(新改)生物竞赛辅导-水和无机盐-植物生理学--刘小刚

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作用释放的能量主动吸收土壤溶液中的离子,并将其转运到根的中柱和木质部导管 中,使中柱细胞和导管中的溶质增加,水势下降;水分就会顺内皮层内外的水势差 进入中柱、导管,并向上运输。
(二) 根系吸水动力
1 根压的证据和机理
证据: (1)伤流(bleeding):受伤或折断 的植物组织伤口处溢出液体的 现象。伤流液的多少是根系生 理活性的指标。 (2)吐水(guttation):生长在土 壤水分充足、潮湿环境中的植 株,叶片尖端或边缘的水孔向 外溢出液滴的现象。吐水也能 反应根系生理活性高低和作物 移栽是否成活。
1.3.3 水分向上运输
一、水分在木质部运输的速率:
导管长,速度比较快,20-40cm/h, 导管短,速度比较慢, 1-6cm/h, 裸子植物只有管胞,速度更慢0.6cm/h
二、水分沿导管或管胞上升的动力: • 内聚力学说(cohesion theory):相同分子之间相互吸引
的力量,称之为内聚力。叶片蒸腾失水后,便从下部吸水, 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,这样上拉下堕使水产生张力,而水分较大的内 聚力足以抵抗张力,保持水柱不断上升的来解释水分上升的 学说,称为内聚力学说,亦称蒸腾-内聚力-张力学说( transpiration-cohesion-tension theory)
1.2.3
水分跨膜运输原理
几种常见化合物的水势
溶液 纯水 Hoagland营养液 海水 1mol· L-1蔗糖 1mol· L-1 KCl Ψw /Mpa 0 -0.05 -2.50 -2.69 -4.50
1.2.3
水分跨膜运输Hale Waihona Puke Baidu理
渗透装置的条件 1、具有半透膜 2、半透膜两侧具有浓度差 a.烧杯中的纯水和漏斗内液 面相平; b.由于渗透作用使烧杯内 水面降低而漏斗内液面升高
亦称溶质势(
)。
*压力势(pressure potential,p):由于细胞壁压力的存在而增加的水势值。一般为正值。 *衬质势(matric potential,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。
* 有液泡细胞,原生质几乎已被水饱和,水势公式简化为:ψw = ψs+ ψp * 没有液泡的分生细胞、风干种子胚细胞:ψw = ψm *初始质壁分离细胞:ψw = ψs ; * 水饱和细胞: ψw = 0( p =-s ) Ψg:重力势,由于重力引起的水分子运动趋势增加,产生的体 系水势的增值。细胞的重力势可以忽略。
(二) 根系吸水动力 主动吸水:根压(root pressure),植物根部的生理活动使液流从根部上
升的压力。多数0.1-0.2MPa,有些木本植物0.6-0.7MPa。
主要证据伤流和吐水。
被动吸水:蒸腾拉力(transpirational pull):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。 机理:根压的产生与根系生理活动和导管内外的水势差有关。植物根系可以利用呼吸
水是一切生命活动的源泉,没有水就没有生命。生命 不仅发生于水的环境,而且生命过程必须在水的环境中进 行。 • *水分代谢(water metabolism):植物对水分的吸收、 运输、利用和水分散失的过程。
水份吸收
水分运输
水分利用
水份散失
1.1 植物对水分的需要
1.1.1 植物的含水量规律 1、不同植物含水量不同 2、同种植物生长环境不同,含水量不同
细胞渗透作用的三种情况: (1)细胞ψW >外界ψW,细胞失水,质壁分离 (2)细胞ψW< 外界ψW,细胞吸水,质壁分离复原 (3)细胞ψW = 外界ψW,细胞达渗透平衡
三、植物细胞水势
一个典型的植物细胞: 水势= 渗透势+压力势+衬质势 *渗透势(osmotic potential, s ):溶液中溶质颗粒的存在而引起的水势降低值。用负值表示。
化学势之差,除以水的偏摩尔体积。
w
0 W W
