植物生长与环境4

1任务一植物的光合作用及应用2任务二植物的呼吸作用及应用3任务三植物体内有机物的代谢、运输与分配2任务一植物的光合作用及应用植物的光合作用光合作用是地球上规模最大的把太阳能转变为可贮存的化学能的过程，也是规模最大的将无机物合成有机物和从水中释放氧气的过程。它是生物界获得能量、食物以及氧气的根本途径，故被称为“地球上最重要的化学反应”。31.光合作用的概念光合作用是绿色植物利用光能，将二氧化碳和水合成有机物质，释放氧气，同时把光能转变为化学能贮藏在所形成的有机物中的过程。常以下面反应式表示CO2+H2O(CH2O)+O2绿色植物光能式中（CH2O）代表碳水化合物，光合作用的原料是二氧化碳和水，动力是光能，叶绿体是进行光合作用的场所，碳水化合物和氧气是光合作用的产物。42.光合作用的生理意义（1）把无机物转变成有机物（2）将太阳能转化为可贮存的化学能（3）维持大气中氧和二氧化碳的平衡53.光合作用的主要过程光合作用的实质是将光能转变成化学能光合作用的产物有碳水化合物、有机酸、氨基酸、蛋白质等根据能量转变的性质，可将光合作用分为三个阶段A.光能的吸收、传递和转换成电能，主要由原初反应完成B.电能转变为活跃的化学能，由电子传递和光合磷酸化完成C.活跃的化学能转变为稳定的化学能，由碳同化进行6反应阶段光反应暗反应反应步骤原初反应电子传递和光合磷酸化碳同化阶段（CO2的固定）能量转变部位叶绿体的类囊体膜上叶绿体的基质中能量转变形式光能（光量子）转变为电能(电子)电能转变为活跃的化学能活跃的化学能转变为稳定的化学能（糖类）形成产物氧气、ATP和NADPH2葡萄糖、蔗糖、淀粉表4-1光合作用中各种能量转变情况7原初反应和光合磷酸化在叶绿体的基粒片层上进行，需在有光条件下进行，又称光反应碳同化过程可以在光下，也可在黑暗中进行，称为暗反应，它是在叶绿体的基质中进行图4-1光反应和暗反应8（1）原初反应——指叶绿素色素分子对光能的吸收、传递与转换过程，发生在叶绿体的类囊体膜上，由光合单位完成，与温度无关。原初反应包括色素对光能的吸收光能在色素分子之间传递受光激发的叶绿素分子引起的电荷分离9光合单位是指结合在类囊体膜上进行光合作用的最小结构单位，由聚光色素系统和反应中心组成。反应中心由反应中心色素（P）、原初电子受体（A）和原初电子供体（D）组成。一个光合单位约由250-300个聚光色素分子组成，反应中心色素分子占1/250-1/300。原初反应是连续不断地进行的，必须经过一系列电子传递体传递电子，从最初电子供体到最终电子受体。高等植物最终电子供体是水，最终电子受体是NADP+。10图4-2电子传递示意图（2）电子传递和光合磷酸化经过原初反应，反应中心色素分子产生的高能电子经过一系列的电子传递，一方面引起水的光解释放氧气和NADP+还原；另一方面产生跨类囊体膜的质子动力势，促进光合磷酸化形成ATP，把电能转化为活跃的化学能。11高等植物的光合作用由2个光系统组成，分别称为光系统Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ（PSⅡ），它们都由各自的辅助色素、作用中心色素等组成。在叶绿体中两个光系统中发生光化学反应时，则是通过一系列的电子传递体将它们串联在一起，这条光反应的电子传递链称为光合链在电子传递过程中，一部分高能电子的能量被释放，其中一些能量推动ADP转化为ATP，称之为光合磷酸化作用。通过原初反应和电子传递便完成光能的转化过程，并贮存于ATP和NADPH2中，从而为二氧化碳同化、形成糖类创造了条件，因此ATP和NADPH2，也称为同化力。123）碳同化植物利用光反应中形成的NADPH和ATP将二氧化碳转化为稳定的碳水化合物的过程，称为二氧化碳同化或碳同化。