Zdeněk Šesták

Limitations for finding a linear relationship between chlorophyll content and photosynthetic activity

In experiments with fodder cabbage and sugar beet the influences were tested which restrict the finding of a uniform linear dependence between the chlorophyll content and photosynthetic rate. The main factor is most probably the irradiation during the growth of plants and the measuring of photosynthetic rate. Changes in the density and length of irradiation with the proceeding spring season are reflected in the decrease of unit chlorophyll activity in all leaves of the plant. Such differences were not observed in plants grown in winter months at a low greenhouse irradiation density. High irradiation density during the measurement of photosynthesis ensures the finding of high correlation of photosynthetic rate with the chlorophyll amount per unit area of leaf. With a low irradiation density, or in thick leaves, the lower layers of chloroplasts are not saturated with radiation, and hence a higher correlation coefficient is found by relating photosynthetic rate to the percentage of chlorophyll in dry weight than to the quantity of chlorophyll per unit area of leaf blade. In some experiments higher activity of chlorophylls was found in young leaves before they have reached the state of “photosynthetic maturity” than after this turning point. This difference diminished by relating the photosynthetic rate to chlorophylla content instead of the total amount of chlorophylls (a+b). High activity of chlorophylls in very young leaves and great individual variability within the experimental plant groups caused by uneven cultivation conditions are the basis of apparent sigmoid character of average curves for the chlorophyll-photosynthesis relation.AbstractV pokusech s krmnou kapustou a cukrovkou byly aledovány vlivy, které omezují nalezení jednotné lineární závislosti mezi obsahem chlorofylu a intenzitou fotosyntézy. Hlavním činitelem je pravděpodobně ozáření během pěstování rostlin i při měření intenzity fotosyntézy. Změny v hustotě a délce ozáření s postupujícím jarem se odrážejí v poklesu jednotkové aktivity chlorofylu ve všech listech na rostlině. Takový pokles Lebyl pozorován u rostlin vypěstováných v zimě při nízké hustotě skleníkového ozáření. Vysoká hustota záření během měření fotosyntézy zaručuje stanovení vysoké korelace mezi intenzitou fotosyntézy a množstvím chlorofylu na plošnou jednotku listu. Při nízké hustotě ozáření nebo v tlustých listech nejsou spodní vrstvy chloroplastů zářením nasyceny. V těchto případech nalezneme vyšší korelační koeficient při vztažení intenzity fotosyntézy k procentu chlorofylu v sušině než k množství, chlorofylu na plošnou jednotku listové čepele. V některých pokusech byla nalezena vyšší aktivita chlorofylů v mladých listech před dosažením jejich „fotosyntetické dospělosti” než po tomto stavu. Tento rozdíl se snížil vztažením intenzity fotosyntézy k obsahu pouze chlorofylua místo k celkovému množství chlorofylů (a+b). Vysoká aktivita chlorofylů ve velmi mladých listech a velká individuální variabilita uvnitř souborů pokusných rostlin, způsobená nejednotnými kultivačními podmínkami, jsou podkladem zdánlivě sigmoidního charakteru průměrových křivek pro danou závislost.AbstractИзучались влияния огранивающие обнаруъение линейной зависимости меъду содержанием хлорофилла и интенсивностью фотосинтеза у растений кормовой капусты и сахарной свеклы. Вероятно, основным фактором влияющим на эту зависимость является интенсивность освещения во время выращивания растений и во время измерений фотосинтеза. Изменения в интенсивности и длительности освещения в зависимости от времени года отражаются в понижении единичной активности хлорофилла у всех листьев растения. Такая закономерность не была обнаружена у растений выращиваемых в теплице при низкой зимней интенсивности освещения. Высокая интенсивность освещения во время измерений фотосинтеза обеспечивает получение высоких значений коэффициента корреляции между интенсивностью фотосинтеза и количеством хлорофилла в расчете на единипу поверхности листа. При низкой интенсивности освещения или у листьев с толстой лисговой пластинкой нижние слои хлоропластов не насыщены светом. Более высокий коэффициент корреляции был тогда обнаружен в случае пересчета интенсивности фотосинтеза на процентное содержание хлорофилла в сухом весе чем на единицу листовой поверхности. В некоторых опытах была обнаружена более высокая активность хлорофилла у молодых листьев до начала достижения их «фотосинтетической зрелости« чем после этого. Разница уменьшалась в случае отношения интенсивности фотосинтеза только к хлорофиллуa вместо к общему содержанию хлорофиллов (a+b). Высокая активность хлорофиллов у очень молодых листьев и большая индивидуальная изменчивость растений, вызванные неодинаковыми условиями выращивания, являются основой для получения кажущегося сигмоидного характера средних кривых у данной зависимости.

