How to measure photosynthetic activity?
- jasminnevala
- May 19, 2024
- 5 min read
Updated: Apr 1
Lately, I have been preparing for my upcoming exams and learning about chlorophyll fluorescence and its measurement. Chlorophyll fluorescence is one variable I plan to measure in my plants. Plants use chlorophylls to capture the Sun's energy during photosynthesis. Because I love robots, I enjoy exploring different devices, especially those with sensors!
The LI- 6400/XT device from LI-COR is a portable photosynthesis system. It is a gas exchange system that gathers information on photosynthesis and transpiration by measuring differences in CO2 and H2O molecules in an air stream. With an LED-based fluorescence and light source accessory called a leaf chamber fluorometer, one can also measure chlorophyll fluorescence. But what does that mean?
Photosynthesis begins when a quantum of light reaches a plant's leaves and is absorbed by the chlorophylls. Chlorophylls form reaction centers in the leaf, located in the photosystems PSII and PSI. The energy from the quantum of light excites the electrons in the chlorophyll, raising the orbiting valence electrons to higher energy levels. The excited electrons soon return to their ground state, releasing energy. This released energy can follow one of three pathways:
1) the released energy is used in photosynthesis (photochemistry),
2) it is re-emitted as heat, or
3) it is re-emitted as light, known fluorescence.
These three pathways are interconnected and "compete" with each other, as there is only a limited amount of energy in the light quanta. How is this energy divided among the pathways?
Chlorophyll fluorescence measures the re-emitted light from PSII. By measuring the yield of fluorescence emission, one can also estimate the quantum efficiency of photochemistry and heat dissipation. For example, if the yield of fluorescence emission increases, it indicates that less energy is being used for photosynthetic activity and heat dissipation, meaning these processes decrease.
In the process of photosynthesis, electrons are transferred from electron carriers to electron acceptors. The electron acceptor cannot accept more electrons until it has transferred its current electron forward. If it cannot transfer the electron forward, for example, due to too much light (saturating light), the reaction center is said to be "closed." When this happens, electrons are not moving through this pathway. Consequently, the values of photochemistry decrease, making more energy available for fluorescence and heat emission. The more reaction centers are closed, the more light is emitted as fluorescence.
Since light induces photosynthesis, the LI- 6400 device uses flashes of light directed at the plant's leaf. By utilizing different types of light pulses (measurement beams, saturating light pulses), and incorporating dark and light adaptation of the leaf in some measurements, the reaction centers of the leaves can be set to either open or closed.
For example, when the leaf is in darkness, the reaction centers are open because there is no light to induce photochemical reactions. This means the electron acceptors have no electrons to pass on and are thus open.
From these states, one can calculate for example the minimum fluorescence value (when the reaction centers are open) and the maximum fluorescence value (when the reaction centers are closed). These values are used in equations to determine values of, for example, the efficiency of photosystem PSII photochemistry and the maximum quantum efficiency of PSII photochemistry.
I need to decide which parameters to choose for my experiments, such as the duration, intensity, and frequency of the light pulses. Additionally, interpreting the measurement values is not straightforward, so I need to learn how to do that as well. I find information for example in the LI-6400 device manual and from previous studies. It's inspiring to learn!
I used ChatGPT to check the grammar and clarity of my text.
Sources:
Maxwell, K., & Johnson, G. N. (2000). Chlorophyll fluorescence—a practical guide. Journal of experimental botany, 51(345), 659-668.
Murchie, E. H., & Lawson, T. (2013). Chlorophyll fluorescence analysis: a guide to good practice and understanding some new applications. Journal of experimental botany, 64(13), 3983-3998.
*** In Finnish***
Olen viime aikoina valmistellut tulevia kokeitani ja opetellut klorofyllin fluoresenssin mittaamista. Se on yksi muuttujista, joita aion mitata kasveissani. Klorofyllien eli lehtivihreän avulla kasvit vangitsevat Auringon energiaa fotosynteesin aikana. Koska rakastan robotteja, minusta on mahtavaa päästä tutkimaan laitteita, erityisesti jos niissä on sensoreita!
LI-COR yhtiön LI-6400/XT laite on kannettava fotosynteesi -systeemi. Sen toiminta pohjautuu kaasunvaihdolle, jossa se saa tietoa fotosynteesistä ja transpiraatiosta (biologinen haihdunta, jossa vesi kulkeutuu kasvin läpi) mittaamalla hiilidioksidin (CO2) ja vesimolekyylien (H2O) määrää ilmassa. Lehtikammiofluorometrillä, joka on LED-valoihin pohjautuva lisäosa, voidaan mitata myös klorofyllin fluoresenssiä. Mutta mitä se tarkoittaa?
