普通生物学第三章 生物营养与代谢 PPT课件

• 载体学说
（三）真菌和固氮微生物与高等植物的营养 1. 真菌对植物体的营养
土壤中某些真菌，如大部分担子菌和小部分子囊菌，可与 植物根形成共生体来协助植物进行营养物质的吸收，这样的 共生体称为菌根（mycorrhiza）。
凡能引起植物形成菌根的真菌称为菌根真菌（mycorrhizal
fungi）。 通常根据其形态和解剖学特征，将菌根分为外生菌根
（一）二氧化碳的摄取
高等植物是通过光合作用来固定大气中的CO2的，摄取 CO2的主要器官是叶片，并通过气孔进入叶肉细胞的间隙，
再 透过生物膜最终到达叶绿体，参与光合作用。
气孔的开闭会影响植物的蒸腾、光合、呼吸等生理过程。 气孔的开闭现象称为气孔运动（stomatal movement）。 1. 气孔的运动
普通生物学（第三章）
福建农林大学生命科学学院 魏道智
第三章 生物营养与代谢
生物的生存需要不断从外界摄取各种物质以合成细 胞物质、提供能量及在新陈代谢中起调节作用，这些 物质称为营养物质，而有机体吸收和利用营养物质的
过程就称为营养（nutrition）。 生物的新陈代谢（metabo梯度（包括化学势梯度和电势梯 度）通过扩散方式进入细胞。离子的扩散速度和方向决定于 化学势梯度和电势梯度的相对大小，而分子的扩散则决定于 化学势梯度。 ② 主动吸收
主动吸收需要植物代谢供应能量，是逆电化学势梯度吸收 的。至于代谢如何供能的问题先后有不同的学说： • 阴离子呼吸学说
是指H+ 和HCO3- 和根外土壤溶液中以及土壤胶粒上的一些 离子，如K+、Cl-等所发生交换，
② 接触交换(contact exchange) 当根系和土壤胶粒接触
时，根系表面的离子可直接与土壤胶粒表面的离子交换。
图3-4 根与土壤溶液的离子交换 图3-5 根与土壤胶粒的接触交换
（2）离子的细胞吸收 ① 被动吸收 这种吸收过程可以说是一种物理过程，不需要植物代谢
二、 高等植物的营养
• 绿色植物属于光能自养生物，体内含有叶 绿素及类胡萝卜素等光合色素，能够吸收 光能，利用CO2和水，制造有机物并释放氧 气。因此，空气中的CO2就成为植物最重要 的营养物质。
• 除此之外还必须不断地从环境中吸收各种 矿质元素，如N、P、K等作为矿质营养来 维持正常的生理活动.
（二）矿质营养
植物对矿质元素的吸收、运输和同化过程叫 矿质营养。
1. 植物必需的矿质元素及其作用
根据国际植物营养学会的标准，必需元素应 满足如下3个条件：
(1）作为植物体结构物质的组成成分；
(2）作为植物生命活动的调节剂，参与酶的活 动，影响植物代谢；
(3）起电化学作用，参与渗透调节、胶体的稳 定和电荷中和等。
• 已知能与植物共生形成VA菌根的真菌都属于内囊霉科，主要有内囊霉 属、无柄孢属、巨孢霉属和实果内囊属等9个属。由于它们具有与植
物共生的高度专一性，迄今尚未分离获得纯培养体。
（3） 内外生菌根
内外生菌根是上述两种菌根的混合型。在这种菌根 中，真菌的菌丝不仅从外面包围根尖，而且还伸 入到皮层细胞间隙和细胞腔内，如苹果、草莓等 植物具有这种菌根，由杂色牛肝菌与松树等形成 的菌根也属于这种类型。相对上述两种类型来说， 目前对内外生菌根及其真菌总体上知之较少。
因此，C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg、Cu、 Zn、 Mn、Fe、Mo、B、Cl 、Ni等17种元素被确定为必 需 元素(essential element)。 在17种必需元素中，前9 种元素的含量分别占植 物体干重的0.1%以上，称作大量元素（major element；macroelement）； 后8 种元素的含量分别占植物体干重的0.01%以 下，称作微量元素（minor element； microelement)
（ecotomycorrhiza）、内生菌根（endomycorrhiza）和内 外
生菌根(ectendomycorrhiza)3种基本类型。
（1） 外生菌根
据估计，约有3%的植物具有外生菌根，其 中多数是乔木树种，既有被子植物也有裸 子植物。外生菌根的特点是：真菌菌丝体 紧密地包围植物幼嫩的根，外部形成致密 的鞘套，有些鞘套还长出菌丝，取代了植 物的根毛。
第一节 生物的营养
一、营养类型 生物的生长发育需要碳源、氮源、能源、无机盐
和水等营养要素。其中碳源、氮源和能源的不同就 决定着生物营养类型的不同。
生物的营养类型是根据生物在代谢中所需要的碳 源、供氢体和能源的不同而划分的, 通常分为自养型 （autotrophic nutrition）和异养型（heterotrophic nutrition）两大类。
当叶片由光下转入暗处时，过程逆转（图3-2）。
图3-2 苹果酸代谢学说图解
图3-3 气孔运动机理模式图
3. 影响气孔运动的因素 凡能影响光合作用和叶片水分状况的各种因素，都会影
响气孔的运动，如光照、温度、植物激素、大气湿度及CO2 浓
