(一)植物生理學的研究內容1、定義：植物生理學(plantphysiology)是研究植物生命活動規律、揭示植物生命現象本質的科學。(二)植物生理學發展的發展簡史：第二階段誕生與成長的階段從1840年李比希(J.vonLiebig)創立礦質營養學說到19世紀末德國植物生理學家薩克斯和他的學生費弗爾所著的兩部第三階段發展、分化與壯大階段20世紀科學技術突飛猛進，植物生理學也快速壯大發展；30~40年代進入細胞器水平；50年代以后，跨入分子或亞分子水平；80年代闡明光合細菌反應中心三維空間結構；研究時間縮短到微秒(10-6秒)級、納秒(10-9秒)級甚至皮秒(10-12秒)級；對植物生理活動的數學模擬。我國的植物生理學的發展20世紀20年代開始，錢崇澍、李繼侗、羅宗洛、湯佩松講授植物生理學、建立了植物生理實驗室。(一)植物細胞的概述1)所有的細胞表面均有由磷脂雙分子層與鑲嵌蛋白質構3)除個別特化細胞外，作為合成蛋白質的細胞器——核糖體，毫無例外地存在于一切細胞內；原核細胞(prokaryoticcell):一般體積很小，直徑為0.2~10μm不等，沒有典型的細胞核，即沒有核膜將它的遺傳器，原核細胞以無絲分裂(amitosis)方式進行繁殖。由原核細胞構成的有機體稱為原核生物(prokaryote)真核細胞(eukaryoticcel1):體積較大，直徑約10~100μm,其主要特征是細胞結構的區域化，即核質被膜包裹，有細胞核和結構與功能不同的細胞器(cellorganelle);多種細胞器之間通過膜的聯絡形成了一個復雜的內膜系統。真核細胞物(eukaryote)包括了絕大多數單細胞生物與全部的多細胞生物。原核細胞與真核細胞的區別區別大小細胞核染色體DNA裸露或結合少量蛋白質DNA序列無或很少有重復序列有重復序列二分或出芽有絲分裂和減數分裂，內膜鞭毛蛋白微管蛋白吸酶分布營養方式吸收，有的行光合作用吸收，光合作用，內吞肽聚糖、蛋白質、脂多糖、脂蛋白纖維素(植物細胞)胞間層胞間層質膜細胞核細胞器中間纖維圖1-2植物細胞的主要結構(細胞核)線粒體質體葉綠體細胞質基質細胞質原生質體植物細胞細胞在分裂時，最初形成的一層是由果膠質組成的細胞板(cellplate),它把兩個子細胞分開，這層就是胞間 (S1—S3)包圍，原始初生壁(CW1)和中層在最外層(ML)。a.維持細胞形狀，控制細胞生長b.物質運c.防御與抗性d應當指出的是，并非所有細胞的細胞壁都具有上述功能，每一類細胞的細胞壁功能都是由其特定的組成和結構決定的。2、植物細胞膜系統1)生物膜(biomembrane)是指構成細胞的所有膜的總稱。按其所處位置可分為兩種：一種處于細胞質外面的一層膜叫質膜，也可叫原生質膜；另一種是處于細胞質中構成各種細胞器的膜，叫內膜(endomembr(1)生物膜的化學組成在真核細胞中，膜結構占整個細胞干重的70%~80%。生物膜由蛋白質、脂類、糖和無機離子等組成。蛋白質約占60%~65%,脂類占25%～40%,糖占5%。經冰凍斷裂處理后，細胞膜往往從脂雙層中央斷開。a.膜蛋白：物膜中的蛋白質約占細胞蛋白總量的20%~30%,它們或是單純的蛋白質，或是與糖、脂結合形成的結合蛋白。外在蛋白(extrinsicprotein)為水溶性球狀蛋白質，通過靜電作用及離子鍵等非共價鍵與膜脂相連，分布在膜的表面；內在蛋白(intrinsicprotein)占膜蛋白總量的70%~80%,又叫嵌入蛋白或整合蛋白，其主要特征是水不溶性，分布在脂質雙分子層中；跨膜蛋白(transmembraneprotein),有的全部埋入疏水區，有的與外在蛋白結合以多酶復合體形式與膜脂結合：膜脂蛋白蛋白部分不直接嵌入膜，而依賴所含的脂肪酸b.膜脂：在植物細胞中，構成生物膜的脂類主要是復合脂類c.膜糖：生物膜中的糖類主要分布于質膜的外單分子層。這些糖是不超過15個單糖殘基所連接成的具分支的低聚糖鏈(寡糖鏈),它們大多數與膜蛋白共價結合，少部分與膜脂結合，分別形成糖蛋白和糖脂。(2)生物膜的結構：(a)流動鑲嵌模型(fluidmosaicmodel):由辛格爾(S.J.Singer)和尼柯爾森(G.Nicolson)在1972年提出，認為液態的性頭部朝向水相組成生物膜骨架，蛋白質或嵌在脂雙層表面，或嵌在其內部，或橫跨整個脂雙層即使貫穿全膜的蛋白質也是不對稱的。另外，寡糖鏈的膜的流動性：其一是脂類分子是液晶態可動的，脂類分子隨溫度改變經常處于液晶態和液態的動態平衡之中，兩相中脂類分子排列不同，流動性大小也不同。其二是分布于膜脂雙分子層的蛋白質也是流動的，它們可以但不能翻轉擴散。這說明了少量膜脂與膜蛋白有相對專一的作用，這種作用是膜(3)生物膜的功能：a.分室作用b.代謝反應的場所c.物質交換d.識別功能沒有膜的結構，互相聯結成立體的網絡，也稱為細胞內的微梁系統(microtrabecularsystem)。(1)微管(microtubule):是存在于細胞質中的由微管蛋白(tubulin)組裝成的中空管狀結構。(a)控制細胞分裂和細胞壁的形成在細胞分裂中，有絲分裂器——紡錘體(spindle)是由微管組成的。如用秋水仙素等藥物處理后，微管解聚，雖不影響新的纖維素微纖絲的產生，但微纖(b)保持細胞形狀當用秋水仙素處理破壞微管，精細胞就變成球形。(c)參與細胞運動與細胞內物質運輸(2)微絲(microfilament):比微管細而長，直徑為4~6nm。由收縮蛋白構成，它類似于肌肉中的肌動蛋白，呈絲狀，同微絲的功能(微絲的主要生理功能是為胞質運動提供動力):(a)參與胞質運動；(b)參與物質運輸和細胞感應(2)中間纖維20世紀60年代中期，哺乳動物細胞，后在藻類和高等植物中也鑒定出。是一類柔韌性很強的蛋白質絲，(a)支架作用中間纖維可以從核骨架向細胞膜延伸，從而提供了一個起支架作用的細胞質纖維網，可使細胞保持空間上的完在一細胞中注射微量的熒光分子溶液，根據熒光分子亮度變化推測亞單位被合中間纖維球蛋白桿狀蛋白結合核苷酸無纖維直徑結構13根源纖絲組成空心管狀纖維有有無無無有蛋白庫有有無有有無動力結合蛋白肌球蛋白動力蛋白，驅動蛋白無4.胞間連絲1)胞間連絲的結構(三)植物體內的信號傳導2.植物細胞信號傳導途徑：①胞間信號傳遞②膜上信號轉換③胞內信號轉導(蛋白質可逆磷酸化)④細胞反應。1)胞間信號：植物體內的胞間信號可分為兩類，即化學信號和物理信號。(1)化學信號(chemicalsignals):細胞感受刺激后合成并傳遞到作用部位引起生理反應的化學物質。植物激素是植物體信號(negativechemical(2)物理信號(physicalsignal):指細胞感受到刺激后產生的能夠起傳遞信息作用的電信號和水力學信號。植物的電波研究較多的為動作電波(actionpotential,AP),也叫動作電位，它是指細胞和組織中發生的相對于空間和時間1)化學信號的傳遞②韌皮部傳遞如IAA、茉莉酸甲酯、寡聚半乳糖、水楊酸等都可通過韌皮部途徑傳遞。③木質部傳遞化學信號可通過集流的方式在木質部內傳遞。2)電信號的傳遞植物電波信號的短距離傳遞需要通過共質體和質外體途徑，而長距離傳遞則是通過維管束。3)水力學信號的傳遞水力學信號是通過植物體內水連續體系中的壓力變化來傳遞的。1)受體與信號的感受受體(receptor)是指在效應器官細胞質膜上或亞細胞組分中能與信號物質特異性結合，并引發產生胞內次級信號的特受體的主要特性：①能與配體特殊結合；②高故G蛋白又稱偶聯蛋白或信號轉換蛋白。