植物的新陈代谢及其调节.doc

专题六 植物的新陈代谢及其调节邱国强 (重庆市黔江中学)*知识联系框架种子的成熟与萌发生理植物的水分代谢植物的矿质代谢植物的光合作用植物的呼吸作用植物体内营养物质的运输生长素的发现生长素 生长素的合成部位及分布生长素的生理功能赤霉素细胞分裂素脱落酸乙烯植物的新陈代谢及其调节植物生命活动调节植物的新陈代谢 *重点知识联系与剖析一、植物的新陈代谢 1.种子的成熟与萌发生理*胚珠中的卵细胞完成受精后，经过细胞分裂、组织分化、器官形成，最后发育成成熟的胚的过程中，发生着一系列的生理变化。首先在受精卵发育成胚的过程中，开始合成大量的生长素，生长素的生理功能之一能够改变植物体内营养物质的分配。正在发育的胚中合成的大量生长素就使得整个胚珠及子房都处在适宜浓度的生长素的环境中，形成了植物体内的营养物质分配中心。植物的叶片进行光合作用制造的有机物(主要是糖类)源源不断地运输到子房中来。刚运来的糖类都是可溶性的糖，如蔗糖、棉子糖等。在成熟过程中，这些可溶性的糖逐渐转变成淀粉等不溶性的物质。可溶性的糖溶解在水中，使幼嫩种子的渗透压较高，所以幼嫩种子的含水量较高。但随着种子的成熟，可溶性的糖逐渐转变成不溶性的糖，种子内的渗透压逐渐下降，种子的含水量也逐渐下降。植物根系吸收的氮素被转变成氨基酸后也源源不断地运输到发育着的种子中，在胚乳或子叶中被合成贮藏蛋白。植物必需的矿质元素也被运输到种子中贮藏起来。总之在种子成熟过程中，含水量在逐渐下降，有机物的含量在逐渐增加，有机物的种类相对减少。*种子解除休眠后，吸水膨胀，就开始进行旺盛的呼吸作用，种子中的许多酶被合成或被激活，如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。种子的胚乳或子叶中贮藏的蛋白质、淀粉、脂肪等不溶性的大分子物质被分解成可溶性的氨基酸、麦芽糖、甘油和脂肪酸等小分子物质，转运到胚芽、胚轴和胚根中，胚芽、胚轴、胚根中的细胞开始分裂、分化、发育，最后形成幼苗。所以种子在萌发过程中，随着吸水量的增加，呼吸作用逐渐旺盛，鲜重逐渐增加。由于呼吸消耗，干重却在减少。在萌发过程，利用种子中的贮藏物质合成了种类繁多的有机小分子物质，满足生长发育所需。种子在萌发过程中是不能进行光合作用的，待种子发育成幼苗后，便可进行光合作用，独立生活了。 2.植物的水分代谢植物吸收水分的方式有两种：吸胀作用和渗透作用。*吸胀作用是没有液泡的植物细胞吸收水分的方式，如生长点的细胞、干种子细胞、茎的形成层细胞等。原理是细胞中有大量亲水性物质，这些亲水性能够从外界吸收大量的水分，活细胞、死细胞都能通过吸胀作用吸收水分。*渗透作用是具有液泡的成熟的植物细胞吸收水分的方式。原理是原生质层具有选择透过性，原生质层内外的溶液存在着浓度差，水分子就可以从溶液浓度低的一侧通过原生质层扩散到溶液浓度高的一侧。溶液渗透压的高低与溶液中溶质分子的物质的量的多少有关，溶液中溶质分子物质的量越多，渗透压越高，反之则越低。在比较两种溶液渗透压高低时以两种溶液中的溶质分子的物质的量为标准进行比较。如果溶质分子 相同，也可以质量分数比较。能够通过渗透作用吸水的细胞一定是一个活细胞。一个成熟的植物细胞是一个渗透系统。验证通过渗透作用吸水或失水的最佳实例是质壁分离和质壁分离复原的实验。一次施肥过多引起“烧苗”，是由于土壤溶液的浓度突然增高，导致植物的根细胞吸水发生困难或不能吸水所至。盐碱地里大多数农作物不能正常生长的原因之也是土壤溶液浓度过高造成的。淹制的鱼、肉等不易变质，是由于高浓度的盐溶液使细胞等微生物失水死亡之故。*蒸腾作用是植物散失水分的主要动力。蒸腾作用是指植物叶肉细胞中的水分以水蒸气的形式通过叶的气孔散失到大气中的过程。气孔不仅是水蒸气扩散出去的门户，也是叶片内部与外界进行气体交换的门户。气孔关闭不仅降低了植物的蒸腾作用，同时也阻碍了大气中的CO2进入植物细胞，从而影响到植物的光合作用。蒸腾作用的生理意义主要有3个方面：一是植物吸收水分和运输水分的主要动力；二促进植物运输溶解在水中的矿质元素，这里强调的是溶解在水中并随水分在导管中的运输，如果是矿质元素从一种细胞运输到另一个细胞的运输，则是由呼吸作用提供能量的；三能够降低叶片的温度。