设施作物的生理生态.ppt
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1、第二章 设施作物的生理生态,讲授:齐 辉,第一节 光合与呼吸生理,1.光合作用与呼吸作用,光合作用是绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水合成储存能量的有机物(葡萄糖)并且释放出氧气的过程。,叶绿体中的色素,叶绿素,类胡萝卜素,叶绿素a,叶绿素b,胡萝卜素,叶黄素,吸收红光和蓝紫光,吸收蓝紫光,功能为吸收和传递光能,保护叶绿素。,6CO2+12H2O*C6H12O6+6H2O+6O2*,总反应式:,叶绿体,光,包括两个阶段:,光反应,2H20,4H+O2,叶绿体,光,ADP+Pi+能量,叶绿体,ATP,暗反应:,C5+CO2,固定,酶,2C3,C6H12O6,H,ATP,能量,呼吸作用是
2、植物体吸收氧气,将有机物转化成二氧化碳和水并释放能量的过程。为植物的各种生命活动提供能量(呼吸作用是生命的需求)。,1千卡(KCAL)=4.182千焦耳(KJ),长时间的无氧呼吸为什么会使植物受到伤害?,1、无氧呼吸产生酒精,酒精使细胞质的蛋白质变性;2、无氧呼吸利用葡萄糖产生的能量很少,植物要维持正常的生理需要就要消耗更多的有机物;3、没有丙酮酸氧化过程,缺乏新物质合成的原料。,2.二氧化碳交换速率,即为单位叶面积上的二氧化碳通量密度。,外界净CO2交换速率就是光合作用消耗的二氧化碳减去呼吸作用产生的二氧化碳,若值为正则说明光合作用强度大于呼吸作用强度,反之则小。,3.光强,单位时间内照射到
3、单位面积上的光的能量.,光学系统,用光照度(lux)来度量。能量学系统,用某一特征波长范围内即光合有效波段内的辐射通量密度(W.m-2)来度量;量子学系统,用光量子通量密度(umol.m-2.s-1)来度量,图26 光强-光合曲线图解 A.比例阶段;B.比例向饱和过渡阶段;C.饱和阶段,在低光强区,光合速率随光强的增强而呈比例地增加(比例阶段,直线A);当超过一定光强,光合速率增加就会转慢(曲线B);当达到某一光强时,光合速率就不再增加,而呈现光饱和现象。以后的阶段称饱和阶段(直线C)。比例阶段中主要是光强制约着光合速率,而饱和阶段中CO2扩散和固定速率是主要限制因素。,不同植物的光强-光合曲
4、线不同,光补偿点和光饱和点也有很大的差异。光补偿点高的植物一般光饱和点也高,草本植物的光补偿点与光饱和点通常要高于木本植物;阳生植物的光补偿点与光饱和点要高于阴生植物;,不同植物的光强光合曲线,C4植物的CO2饱和点比C3植物低,在大气CO2浓度下就能达到饱和;而C3植物CO2饱和点不明显,光合速率在较高CO2浓度下还会随浓度上升而提高。C4植物CO2饱和点低的原因,可能与C4植物的气孔对CO2浓度敏感有关,即CO2浓度超过空气水平后,C4植物气孔开度就变小。另外,C4植物PEPC的Km低,对CO2亲和力高,有浓缩CO2机制,这些也是C4植物CO2饱和点低的原因。,C3植物与C4植物CO2光合
5、曲线 可以看出:C4植物的CO2补偿点低,在低CO2浓度下光合速率的增加比C3快,CO2的利用率高;,a、b、c三点的含义是什么?线段ab、bc中光合作用和呼吸作用的关系怎样,4.光-二氧化碳交换速率曲线,图中A点含义:;B点含义:;C点表示:;若甲曲线代表阳生植物,则乙曲线代表 植物。,光照强度为0,只进行呼吸作用,光补偿点,即光合作用与呼吸作用强度相等,光饱和点,光合作用强度不再随光照强度增强而增强,阴生,bc反应光合作用哪一阶段的活性?c之前是什么主要因素影响光合作用?c之后反应光合作用哪一阶段的活性?此时影响光合作用主要因素有哪些?,若上图表示是阳生植物,对阴生植物来说a、b、c三点向
