第1章 水分生理ppt

第一章水分代谢第一节水在植物生活中的重要性第二节植物细胞对水分的吸收※第三节植物根系对水分的吸收※第五节蒸腾作用※第四节植物体内的水分运输第六节合理灌溉的生理基础没有水就没有生命“有收无收在于水”没有水就没有生命“有收无收在于水”没有水就没有生命“有收无收在于水”一、植物的含水量及其存在状态植物组织含水量一般为70%~90%。第一节水在植物生活中的重要性存在状态存在状态：束缚水和自由水束缚水（boundwater）：被原生质组分吸附，不能自由移动的水分。自由水（freewater）：不被原生质组分吸附，可自由移动的水分。自由水/束缚水是衡量植物代谢强弱和抗性的生理指标之一。亲水物质被吸附的水分子二、水对植物的生理生态作用生理作用：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、水是物质吸收、运输的良好介质4、水保持植物的固有姿态5、细胞的分裂和生长需要足够的水生态作用：1、调节植物体温高比热：稳定植物体温高汽化热：降低体温，避免高温危害介电常数高：有利于离子的溶解2、水对可见光有良好的通透性3、水可调节对植物的生存环境第二节植物细胞对水分的吸收※吸胀性吸水（未形成液泡的细胞）吸水方式代谢性吸水（直接耗能）渗透性吸水（具液泡细胞）一、细胞的渗透性吸水（一）自由能、化学势、水势的概念自由能（G）：物质能用于做功的潜在能量。化学势（μ）：每摩尔体积某物质的自由能。水势（waterpotential）：每偏摩尔体积水的化学势差。纯水的水势最高，定为0单位：ΔμJ/molN·m/molNΨw====Vw，mm3/molm3/molm2水势的单位是压强的单位，帕斯卡（Pa）、大气压（atm）、巴（bar）。1bar=105Pa=0.1MPa=0.987atmVw，m：偏摩尔体积，指在恒温恒压、其它组分不变的条件下，加入1摩尔的水所引起的体积增量。如：纯水的摩尔体积是18cm3,将其加入100cm3的乙醇中，最终体积是118.07cm3，水的偏摩尔体积是多少？（18.07cm3）几种常见化合物的水势溶液Ψw/Mpa纯水0Hoagland营养液-0.05海水-2.501mol·L-1蔗糖-2.691mol·L-1KCl-4.50（二）渗透作用渗透作用（osmosis）：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。纯水糖水半透膜植物细胞就是一个渗透系统成熟细胞的原生质层（原生质膜、原生质和液泡膜）相当于半透膜。液泡液、原生质层和细胞外溶液构成了一个渗透系统。质壁分离现象可以解决下列问题：1、说明原生质层是半透膜2、判断细胞死活3、测定细胞的渗透势4、观察物质通过细胞的速率。（三）植物细胞的水势构成※Ψw=Ψπ+Ψp+Ψm+ΨgΨπ:渗透势，也称溶质势（Ψs）由于溶质颗粒的存在而引起的水势降低值。恒为负值。Ψπ=-iCRTi:解离系数，C：溶质浓度R：气体常数，T：绝对温度Ψp：压力势，由于细胞壁压力的存在而引起的水势增加值。一般情况下，压力势为正值；质壁分离时，压力势为零；剧烈蒸腾时，压力势为负值。Ψm：衬质势，由于细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水的束缚而引起的水势降低值。恒为负值。未形成液泡的细胞有一定的衬质势（如干燥种子的可达-100MPa），已形成液泡的细胞衬质势很大，但绝对值很小（趋于零），可忽略不计Ψg:重力势，指水分因重力下移与相反力量相等时的力量。故为正值。Ψg以参比状态下水的高度、水的密度和重力加速度而定。水高1m时,Ψg为0.01MPa。由于水分在细胞内水平移动，与Ψs和Ψp相比，Ψg通常省略不计。故具有液泡的成熟细胞：Ψw=Ψπ+Ψp未形成液泡的细胞：Ψw=ΨmΨwΨsΨp0.91.01.11.21.31.41.5相对体积1.