植物的水分生理理論講義(ppt 99頁).ppt

植物生理學(xué)PlantPhysiology,授課專業(yè)：生物科學(xué)授課教師：方元平swfyp,植物的水分生理,代謝:是維持生命各種活動(dòng)（如生長(zhǎng)、繁殖和運(yùn)動(dòng)）過程中化學(xué)變化（包括物質(zhì)合成、轉(zhuǎn)化和分解）的總稱。植物代謝的特點(diǎn)：簡(jiǎn)單有機(jī)物復(fù)雜有機(jī)物，為地球上最重要的自養(yǎng)生物。植物代謝的類別:性質(zhì)分:物質(zhì)代謝和能量代謝。方向分:同化(合成),異化(分解)。二者是密切聯(lián)系的對(duì)立統(tǒng)一.,第一篇植物的物質(zhì)生產(chǎn)和光能利用,第一章植物的水分生理,植物對(duì)水分的吸收、運(yùn)輸、利用和散失的過程，被稱為植物的水分代謝(watermetabolism)。,第一章植物的水分生理,第一節(jié)植物對(duì)水分的需要,一、植物的含水量,與植物種類，器官和組織本身的特性環(huán)境條件有關(guān)。,高(90%),低(6%),水生植物陸生植物,第一章植物的水分生理,第一節(jié)植物對(duì)水分的需要,一、植物的含水量,二、植物體內(nèi)水分存在的狀態(tài),原生質(zhì)含蛋白質(zhì),是膠體系統(tǒng),其疏水基(烷烴基,苯基)在內(nèi),親水基(-NH2、-COOH,-OH等)暴露分子表面。親水基水和作用親水性水分子水層。,第一章植物的水分生理,第一節(jié)植物對(duì)水分的需要,一、植物的含水量,二、植物體內(nèi)水分存在的狀態(tài),束縛水（boundwater）：靠近蛋白質(zhì)膠粒而被膠粒吸附不易自由移動(dòng)的水。自由水（freewater）：距離蛋白質(zhì)膠粒遠(yuǎn)而容易自由移動(dòng)的水。,第一章植物的水分生理,第一節(jié)植物對(duì)水分的需要,一、植物的含水量,二、植物體內(nèi)水分存在的狀態(tài),水的存在狀態(tài)與代謝強(qiáng)度：自由水：參與代謝（光合、呼吸、物質(zhì)運(yùn)輸），自由水含量越大，代謝越旺盛。束縛水：不參與代謝，可降低代謝強(qiáng)度，增強(qiáng)植物抵抗不良外界環(huán)境的能力。,第一章植物的水分生理,第一節(jié)植物對(duì)水分的需要,一、植物的含水量,二、植物體內(nèi)水分存在的狀態(tài),水與原生質(zhì)狀態(tài)：溶膠態(tài)（sol）：自由水多，膠體溶液狀態(tài)。凝膠態(tài)（gel）：自由水少，膠體近于固體狀態(tài)。如休眠種子。,第一章植物的水分生理,第一節(jié)植物對(duì)水分的需要,一、植物的含水量,二、植物體內(nèi)水分存在的狀態(tài),三、水分在生命活動(dòng)的作用,1、是原生質(zhì)的組成部分；（70-90%）2、是代謝過程的反應(yīng)物質(zhì)；3、植物對(duì)物質(zhì)吸收和運(yùn)輸?shù)娜軇?、保持植物固有姿態(tài)。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,吸水三種方式：擴(kuò)散集流滲透性吸水，前2種方式的組合。主要吸水方式,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,一、擴(kuò)散是一種自發(fā)過程，是指分子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)所造成的物質(zhì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域移動(dòng)。適合短距離運(yùn)輸，不適合長(zhǎng)距離遷徙。,二、集流是指液體中成群的原子或分子在壓力梯度下共同移動(dòng)。與濃度梯度無關(guān)?？梢蚤L(zhǎng)距離遷徙。實(shí)施：通過膜上水孔蛋白完成。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,一、擴(kuò)散,二、集流,三、滲透作用,是物質(zhì)依水勢(shì)梯度（濃度梯度和壓力梯度之和）而移動(dòng)。滲透是指溶劑分子通過半透膜而移動(dòng)的現(xiàn)象。