第一章 植物水分的吸收、体内运输分配以及排出的过程 浙江大学植物生理学理论课件

• Plasmolysis (质壁分离) and Deplasmolysis (质壁分离复原）
高浓度溶液中，植 物细胞液泡失水， 原生质体与细胞壁 分离的现象。
Plasmolysis
Deplasmolysis
低浓度溶液中，植 物细胞液泡吸水， 原生质体与细胞壁 重新接触的现象。
植物细胞质壁分离和复原示意图
吸胀水：细胞内亲水物质通过吸胀力而结合的水， 它是束缚水的一部分。
由吸胀力的存在而降低的水势值，即衬质势(ψm)。
吸胀力大小：蛋白质(豆类ψm≦-100MPa) > 淀粉 > 纤维素> >
脂类
干燥种子、根尖、茎尖分生细胞、果实和种子形成 过程中靠吸胀吸水。
• 2.3 Metabolic absorption of water by plant cell
蔗糖的i为1.
• C—溶质浓度 • T—绝对温度。
• 2.1.3 Plant cell is an osmotic system
• Cell wall ( consists of cellulose,pectin and semi-cellulose)—A permeable membrane。
• Protoplastic layer (Plasmic membrane and tonoplast)——A semipermeable(selective) membrane。
能够用于作功或发生反应的能量度量。 • 水的化学势（μw）：当温度、压力及物质数量
(水分以外)一定时，体系中１mol的水分的自由能。
• Water potential：指在相同温度、相同压力下一个 系统中偏摩尔体积水的化学势与纯水的化学势差。 用ψw表示。
• 水势是指在同温同压的一系统中，一偏摩尔体积 （（VV））水纯水（含的溶自质由的能水(μ）0的w)自的由差能值((μΔwμ）w与)。一W摩at尔er 体积 potential is defined as the difference in free
• 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(二硝基酚等)——细胞吸水也减少； 促进呼吸（通气、加糖）——细胞吸水就增强。
• 2.4 Water channel proteins or aquaporins （水通 道蛋白或水孔蛋白）
• 指细胞膜或液泡膜上，可减少水分跨膜运输 阻力，加快水分进出生物膜的一类蛋白质。 所有的活细胞均有aquaporins,不同的组织有 不 同 的 aquaporins 。 根 系 水 分 进 入 有 约 80% 由aquaporins控制。
• 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。
• 2.1.4 Water potential elements of the plant cell
• Ψw=Ψs+Ψp+Ψm+Ψg……。
• Ψs——solute potential。它取决于细胞 内溶质颗粒(分子或离子)总和。
• 植物叶Ψs为-1～-2 MPa，旱生植物叶片 Ψs 达-10MPa。
• Ψs还存在着日变化和季节变化。
Ψp
• Ψp— pressure potential
（压力势）。
膨压
• 由于细胞膨压的存在而提高的 水势。
• 一般为正值(Ψp>0) 。
• 草本(温暖天气）下午为+0.3～ +0.5MPa，晚上为+1.5MPa。
Section2 Water absorption by plant cell
• 三种方式: • Osmosis absorption； • imbibition absorption; • metabolism absorption。 • 其中以渗透性吸水为主.
2.1 Osmosis absorption by plant cell 细胞的渗透性吸水
• 代表水整体参与化学反应和移动的本领。
• 人为地设定在等温等压条件下，纯水的水 势为零Ψw0=0。溶液的水势就小于0，为负 值。溶液越浓，其水势的负值越大。
• Ψw的单位是MPa=106Pa=10bar。
• 海水为-2.5M Pa、 1M NaCl 为–4.46MPa、 植物细胞在-0.1~1.5MPa。
• 半透性膜：动物膀胱、蚕豆种皮、透析袋。 • Osmotic potential ( 渗 透 势 —Ψ ， Solute
potential、溶质势—Ψs ) 。 • 由于溶质的存在而降低的水势。 • Ψs(Mpa)= -0.0083iCT。 • i——渗透系数，NaCl的i为1.80，CaCl2的i为2.60,
• 研究质壁分离和复原的意义： • ①原生质层具有选择透性。
• 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。
• 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。
• 研究质壁分离和复原的意义：
Chapter 1 Water Relationship in Plant
植物水分的吸收、体内运输分配以及排出的过
程——水分代谢（water metabolism） 。“有
收无收在于水，多收少收在于肥”。
Section1 Role of water in plant life
• 1.1 Water content and status in plant(植物 的含水量及水分存在状态)
plant——dependent on Ψw
Ψs = -1.2MPa Ψs = -1.0MPa Ψs = -0.8MPa Ψp = 1.0MPa Ψp = 0.9MPa Ψp = 0.4MPa
A
B
C
A
B
C
Ψs = -1.2MPa Ψp = 1.0MPa Ψw =-0.2MPa
Ψs = -1.0MPa Ψs = -0.8MPa Ψp = 0.9MPa Ψp = 0.4MPa Ψw =-0.1MPa Ψw =-0.4MPa
• 已形成液泡的细胞（-0.01MPa左右），可以略而 不计。