G蛋白全稱為GTP結合調節蛋白(GTPbindingregulatoryprotein),此類蛋白由二十世紀70年代初在動物細胞中發現了G蛋白的存在，進而證明了G蛋白是細胞膜受體與其所調節的相應生理過程之G蛋白的發現是生物學一大成就。吉爾曼(Gilman)與羅德貝爾(Rodbell)因此獲得1994年諾貝爾醫學生理獎。G蛋白一般分兩大類：①異源三體G蛋白：由三種亞基(a、β、γ)構成②小G蛋白：只含有一個亞基的單體1)鈣信號系統鈣離子植物細胞內的游離鈣離子是細胞信號轉導過程中重要的第二信使。胞壁是細胞最大的Ca2庫。制Ca2外流。胞內外信號可調節這些Ca2的運輸系統，引起Ca2濃度變化。這種分別的轉導途徑通過Ca/鈣調蛋白激酶和其他蛋白聯系起來。藍光和觸摸也能通過其他路線改變胞外刺激信號可能直接或間接地調節這些鈣離子的運輸系統，引起胞內游離鈣離子濃度變化以至影響細胞的生理生化胞內Ca2信號通過其受體-鈣調蛋白轉導信號。現在研究得較清楚的植物中的鈣調蛋白主要有兩種：鈣調素和鈣依賴型鈣調素(calmodulin,CaM)是最重要的多功Ca信號受體，148氨基酸，單鏈，酸性蛋白。CaM分子有四個Ca2結合位色素為受體的光信號傳導過程中Ca"-CaM的信號系統也起著重要的調節作用。生長素、光、摩擦等都可引起CaM基因活化，2)肌醇磷脂信號系統羥基被不同數目的磷酸酯化，其總量約占膜磷脂總量的1/10左右，主要以三種形式存在于植物質膜中，即：磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酰肌醇-4-磷酸(PIP)和磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)。肌醇磷酸代謝循環過程：細胞外刺激信號或激素等物質被質膜上專一受體接受，經G-蛋白激活磷酸脂酶C(肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)水解生成二酰甘油(DAG)和肌醇-1,4,5-繼而是肌醇單磷酸(IP)及磷脂酰肌醇(PI),返回膜中。IP3作為信號分子，在植物中它的主要作用靶為液泡，IP3作用于液泡膜上的受體后，可影響液泡膜形成離子通Ca2+從液泡這一植物細胞中重要的貯鈣體中釋放出來，引起胞內Ca2+濃度提高，從而啟動胞內Ca2+信號系統來調節和控制3)環核苷酸信號系統受動物細胞信號的啟發，人們最先在植物中尋找的胞內信使是環腺苷酸(cyclicAMP,cAMP),但這方面的進展較緩慢，信號轉導過程，環核苷酸信號系統與Ca2+-CaM信號轉導系統在合成完整葉綠體過程中協同起作用。(一)水分在植物生命活動中的意義1)植物含水量：一般植物組織含水量占鮮重的75%～90%。2)水在植物體內的存在形式：束縛水(boundwater)一與細胞組分緊密結合不能自由移動、不易蒸發散失的水。1)水是細胞的重要組成成分2)水是代謝過程的反應物質3)水是各種生理生化反應和運輸物質的介質4)水能使植物保持固有的姿態5)水具有重要的生態意義生理需水—滿足植物生理活動所需要的水分.(以上1-4)(二)植物細胞的水分關系(2)化學勢(chemicalpotential,μ)每(3)水勢(waterpoten定義式：ψ=(μ-μ°)/V,=△μ。/V,(4)含水體系的水勢組分①.純水的水勢中°。--為零零值并不是沒有水勢，就好比定海平面為海拔高度為0一樣，作為一個參比值。溶質勢表示溶液中水分潛在的滲透能力的大小，因此溶質勢又可稱為滲透勢(中，osmo稀溶液的溶質勢可用范特霍夫(VantHoff)公式(經驗公式)來計算：中==-π=-iCRT式中中s:溶質勢；中：滲透勢；π:滲透壓；i:溶質的解離系數；C:質量摩爾濃度(mol·kg);R:氣體常數(0.0083dm3·MPa·mol1·K1);T:絕對溫度(K)如討論同一大氣壓力下兩個開放體系間水勢差時，壓力可忽略不計。⑤.重力勢中g(gravitationalpotential):當體系中的兩個區域高度相差不大時，重力勢可忽略不計.氣相的水勢公式按下式計算：中=RT/V,·lnP./P?=RT/V,·lnRH式中：R:氣體常數(0.0083dm3·MPa·mol1·K1);T:絕對溫度(K);V.:水的偏摩爾體積；含水體系的水勢組分(歸納)定義數值范圍(滲透勢中π)由于溶質顆粒的存在而引起體系通常溶液的中w=中s,溶質愈多中s愈低，通常土壤溶MPa,鹽堿土則較低，海水中s為-2.5由于襯質的存在引起體系水勢降干燥的襯質蟲m可達-300MPa,吸水后迅速增高，由于壓力的存在而使體系水勢改加正壓力，使體系中w升高；加負壓力，體系中w重力勢中g由于重力的存在使體系水勢增加的數值(1)集流(massflow):液體中成群的原子或分子在壓力梯度(水勢梯度)作用下共同移動的現象。(2)擴散(diffusion):物質分子從高濃度(高化學勢)區域向低濃度(低化學勢)區域轉移，直到均勻分布的現象。(3)滲透作用：溶液中的溶劑分子(水)通過半透膜擴散的現象。(1)細胞水勢的組分：植物細胞水勢至少要受到三個組分的影響，即溶質勢中s、壓力勢中p和襯質勢中m。1)細胞的溶質勢干旱時，細胞液濃度高，溶質勢較低。2)細胞的壓力勢原生質體、液泡吸水膨脹，對細胞壁產生的壓力稱為膨壓(turgorpressure)。勢。在特殊情況下(初始質壁分離),壓力勢也可為等于零或負值；劇烈蒸騰時，細胞壁出現負壓，細胞的壓力勢呈負值。3)細胞的襯質勢：細胞中的親水物質如蛋白質體、淀粉粒、染色體和膜系統對于無液泡的分生組織和干燥種子來說，φm是細胞水勢的主要組分，其ψw=ψm勢趨于0,可忽略不計。細胞水勢組分的歸納性質數值范圍溶質勢中s(滲透勢中π)勢的降低的數值一般陸生植物葉片細胞的中s為-2~-1MPa旱生植物葉片細胞的中s可低到細胞中的親水物質對自由水的成熟細胞水勢可用液泡的水勢來代替，由于液胞含水量很高，中m趨于0,可忽略不計，有液泡的細胞中w=中s+中p;無液泡的分生組織和干燥種子，蟲m是細胞水勢細胞壁在受到膨壓作用時會產正值.草本植物葉肉細胞的蟲p,在溫暖天氣的午后為0.3~0.5MPa,晚上則達1.5特殊情況下ψp也可為負值或零，初始質壁分離時，細胞的ψp為零；劇烈4.植物細胞的吸水1)細胞的吸水形式：(1)滲透吸水(osmoticabsorptionofwater):指由于中s的下降而引起的細胞吸水。含有液泡的細胞吸水，主要為滲透吸水。液泡化的植物細胞可以看作一滲透計，為了便于討論，常把由液泡膜、質膜和其間的細胞質構成的原生質層看作是一半透膜。①細胞置于純水或稀溶液中，外液水勢高于細胞水勢，外側水分向細胞內滲透，細胞吸水，體積變大，此外液稱低滲溶液或高水勢溶液；如根系從土壤中吸水。②外液水勢等于細胞水勢，水分進出平衡，細胞體積不變，此外液稱等滲溶液或等水勢溶液；如生理鹽水(0.85-0.9%),分離細胞器用的等滲溶液等.③將植物置于濃溶液中，外液水勢低于細胞水勢，水從細胞內向外滲透，細胞失水，體積變小，此外液稱高滲溶液或低水勢溶液；如腌菜、腌肉等。植物置于濃溶液中，由于細胞壁的伸縮性有限，而原生質層的伸縮性較大，當細胞繼續失水時，原生質層便和細胞壁慢慢分離開來，這種現象被稱為質壁分離。把發生了質壁分離的細胞浸在水勢較高的稀溶液或清水中，外液中的水分又會進入細胞，液泡變大，原生質層很快會恢復原來的狀態，重新與細胞壁相貼，這種現象稱為質壁分離復原。