药用植物与水分因子的生态关系

1、第5章 药用植物与水分因子的生态关系,生命起源于水环境，生物进化90%的时间都是在海洋中进行的。生物登陆后，在进化中形成了减少水分蒸发、保持体内水分平衡的各种适应机制。至今，生物广泛的分布在不同的环境，适应不同水因子特性的各种环境。,水-生命之源,生命-符号,哺育生命,第一节 水及其变化规律,水的特性与存在形式 1）水分具有极性 2）水具有高热容量 3）水具有特殊的密度变化 4）水具有相变（水的三态）,1、 降雨量：降雨量随纬度发生很大变化。 2、大气湿度 大气湿度反映了大气中气态水含量。 相对湿度 表示空气中的水汽含量。,陆地上水的分布,水的生态学意义,是原生质的主要成分。 是某些代谢作用过

2、程的反应物质。 水对稳定环境温度有重要意义。 是植物进行代谢作用的介质。 能使植物体保持固有的姿态。,2.水分的变化规律,（1）水的形态A. 气态水（空气湿度）：来自水体的蒸发和植物的蒸腾作用。 用相对湿度（R）表示：R = 100*e/E （e：实际含水量，E：饱和含量）。R 越小，空气越干燥，蒸发与蒸腾越大。温度，R。 我国为季风气候，冬季干燥，夏季湿润,B. 液态水 露：夜晚地面因辐射冷却，空气湿度增加，当温度降到露点温度以下时，就形成了露。 雾：空气中的水分达到饱和时，形成了雾。 雨：是降水中最主要的一种。年雨量是指一个地区每年的降雨总量。,雨,地形雨：暖湿气流在前进途中遇到地形阻碍，

3、气流被迫沿山体上升，绝热膨胀冷却，水气凝结成雨。 对流雨（雷阵雨） ：日照强烈，地面空气层受热增温，造成不稳定的对流运动而形成阵雨。,气旋雨（锋面雨）：北方南下的冷气团和南方来的暖气团相交形成锋面，暖气团沿锋面上升，绝热膨胀冷却，凝结致雨。也称“黄梅雨”。 台风雨：由台风带来的降雨。,C. 固态水,霜：夜晚由于地面辐射冷却，温度下降，空气中的水分达到饱和，如果露点温度在0以下时，就形成霜。 雪：当高空中空气的露点温度在0以下，水气就直接凝结成固体小冰晶，降落到地面就是雪或冰雹。 冰雹：是一种特殊的降水，对植物有严重的机械摧残作用。,水份的分布,地球表面的总水量大约为15亿km3, 其中大约有9

4、7%包含在海洋库中。 淡水中：两极冰盖29,000 km3、地下水8 000 km3 、湖泊河流100km3 、 土壤水分100 km3 、大气中水13 km3 、生物体中水1 km3,降水量、蒸发量和径流量作为水循环的三个重要环节 。 水分在地球上的流动和再分配主要通过三种方式，即水气的大气环流、洋流和河流 。 影响药用植物生态的水有降水、大气湿度和土壤水分,水分的大循环与小循环：,1 水分的空间变化规律,纬度、 海陆位置、 地形、 气流运动、 天气系统等。,我国降水呈现东南多西北少的趋势,降雨量：地球上的降雨量随着纬度发生很大变化。 在赤道南北两侧纬度0-20降雨量最大，年达100-200

5、cm。 纬度20- 40地带，由于空气下降吸收水分，降雨量减少； 在南北半球40- 60地带，由于南北暖冷气团相交形成气旋雨，致使年降雨量超过25cm，成为中纬度湿润带。 极地地区降水很少，成为干燥地带。,降水受地形的影响，典型的例子就是地形雨 。 地形雨都集中在山地迎风面 在背风面降雨量少,表52山地与附近低地平均年降水量的比较（）,2 水分的时间变化规律,我国的降水强度随季节不同差别也很大，一般是夏季降水量最多，约占全年降水量的一半，其次是春季或秋季，冬季降水量最少 。,第2节 水分对药用植物的生态作用,一、水分对药用植物分布的影响,水分是限制药用植物分布的一个重要气象因子，包括降水和大气

6、湿度 。 雨水是药用植物生长发育期间的主要水分来源 。 雨量的不同季节分配与药用植物分布也有一定关系 。,雾、露、雪等降水形式也对药用植物分布产生不同的影响。,石槲,Distribution of rainfall at different elevations and slopes.,水分因子对药用植物分布的影响还取决于地形的变化,二、水分对药用植物产量的影响,土壤含水量：影响种子萌发、植物生长。 植物的生长有一定的土壤含水量范围，即存在着最高、最适、最低含水量 。 药用植物的需水临界期对药用植物的产量形成起着非常重要的作用 。 一般在多在开花前后阶段，有的在幼苗期。,药用植物的最大需水期一

