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Como a concentração de CO₂ afeta a fotossíntese?

Como a concentração de CO₂ afeta a fotossíntese?



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Eu ouvi a teoria de que com o aumento do CO2 no ar, a velocidade da fotossíntese aumentaria, limitando assim o aumento de CO2 níveis.

Qual é atualmente o fator limitante da taxa de reações fotossintéticas em plantas? É realmente CO2, ou melhor, a energia limitada que uma planta pode absorver da luz solar?


o etapa de limitação da taxa de fotossíntese é o CO2 enzima assimiladora Rubisco (abreviação de ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase / oxigenase) (Jensen, 2000). Ele usa ribulose-1,5-bisfosfato e CO2 como substratos para gerar glicose.

Dado que Rubisco é a etapa limitante da taxa na fotossíntese, um aumento em seu substrato CO2 levaria a um aumento na fotossíntese. No entanto, a regulamentação da Rubisco é complexa e é influenciada não só por CO2, mas também por O2 (que concorre com CO2 para o site ativo), Mg2+ e uma enzima reguladora chamada Rubisco ativase (Jensen, 2000). Conseqüentemente, os efeitos de um aumento no CO atmosférico2 pode ser mais complexo do que simplesmente melhorar a fotossíntese aumentando a atividade de Rubisco.

Na verdade, uma revisão de Poorter (1993) mostrou que uma duplicação do CO2 levam a um aumento médio na fotossíntese de apenas 37% em mais de 150 espécies de plantas. Ele descreve vários fatores que determinam as taxas de fotossíntese além do CO2:

  1. Um fator que limitou a fotossíntese sob alto CO2 era nitrogênio (N). Como a rubisco é uma enzima, ela deve ser sintetizada a partir de aminoácidos. Como Rubisco constitui cerca de 30% da proteína total em uma folha de planta, Rubisco é provavelmente a proteína mais abundante na terra e um grande sumidouro de nitrogênio vegetal (Jensen, 2000). Por exemplo, C3 espécies capazes de simbiose com N2-organismos fixadores tiveram maiores aumentos de crescimento em comparação com outros C3 espécies sob alto CO2;
  2. Certas plantas utilizam CO2 melhor do que outros. Espécies CAM foram os menos responsivos, seguidos por C4 plantas, enquanto C3 as plantas aumentaram mais suas taxas de fotossíntese sob alto CO2. Exemplos de C3 as plantas são plantas herbáceas (Poorter, 1993);
  3. Plantas com um grande taxa de crescimento intrínseca pode se beneficiar mais de alto CO2. Diz-se que essas plantas têm um alto força de afundamento, à medida que convertem rapidamente produtos adicionais de fotossíntese em crescimento.

Referências
- Jensen, PNAS (2000); 97(24): 12937-38
- Pobre, Veg (1993);104/105: 77-97


Impactos do aumento da concentração de CO2 atmosférico na fotossíntese e no crescimento de micro e macroalgas

A fotossíntese marinha impulsiona a bomba de CO (2) biológico oceânico para absorver CO (2) da atmosfera, que afunda mais de um terço do CO (2) originado na indústria para o oceano. O aumento do CO atmosférico (2) e o subsequente aumento de pCO (2) na água do mar, que altera o sistema carbonático e as reações químicas relacionadas e resulta em pH mais baixo e concentração de HCO (3) (-) mais alta, afetam a fixação fotossintética de CO (2) processos de espécies fitoplanctônicas e macroalgas de forma direta e / ou indireta. Embora muitas espécies unicelulares e multicelulares possam operar mecanismos de concentração de CO (2) (CCMs) para utilizar o grande reservatório de HCO (3) (-) na água do mar, CO (2) enriquecido até várias vezes o nível atmosférico atual foi mostrado para aumentam a fotossíntese e o crescimento de ambas as espécies fitoplanctônicas e macro que têm menos capacidade de CCMs. Mesmo para as espécies que operam CCMs ativos e aqueles cuja fotossíntese não é limitada por CO (2) na água do mar, níveis aumentados de CO (2) podem regular negativamente seus CCMs e, portanto, aumentar seu crescimento em condições de limitação de luz (em CO mais alto (2) ), menos energia luminosa é necessária para conduzir o CCM). Desempenhos fisiológicos alterados sob condições de alto CO (2) podem causar alteração genética em vista da adaptação em uma escala de tempo longa. As algas marinhas podem se adaptar a um ambiente oceânico de alto CO (2), de modo que as comunidades evoluídas no futuro provavelmente serão geneticamente diferentes das comunidades contemporâneas. No entanto, a maioria dos estudos anteriores foi realizada em condições internas sem considerar os efeitos acidificantes na água do mar pelo aumento de CO (2) e outros fatores ambientais interagentes, e pouco foi documentado até agora para explicar como a fisiologia dos produtores primários marinhos atua em um oceano de alto CO (2) e baixo pH.


Fotossíntese dinâmica em diferentes condições ambientais

A irradiância incidente nas folhas das plantas costuma flutuar, causando fotossíntese dinâmica. Enquanto as respostas fotossintéticas em estado estacionário aos fatores ambientais têm sido extensivamente estudadas, o conhecimento da modulação dinâmica da fotossíntese permanece escasso e disperso. Esta revisão aborda essa discrepância, resumindo os dados disponíveis e identificando as questões de pesquisa necessárias para avançar nossa compreensão das interações entre os fatores ambientais e o comportamento dinâmico da fotossíntese usando uma estrutura mecanística. Em primeiro lugar, a fotossíntese dinâmica é separada em subprocessos relacionados ao transporte de prótons e elétrons, extinção não fotoquímica, controle do fluxo de metabólitos através do ciclo de Calvin (estados de ativação de regeneração de Rubisco e RuBP e turnover de metabólito pós-iluminação) e controle de Suprimento de CO₂ para Rubisco (mudanças de condutância estomática e mesofila). Em segundo lugar, a modulação da fotossíntese dinâmica e seus subprocessos por fatores ambientais é descrita. Aumentos na concentração de CO₂ ambiente e temperatura (até

35 ° C) aumentam as taxas de indução fotossintética e diminuem sua perda, facilitando a fotossíntese dinâmica mais eficiente. Dependendo da sensibilidade da condutância estomática, a fotossíntese dinâmica pode, adicionalmente, ser modulada pela umidade do ar. Existem grandes lacunas de conhecimento em relação à modulação ambiental da perda de indução fotossintética, mudanças dinâmicas na condutância do mesofilo e a extensão das limitações impostas pela condutância estomática para diferentes espécies e condições ambientais. O estudo de mutantes ou transformantes genéticos para processos específicos sob várias condições ambientais pode fornecer um progresso significativo na compreensão do controle da fotossíntese dinâmica.