利用細胞質壁分離和質壁分離復原的現象可以判斷細胞死活，利用初始質壁分離可以測定細胞的滲透勢：中=中s+中p當中。=0,中=φ。水通道蛋白：生物膜上具有通透水分功能的內在蛋白，亦稱水孔蛋白(aquaporin)。1988年在人體細胞中首先發現，不久植物細胞膜及液泡膜上發現。其作用是通過減小水越膜運動的阻力而使細胞間水分遷移的速率加快。2)吸脹吸水(imbibingabsorptionofwater):依賴于低的ψ。而引起的吸水。蛋白質吸脹力最大，淀粉次之，纖維素較小。豆類種子子葉中含蛋白質多，而種皮中含纖維素多，吸脹過程中，由于子葉的吸脹力較種皮大而將種皮脹破。由于吸脹過程與細胞的代謝活動沒有直接關系，所以又把吸脹吸水稱為非代謝性吸水。3)降壓吸水(negativepressureabsorptionofwater):因中。的降低而引發的細胞吸水蒸騰旺盛時，導管和葉肉細胞的細胞壁失水收縮，壓力勢下降，引起水勢下降而吸水。失水過多時，還使細胞壁內陷而產生負壓，這時中p<0,細胞水勢更低，吸水力更強。水稻開花時穎殼的張開是由著生在穎花內的漿片吸水膨大所致。漿片的吸水膨大是由細胞壁松弛、壓力勢下降引起的。性質由于中s的下降而引起的含有液泡的細胞如根系、氣孔開閉時保衛細胞的吸水主要為滲透吸水，出細胞=出外液，水分平衡，體積不變，此外液稱等水勢(等滲)溶液細胞>中外液細胞失水，體積變小，此外液稱低水勢溶液，會發生質壁分離現象，如再放回高水勢溶液中可質壁分離復原吸脹吸水依賴于低的蟲m而引起的吸水(非代謝性吸水)對于無液泡的分生組織和干燥種子，蟲m是細胞水勢的主要組分，中m的吸脹吸水，蛋白質吸脹力>淀粉>纖維素干燥種子襯質水勢常低于-10MPa,有的甚至達-100MPa,所以吸脹降壓吸水因蟲p的降低而引發的細如蒸騰旺盛時，導管和葉肉細胞的細胞壁都因失水而收縮，使蟲p下下降而吸水。失水過多時，還會使細胞壁向內凹陷而產生負壓，這時中p<2)細胞吸水過程中水勢組分的變化植物細胞吸水與失水取決于細胞與外界環境之間的水勢差(△中w)。當細胞水勢低于外界的水勢時，細胞就吸水；當細程中，細胞體積會發生變化，其水勢、溶質勢和3)植物細胞間的水分移動在一排相互連接的薄壁細胞中，只要胞間存在著水勢梯度，水分就會由水勢高的通常土壤的水勢>植物根的水勢>莖木質部水勢>葉片的水勢>大氣的水勢，使根系吸收的水分可以源源不斷地向地上部分(三)植物根系對水分的吸收水勢(Mpa)植物能否利用否能，植物吸水的主要來源重力水水分飽和的土壤中，由于重力的作田可作為生態需水數值范圍(Mpa)溶質勢中s通常0.01Mpa,鹽堿土-0.2Mpa或更低重力勢中g當土壤水分飽和時，對水分移動起主要作用-1.5Mpa(植物發生永久萎蔫時，土壤中尚存留的水分占土壤干重的百分率可利用水的指標，砂壤為6%左右，粘土為15%左右)田間持水量稍稍低于零，約為-0.01Mpa(田間持水量是指當土壤中重力水全部排和束縛水時的土壤含水量。)當土壤含水量為田間持水量的70%左右時，最適宜耕1)部位：主要在根的尖端，從根尖向上約10mm的范圍內，包括根冠、根毛區、伸長區和分生區，以根毛區的吸水能力最強，因為：①根毛多，增大了吸收面積(5~10倍);②細胞壁外層由果膠質覆③輸導組織發達，水分轉移的速度快。2)途徑：植物根部吸水主要通過根毛皮層、內皮層，再經中柱薄壁細胞進入導管。水分在根內的徑向運轉有質外體和共質(1)質外體(apoplast):細胞壁、細胞間隙、胞間層以及導管等連成一個空間體系。質外體途徑：水分通過質外體部分的移動過程。水分在質外體中移動，不越過膜，(2)共質體(symplast):由胞間連絲把原生質體連成的一個體系。1)主動吸水：由植物根系生理活動而引起的吸水過程。傷流液較多。傷流液其中除含有大量水分之外，還含有各種無機物、有機物和植物激素凡是能影響植物根系生理活動的因素都會影響傷流液的數量和成分。所以，傷流液的數量②吐水：葉片尖端或邊緣的水孔向外溢出液滴的現象。吐水也是由根壓所引起的。吐水現象可以作為根系生理活動的指能用以判斷苗長勢的強弱。吐水汁液的化學成分沒有傷流那樣復③產生根壓的機制：根系吸收土壤溶液中的溶質，并轉運到中柱和導管中，使中柱細胞和導管中的溶質增加，溶質勢下根系吸水的機理歸納定義主動吸水由植物根系生理活動而引起的吸水多數植物根壓0.1~0.2MPa,有些木本植物0.6～0.7MPa。出液體的現象吐水葉片尖端或邊緣的水孔向外溢出液的水分便順著水勢梯度從外部經內皮層滲透進入，內皮層起著選擇透性膜的作被動吸水以蒸騰拉力為動力的吸水過程結果造成根部細胞水分虧缺，水勢降低，從而使根部細胞從周圍土壤中吸1)土壤水分狀況(1)暫時萎蔫如果當蒸騰速率降低后，萎蔫植株可恢復正常，這種萎蔫稱為暫時萎蔫。常發生在氣溫高濕度低的夏天中(2)永久萎蔫蒸騰降低以后仍不能使萎蔫植物恢復正常，這樣的萎蔫就稱永久萎蔫。永久萎蔫時，植物根系已無法從2)土壤溫度(1)土溫低使根系吸水下降，原因：①水粘度增加，擴散速率降低；②根系呼吸速率下降，主動吸水減弱；③根系生長緩(2)土溫過高對根系吸水不利的原因：①提高根的木質化程度，加速根的老化，②根細胞中各種酶蛋白變性失活。喜溫植物和生長旺盛的根系吸水易受低溫影響，特別是驟然降溫，如在烈日下用冷水澆灌，園”3)土壤通氣狀況C02濃度過高或02不足，則根的呼吸減弱，不但會影響根壓的產生和根系吸水，而且還會因無氧呼吸累積較多的酒精中耕耘田，排水曬田可增加根系周圍的02,減少CO2以及消除H2S等的毒害，以增強根系的吸水和吸肥能力。4)土壤溶液濃度(四)植物的蒸騰作用蒸騰作用(transpiration):植物體內的水分以氣態散失到大氣中去的過程。與一般的蒸發不同，蒸騰作用是一個生理過程，受到植物體方式：幼小的植物，暴露在地上部分的全部表面都能蒸騰。植物長大后，莖枝可進行皮孔蒸騰，占全部蒸葉片蒸騰：①角質蒸騰：嫩葉占總蒸騰量的1/3到1/2;成葉占總蒸騰量的3%～5%;生理意義：①蒸騰拉力是植物吸水與轉運水分的主要動力1)氣孔的形態結構及生理特點氣孔所占面積，不到葉面積的1%,但氣孔的蒸騰量卻相當于所在葉面積蒸發量的10%~50%,甚至100%。這是因為氣體細胞質中含有PEP羧化酶(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶)催化羧化反應：PEP+HCO?-→草酰乙酸→蘋果酸。2)氣孔運動的機理氣孔運動是由保衛細胞水勢的變化而引起的。(1)蔗糖一淀粉假說：由植物生理學家F.E.Lloyd在1908年提出，認為氣孔運動是由于保衛細胞中蔗糖和淀粉間的相互細胞的滲透勢降低，水進入細胞，膨壓增加，氣孔張開；反之，合成淀粉時蔗糖含量減少，滲透勢上升，水離開保衛細(2)無機離子泵學說，又稱K泵假說、鉀離子學說日本學者于1967年發現，照光時，K從周圍細胞進入保衛細胞，保衛細胞中K濃度增加，溶質勢降低，吸水，氣孔張(3)蘋果酸代謝學說(malatemetabolismtheory)20世紀70年代初以來發現蘋果酸在氣孔開閉運動中起著某種作用。光照下，保衛細胞內的部分CO?被利用時，pH上升至8.0~8.5,從而活化了PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)羧化酶，它可催化由同時，蘋果酸被解離為2H和蘋果酸根；蘋果酸根進入液泡和C1共同與K在電學上保持平衡。