7、般是抽穗扬花期 。 药用植物在不同的生长发育时期、不同的生长发育阶段对水分的需求不同。,1.干旱对药用植物产量的影响,干旱对药用植物的危害性很大，长期经受干旱的药用植物，植株生长缓慢，外形矮小，药材产量低，药材品质差，严重干旱时植株还会停止生长甚至死亡.,表53 水分胁迫对菘蓝地上器官和地下器官生长指标的影响,注：P0.05，a，b，c，d表示处理之间在P005水平上的多重对比，有相同标记字母表示两处理之间差异不显著，有不同标记字母表示两处理之间差异显著,板蓝根图片,干旱对药用植物的危害,（1）干旱使原生质结构遭受破坏 。 （2）干旱使细胞缺水，膨压消失，药用植物呈现萎蔫现象。 （3）干旱使气

8、孔关闭，蒸腾减弱，气体交换和矿质营养的吸收与运输缓慢。 （4）干旱使药用植物生长发育受抑制，水分亏缺影响细胞分生、延伸和分化。 （5）干旱还能削弱药用植物抗病虫害的能力。,2.涝害对药用植物产量的影响,（1）涝害引起土壤缺氧 ，阻碍根系的呼吸和养分的释放 。 （2）涝害引起土壤中二氧化碳积累增加 （3）涝害引起土壤板结 。 （4）涝害引起土壤肥力降低。,三.水分对药用植物品质的影响,图5-1不同水分状况下板蓝根靛玉红含量,图5- 2 不同水分状况下大青叶靛玉红含量,药用植物品质的形成，有一个最适的土壤含水量 板蓝根中靛玉红含量在土壤含水量为45时含量最高，而在90时最低 金鸡纳在高温干燥条件下

9、，奎宁含量较高 东莨菪在干燥条件下，阿托品的含量可高达1左右，而在湿润环境中则只有0.4左右；,雨季中的麻黄体内生物碱含量急剧下降，而在干燥的秋季则上升到最高值 。 多光干燥环境下的当归，挥发油含量高,第三节药用植物对水分的生态适应,药用植物对水分的生态适应,一、形态适应 二、生理适应 三、分子适应,一、药用植物对水分的形态适应类型,1水生药用植物 挺水药用植物 浮水药用植物 沉水药用植物 2陆生药用植物 湿生药用植物 中生药用植物 旱生药用植物,1水生药用植物,输导组织简单，通气组织发达 ； 异形叶型。水下的叶片常分裂成带状、线状或者很薄 ； 根、茎、叶内形成一整套相互联结的通气组织系统 。

10、 对水的深度适应性不同，可分为挺水药用植物、浮水药用植物和沉水药用植物。,泽泻,1）挺水药用植物： 根和根状茎在水下土壤中，茎、叶露出水上 如泽泻、水菖蒲、莲、芦苇等。,2）浮水药用植物 叶片漂浮在水面，气孔分布在叶的上表面，维管束和机械组织不发达。 完全飘浮的：如浮萍属(Lemna)、槐叶萍(Salvinia)、无根萍 等 扎根的：如睡莲（Nymphaea tetragona Georgi）、芡 等,3）沉水药用植物 整个药用植物体沉没在水下，与大气完全隔绝 。 根退化，表皮细胞有直接吸收的作用，叶绿体大。 如海带（Laminaria Japonica）、紫菜（Porphyrab C.Ag.

11、）、海蒿子（Sargassum pallidum(Turn.)C. Ag.）、羊栖菜（Sargassum fusiforme(Harv.)Setch.）、螺旋藻（Spirulina platensis） 等,2.陆生药用植物类型,1）湿生药用植物： 抗旱能力小，不能长时间忍受缺水，一般生长在光照弱、湿度大的林下，或日光充足、土壤水分饱和的环境中。 根据环境的特点可以分为阴生湿生药用植物(弱光，大气潮湿)和阳性湿生药用植物(强光、土壤潮湿)两类。,阴性湿生药用植物是典型的湿生药用植物，主要分布在阴湿的森林下层。如天南星（Arisaema erubescens （Wall.） Schott.）、七

12、叶一枝花（Paris Polyphylla）、风尾草（Pteris multifi-da Poir）等,阳性湿生药用植物主要生长在阳光充沛、土壤水分经常饱和的环境中，如：毛茛、半边莲、三白草、薏苡等.,2）中生植物： 适合生长在水湿条件适中的环境，种类最多。 如芍药（Paeonia 1actiflora Pall (P albiflora Pall)）、菘蓝（Isatis indigotica Fortune）、菊花（Chrysanthemum morifolium Ramat.）、地黄（Rehmannia glutinosa Libosch）、浙贝母（Fritillaria thunberg

