[农学]1水分生理.ppt

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1、植 物 生 理 学 Plant Physiology,陈 瑛,科学教育101,教学计划 周次 内容 课时 1 诸论、水分代谢 2 2 水分代谢 实验1、2 水势及渗透势测定 2+4 3 植物的矿质营养 2 4 植物的矿质营养 实验3 植株中铁含量测定 2+3 5 植物的光合作用 2 6 植物的光合作用 2 7 植物的光合作用 实验4、5 叶绿素提取及测定 2+6 8 植物的光合作用、植物体内有机物的运输与分配 2 9 植物的呼吸作用、信号传导 2 10 植物的生长物质 2 12 植物的生长物质 实验6 淀粉酶测定及考试 2+3 13 植物的生长生理 2 14 植物的生长生理 2 15 植物的生

2、殖生理 2 16 植物的成熟和衰老生理 2 17 植物的逆境生理 2 18 考 试,联系方式：办公室 B507 13105758682,理论课32学时 + 实验课16学时,理论课内容与形式的改革 内容分三块： 教师精讲：课程核心及不易理解的内容、知识应用。 自主学习：课程中基础、易理解，能自学的内容。 学生讨论：中学中涉及的内容 较新或有不同理解的内容。 在保障学科体系完整性的基础上，对中学生物教学中的内容，作重点安排。,教师精讲内容 章节 内容 1水分生理 水势概念及计算、细胞对水的吸收、蒸腾作用、 合理灌溉的生理基础 2矿质营养 必需元素作用及缺乏症、细胞对矿质元素吸收、 合理施肥的生理基

3、础 3光合作用 叶绿体色素、原初反应、电子传递光合磷酸化、 碳同化 4呼吸与代谢 呼吸商、有机物代谢 5信号传导 胞外信号传递、跨膜信号转换、胞内信号转导 6生长物质 五大类激素的种类、作用机理 7生长和运动 光敏素和光形态建成、种子萌发的外界条件 8生殖生理 春化作用特征、代谢、机理、光周期类型、 特征、机理 9成熟和衰老 植物衰老、器官的脱落,自主学习内容 章节 内容 1水分生理 根系吸水、植物体内水分的运输 2矿质营养 根系对矿质元素的吸收、运输与分配 3光合作用 概念意义、外界条件影响、运输与分配 4呼吸与代谢 影响呼吸作用的因素 5信号传导 蛋白质可逆磷酸化 6生长物质 其他天然的植

4、物生长物质 7生长和运动 植物的生长和运动、相关性 8生殖生理 幼年期特点、花器官形成及生理 9成熟和衰老 种子的成熟、果实的成熟 10抗性生理 逆境类型、损伤机理,同学讲解内容 第1组 水分生理 (学号1-6) (1)请结合中学课本内容，讲讲水的存在状态及对植物的作用。 (2)水的特殊理化性质的应用和对植物的影响。 (3)水孔蛋白的理解及研究进展 (4)根系吸水途径及凯氏带慨念 (5)中学课本“叶的蒸腾作用和结构”一节内容中你能设计哪些实验来证明蒸腾作用？需有详细操作说明。 (6)影响水分结冰和蒸发速度的因素有哪些？日常生活中有哪些现象和应用？,第2组 矿质营养 (学号7-10) (1)请设

5、计证明植物需要哪些营养成分的实验，需图例说明，求简务实。 (2)土壤中元素存在形式有哪些？植物是否均能吸收？说明原理及应用。 (3)如何合理施肥？ (4)中学生物实验中天竺葵的应用。要点：性质、种植、可用于哪些实验，如何应用，其他替代植物。,第3组 光合作用 (学号11-16) (1)做一个初中科学书上的光合作用的实验，说明过程与关键点。 (2)可设计哪些实验来证明光合作用的原料与产物是什么？ (3)光合色素的提取有哪些方法？分离可用哪些试剂？各有什么优缺点？ (4)植物是如何进行光合磷酸化的？ (5) 三类碳同化途径的比较与研究进展 (6)影响光合作用的因素有哪些？如何用实验证明？,第4组

