ข้อมูล

อัตราการสังเคราะห์แสงสูงกว่าอัตราการหายใจหรือไม่?

อัตราการสังเคราะห์แสงสูงกว่าอัตราการหายใจหรือไม่?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

ในการสังเคราะห์ด้วยแสง คาร์บอนไดออกไซด์จะถูกใช้จนหมดและผลิตออกซิเจน และในขณะเดียวกันพืชก็มีการหายใจด้วย ดังนั้นออกซิเจนจึงถูกใช้จนหมดและผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ จากนั้นการแลกเปลี่ยนก๊าซสุทธิควรเป็นศูนย์ ถ้าเป็นเช่นนั้นแล้วทำไมเราถึงบอกว่าพืชรักษาระดับออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ?

ดังนั้นอัตราการสังเคราะห์แสงสูงกว่าอัตราการหายใจของพืชในหนึ่งปี (โดยรวม) หรือไม่? การแลกเปลี่ยนก๊าซสุทธิทุกปีคืออะไร?


การแลกเปลี่ยนก๊าซสุทธิในพื้นที่ใด ๆ จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับจำนวนพืชและพืชชนิดใด เนื่องจากขึ้นอยู่กับจำนวนและขนาดของใบ และเนื่องจากคลอโรฟิลล์จำเป็นต่อการสังเคราะห์แสง จึงขึ้นอยู่กับปริมาณของคลอโรฟิลล์ในใบด้วย ดังนั้นคำถามส่วนนั้นจึงกว้างมาก

โดยรวมแล้ว การสังเคราะห์ด้วยแสง (การผลิตออกซิเจน) นั้นสูงกว่าอัตราการหายใจของพืชในหนึ่งปี

การหายใจแบบใช้ออกซิเจนจะดำเนินต่อไปตลอดเวลาในเซลล์พืช (ในที่สว่างและในความมืด) โดยใช้ออกซิเจนจนหมดและทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ ในทางตรงกันข้าม การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นเฉพาะในแสงและใช้คาร์บอนไดออกไซด์จนหมดและทำให้เกิดออกซิเจน ยิ่งมีแสงมากเท่าไรก็ยิ่งผลิตออกซิเจนมากขึ้นเท่านั้น

มีความเข้มของแสงที่ทำให้การหายใจและการสังเคราะห์แสงตัดกัน นี้เรียกว่าจุดชดเชย คาร์โบไฮเดรตที่ต่ำกว่าระดับนี้ถูกใช้จนหมดและพืชไม่สามารถเติบโตได้

สิ่งนี้และอื่น ๆ สามารถอ่านได้ในเอกสารนี้จาก Royal Society of Chemistry


2.2: เอกสารเตรียมการของครูสังเคราะห์แสง

ในส่วนนี้ นักเรียนจะเรียนรู้วิธีการใช้วิธีการดิสก์ใบไม้ลอยเพื่อวัดอัตราการสังเคราะห์แสงสุทธิ (เช่น อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงลบด้วยอัตราการหายใจของเซลล์) พวกเขาเปรียบเทียบอัตราการสังเคราะห์แสงสุทธิในน้ำกับสารละลายโซเดียมไบคาร์บอเนต คำถามแนะนำนักเรียนในการทบทวนชีววิทยาที่เกี่ยวข้องและตีความผลลัพธ์ของพวกเขา ส่วนนี้อาจต้องใช้ระยะเวลาในห้องปฏิบัติการ 45-50 นาที เพื่อให้แน่ใจว่าเสร็จสิ้นภายในระยะเวลาหนึ่งห้องปฏิบัติการคุณอาจต้องการใช้หน้า 1 และด้านบนของหน้า 2 ของ "เอกสารแจกนักเรียน" เป็นห้องทดลองก่อนทดลอง และ/หรือคุณอาจต้องการใช้ด้านล่างสุดของหน้า 3 โดยให้ด้านบนของหน้า 4 เป็นห้องทดลองหลัง

การสืบสวนที่ออกแบบโดยนักเรียนนี้อาจต้องใช้เวลาสองถึงสาม 45-50 นาทีเพื่อให้นักเรียน:

  • ออกแบบการสอบสวน
  • รับข้อเสนอแนะเกี่ยวกับการออกแบบการตรวจสอบและทำการปรับปรุงที่จำเป็น
  • ดำเนินการสอบสวน
  • วิเคราะห์และตีความผลลัพธ์
  • จัดทำรายงานเป็นลายลักษณ์อักษรหรือด้วยวาจา
  • เข้าร่วมการอภิปรายติดตามผลการค้นพบ การตีความ และการปรับปรุงที่เป็นไปได้ในการออกแบบการทดลองและ/หรือการติดตามผล

ถึง ลดเวลาเรียน จำเป็น คุณอาจต้องการให้นักเรียนตอบคำถามข้อ 13 ระหว่างการรวบรวมข้อมูลสำหรับส่วนที่ 1 และเตรียมการออกแบบการสืบสวนของพวกเขาเป็นการบ้าน คุณอาจต้องการให้นักเรียนเตรียมรายงานผลการเรียนเป็นการบ้าน ถ้า คุณทำ ไม่ มี เวลาเรียนเพียงพอ และ/หรือแหล่งข้อมูลสำหรับการศึกษาวิจัยนี้ นักเรียนของคุณยังคงได้รับประโยชน์จากการดำเนินส่วนที่ 1 เป็นกิจกรรมภาคปฏิบัติที่ช่วยเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับการสังเคราะห์แสงและการหายใจระดับเซลล์ และการแนะนำส่วนที่ 2 เป็นการฝึกปฏิบัติในการออกแบบการสืบสวน

ก่อนเริ่ม กิจกรรมนี้ นักเรียนควรมีความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสงและการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจของเซลล์ทำงานร่วมกันเพื่อผลิต ATP ได้อย่างไร เพื่อจุดประสงค์นี้ เราขอแนะนำกิจกรรมการวิเคราะห์และอภิปราย "การใช้แบบจำลองเพื่อทำความเข้าใจการสังเคราะห์ด้วยแสง" (http://serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/modelpho


Ellen D. Prastiwi

คำถามเกี่ยวกับความคิด
อธิบายวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังคำถามเกี่ยวกับการทำสวนต่อไปนี้:
1. ผลกระทบต่ออุณหภูมิของอากาศเมื่อข้อจำกัดในการชลประทานภูมิทัศน์สร้างภูมิทัศน์เมืองที่แห้งแล้งอย่างไร

หน้าที่หลักสามประการที่เป็นพื้นฐานในการเจริญเติบโตและการพัฒนาของพืช ได้แก่
• การสังเคราะห์ด้วยแสง – กระบวนการจับพลังงานแสงและแปลงเป็นพลังงานน้ำตาล ต่อหน้าคลอโรฟิลล์โดยใช้คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ
• การหายใจ – กระบวนการเผาผลาญน้ำตาล (การเผาผลาญ) เพื่อให้ได้พลังงานสำหรับการเจริญเติบโต การสืบพันธุ์ และกระบวนการอื่นๆ ในชีวิต
• การคายน้ำ – การสูญเสียไอน้ำผ่านปากใบ
การสังเคราะห์ด้วยแสง
ความแตกต่างหลักระหว่างพืชและสัตว์คือความสามารถของพืชในการผลิตอาหารของตัวเอง ในการสังเคราะห์ด้วยแสง คาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศและน้ำจากดินทำปฏิกิริยากับพลังงานของดวงอาทิตย์เพื่อสร้างการสังเคราะห์แสง (น้ำตาล แป้ง คาร์โบไฮเดรต และโปรตีน) และปล่อยออกซิเจนเป็นผลพลอยได้

การสังเคราะห์ด้วยแสงหมายถึงการรวมเข้ากับแสง มันเกิดขึ้นเฉพาะในคลอโรพลาสต์ซึ่งเป็นโครงสร้างย่อยเซลล์เล็ก ๆ ที่มีอยู่ในเซลล์ของใบและลำต้นสีเขียว

กระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับการจ่ายน้ำ แสง และคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรง การจำกัดปัจจัยใดปัจจัยหนึ่งทางด้านซ้ายของสมการ (คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ หรือแสง) สามารถจำกัดการสังเคราะห์ด้วยแสงได้โดยไม่คำนึงถึงปัจจัยอื่นๆ นัยของความแห้งแล้งหรือข้อจำกัดที่รุนแรงในการให้น้ำในแนวนอนคือการลดการสังเคราะห์ด้วยแสง ส่งผลให้ความแข็งแรงและการเจริญเติบโตของพืชลดลง
ในเรือนกระจกที่ปิดสนิท อาจมีการแทรกซึมของอากาศบริสุทธิ์น้อยมาก และระดับคาร์บอนไดออกไซด์ก็จำกัด จึงเป็นการจำกัดการเจริญเติบโตของพืช ในฤดูหนาว โรงเรือนเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่หลายแห่งจะให้คาร์บอนไดออกไซด์เสริมเพื่อกระตุ้นการเจริญเติบโตของพืช
อัตราการสังเคราะห์แสงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิบ้าง ตัวอย่างเช่น สำหรับมะเขือเทศ เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 96°F อัตราของอาหารที่ใช้โดยการหายใจจะสูงกว่าอัตราที่อาหารผลิตโดยการสังเคราะห์ด้วยแสง การเจริญเติบโตของพืชหยุดลงและผลผลิตสูญเสียความหวาน พืชชนิดอื่นส่วนใหญ่มีความคล้ายคลึงกัน

การหายใจ
ในการหายใจ พืช (และสัตว์) จะเปลี่ยนน้ำตาล (สังเคราะห์แสง) กลับเป็นพลังงานเพื่อการเจริญเติบโตและกระบวนการอื่นๆ ของชีวิต (กระบวนการเผาผลาญอาหาร) สมการเคมีสำหรับการหายใจแสดงให้เห็นว่าการสังเคราะห์แสงรวมกับพลังงานที่ปล่อยออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ สมการทางเคมีอย่างง่ายสำหรับการหายใจแสดงไว้ด้านล่าง สังเกตว่าสมการการหายใจตรงข้ามกับการสังเคราะห์ด้วยแสง

ในทางเคมี กระบวนการนี้คล้ายกับการเกิดออกซิเดชันที่เกิดขึ้นจากการเผาไม้ทำให้เกิดความร้อน เมื่อสารประกอบรวมกับออกซิเจน กระบวนการนี้มักเรียกกันว่า “การเผาไหม้” ตัวอย่างเช่น พลังงาน (น้ำตาล) ของนักกีฬา ’s “เบิร์น” ขณะออกกำลังกาย ยิ่งออกกำลังกายหนัก ยิ่งเผาผลาญน้ำตาลมาก ยิ่งต้องการออกซิเจนมากขึ้น นั่นเป็นสาเหตุที่ทำให้หายใจเร็วมาก นักกีฬารับออกซิเจนผ่านปอด พืชรับออกซิเจนผ่านทางปากใบในใบและทางราก
อีกครั้ง การหายใจคือการเผาไหม้ของสารสังเคราะห์แสงเพื่อให้พลังงานเติบโตและทำงานภายใน “ งาน” ของการดำรงชีวิต สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าทั้งพืชและสัตว์ (รวมถึงจุลินทรีย์) ต้องการออกซิเจนในการหายใจ นี่คือสาเหตุที่ดินเปียกหรืออิ่มตัวมากเกินไปเป็นอันตรายต่อการเจริญเติบโตและการทำงานของราก เช่นเดียวกับกระบวนการย่อยสลายที่ดำเนินการโดยจุลินทรีย์ในดิน
หลักการเดียวกันเกี่ยวกับปัจจัยจำกัดใช้ได้กับทั้งการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจ

ตารางที่ 1.
การเปรียบเทียบการสังเคราะห์แสงและการหายใจ
การหายใจสังเคราะห์ด้วยแสง
ผลิตน้ำตาลจากพลังงานแสง
เก็บพลังงาน
เกิดขึ้นเฉพาะในเซลล์ที่มีคลอโรพลาสต์
ปล่อยออกซิเจน
ใช้น้ำ
ใช้คาร์บอนไดออกไซด์
ต้องการแสง เผาผลาญน้ำตาลให้เป็นพลังงาน
ปลดปล่อยพลังงาน
เกิดขึ้นในเซลล์ส่วนใหญ่
ใช้ออกซิเจน
ผลิตน้ำ
ผลิตคาร์บอนไดออกไซด์
เกิดขึ้นในที่มืดและสว่าง

การคายน้ำ
น้ำในรากถูกดึงผ่านพืชโดยการคายน้ำ (สูญเสียไอน้ำผ่านปากใบ) การคายน้ำใช้น้ำประมาณ 90% ที่เข้าสู่พืช อีก 10% เป็นส่วนประกอบในการสังเคราะห์แสงและการเติบโตของเซลล์
การคายน้ำทำหน้าที่สำคัญสามประการ:
• การเคลื่อนตัวของแร่ธาตุขึ้นจากราก (ในไซเลม) และน้ำตาล (ผลิตภัณฑ์จากการสังเคราะห์ด้วยแสง) ทั่วทั้งพืช (ในโฟลเอ็ม) น้ำทำหน้าที่เป็นทั้งตัวทำละลายและช่องทางการคมนาคมขนส่ง
• ความเย็น – 80% ของผลการระบายความร้อนของต้นไม้ให้ร่มเงานั้นมาจากผลการทำความเย็นแบบระเหยของการคายน้ำ สิ่งนี้มีประโยชน์ทั้งพืชและมนุษย์
• แรงดัน Turgor – น้ำรักษาแรงดัน turgor ในเซลล์ได้เหมือนกับอากาศที่ทำให้บอลลูนพองตัว ทำให้ชิ้นส่วนของพืชที่ไม่ใช่ไม้กลายเป็นรูป ความขุ่นเป็นสิ่งสำคัญ ดังนั้นโรงงานจึงยังคงแข็งทื่อและตั้งตรง และได้เปรียบในการแข่งขันเมื่อต้องคำนึงถึงแสง ความขุ่นยังมีความสำคัญต่อการทำงานของเซลล์ป้องกัน ซึ่งล้อมรอบปากใบและควบคุมการสูญเสียน้ำและการดูดซึมคาร์บอนไดออกไซด์ ความขุ่นยังเป็นพลังที่ผลักรากผ่านดิน
การเคลื่อนที่ของน้ำในพืชยังเป็นปัจจัยของแรงดันออสโมติกและการทำงานของเส้นเลือดฝอย แรงดันออสโมติกถูกกำหนดให้เป็นน้ำที่ไหลผ่านเมมเบรนที่ซึมผ่านได้ในทิศทางของความเข้มข้นของเกลือที่สูงขึ้น น้ำจะยังคงไหลไปในทิศทางของความเข้มข้นของเกลือสูงสุด จนกระทั่งเกลือถูกเจือจางจนถึงจุดที่ความเข้มข้นทั้งสองด้านของเมมเบรนเท่ากัน
ตัวอย่างคลาสสิกคือการเทเกลือลงบนทาก เนื่องจากความเข้มข้นของเกลือภายนอกตัวทากนั้นสูงที่สุด น้ำจากภายในตัวทากจึงข้ามเมมเบรนที่เป็น "ผิวหนัง" ของเขา ทากที่น่าสงสารจะขาดน้ำและตาย ลองนึกภาพสถานการณ์เดียวกันนี้ในครั้งต่อไปที่คุณกลั้วคอด้วยน้ำเกลือ เพื่อฆ่าเชื้อแบคทีเรียที่ทำให้คุณเจ็บคอ
การเผาไหม้ของปุ๋ยและจุดปัสสาวะของสุนัขในสนามหญ้าเป็นตัวอย่างของปัญหาเกลือ ระดับเกลือในน้ำของดินจะสูงกว่าในราก และน้ำจะไหลจากรากสู่น้ำในดินเพื่อพยายามเจือจางความเข้มข้น คุณควรทำอย่างไรถ้าคุณใส่ปุ๋ยกับสนามหญ้าโดยไม่ได้ตั้งใจ?
การกระทำของเส้นเลือดฝอยหมายถึงแรงทางเคมีที่เคลื่อนน้ำเป็นฟิล์มต่อเนื่องแทนที่จะเป็นโมเลกุลเดี่ยว โมเลกุลของน้ำในดินและในพืชเกาะติดกันและไม่เต็มใจที่จะปล่อย คุณสังเกตเห็นสิ่งนี้เมื่อน้ำสร้างวงเดือนบนเหรียญหรือริมฝีปากแก้ว ดังนั้นเมื่อโมเลกุลหนึ่งถูกดึงขึ้นมาจากต้นพืช มันจะดึงอีกโมเลกุลหนึ่งไปด้วย แรงเหล่านี้ที่เชื่อมโยงโมเลกุลของน้ำเข้าด้วยกันสามารถเอาชนะได้ด้วยแรงโน้มถ่วง