①C3途径(卡尔文循环)二氧化碳的接受体是二磷酸核酮糖（RuDP）RuDP接受二氧化碳后，很快分解为磷酸甘油酸（PGA）PGA在同化力的作用下，再经一系列的变化形成葡萄糖、蔗糖和淀粉，另一些物质又转化为RuDP继续参加循环13图4-3C3途径14②C4途径二氧化碳接受体是磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），生成的第一个产物是草酰乙酸和苹果酸等以后草酰乙酸或苹果酸脱掉二氧化碳转化为丙酮酸，又进一步转化为PEP继续循环下去脱掉的二氧化碳则进入C3途径而被固定。从而C4循环为C3循环提供了碳源15图4-4C4途径16凡在光合作用中，仅以卡尔文循环来同化碳素，最初产物是三碳化合物（3-磷酸甘油酸），这种反应途径，称C3途径；循着这条途径进行光合作用的植物，称为C3植物凡在光合作用中，除了卡尔文循环以外，还有以四碳化合物（草酰乙酸）为最初产物的途径，称为C4途径，这类植物为C4植物由于C4途径比C3途径多了一个固定二氧化碳的循环，同时PEP羧化酶对二氧化碳的亲和力比RuDP羧化酶活性高50-60倍，因此第一个循环就为第二个循环提供了较高浓度的二氧化碳，故C4植物比C3植物的光合效率高171.活动目标掌握光合色素的提取、分离方法，能够熟练准确使用分光光度计测定植物叶绿素的含量。2.活动准备根据班级人数，按2人一组，分为若干组，每组准备以下材料具和用具：电子天平、研钵、漏斗、试管架、圆形滤纸（直径11cm）、带刻度试管（10-20mL各数支）、玻璃棒、剪刀、带软木塞的大试管（25cm×2.5cm）、长条滤纸、分光镜，移液管、比色杯、分光光度计、滤纸；95%乙醇、石英砂、碳酸钙粉、石油醚、色素推动剂（石油醚∶丙酮∶苯按10∶2∶1体积比例配制）、10%KOH-甲醇液、苯、丙酮、蒸馏水。活动一植物光合色素的提取、分离与叶绿素含量的测定183.相关知识叶绿体是光合作用的重要细胞器。叶绿体具有特殊构造，并含有多种色素，与其光合作用的机能相适应（1）光合色素的种类光合色素——指在光合作用反应中吸收光能的色素叶绿素包括叶绿素a（蓝绿色）、叶绿素b（黄绿色）类胡萝卜素包括胡萝卜素（橙黄色）和叶黄素（黄色）一般情况下，叶绿素/类胡罗卜素比例约为3∶1，所以正常情况下叶片总是呈现绿色19（2）光合色素的光学特性光合色素可吸收光能，但对各种不同波长的光吸收强度不同。叶绿素吸收光谱在可见光有2个最强吸收区：640-660nm的红光区和430-450nm的蓝紫光区。叶绿素对橙光、黄光吸收较少，对绿光吸收最少。类胡萝卜素只吸收蓝紫光（400-500nm），基本不吸收红光、橙光、黄光。叶绿素溶液在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色，这种现象称为叶绿素荧光现象。类胡萝卜素没有荧光现象。叶绿素除产生荧光外，当去掉光源后，用精密仪器还能测量到微弱的红光，这个现象称为磷光现象。20工作环节操作规程质量要求取样（1）取样方法。为保证样品的代表性，采样前确定采样点可根据地块面积大小，向阳性，选取有代表性的植株上成长的叶片（2）采样点确定。保证采样点“随机”、“均匀”，避免特殊取样。一般以5-6个点为宜（3）采样时间。同一植物同一叶片早上、中午、下午采样测得的结果有差异（4）在选定采样点上，先将5-6个点植株，然后在相同部位选取同类叶片相同面积的叶块，然后集中起来，混合均匀（1）选取无病虫、健壮的成长叶（2）每个采样点的选取是随机的，尽量分布均匀，每点采样量一致（3）将各点叶样均匀混合，提高样品代表性。采样点要避免采边上部位。样品具代表性，取样质量一致4.操作规程和质量要求21说成年叶片工作环节操作规程质量要求光合色素的提取（1）称样。用天平称取鲜菠菜叶10mg左右，剪碎放入研钵中（2）研磨。在研钵中加入5mL95%乙醇、少许石英砂、碳酸钙粉，研磨至糊状，再加入15mL95%乙醇，研磨搅拌均匀（3）提取。待乙醇液呈深绿色时，用漏斗和圆形滤纸过滤于20mL试管中，即为光合色素提取液（1）样品也可用干叶片分1-2g，不用研磨（2）研磨搅拌一定要均匀使各种色素充分溶入乙醇中（3）如果乙醇提取液需要保留几天，应放置在黑暗的地方22工作环节操作规程质量要求光合色素的纸上层析（1）滤纸处理。