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植物生理学01水分生理.ppt

植物生理学01水分生理

肖萧
2013-07-08 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《植物生理学01水分生理ppt》,可适用于高中教育领域

植物生理学授课教师简介张斌全国生物竞赛优秀辅导员江西省生物竞赛最知名教练南昌二中~生物竞赛辅导唯一教练所辅导学生获全国一等奖人、进入冬令营人蝉联了江西~的全国一等奖总人数和团体总分冠军年被教育部授于“全国优秀教师”荣誉称号是北京奥运护跑手《江西教育》年第期封面人物曾获得全国优质课比赛一等奖、江西省优质课比赛第一名多次进行省、市级示范课展示以及生物竞赛、高考相关的学术讲座。EMail:biodocom清北学堂年暑假生物竞赛培训班Chapter植物的水分生理Chapter植物的水分生理"有收无收在于水多收少收在于肥"。Section、水分在植物生命活动中的意义Section、水分在植物生命活动中的意义水的结构与理化性质B高比热和高气化热C大的表面张力、内聚力D高介电常数and良好的溶剂植物体内水分含量植物种类:水生以上>陆生>旱生(沙漠)植物。木本<草本植物。 植物生长环境:阴生>阳生。植物器官:生长点、根尖、幼嫩茎等达以上>功能叶>树干>休眠芽>风干种子。 凡是生命活动越旺盛的部分含水量也越高。植物的含水量及水分存在状态植物体内水分存在的状态)自由水(freewater):距离胶粒较远而可以自由流动的水分。)束缚水(boundwater):靠近胶粒而被胶粒束缚不易流动的水分。植物体内水分状态与代谢的关系植物体内水分状态与代谢的关系)束缚水一般不参与植物的代谢反应。植物某些细胞和器官主要含束缚水时则代谢活动非常微弱如越冬植物的休眠和干燥种子仅以极弱的代谢维持生命活动但抗性却明显增强能度过不良的逆境条件)自由水主要参与植物体内的各种代谢反应。其含量多少还影响代谢强度含量越高代谢越旺盛)自由水/束缚水的比值可作为衡量植物代谢强弱和抗性的生理指标之一。植物体内水分的生理生态作用植物体内水分的生理生态作用)水是细胞质的主要成分(含水量一般达%%))水分是代谢过程的反应物质和产物(光合、呼吸等))细胞分裂及生长都需要水分)水分是植物对物质吸收和运输及生化反应的溶剂)水分能使植物保持固有的姿态(维持细胞紧张度))调节植物体温及其大气湿度、温度等(蒸腾失水)。Section植物细胞对水分的吸收Section植物细胞对水分的吸收植物细胞吸收水分的主要方式渗透性吸水Osmosisabsorption:借助渗透作用即水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动进行吸水(最主要方式)。代谢性吸水metabolismabsorption:利用细胞呼吸释放出的能量使水分经过质膜进入细胞的过程。吸涨性吸水imbibitionabsorption:亲水性胶体物质吸水膨胀的现象。一、细胞的渗透性吸水(一)自由能化学势水势 boundenergy和freeenergy。自由能是指能够作功的能量和参与反应的本领。化学势:摩尔物质的自由能。是一种物质能够用于作功或发生反应的能量度量。A)水势的概念水势(waterpotentialw)某一系统中水的化学势与处于相同温度和压力的纯水的化学势之差除以水的偏摩尔体积所得的商。它是水分转移本领大小的指标。人为地设定在等温等压条件下纯水的水势为零Ψw=。溶液的水势就小于为负值。溶液越浓其水势的负值越大。Ψw的单位是MPa=Pa=bar。海水为MPa、MNaCl为MPa植物细胞在~MPa。