當葉片由光下轉入暗處時，該過程逆轉。總之，氣孔運動是由保衛細光下氣孔開啟的機理：保衛細胞質膜上存在著H-ATP酶，它可被光激活，能水解細胞中的ATP,產生的能量將H從保衛細胞分泌到周圍細胞中，建立起H電化學勢梯度。它驅動K從周圍細胞經過位于保衛細胞質膜上的內向K'通3)影響氣孔運動的外界因素藍光-直接效應：隱花色素-活化質膜H-ATP酶，泵出H,驅動K'進入保衛細胞內。水勢降低，氣孔張開。低濃度CO?可活化PEP羧化酶；高濃度CO?使質膜透性增加，K泄漏。③溫度隨溫度的上升氣孔開度增大，30℃左右開度最大。④水分水分脅迫條件下氣孔開度減小，如蒸騰過于強烈，即使在光下，氣孔也會關閉.脫落酸促進氣孔關閉，失水多時，保衛細胞中脫落酸增加，1)蒸騰速率又稱蒸騰強度：單位時間內、單位葉面積上通過蒸騰作用散失的水量。蒸騰速率=蒸騰失水量/單位葉面積×時間多數植物白天15～250g·m-2h-1,夜晚1～20g·m-2·h-12)蒸騰效率：植物每蒸騰1kg水時所形成的干物質的g數。蒸騰效率=形成干物質g/蒸騰失水kg(一般植物1～8g·kg-)3)蒸騰系數又稱需水量(蒸騰效率的倒數):植物每制造1g干物質所消耗水分的g數蒸騰系數=蒸騰失水g/形成干物質g(越小，利用水分效率越高)。草本植物>木本植物，小麥約為540,松樹約為40;;C3植物>C4植物，水稻約為680,玉米約為370定義公式一般植物為(蒸騰強度)=蒸騰失水量/單位葉面積*時間白天為15～50、蒸騰效率(需水量)C3植物>C?植物4.影響蒸騰作用的外界條件1)光照光照是影響蒸騰作用的最主要的外界條件。光照可以提高葉面溫度，使葉內外的蒸汽壓差增大。葉子吸收的幅射2)大氣濕度當大氣相對濕度增大時，大氣蒸汽壓也增大，葉內外蒸汽壓差就變小，蒸騰變慢；反之，加快。般高2~10℃,厚葉更顯著。因此大氣溫度增高時，氣孔下腔細胞間隙的蒸汽壓的增加大于大氣蒸汽壓的增大，所以葉內外5)土壤條件凡是影響根系吸水的各種土壤條件，如土溫、土壤通氣、土壤溶液濃度等，均可間接影響蒸騰作用。(五)植物體內的水分運輸(1)途徑：土壤→根毛→根的皮層→內皮層→(2)速度：共質體運輸只有幾毫米，水分通過時阻力大，運輸速度慢，一般只有10~3cm·h-1導管是中空長形死細胞，阻力小，水分運輸速度一般3~45m·h-1;管胞中由于管胞分子相連的細胞壁未打通，水分要經過紋孔才能移動，阻力較大，水分上升的動力是根壓和蒸騰拉力，保持導管中的水柱的連續性通常用狄克遜(H.H.Dixon)的內聚力學說(cohesiontheory)來解釋：水分子的內聚力大于張力，從而能保證水分在植的力量共同作用于導管水柱上就會產生張力。但由于水分水分子與導管(或管胞)壁的纖維素分子間還有強大的附著力，因而維持了輸導組織中水柱的連續性，使得水分不斷上升。(六)合理灌溉的生理基礎合理灌溉的基本原則是用最少量的水取得最大的效果。1)不同作物對水分的需要量不同根據蒸騰系數估計水分的需要量：生物產量×蒸騰系數=理論最低需水量一些作物的蒸騰系數：高粱大麥小麥馬鈴薯水稻孕穗開花期：蒸騰量達最大值，耗水量也最多；成熟期：葉片逐漸衰老、脫落，④乳熟末期到完熟期，消耗水較少。如此時供水過多，反而會使第二是從開始灌漿到乳熟末期，如缺水，影響旗葉的光合速率和壽命，減少調虧灌溉(regulateddeficitirrigation,RDI):一種新型節水技術，在作物營養生長旺期適度虧水，在作物需水臨界期2.合理灌溉指標作物是否需要灌溉可依據氣候特點、土壤墑情、作物的形1)土壤指標根系活動層(0～90cm)的土壤含水量為田間持水量的60%～80%為宜，如低于此值，應灌溉。2)形態指標根據作物外部形態發生的變化來確定是否進行灌溉。作物缺水的形態表現為：①萎蔫②生長速率下降③莖葉顏色變化(葉色變深，呈暗綠色；莖葉有時變紅)3)生理指標比形態指標更靈敏地反映植物體的水分狀況。葉片是反映植株生理變化最敏感的部位，葉片的水勢、滲透勢、細胞汁液濃度和氣孔開度等均可作為灌溉的生理指(1)葉水勢缺水時葉片水勢下降。不同的葉片、不同的時間測定的水勢值有差異，一般取樣以上午9~10點為宜。(2)滲透勢缺水時葉片細胞溶質勢下降。(3)細胞汁液濃度干旱情況下細胞含水量下降，汁液濃度升高，當汁液濃度超過一定值后，會阻礙植株生長。(4)氣孔開度隨著水分的減少，氣孔開度逐漸縮小，當土壤的可利用水耗盡時，氣孔完全關閉。般作物生長較好土壤含水量為田間持水量的60%～80%,低根據作物在干旱條件下外部形態發生的變化來確定是否進行灌溉，如莖葉萎蔫；生長速度下降；顏色暗綠色、可比形態指標更及時、靈敏地反映植物體水分狀況。植物葉片的細胞汁液濃度、滲透勢、水勢和氣孔開度等均水勢下降，溶質勢下降，細胞汁液濃度升高，氣孔開度減小達到臨界值時，就應及時灌例如棉花花前期、花鈴期、成熟期，倒數第4片葉的水勢值分別達到-1.2、-1.4、-1.6MPa時就應灌溉。漫灌—-地面灌溉-主要方式、簡單方便、運行費用低、噴灌—-可解除大氣干旱和土壤干旱、節水30%-40%(一)植物體內的必需元素1)植物必需的礦質元素已確定植物必需的礦質(含氮)元素有13種，加上碳、氫、氧共16種。(1)大量元素(majorelement)9種碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鈣、鎂約占植物體干重的0.01%～10%,(2)微量元素(minorelement7種鐵、銅、硼、鋅、錳、鉬、氯約占植物體干重的105%～103%。2)確定植物必需礦質元素的方法(1)溶液培養法(水培法):將植物的根系浸沒在含有全部或部分營養元素的溶液中培養植物的方法。(2)砂基培養法(砂培法):在洗凈的石英砂或玻璃球等基質中加入營養液來培養植物的方法。(3)氣培法(氣栽法):將根系置于營養液氣霧中栽培植物的方法.(4)營養膜法：一種營養液循環的液體栽培系統。營養液pH和成分均可控制。(1)生理功能：(2)缺氮癥狀：(3)氮過多：(1)生理作用(2)缺磷癥狀：①生長受抑植株瘦小，成熟延遲；②葉片暗綠色或紫紅色糖運輸受阻，有利于花青素的形成。3)鉀Potassium(K)(1)生理功能：①酶的活化劑②促進蛋白質的合成③促進糖類的合成與運輸④調節水分代謝(2)缺鉀癥狀：①莖桿柔弱②葉色變黃而逐漸壞死(病癥首先出現在下部老葉)4)鈣Calcium(Ca)(1)生理作用：①細胞壁等的組分②提高膜穩定性③提高植物抗病性④一些酶的活化劑⑤具有信使功能(2)缺鈣癥狀②生長點壞死鈣難移動，不易被重復利用，癥狀首先表現在幼莖幼葉上。如大白菜“干心病”,蕃茄“臍腐病”。(1)生理功能①參與光合作用葉綠素的成分，RuBP羧化酶、②酶的激活劑或組分葡萄糖激酶、果糖激酶、丙酮酸激酶、乙酰CoA合成酶等多種酶的活化劑。③參與核酸和蛋白質代謝參與DNA和RNA的合成以及蛋白質合成中氨基酸的活化過程；是穩定合成蛋白質的核糖體結構防(2)缺鎂癥狀：葉片失綠，從下部葉片開始，往往是葉肉變黃而葉脈仍保持綠色。嚴重缺鎂時可形成壞死斑塊，引起葉片6)硫Sulfur(S)(1)生理作用：①蛋白質和生物膜的成分原生質的構成元素。②酶與生活活性物質的成分輔酶A和硫胺素、生③構成體內還原體系蛋白質中-SH基與-S-S-互相轉變，調節植物體內的氧化還原反應，還具有穩定蛋白質空間結構的作(2)缺硫癥狀：植株矮小，硫不易移動，幼葉先表現癥狀，新葉均衡失綠，呈黃白色并易脫落。