Photosynthetic acclimation to light gradients in Typha latifolia
Emil Arboe Jespersen – 20105855 60 ECTS speciale
Vejleder: Brian K. Sorrell
Institut for Bioscience Aarhus Universitet Marts 2016
2/51 Indholdsfortegnelse:
Forord... s. 3 Abstract... s. 4 Resumé... s. 5 Introduktion
- 1.1 Lys... s. 6 - 1.2 Lysresponskurven og akklimering... s. 7 Bladakklimering
- 2.1 Kutikulaen... s 10 - 2.2 Trikomere... s. 10 - 2.3 Stomatadensitet... s. 11 - 2.4 Bladvinkel og størrelse... s. 12 - 2.5 Bladtykkelse... s. 13 - 2.6 Allokering på bladniveau... s. 16 Kloroplastakklimering
- 3.1 Kloroplasten... s. 17 - 3.2 Fotosystem 1 og 2... s. 18 - 3.3 Xantofylcyklussen... s. 19 - 3.4 Elektrontransport og Rubisco... s. 20 - 3.5 Allokering på kloroplastniveau... s. 21
Artikelmanuskript
- Introduction... s. 23 - Method and materials... s. 24 - Results…... s. 29 - Discussion... s. 32
References... s. 35
Figures and Tables... s. 43
3/51 Forord
Specialet vil være inddelt i to overordnede afsnit, hvor det første afsnit er et litteraturstudie af planters akklimering til lys. Dette afsnit er skrevet på dansk, mens det efterfølgende afsnit er et artikelmanuskript til ”Functional plant biology”, og derfor på engelsk. Artikelmanuskriptet er skrevet efter de normer der gælder for det pågældende tidsskrift.
4/51 Abstract
Light acclimation has been widely studied in many different kinds of plants, especially in broad leaved and herbaceous species. Plants respond to increased light by altering their morphology; the cuticle becomes thicker, trichome and stomatal density increases, leaf size decreases while its thickness increases and leaf angle compared to incident light changes.
Biochemical responses are also seen, as the pigment content is altered together with key enzymes responsible for processing excitations energy. Finally, allocation patterns change at the leaf and chloroplast level. The genus Typha poses a special case of light acclimation, as it is native to freshwater wetlands, which are often nutrient rich and highly productive. It grows from a basal meristem with erect leaves that reduce light attenuation in monospecific stands compared to plants with horizontal leaves. The growth form and habitat therefor distinguishes Typha from many of the broad leafed and herbaceous species. The objectives of this study were therefore to investigate how Typha latifolia L. acclimates its photosynthetic metabolism and pigment composition to the light availability in its canopy. This was done by growing T.
latifolia under two light intensities under controlled laboratory conditions and in a field study, where two stands differing in light attenuation were compared. Comparisons were based on gas exchange parameters, chlorophyll (chl) florescence, pigment content and morphology.
The light environment affected gas exchange, pigment content and morphology. The
laboratory study showed that T. latifolia could acclimate leaf morphology and photosynthesis to high and low light with a “sun-shade” response similar to those seen in many other species.
In both studies, photosynthesis rates for T. latifolia in high light were very high for a C3 plant (> 40 µmolCO2 m-2 s-1). High photosynthesis rates and high light saturation requirements for photosynthesis were maintained throughout the canopy in the field, consistent with relatively low light attenuation by the linear-leaf growth form of this species. The xanthophyll (VAZ) pool, which protects leaves against excess light, was extremely high in all T. latifolia in this study, and as predicted was lower in plants subject to lower light intensities.. These data confirm that in field conditions, T. latifolia is able to maintain high photosynthetic activity throughout its canopy and avoid photoinhibition under high light conditions through high investment in the VAZ pool. This pattern of acclimation is likely adaptive in the field as T.
latifolia is native to high light habitats, and explains why this species is so successful and dominant in high-light, high-nutrient wetlands.
5/51 Resumé
Lysakklimering har været undersøgt i mange forskellige slags planter, specielt i bredbladet træer og urteagtige planter. Planter responderer på øget lys intensitet ved at ændre deres morfologi; kutikulaen bliver tykkere, trikomer- og stomatadensiteten stiger, bladets areal bliver større mens tykkelsen aftager og bladets vinkel i forhold til det indfaldne lys ændres.
Planter responderer også biokemisk ved at ændre pigmentindholdet samt mængden af nøgleenzymer involveret i omsætningen af eksitationsenergi. Allokeringsmønsteret ændres også både på blad og kloroplastniveau. Slægten Typha udgør et særtilfælde i forhold til lysakklimering da den er hjemmehørende i ferskvandsvådområder, som oftest er næringsrige og meget produktive. Slægten vokser via et basalt meristem og har oprejste blade, der giver en lav lyssvækkelse i monospecifikke stande i forhold til planter med horisontale blade.
Vækstformen og habitattypen adskiller Typha fra mange bredbladet træer og urteagtige planter. Formålet med dette studie var derfor at undersøge hvordan Typha latifolia L.
akklimerer dens fotosyntetiske metabolisme og pigmentsammensætning i forhold til den tilgængelige mængde lys. Dette blev gjort ved at dyrke T. latifolia under kontrollerede laboratorieforhold ved to lysintensiteter og derudover i et feltforsøg, hvor to stande med forskellige lyssvækkelse blev sammenlignet. Sammenligningen var baseret på målinger af gasudveksling, klorofylfluorescens, pigmentindhold og morfologi. Lysmiljøet påvirkede gasudvekslingen, pigmentindholdet og morfologien. Laboratoriestudiet viste at T. latifolia kunne akklimere bladmorfologi og fotosyntese (A) til høj og lav lysintensitet via en ”sol- skygge” respons tilsvarende til, hvad man ser i mange andre arter. I begge studier var A meget høj for en C3 plante (> 40 µmolCO2 m-2 s-1). En høj A og et højt lysmætningspunkt (Ik) blev opretholdt ned igennem løvtaget i felten, hvilket er i overenstemmelse med den lave lyssvækkelse lineære blade skaber. Xantofylpuljen (VAZ puljen), som kan beskytte blade når der er for meget lys, var ekstremt høj i alle T. latifolia i dette studie, og var som forventet lavere i planter udsat for lavere lysintensiteter. Data bekræfter, at under feltforhold er T.
latifolia i stand til at opretholde en høj A ned igennem løvtaget og undgår fotoinhibering under høj lysintensitet ved at investere i VAZ puljen. Dette akklimeringsmønster er formodentligt adaptivt i felten da T. latifolia er hjemmehørende i habitater med høj lysintensitet og forklarer, hvorfor denne art er så succesfuld og dominant i
ferskvandsvådområder med høj lysintensitet og næringsindhold.
6/51 Introduktion
1.1 Lys
Af de mange faktorer der påvirker en organismes evne til at øge sin biomasse, har lys en vigtig betydning for de fotoautotrofe organismer. For fotoautotrofe organismer, der omfatter planter, alger og bakterier, er lys den primære energikilde når CO2 skal omdannes til
biomasse. Intensiteten af lys har en effekt på fotosynteseraten (A), hvilket ses ud fra en lysresponskurve. I takt med at lysintensiteten stiger stiger A også. Ved lav lysintensitet er der et lineært sammenhæng mellem lysintensitet og A. Dette sammenhæng aftager og flader ud, hvis lysintensiteten foresætter med med at stige, og A kan til sidst begynde at falde, hvis lysintesiteten forsat stiger. A er kun et øjebliksbillede af plantens CO2 optagelse og siger ikke noget om tidslig variation hen over døgnet (Givnish 1988). Lysintensiteten et blad udsættes for i løbet af dagen kan variere meget. Især lys med en høj intensitet over en kortvarig periode skabt af bevægelser i blade over det pågældende blad bidrager til dette fænomen (solpletter). Den tidslige variation kan kontrolleres ved brug af et klimakammer, hvor lysflux og antal lystimer kan kontrolleres. Alternativt kan den totale daglige lysflux over dagen måles, og her ud fra kan den totale A for perioden beregnes. A kan udtrykkes på baggrund af forskellige parametre. Tre af disse er bladets areal(Aareal), bladets masse(Amasse) eller plantens masse(Aplant). Alle tre parametre korrelerer med den relative vækstrate (RGR), dog findes den bedste korrelation mellem Aplante og RGR (r2=0,93) (Kruger and Volin 2006). Andre studier har fundet samme korrelation for Aareal og Amasse dog ikke for skyggeakklimerede planter. For skyggeakklimerede planter korrelerede RGR bedst med en kombination af Amasse og bladets vægtratio(LWR g blad g plante-1) (Walters et al. 1993). LWR er tilsvarende bladets
masseratio (LMR). LMR vil blive brugt fremover. Kombinationen af Amasse og LMR svarer til Aplante, dog afhænger dette af om ikke-fotosyntetiserende vævs respiration er medtaget.