Palavras-chave: Assimilação de CO2 Dióxido de carbono flutuante irradiância luz transientes luz solar mancha solar temperatura déficit de pressão de vapor.


O efeito da concentração de oxigênio na fotossíntese em plantas superiores

A influência da concentração de oxigênio na faixa de 0 a 21% na fotossíntese em folhas intactas de várias plantas superiores foi investigada.

Photosynthetic Co2 a fixação de plantas superiores é marcadamente inibida pelo oxigênio em concentrações abaixo de 2%. A inibição aumenta com a concentração de oxigênio e é de cerca de 30% em uma atmosfera de 21% O2 e 0,03% Co.2. Sem dúvida, portanto, o oxigênio no ar normal exerce um forte efeito inibitório sobre o Co fotossintético2 fixação de plantas terrestres em condições naturais.

O efeito inibitório do oxigênio é produzido rapidamente e totalmente reversível.

O grau de inibição é independente da intensidade da luz.

O rendimento quântico para Co2 fixação, ou seja. a inclinação da parte linear da curva para Co2 captar contra quanta absorvido, é inibido no mesmo grau que a taxa de saturação de luz em todas as concentrações de oxigênio estudadas.

Diversas espécies de plantas superiores, variando muito na resposta fotossintética à intensidade da luz e Co2 concentração, e com funções saturadas de luz de Co2 fixação diferindo por um fator de mais de 10 vezes, mostra uma semelhança notável em sua resposta à concentração de oxigênio. Por outro lado, quando estudadas nas mesmas condições que as plantas superiores, as algas verdes Clorela e Ulva não mostrou qualquer inibição mensurável do Co fotossintético2 fixação. Semelhantemente, o aumento da intensidade de fluorescência com o aumento das concentrações de oxigênio encontradas em plantas superiores também não foi visto em Clorela. Os presentes resultados, juntamente com dados anteriores sobre a resposta fotossintética das algas à concentração de oxigênio, indicam que o aparato fotossintético das plantas superiores difere consideravelmente do das algas em sua sensibilidade ao oxigênio.

O efeito inibitório do oxigênio no Co fotossintético2 a fixação em plantas superiores é um pouco maior em comprimentos de onda que excitam preferencialmente o fotossistema I. Além disso, o aumento de Emerson de Co2 a fixação medida quando um feixe vermelho distante de baixa intensidade é imposto sobre um fundo de luz vermelha é maior sob a con- truição de oxigênio baixo do que sob o ar. Medições de mudanças reversíveis de absorbância induzidas por luz revelam que a mudança em 591 nm, provavelmente causada pela pla.stocianina, é afetada pela concentração de oxigênio somente se o fotossistema II estiver excitado. o efeito redutor da plastocianina, causado pela excitação desse sistema, diminui com o aumento da concentração de oxigênio. A partir desses resultados sugere-se que um possível local de inibição pelo oxigênio está na cadeia transportadora de elétrons entre os dois fotossistemas. O oxigênio pode atuar como um aceptor de elétrons neste local, fazendo com que a potência redutora reaja de volta com o oxigênio molecular. No entanto, esta hipótese não leva em conta as inibições iguais do rendimento quântico e da taxa de saturação de luz do CO fotossintético.2 absorção.

Por meio do processo fotossintético, as plantas absorvem dióxido de carbono e desenvolvem oxigênio. A presente alta concentração de oxigênio molecular na atmosfera é geralmente considerada como decorrente da atividade de organismos fotossintéticos. O efeito da concentração de oxigênio pareceria, portanto, um problema de grande interesse, não apenas no campo da biofísica e bioquímica da fotossíntese, mas também na ecologia e em outros ramos da biologia.

Foi descoberto por Warburg (1920) que altas concentrações de oxigênio inibem a taxa de evolução fotossintética do oxigênio na alga unicelular. Clorela. Desde então, foi confirmado por vários autores que as concentrações de oxigênio na faixa de 21 a 100 por cento têm um efeito inibidor marcante na fotossíntese, particularmente em intensidades de luz saturantes. Há algumas evidências de que, sob condições em que a concentração de dióxido de carbono limita a fotossíntese, a inibição pode se tornar óbvia mesmo em 21% de oxigênio. A inibição não foi considerada para operar em baixas intensidades de luz. Uma revisão sobre o assunto foi fornecida por Turner e Brittain (1962).

Várias hipóteses foram apresentadas para explicar o efeito inibitório do oxigênio, comumente referido como efeito Warhurg. Alguns autores favorecem a ideia da inibição enzimática de Turner et al. (1958) que uma ou mais enzimas do ciclo de redução do carbono são inativadas pelo oxigênio: lirianlals (1962) que as enzimas do complexo de evolução do oxigênio são inibidas. Outras hipóteses dizem respeito às reações reversas nas quais o oxigênio molecular é absorvido, revertendo assim o processo fotossintético. Essas reações incluem foto-oxidação, fotorrespiração e a reação de Mehler (Tamiya et al., 1957). No momento, não existe uma hipótese geralmente aceita que explique o efeito.

Os resultados frequentemente conflitantes nos quais essas hipóteses foram baseadas foram obtidos principalmente em algas. A primeira observação de um efeito inibitório na fotossíntese em uma planta superior foi feita por McAlister e Myers (1940) em folhas de trigo. Eles descobriram que o CO fotossintlético2 a absorção foi marcadamente menor no ar do que em uma atmosfera de cerca de 0,5 por cento de oxigênio. No CO2 Na concentração utilizada (0,03%), a inibição estava presente tanto em intensidades de luz altas como moderadas. Nenhum dado foi obtido em baixas intensidades de luz.

Embora o estudo do efeito da concentração de oxigênio na fotossíntese em plantas superiores pareça ser de grande interesse, especialmente porque o ambiente natural da maioria das plantas terrestres é uma atmosfera com um conteúdo de oxigênio de 21 por cento, atraiu muito pouca atenção. Que seja do conhecimento do autor, nenhuma investigação completa sobre o assunto foi publicada.

A presente investigação é direcionada a elucidar a resposta fotossintética de plantas superiores a concentrações de oxigênio até aquelas do ar normal. Os dados são apresentados mostrando que o CO fotossintético2 a fixação em folhas intactas de plantas superiores, independentemente da intensidade da luz, é fortemente inibida pelo oxigênio do ar normal, e a resposta filossintética ao oxigênio difere consideravelmente daquela das algas verdes. A presente investigação é direcionada a elucidar a resposta fotossintética de plantas superiores a concentrações de oxigênio até aquelas do ar normal. Os dados são apresentados mostrando que o CO fotossintético2 a fixação em folhas intactas de plantas superiores, independentemente da intensidade da luz, é fortemente inibida pelo oxigênio do ar normal, e a resposta filossintética ao oxigênio difere consideravelmente daquela das algas verdes.


