植物生理学ppt课件ch2 植物的物质生产与能量代谢.ppt
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1、,植物的物质生产 和能量代谢,第一篇,1.代谢:维持生命活动过程中化学变化的总称。 2.植物的代谢 性质上分:1)物质代谢 2)能量代谢 方向上分:1)同化作用: 2)异化作用: 物质代谢、能量代谢同化作用和异化作用的统一。,本篇内容包括三章:,第一章:植物的水分代谢 第二章:植物的矿质营养 第三章:植物的光合作用 水分和矿质部分介绍植物如何从土壤 中获得营养,而光合作用一章介绍植物的 空气营养。总体而言,本章介绍植物从环 境中摄取营养物质,利用光能进行物质的 初级合成和将光能转化为化学能的过程。,没有水就没有生命,第一章 植物的水分代谢,Chapter 1 Water Metabolism
2、of Plant,教学目的,通过本章的学习掌握植物对水分的吸收、水分在植物体内的运输和分配和排出过程,植物生产中如何合理用水。认识水分在植物生命活动中的意义。,主要内容,1 植物对水分的需要 2 植物细胞对水分的吸收 3 植物根系对水分的吸收 4 蒸腾作用 5 植物体内水分的运输 6 合理灌溉的生理基础,第一节 植物对水分的需要,水的重要,植物的水分代谢过程 1. 植物的含水量 1)不同植物的含水量有很大的不同 2)同一种植物生长在不同环境中,含水量也有差异。 3)在同一植物中,不同器官和不同组织的含水量的差异也甚大。,2. 植物体内水分存在的状态 1)束缚水(bound water) :细胞
3、质主要是由蛋白质组成的,细胞质是一个胶体系统(colloidal system)。 蛋白质分子的疏水基(如烷烃基、苯基等)在分子内部,而亲水基(如NH2,COOH,OH等)则在分子的表面。 这些亲水基对水有很大的亲和力。其表面吸附着很多水分子,形成一层很厚的水层。水分子距离胶粒越近,吸附力越强。 靠近胶粒而被胶粒吸附束缚不易自由流动的水分,称为束缚水。,2)自由水(free water):距离胶粒较远而可以自由流动的水分,称为自由水(free water)。 自由水参与各种代谢作用,自由水含量的百分比越大,植物的代谢活动越旺盛。 束缚水不参与代谢作用,但束缚水含量与植物的抗性密切相关。,3)细
4、胞亲水胶体由于自由水含量的不同而呈两种不同的状态: 溶胶状态:水含量较多,大多数情况下细胞质呈溶胶状态; 凝胶状态:含水量较少,休眠种子的细胞质呈凝胶状态。,3. 水分在生命活动中的作用,没有水就没有生命 水分是细胞质的主要成分 水分是代谢作用过程的反应物质 水分是植物对物质吸收和运输的溶剂 水分能保持植物地固有姿态,第二节 植物细胞对水分的吸收,植物细胞吸水主要有三种方式: 1)扩散 2)集流 3)渗透作用 在植物的生命过程中,后两种是吸水的主要方式。,1)扩散: 是自发过程,随机热运动造成的,由高浓度区域向低浓度区域的运动,顺浓度梯度进行。 适于短距离迁移。,2)集流:指液体中成群的原子或
5、分子在压力梯度下共同移动。 植物中集流的实施: 质膜内在蛋白 水孔蛋白: 液泡膜内在蛋白,3)渗透作用:物质依水势梯度的移动。 即浓度梯度与压力梯度的和。,(1)自由能和水势 根据热力学原理,系统中物质的总能量可分为束缚能(bound energy)和自由能(free energy)两部分。 束缚能是不能转化为用于做功的能量,而自由能是在温度恒定的条件下用于做功的能量。1mol物质的自由能就是该物质的化学势(chemical potential),可衡量物质反应或转移所用的能量。,衡量水分反应或转移能量的高低,可用水势表示。 水势(water potential) 指每偏摩尔体积水的化学势。也
6、就是,水溶液的化学势(w)与同温、同压、同一系统中的纯水的化学势(w0)之差(w),除以水的偏摩尔体积(Vw)所得的商,称为水势。 w-w0 w w = = Vw Vw,化学势是能量的概念,其单位为J/mol(J=Nm),而偏摩尔体积的单位为m3/mol,两者相除并化简,得N/m2,成为压力单位Pa,这样就把能量为单位的化学势化为压力为单位的水势。 水势水的化学势/水的偏摩尔体积 Nmmol1/m3mol1=Nm2=Pa 纯水的自由能最大,水势也最高。 纯水的水势定为零,水分移动需要能量,因此,水分一定是从高水势区域顺着能量梯度(energy gradient)流到低水势区域,也就是说,水分是