(1)生理作用：①多種酶的輔基以價態的變化傳遞電子(Fe3++e-=Fe2+),在呼吸和光合電子傳遞中起重要作用。②合成葉綠素所必需催化葉綠素合成的酶需要Fe2+激活。③參與氮代謝硝酸及亞硝酸還原酶中含有鐵，豆科根瘤菌中固氮酶(2)缺鐵癥狀：不易重復利用，最明顯的癥狀是幼芽幼葉缺綠發黃，甚至變為黃白色。在堿性土或石灰質土壤中，鐵易形成不溶性(3)過多：下部葉脈間出現小褐斑點，葉色暗綠。嚴重毒害時，葉色呈紫褐色或褐黃色，根發黑或腐爛。8)銅Copper(Cu)(1)生理作用：銅礦區可發生銅過剩癥，根系短而粗，葉片失綠.柑桔--裂果；蠶豆--花瓣上黑色“豆眼”退色；小9)硼Boron(B)(1)生理作用：①硼能促進花粉萌發與花粉管伸長②促進糖的運輸(2)缺硼癥狀①受精不良，籽粒減少，花藥花絲萎縮，花粉母細胞不能向四分體分化。10)鋅Zinc(Zn)(1)生理作用：(2)缺鋅癥狀：果樹“小葉病”是缺鋅的典型癥狀。11)錳Manganese(Mn)(1)生理作用：12)鉬Molybdenum(Mo)需要量最少的必需元素。(1)生理作用：①硝酸還原酶和豆科植物固氮酶鉬鐵蛋白的成分②鉬還能增強植物抵抗病毒的能力(2)缺鉬癥狀：缺鉬時葉較小，葉脈間失綠，有壞死斑點，且葉邊緣焦枯，向內卷曲。番茄缺--脈間失綠變得呈透明大豆缺--根瘤發育不良13)氯Chlorine(C1)(1)生理作用：(2)缺氯癥狀：缺氯時，葉片萎蔫，失綠壞死，最后變為褐色；同時根系生長受阻、變粗，根尖變為棒狀。老葉病癥病癥常遍布整株，短而細燥時暗綠，莖短而細氮磷部葉片不干焦但雜色或綠色，葉緣杯狀卷起或卷皺細葉雜色或缺綠，在葉脈間或葉尖和葉緣有壞死斑點，小，莖細壞死斑點大而普遍出現于葉脈間，最后出現于葉脈，葉厚莖短鎂鉀鋅嫩葉病癥頂芽死亡，嫩葉嫩葉基部淺綠，從葉基起枯死，葉捻曲鈣硼萎蔫，無壞死斑點嫩葉萎蔫，無失綠，莖尖弱銅錳鐵硫(二)植物對礦質元素的吸收及運輸植物細胞吸收礦質元素的方式為：主動吸收、被動吸收和胞飲作用。其中主動吸收是植物細胞吸收礦質元素的主要方協助，所以叫協助擴散或易化擴散，擴散動力是這些離主動吸收是指細胞利用代謝能量逆著濃度梯度吸收礦質元素的過程。主動吸收需要轉運蛋白蛋白和載體蛋白之分。載體蛋白又分為單向運輸載體、同向運輸載體和反向運輸載離子也可以通過離子泵(質子泵和鈣泵)胞飲作用是細胞將吸附在質膜上的礦物質通過膜的內折而轉移到細胞內的過程。胞飲作用是非選擇性吸收，大分子物1)植物吸收礦質元素的特點(1)根系吸收礦質與吸收水分的相互關系(2)根系對離子吸收具有選擇性離子的選擇吸收是指植物對同一溶液中不同離子或同一鹽的陽離子和陰離子吸收的比例不同的現象。alkalinesalt):根系從溶液中有選擇地吸收離子后使溶液酸度降低的鹽類。如NaNO?acidsalt):根系從溶液中有選擇地吸收離子后使溶液酸度增加的鹽類.如(NH?)?SO4③生理中性鹽(physiologicallyacidsalt):植物吸收其陰、陽離子的量很相近，而不改變周圍介質pH的鹽類。如NHANOs生理酸性鹽和生理堿性鹽是由于植物的選擇吸收而引起外界溶液逐漸變酸或變堿。(3)根系吸收單鹽會受毒害任何植物，假若培養在某一單鹽溶液中，不久即呈現不正常狀態，最后死亡。這種現象稱單鹽毒害(toxicityofsinglesalt)。單鹽毒害無論是營養元素或非營養元素都可發生，而且在溶液濃度很稀時植物就會受害。,若在單鹽溶液中加入少量其它鹽類，毒害現象就會消除。這種現象，稱離子頡頑(ionantagonism),也稱離子對抗。植物只有在含有適當比例的多鹽溶液中才能良好生長的溶液稱平衡溶液(balancedsolution)。2)根系吸收礦質元素的區域和過程(1)根系吸收礦質元素的區域：根系是植物吸收礦質的主要器官，吸收礦質的部位和吸水的部位都是根尖未栓化的部分。根毛區是吸收礦質離子最快的區域(2)根系吸收礦質的過程①離子被吸附在根系細胞表面根部細胞呼吸作用放出CO?和H?0。CO?溶于水生成H?CO?,H?CO?能解離出H和HCO?-離子，這些離子同土壤溶液和土壤膠粒上吸附的離子交換，如K'、CI、NCO?-等進行交換，使土壤中的離子被吸附到根表面。離子交換按“同荷等價”的原理進行，即陽離子只同陽離子交換，陰離子只能同陰離子交換，而且價數必須相等。②離子進入根部導管吸附根表面的離子可通過質外體和共質體兩種途徑I、質外體途徑外界溶液中的離子可順著電化學勢梯度擴散進入根部質外體，故質外體又稱自由空間。自由空間的大小無法直接測定，只能由實驗值間接估算。這個估算值稱為相對自由空間(relativefreespace,RFS)。估算的方法是：將根系放入某一已知濃度、體積的溶液中，待根內外離子達到平衡后，再測定溶液中的離子數和根內進入自由空間的離子數(將根再浸入水中，使自由空間內的離子擴散到水中，再行測定)。用下式可計算出相對自由空間：RFS(%)=自由空間體積/根組織總體積×100=進入組織自由空間的溶質數(μmol)/〔外液溶質濃度(μmol·ml-1)×組織總體積(ml)〕×100Ⅱ、共質體途徑離子通過自由空間到達原生質表面后，可通過主動吸收或被動吸收的方式進入原生質。在細胞內離子可以通過內質網及胞間連絲從表皮細胞進入木質部薄壁細胞，然后再從木質部薄壁細胞釋放到導管中。釋放機理可以是被動的，也可以是主動的，并具有選擇性。木質部薄壁細胞質膜上有ATP酶，推測這些薄壁細胞在分泌離子運向導管中起積極的作用。離子進入導管后，主要靠水的集流而運到地上器官，其動力為蒸騰拉力和根壓。3.影響根系吸收礦質元素的因素(1)溫度：在一定范圍內，根系吸收礦質元素的速度，隨土溫的升高而加快，當超過一定溫度時，吸收速度反而下降。這是因為土溫變化：①影響呼吸而影響根對礦質的主動吸收；②影響酶的活性，影響各種代謝；③影響原生質膠體狀況低溫下原生質膠；④高溫(40℃以上)使酶鈍化，從而影響根部代謝；⑤高溫還導致根尖木栓化加快，減少吸收面積；⑥高溫還能引起原生質透性增加；使被吸收的礦質元素滲漏到環境中去。(2)通氣狀況：通氣良好時根系吸收礦質元素速度快。根據離體根吸收鉀的試驗，水稻在含氧量達3%時吸收速度最快，而番茄為5%～10%。通常要求土壤中含氧量要>5%,通氣不良的土壤中含氧量中只有2%,缺氧時，根系的生命活動受影響，從而會降低對礦質的吸收。通常要求土壤CO?含量<5%,CO?過多會抑制根系有氧呼吸，無氧呼吸增強，土壤中還原性物質增多，如H?S和Fe2?--細胞色素氧化酶的抑制劑，對根系造成毒害。(3)土壤溶液濃度據試驗，當土壤溶液濃度很低時，根系吸收礦質元素的速度，隨著濃度的增加而增加，但達到某一濃度時，再增加離子濃度，根系對離子的吸收速度不再增加。這一現象可用離子載體的飽和效應來說明。濃度過高，會引起水分的反滲透，導致“燒苗”。所以，向土壤中施用化肥過度，或葉面噴施化肥及農藥的濃度過大，都會引起植物死亡，應當注意避免。一般陽離子的吸收速率隨土壤pH值升高而加速；而陰離子的吸收速率則隨pH值增高而下降。(4)土壤pH值土壤溶液pH值對植物吸收離子有直接影響和間接影響：①直接影響：影響到根系的帶電狀況。這與組成細胞質的蛋白質為兩性電解質有關，在酸性環境中，根組織活細胞膜及胞內構成蛋白質的氨基酸處于帶正電狀態，易吸收外界溶液中的陰離子；在堿性環境中，氨基酸的羧基多發生解離而處于帶負電狀態，根細胞易吸收外部的陽離子。有利陽離子吸收有利陰離子吸收②間接影響：影響到離子有效性，比直接影響大得多。