植物生理学课件02矿质营养.ppt
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1、Chapter2 植物的矿质营养 Chapter 2 植物的矿质营养 第二章 植物的矿质营养 第一节 植物必需的矿质营养 第二节 植物细胞对矿质元素的吸收 第三节 植物对矿质元素的吸收 第四节 矿物质在植物体内的运输与 分配 第五节 植物对氮、硫、磷的同化 第六节 合理施肥的生理基础 History of mineral research 1.ARISTOTLE (4th century BC) had claimed that all matter was composed of the 4 basic elements: earth, air, fire and water. He con
2、sidered the roots of plants to be the “mouths“ of the plant which absorbed the plants food from (already made) soil. Not until the C17th was this concept tested. 2. Van Helmont undertook his famous willow tree experiment (1648) . 3. Woodwards spearmint experiment (1699) TREATMENTS GROWTH OF PLANT IN
3、 3 WEEKS 1. rain water 62% increase 2. river water92% increase 3. drain water126% increase 4. soil + drain water309% increase 4.De Saussure grew plants in pure salt solutions demonstrating the necessity of particular chemical elements(1804). Yet the scientific community still clung to the humus theo
4、ry, basically Aristotles idea that the soil provided the organic matter necessary for plant growth. 5.In 1840 the famous German chemist, Liebig, published a book entitled “ORGANIC CHEMISTRY IN ITS APPLICATION TO AGRICULTURE AND PHYSIOLOGY“. His fierce criticism of the humus theory finally put it to
5、rest. 6. In the 1860s other German scientists ( e.g. von Sachs and Knop) grew plants hydroponically experimenting with different salt mixtures and concluded that 10 elements were essential for plant growth. These were what we now call the macronutrients . 7. From 1920, the study of micronutrients be
6、gan. 8. From 1950, study lagged because of lacking of high techniques. 9. From 1980, new technologies such as patch-clump, chromatography, isotope tracing came into existence. The mechanisms of ion absorption and transport are being elucidated. 1 植物必需的矿质元素 一植物体内的元素 1 、分析方法 烘干 新鲜材料 水分以气态跑掉 CCO2 O、HH2
7、O 干物质 充分燃烧 有机物跑掉 NN2NH3NO2 小部分SSO2 大部分S 部分非 金属 全部金属 灰 分 构成灰分的无素称为灰分元素由于它们都是来自于土壤中的矿物质, 所以又称为矿质元素(mineral element), N不是矿质元素但同样 来自 土壤因此同矿质元素一起讨论。 2、植物中灰分的含量 水生植物1%;中生植物515%;盐生植物可 高达45% 3、矿质元素的种类及数量:已发现70多种 各种矿质元素的含量因植物种类、器官、部位不同、年 龄、不同生境而有很大差异。 老龄植株和细胞比幼龄的灰分含量高; 干燥、通气、盐分含量高的土壤中生长的植物灰分 含量高; 禾本科植物:Si较多:
8、十字花科:S较多,豆科:Ca 和S较多,马铃薯:K多;海藻: I和Br多。 二、植物必需的矿质元素 必需元素(essential element):维持植物 正常生长发育必不可少的元素。 (一)确定植物必需元素的标准 1、缺乏,植物不能完成其生活史 ; 2、缺乏,植物表现专一的缺乏症 ;(缺素 症)该 病症只有在添加该元素后才可能恢 复 3、其作用必须是直接的。不可替代性。 (二)确定植物必需矿质元素的方法 1.溶液培养法(或砂基培养法) 溶液培养法 (solution culture method)亦称水培法 (water culture method),是在含有全部或部 分营养元素的溶液中
9、培养植物的方法;而砂 基培养法(sand culture method)则是在洗净 的石英砂或玻璃球等基质中加入营养液来培 养植物的方法。 2.气培法(aeroponics) 将根系置于营养液气 雾中栽培植物的方法称为气培法。 图3-1几种营养液培 养法 A.水培法:使用不透 明的容器(或以锡箔 包裹容器),以防止 光照及避免藻类的 繁殖,并经常通气; B. 营养膜(nutrient film)法:营养液从容 器a流进长着植株的 浅槽b,未被吸收的 营养液流进容器c, 并经管d泵回a。营 养液pH和成分均可 控制。 C.气培法:根悬于 营养液上方,营养 液被搅起成雾状。 (三)必需元素(Ess
10、ential elements): Macronutrients: 10: C H O N S P K Ca Mg (Si), 1000ppm in DW( 0.1%) micronutrients: 9: B Cu Zn Mo Cl Mn Fe(Na Ni) , 100ppm in DW ( 0.01%) 4.有益元素(Beneficial elements): do not fit into the above criteria, but can improve the growth of certain plants or under certain circumstances. eg.