Metoden brugt i Kruger and Volin (2006) og Walters et al. (1993) er ikke ens. Kruger and Volin (2006) måler lysfluxen over døgnet og kombinerer dette med anden data, som er indsamlet fra andre artikler. Walters et al. (1993) benytter sig af en konstant lysflux og antal lystimer. Aplante påvirkes af forskellige faktorer. Da Aplante omfatter hele planten, vil forskellig grad af allokering til forskellige organer have en effekt på Aplante. En høj grad af allokering til fotosyntetiserende væv (eksempelvis blade) fremfor andet ikke fotosyntetiserende
(eksempelvis rødder), vil øge Aplante, mens en mindre grad af allokering vil have den omvendte effekt. Udover øget allokering til blade vil ændringer i respirationsrater påvirke Aplante.
7/51 1.2 Lysresponskurven og akklimering
Når næringssalte ikke er en begrænsende faktor, kan en variabels effekt på RGR analyseres via følgende formel
(Lambers et al. 2008) s. 322
Hvor Aa er fotosynteseraten per areal, SLA er det specifikke bladareal, LMR, SMR, RMR er masseratioen af hhv. blade, stamme og rødder, LRm, SR og RR er massebaseret blad-, stamme- og rodrespiration. Når en plante oplever at lysintensiteten øges eller sænkes, og lysintensiteten bliver på det nye niveau over en længerevarende periode, initieres en akklimeringsprocess. Denne proces har til formål at udnytte den givne mængde lys på en sådan måde, at det hverken er skadeligt for planten, eller at fotoner ikke udnyttes optimalt indenfor den pågældende genetisk isoleret populations rammer for akklimering (Bjorkman and Holmgren 1963; Bjorkman 1968b). Om denne proces nødvendigvis er en fordel kan i nogle situationer være uklar, afhængigt af hvordan parametrerne udtrykkes (Givnish 1988).
Bjorkman and Holmgren (1963); Bjorkman (1968b) brugte bla. en lysresponskurve til at vurdere effekten af akklimering på det fotosyntetiske apparart. Han sammenlignede quantum yield (Φ) og brutto A ved lysmætning (ABmax) i Solidago virgauera fra hhv. to skyggede og to soleksponerede lokaliteter dyrket ved forskellige lysintensiteter.
Φ er den initiale hældning på en lysresponskurve og angiver, hvor effektivt det fotosyntetiske apparart er til at udnytte eksitationsenergi fra fotonerne til optage CO2. Φ angives med enheden µmol CO2 µmol fotoner-1. Amax angives normalt som en nettorate (ANmax), men kan også angives som en bruttorate (ABmax). Amax beskriver den lysmættede fotosyntetiske rate bladet kan opnå når lys ikke længere begrænser fotosyntesen. Værdien angives normalt med enheden µmol CO2 m-2 s-1 (Amax-area), men er også blevet angivet med andre enheder end m2. Et eksempel er massebaseret A, hvor enheden bliver µmol CO2 g-1 s-1 (Amax-mass). Måden Amax bestemmes på er ikke endtydig, hvilket bla. skyldes at lysresponskurver tilpasses de
eksperimentielt bestemte målepunkter med forskellige ligninger (Lobo et al. 2013). En ofte anvendt formel er
√( )
(Prioul and Chartier 1977)
8/51 Fig 1: Angiver punkter eller regioner for de parameter som kan aflæses eller beregnes ud fra lysreponskurven.
Udover Φ og Amax findes der andre parametre på en lysresponskurve, der beskriver AN som funktion af lysintensiteten, som kan bruges til at vurdere akklimeringsgraden til forskellige lysintensiteter. Ved en lysintensitet på 0 finder man på en lysresponskurve mørkerespiration (Rd). Denne værdi er kun gældende for bladets respiration. En beregning af hele plantens respiration, på baggrund af denne værdi, vil føre til en underestimering, da Rd i det ikke- fotosyntetiserende væv ofte er højere end i bladet. Ved en lysintensitet, der tillader en høj nok A til at modsvare Rd, findes lyskompensationspunktet (Ic). Ic findes ikke på en
lysresponskurve, der beskriver AB som funktion af lysintensitet. Konveksiteten (θ) beskriver overgang fra den lysbegrænsede del af kurven, som er karakteriseret ved en stejl hældning, til den CO2/Rubisco begrænsede del af lysresponskurven. I den CO2/Rubisco begrænsede del af lysresponskurven er hældning aftagende. Efter denne overgang stabiliserer A sig og
førnævnte Amax nåes. Til at beskrive ved hvilken lysintensitet overgangen mellem den
lysbegrænsende og CO2/Rubisco begræsende del findes, bruges lysmætningspunktet (Isat eller Isat(n%)). Dette punkt er skæringen mellem følgende to ligninger og
, men kan også angives som den mængde lys, der skal til at mætte fotosyntesen med n % i
9/51 forhold til Amax (Lobo et al. 2013). Et alternativ til dette er at definere Ik som den værdi, hvor A ikke stiger længere (Hopkins and Huner 2009) s. 216. Ik bestemt ved sidste defination vil i forhold til den første metode overestimere værdien. Det er derfor vigtigt at vide hvilken metode, der er brugt til bestemmelse af Ik, hvis en sammenligning på tværs af studier udføres.
Størrelsen og effekten af akklimering blandt genetisk isoleret populationer kan variere meget.
Denne forskel vurderes bla. ud fra forskelle på lysresponskurver og
kloroplastsammensætning mm. for en genetisk isoleret population dyrket under forskellige lysintensiteter. Kapaciteten (forskellen mellem sol- og skygge akklimeret individer) til at akklimere mentes at afspejle om den genetisk isoleret population bestod af planter adapteret til høj eller lav lysintensitet (solplanter med høj kapacitet, skyggeplanter med lav kapacitet) (Bjorkman 1968a; Boardman 1977). Det har sidenhen vist sig, at akklimeringskapaciteten i højere grad afspejler variationer i lysmiljøet i populationens naturlige habitat sådan at intermediære populationer, der både lever i sol og skygge, har den størst kapacitet til at akklimere (Murchie and Horton 1997; Balaguer et al. 2001). Termerne sol- og skyggeplanter bruges stadig om genetisk isoleret populationer adapteret til høj eller lav lysintensitet, men også om individer akklimerer til høj og lav lysintensitet, hvorved der kan opstå tvetydighed.
Termerne solblade og skyggeblade bruges derimod kun om blade der er akklimeret til høj og lav lysintensitet (Lambers et al. 2008) s. 26. Fremover vil termerne skygge- og solplanter henvise til planter, der er er akklimeret til høj eller lav lysintensitet. Dette har dog ikke ændret på at lysresponskurver er et vigtigt værktøj når akklimeringskapacitet og mønster skal
vurderes. Hvor god en isoleret genetisk population er til at akklimere er genetisk bestemt, og der findes derfor en grænse i disse træk. Der findes f. eks. en nedre grænse for tykkelsen af blade (Niinemets 2007). Afhængig af den genetisk isoleret population vil bladets tykkelse kun i mindre grad ændres, når først det er færdigudviklet, modsat mængden af enzymer og pigmenter som løbende vil kunne op og ned reguleres i det pågældende blad (Sims and Pearcy 1992; Oguchi et al. 2003). I de efterfølgende afsnit vil forskellige
akklimeringensresponser i forhold til lysintensitet blive gennemgået. Først et afsnit
omhandlende aklimering på bladniveau og derefter et andet afsnit på kloroplastnievau. Fælles for begge overordnede afsnit(blad- og kloroplastnieveau) er et underafsnit omhandlende allokering til forskllige væv med fokus på fordelingen af nitrogen (N). N-allokering behandlet i afsnittet ”Allokering på bladniveau” vil blive gennemgået i forhold til hele planten.
