植物水分代谢1.pptx
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1、第1页/共140页参参与与物物质质运运输输、细细胞胞信信号号转转导导、细细胞胞识识别别。(注注:生生物物膜膜或或叫叫细细胞胞膜膜,是是指指构构成成细细胞胞的的所所有有膜膜的的总总称称,可可粗粗分分为为质质膜膜和和内内膜膜系系统统。主主要要成成分分是是蛋蛋白白质质、脂脂类类和和少少量量糖糖。其其中中脂脂类类主主要要是是磷磷脂脂,其其次次为为胆胆固固醇醇和和其其它它脂脂类类。膜膜上上的的蛋蛋白白可可分分外外围围蛋蛋白白或外在蛋白,及整体蛋白也中内在蛋白)或外在蛋白,及整体蛋白也中内在蛋白)质膜的生理功能:第2页/共140页胶体颗粒可形成双电层,水化作用,稳定胶体系统;胶体颗粒可形成双电层,水化作用
2、,稳定胶体系统;分散度高,内界面大,活性强,利于生化反应进行;分散度高,内界面大,活性强,利于生化反应进行;存在可逆溶胶与凝胶两种状态,利于适应环境变化;存在可逆溶胶与凝胶两种状态,利于适应环境变化;实例:种子萌发时大量吸水,使凝胶态的贮存物水实例:种子萌发时大量吸水,使凝胶态的贮存物水解而提高生命活性,此时的原生质胶体呈溶胶态,酶解而提高生命活性,此时的原生质胶体呈溶胶态,酶被激活或诱导,物质运输增强,萌发。被激活或诱导,物质运输增强,萌发。原生质胶体特性及其在生命活动中的重要作原生质胶体特性及其在生命活动中的重要作用及实例。用及实例。第3页/共140页第第2章章 植物的水分代谢植物的水分代
3、谢 地球上最早的生命是在水中产生的。植物也不地球上最早的生命是在水中产生的。植物也不例外,起初在水中发生,而后逐渐进化,有的仍保持例外,起初在水中发生,而后逐渐进化,有的仍保持水生状态,大部分进化为陆生植物。因此水是植物发水生状态,大部分进化为陆生植物。因此水是植物发育的先天条件,即使陆生植物其一切正常的生命活动育的先天条件,即使陆生植物其一切正常的生命活动都必须在一定的水分状况下才能进行。否则植物的生都必须在一定的水分状况下才能进行。否则植物的生命活动就会受阻,甚至死亡。其它一切生物也一样。命活动就会受阻,甚至死亡。其它一切生物也一样。因此没有水就没有生命。在农林业生产上,水是决定因此没有水
4、就没有生命。在农林业生产上,水是决定收成有无的重要因素之一。收成有无的重要因素之一。“有收无收在于水。有收无收在于水。”第4页/共140页 植物的一生中,一方面不断地从环境中吸收水分,以满足生命活动的植物的一生中,一方面不断地从环境中吸收水分,以满足生命活动的需要,另一方面又不可将大量水分丢失到环境中,由此就形成了植物的水分需要,另一方面又不可将大量水分丢失到环境中,由此就形成了植物的水分代谢:代谢:植物对水分的吸收、运输和散失过程称为水分代谢(植物对水分的吸收、运输和散失过程称为水分代谢(Water Water metabolismmetabolism)。)。第5页/共140页本章的主要内容
5、:本章的主要内容:一、水分在植物生命活动中的重要性一、水分在植物生命活动中的重要性 二、植物对水分的吸收二、植物对水分的吸收 三、植物体内水分的散失三、植物体内水分的散失 四、植物体内水分的运输四、植物体内水分的运输 五、植物的水分平衡与合理灌溉五、植物的水分平衡与合理灌溉第6页/共140页主要了解主要了解:植物对水分吸收、运输及蒸腾基本原理植物对水分吸收、运输及蒸腾基本原理认识维持植物水分平衡的重要性认识维持植物水分平衡的重要性合理灌溉理论基础合理灌溉理论基础重点和难点重点和难点植物细胞的水分关系植物细胞的水分关系植物水分吸收和散失的调控机理植物水分吸收和散失的调控机理第7页/共140页第一
