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1、植物生理学教学多媒体课件,河北师范大学生命科学学院植物生理教研室,生理学(physiology)： 是研究生物生命活动机理和规律的一门生物学分支学科。植物生理学(plant physiology)：植物生理学是研究植物生命活动机理和规律的学科。研究的内容主要包括植物的细胞生理、物质代谢、能量转化、生长发育与形态建成、逆境生理以及信号转导等。新陈代谢(metabolism) ： 简称代谢，生物体的各组成物质通过合成及降解不断更新的过程和能量交换过程的总称。,主要内容 第一篇 植物的物质生产和光能利用 第二篇 植物体内物质和能量的转变 第三篇 植物的生长和发育 第四篇 植物对不良环境的反应,第一章

2、 植物的水分代谢（water metabolism),植物的含水量,植物种类不同，含水量不同 同种植物不同生长环境含水量不同 同一植株不同器官和不同组织含水量不同,蛋白质,自由水束缚水,植物体内水分存在的状态,束缚水（bound water）： 靠近蛋白质胶粒而被胶粒吸附不易自由移动的水。 自由水（free water）： 距离蛋白质胶粒远而容易自由移动的水。,水的存在状态与代谢强度：自由水：参与代谢（光合、呼吸、物质运输），自 由水含量越大，代谢越旺盛。束缚水：不参与代谢，可降低代谢强度，增强植物 抵抗不良外界环境的能力。水与原生质状态： 溶胶态（sol）： 凝胶态（gel）：,1水分是原生

3、质的主要成分2水分是代谢过程的反应物质：3水分是物质吸收和运输的溶剂：4水分能保持植物的固有姿态：,水分在生命活动中的作用,一、渗透性吸水 osmotic absortion of water 二、吸涨作用 imbibition,第二节 植物细胞对水分的吸收,渗透吸水（一）：自由能和水势,1、系统总能 自由能（free energy） 束缚能（bound energy） 2、化学势（chemical potential）： 每摩尔物质的自由能。 3、水势（water potential）： 水的化学势，指每偏摩尔体积水的自由能,水势（water potential） w =w-w0/ Vw w

4、 ：水溶液的化学势（J/mol=Nm/mol） 0w：同温同压同一系统中纯水的化学势 Vw：水的偏摩尔体积(m3/mol) w: 水势，Nm/molm3/mol=N/m2=Pa偏摩尔体积（partial molar volume)： 温度、压强及其组分不变的条件下，在体系中加入1mol水时，体系体积的变化。,纯水的化学势规定为零，水中的溶质会增加束缚能，降低水的自由能，所以溶液的化学势均小于零，为负值。 水分的移动方向：水分由高水势区域流向低水势区域，植物细胞正是利用这一性质来吸水的,渗透吸水（二）：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。,渗透吸水

5、（三）：植物细胞是一个渗透系统,质膜,液泡膜,细胞质,半透膜,（2）渗透系统,（1）植物细胞结构,质壁分离及质壁分离复原 （plasmolysis） （deplasmolysis）,质壁分离： 植物细胞液泡失水，使原生质体和细胞壁分离的现象。质壁分离复原是其逆过程。,质壁分离解决的问题,说明原生质层是半透膜判断细胞死活，活细胞才有质壁分离测定细胞渗透势利用质壁分离复原速度确定物质进入细胞的速度,y w= y p + y p + y m,渗透吸水（四）： 细胞的水势,Yp -渗透势（osmotic potential）Yp 压力势（pressure potential)Ym 衬质势（matric

6、 potential),渗透势（osmotic potential）溶质势（solute potential）,由于溶质颗粒的存在而使水的自由能降低导致水势降低的部分，其大小决定于溶液中溶质颗粒数目。 非电解质稀溶液的渗透势计算 =CRT（气体压力计算公式）， （C：浓度，R：气体半数，T：温度）电解质浓溶液渗透势计算公式= -iCRT （i为等渗系数，依盐的种类和温度不同而变化） 说明：（1）电解质电离之后，按生成离子的浓度算。（2）多种溶质共存时，渗透势可以累加。,压力势（pressure potential）,压力势：由于细胞壁压力的存在而增加的水势。细胞壁对抗细胞质向外膨胀而产生向内挤

7、压原生质体的压力，即为压力势，压力势使胞内水势升高，是正值。压壁分离初始阶段：p =0， 剧烈蒸腾时：p 淀粉 纤维素2、吸涨与衬质势: 未形成液泡之前, p 0， 所以w = m， 而m极低，所以w 很低，成为吸水的主要动力。,三、水分进入细胞的途径,单个水分子穿过脂双层间隙进入细胞。水分子集流通过细胞膜上的水孔蛋白中的水通道进入细胞。,水孔蛋白（ aquaporin）具有选择性、能够高效转运水分子的膜通道蛋白。,第三节 植物根系对水分的吸收,根系吸水的主要部位根毛区冬黑麦：生长4个月后根总面积为枝叶总面积的30倍，每天长出的新根为11万5千条，根毛1亿1千9百万条，连接起来88公里。,一、