10/51 Bladakklimering
2.1 Kutikulaen
Kutikulaen hos planter har flere funktioner. Den er med til at mindske vandtabet fra bladet til atmosfæren, men kutikulaen kan også mindske mængden af lys via sine reflektive
egenskaber. Dette gør at det kan være svært at adskille effekten på kutikulaen fra forskellige abiotiske stressfaktorer. Reed and Tukey (1982) fandt at kutikulaen ændrer sig afhængigt af både temperatur og lysintensitet, hvilket understreger kompleksiteten. Derudover er lys, temperatur og fugtighed i en vis grad sammenhængdende, hvilket yderlige komplicerer dette.
Effekten af lysintensitet på kutikulaen vil blive gennemgået heri. Der henvises til Shepherd and Griffiths (2006) for en mere detaljeret gennegang af effekten af temperatur og fugtighed.
Lys kan være skadeligt i for store mængder(Bjorkman 1981) og i særdeleshed kan UV være skadeligt for planter, især UVB (Holmes and Keiller 2002). Ved at fjerne kutikulaen viste Cameron (1970) at reflektansen faldt og A efterfølgende steg, da mere lys blev tilgængeligt.
At reflektansen stiger, når kutikulaens tykkelse øges, er dokumenteret af andre (Baltzer and Thomas 2005). På baggrundt af dette kunne man forestille sig, at planter akklimeret til lysrige habitater vil have en kutikula, der er tykkere og af en sådan sammensætning, at den
reflekterer mere lys for at undgå fotoinhibering. Flere studier har vist at kutikulaens tykkelse øges i takt med stigende lysintensiteter(Osborn and Taylor 1990; Ashton and Berlyn 1994;
Baltzer and Thomas 2005; Shepherd and Griffiths 2006), mens Baker (1974) og Reed and Tukey (1982) påviste en effekt i form af øget tykkelse men også ændret vokslag. I habitater med begrænset lys kan kutikulaen reflektere lys og dermed begrænse mængden af lys, der er tilgængelig for fotosyntesen, og reducere plantens vækstpotentiale. Under sådanne forhold vil en relativ stor andel voks, i forhold til kutikulaens tykkelse, kombineret med en tynd cutin (cuticular proper) være fordelagtigt. Årsagen er, at en tyk kutikula reflekterer mere lys (Baltzer and Thomas 2005), mens vokslaget primært reflekterer UV lys (Holmes and Keiller 2002). Studier der undsøger kombinationen af lysintensitet og kvalitet i forhold til variation i kutikulaen er sparsomme.
2.2 Trikomere
På kutikulaen findes der forskellige former for trikomere, som kan variere i densitet. Her gør problematikken fra før sig igen gældende, da trikomerne har flere forskellige funktioner, hvilket besværligegøre en klar og entydig fortolkning af deres effekt og funktion. En generel observation er at densiteten af trikomere stiger i takt med stigende lysintensitet (Filella and Penuelas 1999; Klich 2000; Tattini et al. 2000; Camarero et al. 2012; Laureau et al. 2015),
11/51 dog med en enkelt undtagelse, hvor der ikke var nogen signifikant forskel (Pereira et al.
2009). Der er dog et problem med disse undersøgelse, hvilket er, at de er udført på forskellige lokaliteter eller, at blade er taget fra toppen (solblade) og andre fra lavere højder
(skyggeblade) af samme plante. Dette skaber den mulighed, at andet end lysintensiten kan variere og dermed være årsag til ændringer i trikomerdensiteten. Et studie har begrænset dette problem og kommer stadig frem til, at trikomerdensiteten stiger med stigende lysintensitet (Perez-Estrada et al. 2000). Førnævnte studier påviser også, at andre abiotiske faktorer (vand) kan påvirke trikomerdensiteten, hvilket understreger problemet med førnævnte studier.
Effekten af trikomere er, at de reflekterer lys (Holmes and Keiller 2002). Under forhold hvor der er overskydende lys i forhold til, hvad der bruges i fotosyntesen, kan trikomere bridrage til at undgå fotoinhibering. Trikomere reflekterer lys i hele PAR området (Holmes and Keiller 2002), men de kan også absorbere UV, hvis de indeholder flavonoider (Liakopoulos et al.
2006). At blade er i stand til at reflektere lys og dermed undgå fotoinhibering er ikke den eneste gavnlige effekt af trikomerne eller kutikulaen (afsnit 2.1). Temperaturen i aktivt fotosyntetiserende blade kan være højere end den omgivende temperatur grundet
absorptionen af lys og den efterfølgende uundgåelige varmefrigivelse. Ved at reflektere lyset mindskes varmebelastningen på vævet, hvilket kan nedsætte temperaturen og have en gavnlig effekt på plantens vandbalance (Vogelmann 1993).
2.3 Stomata
På kutikulaen findes stomata hvorigennem hovedparten af gasudvekslingen foregår.
Åbningsgraden af stomata er under stærk kontrol for at undgå et unødvendigt stort vandtab men stadig tillade at nok CO2 optages, sådan at CO2 og ribulose 1,5 bisphosphate (RuBP) co- begrænser A (Farquhar and Sharkey 1982). Dette tyder på at stomatadensiteten og størrelsen kan påvirkes af flere forskellige faktorer. Fokus her vil ligge på responsen på ændret
lysintensitet. I takt med stigende lysintensitet skal mere eksitationsenergi fra fotonerne omsættes. Dette kan ske via flere forskellige mekanismer. Hvis eksitationsenergien fra fotonerne anvendes til at reducere CO2, vil en højere lysintensitet kræve en højere influx af CO2. Dette afhjælpes til dels af en større koncentrationsforskel i CO2 mellem bladet og atmosfæren, og at stomata åbnes mere. Flere stomata per areal samt større stomata tillader en større gasudveksling og kan dermed mindske den potentielle CO2 begræsning. Flere studier viser at stomatadensiteten stiger i takt med stigende lysintensitet (Lichtenthaler et al. 1981;
Abrams and Kubiske 1990; Lee et al. 1996; Cao 2000; Mendes et al. 2001; Holscher 2004;
Matos et al. 2009; Brodribb and Jordan 2011; Carrion-Tacuri et al. 2011; Carins Murphy et
12/51 al. 2012). Disse studier er dog feltforsøg, hvor de tidligere problemer i forbindelse med kutikulaen og trikomere igen kan påvirke stomatadensiteten, dog viser et enkelt
labaratoriestudie tilsvarende resultater (Valladares et al. 2002). Andre studier har kun kunne påvisse en tendens og ikke en signifikant forskel (Nardini et al. 2012). Den generelle respons er altså at stomatadensiteten stiger i takt med stigende lysintensitet, selvom få studier har vist, at det omvendte kan gøre sig gældende (James and Bell 2000). Årsagen til den omvendte sammenhæng mellem lysintensitet og stomatadensitet kan evt. være forsaget af et stærkt sammenhæng mellem vandtab og vandforsyning (Brodribb and Jordan 2011), eller at faldet i densitet er blevet kompenseret for af større stomata, hvilket understreger kompleksiteten i stomataplasticiteten og akklimeringen. Influxen af CO2 er også afhængig af størrelsen på stomata, da større stomata kan åbnes mere og dermed tillade en højere flux. Ved at undersøge densitet og størrelse interspecifikt fandt Hetherington and Woodward (2003) ud af, at
størrelsen på stomata faldt i takt med stigende densitet. Om dette også gør sig gældende intraspecifikt i form af akklimering er mere uklart. Mindre stomata kan være fordelagtigt under høj lysintensitet, da relativt små stomata teoretiske tillader højere influx af CO2 per areal (Bidwell 1974) i (Abrams and Kubiske 1990). Små stomata giver derudover en
hurtigere stomatarespons og dermed bedre kontrol over gasudvekslingen (Drake et al. 2013).
Der er ikke noget entydigt billed på, at stomata bliver større eller mindre afhængig af
lysintensistet (Abrams and Kubiske 1990; Cao 2000; Valladares et al. 2002). Manglen på et endtydigt billed kan skyldes, at andre faktorer har påvirket størrelsen af stomata i højere grad end lysintensitet.
2.4 Bladets vinkel og størrelse
Bladets vinkel i forhold til det indfaldne lys har betydning for, hvordan lysintensiteten aftager ned igennem et løvtag (Terashima and Hikosaka 1995). Lyset aftager i hht.