6、有机物运输分配、呼吸、信号传导 （学号17-21） (1)试结合初中教材对光合作用与呼吸作用进行比较（可略深化）。 (2)伴胞在物质运输中的作用 (3)韧皮部运输的机理 (4)中药杜仲是如何生产的，杜仲树可以不断剥皮吗？ (5)动植物信号传导的比较,第5组 生长物质、生长和运动（学号22-26） (1)初中和高中生物课中均有“生长素的发现”内容，讲解时如何区别与联系？ (2)如何从生长素发现的历史来说明科学素养的培养？如何在初中科学课上简要介绍生长素的其他作用？ (3)植物为什么会进行向光性运动？有哪些新研究进展？ (4)请介绍自然界中存在的生理钟现象。 (5)结合初中教材，讲讲种子的结构、萌

7、发过程、萌发条件。,第6组 生殖生理、成熟和衰老、抗性生理 （学号27-30） (1)作为一个果农，如何提高产量和质量？ (2)如何调节花卉的花期？试举三种花卉加以说明。 (3)植物衰老机理研究 (4)植物抗冷性抗热性机理与应用 (5)植物抗旱性抗涝性机理与应用,说明 1：按学号分组，小组内自行确定主讲题目，每人一题，组内成员一起讨论所有题目。 2：每章提前布置讨论内容及主讲团队，确定具体讲述时间。 3：每人讲解时间为5-7分钟。 4：除给主讲者打分外，整个小组表现好差也略有增减分，以鼓励团队精神。 5：其他小组成员须提问、建议和反驳，根据提问、建议和反驳的合理性与深度给提问者个体打分。,网络

8、教学 http:/ 总成绩=期末考试成绩（40%）+ 实验成绩（30%） + 主讲成绩（10%）+小论文成绩（5%） + 提问成绩（5%） + 平时作业成绩（10%） 注1：实验共5个，加最后考试，每个实验满分为5分。成绩依据是实验报告、平时操作、设计部分的合理性和操作结果。 注2：平时作业在网上完成，自动打分统计。学完一章做一章内容，所有网上作业完成后才有资格参加期末考试。,教材与参考书 植物生理学（第六版）潘瑞炽主编，高教出版社，2008年 植物生理学刘佃林主编，北京大学出版社，2007年 现代植物生理学（第二版）李合生主编，高教出版社， 2006年 植物生理学王宝山主编，科学出版社，20

9、04年 植物生理学武维华主编，科学出版社，2003年 植物生理学王忠主编，中国农业出版社，2000年 植物生理生化实验原理和技术（第二版），王学奎主编， 高教出版社，2008年 植物生理学实验指导（第三版）张志良主编，高教出版社， 2003年 植物生理学实验张立军、樊金娟主编，中国农大出版社， 2007年,植物生理学网上作业有关规定 章节 水分矿质光合呼吸有机物激素生长生殖成熟衰老逆境 选题数 30 25 40 30 20 20 20 15 允许答题 时间(分)60 50 80 60 40 40 40 30 答题最 后日期 3.31 4.15 5.15 5.31 6.15 6.20 6.20

10、6.20,概念：植物生理学是研究植物生命活动规律及其与外界环境关系的科学。,当今世界面临的五大危机： 人口、粮食、能源、资源、环境,目前农业急需解决的六大问题： 碳的增收、水分的增收、营养物质的增收、植物寄生物的防治、不良环境对植物的影响及植物发育过程。,当今世界面临的环境问题： 气候变暖、臭氧层破坏和损耗、酸雨污染、土壤荒漠化、水资源危机、森林植被破坏、生物多样性锐减、海洋资源破坏和污染、持久性有机污染物的污染。,第一章 水分生理,植物对水分的需要自学和讨论 植物细胞对水分的吸收* 根系吸水和水分运输自学和讨论 蒸腾作用* 合理灌溉的生理基础*,第一节植物对水分的需要,一、植物的含水量及存在