A floresta no futuro

Na floresta em Staffordshire, seis imponentes estruturas metálicas banham a área nas concentrações de CO₂ esperadas na Terra em 2050. O experimento visa descobrir como os ecossistemas florestais lidarão com a mudança da atmosfera do nosso planeta, escreve Anna Gardner.

Imagem de abertura de Peter Miles

Cobrindo mais de 30% da biosfera terrestre, as florestas são essenciais para uma infinidade de serviços ecossistêmicos. Um deles é o sequestro de carbono de até 20-30% de todo o CO₂ antropogênico. Desde a década de 1750, o CO₂ atmosférico quase dobrou devido à combinação da queima de combustíveis fósseis (causando cerca de 90% do aumento) e desmatamento (responsável por cerca de 10% do aumento).

Atualmente, a concentração de CO₂ em nossa atmosfera está em torno de 407 ppm, mas os modelos climáticos preveem que o CO₂ continuará a aumentar e excederá em muito esse número em um futuro próximo [1]. Compreender como o meio ambiente terrestre responderá ao rápido aumento dos níveis de CO₂ é, portanto, vital para planejar como a sociedade pode se adaptar às mudanças climáticas.

Maravilha da floresta

Nenhum experimento de laboratório isolado - ou mesmo uma série infinita de experimentos desse tipo - pode testar a resposta de um ecossistema complexo, como uma floresta, às mudanças na composição atmosférica. Testes de todo o ecossistema são necessários para estudar as respostas no nível do sistema. É aqui que entra a "floresta de ficção científica" de alta tecnologia do Instituto de Pesquisa Florestal de Birmingham (BIFoR). A instalação de enriquecimento de carbono de ar livre (FACE) do BIFoR, que faz parte da Universidade de Birmingham, está realizando um projeto único experimento ao ar livre para expor trechos inteiros e intactos de floresta decídua temperada às concentrações de CO₂ que invadirão o planeta por volta de 2050.

Comparado com apenas uma outra instalação em escala florestal no mundo (EucFACE da Western Sydney University na Austrália [2]) e um avanço em relação às instalações anteriores da FACE - construídas em campos agrícolas e nas quais árvores juvenis foram plantadas - BIFoR FACE foi incorporado às existentes floresta de 'crescimento antigo'. Desta forma, uma planta existente e comunidade de solo em seu próprio ambiente hidrológico e climático é o sujeito experimental.

Do lado da estrada, a instalação parece uma típica floresta britânica, mas assim que você passa pelos portões, pode ver que este não é um caminho comum na floresta. A instalação FACE foi "contrabandeada" para uma floresta madura de carvalho e aveleira no coração de Staffordshire, com especial cuidado para não perturbar a copa da floresta existente e a delicada estrutura do solo.

Os experimentos do FACE permitem que grandes áreas de ecossistemas sejam expostas a níveis enriquecidos de dióxido de carbono, mantendo outros processos bióticos e abióticos. É essencialmente um experimento de laboratório que foi levado para fora e aplicado não a uma folha, ou mesmo uma árvore, mas a meia dúzia de árvores grandes, uma dúzia de árvores menores, centenas de plantas terrestres, dezenas de milhares de invertebrados e muitos bilhões de micróbios no solo. De cima, essas estruturas de aço impressionantes de 25 m de altura, dispostas em círculos, parecem algo saído de um filme de ficção científica.

A instalação BIFoR FACE vista de cima, mostrando as torres de aço de 25 m de altura que bombeiam "ar enriquecido" em lotes de floresta de 30 m de largura. Imagem cortesia de Norbury Estate

No BIFoR FACE, estamos expondo áreas de floresta a concentrações de CO₂ de aproximadamente 550 ppm, que é 150 ppm acima dos níveis ambientais. Esta é a concentração de CO₂ esperada até meados do século, então estamos efetivamente simulando a atmosfera futura ao redor dessas árvores para estudar como elas podem responder.

Para fazer isso, o gás CO₂ é entregue através de tubos para a floresta, executado através de ventiladores de mistura para combinar o CO₂ com o ar regular e bombeado para fora através de tubos cilíndricos verticais como "ar enriquecido".

O experimento BIFoR FACE será executado por um período mínimo de 10 anos, o que é essencial para o estudo de espécies de vida longa, como os carvalhos. Essa instalação permitirá os experimentos do mundo real muito necessários para melhorar nossas projeções climáticas e avaliar os riscos para os ecossistemas florestais e os serviços que eles fornecem.

Este ano marcou o segundo ano de pesquisas experimentais na FACE, com trabalhos multidisciplinares ocorrendo em cada camada do ecossistema florestal. Existem atualmente mais de 20 projetos de pesquisa em execução simultaneamente, desde investigações de sistemas radiculares subterrâneos e microbiologia do solo até a compreensão da fisiologia da folha do dossel - mas ainda há muito mais a ser estudado.

A mata foi dividida em nove parcelas experimentais circulares, cada uma com 30m de diâmetro, agrupadas em três categorias. Parcelas de tratamento são áreas de floresta expostas a níveis enriquecidos de dióxido de carbono (550 ppm). Parcelas ambientais são áreas idênticas às parcelas de tratamento, com a mesma infraestrutura, mas as torres liberam ar não enriquecido da mesma forma que as parcelas de tratamento liberam ar enriquecido. Finalmente, parcelas de controle são áreas de floresta deixadas ao seu estado natural que não contêm nenhuma infraestrutura além de passarelas para evitar a compactação do solo. Essas parcelas atuam como controles sobre o efeito da construção da infraestrutura na floresta.

Os experimentos do FACE requerem engenharia sob medida para garantir um fornecimento estável de CO₂ elevado para as parcelas de tratamento em todas as condições climáticas altamente mutáveis ​​do Reino Unido. Para fazer isso, o software de controle de processo determina a quantidade e a direção da liberação de CO₂, respondendo rapidamente às mudanças na velocidade e direção do vento, de modo que o CO₂ seja sempre introduzido no anel no lado do vento e apenas em quantidade suficiente para manter a concentração alvo .

A própria floresta foi totalmente equipada com uma variedade de equipamentos científicos e sensores automáticos instalados para monitorar a forma e função do ecossistema. Excepcionalmente para uma área de pesquisa florestal, a rede elétrica e as linhas de dados estão disponíveis em todo o site. Isso permite uma boa dose de automação nas medições, que, em muitos casos, podem ser acessadas remotamente. Além da pesquisa de campo nas instalações do FACE, pesquisas baseadas em laboratório em amostras coletadas são conduzidas na Universidade de Birmingham.