( ), hvor Ix er lysintensiteten i en højde svarende til et sammenlagt blad areal indeks (LAI) på x, I0 er lysintensiteten af det indfaldne lys, K er ekstinktionskoefficienten og Fx er summeret bladareal indtil en højde x. I takt med at bladet orienteres parallelt i forhold til det indfaldne lys bliver ekstinktionskoefficienten lavere (lyset absorberes i mindre grad ned igennem løvtaget) mens den for blade parallelt i forhold til det indfaldne går mod 1 (lyset absorberes i højere grad ned igennem løvtaget) (Monsi and Saeki 2005). Dette skyldes at hvis bladet er parallelt med det indfaldne lys, får bladet et lille projekteret areal, hvilket betyder at en mindre mængde lys kan absorberes i forhold til, hvis bladet var parallelt og havde et stort projekteret areal (Falster and Westoby 2003). Dette er kun gældende for løvtag med ens LAI,
13/51 da LAI også påvirker lysabsorptionen ned igennem et løvtag. Bladvinklen kan også påvirke lysabsorptionen i løbet af dagen. Om morgenen og aftenen, hvor solen står lavt på himlen, vil oprejste blade (græsser f. eks) absorbere mere lys end et tilsvarende blad, der er parallelt med jorden. Midt på dagen vil dette forhold være omvendt (Falster and Westoby 2003). Ud fra dette opstår der to scenarier hvor oprejste blade kan øge den daglige mængde optaget CO2. Enten ved at øge lysabsorptionen om morgenen og aftenen under lysbægrænsende forhold eller ved at mindske fotoinhiberingen midt på dagen. Via en model viste Falster and Westoby (2003) at oprejste blade havde den største gavnlige effekt af mindsket fotoinhibering midt på dagen baseret på daglig CO2 assimilation. Ud fra dette er det ikke nogen overraskelse, at flere studier har dokumenteret at bladets vinkel udviser stor plastictet i forhold til lysintensitet (Mcmillen and Mcclendon 1979; He et al. 1996; Valladares and Pearcy 1998; Balaguer et al.
2001; Larbi et al. 2015).
Andre studier har udover bladets vinkel også målt bladets totale areal (He et al. 1996;
Valladares and Pearcy 1998; Markesteijn et al. 2007; Carins Murphy et al. 2012; Larbi et al.
2015). Det generelle billede er, at bladet udviklet i sol får et mindre totalt areal. Der er fremsat forskellige bud på hvorfor bladene bliver mindre med stigende lysintensitet. Et af de tidlige bud var, at solblade skulle være bedre til at skaffe sig af med varme grundet det mindre totale areal men også grundet ændringer i kutikulaen og trikomere (Vogel 1968).
Udover at have en possitiv effekt på plantens varmebalance er det også blevet foreslået, at de små blade i solplanter reducerer grænselaget og dermed øger CO2 influxen (Parkhurst and Loucks 1972). Falster and Westoby (2003) viste via deres model, at små blade var med til at skabe mere selvskygning, og at dette havde større betydning for den daglige carbon
assimilation end bladets vinkel. At selvskygningen havde denne effekt kan også forklare, hvorfor nogle arter udviser plastictet i deres fyllotaxis (Valladares and Pearcy 1998; Galvez and Pearcy 2003).
2.5 Bladtykkelse
Udover bladets totale størrelse ses der også variation i bladet tykkelse blandt forskellige arter.
Bladtykkelse viser også stor plastisitet i forhold til lysintensiteten under opvæksten(Nobel et al. 1975; Evans and Poorter 2001). Bladets tykkelse kan udtrykkes på flere forskellige måder.
Bladets totale tykkelse kan måles direkte, tykkelsen kan estimeres ud fra bladets specifikke bladareal (SLA), ud fra bladets friskvægt i forhold til bladets areal (LMA) eller en
kombination af SLA og vægten af tørstof i forhold til vådvægt (LDMC) (Vile et al. 2005).
Ved at sammenligne absorptionsspektre fra esktraherede pigmenter i en opløsning med
14/51 absorptionspektret for pigmenter i et blad, viste Ruhle and Wild (1979) at pigmenter i et blad, er arrangeret på en sådan måde i forhold til pigmenter i en opløsning, at absorptionen øges.
Dette indikerer, at den indre tredimensionelle opbygning af bladet og pigmenternes position heri har betydning for absorptionskarakteristika. Bladets tykkelse er plastisk, hvilket primært skyldes ændringer i tykkelsen af mesofylvævet. Mesofylvævet kan opdeles i to lag hhv.
palisadevæv og svamepvæv. Hvordan påvirker plasticiteten i bladtykkelsen absorption af lys og CO2 optaget? Under forhold med høj lysintensitet får nogle arter flere lag palisadevæv eller et tykkere lag palisadevæv (Bjorkman 1981; Cao 2000; Markesteijn et al. 2007). Et tykkere lag svampevæv medvirker også til et tykkere blad under høj lysintensitet, dog ikke i så høj grad som palisadevævet. I direkte sollys er langt størstedelen af det indfaldne lys i form af direkte lys, mens en mindre del består af diffust lys (Bird and Riordan 1986). Dette har implikationer for absorbtionen af lys i hhv. svampe og palisadevæv. Palisadevæv faciliterer i højere grad end svampevæv direkte lys ned igennem det underliggende væv (Vogelmann and Martin 1993; Vogelmann et al. 1996), hvilket kan forklare, hvorfor der er størst variation i palisadevævets tykkelse fremfor svampevævet. Epidermiscellernes form gør, at de kan fokusere direkte lys (Brodersen and Vogelmann 2007). Fokuspunkteter afhænger bla. af vinklen på det indfaldne lys, hvor lys vinkelret på bladet har et dybere fokuspunkt end mere parallelt lys(Brodersen and Vogelmann 2010). Fokuseringen og faciliteringen af lys giver en mere jævn fordeling af lys igennem bladet, hvilket kan give en større A for hele bladet, da flere kloroplaster fotosyntetiserer omkring det punkt, hvor de lysmættes
(Terashima and Saeki 1985). I forhold til lysabsorbtion er det tykkere blad fordelagtigt, men i forhold til CO2 diffusion kan et tykt blad udgøre en begrænsning, da CO2 har en længere diffusionsvej i et tykt kontra tyndt blad. Tidligere mente man, at den største begrænsning var fra atmosfæren og ind igennem stomata til det intracellulære rum i mesofylet (Farquhar and Sharkey 1982). Dette understøttes af et tidligere afsnit (afsnit 2.3), hvor man så at
stomatadensiteten steg med stigende lysintensitet, hvilket tyder på, at diffusion fra den omkringværende luft og ind i bladet udgjorde en begrænsning. Denne begrænsning blev reduceret af den lavere modstand, som flere stomata giver. Derfor burde den længere vej ikke udgøre nogen stor begrænsning, da begrænsingen fra stomata er meget større. Det tyder dog på, at modstanden fra atmosfæren og ind til det intracellulære rum ikke er så stor i forhold til andre modstande undervejs (Terashima et al. 2006). Det tykkere blad kan faktisk vise sig at være en fordel under høj lysintensitet, da diffusionsbegrænsningen ser ud til at være når CO2
skal fra det ekstracellulære rum og ind i mesofylcellen og videre til kloroplasten, hvor Rubisco befinder sig, og ikke fra luften omkring bladet og ind i bladet via stomata
15/51 (Terashima et al. 2006). Bladtykkelsen korrelerer med andelen af mesofylcellernes areal i forhold til bladets areal (Ames/A) (Nobel et al. 1975; Terashima et al. 2006), hvilket viser at mere areal til CO2 optagelse er til rådighed i et tykt blad. Arealet af kloroplaster, der er eksponeret mod mesofylcellens kant (Sc), er også af betydning for diffusionen af CO2 ind til rubisco i kloroplasten (Evans et al. 1994). Denne stiger, ligesom Ames/A gjorde, i forhold til bladtykkelsen og korrelerer desuden med den interne konduktans (gi, ledningsevnen mellem det substomatale rum og kloroplastens stroma) som igen korrelerer med A (Terashima et al.
2006). I forhold til CO2 diffusion fra den omgivende atmosfære og ind til kloroplasten er et tykkere blad altså fordelagtigt, mere kloroplastareal er eksponeret til CO2 optag.
