植物水分關(guān)系測定

植物水分關(guān)系測定法《高級植物生理實(shí)驗(yàn)技術(shù)》（理論部分之一）幾種常用水分指標(biāo)的測定

植物組織含水量的測定

植物組織中自由水和束縛水含量的測定

植物組織滲透勢的測定

植物組織水勢的測定

植物細(xì)胞壓力勢的測定第一節(jié)植物組織含水量測定測定原理：水分遇熱蒸發(fā)，可用加熱烘干的方法測定。表示指標(biāo)：鮮重％＝((FW–DW)/FW)×100％干重％＝((FW–DW)/DW)×100％相對含水量％=(FW-DW)/(SW-DW)×100％式中：FW—鮮重；DW—干重；

SW—水飽和鮮重（植物材料吸水飽和后的重量）

一、植物組織含水量的測定

測定方法：取下的植物材料立即稱重得鮮重（freshweight,FW）；將植物材料放入水中，吸水飽和后稱重得飽和鮮重（saturatedweight,SW）；將植物材料用105℃5～10分鐘殺死，80℃烘干，稱重，得干重（dryweight,DW）。1-RWC（％）=水分飽和虧（%）二、植物組織中自由水和束縛水含量的測定

基本原理：

植物組織中的水分是由自由水與束縛水兩部分組成的。束縛水不易蒸發(fā)和結(jié)冰，不能作為溶劑，也不易被奪取。所以，當(dāng)植物組織被浸入較濃的糖溶液中脫水時(shí)，一定時(shí)間后,未被奪取的水分即為束縛水，而被奪取的水分作為自由水。自由水的量可根據(jù)糖溶液濃度的降低量來計(jì)算。

束縛水含量％＝組織含水量％－組織自由水含量％

第二節(jié)植物組織水勢的測定測定方法液相平衡法,如小液流法和稱重法

氣相平衡法,如露點(diǎn)法、蒸氣壓滲透壓計(jì)法

壓力平衡法，如壓力室法一、液相平衡法測定水勢的基本原理

（如小液流法和稱重法）

當(dāng)植物組織與外液接觸時(shí)，如果植物組織的水勢低于外液的滲透勢（溶質(zhì)勢），組織吸水，重量增大而使外液濃度變大；反之，則組織失水，重量減小而外液濃度變??；若兩者相等，則水分交換保持動態(tài)平衡，組織重量及外液濃度保持不變。將植物組織浸在不同濃度（滲透勢）的溶液中，達(dá)到水分平衡后，根據(jù)組織重量和外液濃度的變化情況，即可確定與植物組織等水勢的溶液濃度。然后根據(jù)公式計(jì)算出溶液的滲透勢，即為植物組織的水勢。溶液滲透勢的計(jì)算：ψS=-iCRT式中：ψS—溶液的滲透勢，以MPa為單位；

R—?dú)怏w常數(shù)，為0.008314MPa·L·mol-1·K-1；

T—絕對溫度。即273+t℃；

C—溶液的質(zhì)量摩爾濃度，以mol·kg–1·H2O為單位，用m表示；

i－為溶液的等滲系數(shù)，如CaCl2可用2.6。

iC稱為滲摩爾濃度，指溶液中各種顆粒濃度之和。二、壓力室法測定植物組織水勢（后面詳細(xì)講測定技術(shù)）

植物葉片通過蒸騰作用不斷地向周圍環(huán)境散失水分，產(chǎn)生蒸騰拉力。導(dǎo)管中的水分由于“內(nèi)聚力”的作用而形成連續(xù)的水柱。因此，對于蒸騰著的植物，其導(dǎo)管中的水柱由于蒸騰拉力的作用，承受著一定的張力或負(fù)壓，使水分連貫地向上運(yùn)輸。當(dāng)葉片或枝條被切斷時(shí)，木質(zhì)部中的液流由于張力解除迅速縮回木質(zhì)部。將葉片裝入壓力室鋼筒，葉柄切口朝外，逐漸加壓，直到導(dǎo)管中的液流恰好在切口處顯露時(shí)，所施加的壓力正好抵償了完整植株導(dǎo)管中的原始負(fù)壓。這時(shí)所施加的壓力值（通常稱為“平衡壓”）將葉片中的水勢提高到相當(dāng)于開放大氣中的導(dǎo)管中液體滲透勢ψs（sap）的水平。由于通過導(dǎo)管汁液的滲透勢常接近于零（活性溶質(zhì)含量很低），因此，有下式成立：基本原理式中：

