植物的水分代谢.pps

,植 物 生 理 学,李 佳,四川师范大学生命科学院,植物生理学,Plant physiology 研究植物生命活动规律的科学,水分代谢、矿质代谢、光合作用、呼吸作用、中间物质代谢；种子萌发、营养器官生长、生殖器官形成、开花、传粉、受精、果实和种子成熟等生长发育过程,过 去,公元前1000多年：豆科与谷物轮作增产、闷麦法、施加动物排泄物和某些矿物质增产 1617世纪，开始科学的实验工作 1882年J. Sachs编写了最早的植物生理学讲义 W.Pfeffer编写植物生理学 标志成为一门独立学科！ 植物个体、器官、组织水平上的研究,现 在,研究水平更深入 植物水分生理、矿质代谢生理、光合作用生理 植物功能基因组学、蛋白组学、代谢组学、分子生理学. 多学科交叉关联,研究范围更广泛 作物生理学、林木生理学、生态生理学.,将 来,组培、溶液培养能否工业化生产贵重作物、药物、食品？ 光合作用机理能否人工利用太阳能合成碳水化合物？,第一章 植物的水分代谢,没有水就没有生命,“有收无收在于水”,水分的吸收,水分的运输,水分的利用,（蒸腾） 水分的散失,植物的水分代谢包括：,本章学习目标 了解植物对水分吸收、运输及蒸腾的方式、途径和机制，认识植物如何维持水分平衡及其重要性，为合理灌溉提供理论依据。,.1 水分与植物的生命活动,1.1.1 水的理化特性,H2O中正、负电荷中心不重合，故H2O为极性分子。 H2O中正、负电荷相等，故H2O分子仍表现电中性。,分子间氢键 液态水中：单分子 缔合分子,表1.1 水与其它体积相似分子的一些物理特性比较,高汽化热,水的理化特性,汽化热一定温度下，将单位质量的物质由液态转变为气态所需的热量。 原因：大量氢键使水中存在缔合分子。 作用：使植物得以通过蒸腾作用有效地降低体温，避免高温、辐射伤害。,高比热容,比热容使单位质量的物质温度升高1 所需的热量。 原因：大量氢键使水中存在缔合分子。 作用：使水在外界温度变化较大时，自身温度变化幅度较小，使水分对气温、地温、植物体温有巨大的缓冲调节能力。,高内聚力、黏附力和表面张力,内聚力液体状态下同类分子间具有的分子间引力。 原因：由于液态水中大量氢键的存在。 作用：可达30MPa，使水具有很高的抗张强度（指液体在断裂前所能经受的最大张力），抵抗水柱中的水分子彼此被拉开。,黏附力指液体与固体间的相互吸引力。 原因：水是极性分子，可与其它极性物质形成氢键。 作用：水的内聚力和黏附力十分有利于水分在植物体内的长距离运输。,表面张力处于界面的水分子受到垂直向内的拉力，这种作用于单位长度表面上的力称为表面张力，它使体系趋于向稳定状态变化，即表面积缩小、减少界面高能分子的数量。,毛 细 现 象,由内聚力、黏附力和表面张力的共同作用产生： 毛细作用 指在液体与固体相接触的表面间的一种相互作用。,水的电性质,极高的介电常数（指抵消电荷间相互吸引作用能力的一种测度），是许多电解质与极性分子的良好溶剂。 水分子带正、负电荷的两端分别与对应的负、正离子结合，有效降低正、负离子间的静电作用力，大大增加了它们的溶解性。,.1 水分与植物的生命活动,1.1.2 植物的含水量,相对含水量（%）= RWC,叶的实际含水量（Wact）,叶在水分饱和时的含水量 （Wa）,生产上：植物是否需要灌溉的指标！,也可以用下式表示： 鲜重干重（DW） 鲜重含水量（%）= 100 鲜重（FW）,含水量与植物种类、器官和组织本身特性、环境条件有关。,水生植物 中生植物 旱生植物 肉质植物草本植物木本植物,果实根、叶茎休眠芽种子 幼嫩成熟衰老植物,隐蔽潮湿处向阳干燥处 早晨中午,生命活动旺盛部位 含水量高,.1 水分与植物的生命活动,1.1.3 植物体内水分存在的状态,束缚水：指被原生质中的胶体颗粒紧密吸附或存在于分子结构空间的水；或通过水合作用与细胞亲水物质结合而不易移动的水分。 特征： 不能自由移动 无溶剂作用 很难参加代谢反应，含量变化小,由于束缚水包围在亲水物质的外围，形成水膜，对亲水物质具有保护作用。 束缚水含量高，亲水物质的水膜越厚，越稳定。