渗透性吸水的原理水势渗透性吸水的原理水势溶液的水势B)扩散:浓度较高-->浓度较低迁移(二)渗透作用是指溶剂分子通过半透膜(semipermeablemembrane)的扩散作用。半透性膜:动物膀胱、蚕豆种皮、透析袋。植物细胞是一个渗透系统 *细胞壁cellwallApermeablemembrane。*原生质膜ProtoplasticlayerAsemipermeable(selective)membrane。,质壁分离和质壁分离复原)研究质壁分离和复原的意义:①原生质层具有选择透性。②判断细胞死活。③测定细胞液的溶质势进行农作物品种抗旱性鉴定。④测定物质进入原生质体的速度和难易程度。,典型植物细胞的水势,典型植物细胞的水势对于一个典型的植物细胞其水势由部分组成即:水势=渗透势衬质势压力势渗透势(osmoticpotential):溶液中溶质颗粒的存在而引起的水势降低值。用负值表示。亦称溶质势(s)。它取决于细胞内溶质颗粒(分子或离子)总和。植物叶Ψs为~MPa旱生植物叶片Ψs达MPa。Ψs还存在着日变化和季节变化。压力势(pressurepotentialp):由于细胞壁压力的存在而增加的水势值。一般为正值。初始质壁分离时p为剧烈蒸腾时p会呈负值。草本(温暖天气)下午为~MPa晚上为MPa。衬质势(matricpotentialm):细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水束缚而引起的水势降低值以负值表示。干燥种子的Ψm可达MPa未形成液泡的细胞具有明显的衬质势已形成液泡的细胞(MPa左右)可以略而不计。一般植物细胞水势:Ψw=ΨsΨp。等渗溶液:溶液的Ψs等于细胞或细胞器的Ψw等渗溶液:溶液的Ψs等于细胞或细胞器的Ψw,水势的应用,水势的应用水分总是由水势高的部位向水势低的部位运转故水势可用于判断水分迁移的方向。如:)相邻细胞的水分转移:水分由水势高的细胞沿水势梯度流向水势低的细胞)植物体内的水分转移:植株地上部分的水势低于根系故根系水分可向地上部分运转。)土壤植物体大气连续体系的水分转移:水势从高到低的顺序是:土壤根系叶片大气水分也按此顺序迁移。Imbibition(吸胀作用)是亲水胶体吸水膨胀的现象。 只与成分有关:蛋白质>淀粉>纤维素>>脂类。豆科植物种子吸胀现象非常显著。 未形成液泡的植物细胞如风干种子、分生细胞主要靠吸胀作用。 吸胀作用的动力为Ψm因为Ψs=Ψp=Ψw=Ψm。二吸涨性吸水的特点利用细胞呼吸释放出的能量使水分通过质膜而进入细胞的过程代谢性吸水。抑制呼吸(二硝基酚、N等)细胞吸水也减少促进呼吸(通气、加糖)细胞吸水就增强。三、细胞的代谢性吸水Section植物根系对水分的吸收Section植物根系对水分的吸收根系吸水的途径)质外体途径:水分经胞壁和细胞间隙移动不越膜移动快)共质体途径:水分依次从一个细胞经过胞间连丝进入另一细胞)跨膜途径:水分从一个细胞移动到另一个细胞要经两次膜。有研究表明水分在细胞膜内的移动又有两种方式:一是单个水分子直接越膜二是经过一种膜通道蛋白水孔蛋白进行水孔蛋白、吸水部位根系主要吸水区域根毛区数量度多吸收面积大细胞壁较薄透水性好输导组织发达。栽植物时要带土尽量减少根毛损伤以利成活。()主动吸水:根系本身生理活动而引起植物吸收水分的现象。伤流Bleeding汁液从伤口(残茎)的切口溢出的现象伤流液(bleedingsap)。、主动吸水和被动吸水吐水土壤水分充足、大气温度和湿度较高的环境中或清晨未受伤叶尖或叶缘向外溢出液滴的现象。荷叶、草莓及禾本科吐水较多。可利用吐水作为选择壮苗的一种生理指标。根压产生的机制Rootpressure(根压):由于根系的生理活动使液流从根部沿木质部导管上升的压力。一般为MPa。它大小和成分代表根生理活动和强弱。水分和溶质在根内的横向运输可能通过三条途径。