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5cell水势、溶质势、压力势/MPa植物细胞相对体积变化与Ψw、Ψπ和Ψp之间的相互关系（1）初始质壁分离时，V=1.0，Ψp=0，Ψw=Ψs=-2.0MPa（2）充分膨胀时，V=1.5，Ψw=Ψs+Ψp=0（3）剧烈蒸腾时，Ψp0（四）细胞间的水分移动（Ψw，Map）A-0.8B-0.6C-0.4（1）将细胞放入高水势溶液中：（2）将细胞放入低水势溶液中：（3）将细胞放入等水势溶液中:将一个细胞放入渗透势为-0.2MPa的溶液中达到动态平衡时，细胞的渗透势为-0.6MPa，细胞的压力势等于多少？：例如：有一为水分充分饱和的细胞，将其放入比细胞液浓度低100倍的溶液中，则其细胞体积（）A、变大B、变小C、不变假设一个细胞的渗透势为-0.8Mpa,将其放入渗透势为-0.3Mpa溶液中，请计算细胞的压力势为何值时才分别发生下列三种情况？1、细胞体积变大(ψp0.5，≥0)2、细胞体积变小(ψp0.5，≤0.8)3、细胞体积不变(ψp=0.5)二、细胞的吸胀吸水吸胀作用：指亲水胶体吸水膨胀的现象。不同物质分子吸胀力大小是：蛋白质淀粉纤维素干燥种子、根尖、茎尖分生细胞、果实和种子形成过程中靠吸胀吸水。细胞吸水饱和时ψm=0三、细胞的代谢性吸水代谢性吸水：利用细胞呼吸释放的能量使水分透过质膜进入细胞的过程。四、水分进入细胞的途径1、单个水分子通过膜脂双分子层的间隙进入细胞2、水集流通过质膜上水孔蛋白组成的水通道进入细胞水孔蛋白：是一类具有选择性地、高效转运水分的膜通道蛋白。•••••••••••••••水分子水通道类脂水分跨膜移动途径示意图◇水孔蛋白的活化依靠磷酸化和脱磷酸化作用调节。如依赖Ca2+的蛋白激酶可使其丝氨酸残基磷酸化，水孔蛋白的水通道加宽，水集流通过量增加。如除去此磷酸基团，则水通道变窄，水集流通过量减少。◇水孔蛋白广泛分布于植物各个组织。◇功能：依存在的部位不同而有所不同。▽维管束薄壁细胞中：可能参与水分长距离的运输，参与调节整个细胞的渗透势。▽根尖的分生区和伸长区中：有利于细胞生长和分化，▽分布于雄蕊、花药：可能与生殖有关第三节植物根系对水分的吸收※一、根系吸水的部位吸水的主要器官是根系，根吸水的主要部位是根尖，根尖吸水最活跃的部位是根毛区。二、根系吸水的途径植物组织可分为：质外体：包括壁、细胞间隙、及中柱内的木质部导管，不包括细胞质。对水分运输的阻力小。共质体：所有细胞的原生质体通过胞间连丝联系形成一连续的体系，对水分运输的阻力较大。根系吸水的途径：（1）质外体途径（2）共质体途径（3）跨膜途径三、根系吸水方式及其动力1、被动吸水—以蒸腾拉力为吸水动力蒸腾拉力：由于蒸腾作用产生的一系列水势梯度使导管中水分上升的力量。被动吸水是植物吸水的主要方式。2、主动吸水—以根压为吸水动力根压：由于植物根系的生理活动而使液流从根部沿导管上升的压力。伤流和吐水是由根压引起的。◆根压产生的机理◇根吸水过程：水分移动：质外体空间→内皮层细胞原生质层(共质体)→质外体空间(导管)。◇根压形成假说：▽渗透论：根系主动吸收的无机离子进入共质体达中柱内的活细胞。这样导管周围的活细胞在代谢过程中不断向导管分泌有机离子和有机物，使其水势下降，而附近细胞的水势较高。因而水分就不断通过渗透作用进入导管，依次向地上部分运输。这样就产生一种静水压力，即根压。▽代谢论：认为呼吸作用所产生的能量参与根系的吸水过程。当外界温度降低时、氧分压下降、呼吸作用抑制剂存在时根压、伤流或吐水会降低或停顿。三、影响根系吸水的因素1、土壤中的可用水分◆土壤中可利用的水分◇土壤水分▽重力水：在重力作用下可通过颗粒间空隙下降流失的水分。有害。▽毛细管水：保持在土壤颗粒间毛细管内的水分。可用。植物吸水的大部分来自它。▽束缚水：土壤颗粒、胶体所吸附的水合层中的水分。一般不能被吸收利用。◇土壤含水量：▽最大持水量：土壤中所有孔隙完全被水所占据时的土壤含水量，即饱合含水量。▽田间持水量：排除重力水而保留毛细管水时土壤含水量◇永久萎蔫系数（PWC）：植物刚发生永久萎蔫时土壤中存留的含水量◇土壤中可利用水=毛细管水—永久萎蔫系数。