度等内外因素，从而影响CO2的吸收。 （1）光照 与光强和光质都有关 （2）二氧化碳 （3）温度 （4）水分 （5）植物激素
这类生物所需的能源来自有机物氧化所产生的化学能，碳源主要是淀 粉、糖类、纤维素、有机酸等有机化合物。因此，有机碳化物既是碳源 又是能源。动物、真菌和绝大多数细菌属于这一类型。
对于动物来说，是通过主动摄食的方式吞食固体 有机食物，在体内将这些食物消化、吸收，这种获 取营养的方式又称为吞食营养phagotrophic nutrition）或动物式营养(holozoic nutrition)。
（二）异养型
以有机物为碳源，以光能或化学能为能源的营养方式称为异养型，以 这种营养方式摄取现成有机物的生物称为异养生物（heterotroph）。
根据利用能源和碳源的不同，异养生物又被划分为化能异养生物 （chemoheterotroph）和光能异养生物（photoheterotroph）两种类
型。 1. 化能异养生物
2. 化能自养生物 以化学能为能源，以CO2为主要碳源的生物称为光能自养
生物。这类生物能氧化某些无机物（如NH3 、H2 、NO2-、 H2S 、S2O32-、Fe2+）取得化学能，并还原CO2合成有机物，
如 氧化亚铁硫杆菌可通过氧化S2O32- 盐及含铁硫化物获能。氧 化黄铁矿可以生成硫酸和硫酸高铁，后者可以溶解铜矿 （CuS）实现铜的沥出，即生成硫酸铜，这就是所谓细菌冶 金。属于化能自养的微生物还有硝化细菌、氢细菌和铁细菌 等。
（1）双子叶植物 （2）单子叶植物 2. 气孔运动的机理 关于气孔运动的机理，目前主要有以下三种学说。
图3-1 双子叶和单子叶植物的气孔运动
(1) 淀粉—糖转化学说
当保卫细胞的叶绿体在光照下进行光合作用时，消耗 CO2，使细胞内pH值升高，淀粉磷酸化酶（starch phosphorylase，该酶在pH 6.1～7.3时促进淀粉水解作用） 便水解淀粉为葡萄糖-1-磷酸，细胞的葡萄糖浓度升高，水 势下降，临近细胞的水分进入保卫细胞，膨压增大，气孔张 开。
（2） 内生菌根 又称泡囊－丛枝菌根（vesicalar-arbuscular mycorrhiza），简称丛 枝菌根（VA mycorrhiza）即VA菌根，是内囊霉科（Endogonaceae） 的部分真菌与植物根形成的共生体系。内生菌根的特点是：真菌的菌 丝体主要存在于根的皮层细胞间和细胞内，而在根外较少，不形成菌 套，共生的植物仍保留有根毛。
（一）自养型
以无机物为碳源，以光能或化学能为能源的营养 方式称为自养型，以这种营养方式从环境中摄取简 单无机物，并将其同化为复杂有机物的生物叫做自 养生物（autotroph）。
根据利用能源和碳源的不同，又可进一步分为光 能自养生物（photoautotroph）和化能自养生物 （chemoautotroph）两类。
CO2＋ 2H2A
光 光合色素
（CH2O）＋ 2A ＋ H2O
1. 光能自养生物
• 以光为能源，以CO2或碳酸盐为主要碳源的 生物称为光能自养生物。
• 这类生物通常具有光合色素，能以光作为 能源进行光合作用，以水或其他无机物作 为供氢体，使CO2还原成细胞物质。例如 高等植物、藻类、蓝细菌、紫硫细菌 （Chromatium）、绿硫细菌 Chlorobium）。
在黑暗条件下，保卫细胞光合作用停止，而呼吸作用仍 在进行，CO2积累，pH下降，淀粉磷酸化酶（该酶在pH
2.9～ 6.1时合成作用占优势）便把葡萄糖-1-磷酸合成为淀粉，细 胞内浓度降低，水势升高，水分从保卫细胞中排出，结果气 孔关闭。
(2) 无机离子泵学说
• 无机离子泵学说（inorganic ion pump theory）又称为K+泵学说。该学说认为，保 卫细胞质膜上存在有H+–ATP酶，可以被光 激活，进而水解保卫细胞中的ATP，产生的 能量，使H+从保卫细胞分泌到周围细胞中， 于是保卫细胞的pH升高，质膜内侧的电势变 低，从而驱动K+逆浓度差从周围细胞进入保 卫细胞，导致细胞水势降低，保卫细胞吸水
2. 根系对矿质元素的吸收和运输 （1）离子的交换吸附 根部之所以能进行交换吸附，是因为根部细胞的质膜表
层附有阴阳离子，主要是H+ 和HCO3-。这些离子是由于细 胞
呼吸放出的CO2和H2O生成的H2CO3所离解出来的。H+、 HCO3-
可迅速与周围环境中的阳离子和阴离子进行交换。离子交换 有两种方式： ① 根与土壤溶液的离子交换(ion exchange)
• 形成外生菌根的真菌多属于担子菌中的鹅 膏属（Amanita）、牛肝菌属（Boletus） 和口蘑属（Tricholoma），也有少数种类 属于子囊菌的块菌目。
•。
• 外生菌根的分泌物可加速分解土壤中的有机质， 还可活化磷素养分，使土壤中难溶性、难吸收利 用的铁、铝、钙磷酸盐活化成可吸收利用的磷酸 盐。同时向植物提供生长素、维生素、细胞分裂 素、抗生素和脂肪酸等代谢产物，促进植物生长， 植物则为菌根真菌提供了良好的生态环境和有机 养料等