Uma visão mais próxima de uma das seis matrizes FACE. Imagem cortesia de BIFoR

Uma cabeça para as alturas

Com as enormes estruturas de uma floresta e copas salientes, é fácil sentir-se anão e até mesmo apreensivo com sua aparente imobilidade. No entanto, você logo percebe como os ecossistemas florestais estão ocupados e vivos e quanto ainda há para descobrir sobre eles.

Meu projeto de doutorado envolve estudar a fisiologia de carvalhos de 150 anos, especificamente sua absorção de carbono sob elevado CO₂, portanto, minha pesquisa se concentra na fotossíntese e na transpiração. Estarei observando como a absorção de carbono pode mudar diariamente e sazonalmente, mas também como diferentes fatores ambientais, como temperatura e chuva, podem afetar esses processos.

Isso, de maneira empolgante, exige que eu coloque minha cabeça nas nuvens e os pés acima do solo com a maior freqüência possível. Eu uso um sistema especial de acesso por corda ao dossel que me permite passar a maior parte dos meus dias durante a estação de cultivo de 25 m de altura no topo da copa do carvalho.

Do meu poleiro, gosto particularmente das manhãs de primavera, quando os nuthatches estão pulando para cima e para baixo nos troncos e os pica-paus estão ocupados martelando uma árvore vizinha. No entanto, nesta altura do dossel, você vê muito mais do que apenas árvores e pássaros, você vê todas as camadas do ecossistema trabalhando juntas como uma só.

Meu trabalho de campo envolve fazer medições do nascer ao pôr do sol, conhecidas como amostragem diurna, da primavera ao outono. As medições que faço são não destrutivas e instantâneas, em grande parte baseadas em uma peça de equipamento amarrada a mim enquanto sou puxado para o dossel. Eu uso uma máquina de fotossíntese portátil com uma unidade analisadora de troca gasosa e um cabeçote que cuidadosamente se conecta a uma folha para fazer as medições.

Essa tecnologia de ponta calcula uma ampla variedade de parâmetros com base no movimento de dióxido de carbono e água para dentro e para fora da folha. Isso inclui taxas de fotossíntese e transpiração e condutância estomática. O instrumento também monitora variáveis ​​ambientais como temperatura, umidade e luz solar para interpretar os parâmetros fotossintéticos. Posso rastrear mudanças na fisiologia das folhas ao longo do dia.

A estação meteorológica do BIFoR monitora e registra dados meteorológicos. Combinado com minhas medições, isso me permitirá observar as interações entre o enriquecimento de CO₂ e os dados climáticos, como temperatura e eventos climáticos.

Concluí a coleta de dados da minha primeira temporada, então vou passar o período de ‘folha final’ interpretando e analisando este conjunto de dados. (A grande coisa sobre estudar árvores decíduas é que elas permitem que você tenha um período de descanso do trabalho de campo.) Vou precisar do conjunto de dados de pelo menos mais um ano antes de começar a ver padrões robustos nos resultados.

Depois de muitos experimentos de enriquecimento de CO₂ em laboratórios e em outras instalações do FACE, nossa base de conhecimento foi construída sobre como as plantas agrícolas e as plantações de árvores jovens podem ser afetadas pelo aumento do CO₂ atmosférico. No entanto, a resposta em ecossistemas florestais complexos e maduros pode ser diferente, e o BIFoR FACE é a única instalação no hemisfério norte para lidar com o impacto das mudanças climáticas e ambientais em florestas maduras.

Com relação à minha pesquisa em fisiologia foliar, espero que o processo de fotossíntese seja alterado sob elevado CO₂, mas que a resposta varie ao longo do tempo do projeto de longo prazo. Existem muitos outros projetos no BIFoR FACE, incluindo o estudo da fisiologia dos insetos, microbiologia dos fungos e desenvolvimento da raiz, todos os quais produzirão dados essenciais para a compreensão do funcionamento de nossas futuras florestas maduras.

Trabalho futuro

O estudo de espécies de vida longa, como os carvalhos, requer tempo, então a pesquisa no BIFoR FACE está apenas começando. Nos próximos anos, a instalação irá gerar grandes quantidades de dados de experimentos dentro da floresta e nos laboratórios, para ajudar a responder a perguntas relacionadas à incerteza de nossos futuros ecossistemas no Reino Unido e globalmente.

Você pode acompanhar o desenvolvimento da pesquisa no BIFoR em www.birmingham.ac.uk/bifor

Anna Gardner é uma estudante de doutorado na Universidade de Birmingham e seu doutorado é financiado pelo John Horseman Trust. O experimento BIFoR FACE é financiado por doações da Fundação JABBS, e a Universidade de Birmingham tem várias outras instituições e organizações colaboradoras.


Fatores que afetam as taxas de fotossíntese (parte 2): Grau 9 de Entendimento para Biologia IGCSE 2.20 2.23

No post anterior sobre fotossíntese, você revisou como havia quatro fatores ambientais que podem afetar as taxas de fotossíntese em uma planta:

  • intensidade da luz
  • comprimento de onda da luz
  • temperatura
  • concentração de dióxido de carbono

Este post irá explicar os resultados de experimentos com Elodea em que um fator é alterado (a variável independente) e os outros três são mantidos exatamente iguais (variáveis ​​de controle)

Intensidade da luz

A variável independente (intensidade da luz) está no eixo xe a variável dependente (número de bolhas por minuto) está no eixo y.

Como explicamos o padrão neste gráfico?

Conforme a intensidade da luz aumenta, a taxa de fotossíntese aumenta. Isso ocorre porque uma intensidade de luz mais alta fornece mais energia aos cloroplastos e, portanto, mais reações podem acontecer por segundo e a taxa aumenta. Mas além do ponto laranja no gráfico, o aumento na taxa diminui até cerca de 12 unidades de luz, adicionar mais luz não tem efeito na taxa. Nessas altas intensidades de luz, algum outro fator é agora o fator limitante em oposição à intensidade da luz. O fator limitante, lembre-se, é o fator no fornecimento mais curto. Portanto, talvez mais de 12 unidades de fotossíntese leve seja limitada pela concentração de dióxido de carbono. A única maneira de encontrar o fator limitante é repetir o experimento com mais dióxido de carbono e ver se a taxa é maior acima de 12 unidades.

Comprimento de onda de luz

Embora este gráfico não seja perfeito, ele mostra como a taxa de fotossíntese varia em diferentes comprimentos de onda de luz.

As taxas de fotossíntese atingem o pico nas partes azul-violeta e vermelha do espectro visível, com taxas muito mais baixas na luz verde. A razão para isso é que os pigmentos de clorofila não absorvem bem a luz verde.

Concentração de dióxido de carbono

O padrão é semelhante à relação de intensidade da luz. Quando as concentrações de dióxido de carbono são baixas, é o fator limitante para a fotossíntese e, portanto, aumentar a concentração aumentará a taxa. Conforme o gráfico se estabiliza, algum outro fator é agora o fator limitante & # 8211 talvez a intensidade da luz ou a temperatura.