P:平衡壓（正值）；

ψw:葉片或枝條的水勢（負(fù)值）；

ψs:木質(zhì)部汁液的滲透勢。P+ψw=ψs≈0→ψw=-P基本原理（續(xù)）WebFigure3.5.C

Thepressurechambermethodformeasuringplantwaterpotential.Thediagramatleftshowsashootsealedintoachamber,whichmaybepressurizedwithcompressedgas.Thediagramsatrightshowthestateofthewatercolumnswithinthexylematthreepointsintime:(A)Thexylemisuncutandunderanegativepressure,ortension.(B)Theshootiscut,causingthewatertopullbackintothetissue,awayfromthecutsurface,inresponsetothetensioninthexylem.(C)Thechamberispressurized,bringingthexylemsapbacktothecutsurface.第三節(jié)細(xì)胞壓力勢的測定

利用微氣壓計(jì)（micromanometer）技術(shù)，美國賓夕法尼亞大學(xué)的PaulGreen首先發(fā)明了一種直接檢測植物細(xì)胞膨壓的技術(shù)。

用一個(gè)充滿空氣的玻璃管，一端密封，插入到細(xì)胞中。細(xì)胞中的高壓(膨壓)壓縮玻璃管中截留的空氣。根據(jù)體積的變化，通過理想氣體常數(shù)，可以很容易計(jì)算細(xì)胞的壓力（壓力×體積＝常數(shù)）。

這種方法適用于體積較大的細(xì)胞，如綠藻的巨型細(xì)胞。對于小的細(xì)胞，細(xì)胞汁液從細(xì)胞流向玻璃管后足以使細(xì)胞收縮，從而造成人為的壓力降低。WebFigure3.5.E

Useofthemicromanometer,apressureprobe,tomeasurecellturgorpressure.Nitellacells(whichareparticularlylarge—about100mmindiameterandmanycentimeterslong)wereusedforthesemeasurements.壓力探針法(Pressureprobe)測定細(xì)胞的壓力勢

對于高等植物，細(xì)胞的體積比綠藻要小幾個(gè)數(shù)量級，德國的ErnestSteudle發(fā)明一種更加實(shí)用的裝置——壓力探針。這種裝置比微型注射器小。用一根玻璃毛細(xì)管拉成很小的一個(gè)尖端，插入一個(gè)細(xì)胞。毛細(xì)管中充滿硅油，它是一種相對非壓縮的液體，這種液體在顯微鏡下很容易與細(xì)胞液分辨開來。WebFigure3.5.F

Diagramofthesimplestpressureprobe(nottoscale).TheprimaryadvantageofthismethodovertheoneshowninWebFigure3.5.Eisthatcellvolumeisminimallydisturbed.Minimaldisturbanceisofgreatimportanceforthetinycellsthataretypicalofhigherplants,inwhichlossofevenafewpicoliters(10–12L)offluidcansubstantiallyreduceturgorpressure.壓力探針法(Pressureprobe)測定細(xì)胞的壓力勢

當(dāng)玻璃毛細(xì)管的尖端插入到細(xì)胞中時(shí)，細(xì)胞汁液開始流向毛細(xì)管，因?yàn)殚_始時(shí)毛細(xì)管中為低壓，在顯微鏡下可以觀察到這一現(xiàn)象。通過推動活塞施加一種壓力，使細(xì)胞汁液返回細(xì)胞，來阻止這一現(xiàn)象。通過這種方式，油與細(xì)胞汁液的分界線可以退回到毛細(xì)管的尖端。當(dāng)邊界退回到毛細(xì)管尖端，并且保持穩(wěn)定后，細(xì)胞的原始體積恢復(fù)，細(xì)胞內(nèi)部的壓力正好平衡毛細(xì)管的壓力。