Gas Exchange and Dry Matter Accumulation during Leaf Development

The primary processes of photosynthesis (see Chapter 5) supply NADPH and ATP for the fixation and reduction of carbon dioxide (see Chapter 6) which is transported into the leaf through leaf anatomical structures (see Chapter 1) characterized by different conductances for CO2 transfer (see Chapter 8). Reduction of the fixed CO2 requires a hydrogen ion which is produced by photosynthetic water splitting; in this way stoichiometric amounts of oxygen are produced. Photosynthesis is thus connected with gas exchange, i.e. CO2 uptake and O2 efflux.

Intensity of photosynthesis and chlorophyll content as related to leaf age inNicotiana Sanderae hort

U různě starých listů v listové růžici 90 až 110 denních rostlin Nicotiana sanderae hort. byly sledovány rozdály v intensitě čisté fotosynthesy a v obsahu chlorofylu (a + b). Ke stanovení intensity fotosynthesy bylo použito dvou odlišných metod, a to váhového stanovení přírůstku sušiny podle BartoŠe, KubÍna a Šet-lÍka (1960) a gazometrického stanovení infračerveným analyzátorem CO2. Nejvyšší intensitu fotosynthesy i nejvyšší obsah chlorofylu (vzhledem k ploše listové) mají mladé, ale již dobře rozvinuté listy, tj. třetí až čtvrté od vrcholu (prvním listem se rozumí list o ploše asi 20 cm2). Tyto listy nazýváme „fotosyntheticky dospělými“. Listy nejmladší a zejména pak listy starší mají intensitu fotosynthesy i obsah chlorofylu nižší; u nejstarších listů je intensita fotosynthesy prakticky nulová. Intensita fotosynthesy i obsah chlorofylu se během vývoje mění: jejich momentální rozdíly u listů v genetické spirále jsou zřejmě shodné s jejich změnami v ontogenesi listu. Pokles intensity fotosynthesy při stárnutí listů je rychlejší než pokles obsahu chlorofylu. Při určitém obsahu chlorofylu (tj. asi 2,25 až 2,45 mg/dm2) klesá intensita čisté fotosynthesy k nule. Intensita fotosynthesy je v lineárním vztahu k množství chlorofylu (při přepočtu na plošnou jednotku), a to nezávisle na poloze listu v genetické spirále. Obě použité metody ke stanovení intensity fotosynthesy poskytly obdobné výsledky.Summary1.Differences in the net photosynthesis rate (PR) and in chlorophyll (a+b) content in leaves of different age in the leaf rosette of Nicotiana sanderae hort. were studied. The PR was estimated by two different methods, viz. the dry-weight and the gazometric method.2.Highest PR and highest chlorophyll content (referred to leaf area) were found in the young but well developed leaves, i.e. the third and fourth counting from the top (a leaf of 20 cm.2 area served as first leaf). These leaves are designated here as “photosynthetically mature”.3.The decrease in PR during leaf ageing was more rapid than that of the chlorophyll content. At a certain chlorophyll content (about 2.25 to 2.45 mg./ /dm.2) the rate of net photosynthesis drops to zero.4.The PR is linearly proportional to the amount of chlorophyll (referred to unit area), independent of the position of the leaf in the genetic spiral. No substantial differences in the results were found on using two completely different methods.AbstractИзучались различия в интенсивности нетто-ф отосинтеза и в содержании хлоро-ф илла у листьев разного возраста в 90-110-дневной розетке Nicotiana sanderae hort. Для определения интенсивности фотосиптеза нами иснользованы два метода, а именно: весовое определение прироста сухого веса но Бартонгу, субину и Шетлику (1960) и газометрическое определение инфракрасным анализатором CO2. Самыми высокими значениями фотосинтеза и содержанием хлорофилла (но отношению к новерхности листьев) обладают молодые, но уже хороншо развитые листъя, т. е. третий и четвертый лист от верхушки (нервым листом разумеется лист поверхностью приблизительно в 20 cm2). Такие листья названы фотосинтетически зрелыми. Самые молодые листья и особенно более старые листья обладают нониженной ннтенсивностью фотосинтеза и также пониженным содержанием хлорофилла; у самых старых листъев интенсивность фотосинтеза практически пулевая. ИНтенсивность фотосинтеза и также содержание хлорофилла в течение развития меннются. Их моменталъные различия в генетической спирали, повидимому, сходны с их изменениямн в онтогенезисе листа. Надение интенсивности фотосинтеза но мере старения листьев быстрее по сравнепию с надепием содержания хлорофилла. Нри онределенном содержании хлорофилла (т. е. нриблизителъно 2,25–2,45 мг/дм2) падает интенсивностъ нетто-фотосиптеза к Нулю. Интенсивностъ фотосинтеза находится в линеарной зависимости от количества хлорофилла (при пересчете на единицу поверхности), и не зависима от ноложения листа в генетической снирали. Оба исполъзованных метода для онределения интенсивности фотосинтеза дали сходные результаты.

