大学植物生理学经典.ppt

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1、,植物生理学1.水分代谢2.矿质营养3.光合作用4.植物激素及调控,一 植物的水分代谢,目的 了解水分在植物体内存在的状况及其主要生 理生态作用 掌握植物细胞和根系对水分吸收的主要规 律；了解蒸腾作用的生理意义与影响因子；了解植物体内水分运输的特点及机理；弄清作物合理灌溉的生理基础。,要点之一,1 植物对水分的依赖 1.1 植物的含水量的测定1.2 植物体内水分存在的状态 自由水（free water）距离胶粒较远而可以自由流动的水分。束缚水（bound water）靠近胶粒而被胶粒束缚不易流动的水分。,自由水,束缚水,植物体内水分状态与代谢的关系,1)束缚水一般不参与植物的代谢反应。植物细胞

2、和器官主要含束缚水时，则代谢活动非常微弱，如越冬休眠和干燥种子，仅以极弱的代谢维持生命活动，但抗性却明显增强，能度过不良的逆境条件；2)自由水主要参与植物体内的各种代谢反应。其含量多少还影响代谢强度，含量越高，代谢越旺盛；3)自由水束缚水的比值可作为衡量植物代谢强弱和抗性的生理指标之一。,1.3 植物体内水分的生理生态作用,（1）水是细胞质的主要成分（含水量一般达70-90）；（2）水分是代谢过程的反应物和产物（光合、呼吸等）；（3）细胞分裂及生长都需要水分；（4）水分是植物对物质吸收和运输及生化反应的溶剂；（5）水分能使植物保持固有的姿态（维持细胞紧张度）；（6）调节植物体温及其大气湿度、温

3、度等（蒸腾失水）。,要点之二,2 植物细胞吸收水分的主要方式 扩散：指分子的随机热运动所造成的物质从浓度高的区域向浓度低的区域移动。水分子可以扩散方式通过膜脂双分子层进入细胞内。集流：指液体中成群的原子或分子在压力梯度下共同移动。水分从土壤溶液进入植物及其在木质部的运输就存在集流现象。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）。,水分跨过细胞膜的途径 A.单个水分子通过膜脂双分子层扩散 或通过水通道 B水分集流通过水孔蛋白形成的水通道,A,B,细胞渗透性吸水的原理-水势,溶液的水势 A)红墨水扩散现象 自由能（可用于作功的能量）。化学势：1

4、摩尔物质的自由能。B)水势的概念 水势（water potential，w）-某一系统中水的化学势与处于相同温度和压力的纯水的化学势之差，除以水的偏摩尔体积所得的商。它是水分转移本领大小的指标。,2.典型植物细胞的水势,对于一个典型的植物细胞，其水势由3部分组成，即 水势=渗透势+衬质势+压力势渗透势（osmotic potential，）：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（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。初始质壁分离时，p为0，剧烈蒸腾时，p会呈负值。衬质势（matric potentia

5、l，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。,w,s,p,初始质壁分离,w=s=-2 MPa,纯水w=细胞w,吸水最大值,p=s绝对值,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：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。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。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。,相邻细胞间水分移动方向,多个细胞,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

6、距离 主脉越远则越低；在根部则内部低于外部。,要点之三,3 植物根系对水分的吸收3.1 根系吸水的途径 质外体途径：水分经胞壁和细胞间隙移动，不越膜，移动快 共质体途径：水分依次从一个细胞经过胞间连丝进入另一细胞 跨膜途径：水分从一个细胞移动到另一个细胞，要经两次膜。有研究表明，水分在细胞膜内的移动又有两种方式：一是单个水分子直接越膜，二是经过一种膜通道蛋白水孔蛋白进行.水孔蛋白：是一类具有选择性地、高效转运水分的膜通道蛋白。,根部吸水的途径,几个相关的概念,质外体：是一个开放性的连续自由空间，包括细胞壁、胞间隙及导管等。共质体：是通过胞间连丝把无数原生质体联系起来形成的一个连续的整体。胞间连

7、丝：是贯穿胞壁的管状结构物内的连丝微管，其两端与内质网相连接。,2.2 根系吸水的动力 根压（root pressure）：植物根部的生理活动使液流从根部上升的压力。伤流和吐水可证明根压的存在 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。主要动力。,2.3 根系吸水的影响因素A)植物本身因素 1)根系发达程度 2)根系活力强弱 3)根系细胞水势B)土壤环境条件 1)可用水分多少 2)通气状况 3)温度 4)土壤溶液浓度,要点之四,4 植物的蒸腾作用4.1 蒸腾作用的概念 蒸腾作用（transpiration）：水分以气 态方式从