Temperatura

A temperatura é um fator que afeta a fotossíntese por causa das enzimas. Muitas reações na fotossíntese são catalisadas por enzimas e todas as enzimas têm uma temperatura ótima.

Esse padrão não é explicado por fatores limitantes. Em baixas temperaturas, a taxa é baixa porque as enzimas e as moléculas do substrato estão se movendo muito lentamente. Isso significa que há poucas colisões entre o substrato e o sítio ativo da enzima. À medida que a temperatura aumenta, a taxa aumenta à medida que há mais colisões e mais complexos enzima-substrato são formados por segundo. Mas altas temperaturas desnaturar enzimas: as ligações que mantêm a enzima em sua preciosa forma 3-D são quebradas e a molécula da enzima se desfaz. Portanto, o sítio ativo pode mudar de forma ou pode ser perdido como catalisador. Isso diminui a taxa para uma taxa extremamente baixa.


Como a concentração de CO₂ afeta a fotossíntese? - Biologia

O objetivo deste experimento foi determinar o efeito da concentração de dióxido de carbono na taxa de fotossíntese nas folhas de espinafre. Pequenos discos circulares foram cortados das folhas de espinafre usando um furador padrão. Em seguida, soluções de diferentes concentrações de dióxido de carbono, 0,2%, 0,4%, 0,6%, 0,8% e 1,0%, foram todas preparadas, e cada solução foi espalhada igualmente entre cinco xícaras. Também havia uma solução de controle que continha apenas água. Quaisquer gases dentro das folhas eram sugados com uma seringa, usando uma técnica específica para criar um vácuo. Para cada solução de concentração diferente de dióxido de carbono, havia cinco xícaras de solução com dez discos de folha por xícara, então havia um total de 50 discos de folha por concentração. Os copos foram então expostos à luz por 20 minutos, e o número de discos flutuando em cada copo foi medido a cada minuto. Os resultados foram calculados encontrando o ET50 para cada concentração. O ET50 é o tempo que leva para 50% dos discos das folhas flutuarem e é um bom indicador da taxa de fotossíntese. Foi hipotetizado que, se a concentração de dióxido de carbono aumentasse, a taxa na qual ocorre a fotossíntese também aumentaria. A hipótese nula era que a concentração de dióxido de carbono não teria efeito na taxa de fotossíntese. Os resultados do experimento apoiaram a hipótese. Portanto, o experimento sugere que há uma relação direta entre a concentração de CO2 e a taxa de fotossíntese.


Plano de Aula: Impacto da Mudança Climática na Fotossíntese

Como um ensino médio ou graduação em Ciências Biológicas professor, você pode usar este conjunto de ferramentas baseadas em computador para ajudá-lo no ensino fotossíntese, fatores que afetam a fotossíntese, e o impacto de níveis crescentes de CO atmosférico2 e alguns fatores relacionados ao clima na fotossíntese.

Este plano de aula permite que os alunos entendam o processo de fotossíntese nas plantas e os vários fatores que o influenciam. Os alunos irão explorar como as mudanças nos fatores relacionados ao clima, como CO2 níveis, temperatura e disponibilidade de água podem influenciar a fotossíntese, impactando assim o crescimento das plantas e os rendimentos agrícolas. Uma atividade prática de laboratório permitirá que os alunos avaliem a mudança na taxa de fotossíntese quando CO2 mudanças de concentração.

Assim, a utilização deste plano de aula permite integrar o ensino de um tópico das ciências do clima com um tópico central das Ciências Biológicas.

Use este plano de aula para ajudar seus alunos a encontrar respostas para:

  1. O que é fotossíntese?
  2. Quais são as principais diferenças entre as plantas C3, C4 e CAM?
  3. Como as plantas respondem às mudanças climáticas?
  4. Discuta o impacto do aumento do CO global2 níveis de fotossíntese.
  5. A segurança alimentar global está em risco devido às mudanças climáticas? Explique.

Este é um plano de aula enviado pelo professor.

Plano de aula enviado pelo professor, Contribuíram por: Dra. Aditi Kothari-Chhajer e Dra. Neeti Mehla, Departamento de Botânica, Sri Venkateswara College (Universidade de Delhi), Delhi.


A Level Biology Project

Pretendo investigar como diferentes fatores afetam a taxa de fotossíntese. Estarei mudando os níveis de luz e CO2 e medindo a taxa fotossintética.

Introdução

Este é um projeto de biologia de nível A. Isso me ajudou a conseguir uma nota A em biologia há muitos anos. Todo o projeto é reproduzido aqui para sua referência.

A taxa de fotossíntese é afetada por vários fatores, incluindo níveis de luz, temperatura, disponibilidade de água e disponibilidade de nutrientes. Se as condições de que a planta necessita forem melhoradas, a taxa de fotossíntese deve aumentar.

A taxa máxima de fotossíntese será restringida por um fator limitante. Esse fator impedirá que a taxa de fotossíntese aumente acima de um certo nível, mesmo se outras condições necessárias para a fotossíntese forem melhoradas. Este fator limitante controlará a taxa máxima possível da reação fotossintética.

Por exemplo, aumentar a temperatura de 10 & # 186C para 20 & # 186C pode dobrar a taxa de fotossíntese, pois as enzimas da planta estarão mais próximas de sua temperatura ideal de trabalho. Conforme a temperatura aumenta, as moléculas nas células se movem em um ritmo mais rápido devido à teoria cinética. Se a temperatura subir acima de um certo nível, a taxa de fotossíntese cairá conforme as enzimas da planta são desnaturadas. Portanto, é mais provável que eles se juntem às enzimas e reajam.

A quantidade de água disponível para a planta afetará a taxa de fotossíntese. Se a planta não tiver água suficiente, seus estômatos serão fechados e a planta será privada de CO & # 178. É difícil em condições normais de laboratório provar que a água afeta diretamente a fotossíntese, a menos que um isótopo pesado seja usado para rastrear o caminho da água.

A clorofila é necessária para a fotossíntese. Isso pode ser provado estudando uma folha variegada. No entanto, é muito difícil estudar como diferentes níveis de clorofila na planta afetarão sua taxa de fotossíntese. This is because in a variegated leaf the cells either contain chlorophyll or they don't.

Carbon dioxide concentration will directly affect the rate of photosynthesis as it is used in the photosynthesis reaction. It is also easy to change the amount of carbon dioxide that the plant receives.

Light is also directly used in the photosynthesis reaction and is easy to change in normal lab conditions. Carbon Dioxide and Light are the factors that I will change in the experiment as they are easy to change and measure.