這種壓力通過壓力檢測探頭檢測，這樣直接測定單個(gè)細(xì)胞的靜水壓力。

這種方法可以用于檢測各種植物的離體和連體組織的壓力勢以及多種水分參數(shù)。這一方法的限制因素是：（1）一些細(xì)胞太小不容易檢測。（2）另外，一些細(xì)胞在毛細(xì)管穿刺后發(fā)生滲漏，還有的發(fā)生毛細(xì)管尖端的阻塞，影響正常測定。（3）但是，關(guān)鍵的技術(shù)問題的氣穴現(xiàn)象限制負(fù)壓力勢的測定。

這種壓力探針還可以測定木質(zhì)部的壓力勢正值或者負(fù)值。壓力探針法測定細(xì)胞的壓力勢第四節(jié)植物組織滲透勢的測定測定方法質(zhì)壁分離法測定基態(tài)滲透勢冰點(diǎn)降低法測定滲透勢蒸汽壓滲透壓計(jì)測定水勢與滲透勢露點(diǎn)微伏壓計(jì)測定組織水勢與滲透勢植物組織滲透勢的測定溶液依數(shù)性平衡法（一）質(zhì)壁分離法測定細(xì)胞基態(tài)滲透勢基本原理：

將植物組織放入一系列不同濃度的蔗糖溶液中，經(jīng)過一段時(shí)間，植物細(xì)胞與蔗糖溶液間將達(dá)到滲透平衡狀態(tài)。如果在某一溶液中細(xì)胞脫水達(dá)到平衡時(shí)，剛好處于臨界質(zhì)壁分離狀態(tài)，則細(xì)胞的壓力勢ψp下降為零。此時(shí)細(xì)胞液的滲透勢ψs等于外液的滲透勢ψs0，即ψs=ψs0，此溶液稱為該組織的等滲溶液，其濃度稱為該組織的等滲濃度。因此，只要測出植物組織的等滲濃度，即可計(jì)算出細(xì)胞液的滲透勢ψs。（一）質(zhì)壁分離法測定細(xì)胞基態(tài)滲透勢基本原理（續(xù)）：

實(shí)際測定時(shí)，由于臨界質(zhì)壁分離狀態(tài)難以在顯微鏡下直接觀察到，故通常以初始質(zhì)壁分離作為判斷等滲濃度的標(biāo)準(zhǔn)。處于初始質(zhì)壁分離狀態(tài)的細(xì)胞體積比吸水飽和時(shí)略小，故細(xì)胞液濃縮，而滲透勢略低于吸水飽和時(shí)的滲透勢，此種狀態(tài)下的滲透勢稱基態(tài)滲透勢。溶液的依數(shù)性（colligativeproperties）

溶液的依數(shù)性（colligative）是指這種特性依賴于溶解在溶液中的粒子數(shù)量，而與各種溶質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。例如，由于溶質(zhì)的存在，使溶液的蒸汽壓、冰點(diǎn)和露點(diǎn)降低，而沸點(diǎn)提高。溶液越濃，這種變化越大。這些特性與溶質(zhì)的特異性無關(guān)。如：一個(gè)小金屬離子與一個(gè)大糖分子的依數(shù)性相同。冰點(diǎn)是溶液的依數(shù)性之一，隨著溶質(zhì)的濃度增加冰點(diǎn)降低。例如，濃度（iC）為1mol/Kg的溶液，其冰點(diǎn)為-1.86℃，而純水的冰點(diǎn)為0℃。

