig. J. Šantrůček a T. Kalistová
-
Přenosný fotosyntetický systém (LI-COR, USA, www.licor.com) – řídicí konzole upravující vstupní vzduch a zpracovávající data (zelená) a listová komora s IRGA (Infrared Gas Analyser) měřením koncentrací plynů (bílá). V tomto provedení je listová komora schopna kromě výměny plynů měřit také fluorescenci chlorofylu. Obě části jsou spojeny hadičkou a dvěma kabely. Foto J. Šantrůček a T. Kalistová
-
Schéma tří hlavních příčin omezujících rychlost čisté fotosyntézy. Jednou z nich je aktivita enzymu Rubisco jako vý sledek rychlosti karboxylace Vc a rychlosti oxygenace Vo substrátu ribulóza-1,5-bisfosfátu (RuBP). CO2 putuje z intercelulárního prostoru přes cytosol do stromatu chloroplastu (červenohnědé šipky). Produkty karboxylace RuBP vedou do CBB cyklu, zatímco při oxygenaci (modrozeleně) se její dvouuhlíkatý produkt glykolát (Gly) zpracovává ve fotorespiračním (glykolátovém) cyklu tak, že ze dvou glykolátů se uvolní v mitochondriích jedna molekula CO2 (fotorespirace Rphoto) a tříuhlíkatý zbytek (tři-fosfoglycerát, 3PG) se vrací do CBB cyklu. Další příčinou je dodávka ATP a NADPH (červené šipky) pro fosforylace a redukce v CBB cyklu a výslednou regeneraci RuBP. Syntéza ATP a NADPH probíhá při primárních („světelných“) reakcích fotosyntézy na tylakoidních membránách a provázených produkcí kyslíku. Třetí faktor představuje transport a využití asimilátů (triózafosfátů) a návrat anorganického fosfátu (Pi) do chloroplastů (fialové šipky). Mitochondriální dýchání na světle Rd bývá menší než fotorespirace Rphoto. Orig. J. Šantrůček a T. Kalistová
-
Analýza A(Cc) křivek. Na listu tabáku virginského (Nicotiana tabacum) se měřilo, jak závisí rychlost čisté fotosyntézy (Anet) na koncentraci CO2 uvnitř listu (zde v chloroplastu, Cc). Černé body představují změřené hodnoty Anet pro 11 různých koncentrací Cc (měněny tak, že nastavíme různé koncentrace CO2 v atmosféře okolo listu, Ca). Chceme zjistit, který proces ze tří možných (aktivita enzymu Rubisco; transport elektronů a regenerace RuBP; odvod asimilátů a návrat fosfátu do chloroplastů) brání tomu, aby fotosyntéza byla při dané Cc větší. Analýza založená na FvCB modelu (blíže v textu) ukazuje, jaká by byla Anet, kdyby fotosyntéza závisela pouze na aktivitě Rubisco (Ac a červená křivka), regeneraci RuBP (AJ a modrá křivka) nebo návratu fosfátu (At a zelená křivka). Nejnižší hodnota ze všech tří (Ac, AJ a At) při libovolné Cc (šipky) ukazuje, který ze zmiňovaných procesů fotosyntézu omezuje. Při nízkých koncentracích CO2 v chloroplastech bývá Anet omezena nedostatečnou aktivitou Rubisco (červeně vymezená oblast Cc), při středně vysokých nedostatkem energie pro regeneraci RuBP (modrá oblast), při velmi vysokých Cc pak slabým využitím asimilátů a nedostatečným návratem fosfátu (zelená oblast Cc). Matematické vyjádření průběhů Ac, AJ a At je následující: Ac = (Vc max · Cc) / [Cc + kmc · (1 + O / kmo)], AJ = (J · Cc) / (4Cc + 8Γ*), At = (3Tp max · Cc) / (Cc – Γ*), kde O, kmc, kmo jsou v pořadí koncentrace kyslíku, konstanta Michaelisova–Mentenové pro karboxylaci a pro oxygenaci RuBP a Tp max je maximální rychlost trans portu triózafosfátů z chloroplastů. Ostatní proměnné byly zmíněny v textu (Γ* – blíže v