8、植物体的表面散失的过程。4.2 蒸腾作用的部位与方式 枝、果 皮孔蒸腾 叶 片 角质层蒸腾、气孔蒸腾（主要方式）,关于气孔运动及其影响因素,植物气孔的开放与关闭,淀粉糖转化学说（Starch-sugar conversion theory）,淀粉磷酸化酶合成活性,影响气孔运动的因素 影响光合作用、叶子水分状况的因素等均可影响气孔运动。内生昼夜节律：随一天的昼夜交替而开闭。光照：光诱导气孔开放(有些植物除外)，不同波长的光对气孔运动有着不同的影响，蓝光和红光最有效(与光合作用相似)。光促进光合作用，促进苹果酸的形成，促进K+和Cl-吸收等,CO2：叶片内部低的CO2分压可使气孔张开，高的CO2则

9、使气孔关闭。温度和光照很可能是通过影响叶内CO2浓度而间接影响气孔开关的。温度：在一定温度范围内气孔开度一般随温度的升高而增大。在25以上时气孔开度最大，30-35时开度会减小。低温下开度减小或关闭。叶片含水量：白天剧烈蒸腾时失水过多，气孔关闭。雨天叶片含水过多，表面细胞体积膨大，挤压保卫细胞，使气孔关闭。叶片水势降低时气孔开度减小或关闭。,风：大风可能加快蒸腾作用，使保卫细胞失水过多而促进气孔关闭。微风有利于气孔开放和蒸腾 植物激素：细胞分裂素促进气孔开放，而ABA促进气孔关闭。干旱时根产生的ABA向上运输到地上部，促进保卫细胞膜上K+外流通道开启，向外运送的K+量增加，使保卫细胞水势增大而

10、失水，从而促进气孔关闭,4.3 蒸腾作用的表示方法,蒸腾速率（transpirational rate）：又称蒸腾强度，指植物在单位时间内，单位面积通过蒸腾作用而散失的水分量。（克平方分米小时）蒸腾比率（transpirational ratio）：植物每消耗l公斤水时所形成的干物质重量（克）。蒸腾系数（transpirational coefficient）：又称为需水量（water requirement），植物制造1克干物质所需的水分量（克）。它是蒸腾比率的倒数。,4.5 蒸腾作用的影响因素 A)内部因素：气孔频度（气孔数/cm2）、气孔大小、气孔开度等 B)外部因素：光照、空气相对湿度

11、、温度、风速等,要点之五,5 植物体内水分的运输 5.1 水分运输的途径5.2 水分运输的速度 水分在导管的运输速度一般为3-45 m/h。,土壤水 根毛 根皮层 根中柱鞘 根导管 茎导管 叶柄导管 叶脉导管 叶肉细胞 叶细胞间隙 气孔下腔 气孔 大气,根系吸收的水分向上运输的途径,5.3 水分沿导管或管胞上升的动力,水分上升的动力：根压和蒸腾拉力 水分上升的原因：蒸腾内聚力张力学说（1）水柱有张力，（0.53MPa）（2）水分子间有较大的内聚力（20 MPa），内聚力张力（3）水分子对导管壁有很强的附着力,蒸腾-内聚力-张力学说（transpiration-cohesion-tension

12、theory），又简称为内聚力学说：由H.H.Dixon 提出。主要论点：叶片因蒸腾失水而从导管或管胞吸水，使导管或管胞的水柱产生张力，由于水分子内聚力大于张力，保证水柱的连续而使水分不断上升。,要点之六,6 合理灌溉的生理基础（1）作物需水规律：不同作物或同一作物不同 时期需水量不同如：C3植物比C4植物多12倍水分临界期：植物对水分不足最敏感、最易受 害的时期。小麦：孕穗期和开始灌浆至乳熟末期豆类、花生：开花期果树：开花至果实生长初期,（2）合理灌溉的指标 形态指标：（A）生长速率下降（B）幼叶调萎（C）茎叶变红 生理指标：叶片水势、细胞汁液浓度或渗透势、气孔开度等（3）合理灌溉增产的原因

13、 可改善各种生理作用，特别是光合作用；能改变栽培环境的土壤条件和气候条件（满足生态需水）；防止土壤干旱（满足生理需水）。,（4）灌溉的方法 A）漫灌(wild flooding irrigation)：是我国目前应用最为广泛的灌溉方法，其最大缺点是造成水资源的浪费,还会造成土壤冲刷,肥力流失,土地盐碱化等诸多弊端。B）喷灌(spray irrigation)：就是借助动力设备把水喷到空中成水滴降落到植物和土壤上。这种方法既可解除大气干旱和土壤干旱，保持土壤团粒结构，防止土壤盐碱化，又可节约用水。C）滴灌(drip irrigation)：是通过埋入地下或设置于地面的塑料管网络，将水分输送到作物