6、哪里移动?为什么?若当植物缺乏Mg2+时图中曲线a、b、c三点的位置移动?CO2浓度上升,a、b、c三点的位置移动?温度上升,a、b、c三点的位置移动?,为什么增加光照强度二氧化碳补偿点左移动?首先二氧化碳补偿点指的是光合作用和呼吸作用相等时的二氧化碳浓度。当光照强度增强时,光合作用随之增强,但是呼吸作用不变,所以说这时样达到二者的相等,需要的二氧化碳浓度就比原来低一点。表现在坐标中就左移,叶绿素是含Mg2+的络合物,其中Mg2+是叶绿素的核心离子。缺少Mg2+不能合成叶绿素。而叶绿素是绿色植物体内最重要的光合色素,缺少叶绿素不能进行光合作用。,植物进行光合作用时,如果缺少了镁元素,为什么该植
7、物的光补偿点向右移,而二氧化碳的吸收量也下降?,温度不变,CO2改变,光饱和点,光补偿点怎么动?,首先二氧化碳浓度增加,温度不变也就是说,植物可利用的二氧化碳含量上升了,和低浓度的情况相比计较,光饱和点就更加高了。因为同样的光照之下,低浓度的二氧化碳中,植物可以利用的二氧化塔有限,再增加光照也没有用,应为没有光合作用的原料啊。二氧化碳多了后,光照在增长,植物还可以利用更多的原料光合作用光补偿点降低了。同等温度之下,高浓度的二氧化碳,使得植物有更多的原料进行光合作用,当然在较低的光照下也能实现收支平很,所以补偿点降低(光和作用加强 光补偿点左移),温度是决定光合作用暗反应的因素之一,温度升高时,
8、暗反应产生的三碳化合物增多,需要的光反应中由水的光解产生的还原性氢多,所以光饱和点升高。,升高温度(超过最适温度)光饱和点如何变化,总的来说光饱和点的变化和补偿点变化方向在条件相同时相反.比如说在一般情况下,增加光照,对植物生长有利,那么植物的生长吸收范围 扩大,既光饱和点和光补偿点囊括的X轴范围变大,使得光补偿点向左移动,光 饱和点向右移动.,为什么温度越高光饱和点越高 温度是决定光合作用暗反应的因素之一,温度升高时,暗反应产生的三碳化合物增多,需要的光反应中由水的光解产生的还原性氢多,所以光饱和点升高。,5.二氧化碳浓度,相关曲线和应用,病原菌的侵染 植物组织感病后呼吸增加,原因可能有:宿
9、主受体细胞的线粒体增多并被激活,氧化酶活性增强,分解毒素,抑制病原菌水解酶活性,促进伤口愈合。,6.温度,温度对光合作用的影响较为复杂。由于光合作用包括光反应和暗反应两个部分,光反应主要涉及光物理和光化学反应过程,尤其是与光有直接关系的步骤,不包括酶促反应,因此光反应部分受温度的影响小,甚至不受温度影响;而暗反应是一系列酶促反应,明显地受温度变化影响和制约。,在一定温度范围内,例如,从光合作用的冷限温度到最适温度之间,光合作用速率表现为随温度的上升而提高,一般每上升10,光合速率可提高一倍左右。而在冷限温度以下和热限温度以上,对光合作用便会产生种种不利影响。因此,温度对光合作用的不利影响包括低
10、温和高温,低温又可分为冷害和冻害两种。,冷害通常是指在112以下植物所遭受的危害。在冷害温度下,植物在光合速率明显下降,例如番茄叶片,经16小时1冷处理,在大气的二氧化碳水平下,其光合速率下降达67。C4植物的玉米,当温度从20降到5时,其光合速率降低幅度竟达90。冷害温度之所以使植物光合速率如此大幅度下降,是因为低温冷害首先引起部分气孔关闭,增加了气孔对二氧化碳流动的阻力,造成二氧化碳供应不足,这必须导致光合速率降低。冷害温度还直接影响到叶绿体结构,使叶绿体内的较小基粒垛数目增加,类囊体膜的生物组装受到抑制,膜结构受损,结果使叶绿体的活性降低,表现出光系统、光系统I和全链电子传递速率下降,叶
11、绿体中负责把激发能从捕光色素蛋白复合体向反应中心传递的叶绿素活性受钝化,能量传递受阻,反应中心得不到充足的能量供应,这些都对植物正常的光合作用造成不良影响。,光合作用暗反应的各个步骤均是在有关酶的参与下完成的,而低温能降低酶的活性和限制酶促反应。有些酶如C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶和丙酮酸酸激酶在低温下不稳定,同时它们的活化所需的能量分别在低于10.8和11.7的温度下明显增加,其结果均不利于对二氧化碳的固定和还原。,在冷害温度下,植物体对光合作用形成的碳水化合物的运输速度也会降低。光合产物不能及时外运,在叶肉细胞或叶绿体中积累,会反过来抑制光合作用。此外,C4植物中,二氧化碳的
