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1、植物生理学PlantPhysiology 授课专业 生物科学授课教师 方元平swfyp 植物的水分生理 代谢 是维持生命各种活动 如生长 繁殖和运动 过程中化学变化 包括物质合成 转化和分解 的总称 植物代谢的特点 简单有机物 复杂有机物 为地球上最重要的自养生物 植物代谢的类别 性质分 物质代谢和能量代谢 方向分 同化 合成 异化 分解 二者是密切联系的对立统一 第一篇植物的物质生产和光能利用 第一章植物的水分生理 植物对水分的吸收 运输 利用和散失的过程 被称为植物的水分代谢 watermetabolism 第一章植物的水分生理 第一节植物对水分的需要 一 植物的含水量 与植物种类 器官和
2、组织本身的特性环境条件有关 高 90 低 6 水生植物陆生植物 第一章植物的水分生理 第一节植物对水分的需要 一 植物的含水量 二 植物体内水分存在的状态 原生质含蛋白质 是胶体系统 其疏水基 烷烃基 苯基 在内 亲水基 NH2 COOH OH等 暴露分子表面 亲水基 水和作用亲水性水分子水层 第一章植物的水分生理 第一节植物对水分的需要 一 植物的含水量 二 植物体内水分存在的状态 束缚水 boundwater 靠近蛋白质胶粒而被胶粒吸附不易自由移动的水 自由水 freewater 距离蛋白质胶粒远而容易自由移动的水 第一章植物的水分生理 第一节植物对水分的需要 一 植物的含水量 二 植物体
3、内水分存在的状态 水的存在状态与代谢强度 自由水 参与代谢 光合 呼吸 物质运输 自由水含量越大 代谢越旺盛 束缚水 不参与代谢 可降低代谢强度 增强植物抵抗不良外界环境的能力 第一章植物的水分生理 第一节植物对水分的需要 一 植物的含水量 二 植物体内水分存在的状态 水与原生质状态 溶胶态 sol 自由水多 胶体溶液状态 凝胶态 gel 自由水少 胶体近于固体状态 如休眠种子 第一章植物的水分生理 第一节植物对水分的需要 一 植物的含水量 二 植物体内水分存在的状态 三 水分在生命活动的作用 1 是原生质的组成部分 70 90 2 是代谢过程的反应物质 3 植物对物质吸收和运输的溶剂 4 保
4、持植物固有姿态 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 吸水三种方式 扩散 集流 滲透性吸水 前2种方式的组合 主要吸水方式 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 一 扩散是一种自发过程 是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 适合短距离运输 不适合长距离迁徙 二 集流是指液体中成群的原子或分子在压力梯度下共同移动 与浓度梯度无关 可以长距离迁徙 实施 通过膜上水孔蛋白完成 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 一 扩散 二 集流 三 滲透作用 是物质依水势梯度 浓度梯度和压力梯度之和 而移动 渗透是指溶剂分子通过半透膜而移动的现象
5、需作功 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 三 滲透作用 一 自由能和水势 物质总能量 束缚能 自由能 束缚能 不能转化用于作功 自由能 温度恒定条件下用于作功 化学势 一种物质每摩尔的自由能 可衡量物质反应和转移所需要的能量 衡量水分反应或转移能量的高低 可用水势表示 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 三 滲透作用 一 自由能和水势 偏摩尔体积 partialmolalvolume 在一定温度 压力和浓度下 1mol水中加入1mol某种溶液后 该1mol水所占的有效体积 不同于纯水的摩尔体积 Vw 18 m3 mol 单位是m3 mol 1 第一章植物的水分生理
