Leaf optical properties and dynamics of photosynthetic activity

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-651-585-7
Title: Leaf optical properties and dynamics of photosynthetic activity
Author: Olascoaga, Beñat
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Forest Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Photosynthesis requires a balance between its light-dependent and light-independent reactions so that the energy input through photochemistry matches its consumption. Biochemical and physiological processes help to achieve this balance, as certain processes regulate the activity of light-dependent photochemical reactions, whilst others regulate the activity of temperature-dependent biochemical reactions. Biochemical and physiological processes also modulate the absorbed energy available for photosynthesis by diverting a fraction into non-photochemical pathways that dissipate energy as heat and fluorescence. Interestingly, certain biochemical and physiological processes behind the dynamics of photosynthesis correlate with leaf optical properties (LOPs), which represent an approach to characterising the dynamics of photosynthesis. Yet, how solid is our knowledge concerning the biochemical and physiological processes influencing LOPs, and how accurately do LOPs and the biochemical and physiological processes behind photosynthetic dynamics correlate when investigated across various spatio-temporal scales? This thesis investigated whether reflectance-based and fluorescence-based LOPs adequately correlate with the biochemical and physiological processes behind photosynthetic dynamics, and whether their correlations hold true at various spatio-temporal scales. This thesis demonstrates the validity of reflectance-based and fluorescence-based LOPs as optical proxies for investigating the dynamics of photosynthesis. However, it also identifies sources of variability that cause the correlations between photosynthesis and LOPs to break down. This thesis classifies the sources of variability in terms of methodological (i.e. over-simplification and technical/instrumental constraints) and spatiotemporal limitations. The over-simplification of processes behind the dynamics of photosynthesis and LOPs was addressed by studying the absorption of photosynthetically active radiation (PAR) by conifer needles. PAR absorption is generally considered to be chlorophyll concentration-dependent, yet this thesis shows it to be additionally modulated by the effect that waxes have on needle PAR reflectance. Due to the difficulties of directly measuring needle PAR absorption, PAR reflectance was used as a proxy of PAR absorption. To solve this technical/instrumental constraint, this thesis presents a new methodology that facilitates the direct estimation of PAR absorption. This thesis also demonstrates that certain LOPs appear to be insensitive to detecting the dynamics of certain biochemical and physiological processes over time. This was true for the photochemical reflectance index (PRI), which failed to detect zeaxanthin independent processes behind the thermal dissipation of the absorbed PAR. Lastly, this thesis shows that LOPs can also be influenced by leaf morphology, which could affect the optically-based monitoring of larger-than-leaf scales. Despite the caveats highlighted in this thesis, the potential to monitor the dynamics of photosynthetic activity by optical means is unquestionable, and the results presented here can contribute to reducing uncertainty in the characterisation of photosynthesis by optical means at varying spatio-temporal scales.Fotosynteesin edellytyksenä on sen valoriippuvaisten ja -riippumattomien reaktioiden välinen tasapaino, jolloin valokemian kautta tapahtuva energian sisäänvirtaus vastaa kulutusta. Biokemialliset ja fysiologiset prosessit edesauttavat tasapainon muodostumista, sillä jotkut prosessit säätelevät valoriippuvaisten valokemialllisten reaktioiden aktiivisuutta, kun taas toiset säätelevät lämpötilariippuvaisten biokemiallisten reaktioiden aktiivisuutta. Biokemialliset ja fysiologiset prosessit mukauttavat myös fotosynteesiin käytettävissä olevaa absorboidun energian määrää ohjaamalla osan energiasta ei-valokemiallisille reaktiopoluille, jotka hajauttavat energiaa lämpönä ja fluoresenssina. On kiinnostavaa, että tietyt fotosynteesin dynamiikkaan vaikuttavat biokemialliset ja fysiologiset prosessit korreloivat fotosynteesin dynamiikkaa luonnehtivien lehden optisten ominaisuuksien (LOP) kanssa. Mutta kuinka tukevalla pohjalla näihin ominaisuuksiin vaikuttavia biokemiallisia ja fysiologisia prosesseja koskeva tietämyksemme on, ja miten hyvin lehtien optiset ominaisuudet ja fotosynteesin dynamiikan taustalla vaikuttavat biokemialliset ja fysiologiset prosessit korreloivat, kun niitä tarkastellaan erilaisilla spatiotemporaalisilla skaaloilla? Tässä väitöskirjassa tutkittiin, korreloivatko lehtien reflektanssiin ja fluoresenssiin perustuvat optiset ominaisuudet riittävän hyvin fotosynteesin dynamiikkaan vaikuttavien biokemiallisten ja fysiologisten prosessien kanssa, ja pätevätkö nämä korrelaatiot eri spatiotemporaalisilla skaaloilla. Tässä väitöskirjassa osoitetaan lehtien reflektanssiin ja fluoresenssiin perustuvien optisten ominaisuuksien sopivuus fotosynteesin dynamiikan tutkimiseen sopiviksi optisiksi korvikemuuttujiksi. Työssä myös tunnistetaan vaihtelulähteitä, jotka voivat rikkoa fotosynteesin ja optisten ominaisuuksien välisen korrelaation. Vaihtelulähteet luokitellaan metodologisten (liiallinen yksinkertaistaminen ja tekniset/instrumentaaliset rajoitteet) ja spatiotemporaalisten rajoitteiden mukaan. Fotosynteesidynamiikan taustalla olevien prosessien ja lehtien optisten ominaisuuksien liiallista yksinkertaistamista tarkasteltiin tutkimalla PAR-säteilyn absorptiota männynneulasiin. PAR-absorptiota pidetään yleisesti klorofyllikonsentraatiosta riippuvaisena, mutta tässä väitöskirjassa osoitetaan, että absorptiota säätelee myös vahojen vaikutus neulasten PAR-reflektanssiin. Koska neulasten PAR-absorption suora mittaaminen on vaikeaa, PAR-reflektanssia käytettiin PAR-absorption korvikemuuttujana. Tämän teknisen/instrumentaalisen rajoitteen ratkaisemiseen väitöskirja esittelee uuden metodologian, joka helpottaa PAR-absorption suoraa arviointia. Väitöskirjassa myös osoitetaan, että eräät optiset ominaisuudet näyttävät olevan tunnottomia, kun pyritään mittaamaan tiettyjen biokemiallisten ja fysiologisten prosessien dynamiikkaa. Tämä päti valokemialliseen reflektanssi indeksiin (PRI), jonka avulla ei pystytty havaitsemaan zeaksantiinista riippumattomia, absorboidun PAR-säteilyn lämpöhajaantumisen taustalla olevia prosesseja. Lisäksi väitöskirjassa osoitetaan, että myös lehden morfologia voi vaikuttaa optisiin ominaisuuksiin, mikä saattaa vaikuttaa optiikkaan perustuvaan monitorointiin yksittäistä lehteä suuremmilla skaaloilla. Huolimatta väitöskirjassa esiin tuoduista varauksista optisten menetelmien potentiaali fotosynteesiaktiivisuuden dynamiikan seurannassa on kiistaton, ja tässä esitetyt tulokset voivat osaltaan pienentää epävarmuutta, joka liittyy fotosynteesin kuvaamiseen optisin menetelmin eri spatiotemporaalisilla kaaloilla.
URI: URN:ISBN:978-951-651-585-7
http://hdl.handle.net/10138/232321
Date: 2018-03-09
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record