14、根系周围，水分（也可添加营养物质）从管上的小孔缓慢地滴出，让作物根系经常处于保持在良好的水分、空气、营养状态下。,植 物 的 矿 质 营 养,矿质元素的概念除 C、H、O 以外，主要由根系从土壤中吸收的元素。植物必需的矿质元素种类 大量元素：N、P、S、K、Ca、Mg 微量元素:Cl、Fe、Mn、B、Zn、Mo、Cu、Ni,如何来验证Mg元素是植物所必需的矿质元素？,请自行设计实验方案：,无土栽培,取材,选取若干长势良好、大小相似的玉米幼苗等分为两组,配制培养液,分别配制完全培养液、缺镁培养液,培养,观察实验现象,添加镁元素,继续培养，观察,正常生长,全营养液,Mg元素,生长不正常,正常生长,

15、结论：Mg元素是植物生长的必需矿质元素,缺Mg完全营养液,缺镁的老叶变黄，新叶仍绿色,缺铁的新叶黄化，老叶仍保持绿色,结论：,材料:科学实验证实，通常情况下，根细胞中的K等矿质元素离子的浓度,已高于土壤溶液中的浓度，但植物的根仍然吸收这些必需的矿质离子。,低浓度高浓度,能量,讨论：,矿质元素是以哪种方式进入根细胞的？,问：如果用化学药品抑制根的呼吸作用，根对矿质元素的吸收就会中断。为什么？,将等量的NH4+、Po43-、K+、Ca2+共同置于5000ml水中，再放入新鲜水稻根，几小时后测定混合液中上述四种离子和水的含量变化如下表：,问:Ca2+比K+减少量明显大的原因：,根对不同矿质元素的吸收

16、量不同，与细胞膜上的载体有关,渗透作用（自由扩散）,主动运输,呼吸作用（ATP）,细胞膜上的载体,蒸腾作用细胞内、外溶液的浓度差,不需要,矿质元素一定要溶解于水中，才能被根部吸收,矿质元素被根细胞吸收后，又会影响细胞内、外溶液的浓度，从而影响根对水分的渗透吸收,矿质元素随水分的运输而运输的,相对独立,矿质元素的存在形式,呈离子状态 如：K、Na,形成不稳定化合物 如：N、P、Mg,形成稳定化合物 如：Fe、Ca,可再度利用,不再度利用,（）部位先缺乏,（）部位先缺乏,老叶,新叶,1、不同的植物对各种必需的矿质元素的需要不同。,2、同一种植物在不同的生长发育时期，对K、P等各种必需的矿质元素的需

17、要量也不同。,小麦不同生长发育时期对P的需要量,小麦不同生长发育时期对K的需要量,合理施肥,根据植物的需肥规律，适时地、适量地施肥，以便使植物体茁壮生长，并且获得少肥高效的结果。,光合作用(photosynthesis),绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧气的过程。,光合作用（photosynthesis）,一、光合作用的探究历程,光合作用被称为“地球上最重要的化学反应”。人类对光合作用的科学研究至少已经进行了300多年,1642年，比利时科学家范赫尔蒙特揭开了光合作用研究的序幕,思考与讨论：1.赫尔蒙特的实验装置是“完全密封”的吗？2.实验设计

18、中忽略了什么？,赫尔蒙特指出：植物获得的物质只是来源于水。,1771年，英国科学家普里斯特利的实验,1,2,3,1、蜡烛易熄灭、小白鼠易窒息而死。,2、蜡烛不容易熄灭。,3、小白鼠不易窒息而死。,普里斯特利指出：植物可以更新空气。,思考与讨论：普里斯特利的实验是出于怎样的假设？他的实验有时成功，有时失败，可能是什么原因呢？,荷兰科学家英格豪斯的实验,1779年,英格豪斯经过500多次实验,证明了光照是这一实验成功的必要条件。直到1785年发现空气组成后,人们才明白植物在光下释放了氧气。,1845年，德国科学家梅耶根据能量转换和守恒定律指出，植物在光合作用时把光能转化成化学能储存起来。,光能转换

19、成化学能，贮存于什么物质中呢？,思考与讨论：1、实验前为什么要对天竺葵先进行暗处理？2、为什么让叶片一半曝光，另一半遮光？3、用碘液检验光合作用的何种产物？4、这个实验说明了什么？,1864年，德国科学家萨克斯的实验,实验步骤,黑暗处理,一半照光、一半遮光,酒精脱色,碘液显色,实验目的,叶片原有的淀粉消耗掉,自身对照,除去绿色色素的干扰,证明被检测叶片含淀粉,结论：植物在光下制造了淀粉。,（1）先选用黑暗并且没有空气的环境，是为了排除实验前环境中光线和氧的影响，确保实验的准确性。,（2）先选极细光束，用好氧性细菌检测，能准确判断水绵细胞中释放氧的部位；而后用完全爆光的水绵与之对照，从而证明了实