6、 水势 的单位 化学势能量概念 单位为J mol 1N m mol 偏摩尔体积单位是m3 mol 1 故 单位为N m2或Pa 纯水的水势定为零 溶液中水的自由能低于纯水 所以溶液的水势为负值 如25 下 纯水为0MPa Hoaglend氏培养液为 0 05Mpa 海水为 2 69MPa 1mol蔗糖液为 2 70MPa 1molKCl液为 4 5MPa 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 三 滲透作用 一 自由能和水势 二 渗透作用 1 蚕豆皮半透膜实验 由渗透作用引起的水分运转 a 烧杯中的纯水和漏斗内液面相平 b 由于渗透作用使烧杯内水面降低而漏斗内液面升高 1 蚕豆皮半透
7、膜实验 纯水的化学势规定为零 水中的溶质会增加束缚能 降低水的自由能 所以溶液的化学势均小于零 为负值 水分的移动方向 水分由高水势区域流向低水势区域 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 2 渗透作用 osmosis 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 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 三 滲透作用 一 自由能和水势 二 渗透作用 三 植物细胞是一个滲透系统 细胞壁 透性膜 由纤维素分子组成 细胞膜 液泡膜 为半透膜 液泡内的细胞液含有许多溶解在水中的物质 具水势 一个具有液泡的植物细胞 与周围溶液构成一个渗透系统 验证 质壁分离现象和质壁分离复
8、原现象 植物细胞是一个渗透系统 质膜 液泡膜 细胞质 半透膜 2 渗透系统 1 植物细胞结构 质壁分离 plasmolysis 及质壁分离复原 deplasmolysis 质壁分离 植物细胞液泡失水 使原生质体和细胞壁分离的现象 质壁分离复原 是其逆过程 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 三 滲透作用 一 自由能和水势 二 渗透作用 三 植物细胞是一个滲透系统 四 细胞的水势决定细胞吸水的因素 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 三 滲透作用 四 细胞的水势 1 细胞水势的组成 w p g 水势 渗透势 衬质势 压力势 1 细胞水势的组成 渗透势 osmoticp
9、otential 亦称溶质势 solutepotential 是由于溶质颗粒的存在而降低的水势值 是负值 植物细胞渗透势因外界条件不同而异 温带植物为 1 2Mpa 旱生植物 10Mpa 压力势 pressurepotential P是指由于细胞壁压力的存在而引起的细胞水势增加的值 是正值 向外 细胞的原生质体吸水膨胀 对细胞壁产生一种作用力 膨压 引起细胞壁产生一种限制原生质体膨胀的反作用力 重力势 g是水分因为重力下移与相反力量相等时的力量 与水的高度 密度及重力加速度有关 水高1m 重力势是0 01MPa 1 细胞水势的组成 渗透势 osmoticpotential 亦称溶质势 solu
10、tepotential 是由于溶质颗粒的存在而降低的水势值 是负值 压力势 pressurepotential P是指由于细胞壁压力的存在而引起的细胞水势增加的值 是正值 向外 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 三 滲透作用 四 细胞的水势 1 细胞水势的组成 w p g 水分在细胞中水平移动重力势较小 可忽略 此时 w p 适合于有液泡的细胞和细胞群 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 三 滲透作用 四 细胞的水势 1 细胞水势的组成 2 细胞水势各组分与体积变化的关系 2 细胞水势各组分与体积变化的关系 1 图解在细胞初始质壁分离时 相对体积 1 0 压力势为
11、0 细胞水势等于渗透势 两者都呈最小值 约 2 0MPa 当细胞吸水时 体积增大 细胞液稀释 渗透势增大 使它负得少一点 压力势增大 水势也增大 当细胞吸水达到饱和时 相对体积 1 5 渗透势与压力势的绝对值相等 但符号相反 水势便为0 不吸水 2 细胞水势各组分与体积变化的关系 1 图解 2 压力势负值产生的原因当细胞剧烈蒸腾时 细胞表面蒸发失水多于原生质蒸发失水 所以原生质体不会脱离细胞壁 细胞壁便随着原生质体的收缩而收缩 压力势从正值变为负值 失水越多 压力势越负 第一章植物的水分生理 第二节植物细胞对水分的吸收 三 滲透作用 一 自由能和水势 二 渗透作用 三 植物细胞是一个滲透系统
