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文檔簡介
植物的營養問題(NutritionofPlants)
土壤營養:Water,Mineralelements
空氣營養:Photosynthesis
(光合作用)有收無收在于水!why?1.1
Theimportanceofwaterinplants
1.2
Waterabsorptionbyindividualplantcell1.3
Waterabsorptionbywholeplant1.4
Watertransportationinplantbody1.5Transpiration1.6
PhysiologicalbasesofrationalirrigationChapter1WaterMetabolismofPlants為什么“有收無收在于水”?植物水分代謝的三個過程:吸收水分(cell)植物水分代謝的三個過程:吸收水分(plant)植物水分代謝的三個過程:水分在植物體內運輸植物水分代謝的三個過程:水分的排出(lose)怎樣合理灌溉(Irrigate)1.1Theimportanceofwaterinplants
1.1.1FunctionsofwaterinplantlifeLifeoriginatedfromsea.Nowater,nolife!MaincomponentoflivingplantcellVacuole(液泡)(90-95%)失水
干旱
代謝紊亂
原生質破壞
死亡Sameplantsunderdifferentenvironments: Shadeandwet?——Sunnyanddry?Differentorgansandtissuesofoneplant:Watercontentofdifferent
kindsofplant:
mango?——rice?Humanbody?Watercontentofplant:80-95%(differentplanttypes) Leaf?——Stem,dormantbud,matureseed?Freewater(自由水):距離膠粒較遠可以自由流動的水分。Statusofwaterinplant(canorcannotmovefreely).Why?Boundwater(束縛水):靠近膠粒而被膠粒吸附束縛不易自由流動的水分。Cytoplasm(細胞質)ismainlycomposedofproteins,isacolloidal(膠體)system.Proteinshavehydrophobic(疏水)groupsinside,andhydrophilic(親水)groupsoutside.Hydrophilicgroupsarecohesive(adhesive)towater.Therefore,manywatermoleculesareadsorbed(吸附)onthesurfaceofproteins.Somewaterparticipates
directlyinmetabolism(光合、呼吸、合成、分解等),someisrequiredbyplanttosurviveunderbad(stress)conditions?NodistinctboundaryproteinRatiooffreewater/boundwater:moreimportant
代謝旺盛細胞、組織、器官:高休眠、越冬:低Freewaterparticipatesdirectlyinmetabolism(suchasphotosynthesis,respiration,etc.).Itscontentregulatestherateofmetabolism.自由水含量越大,植物代謝越旺盛。Boundwaterdoesnotparticipatedirectlyinmetabolism,butisrequiredbyplanttosurviveunderbad(stress)conditions.束縛水含量與植物抗性大小有密切關系。Absolutecontentoffreewater/boundSolventforsubstanceabsorptionandtransportation:
不能吸收固態物,物質(礦質、碳水化合物)要溶于水中才能運輸。(施肥后淋水)Keepsplantsintheirshape:膨脹
膨壓(Turgorpressure);失水
wilting(萎蔫)。水是極性分子(polarmolecule)hydrogenbond1.1.2Somephysical/chemicalpropertiesofwater
GoodsolventHydrogenbonds,thenthefollowing:O,N…
Highsurfacetension(表面張力)
air-waterinterface; cohesion(內聚力):H2O-H2O adhesion(粘著力):H2O-Solidphase(CW) capillarity(毛細管作用)
Highspecificheat(比熱)
bufferplanttemperaturefluctuations
Highlatentheatofvaporization(汽化熱)
44kJ/molat25oC,thehighest
coolthemselvesBackCell:structuralandfunctionalunitofplantbodyAbsorption=movementofwateracrossplasmamembraneandvacuolemembrane(tonoplast)1.2Waterabsorptionbyindividualplantcell
concentrationgradient,diffusioncoefficient系數1.2.1.1Diffusion(擴散):shortdistance,individual1.2.1PathwaysofwateracrosscellmembraneThrough
aquaporin水孔蛋白:waterchannelproteinsonplasmamembraneandtonoplast(液泡膜)1.2.1.2Mass(集體)
flowAquaporin+PiAquaporin-P
Ca+dependent蛋白激酶Rate:fasterthandiffusionDirection:noHowtomeasurewaterenergyinasystem(cell)?Movementofwater