  1. Elodea
  2. 20mm² syringe
  3. Capillary tubing
  4. Ficar de pé
  5. Stopwatch
  6. Governante
  7. NaHCO³ Solution
  8. Bench lamp
  9. Água destilada

I could measure the decrease in the substances needed for photosynthesis, such as how much the amount of CO2 decreases over time. This is however difficult in normal lab conditions. I will instead measure how one of the products of photosynthesis (oxygen) increases over time. I am planning to use the following method for my experiment.

  1. The apparatus is set up as below with the syringe full of the 0.01M solution of NaHCO3 solution. Two marks 10cm apart are made on the capillary tubing.
  2. The syringe is placed 0.05m away from the lamp.
  3. Using the syringe plunger the meniscus of the NaHCO3 is set so that it is level with the first mark.
  4. A stopwatch is then started. The meniscus should gradually move down the capillary tube as the elodea produces oxygen as a by-product of photosynthesis. As the oxygen is produced it increases the pressure in the syringe and so the meniscus is pushed down the tube.
  5. When the meniscus reaches the level of the bottom mark the stopwatch should be stopped and the time should be noted in a table such as the one below.

The light intensities have been worked out using the following equation

Light Intensity = 1 / Distance² (m)

6. Using the same piece of elodea and the same distance between the lamp and the syringe the experiment (steps 1 to 5) should be repeated for the other concentration of NaHCO3.
7. The experiment (steps 1 to 6) should then be repeated at each different distance between the syringe and the light for all the NaHCO3 concentrations. The remaining distances are 0.05m, 0.06m, 0.07m, 0.08m, 0.1m, 0.2m, 0.3m, and 0.5m.
8. The entire experiment should then be repeated three times in order to obtain more accurate data and to get rid of any anomalies that may occur in a single experiment.

Measuring the volume of oxygen is more accurate than counting the number of bubbles produced as each bubble could be a different size. In order to make this experiment as accurate as possible a number of steps must be taken.

  • The experiment should be carried out in darkness with only the light from the bench lamp reaching the elodea.
  • The same piece of elodea should be used each time in order to make sure that each experiment is being carried out with the same leaf surface area.
  • The amount of NaHCO3 solution should be the same for each experiment. 20mm² should be used each time.
  • The lamp should be at the same height for each experiment. It should be level with the syringe each time.
  • The distance should be measured from the front of the lamp to the syringe. Although taking these steps will make the experiment more accurate, it's accuracy is still limited by several factors.
  • Some of the oxygen will be used for photosynthesis by the plant.
  • Some of the oxygen will dissolve into the water.

From these recorded times I will work out the rate of the reaction using the following equation.

Rate Of the Reaction = 1 / Time (s)

Using these rates I plan to plot a graph of the rate of reaction against light intensity.

Luz

I predict that if the light intensity increases the rate of the reaction will increase at a proportional rate until a certain level is reached, the rate of increases will then go down. Eventually a level will be reached where increasing the light intensity will have no more effect on the rate of reaction as there is some other limiting factor.

Light is needed for photosynthesis in plants. When chloroplasts in the leaf's cell are exposed to light they synthesise ATP from ADP. Oxygen is produced as a by-product of the photosynthesis reaction. Therefore increasing the concentration of light will increase the amount of ATP being synthesised from ADP and so more oxygen will be released as a by product.

NaHCO3

I predict that as the concentration of NaHCO3 increases the rate of the reaction will increase at a proportional rate. Eventually increasing the NaHCO3 concentration more will have no effect as other limiting factors will be limiting the rate of photosynthesis. Carbon dioxide is needed for the photosynthesis reaction. It is used to make the organic products of photosynthesis. If the elodea is able to absorb more CO2 then the rate of photosynthesis will increase as the plant is able to make more of the organic compounds. The plant is given CO2 in the form of NaHCO3.

Pooled results from the group were used. They were taken over a 2 day period.

Molarity of NaHCO3
Light Intensity 1/d² (m) 0.00
(Distilled water)
0.01 0.02 0.05 0.07 0.1
400 3571 1666 1099 523 200 243
278 1670 5183 988 600 375 262
204 4998 4485 1175 1005 473 351
156 5590 2300 1770 1445 621 550
100 9990 3150 2900 2552 1224 645
25 4762 3984 2850 1640 1408
11 5945 4348 3780 2830 2564
4 16480 11904 5196 6578 3226

Using these results I worked out the rate

Rate Of the Reaction = 1 / Time(s) x 1000

The rate was multiplied by 1000 to make the numbers easier to handle.

Molarity of NaHCO3
Light Intensity 1/d² (m) 0.00
(Distilled water)
0.01 0.02 0.05 0.07 0.1
400 0.28 0.60 0.91 1.91 5.00 4.12
278 0.60 0.19 1.01 1.67 2.67 3.82
204 0.20 0.22 0.85 1.00 2.11 2.85
156 0.18 0.43 0.56 0.69 1.61 1.82
100 0.10 0.32 0.34 0.39 0.82 1.55
25 0.21 0.25 0.35 0.61 0.71
11 0.17 0.23 0.26 0.35 0.39
4 0.06 0.08 0.19 0.15 0.31

A graph of the rate of reaction against light intensity was drawn. It shows how the amount of CO2 and light affect the rate of photosynthesis. Lines of best fit were drawn for each CO2 concentration to make up for any inaccuracy in any individual result. The line of best fit gives a good picture of how the overall rate of reaction is affected by the light and CO2.

I will analyse the results for how the amount of light and CO2 affects the rate of photosynthesis.

My prediction that the rate of photosynthesis would go up if the light intensity and NaHCO3 levels were increased proved correct. As the elodea absorbed the light and CO2 it produced oxygen gas which increased the pressure in the syringe. This pushed the air bubble in the capillary tube down. The chloroplasts produce ATP and reduce NADP to NADPH2 when exposed to light. It is at this stage of the reaction that oxygen is produced as a waste product.

As predicted when the light intensity increases so does the rate of photosynthesis. I predicted that a level would be reached where increasing the light intensity would have no more effect on the rate of reaction as there would be some other limiting factor which limits the rate of the reaction. The rate increases at a steady rate as the light intensity increases until near the end of each line where the rate of increase decreases. This is either because the photosynthesis reaction has reached it's maximum rate of reaction or another factor is limiting the rate. As 6 different CO2 concentrations were used I can see that the first five reactions are not occurring at their maximum rate as there is the 0.1M NaHCO3 rest which is occurring at a faster rate then the other 5. The photosynthesis reactions of the other five test must therefore be limited by the concentration of CO2 to the plant.

As predicted when the NaHCO3 concentration is increased the plant in able to get more CO2 which causes the rate of reaction to go up. I predicted that once the NaHCO3 had been raised above a certain level increasing the rate further would have no effect as there would be other limiting factors limiting the rate of the reaction. As the NaHCO3 concentration in the water was increased the rate of photosynthesis was able to go up. The plant therefore made more oxygen as a waste product. At a NaHCO3 concentration of 0.1M once the light intensity gets above 300 the rate of reaction slows down very quickly. This could be because photosynthesis is occurring at it's maximum possible rate or because another limiting factor is limiting the rate of reaction.