需作功。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,三、滲透作用,（一）自由能和水勢(shì),物質(zhì)總能量=束縛能+自由能,束縛能：不能轉(zhuǎn)化用于作功。自由能：溫度恒定條件下用于作功。化學(xué)勢(shì)：一種物質(zhì)每摩爾的自由能?？珊饬课镔|(zhì)反應(yīng)和轉(zhuǎn)移所需要的能量。衡量水分反應(yīng)或轉(zhuǎn)移能量的高低，可用水勢(shì)表示。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,三、滲透作用,（一）自由能和水勢(shì),偏摩爾體積（partialmolalvolume）在一定溫度、壓力和濃度下，1mol水中加入1mol某種溶液后，該1mol水所占的有效體積。不同于純水的摩爾體積（Vw=18(m3/mol)。單位是m3mol-1。,第一章植物的水分生理,水勢(shì)（）的單位：,化學(xué)勢(shì)能量概念：?jiǎn)挝粸镴/mol=1N.m/mol。偏摩爾體積單位是m3mol-1。故（）單位為N/m2或Pa。,純水的水勢(shì)定為零，溶液中水的自由能低于純水，所以溶液的水勢(shì)為負(fù)值。如25下：純水為0MPa；Hoaglend氏培養(yǎng)液為-0.05Mpa；海水為-2.69MPa；1mol蔗糖液為-2.70MPa；1molKCl液為-4.5MPa。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,三、滲透作用,（一）自由能和水勢(shì),（二）滲透作用,1、蠶豆皮半透膜實(shí)驗(yàn),由滲透作用引起的水分運(yùn)轉(zhuǎn)：a.燒杯中的純水和漏斗內(nèi)液面相平；b.由于滲透作用使燒杯內(nèi)水面降低而漏斗內(nèi)液面升高。,1、蠶豆皮半透膜實(shí)驗(yàn),純水的化學(xué)勢(shì)規(guī)定為零，水中的溶質(zhì)會(huì)增加束縛能，降低水的自由能，所以溶液的化學(xué)勢(shì)均小于零，為負(fù)值。水分的移動(dòng)方向：水分由高水勢(shì)區(qū)域流向低水勢(shì)區(qū)域。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,2、滲透作用（osmosis),水分從水勢(shì)高的系統(tǒng)通過半透膜向水勢(shì)低的系統(tǒng)移動(dòng)的現(xiàn)象。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,三、滲透作用,（一）自由能和水勢(shì),（二）滲透作用,（三）植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng),細(xì)胞壁：透性膜，由纖維素分子組成。細(xì)胞膜，液泡膜，為半透膜。液泡內(nèi)的細(xì)胞液含有許多溶解在水中的物質(zhì)，具水勢(shì)。一個(gè)具有液泡的植物細(xì)胞，與周圍溶液構(gòu)成一個(gè)滲透系統(tǒng)。驗(yàn)證：質(zhì)壁分離現(xiàn)象和質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象,植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng),質(zhì)膜,液泡膜,細(xì)胞質(zhì),半透膜,（2）滲透系統(tǒng),（1）植物細(xì)胞結(jié)構(gòu),質(zhì)壁分離（plasmolysis）及質(zhì)壁分離復(fù)原（deplasmolysis）,質(zhì)壁分離：植物細(xì)胞液泡失水，使原生質(zhì)體和細(xì)胞壁分離的現(xiàn)象。質(zhì)壁分離復(fù)原：是其逆過程。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,三、滲透作用,（一）自由能和水勢(shì),（二）滲透作用,（三）植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng),（四）細(xì)胞的水勢(shì)決定細(xì)胞吸水的因素。