Integration of Fhotosynthetic Characteristics during Leaf Development

The formation of leaf structure, the development of the chloroplast as a basic unit of photosynthesis, the synthesis of pigment complexes and the components of the electron transport chain in the thylakoid as the place of the photochemical reactions of photosynthesis have been touched on or thoroughly analysed by many authors. Unfortunately, the major part of the existing literature contains the determination of usually only one or two characteristics which belong to the complex mosaic called “the photosynthetie apparatus”. These findings have already been described in the previous Chapters. The papers with a more synthetic aspect are as rare as those that thoroughly analyse the whole leaf life span or the complete leaf insertion gradient.

A method of storage of leaf samples for chlorophyll analysis

SouhrnByla vyzkoušena metoda, kterou lze uchovávat vzorky listů po 1 až 3 měsíce, aniž poklesne množství chlorofylu (a+b) o více než 5% respektive o 10%:Kotoučky o průměru 8 mm, vyříznuté z listů, se po 10 až 15 dají do zkumavek velikosti 10 až 12×85 až 110 mm. Přidá se špetka MgCO3 a 2 ml bezvodého předestilovaného acetonu. Zkumavka se asi do poloviny ponoří do vody teplé cca +80°C. Jakmile se aceton začne vařit, zkumavka se rychle uzavře zátkou prosycenou teplým parafinem a ochladí se ponořením do studené vody. Zkumavky se skladují ve tmě při teplotách okolo 0°C.Probíhající změny v obsahu barviv nesníží výsledky kolorimetrického stanovení, pokud nejde o kyselá pletiva (begonie, červené odrůdy krmné kapusty). Metoda je rychlá, provozní a lepší než ostatní zkoušené jednoduché postupy. Osvědčila se pro tykev slunečnici, krmnou kapustu (některé odrůdy), cukrovku, jetel a tabák. Lze jí užít s výhodou pro analysu chlorofylu při zemědělských pokusech většího rozsahu.SummaryIn the course of experiments with leaf samples of pumpkin, sunflower, leafy fodder kale, sugar beet, tobacco, clover and begonia several, methods of storing material were compared with the object of determining the amount of chlorophyll (a+b) after 1 to 3 months. Chlorophyll analyses checked by paper chromatography provided evidence that the most reliable method of serial analyses is the following: Leaf discs are heated in very pure anhydrous acetone to its boiling point (with some MgCO3 present), rapidly closed with a paraffin stopper and then kept in the dark at temperatures just above 0°C. 50 leaf samples can thus be prepared for storage within 30 minutes. The decrease in total chlorophyll (a+b) content after 28 days of storage does not exceed 5%, after 84 days of storage 10% of the initial value. Chemical conversions of chlorophyll take place here which do not appreciably affect the spectrum of the acetone extract. The method cannot be applied to plants with acid-reacting cell juice (begonia, red varieties of fodder kale and the like). Other practicable methods of storage (a different storage in acetone, storage of fresh samples at +2 to +3°C, drying at +50°C, storage at laboratory temperature) bring about more serious destruction of the pigments.РезюмеБыл испытан метод, при помощи которого можно сохранить образцы листьев в течениц 1–3 месяцев, без снижения количества хлорофилла (a+b) больше чем на 5–10%.Диски диаметром в 8 мм, вырезанные из листьев по 10–15 штук помещались в пробирки, размером 10–12×85–110 mm. Прибавлялось немного MgCO3 и 2 мл безводного дистиллированного ацетона. Пробирка погружается в воду, нагретую примерно до 80°С. Как толяко ацетон начнет кипеть, пробирка быстро затыкается пробкой, насыщенной теплым парафином, и охлаждается погружением в холодную воду. Пробирки хранятся в темноте при температуре около 0°С.Происходящие изменения в составе пигментов не снижаут данные колориметрических измерений, за исключением кислых тканеи (бегония, красные сорта кормовой капусты). Этот метод быстрее и лучше, чем остальные испытанные простые приемы. Он оказался очень удобным для работы с тыквой, подсолнечником, кормовой капустой (некоторые сорта), сахарной свеклой, клевером и табаком. Его можно успешно использовать для анализа хлорофилла чри сельскохозяйственных опытах широкого масштаба.

