植物生理学经典课件03植物的矿质营养

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1、3 植物的矿质营养黑龙江大学农业资源与环境学院有 收 无 收 在 于 水 ， 多 收 少 收 在 于 肥本章内容研究植物矿质营养的方法1植物必需的矿质元素及其生理作用 *2植物细胞对矿质元素的吸收 *3根系对矿质元素的吸收 *4叶片营养5矿物质在植物体内的运输与分配 *6合理施肥的生理基础与意义 *7植物营养的研究历史u1627年，荷兰人凡海尔蒙做柳枝试验，第一个用实验方 法探索植物营养来源。u1650年，格劳勃(Glauber)发现向土壤中加入硝酸盐能 使植物产量增加，认为水和硝酸盐是植物生长的基础。u1699年，英国的伍德沃德(Woodward)用雨水、河水 、山泉水、自来水和花园土的水浸

2、提液培养薄荷，发现植 株在河水中生长比在雨水中好，而在土壤浸提液中生长最 好。据此他得出结论：构成植物体的不仅是水，还有土壤 中的一些特殊物质。u1804年，瑞士的索苏尔报告：若将种子种在蒸馏水中，长 出来的植物不久即死亡，它的灰分含量也没有增加；若将 植物的灰分和硝酸盐加入蒸馏水中，植物便可正常生长， 这证明了灰分元素对植物生长的必需性。u布森格(JBoussingault)进一步在石英砂和木炭中加入无机化学药品培养植物，并对植物周围的气体作定量分析，证明碳、氢、氧是从空气和水中得来，而矿质元素是从土壤中得来。u1840年，德国的李比希(J. Liebig)建立了矿质营养学说，并确立了土壤供

3、给植物无机营养的观点。u1860年，诺普(Knop)和萨克斯(Sachs)用已知成分的无机盐溶液培养植物获得成功，自此探明了植物营养的根本性质，即自养型(无机营养型)。3.1 研究植物矿质营养的方法v3.1.1 灰分分析v 灰分分析(ash analysis)即采用物理和 化学手段对植物材料中干物质燃烧后的灰分进 行分析的方法。v N不存在于灰分中，由于N和灰分元素都 是从土壤中吸收的，通常将N归于矿质元素一 起讨论植物材料105 水分 干物质 590%燃烧有机氧化物 灰分：70多种矿质元素 元素占干重%元素占干重% 元素占干重%元素占干重% 氧70钛钛110-4铬铬510-4砷310-5氢1

4、0磷710-2钒钒110-4铯铯n10-5碳18氮310-1铷铷510-4钼钼210-5硅1.510-1锰锰110-1锆锆10-4硒n10-7铝210-2硫510-2镍镍510-5镉镉110-4钠210-2氟110-5铜铜210-4碘110-5铁210-2氯氯n10-2锌锌310-4汞n10-7钙310-2锂锂110-5钴钴210-2镭镭n10-14镁710-2钡钡n10-4硼110-4钾310-1锶锶n10-4铅铅n10-4植物体中化学元素含量v 植物体内矿质元素的含量会因植物种类、器官或部位、生存环 境不同而有很大差异。v 老龄植株和细胞中的含灰量比幼龄植株和细胞的高；v 干燥、通气或盐分

5、含量高的环境中生长的植物，其含灰量通 常较高；v 植物种类:v 禾本科植物中含 Si 较多；v 十字花科和伞形科植物富含 S；v 豆科植物富含 Ca 和 S；v 马铃薯块茎富含 K；v 海藻中含有大量的 I；v 盐生植物往往含有较多的 Na 等。v3.1.2 溶液培养法v 溶液培养法(solution culture method)/水培法 (water culture method或hydroponics)即在含有矿质 元素的营养液中培养植物的方法。v 目前使用最为广泛的营养液配方是由美国科学家D. R. Hoagland等设计的Hoagland(大量元素)和Arnon溶液(微量元素)。v溶

