9299.net
大学生考试网 让学习变简单
当前位置:首页 >> >>

植物生理学ppt课件ch2 植物的物质生产与能量代谢精品文档_图文

植物生理学ppt课件ch2 植物的物质生产与能量代谢精品文档_图文

第 植物的物质生产 一 篇 和能量代谢

1.代谢:维持生命活动过程中化学变化的 总称。
2.植物的代谢 性质上分:1)物质代谢
2)能量代谢 方向上分:1)同化作用:
2)异化作用: 物质代谢、能量代谢同化作用和异 化作用的统一。

本篇内容包括三章:
第一章:植物的水分代谢 第二章:植物的矿质营养 第三章:植物的光合作用
水分和矿质部分介绍植物如何从土壤 中获得营养,而光合作用一章介绍植物的 空气营养。总体而言,本章介绍植物从环 境中摄取营养物质,利用光能进行物质的 初级合成和将光能转化为化学能的过程。

第一章 植物的水分代谢
没有水就没有生命 Chapter 1
Water Metabolism of Plant

教学目的
通过本章的学习掌握植物对水分的 吸收、水分在植物体内的运输和分配和 排出过程,植物生产中如何合理用水。 认识水分在植物生命活动中的意义。

主要内容
1 植物对水分的需要 2 植物细胞对水分的吸收 3 植物根系对水分的吸收 4 蒸腾作用 5 植物体内水分的运输 6 合理灌溉的生理基础

第一节 植物对水分的需要
水的重要,植物的水分代谢过程 1. 植物的含水量 1)不同植物的含水量有很大的不同 2)同一种植物生长在不同环境中,含水量
也有差异。 3)在同一植物中,不同器官和不同组织的
含水量的差异也甚大。

2. 植物体内水分存在的状态
1)束缚水(bound water) :细胞质主要是由蛋白质 组成的,细胞质是一个胶体系统(colloidal system)。
蛋白质分子的疏水基(如烷烃基、苯基等)在分子 内部,而亲水基(如-NH2,-COOH,-OH等) 则在分子的表面。
这些亲水基对水有很大的亲和力。其表面吸附着很 多水分子,形成一层很厚的水层。水分子距离胶粒 越近,吸附力越强。
靠近胶粒而被胶粒吸附束缚不易自由流动的水分, 称为束缚水。

2)自由水(free water):距离胶粒较远 而可以自由流动的水分,称为自由水 (free water)。
自由水参与各种代谢作用,自由水含 量的百分比越大,植物的代谢活动越旺 盛。
束缚水不参与代谢作用,但束缚水含 量与植物的抗性密切相关。

3)细胞亲水胶体由于自由水含量的不同而 呈两种不同的状态:
溶胶状态:水含量较多,大多数情况下细 胞质呈溶胶状态;
凝胶状态:含水量较少,休眠种子的细胞 质呈凝胶状态。

3. 水分在生命活动中的作用
没有水就没有生命
? 水分是细胞质的主要成分 ? 水分是代谢作用过程的反应物质 ? 水分是植物对物质吸收和运输的溶剂 ? 水分能保持植物地固有姿态

第二节 植物细胞对水分的吸收
植物细胞吸水主要有三种方式: 1)扩散 2)集流 3)渗透作用
在植物的生命过程中,后两种是吸水的 主要方式。

1)扩散: 是自发过程,随机热运动造成的,由高 浓度区域向低浓度区域的运动,顺浓度 梯度进行。
适于短距离迁移。

2)集流:指液体中成群的原子或分子在压 力梯度下共同移动。
植物中集流的实施: 质膜内在蛋白
水孔蛋白: 液泡膜内在蛋白

3)渗透作用:物质依水势梯度的移动。 即浓度梯度与压力梯度的和。

(1)自由能和水势
根据热力学原理,系统中物质的总能量 可分为束缚能(bound energy)和自由能 (free energy)两部分。
束缚能是不能转化为用于做功的能量, 而自由能是在温度恒定的条件下用于做功的 能量。1mol物质的自由能就是该物质的化学 势(chemical potential),可衡量物质反应 或转移所用的能量。