12、固定和还原需要叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿体共同协作才能完成,而低温可影响这两种细胞叶绿体之间光合中间产物的转运,最终都会使光合速率降低。,此外,在低温下,植物需要更多的能量以抵御寒冷,而这些能量来自呼吸作用,因此低温会加剧呼吸作用,增加干物质的消耗。低温还会延续根系的生长和抑制水分的吸收,造成叶子水分亏缺和气孔关闭,这些都会影响光合作用,使光合作用的速率降低。,冻害是指温度在零度以下,引起植物细胞结冰而使植物受害。在这种温度下,除少数抗寒植物如松、柏等能在严冬中依然翠夺目,傲然挺立,继续从事光合作用外,绝大多数植物因早已达到、甚至低于它们光合作用的冷限温度,叶片脱落,即便尚未脱落,实际上光合
13、作用已经停止,无法合产物的积累。这种低温如果持续时间长,能引起细胞甚至植物死亡,自然谈不上光合作用了。,当温高于光合作用的最适温度时,光合速率明显地表现出随温度年升而下降,这是由于高温引起催化暗反应的有关酶钝化、变性甚至遭到破坏,同时高温还会导致叶绿体结构发生变化和受损;高温加剧植物的呼吸作用,而且使二氧化碳溶解度的下降超过氧溶解度的下降,结果利于光呼吸而不利于光合作用;在高温下,叶子的蒸腾速率增高,叶子失水严重,造成气孔关闭,使二氧化碳供应不足,这些因素的共同作用,必然导致光合速率急剧下降。当温度上升到热限温度,净光合速率便降为零,如果温度继续上升,叶片会因严重失水而萎蔫,甚至干枯死亡。,温
14、度对光合作用的哪个阶段影响较大,为什么?,呼吸作用受温度影响强与光合作用 为什么说昼夜温差大可以增加瓜果含糖量?,适当升高温度,对呼吸作用和光合作用都促进的情况下,饱和点如何移动?,为什么不适宜太早晨运?,暗反应阶段。暗反应过程应用的酶较多。,白天温度高一些,让光合作用强一些,然后积累的有机物可以多一些 晚上无法进行光合作用。温度低一些,让呼吸作用弱一些。消耗的有机物可以少一些。这样不就差出来了。,水平位置上向右平移,水分亏缺会使光合速率下降。在水分轻度亏缺时,供水后尚能使光合能力恢复,倘若水分亏缺严重,供水后叶片水势虽可恢复至原来水平,但光合速率却难以恢复至原有程度(图33)。因而在水稻烤田
15、,棉花、花生蹲苗时,要控制烤田或蹲苗程度,不能过头。,图33 向日葵在严重水分亏缺时以及在复水过程中 叶水势、光合速率、气孔阻力、蒸腾速度的变化,水分对光合作用的影响有直接的也有间接的原因。直接的原因是水为光合作用的原料。但是用于光合作用的水不到蒸腾失水的1%,因此缺水影响光合作用主要是间接的原因,7.空气湿度和土壤水分,水分亏缺降低光合的主要原因有:,(1)气孔导度下降(2)光合产物输出变慢(3)光合机构受损(4)光合面积扩展受抑水分过多,当水分亏缺时,叶片中脱落酸量增加,从而引起气孔关闭,导度下降,进入叶片的CO2减少。,水分亏缺降低光合的主要原因有:,(1)气孔导度下降(2)光合产物输出
16、变慢(3)光合机构受损(4)光合面积扩展受抑水分过多,水分亏缺会使光合产物输出变慢,加之缺水时叶片中淀粉水解加强,糖类积累,结果引起光合速率下降。,水分亏缺降低光合的主要原因有:,(1)气孔导度下降(2)光合产物输出变慢(3)光合机构受损(4)光合面积扩展受抑水分过多,缺水时叶绿体的电子传递速率降低且与光合磷酸化解偶联,影响同化力形成。严重缺水还会使叶绿体变形,片层结构破坏,这些不仅使光合速率下降,而且使光合能力不能恢复。,水分亏缺降低光合的主要原因有:,(1)气孔导度下降(2)光合产物输出变慢(3)光合机构受损(4)光合面积扩展受抑水分过多,在缺水条件下,生长受抑,叶面积扩展受到限制。有的叶
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