6、液培养的类型:v (1) 纯溶液培养(pure solution culture)，即将植物直 接栽植在营养液中，此营养液中无其他介质(medium)。v (2) 砂基培养法(sand culture method)，简称砂培法 ，即将洗净的石英砂(acid-wshed quartz sand)、珍珠岩 (perlite)或蛭石(vermiculite)作为支持物或介质加入营养 液中来栽培植物的方法。v (3) 气培法(aeroponics)，是将植物根系置于营养液 气雾中栽培植物的方法。v (4) 营养膜(nutrient film)法，将植物固定在一个盛 装流动营养液的膜槽内培养的方法。v

7、溶液培养中的注意事项：v (1) 通气；v (2) 及时更换或补充营养液；v (3) 注意消毒，以免微生物污染；v (4) 研究植物的必需矿质时，必须保证所用的试剂、容器、介质、水等十分纯 净v 轻微的污染都会导致错误的结果。无土栽培的优点和发展前景(1) 不受环境条件限制(2) 提高土地使用效率(3) 高产、优质(4) “绿色”无污染(5) 节约水肥(6) 工厂化生产3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用v3.2.1 植物必需元素的标准和分类v 必需元素(essential element)是指植物生长发育 必不可少的元素。 v植物必需元素的三个标准(Arnon & Stout，1939)：

8、v (1) 若缺乏该元素，植物生长发育受到限制而不 能完成其生活史；v (2) 缺少该元素，植物会表现出专一的缺素症， 提供该元素可预防或消除此病症；v (3) 该元素在植物营养生理中的作用是直接的， 而不是因土壤、培养液或介质的物理、化学或微生物 条件所引起的间接的结果。v植物的必需元素v 大量元素( 0.1% DW)：v C、O、H、N、P、K、Ca、Mg、 S(9种)；v 微量元素( 0.01% DW)：v Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl、 Ni(8种)。3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用v3.2.2 植物必需矿质元素的生理作用v (1)

9、 是细胞结构物质的组成成分；v (2) 作为酶、辅酶的成分或激活剂等，参与调节酶的活动；v (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；v (4) 细胞信号转导信使。3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用v3.2.2 植物必需元素的生理作用及缺素症v1. 氮v 吸收方式：NH4+或NO3- ；尿素、氨基酸。v 生理作用：构成蛋白质的主要成分，核酸、叶绿 素、某些植物激素、维生素等也含有氮。在植物生命 活动中占有首要的地位，被称为生命元素。v 氮肥过多时，营养体徒长，抗性下降，易倒伏， 成熟期延迟。然而对叶菜类作物多施一些氮肥，还是 有好处的。v 植株缺氮时，植物生长矮小,分枝

10、、分蘖少,叶片小 而薄；叶片发黄发生早衰,且由下部叶片开始逐渐向上小麦 缺氮苹果 缺氮马铃薯 缺氮菜豆 缺氮v2. 磷v 生理作用： 磷脂和核酸的组分，参与生物膜、 细胞质和细胞核的构成。所以磷是细胞质和细胞核的 组成成分； 核苷酸的组成成分。核苷酸的衍生物(如 ATP、FMN、NAD+、NADP+和CoA等)在新陈代 谢中占有极其重要的地位； 糖类代谢、蛋白质代谢 和脂肪代谢中起着重要作用。v 缺磷时，分蘖分枝减少,幼芽、幼叶生长停滞,茎、 根纤细,植株矮小；叶子呈现不正常的暗绿色或紫红色 。症状首先在下部老叶出现,并逐渐向上发展。v 磷过多，影响硅的吸收，易产生缺 Zn 症。白菜 缺磷油菜

11、 缺磷玉米 缺磷大麦 缺磷v3. 钾v 生理作用： 很多酶的活化剂，是40多种酶的辅助因子； 调节水分代谢。K+在细胞中是构成渗透势的重要成分。调节气孔开闭、蒸腾； 促进能量代谢。作为H+的对应离子，向膜内外转移，参与光合磷酸化、氧化磷酸化。v 钾不足时，叶片出现缺绿斑点，逐渐坏死，叶缘枯焦，易倒伏，抗逆性差3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用番茄番茄 苹果苹果 甜菜甜菜 燕麦燕麦 3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用v4. 钙v 生理作用： 构成细胞壁； 钙与可溶性的蛋白质形成钙调素(calmodulin，简称CaM)。CaM和Ca2+结合，形成有活