衡量水分反应或转移能量的高低,可用水 势表示。

水势(water potential)

指每偏摩尔体积水的化学势。也就是, 水 统 除中溶 以的液水纯的的水化偏的学摩化势 尔学(体μ势积w)((与μV同ww温)0)、所之同得差压的(、商△同,μ一称w系为), 水势。

μw-μw0 ψw = ––––––––––– =
Vw

△μw –––––––
Vw

? 化学势是能量的概念,其单位为 J/mol(J=N·m),而偏摩尔体积的单位为 m3/mol,两者相除并化简,得N/m2,成 为压力单位Pa,这样就把能量为单位的 化学势化为压力为单位的水势。
水势=水的化学势/水的偏摩尔体积= N·m·mol-1/m3mol-1=N·m-2=Pa
纯水的自由能最大,水势也最高。 纯水的水势定为零

水分移动需要能量,因此,水分一 定是从高水势区域顺着能量梯度 (energy gradient)流到低水势区域, 也就是说,水分是由水势高处流到水 势低处。

2)渗透作用
水分从水势高的系统通过半透膜向 水势低的系统移动的现象,就称为渗透 作用(Osmosis)

3) 植物细胞是一个渗透系统 质壁分离(plasmolysis)

质壁分离复原(deplasmolysis)

4) 细胞的水势 细胞的吸水情况决定于细胞的水势,典
型细胞的水势由三部分组成: Ψw = Ψπ+ Ψp + Ψg
细胞水势=渗透势+压力势+重力势
Ψπ渗透势(osmotic potential): 渗透势是由于溶质颗粒的存在,降低了水
的自由能,因而其水势低于纯水的水势。

Ψp 压力势(pressure potential): 压力势是指细胞的原生质体吸水膨
胀,对细胞壁产生一种作用力,于是引 起富有弹性的细胞壁产生一种限制原生 质体膨胀的反作用力,往往是正值。
Ψg 重力势(gravity potential): 是水分因重力下移与相反力量相等
时的力量。

5) 细胞的水分移动 1)相邻两细胞的水势移动方向,决定细胞
之间的水势差异,水势高的细胞中的水 分向水势低的细胞流动。
2)当有多个细胞连在一起的时候,如果一 端的细胞水势较高,另一端的水势较低, 顺次下降,就形成一个水势梯度(water potential gradient),水分便从水势高的 一端流向水势低的一端。植物器官之间 水分流动方向就是依据这个规律。

2. 细胞的吸胀作用
1)吸胀作用(imbibition):是亲水胶体吸 水膨胀的现象。
2)种子的细胞质、细胞壁、淀粉粒和蛋白 质等都呈凝胶状态。由于这些凝胶是亲水 性的,水分子以氢健与亲水凝胶结合,使 后者膨胀。
3)蛋白质、淀粉和纤维素三者的亲水性依 次递减,所以含蛋白质较多的豆类种子吸 涨现象非常显著。

3 .水分进入细胞的途径 水分在植物细胞膜系统内移动的途
径以有两种: 1)一种是单个水分子通过膜质双分子层的
间隙进入细胞;
2)另一种是水集流(mass flow)通过质 膜上水孔蛋白(aquaporin)中的通道 (water channel)进入细胞。

? 水孔蛋白是一类具有选择性、高效运转 水分的膜通道蛋白。
? 水孔蛋白是中间狭窄的四聚体,呈“滴 漏”模型。每个亚单位的内部形成狭窄 的水通道。
? 水孔蛋白的活性是被磷酸化调节的,试 验证明,依赖Ca离子的蛋白激酶可使特 殊丝氨酸残基磷酸化,水孔蛋白的水通 道加宽,水集流通过量剧增。

第三节 植物根系对水分的吸收
? 植物可通过叶片和根系吸水。 根系是陆生植物吸水的主要器 官。
? 根的吸水主要在根尖进行。在 根尖中,根毛区的吸水能力最 大,根冠、分生区和伸长区较 小。
为什么在移栽植物幼苗时应 尽量避免损伤细根?

