北工大植物生理学第二章植物的矿质营养ppt课件.ppt
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1、第二章 植物的矿质营养,必需的矿质元素及其作用细胞对矿质元素的吸收植物对矿质元素的吸收矿质元素在体内的运输与分配氮素同化、硫素同化、磷素同化合理施肥,第一节 植物必需的矿质元素,一、植物体内的元素灰分灰分元素矿质元素,植物组织,陆生高等植物的必需元素,二、植物必需的矿质元素1、植物必需的矿质元素 必需元素:是指植物生长发育必不可少的元素。 2、植物必需元素的三条标准是:缺乏该元素,植物生长发育受阻,不能完成其生活史除去该元素,表现为专一的病症,这种缺素病症可用加入该元素的方法预防或恢复正常该元素在营养生理上能表现直接的效果,而不是由于土壤的物理、化学、微生物条件的改善而产生的间接效果。,3、确
2、定植物必需矿质元素的方法 溶液培养法(或砂基培养法):亦称水培法,是在含有全部或部分营养元素的溶液中培养植物的方法;而砂基培养法则是在洗净的石英砂或玻璃球等基质中加入营养液来培养植物的方法。气培法: 将根系置于营养液气雾中栽培植物的方法称为气培法。,4、植物必需元素,按照植物对必需元素的需求量,可以大致划分为大量元素、微量元素大量元素:植物对此类元素需要的量较多。约占物体干重的0.01%10%,有C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S、Si。微量元素:约占植物体干重的10-5%10-3%。Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Cl、Ni。植物对这类元素的需要量很少。缺乏植物不能正常生长,稍有过量,
3、反而对植物有害,甚至致其死亡。,5、按照生理生化功能,可划分为以下4组(1)作为碳化合物组分的矿质元素氮:植物吸收的氮素主要是无机态氮,即铵态氮和硝态氮,也可以吸收利用有机态氮,如尿素等。硫:植物从土壤中吸收硫酸根离子,硫也是硫辛酸、辅酶A、硫胺素焦磷酸、谷胱甘肽、生物素、腺苷酰硫酸和3-磷酸腺苷等的组成。,(2)作为能量贮存和维持结构完整性的矿质元素磷:通常磷呈正磷酸盐(HPO42-或H2PO4-)形式被植物吸收。磷进入植物体后,大部分成为有机物,有一部分仍保持无机物形式。磷以磷酸根形式存在于糖磷酸、核酸、核苷酸、辅酶、磷脂、植酸等中。磷在ATP的反应中起关键作用,磷在糖类代谢、蛋白质代谢和
4、脂肪代谢中起着重要的作用。,硅:是以硅酸(H4SiO4)形式被植物体吸收和运输的。硅主要以非结晶水化合物形式(SiO2nH2O)沉积在细胞壁和细胞间隙中,它也可以与多酚类物质形成复合物成为细胞壁加厚的物质,以增加细胞壁刚性和弹性。,(3)保留离子状态的矿质元素钾:土壤中有KCl、K2SO4等盐类存在,这些盐在水中解离出钾离子(K+),进入根部。钾在植物中几乎都呈离子状态,部分在细胞质中处于吸附状态。钾主要集中在植物生命活动最活跃的部位。钾是40多种酶的辅助因子,是形成细胞膨胀和维持细胞内电中性的主要阳离子。,钙:植物从氯化钙等盐类中吸收钙离子。植物体内的钙呈离子状态Ca2+。钙主要存在于叶子或
5、老的器官和组织中,它是一个比较不易移动的元素。钙在生物膜中可作为磷脂的磷酸根和蛋白质的羧基间联系的桥梁,因而可以维持膜结构的稳定性。胞质溶胶中的钙与可溶性的蛋白质形成钙调素,在代谢调节中起“第二信使”的作用。,(4)参与氧化还原反应的矿质元素铁:铁是光合作用、生物固氮和呼吸作用中的细胞色素和非血红素铁蛋白的组成。铁在这些代谢方面的氧化还原过程中都起着电子传递作用。由于叶绿体的某些叶绿素蛋白复合体合成需要铁,所以,缺铁时会出现叶片叶脉间缺绿。,锌:锌离子是乙醇脱氢酶、谷氨酸脱氢酶和碳酸酐酶等的组成之一。缺锌植物失去合成色氨酸的能力。锌是叶绿素生物合成的必需元素。三、作物缺素的诊断,第二节 植物细
6、胞对矿质元素的吸收,一、生物膜1、膜的化学组成2、膜的生物结构,二、细胞吸收矿质元素的方式1、通道运输通道是由细胞膜内在蛋白构成的进行离子跨膜运输的孔道。质膜上已知的离子通道有K+,Cl-、Ca2+和NO3- 离子通道等。试验表明,一个开放式的离子通道,每秒钟可运输107108个离子,比载体蛋白运输离子或分子的速度快1000倍。,钾离子通道,钾电位门通道,电压门控K 通道模式图,应用类似的技术,在80年代还陆续克隆出几种重要离子(如Na+、K+和Ca2+等离子)的电压门控通道,它们具有同化学门控能道类似的分子结构,但控制这类通道开放与否的因素,是这些通道所在膜两侧的跨膜电位的改变;也就是说,在