8、根系吸水的途径,1、质外体途径（apoplast pathway):水分通过细胞壁、 细胞间隙等没有原生质的部分移动。 速度快 2、跨膜途径（transmembrance pathway)：水分从一个细胞移动到另一个细胞，两次跨越质膜，但不经过细胞质。 3、共质体途径(symplast pathway)：水分从一个细胞的细胞经过胞间连丝移动到另一个细胞的细胞质。 速度慢,共质体和质外体途径,植物细胞间胞间连丝,胞间连丝作为胞间通道，将相邻的细胞互相贯通，行使水分、营养物质、小的信号分子 及大分子的直接胞间运输功能，是通透性可被调节的细胞器。,柿子胚乳细胞,二、根系吸水的动力,1、 根压 roo

9、t pressure ： 植物根系的生理活动使液流从根部上升的压力，是一个主动吸水过程。大约0.1-0.2Mpa 2、蒸腾拉力 transpirational pull： 叶片蒸腾叶肉细胞失水而使胞内的水势从周围细胞要水从导管中要水导管从根部要水导致根的被动吸水。,根压存在的证据：,伤流（bleeding） 伤流液（bleeding sap）的成分：水分、无机盐、有机物、植物激素等。（伤流液的数量和成分可作为根系活力指标） 吐水（guttation）：,The origin of root pressure,The origin of root pressure,三、影响根系吸水的土壤条件：

10、1、土壤中可用水分 2、土壤通气状况 3、土壤温度 4、土壤溶液浓度,第四节 蒸腾作用（transpiration ）,1生理意义： 是植物对水分吸收和运输的主要动力。 对植物吸收矿物质和有机物，以及两类物质在体内运输有帮助。 能降低叶片温度，使植物免受灼伤。 2植物的蒸腾部位： 皮孔：通过茎、枝上的皮孔进行 叶片蒸腾：是最主要的形式,二、气孔蒸腾（stomatal transpiration）,气孔构造气孔运动：由保卫细胞的膨压控制。,气孔开关机制细胞骨架中的微纤丝在气孔开关中的作用。不同部位细胞壁弹性不同导致细胞吸水和放水时形状变化的不均衡，在微纤丝牵拉下气孔打开。,气孔运动机理： 淀粉糖

11、转化学说 starch-sugar conversion theory 无机离子吸收学说 inorganic ion uptake theory 苹果酸生成学说 malate production theory,光 暗 保卫细胞光合作用 光合，呼吸 CO2，细胞内PH CO2，PH 淀粉磷酸化酶活性适于分解 淀粉磷酸化酶活性适合于合成水解淀粉，胞内葡萄糖浓度 将葡萄糖合成为淀粉保卫细胞水势，吸水膨胀 失水缩小 气孔开放 气孔关闭 淀粉糖变化学说：(starch-sugar conversion theory),无机离子吸收学说：(inorganic ion uptake theory),内容：

12、 保卫细胞膜上具有光活化的H+-泵ATP酶，利用分解ATP产生的能量将H+排放到细胞壁，同时将K+从膜外带入膜内，与之伴随着Cl-也同时进入到胞内，细胞内K+，Cl-浓度升高，使保卫细胞水势，吸收水分气孔开放。证据：溶液中加入钾离子可以明显促进气孔开放程度加大。,苹果酸生成学说(malate production theory),光合作用产生部分碳酸根离子，与PEP结合生成草酰乙酸，再还原成为苹果酸（MA），由MA作为渗透物，降低水势，同时苹果酸还能够中和钾离子进入造成的电荷不平衡，促进气孔开放。,气孔开关的综合机理,（四）影响气孔运动的因素：,光照： 温度： CO2浓度 叶片相对含水量：,蒸

13、腾速率的决定因素,扩散力 气孔下腔蒸汽压- 叶外蒸汽压蒸腾速率 扩散途径阻力 气孔阻力扩散层阻力,外界条件对蒸腾作用的影响：,光：空气相对温度：温度：风：蒸腾作用的昼夜变化：,（四）蒸腾作用的表示方法：,蒸腾速率（transpiration rate）： 植物单位时间内单位叶面积蒸腾的水量 g/dm2h 蒸腾比率（transpiration ratio）： 植物每消耗1kg水时所形成的干物质量蒸腾系数（transpiration coefficient） 植物每制造一克干物质所需要的水量,第五节 植物体内水分的运输,一、水分运输的途径： 1、 过程 水根皮层薄壁细胞木质部导管上行进入茎 叶木质

14、部入叶肉细胞蒸腾 2、水在根部的运输途径 非质体（质外体）、内皮层、共质体 3、水分在茎、叶内的运输途径 A. 经过死细胞：距离长、阻力小，适于长距离送水。 裸子植物：经过管胞； 被子植物：经过导管， B. 经过活细胞： 距离短，阻力大，不适于长距离运输。,二、水分沿导管或管胞上升的动力,根压 支持水柱高度10-20米 蒸腾拉力 是高大植物吸水的主要动力 澳大利亚桉树最高达132.6m，胸径6m；美国海岸红木高达113.1米,内聚力张力学说示意图,The measurement of cohesive force between water molecules,第六节合理灌溉的生理基础,一、作物的需水规律： 二、合理灌溉的指标： 形态指标：叶色、株形、土壤含水量。 生理指标：叶片水势、胞液浓度、气孔开度 三、合理灌溉增产原因： 四、灌溉方法： 沟灌、喷灌、滴灌、微灌等,