1. 根系吸水的途径
根系吸水的途径有3条:
质外体途径(apoplast pathway) 是指水分通过细胞壁细胞间隙等没
有原生质的部分移动,这种移动方式速 度快。

? 跨膜途径(transmembrane pathway) 指水 分从一个细胞移动到另一个细胞,要两次经 过质膜。
? 共质体途径(symplast pathway )是指水 分从一个细胞的细胞质经过胞间连丝,移动 到另一个细胞的细胞质,如此移动下去,移 动速度较慢。共质体途径和跨膜途径统称为 细胞途径(cellular pathway)。
这3条途径共同作用,使根部吸收水分。

? 内皮层细胞壁上的凯氏带(Casparian strip), 环绕在内皮层径向壁和横向壁上, 木栓化和木质化,而细胞质牢牢地附在 凯氏带上,所以水分只能通过内皮层的 原生质体。

2. 根系吸水的动力 根系吸水有两种动力:根压和蒸腾拉
力,后者较为重要。
1)根压 (root pressure): 由于水势梯度引 起水分进入中柱后产生的压力。 根压把根部的水分压到地上部,土壤中的 水分便不断补充到根部,这就形成根系吸水 过程,这是由根部形成力量引起的主动吸水。 (0.05~0.5MPa)

(1)下列现象表明根压的存在:
伤流(bleeding) : 从受伤或折断的植物组织溢出液体的现
象, 叫做伤流(bleeding)。流出的汁液是 伤流液(bleeding sap),可以反映根系活 力。 吐水(guttation):
从未受伤的叶片尖端或叶片边缘向外溢出 液滴的现象。(根系生理活动)

吐水现象

吐水现象

(2)根压产生的机理 A.渗透论 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;同样道理,较外层胞 的水分向内移动。
B.代谢论 呼吸释放的能量参与根吸的吸水过 程。例如,当外界环境的温度降低、氧分压 下降或呼吸抑制剂存在时,伤流或吐水便会 降低或停顿;

2)蒸腾拉力 (transpiration)
叶片蒸腾时,气孔下腔附近的叶肉 细胞因蒸腾失水而水势下降,所以从旁 边细胞取得水分。同理,旁边细胞有从 另外一个细胞取得水分,如此下去,便 从导管要水,最后根部就从环境吸收水 分。
这种吸水完全是蒸腾失水而产生的 蒸腾拉力所起的,是由枝叶形成的力量 传到根部而引起的被动吸水。

3.影响根系吸水的土壤条件 1) 土壤中可用水分:干旱

2) 土壤通气状况:涝害 3) 土壤温度 : 4) 土壤溶液浓度:盐碱

第四节 蒸腾作用
水分从植物体中散失的方式有两种: 1)以液体状态散失到体外,即吐水现象; 2)以气体状态散逸到体外,便是蒸腾作用,这
是主要的方式。
蒸腾作用(transpiration) 是指水分以气体状态,通过植物体的表
面(主要是叶子),从体内散失到体外的现象。

1 .蒸腾作用的生理意义和部位
生理意义 1)蒸腾作用是植物水分吸收和运输的主要
动力;
2)矿质盐类要溶于水中才能被植物吸收和 在体内运转,而蒸腾作用又是对水分吸 收和流动的动力;

3)蒸腾作用能够降低叶片的温度。 ???