การผสมเทียมทำให้เกิดอัตราการสังเคราะห์แสงที่สูงขึ้นในปะการังเจ้าบ้าน

แนวปะการังเป็นระบบนิเวศที่มีความหลากหลายมากที่สุดในโลกซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างกันอย่างแพร่หลาย ตัวอย่างของปฏิสัมพันธ์ดังกล่าว ได้แก่ ความสัมพันธ์ซึ่งกันและกันระหว่างเขื่อนและปะการังที่แตกแขนงในทะเลแดงตอนเหนือ ซึ่งปลาใช้ปะการังเป็นที่กำบังและให้สารอาหารแก่พวกมัน เพิ่มการไหลเวียนระหว่างกิ่งก้านของพวกมัน และปกป้องพวกมันจากผู้ล่า โดยการเพิ่มการไหลเวียนระหว่างกิ่งปะการัง ปลาจะระบายอากาศบริเวณด้านในของปะการัง บรรเทาสภาวะขาดออกซิเจนที่มิฉะนั้นจะพัฒนาภายในโซนนั้นในตอนกลางคืน ที่นี่เราทดสอบเป็นครั้งแรกถึงผลกระทบของหญิงสาว Dascyllus marginatus เกี่ยวกับการสังเคราะห์แสงและการหายใจในปะการังเจ้าบ้าน Stylophora pistillata การทดลองในห้องปฏิบัติการโดยใช้เครื่องช่วยหายใจแบบไหลเป็นช่วง ๆ แสดงให้เห็นว่าการมีปลาอยู่ระหว่างกิ่งก้านของปะการังภายใต้สภาพแสงช่วยเพิ่มอัตราการสังเคราะห์แสงของปะการัง ไม่มีผลกระทบต่อการหายใจของปะการังในสภาพที่มืด เมื่อปลาได้รับอนุญาตให้เข้าไปในโซนด้านในของโครงกระดูกปะการังที่ตายแล้ว การหายใจของปลาจะสูงกว่าเมื่ออยู่ในปะการังที่มีชีวิต การสังเกตการณ์ภาคสนามระบุว่ามีแมลงเต่าทองอยู่ระหว่างกิ่งปะการัง 18-34% ของเวลาในช่วงเวลากลางวันและตลอดเวลาในตอนกลางคืน เมื่อพิจารณาถึงการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากปลาร่วมกับสัดส่วนของเวลาที่พบระหว่างกิ่งปะการังในทุ่ง ผลของปลามีจำนวนเพิ่มขึ้น 3-6% ของการสังเคราะห์ด้วยแสงรายวันของปะการัง การค้นพบของเราเผยให้เห็นถึงผลในเชิงบวกที่ไม่เคยทราบมาก่อนของปลาที่อาศัยอยู่ในปะการังต่อการสังเคราะห์แสงของโฮสต์

คำสำคัญ: Dascyllus Mutualism สรีรวิทยา Red Sea Stylophora

© 2017 เผยแพร่โดย The Company of Biologists Ltd.

แถลงการณ์ความขัดแย้งทางผลประโยชน์

ผลประโยชน์ที่แข่งขันกัน ผู้เขียนประกาศว่าไม่มีการแข่งขันหรือผลประโยชน์ทางการเงิน


การอภิปราย

มีการเปลี่ยนแปลงสี่เท่าใน NSนั่ง, ใบไม้ NSNS, รูต NSNS และอัตราการดูด N ของต้นกล้าพันธุ์ไม้ที่เกิดร่วมกันในพื้นที่อีโคโทนเหนือในอเมริกาเหนือ ความแปรปรวนในลักษณะเหล่านี้สัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความแตกต่างของชนิดพันธุ์ใน RGR โครงสร้างใบและราก ซอกต่อเนื่อง ขนาดเมล็ด และอายุใบ [สนับสนุนสมมติฐาน (1)] ผลการศึกษานี้สอดคล้องกับแนวโน้มสำหรับมวลมากขึ้น NSนั่ง, ใบไม้ NSNS, รูต NSNS และ/หรือ N การดูดซึมในสายพันธุ์ที่ไม่ทนต่อร่มเงามากกว่าที่จะทนต่อ (1 Walters และคณะ พ.ศ. 2536) [สนับสนุนสมมติฐาน (2)] ช่วงต้นแทนที่จะเป็นช่วงปลาย (Bazzar 1979 24) และอายุสั้นมากกว่าใบยาว (22 25)

การเปรียบเทียบกับงานของ F. S. Chapin และเพื่อนร่วมงานอาจมีประโยชน์ เนื่องจากมีการศึกษาสายพันธุ์เดียวกัน 5 สายพันธุ์ และการจัดอันดับอัตราการเติบโตของพวกมันก็ใกล้เคียงกับการศึกษาในปัจจุบัน ในช่วงต้นและกลางฤดูร้อนในทุ่งอลาสก้าใบ N และ NSNS อัตราสูงขึ้นใน Populus และ Betula กว่าใน Picea glauca หรือ พิเซีย มาเรียนา ( 5 ) และผลเรือนกระจกของเราสำหรับความแตกต่างของสายพันธุ์เหล่านี้สามารถเปรียบเทียบได้ อย่างไรก็ตามรากที่ดี NSNS อัตราในอลาสก้าที่วัดได้ตลอดทั้งฤดูกาลที่อุณหภูมิทั่วไปสูงที่สุดสำหรับ ลาริกซ์ เทียบได้กับ Picea sp. และ เบทูลา และต่ำสุดสำหรับ Populus ( 5 ). ดังนั้นข้อมูลของเราซึ่ง root NSNS อัตราอย่างใกล้ชิดกระจกใบ NSNS อัตราและสูงที่สุดใน ป๊อปปูลัส ไม่สอดคล้องกับรายงานก่อนหน้านี้ ในการศึกษาในห้องปฏิบัติการกับต้นกล้า ฟอสเฟตถูกดูดซึมได้เร็วกว่าต่อหน่วยโดยตัดมวลรากที่ละเอียดออกโดย ป๊อปปูลัส เทรมูลอยด์ และ ข. ต้นกก กว่าโดย P.mariana ( 6) ไม่มีการนำเสนอข้อมูลการดูดซึมแอมโมเนียมและไนเตรตสำหรับต้นสน แต่ระบุว่าการดูดซึมไนเตรตต่ำและไม่สามารถแยกแยะได้ในทุกสปีชีส์ รวมทั้งต้นสนด้วย ในการศึกษาของเรา ต้นสนที่เขียวชอุ่มตลอดปีมีอัตราการดูด N ทั้งหมดต่อมวลรากหน่วยที่ต่ำกว่า เมื่อพิจารณาถึงความแตกต่างในการวัด (ผลลัพธ์ของเราให้ค่าประมาณของการสะสม N โดยรากทั้งระบบที่ไม่บุบสลาย เมื่อเปรียบเทียบกับการวัดโดยตรงของอัตราการดูดสารอาหารโดยรากที่ละเอียดที่ตัดออก) ผลลัพธ์ที่ตัดกันเหล่านี้ไม่สามารถคืนดีกันได้ง่ายๆ

