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1、植物生物学植物生物学 Plant BiologyPlant Biology第三章 植物的生长发育n植物体为了维持生命，必须依赖环境供给的物质、能量和信息，并通过复杂的代谢过程来完成生长发育。一、细胞的新陈代谢 （一）概念n生物体内进行的全部的物质和能量的变化总称 为新陈代谢n同化作用：生物从外界摄入营养物质合成为生 物自身的物质并贮存能量的过程n异化作用：生物体不断地将自身的某些物质分 解，释放能量，并将最终代谢产物排出的过程第一节第一节 植物的物质代谢植物的物质代谢（二）细胞与外界环境的物质交换1、植物细胞对水分的吸收 渗透作用：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。 半透
2、膜：只能让溶剂分子透过而不能让溶 质分子透过的膜。 纯水的水势最高。（1）细胞的渗透吸水n植物细胞内溶液具有一定的水势，因此细胞与 邻近细胞或环境溶液可共同组成一个渗透系统n在这个渗透系统中，水分会自发地从高水势处 透过半透膜流向低水势处，即植物细胞的渗透 吸水n液泡形成以后，细胞主要靠渗透性吸水n质壁分离：植物细胞由于液泡失水而使原生质 体和细胞壁分离的现象n质壁分离复原：发生了质壁分离的细胞浸在稀 溶液或纯水中，液泡内的水分逐渐增加，原生 质体又恢复到原来状态的现象（2）细胞的吸涨吸水n吸涨作用：亲水胶体吸水膨胀的现象n细胞物质如纤维素、果胶质、组成原生质的 蛋白质等都是亲水胶体n细胞在形
3、成液泡之前的吸水主要靠吸涨作用n种子化学成分不同，吸涨吸水的能力亦不同2、植物细胞对矿质元素的吸收植物细胞吸收矿质元素的方式主要有2种：n被动吸收：物质顺着浓度梯度、不需要细 胞提供能量的吸收过程。n主动吸收：物质靠细胞代谢提供的能量， 逆着浓度梯度进入细胞的吸收过程。二、植物的水分代谢二、植物的水分代谢H2O 与植物的生命活动息息相关： 水是重要代谢过程的反应物和产物 水是植物物质吸收和运输及生化反应的良好 溶剂 调节植物体周围的温、湿度，维持植物体温 稳定（一）植物根系对水分的吸收n根系是吸收水分的主要器官。根系吸水的部位主要是根尖，其中根毛区吸水能力最强。n水分还可以通过皮孔、裂口或伤口
4、等进入植物体。n吸收方式：被动吸水，主动吸水。1.被动吸水n蒸腾作用：植物体通过气孔向外蒸发水分的作用n由于蒸腾作用使水分沿导管上升、使根吸水的力 量叫蒸腾拉力，它是吸水的动因。（实际是由于 蒸腾作用引起叶细胞水分亏缺，水势下降，相邻 细胞造成了水势差。）n由于植物茎、叶的蒸腾作用而引起根部吸水的现 象，称作被动吸水，是一种被动的物理过程。n正在进行蒸腾作用的植物可以通过被麻醉的甚至 于死亡的根部吸收水分。蒸腾作用的指标1. 蒸腾强度：又叫蒸腾速度、蒸腾率，即一 定时间内单位叶面积上蒸腾的水量。一般 用每小时每平方米蒸腾水量的克数来表示 。 2. 蒸腾效率：亦称蒸腾比率，指植物消耗每 千克水所
5、形成的干物质的克数。 3. 蒸腾系数：亦称需水量，指植物制造一克 干物质所需要水分的克数。蒸腾系数与蒸腾效率互为倒数关系。2.主动吸水n由根系代谢活动引起的根系从外界环境吸水的过程叫主动吸水。n温度以及影响根部呼吸的抑制剂都能影主动吸水。n现象：吐水、伤流和根压。A: 伤流液从茎部切口处流出；B: 用压力计测定根压伤流和根压示意图根系吸收水分是个复杂的过程。n它不仅取决于根系的结构，根系水 势的调节，茎叶的结构；n也取决于土壤的性质，土壤的水分 状况；n还取决于当时当地的各种气候条件 。因此植物吸收水分是受到土壤植物大气这样一个连续体系内的水势梯度的影响 和调节。3、影响根部吸水的外部条件 1