蒸腾作用的部位
当植物幼小的时候,暴露在地面上 的全部表面都能蒸腾。
植物长大后,茎枝形成木栓,这时 茎枝上的皮孔可以蒸腾,这种通过皮孔 的蒸腾称为皮孔蒸腾(lenticular transpiration)。

植物的蒸腾作用绝大部分是在叶片上进行的。
叶片的蒸腾作用有两种方式:
1)通过角质层的蒸腾,称为角质蒸腾 (cuticular transpiration);
2)通过气孔的蒸腾,称为气孔蒸腾(stomatal transpiration)。

2.气孔蒸腾
1)气孔运动 ? 气孔在白天开放,晚上关闭。气孔之所
以能够运动,是和保卫细胞的结构特点 有关。 ? 保卫细胞的胞壁厚度不同,加上纤维素 微丝与胞壁相连,所以会导致气孔运动。

2)气孔运动的机理 (制)
气孔运动(stomatal movement)的机理有3 种学说(看法):
*淀粉-糖转化学说(starch -sugar conversion theory); *无机(钾)离子吸收学说(inorganic
(potassium)ion uptake theory); *苹果酸生成学说(malate production theory)。

三者的本质都是调节保卫细胞水势,
因为气孔运动是受保卫细胞的水势控制 的。

(1)淀粉-糖转化学说
保卫的叶绿体在光照下进行光合作 用,消耗二氧化碳,使细胞内pH增高, 淀粉磷酸化酶(starch phosphorylase)便水 解淀粉为葡萄糖-1-磷酸,细胞里的水势 下降,副卫细胞(或周围表皮细胞)的水分 进入保卫细胞,气孔便张开。

在黑暗里则相反,呼吸产生的二氧化碳
使保卫细胞的pH下降,淀粉磷酸化酶便把 葡萄糖-1-磷酸合成淀粉,细胞液浓度降低,
水势升高,水分从保卫细胞排到副卫细胞 (或周围表皮细胞),气孔便关闭。

淀粉+磷酸

光照

淀粉磷酸化酶,pH升高 葡萄糖-1-磷酸
pH降低

黑暗

己糖+磷酸

(2)无机(钾)离子吸收学说
将蚕豆叶片表皮放在不同浓度的KCl溶 液中,无论在光照还是黑暗条件下,K+浓度 越大,气孔开度就越大。
在光照下气孔张开时,保卫细胞中超过 副卫细胞的K+浓度,在黑暗关闭时则小于副 卫细胞的K+浓度。
研究也指出,Na+可以代替K+,使气孔开 放,但不如K+有效。

保卫细胞的质膜上具有光活化H+泵ATP酶 (light-activated H+-pumping ATPase), 利用ATP将H +分泌到细胞壁的同时,把 胞外的K + 吸收到细胞中来。
K+进入细胞的同时,还伴随着Cl -的进入, 以保持保卫细胞的电中性。
保卫细胞中积累较多的K+和Cl -,水势降 低,水分进入保卫细胞,气孔张开。

(3)苹果酸生成学说
? 研究发现,叶片表皮细胞的苹果酸水平和气孔开度 具有密切的正相关。
? 淀粉通过糖酵解作用产生的磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP),在PEP羧化酶作用下,与HCO3-作用,形成 草酰乙酸,进一步还原为苹果酸。
? 苹果酸作为渗透物,降低水势,水分进入保卫细胞, 使气孔张开。

3)影响气孔运动的因素 光照(光质:红光、蓝光) 温度 二氧化碳 激素(ABA)

3.影响蒸腾作用的内、外条件
? 叶内(即气孔下腔)和外界之间的蒸汽压差 (即蒸汽压梯度,vapor pressure gradient) 制约着蒸腾速率。
? 气孔阻力(即内部阻力)包括气孔下腔和气孔 的形状和体积,也包括气孔的开度,其中 以气孔开度为主。

? 靠近气孔下腔(substomatal cavity)的叶肉 细胞的细胞壁是湿润的,细胞壁的水分 变成水蒸气,经过气孔下腔和气孔扩散 到叶面的扩散层,再由扩散导扩散到空 气中,这就是气孔蒸腾扩散的过程。
? 蒸腾速率取决于水蒸气向外的扩散力和 扩散途径的阻力。