NET CO2 อัตราแลกเปลี่ยนที่สัมพันธ์กับความทนทานต่อแสงและ RGR

ข้อมูลจากการศึกษาของเราเกี่ยวกับสายพันธุ์ทางเหนือทั้ง 9 สายพันธุ์ยังแตกต่างจากผลการศึกษาอื่นๆ ก่อนหน้านี้อีกด้วย อย่างแรกคือในแสงเต็ม 23% หรือ 2% การสังเคราะห์แสงสุทธิสูงสุดและใบไม้ NSNS อัตราของต้นไม้เขตร้อน 13 ชนิดโดยทั่วไปไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของสายพันธุ์ในความทนทานต่อร่มเงา (13) ในทางตรงกันข้าม มีความสัมพันธ์กันระหว่างความทนทานต่อเฉดสีและทั้งแบบมวลรวม NSนั่ง และ NSNS สำหรับเก้าสปีชีส์ทางเหนือ สอดคล้องกับผลลัพธ์ของสปีชีส์ผลัดใบเขตอบอุ่นห้าชนิดที่มีความทนทานต่อแสงแตกต่างกัน (33) ตามมวล NSนั่ง มีความสัมพันธ์เชิงบวกกับ RGR สำหรับ 13 สายพันธุ์เขตร้อนเมื่อปลูกในแสง 23% (NS = 0·71) แต่ไม่อยู่ในแสง 2% ในขณะที่กลุ่มสปีชีส์เหนือของเราพบความสัมพันธ์นี้ในทั้งสอง 25% (NS = 0·97) และในที่แสง 5% (NS = 0·86). ในการศึกษาของเราตามพื้นที่ NSนั่ง มีความสัมพันธ์กับ RGR สำหรับพืชที่ปลูกด้วยแสงสูงได้ดีกว่าพืชในที่แสงน้อย (ตารางที่ 3) คล้ายกับผลลัพธ์ของทั้ง 13 ) และ 33 )

การค้นพบที่สอดคล้องกันของความสัมพันธ์โดยรวมที่แข็งแกร่งขึ้นระหว่างมวล-based NSนั่ง และ RGR มากกว่าตามพื้นที่ NSนั่ง และ RGR ในการศึกษานี้และอื่นๆ ( 19 33 13 ) แสดงให้เห็นความสัมพันธ์โดยตรงระหว่าง RGR และ CO2 ได้ต่อหน่วยมวลที่ลงทุนมากกว่าต่อหน่วยพื้นที่ที่แสดง ความสัมพันธ์โดยรวมที่ดีกว่าระหว่างมวลมากกว่าตามพื้นที่ NSนั่ง และ RGR ยังสนับสนุนแนวคิดที่ว่าอัตราการแลกเปลี่ยนก๊าซตามมวลมีความเกี่ยวข้องกับการวัดพลังงานของพืชมากกว่าอัตราตามพื้นที่ (22 Walters และคณะ 2536) ความแตกต่างที่เล็กกว่าระหว่างสปีชีส์ตามพื้นที่มากกว่าแบบมวล NSนั่ง เป็นผลมาจากการไล่ระดับขนาดใหญ่ในชุดลักษณะใบที่ประสานกัน (SLA อายุใบ ความเข้มข้นของสารอาหาร) ในบรรดาสายพันธุ์ทางเหนือทั้งเก้าชนิด ตามที่ได้แสดงให้เห็นในกลุ่มพันธุ์อื่นๆ (22, 23) แสดงให้เห็นว่า SLA ลดลงตามอายุใบที่เพิ่มขึ้น และลด N และ . ตามมวล NSนั่ง และการลด SLA จะชดเชยสิ่งเหล่านี้เพื่อให้เกิดการไล่ระดับที่เล็กลงตามพื้นที่มากกว่าแบบมวล NSนั่ง ระหว่างสายพันธุ์ ( 22 24 25 ).

ผู้เขียนหลายคนระบุว่าไม่มีความสัมพันธ์ระหว่างความสามารถในการสังเคราะห์แสงกับผลผลิตหรืออัตราการเจริญเติบโตของพืช (เช่น 10 30 ) เห็นได้ชัดว่าความถูกต้องของข้อความนี้ขึ้นอยู่กับความแตกต่างที่เกิดขึ้น แต่ข้อความดังกล่าวอาจถูกนำมาใช้นอกบริบทเพื่อชี้ให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์โดยรวมเพียงเล็กน้อยระหว่างอัตราการสังเคราะห์แสงและการเจริญเติบโต บ่อยครั้ง การศึกษาประชากรหรือความแตกต่างของการรักษาภายในสปีชีส์พบว่ามีการสนับสนุนเพียงเล็กน้อยสำหรับความสัมพันธ์ดังกล่าว อย่างไรก็ตาม ในการเปรียบเทียบพันธุ์ในวงกว้าง แสดงให้เห็นชัดเจนว่า RGR ของกล้าไม้อ่อนภายใต้สภาวะควบคุม (การศึกษานี้รวมถึง Poorter ตาล 1990 22 33 13 32 ) และความสูงของต้นอ่อนที่ปลูกเป็นรายบุคคล ( 22 ) มีความสัมพันธ์อย่างมากกับอัตราการสังเคราะห์แสง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาจากมวล การสังเคราะห์ด้วยแสงตามพื้นที่อาจมีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญกับ RGR (พืชในที่แสงน้อยแต่ไม่อยู่ในที่แสงน้อย) แม้ว่าความสัมพันธ์นี้มักจะไม่ถือ (33 13)

เราพบว่าสปีชีส์ที่ทนต่อร่มเงามีอัตราการงอกและการหายใจของรากที่ขนาดพืชทั่วไปต่ำกว่าพันธุ์ที่ไม่ทนต่อการเพาะพันธุ์ [สนับสนุนสมมติฐาน (2)] ซึ่งสอดคล้องกับสมมติฐานที่มีมายาวนาน มักถูกอ้างถึง และทดสอบได้ไม่ดี ( 11 ) ที่แล้ว ขอบเขตบนกระบวนทัศน์แม้จะไม่มีหลักฐานเชิงประจักษ์ (แต่ดู 9 7) ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดว่าพืชทุกชนิดมีอัตราการหายใจต่ำกว่าเมื่อปลูกในระดับต่ำหรือไม่ vs แสงสูง [สมมติฐาน (4)] สมมติฐานที่มีมายาวนานนี้ชี้ให้เห็นว่าสปีชีส์ทุกชนิดปรับตัวให้เข้ากับการเติบโตในที่แสงน้อยโดยการปรับลดอัตราการหายใจลง ซึ่งในทางทฤษฎีจะลดการสูญเสียคาร์บอนในสภาพแวดล้อมที่มีทรัพยากรต่ำ มีข้อมูลน้อยมากในวรรณกรรมที่จะตอบคำถามนี้ ในการศึกษานี้ ข้อมูลไม่สนับสนุนสมมติฐานนี้: สำหรับทุกสปีชีส์ อัตราการหายใจสำหรับพืชที่มีขนาดใกล้เคียงกันจะใกล้เคียงกันไม่ว่าจะปลูกในที่แสงสูงหรือแสงน้อย

ความเชื่อมโยงของลักษณะพืช

ควรพิจารณาประเด็นของสาเหตุและผลกระทบโดยตรงและโดยอ้อมที่เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ที่แน่นแฟ้นระหว่างสปีชีส์ในเนื้อเยื่อจำนวนมากและลักษณะทั้งพืช (ตารางที่ 3) มีความเป็นไปได้หลายอย่างที่เกี่ยวข้องโดยอ้อม: ตัวอย่างเช่น ความแปรปรวนของมวลเมล็ดระหว่างชนิดพันธุ์อาจสัมพันธ์กับ CO สุทธิของราก ใบ และพืชทั้งต้น2 การแลกเปลี่ยน สัณฐานวิทยา และการเติบโตอันเป็นผลมาจากการเลือกคู่ขนาน มีเมล็ดเล็กหรือใหญ่และ SLA สูงหรือต่ำ NUR NSนั่ง และ RGR ตามลำดับ อาจเป็นประโยชน์สำหรับสปีชีส์ที่ปรับให้เข้ากับที่อยู่อาศัยจุลภาคบางประเภท ความสัมพันธ์อื่นๆ เป็นผลโดยตรงจากการรวมตัวของลักษณะเนื้อเยื่อจากอวัยวะไปยังทั้งพืช: LAR เป็นฟังก์ชันโดยตรงของ SLA × LWR, RLR เป็นฟังก์ชันโดยตรงของ SRL × RWR และ CO สุทธิทั้งพืช2 อัตราแลกเปลี่ยนเป็นหน้าที่โดยตรงของเนื้อเยื่อสุทธิCO2 อัตราแลกเปลี่ยน × การจัดสรรชีวมวลตามสัดส่วนของเนื้อเยื่อแต่ละประเภท