當土壤的堿性逐漸增加時，Fe、Ca、Mg、Cu、Zn、PO3等元素易形成難溶性化合物，使這些元素的有效性降低；在偏酸性環境中，有利于POa3-、K、Ca"、Mg2等溶解性的增加，從而有利于植物的吸收利用，但同時這些元素易流失，往往植物來不及吸收，便被雨水沖走。故在酸性紅壤土中，常缺乏上述元素。土壤酸性過強時(如我國南方地區紅黃壤),A1、Fe、Mn等溶解度增大，當超過一定含量時，可引起植物中毒。4.地上部分(葉片)對礦質元素的吸收I、吸收方式溶于水中的營養物質噴施到植物地上部分后，營養元素可通過葉片的氣孔(主要)、葉面角質層或莖表面的皮孔進入植物體內。角質層是多糖和角質(脂類化合物)的混合物，分布于表皮細胞的外側壁上，不易透水。但角質層有裂縫，呈細微的孔道，可讓溶液通過。溶液經過角質層孔道到達表皮細胞外側壁后，進一步經過細胞壁中的外連絲(連接細胞壁與質膜的纖絲),到達表皮細胞的質膜。外連絲：連接細胞壁與質膜的纖絲。主動或被動吸收外連絲里充滿表皮細胞原生質體的液體分泌物，從原生質體表面透過壁上的纖細孔道向外延伸，與質外體相接。當溶液經外連絲抵達質膜后，就被轉運到細胞內部，最后到達葉脈韌皮部。外連絲是營養物質進入葉內的重要通道，它遍布于表皮細胞、保衛細胞和副衛細胞的外圍。Ⅱ、影響因素：營養物質進入葉片的量與葉片的內外因素有關1)葉結構嫩葉比老葉的吸收速率和吸收量要大，(表層結構差異和生理活性不同)。對角質層厚的葉片效果較差。2)溫度溫度對營養物質進入葉片有直接影響。3)保留時間溶液在葉面上保留時間越長，被吸收的營養物質的量就越多。營養液中加入表面活性劑或沾濕劑(吐溫、洗凈劑)以增加營養液在葉面的吸附力。4)凡能影響液體蒸發的外界環境因素，如光照、風速、氣溫、大氣濕度等都會影響葉片對營養物質的吸收。Ⅲ、優點：1)用肥省2)肥效快3)補充養料的不足常用于葉面噴施的肥料有尿素、磷酸二氫鉀及微量元素，噴施濃度稍高，易造成葉片傷害，“燒苗”。注意：根外施肥不能代替根部施肥，只能作根肥的補充。5.礦質元素在體內的運輸和利用N一根系吸收的N素，多在根部轉化成有機化合物，如天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺，以及少量丙氨酸、纈氨酸和蛋氨酸，然后這些有機物再運往地上部；也有一部分氮素以NO3直接被運送至葉片后再被還原利用P-磷酸鹽主要以無機離子形式運輸，還有少量先合成磷酰膽堿和ATP、ADP、AMP、6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖等有機化合物后再運往地上部；K、Ca2*、Mg2、Fe2"、SO?2-等則以離子形式運往地上部。2)礦質元素運輸途徑礦質元素被根系吸收進入木質部導管后，隨蒸騰流沿木質部向上運輸，這是礦質元素在植物體內縱向長距離運輸的主要途徑。在礦質元素沿木質部上運的同時，也存在有部分礦質元素橫向運輸至韌皮部的現象。礦質元素運到生長部位后，大部分與體內的同化物合成復雜的有機物質，它們進一步形成植物的結構物質。未形成有機化合物的礦質元素，有的作為酶的活化劑，有的作為滲透物質，調節植物水分的吸收。已參加到生命活動中去的礦質元素，經過一個時期后也可分解并運到其它部位去，被重復利用。必需元素被重復利用的情況不同：N、P、K、Mg易重復利用，它們的缺乏病癥，首先從下部老葉開始。Cu、Zn有一定程度的不能重復利用，它們的病癥首先出現于幼嫩的莖尖和幼葉。氮素循環：自然界中土壤、水體、大氣層以及動植物及人類氮素同化：在氮素循環過程中，無機態的氮素(N?、NOs、NHa等)逐步轉變為有機態氮的過程。因此，氮素同化可包1)生物固氮：由固氮微生物將大氣中的游離氮(N?)轉化為含氮化合物(NHs或NHA)的過程。生物固氮是地球上固氮過程中最重要的組成部分。約占總固氮量的75%。2)硝酸鹽的代謝還原：[1]硝酸鹽還原為亞硝酸鹽：NO?+NAD(P)H+H+2e-→ [2]亞硝酸鹽還原為氨(或銨):NO?+8H+6e-→NH+2H?O該過程由亞硝酸還原酶(nitritereductase,NiR)催化。NiR定位于葉綠體(chloroplast)或根中的前質體(proplastid)。已知葉綠體中的NiR有兩個亞基，相對分子質量為60~70KD。其輔基由一鐵硫原子簇(4Fe-4S)及一個西機制尚不甚清楚。有人認為可能是NiR還原過程中產生的硝酰基(NOH)和羥胺(NH?OH)與NiR結合為復合物而未能顯示出3)氨態氮的同化：a.轉變為谷氨酸：谷氨酰胺在谷氨酸合成酶(GOGAT)催化下與α-酮戊二酸轉變為二分子谷氨酸(其中一分子相當于原來的那一分子谷氨酸)。b.轉變為天冬酰胺：谷氨酰胺在天冬酰胺合成酶的催化下將氨基轉移至天冬氨酸而成。換作用。轉氨反應中的草酰乙酸由PEP羧化而來。④氨態氮也可與α-酮戊二酸經由谷氨酸脫氫酶(GDH)催化而形成谷氨酸。2.磷的同化(四)合理施肥的生理基礎1.作物需肥特點：1)不同作物或同一作物的不同品種需肥情況不同2)作物不同，需肥形態不同3)同一作物在不同生育期需肥不同2.施肥指標1)土壤營養豐缺指標量達1%,總氮含量在0.06%以上，速效氮30～40mg·L1,速效磷在20mg·L1以上，速效鉀30～40mg·L1。2)作物營養豐缺指標(1)長相氮肥多，生長快，葉片大，葉色濃，株形松散；氮不陳永康在單季晚粳稻高產栽培中總結出的“三黑三黃”(在分蘗、拔節和孕穗期葉色加深，而在分蘗末期、幼穗分化和臨(1)體內養分狀況“葉分析”:測定葉片或葉鞘等組織中礦質元素含量，判斷營養的豐缺情況。通過分析可在豐缺之間找到一臨界值，即作物獲得最高產量時組織中營養元素的最低濃度。組織中養分濃度低于臨界濃南京土壤研究所以水稻心葉下第三葉鞘為測定部位，認為銨態氮含量150~200mg·L1正常，低于150mg·L1為低量，達到(2)葉綠素含量淀粉含量將葉鞘劈開，浸入碘液，如染成的藍黑色顏色深面積大，則表明缺N,需要追施N肥。缺銅，抗壞血酸氧化酶和多酚氧化酶活性下降；缺鐵，過氧化物酶和過氧化氫酶活性下降；生理指標可靠、準確，是診斷作物營養狀況最有前途的方法。但還有待于進(一)光合作用的概念及其重要性1.概念：綠色植物、光養生物和光合細菌利用光能把CO?2.光合作用的意義CO?+H?O→(CH?0)+0?(△G=478kJ/mol)1)把無機物變為有機物的重要途徑2)巨大的能量轉換過程3)維持大氣中02和CO2的相對平衡(二)葉綠體及光合色素1)葉綠體的基本結構：被膜、基質和類囊體(1)葉綠體被膜：由兩層單位膜組成，兩膜間距5～10nm。被膜上無葉綠素，主要功能是控制物質的進出，維持光合作用外膜磷脂和蛋白的比值是3.0(w/w)。密度小(1.08g/ml),非選擇性膜。分子量小于10000的物質如蔗糖、核酸、無(2)基質及內含物被膜以內的基礎物質。以水為主體，內含多種離子、低分子有機物，以及多種可溶性蛋白質等。含有還原CO?與合成淀粉的全部酶系——碳同化場所脂類、四吡咯(葉綠素類、細胞色素類)和萜類等物質及其合成和降解的酶類基質是淀粉和脂類等物的貯藏庫——淀粉粒與質體小球(3)類囊體由單層膜圍起的扁平小囊。膜厚度5~7nm,囊腔空間為10nm左右，片層伸展的方向為葉綠體的長軸方向。基質類囊體又稱基質片層，伸展在基質中彼此不重疊；基粒類囊體或稱基粒片層，可自身或與基質類囊體重疊，組成基粒。2)功能：葉片是光合作用的主要器官，而葉綠體是光合作用最重要的細胞器。