通过质外体通过共质体通过细胞膜几个相关的概念几个相关的概念质外体:是一个开放性的连续自由空间包括细胞壁、胞间隙及导管等。共质体:是通过胞间连丝把无数原生质体联系起来形成的一个连续的整体。胞间连丝:是贯穿胞壁的管状结构物内的连丝微管其两端与内质网相连接。根压产生机制内皮层细胞向外侧质外体吸收离子离子最终被转移到中柱导管导管的离子浓度增高而水势下降结果水分通过内皮层细胞渗透到中柱导管使导管产生静水压力即根压。试验证明根系高水势溶液中伤流快低水势溶液中伤流速度慢或甚至倒流。主动吸水与根系的呼吸作用有密切关系。根压产生的机理主要有种解释。①渗透理论根部导管四周的活细胞由于新陈代谢不断向导管分泌无机盐和有机物导管的水势下降而附近活细胞的水势较高所以水分不断流入导管。②代谢理论认为呼吸释放的能量参与根系的吸水过程。被动吸水是指由于地上部的的蒸腾作用而引起根部吸水。()被动吸水植物在蒸腾作用强烈时植株只有被动吸水而植株在春季叶片尚未展开以及当植物蒸腾受抑制时主动吸水才占主导地位。根系吸水的动力根压(rootpressure)蒸腾拉力(transpirationalpull):由于蒸腾作用产生的一系列水势梯度使导管中水分上升的力量。主要动力。根系吸水的影响因素A)植物本身因素)根系发达程度)根系活力强弱)根系细胞水势B)大气因子土壤条件其中土壤因子直接影响根系吸水能力)可用水分多少)通气状况)温度)土壤溶液浓度)土壤通气状况CO、N处理根部吸水量降低供O吸水量增加。缺乏O使根细胞呼吸减弱影响主动吸水细胞进行无氧呼吸产生和积累较多酒精等使根系中毒吸水更少。不同植物对土壤通气不良的忍受能力差异很大。原因有二:其一结构其二生理原因。)土壤温度低温:水和原生质粘度增加水扩散速率下降不易通过原生质呼吸作用减弱影响主动吸水根系生长缓慢有碍吸水表面的增加。高温:根易木栓化导水性下降。)土壤溶液浓度根系细胞水势必须低于土壤溶液的水势才能从土壤中吸水(MPa)。化肥施用过量或过于集中时可使土壤溶液浓度突然升高阻碍根系吸水产生"烧苗"现象。散失方式:)以液体状态散失到体外(吐水现象))以气体状态散逸到体外(蒸腾作用)主要方式植物吸收的水分用于代谢散失%%Section植物的蒸腾作用Section植物的蒸腾作用蒸腾作用的概念蒸腾作用(transpiration):水分以气态方式从植物体的表面散失的过程。蒸腾作用的部位与方式枝、果皮孔蒸腾Lenticulartranspiration约叶片角质层蒸腾cuticulartranspiration(~)气孔蒸腾stomataltranspiration(主要方式)气孔蒸腾气孔气体和水分交换的主要通道。马薯表皮气孔气孔蒸腾禾谷类上下表皮的气孔数较为接近双子叶植物气孔多半分布于叶片的下表皮。上表皮型:浮水植物睡莲等下表皮型:苹果、桃、珊瑚树等上下表皮型:大多数植物气孔大小、数目及分布小孔条件下面积、周长与水分扩散的关系水蒸汽通过多孔表面扩散的速率不与小孔的面积成正比而与小孔的周长成正比。(气孔扩散的小孔定律)气孔扩散的小孔定律在边缘处扩散分子相互碰撞机会少因此扩散速率就比在扩散面的中间部分要快。气孔一般在白天开放晚上关闭。引起气孔开关运动的原因主要是保卫细胞(guardcells)的吸水膨胀和失水收缩。气孔运动及其机理Stomatalcomplex(气孔复合体)保卫细胞与邻近细胞或副卫细胞共同组成。气孔为什么会运动?()淀粉糖转化学说Starchsugarconversiontheory()无机离子吸收学说Potassiumionpumporinorganicionuptaketheory()苹果酸生成学说Malateproductiontheory气孔为什么会运动?