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第一章植物生理学第1页，本讲稿共47页本章重点和难点：v一、植物细胞对水分的吸收；v二、蒸腾作用与气孔开关机理；v三、灌溉与农业。第2页，本讲稿共47页第一节植物对水分的需要第一节植物对水分的需要一、植物的含水量一、植物的含水量1.不同植物含水量不同不同植物含水量不同水生中生旱生水生中生旱生苔藓含水量6%草本植物含水量70-85%莲含水量90%第3页，本讲稿共47页 2.同种植物生长在不同的环境中，其含水量也有差异。同种植物生长在不同的环境中，其含水量也有差异。3.同一植株不同器官、组织含水量不同同一植株不同器官、组织含水量不同 根尖、幼苗：根尖、幼苗：60-90%，树干：，树干：40-50%，干种子：，干种子：10-14%根60%90%种子10%14%新生旺盛衰老成熟新生旺盛衰老成熟4.同一器官不同生长期，含水量也不同同一器官不同生长期，含水量也不同前期后期前期后期第4页，本讲稿共47页二、植物体内水分存在的状态二、植物体内水分存在的状态自由水自由水束缚水束缚水蛋白质亲水胶粒蛋白质亲水胶粒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。第5页，本讲稿共47页水分在植物细胞内的存在状态常呈两种水分在植物细胞内的存在状态常呈两种:束缚水和自由水束缚水和自由水1 束缚水束缚水(bound water)bound water):是指靠近原生质胶体微粒并被胶粒吸是指靠近原生质胶体微粒并被胶粒吸附附 束缚而不易流动的水分。束缚而不易流动的水分。产生原因产生原因:原生质是一个由蛋白质大分子溶液形成的胶体系统，而原生质是一个由蛋白质大分子溶液形成的胶体系统，而 蛋白质由蛋白质由氨基酸组成氨基酸组成，H R C COOH 疏水基疏水基(在分子内部在分子内部在分子内部在分子内部)NH2 亲水基亲水基(在外部在外部在外部在外部)原生质胶体微粒具有显著的亲水性，其表面吸引着很多水分原生质胶体微粒具有显著的亲水性，其表面吸引着很多水分子，形成一层很厚的水层。水分子距离胶粒越近，吸附力越子，形成一层很厚的水层。水分子距离胶粒越近，吸附力越强。强。第6页，本讲稿共47页 自由水，参与各种代谢作用，其数量制约着植物的代谢强度，它的含自由水，参与各种代谢作用，其数量制约着植物的代谢强度，它的含量越大，代谢越旺盛。量越大，代谢越旺盛。束缚水，不参与代谢作用，但与植物的抗性大小密切相关束缚水，不参与代谢作用，但与植物的抗性大小密切相关。2 自由水自由水(free water)free water):是指距离原生质胶体微粒较是指距离原生质胶体微粒较 远而可以自由流动的水分。远而可以自由流动的水分。第7页，本讲稿共47页1 1、水分是细胞质的主要成分、水分是细胞质的主要成分2 2、水分是代谢过程的反应物质、水分是代谢过程的反应物质3 3、水分是植物对物质吸收和运输的溶剂、水分是植物对物质吸收和运输的溶剂4 4、水分能保持植物的固有的姿态、水分能保持植物的固有的姿态三、水分在植物生命活动中的作用三、水分在植物生命活动中的作用第8页，本讲稿共47页第二节植物细胞对水分的吸收第二节植物细胞对水分的吸收在植物的生命活动中，在植物的生命活动中，植物不断的从环境中吸收水分，植物不断的从环境中吸收水分，也不断的向环境中散失水分。也不断的向环境中散失水分。植物是如何从环境中吸收水分植物是如何从环境中吸收水分的呢？的呢？第9页，本讲稿共47页细胞吸水主要有三种方式细胞吸水主要有三种方式v一、扩散v二、集流v三、渗透作用第10页，本讲稿共47页 一、扩散一、扩散:以浓度为动力以浓度为动力,物质从浓度高的区域向浓度物质从浓度高的区域向浓度低的区域移动的现象。低的区域移动的现象。适合短距离迁移，水分子通过膜质双分子层进入细胞内属于扩散。第11页，本讲稿共47页 二、集流：液体中成群的原子或分子在压力梯度作用下共同移动。