6、节 水在植物生命活动中的重要性一、一、植物的含水量植物的含水量 植植物物体体都都含含有有水水,其其含含水水量量一一般般约约占占组组织织鲜鲜重重70%70%90%90%。但但含含水水量量不不是是恒恒定定的的,可可因因植植物物的的种种的的差差异异。生生命命力力旺旺盛盛 ,代代谢谢活活动动强强,其其含含水水量亦高。量亦高。植物种类:植物种类:水生水生 陆生;草本陆生;草本 木本;阴生木本;阴生 阳生阳生器官或组织:器官或组织:根尖、幼叶根尖、幼叶606090%90%;树干;树干 4050%4050%;休眼芽休眼芽40%40%;休眼种子;休眼种子10%10%14%14%;环境条件:环境条件:阴湿环境阴
7、湿环境 向阳、干燥处向阳、干燥处 第8页/共140页沙生植物沙冬青沙生植物沙冬青渐危种。常绿灌木,高渐危种。常绿灌木,高1 1至至2 2米。分布于内蒙古、宁夏和米。分布于内蒙古、宁夏和甘肃等地海拔甘肃等地海拔10001000至至12001200米低山地带。为常绿超旱生植米低山地带。为常绿超旱生植物。喜沙砾质土壤,种子吸水力强,发芽迅速。花开物。喜沙砾质土壤,种子吸水力强,发芽迅速。花开4 4、5 5月,月,7 7月果熟。月果熟。第9页/共140页植物体的含水量计算(1)以鲜重为基数含水量(%)=(2)以干重为基数含水量(%)=(3)以水饱和重、鲜重、干重为基数:相对含水量(Relative W
8、ater Content,RWC)新鲜植物新鲜植物 称重称重105 0C杀死杀死80 0C烘干烘干称重称重(鲜重)(鲜重)(干重)(干重)Wf WdWf 100 100Wf WdWd第10页/共140页测定方法:RWC(%)=100Wf:鲜重;Wt:组织水饱和重;Wd:干重。意义:是反映植物水分状况,研究植物水分关系及农产品质量的重要指标。WfWdWtWd第11页/共140页二、水对植物的生理生态作用(一)水对植物的生理作用 1.水是原生质的主要组分 2.水直接参与植物体内重要的代谢过程 3.水是许多生化反应的良好介质 4.水能使植物保持固有的姿态 5.细胞的分裂和延伸生长都需要足够的水第12
9、页/共140页(二二)水的生态作用水的生态作用所所谓谓生生态态作作用用就就是是通通过过水水分分子子的的特特殊殊理理化化性性质质,给给植植物物生生命命活活动动创建创建 一个有益的环境条件。一个有益的环境条件。1.1.水是植物体温调节器水是植物体温调节器 2.2.水对可见光的通透性水对可见光的通透性 3.3.水对植物生存环境的调节水对植物生存环境的调节第13页/共140页三、植物体内水分存在的状态自由水(free water)不被胶体颗粒或渗透物质所吸引或吸引力很小,可以自由移动的水分,当温度升高时可以挥发,温度降低到冰点以下可结冰,起溶剂作用。束缚水(bound water)被植物细胞的胶体颗粒
10、或渗透物质所吸引,且紧紧被束缚不能自由移动的水分,当温度升高时不能挥发,温度降低到冰点以下也不结,不能起溶剂作用。第14页/共140页自由水/束缚水比值较高时,植物代谢活跃,生长较快;反之,代谢活性低、生长缓慢,但抗逆性较强。第15页/共140页第二节第二节 植物细胞对水分的吸收植物细胞对水分的吸收植物的生命活动是植物的生命活动是以细胞为基础以细胞为基础的的.植物对水分的吸收最终决定于植物对水分的吸收最终决定于细胞细胞的水分关系的水分关系。第16页/共140页细胞吸水有三种方式:吸胀吸水 未形成液泡的细胞靠吸胀作用吸水;渗透性吸水 具中心液泡的成熟细胞以渗透性吸水为主 代谢性吸水 直接消耗能量