11、状态 二、植物体内水分存在的状态 自由水/束缚水 三、水的生理作用,第二节 植物细胞对水分的吸收,一、水势的概念 二、植物细胞的水势 三、水势的测定 四、植物细胞对水分的吸收*,？,溶质势,孤立体系：与环境不发生能量、物质交换 封闭体系：与环境之间只发生能量交换 开放体系：与环境之间既有能量又有物质交换,一、水势的概念,1、自由能：G=U+PV+TS,G0，说明自由能增加，须从外界获得能量才能进行； G=0，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。,2、化学势 j= G (nj)t p nj,在物理化学中，化学势是用来描述体系中组分发生化学反应的本领及转移的潜在能

12、力，用表示。表示在等温等压和其他组分不变的情况下，加入1 mol j而引起的体系总自由能的变化。即G。简单讲即1 mol j所具有的自由能为j的化学势，但并非j=G/mol。 单位：J/mol,Z=0 相对值，以一定大气压和一定温度下纯水化学势作对比标准。 水的化学势=体系中水的化学势与纯水的化学势之差值。 纯水化学势绝对值不易测得，定为0。 j 化学势单位?,3、水的化学势 j=j0+RTlnaj+ZjFE+Vj,mP+mjgh,J/mol,4、水势w = w- w0 = w Vw Vw,以纯水w0在一定大气压，一定温度下化学势作标准，一偏摩尔体积水和一偏摩尔纯水之间的化学势差，即 水势为偏

13、摩尔水的化学势差。,w = w/Vw = (牛顿cm/mol)/(cm3/mol) = 牛顿/cm2, 此为压力单位 1帕（Pa）=牛顿/m2 1大气压（atm）=1.013105 Pa=1.013巴=0.1013MPa,3、 p压力势：是由于压力作用使细胞水势发生的变化。,2、 g重力势：是因重力作用而引起的水势变化。,二、植物细胞的水势,w=s+p+m+g,1、 m 衬质势：是细胞的胶体物质、细胞壁和毛细管吸附水，使自由水含量减少而降低的水势值。,主要体现时期？,4、 s 溶质势（或称渗透势）即细胞液水势。,溶液,水,渗透计示意图,s= - i c R T,i-解离系数 c-摩尔浓度(mo

14、l/L) R 气体常数(0.082Latm/molK) T 绝对温度 例：0，1M蔗糖溶液其 s= -110.082273= -22.4atm 1M NaCl溶液其 s= -1.810.082273= -40.3atm,等摩尔溶液=等渗溶液？,渗透计,A细胞，s= -10atm，p= 4atm，wa= -6atm B细胞，s= -6atm， p= 3atm，wb= -3atm 水流向？,将A放入= -2atm溶液中，B放入=-5atm溶液中 如果体积不变：,A：w=？ s=？ p=？ B：w=？ s=？ p=？ 水流向？,如果A细胞体积增为二倍，B细胞增加10%：,根据s=-icRT=-im/

15、v RT, s1V1=s2V2，或写成1V1=2V2。,A：w=？ s=？ p=？ B：w=？ s=？ p=？ 水流向？,几种常见化合物水溶液的水势范围 溶液 w (MPa) 纯水 0 海水 -2.50 1mol/L蔗糖 -2.29 1mol/L KCl -4.08,常见植物叶片的渗透势和水势值 品种 渗透势/MPa 水势/MPa 小麦 -1.00-1.40 -0.30-0.60 玉米 -0.90-1.10 -0.40-0.90 高梁 -1.20-1.80 -0.60-0.90 向日葵 -1.90 棉花 -1.30 -0.20-0.60 杨树 -2.10 -0.20-0.50 柳树 -3.60