移栽植物必须去掉一部分枝叶才容易成活的原因是：移栽时，植物的根系受到损伤，吸收水分的能力大大降低。这时如果不降低蒸腾作用，植物因失水过多而死亡。所以必须去掉一部分枝叶，以降低蒸腾作用，减少植物体内水分的散失。 3.植物的矿质代谢植物吸收矿质元素的过程分为两个阶段：先交换吸附后主动运输。*交换吸附是在细胞外进行的，主动运输使离子从细胞外运输到细胞内。呼吸作用与矿质元素离子的吸附有着密切的联系：呼吸作用为交换吸附提供H+和HCO3-，为主动运输提供能量。长期水淹影响植物正常生长和发育的原因主要有两点：一是根细胞无氧呼吸产生酒精对细胞有毒害作用；二是无氧呼吸提供的能量少，导致植物吸收矿质元素离子的数量减少而不能满足植物生长发育的需要。植物对矿质元素离子的吸收具有选择性原因是：与根细胞膜上载体的数量多少有关，与土壤溶液中离子的浓度不成比例。植物细胞吸收矿质元素离子的速度与溶液中离子的浓度和呼吸作用强度之间的关系用下图所示的曲线表示，对此的解释都是载体饱和了。*矿质元素离子在植物体的存在状态有3种：一是以离子的形式存在，不形成任何形式的化台物，如K+； 二是形成易溶的、不稳定的化合物，如N、P、Mg等，因为蛋白质、核酸、叶绿素等都是不稳定的，在正常的细胞中，合成和分解达到种动态的平衡；三是形成难溶的、稳定的化合物，如Fe、Ca等。在植物细胞中形成一些有机酸的钙盐和铁盐均不溶于水，也不易分解、。以前两种形成存在的矿质离子在植物体内是可以重复利用的，后一种形式存在的矿质离子是不可以重复利用的，即在植物体内只能利用一次。*缺素对植物的影响是：缺少可重复利用的元素，一般先受伤的是老的部位，幼嫩的部位在短时间内还正常生长；缺少不可重复利用的元素，一般先受伤的是幼嫩的部位，老的部位还能保持正常。*通过灰分成分来判断植物对某种矿质离子的利用状况：一般来说，老叶灰分中含较多而嫩叶灰分中较少的元素，常是不可重复利用的元素，因为在衰老脱落前这些元素没有转移出去。可重复利用的元素，在老叶和嫩叶中的含量一般相差不大。 4.植物的光合作用和呼吸作用植物的光合作用和呼吸作用过程及其外界因素对光合作用的影响（在此略，详见专题五）。 5.植物体内营养物质的运输植物体内营养物质的运输分为：长途运输和短途运输两类。长途运输也称纵向运输，水和无机盐的纵向运输是要在根、茎、叶中的导管中进行的，运输的主要动力是蒸腾作用，不消耗ATP。有机物的纵向运输是在植物的筛管中进行的，主要动力是由呼吸作用提供的，即在运输过程中要消耗ATP。短途运输也称横向运输，是在植物的薄壁细胞之间的运输。水分的横向运输主要是通过渗透作用实现的；矿质元素离子的横向运输主要是通过主动运输完成。有机物的横向运输也是在植物的薄壁细胞之间进行，运输方式也是主动运输。有机物运输的主要形式：蛋白质是以氨基酸的形式被运输的，糖类主要是以蔗糖的形式被运输的。有机物运输还有一个很重要的特点：就近运输。这个特点可以减少能量的消耗。在植物体内有营养物质的分配中心：一般来讲，植物生长最旺盛的部位、贮藏器官、果实、种子等在植物生长发育的不同阶段都能成为植物体内的营养物质的分配中心。叶片进行光合作用制造的有机物首先运输到离它最近的分配中心。 重点知识联系与剖析二、植物生命活动的调节 植物生命活动的调节是通过植物体内的激素来实现调节的。植物体内没有合成激素的专门器官。植物激素是在植物体内的一定部位合成的。植物激素在植物体内的含量极少，但对植物的生长、发育、繁殖等生理活动有着重要的调节作用。 1.生长素生长素的发现：向光性是指植物茎的生长总是朝着光源的方向生长的现象。生长素是通过研究植物茎生长的向光性现象的过程中被发现的。*植物感受光刺激的部位是茎的顶端，在燕麦胚芽的实验中是胚芽鞘的尖端，弯曲是顶端的下面一段。原因是茎的顶端产生了某种物质，这种物质在向下运输时，背光侧分布得多，生长得快；向光侧分布得少，生长得慢。这样茎就弯向光源生长。后来通过精密的化学分析手段，分析出这种物质是吲哚乙酸。