植物生长与环境4.ppt

项目四植物的物质代谢 任务一植物的光合作用及应用 任务二植物的呼吸作用及应用 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 3 1 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 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 4 2 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 5 3 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光能的吸收 传递和转换成电能 主要由原初反应完成电能转变为活跃的化学能 由电子传递和光合磷酸化完成活跃的化学能转变为稳定的化学能 由碳同化进行 6 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 PS 和光系统 PS 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 12 3 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 C3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 14 C4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 17 1 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 18 3 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 4 操作规程和质量要求 21 说成年叶片 22 23 24 25 26 5 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 27 1 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克数 常用的单位是干物质g m2 h 1 光照在一定范围内 植物的光合速率随光照强度增高而相应增加 但当光照达到一定值时 光合速率不再增加 这种现象称为光饱和现象 这时的光照强度称为光饱和点 当光照强度低于一定数值时 光合作用吸收的二氧化碳与呼吸作用放出的二氧化碳处于平衡状态时的光照强度称为光补偿点 29 2 CO2浓度CO2是光合作用的主要原料 光合速率随CO2浓度增加而上升 植物光合作用吸收CO2也有饱和点和补偿点 各种植物的CO2饱和点和补偿点是不同的 3 水分水分对光合作用的影响主要是间接原因 水分缺乏可引起气孔关闭 光合产物输出减慢 叶绿素含量下降 光合面积减少 从而导致光合速率下降 4 温度温度三基点现象一般温带植物能进行光合作用的最低温度为0 5 在10 35 范围内 光合作用能正常进行35 以上光合作用受阻 40 50 以上光合作用完全停止 30 5 矿质元素氮 镁 铁 锰 磷 钾 硼 锌等元素都会直接或间接对光合作用产生影响 6 植物内在因素主要有叶龄 叶的结构和光合产物的输出等光合速率随叶龄增长出现 低 高 低 规律C4植物的光合速率大于C3植物 这与叶的结构有关光合产物 蔗糖 从叶片中输出速率也会影响光合作用 31 表4 3改良半叶法测定植物的光合速率 32 4 操作规程和质量要求 33 34 5 问题处理 1 测定光合强度时为什么要环割叶柄韧皮部 环割口为什么不大于0 5cm 2 取样时为什么要在两次带回实验室的材料上对应部位取呢 1 35 1 活动目标了解植物光能利用率 