Fénytelítettség és DCMU hatása egy Chlorella-kultúrában
A 25 °C-on tartott, zárt, 500 cm³-es fotoszintézis-kamrában 2 g/l Chlorella-szuszpenziót vizsgáltak. A gáztér térfogata 100 cm³ volt, a szuszpenzió klorofill-tartalma 20 µg/cm³. A nettó oxigéntermelést oxigénelektróddal, három párhuzamos mérésben rögzítették a fényintenzitás függvényében: sötétben −0,8, 50 µmol foton m⁻² s⁻¹-nál +2,1, 100-nál +4,0, 200-nál +4,2, 400-nál +4,1 µmol O₂ perc⁻¹. A kísérlet előtt a sejteket 12 órán át sötétben tartották. Ezután a 200 µmol-os fénynél a szuszpenzióhoz 10 µM DCMU-t (a PSII elektrontranszportját gátló herbicidet) adtak; a kontrollhoz azonos térfogatú oldószert (etanolt) pipettáztak. A hőmérsékletet végig állandó értéken tartották, a CO₂-koncentrációt nem korlátozták. A csoport egyik tagja azt javasolta, hogy 800 µmol foton m⁻² s⁻¹-ra növelve a fényintenzitást „biztosan megduplázódik” az oxigéntermelés.
1. Számítsa ki a bruttó oxigéntermelést 100 és 200 µmol foton m⁻² s⁻¹-nál, és magyarázza el, miért tér el a nettó értékektől! Melyik folyamat felelős a sötétben mért negatív értékért?
Read the worked answer
A nettó oxigéntermelés a bruttó fotoszintetikus O₂-termelés és az O₂-fogyasztás különbsége. A sötétben mért −0,8 µmol O₂/perc értéket légzési O₂-fogyasztásnak tekinthetjük, ezért közelítésben:
- 100 µmol foton m⁻² s⁻¹-nál: bruttó = 4,0 + 0,8 = 4,8 µmol O₂/perc.
- 200 µmol foton m⁻² s⁻¹-nál: bruttó = 4,2 + 0,8 = 5,0 µmol O₂/perc.
A nettó érték azért kisebb, mert a mitokondriális légzés a megvilágítás alatt is fogyaszt oxigént, és a fotorespiráció is járhat O₂-felvétellel. A sötétben nincs fotoszintézis, csak O₂-fogyasztás történik, ezért negatív a mért érték. Fontos, hogy a sötét légzés értékével való korrekció közelítés: fényben a légzés és a fotorespiráció aránya eltérhet, ezért a bruttó termelés valódi értéke ettől kissé eltérhet.
2. Értékelje a 400 és 800 µmol-ra tett javaslatot! Milyen bizonyítékot várna a fénytelítettség mellett, és milyen más tényező válhat korlátozóvá?
Read the worked answer
A 200 és 400 µmol közötti érték gyakorlatilag nem változik (4,2, illetve 4,1 µmol O₂/perc), ami a fénytelítettség jele. 800 µmol-ra növelve nem várható arányos, pláne kétszeres növekedés; a görbe platója miatt legfeljebb kismértékű változás, nagyobb fénynél pedig fotoinhibíció is felléphet, ami csökkentheti a termelést.
A fénytelítettség bizonyítéka lehet a fény–termelés görbe el Laposodása, a párhuzamos mérések szórásán belüli azonos érték, valamint a klorofill-fluoreszcencia (például Fv/Fm) romlása túl erős fénynél. A plató után a korlátozó tényező már nem a fény, hanem a Rubisco kapacitása, az elektrontranszport, a CO₂-ellátás, a hőmérséklet vagy a tápanyagellátás (N, P). A sejtsűrűség és az önárnyékolás szintén csökkentheti a tényleges fényhasznosítást.
3. Mi történik a DCMU hozzáadása után a nettó oxigéntermeléssel, és miért? Magyarázza el a PSII szerepét!
Read the worked answer
A DCMU a PSII QB-kötőhelyéhez kapcsolódva blokkolja az elektrontranszfert a Qₐ-ról a QB-ra, így a PSII nem tud elektront átadni a plasztokinon-készletnek. A vízbontó komplex működése leáll, mert a PSII elektronakceptor-oldala telítődik; ennek következtében a víz fotolízise és az O₂-fejlődés gyakorlatilag megszűnik. A nettó oxigéntermelés a légzési O₂-fogyasztás miatt negatívvá válik (körülbelül a sötétben mért −0,8 µmol/perc értékhez közelít), miközben a NADPH és ATP termelése is leáll, így a Calvin-ciklus CO₂-fixációja sem működik.
A PSII szerepe tehát a fényenergia hasznosítása és a víz oxidációja: itt keletkezik a légzési oxigén és a fotoszintézis redukáló ereje. A DCMU ezt a lépést szelektíven gátolja, ezért a kísérletben a herbicid hatása közvetlenül a PSII elektrontranszportjának blokkolásával magyarázható.