1.86為水的摩爾冰點(diǎn)下降常數(shù)。（二）冰點(diǎn)下降法測定組織汁液滲透勢（二）冰點(diǎn)下降法測定組織汁液滲透勢基本原理：

根據(jù)拉烏爾冰點(diǎn)下降原理，任何溶液，如果其單位體積中溶解的溶質(zhì)顆粒（分子和離子）總數(shù)目相同時(shí)，則引起溶液冰點(diǎn)下降的數(shù)值也相同。1mol的任何非電解質(zhì)溶解于1000g水中，則使水的冰點(diǎn)由0℃下降至–1.857℃；而1mol的電解質(zhì)溶于1000g水中，其冰點(diǎn)下降值為離解離子與未離解的總物質(zhì)的量(mol)乘以1.857。因此，欲求某一溶液的溶質(zhì)顆粒濃度（iC），可先測其冰點(diǎn)下降值，然后按式算出：OS=Δt/1.857.式中：

OS—1000g水中所溶解的溶質(zhì)顆粒數(shù)目，即質(zhì)量滲（透）摩爾濃度（iC）；

Δt—冰點(diǎn)下降值（℃）；

1.857—水的摩爾冰點(diǎn)下降常數(shù)。（二）冰點(diǎn)下降法測定組織汁液滲透勢基本原理（續(xù)）：

溶液的冰點(diǎn)下降值可用冰點(diǎn)滲透壓計(jì)測定。該儀器以高靈敏度感溫元件測量冰點(diǎn)，并轉(zhuǎn)換為滲透摩爾濃度單位（OSmol＝iC）輸出。冰點(diǎn)是指溶液的固態(tài)和液態(tài)處于平衡狀態(tài)下的溫度。但是，通常水溶液從液態(tài)向固態(tài)冷卻變化的過程中，溫度雖已達(dá)到甚至低于冰點(diǎn),而不發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象，這稱之為“過冷現(xiàn)象”。處于過冷狀態(tài)下的液體極不穩(wěn)定，任一擾動便可“觸發(fā)”其立刻結(jié)晶而變?yōu)楣虘B(tài)，釋放出“晶化熱”，這種熱量會使過冷的溶液在冰晶形成瞬間產(chǎn)生溫度回升現(xiàn)象。（二）冰點(diǎn)下降法測定組織汁液滲透勢基本原理（續(xù)）：上述過程，可用“結(jié)冰曲線”來描述（二）冰點(diǎn)下降法測定組織汁液滲透勢基本原理（續(xù)）：

從結(jié)冰曲線可以看出，過冷的溶液在結(jié)冰釋熱后，有一段溫度平穩(wěn)的時(shí)間，這段較平穩(wěn)的溫度即為溶液的冰點(diǎn)。

冰點(diǎn)滲透壓計(jì)可以測量冰點(diǎn)溫度，并將冰點(diǎn)下降值換算成溶液的滲透摩爾濃度單位（iC）輸出。OS=Δt/1.857

然后，根據(jù)公式（ψs=–iCRT）便可計(jì)算出溶液(細(xì)胞汁液)的滲透勢。三、露點(diǎn)法測定植物組織水勢和滲透勢（氣相平衡法測定水勢）基本原理：

將植物組織或者汁液密閉在體積很小的樣品室內(nèi)，經(jīng)過一定時(shí)間后，樣品室內(nèi)的空氣和植物樣品將達(dá)到溫度和水分的動態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)，氣體的水勢（以蒸汽壓表示，蒸汽壓與水勢有定量關(guān)系）與葉片的水勢（或者組織汁液的滲透勢）相等。因此，只要測定出樣品室內(nèi)的水蒸氣壓降低值，便可以知道植物組織的水勢（或者汁液的滲透勢）。由于空氣的蒸汽壓與其露點(diǎn)溫度具有嚴(yán)格的定量關(guān)系，儀器便可以通過測定樣品室內(nèi)的露點(diǎn)溫度而得知其蒸汽壓。