kuléru na str. CXIX–CXXI). Optimálním proložením těchto závislostí našimi naměřenými body zjistíme, že daný list tabáku lze charakterizovat hodnotami Vc max = 147, J = 175 a Tp max = 11,9, vše v μmol.m–2.s–1, temnostní respirací Rdark = 2,41 μmol.m–2.s–1 a mezofylovou vodivostí pro CO2 gm = 3,9 μmol.m–2.s–1.Pa–1. Konstanty použité pro proložení: kmc = 27,24 Pa, kmo = 16,58 kPa a Γ* = 3,74 Pa. Pro proložení křivek a výpočty viz T. D. Sharkey a kol. (2007). Orig. J. Šantrůček a T. Kalistová
![Analýza A(Cc) křivek. Na listu tabáku virginského (Nicotiana tabacum) se měřilo, jak závisí rychlost čisté fotosyntézy (Anet) na koncentraci CO2 uvnitř listu (zde v chloroplastu, Cc). Černé body představují změřené hodnoty Anet pro 11 různých koncentrací Cc (měněny tak, že nastavíme různé koncentrace CO2 v atmosféře okolo listu, Ca). Chceme zjistit, který proces ze tří možných (aktivita enzymu Rubisco; transport elektronů a regenerace RuBP; odvod asimilátů a návrat fosfátu do chloroplastů) brání tomu, aby fotosyntéza byla při dané Cc větší. Analýza založená na FvCB modelu (blíže v textu) ukazuje, jaká by byla Anet, kdyby fotosyntéza závisela pouze na aktivitě Rubisco (Ac a červená křivka), regeneraci RuBP (AJ a modrá křivka) nebo návratu fosfátu (At a zelená křivka). Nejnižší hodnota ze všech tří (Ac, AJ a At) při libovolné Cc (šipky) ukazuje, který ze zmiňovaných procesů fotosyntézu omezuje. Při nízkých koncentracích CO2 v chloroplastech bývá Anet omezena nedostatečnou aktivitou Rubisco (červeně vymezená oblast Cc), při středně vysokých nedostatkem energie pro regeneraci RuBP (modrá oblast), při velmi vysokých Cc pak slabým využitím asimilátů a nedostatečným návratem fosfátu (zelená oblast Cc). Matematické vyjádření průběhů Ac, AJ a At je následující: Ac = (Vc max · Cc) / [Cc + kmc · (1 + O / kmo)], AJ = (J · Cc) / (4Cc + 8Γ*), At = (3Tp max · Cc) / (Cc – Γ*), kde O, kmc, kmo jsou v pořadí koncentrace kyslíku, konstanta Michaelisova–Mentenové pro karboxylaci a pro oxygenaci RuBP a Tp max je maximální rychlost trans portu triózafosfátů z chloroplastů. Ostatní proměnné byly zmíněny v textu (Γ* – blíže v kuléru na str. CXIX–CXXI). Optimálním proložením těchto závislostí našimi naměřenými body zjistíme, že daný list tabáku lze charakterizovat hodnotami Vc max = 147, J = 175 a Tp max = 11,9, vše v μmol.m–2.s–1, temnostní respirací Rdark = 2,41 μmol.m–2.s–1 a mezofylovou vodivostí pro CO2 gm = 3,9 μmol.m–2.s–1.Pa–1. Konstanty použité pro proložení: kmc = 27,24 Pa, kmo = 16,58 kPa a Γ* = 3,74 Pa. Pro proložení křivek a výpočty viz T. D. Sharkey a kol. (2007). Orig. J. Šantrůček a T. Kalistová](./img/ziva/art2/tn/mereni-vymeny-plynu-jako-nastroj-pro-studium-fotos-4.jpg)
-
Závislost rychlosti čisté fotosyntézy (Anet) na koncentraci CO2 (Ci) změřená u dvojice C3 a C4 rostlin: tabáku virginského (Nicotiana tabacum) a kukuřice seté (Zea mays). C4 rostlina vždy má CO2 kompenzační koncentraci Γ blízkou nule, zatímco u C3 druhu se Γ pohybuje nejčastěji mezi 40 a 50 μmol.mol–1 (viz vložené grafy s detaily průsečíků křivek s osou x, kde je Anet rovno nule). Typický rychlý náběh fotosyntézy při nízkých koncentracích CO2 je u C4 rostliny způsoben jejím koncentračním mechanismem pro CO2 (CO2 pumpou). Orig. J. Šantrůček a T. Kalistová