6、）土壤可用水分只要土壤溶液水势高于根系溶液水势 ，植物根系就能吸水。土壤溶液浓度提高，会降低土壤溶液 水势。因此在盐碱土中栽培植物，往往因根 系吸收水分困难而不能正常出苗和生长 。2）土壤温度：直接影响根系的生理活动， 对根系吸水影响很大。n土温低使根系吸水能力明显下降，原因 ：n粘度增加，扩散速率降低；n根系呼吸速率下降，主动吸水减弱；n根系生长缓慢，有碍吸水面积的扩大 。n 土温过高对根系吸水不利，原因：n 提高根的木质化程度，加速根的老化 ，n 根细胞中各种酶蛋白变性失活根系代 谢失调，对水分的吸收也不利。3）土壤通气状况n通气良好，代谢正常，吸水旺盛。n通气不良，若短期缺氧，细胞呼吸减
7、弱 ，影响主动吸水。若长时间缺氧，导致 植物进行无氧呼吸，产生和积累较多的 酒精，使根系中毒，以至吸水能力减弱 。n植物受涝而表现缺水症状，就是这个原 因。（二）植物的蒸腾作用n植物体内的水分以气态散失到大气中去的 过程，称为蒸腾作用，是适应陆地生存的 必然结果。 1、蒸腾作用的生理意义是植物吸收与转运水分的主要动力促进木质部汁液中物质的运输降低植物体的温度（夏季，绿化 地带的气温比非绿化地带的气温要低3-5 ）2、气孔蒸腾和气孔运动n水分通过叶表面的气孔蒸腾的现 象，称作气孔蒸腾。n气孔是植物表皮上一对特化的细 胞保卫细胞和由其围绕形成的 开口的总称，是植物进行体内外 气体交换的门户。n蒸腾
8、作用的主要出口，也是 光合作用吸收CO2、呼吸作用吸 收O2的主要入口 气孔运动及其机理气孔按照一定的规律开张和关闭，并且通 过保卫细胞来调节。保卫细胞体积小，含叶绿体，靠气孔腔的内壁厚，背气孔腔的外壁薄。双子叶植物的保卫细胞呈半月形，当保卫细胞吸水膨胀时，细胞体积增大。由于细胞壁薄厚不同而伸展程度不同，造成一对保卫细胞都向外弯曲，气孔张开，水分蒸发。否则相反。3、影响蒸腾作用的内外因子1）内部因子：细胞的充水程度、质膜的透性、 叶肉细胞壁的形状。 2）外部因子：n光。通常气孔在光下张开,暗中关闭。n水分。叶片含水量过高或过低，即使在光下 ，气孔也会关闭。n温度。随温度的上升气孔开度增大，30
9、-50 左右开度最大。n风。微风促进蒸腾，强风引起气孔关闭。n二氧化碳、化学物质 各种环境条件往往同时作用于植物体。（三）植物体内水分的运输1、水分运输的途径：土壤根毛皮层内皮层中柱鞘 根的导管茎的导管叶柄导管叶肉细胞叶细胞间隙气孔下腔气孔大气。经过质外体（导管等）运输速度一般345m/h，可进行长距离运输； 经过活细胞，以渗透方式进行运输，运输距离短，运输阻力大，一般只有10-3cm/h。进化使蕨类和裸子植物有了管胞、被子植物有了导管，植物体才可以高达几米甚至百米。2、水分沿导管上升的动力蒸腾拉力内聚力张力学说（Dixon）n向上的力：上：蒸腾拉力 下：根压 中：木质 部毛细管作用力 n向下
10、的力：重力作用n由下至上的水柱处于张力状态，但相同分子之间 有相互吸引的力量即内聚力。n水分子的内聚力大于张力，所以不会断裂。三、植物的矿质营养植物体内的元素：水分 植物 有机物干物质 无机物矿质元素植物对矿质元素的吸收、运输和同化通 称为矿质营养。 已知的110种元素中，约有70多种存在于 植物体内。（一）植物必需的矿质元素及其作用植物营养元素 供给的缺乏可 导致植物产生 一系列的症状 ，生长发育不 良甚至引起植 物的死亡。溶液培养法1、必需元素：维持植物体正常生长发育不可缺少的 元素1、不可缺失性：该元素对于植物的正常生长 发育是不可缺少的，若缺乏，植物则不能完成生活 史2、不可替代性：植
11、物对该元素的需要是专一 的,它不能被其他元素所替代3、直接的作用：该元素对于植物营养上的需 要是直接的效果，而不是由于它改善了土壤或培养 基的物理、化学性状与促进有益微生物的活动所产 生的间接作用判别标准：矿质元素13种： N P S Ca Mg KFe Mn B Zn Cu MoCl此外还有3种非矿质元素: C H O 部分植物必需：Na：蓝藻,盐生植物,C4植物Si：硅藻、水稻Co：豆科含量占植物干物质质量0.1%以上的9种元素 ，称作大量元素，其余为微量元素。 2、必需元素的生理作用及其缺素症1、细胞结构物质的组成成分：C H O N S P等是组成糖类、脂类和蛋白质等的元素 2、作为酶