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,三、滲透作用,（四）細(xì)胞的水勢(shì),1、細(xì)胞水勢(shì)的組成,w=+p+g,水勢(shì),滲透勢(shì),襯質(zhì)勢(shì),壓力勢(shì),1、細(xì)胞水勢(shì)的組成,滲透勢(shì)(osmoticpotential)亦稱溶質(zhì)勢(shì)(solutepotential),是由于溶質(zhì)顆粒的存在而降低的水勢(shì)值。是負(fù)值。植物細(xì)胞滲透勢(shì)因外界條件不同而異，溫帶植物為-1-2Mpa，旱生植物-10Mpa。,壓力勢(shì)(pressurepotential)P是指由于細(xì)胞壁壓力的存在而引起的細(xì)胞水勢(shì)增加的值。是正值。向外。細(xì)胞的原生質(zhì)體吸水膨脹，對(duì)細(xì)胞壁產(chǎn)生一種作用力（膨壓），引起細(xì)胞壁產(chǎn)生一種限制原生質(zhì)體膨脹的反作用力。,重力勢(shì)g是水分因?yàn)橹亓ο乱婆c相反力量相等時(shí)的力量。與水的高度、密度及重力加速度有關(guān)。水高1m，重力勢(shì)是0.01MPa。,1、細(xì)胞水勢(shì)的組成,滲透勢(shì)(osmoticpotential)亦稱溶質(zhì)勢(shì)(solutepotential),是由于溶質(zhì)顆粒的存在而降低的水勢(shì)值。是負(fù)值。,壓力勢(shì)(pressurepotential)P是指由于細(xì)胞壁壓力的存在而引起的細(xì)胞水勢(shì)增加的值。是正值。向外。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,三、滲透作用,（四）細(xì)胞的水勢(shì),1、細(xì)胞水勢(shì)的組成,w=+p+g,水分在細(xì)胞中水平移動(dòng)重力勢(shì)較小，可忽略。此時(shí),w=+p,適合于有液泡的細(xì)胞和細(xì)胞群。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,三、滲透作用,（四）細(xì)胞的水勢(shì),1、細(xì)胞水勢(shì)的組成,2、細(xì)胞水勢(shì)各組分與體積變化的關(guān)系,2、細(xì)胞水勢(shì)各組分與體積變化的關(guān)系,（1）圖解在細(xì)胞初始質(zhì)壁分離時(shí)(相對(duì)體積=1.0)，壓力勢(shì)為0，細(xì)胞水勢(shì)等于滲透勢(shì)，兩者都呈最小值(約-2.0MPa)。當(dāng)細(xì)胞吸水時(shí)，體積增大，細(xì)胞液稀釋，滲透勢(shì)增大(使它負(fù)得少一點(diǎn))，壓力勢(shì)增大，水勢(shì)也增大。當(dāng)細(xì)胞吸水達(dá)到飽和時(shí)(相對(duì)體積=1.5)，滲透勢(shì)與壓力勢(shì)的絕對(duì)值相等，但符號(hào)相反，水勢(shì)便為0，不吸水。,2、細(xì)胞水勢(shì)各組分與體積變化的關(guān)系,（1）圖解,（2）壓力勢(shì)負(fù)值產(chǎn)生的原因當(dāng)細(xì)胞劇烈蒸騰時(shí)，細(xì)胞表面蒸發(fā)失水多于原生質(zhì)蒸發(fā)失水，所以原生質(zhì)體不會(huì)脫離細(xì)胞壁，細(xì)胞壁便隨著原生質(zhì)體的收縮而收縮，壓力勢(shì)從正值變?yōu)樨?fù)值，失水越多，壓力勢(shì)越負(fù)。,第一章植物的水分生理,第二節(jié)植物細(xì)胞對(duì)水分的吸收,三、滲透作用,（一）自由能和水勢(shì),（二）滲透作用,（三）植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng),（四）細(xì)胞的水勢(shì),（五）細(xì)胞間的水分移動(dòng),第一章植物的水分生理,（五）細(xì)胞間的水分移動(dòng),從水勢(shì)高的細(xì)胞自發(fā)地向水勢(shì)低的細(xì)胞移動(dòng),第一章植物的水分生理,（五）細(xì)胞間的水分移動(dòng),水勢(shì)梯度：當(dāng)有多個(gè)細(xì)胞連接在一起時(shí)，如果一端的細(xì)胞水勢(shì)較高，另一端水勢(shì)較低，順次下降形成水勢(shì)梯度。