与土壤颗粒粗细、土壤胶体数量，作物种类等有关。2、土壤通气状况土壤通气不良:A、缺O2，呼吸减弱，影响根压；B、长时间无氧呼吸，根系中毒；C、土壤还原性物质过多，不利于根系生长与吸收。低温和高温均抑制根系吸水。4、土壤溶液浓度施肥过多产生“烧苗”现象。3、土壤温度第四节植物体内的水分运输一、水分运输的途径土壤水根毛根皮层根中柱鞘根导管茎导管叶柄导管叶脉导管叶肉细胞叶细胞间隙气孔下腔气孔大气水分在茎、叶部的运输途径：（1）经过死细胞（茎、叶部导管、管胞内的运输，阻力小，适于长距离运输）；（2）经过活细胞(叶脉木质部末端到气孔下腔叶肉细胞的运输，阻力大，不宜长距离运输）二、水分运输的速度：1.经过活细胞的运输：阻力大，流速小。0.1MPa下，10-3cm/h2.木质部的运输速度：因植物输导组织隔膜大小和环境条件而定。输导组织隔膜大小：环孔材：导管大而长，20-40m/h散孔材：导管短，1-6m/h裸子植物：只有管胞，0.6m/h草本植物：同环孔材。环境条件：白天与晚上，直射光与非直射光。三、水分沿导管或管胞上升的动力水分上升的动力：根压和蒸腾拉力导管内水柱连续不断的原因：蒸腾—内聚力—张力学说(也称内聚力学说)（1）水柱有张力，（0.5~3MPa）（2）水分子间有较大的内聚力（20Mpa），内聚力＞张力（3）导管壁对水分子有很强的附着力内聚力学说(cohesiontheory):叶片因蒸腾失水向导管或管胞吸水使导管或管胞的水柱产生张力，由于水分子内聚力大于水柱张力，保证水柱的连续性而使水分不断上升。这种以水分具有较大的内聚力保证由叶至根水柱不断来解释水分上升原因的学说。近几十年内对内聚力学说争议的两个焦点：水分上升是由也有活细胞的参与？小气泡在导管或管胞内形成空穴化，打起泡会堵塞管道，称为栓塞（embotiom），这些均会破化水柱的连续性。第五节蒸腾作用※植物吸收的水分只有1%-5%用于代谢，其余均散失到体外。一、蒸腾作用的生理意义失水方式：液态散失—吐水气态散失—蒸腾作用蒸腾作用（transpiration）：指植物体内的水分以气态方式从植物的表面向外界散失的过程。蒸腾作用的生理意义：1、有利于水分的吸收和运输蒸腾拉力是高大树木吸水的主要动力2、有利于矿物质和有机物的吸收和运输3、维持植物体温的恒定二、蒸腾作用的部位及指标（一）部位1、植物幼小时，地面以上的全部表面２、皮孔蒸腾—高大木本植物，约占全部蒸腾的0.1%3、叶片蒸腾（1）角质蒸腾—约占全部蒸腾的5%~10%（2）气孔蒸腾—主要方式（二）指标蒸腾速率（transpirationrate）：植物在一定时间内单位叶面蒸腾的水量。g/dm2·h。蒸腾比率或蒸腾效率：植物每消耗１㎏水所生产的干物质的克数。农作物为２～10g/㎏，野生植物1-8g/㎏。蒸腾系数或需水量：植物制造1g干物质所消耗的水量（g）。农作物为100～500g.g-1，野生植物125-1000g.g-1。三、气孔蒸腾（一）气孔的大小、数目及分布（二）经过气孔的蒸腾速率气孔面积一般不超过叶面积的1%，但通过气孔的蒸腾量却达到叶片同样面积的蒸发量的50%以上。经过小孔的扩散速率与孔的周长成正比,不与面积成正比。此规率叫小孔扩散率。（三）气孔运动引起气孔运动的主要原因是：保卫细胞的吸水膨胀或失水收缩保卫细胞特点：细胞体积小，并有特殊结构。外壁薄内壁厚，这有利于膨压迅速地改变。吸水时较薄的外壁易用于伸展，细胞向外弯曲，气孔张开。◇细胞壁中径向排列有辐射状微纤束与内壁相连，便于对内壁施加影响。◇细胞质中有一整套细胞器，且数目较多.◇叶绿体具明显的基粒结构，常有淀粉积累。淀粉是白天减少而夜晚增多。表皮细胞无叶绿体※（四）气孔运动的机理实质：渗透调节保卫细胞（1）淀粉—糖变学说pH7淀粉+nPi淀粉磷酸化EnG-1-PpH5▽白天CO2下降，pH上升到7.0，淀粉磷酸化酶催化正向反应，淀粉水解成糖，引起保卫细胞渗透势下降，水势降低，保卫细胞吸水而膨胀，因而气孔张开。▽黑暗中保卫细胞光合作用停止，呼吸仍进行，CO