Fotosyntes samt vattenupptag och transport Flashcards
Växter och djur är båda eukaryoter men har helt olika förutsättningar, växter sitter fast och har därför utvecklat fenotypisk plasticitet. Vad innebär detta?
Fenotypisk plasticitet innebär förmågan att drastiskt ändra sin kroppsform och funktion för att anpassa sig till miljön på olika sätt. Växter “föds” med få organ, bildar nya organ när det behövs, dödar organ när det behövs och formar organ och ändrar struktur efter miljön. Detta till skillnad från djur som i princip ser likadana ut livet ut då de kan röra sig för att anpassa sig till miljön.
Ljus är kanske den allra viktigaste aspekten av miljön då den står för energiutvinning och styr utvecklingsbiologin för de flesta växter. Vilka aspekter av ljus är viktiga för fotosyntesen?
- Ljuskvalitet: vilken/vilka våglängder?
- Ljuskvantitet: hur mycket?
- Fotoperiod: när/hur länge?
- Varifrån kommer ljuset?
Fotosyntes – hur optimerar växten den?
- tillväxt och utveckling: fotomorfogenes, en
slags ”beteende” i relation till ljus - Anatomiska och fysiologiska anpassningar (tex C3/C4/CAM)
Ge exempel på en fysisk föändring en växt kan göra för att optimera fotosyntes.
- döda grenar/löv längst ner som inte längre får ljus.
Hur fungerar C3 fotosyntes kortfattat?
C3 fotosyntes sker i två steg, båda inuti thylakoidmembranen: den ljusberoende och den ljusoberoende reaktionen.
1. Ljusreaktion som bildar ATP+NADPH - elektorntransportkedjan
2. Reduktion av koldioxid till “socker” - Calvincykeln med RUBISCO som centralt enzym som utför kolfixering. Första kolföreningen som bildas är en trekolsförening, därav namnet C3.
Hur fungerar C4 fotosyntes kortfattat?
C4 växter har utvecklat en alternativ form av fotosyntes, där kolfixeringen utförs av enzymet PEP karboxylas (som inte har affinitet till syre som RUBISCO) och den första kolföreingen som bildas är en fyrkolsförening (därav namnet C4). Processen sker i flera steg, så kol som fixeras i mesofyllceller flyttas till kransceller där calvincykeln sedan sker.
- I mesofyllceller tillför enzymet PEP-karboxylas CO2 till PEP och bildar en fyrkolförening.
- Fyrkolsföreningen (som malat) flyttas in i en kranscell via plasmodesmata.
- I kransceller frisätter ett enzym CO2, vilket
går in i Calvin-cykeln och socker utvinns.
Eftersom PEP karboxylas inte har affinitet för syre undviks problemen med fotorespiration, använder mindre vatten och energi - perfekt för varma och torra klimat!
Hur fungerar CAM fotosyntes kortfattat?
CAM fotosyntes är en annan alternativ fotosyntes som har evolverat bl.a. i ökenväxter. CAM växter håller sina stomata stängda på dagen, och öppna på natten, motsatsen till C3 växter. På natten kör de C4 pathwayen i mesofyllceller då de håller stomata öppna och har tillgågn till CO2, alltså fixerar koldioxid som malat, och detta lagras som malatsyra i vakuolen tills på dagen. Under dagen görs malatet om till CO2 på samma sätt som för C4 växter och används i calvincykeln. Allt sker i samma cell i CAM växter, medan i C4 så är dessa processer strukturellt skilda och sker i olika celler.
Struktur är alltid kopplat till funktion - bladets utformning/anatomi har utvecklats för att optimera fotosyntes och samtidigt hålla balans. Vilka faktorer spelar in?
Växtens förmåga att optimera flöden är central! Varierande förhållanden kräver också anpassningsbarhet.
- Ljusfångst - för mycket ljus kan bränna bladen, för lite ger ineffektiv fotosyntes.
- Gasutbyte - för mycket ger stor förlust av vatten, för lite leder till svårighet med fotosyntes.