Omkostningerne i form af biomasse til at danne et tykt blad er større end for et tyndt blad (Poorter et al. 2006). Dette kan begrænse tykkelsen af bladet især under lysbegrænsende forhold. Ovenstående kan også forklare hvorfor man i nogle tilfælde ser varierende grad af succesfuld akklimation af i forevejen færdigudviklede blade (Oguchi et al. 2003, 2005). Hvis mesofylcellerne har kloroplaster langs hele kanten, ses der en ringe grad af akklimering i færdiguviklede blade. Det er altså i høj grad andelen af ikke optaget plads i mesofylcellerne som gør at nogle arter er i stand til at akklimere færdigudviklede blade i større grad end andre.
Udover at være billigere i konstruktionsomkostninger grundet deres ringe tykkelse tillader den ringe tykkelse et større total areal af bladet, hvilket forbedre plantens lysabsoprtion mere end hvis den dobbelt mængde N var investeret i det halve bladareal (Bjorkman 1981;
Niinemets 2007). Andelen af absorberet lys reduceres relativt mere i et skyggeblad i forhold til et solblad når mesofylvævet fyldes med oile (DeLucia et al. 1996). Når lys rammer en grænseflade, der er i stand til at sprede lyset via reflektering, fungerer dette som en lysfælde (Vogelmann 1993). Grænsefladen mellem mesofylcellerne og luften inde i svampevævet har disse karakteristika. Bladet virker derfor som en lysfælde, og absorbtionen øges med
efterfølgende gavnlige effekt på den daglige carbon balance. Ved at fylde bladets svampevæv med olie ændres grænsefladen og dermed også dens karakteristika, sådan at lyset ikke
længere fanges i samme grad. Denne effekt er selvfølgelig målbar i både et sol- og skyggeblad, men andelen absorptionen sænkes med er relativt størst for skyggebladet.
Epidermiscellernes evne til at fokusere lys har også givet ophav til spekulationer om, hvordan dette er fordelagtigt under lav lysintensitet (Vogelmann 1993). Selvom nogle studier har vist, at løvtagets samlede fotosynteserate er højere under diffust lys kontra direkte lys (Roderick et al. 2001; Farquhar and Roderick 2003), tyder det ikke på, at dette skyldes epidermiscellernes evne til at fokusere lys(Brodersen and Vogelmann 2007; Brodersen et al. 2008).
16/51 Skyggebladet ser altså ud til at absorbere en så stor andel af lyset som muligt, mens solbladet via palisadecellernes lysfacilitering og epidermiscellens fokusering tillader at lyset trænger dybt ned i bladet, sådan at så meget muligt kloroplastareal kan eksponeres.
2.6 Allokering på bladniveau
Alokkering er indirekte blevet berørt i forgående afsnit, da en tykkere kutikula eller blad nøvendigvis må kræve mere biomasse, som ellers kunne have været brugt et andet sted i planten. Dette afsnit vil forsøge at besvare, hvordan fordelingen af biomasse varierer i forhold til mængden af lys planten modtager. Brouwer (1983) fremsatte en hypotese, som siger at fordeling af biomasse ændres afhængigt af miljøpåvirkningen, sådan størst mulig optag af den begrænsende faktor opnåes. Hvis lys begrænser væksten, vil mere biomassen i højere grad allokeres til de organger, som står for at absorbere lys. Under lysbegrænsede forhold vil der altså investeres mere biomasse i blade. Under forhold hvor lys ikke begrænser, allokeres der mere biomasse til rødder, hvis næring eller vand er begrænsende for plantens vækst. I forbindelse med fortolkningen af forsøg, der undersøger allokeringsmønsteret, kan der opstå nogle problemer, da allokeringsmønsteret skifter i forhold til plantens alder. En nyspirret frøplante vil fra start have en høj andel af rødder i forhold til overjordisk biomasse (R:S ratio). I takt med at planten vokser dannes der flere blade og R:S ratioen falder. Dette skift skyldes ikke miljøpåvirkninger men udelukkende ontogenetisk skift i allokeringen, planten følger sin allometriske bane (Weiner 2004). I tillæg til dette korrelerer alder og størrelse ikke i nær samme grad som hos. f. eks. dyr. For nærmere diskusion af denne problematik henvises der til Weiner (2004), da dette er et for omfattende emne her. Poorter and Nagel (2000) argumenterede for, at den klassiske opdeling af over- og
undergrundsbiomasse blev yderligt opdelt, sådan at overgrundsbiomasse opdeles i fraktionen udgjort af hhv. blade (LMF) og stamme (SMF). Via en metaanalyse viste de, at LMF faldt med stigende lysintensitet. Udover en mindre LMF faldt SMF også. Fraktionen af rødder (RMF) steg til gengæld med stigende lysintensitet, hvilket indikerer, at biomassen fra bladene og stammen i stedet blev brugt til at danne rødder. Dette er i overenstemmelse med Brouwers hypotese. Undersøges de individuelle studier, som metaanalysen bestod af, finder man studier, der ikke understøtter Brouwers hypotese. Andre studier udgivet efter metaanalysen støtter umiddelbart heller ikke Brouwers hypotese i forhold til LMF (Poorter 2001). Årsagen til dette kan være, at studierne ikke har taget bladets levealder i betragtning, da sol og
skyggeblade er forskellige i både levetid og tilbagebetalingsomkostninger (Poorter et al.
2006).
17/51 N allokering til forskellige blade afhænger af lysintensiteten(Hirose and Werger 1987a, 1987b). For bladet gjorde det sig gældende at når hver kloroplast fotosyntetiserer omkring sit lysmætningspunkt opnåes den højeste A for hele bladet (Terashima and Saeki 1985). Et tilsvarende scenarie gør sig gældende for bladene og hele planten, da planten som helhed opnår den højeste A, hvis hvert enkelt blad fotosyntetiserer omkring sit lysmætningspunkt.
Dette kan ske ved at sende mere lys ned igennem løvtaget eller ved en skæv fordeling af N mellem de øverste og nederste blade, sådan at N afspejler lysgradienten ned igennem
løvtaget. Via deres model viste Hirose and Werger (1987a) at den observerede fordeling af N var mere ensartede, end hvad modellens optimum angav. Dog gav den observerede fordeling stadig ophav til højere A end for en helt ensartet N-fordeling.
Kloroplastakklimering 3.1 Kloroplasten
Antallet af kloroplaster per areal stiger i takt med stigende lysintensitet, hvilket skyldes flere celler per areal (Chow et al. 1988) grundet det tykkere blad (se afsnit 2.5). Udover at der bliver færre kloroplastere under lav lysintensitet, bliver selve kloroplasten større og i højere grad fyldt ud med thylakoidmembran, samtidig med at granumdannelsen øges (Anderson et al. 1988). Det større antal kloroplaster ved høje lysintensiteter giver mulighed for et større kloroplastvolumen per bladareal til fotosyntesens enzymer, som befinder sig inde i
kloroplasten (Oguchi et al. 2006). Den store kloroplast med meget thylakoidmembran gør, at bladet kan have et højt klorofylindhold per bladareal på trods af det mindre antal kloroplaster per areal (Bjorkman 1981; Anderson et al. 1988). Thylakoidmembranen udgører en stor del af kloroplasten, og i denne membran finder lysabsorptionen sted. Dette sker via de to fotosystemer (PS1 og 2), hvor hvert PS består af et reaktionscenter (RC) forsynet af op til flere lyshøstningskomplekser (LHC). Fælles for RC og LHC er at de består af
lysabsorberende pigmenter indlejret i et proteinskellet, mens kun RC har redoxkomponenter tilknyttet (Croce and van Amerongen 2014). I RC i PS2 findes P680, mens P700 findes i PS1.
De to RC har forskellige absorbstionspektre (Wientjes et al. 2013). PS1 og 2 er knyttet til hver deres særskilte region af thylakoidmembranen (Anderson 1986). PS1 er knyttet til den eksponerede region forstået på den måde, at den eksponeres imod stroma, mens PS2 er knyttet til den sammentrykte region og er eksponeret mod en anden thylakoidmembran.