Distilled Water

With the distilled water the rate of reaction went up from 0.1 to 0.4 when the light intensity was increased from 100 to 400. This is a 4 times rise which is quite large. The curve on the graph does however level out quite soon showing that the rate is being limited by the lack of NaHCO3 in the water.

0.01M NaHCO3

At a light intensity of 4 the rate is 0.06 but this rises to 0.6 when the light intensity is brought up to 400. The curve is very shallow and levels off towards a light intensity of 350 - 400.

0.02M NaHCO3

The amount of NaHCO3 is double that of the 0.01M NaHCO3 experiment. The rate also finishes off twice that of the 0.01M experiment. This would surgest that there was a directly proportional relationship between the amount of NaHCO3 and the rate of reaction.

0.05M NaHCO3

The curve for the 0.05M NaHCO3 is steeper than the previous curves. The rate rises to 1.9 at a light intensity of 400.

0.07M NaHCO3

The 0.07M NaHCO3 test produces a line which is steeper than all the previous curves. The plant is using the extra CO2 to photosynthesise more. As the plant has more CO2 the limiting factor caused by the lack of CO2 is reduced. This test did produce a big anomaly. The rate for a light intensity of 400 is 5. By following the line of best fit I can see that this result should be more like 3.5. The elodea for this test was very close to the light source. It is possible that it had been left here for a while which caused the lamp to heat the elodea up. This would have increased the rate of reaction of the plant's enzymes which would have increased the photosynthesis rate.

0.1M NaHCO3

The 0.1M NaHCO3 produced the steepest line. Near the end of the line it looks as if the rate of reaction is hit by another limiting factor. The line goes up steadily but then between a light intensity of 300 and 400 levels off very quickly. This would surgest that at a 0.1M NaHCO3 is sufficient for the plant to photosynthesise at it's maximum rate with it's current environmental conditions. Increasing the NaHCO3 concentration after this level would therefore have no effect unless the next limiting factor was removed.

The fact that the curve levels off so quickly indicates that there is another limiting factor limiting the photosynthesis. It could be temperature. These tests are being carried out at room temperature so the temperature would have to be raised another 15ºC before the enzymes in the plant's cells were at their optimum working temperature. More tests could be done by using water that was at a higher temperature to see what effect this would have on the photosynthesis rate. It is however impossible to raise the plant's temperature without affect other factors. For instance the actual amount of oxygen released by the plant is slightly more than the readings would surgest as some of the oxygen would dissolve into the water. At a higher temperature less oxygen would be able to dissolve into the water so the readings for the photosynthesis rate could be artificially increased.

It is also possible that the photosynthetic reactions in the plant are occurring at their maximum possible rate and so can not be increased any more.

The light is probably not a limiting factor as all but one of the curves level off before the maximum light intensity of 400 is reached. The maximum light intensity that the plants can handle is therefore just below 400.

Water will not be a limiting factor as the plants are living in water. They therefore have no stomata and absorb all their CO2 by diffusion through the leaves.

The accuracy of this experiment is limited by a number of factors.

  1. Some of the oxygen give off is used for respiration by the plant.
  2. Some of the oxygen dissolved into the water.
  3. Some was used by small invertebrates that were found living within the pieces of elodea.
  4. The higher light intensities should be quite accurate but the smaller light intensities would be less accurate because the light spreads out. the elodea will also get background light from other experiments.
  5. The lights are also a source of heat which will affect the experiments with only a small distance between the light and the syringe. this heating could affect the results.
  6. Using the same piece of elodea for each experiment was impractical as the elodea's photosynthesis rate decreased over time. By using a different piece of elodea for each experiment did create the problem of it being impossible for each piece to have the same surface area.
  7. As the tests took place over a two day period there will be some inaccuracy caused by factors such as temperature. There was no practical way for the long tests to be kept at a totally constant temperature for the two day period and they will probably have cooled down at night and then warmed up in the day leading to a slight inaccuracy.

This experiment could be improved in a number of ways.

  1. It could be repeated more times to help get rid of any anomalies. A better overall result would be obtained by repeating the experiment more times because any errors in one experiment should be compensated for by the other experiments.
  2. Each person should have done their experiments in a different room to cut out all background light.
  3. All the experiments should be done sequentially.
  4. A perspex screen could have been placed between the light and the syringe to reduce any heating effect that the light may have.
  5. The experiment could have been carried out with higher NaHCO3 to see if increasing the concentration would increase the rate of photosynthesis, or if a concentration of 0.1M NaHCO3 produces the maximum rate of photosynthetic reaction.

Isenção de responsabilidade

This is a real A-level school project and as such is intended for educational or research purposes only. Extracts of this project must not be included in any projects that you submit for marking. Doing this could lead to being disqualified from all the subjects that you are taking. You have been warned. If you want more help with doing your biology practicals then have a look at 'Advanced Level Practical Work for Biology' by Sally Morgan. If you want more detailed biology information then I'd recommend the book 'Advanced Biology' by M. Kent.

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This entry was posted on Tuesday, June 3rd, 2008 at 8:14 pm and is filed under Life. You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed. You can leave a response, or trackback from your own site.


Métodos

Growth chamber experiments

We bought soybean seeds from the Wotu seed company in Hebei Province of China. We grew three plants in each pot (30 cm diameter × 50 cm long), then set up five pots in each of the seven walk-in environmental growth chambers for 90 days CO2 treatment, where the CO2 concentration was regulated to ambient concentration (400 ppm) or elevated concentrations (600, 800, 1000, 1200, 1400 and 1600 ppm). The ambient and elevated CO2 concentrations within the chambers were maintained through a CO2 tank containing high purity CO2 gas (99.99%) to avoid any hurt or pollution on winter wheat plants. All of the seven growth chambers were maintained with the same other environmental factors including relative humidity of 65%, photosynthetic photon flux density (PPFD) of 1000 μmol m − 2 s − 1 , temperature of 25/21 °C (day/night), and 12-h photoperiod for the 90 days treatment. These winter wheat plants were fertilized with half-strength Hoagland’s solution twice weekly (150 mL per pot) and irrigated once daily with plain tap water (200 mL per pot) during the establishment and treatment periods of soybean plants under elevated CO2 concentrações.