因此，束缚水比例高时，细胞原生质胶体和膜结构都比较稳定，细胞抗逆性增强。,自由水：指距离胶体颗粒较远，存在于原生质胶粒之间、液泡内、细胞间隙、导管、管胞内及植物体其它组织间隙中的水分。 特征： 不被吸附 可自由移动 可做溶剂 含量变化大 作用：主要供给蒸腾失水，补充束缚水，担负物质传导，维持细胞和植物的紧张状态，直接参与植物生理生化反应。,自由水含量高： 溶胶（胶粒各自分开， 胶体呈半流动状态。）,自由水含量低： 凝胶（胶粒连结成链，链互相交错成网状结构， 胶体呈半固体状态。）,原生质胶体两种不同状态：,自由水束缚水的比值可作为衡量植物代谢和抗逆性强弱的生理指标之一。 比值高：植物代谢强，抗逆性弱 比值低：植物代谢弱，抗逆性强 （越冬植物、旱生植物、风干种子）,.1 水分与植物的生命活动,1.1.4 水分在植物生命活动中的作用,一. 生理作用 1.细胞的主要组成成分 2.植物代谢过程中的重要原料 3.各种生化反应和物质吸收、运输的介质 4.能使植物保持固有的姿态 5.能保持植物体正常的体温 二. 生态作用 通过水的理化特性，调节植物周围环境。,1. 植物细胞对水分的吸收,为什么植物与环境之间存在这样的水分交换？ 水势差 美国水分生理学家克雷默(P.J.Kramer,1966)从物理化学中引导出并运用于植物生理学的,1、自由能、化学势与水势（water potential） 一切自发过程都要消耗体系内的这种潜在“势能”，利用这种能量去做功。 自由能 体系内能用于作功的能量。 束缚能 体系内不能用于作功的能量。 物质运动、化学反应总是顺着自由能降低的方向进行；如果要逆向进行，必须吸收能量。,比较体系中不同部位自由能的高低，可以判断物质变化方向和限度，自由能的绝对值虽无法测定，但可测知变化前后2个不同系统的自由能变化：,自由能差G=G 2 G1, G0，系统变化过程中自由能减少，属自发变化；, G0，系统变化从外界获取能量，自由能增加，系统不可自动进行；, G=0，自由能不增不减，系统处于动态平衡。,自由能差是判断系统能否自动进行反应的标准。,G,体系中常会有质量和组分上的变化，引入： 某组分的【化学势( ) 】即该组分的偏摩尔自由能（J/mol） ： 等温、等压下，保持其它组分不变时，向多组分体系加入1mol某种物质所引起体系自由能的变化。,在任一化学反应或相变体系中，物质的转移方向和限度都以化学势高低来决定。 物质总是从化学势高的地方自发地转移到化学势低的地方。, 0 反应自发进行,【水的化学势差】 mw = mw - m0w （规定m0w=0 ） 体系中水 纯水的 的化学势 化学势,非纯水状态下，因为水分子被溶质颗粒吸引而消耗、降低了水的自由能，所以其它状态下水的化学势均为负值。,【水的化学势(w)】当温度、压力及其他物质数量一定时，体系中1mol水的自由能。,计算上，通常将水的化学势除以水的偏摩尔体积，使其成为压力单位，即水势。 【水势（w）】在相同温度、压力下，每偏摩尔体积水的化学势差。,水溶液的化学势与同温同压、同一系统中的纯水的化学势之差，除以水的偏摩尔体积所得的商,【偏摩尔体积】在恒温、恒压、其它组分浓度不变的情况下，多组分体系中1mol该物质所占据的有效体积。,【水的偏摩尔体积】即体系中每摩尔水的体积，与纯水摩尔体积相近，取1810-63mol （18cm3mol）,化学势是能量概念，单位为Jmol J=N(牛顿)m 偏摩尔体积的单位为m3mol 两者相除并化简，得Nm2 结果：把以能量为单位的化学势转化为以压力为单位的水势。,使测量简便（测定压力变化比测定能量变化方便得多），而且能使水势概念与传统的吸水力（S）概念联系起来，从而在数值上使w=-S。 使水势单位与土壤学、气象学中的压力单位相一致。,纯水的自由能和化学势最大，水势也最高，其它任何水溶液中由于水分子被溶质吸引，降低了水的自由能，故水溶液的化学势和水势皆为负值。 如： 纯水 0 MPa 海水 2.5 MPa 1mol/L 蔗糖溶液 2.69 MPa 1mol/L KCl 溶液