Forholdet imellem PS1 og 2 varierer i forhold til lysintensiteten, hvilket andelen af eksponeret og sammentrykt membran også gør (Anderson et al. 1988). Udover PS findes ATP syntasen også i membranen og er ligesom PS1 tilknyttet den eksponerede del af
18/51 membranen (Miller and Staehelin 1976). I membranen findes der også et tredje kompleks kaldet cytochrome b/f kompekset (cyt b/f), hvilket er involveret i protonpumpning fra
thylakoidlumen og ud i kloroplastens stroma. Dette kompleks modtager elektronener fra PS2 via plastoquinon (PQ), elektronen transporteres videre til PS1 via plastocyanin (PC), og i sidste ende reduceres NADP til NADPH, som efterfølgende forbruges af Rubisco under CO2 reduktionen (Lambers et al. 2008) s. 11-15. Hvert trin undervejs fra PS til CO2 udgør et muligt reguleringspunkt, sådan en optimal balance imellem de forskellige trin opnåes. De efterfølgende afsnit vil beskæftige sig med nogle af disse trin, og hvordan de reguleres sådan en mere favorabel A opnåes i forhold til ingen regulering.
3.2 Fotosystem 1 og 2
Forholdet imellem PS1 og 2 varierede i forhold til lysintensiteten, men tidlige forsøg har givet resultater af tvetydig karakter (Anderson et al. 1988). Årsagen til dette kan skyldes, at både intensiteten og kvaliteten af lyset påvirker forholdet imellem PS1 og 2 med størst effekt af kvaliteten (Chow et al. 1990) og at responsen er artsafhængig (Murchie and Horton 1998).
Ændringer i mængden af PS2 for hhv kvalitet og kvantitet er i hver sin retning (Anderson et al. 1995). Ændringerne i forholdet skyldes ikke ændringer i mængden af PS1 da denne er relativt konstant, men derimod ændringer i mængden af PS2 (Rochaix 2014). Udover at ændre forholdet imellem PS1 og PS2 kan der ske ændringer i mængden af LCH2, der forsyner PS2 men overraskende nok kan LCH2 også forsyne PS1, mens forholdet imellem PS1 og LHC1 er konstant (Ballottari et al. 2007). Under forhold med lav lysintensitet opreguleres mængden af LHC2 for at kompensere for den mindre mængde lys og omvendt under forhold med høj lysintensitet, sådan overeksitering og efterfølgende skader undgåes.
Ændringer i kvaliteten af lyset forsager at LHC2 migrerer imellem PS1 og 2 sådan en balance imellem de to systemer opnåes, og overeksitering undgåes (Rochaix 2014). Lyskvaliteten under et løvtag er beriget i langbølget rødt lys (Smith 1982). Denne type lys absorberes primært af PS1, sådan at PS1 overeksiteres i forhold til PS2 i skygge. Ved at LHC2 migrerer mellem PS1 og 2, sikres det at PS1 og 2 eksiteres i lige høj grad. For en mere detaljeret og molekylær forklaring af reguleringmekanismerne bag migrationen imellem de to PS’er og op og nedreguleringen af LHC2 henvises der til Rochaix (2014) og Eberhard et al. (2008).
Ratioen mellem klorofyl a og b (chl a/b ratio) mentes at afspejle forholdet mellem PS og LHC, da PS kun indeholder klorofyl a mens LHC indeholder klorofyl a og b (Anderson et al.
1988). Dette har været brugt til at vurdere akklimeringen. En lav chl a/b ratio afspejlede en større investering i LHC da klorofyl b ikke findes i PSerne. Sidenhen er der sket større
19/51 fremskridt indenfor, hvordan PS og LHC er opbygget samt deres indbyrdes forhold. Dette er sket i forbindelse med mere avancerede tekniker især indenfor molekylærbiologien. På trods af at den oprindelig model for LHC og PS har ændret sig, har validiteten af klorofyl a og b ratioen, som målestok for om akklimering har ført til en større effektivitet i
lyshøstningen(flere LHC) eller en større kapacitet for omsætningen(flere PS) af fotoner, ikke ændret sig (Rochaix 2014).
3.3 Xantofylcyklussen
Udover klorofyl a og b findes der andre typer af pigmenter i thylakoidmembranen i forbindelse med PSerne. Tre af disse pigmenter er violaxanthin (V), antherxanthin (A) og zeaxanthin (Z), som tilsammen udgøre xantofylcyklussen (VAZ) (DemmigAdams and Adams 1996). De tre pigmenter adskiller sig fra hinanden ved antallet af epoxidgrupper.
Epoxidgrupperne har betydning for antallet af dobbeltbindinger og den steriske
konformation. Man har været bekendt med VAZ og at planter er i stand til at skaffe sig af med overskudsenergi fra lys via en pH afhængig mekanisme i længere tid (DemmigAdams and Adams 1996). Forbindelsen imellem disse to processer blev først opdaget via indirekte evidens (Demmig et al. 1987) men sidenhen er der kommet mere direkte evidens (Bilger and Bjorkman 1990). Mekanismen bag denne regulering imellem de tre pigmenter er forslået at ske på følgende måde (DemmigAdams and Adams 1996; Lambers et al. 2008) s. 11-15. Når lys absorberes af PS2 eksiteres en elektron fra H2O som efterfølgende henfalder i
energiniveau via en række kontrolerede rekationer. Denne proces sker via
elektrontransportkæden i thylakoidmembranen. Energien fra disse henfald pumper protoner ind i thylakoidlumen, sådan pH-værdien sænkes, og elektronen reducerer til sidst NADP til NADPH. pH forskellen imellem thylakoidlumen og stroma kobles til ATP dannelse via ATP syntasen. Hvis ATP syntasen ikke forbruger protongradienten med samme hastighed som den opretholdes, forsurres lumen mere og mere. Deepoxideringen imellem V, A og Z er pH afhængig. En lav pH favoriserer omdannelsen af V og A til A og Z, mens høj pH favoriserer omdannelsen af Z og A til A og V. Z påvirker LHC2 via konformationsændringer sådan at nogle af fotonerne omsættes til varme i stedet for at blive brugt i fotosyntesen. Derudover har Z yderlig en rolle i form af antioxidant (Jahns and Holzwarth 2012). En forudsigelse baseret på denne mekanisme vil være at solplanter vil have en højere andel af Z i forhold til en skyggeplante. Denne forudsigelse er understøttet af flere forsøg, hvor man kan se at andelen af Z i forhold til A og V stiger med stigende lysintensitet (DemmigAdams and Adams 1996;
Grace and Logan 1996). Udover at andelen af Z stiger, stiger størrelsen af hele VAZ puljen i
20/51 forhold til bladareal eller klorofylindhold også (DemmigAdams and Adams 1996; Grace and Logan 1996; Niinemets et al. 2003). Det har også vidst sig at konverteringen af Z tilbage til A og V er langsommere når planten har vokset ved høj kontra lav lysintensitet, hvilket svarer til en form for hukommelse, der kan ”huske” det tidligere lysmiljø (Jahns and Holzwarth 2012).
3.4 Elektrontransport og Rubisco
Tre overordnede processer er involveret fra absoprtionen af fotonen til reduktionen af CO2. De tre processer er lysabsorptionen, den efterfølgende elektrontransport frit men også
tilknyttet thylakoidmembranen og PS1 og 2, og til sidst selve reduktionen. Disse tre processer har ikke ens rekationshastigheder (Lambers et al. 2008) s. 14. Fotokemien er hurtigst
efterfulgt af elektrontransporten og langsomst er reduktionen af CO2. Dette kan have
implikationer for mængden i hver af de tre processer. Elektron transport i PS1 og 2 er blevet behandlet tidligere, hvor man så hvordan PS1 og 2 varierede i forhold til lysintensiteten for at balancere absorsption og efterfølgende elektrontransport i PS komplekserne (afsnit 3.2). I forlængelse af dette kunne man forestille sig en regulering af elektrontransportkapaciteten imellem PS1 og 2, og tilsvarende en regulering i raten af NADPH forbruget, når
lysintensiteten variede. Cyt b/f, PQ og PC som alle er involveret i elektrontransporten mellem de to PS’er stiger med stigende lysintensitet (Leong and Anderson 1984; Anderson et al.
1988; Schottler and Toth 2014).
Reduktionen af CO2 sker via flere enzymer, men da Rubisco er det enzym som udgøre den største andel af enzymer i bladet (Hopkins and Huner 2009) s. 88, vil fokus være på dette enzym, selvom andre enzymer i forbindelse med reduktionen også må forventes at blive reguleret. Aktiviteten af Rubisco kan reguleres på kort sigt via aktiveringen af Rubisco (Parry et al. 2008), men også på længere sigt, hvis mængden af Rubisco ændres. Sidstnævnte vil blive behandlet her, for gennemgang af korttidsregulering henvises der til Parry et al. (2008).