16、 湿润森林中的草本 -0.60-1.40 干燥森林中的草本 -1.10-3.00,液体交换法(测定水势的种类与原理) 判 据 组织的水 组织的体积长 外液比 外液浓 外液电 外 细 分得失 度或重量变化 重变化 度变化 导变化 0 吸水 增加 升高 增加 增高 0 失水 降低 降低 降低 降低 =0 平衡 不变 不变 不变 不变 测定方法 组织体积或重量法 小液流法 折射仪法 电导仪法 使用器材 直尺或天平 毛细滴管 折射仪 电导仪 测量组织体积 测定外液的 测定外液 测定外液 或重量变化 比重变化 浓度变化 电导变化 适用材料 块茎、块根 叶片或 叶片或 叶片或 和果实 碎的组织 碎的组织

17、碎的组织,三、水势的测定,1、w的测定方法,小液流法,组织体积法,压力室法 是一种快速简便测定枝条、完整叶水势的方法。,3、p测定 压力探针=微注射器+压力传感器,2、s测定,冰点降低法 Tf=KfM，M为溶质的摩尔浓度。 水的Kf =1.86(/M),质壁分离法 根据质壁分离法可以解决以下几个问题： 确定细胞是否存活 测定细胞的渗透势 观察物质透过原生质层的难易程度 常用溶剂：蔗糖、甘露醇、聚乙二醇,四、植物细胞对水分的吸收,细胞是否吸收水分决定于水势高低,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。,细胞壁 原生质膜 原生质 液泡膜 细胞液,植物细胞,半透膜 (选择透

18、性膜),1、扩散,是一种自发过程，是由于分子的随机热运动所造成的，物质从浓度高的区域向浓度低的区域移动的现象。细胞间或细胞内水分的迁移（短距离）,水分进入细胞的途径,指细胞膜或液泡膜上，可减少水分跨膜运输阻力，加快水分进出生物膜的一类蛋白质。 所有的活细胞均有水孔蛋白,不同的组织有不同的水孔蛋白。水分进出细胞约80%由水孔蛋白控制。,2、集流A 集流通过水孔蛋白来实施,Water channel proteins or aquaporins （水通道蛋白或水孔蛋白）,学生讲水孔蛋白,AQPs含6个跨膜-螺旋区段，其氨基末端和羧基末端均位于细胞质侧。,Aquaporins facilitate

19、the diffusion of water and small neutral solutes across plant cell membranes.。 The putative structure or an aquaporin monomer with six tilted membrane-spanning domains 。,H2O,H2O,Small neutral solutes,水孔蛋白的三维结构,是指液体中成群的原子或分子在压力梯度下共同移动。,水通道的开闭可有效地调节水分的跨膜运动，但水孔蛋白不是水泵，它只是通过减少水分跨膜运动的阻力而使水分顺水势梯度迁移的速率加快。,根

20、压和蒸腾拉力,是水分长距离运输的重要方式导管,集流B,第三节 根系吸水运输,一、根系吸水途经 二、根系吸水动力 三、影响根系吸水的土壤条件 四、植物体内水分的运输,第四节 蒸腾作用,一、蒸腾作用的意义 二、蒸腾作用的指标 三、气孔蒸腾 四、影响蒸腾作用的内外条件,一、蒸腾作用意义 1、是植物对水分吸收与运输的一个主要动力 2、促进植物对矿质盐类和其它各种溶解于水中 的物质在体内传导与分布 3、可以降低叶片的温度 4、有利于CO2的吸收和同化,水分从植物中散失到外界去的方式： 以液体状态跑出-吐水现象 以气体状态跑出-蒸腾作用 蒸腾作用 皮孔蒸腾 叶片蒸腾 角质蒸腾 气孔蒸腾,植物体内水分存在的