7、这种通道的分子结构中,存在一些对跨膜电位的改变敏感的基团或亚单位,由后者诱发整个通道分子功能状态的改变。,2、载体运输载体又称透过酶(permease或penetrase)或运输酶(transport enzyme),是细胞膜中一类能与离子进行特异结合,并通过构象变化将离子进行跨膜运输的蛋白质。载体运输既可以顺着电化学势梯度跨膜运输(被动运输),也可以逆着电化学势梯度进行(主动运输)。载体运输每秒可运输104105个离子,单向运输载体能催化分子或离子单方向地跨质膜运输。质膜上已知的单向运输载体有运输Fe2+,Zn2+、Mn2+、Cu2+等载体。同向运输器是指运输器与质膜外侧的H+结合的同时,又
8、与另一分子或离子(如Cl-、K+、NO3-、NH4+、PO43-、SO42-,氨基酸、肽、蔗糖、已糖)结合,同一方向运输。,反向运输器是指运输器与质膜外侧的H+结合的同时,又与质膜内侧的分子或离子(如Na+)结合,两者朝相反方向运输。,3、泵运输ATP酶催化ATP水解释放能量,驱动离子的转运。植物细胞主要有质子泵和钙泵。,(1)质子泵ATP驱动质膜上的H+-ATP酶将细胞内侧的H+向细胞外侧泵出,细胞外侧的H+浓度增加,结果使质膜两侧产生了质子浓度梯度和膜电位梯度,两者合称为电化学势梯度。细胞外侧的阳离子就利用这种跨膜的电化学势梯度经过膜上的通道蛋白进入细胞内。同时,由于质膜外侧的H+要顺着浓
9、度梯度扩散到质膜内侧,所以质膜外侧的阴离子就与H+一道经过膜上的载体蛋白同向运输到细胞内,H+泵将H+泵出,K+(或其它阳离子)经通道蛋白进入,阴离子与H+同向运输进入,生电质子泵工作的过程,是一种利用能量逆着电化学势梯度转运H+的过程,所以它是主动运输的过程,亦称为初级主动运输,由它所建立的跨膜电化学势梯度,又促进了细胞对矿质元素的吸收,矿质元素以这种方式进入细胞的过程便是一种间接利用能量的方式,称之为次级主动运输。,(2)钙泵钙泵:亦称为Ca2+-ATP酶,它催化质膜内侧的ATP水解,释放出能量,驱动细胞内的钙离子泵出细胞,由于其活性依赖于ATP与Mg2+的结合,所以又称为(Ca2+,Mg
10、2+)-ATP酶。,4、胞饮作用物质吸附在质膜上,然后通过膜的内折而转移到细胞内的攫取物质及液体的过程,称为胞饮作用(pinocytosis)。,第三节 植物对矿质元素的吸收,植物吸收矿质元素主要通过根,但植物的其他部位也可以吸收矿质元素。如叶片,一、根对矿质元素的吸收过程1、离子被吸附在根系细胞的表面交换吸附:根部细胞在吸收离子的过程中,同时进行着离子的吸附与解吸附,这时,总有一部分离子被其他离子所置换。根部呼吸放出的CO2和土壤溶液中的H2O形成H2CO3, H2CO3在溶液中解离形成H+和HCO3-,这些反应发生在根细胞的表面。,土粒表面都带负电荷,吸附着矿质阳离子(如NH4+、K+),
11、不易被水冲走,它们通过阳离子交换与土壤溶液中的阳离子交换。矿质阴离子(如NO3-、Cl-)被土粒表面的负电荷排斥,溶解在土壤溶液中,易流失。但PO43-则被含有铝和铁的土粒束缚住,因为Fe2+、Fe3+和Al3+等带有OH-,OH-和PO43-交换,于是PO43-被吸附在土粒上,不易流失。,由于土壤颗粒的表面带有负电荷,阳离子被土壤颗粒吸附于表面。外部阳离子如钾离子可取代土壤颗粒表面吸附的另一个阳离子如钙离子,使得钙离子被根系吸收利用。,2、离子进入根部导管质外体途径和共质体途径离子如何从木质部细胞进入导管,有两种说法:被动扩散、主动运输,二、影响根吸收矿质元素的条件1、温度根部吸收矿质元素的
12、速率随土壤温度的增高而加快,因为温度影响了根部的呼吸速率,也即影响主动吸收。温度过高,吸收困难。这可能是高温使酶钝化,影响根部代谢;高温使膜透性增大,矿质元素被动外流。温度过低时,根吸收矿质元素量也减少,因为低温时,代谢弱,主动吸收慢;细胞质粘性也增大,离子进入困难。,温度对小麦幼苗吸收钾的影响,2、通气状况通气畅通,促进根的代谢,减小CO2对根活性的影响。3、土壤溶液浓度,4、土壤PH值弱酸性条件下,氨基酸带正电,弱碱性条件下,氨基酸带负电。一般阳离子的吸收速率随PH值升高而加速,阴离子的吸收速率随PH增高而下降。一般作物生育最适pH是67 ,但有些作物(如茶、马铃薯、烟草)适于较酸性的环境
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