关于气孔运动的机理目前存在三种学说:保卫细胞(GC)在光下进行光合作用消耗CO使细胞内pH增高淀粉磷酸化酶水解淀粉为GP水势下降从周围细胞吸水气孔张开()淀粉糖转化学说Starchsugarconversiontheory:GC在黑暗中进行呼吸作用释放CO使细胞内pH下降淀粉磷酸化酶把GP合成为淀粉水势升高向周围细胞排水气孔关闭()无机离子吸收学说Potassiumionpumporinorganicionuptaketheory()无机离子吸收学说PotassiumionpumporinorganicionuptaketheoryGC质膜上具有光活化ATP酶H泵水解ATP泵出H到细胞壁造成膜电位差ψw降低水分进入GC气孔张开激活K通道和Cl通道K和Cl进入GC()苹果酸代谢学说(Malateproductiontheory)GC在光下进行光合作用消耗COpH增高(),活化PEP羧化酶PEPHCO→草酰乙酸→苹果酸苹果酸根使细胞里的水势下降气孔张开从周围细胞吸水气孔运动机理图解影响气孔运动的因素()光照促进糖、苹果酸的形成和K、Cl的积累。全日照的气孔开放对蓝光更加敏感受蓝光受体控制。()CO低CO促进气孔张开CO量增高主要引起细胞内酸化导致K泄漏而使气孔关闭。()空气湿度高有利开放低保卫细胞失水过度关闭。()温度:一定范围内随温度的上升气孔的开度逐渐增大。在℃左右达到最大气孔开度℃以上的高温会使气孔开度变小。()叶片含水量及钾元素含量。叶片含水量较高气孔开放。叶片含水量不足气孔关闭太高也关闭。()激素。ABA使气孔关闭。ABA通过增加胞质Ca浓度间接地激活K、Cl流出和抑制K流入降低保卫细胞膨压。生长素、CTK促进气孔开放。影响蒸腾作用的内外因子影响蒸腾作用的内外因子叶片气孔蒸腾时水蒸气的扩散途径*气孔频度(叶片的气孔数cm)*气孔开度*叶片水分状况*CO和离子(特别是钾离子含量)*ABA*叶面积和叶片内部面积大小*移栽苗木时,剪去部分叶片()内因()光照。光照↑,蒸腾速率↑。气孔开度↑气孔阻力↓气温和叶温↑叶内外的蒸汽压梯度↑蒸腾速率↑。()空气湿度。RH↓蒸腾大↑RH太低气孔关闭蒸腾反而又下降。()空气温度。一定范围温度↑蒸腾↑。温度过低过高蒸腾↓。()风。微风促进蒸腾。()空气CO↑蒸腾↓。()其他影响根系吸水的因素。()外因蒸腾速率的日变化蒸腾作用的意义及其测定指标意义()蒸腾作用可以降低叶片的温度()蒸腾作用是植物对水分的吸收和运输的一个主要动力。()促进植物对矿质和其它溶质在体内传导与分布。蒸腾作用的意义及其测定指标Section植物体内水分的运输Section植物体内水分的运输土壤→根毛→根的皮层→根的中柱鞘→根的导管和管胞→茎的导管和管胞→叶柄的导管和管胞→叶脉的导管和管胞→叶肉细胞→叶细胞间隙→气孔下腔→气孔→大气中水分运输的途径短距离运输根和叶的径向运输由根毛→根导管(或管胞)内皮层细胞的凯氏带阻碍了水分的运输叶脉末端的管胞→气室下腔细胞长距离运输茎中的纵向运输。根导管(或管胞)→叶脉末端的导管(或管胞)。导管(被子植物)或管胞(裸子植物)对水分运输的阻力很小。水分运输的动力下部的根压,上部的蒸腾拉力蒸腾-内聚力-张力学说Transpirationcohesiontensiontheory用水分子由于蒸腾作用和分子间内聚力大于张力来解释水分在导管内连续不断向上输送的学说。水分运输的动力水分运输的速率共质体中mmh质外体略快。木质部mh。环孔材树木mh散孔材树木~mh裸子植物<mh。水分运输的速率Criticalperiodofwater(水分临界期)指需水量不一定多但植物对水分不足最敏感最易受害的时期。花分母细胞减数分裂到四分体时期禾谷类作物有两个水分临界期即拔节期(相当于花分母细胞减数分裂到四分体时期)和灌浆期。

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