21、状态,植物体内不被亲水胶粒吸附，可以自由移动，可起溶剂作用的水分。,植物体内吸附在亲水胶粒周围或被困于大分子空间中，不能自由移动的水分。,自由水,束缚水,蛋白质亲水胶粒,溶液-胶体-悬浮液或混合物 胶体颗粒：1100nm，特点：表面积大,自由水/束缚水比例越高，自由水越多，原生质粘性越小，细胞的代谢越旺盛。,思考： 干旱时，自由水/束缚水是高还是低有利于抗旱？,水的生理作用,1、水是原生质的主要成分 2、水也是代谢作用过程的反应物质 3、水分是许多生化反应和植物对物质吸收和运输的溶剂 4、水分能保持植物固有姿态 5、由水特殊理化性质带来的作用,氢键健能：842Kj/mol(水分子间约为20)

22、离子键健能：5821004 Kj/mol 共价键键能一般低于离子键, 如O-O 138，C-O 351，O-H 460，C=C 607 Kj/mol 缔合是放热过程，离解是吸热过程。,名称 分子量 状态 名称 分子量 状态 甲烷 16 气体 正已烷 86 液体 乙烷 30 气体 正庚烷 100 液体 丙烷 44 气体 正辛烷 114 液体 正丁烷 58 气体 十九烷 268 固体 NH3 17 气体 CO2 44 气体 水 18 液体 (均指在室温下),A、比热：指单位质量的物质温度升高1所需热量。除液态NH3外，所有固态和液态物质中，水的比热最大，为4.187kj/kg。,B、汽化热：指一定

23、温度下单位质量的物质由液态变为气态所需的热量。25时水为2450kj/kg，是所知液态物质中最大。,C、内聚力：指液体状态下同类分子间具有的分子间引力。 D、粘附力：液体与固相间相互吸引力。 E、表面张力：缩小表面积的力。,F、介电常数：电介质中的电位移与电场强度之比。,G、有透光性,H、水的密度,蒸腾速率的测定： 植物离体部分的短期称重法、气体交换法、测定重量法。,二、蒸腾作用的指标,1、蒸腾速率 (transpiration rate),2、蒸腾效率 (transpiration efficiency),3、蒸腾系数 (transpiration coefficient),植物在一定时间单

24、位叶面积上所蒸腾的水量，g/m2.hr，一般白天15250，晚上在10以下。,又名蒸腾比率，植物消耗1公斤水所能形成的干物质克数，一般野生植物18克，作物210克。,或称需水量，植物制造1克干物质所需水分。一般1251000克，大部分作物在100500克。,三、气孔蒸腾 1、气孔分布与数量,气,上表皮型：浮水植物睡莲等 下表皮型：许多木本植物如苹果、桃、珊瑚树等 上下表皮型：大多数植物 禾谷类上下表皮的气孔数较为接近； 双子叶植物气孔多半分布于叶片的下表皮。,2、气孔扩散的小孔定律,小孔条件下面积、周长与水分扩散的关系 小孔直径(mm) 相对面积 相对周长 失水量(g) 相对失水量 2.64

25、1.00 1.00 2.655 1.00 0.95 0.13 0.36 0.928 0.35 0.35 0.01 0.13 0.364 0.14,水蒸汽经过小孔扩散的速度与小孔周长成比例，而不是和小孔面积成比例。 在边缘处，扩散分子相互碰撞机会少，因此扩散速率就比在扩散面的中间部分要快。,大孔扩散,小孔扩散,气孔一般在白天开放，晚上关闭。引起气孔开关运动的原因主要是保卫细胞(guard cells)的吸水膨胀和失水收缩。 Stomatal complex（气孔复合体）保卫细胞与邻近细胞或副卫细胞共同组成。,3、气孔运动,Guard cells actively take up K causin

