Licht adaptatie in planten

Transcriptie

1 Licht adaptatie in planten Introductie Planten en andere fotosynthetische organismen hebben een maximum aan licht wat ze kunnen verwerken. Planten gebruiken verschillende mechanismen om de lichtopname te reguleren. Bij een overschot aan licht kunnen planten zichzelf beschermen tegen nadelige effecten van teveel licht. Bij weinig licht zal de plant juist proberen meer licht op te vangen om te verwerken tot chemische energie. De nadelige effecten van licht komen niet alleen bij mensen, maar ook bij planten voor; net als de huid van een mens schade kan oplopen door teveel licht, kunnen bladeren hierdoor ook schade oplopen. Planten gebruiken, in tegenstelling tot mensen, licht voor fotosynthese. Vandaar dat het belangrijk is dat planten de lichtopnamecapaciteit met verschillende mechanismen kunnen reguleren. Je zou dit kunnen zien als een ingebouwde zonnebrand. Doel In dit experiment wordt gekeken naar één van de mechanismen waarmee planten zich kunnen aanpassen aan verschillende lichtsterktes. De PAM-meter wordt gebruikt om de fotosyntheseefficiëntie te meten bij planten die aangepast zijn aan donkere of lichte omstandigheden. Materialen PAM-meter opstelling (Junior-PAM + laptop / Pocket-PAM) Plantenblad aangepast aan donkere omstandigheden Plantenblad aangepast aan lichte omstandigheden Uitvoering 1. Stel de PAM-meter op de juiste manier in; als dit al in een vorig experiment is gedaan dan hoeft dit niet nogmaals. De uitleg van het instellen van de Junior-PAM meter of de Pocket- PAM meter kun je vinden in de algemene introductie met de uitleg over de PAM-meters. 2. Haal de plantenbladeren op. Probeer hierbij zo weinig mogelijk aan de omstandigheden van de bladeren te veranderen. Dit betekent dat het blad dat aan het donker aangepast is ook in het donker moet blijven (leg er dus iets overheen) en het blad dat aan het licht is aangepast moet blijven blootgesteld worden aan het licht. 3. Meet met de PAM-meter per blad op 3 verschillende plekken de yield de yield en bereken vervolgens de gemiddelde yield die je gebruikt voor je resultaten. 4. Ruim alle materialen op; let er hierbij op dat het aan licht aangepaste blad terug in het licht wordt gelegd en het aan donker aangepaste blad terug in het donker wordt gelegd. Het experiment is nu afgerond; ga verder met het beantwoorden van de vragen bij deze module. Vragen Aanpassing van planten aan verschillende lichtsterktes 1. Wat heb je gemeten? 2. Wat betekenen de termen F 0 en F M?

2 3. Waarom gebruikt een plant niet al het licht dat op de bladeren valt voor fotosynthese? 4. Verklaar het verschil tussen de fotosyntheseactiviteit van een blad dat 5 minuten in het licht en een blad dat 5 minuten in het donker is geplaatst. Spectra en absorptie Planten kunnen licht absorberen (opnemen) of fluoresceren (terugkaatsen). Licht is elektromagnetische straling met verschillende golflengtes. De golflengte bepaalt de kleur van het licht. De kleur licht die wordt teruggekaatst nemen wij waar, in dit geval de kleur van bloemen en bladeren. Al het andere licht wordt geabsorbeerd. Normale groene bladeren bevatten vooral het pigment chlorofyl a en chlorofyl b, die groen licht terugkaatsen, waardoor wij de bladeren zien als groene bladeren. Wortels 1 bevatten het pigment caroteen, die voor de oranje kleur van wortels zorgt. Anthocyaan is het pigment in bloemen van hibiscusplanten, die voor een paarse kleur van de bloembladeren zorgt. Figuur 1, Hibiscus sp. Figuur 2, Daucus carota. Figuur 3, Absorptiespectra van de verschillende kleurstoffen. 5. Waarom zijn bladeren groen, wortels oranje en hibiscusbloemen paars? (Hint: gebruik het absorptiespectrum) 1 Wortels hadden, toen ze door de VOC gevonden werden in Iran, een andere kleur dan oranje. Door het huis van Oranje- Nassau zijn de wortels gekruist, totdat ze de huidige oranje kleur hadden. Hierna verspreidde de wortel zich pas over Europa.