Fotosynteesi alkaa, kun valokvantti osuu kasvin lehtiin ja lehtivihreä absorboi sen. Lehtivihreät muodostavat lehtiin reaktiokeskuksia, jotka sijaitsevat fotosysteemeissä PS II ja PS I. Valokvantin energia virittää lehtivihreän elektroneja ja nostaa uloimpien kuorten elektronien energiatasot korkeammiksi. Pian nämä virittyneet elektronit palaavat perustilaansa, mikä puolestaan vapauttaa energiaa. Vapautunut energia voi kulkea kolmea eri reittiä pitkin:
1) se käytetään fotosynteesissä (fotokemia),
2) se uudelleen emittoidaan lämpönä tai
3) se uudelleen emittoidaan valona eli fluoresenssina.
Nämä kolme reittiä ovat yhteydessä toisiinsa ja "kilpailevat" keskenään, koska valokvantissa on vain rajallinen määrä energiaa. Miten tämä energiaa jakaantuu näiden kolmen reitin kesken?
Klorofyllin fluoresenssi mittaa uudelleen emittoitunutta valoa PSII-fotosysteemistä. Sen mittaamisella voidaan arvioida myös fotokemian kvanttitehokkuutta ja lämmöntuottoa. Esimerkiksi jos fluoresenssin tuotto kasvaa, se tarkoittaa, että fotosynteettisessä ja lämmöntuotossa käytetään vähemmän energiaa, jolloin niiden osuus kokonaistuotosta vähenee.
Fotosynteesissä elektronit siirtyvät elektroninkantajilta elektroniakseptoreille (atomi, joka vastaanottaa elektronin). Elektroniakseptori ei voi ottaa vastaan lisää elektroneja ennen kuin se on siirtänyt nykyisen elektroninsa eteenpäin. Jos se ei pysty siirtämään elektronia eteenpäin esimerkiksi liian suuren valomäärän (kyllästävän valon) vuoksi, reaktiokeskuksen sanotaan olevan "suljettu". Tällöin elektronit eivät liiku tätä reittiä pitkin. Näin ollen fotokemiallisen reitin arvot pienenevät, jolloin fluoresenssiin ja lämpösäteilyyn on käytettävissä enemmän energiaa. Mitä enemmän reaktiokeskuksia on suljettu, sitä enemmän valoa emittoituu fluoresenssina.
Koska valo käynnistää fotosynteesin, LI-6400 käyttää lehtiin suunnattuja valon välähdyksiä mittauksissaan. Käyttämällä erityyppisiä valopulsseja (mittaussäteitä, kyllästäviä valopulsseja) ja sisällyttämällä joihinkin mittauksiin lehden pimeä- ja valosopeutumisen, lehtien reaktiokeskukset voidaan asettaa joko avoimiksi tai suljetuiksi.
Esimerkiksi kun lehti on pimeässä, reaktiokeskukset ovat auki, koska ei ole valoa, joka aiheuttaisi fotokemiallisia reaktioita. Tämä tarkoittaa, että elektroniakseptoreilla ei ole elektroneja siirrettäväksi ja ne ovat siten avoimia.
Näistä tiloista voidaan laskea esimerkiksi fluoresenssin minimiarvo (kun reaktiokeskukset ovat auki) ja fluoresenssin maksimiarvo (kun reaktiokeskukset ovat kiinni). Näitä arvoja käytetään yhtälöissä, joilla määritetään arvot esimerkiksi fotosysteemin PSII:n fotokemian tehokkuudelle ja PSII:n fotokemian maksimaaliselle kvanttitehokkuudelle.
Minun on päätettävä, mitkä parametrit, kuten valopulssien keston, voimakkuuden ja taajuuden, valitsen kokeisiini. Lisäksi mittausarvojen tulkinta ei ole suoraviivaista, joten minun on opeteltava tulkitsemaan niitä. Löydän näistä tietoa esimerkiksi LI-6400-laitteen käyttöohjeesta ja aiemmista tutkimuksista. On inspiroivaa oppia!
Käytin ChatGPT:tä tarkistamaan englanninkielisen tekstin kielioppia ja selkeyttä.
Lähteet:
Maxwell, K., & Johnson, G. N. (2000). Chlorophyll fluorescence—a practical guide. Journal of experimental botany, 51(345), 659-668.
Murchie, E. H., & Lawson, T. (2013). Chlorophyll fluorescence analysis: a guide to good practice and understanding some new applications. Journal of experimental botany, 64(13), 3983-3998.
Commenti