12、性的Ca2+CaM复合体，起“第二信使”的作用。 v 缺钙典型症状：顶芽、幼叶呈淡绿色，叶尖出现钩状，随后坏死。缺素症状首先表现在上部幼茎、幼叶和果实等器官上。蕃茄缺钙白菜缺钙3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用v5. 镁v 生理作用： 叶绿素的组成成分之一。缺乏 镁，叶绿素即不能合成，叶脉仍绿而叶脉之间变黄 ； 许多酶的活化剂。 油菜缺Mg，脉间失绿小麦缺镁，串珠（条）状脉3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用v6. 硫v 生理作用： 含硫氨基酸和磷脂的组分，蛋 白质、生物膜；硫也是CoA、Fd的成分之一。v 硫不足时，蛋白质含量显著减少，叶色黄绿， 植株矮小。3.2 植物必需的矿质元素及

13、其生理作用v 铁： 叶绿素合成所必需； Fd的组分。因此 ，参与光合作用。缺铁时，由幼叶脉间失绿黄化，但 叶脉仍为绿色；严重时整个新叶变为黄白色。v 硼： 促进糖分在植物体内的运输。促进花 粉萌发和花粉管生长。缺硼时, 甘蓝型油菜“花而不实 ”,甜菜“心腐病” v 锰：光合作用中，水的裂解需要锰参与。缺锰时 ，叶绿体结构会破坏、解体。叶片脉间失绿，有坏死 斑点。v 锌：色氨酸合成酶的组分，催化吲哚与丝氨酸成 色氨酸。玉米“花白叶病”，果树“小叶病”。3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用v 铜： 参与氧化还原过程。 光合电子传递链中 的电子传递体质体蓝素的组分。缺铜时中叶片黑绿， 并有坏死点，

14、叶片卷皱畸形。禾谷类“白瘟病”，果树“ 顶枯病”v 钼：钼的生理功能突出表现在氮代谢方面。钼是 硝酸还原酶和固氮酶的成分。v 氯：氯在光合作用水裂解过程中起着活化剂的作 用，促进氧的释放。v 镍：镍是近年来发现的植物生长所必需的微量元 素。镍是脲酶的金属成分，脲酶的作用是催化尿素水 解。缺铁缺硼3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用缺锰小麦 缺铜3.2 植物必需的矿质元素及其生理作用植物的有益元素和有害元素植物的有益元素和有害元素vv有些元素不是植物的必需元素，但对植物的生长发育有积极影响有些元素不是植物的必需元素，但对植物的生长发育有积极影响vv钠、硅、钴、硒、钒钠、硅、钴、硒、钒v钠：通常

15、植物体中钠平均含量是干物重的0.1左右，是含钾量的 1/10。植物对钠的反应不同，可分为喜钠植物和厌钠植物两类。v典型的喜钠植物有甜菜、滨藜等，其体内的含钠量显著高于钾, 在高盐浓度下生长茂盛。v Na的主要作用是调节植物渗透压,在高盐条件下，钠可以优先在 液泡中积累，增加液泡中的溶质势，产生膨压而促进细胞的伸长 。此时，植物叶片面积、厚度、单位叶面积储水量和肉质性都有 所增加，呈现出多汁性。某些植物在供钾不足时，钠可有限度地 替代钾的功能，如糖用甜菜，食用甜菜、萝卜、芜菁等。(1)吸收形式：H4SiO4(2)生理作用：包括生物胁迫和非生物胁迫，如耐 低温、耐盐性、耐高温、抗旱性、 抗病虫以及减缓重金属毒害，增强 抗紫外辐射伤害等多种功能 硅对 禾谷类作物特别有用Silicon (Si)植物体的含硅量通常以植物干重中SiO2的百分 率计算，水稻含硅量高达5-20，燕麦、小麦 、大麦禾本科作物含硅2-4，豆科植物和其它 双子叶植物的含硅谷量则通常不足%。高等植物主要吸收分子态的单硅酸 (Si(OH)4