(2025年)植物生理学章节综合习题及参考答案

(2025年)植物生理学章节综合习题及参考答案一、名词解释1.水分临界期：植物在生命周期中对水分缺乏最敏感、最易受伤害的时期，通常与生殖器官分化和发育阶段重叠，如禾本科植物的孕穗期和灌浆期。2.协同作用：植物根系对某种离子的吸收促进对另一种离子吸收的现象，如K⁺的吸收可增强NO₃⁻的吸收，与离子间的电荷平衡或载体蛋白协同转运相关。3.光呼吸：植物在光照下吸收O₂、释放CO₂的过程，其底物为乙醇酸，由叶绿体、过氧化物酶体和线粒体协同完成，虽消耗光合产物，但可能参与活性氧清除和氮代谢调节。4.巴斯德效应：氧气存在时，微生物或植物细胞的发酵作用受抑制、耗糖速率降低的现象，本质是有氧呼吸通过反馈抑制糖酵解关键酶（如磷酸果糖激酶），减少葡萄糖消耗。5.向光性：植物器官（如茎）因单侧光照射而向光弯曲生长的现象，主要由生长素在背光侧积累（如PIN蛋白介导极性运输），导致细胞伸长速率差异引起。6.春化作用：低温诱导植物从营养生长转向生殖生长的过程，关键基因如拟南芥的FLC（开花抑制因子）在低温下被表观遗传沉默，解除对成花基因的抑制。7.交叉适应：植物经历某种逆境（如干旱）后，对其他逆境（如高温、盐害）的抗性增强的现象，与ABA、脯氨酸等逆境共响应物质积累及抗氧化系统激活相关。8.源-库单位：植物中供应同化物的“源”（如成熟叶片）与接受同化物的“库”（如幼叶、果实）通过特定维管连接形成的功能单位，其动态平衡影响产量形成。二、简答题1.简述根系吸水的两种动力及其机制。答：根系吸水的动力包括根压和蒸腾拉力。根压是由于根系主动吸收矿质离子（如通过质子泵建立跨膜质子梯度，驱动离子共转运），使根部导管内溶液渗透势降低，水分通过渗透作用进入导管，产生向上的静水压（正压力）。蒸腾拉力是叶片蒸腾作用导致叶肉细胞水势降低，通过导管内连续的水柱（内聚力-张力学说）形成向根的负压力（拉力），驱动水分从根向地上部运输。前者在夜间或空气湿度高时主导（如吐水现象），后者在白天蒸腾旺盛时为主要动力。2.列举植物主动吸收矿质元素的3项证据，并简述其机制。答：主动吸收的证据包括：①逆浓度梯度吸收（如外界溶液中K⁺浓度低于细胞内时仍可吸收）；②需消耗能量（呼吸抑制剂如氰化物可抑制吸收）；③具有选择性（不同植物对离子吸收比例差异大）。机制：通过膜上的主动转运蛋白完成，如H⁺-ATP酶水解ATP泵出H⁺，建立跨膜质子电化学梯度，驱动阳离子（如K⁺）通过通道蛋白顺梯度进入，或阴离子（如NO₃⁻）通过H⁺-阴离子共转运体逆梯度吸收；部分离子（如Ca²⁺）通过Ca²⁺-ATP酶直接泵入细胞。3.说明C4途径的生理意义。答：C4途径是C4植物（如玉米、甘蔗）在叶肉细胞和维管束鞘细胞中通过PEPC（磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶）固定CO₂为C4酸（如草酰乙酸），再运输至鞘细胞释放CO₂供卡尔文循环利用的过程。其生理意义：①提高CO₂浓度：鞘细胞中CO₂浓度可达叶肉细胞的20倍以上，抑制Rubisco的加氧活性（光呼吸），提高光合效率；②适应低CO₂环境：在干旱、高温条件下气孔关闭时，仍能高效固定CO₂；③节水特性：C4植物的光合速率/蒸腾速率（水分利用效率）高于C3植物，适合半干旱地区生长。4.比较植物有氧呼吸与无氧呼吸的主要区别。