Ud fra rent morfologiske betragtninger vil man forvente et højere Rubisco indhold i kloroplasten når lysintensiteten stiger. Årsagen til dette er at solplanter har mindre thylakoidmembran i kloroplasten (Anderson et al. 1988), hvilket gør, at de potentielt kan have mere Rubisco, som befinder sig i kloroplastens stroma. På basis af bladareal vil Rubisco indholdet også stige i en solplante, da bladet indeholder flere celler per areal og hver celler indeholder flere kloroplastere (Lambers et al. 2008) s. 34. Dette vil også give mening ud fra et fysiologisk perspektiv. Elektrontransporten udviste større kapacitet med stigende
lysintensitet, og disse elektroner skal derfor også omsættes i højere grad (Evans and Poorter
21/51 2001). Der bruges ikke NADPH af Rubisco, men det gør de efterfølgende trin i reduktionen af CO2, hvorfor det kunne forventes at Rubisco indholdet ville øges. Hvis mængden af Rubisco ikke er begrænsende for Amax, eller at NADPH i høj grad kan forbruges andre steder, vil man ikke forvente at se en korrelation mellem Rubisco og Amax. Bjorkman (1981) viste at der var en stærk korrelation (r2 = 0,96) imellem Amax og Rubisco aktiviteten. Dette gjorde han via indsamlede data fra 11 forskellige arter, som var blevet dyrket ved forskellige
lysintensiteter. Nogle arter var repræsenteret af både soladapterede og skyggeadapterede genetisk isolerede populationer.
3.5 Allokering på kloroplastniveau
Mængden af N per bladareal varierer mellem sol og skyggeplanter, med mest N per areal i solplanter (Lambers et al. 2008) s. 34. Andelen af N allokeret til proteiner i
thylkaoidmembranen varierer afhænigt af den undersøgte art. Den generelle respons menes at være, at andelen af N allokeret til enzymer i forbindelse med Calvin-cyklussen stiger med stigende lysintensitet. Dette sker på bekostningen af mindre N til thylakoidmembranen (Evans 1989). Hvis kun den andel af N, der allokeres til thylakoidmembranen betragtes, ser man også variationer i denne i forhold til lysintensiteten. Allokering i thylakoid membranen af N kan enten ske til lyshøstning eller til elektrontransport. Fordelingen er sålede at ved høj lysintensitet investeres der en større andel N i elektrontransport på bekostning af N til lyshøstningen og omvendt under lav lysintensitet. (Evans 1987; Lambers et al. 2008) s. 34.
Dette kunne forståes ud fra eksitationspresset på de forskellige komplekser (se afsnit 3.2).
Her vil det blive betragtet ud fra et N økonomisk perspektiv. LHC består af en høj andel pigment per protein i forhold til PS (Evans 1987; Croce and van Amerongen 2014). Årsagen til dette er at der findes en større andel protein i PS’erne, som har til formål at orientere pigmenterne. I forlængelse af dette indeholder PS’erne forskellige redoxkomponenter som ikke findes i LHC. Dette gør at en opregulering i LHC fremfor PS, giver en mere effektiv lyshøstning i forhold til investeringen af N i proteiner. N allokering varierer ikke kun med lysintensiteten men også med mængden af N, samt interaktion imellem N og lysintensitet.
Ovenstående er derfor baseret på at planterne har adgang til rigeligt N, og ikke er begrænset af N. Der henvises til Hikosaka and Terashima (1995) for en model der beskriver effekten af både lysintensiteten og adgang til N.
22/51
Light attenuation and photosynthetic
acclimation in Typha latifolia, a productive
wetland species with erect linear leaves
23/51 Introduction
Light can be strongly attenuated through plant canopies, due to light absorption by plant tissue, which creates a gradient in the light environment experienced by individual leaves.
The magnitude of the gradient depends on several factors, such as structural and chemical properties of the leaf itself but also the arrangement of leaves in relation to each other in the canopy (Hirose 2005). Leaves are plastic in response to their light environment (Bjorkman 1981) and will acclimate to the light intensity at a given height in the canopy,ensuring that photosynthesis can optimally exploit incident radiation to maximize canopy photosynthesis (Hirose and Werger 1987a). Higher overall canopy photosynthesis also depends on the leaf angle compared to the incident light, as vertically inclined leaves, such as those of grasses, should have a higher leaf area index (LAI) compared to more horizontal leaves, such as those of broad leaved species, to maximize overall canopy photosynthesis in full light conditions (Hirose 2005). The mechanism behind the higher overall canopy photosynthesis is an even distribution of photons between the leaves in the canopy, and acclimation of individual leaves, and even individual chloroplasts, such that no individual leaf is operating above its light saturation point (Ik), and thereby wasting excitation energy (Terashima et al. 2006).
Freshwater marshes and swamps are known to possess some of the highest net primary production (NPP) of any ecosystem on earth (Westlake 1963; Whittaker 1975;
Wetzel 1992; Rocha and Goulden 2009), and this may be in part due to the widespread dominance of tall graminoids with such vertically aligned leaves, together with their high nutrient and water availability. Nitrogen (N) is known to scale positively with light saturated photosynthesis (Amax) (Evans 1989) and the high NPP can be related to high nutrient supply, and also to the ease of access to water (Keefe 1972). Water is lost as an inevitable
consequence of CO2 assimilation, but as water is plentiful and unlimiting in a freshwater wetland habitat, few of the negative consequences normally associated with water stress and desiccation at high transpiration (T) rates would be expected. This can allow very high stomatal conductances (gs) in wetland plants, and could potentially uncouple the general close relationship between gs and Amax in plants (Wong et al. 1979). Others have ascribed the high productivity to high carbon use efficiency (CUE), as respiratory requirements would be lower when N is supplied in the form of ammonium instead of nitrate and high allocation to leaves rather than to stems and roots (Rocha and Goulden 2009).
The possible importance of the linear leaf growth form for maximising light
penetration and maintaining extreme high photosynthesis rates and productivity in freshwater wetland plants in nature has not been widely studied. The prevalence of basal meristems in
24/51 such plants also allows additional plasticity in response to light. Leaves produced by species with apical meristems will with time experience increased self-shading at the lower leaves, because new leaves are produced above the older leaf. As the leaf ages it will at some point be shed when light intensity becomes low enough (Ackerly 1999). The situation is different in species with basal or intermediate meristems, such as those that frequently dominate nutrient-rich wetlands. Leaves will still be shed at some point, but the oldest part of the leaf will be at the leaf tip. The leaf will emerge from the leaf sheath and over time is pushed upwards, by further cell division and expansion in the growth zone.
One genus featuring species with particularly high productivity, basal growth and capabilities to make dense monospecific stands in wetlands is Typha (Grace and Harrison 1986; Miao et al. 2000). The Typha growth form allows a higher proportion of light to penetrate down to the lower layers, i.e. less light attenuation, compared to other species from the same habitat, but with less vertically inclined leaves (Hirtreiter and Potts 2012). The high productivity, basal growth, and low light attenuation make this genus an interesting study subject in regards to light acclimation, which seldom has been studied in these kinds of plants.
The main purpose of this study was therefore to investigate how the Typha growth form, featuring erect linear leaves and potentially lower light attenuation could affect light acclimation in Typha latifolia L. when grown under optimal water and nutrients supply, both in laboratory and field conditions. Specifically we aimed to test two hypotheses regarding photosynthesis in high light conditions. First, that the linear growth form minimizes self- shading and hence allows T. latifolia to maintain high photosynthetic rates and sun adapted photosynthetic light responses throughout its canopy. Second, that the pigment content and composition will reflect the amount of light experienced at different heights in the canopy.
Materials and methods
Laboratory study: Plant material and growth conditions
Seeds of T. latifolia were collected at Femmøller Beach, 50 km north of Aarhus, Denmark, in February 2015. Seeds were planted in peat soil and later transferred to beach sand. Plants of similar size and in good conditions were selected and transplanted from sand to individual indoor 1.4 L hydroponic glass jars darkened with black plastic in April 2015. Plants were mounted in the jars with polystyrene lids. The lids had a hole in the middle for the plant and great care was taken to ensure that the stem was not mounted to tight. With time the stem expanded and the hole was subsequently made bigger. The nutrition solution consisted of
25/51 0.01% (w/w) “Grøn Pioner NPK 19-2-15 + Mg” and 0.001‰ (w/w) “Mikro plus with iron”
(Brøste, Lungby, Denmark).