Photosynthesis and chlorophyll content in different areas of fodder cabbage leaves

Byla stanovena intensita fotosynthesy a obsah chlorofylu v terěících z různych okrsků čepele listu krmné kapusty odr. Coulet de Flandre. Obsah chlorofylu na jednotku plochy byl vyšší v apikální části listů než v části basální, vyšší ve středové než v okrajové části listu. Nebyly nalezeny podstatné rozdily v intensitě fotosynthesy ve vzorcích z různych částí listu. Intensita fotosynthesy není přímo úměrná váze sušiny daného vzorku, ačkoliv vàha sušiny na jednotku plochy je podstatně vyšší v apikálni než v basální části listové plochy.SummaryThe intensity of photosynthesis and the content of chlorophyll were estimated in disks cut out from different areas of fodder cabbage leaves (var. Coulet de Flandre). The content of chlorophyll per unit area was higher in the apical than in the basal part and in the central than in the peripheral part of the leaf. No significant differences were observed in the intensity of photosynthesis in samples removed from different parts of the leaf. The intensity of photosynthesis is not directly proportional to the dry weight of the sample although the dry weight per unit area is considerably higher in the apical than in the basal part of the leaf area.AbstractАвторы определнли интенсивность фотосинтеза н содержание хлорофилла в дисках, вырезанньгх из разнъгх частей. листа кормовой капусты сорта Coulet de Flandre. Co держание хлорофнлла в еднннnе площадн было выше в всрхун.ечней частн листъев, чем около основания, н было выше в центре nлостинкн, чем в краевой частн. Не были установлены существенные различия в ннтенснвности фотосинтеза в образцах из различных частей листа. Из этого следуст, что иНтенснвНостъ фотосинтеза не является прямо нропорциональной сухому весу данного образца, хотя последний (при нере счете на единнцу нлощади) гораздо выше в верхушсчной частн листа, чем в основной.

The effect of gibberellic acid on the dynamics of chlorophyll synthesis in etiolated seedlings

SouhrnOsmidenní klíční rostlinky pšenice a kukuřice, pěstované ve tmě v Knopově živném roztoku, ke kterému bylo v pokusné variantě přidáno 10μg/ml kyseliny giberelové (GA), byly osvětleny světlem zářivek o intensitě 3000 hix. V časových intervalech 0, 3, 6, 9, 12 a 24 hodin bylo kolorimetricky stanoveno množství chlorofylu (a+b) v acetonových extraktech z vrcholových částí listů dlouhých 5 cm. Pokles množství chlorofylu o 23,3 až 42, 8% vlivem GA byl průkazný ve všech časových úsecích při přepočtu na váhu sušiny i na délkovou jednotku listu. Průběh křivek (obr. 1 a 2) ukazuje na snížení rychlosti tvorby chlorofylu v přítomnosti GA. Současně bylo pozorováno nižší množství karotenoidů u etiolovaných rostlin pěstovaných v roztocích GA než u kontrolních rostlin. Kolorimetrické stanovení pigmentú bylo doplněno papírovou chromatografií, která sloužila jako kontrola kvality a přibližného množství pigmentů.SummaryChlorophyll formation in etiolated seedlings of wheat and maize, grown for 8 days on Knops nutrient solution with 10μg. gibberellic acid (further GA) added per ml. was investigated and compared with control plants. Under the light of fluorescent tubes of an intensity of 3000 lux a significant decrease in the amount of chlorophyll (a+b) was observed at all time intervals from 0 to 24 hr., expressed both per dry weight and per leaf length. Experimental results indicate a decreased rate of chlorophyll formation in the presence of GA.At the same time, a lower content of carotenoids was found in etiolated plants than in controls grown in absence of GA.The colorimetric determination of the pigments was accompanied by paper chromatography which served as a control of quality and approximate amount of pigments.РезюмеВосьмидневные проростки пшеницы и кукурузы, которые выращинались в темноте на иитательном растворе Кнопа, содержавшем 10 микрограммов гиббереллиновой кислоты, освещались люминисцентными лампами мощностью в 3000 люксов. Регулярно через 0, 3, 6, 9, 12 и 24 часа колориметрическим методом определялось количество хлорофилла (a+b) в ацетоновых экстрактах из верхушечных частей листьев 5 см длиной. Во всех указанных промежутках времени после начала опыта можно было наблюдать снижение содержания хлорофилла под влиянием ГК по отношению к сухому весу и к единице длины листа. Ход кривых (рис. 1 и 2) свидетельствует о снижении скорости образования хлорофилла в присутствии ГК. Одновременно наблюдалось пониженное содержание каротиноидов в этиолированных растениях, выращиваемых в растворах, содержащих ГК, по сравнению с контролем. Наряду с колориметрическим определением нигментов проводилось также их определение методом бумажной хроматографии, послужившее контролем качества и примерного содержания пигментов.