11、,使水分子经过原生质膜进入细胞的过程 以渗透性吸水最为重要。以渗透性吸水最为重要。第17页/共140页一、植物细胞的渗透吸水水分进出细胞和在细胞间运动也必然伴随着能量的变化,受能量转化规律的制约。如如何何衡衡量量植植物物不不同同细细胞胞和和细细胞胞不不同同邻邻位位及及环环境境中中水水分分的的能能量量的的变变化呢化呢?一个具有普遍意义的判断标准是自由能的变化,常以G代表。第18页/共140页1.1.自由能自由能根根据据热热力力学学原原理理,系系统统中中物物质质的的总能量可分为总能量可分为:束束缚缚能能(bound(bound energy)energy)是是不不能能用于做有用功的能量用于做有用功
12、的能量;自自由由能能(free(free energy energy)是是在在恒恒温、恒压下用于做有用功的能量。温、恒压下用于做有用功的能量。第19页/共140页自由能的绝对值无法测定,只知道在变化前后两个不同系统的由能变化(自由能差)G。G=若G0,说明自由能增加,系统不可自动进行,必须从外界获得能量才能进行;若G=0,说明自由能不增不减,表示系统处于动态平衡。可见,自由能的变化 是判断系统能否自动进行反应的标准。第20页/共140页2.化学势 化学势(chemical potential)用来衡量物质反应或转移所用的能量。化学势 1偏摩尔的该物质所具有的自由能,用表示.即在一个多组分的混合
13、体系内,组分 j 的化学势,是指在等温、等压,保持其它各组分浓度不变时,加入1 mol j 物 质所引起体系自由能的增加量。第21页/共140页3.3.水势水势 水水分分移移动动(和和任任何何物物质质移移动动)的的能能量量基基础础或或基基本本动动力力,就就是是不不同同部部位位的的水水的的自自由能差由能差,它造成水分移动的趋势。,它造成水分移动的趋势。重重要要的的不不在在于于水水中中所所含含自自由由能能的的绝绝对对数数量量本本身身,而而在在不不同同部部分分自自由由能能的的相相对对水水平平。第22页/共140页水势水势(Water potential)()(差差)就是每偏摩尔体积水的化学势就是每偏
14、摩尔体积水的化学势(差差)。即水液的化学势。即水液的化学势()与同温同压同一系统中纯水的化学势与同温同压同一系统中纯水的化学势()之差之差 ()除以水的偏摩尔体积除以水的偏摩尔体积(V(V)所得的商。所得的商。代表水势代表水势为化学势差为化学势差V为偏摩尔体积为偏摩尔体积.水势可以用公式表示为:水势可以用公式表示为:第23页/共140页偏摩尔体积(Partial molar volume)是指恒温恒压下,在多组分体系中加入 1mol该物质所占据的体积。在稀的水溶液中,水的偏摩尔体积与纯水的摩尔体积(18.00cmmol)相差不大,实际应用时往往用纯水的摩尔体积代替偏 摩尔体积。第24页/共14
15、0页水势单位水势单位第25页/共140页 (水滴)(水滴)(干纸)(干纸)地地心心引引力力(地势高)(地势高)水势高水势高 水势低水势低(地势低)(地势低)水水势势高高水水势势低低(滤纸)(滤纸)水势低水势低水势高水势高(水)(水)(叶子)(叶子)水势低水势低 水势高水势高(根系)(根系)*纯水水势为纯水水势为“0”*水流方向:水往低处流水流方向:水往低处流第26页/共140页(二二)渗透现象渗透现象半半透透膜膜semipermeable membrane:只只允允许许水水分分子子通通过过,而而不不能能使使任任何何溶溶质质分分子子或或离离子子透透过过的的膜膜,如如火火棉棉胶胶、膀膀胱胱、羊羊皮