1)葉綠體的化學組成2)光合色素：主要有三類：葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素。高等植物葉綠體中含有前兩類，藻膽素僅存在于藻類。(1)葉綠素(chlorophyll,chl:不溶于水，溶于有機溶劑，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。通常用80%的丙酮或丙酮：乙醇：水(4.5:4.5:1)的混合液來提取葉綠素。容易降解。綠素b。葉綠素分子含有一個卟啉環的“頭部”和一個葉綠醇(植醇，phytol)的“尾巴”。卟啉環由四個吡咯環以四個甲葉醇相結合。葉醇是由四個異戊二烯單位組成的雙萜，是一個親脂的脂肪鏈，它卟啉環上的共軛雙鍵和中央鎂原子易被光激發而引起電子得失，從而使葉綠素具有特殊的光化學性質。葉綠素僅以電子傳遞(即電子得失引起的氧化還原)及共軛傳遞(直接能量傳遞)的方式參與能量的傳遞，而不進行氫的傳遞。葉綠素→去鎂葉綠素→銅代葉綠素(穩定而不易降解，常用醋酸銅處理來保存綠色植物標本)。(2)類胡蘿卜素(carotenoid):不溶于水而溶于有機溶劑。是一類由八個異戊二烯單位組成的40C不飽和烯烴(圖3-1b)。卜素都包埋在類囊體膜中，以非共價鍵與蛋白質結合組成色素蛋白復合體(pigmentproteincomplex),以吸收和傳遞光葉綠素在可見光區有兩個最強吸收區：640～660nm的紅光區，430～450nm的藍紫光區。葉綠素a和葉綠素b的吸收光譜雖然相似，但不相同：葉綠素a在紅光區的吸收帶偏向長波方面，吸收帶較寬，吸收峰較高；而在藍紫光區的吸收帶偏向短光波絕大多數的葉綠素a和全部的葉綠素b具有吸收光能的功能，只有極少數特殊狀態的葉綠素a分子，才具有將光能轉換為電能的作用(即具有光化學活性)。當葉綠素分子吸收光量子后，就由最穩定的、能量的最低狀態-基態(groundstate)上升到不穩定的高能狀態一激發態(excitedstate)。葉綠素熒光指被激發的葉綠素處于第一三線態的葉綠素返回到基態所發射的光稱為葉綠素磷光。壽命較長(10-2s)。葉綠素的熒光和磷光說明葉綠素能被光所激發，這是將光能轉變為1)葉綠素的生物合成葉綠素的合成是一個酶促反應。高等植物葉綠素的生物合成是以谷氨酸和α-酮戊二酸作為原料，先合成δ-氨基酮戊酸(8-aminolevulinicacid,ALA)。2分子ALA脫水縮合形成一分子具有吡咯環的膽色素原；4分子膽色素原脫氨基縮合形成一分子尿卟啉原Ⅲ(合成過程按A→B→C→D環的順序進行),尿卟啉原Ⅲ的4個乙酸側鏈脫羧形成具有四個甲基的糞卟啉原Ⅲ,以上反應是在厭氧條件下進行的。綠素a。葉綠素b是由葉綠素a轉化而成的。(1)光照：光是葉綠體發育和葉綠素合成必不可少的條件。(2)溫度：葉綠素的生物合成是一系列酶促反應，因此受溫度影響很大。最適溫度是20～30℃,最低溫度約為2~4℃,最高溫度為40℃左右。溫度過高或過低均降低合成速率，加速(3)礦質元素：氮和鎂是葉綠素的組成成分，鐵、銅、錳、鋅是葉綠素合成過程中酶促反應的輔因子。缺乏這些元素影響葉綠素形成，植物出現缺綠癥(chlorosis),尤以氮素的影響最大。(5)氧氣：缺氧會影響葉綠素的合成；光能過剩時，氧引起葉綠素的光氧化。(三)光合作用光反應的機制根據需光與否，光合作用分為兩個反應一光反應(lightreaction)和暗反應(darkreaction)。光反應是必須在光下才能進行的光化學反應；在類囊體膜(光合膜)上進行；暗反應是在暗處(也可以在光下)進行的酶促化學反應；在葉綠體基質中1).光能的吸收、傳遞和轉換成電能，主要由原初反應完成；2).電能轉變為活躍化學能，由電子傳遞和光合磷酸化完成；3).活躍的化學能轉變為穩定的化學能，由碳同化完成。1.光能吸收與傳遞(原初反應)1)原初反應：是指從光合色素分子被光激發，到引起第一個光化學反應為止的過程。它包括：光物理一—光能的吸收、傳遞光化學-—有電子得失原初反應特點：①速度非常快；②與溫度無關；③量子效率接近1。2)光能的吸收與傳遞(1)激發態的形成通常色素分子是處于能量的最低狀態——基態。色素分子吸收了一個光子后，會引起原子結構內電子的重新排列。其中一個低能的電子獲得能量后就可克服原子核正電荷對其的吸引力而Chl(基態)+hu10-15S→Chl*(激發態)葉綠素在可見光部分有二個吸收區：紅光區與藍光區(在能量利用上藍光沒有紅光高)。如果葉綠素分子被藍光激發，①.放熱激發態葉綠素分子在能級降低時以熱的形式釋放能量。此過程②.發射熒光與磷光激發態葉綠素分子回至基態時，以光子形式釋放能量。③.色素分子間的能量傳遞激發態色素分子把激發能傳遞給處于基態的同種或異種分子而返回基態的過程。3)光化學反應※反應中心色素分子(原初電子供體):光化學反應中最先向原初電子受體供給電子的。反應中心色素分子又稱原初電子供※原初電子受體：直接接收反應中心色素分子傳來電子的電子傳遞體※維持電子傳遞體的微環境所必需的蛋白質可用下式表示光化學反應過程：基態反應中心激發態反應中心電荷分離的反應中心A-:帶負電荷原初電子受體；反應中心出現了電荷分離，到這里原初反應也就完成了。原初電子供體失去電子，有了“空穴”,成為“陷阱”,便可從次電子給P的還原劑叫做次級電子供體(D),從A-接收電子的氧化劑叫做次級電子受體(A1),那么電荷分離后反應中心的更原初反應的結果：使光系統的反應中心發生電荷分離，產生的高能電子推動著光合膜上的電子傳1)電子和質子的傳遞(1)光合鏈：指定位在光合膜上的，由多個電子傳遞體組成的電子傳遞的總軌道。“Z”方案特點：①電子傳遞鏈主要由光合膜上的PSⅡ、Cytb?/f、PSI三個復合體串聯組成。②電子傳遞有二處逆電勢梯度，即P680至P680*,P700至P700*,逆電勢梯度的電子傳遞均由聚光色素復合體吸收光能后③水的氧化與PSⅡ電子傳遞有關，NADP'的還原與PSI電子傳遞有關。電子最終供體為水，水氧化時，向PSⅡ傳交4個電子，使2H?O產生1個0?和4個H。電子的最終受體為NADP。④PQ是雙電子雙H傳遞體，它伴隨電子傳遞，把H從類囊體膜外帶至膜內，連同水分解產生的H一起建立類囊體內外的H2)光合電子傳遞體的組成與功能中植物光合作用特有的反應，也是光合作用中最重要的反應之一。每釋放1個0?需要從2個H?O中移去4個e-,同時形20世紀60年代，法國的喬利爾特(P.Joliot)發明了能靈敏測定微量氧變化的極譜電極，用它測定小球藻的光合放氧反應。科克(B.Kok,1970)等人根據這一事實提出了關于H?O裂解放氧的“四量子機理假說”:②每次閃光，S交給PSⅡ反應中心1個e-;③當S失去4e一帶有4個正電荷時能裂解2個H?O釋放1個0?。此模型被稱為水氧化鐘或Kok鐘(Kokclock)。錳是水氧化必不可少的元素。(2)質醌(PQ):也叫質體醌，是PSⅡ反應中心的末端電子受體，也是介于PSⅡ復合體與Cytb?/f復合體間的電子傳遞體。脂溶性分子，能在類囊體膜中自由移動，轉PSIⅡ(也可是PSI)傳來的電子，同時與H+結合；還原態的質體醌在膜的內側把電子傳給Cytbe/f,氧化時把H+釋放至(3)Cytb?/f復合體Cytb?/f復合體作為連接PSⅡ與PSI兩個光系統的中間電子載體系統，是一種多亞基膜蛋白，由幾個多肽組成，即Cytf、Cytb、Rieske鐵-硫蛋白、亞基IV、光合電子傳遞體(P質子從類囊體膜外間質中跨膜轉移到膜內腔中。