Effect of hydration level in primary bean leaves on the activity of photosystems 1 and 2 in isolated chloroplasts

Water stress in the leaves was induced by gradual decreasing of substrate moisture in five-day cycles.The hydration level of the leaves was characterized by their water potential (ψw), osmotic potential (ψs), pressure potential ψp and water saturation deficit(ΔWsat).The activities of Photosystems 1 and 2 were determined polarographically with Pt/Ag(AgOH) electrode as changes in oxygen concentration in chloroplast suspensions. The shape of light curves of Hill reaction was not influenced by leaf (ψw), hence both quantum efficiency and dark phase of this process were affected in a similar manner by water deficit. The activities of both photosystems measured at saturating photon flux density declined with the lowering of leaf (ψw) (in the range from -5 to -14 x 105 Pa) and the decrease in activity of Photosystem 2 was more rapid than that of Photosystem 1. The ratio of activities of Photosystems 1 and 2 was mildly enhanced by a lowering of (ψw), but it decreased with increasing age. The lowering of ψwinduced lowering in the chlorophyll a/b ratio thus concealing the usual ontogenetic course of this ratio.

Construction of a simple nomogram for evaluating two-wavelength spectrophotometric determination of chlorophylls

The calculation and construction of a simple nomogram to be used instead of a set of two equations in a two-wavelength spectrophotometric determination of chlorophyllsa, b, their total amount and ratio is are described. Any pair of equations can be represented nomographically by this construction.AbstractPopisuje se výpočet a konstrukce jednoduchého nomogramu, kterého používáme místo dvojice rovnic pro dvouvlnové spektrofotometrické stanovení chlorofylůa, b, jejich celkového množství a poměru. Podle této konstrukce může být zobrazena nomogramem libovolná dvojice rovnic.AbstractОписан расчет конструкции простой номограммы, которую мы употребляем вместо двых уравнений для двухволнового спектрофотометрического определения хлорофилловa иb, их общего количества и отнопгения. По предлагаемой конструкции может быть изображена в виде номограммы любая пара уравнений.

Effect of Growth Irradiance on Photosynthesis and Transpiration inPhaseolus vulgaris L.

In comparison with primary leaves of French bean plants grown under a photon flux density of 100 μeinstein m-2 s-1 (LP), leaves grown under 400 μeinstein m-2 s-1 (HP) were thicker (contained 82 to 104% more dry matter per blade area), had 44 to 48% higher stomatal frequency, 18 to 26% more chlorophyll (a + b) per leaf area unit and 31 to 42% less chlorophyll (a + b) per dry matter unit, 41% higher photosynthetic and 38% higher transpiration rates at light saturation, 33% higher stomatal conductance and 40% higher Photosystem 2 (H2O → K3[Fe(CN)6]) activity of isolated chloroplasts. There were no significant differences in the Photosystem 1 (TMPD/Ascorbate → MV) activity per unit amount of chlorophyll. Higher growth irradiance increased the ratio of frequencies of stomata in the upper/lower epidermes.