ทว่าความสัมพันธ์ประเภทที่สามนั้นใช้ได้จริง โดยมีความสัมพันธ์แบบเหตุ-ผลทางเดียวหรือสองทางโดยตรง หรือความสัมพันธ์ทางอ้อมที่อาศัยระบบอวัยวะหรือระดับทั้งโรงงาน ตัวอย่างของอดีตจะเกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ของเนื้อเยื่อ N กับใบและรากCO2 อัตราแลกเปลี่ยน. เป็นที่ยอมรับกันดีว่าความสัมพันธ์เหล่านี้เป็นพื้นฐานในธรรมชาติเนื่องจากโปรตีนที่ประกอบด้วย N มีบทบาทสำคัญในการสังเคราะห์แสงและการหายใจ ความสัมพันธ์ระหว่าง NSนั่ง, ใบไม้ NSNS, SLA และอายุขัยของใบมีความตรงน้อยกว่า แต่ก็ไม่น้อยไปกว่าพื้นฐานหรือแพร่หลาย และเกี่ยวข้องกับทั้งข้อจำกัดทางเคมีกายภาพและวิวัฒนาการในการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างใบและอายุขัย (22) ในที่สุด ความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดระหว่างโครงสร้าง เคมี และหน้าที่ของใบและรากที่เห็นในเก้าชนิด แสดงให้เห็นว่าการคัดเลือกลักษณะของใบและรากนั้นขนานกันในต้นไม้ทางเหนือ: ต้นไม้มีวิวัฒนาการให้มีทั้งสองใบ และ รากที่มีโครงสร้างที่ละเอียดกว่าและความเข้มข้น %N ที่สูงขึ้น อัตราการหายใจและอัตราการดูดกลืนทรัพยากร (NSนั่ง และการรับ N) หรือชุดคุณลักษณะย้อนกลับ ไม่ว่ารูปแบบนี้จะแพร่หลายในหมู่ต้นไม้หรือพืชชนิดอื่นๆ หรือไม่ก็ตามในปัจจุบัน เนื่องจากการจำแนกลักษณะเฉพาะของรากไม่เพียงพอในจำนวนสปีชีส์จำนวนมากเพื่อทำการเปรียบเทียบดังกล่าว

NET CO2 อัตราการแลกเปลี่ยนที่ได้รับอิทธิพลจากระดับแสง ความเข้มข้น N และรูปแบบการแสดงออก

บนพื้นฐานมวล N และ NSนั่ง มีค่าเท่ากันหรือสูงกว่าเล็กน้อยเล็กน้อยที่แสงน้อยในเก้าสายพันธุ์ทางเหนือ คล้ายกับอัตราที่สูงกว่าเล็กน้อยตามมวล NSนั่ง สำหรับ Sugar Maple และ Poplar ลูกผสมที่ปลูกในการทดลองที่ 7%vs 45% ของแสงแดดเต็มที่ ( 31 ) และสำหรับไม้เนื้อแข็ง 5 สายพันธุ์ที่โต 15%vs 75% ของแสงแดดเต็มที่ ( 33 ) สำหรับ Sugar Maple ที่โตเต็มวัย ให้ปลูกบนกิ่งในที่ร่มในที่ร่ม (. 2-10% ของแสงเต็มที่) มีใบ %N และ . ใกล้เคียงกัน NSนั่ง เป็นใบที่เติบโตบนกิ่งที่มีแสงจ้า (25–60% ของแสงเต็มที่) (8) ในทางตรงกันข้าม ต้นกล้า Sugar Maple ธรรมชาติที่เติบโตในช่องว่าง (15% ของแสงเต็มที่) มี %N ใบสูงกว่าและแบบมวล NSนั่ง กว่ากล้าไม้ในที่ร่มที่ลึกมาก (2% ของแสงเต็มที่) ( 7 ) และต้นกล้าไม้เมืองร้อน ไม่ว่าจะทนร่มเงาหรือไม่ทน มีมวลรวมมากกว่า NSนั่ง เมื่อโตที่ 23 กว่า 2% ของแสง ( 13 )

นอกเหนือจากบทความนี้แล้ว การศึกษาข้ามสายพันธุ์หลายชิ้นยังพบความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญระหว่างการหายใจทางใบกับความเข้มข้นของ N รวมทั้งต้นไม้ที่ปลูกในทุ่ง (29 Reich ตาล 1996 ไรช์ วอลเตอร์ส และคณะ 2540) 19 ) รายงานเนื้อเยื่อที่สูงขึ้น %N และ NSNS ให้โตเร็วกว่าสมุนไพรที่โตช้าแต่ไม่ชัดเจนว่า NSNS และ %N มีความสัมพันธ์กันอย่างมีนัยสำคัญ ภายในสปีชีส์ ความสัมพันธ์ระหว่าง %N และ NSNS พบบ่อย แต่ไม่เสมอไป ( 3 14 20 26 ) กำหนดช่วงที่มากขึ้นของทั้ง %N และ NSNS ไม่น่าแปลกใจเลยที่ความสัมพันธ์ที่แน่นแฟ้นระหว่างทั้งสองยังพบได้บนพื้นฐานนั้น

ผลการเพาะกล้าเหล่านี้เปรียบเทียบกับข้อมูลจากต้นโตเต็มที่อย่างไร? อันดับระหว่างสายพันธุ์ของ NSนั่ง และ NSNS มีความคล้ายคลึงกันสำหรับต้นกล้าที่ปลูกในเรือนกระจกเช่นเดียวกับต้นไม้ที่ปลูกในทุ่ง ( 25 ข้อมูลที่ไม่ได้เผยแพร่) และอัตราส่วนของ NSนั่ง ใบ NSNS (ตามความชันของการถดถอยระหว่างทั้งสอง) ประมาณ 10:1 สำหรับต้นกล้าทั้งสอง (การศึกษานี้) และต้นไม้ที่โตเต็มที่ (Reich, Walters และคณะ 2540) ความเข้มข้นของ Leaf N, SLA, NSนั่ง และ NSNS ทั้งหมดนั้นสูงกว่าในต้นกล้าที่เลี้ยงด้วยเรือนกระจกมากกว่าต้นไม้ที่ปลูกในทุ่ง ความชันของมวลฐาน NSนั่ง-ใบ N และ NSNSความสัมพันธ์ -N สำหรับต้นกล้ายังสูงกว่าต้นไม้ที่ปลูกในทุ่ง (21, 26 25 29 ) ซึ่งสอดคล้องกับข้อมูลที่แสดงให้เห็นความชันของความสัมพันธ์ดังกล่าวสำหรับพืชที่มีค่าเฉลี่ย SLA และ %N สูงกว่า (23 25)

บางครั้งมีการรายงานผลลัพธ์ที่แตกต่างกันเมื่อมีการเปรียบเทียบมวล- vs อัตราการสังเคราะห์แสงตามพื้นที่ ในการศึกษานี้ ในบรรดาสปีชีส์ทางเหนือทั้งเก้าชนิด สปีชีส์ที่เติบโตเร็วกว่ามีอัตราการสังเคราะห์แสงตามมวลที่สูงกว่า แต่มีอัตราการสังเคราะห์แสงตามพื้นที่ใกล้เคียงกัน มากกว่าผู้ปลูกช้า ซึ่งคล้ายกับการเปรียบเทียบหลายสายพันธุ์อื่นๆ (19 22) อย่างไรก็ตาม ในชุดข้อมูลอื่นๆ พบว่าแม้บนพื้นฐานพื้นที่ NSนั่ง สูงกว่าในสายพันธุ์ที่เติบโตเร็วและสืบต่อต้นในห้องปฏิบัติการ (33) หรือภาคสนาม (24)