能够合理进行光合作用的调控及生产应用 2 活动准备通过查阅资料 访问当地有经验农民 了解影响光合作用的因素有哪些 光合作用的调控及应用经验 活动三植物光合作用的生产应用 36 3 相关知识 1 作物的产量构成因素生物产量 指作物最后总的收获量 包括根 茎 叶 果实 种子等器官的总干重经济产量 指生物产量中经济价值最高收获部分 如小麦 水稻的籽粒 甘薯的块根等 的产量经济系数 指经济产量与生物产量的比值 37 作物的生物产量又取决于光合面积 光合强度 光合时间 光合产物的消耗 可表示为 生物产量 光合面积 光合强度 光合时间 呼吸消耗经济产量 光合面积 光合强度 光合时间 呼吸消耗 经济系数 38 决定作物产量的因素叶面积光合强度光合时间 呼吸消耗经济系数 光合面积 光合面积是指植物的绿色面积 主要是叶面积 谷类作物单片叶的面积可用下式计算 单叶面积 长 宽 折算系数 0 83 在一定范围内 叶面积越大 光合作用积累的有机物质越多 产量也就越高 光合时间 采取选用中晚熟品种 间作套种 育苗移栽 地膜覆盖等措施 39 2 作物光能利用率 指一定土地面积上的植物体内有机物贮存的化学能占该土地日光投射辐射能的百分数目前作物的光能利用率普遍不高据测算 只有0 5 1 的辐射能用于光合作用低产田作物对光能利用率只有0 1 0 2 丰产田对光能的利用率也只有3 左右根据一般的理论推算 光能利用率可以达到4 5 40 3 植物对光能利用率不高的原因 漏光 植物的幼苗期 叶面积小 大部分阳光直射到地面上而损失掉 受光饱和现象的限制 光照度超过光饱和点以上的部分 植物就不能吸收利用 植物的光能利用率就随着光照强度的增加而下降 当光照度达到全日照时 光的利用率就会很低 环境条件及作物本身生理状况的影响 自然干旱 缺肥 CO2浓度过低 温度过低或过高 以及作物本身生长发育不良 受病虫危害等 都会影响作物对光能的利用 另外 作物本身的呼吸消耗占光合作用的15 20 41 表4 4光合作用的调控及生产应用 4 操作规程和质量要求 42 43 44 5 问题处理露地和设施条件下 植物光合作用的调控及生产应用有什么区别 45 植物的呼吸作用生物的一切活动都需要能量 能量来源于糖 脂类和蛋白质在体内的氧化 即靠呼吸作用来提供能量 呼吸作用是指生活细胞内的有机物质在一系列酶的作用下 逐步氧化分解 同时放出能量的过程 任务二植物的呼吸作用及应用 46 1 呼吸作用的类型 1 有氧呼吸 指生活细胞利用分子氧 O2 将某些有机物彻底氧化分解 形成CO2和H2O 同时释放能量的过程有氧呼吸是高等植物呼吸的主要形式 通常所说的呼吸作用 主要是指有氧呼吸 呼吸作用中被氧化分解的有机物质称为呼吸基质 一般来说 淀粉 葡萄糖 果糖 蔗糖等碳水化合物是最常见的呼吸基质 以葡萄糖作为呼吸基质为例 其有氧呼吸的总反应式可表示为 C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 2878 59KJ 47 2 无氧呼吸 指生活细胞在无氧条件下 把某些有机物分解成为不彻底的氧化产物 同时释放能量的过程 这个过程在微生物中常称为发酵 如酒精发酵 乳酸发酵等酒精发酵是酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖产生酒精的过程C6H12O6 2CH3CH2OH 2CO2 100 42KJ乳酸发酵是乳酸菌在无氧条件下产生乳酸的过程 如马铃薯块茎 甜菜块根 玉米胚和青贮饲料在进行无氧呼吸时就产生乳酸 C6H12O6 2CH3CHOHCOOH 75 312KJ 48 2 呼吸作用的生理意义 1 为植物生命活动提供能量呼吸作用将有机物质生物氧化 使其中的化学能以ATP形式贮存起来 当ATP在酶作用下分解释放出能量 