The plants were distributed evenly in a growth chamber (Bio 2000S, Weiss
Umwelttechnik GmbH, Lindenstruth, Germany) programmed with a day:night cycle of 16 h light:8 h dark, 22 oC:18 oC, 70% RH:80% RH and a light intensity of 600 µmol m-2 s-1 PAR.
After eight days’ pretreatment under these conditions, a high (HL) and low light (LL)
treatment were made by shading 12 of the 24 plants with neutral density shading cloth. Light intensities were measured with a Li-COR LI-250 light meter and HL had a light intensity at the top of the plants of 700 µmol m-2 s-1 PAR whereas LL had 200 µmol m-2 s-1 PAR. One of the HL plants died and reduced the number of replicates for this treatment to 11. Water levels were checked three times per week. Water was alternately added or completely changed with fresh nutrient solution in the cultures. After 35 days under HL or LL, measurements were started.
Field study: Study site and plant selection
The site was located north of Aarhus and east of Egå Engsø in east Jutland (56.2175N 10.23448E), a restored wetland, which was reflooded in 2006 and colonized naturally by T.
latifolia. Egå Engsø is fed with water from Egå Stream and Ellebækken creek and discharges into Aarhus Bay through the town of Egå. The sediment consists of a 30 cm deep layer of organic matter and the nutrient content of the sediment is… East Jutland has an average rainfall of 722 mm year-1. Average mean temperature during the year is 7.7oC with an average night and day temperature of 3.8oC and 11.4oC (www.dmi.dk). A total of 10 plots in the T. latifolia vegetation were chosen for the experimental procedure, five in which
individual shoots were not shaded by other vegetation (Open stand, O) versus five in the middle of a dense monospecific stand where there was intense self-shading (Dense stand, D).
Plants were not selected at randomly but instead the most densely shaded plants in D and least shaded plants in O were chosen.
Light environment
Light profiles were made to characterize the light environment in both the laboratory and field experiments. Light intensities were measured with two Li-COR LI-250 light meters in the field. One was situated above the canopy to account for variation in incident radiation while the other was used to measure light intensities at a given height. Profiles were made in the field for both within the monospecific D stand and the other in the O area. For the O-area
26/51 light intensities was measured 0, 40, 80, 120 and 160 cm above ground and in the D-plot 20, 60, 100, 140 and 180 cm above ground. Light intensity was measured five times at each height to produce an average.
In the laboratory experiment a light profile was made for both the HL and LL
treatment. In the HL treatment light intensities were measured 21, 41 and 61 cm from the top of the chamber and in the LL treatment 51, 71, 91, 111 and 130 cm from the top. For both treatments measurements were made in each corner and in the middle of the rectangle produced by the corner measurements.
Gas-exchange measurements
For both the field and laboratory experiment, gas-exchange measurements were made with a portable LI-6400 XT infrared gas analyser (IRGA), (LI-COR Biosciences, Inc., Lincoln, NE, USA). Light response curves were measured at 2500, 2000, 1500, 1000, 500, 250, 120, 60, 30, 15 and 0 µmol m-2 s-1 PAR with a minimum waiting time of 90 s and a maximum of 180 s per light intensity. Measurements were made in the order of high to low light to avoid CO2 limitation of photosynthesis due to a sluggish stomata response. Light was supplied from the built in red-blue 6400-02B LED array. The leaf chamber was air conditioned at 20oC in the field and at 22oC in the laboratory experiment. CO2 was set to 400 µmol L-1 and the air flow 500 µmol s-1. The humidity in the incoming air ranged from 10-50% RH during
measurements in the laboratory and 45-80% RH in the field. For both experiments a fully developed and mature set of leaves were selected. All measurements were conducted between 09.00 and 15.00 h. In the growth chamber experiment measurements were made on a
segment of the leaf on the HL treated plants at a height corresponding to a light intensity of 700 µmol m-2 s-1. On the LL treated plants measurements were made on two sections of the same leaf. The first measurement was at a height corresponding to a light intensity of 150 µmol m-2 s-1 (LLB), and the second corresponding to 250 µmol m-2 s-1 (LLT). These were at different heights due to heterogeneity in the light environment in the growth chamber. The leaf segments used for gas-exchange measurements were excised and divided into two sections. One section was stored at -80oC for later pigment analysis. The other section was used for specific leaf area measurements.
In the field experiment gas-exchange measurements were made on two segments of the same leaf. These two segments were respectively 15cm (T) and 70cm (B) from the tip of the leaf and were made on plants from the O-stand and D-stand. After gas-exchange
27/51 measurements the segments were divided into two sections. One was stored at -80oC for later pigments analysis. The other was used for specific leaf area measurements.
To obtain parameters from the light response curve, data was fitted according to the curve described by Prioul and Chartier (1977)with the program Photosynthesis Assistant software (Version 1.1, Dundee Scientific, Dundee, UK).
√( )
Where An is the photosynthetic rate, Φ is the quantum yield, Amax is the light saturated photosynthetic rate, I is the intensity of the incoming light, θ is the convexity of the light response curve and Rd is dark respiration.
Fluorescence measurements
Fluorescence measurements were made with a portable fluorometer (PAM-2000, Walz Mess- und Regeltechnik, Germany). The effective quantum yield of photosystem II (Fv/Fm ratio) was measured after dark incubating the plants for 1 h. Measurements were conducted in very dim ambient light. Fluorescence measurements were only made on plants from the growth chamber experiment, and were made on the leaf from the selected mature leaf pair that was not used for gas-exchange measurements. Great care was taken to ensure measurements were at the same height as gas-exchange measurements were made. After the fluorescence
measurements, the segment measured was removed and divided into two sections. One section was used for porosity measurements, and the other for stomatal density.
Morphological measurements
For both the field experiment and growth chamber experiment, specific leaf area and stomatal density were measured, while leaf porosity, total leaf area and total shoot biomass were also measured for the growth chamber experiment. For specific leaf area the area of the sections was obtained with a Li-COR LI-3100 area meter in the growth chamber experiment and with a ruler for the field experiment. For both experiments, fresh weights of the section were determined (precision 0.1 mg). After drying at 70 oC for a minimum of 24 hours, sections were re-weighed for dry weight.
To obtain the stomatal density a negative imprint of the fresh leaf was made with dentist impression gum (elite HD+ light fast vinylpolysiloxane (addition silicone) impression
material) and returned to the laboratory. In both experiments measurements were done on the second leaf of the pair selected, i.e. the one not used for gas-exchange measurements. Great
28/51 care was taken to ensure measurements were done at the same height as gas-exchange
measurements were made. In the laboratory a positive imprint was made with nail polish (GOSH clear nail polish) and transferred to a slide and number of stomata was obtained from a picture taken with a light microscope (Leica DM4000B microscope and Leica application suite 3.8.0).
Porosity was measured with a pycnometer (Burdick 1989). First fresh weight of the leaf was measured (FW) and then the pycnometer filled with water (Wwater). Then the weight of the pycnometer filled with water and the leaf section (Wwater+leaf). After that the leaf section was homogenised and more water added to the pycnometer it was then weighed again
(Whomo). Finally the porosity was calculated.
Great care was taken to ensure that the temperature of the water was constant during measurements.
Ten days after measurements were started, all plants were harvested and total leaf area was measured with a Li-COR LI-3100 area meter before drying at 70oC for a minimum of 24 hours and for dry weight.
Pigment analysis
Analysis of pigments by HPLC was conducted on plants from both the field experiment and the growth chamber experiment. Extraction was done according to (Thayer and Bjorkman 1990) with some modifications. The frozen leaf was ground in liquid nitrogen and
approximately 40 mg was added to 5 mL cold acetone in a Tenbroeck tissue grinder
(Wheaton). The sample was then ground and sparged with N2 for 5 min. and centrifuged for 5 min at 5000 rpms at 5oC. The supernatant was removed and extraction procedure was
repeated. The two extractions were pooled and filtered through a 0.45 µm PTFE filter.
Samples were kept cold during the extraction and performed in dim light.
The extract was then analysed using a high-performance liquid chromatography (HPLC) Thermo Scientific Ultimate 3000 equipment provided with a with a diode array detector (DAD), automatic sampler and column oven. The analysis was done according to (Hou et al. 2011) with some modifications. The samples were separated on a Kinetex 2.6μ C8 100 Å column (100 mm × 3.0 mm ID) using methanol:1M ammonium acetate (70:30) as