ความแตกต่างเหล่านี้สามารถประนีประนอมได้อย่างไร? ปรากฏว่าความแตกต่างระหว่างสปีชีส์ใน SLA (ซึ่งเป็นพลาสติกสูงภายในสายพันธุ์ตามหน้าที่ของอายุพืชและสภาพแวดล้อมจุลภาค) มักจะลดความแตกต่างตามสัดส่วนระหว่างสายพันธุ์ในกลุ่มใหญ่ที่ตัดกันเมื่อเปรียบเทียบ NSนั่ง หรือ NSNS ถูกสร้างขึ้นบนพื้นที่มากกว่าฐานมวล ( 19 Reich ตาล 1992 33 24 25 Reich, Walters และคณะ 2540 การศึกษาครั้งนี้) การทำเครื่องหมายความแตกต่างของชนิดพันธุ์ตามพื้นที่หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะของการศึกษาแต่ละครั้ง ตัวอย่างเช่น สำหรับต้นกล้าไม้เนื้อแข็ง ( 33 ) และต้นไม้เขตร้อน ( 24 ) รูปแบบที่คล้ายกันของความแตกต่างระหว่างความจำเพาะใน NSนั่ง สังเกตได้จากทั้งพื้นที่และฐานมวล เนื่องจากความแตกต่างของ SLA มีขนาดเล็กพอที่จะลดลง แต่ไม่ได้ขจัดความแตกต่างของสายพันธุ์ในพื้นที่ NSนั่ง. ในทางตรงกันข้าม สำหรับต้นกล้าไม้ล้มลุก (19) ต้นกล้าไม้ (การศึกษานี้ในสภาวะแสงน้อย) หรือต้นไม้ในเขตอบอุ่น (25) ความแตกต่างระหว่างความจำเพาะใน SLA จะชดเชยความแตกต่างโดยสิ้นเชิงในมวล NSนั่งจึงไม่มีความแตกต่างกันในเชิงพื้นที่ NSนั่ง ข้ามสายพันธุ์ที่เกิดขึ้น ข้อสรุปที่สามารถบรรลุได้คือ (1) Mass-based NSนั่ง แตกต่างกันไปตามสปีชีส์โดยคำนึงถึงความใกล้ชิดกับที่อยู่อาศัยและความแตกต่างของอัตราการเติบโต (2) ตามพื้นที่ NSนั่ง ความแตกต่างมักจะน้อยกว่าตามการไล่ระดับของสายพันธุ์ดังกล่าว และ (3) การเกิดขึ้นของรูปแบบตามพื้นที่ระหว่างชนิดพันธุ์ถือได้ว่าเป็นปรากฏการณ์ทั่วไปที่อ่อนแอ


รับทราบ

การศึกษานี้ได้รับการสนับสนุนโดย National Natural Science Foundation (41430967 41120164007), State Oceanic Administration (SOA, GASI-03-01-02-04), โครงการร่วมของ NSFC และมณฑลซานตง (Grant No. U1406403) และ Strategic Priority Research Program ของ Chinese Academy of Sciences (Grant No. XDA11020302) การเยือนเซียะเหมินของ JB ได้รับการสนับสนุนจากมหาวิทยาลัยเซียะเหมิน SC ได้รับการสนับสนุนจาก Royal Society (สหราชอาณาจักร) University Research Fellowship และการไปเยือนเซียะเหมินของเธอได้รับการสนับสนุนจาก MEL เรารับทราบผู้ตรวจสอบที่ไม่ระบุชื่อทั้งสี่รายสำหรับความคิดเห็นที่ลึกซึ้งเกี่ยวกับต้นฉบับ

การตรึงคาร์บอนสังเคราะห์ด้วยแสง

ตาราง S1 พารามิเตอร์เคมีคาร์บอเนตของตัวกลาง LCL, HC และ HCL พารามิเตอร์เหล่านี้คำนวณจาก pCO2 และ pH ด้วย CO2ซอฟต์แวร์ SYS อักษรตัวยกต่าง ๆ บ่งบอกถึงความแตกต่างที่มีนัยสำคัญระหว่างสื่อที่ NS < 0.05.

ตาราง S2 อัตราการเติบโตจำเพาะของประชากร LCL และ HCL และระดับนัยสำคัญของความแตกต่างในอัตราการเติบโตระหว่างสองประชากรสำหรับแต่ละรอบการเติบโตที่วัดได้ วิเคราะห์ความแตกต่างที่มีนัยสำคัญโดยใช้ตัวอย่างอิสระ NS-การทดสอบ และระดับความเป็นอิสระเท่ากับ 4 ค่าที่เป็นตัวหนาและขีดเส้นใต้แสดงว่าอัตราการเติบโตระหว่างประชากรทั้งสองมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ

ตาราง S3 ขนาดเซลล์เฉลี่ยของประชากร LCL และ HCL และระดับนัยสำคัญของความแตกต่างในขนาดเซลล์ระหว่างประชากรสองกลุ่มสำหรับแต่ละรอบการเติบโตที่วัดได้ วิเคราะห์ความแตกต่างที่มีนัยสำคัญโดยใช้ตัวอย่างอิสระ NS-การทดสอบ และระดับความเป็นอิสระเท่ากับ 4 ค่าที่เป็นตัวหนาและขีดเส้นใต้แสดงว่ามีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในขนาดเซลล์ระหว่างประชากรสองกลุ่ม

รูปที่ S1 อัตราการตรึงคาร์บอนที่สังเคราะห์ด้วยแสง (เซลล์ pg -1 ชั่วโมง -1 ) สำหรับ Phaeodactylum tricornutum เซลล์จากประชากร LCL (แถบสีดำ) และ HCL (แถบสีเทา) ในวันที่ 558 และ 588 LCL, การสัมผัสอากาศแวดล้อมระยะยาว HCL, CO ที่เพิ่มขึ้นในระยะยาว2 การรับสัมผัสเชื้อ. ค่าเหล่านี้หมายถึง ± SD ของวัฒนธรรมสามเท่าจากแต่ละประชากร (NS = 3). ตัวอักษรต่าง ๆ บ่งบอกถึงความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างประชากรที่ NS < 0.05.

โปรดทราบ: ผู้จัดพิมพ์จะไม่รับผิดชอบต่อเนื้อหาหรือการทำงานของข้อมูลสนับสนุนใด ๆ ที่จัดทำโดยผู้เขียน คำถามใด ๆ (นอกเหนือจากเนื้อหาที่ขาดหายไป) ควรส่งไปยังผู้เขียนที่เกี่ยวข้องสำหรับบทความ


วิศวกรรมพืชผลที่มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงสามารถลดการสูญเสียผลผลิตที่เกิดจากอุณหภูมิสูงได้หรือไม่?