測定時(shí)，首先給熱電偶施加一個(gè)反向電流，使樣品室內(nèi)的熱電偶結(jié)點(diǎn)降溫（Peltier效應(yīng)），當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度降至露點(diǎn)溫度以下時(shí)，將有少量水凝結(jié)在結(jié)點(diǎn)表面，此時(shí)切斷反向電流，記錄熱電偶結(jié)點(diǎn)溫度變化（根據(jù)熱電偶的輸出電位）。開始時(shí)，結(jié)點(diǎn)溫度因熱交換平衡而很快上升；隨后，因表面水分蒸發(fā)帶走熱量，而使溫度保持在露點(diǎn)溫度，呈現(xiàn)短時(shí)間的恒穩(wěn)狀態(tài)；待結(jié)點(diǎn)表面水分蒸發(fā)完畢后，溫度將再次上升，直到恢復(fù)原來的溫度平衡。記錄恒穩(wěn)狀態(tài)的溫度（露點(diǎn)），便可將其換算成待測樣品的水勢或者滲透勢。露點(diǎn)微伏壓計(jì)測定露點(diǎn)溫度的工作原理：WebFigure3.5.A

Diagramillustratingtheuseofisopiesticpsychrometrytomeasurethewaterpotentialofaplanttissue.

基本原理：

當(dāng)植物組織放在空氣中，并與氣相達(dá)成動態(tài)水分交換平衡時(shí)，組織的水勢與氣體的水勢相等，氣相水勢與空氣相對濕度（或者相對水蒸汽壓）的關(guān)系如下：

式中：R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，VW是水的偏摩爾體積，P是系統(tǒng)的實(shí)際蒸汽壓，P0是純水的蒸汽壓。

將植物組織（或者細(xì)胞液）放在密閉小室中，平衡后，測定密閉系統(tǒng)中的RH，根據(jù)公式即可計(jì)算組織的水勢。ψW=lnaw=ln=lnRHRTVWRTVWpp0四、蒸汽壓滲透壓計(jì)測定組織水勢和滲透勢RTVW四、蒸汽壓滲透壓計(jì)測定組織水勢和滲透勢（續(xù)）

蒸汽壓方法的最大優(yōu)點(diǎn)是它不需要改變樣品的物理狀態(tài)。隨之而來的優(yōu)點(diǎn)還有：1、樣品用量少（10μl體積）；2、任何生物液體均可進(jìn)行常規(guī)測定，如血液、血清、血漿、尿、汗以及復(fù)雜的組織樣品等；3、樣品的物理特性，如粘度、粒子質(zhì)量、非勻相狀態(tài)等，在冰點(diǎn)下降法測定過程中都會引起早凍現(xiàn)象，但這些因素對蒸汽壓滲透壓計(jì)不會造成影響4、由于儀器的機(jī)械復(fù)雜程度小，測定具有很好的可靠性。注:儀器采用標(biāo)準(zhǔn)的國際單位：mmol/kg第五節(jié)滲透勢與水勢測定在逆境生理學(xué)中的應(yīng)用

（一）滲透調(diào)節(jié)能力的測定

在干旱、鹽漬、寒冷等條件下，植物細(xì)胞內(nèi)部主動積累一些小分子物質(zhì)，從而降低細(xì)胞液的滲透勢，降低水勢，增強(qiáng)吸水能力，保持膨壓和氣孔開放，維持光合作用。這種現(xiàn)象叫做滲透調(diào)節(jié)作用。積累的物質(zhì)叫做滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，主要有可溶性糖、游離氨基酸、K+、脯氨酸、甜菜堿等。研究發(fā)現(xiàn)，抗旱（抗冷、抗鹽）性不同的植物品種的滲透調(diào)節(jié)能力有差異，植物滲透調(diào)節(jié)能力的高低是鑒定植物抗旱性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。滲透調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的植物或者品種抗旱性強(qiáng)。（一）滲透調(diào)節(jié)能力的測定（續(xù)）

測定細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力的方法常用水飽和滲透勢法。進(jìn)行水飽和的目的，是為了消除在干旱過程中細(xì)胞體積變小造成的細(xì)胞液濃度升高。榨取汁液之前首先對干旱與正常條件下的細(xì)胞進(jìn)行水分飽和，然后榨取汁液，分別測定細(xì)胞液的飽和滲透勢，按下式計(jì)算滲透調(diào)節(jié)能力（osmoticadjustment,OA）：OA=ψ100S(T)-ψ100S(CK)