答：①反应场所：有氧呼吸在细胞质基质（糖酵解）和线粒体（三羧酸循环、电子传递链）中进行；无氧呼吸仅在细胞质基质完成（糖酵解+发酵）。②最终电子受体：有氧呼吸为O₂（提供H₂O）；无氧呼吸为丙酮酸或其衍生物（提供乙醇或乳酸）。③能量释放效率：1mol葡萄糖有氧呼吸净产生30-32molATP（真核生物）；无氧呼吸仅产生2molATP。④中间产物：有氧呼吸产生NADH、FADH₂等可进入电子传递链；无氧呼吸的终产物（如乙醇）对细胞有毒害（高浓度时抑制酶活性）。5.简述韧皮部运输的压力流动学说及其实验证据。答：压力流动学说由Münch提出，核心是源端（如成熟叶）通过光合产物装载（主动运输）使筛管内渗透势降低，水分进入筛管形成高膨压；库端（如果实、根）通过同化物卸出（被动或主动运输）使筛管内渗透势升高，水分流出导致低膨压。源库间的膨压差驱动筛管内溶液（包括同化物）向库端流动。实验证据：①蚜虫吻针法显示筛管内存在正压力（吻针被切断后汁液持续流出）；②放射性同位素示踪表明同化物从高浓度源向低浓度库移动；③环割实验（切断韧皮部）导致环割上方同化物积累、下方生长受阻，支持韧皮部为同化物运输通道。6.说明IAA（吲哚乙酸）的极性运输机制及其生理意义。答：极性运输是指IAA只能从形态学上端向下端运输的特性，通过细胞膜上的PIN蛋白（输出载体）和AUX1/LAX蛋白（输入载体）协同完成。机制：茎尖或幼叶合成的IAA在细胞基部（形态学下端）集中分布PIN蛋白，将IAA泵出细胞；相邻细胞的顶部（形态学上端）分布AUX1/LAX蛋白，协助IAA进入细胞，形成单方向运输。生理意义：①维持顶端优势（顶芽IAA向下运输抑制侧芽生长）；②调控向光性（单侧光导致PIN蛋白重分布，背光侧IAA积累促进细胞伸长）；③参与根的向地性（重力诱导根冠IAA向近地侧运输，抑制近地侧细胞伸长，根向下弯曲）。7.光周期理论在农业生产中有哪些应用？答：①引种驯化：根据品种的光周期类型（长日、短日或日中性）选择适宜地区。如北方短日植物（大豆）南引时，生育期缩短（南方秋季日照短），需选晚熟品种；北引时生育期延长，需选早熟品种。②花期调控：通过人工补光（长日植物）或遮光（短日植物）控制开花时间，如菊花（短日植物）在长日照季节遮光处理可提前至“十一”开花。③调节营养生长与生殖生长：对以营养器官为收获物的作物（如麻类、叶菜），可延长日照（抑制开花）促进营养生长；对以种子/果实为收获物的作物（如小麦），需满足光周期需求以确保正常结实。8.植物抗盐性的主要方式有哪些？答：①避盐：通过形态或生理机制减少盐分吸收或加速排出。如盐生植物（碱蓬）的盐腺可将体内盐分分泌到叶表面；某些植物通过根系拒盐（如大麦根细胞膜排斥Na⁺）。②耐盐：通过渗透调节（积累脯氨酸、甜菜碱等有机溶质，或吸收K⁺、Ca²⁺等无机离子）维持细胞膨压；激活抗氧化系统（如SOD、POD）清除盐胁迫产生的活性氧；修复受损蛋白质（如热激蛋白协助折叠）。③稀盐：通过快速生长稀释体内盐分（如某些盐生植物在盐渍土中仍保持高生长速率）。三、论述题1.比较C3、C4、CAM植物的光合特性及生态适应性。答：光合特性比较：①碳固定途径：C3植物仅通过卡尔文循环（叶肉细胞）固定CO₂；C4植物先经C4途径（叶肉细胞）固定CO₂为C4酸，再运至维管束鞘细胞释放CO₂供卡尔文循环；CAM植物夜间开放气孔吸收CO₂（通过C4途径固定为苹果酸储存于液泡），白天关闭气孔、分解苹果酸释放CO₂供卡尔文循环。