needsenergy(水往低處流)1.2.2Osmotic(滲透)absorptionofwater(adrivingforce?)1.2.2.1Waterpotential(水勢)Chemicalpotential(化學勢,J/mol):totalfreeenergycontainedinagivensubstanceofonemole.Thermodynamics:totalenergyinonesystem
freeenergy(自由能):performingworkboundenergy(束縛能):notperformingworkWaterpotential(水勢):ifthegivensubstanceiswater.J/mol植物生理學上的水勢概念(waterpotential,ψw):是指水的化學勢除以水的偏摩爾體積(volume/molar,18x10-6m3/mol)水勢的單位:化學勢單位為J/mol(N·m/mol)
偏摩爾體積的單位為m3/mol
兩者相除得N/m2
為壓力單位Pa(pascal)Theabsolutevalueofwaterpotentialisdifficulttodetermine.Inplantphysiology,thewaterpotentialofpurewaterissettobezero.純水的水勢為零!純水的自由能最大,水勢也最高!?Waterpotentialofsolutions:Negative,Why?Solutionsψw(MPa)PurewaterHoaglandsolutionSeawater1mol.L-1sucrose1mol.L-1
KCl0-0.05-2.50-2.69-4.501.2.2.2ComponentsofΨwofplantcells滲透勢(solute/osmoticpotential)
Ψs:由于溶質顆粒的存在,降低了水的自由能。Negative?Positive?Ψs=-iCRT(van’tHoffequation) i: Dissociatingcoefficient C: Molarconcentration R: Gasconstant(8.32J/mol.K) T: Absolutetemperature(K,Kelvin)襯質勢(matric
potential)Ψm:
細胞膠體物質親水性和毛細管對自由水束縛而引起水勢降低的值。Negativeorpositive?壓力勢(pressurepotential)Ψp:
PressurecausedPositive/Negative?Turgorpressure(膨壓)inplant細胞中的親水膠體?Cellulose(纖維素)inCW,proteinsinprotoplast,starches(淀粉)incytoplasm。親水性:蛋白質>淀粉>纖維素
Legumeseeds吸漲作用(imbibition)重力勢(gravitypotential)Ψg:
由于重力的作用Ψw=Ψs+Ψp+Ψm Dry/ImmaturecellsΨw=Ψs+ΨpMaturecells水分移動需要能量,因此,水分一定是從高勢區域順著能量梯度(energygradient)流到低勢區域,也就是說,水分由水勢高處流到水勢低處。Whatwillhappenwhenthereisamembrane(non-permeable,semi-permeable)betweenhighandlowwaterpotentialarea?1.2.2.3Osmosis(滲透作用)半透膜(Semi-permeablemembrane):讓水分子通過而溶質分子不能透過的一種薄膜。種皮、膀胱、皮膚……(燙傷起泡,加鹽消之)Plasmamembranesofplantcellsareselectivelypermeablemembranes:waterandsmallunchargedsubstanceslargersolutesandchargedsubstancesStructureofplantplasmamembranefunnelSemipermeablemembrane水分從水勢高的系統通過半透膜向水勢低的系統移動的現象,就稱為滲透作用(Osmosis)。
CW:全透性
Plasmamembrane:選擇透性
Protoplastlayer:選擇透性
Tonoplast:選擇透性1.2.2.4(Mature)plantcellisanosmoticsystemPlasmolysis質壁分離
anddeplasmolysis質壁分離復原tellusthatmatureplantcellisanosmoticsystemH?flerdiagramTherelationshipbetweenwaterpotentialandcellvolume1.2.2.6WatermovementbetweencellsDirection:by
waterpotentialgradient,notbyΨp!Ψs=-1.4MPaΨp=+0.8MPaΨs=-1.2MPaΨp=+0.4MPaABΨs=-1.4MPaΨp=+0.8MPaΨs=-0.8MPaΨp=+0.4MPaCDΨw=-0.6MPaΨw=-0.8MPaΨw=-0.6MPaΨw=-0.4MPaBackWholeplant:rootleafRoothairzoneDon’tdamagethesezonesduringtransplanting!1.3.1Where?1.3Waterabsorptionbywholeplant
1.3.2PathwaysPlasmodesmata
胞間連絲Casparianstrip
凱氏帶質外體途徑共質體途徑跨細胞途徑Casparianstrip
凱氏帶1.3.3Motivepower1.3.3.1Rootpressure:植物根系的生理活動使液流從根部上升的壓力,稱為根壓。0.05~0.5MPaWaterpotentialgradient:How?Bleeding:從受傷或折斷的植物組織溢出液體的現象,叫做傷流。傷流液(bleedingsap)
Guttation吐水LiquiddropletsLeavesoryoungflowerssecretewaterdropletsthroughhydathodes水孔
locatedatthemarginsoftheleavesorflowers.Absorption>transpiration?Mechanismofrootpressure?solutesΨwselectivelypermeableendodermis+activeabsorptionofsolutes1.3.3.2Transpirationpull(蒸騰拉力)Rootpressure可將水壓多高?0.05~0.5MPa20.4m
Gianttrees?