3 Adaptatie in korstmossen Introductie Korstmossen zijn schimmels die in symbiose leven met een alg of cyanobacterie. Korstmossen komen veel voor; je vindt ze op stenen, bomen en andere kale oppervlakken. Op elke plek waar genoeg licht en water komt en een oppervlak is om zich te hechten kunnen korstmossen groeien. De symbiose tussen een fotosynthetisch organisme en een niet-fotosynthetisch organisme, zoals bij een korstmos, kan vele voordelen bieden. Beide partijen kunnen namelijk profiteren van elkaars eigenschappen en zo ontstaat er een win-winsituatie. In een korstmos zetten de fotosynthetische organismen lichtenergie om in chemische energie, die de schimmels kunnen gebruiken. De schimmels bieden op hun beurt bescherming voor de fotosynthetische organismen. Daarnaast houden de schimmels voedingsstoffen en water vast voor de fotosynthetische organismen, zodat deze langer kunnen overleven. Figuur 2, Een korstmos schematisch weergegeven. (bron: examen havo 2009) Bovenstaande afbeelding laat zien hoe de bescherming van het fotosynthetische organisme (in dit geval een wier) in zijn werk gaat. De schimmel kan bij extreme omstandigheden, zoals tijdens een hete zomerdag, het zonlicht tegenhouden, waardoor er geen fotosynthese meer kan plaatsvinden en het korstmos zichzelf beschermt tegen uitdroging. Doel van het experiment In dit experiment wordt gekeken naar één van de mechanismen waarmee korstmossen zich kunnen beschermen tegen uitdroging. De PAM-meter wordt gebruikt om de fotosynthese-efficiëntie te meten bij korstmossen die worden geplaatst in relatief extreme droogte en in normale, vochtige omstandigheden. Materialen PAM-meter opstelling (Junior-PAM + laptop / Pocket-PAM) Korstmos in droge omstandigheden Korstmos in normale omstandigheden

4 Uitvoering 5. Stel de PAM-meter op de juiste manier in; als dit al in een vorig experiment is gedaan dan hoeft dit niet nogmaals. De uitleg van het instellen van de Junior-PAM meter of de Pocket- PAM meter kun je vinden in de algemene introductie met de uitleg over de PAM-meters. 6. Na het instellen van de PAM-meter kunnen de stukken korstmos opgehaald worden; droog korstmos is te herkennen aan een meer witte kleur en nat korstmos is te herkennen aan een groenere kleur (zie figuur 2 en 3). 7. Meet met de PAM-meter per stuk korstmos op 3 verschillende plekken de yield en bereken vervolgens de gemiddelde yield die je gebruikt voor je resultaten. 8. Ruim alle materialen op; leg de stukken korstmos terug op de plek waar je ze gepakt hebt. Het experiment is hiermee afgerond; de vragen bij deze module kunnen worden beantwoord. Vragen Aanpassing van korstmos aan droogte 6. Wat heb je gemeten? 7. Kun je deze gemeten waardes verklaren? 8. Waarom is het voordelig voor een korstmos om de fotosyntheseactiviteit compleet uit te schakelen bij droogte? 9. Welke voordelen hebben beide partijen van de symbiose? 10. Zou je nog een omstandigheid kunnen bedenken waarin de korstmossen zich op dezelfde manier zullen aanpassen? Figuur 3, Een tak met een vochtig stuk korstmos Figuur 4, Een tak met een droog stuk korstmos