7、由水势高处流到水势低处。,2)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,就称为渗透作用(Osmosis),3) 植物细胞是一个渗透系统 质壁分离(plasmolysis),质壁分离复原(deplasmolysis),4) 细胞的水势 细胞的吸水情况决定于细胞的水势,典型细胞的水势由三部分组成: w = + p + g 细胞水势渗透势压力势重力势 渗透势(osmotic potential): 渗透势是由于溶质颗粒的存在,降低了水的自由能,因而其水势低于纯水的水势。,p 压力势(pressure potential): 压力势是指细胞的原生质体吸水膨胀,对细胞壁产生一种作用
8、力,于是引起富有弹性的细胞壁产生一种限制原生质体膨胀的反作用力,往往是正值。 g 重力势(gravity potential): 是水分因重力下移与相反力量相等时的力量。,5) 细胞的水分移动 1)相邻两细胞的水势移动方向,决定细胞之间的水势差异,水势高的细胞中的水分向水势低的细胞流动。 2)当有多个细胞连在一起的时候,如果一端的细胞水势较高,另一端的水势较低,顺次下降,就形成一个水势梯度(water potential gradient),水分便从水势高的一端流向水势低的一端。植物器官之间水分流动方向就是依据这个规律。,2. 细胞的吸胀作用 1)吸胀作用(imbibition):是亲水胶体吸
9、水膨胀的现象。 2)种子的细胞质、细胞壁、淀粉粒和蛋白质等都呈凝胶状态。由于这些凝胶是亲水性的,水分子以氢健与亲水凝胶结合,使后者膨胀。 3)蛋白质、淀粉和纤维素三者的亲水性依次递减,所以含蛋白质较多的豆类种子吸涨现象非常显著。,3 .水分进入细胞的途径 水分在植物细胞膜系统内移动的途径以有两种: 1)一种是单个水分子通过膜质双分子层的间隙进入细胞; 2)另一种是水集流(mass flow)通过质膜上水孔蛋白(aquaporin)中的通道(water channel)进入细胞。,水孔蛋白是一类具有选择性、高效运转水分的膜通道蛋白。 水孔蛋白是中间狭窄的四聚体,呈“滴漏”模型。每个亚单位的内部形
10、成狭窄的水通道。 水孔蛋白的活性是被磷酸化调节的,试验证明,依赖Ca离子的蛋白激酶可使特殊丝氨酸残基磷酸化,水孔蛋白的水通道加宽,水集流通过量剧增。,第三节 植物根系对水分的吸收,植物可通过叶片和根系吸水。根系是陆生植物吸水的主要器官。 根的吸水主要在根尖进行。在根尖中,根毛区的吸水能力最大,根冠、分生区和伸长区较小。 为什么在移栽植物幼苗时应尽量避免损伤细根?,1. 根系吸水的途径 根系吸水的途径有3条: 质外体途径(apoplast pathway) 是指水分通过细胞壁细胞间隙等没有原生质的部分移动,这种移动方式速度快。,跨膜途径(transmembrane pathway) 指水分从一个
11、细胞移动到另一个细胞,要两次经过质膜。 共质体途径(symplast pathway )是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,如此移动下去,移动速度较慢。共质体途径和跨膜途径统称为细胞途径(cellular pathway)。 这3条途径共同作用,使根部吸收水分。,内皮层细胞壁上的凯氏带(Casparian strip), 环绕在内皮层径向壁和横向壁上,木栓化和木质化,而细胞质牢牢地附在凯氏带上,所以水分只能通过内皮层的原生质体。,1)根压 (root pressure): 由于水势梯度引起水分进入中柱后产生的压力。 根压把根部的水分压到地上部,土壤中的水分便不断补
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