VW


W VW

偏摩尔体积(partial molal volume): 在一定温度压力和浓度下, 1mol某组分在混合物中所体现出来的体积。水的偏摩尔体积 指1 mol水中加入1 mol某溶液后,该1 mol水所占的有效体积。
水势的单位是压强的单位:帕斯卡(Pa)、大气压 水的化学势 N· m· m ol1 水势 N· m2 Pa (atm)、巴(bar)。 3 1 水的偏摩尔体积 m m ol 1bar = 105Pa = 0.1MPa = 0.987atm
知识体系
物 质 代 谢 及 运 输 生 长 发 育 及 调 控 水分代谢: 矿质营养:
植物生理学
水份的吸收、运输、利用、散失
矿质元素的作用、吸收、运输和利用
光合作用: 光合作用的机理、过程、和影响因素 物质运输:
植 物 生 理
生长物质: 生长素类、赤霉素类、细胞分裂素类、乙烯、脱落酸
生长生理:生长和运动(向性运动、感性运动和生理钟) 成熟与衰老:
1.3 植物根系对水分的吸收
土壤中的水分 根系吸水 水分向上运动
1.3.1 土壤水分
(一)土壤水分的存在形式及性质
按物理状态分类: 1.毛管水(capillary water) :由于毛管力所保持在土壤颗粒间毛管 内的水分。毛管水又可分为毛管上升水和毛管悬着水两种。
植物吸水的主要来源。
2.束缚水(吸湿水) (bound water) : 土壤中土壤颗粒或土壤胶体 的亲水表面所吸附的水分。 3.重力水(gravitational water) :水分饱和的土壤中,由于重力的 作用,能自上而下渗漏出来的水分。
1.2.2 水分跨膜运输途径
跨膜途径
A)单个水分子通过膜脂
双分子层扩散进入细胞内。
B)多个水分子通过膜的水通 道蛋白呈线性扩散
*水通道蛋白(water channel protein):存在生物膜上的具有选择性高效转运
水分功能的内在蛋白,亦称水孔蛋白(aquaporin),主要调节细胞中的水分快速流 动,调节细胞渗透势,广泛存在植物各组织。
②水分是植物对物质吸收和运输的溶剂 ③水能维持细胞膨压,促进生长 ④水分能保持植株的固有姿态
1.2.1 吸水方式
渗透吸水:由于细胞的溶质的存在引起的吸水。具有液泡的细胞 多数都为渗透吸水。 吸胀吸水:衬质吸引水分子的力量称为吸胀力,衬质吸水膨胀的 作用称为吸胀作用。如干燥的种子或分生组织。 降压吸水:因压力势降低而引起的细胞吸水。如蒸腾旺盛时,木 质部导管和叶肉细胞的细胞壁因失水而收缩,使压力势引起的细胞 水势下降而吸水。
三、植物细胞水势
细胞初始,相对体积1.0 时,压力势为0,细胞的 水势等于渗透势,细胞吸 水体积增大,压力势增大 水势也增大, 细胞吸水饱和时,相对 体积1.5,渗透势与压力势 绝对值相等符号相反,水 势为零,不吸水。
蒸腾剧烈时,细胞失水, 体积缩小,不质壁分离, 水势低于渗透势
纯水中细胞水势各组分之间与相对体积的关系
二、植物细胞就是一个渗透系统
*渗透作用(osmosis):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。 半透膜:又称选择性通透膜,只允许水 等小分子通过,其它溶质分子或离子不 易通过的膜。
成熟细胞的原生质层(原生质膜、原生质和液泡膜)相当 于半透膜。 液泡液、原生质层和细胞外溶液构成了一个渗透系统。
1.2.3
水分跨膜运输原理
一、植物细胞的自由能和水势
1*自由能(free energy)物质可以做功的能量。
2*化学势µ(chemical potential) : 等温、等压条件下,1mol物质的自由能就是该物
质的化学势。
3*水势ψ(water potential):指体系中水的化学势与处于等温、等压条件下纯水的
3、同株植物不同器官和组织含水量也相同
4、同一器官在不同生长期含水量不一样。
1.1 植物对水分的需要
1.1.2 植物体内的水分存在状态
水分在植物细胞内存在状态与细胞质状态有关。 细胞质:蛋白质,水溶性大,内部疏水基,外 部亲水基。 细胞质胶体微粒(胶粒),亲水性。 亲水物质
被吸附的水分子
*束缚水(bound water): 靠近胶粒被胶粒吸附束缚不易轻易自由流动 的水分,不参与植物代谢活动,与植物抗性大小有密切联系。 *自由水(free water):距离胶粒较远可以自由流动的水分。参与植物代 谢活动,自由水越多,植物代谢越旺盛。