11、 Na for C4 and CAM plants, Si for gramineae plants. 随着技术的提高,会有更多元素成为矿质元素。 大量元素符号 植物的利 用形式 微量 元素 符号 植物的利用 形式 取自水分和二氧化碳取自土壤的微量元素 碳CCO2氯ClCl- 氧OO2、H2O、CO2铁FeFe3+、Fe2+ 氢HH2O锰MnMn2+ 取自土壤的大量元素硼BH3BO3 氮NNO3- 、NH4+钠NaNa+ 钾KK+锌ZnZn2+ 钙CaCa2+铜CuCu2+ 镁MgMg2+镍NiNi2+ 磷PH2PO4-、HPO42-钼MoMoO42- 硫SSO42- 硅SiSi(OH)4 (
12、四)必需元素的生理作用 Physiological functions of essential mineral nutrients 总的来讲,有三个方面: 1、细胞结构物质的组成成分 ; 2、生命活动的调节者,参与酶的活动 ; 3、起电化学作用,即离子浓度的平衡、稳定 胶体及电荷中和等 1、N 吸收的主要形式是 NH4+,NO3- 等: 构成蛋白质的主要成分(16-18%); 核酸、辅酶、磷脂、叶绿素、细胞色素、 植物激素(CTK)、维生素等的成分。 故称为“生命元素” 各元素的主要生理功能简述 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
13、处的。 植株缺氮时,植物生长矮小,分枝、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 Potato maize wheat 症状生长慢植株矮小老叶发黄茎部有时红色 N deficiency 3 P:以 H2PO4-, HPO42-形式吸收. 是核酸、核蛋白的组成成分 是膜的组成成分 是ATP,FMN,FAD,NAD,NADP,CoA的组 成成分,参与能量代谢 参与糖、蛋白质、脂肪代谢 参与糖的运输。 缺P:分枝少、矮小、叶色暗(深)绿或紫红。症状 首先在下部老叶出现。 白菜缺磷油菜缺磷 玉米缺磷大麦缺磷 wheat Sorghum
14、 maize 生长慢植株特别矮小叶色暗绿或紫红分蘖少产量低 P deficiency 3、 K 以离子状态存在 生理作用 (1)体内60多种酶的活化剂; (2)促进蛋白质、糖的合成及糖的运输; (3)增加原生质的水合程度,提高细胞的保水能 力和抗旱能力; (4)影响着细胞的膨压和溶质势,参与细胞吸水 、气孔运动等。 缺K:叶缺绿、生长缓慢、易倒伏。叶片出现缺 绿斑点,逐渐坏死,叶缘枯焦。 肥料三要素:N、P、K Beet maize Sweet potato 老叶有坏死斑点叶尖叶缘呈烧焦状叶呈杯状卷曲 K deficiency 4、S:SO42- 1) 大部分被 还原后形成含硫氨基酸,参与蛋
15、白质的合成。是原生质的组成成分 2)参与电子传递和物质还原 3)与蛋白质,脂肪,糖的合成有关 缺S时植株矮小,叶色黄绿或发红 缺乏:似缺N,但缺绿从嫩叶开始。 植株矮小叶色黄绿 或发 红 S deficiency 5、Ca Ca是细胞壁的主要成分,可以维持膜的稳定 性(是连结磷脂的磷酸根与蛋白质的羧基的 桥梁) 在信号传递中起作用:钙调蛋白 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。 potato beet 根尖茎端溃烂坏死顶叶细小 Ca deficient 缺Ca 蕃茄缺钙 白菜缺钙 6、镁 叶绿素的组成成分之一。缺乏镁,叶绿