20、验结果完全是光照引起的，氧是叶绿体释放出来的。,（3）结论：叶绿体是进行光合作用的场所。,请利用所学知识和实验方法，设计实验证明植物光合作用需要：,1、水,2、二氧化碳,自主探究:,证明光合作用需要水,思考与讨论：实验中为什么要切断叶脉？,思考与讨论：1、此实验设计的目的是什么？2、这个实验说明了什么？,光合作用场所：,光合作用条件：,光合作用原料：,光合作用产物：,叶绿体,光,二氧化碳、水,有机物、氧气（储存能量）,小结：,据此，你能用一个反应式来表达光合作用的过程吗？,O2来自CO2，还是H2O,？,进一步探究：,1839年，美国科学家鲁宾和卡门实验,实验结果预测：,当实验中标记的是H21

21、8O时，,收集到的O2放射性有无，可能有几种情况?相应的结论是什么?,(1)全部具有放射性(2)全部没有放射性(3)一部分有放射性,一部分没有 放射性,同位素标记法 放射性同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。用放射性同位素标记的化合物，化学性质不会改变。科学家通过追踪放射性同位素标记的化合物，可以弄清化学反应的详细过程。这种方法叫做同位素标记法。,进入20世纪40年代，科学家开始用放射性同位素14C研究光合作用中有机物的合成过程。美国科学家卡尔文等用小球藻做实验：用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪其放射性，最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途

22、径称为卡尔文循环。,M.Calvin,300多年的时间和6次诺贝尔奖,记载了人类走过的光合作用研究之路，一代又一代科学家的不懈探索，人类一步步揭开光合作用的秘密。光合作用还有许多有待研究的问题，需要我们为之努力，继续探究,或许不久的将来，未知的领域就在你的手中突破。,光合作用的过程,光反应：必须有光才能进行，由光合色素将光能转变成化学能并形成 ATP和NADPH，放出O2的过程。该反应在叶绿体基粒类囊体膜上进行。,暗反应：有光无光都可进行，是利用ATP和NADPH的化学能使CO2还原成糖类等有机物的过程。该反应在叶绿体基质中进行。,请据图简述光合作用的过程及光反应和暗反应的联系。,需色素、光、

23、酶,需多种酶催化,类囊体的薄膜上,叶绿体的基质中,光能ATP中活 跃化学能,ATP中活跃化学能有机物中稳定化学能,比较光反应和暗反应,光合作用的过程中，光反应和暗反应既有区别又紧密联系，是一个不可分割的整体。,农业生产上许多增加农作物产量的措施，是为了提高光合作用的强度。如控制光照的强弱和温度的高低，适当增加作物环境中的二氧化碳浓度，等等。,光合作用原理的应用,植物激素的生理作用,生长素的生理作用,（1）既能促进生长，也能抑制生长；（2）既能促进发芽，也能抑制发芽；（3）既能防止落花落果，也能疏花疏果。,表现出两重性,对生长素的敏感度：,敏感度：双子叶植物单子叶植物,植物根的向地性和茎的背地性

24、,根部：生长素浓度：C D,茎部：生长素浓度：A B生长速度：A B,不同器官对生长素浓度敏感度不同,植物各部弯曲生长与生长素浓度有关,四类植物激素的比较,促进细胞伸长；解除种子休眠，促进萌发,促进细胞分裂,抑制细胞分裂，促进叶、果实的衰老和脱落,促进果实成熟,图示水稻的根对生长素的反应根据图中反映的生长素对水稻的根生长的作用，设计实验，并预测实验结果，以分别验证低浓度的生长素可以促进水稻根的生长、高浓度的生长素可抑制水稻根的生长。,(1)实验材料和用具：水稻幼苗若干，大小相同的装有等量完全培养液的玻璃瓶若干，不同浓度的生长素溶液，蒸馏水，量尺等。,第一步：取五株长势相同的水稻幼苗，分别栽培在盛有相同营养液的A、B、C、D、E五只相同的培养皿中；第二步：A、B、C、D、E皿中分别添加等体积的浓度为10-12mol/L、10-10mol/L、10-8mol/L、10-6mol/L的生长素，E瓶中加入等量的水；第三步：将五株水稻幼苗在相同的外界条件下培养.第四步：一段时间测量五株幼苗根的长度分别为MA、MB、MC、MD、ME,实验结果及结论：MBMAMEMCMD，这表明低浓度的生长素促进水稻根的生长,高浓度的生长素抑制水稻根的生长。,