适合水分长距离运输，如水分在木质部中远程运输质膜水孔蛋白第12页，本讲稿共47页三、渗透作用（以压力和浓度两者为动力）三、渗透作用（以压力和浓度两者为动力）蔗糖溶液水经过一段时间压力（水势）半透膜液面上升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。第13页，本讲稿共47页v1植物细胞是一个渗透系统：植物细胞是一个渗透系统：质膜和液泡膜都是半透膜，同细胞质质膜和液泡膜都是半透膜，同细胞质和胞外环境组成了渗透系统和胞外环境组成了渗透系统三、渗透作用三、渗透作用第14页，本讲稿共47页细胞壁主要由纤维素分子组成，是一个水和溶质都可通过的细胞壁主要由纤维素分子组成，是一个水和溶质都可通过的透性膜。透性膜。可解决下列问题可解决下列问题:说明原生质是半透膜说明原生质是半透膜 判断细胞死活判断细胞死活 测细胞渗透势测细胞渗透势质壁分离附原件实验质壁分离附原件实验第15页，本讲稿共47页v2.水势：水势：溶液中每偏摩尔体积水的化学势差。它是水分转移溶液中每偏摩尔体积水的化学势差。它是水分转移本领大小的指标。本领大小的指标。w=(w-w)/w=w/w 水溶液的化学势水溶液的化学势 纯水的化学势纯水的化学势 水的偏摩尔体积水的偏摩尔体积三、渗透作用三、渗透作用偏摩尔体积：1mol水中加入1mol某溶液后，该1mol水所占的有效体积。第16页，本讲稿共47页v3.细胞水势组成细胞水势组成：w=s+P+m+g 渗透势渗透势 压力势压力势 衬质势衬质势 重力势重力势 渗透势：就是溶液的水势，是由于溶质颗粒的存在降低了水的自由能，渗透势：就是溶液的水势，是由于溶质颗粒的存在降低了水的自由能，其水势低于其水势低于 纯水的水势。纯水的水势。压力势：指由于细胞壁的存在产生压力而使细胞增加的水势。压力势：指由于细胞壁的存在产生压力而使细胞增加的水势。衬质势：是细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水束缚而引起水势降低衬质势：是细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水束缚而引起水势降低 的值。的值。重力势：是水分因重力下移而增加细胞水分自由能。重力势：是水分因重力下移而增加细胞水分自由能。三、渗透作用三、渗透作用第17页，本讲稿共47页不同类型细胞的水势组成不同类型细胞的水势组成vA.分生组织：分生组织：w=s+p+mvB.成熟细胞：成熟细胞：w=s+p 成熟细胞指已形成中央大液泡的细胞，这种细胞原生质被挤压为一薄层，因此，衬质势（成熟细胞指已形成中央大液泡的细胞，这种细胞原生质被挤压为一薄层，因此，衬质势（m）很小忽略。）很小忽略。vC.风干种子细胞的水势：风干种子细胞的水势：w=m 风干种子细胞原生质处于凝胶状态，没有溶液，即没有渗透势；膜风干种子细胞原生质处于凝胶状态，没有溶液，即没有渗透势；膜失去失去弹性，也弹性，也没有压力势，只有衬质势。没有压力势，只有衬质势。三、渗透作用三、渗透作用第18页，本讲稿共47页 一、根系吸水区域一、根系吸水区域 根系是陆生植物吸水的主要器官，根的吸水主要根系是陆生植物吸水的主要器官，根的吸水主要在在根尖根尖进行。在根尖中，以根毛区的吸水能力最大，进行。在根尖中，以根毛区的吸水能力最大，这是由于：这是由于：v 根毛区根毛较多，使吸水面积增大；根毛区根毛较多，使吸水面积增大；v 根毛细胞的外部由果胶质组成，粘性根毛细胞的外部由果胶质组成，粘性强，亲水性也强；强，亲水性也强；v 根毛区输导组织发达，对水分移动的阻力小。根毛区输导组织发达，对水分移动的阻力小。第三节植物根系对水分的吸收第三节植物根系对水分的吸收根毛区伸长区分生区第20页，本讲稿共47页二、根系吸水的途径二、根系吸水的途径v质外体途径：apoplast pathway 水分通过细胞壁、细胞间隙等扩散到植物体内部，速度快。v跨膜途径：transmembrane pathway 水分从一个细胞移动到另一个细胞，要两次经过质膜，故称跨膜途径（P15图1-6）。v共质体途径：symplast pathway 水分从一个细胞的细胞质经过胞间连丝，移动到另一个细胞的细胞质，移动速度较慢。