第2章.植物的水分生理上.ppt

1,2,3,4,55,在农业生产中，水肥管理得当是获得丰收的关键。“有收无收在于水”和“水利是农业的命脉”，这已深刻地说明了水在农业生产中的重要作用。,第2章 植物的水分生理,水分的吸收,水分的运输,水分的利用,水分的散失,水是生命起源的先决条件,没有水就没有 生命,也就没有植物。植物的水分代谢(water metabolism)：指植物对水分的吸收、运输、利用和散失的过程。,概念,6,24,重点掌握 水分在植物体内存在的形态及其在生命活动过程中的重要作用；植物细胞、根系对水分的吸收及其环境因素对其影响蒸腾作用及其调控;植物体内水分运输的特点及机理；作物合理灌溉的生理基础。,第2章 植物的水分生理,7,第一节 水分在植物生命活动中的重要性 第二节 植物细胞对水分的吸收 第三节 植物根系对水分的吸收 第四节 植物的蒸腾作用 第五节 植物体内水分的运输 第六节 合理灌溉的生理基础,第2章 植物的水分生理,8,一、水的物理化学性质二、植物体内含水量和水分存在的状态三、水对植物的生理生态作用 1、水分是细胞质的主要组成成分 2、水分是重要代谢过程的反应物质和产物 3、水分是各种生理生化和运输的介质 4、水分能使植物保持固有的姿态 5、水分能维持细胞的分裂和伸长。6、水具有重要的生态意义1)调节植物体温;2)调节生态环境,第一节 水分在植物生命活动中的重要性,第2章 植物的水分生理,9,一、水的物理化学性质,水的组成和结构,?,第一节 水分在植物生命活动中的重要性,第2章 植物的水分生理,10,水的物理化学性质,水的组成和结构,水是极好的溶剂,2.水的比热大,3.水的汽化热大,4.水具有大的表面张力和附着力,5.水的内聚力大,第2章 植物的水分生理,11,一般植物组织含水量占鲜重的7090，水生植物的含水量大于90%；旱生植物含水量可低至6%。,1、植物体内含水量,1)不同植物种类含水量不同,二、植物体内含水量和水分存在的状态,第2章 植物的水分生理,12,2)同一植物不同组织、不同器官含水量也不同,幼嫩部分含水量亦高，为60%-90%；茎杆：40%-50%；休眠芽：40%；风干种子：9%-14%。,根60%90%,种子10%14%,第2章 植物的水分生理,13,二、植物体内含水量和水分存在的状态,前期后期,3).同一器官不同生长期，含水量也不同,第2章 植物的水分生理,14,2、植物体内水分存在的状态,自由水,束缚水,蛋白质亲水胶粒,植物体内不被亲水胶粒吸附，可以自由移动，可起溶剂作用的水分。,植物体内吸附在亲水胶粒周围或被困于大分子空间中，不能自由移动的水分。,概念,第2章 植物的水分生理,15,思考：,干旱时，自由水/束缚水高抗旱？还是自由水/束缚水低抗旱？,16,24,自由水/束缚水比值高时 细胞原生质呈溶胶状态，植物的代谢 旺盛，生长较快，抗逆性弱。自由水/束缚水比值低时 自由水少时，细胞原生质呈凝胶状态 植物代谢活性低，生长迟缓，但抗逆性强。休眠种子和越冬植物体内的自由水/束缚水比值低。,自由水直接参与代谢，束缚水不参与代谢。,第2章 植物的水分生理,17,一般植物组织含水量占鲜重的7590,三、水分对植物的生理作用,1、水分是细胞质的主要组成成分,第2章 植物的水分生理,18,三、水对植物的生理作用 2、水是代谢过程的反应物质,比如水是植物进行光合作用、生产有机物的重要原料，它与CO2合成碳水化合物。还有其它生物化学反应，如呼吸作用中的许多反应，脂肪、蛋白质等物质的合成和分解反应，也需要水参与。,第2章 植物的水分生理,19,三、水对植物的生理作用 3、水是各种生理生化和物质运输的介质,植物体内的代谢活动都是在水溶液中进行的。如：A.土壤中的无机和有机营养只有溶于水才能为植物吸收;B.植物与环境间气体交换，氧和二氧化碳均必须呈水溶 状态才能出入细胞；C、植物体内物质的输送也要呈水溶状态。,第2章 植物的水分生理,20,三、水对植物的生理作用,4、水分能保持植物的固有姿态 植物细胞含有大量水分，产生的静水压可以维持细胞的紧张度，使枝叶挺立，花朵开放，根系得以伸展，从而有利植物捕获光能、交换气体、传粉受精以及对水肥的吸收。5、水分维持细胞的分裂和伸长 无论是细胞分裂或伸长，都需要有足够的水分供应，所以当植物遇到干旱缺水，就直接影响生长过程，造成减产。,第2章 植物的水分生理,21,水对植物的生态作用,所谓生态作用就是 通过水分子的特殊理化性质，给植物生命活动创建 一个有益的环境条件。