取細(xì)胞液時(shí)需要將細(xì)胞膜冰凍破損，然后榨取汁液。操作過程中，保證細(xì)胞液濃度不發(fā)生改變，是保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。組織表面水分的存在是影響測定結(jié)果的關(guān)鍵因素。?。。。ǘ毫κ襊-V技術(shù)的應(yīng)用

用壓力室測定組織水勢，以每次施加的壓力為縱坐標(biāo)，以相應(yīng)的體積為橫坐標(biāo)，制作的曲線即壓力－容積曲線（P-V曲線）。通過P-V曲線可以求得多種水分參數(shù)，利用這些參數(shù)可以推斷植物的水分關(guān)系狀況。這種技術(shù)稱為P-V技術(shù)。1.P-V曲線的基本原理（續(xù)）

具有大液泡的植物組織的水勢可用下式表示：ψW=ψS+ψP。當(dāng)植物組織因失水而發(fā)生萎蔫時(shí)，細(xì)胞的膨壓消失（ψP=0），這時(shí)細(xì)胞的水勢等于滲透勢（ψW=ψS）。

測定P-V曲線時(shí)，首先將植物材料進(jìn)行水飽和，稱鮮重（SW），以后在逐漸增大平衡壓力的過程中，將植物材料中的水分逐漸壓出來，并將水分稱重（FW＝SW－水重量）。這種情況類似于水飽和的植物組織因失水而轉(zhuǎn)向萎蔫狀態(tài)（壓力勢消失），直至嚴(yán)重脫水狀態(tài)。當(dāng)溶液中物質(zhì)顆粒數(shù)目（Ns）不發(fā)生變化時(shí)。體積與滲透勢之間的關(guān)系：

ψS1V1＝ψS2V2

實(shí)驗(yàn)證明，從木質(zhì)部壓出的植物汁液幾乎都是純凈的水。這表明植物細(xì)胞膜的半透性并未因加壓而受損，細(xì)胞中的溶質(zhì)也沒有隨水分的外滲而損失.1.P-V曲線的基本原理（續(xù)）?1.P-V曲線的基本原理（續(xù)）

根據(jù)Van’tHoff定律，溶液的滲透勢與溶解一定量溶質(zhì)的體積成反比。ψS＝－iCRTiC

=

Ns（1/V）ψS＝－RTNs（1/V）（1）式中：ψS

－溶液的滲透勢

V－溶液體積

T－絕對溫度

Ns－溶質(zhì)的滲摩爾數(shù)，操作適當(dāng)時(shí)應(yīng)保持不變。1.P-V曲線的基本原理（續(xù)）每次加壓過程中Ns不變。由（1）式得：ψSV＝－RTNs（2）由于R、T、Ns均為常數(shù)，三者的乘積也為常數(shù)，用K表示，這樣公式可以變?yōu)?ψS=K?(1/V)于是有：ψS1V1＝ψS2

V2

（3）

在水勢測定中，每次加壓測出的壓力值等于水勢的絕對值，即ψW＝-P，當(dāng)膨壓消失后，ψP＝0，所以，ψW＝ψS＝K?（1/V）（4）可見，當(dāng)植物組織發(fā)生萎蔫時(shí)，ψW與1/V的關(guān)系為直線關(guān)系。1.P-V曲線的基本原理（續(xù)）

實(shí)際應(yīng)用中，V常用相對含水量（RWC）來表示。充分飽和時(shí)RWC＝1，這樣，以RWC-1（=1/V）為橫坐標(biāo)，ψW為縱坐標(biāo)作圖，在膨壓消失后，ψW與RWC-1是一條直線。

在膨壓未消失前（ψP>0），隨著RWC的降低，ψW急劇降低，ψW與RWC-1不符合上述直線關(guān)系，因?yàn)棣譝=ψS+ψP，故：ψS＝ψW－ψP＝K?（1/V）（5）

ψW＝＝K?（1/V）＋ψP

（6）1.P-V曲線的基本原理（續(xù)）

由于ψP不是常數(shù)，它隨著RWC的增大急劇增大，因此，ψW