Studying the diurnal and seasonal acclimation of photosystem Ii using chlorophyll-a fluorescence

A small fraction of the energy absorbed in the light reactions of photosynthesis is re-emitted as chlorophyll-a fluorescence. Chlorophyll-a fluorescence and photochemistry compete for excitation energy in photosystem II (PSII). Therefore, changes in the photochemical capacity can be detected through analysis of chlorophyll fluorescence. Chlorophyll fluorescence techniques have been widely used to follow the diurnal (fast), and the seasonal (slow) acclimation in the energy partitioning between photochemical and non-photochemical processes in PSII. Energy partitioning in PSII estimated through chlorophyll fluorescence can be used as a proxy of the plant physiological status, and measured at different spatial and temporal scales. However, a number of technical and theoretical limitations still limit the use of chlorophyll fluorescence data for the study of the acclimation of PSII. The aim of this Thesis was to study the diurnal and seasonal acclimation of PSII in field conditions through the development and testing of new chlorophyll fluorescence-based tools, overcoming these limitations. A new model capable of following the fast acclimation of PSII to rapid fluctuations in light intensity was developed. The model was used to study the rapid acclimation in the electron transport rate under fluctuating light. Additionally, new chlorophyll fluorescence parameters were developed for estimating the seasonal acclimation in the sustained rate constant of thermal energy dissipation and photochemistry. The parameters were used to quantitatively evaluate the effect of light and temperature on the seasonal acclimation of PSII. The results indicated that light environment not only affected the degree but also the kinetics of response of the acclimation to temperature, which was attributed to differences in the structural organization of PSII during seasonal acclimation. Furthermore, zeaxanthin-facilitated thermal dissipation appeared to be the main mechanisms modulating the fraction of absorbed energy being dissipated thermally during winter in field Scots pine. Finally, the integration between diurnal and seasonal acclimation mechanisms was studied using a recently developed instrument MONI-PAM (Walz GmbH, Germany) capable of continuously monitoring the energy partitioning in PSII.

Fotosynteesissä lehden pigmentit sitovat auringon valoenergiaa joka käytetään hiilidioksidin sitomiseen sokeriyhdisteiksi. Osa sidotusta energiasta vapautuu kuitenkin takaisin lämpösäteilynä tai ilmiössä jota kutsutaan klorofyllin fluoresenssiksi. Fluoresenssin määrä riippuu muun muassa fotosynteesinopeudesta. Fluoresenssilla on tietty tunnettu säteily aallonpituus, jonka mittaaminen on suhteellisen helppoa. Tämän ilmiön vuoksi fotosynteesikapasiteetin muutoksia voidaan havaita analysoimalla klorofyllin fluoresenssia. Fluoresenssimittauksilla saadaan tietoa mm. siitä miten kasvien fotosynteesi mukautuu vuorokautiseen säteilyn määrän tai vuodenaikaiseen lämpötilan vaihteluun. Vaikka tekniikka on ollut tutkimuskäytössä jo pitkään, monet tekniset ja teoreettiset ongelmat rajoittavat yhä fotosynteesin valoreaktioiden mukautumisen tutkimista klorofylli fluoresenssin avulla. Tämän työn tavoitteena oli kehittää ja testata uusia menetelmiä fluoresenssitekniikan hyödyntämiseen, ja näiden menetelmien avulla tutkia fotosynteesin valoreaktioiden mukautumista ympäristötekijöiden muutoksiin. Työssäni kehitin kaksi uutta laskennallisen mallia. Ensimmäisen avulla voidaan kuvata PSII:n mukautumista valon intensiteetin nopeisiin muutoksiin, joita luonnossa aiheuttaa mm. ylikulkevat pilvet, tai lehtien liike tuulessa. Toisen mallin avulla analysoitiin männyn fotosynteesikapasiteetin mukautumista säteilyn ja lämpötilan vuodenaikaisvaihteluihin. Analyysin tuloksena pystyttiin identifioimaan mekanismit jotka pääasiassa vaikuttavat fotosynteesikapasiteetin muutoksiin luonnonoloissa. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että valon määrä vaikutti männyllä sekä lämpötilan muutokseen mukautumisen voimakkuuteen että itse muutosnopeuteen. Klorofyllifluoresenssin signaali on pitkäaaltoista säteilyä jota voidaan mitata kaukokartoitusmenetelmillä. Tällä hetkellä käytössä olevilla laitteilla fluoresenssia voidaan mitata enintään metrin etäisyydeltä mitattavasta kohteesta, mutta sekä ilmakuva- että satelliittimenetelmien käyttöä tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti. Satelliittimittaukset mahdollistaisivat ekosysteemien tilan seurannan alueellisesti, kuten metsien toiminta-aktiivisuus kasvukauden yli tai kasvillisuuden stressitilanteiden tunnistamiseen. Väitöskirjassa kehitettyjä menetelmiä ja saatuja tuloksia voidaankin hyödyntää tulevaisuudessa alueellisten klorofyllifluoresenssimittausten fysiologisessa tulkinnassa.