以满足植物体内各种生理过程对能量需要 未被利用的能量转变为热能散失 2 中间产物是合成植物体内重要有机物质的原料 3 在植物抗病免疫方面有重要作用在植物和病原微生物的相互作用中 植物依靠呼吸作用氧化分解病原微生物所分泌的毒素 以消除毒害 49 3 呼吸作用的主要过程植物的呼吸作用有多种途径 当其中一条途径受阻 可以通过其他途径来维持正常的呼吸作用 这是植物在长期的进化中形成的适应现象 1 糖酵解 指葡萄糖在细胞质内经过一系列酶的催化作用 脱氢氧化 逐步转化为丙酮酸的过程 在无氧条件下 丙酮酸进行酒精发酵 乳酸发酵在有氧条件下 丙酮酸则进入三羧酸循环 50 图4 5无氧呼吸途径A 酒精发酵B 乳酸发酵 51 2 三羧酸循环在有氧条件下 丙酮酸在酶和辅助因素作用下 首先经过一次脱氢和脱羧 并和辅酶A结合形成乙酰辅酶A 乙酰辅酶A和草酰乙酸作用形成柠檬酸 含有一个羟基 三个羧基 这样反复循环进行 糖酵解和三羧酸循环过程中共生成38个ATP 约占释放总能量的67 6 其余的热量散失 它们形成的一系列重要中间产物是合成脂肪 蛋白质的重要原料 ATP是代表植物体内重要的高能化合物 化学名称是三磷酸腺苷 52 图4 6有氧呼吸途径 53 4 光合作用和呼吸作用的关系光合作用和呼吸作用即相互对立 又相互依赖 二者共同存在于统一的有机体中 表4 5光合作用和呼吸作用的区别 54 光合作用和呼吸作用又有相互依赖 紧密相连的关系二者互为原料与产物 光合作用释放O2可供呼吸作用利用 而呼吸作用释放CO2也可被光合作用所同化它们的许多中间产物是相同的 催化诸糖之间相互转化酶也是类同的在能量代谢方面 光合作用中供光合磷酸化产生ATP所需的ADP和供产生NADPH所需NADP 与呼吸作用所需的ADP和NADP 是相同的 它们可以通用 55 1 活动目标了解呼吸作用的影响因素 熟练进行植物呼吸强度的测定 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 托盘天平 广口瓶测定呼吸装置1套 酸式滴定管及碱式滴定管各1支 滴定管架1套 发芽种子 如小麦 大豆 水稻等 并配制如下实验试剂 1 1 44mol L草酸溶液 2 0 05mol LBa OH 2 8H2O 3 酚酞指示剂 活动一植物呼吸强度的测定 56 3 相关知识呼吸作用的强弱常用呼吸强度来表示 呼吸强度 呼吸速率 指单位时间内 单位植物材料干重或鲜重所放出的CO2重量 或体积 或所吸收的O2重量 或体积 常用单位是mg g h 环境对植物的呼吸强度的影响主要表现在 影响酶的活性 呼吸途径而影响呼吸强度 1 温度温度主要是影响呼吸酶的活性 大多数植物呼吸作用的最低温度在 10 最适温度为25 35 最高温度为35 45 植物在呼吸作用所需要的最低温度和最适温度之间 呼吸强度随温度的升高而增强 而当温度超过最适温度之后 呼吸强度却会随着温度的升高而下降 57 2 水分植物细胞含水量对呼吸作用影响很大 禾谷类种子在风干状态 含水量为11 12 呼吸微弱 当超过15 呼吸作用加强 3 O2和CO2浓度大气含氧量通常在21 左右 氧气浓度低于20 时 植物地上部分的呼吸强度开始下降氧气浓度低于15 时 有氧呼吸迅速下降氧气浓度低于10 时 无氧呼吸出现并逐渐加强 4 机械损伤明显促进植物组织的呼吸作用 58 4 操作规程和质量要求植物的呼吸强度常采用广口瓶法进行测定 其原理是 在密闭的容器中 加入一定量碱液 Ba OH 2 并悬挂植物材料 经呼吸作用放出的二氧化碳被碱液吸收 然后用草酸滴定剩余的Ba OH 2 从空白和样品消耗的草酸溶液之差 计算呼吸过程中释放的二氧化碳的量 59 广口瓶测呼吸装置1 碱石灰2 温度计3 小橡皮塞4 尼龙网筐5 碱液 60 表4 6广口瓶法测定植物呼吸强度 61 62 表4 7植物呼吸强度测定结果记录表 