16、皮纸纸等等.现现代代半半透透膜膜还还用用与与多多孔孔性性壁壁(如如无无釉釉陶陶瓷瓷)并并使使适适当当的的化化合合物物(如铁氰化铜)沉淀于其孔隙中制成。(如铁氰化铜)沉淀于其孔隙中制成。渗渗透透系系统统:半半透透膜膜包包闭闭的的蔗蔗糖糖或或其其它它溶溶液液置于另一溶液置于另一溶液(或水或水)中构成的系统。中构成的系统。渗透作用渗透作用(osmosis):(osmosis):水分从水势高的系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统通过半透膜向水势低的系统移动的现象。象。第27页/共140页(二)渗透势与渗透压(二)渗透势与渗透压 1 1、渗透作用、渗透作用半透膜半透膜第28页/共140
17、页第29页/共140页(三三)植物细胞构成的渗透系统植物细胞构成的渗透系统第30页/共140页细胞壁细胞壁主要由纤维素分子主要由纤维素分子组成的微纤丝构成,组成的微纤丝构成,水和溶质都可以通过;水和溶质都可以通过;原生质层原生质层(包括原生质膜、原生质和液泡膜包括原生质膜、原生质和液泡膜)为为选择性膜,就相当于一个半透膜。选择性膜,就相当于一个半透膜。如果把此细胞置于水或溶液中,则液泡内的细胞如果把此细胞置于水或溶液中,则液泡内的细胞液,液,原生质层以及细胞外溶液三者就构成了一个渗原生质层以及细胞外溶液三者就构成了一个渗透系统。透系统。第31页/共140页植物细胞膜具有选择透性,类似于半透膜,
18、因此植物细胞就是个植物细胞膜具有选择透性,类似于半透膜,因此植物细胞就是个渗透系统。渗透系统。若将细胞放入低渗液若将细胞放入低渗液(高水势高水势)细胞吸水;细胞吸水;若将细胞放入等渗液若将细胞放入等渗液(低水势低水势)吸水与失水动态平衡;吸水与失水动态平衡;若将细胞放入高渗液若将细胞放入高渗液细胞失水;细胞失水;液泡失水,体积缩小,原生质体随之收缩液泡失水,体积缩小,原生质体随之收缩质壁分离质壁分离 利用质壁分离现:(利用质壁分离现:(1 1)判断细胞的死活;(判断细胞的死活;(2 2)测定)测定细胞的渗透势;(细胞的渗透势;(3 3)观测物质透过原生质体的难易程度。)观测物质透过原生质体的难
19、易程度。第32页/共140页由于液泡失水而使原生质体与细胞壁发生分由于液泡失水而使原生质体与细胞壁发生分离的现象称为质壁分离(离的现象称为质壁分离(plasmolysis)第33页/共140页由此可见,植物细胞的水势由以下几部分组由此可见,植物细胞的水势由以下几部分组成成:(1 1)液泡的渗透势)液泡的渗透势;(2 2)细胞壁对内容物的压力势)细胞壁对内容物的压力势;(3 3)原生质亲水胶体对水分子吸附作用产)原生质亲水胶体对水分子吸附作用产生的衬质势生的衬质势(matric potential,m m);w=s s+p+m m 成熟细胞成熟细胞液泡很大,细胞质引起的衬质势液泡很大,细胞质引起
20、的衬质势很小(小于很小(小于0.01MPa0.01MPa),故其水势公式可写为故其水势公式可写为:w=s s+p第34页/共140页植物细胞的水势构成植物细胞的水势构成渗透势(s):溶液中由于溶质存在,而使水势降低的值,又叫溶质势。s=-iCRT s 0压力势(p):由于细胞壁压力的存在而引起的细胞水势增加的值 p0衬质势(m):细胞胶体物质亲水性和毛细管对水束缚吸引而引起的水势降低值 m0w=s+p+m第35页/共140页植植物物细细胞胞的的水水势势构构成成第36页/共140页第37页/共140页 不同生境下植物叶片的不同生境下植物叶片的w、s s、p范围范围:完全吸水膨胀时叶片的完全吸水膨