• 一般植物细胞水势:Ψw=Ψs+Ψp。
cell水势、溶质势、压力势/MPa
(3) (1)
1.5 1.0 0.5 0
(2)
（1）初始质壁分离时，
Ψp
V=1.0，Ψp= 0，
Ψw = Ψs = -2.0 MPa
-0.5
（2）充分膨胀时，
-1.0
Ψw
V=1.5， Ψp =-Ψs ，
-1.5
Ψw = Ψs + Ψp = 0
-2.0
Ψs
-2.5
（3）剧烈蒸腾时，
V<1.0, Ψp < 0，
0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Ψw <Ψs
相对体积
Cell volume(times)
• 2.1.5 Water movement between cells in
1.2 Role of water in plant life
• (1)Component of protoplasm • 植物细胞原生质含水量一般在70-90%。 • (2)Substrate for plant metabolism • 光合、呼吸、有机物合成与分解。 • (3)Solution for plant absorption and transportation • (4)Keeping plant in shape (extension) • (5) Balance plant temperature
energy per unit volume, between matrically -
bound, pressurized, or osmotically- constrained water and pure water。
• Ψw=(μw / Vw) - （μ0w／Vw) =(μw-μ0w)／Vw • =Δμw／Vw
• 2.1.1 Free energy, chemical potential and water potential
• bound energy and free energy。 • 自由能是指能够作功的能量和参与反应的本领。 • 束缚能(bound energy)：不能用于做有用功的能
量 • 每摩尔体积物质的自由能为化学势，是一种物质
• 2.1.2 Osmosis and osmotic potential
半透膜(semipermeable membrane) ：只允 许水等小分子物质透过，其它溶质分子 或离子则不易透过的膜。如质膜和液泡 膜等。
渗透现象
Osmosis (渗透作用)是指 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。
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=0 ， Ψp=0 ， Ψw=Ψm。
•
吸胀力: 亲水胶体（hydrophilic colloid）吸引水分子 的力。
吸胀作用: 细胞因吸胀力的存在而吸收水分的作用。
• bound water：与细胞的组分紧密结合,不 易自由移动的水分，称为束缚水。其特点 是不参与代谢，不能作溶剂，不易结冰。
• 自由水/束缚水的比值增加时，植物细胞 原生质体处于溶胶(sol)状态，代谢活动旺 盛，生长快，但抗逆性弱；
• 自由水/束缚水的比值减少时，植物细胞 原生质常趋于凝胶(gel)状态，代谢活动减 弱，生长变慢，但抗逆性却增强。
• 1.1 Water content and status in plant(植物 的含水量及水分存在状态)
• 1.1.1 Water content。
• Plant types ：水生90%以上>陆生40-90% >旱生 （沙漠）植物6%。木本<草本植物。
• Growth environments：阴生>阳生。
A
C
• 等渗溶液： 溶液的Ψs 等于细胞 或细胞器 的Ψw
图 土壤—植物—大气连续 体系中的水势
• 2.2 Imbibing absorption of water of plant cell • 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。
• Plant organs：生长点、根尖、幼嫩茎等达90% 以 上 > 功 能 叶 70-90%> 树 干 40-50%> 休 眠 芽 40%>风干种子8-14%。
• 凡是生命活动越旺盛的部分，含水量也越高。
• 1.1.2 Status in plant。Free water and bound water。
• 1.1 Water content and status in plant (植物 的含水量及水分存在状态)
• 1.1.1 Water content。
• 植物种类：水生90%以上>陆生40-90% >旱生（沙 漠）植物6%。木本<草本植物。
• Growth environments ：阴生>阳生。
• free water：不与细胞的组分紧密结合，易 自由移动的水分，称为自由水。其特点是 参与代谢，能作溶剂，易结冰。
• 1.1.2 Status in plant。Free water and bound water。
• free water：不与细胞的组分紧密结合，易 自由移动的水分，称为自由水。其特点是 参与代谢，能作溶剂，易结冰。
• 特殊情况下，压力势会等于零 或负值。如初始质壁分离时，压 力势为零；剧烈蒸腾时，细胞的 压力势会呈负值。
• Ψm——matric potential（衬质势）。
• 细胞内胶体物质（如蛋白质、淀粉、细胞壁物质 等）对水分吸附而引起水势降低的值。
• 为负值。
• 干燥种子的Ψm可达-100MPa；
• 源自文库形成液泡的细胞具有明显的衬质势，
• 1.1.1 Water content。
• 1.1 Water content and status in plant(植物 的含水量及水分存在状态)
• 1.1.1 Water content。
• Plant types：水生90%以上>陆生40-90% >旱生 （沙漠）植物6%。木本<草本植物。