26、g water to enter by osmosis. The guard cells walls are unevenly thickened causing the cells to bow as they becomes turgid,维纤丝定向图,保卫细胞,副卫细胞,保卫细胞的特点： 1、具有不均匀加厚的细胞壁 2、具微纤丝 3、具有多种细胞器：特别是含有叶绿体，能光合磷酸化合成ATP，能合成苹果酸；含有淀粉体；有丰富的线粒体(为叶肉细胞的510倍)。 4、体积小：膨压变化迅速,解释：淀粉磷酸化酶的活性、淀粉与糖的转化。 理由：保卫细胞有叶绿体，能光合作用。 淀粉白天下降，晚上增多。

27、 黄化苗光照下气孔也不开放。 不足：洋葱等保卫细胞无叶绿体，无淀粉； 糖与淀粉的转化速度慢，气孔开闭速度很快。,4、气孔运动的机理,淀粉糖转化学说,K+离子积累学说 苹果酸生成学说,K+离子积累学说 1968年，用电子探针、微量分析发现,保卫细胞,气孔开,气孔闭,外副卫细胞,内副卫细胞,气孔开放和关闭时的保卫细胞、副卫细胞K+和pH变化示意图,0.16,0.29,0.2,0.10,pH5.78,pH5.56,0.1,0.45,pH5.60,pH5.19,70年代初发现苹果酸水平与气孔开度有正相关性,苹果酸生成学说,2H+,CO2,苹果酸2-,PEP,淀粉磷酸化酶,淀粉,PEP羧激酶,K+,Cl

28、-,K+,K+,H+,H+,Cl-,Cl-,ATP,细胞质,质膜,光下,P21图1-9,液泡,尚待解决的问题： 1、气孔运动有一种内源节律。 2、同一片叶子两侧气孔对同一外界条件反应程度不一。 3、脱落酸施于叶子时，气孔关闭，说明与激素有关。 4、景天科植物气孔黑夜开放，白天关闭。,四、影响蒸腾作用的内外条件cting transpiration,1、光 光合作用 - CO2 pH 淀粉磷酸化酶催化 淀粉转化为葡萄糖，水势下降。 合成糖之类渗透性物质 光合磷酸化产生ATP，开动H+泵， 使H+ 外流，而K+ 进入保卫细胞。 使温度升高 水分子运动加快，易蒸发； 叶内外蒸汽压差增大，蒸腾更快。（

29、常叶温高210）,(一)、外部条件,2、温度 30 10 3、水 土壤含水量 大气含水量 4、二氧化碳 5、风 6、某些化学物质 脱落酸、乙酰水扬酸、醋酸苯汞、阿特拉津、敌草隆、-羧基磺酸等,1、气孔频度：气孔数/cm2 2、气孔大小 3、气孔下腔容积 4、气孔在表皮上位置 5、气孔开度,(二)内部条件,1、减少蒸腾面积 2、降低蒸腾速率 3、使用抗蒸腾剂 代谢型：脱落酸、阿特拉津 薄膜型：硅酮、胶乳、聚乙烯蜡、丁二烯丙酸 反射型：高岭土,(三)蒸腾作用的人工调节,第五节 合理灌溉的生理基础 Effective irrigation based on water physiology,一、作物

30、的需水量 植物类型： 不同作物的蒸腾系数 作物 玉米 高粱 大麦 水稻 菜豆 马铃薯 棉花 蒸腾系数 370 322 520 680 700 640 570,用最少量的水取得最大的效果,生长时期,苗期,分枝(蘖),开花结实期,成熟期,相对需水量,发育时期,禾谷类作物有两个水分临界期，即拔节期（相当于花分母细胞减数分裂到四分体时期）和灌浆期。,二、水分临界期(Critical period of water ),是指需水量不一定多，但植物对水分不足最敏感，最易受害的时期。,土壤指标：70%田间持水量 植物本身变化 形态指标：幼嫩茎叶凋萎、茎叶颜色转深变红、生长慢 生理指标：叶片水势、细胞汁液浓度、气孔开度等,三、灌溉指标,漫灌、喷灌、滴灌,四、灌溉方法,调亏灌溉,交替灌溉,