5 Temperatuur en fotosynthese Introductie In tropische gebieden groeien planten veel sneller dan in het Nederlandse klimaat. In koudere landen nog verder naar het Noorden groeien planten minder snel dan hier. Maar een plant uit Noorwegen zal het in Brazilië niet overleven. Planten kunnen zich blijkbaar beschermen tegen extreme hitte of kou. In dit practicum gaan we onderzoeken hoe een plant reageert op temperatuursveranderingen door zijn fotosyntheseactiviteit te meten. Planten hebben verschillende mechanismen om te reageren op extreme temperatuursomstandigheden. Bij extreme hitte gaan de poriën van de bladeren dicht en sluiten planten zich af om verdamping van water te voorkomen. Dit is ter preventie van uitdroging (meer hierover in de module over uitdroging). De temperatuur heeft invloed op de hoeveelheid water, maar ook op de verschillende enzymen in de plant, waaronder de enzymen die een rol spelen in de fotosynthese. Enzymen zijn complexe eiwitstructuren die belangrijke processen in cellen verzorgen. Ze werken als katalysator voor allerlei reacties; elk enzym heeft haar eigen specifieke proces dat ze aan of uit kan zetten. Dit gebeurt ook in de fotosynthese: een reactie die zonder enzymen nooit zou kunnen plaatsvinden, kan wel doorgaan met behulp van de juiste enzymcomplexen (bijvoorbeeld: fotosysteem 1 en 2). Een enzym bestaat uit een lange keten van aminozuren, in een bepaalde volgorde en gevouwen in een specifieke 3D-structuur. Deze complexe structuur heeft tot gevolg dat het enzym zeer gevoelig is voor temperatuursverschillen; wordt het te warm dan valt de structuur en de keten uit elkaar (het enzym denatureert), wordt het te koud dan stopt de werking van het enzym (de reactie kan niet meer plaatsvinden). Dit gebeurt ook met de enzymen in de fotosynthesereactie; in dit experiment gaan we bekijken wat er met planten in extreme kou gebeurt. Doel In dit experiment wordt gekeken naar de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de fotosynthese en onderzoeken wij hoe deze enzymen zich aanpassen aan verschillende temperaturen. De PAM-meter wordt gebruikt om de fotosynthese-efficiëntie te meten bij waterplanten die aan kamertemperatuur zijn aangepast en waterplanten die aan een ijsbad met bijbehorende temperatuur aangepast zijn. Materialen PAM-meter opstelling (Junior-PAM + laptop / Pocket-PAM) Een petrischaal met drijvende waterplanten aangepast aan ~ 20 C (kamertemperatuur) Een petrischaal met drijvende waterplanten aangepast aan ~ 4 C (ijsbad) Uitvoering 9. Stel de PAM-meter op de juiste manier in;, als dit al in een vorig experiment is gedaan dan hoeft dit niet nogmaals. De uitleg van het instellen van de Junior-PAM meter of de Pocket- PAM meter kun je vinden in de algemene introductie met de uitleg over de PAM-meters. 10. Na het instellen van de PAM-meter kunnen de petrischalen met de drijvende waterplanten opgehaald worden. Probeer dit pas te doen zodra je klaar bent om te gaan meten, zodat de koude planten niet te warm worden.

6 11. Meet met de PAM-meter per petrischaal op 10 verschillende blaadjes de yield en bereken vervolgens de gemiddelde yield die je gebruikt voor je resultaten. 12. Ruim alle materialen op; let hierbij op dat de petrischaal met de koude plant terug in het ijsbad komt en de andere petrischaal weer bij de schalen op kamertemperatuur komt. Het experiment is nu afgerond; de vragen bij deze module kunnen worden beantwoord. Vragen Temperatuur en fotosynthese 11. Wat heb je gemeten? 12. Welke plant vertoonde een hogere fotosynthese-efficiëntie en waarom? 13. Hoe kunnen planten in de permafrost (het gehele jaar bevroren grond) of in de woestijn (extreme hitte) overleven? 14. Waarom verliezen bomen in de herfst de bladeren? Enzymkinetiek Planten kunnen zich aanpassen aan temperatuurverschillen, maar daarnaast hebben planten een optimumtemperatuur, afhankelijk van waar ze groeien. Hierbij spelen allerlei zaken een rol, zoals de dikte van de bladeren of de hardheid van een plant (houtvorming). Enzymen in planten passen zich ook aan deze omstandigheden aan. Hieronder zie je hetzelfde enzym in 3 verschillende planten (figuur 1). De reactiesnelheid is uitgezet op de Y-as tegen de temperatuur op de X-as. Figuur 1, Een enzym in verschillende planten. 15. Er zijn 3 planten: één bij jullie in de woonkamer, één in Noorwegen en één in de buurt van de Sahara. Welke plant hoort bij welk aangepast enzym (1,2 of 3)? En waarom? Bonus: Hoe kan een enzym met een bepaalde werking zich aanpassen aan verschillende temperaturen? (Hint: denk aan de structuur en de keten)