12、、辅酶的成分或激活剂等，参与调节酶的活动3、起电化学作用，参与渗透调节、胶体的稳定和电荷的中和等生理作用（1）大量元素 1）氮 主要以NH4+和NO3-吸收，也吸收尿素和氨基 酸等小分子含氮有机物。占植物干重的1%3% 。 作用：1.构成蛋白质的主要成分（占1618%）2.核酸和构成生物膜的磷脂都含有氮3.是几种具有重要生理功能物质的成分 ：叶绿素、吲哚乙酸、细胞分裂素、维生素因此，氮是构成生命的物质基础，在植物生 命活动中占有首要地位，被称为生命元素植物缺氮时，蛋白 合成下降，细胞的 分裂和生长受限制 ，叶绿素含量降低 ，导致植株矮小瘦 弱，叶小色淡，其 老叶易变黄干枯。 （由于氮素在植物
13、体内可以移动并可 被再次利用，缺乏 氮素时幼叶可以向 老叶吸收氮素。） 氮素是施肥的三大 要素之一。2)磷磷通常以H2PO4-和HPO42- 的形式被植物 吸收，并直接参与其他有机物结合形成（ 磷脂、核酸、辅酶、核蛋白和ATP等）。植物缺磷时，蛋白合成受阻，植株生 长缓慢、矮小，分枝、分蘖减少，叶色暗 绿或紫红。磷可以被再利用。缺磷的症状首先表现 在老叶。磷缺乏的可能性仅次于氮3）硫硫以硫酸根（SO42-）的形式被植物吸收。含 硫氨基酸几乎是所有蛋白质的构成成分。植物缺硫时，蛋白质含量降低，叶绿素合 成受到影响，植株呈黄绿色，细胞分裂受阻， 植株较矮小。移动性不大，缺硫症首先在幼叶 出现。氮、
14、磷和硫3种元素的特点它们既都是植物生命物质基 础（蛋白质、核酸）的不可缺少 的构成元素，又是植物生命活动 中催化、调节系统的某些物质的 重要组成元素。目前还未发现其 他元素能与之相比。4）钾以K+形式被植物吸收，不参与有机物的 组成，作为酶的活化剂参与重要的代谢，并 能有效影响细胞溶质势和膨压。钾的再分配或再利用强度，同氮同居首 位。缺钾时，叶片呈褐色斑点，继之在叶缘 和叶尖发生焦枯坏死，叶片卷曲皱缩，茎杆 柔弱易倒伏，生长缓慢，抗寒旱性差。钾是土壤中第三位容易缺乏的元素，是 肥料的三要素之一。5）钙钙以Ca2+形式被植物吸收，是细胞壁胞 间层中果胶钙的成分，纺锤体的形成需要钙 ，钙还具有稳定
15、生物膜的作用。此外，有机 酸积累过多时对植物有害，Ca2+可与其结合 为不溶性钙盐(草酸钙、柠檬酸钙等)，起解 毒作用。钙不易转移。缺钙时，细胞壁形成受阻，生长受抑制，严 重时幼嫩器官（根尖、茎端）溃烂坏死6）镁n镁以（Mg2+）形式被植物吸收。在植物体 内一部分以离子状态存在，一部分是叶绿 素的成分。n植物缺镁时，叶绿素的形成受到阻碍，光 合作用受到影响。叶片失绿。n镁和钾、磷一样，多集中于植物幼嫩器官 和组织中。缺镁时，对幼嫩组织的发育和 种子的成熟影响很大。（2） 微 量 元 素含量少（一般植物中，微量元素总 量占植物干重的0.1%以下），作用大。植物必需的有 铁、锰、锌、铜、钼 、硼、
16、氯等6种。而 钴、钠、硅、碘 则 被认为是部分植物所必需。某些情况下，会出现缺少微量元素， 如石灰过多的土壤中缺锌，酸性土壤缺 硼，碱性土壤缺锰。小 结1.每一种元素在植物生命活动中， 均有其特殊的生理作用，其他元素不能 代替。2.缺少任何一种必需的矿质元素都 会引起相应的生理症状。对农业生产有 指导意义。3.掌握理论，科学调查实验，综合 考虑，对症下药。（二）植物对矿质元素的吸收1、根吸收矿质元素部位主要是根尖（根毛区） 。 2、根吸收矿质元素过程土壤中的离子以两 种形式存在，一种呈 离子状态存在于土壤 溶液中，另一种是吸 附于土壤颗粒的表面 。两种形式处于动态 平衡，都能被植物所 吸收。途径：1.通过表皮细胞的质膜，进入共质体，经过共 质体运转到中柱。n各个细胞通过胞间连