因此Cytb?/f復合體又稱PQH?·PC氧還酶。關于Cytb?/f復合體介導的跨膜質子轉移的機理，Mitchell曾提出Q循環的假設：氧化態的質醌在類囊體膜的外側接收由PSⅡ傳來的電子，與質子結合；還原的PQH?將2個電子中的一個傳給Cytbg/f復合體中的FeSR,再交給Cytf,進而電子由低電位的b?傳至高電位的bs,再將電子傳至PQ。經過兩次電子循環后，PQ兩次被還原，雙還原的PQ又從膜外結合(4)質藍素(PC):位于類囊體膜內側表面的含銅的蛋白質，氧化時呈藍色。它是介于Cytb?/f復合體與PSI之間的電子PSI復合體存在類囊體非堆疊的部分，PSⅡ復合體存在堆疊部分，而Cytb?/f比較均勻地分布在膜中，因而推測PC(6)鐵氧還蛋白和鐵氧還蛋白-NADP+還原酶Fd是通過它的2鐵-2硫活性中心中的鐵離子的氧化還原傳遞電子的。Fd也是電子傳遞的分叉點。電子從PSI傳給Fd后有傳給氧進行假環式電子傳遞；交給硝酸參與硝酸還原；傳給硫氧還蛋白(Td)進行光合酶的活化調節……。(7)光合膜上的電子與H+的傳遞經非環式電子傳遞途徑，在光反應中吸收8個光量子(PSI與PSIⅡ各吸收4個),傳遞4個e-能分解2個H20,釋放1個02,同時使類囊體膜腔增加8個H+,又因為吸收8個光量子能同化1個CO2,而在暗反應中同化1個CO2需消耗3個ATP和2個NADPH,也即傳遞4個e-,可還原2個NADPH,經ATP酶流出8個H要合成3個ATP。3)光合電子傳遞的類型根據電子傳遞到Fd后去向，將光合電子傳遞分為三種類型。(1)非環式電子傳遞：指水中的電子經PSⅡ與PSI一直傳到NADP+的電子傳遞途徑H?O→PSⅡ→PQ→Cytb?/f→PC→PSI→Fd→FNR→NA按非環式電子傳遞，每傳遞4個e,分解2個H?O,釋放1個02,還原2個NADP,需吸收8個光量子，量子產額為1/8,同時轉運8個H進類囊體腔。(2)環式電子傳遞①PSI中環式電子傳遞：由經Fd經PQ,Cytb/fPC等傳遞體返回到PSI而構成的循環電子傳遞途徑。即：PSI→Fd→PQ→Cytb?/f→PC→PS環式電子傳遞不發生H?O的氧化，也不形成NADPH,但有H的跨膜運輸，可產生ATP,每傳遞一個電子需要吸收也有實驗指出PSⅡ中環式電子傳遞為：P680→Cytbs59→Pheo→P680③假環式電子傳遞：指水中的電子經PSI與PSIⅡ傳給Fd后再傳給0?的電子傳遞途徑，這也叫做梅勒反應。H?O→PSⅡ→PQ→Cytb?/f→PC→PSFd為單電子傳遞體，其氧化時把電子交給0?,使O?生成超氧陰離子自由基。葉綠體中有超氧化物歧化酶(SOD),能消除02-。假環式電子傳遞實際上也是非環式電子傳遞，也有H+的跨膜運輸，只是電子的最終受體不是NADP+而是0?。1)光合磷酸化的類型(1)非環式光合磷酸化：與非環式電子傳遞偶聯產生ATP的反應。(2)環式光合磷酸化：與環式電子傳遞偶聯產生ATP的反應。ADP+Pi光葉綠體>ATP+H?O環式光合磷酸化是非光合放氧生物光能轉換的唯一形式，主要在基質片層內進行。在高等植物中可能起著補充ATP不足的(3)假環式光合磷酸化：與假環式電子傳遞偶聯產生ATP的反應。此種光合磷酸化既放氧又吸氧，還原的電子受體最后H?O+ADP+Pi光葉綠體>ATP+0?-+4H+非環式光合磷酸化與假環式光合磷酸化均被DCMU(二氯苯基二甲基脲，敵草隆)除草劑所抑制，而環式光合磷酸化2)光合磷酸化的機理(1)光合磷酸化與電子傳遞的關系-—偶聯三種光合磷酸化作用都與電子傳遞相偶聯：(發生電子傳遞而不伴隨磷酸化作用稱解偶聯)※在偶聯磷酸化時，電子傳遞則會加快，所以在體系中磷酸化和電子傳遞的關系偶聯可用ATP/e?或P/0來表示。ATP/e2:每對電子通過光合電子傳遞鏈而形成的ATP分子數；P/0:表示光反應中每釋放1個氧原子所能形成的ATP分子如按8個H+形成3個ATP算，即傳遞2對電子放1個02,能形成3個ATP,即ATP/e2或P/0理論值為1.5。(2)化學滲透學說(chemiosmotictheory)①由磷脂和蛋白多肽構成的膜對離子和質子的透過具有選擇性②膜上有偶聯電子傳遞的質子轉移系統③具有氧化還原電位的電子傳遞體不勻稱地嵌合在膜④膜上有轉移質子的ATP酶在解釋光合磷酸化機理時，該學說強調：光合電子傳遞鏈的電子傳遞會伴隨膜內外兩側產生質子動力(protonmotiveforce,pmf),并由質子動力推動ATP的合成。許多實驗都證實了這一學說的正確性。I.化學滲透學說的實驗證據①.兩階段光合磷酸化實驗：指光合磷酸化可以相對分成照光階段和暗階段來進行，照光不向葉綠體懸浮液中加磷酸化底物，而斷光時再加入底物能形成ATP的實驗。1962年，中國的沈允鋼等人，用此實驗探測到光合磷酸化高能態(Z*)的存在。1963年賈格道夫(Jagendorf)等也觀察到了光合磷酸化高能態的存在。起初認為Z*是一種化學物質，以此提出了光合磷酸②.酸一堿磷酸化實驗--化學滲透假說最重要的支持證據。賈格道夫等(1963)在暗中把葉綠體的類囊體放在pH4的弱酸性溶液中平衡，讓類囊體膜腔的pH下降至4,然后加進pH8和含有ADP和Pi的緩沖溶液，這樣瞬間的pH變化使得類囊體膜內外之間產生一個H梯度。這生成ATP,而這時并不照光，也沒有電子傳遞。這種驅動ATP合成的類囊體內外的pH差在活體中正是由光合電子傳遞和H+③光下類囊體吸收質子的實驗對無pH緩沖液的葉綠體懸浮液照光，用pH計可測到懸浮液的pH升高。這是由于光合電子傳遞引起了懸浮液中質子向類囊體膜腔運輸，使得膜內H+濃度高而膜外較低的緣故。電子傳遞產生了質子梯度后，質子就有反向跨膜轉移的趨向，質以上實驗都證實了米切爾的化學滲透學說的正確性，因而米切爾獲得了1978年度的諾貝爾化學獎。Ⅱ.H+電化學勢與質子動力e-傳遞與H向膜內的運轉，還會引起類囊體膜的電勢變化，從而產生H電化學勢差(△μH):=RTln([H內]/[H外])+F△E=2.3RT△pH+F△E式中R-氣體常數，T-絕對溫度(K),F-法拉第常數，△E-膜電勢(V)。質子反向轉移和合成ATP是在ATP酶(ATPase)上進行的。ATP酶又叫ATP合(成)酶，也稱偶聯因子或CF1-CFo復合體。葉綠體的ATP酶由兩個蛋白復合體組成：一個是突出于膜表面的親水性的“CF1”;另一個是埋置于膜中的疏水性的“CFo”。ATP酶由九種亞基組成，分子量為550000左右，催化的反應為磷酸酐鍵的形成，即把ADP和Pi合成ATP。另外ATP酶還可以催化逆反應，即水解ATP,并偶聯H向類囊體膜內運輸。葉綠體進行光合磷酸化，必須：(1)類囊體膜上進行電子傳遞；(2)類囊體膜內外有質子梯度；(3)有活性的ATP酶。破壞這三個條件之一的試劑都能使光合磷酸化中止，這些試劑也就成了光合磷酸化的抑制劑。(1)電子傳遞抑制劑：指抑制光合電子傳遞的試劑，如羥胺(NH?OH)切斷水到PSⅡ的電子流，DCMU抑制從PSIⅡ上的Q到PQ的電子傳遞；KCN和Hg等則抑制PC的氧化。一些除草劑如西瑪津(simazine)、阿特拉津(atrazine)、除草定(bromacil)、異草定(isocil)等也是電子傳遞抑制劑，它們通過阻斷電子傳遞抑制光合作用來殺死植物。(2)解偶聯劑：指解除磷酸化反應與電子傳遞之間偶聯的試劑。常見的這類試劑有DNP(二硝基酚)、CCP(carbonylcyanide-3-c