植物器官之間水分流動(dòng)依據(jù)的規(guī)律：水分由水勢(shì)高的流向水勢(shì)低的。不同的細(xì)胞或組織的水勢(shì)變化很大。細(xì)胞水勢(shì)高低說明細(xì)胞水分充足與否，可作為作物灌溉是否適宜的指標(biāo)。,第一章植物的水分生理,第三節(jié)根系對(duì)水分的吸收,根系植物吸水的主要器官。根尖根吸水的主要部位。根毛區(qū)吸水能力最大的區(qū)域。,根毛區(qū)吸水能力最大的原因：1、有很多根毛，擴(kuò)大了吸收面積；2、根毛細(xì)胞壁外部由果膠物質(zhì)組成，粘性強(qiáng)，親水性也強(qiáng)，有利于與土壤顆粒粘著和吸水；3、根毛區(qū)的輸導(dǎo)組織發(fā)達(dá)，對(duì)水分的移動(dòng)阻力小。,第一章植物的水分生理,第三節(jié)根系對(duì)水分的吸收,一、根系吸水的途徑,1、質(zhì)外體途徑：指水分通過細(xì)胞壁、細(xì)胞間隙等沒有原生質(zhì)的部分移動(dòng)。速度快。2、跨膜途徑：指水分從一個(gè)細(xì)胞移動(dòng)到另一個(gè)細(xì)胞，要兩次經(jīng)過質(zhì)膜，此途徑只跨過膜而不經(jīng)過細(xì)胞質(zhì)，所以稱為跨膜途徑。3、共質(zhì)體途徑：指水分從一個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)經(jīng)過胞間連絲，移動(dòng)到另一個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)。速度慢。途徑2、3統(tǒng)稱為細(xì)胞途徑。三者共同作用，使根系吸水。,共質(zhì)體和質(zhì)外體途徑,注意：根內(nèi)皮層上的凱氏帶，使水分只能通過內(nèi)皮層的原生質(zhì)體。使內(nèi)皮層具有障礙物的作用。,植物細(xì)胞間胞間連絲,第一章植物的水分生理,第一章植物的水分生理,第三節(jié)根系對(duì)水分的吸收,一、根系吸水的途徑,二、根系吸水的動(dòng)力,被動(dòng)吸收過程：蒸騰拉力主動(dòng)吸水過程：根壓,第一章植物的水分生理,第三節(jié)根系對(duì)水分的吸收,一、根系吸水的途徑,二、根系吸水的動(dòng)力,（一）根壓,植物根系的生理活動(dòng)使液流從根部上升的壓力。,根系吸水過程：根壓將水壓向地上部，土壤的水分補(bǔ)充根部。為主動(dòng)吸水。,第一章植物的水分生理,根壓證明,1、傷流現(xiàn)象：從受傷或折斷的植物組織溢出液體的現(xiàn)象。流出的汁液稱傷流液。,第一章植物的水分生理,根壓證明,1、傷流現(xiàn)象：從受傷或折斷的植物組織溢出液體的現(xiàn)象。流出的汁液稱傷流液。,2、吐水現(xiàn)象：沒有受傷的葉片尖端或邊緣向外溢出液滴的現(xiàn)象，稱為吐水。,第一章植物的水分生理,第三節(jié)根系對(duì)水分的吸收,一、根系吸水的途徑,二、根系吸水的動(dòng)力,（一）根壓,（二）蒸騰拉力,第一章植物的水分生理,（二）蒸騰拉力,葉片蒸騰時(shí)，氣孔下腔附近的葉肉細(xì)胞因蒸騰失水而水勢(shì)下降，所以從旁邊細(xì)胞取得水分。同理，旁邊細(xì)胞又從另一個(gè)細(xì)胞吸水，如此下去，便從導(dǎo)管要水，最后，根部就從環(huán)境吸收水分。這種吸水完全是蒸騰失水而產(chǎn)生的蒸騰拉力所引起，是由枝葉形成的力量傳到根部而引起的被動(dòng)吸水。通常蒸騰植物的吸水主要是由蒸騰拉力引起的。,第一章植物的水分生理,第三節(jié)根系對(duì)水分的吸收,一、根系吸水的途徑,二、根系吸水的動(dòng)力,三、影響根系吸水的環(huán)境因素,三、影響根系吸水的環(huán)境因素,1、土壤中的可利用水分,根部有吸水的能力，而土壤也有保水的能力(土壤中膠體能吸附一些水分，土壤顆粒表面也吸附一些水分)。,根部吸水能力土壤保水能力，吸水根部吸水能力水的重力1.溫帶植物中，木質(zhì)部導(dǎo)管中維持-0.5至-2.5MPa的梯度即可滿足水分快速蒸騰所需的拉力；2.樹根部水勢(shì)遠(yuǎn)高于樹冠水的內(nèi)聚力水的張力據(jù)測(cè)定，20時(shí)純水可抵抗-25至-30MPa的拉力，為銅的抗張力的10，1