1)影响蒸腾作用的外界条件
? 光照 ? 空气相对湿度 ? 温度 ?风 ? 蒸腾作用的日变化

2)内部条件对蒸腾作用的影响 ? 气孔和气孔下腔都直接影响蒸腾速率 气孔频度、大小-气孔阻力 ? 叶片内部面积大小也影响蒸腾速率 内部暴露面积

3)降低蒸腾作用的途径
移栽 旱地农业

4)蒸腾作用的指标 ? 蒸腾速率 (transpiration rate): 植物在一定时间内单位叶面面积蒸腾的水量。 ? 蒸腾比率 (transpiration ratio): 植物每消耗1kg水时所形成的干物质质量(g)。 ? 蒸腾系数 (transpiration coefficient) (或需水量,water requirement): 植物制
造1g干物质所需水分(g)。

第五节 植物体内水分的运输
1.水分运输的途径 ? 水分在茎、叶细胞内的运输有2种途径: ? 经过死细胞 导管和管胞都是中空无原
生质体的长形死细胞,细胞和细胞之间 都有孔,特别是导管细胞的横壁几乎消 失殆尽,对水分运输的阻力很小,适于 长距离的运输。 ? 经过活细胞 水分由叶脉到气孔下腔附 近的叶肉细胞,都是经过活细胞。

2 .水分运输的速 度
? 活细胞原生质 体对水流移动 的阻力很大, 0.1MPa条件下, 10-3cm /h。
? 水分在木质部 中运输的速度 比在薄壁细胞 中快得多,为 3-45 m/h。

3.水分沿导管或管胞上升的动力
? 水分沿导管或管胞上升的动力有2种: ?下部的根压 ?上部的蒸腾拉力

? 蒸腾—内聚力—张力学说(transpirationcohesion-tension theory)H.H.Dixon
? 相同分子之间有相互吸引的力量,称为内聚力 (cohesive force)。水分子的内聚力很大 (20MPa)。
? 叶片蒸腾失水后,边从下部吸水,所以水柱一端 总是受到拉力;与此同时,水柱本身的重量又使 水柱下降,这样上拉下堕使水柱产生张力 (tension)。(高大树木最大为2~3 MPa)
? 水柱张力大小和吸水与蒸腾之间的差额有关,越 缺水,张力越大。水分子内聚力比水柱张力大, 故可使水柱不断。 (争论)

第六节 合理灌溉的生理基础
1 . 作物的需水规律 ? 作物需水量因作物种类而异: ? 同一作物再不同生长发育时期对水分的
需要量也有很大的差别。 ? 水分临界期:孕穗期、灌浆期

2. 合理灌溉的指标
? 1)形态指标:从作物外形来判断它的需 水情况。一般来说,缺水时:
? 幼嫩的茎叶就会凋萎(水分供应不上); 叶、茎颜色暗绿(可能是细胞生长缓慢, 细胞累积叶绿素)
? 变红(干旱时,糖类的分解大于合成, 细胞中积累较多可溶性糖,就会形成较 多红色花色素);
? 生长速度下降(代谢减慢,生长也慢)。

2)生理指标:
叶片水势 细胞汁液浓度 渗透势 气孔开度

3.灌溉方法
? 作物的灌溉方法通常采用的是沟渠排灌 法
? 喷灌(sprinkling irrigation)和滴灌 (drop irrigation)技术。

4.合理灌溉增产的原因
? 合理灌溉不但防止土壤干旱,而且能显 著改变灌溉地上的气候条件。
? 灌溉还能改变栽培环境(特别是土壤条 件),间接地对作物发生影响。


网站首页 | 网站地图 | 学霸百科 | 新词新语
All rights reserved Powered by 大学生考试网
文档资料库内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@qq.com