*植物生长素的合成部位及分布：植物合成生长素最活跃的部位是具有分生能力的组织，特别是芽顶端的分生组织。植物生长素在植物体内的分布大部分集中在生长旺盛的部位。*植物生长素的生理作用及其作用原理：*生长素对生长的促进作用主要是促进细胞的生长，特别是细胞的伸长，对细胞分裂没有影响。植物感受光刺激的部位是在茎的尖端，但弯曲的部位是在尖端的下面一段，这是因为尖端的下面一段细胞正在生长伸长，是对生长素最敏感的时期，所以生长素对其生长的影响最大。趋于衰老的组织生长素是不起作用的。*生长素能够促进果实的发育和扦插的枝条生根的原因是：生长素能够改变植物体内的营养物质分配，在生长素分布较丰富的部分，得到的营养物质就多，形成分配中心。*生长素能够诱导无籽番茄的形成就是因为：用生长素处理没有受粉的番茄花蕾后，番茄花蕾的子房就成了营养物质的分配中心，叶片进行光合作用制造的养料就源源不断地运到子房中，子房就发育了。*生长素的类似物：常见的生长素的类似物有萘乙酸和2，4-D等。利用生长素类似物处理植物的效果比天然的生长素有效，而且能够长时间起作用。原因是：植物体内天然的激素有一个代谢的过程，合成与分解保持着一种动态的平衡。当使用天然的生长素处理植物体时，生长素的量就超过其体内正常的水平，此时植物体内分解生长素的酶就会迅速地将多余的生长素分解掉，以维持正常的激素水平。人工合成的生长素的类似物，具有生长素的作用，但植物体内没有分解它的酶，所以可以长时间发挥作用。*植物体内生长素的运输：植物体内生长素的运输是一种极性运输，即总是从形态学的上端运向下端，不能从形态学的下端运输到上端。只有在根尖处能从下端向上运输，但运输的距离很短。*植物运输生长素的部分是：茎韧皮部中的筛管，如果将韧皮部切断或蒸汽杀死或麻醉等，均可阻断生长素的运输。植物对生长素的运输是需要消耗能量的，是一种主动运输，用呼吸作用抑制剂处理也能阻断生长素的运输。植物生长素生理作用的两重性：较低浓度促进生长，较高浓度抑制生长。植物不同的器官对生长素最适浓度的要求是不同的：如下图所示。根的最适浓度约为10-10mol/L， 芽的最适浓度约为10-8mol/L，茎的最浓度约为10-4mol/L。在生产上常常用生长素的类似物(如萘乙酸、2，4D等)来调节植物的生长，如生产豆芽菜时就是用适宜茎生长的浓度来处理豆芽，结果根和芽都受到抑制，而下胚轴发育成的茎很发达。植物茎生长的顶端优势是由植物对生长素的运输特点和生长素生理作用的两重性两个因素决定的，植物茎的顶芽是产生生长素最活跃的部位，但顶芽处产生的生长素浓度通过主动运输而不断地运到茎中，所以顶芽本身的生长素浓度是不高的，而在幼茎中的浓度则较高，最适宜于茎的生长，对芽却有抑制作用。越靠近顶芽的位置生长素浓度越高，对侧芽的抑制作用就越强，这就是许多高大植物的树形成宝塔形的原因。但也不是所有的植物都具有强烈的顶端优势，有些灌木类植物顶芽发育了一段时间后就开始退化，甚至萎缩，失去原有的顶端优势，所以灌木的树形是不成宝塔形的。由于高浓度的生长素具有抑制植物生长的作用，所以生产上也可用高浓度的生长素的类似物作除草剂，特别是对双子叶杂草很有效。地球引力对生长素分布的影响：茎的背地生长和根的向地生长是由地球的引力引起的，原因是地球引力导致生长素分布的不均匀，在茎的近地侧分布多，背地侧分布少。由于茎的生长素最适浓度很高，茎的近地侧生长素多了一些对其有促进作用，所以近地侧生长快于背地侧，保持茎的向上生长；对根而言，由于根的生长素最适浓度很低，近地侧多了一些反而对根细胞的生长具有抑制作用，所以近地侧生长就比背地侧生长慢，保持根的向地性生长。在失重状态对植物生长的影响：根的向地生长和茎的背地生长是要有地球引力诱导的，是由于在地球引力的诱导下导致生长素分布不均匀造成的。在太空失重状态下，由于失去了重力作用，所以茎的生长也就失去了背地性，根也失去了向地生长的特性。但茎生长的顶端优势仍然是存在的，生长素的极性运输不受重力影响。 2.其他植物激素植物激素除生长素外，还有赤霉素、细胞分裂素、脱落酸和乙烯。其中生长素、细胞分裂素和赤霉素对植物的生长、发育有促进作用，称为植物生长促进剂