取优质滤纸剪成宽为、长为的长条滤纸，将其一端剪去两侧，中间留长约、宽约的窄条（2）加提取液。用玻璃棒取提取液轻轻点于窄条的上端中央，待风干后，在原处重复数次（3）纸上层析。取带软木塞的大试管，加色素推动剂或石油醚3-5mL，然后将上述长条滤纸用铁钩固定在软木塞上，挂于试管中，使窄条下部浸入推动剂中。将软木塞塞紧，直立于阴暗处（4）观察。0.5-1h后可观察各种色素上升到滤纸条的不同处。用铅笔标出各种色素的名称和位置，也可剪下不同的色素段，用溶剂洗下色素（1）滤纸一定要选用优质滤纸（2）加提取液直至斑点浓绿色为止（3）窄条滤纸上的涂色处不可触及推动剂（4）滤纸条上从下到上依次是叶绿素b、叶绿素a、叶黄素和胡萝卜素（5）纸上层析可把4种色素在滤纸上分离开23工作环节操作规程质量要求光合色素的萃取（1）稀释。取色素乙醇提取液2.5mL于20mL试管中，加入2.5mL95%乙醇稀释一倍，再加入1.5mL10%KOH-甲醇溶液充分摇匀（2）萃取。摇匀片刻后加入5mL苯，摇匀。再沿试管壁慢慢加入1.5mL蒸馏水，轻轻摇匀，并于试管架静置分层（3）观察。可看到溶液渐渐分为两层：上层是苯液，下层是乙醇和水溶液（1）色素萃取的目的是把叶绿素和类胡萝卜素在液体中分离出来。叶绿素遇碱皂化反应生成盐溶于水。类胡萝卜素只溶于有机溶剂中（2）分层后上层为黄色的胡萝卜素和叶黄素；下层为绿色的叶绿素荧光现象观察取一支20mL刻度试管加入5mL浓的光合色素乙醇提取液，在直射光下观察溶液的透射光和反射光颜色有何不同叶绿素在反射光下可看到红色的荧光，观察时要注意观察的角度24工作环节操作规程质量要求叶绿素含量的测定（1）称样。称取两份新鲜菠菜叶样，每份。一份置烘箱中烘干至恒重，称其重；一份供测定（2）制取丙酮提取液。把叶片剪碎置研钵中，加少量碳酸钙并加入4.5mL蒸馏水，研成匀浆，再加入20mL丙酮继续研磨到组织变白无绿色，把提取液倒入小烧杯中，加少量丙酮冲洗研磨一次，静止数分钟，用一层加丙酮湿润过的滤纸过滤，再用丙酮将滤纸上色素冲洗干净，定容至50mL容量瓶中，摇匀（3）比色测光密度。吸取丙酮提取液2mL，加80%丙酮2mL稀释后，倒入比色杯中，用分光光度计分别在波长645nm、663nm、652nm下测光密度，以80%丙酮为空白对照（1）烘干恒重称量精确到mg（2）分光光度计测定前要进行校正（3）测待测液3次，取其平均值25工作环节操作规程质量要求叶绿素浓度计算（1）叶绿素a含量可按下式计算：Ca＝663－645（2）叶绿素b含量可按下式计算：Cb＝645－663（3）叶绿素总量可按下式计算：CT＝645＋663CT＝A652×1000/34.5(1)A663、A645、A652分别为叶绿素溶液在波长663nm、645nm、652nm时的光密度（2）叶绿素总量为叶绿素a和叶绿素b含量的相加值叶绿素在叶片中含量计算叶绿素含量计算公式：叶绿素含量（占干重比例/%）＝(C×提取液总量×稀释倍数)/（样品干重×10）式中：C为叶绿素浓度，mg/L；提取液总量，mL；样品干重，mg绿色植物含有叶绿素，不同状态的叶片叶绿素含量不同；成年叶片叶绿素含量高，幼嫩、衰老的叶片叶绿素含量低；叶绿素分子吸收光能后不稳定，随时释放多余的能量265.问题处理（1）为什么说成年叶片叶绿素含量高，幼嫩、衰老的叶片叶绿素含量低？（2）为什么测定叶绿素含量要选用成年叶？271.活动目标了解影响光合作用的外部因素，能够熟练用改良半叶法测定植物的光合速率2.活动准备根据班级人数，按2人一组，分为若干组，每组准备以下材料具和用具：电子天平、称量瓶、烘箱、小烧杯、干燥器、打孔器、脱脂棉、锡纸或小塑料管，5%三氯乙酸（或0.1mol/L丙二酸）活动二植物光合速率的测定28植物光合作用测定仪3.相关知识衡量因素对光合作用影响程度的常用指标有光合速率(光合强度)——指单位时间、单位叶面积的二氧化碳吸收量或氧气的释放量，常用单位是CO2mg/dm2·h。光合生产率(同化率)——指单位时间、单位叶面积积累的干物质