Sequoiasempervirens
北美紅杉,ThetallesttreeonEarthtoday
is112.5m
Cutflower?Inthesoil:AvailablewaterinthesoilAirconditionsinthesoil:sunnyafterrain?Soiltemperature:ice?Concentrationofsoilsolutions:afterfertilization?Intheair:?1.3.4EnvironmentalfactorsaffectingthewaterabsorptionbyrootsBack1.4Watertransportationinplantbody1.4.1PathwayA:FromsoiltorootB:FromroottoleafC:Fromleaftosubstomatalcavity氣孔下腔throughlivingcellsthroughdeadcells:xylem(vessel導管andtracheid管胞)1.4.2RateThroughlivingcells:slowInxylem:fast(3-45m/h)1.4.3PowerofwatertransportationinxylemRootpressure:pushTranspiration:pullContinuous?Howcanwatercolumnsinxylemkeepcontinuous?Transpiration-cohesion-tensiontheory(蒸騰—內聚力—張力學說):H.H.Dixon(Ireland)GravityPull(transpiration)Cohesion20MPaTension0.5~3MPa>BackAproblemofairbubblesinthevesselelement?Cutflower?1.5Transpiration(蒸騰作用)Lossofwaterfromtheplant
guttation:liquid transpiration:gasOnly1-5%waterkeptinplantbodyWhereisthe95-99%?Why?Waste?Transpiration
(蒸騰作用):水分以氣體狀態,通過植物體的表面(主要是葉子),從體內散失到體外的現象。Maindrivingforceforwaterabsorptionandtransportation(Howaboutrootpressure?)MaindrivingforcefortheabsorptionandtransportationofmineralsandorganiccompoundsCooldowntheleaves:latentheatofvaporization(sweat)1.5.1PhysiologicalfunctionsoftranspirationYoung: Stem,branches:lenticular(皮孔)transpirationMatureLeaf:cuticular(角質,5-10%)
stomatal(氣孔)transpiration(90-95%)1.5.2Siteoftranspiration1.5.3Stomatatranspiration1.5.3.1StomatastructureSmallSmallChloroplast1.5.3.2MechanismsofstomatamovementStomata:sosmall(1-2%ofleafarea),how? Yourlunch:?????????
Perimeterdiffusion(周長擴散)Stomatalmovement:openintheday,closeatnight.Why?starch-sugarconversiontheoryinorganicionuptaketheorymalate(蘋果酸)productiontheoryAnincreaseinguardcellturgorpressureopensthestomata;adecreaseclosesit.How?Day:
保衛細胞的葉綠體在光照下進行光合作用,消耗二氧化碳,使細胞內pH增高,淀粉磷酸化酶(starchphosphorylase)便水解淀粉為葡萄糖-1-磷酸,細胞里的水勢下降,副衛細胞(或周圍表皮細胞)的水分進入保衛細胞,氣孔便張開。Night:
呼吸產生的二氧化碳使保衛細胞的pH下降,淀粉磷酸化酶便把葡萄糖-1-磷酸合成為淀粉,細胞液濃度降低,水勢升高,水分從保衛細胞排到副衛細胞(或周圍表皮細胞),氣孔便關閉。Evidence:differentpHsolutionsStarch-sugarconversiontheoryF.E.Lloyd(1908)Sucroseisanosmoticallyactivesoluteinguardcells保衛細胞的質膜上具有光活化H+泵ATP酶(light-activatedH+-pumpingATPase)Day:
光合磷酸化產生ATP,在分泌H+到細胞壁的同時,把外邊的K+吸收到細胞中來,同時伴隨Cl-的進入,水勢降低,水分進入保衛細胞,氣孔張開;Night:?Evidence:將蠶豆葉片表皮放在不同濃度的KCl溶液中;鴨跖草保衛細胞的K+濃度;InorganicionuptaketheoryDay:
當保衛細胞內的部分CO2被利用時,pH上升,剩余的CO2就轉變成重碳酸鹽(HCO3-)。HCO3-與糖酵解作用產生的PEP,在PEPcase作用下,形成草酰乙酸,進一步還原為蘋果酸,水勢降低,水分進入保衛細胞,使氣孔張開。Night:?Evidence:葉片表皮細胞的蘋果酸水平和氣孔開度具有密切的正相關。
Malate
(蘋果酸)productiontheoryThreetheoriescombined
LightTemperatureConcentrationofCO2WaterWindPlanthormones:Abscisic
Acid(ABA)1.5.3.3Factorsinfluencingstomatamovement1.5.4Insideandoutsidefactorsaffectingtranspiration
擴散力氣孔內外蒸汽壓差蒸騰速率∝——————∝————————————
擴散途徑阻力氣孔阻力+氣孔外擴散層阻力1.5.4.1OutsidefactorsLight:openstomata,gradientRH:gradientTemperature:gradientWind:gentle,strong1.5.4.2Insidefactors
StomatafrequencyStomataapertureVolumeofsubstomatalcavityTranspirationrate(蒸騰速率):植物在一定時間內單位葉面面積蒸騰的水量。Transpirationratio(蒸騰比率):植物每消耗1kg水時所形成的干物質質量(g)。Transpirationcoefficient(蒸騰系數)/Waterrequirement(需水量):植物制造1g干物質所需水分
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