อัตราการหายใจต่ำโดยทั่วไปมีความสัมพันธ์กับผลผลิตพืชผลสูง (Nunes-Nesi et al., 2005 Hauben et al., 2009) แต่อัตราการหายใจที่ต่ำมากอาจไม่เพียงพอต่อการผลิตพลังงานอย่างยั่งยืน (De Block และ Van Lijsebettens, 2011) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานในทันทีเพื่อเพิ่มผลผลิตพืชในสภาพอากาศที่มีอุณหภูมิสูง อันที่จริงการหายใจของพืชที่สูงขึ้นไม่ได้ลดการสะสมของสารชีวมวลเสมอไป การวิเคราะห์เมตาล่าสุดระบุว่าสภาพอากาศที่มีอุณหภูมิสูงเพิ่มมวลชีวภาพอย่างมีนัยสำคัญถึง 12.3% ในพืชบนบกทั้งหมด และผลกระทบนี้ไม่เปลี่ยนแปลงตามปริมาณน้ำฝนรายปีเฉลี่ย ระยะเวลาการทดลอง CO2 การเสริมสมรรถนะหรือการเติมไนโตรเจน ความแห้งแล้ง หรือการชลประทาน (Lin et al., 2010) ในทำนองเดียวกัน ผลผลิตเมล็ดพืชก็เพิ่มขึ้นเมื่อพืชอยู่ภายใต้อุณหภูมิที่สูงในเวลากลางคืนเท่านั้นในห้องเจริญเติบโต (Glaubitz et al., 2014) ที่น่าสนใจคือพันธุ์อินดิก้ามีอัตราการหายใจสูงกว่าพันธุ์จาโปนิกาในอุณหภูมิกลางคืนที่สูง พันธุ์อินดิก้ายังแสดงให้เห็นการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญของชีวมวลเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุม ในขณะที่พันธุ์จาโปนิกามีการลดลงเล็กน้อย (Peraudeau et al., 2015) นี้ชี้ให้เห็นว่าพันธุ์ที่มีการสะสมของสารชีวมวลเพิ่มขึ้นและอัตราการหายใจที่สูงขึ้นภายใต้อุณหภูมิกลางคืนที่สูงมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานมากขึ้น มีการจัดสรรพลังงานให้กับการหายใจเพื่อการเจริญเติบโตที่สัมพันธ์กับการหายใจเพื่อการบำรุงรักษาและแม้กระทั่งกระบวนการอื่นๆ ที่ไร้ประโยชน์ (รูปที่ 2Ba) ดังนั้น วิศวกรรมพืชผลที่มีประสิทธิภาพพลังงานสูงในกระบวนการหายใจจึงเป็นวิธีการที่เป็นไปได้ในการลดการสูญเสียผลผลิตที่เกิดจากอุณหภูมิสูง

เส้นทางมากมายเกี่ยวข้องกับการเผาผลาญของระบบทางเดินหายใจ และพวกมันถูกปรับโดยยีนหลายตัวที่เกี่ยวข้องกับทุกแง่มุมของสรีรวิทยาของพืชผลและการเจริญเติบโต (Amthor et al., 2019) จึงเป็นเรื่องยากที่จะได้พันธุ์ที่ใช้พลังงานต่ำโดยใช้วิธีการผสมพันธุ์แบบเดิม อย่างไรก็ตาม ขณะนี้สามารถระบุเป้าหมายระดับโมเลกุลที่เฉพาะเจาะจงได้ เพื่อที่จะออกแบบประสิทธิภาพการหายใจให้มากขึ้นและลดCO2 การสูญเสีย. มีการแนะนำกระบวนการหลายอย่างเพื่อเป็นเป้าหมายสำหรับวิศวกรรมพืชผลที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น กิจกรรมการสังเคราะห์ THI4 ไทอาโซล การป้องกันโปรตีนจากการทำลายของไกลเคชั่น การได้มาซึ่งไนเตรต การดูดซึมไนเตรตจากรากสู่ยอด การเปลี่ยนกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวสังเคราะห์จากเวลากลางคืนเป็นกลางวัน , ฤทธิ์ออกซิเดสทางเลือกของไมโตคอนเดรีย, การสังเคราะห์และการย่อยสลายซูโครส และการปั่นจักรยาน F6P/F16BP (Amthor et al., 2019) กระบวนการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการผลิตและการใช้พลังงานในพืช อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาระหว่างกระบวนการเหล่านี้กับหน้าที่เฉพาะในการผลิตและการใช้พลังงานของพืชยังไม่ได้รับการระบุลักษณะที่สมบูรณ์ วิศวกรรมพันธุ์ที่ประหยัดพลังงานสูงโดยการปรับปรุงกระบวนการเหล่านี้เพื่อเพิ่มผลผลิตภายใต้สภาพอากาศที่มีอุณหภูมิสูงเป็นงานที่คุ้มค่า แต่ท้าทาย

กลยุทธ์ที่มีแนวโน้มดีอีกประการหนึ่งคือวิศวกรรมพืชผลที่มี BVOCs และ CH . ต่ำกว่า4 การปล่อยมลพิษ (รูปที่ 2Bb) พืชผลดังกล่าวไม่เพียงแต่จะมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดีขึ้น ลดการสูญเสียคาร์บอน และผลผลิตที่เพิ่มขึ้น แต่ยังช่วยลดการผลิตก๊าซเรือนกระจกเมื่อภาวะโลกร้อนเพิ่มขึ้นอีกด้วย มีรายงานทางวิศวกรรมของการสังเคราะห์ไอโซพรีนในไซยาโนแบคทีเรีย (Chaves and Melis, 2018), Escherichia coli (Liu et al., 2019 Lee et al., 2020) และ Saccharomyces cerevisiae (Lv et al., 2016) แต่ไม่ใช่ในพืชไร่


การตอบสนองของการหายใจในเวลากลางคืนทั้งหมดต่อความแตกต่างในการสังเคราะห์แสงทั้งหมดในแต่ละวันสำหรับใบใน a Quercus rubra L. canopy: นัยสำหรับการสร้างแบบจำลอง canopy CO2 แลกเปลี่ยน

การวัดการสังเคราะห์แสงและการหายใจบนใบในฤดูร้อนใน Quercus rubra ล. ทรงพุ่ม ทุก ๆ ชั่วโมง โดยประมาณ ตลอด 5 วัน 5 คืน. เลือกใบในทรงพุ่มด้านบนในสภาพที่มีแสงแดดส่องถึงเต็มที่ (ด้านบน) และในทรงพุ่มด้านล่าง (ด้านล่าง) นอกจากนี้ ใบไม้ในทรงพุ่มด้านบนยังถูกแรเงา (แรเงาบน) เพื่อลดอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง ข้อมูลนี้ใช้เพื่อทดสอบสมมติฐานที่ว่าการหายใจในเวลากลางคืนทั้งหมดขึ้นอยู่กับการสังเคราะห์ด้วยแสงทั้งหมดในวันก่อนหน้า และการตอบสนองเป็นสื่อกลางผ่านการเปลี่ยนแปลงการจัดเก็บในสระคาร์โบไฮเดรต Measurements were made on clear sunny days with similar solar irradiance and air temperature, except for the last day when temperature, especially at night, was lower than that for the previous days. Maximum rates of photosynthesis in the upper leaves (18.7 μmol m −2 s −1 ) were approximately four times higher than those in the lower leaves (4.3 μmol m −2 s −1 ) and maximum photosynthesis rates in the upper shaded leaves (8.0 μmol m −2 s −1 ) were about half those in the upper leaves. There was a strong linear relationship between total night-time respiration and total photosynthesis during the previous day when rates of respiration were normalized to a fixed temperature of 20°C, removing the effects of temperature from this relationship. Measurements of specific leaf area, nitrogen and chlorophyll concentration and calculations of the maximum rate of carboxylation activity, วีcmax, were not significantly different between upper and upper shaded leaves 5 days after the shading treatment was started. There were small, but significant decreases in the rate of apparent maximum electron transport at saturating irradiance, NSmax (P>0.05), and light use efficiency, (NS<0.05), for upper shaded leaves compared with those for upper leaves. This suggests that the duration of shading in the experiment was sufficient to initiate changes in the electron transport, but not the carboxylation processes of photosynthesis. Support for the hypothesis was provided from analysis of soluble sugar and starch concentrations in leaves. Respiration rates in the upper shaded leaves were lower than those expected from a relationship between respiration and soluble sugar concentration for fully exposed upper and lower leaves. However, there was no similar difference in starch concentrations. This suggests that shading for the duration of several days did not affect sugar concentrations but reduced starch concentrations in leaves, leading to lower rates of respiration at night. A model was used to quantify the significance of the findings on estimated canopy CO2 exchange for the full growing season. Introducing respiration as a function of total photosynthesis on the previous day resulted in a decrease in growing season night-time respiration by 23% compared with the value when respiration was held constant. This highlights the need for a process-based approach linking respiration to photosynthesis when modelling long-term carbon exchange in forest ecosystems.


ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว Future directions

Looking forward, we see exciting opportunities for ways in which the five principles outlined in this review could be used to rationalize future experiments. In the following sections, we outline three examples of how the principles can guide researchers with interests in understanding and modelling biochemical pathways in crop breeding, where there is a need to know the limits of respiratory behaviour and relationships between respiration and other traits and in designing experiments to help improve parameterization of respiration in ecosystem and climate models.

Biochemical modelling

The need to understand regulatory mechanisms within respiration is central to the development of metabolic models that predict C fluxes throughout the respiratory network under a given physiological and environmental condition. Such models open the door to improved metabolic engineering of respiratory traits, such as increased ATP yield and the diversion of C towards desired end products. However, it is difficult to understand which of the many potential regulatory mechanisms are most relevant to changing the behaviour of the respiratory network.

One solution is to identify differences in the regulatory properties of respiration that have coevolved in nature along with other traits and to attempt to categorize this variation or place it along a spectrum (Principle 5). This approach has been taken with regard to different modes of photosynthesis (e.g. C3 vs C4). More specifically, variation in the catalytic properties of Rubisco and PEP carboxylase has been identified among photosynthesis subtypes and causally related to differing photosynthetic performance (Sharwood et al., 2559 ). To apply this approach to respiration, one could look for natural genetic variation in catalytic and regulatory properties of individual respiratory enzymes between species and ask whether the occurrence of enzyme variants relates to differences in respiratory performance. Furthermore, different respiration subtypes probably occur within the same plant under different situations, and could be related to expression of specific isozymes with relevant properties. Key respiratory enzymes encoded by small gene families with catalytic and regulatory properties known to vary within and among species include AOX and PEP carboxylase (O'Leary et al., 2011 Florez-Sarasa et al., 2016 Selinski et al., 2018 ). Once it is understood which regulatory mechanisms are needed to produce different types of respiratory behaviour seen in nature, such as for thermogenesis in aroid flowers (Wagner et al., 2008 ), mass organic acid exudation in proteoid roots (Shane et al., 2004 ) or rapid biosynthesis of oil and protein from sugars in oilseeds (Plaxton & O'Leary, 2012 ), these properties can be reproduced or avoided elsewhere to the advantage of metabolic engineering.

Crop improvement

Is respiration a wasteful process that should be selected against to improve C-use efficiency in crops? The answer to this question depends on how exactly respiration is functioning, which may differ between tissues. As outlined in Principle 1, increased respiration can be linked to increased rates of biosynthesis, which would generally be beneficial for growth. Alternatively, increased respiration may accompany stress and redox imbalance in the metabolic network not linked to biosynthesis and leading to lower C-use efficiency. How can we sort the good from the bad?

To observe variation in respiratory functionality, it will be necessary to further develop experimental approaches that integrate multiple measurements. Examining differences in single gas exchange rates (e.g. CO2 production) provides limited information about the biochemical nature of respiratory variation. However, combinations of gas exchange with other measurements can be interpreted with regard to, for example, the operation of alternative pathways or the correlation between tissue respiration and yield. Existing combined measurements include O2 isotope fractionation to determine cytochrome vs alternative pathway flux, and calorespirometry to determine CO2 and heat production rates however, practical improvements in both measurement techniques should be pursued to improve ease of use (Ribas-Carbo et al., 2005 Kruse et al., 2008 Scafaro et al., 2017 ). Other potential measurements can be drawn from techniques used to resolve respiratory variation in the animal field. One example is the simultaneous analysis of glycolytic flux and mitochondrial oxygen consumption, which in animal cells can distinguish the relative contribution of each pathway to total ATP production, thereby revealing different energetic modes of respiration, some associated with stress (Wu et al., 2550 ). Additional techniques include the use of fluorescent protein sensors to provide subcellular measurements of the ATP : ADP ratio and cellular redox status (Berg et al., 2009 Albrecht et al., 2014 ), thereby providing a novel opportunity to assess whether respiration is operating efficiently. The challenge will be to adapt the use of these multiparameter metabolic measurements, both theoretically and practically, to plant tissues so that they can provide precise phenotypic data in a relatively high-throughput manner (Schwarzlander et al., 2008 Uslu & Grossmann, 2016 ). Fortunately, owing to the recent advent of high-throughput methodology, tissue respiration rates can now be included in large multivariable studies, which examine correlations between plant metabolic/physiological properties and yield or other assessments of plant performance (Scafaro et al., 2017 ).

Ecosystem/climate modelling

Most plant, ecosystem and terrestrial biosphere models represent plant respiration using the growth and maintenance paradigm (McCree, 1970 Thornley, 1970 Amthor, 2000 ), relating respiration rate (CO2 efflux rate) to temperature and some combination of mass, N, photosynthetic capacity, photosynthetic C gain and growth rate (Gifford, 2003 Atkin et al., 2017 ). The models are used to estimate and predict respiration rate of an individual or a group of individuals at a site under past, current and future environmental conditions. The parameters currently used in these model frameworks are taken from empirical relationships (consistent with Principle 5) that describe general trends often observed among species and between variables measured at differing points in time. Looking forward, one option is simply to expand the availability of data to further improve the generality of empirical relationships used to predict patterns of plant respiration. Although useful for assessing current patterns, such an approach may not be sufficiently predictive for future, novel climates or apply to all species. An alternative is to use our understanding of the five principles to design experiments that will enable a more principles-based prediction of variability in respiratory rates.

Principle 1 (three functions) and Principle 4 (enzymatic control of acclimation) suggest that the predictive ability of empirical relationships may be greater if the large variation around the relationships is explained in terms of the knowledge of the three functions and enzyme capacity of respiratory metabolism. Respiration models based on the growth and maintenance paradigm largely assume that the relative contributions of the functions are at equilibrium and that enzyme capacities do not change with time (Cannell & Thornley, 2000 ) hence, the quantity of ATP generated and CO2 released should be constant for a given amount and composition of existing and newly generated biomass. This assumption remains poorly examined across space and through time, but studies probing these relations are becoming increasingly possible with the introduction of high-throughput methods of O2 uptake (O'Leary et al., 2017 Scafaro et al., 2017 ) and developments in our capacity to quantify engagement of phosphorylating and nonphosphorylating electron transport pathways (Millar et al., 1998 Ribas-Carbo et al., 2005 Armstrong et al., 2008 Kornfeld et al., 2555 ). Principles 1 and 4 also suggest that empirical relationships may be considered general if the relative contributions of each function and enzymatic capacities to respiration rate are at equilibrium, or reach an equilibrium relatively quickly. We suggest that future work should focus, in part, on assessing over what timescales equilibrium of the three distinct functions (Principle 1) is, and is not, achieved when plants experience sustained changes in temperature and other environmental factors (particularly daily photon input and soil moisture).

The interdependence of respiratory supply and demand illustrated in Principle 3 suggests that respiratory models merit greater confidence if they adequately represent feedback loops (e.g. coupling between respiration and photosynthesis, and with growth and demand). Principle 3 indicates that the flexibility of respiratory metabolism is constrained through those feedback loops. Importantly, when incorporating Principle 3 into future models, there will need to be an allowance for metabolic flexibility (Principle 2) that is, the coefficients that are used to scale respiration to supply and demand need to be flexible to allow for variability through time, space and among contrasting genotypes. Such models may describe all of the necessary mechanisms of feedback loops (but noting that complexity can make such models more difficult to deploy) or use optimization principles such as those developed for stomatal conductance (Cowan & Farquhar, 1977 Prentice et al., 2014 Lin et al., 2015 ).

บทสรุป

This review has attempted to organize the major concepts in respiratory variation in plants so that conceptual links between different fields of study can be more easily achieved. Observations of variation in plant respiration at different biological scales of size and time should be describable in terms of one or more of the principles outlined here. The principles, in turn, arise from the interactions of mechanisms that determine respiratory rate and function under the constant influence of the environment. In the future, it may be necessary to modify or extend the principles and mechanisms introduced here and we welcome such discussion.


ดูวิดีโอ: Fotosyntes och cellandning (มิถุนายน 2022).