Measuring leaf gas exchange

We performed the measurements of leaf gas exchange at the end of the CO2 treatment period. We randomly selected one fully expanded leaf from each pot for leaf gas exchange measurement (n = 5) with a portable photosynthesis system (LI-6400XT LICOR, Inc.). These selected leaves were firstly equilibrated at the corresponding growth CO2 levels with saturating PPFD of 1500 μmol photon m − 2 s − 1 and growth temperature of 25 °C. The portable photosynthesis system automatically controlled the CO2 concentrations in the cuvette using an injector system combined with a CO2 mixer. All of the measurements on leaf gas exchange were performed with the vapor pressure deficit (VPD) lower than 1.5 kPa to avoid moisture limitation. Then, the photosynthesis vs intercellular CO2 (UMAn-Ceu) curves were measured at cuvette chamber CO2 of 50, 100, 150, 200, 300, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, and 1600 ppm. Dados de UMAn-Ceu curves were used to compare treatment effects on the light-saturated net photosynthetic rates (UMAn) at ambient or elevated CO2 of their growing condition. UMAn estimation method was used to obtain the maximum carboxylation rate of Rubisco (Vcmax), and the maximum capacity of electron transport mediated ribulose bisphosphate (RuBP) regeneration (Jmax) for each observed UMAn-Ceu curva. Meanwhile, stomatal conductance (Gs), intercellular CO2 concentração (Ceu), transpiration rate (Tr), and dark respiration rate (Rd) were also determined with the portable photosynthesis system (LI-6400XT LICOR, Inc.). In addition, the leaf-level water use efficiency (WUE) was determined by the values of the net photosynthetic rate (UMAn) and transpiration rate (Tr) according to the formula WUE = UMAn / Tr.

Measuring morphological traits of individual stoma and spatial distribution pattern of stomata

We randomly selected five fully expanded ear leaves at the heading stage in each of the ambient and elevated CO2 concentration plots to determine the stomatal characteristics. We sampled impressions of stomata with colorless nail polish from the middle section of the adaxial and abaxial leaf surfaces. Firstly, the adaxial and abaxial leaf epidermis were carefully cleaned with degreased cotton balls and then smeared with nail varnish from the mid-area between the leaf edge and the central vein for half an hour. The thin film with stomatal impression (approximately 5 mm × 15 mm) was peeled off from the leaf surface and mounted on a glass slide, and immediately covered with a cover slip and lightly pressured with a fine-point tweezer [47, 63]. We photographed the stomatal features with a microscope (DM2500, Leica Corp, Germany) equipped with a digital camera (DFC 300-FX, Leica Corp, Germany), and then analyzed thirty separate fields of 0.16 mm in each leaf section. We also combined and counted the stomata on each surface for calculating stomatal density (SD) of the adaxial and abaxial surface, respectively [47]. Moreover, we randomly selected six digital photographs of the adaxial and abaxial surfaces to measure the stomatal length (SL), stomatal width (SW), stomatal area (SA) and stomatal perimeter (SP) using AutoCAD 2010 software. In addition, we calculated stomatal shape index (SSI), which is calculated by the function that shape index= ( frac>>< mathrm> imes 100\% ) , where SA is the stomatal area and SP is the stomatal perimeter. The stomatal area index (SAI) is defined as the total stomatal area per unit leaf area calculating as stomatal average density × stomatal area per stoma × 100%. In addition to stomatal density and pore traits, we also characterized the spatial distribution pattern of stomata for each image by digitizing the stomatal positions into a shape file in GIS with the ArcMap software [47]. The spatial distribution pattern of stomata on leaves was quantified using the Ripley’s K-function with generating the x and y coordinates of stomata for each image in GIS and then calculating the Lhat (d) value (the transformed K value) based on these stomatal coordinates using the R statistic software. We compared the Lhat (d) values at different scales (distances) for detecting the spatial distribution pattern of stomata with the upper and lower boundaries generated by the 95% confidence level with the Monte Carlo simulations of 100 replicates [47, 76]. In the current study, we only reported the spatial distribution patterns of stomata on the middle section of the leaves due to the large number of stomatal images of winter wheat leaves.

We snapped three leaf pieces (2 mm × 2 mm) from the middle section of each leaf and fixed them with 2.5% (v/v) glutaraldehyde (0.1 M phosphate buffer, pH 7.0) to visualize the changes in stomatal morphology among different CO2 concentrações. Firstly, we washed these leaf samples several times with buffer and fixed them in 1% (v/v) osmium tetroxide for three hours and these samples were dehydrated with an ethanol series. Then, these leaf samples were carefully coated with gold in a high-vacuum evaporation unit. Finally, we examined and photographed the morphological traits of stomata with a scanning electron microscopy (FEI Corp, USA).

Measuring leaf anatomical structures

Changes in the leaf internal anatomy of the winter wheat plants exposed to different CO2 concentrations were examined with leaf cross-sections under a light microscopy [77]. These images of leaf cross-sections were collected from the middle section of leaves to observe and measure leaf anatomical features using Image J software (NIH, USA). We estimated leaf mesophyll thickness between epidermal layers at five points in each cross-section [78]. We also randomly selected 20 clear palisade layer cells and 20 sponge layer cells from each leaf cross-section image to measure cell length, cell width, cell area, and cell perimeter with an Auto CAD software.

Analyzing leaf non-structural carbohydrates and nitrogen

We collected leaf samples from each pot as a replicate (n = 5 pots) for analyzing the non-structural carbohydrates. These sampled leaves were dried with an oven at 75 °C for 48 h to consistent weight, and then these samples were ground to fine powder for spectrophotometrically analyzing glucose, fructose, sucrose, and starch with a glucose kit [79]. Similarly, we also sampled plant tissues from each pot (n = 5 pots) for analyzing the total carbon (C) and nitrogen (N) in different plant tissues (leaf, stem, and root) with an elemental analyzer [80]. All of the analyses were expressed on a percentage dry matter basis.

Analyzing data

We used the one-way ANOVA to analyze the effects of CO2 on the stomatal traits, soluble sugar and starch concentrations, carbon and nitrogen contents, as well as morphological and anatomical features. Two-way ANOVA was employed to test the effects of CO2 concentration and leaf surface position (abaxial vs. adaxial) on the morphological traits of stomata with statistically significant differences at p < 0.05 level. We also employed linear and non-linear regressions for estimating the relationships between CO2 concentration and other variables. The raw data from the leaf photosynthesis measurements were processed in Excel spreadsheets where the non-linear UMAn-Ceu curve fitting was performed [81]. The net assimilation rate (UMAn) versus intercellular CO2 concentração (UMAn-Ceu curve), was fitted to estimate the maximum carboxylation rate (Vcmax), maximum electron transport rate (Jmax) based on the measurements of UMAn-Ceu curvas. In addition, linear and non-linear (quadratic equations) regressions were employed to examine the relationships between CO2 concentration and other variables.


Assista o vídeo: FATORES QUE AFETAM A FOTOSSÍNTESE!! CONCENTRAÇÃO DE CO2 E TEMPERATURA (Agosto 2022).