此两种水分状态划分是相对的,没有严格的界限
1.1 植物对水分的需要
1.1.3水分在植物生命活动中的作用
1 水分是构成原生质的主要成分 原生质的含水量大约在70-90%。在细胞中物质的 代谢、运输及生物体中细胞间的信号传递、物质运输都是在水溶液中进行的。 2 水在植物的生理活动中有重要的作用
①水直接参加了许多生物化学反应。光合、呼吸、许多有机物质的合成与分解。
生殖生理: 春化作用、光周期、光敏色素 抗性生理: 抗寒、热、旱、涝、盐、病
水 份 代 谢
水分的吸收:吸收的部位、原理、动力、途径及条件
水分的运输:运输的途径和动力 水分的利用: 水分的散失:蒸腾作用(主要)、吐水(次要)
根系对水分的运输 和吸收途径图解
水分从根表皮转运至维管柱的途径
A 植外体运输(通过细胞壁, 胞间隙,导管,管胞等运输经) B 共质体运输(经过胞间连丝 从原生质体到原生质体的转运)
1.3.2 根系吸水---(二) 根系吸水动力
2、蒸腾拉力: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。是被动吸水。是植物吸水的主要方式。 • 产生机理:蒸腾作用 →叶片叶肉细胞水势下降→向邻近细胞吸水→向 导管吸水→向根部吸水→向土壤吸水
根压和蒸腾拉力在根系吸水过程中所占的比重,因植株蒸腾速率而异
1.2.3
水分跨膜运输原理
细胞吸水过程中水势组分
三、植物细胞水势
细胞放入溶液,最终其水势约等于溶液水势大小。 比较放入不同水势溶液,初始水势不同的两个细胞的水势 可以直接比较溶液的水势
1.2.4 细胞间的水分移动
植物器官之间, 地上比根部低。 上部叶比下部叶低 在同一叶子中距离主脉 越远则越低; 在根部则内部低于外部。
1.3.2 根系吸水---(三)影响根系吸收水分的主要外界条件
• 1.土壤水分状况 水势为-0.01—-3.1MPa,有效水;田间持水量的70%,最适宜。 • 2.土壤温度 3.土壤通气状况
土壤中的O2和CO2浓度影响根的呼吸,对植物根系吸水的影响很大;
通气不良,无氧呼吸积累有毒物质,根系受毒害。 • 4.土壤溶液浓度 土壤溶液浓度较低,水势较高,根系易于吸水。生理干旱
* 通常正在蒸腾着的植株,尤其是高大的树木,其吸水的主要方式是被动吸水; * 只有春季叶片未展开或树木落叶以后以及蒸腾速率很低的夜晚,主动吸水才成为主 要的吸水方式。
1.3.2 根系吸水
(三)影响根系吸收水分的主要外界条件 外界条件:大气因子和土壤因子 土壤可用水分:永久萎蔫系数以外多余的水分。 *永久萎蔫系数(permanent wilting coefficioent): 植物叶片刚显示萎蔫之后,转到阴湿之处仍不能恢 复原状,此时的土壤含水量与土壤干重的百分率 (引起植物萎蔫不能因蒸腾的减弱而恢复的土壤最 高百分含水量)。
1.2.3
水分跨膜运输原理
水势的大小:水势是一个相对值,其绝对值不容易测的 纯水的自由能最大,因此水势最高,规定一个大气压、0℃时,纯水的 水势为0,其他溶液与它相比较,而得出其大小。 由于溶液中溶解了溶质,而溶质颗粒存在降低了水的自由能,所以溶液 中水的自由能要比纯水低,溶液的水势就成为负值,溶液越浓,水势越低 ,负值越大。 水总是水势高处流到水势低处。
1.3.2 根系吸水
(一) 根系吸水的途径
*质外体途径(apoplast pathway):
水分经胞壁和细胞间隙移动,
不越膜,移动快
*共质体途径(symplast pathway): 水分依次从一个细胞经过 胞间连丝进入另一细胞
内皮层凯氏带阻碍了水分吸收,
必需通过跨膜运输
1.3.2 根系吸水
土壤水势组成:主要由渗透势ψs和压力势ψp组成
1.3.2 根系吸水
吸水器官为根系,吸水部位:根尖 吸水区域:根毛区 • 根毛区为吸水的主要区域原因何在? (1)根毛多,吸收面积大; (2)细胞壁由果胶物质组成,亲水性强; (3)疏导组织发达。 其他区域: 细胞质浓厚,疏导组织不发达,对水阻力大。
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