- Hantering av fotosyntesens produkter - behöver klara av att hantera det som bildas, för mycket gör att det blir svårare att gå mot produkt och ingenstans att göra av det. För lite så riskerar resterande växt att dö.
Vilka anatomiska anpassningar relaterade till anpassning av ljusinfångst kan vi se hos växter (eudikotelydoner specifikt)?
- Kutikulans form: fungerar saom en lins som bryter ljuset så att “rätt” våglängd träffar mesofyllcellerna i palissadparenkymet.
- Olika typer av mesofyllceller, palissadparenkym överst med tätt packade celler med många kloroplaster för optimal fotosyntes. Svampparenkym under som kan ta emot ljus som filtreras igenom palissaden för att effektivisera ljusinfångst.
- Förmåga att flytta kloroplaster i mesofyllceller via cytoskelett: Vid intensivt ljus läggs de på varandra längst sidorna för att skydda fler, vid lågt ljus lägger de sig överst och utspritt för att ta upp så mycket ljus som möjligt.
- Flera olika pigmentmolekyler som fångar upp ljus av olika våglängd - effektivt då mer ljus kan användas.
Varför används inte allt ljus till fotosyntesen?
Varför inte ha ett enda cellager packat med kloroplaster som plockar upp allt inkommande ljus?
Balans i systemet krävs – flöden! Inflödet riskerar att bli för stort. Bladen riskerar att brännas sönder vid hög ljusintensitet.
Kutikulan fungerar som ett skyddande hölje som skyddar mot både biotiska och abiotiska faktorer, men det hindrar även gas från att enkelt ta sig in i bladet. Hur har växter löst detta?
Svampparenkym och stomata är anpassningar som ökar växtens möjlighet till gasutbyte. Stomata består av två guard cells som kan fyllas och tömmas på vatten för att stängas/öppnas. De sitter oftast abaxialt men ibland även adaxialt. Svampparenkymet är glest med stort utrymme för gaser - effektivt gasutbyte.
Hur fungerar lagring av fotosyntesens produkter?
Under dagen korttidslagras socker som produceras i fotosyntesen som stärkelsekorn i kloroplasternas väggar, en snabb process. En stor del av kloroplastens volym på sen eftermiddag upptas av stärkelse (source). Under natten depolymeriseras stärkelsen och transporteras via floem till de platser i växten som behöver energi (sink).
Kolhydraterna som bildas i fotosyntesen korttidslagras som stärkelse, inte socker, varför?
För att stärkelse inte är lösligt i vatten, som socker är. Detta medför att det inte påverkar osmotiskt samt leder till att sockerkoncentrationen inte blir för hög i cellen, en hög konc socker skulle få reaktionshastigheten i fotosyntesen att bli långsam.
Vad händer om en växt som anpassat sig för att leva i en skuggig miljö plötsligt får mycket ljus?
En växt som levt i en skuggig miljö en längre tid har anpassat sig till detta genom att skapa stora antennkomplex för att ta upp så mycket ljus som möjligt. När den nu får mycket ljus kan det resultera i fotoinhibering: En ljusinducerad minskning av fotosynteskapaciteten hos en växt. Det som händer vid fotoinhibition är att fotosystem I och II får skador och producerar reaktiva syrearter (ROS) som kan skada växten då de är starkt oxiderande (orsakar oxidativ stress).
Vilka anpassningar finns för att hantera effekterna av fotoinhibering?
- Alternativa ljusfångstsystem t.ex. Xanthofyllcykeln: Xanthofyll är ett pigment som kan ta emot en del av solljuset och göra om det till värme, vilket håller det borta från PSII och PSI.
- Enzymatiska mekanismer för avgiftning (degradering av ROS): energimässigt kostsam och komplex process som gör om dem till vatten.
- Cyklisk elektrontransport: Frikoppling av PSI (vilket kopplar bort PSII som vanligtvis använder vatten - bra vid vattenbrist) vilket producerar ATP men ingen NADPH. Detta ger kontroll över ATP relativt till NADPH och används också under “normala” förhållanden för att balansera energiproduktionen.
