Optical properties of the leaf in relation to its anatomical traits

• Název práce v češtině: Optické vlastnosti listu ve vztahu k anatomickým vlastnostem listu
• Název v anglickém jazyce: Optical properties of the leaf in relation to its anatomical traits
• Klíčová slova: Arabidopsis thaliana; biofyzikální znaky listu; difúzní odrazivost; dorziventrální list; fenologie; Hieracium; laboratorní spektroskopie; opadavé dřeviny; optické vlastnosti listu; planární list; pokožka listu; tloušťka listu; vegetační sezóna; zrcadlová odrazivost
• Klíčová slova anglicky: Arabidopsis thaliana; biophysical traits; deciduous trees; diffuse reflectance; dorsiventral leaves; growing season; Hieracium; laboratory spectroscopy; leaf epidermis; leaf optical properties; leaf thickness; phenology; planar leaf; specular reflectance
• Akademický rok vypsání: 2015/2016
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra experimentální biologie rostlin (31-130)
• Vedoucí / školitel: prof. RNDr. Jana Albrechtová, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 22.10.2015
• Datum zadání: 22.10.2015
• Datum odevzdání elektronické podoby: 19.01.2022
• Datum proběhlé obhajoby: 01.04.2022
• Oponenti: doc. Ing. Ivana Tomášková, Ph.D.
• Konzultanti: Mgr. Zuzana Lhotáková, Ph.D.