21、胀时叶片的w=0 MPa土壤供水充足、生长迅速土壤供水充足、生长迅速:w=-0.2-0.8MPa水分亏缺、生长缓慢水分亏缺、生长缓慢:w=-0.8-1.5MPa中生植物干旱伤害时中生植物干旱伤害时:w=-2.0-3.0MPa沙漠灌木干旱生长停止生长沙漠灌木干旱生长停止生长:w=-3.0-6.0MPa温带作物组织渗透势一般在温带作物组织渗透势一般在:-1-2MPa旱生植物叶渗透势可低达旱生植物叶渗透势可低达:-10MPa草本作物叶片细胞压力势下午约为草本作物叶片细胞压力势下午约为:+0.3+0.5MPa 晚上约为晚上约为:+1.5MPa第38页/共140页(五)细胞间的水分流动p=+0.6s s
22、=-1.2=-1.2A Ap=+0.2s s=-1.0=-1.0B Bp=+0.5s s=-1.4=-1.4p=+0.4s s=-1.2=-1.2p=+0.3s s=-1.0=-1.0p=+0.6s s=-1.2=-1.2p=+0.5s s=-1.0=-1.0由水势高的区域向水势低的区域流动由水势高的区域向水势低的区域流动!第39页/共140页二、细胞的吸胀吸水二、细胞的吸胀吸水 吸胀吸胀(imbibition)是亲水胶体吸水膨胀的是亲水胶体吸水膨胀的现象。干燥种子、正在成熟的种子、没有液泡的现象。干燥种子、正在成熟的种子、没有液泡的分生细胞都是靠细胞内的亲水胶体对水分子的吸分生细胞都是靠细胞
23、内的亲水胶体对水分子的吸附作用来吸水。附作用来吸水。吸胀力就是衬质势,因此上述组织或细吸胀力就是衬质势,因此上述组织或细胞的水势仅取决其衬质势,即:胞的水势仅取决其衬质势,即:w=m(s=0;p=0)第40页/共140页 三、细胞的代谢吸水三、细胞的代谢吸水 细胞利用呼吸作用释放出的能量细胞利用呼吸作用释放出的能量使水使水分经过质膜进入细胞的过程称为代谢性吸水分经过质膜进入细胞的过程称为代谢性吸水(metabolic absorpotion of water)。这种吸水方式的机理尚不清楚,细胞是否存在这种吸水方式的机理尚不清楚,细胞是否存在着这种吸水方式还有争议。着这种吸水方式还有争议。第41
24、页/共140页四、水分的跨膜运输四、水分的跨膜运输 近近年来的研究发现,在动、植物细胞膜年来的研究发现,在动、植物细胞膜及植物液泡膜上存在有一类膜内蛋白,分子量及植物液泡膜上存在有一类膜内蛋白,分子量在在25kD 30kD,其多肽链穿越膜并形成孔其多肽链穿越膜并形成孔道,特异地允许水分子通过,称之为水通道蛋道,特异地允许水分子通过,称之为水通道蛋白或水孔蛋白白或水孔蛋白(aquaporin or water channel protein)。水孔蛋白的存在减小了水跨膜运动的水孔蛋白的存在减小了水跨膜运动的阻力,使细胞间水分顺水势梯度迁移的速率加阻力,使细胞间水分顺水势梯度迁移的速率加快。一些因
25、素可通过影响水孔蛋白基因的表达快。一些因素可通过影响水孔蛋白基因的表达而影响水分代谢。而影响水分代谢。第42页/共140页第43页/共140页第三节第三节 植物根系对水分的吸收植物根系对水分的吸收植物吸水的途径有:植物吸水的途径有:(1)(1)叶面吸水叶面吸水 叶面喷施液体肥的生理基础。叶面喷施液体肥的生理基础。叶片吸水量相对植物的需水量而言,是很微叶片吸水量相对植物的需水量而言,是很微小的,在水分供应上不具有重要意义。小的,在水分供应上不具有重要意义。(2)(2)根系吸水根系吸水 是陆生植物吸水的主要途径。是陆生植物吸水的主要途径。第44页/共140页一、根部吸水的区域一、根部吸水的区域根的
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