5 问题处理 1 计算所测材料的呼吸速率 2 广口瓶橡皮塞加一碱石灰管有何作用 63 1 活动目的了解呼吸作用的调控方法及措施 并能够将呼吸作用相关知识灵活应用于生产实践中 2 活动准备通过查阅资料 访问当地有经验农民 了解影响呼吸作用的因素有哪些 呼吸作用的调控及应用经验 64 活动二呼吸作用的调控及生产应用 3 相关知识 1 呼吸作用与粮油种子贮藏贮藏粮油种子的原则是保持 三低 即降低种子的含水量 温度和空气中的含氧量 2 呼吸作用与多汁果实和蔬菜的贮藏 保鲜多汁果实和蔬菜的贮藏 保鲜的原则是在尽量避免机械损伤的基础上 控制温度 湿度和空气成分三个条件 3 呼吸作用与作物栽培水稻浸种催芽时用温水淋种和时常翻种水稻育秧采用湿润育种作物的中耕松土等 65 4 操作规程和质量要求 66 表4 8植物呼吸作用的调控及生产应用 67 5 问题处理生产上粮油在贮藏期 常采用通风或密闭的方法 降低温度来减少呼吸 近年来国内外采用的气调法进行粮食贮藏 就是利用这样的原理 在粮食 果实 蔬菜贮藏时 合理控制水分 氧气和二氧化碳和温度 调节呼吸速率是关键 68 植物体内有机物的代谢 运输与分配植物体内有机物质的运输与分配 适应了植物器官和组织间的分工 协调了生长发育 也决定了营养物质的流向和数量1 植物体内有机物的代谢 指植物体内有机物成分是处在不断地合成 分解和互相转化的变化之中的变化过程广义的代谢包括光合作用呼吸作用所有有机物的合成 分解和相互间的转化过程 69 任务三植物体内有机物的代谢 运输与分配 1 碳水化合物的代谢 蔗糖的合成与分解合成蔗糖所需的葡萄糖是由UDPG供给的 有磷酸蔗糖合成酶 蔗糖合成酶两条催化途径 蔗糖可在蔗糖酶 转化酶 的催化下水解 生成葡萄糖和果糖 淀粉的合成与分解淀粉的合成是由几种酶来催化的 每一种酶都有其自己催化的底物和引物 葡萄糖受体 淀粉的分解有水解和磷解两种反应 淀粉的水解由淀粉酶催化 产物有葡萄糖和麦芽糖 淀粉在磷酸化酶作用下分解为磷酸葡萄糖 70 2 脂肪的代谢植物体内的脂肪主要分布在种子或果实中 脂肪是由甘油和脂肪酸合成的甘油三酯 植物细胞中先合成甘油和脂肪酸 二者再缩合生成脂肪 甘油脂肪酸三酯 植物体内常发生脂肪和碳水化合物的相互转化由脂肪转化为碳水化合物的过程比较复杂 脂肪先分解为甘油和脂肪酸 甘油可通过糖酵解的逆转而转化为糖 71 3 核酸的代谢基因的化学成分就是脱氧核糖核酸 DNA DNA的特殊的化学结构 可以成为控制生物发育传递信息的载体 每一个物种都有一套表示其特殊的DNA分子 核酸的基本组成单位是核苷酸 核苷酸在细胞内合成有两条基本途径 一条是以体内的氨基酸 磷酸核糖 CO2和NH3等简单的前体物质合成 另一条途径是由体内核酸分解产生的碱基或核苷转变的核苷酸 核酸是由四种单核苷酸以磷酸 3 5 二酯键连接起来的 若将其分解 首先在核酸内切酶和核酸外切酶的催化下将二酯键拆开 生成单核苷酸或寡核苷酸 几个单核苷酸组成的 72 4 蛋白质的代谢经过DNA的复制 RNA的转录已将遗传信息贮存起来 但如何将遗传信息表达出来 则需要在RNA指导下合成活性蛋白质 蛋白质是在mRNA的指导下合成的 这一过程称作翻译或转泽 核糖体 rRNA 是合成蛋白质的场所 首先是氨基酸与tRNA连接 然后在核糖体上合成蛋白质 蛋白质在蛋白酶的催化下 使多肽链的肽键水解断开 最后生成 氨基酸 蛋白酶可分为肽链内切酶 肽链外切酶和二肽酶三类 蛋白质在一系列酶相互协同反复作用下 最终能将蛋白质或多肽链水解为各种氨基酸的混合物 73 2 植物体内有机物的运输代谢源 植物体内制造和提供营养物质的器官 叶片 代谢库 植物体内消耗和贮藏营养物质的器官 果实 种子 源 库单位 供应营养物质的源与接收营养物质的库及它们之间的输导组织构成的营养依存单位 74 1 运输途径短距离运输