7 Waterschaarste en fotosynthese Introductie Wereldwijd is waterschaarste een steeds belangrijker wordend onderwerp. Waterschaarste is het gebrek aan voldoende schoon water, wat betekent dat er meer vraag naar dan aanbod van schoon water is. Schoon water is zoet water dat gebruikt kan worden als drinkwater of op landbouwgrond. Waterschaarste is een probleem waar één derde van de wereldbevolking mee te maken heeft en komt vooral voor in derdewereldlanden. De landbouwsector verbruikt het meeste schoon water voor irrigatie van het land. In veel landen gaat door inefficiënt watergebruik meer dan de helft van het water verloren. Momenteel worden veel van deze irrigatietechnieken onderzocht en verbeterd. Helaas neemt niet iedereen de waterverspilling altijd serieus of worden de nieuwe technieken niet ingezet, zodat men veel water blijft verspillen. Maar waterschaarste is weldegelijk een serieus probleem; veel mensen pakken het niet op, omdat ze er zelf (tot nu toe) geen last van ondervinden. In Nederland gebruikt één persoon gemiddeld 120 liter aan drinkwater per dag. In dit practicum gaan we kijken naar de manier hoe planten reageren op een tekort aan water. Figuur 5, Het Aralmeer (450 km. lang) in resp. 1989, 2003 en (Bron NASA) Planten hebben, net als bij andere milieuveranderingen, mechanismen die ze gebruiken om zich aan te passen aan de hoeveelheid water die beschikbaar is. Planten hebben poriën in de bladeren, die ze kunnen sluiten bij een tekort aan water. Dit zorgt voor een gedeeltelijke vermindering van de fotosyntheseactiviteit en het houdt de verdamping van water uit de bladeren tegen. De fotosynthesereactie is, naast verdamping van water uit de plant, de grootste waterverbruikende reactie in de plant. Per glucosemolecuul dat geproduceerd wordt, worden er 6 watermoleculen verbruikt. In geval van extreme watertekorten zal een plant de fotosynthesereactie als één van de eerste reacties stopzetten om te kunnen overleven. Zowel de assimilatie- als de dissimilatiereactie zal stopgezet worden. Figuur 6, Waterschaarste wereldwijd: de kleurgradiënt geeft de mate van waterschaarste aan in het gebied: hoe roder het gebied, hoe meer waterschaarste.

8 Doel In dit experiment wordt gekeken hoe planten reageren op een verandering in de beschikbaarheid van water. Dit wordt gedaan door waterplanten die een tijd zijn uitgedroogd in petrischalen te vergelijken met waterplanten die onder normale omstandigheden hebben gedijd. De PAM-meter wordt gebruikt om de fotosynthese-efficiëntie te meten bij waterplanten die aangepast zijn aan droogte of die onder normale omstandigheden zijn gegroeid. Materialen PAM-meter opstelling (Junior-PAM + laptop / Pocket-PAM) Een petrischaal met drijvende waterplanten aangepast aan droogte Een petrischaal met drijvende waterplanten onder normale omstandigheden Uitvoering 13. Stel de PAM-meter op de juiste manier in; als dit al in een vorig experiment is gedaan dan hoeft dit niet nogmaals. De uitleg van het instellen van de Junior-PAM meter of de Pocket- PAM meter kun je vinden in de algemene introductie met de uitleg over de PAM-meters. 14. Pak twee petrischalen met de drijvende waterplanten, één van elke groep. 15. Meet met de PAM-meter per petrischaal op 5 verschillende blaadjes de yield en bereken vervolgens de gemiddelde yield die je gebruikt voor je resultaten. 16. Ruim alle materialen op; zorg er hierbij voor dat de juiste petrischaal weer op de juiste plek komt te liggen. Het experiment is nu afgerond; de vragen bij deze module kunnen worden beantwoord. Vragen Waterschaarste en fotosynthese 16. Welke mechanismen gebruikt een plant om water vast te houden? 17. Waarom wordt fotosynthese uitgezet bij een watertekort? 18. Wat doen bomen, naast zich aanpassen aan de temperatuur, ter voorkoming van uitdroging in de winter? 19. Hoeveel liter water wordt gebruikt voor de productie van de volgende producten? - 1 vel papier (A4) - 1 appel - 1 hamburger - 1 katoenen T-shirt Bonus: Wat zou een nieuwe techniek kunnen zijn om waterverspilling bij irrigatie te verminderen?