第21页，本讲稿共47页二、根系吸水的途径二、根系吸水的途径细胞途径质外体途径第22页，本讲稿共47页vv两种：两种：根压根压和和蒸腾拉力蒸腾拉力1.根压：是指植物根系的生理活动使液流从根部上升的压力（叶片未展开时，是主要动力）。三、根系吸水的动力三、根系吸水的动力伤流吐水 证明根压存在的两种现象：第23页，本讲稿共47页v2.蒸腾拉力(主要动力)在蒸腾作用中，首先是气孔下腔细胞失水，水势降低，它就向相邻细胞吸水，使相邻细胞水势降低，这种水势降低作用通过一个个细胞传递到木质部导管，使导管水势降低，导管向根系吸水，使根系水势降低，产生吸水力。三、根系吸水的动力三、根系吸水的动力通常植物的吸水主要由蒸腾拉力引起,只有春季时植物叶片未展开时,蒸腾速率很低的植物,根压才成为主要吸水动力.第24页，本讲稿共47页四四 影响根系吸水的外界条件影响根系吸水的外界条件 土壤中的可用水土壤中的可用水(available water)根部有吸水能力根部有吸水能力,土壤有保水能力土壤有保水能力 土壤中的可用水与土粒粗细以及土壤胶体数量密切相关土壤中的可用水与土粒粗细以及土壤胶体数量密切相关 粗砂、细砂、砂壤、壤土和粘土粗砂、细砂、砂壤、壤土和粘土的可用水数量依次递减的可用水数量依次递减.第25页，本讲稿共47页 土壤通气状况土壤通气状况试验试验:用用CO2处理根部处理根部,可使幼苗的吸水减低可使幼苗的吸水减低 若通以空气若通以空气,则吸水量增加则吸水量增加.土壤通气不良会使根系吸水量减少土壤通气不良会使根系吸水量减少,这是因为这是因为:土壤缺乏氧气和土壤缺乏氧气和CO2浓度过高浓度过高,短期内可使细胞呼吸减弱短期内可使细胞呼吸减弱,影响根影响根压压,阻碍吸水阻碍吸水;若时间较长若时间较长,就会形成无氧呼吸就会形成无氧呼吸,产生和积累较多的酒产生和积累较多的酒精精,根系中毒受伤根系中毒受伤,吸水更少吸水更少.不同植物对土壤通气不良的忍受能力差异很大不同植物对土壤通气不良的忍受能力差异很大,如如 水稻、芦苇等在水分饱和的土壤中水稻、芦苇等在水分饱和的土壤中,生长发育正常进行生长发育正常进行 而番茄和烟草则会萎蔫甚至死亡而番茄和烟草则会萎蔫甚至死亡.第26页，本讲稿共47页 土壤温度 低温能降低根系的吸水速率,但温度过高对根系吸水也不利低温：低温：水和原生质粘度增加，水扩散速率下降，不易通过原生质；呼吸作用减弱，影响主动吸水；根系生长缓慢，有碍吸水表面的增加。高温：高温：根易木栓化，导水性下降。第27页，本讲稿共47页 土壤溶液的浓度土壤溶液的浓度 土壤溶液中含有一定的盐分,具有水势，根系细胞水势必须低于土壤溶液的水势，才能从土壤中吸水。化肥施用过量或过于集中时，可使土壤溶液浓度突然升高，阻碍根系吸水，产生烧苗现象。第28页，本讲稿共47页 水 土壤溶液 根毛 皮层薄壁细胞 木质部的导管和管胞 向上运输到茎木质 叶木质部 叶肉细胞 气孔下腔 气孔 大气五 植物体内水分的运输途径水分在木质部的长距离运输要比薄壁细胞快得多，为3-45cm/h第29页，本讲稿共47页 散失方式：1)以液体状态散失到体外（吐水现象）2)以气体状态散逸到体外（蒸腾作用）主要方式 植物吸收的水分植物吸收的水分用于代谢用于代谢散失散失1595%99%第30页，本讲稿共47页蒸腾作用蒸腾作用（transpiration）：）：水分以气态方式从植水分以气态方式从植物体的表面散失的过程物体的表面散失的过程。1 生理意义：a.水分吸收和运输的主要动力b.是矿质元素和有机物运输的动力c.降低叶温第四节蒸腾作用第四节蒸腾作用一、蒸腾作用的生理意义和部位第31页，本讲稿共47页 2 蒸腾作用的指标蒸腾作用的指标1 蒸腾速率:是指植物在单位时间内单位叶面积上蒸腾散失的水分,又称蒸腾强度.2 蒸腾比率:是指植物蒸腾1kg水时所形成的干物质的质量(g)。3 蒸腾系数:是指植物制造1g干物质所需水分(g),是蒸腾比率的倒数.