12、四 细胞的水势 五 细胞间的水分移动 第一章植物的水分生理 五 细胞间的水分移动 从水势高的细胞自发地向水势低的细胞移动 第一章植物的水分生理 五 细胞间的水分移动 水势梯度 当有多个细胞连接在一起时 如果一端的细胞水势较高 另一端水势较低 顺次下降形成水势梯度 植物器官之间水分流动依据的规律 水分由水势高的流向水势低的 不同的细胞或组织的水势变化很大 细胞水势高低说明细胞水分充足与否 可作为作物灌溉是否适宜的指标 第一章植物的水分生理 第三节根系对水分的吸收 根系 植物吸水的主要器官 根尖 根吸水的主要部位 根毛区 吸水能力最大的区域 根毛区吸水能力最大的原因 1 有很多根毛 扩大了吸收面积
13、 2 根毛细胞壁外部由果胶物质组成 粘性强 亲水性也强 有利于与土壤颗粒粘着和吸水 3 根毛区的输导组织发达 对水分的移动阻力小 第一章植物的水分生理 第三节根系对水分的吸收 一 根系吸水的途径 1 质外体途径 指水分通过细胞壁 细胞间隙等没有原生质的部分移动 速度快 2 跨膜途径 指水分从一个细胞移动到另一个细胞 要两次经过质膜 此途径只跨过膜而不经过细胞质 所以称为跨膜途径 3 共质体途径 指水分从一个细胞的细胞质经过胞间连丝 移动到另一个细胞的细胞质 速度慢 途径2 3统称为细胞途径 三者共同作用 使根系吸水 共质体和质外体途径 注意 根内皮层上的凯氏带 使水分只能通过内皮层的原生质体
14、使内皮层具有障碍物的作用 植物细胞间胞间连丝 第一章植物的水分生理 第一章植物的水分生理 第三节根系对水分的吸收 一 根系吸水的途径 二 根系吸水的动力 被动吸收过程 蒸腾拉力主动吸水过程 根压 第一章植物的水分生理 第三节根系对水分的吸收 一 根系吸水的途径 二 根系吸水的动力 一 根压 植物根系的生理活动使液流从根部上升的压力 根系吸水过程 根压将水压向地上部 土壤的水分补充根部 为主动吸水 第一章植物的水分生理 根压证明 1 伤流现象 从受伤或折断的植物组织溢出液体的现象 流出的汁液称伤流液 第一章植物的水分生理 根压证明 1 伤流现象 从受伤或折断的植物组织溢出液体的现象 流出的汁液称
15、伤流液 2 吐水现象 没有受伤的叶片尖端或边缘向外溢出液滴的现象 称为吐水 第一章植物的水分生理 第三节根系对水分的吸收 一 根系吸水的途径 二 根系吸水的动力 一 根压 二 蒸腾拉力 第一章植物的水分生理 二 蒸腾拉力 叶片蒸腾时 气孔下腔附近的叶肉细胞因蒸腾失水而水势下降 所以从旁边细胞取得水分 同理 旁边细胞又从另一个细胞吸水 如此下去 便从导管要水 最后 根部就从环境吸收水分 这种吸水完全是蒸腾失水而产生的蒸腾拉力所引起 是由枝叶形成的力量传到根部而引起的被动吸水 通常蒸腾植物的吸水主要是由蒸腾拉力引起的 第一章植物的水分生理 第三节根系对水分的吸收 一 根系吸水的途径 二 根系吸水的
16、动力 三 影响根系吸水的环境因素 三 影响根系吸水的环境因素 1 土壤中的可利用水分 根部有吸水的能力 而土壤也有保水的能力 土壤中胶体能吸附一些水分 土壤颗粒表面也吸附一些水分 根部吸水能力 土壤保水能力 吸水根部吸水能力 土壤保水能力 不吸水 植物只能利用土壤中可用水分 三 影响根系吸水的环境因素 1 土壤中的可利用水分 暂时萎蔫 由于根系吸水速度小于叶面失水速度引起的萎蔫 由水分供求平衡失调引起 非土壤缺水之故 永久萎蔫 久旱无雨 土壤含水量极低 所导致的萎蔫 恢复供水仍不能恢复坚挺状态 三 影响根系吸水的环境因素 1 土壤中的可利用水分 2 土壤温度影响根系的生长和呼吸来影响吸水 低温能降低根系的吸水速率 土壤温度过高对根系吸水也不利 2 土壤温度 Soiltemperature 低温 水和原生质粘度增加 水扩散速率下降 不易通过原生质 呼吸作用减弱 影响主动吸水 根系生长缓慢 有碍吸水表面的增加 高温 根易木栓化 导水性下降 午不浇园 影响根系的生长和呼吸来影响吸水 三 影响根系吸水的环境因素 1 土壤中的可利用水分 2 土壤温度 3 土壤通气状况 时间较长 就形成无氧呼吸