,22,24,6、水具有重要的生态意义,水具有特殊的理化性质可以调节湿度和温度。例如：1)调节植物体温 水的汽化热高、比热大。植物通过蒸腾散热来调节体温，以减轻烈日伤害；在水稻育秧遇到寒流时可以灌水护秧；2)水对可见光的通透性3)调节生态环境 增加大气湿度、维持土温、气温的相对稳定等。高温干旱时，也可以通过灌水来调节植物周围的温度和湿度，改善田间小气候。可以水调肥，用灌水来促进肥料的释放和利用。果树可以通过喷灌来调节果园的微环境。,第2章 植物的水分生理,23,第二节 植物细胞对水分的吸收 细胞吸水的方式：吸胀吸水 渗透吸水 代谢性吸水一、植物细胞的渗透性吸水(一)植物细胞构成的渗透系统 自由能、化学势和水势(二)植物细胞的水势构成(三)细胞之间的水分移动二、植物细胞的吸胀吸水三、植物细胞的代谢性吸水四、水分进出细胞的途径 1、单个水分子 2、水集流 水孔蛋白的功能：,第2章 植物的水分生理,24,渗透性吸水：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）-形成液泡的细胞B）吸胀作用吸水：亲水性胶体物质吸水膨胀的现象。-未形成液泡的细胞代谢性吸水：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。,第二节 植物细胞对水分的吸收,植物细胞吸收水分的主要方式,第2章 植物的水分生理,25,渗透作用,半透膜,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。,27,55,21,24,半透性膜 也叫选择透性膜。只充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。如透析袋、动物膀胱、花生皮、蚕豆壳等都有半透膜的性质。,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。,蔗糖溶液,水,A、实验开始时 B、经过一段时间,A,B,图2-4 由渗透作用引起的水分运转,第2章 植物的水分生理,概念,概念,28,质壁分离现象解决如下几个问题：确定细胞的死活 已发生膜破坏的死细胞，膜半透性丧失，不产生质壁分离现象。2.测定细胞的渗透势 使细胞处于初始质壁分离状态的溶液水势值与该细胞的渗透势相等。3.测定原生质层对物质的透性 利用速度来判断物质透过细胞的速率。同时可以比较原生质粘度大小。,图2-3 细胞的水平衡,第2章 植物的水分生理,30,55,在生产上，往往由于施肥过多会烧根，就是由于土壤溶液浓度过高，而使土壤溶液水势大大低于根细胞的水势，致使根细胞严重脱水而死亡。,第2章 植物的水分生理,31,55,21,24,在土壤干旱时，根细胞也会脱水而干枯，严重时根系也会死亡，从而导致地上部的死亡。不耐盐碱的作物，在盐碱土上生长不好，也是由于盐碱地的土壤溶液浓度高而使根细胞脱水造成。所以，当植物因干旱或外液浓度过高时而萎蔫时，及时灌水可挽救恢复。质壁分离复原的植物，也由萎蔫状态恢复了正常。,第2章 植物的水分生理,32,在自然界中，任何物质都处在不停地运动中，物质的运动是受到能量控制的。水分子的移动就是作功，作功是需要能量的。在温度恒定的条件下，用于作功的能量叫自由能。每摩尔物质的自由能就是该物质的化学势。,概念,在渗透作用中，水分子为什么能够自发地运动？?,（二）自由能、化学势和水势,第2章 植物的水分生理,33,在植物生理学中，水势是指每偏摩尔体积水的化学势差，即体系中水的化学势与纯水化学势之差除以水的偏摩尔体积所得的商。,水势是一个判断自然界中水运动方向和限度的物理量，也是植物水分状态的基本度量单位。,水势(water potential)是美国水分生理学家克雷默(P.J.Kramer，1966)从物理化学中引导出并运用于植物生理学的。,用以衡量反应功移动的能量高低。,概念,第2章 植物的水分生理,偏摩尔体积(Vw,m)是指在恒温恒压、其它组分浓度不变情况下，混合体系中1mol物质所占据的有效体积。,34,纯水自由能最大，而任何溶液，由于溶质的存在降低了水分子的自由能，所以溶液中水分自由比纯水的低。纯水的自由能大，水势也最高。通常把纯水的水势规定为零，溶液中因溶质的存在降低了水的自由能，所以水势成为负值。溶液越浓，其水势越低，数值也越大。水势通常以符号w表示，水势单位为帕(Pa),一般用兆帕（MPa)。1Mpa=106 Pa 1bar(巴)=0.1 MPa=0.987 atm(大气压)1标准atm=1.013105 Pa=1.013 bar。