第32页，本讲稿共47页 3 蒸腾作用发生部位蒸腾作用发生部位幼小植株：地上全部表面幼小植株：地上全部表面长大植株：茎枝表面形成木栓，这时茎枝上的皮孔可以蒸腾，我们称之为长大植株：茎枝表面形成木栓，这时茎枝上的皮孔可以蒸腾，我们称之为皮皮孔蒸腾孔蒸腾，但量甚微；绝大部分在，但量甚微；绝大部分在 叶片叶片 上进行上进行 叶片的蒸腾作用有叶片的蒸腾作用有两种方式两种方式,即即角质蒸腾角质蒸腾(5-10%)和和气孔蒸腾气孔蒸腾.气孔气孔蒸腾为只要形式。蒸腾为只要形式。第33页，本讲稿共47页二、气孔蒸腾 气孔是气体和水分交换的主要通道。气体和水分交换的主要通道。是植物叶片表皮组织的小孔，由成对的保卫细胞、副卫细胞或邻近细胞保卫细胞、副卫细胞或邻近细胞组成，构成气孔复合体。1.气孔的结构与特点vA.结构：vB.特点：保卫细胞壁有伸缩性，细胞体积能可逆性增大；内外壁厚度不同，并有纤维丝与胞壁相连。双子叶半月形单子叶哑铃形第34页，本讲稿共47页第35页，本讲稿共47页v2.气孔的运动及机制v气孔的运动吸吸水水失失水水单子叶植物吸水吸水失水失水双子叶植物影响气孔运动的因素：光、温度、co2第36页，本讲稿共47页气孔运动机制A.淀粉糖互变学说光合光合CO2减少减少PH升高升高淀粉磷酸化酶淀粉磷酸化酶淀粉淀粉葡萄糖葡萄糖水势降低水势降低白白天天吸水吸水气孔开放气孔开放淀粉 葡萄糖 PH=7PH=5关键：淀粉磷酸化酶的双重催化作用第37页，本讲稿共47页气孔运动机制A.淀粉糖互变学说光合停止光合停止CO2增加增加PH降低降低淀粉磷酸化酶淀粉磷酸化酶葡萄糖葡萄糖水势升高水势升高黒黒夜夜淀粉淀粉失水失水气孔关闭气孔关闭第38页，本讲稿共47页气孔运动机制B.K+离子泵学说ATP质子泵分解质子泵分解ATP细胞内细胞内K增多增多水势降低水势降低气孔开放气孔开放光合光合ATP增加增加白白天天胞外胞外H+增加增加 K内流通道开放内流通道开放H+泵出第39页，本讲稿共47页气孔运动机制B.k+离子泵学说黑黑夜夜光合停止光合停止ATP减少减少质子泵关闭质子泵关闭细胞内细胞内K减少减少水势增加水势增加气孔关闭气孔关闭胞内胞内H+增加增加 K外流通道开放外流通道开放第40页，本讲稿共47页二、气孔运动机理图解二、气孔运动机理图解-苹果酸代谢学说苹果酸代谢学说第41页，本讲稿共47页三、影响蒸腾的因素三、影响蒸腾的因素1.外界因素1）光照）光照叶温升高叶温升高内外蒸汽压内外蒸汽压增大增大蒸腾加快蒸腾加快气孔开放气孔开放气孔阻力气孔阻力变小变小蒸腾加快蒸腾加快2）空气湿度）空气湿度增强增强增大增大内外蒸汽压变小内外蒸汽压变小蒸腾变慢蒸腾变慢3）温度）温度升高升高内外蒸汽压增大内外蒸汽压增大蒸腾加快蒸腾加快4）风）风微风微风内外蒸汽压增大内外蒸汽压增大蒸腾加快蒸腾加快强风强风气孔关闭气孔关闭蒸腾变慢蒸腾变慢第42页，本讲稿共47页2内部因素内部因素 气孔频度气孔频度:既单位叶面积上的气孔数 气孔大小气孔大小:孔径大,则内部阻力小,蒸腾就快 叶面积和叶面内部面积：指内部暴漏的面积，指细胞间隙的面叶面积和叶面内部面积：指内部暴漏的面积，指细胞间隙的面积积第43页，本讲稿共47页第六节第六节 合理灌溉的生理基础合理灌溉的生理基础一作物的需水规律 1、不同作物对水分的需要量不同 2、同一作物不同生育期对水分的需要量不同以小麦为例,分析作物在不同生长发育时期对水分的需要:萌芽 分蘖期 抽穗期 开始灌浆 乳熟末期 完熟期 3、作物的水分临界期:是指植物在生命周期中对水分缺 乏 最敏感、最易受害的时期.第44页，本讲稿共47页二二 合理灌溉的指标合理灌溉的指标1 形态指标形态指标 茎叶萎蔫变形、茎叶变色2 生理指标生理指标 叶片细胞汁液的浓度、渗透势、水势和气孔开度等第45页，本讲稿共47页v三三 灌溉的方法灌溉的方法v 1 沟渠排灌沟渠排灌v 2 喷灌喷灌:利用喷灌设备将水喷到作物的上空成雾状,再落到作物或土壤中.v 3 滴灌滴灌:在地上或地表装上管道网络,让水分定时定量地流出到作物根系或其它器官附近.第46页，本讲稿共47页v作业 1 简述水分在植物生命活动中的作用?2 植物体内水分存在的状态有哪些,它们与代谢关系如何?3 水分进入细胞的途径有哪几种?4 蒸腾作用有什么生理意义?5 气孔的结构及生理特点有哪些?6 气孔开关机理的假说有哪些,并加以简要说明.第47页，本讲稿共47页