②光呼吸：C3植物Rubisco加氧活性高，光呼吸强（消耗光合产物的25%-30%）；C4和CAM植物因细胞内CO₂浓度高，光呼吸被抑制（C4光呼吸约为C3的2%-5%）。③光补偿点与饱和点：C3植物光补偿点较低（适合弱光），光饱和点约500-1000μmol·m⁻²·s⁻¹；C4植物光饱和点高（>1500μmol·m⁻²·s⁻¹），适合强光。④水分利用效率（WUE）：CAM植物最高（夜间吸水，白天闭气孔），C4次之（WUE约为C3的2倍），C3最低。生态适应性：C3植物（如小麦、水稻）多分布于温和、湿润、光照适中的地区；C4植物（如玉米、甘蔗）适应高温、强光、低CO₂环境（如热带草原），因C4途径需额外ATP（每固定1分子CO₂多消耗2个ATP），在低温下优势不明显；CAM植物（如仙人掌、芦荟）适应干旱、炎热的沙漠环境，通过夜间固定CO₂减少水分蒸腾，是极端干旱区的优势类群。2.分析干旱胁迫下植物的生理响应及调控机制。答：生理响应包括：①水分代谢：气孔关闭（减少蒸腾），叶水势下降，细胞膨压降低，叶片卷曲或萎蔫；②光合作用：气孔限制（CO₂供应减少）和非气孔限制（光合酶活性降低、类囊体膜损伤）导致光合速率下降；③呼吸作用：初期呼吸增强（提供逆境响应能量），后期因线粒体结构破坏而减弱；④渗透调节：积累脯氨酸、可溶性糖、甜菜碱等有机溶质，以及K⁺、Ca²⁺等无机离子，降低细胞渗透势，维持吸水能力；⑤活性氧代谢：超氧阴离子（O₂⁻）、过氧化氢（H₂O₂）等积累，引发膜脂过氧化（MDA含量增加），同时SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性升高以清除ROS；⑥激素变化：ABA（脱落酸）大量合成（根冠合成后运输至叶片），诱导气孔关闭和抗旱相关基因表达；乙烯（ETH）含量上升，可能促进叶片衰老脱落以减少水分损失。调控机制：①信号转导：干旱胁迫通过渗透感受器（如组氨酸激酶）激活MAPK级联反应，传递信号至细胞核；Ca²⁺作为第二信使，通过钙调蛋白（CaM）或CDPK（钙依赖蛋白激酶）调控下游基因；②基因表达：ABA依赖途径（如AREB/ABF转录因子结合ABA响应元件ABRE）和ABA非依赖途径（如DREB转录因子结合干旱响应元件DRE）诱导抗旱基因（如LEA蛋白基因、脯氨酸合成酶基因）表达；③表观调控：DNA甲基化、组蛋白修饰（如H3K4三甲基化）改变染色质构象，调控抗旱相关基因的表达水平；④交叉调控：与其他逆境（如盐害、低温）共享部分信号通路（如ROS、ABA），形成交叉适应。3.讨论植物激素在种子萌发过程中的协同与拮抗作用。答：种子萌发是多种激素动态平衡调控的结果，核心激素为赤霉素（GA）、脱落酸（ABA）、细胞分裂素（CTK）、乙烯（ETH）和生长素（IAA）。协同作用：①GA与CTK：GA促进胚乳中α-淀粉酶等水解酶合成（通过诱导糊粉层GAMYB转录因子），分解贮藏物质（淀粉、蛋白质）为胚提供营养；CTK促进细胞分裂和胚根生长，与GA协同加速萌发；②GA与ETH：GA解除种皮机械束缚（促进细胞壁水解酶分泌），ETH增强胚的生长潜力（促进细胞伸长），共同打破休眠；③CTK与IAA：CTK促进细胞分裂，IAA促进细胞伸长，二者协同调控胚根和胚芽的生长。