,第2章 植物的水分生理,55,(三)植物细胞的水势构成,一个典型植物细胞的水势(w)组成为：wpm渗透势（）：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）。压力势（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0，剧烈 蒸腾时，p会呈负值。衬质势（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。,概念,第2章 植物的水分生理,36,55,wpm具有大液泡的细胞，其原生质仅为一薄层，液泡内的大分子物质很少，且细胞含水量很高，m0，计算时一般忽略不计。即 wp不具液泡的细胞，如分生区细胞和风干种子，其水势即由衬质势构成。即 wm,第2章 植物的水分生理,37,38,55,21,24,细胞吸水过程中，随着体积的改变，w、和p均发生变化。,第2章 植物的水分生理,细胞体积1，p0，w=；体积达最大时，p和达最大值，w0；体积小于1时，降低，p此时成 一负值，w，此时细胞w等于减去p，细胞吸水力增大。,第2章 植物的水分生理,40,细胞初始质壁分离时：p=0,w=s 充分饱和的细胞:w=0 s=-p蒸腾剧烈时：p 0，w s,第2章 植物的水分生理,41,55,21,24,（四）、细胞之间的水分移动,水分进出细胞由细胞与周围环境之间的水势差(w)决定，水总是从高水势区域向低水势区域移动。两个相邻细胞之间的水分移动方向也是由二者的水势差决定。多个细胞相连时，水分从水势高的一端流向水势低的一端。,第2章 植物的水分生理,X,Y,图1-8 两个相邻细胞之间水分移动的图解,第2章 植物的水分生理,图1-9 土壤-植物-大气连续体中的水势,第2章 植物的水分生理,44,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：1）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2）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。3）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。,第2章 植物的水分生理,水势的测定方法,液体交换法蒸气压法压力室法压力探针法冰点下降法WP4露点水势仪,第2章 植物的水分生理,二、细胞的吸胀性吸水,吸胀作用(imbibition)是细胞亲水胶体吸水膨胀的现象。,种子,凝胶状态(亲水性),水分子以氢键与亲水凝胶结合,凝胶膨胀,亲水性：蛋白质 淀粉 纤维素。,细胞质细胞壁淀粉粒蛋白质,豆类种子吸胀现象非常显著。,第2章 植物的水分生理,概念,47,55,21,24,三、细胞代谢性吸水 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称代谢性吸水。试验证明，当通气良好引起细胞呼吸加剧时，细胞吸水便增强；相反，减小O2或以呼吸抑制剂处理时，细胞呼吸速率降低，细胞吸水也就减少。,第2章 植物的水分生理,48,55,21,24,四、水分进入细胞的途径 水分是怎样通过膜系统进出细胞的呢？前人研究表明,水分在植物细胞膜系统内移动的途径有两种：1、单个水分子：通过膜脂双分子层的间隙进入细胞；2、水集流：通过质膜上的水孔蛋白中的水通道进入细胞。以后一方式为主，水孔蛋白是横跨膜内外的内在蛋白，具有选择性及高效转运水分子的膜通道蛋白。,第2章 植物的水分生理,第2章 植物的水分生理,50,水通道蛋白的发现是在1988年。首次从人体细胞中发现了一种存在于生物膜上的、分子量为28000的具有通透水分功能的内在蛋白，被称为水通道蛋白或称为水孔蛋白，不久也证实在植物的细胞膜及液泡膜上也有通道蛋白存在。,水通道蛋白：存在于生物膜上的一类具有选择性、高效转运水分功能的内在蛋白，亦称水孔蛋白。,水孔蛋白的功能：(1)水分在细胞内的运输；(2)水分长距离的运输；(3)调整细胞内的渗透压。,第2章 植物的水分生理,概念,51,55,21,24,第三节 植物根系对水分的吸收 一、根部吸水区域 二、根系吸水途径 三、根系吸水方式及其动力 1、被动吸水蒸腾拉力 2、主动吸水根压 四、影响根系吸水的因素 1、根系自身因素 2、土壤条件 土壤水分状况 土壤通气状况 土壤湿度 土壤溶液浓度,第2章 植物的水分生理,