Předběžná náplň práce

Anotace:
Záření dopadající na list může být odraženo, absorbováno nebo propuštěno. Odražené záření z listu se především odráží z povrchu listu, ale má v sobě i složku z odrazu difúzního záření uvnitř listu. Odrazové vlastnosti listu jsou závislé na vlnové délce záření a na fyzikálních, strukturálních a chemických vlastnostech listu. Odrazivost listu ve viditelné oblasti spektra (VIS) elektromagnetického záření (400-700nm) a v přílehlé oblasti infračerveného záření (NIR) (700-2500nm) podává informaci o biochemickém složení listu, obsahu fotosyntetických pigmentů, vody, ale je také ovlivňována strukturálními parametry listu. Předpokládá se, že optické vlastnosti listu (odrazivost, transmitance, absorbance) jsou ovlivňovány strukturou epidermis (přítomnost a struktura trichomů, vosků, tvar periklinálních buněčných stěn, atd. ), strukturou mezofylu (poměrem fotosyntetických ku nefotosyntetickým pletivům, přítomností mezibuněčných prostor, tvarem mezofylových buněk, jejich velikostí a atd.), jakož i tloušťkou listu, případně jeho vrstev (u dorziventrálního listu svrchní a spodní epidermis, palisádový parenchym, houbovitý parenchym).
Častější a delší období sucha patří k projevům klimatické změny. Rostliny se musí přizpůsobovat tomuto stále častějšímu stresovému faktoru prostředí – stresu z nedostatku vody. Strukturální adaptace listu, které podmiňuji lepší hospodaření s vodou, tedy lepší vodní režim listu, zahrnují celou škálu uzpůsobení struktury listu, které odpovídají tzv. xeromorfním adaptacím listu, k nimž patří přítomnost a upořádání trichomů, hustota a velikost průduchů, tloušťka kutikuly, tloušťka listu a jeho vrstev. Informace o vztahu struktury listů s různým stupněm xeromorfních adaptací k jejich optickým vlastnostem nejsou dosud příliš detailní.
Většina práce je věnována evropským opadavým dřevinám, typickým pro temperátní a hemiboreální lesy. Jejich listy vykazují podobnou dorziventrální strukturu, tj. mezofyl je diferencován na palisádový a houbovitý parenchym. Dále disertační práce zahrne studii vlivu strukturních znaků povrchu listů dvou skupin bylin na jejich optické vlastnosti. Pro tuto studii budou použity dvě skupiny fylogeneticky blízkých bylin (mutanty Arabidopsis thaliana L. a druhy rodu Hieracium) se srovnatelnou vnitřní strukturou listů.
Práce se soustředí na detailní analýzu vztahu optických vlastností a vnitřního uspořádání pletiv listu měnící se v průběhu fenologie listu; a detailní analýzu vztahu optických vlastnstí listu a strukturálních adaptací epidermis.
Cíle disertační práce:
1) Porovnat spektrální odrazivost jednoho listu a štůsku pěti listů ve VIS, NIR a SWIR spektrálním rozsahu a ověřit, zda a jak se vybrané vegetační indexy liší v těchto dvou měřících režimech.
2) Kvantifikovat vliv vybraných kvantitativních epidermálních znaků (hustota a délka trichomů a tloušťka adaxiální epidermis) na zrcadlovou složku odrazivosti ve VIS a NIR spektrálních regionech.
3) Kvantifikovat vliv dorsiventrální asymetrie mezofylu na optické vlastnosti litu u různých druhů opadavých dřevin v průběhu vegetačního období.
4) Popsat sezónní průběh a variabilitu biofyzikálních a optických vlastností listů v souvislosti se současným výskytem listů v různých vývojových stadiích.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Summary:
Radiation of incident light on a leaf can be reflected, absorbed or transmitted. Reflected radiation from a leaf is primarily reflected from the leaf surface, but it also involved a part of the reflection of diffuse radiation within the leaf. The leaf reflectance depends on the wavelength of the radiation and the physical, structural and chemical properties of the leaf. The reflectance of the leaf in the visible region (VIS) of the electromagnetic spectrum (400-700nm) and in the near-infrared region (NIR) (700-2500nm) gives information about the biochemical composition of the leaf, the content of photosynthetic pigments, water, but is also influenced by the structural parameters of the leaf. It is believed that the optical properties of the leaf (reflectance, transmittance, absorbance) are influenced by the structure of the epidermis (presence and structure of trichomes, waxes, the shape of periclinal cell walls, etc. ), the structure of the mesophyll (ratio of photosynthetic to non-photosynthetic tissues, presence of intercellular spaces, the shape of mesophyll cells, their size, etc.), as well as the thickness of the leaf and its layers (upper and lower epidermis, palisade parenchyma, spongy parenchyma in dorsoventral leaf).
More frequent and longer periods of drought are a symptom of ongoing climate change. Plants have to adapt to this increasingly frequent environmental stress factor - water stress. The structural adaptations of the leaf that underlie better water management, i.e. better water regime of the leaf, include a range of adaptations to the leaf structure that corresponds to the so-called xeromorphic adaptations of the leaf, which include the presence and arrangement of trichomes, the density and size of stomata, the thickness of the cuticle, the thickness of the leaf and its layers. Information on the relationship between the structure of leaves with varying degrees of xeromorphic adaptations and their optical properties is not yet very detailed.
Most of the Thesis is focused on the study of typical European deciduous trees of temperate and hemiboreal forests; and their leaves show a similar dorsiventral structure, i.e., the mesophyll is differentiated into palisade and spongy parenchyma. Furthermore, Thesis will include a study of the effect of leaf surface structural traits of the two groups of herbs on their optical properties. In this study, two groups of phylogenetically close herbs (mutants of Arabidopsis thaliana L. and species of the genus Hieracium) with comparable internal leaf structures will be used.
This Thesis is focused on a detailed analysis of the relationship between optical properties and the internal arrangement of leaf tissues changing during leaf phenology; and a detailed analysis of the relationship between leaf optical properties and structural adaptations of the epidermis.
Aims:
1) To compare the leaf spectral reflectance on a single leaf and a stack of leaves in VIS, NIR and SWIR spectral ranges and to test if and how selected vegetation indices differ in these two measurement setups.
2) To quantify the effects of selected quantitative epidermal traits (trichome density and length, and adaxial epidermis thickness) on specular reflectance in VIS and NIR spectral regions.
3) To quantify the impact of mesophyll dorsiventral asymmetry on the LOP in different species within a growing season.
4) To describe the seasonal course and variability in leaf biophysical and optical properties related to simultaneous occurrence of leaves in different developmental stages.