16、素即 不能合成,叶脉仍绿而叶脉之间变黄。 许多酶的活化剂。 maize wheat grape 老叶叶脉间缺绿叶呈条纹状严重时叶脉间坏死 Mg deficiency 7、Fe 1)植物根表面的铁为Fe3+,在根表面被还原为 Fe2+, Fe2+再进入细胞,Fe在植物体内多与 其它物质形成稳定的有机物,不易转移 2) Fe是许多氧化还原酶的辅酶,参与光合和 呼吸电子传递链 3)促进叶绿素的合成,维持叶绿体的结构 缺铁时铁时幼叶变变黄及至失绿绿生长长矮小 8、Mn:许多酶的活化剂;直接参与光合作 用 (叶绿素形成、叶绿体正常结构的维持和水 的光解 9、B:H3BO3 与植物的生殖有关,利于花粉的形
17、成 , 促进花粉萌发、花粉管伸长、受精;与糖结 合使糖带有极性从而容易通过质膜 促进运输 ;与蛋白质合成、激素反应、根系发育等 有 关;抑制植物体内咖啡酸、绿原酸的合成。 10、Zn:酶的组分或活化剂;参与蛋白质 和叶绿素合成;参与IAA的生物合成; 11、 Cu:一些氧化还原酶的组分;光合 电子传递链质体蓝素PC的成分 12、Mo: MoO42- 是硝酸还原酶、固氮酶 的组成成分;是黄嘌呤脱氢酶及脱落酸合 成中的某些氧化酶的成分 13、Cl:水的光解;叶和根中的细胞分裂 需要;调节细胞溶质和维持电荷平衡 14、 Ni : 脲酶、氢酶的金属辅基;激活 -淀粉酶;缺乏时植物体的尿素会积累过 多产
18、生毒害而不能完成生活史。 maize sorghum citrus 幼叶变黄及至失绿, 生长 矮小 Fe deficiency 白菜缺铁白菜缺锰 cherry celery 叶脉间失绿开花结实少 Mn deficiency Peanut cauliflower 茎尖根尖坏死果实黑心萝卜糠心 B deficiency maize Sugarcane 生长迟滞节间变短叶片小常见小叶病簇叶病 叶色 失绿 Zn deficiency Potato wheat 新叶失绿叶缘烧焦翻卷 Cl deficiency 蕃茄缺硼小麦缺铜 草 莓 叶 片 的 缺 素 症 状 三、作物缺乏矿质元素的诊断 1、化学分析
19、诊断法 一般以分析病株叶片的化学成分与正 常植株的比较。 2、病症诊断法 缺乏Ca、B、Cu、Mn、Fe、S时幼嫩 的器官或组织先出现病症。 缺乏N、P、Mg、K、Zn等时较老的 器官或组织先出现病症。 可再利用元素缺乏时,老叶先出现病症; 不可再利用元素缺乏时,嫩叶先出现病症。 v 可再利用元素:在植物体内可以移动 ,能被再度利用的元素。 v 不可再利用元素:在植物体内不可以 移动,不能被再度利用的元素。 第二节 植物细胞对矿质元素的吸收 溶质的跨膜运输 一、 生物膜(biomembrane)是指构成细胞 的所有膜的总称。按其所处位置可分为两种 :一种处于细胞质外面的一层膜叫质膜,也 可叫原
20、生质膜;另一种是处于细胞质中构成 各种细胞器的膜,叫内膜(endomembrane)。 质膜可由内膜转化而来(如子细胞的质膜由 高尔基体小泡融合而成)。 1、生物膜的化学组成 在真核细胞中,膜结构占整个细胞干重 的70%80%。生物膜由蛋白质、脂类、 糖、水和无机离子等组成。 2. 膜的特性 1)流动性 fluidity 2) 选择透性 semi-permeability, selectively permeability 可通透的分子可自由通过 膜,不需消耗代谢能 而不通透的分子要越膜 必须借助于膜上的运输 蛋白,有时甚至需消耗 代谢能 膜蛋白 生物膜中的蛋白质约占细胞蛋白总量的 20% 3
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