拮抗作用：①GA与ABA：ABA是休眠维持因子（抑制水解酶合成、诱导LEA蛋白保护细胞），GA是萌发启动因子（拮抗ABA信号，通过DELLA蛋白降解解除其对萌发基因的抑制）；②ETH与ABA：ETH通过促进1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）合成酶活性提高自身含量，同时抑制ABA合成（下调NCED基因表达）或促进ABA降解（上调CYP707A基因表达），打破ABA的抑制作用；③IAA与ABA：高浓度IAA可能通过促进乙烯合成间接抑制萌发（乙烯在某些情况下抑制胚根生长），而ABA直接抑制IAA的极性运输和信号转导。典型案例：拟南芥种子萌发时，吸水后种皮透性增加，胚释放的GA扩散至糊粉层，诱导α-淀粉酶基因表达；同时，GA通过泛素-蛋白酶体途径降解DELLA蛋白（ABA信号的正调控因子），解除其对PIF（光敏色素相互作用因子）等萌发促进因子的抑制。ABA则通过PYR/PYL受体结合PP2C蛋白，抑制SnRK2激酶活性，阻断萌发信号传递。当GA/ABA比值升高时（如光照、低温打破休眠后），萌发启动；反之（如高温、干旱胁迫），ABA占优势，种子保持休眠。4.阐述光质对植物生长发育的影响及分子机制。答：光质（不同波长的光）通过光受体（如光敏色素、隐花色素、向光素、紫外光受体）调控植物的光形态建成、光合作用和生殖生长。①红光（600-700nm）与远红光（700-750nm）：光敏色素（Phy）是主要受体，其Pr（红光吸收型）与Pfr（远红光吸收型）的可逆转换调控多个过程。红光促进Pfr形成，诱导种子萌发（如莴苣种子）、抑制茎伸长（通过下调赤霉素合成基因GA20ox，促进DELLA蛋白积累）、促进叶绿体发育（诱导光合相关基因表达）；远红光促进Pfr向Pr转化，逆转上述效应。分子机制：Pfr进入细胞核，与PIFs（光敏色素相互作用因子）结合，通过泛素化降解PIFs，解除其对光响应基因（如chlH、rbcS）的抑制。②蓝光（400-500nm）：隐花色素（Cry）和向光素（Phot）介导。隐花色素调控光形态建成（抑制下胚轴伸长、促进子叶扩展）、开花时间（拟南芥中Cry2感知蓝光促进CO基因表达，加速开花）；向光素介导向光性（单侧蓝光激活Phot的激酶活性，磷酸化PIN蛋白，改变生长素分布）、气孔开放（激活质膜H⁺-ATP酶，促进K⁺内流）。分子机制：蓝光激活Cry的光解酶结构域，引发构象变化，通过CIB1（Cry互作bHLH蛋白）调控开花基因FT表达；Phot通过磷酸化NPH3（向光素互作蛋白）调节生长素运输载体定位。③紫外光（UV-B，280-315nm）：UVR8（紫外光受体）介导。UV-B诱导类黄酮等抗氧化物质合成（保护DNA和光合系统）、抑制茎伸长（通过下调生长素合成基因YUCCA）、调控防御基因表达（如PR蛋白基因）。分子机制：UVR8以二聚体形式存在，吸收UV-B后解聚为单体，与COP1（组成型光形态建成蛋白）结合，释放bZIP转录因子HY5，诱导CHS（查尔酮合酶）等基因表达。④绿光（500-600nm）：过去认为作用较弱，近年研究发现可通过调节光敏色素和隐花色素的活性影响植物生长（如高比例绿光抑制拟南芥下胚轴伸长），可能与光受体的交叉作用有关。5.探讨矿质元素缺乏症的诊断方法及在生产中的应用。答：诊断方法包括：①症状观察：根据缺素部位（移动性强的元素如N、P、K缺素症先出现在老叶；移动性弱的元素如Ca、Fe、B先出现在新