-
Závislost rychlosti čisté fotosyntézy (Anet) na koncentraci CO2 (Ci) změřená u dvojice C3 a C4 rostlin: fazolu obecného (Phaseolus vulgaris) a laskavce ocasatého (Amaranthus caudatus). C4 rostlina vždy má CO2 kompenzační koncentraci Γ blízkou nule, zatímco u C3 druhu se Γ pohybuje nejčastěji mezi 40 a 50 μmol.mol–1 (viz vložené grafy s detaily průsečíků křivek s osou x, kde je Anet rovno nule). Typický rychlý náběh fotosyntézy při nízkých koncentracích CO2 je u C4 rostliny způsoben jejím koncentračním mechanismem pro CO2 (CO2 pumpou). Orig. J. Šantrůček a T. Kalistová
-
Sílu fotosyntézy můžeme dobře pozorovat na rostlinách, které sezonně obnovují celou nadzemní biomasu a v příznivých podmínkách jí během několika měsíců vytvoří úctyhodné množství. Některé druhy, někdy i s pomocí zásob z loňského roku, dosáhnou až několikametrové výšky (bolševník velkolepý, topinambur). Na snímku porost devětsilu lékařského (Petasites hybridus) v údolí potoka u Českých Libchav. Foto J. Kubásek
![Analýza A(Cc) křivek. Na listu tabáku virginského (Nicotiana tabacum) se měřilo, jak závisí rychlost čisté fotosyntézy (Anet) na koncentraci CO2 uvnitř listu (zde v chloroplastu, Cc). Černé body představují změřené hodnoty Anet pro 11 různých koncentrací Cc (měněny tak, že nastavíme různé koncentrace CO2 v atmosféře okolo listu, Ca). Chceme zjistit, který proces ze tří možných (aktivita enzymu Rubisco; transport elektronů a regenerace RuBP; odvod asimilátů a návrat fosfátu do chloroplastů) brání tomu, aby fotosyntéza byla při dané Cc větší. Analýza založená na FvCB modelu (blíže v textu) ukazuje, jaká by byla Anet, kdyby fotosyntéza závisela pouze na aktivitě Rubisco (Ac a červená křivka), regeneraci RuBP (AJ a modrá křivka) nebo návratu fosfátu (At a zelená křivka). Nejnižší hodnota ze všech tří (Ac, AJ a At) při libovolné Cc (šipky) ukazuje, který ze zmiňovaných procesů fotosyntézu omezuje. Při nízkých koncentracích CO2 v chloroplastech bývá Anet omezena nedostatečnou aktivitou Rubisco (červeně vymezená oblast Cc), při středně vysokých nedostatkem energie pro regeneraci RuBP (modrá oblast), při velmi vysokých Cc pak slabým využitím asimilátů a nedostatečným návratem fosfátu (zelená oblast Cc). Matematické vyjádření průběhů Ac, AJ a At je následující: Ac = (Vc max · Cc) / [Cc + kmc · (1 + O / kmo)], AJ = (J · Cc) / (4Cc + 8Γ*), At = (3Tp max · Cc) / (Cc – Γ*), kde O, kmc, kmo jsou v pořadí koncentrace kyslíku, konstanta Michaelisova–Mentenové pro karboxylaci a pro oxygenaci RuBP a Tp max je maximální rychlost trans portu triózafosfátů z chloroplastů. Ostatní proměnné byly zmíněny v textu (Γ* – blíže v kuléru na str. CXIX–CXXI). Optimálním proložením těchto závislostí našimi naměřenými body zjistíme, že daný list tabáku lze charakterizovat hodnotami Vc max = 147, J = 175 a Tp max = 11,9, vše v μmol.m–2.s–1, temnostní respirací Rdark = 2,41 μmol.m–2.s–1 a mezofylovou vodivostí pro CO2 gm = 3,9 μmol.m–2.s–1.Pa–1. Konstanty použité pro proložení: kmc = 27,24 Pa, kmo = 16,58 kPa a Γ* = 3,74 Pa. Pro proložení křivek a výpočty viz T. D. Sharkey a kol. (2007). Orig. J. Šantrůček a T. Kalistová](./img/ziva/art2/lrg/mereni-vymeny-plynu-jako-nastroj-pro-studium-fotos-4.jpg)