13、ii Miq.）等,能忍受较长时间的干旱，主要分布在干热草原和荒漠地区。 有些植物的叶片退化成刺状或鳞片。 如仙人掌（Opuntia dillenii）、沙棘（H.rhamnoides L.)）、芦荟（Aloe vera (Linn.) N. L. Burman var. chinensis (Haw.) Berg.）、龙舌兰（Agave americana Linn.）、甘草、麻黄（Ephedra sinica Stapf）等。,3）旱生植物,A、真旱生药用植物,叶面积小，叶表面常具有茸毛，蒸腾强度较低。如麻黄叶片退化成不明显的小鳞片状，绿色茎代行光合作用的任务 。 原生质渗透压高。 如 麻

14、黄,沙拐枣 蓼科,B.深根性药用植物,蒸腾强度一般较大，原生质不耐高温和脱水，但具有深根系，有的可深达地下水 ； 有的多年生根外面，包有一层很厚的木栓层外壳，土壤高温干旱时期能保护根系，防止失水变干 。 如骆驼刺、甘草等,骆驼刺,茎或叶呈肉质，具有发达的薄壁组织，贮藏大量的水分，气孔少，角质层发达，蒸腾强度低，原生质黏性大，含束缚水多，能耐较高的温度 . 如北美的仙人掌树高可达15-20米，可贮水2吨以上；西非的猴面包树可贮水4吨之多。,C.肉质药用植物,假木贼 藜科,二、药用植物对水分的生理适应,1. 陆生植物的水平衡 植物生长需水量很大。一株玉米一天约需水2000g，一株树木夏季一天需水量

15、是整棵树鲜叶重的5倍，小麦每生产kg干物质需耗水300400kg。植物吸收的水有99%用于蒸腾作用，只有1%被组合到植物体内。因此，植物在得水（根吸水）和失水（叶蒸腾）之间保持动态平衡是进行正常的生命活动所必需的。,陆生植物在维持水平衡的适应，主要是增加根的吸水能力和减少叶片的蒸腾作用。对于陆生植物，根系生长的深度及其分支状况，决定植物吸水的程度。植物蒸腾失水首先是气孔蒸腾，当环境水分充足时，气孔开放以保证气体交换；当环境缺水干旱时，气孔关闭以减少水分散失。有些植物体表覆盖蜡质层，可减少叶表面的蒸腾量。生活在干旱地区的植物为小叶型。,Water Potential and Water Move

16、ment Between Soil & Plants,Plant water potential (plant) plant=solution + matris + pressure Water potential gradient from soil to plant: Fig.5.5, Fig.5.6 Metabolism of water movement from soils to plants: (Fig.5.7),Fig.5.5,Fig.5.6,2.药用植物对干旱的生理适应,气孔关闭，减少水分的蒸腾量 ； 光合作用减弱，呼吸作用增强，减少水分的消耗 ； 蛋白质水解，脯氨酸含量大大增

17、加 ； 半纤维素增加，淀粉转化为糖 ，保水。,3.药用植物对涝害的生理适应,根系木质化，限制了还原物质的侵入 。 体内通气组织的形成 ； 代谢途径改变，避免乙醇毒害。,三.药用植物对水分的分子适应,药用植物的抗旱节水机制是复杂的，受多种基因控制 。,分子生态学与分子适应,蛋白质和核酸分子的整合作用,蛋白质和核酸的整合作用 是分子生态学的关键部分.,生态适应研究的分子基础-蛋白质组,蛋白质组是一个生命有机体所有蛋白质序列和蛋白质空间结构的总合，可分为结构蛋白和调节蛋白两大类。 具有修饰适应胁迫应答的酶，称为“生态酶”。 新的环境条件下也能够诱导出大量不同的“调节性酶”。 “适应酶”具有更多的多态

18、型，这与外表形态性状和生理特性密切相关。,蛋白质做为启动因子可以在环境改变时激活某些基因的表达，从而产生新的蛋白质即环境诱导蛋白来调节生命系统的生理代谢活动，从而进行生态适应。 蛋白质冗余的多拷贝性使 得有机体在极端胁迫下仍能进行正常的活动。 外界环境条件超常优越，利于有机体发育时，信息冗余的量增大。基因的容量扩增导致蛋白质量的扩增。同时单拷贝基因在条件适宜时也可大量产生蛋白质，蛋白质合成可以级联放大的方式来表达。 信息冗余的容量可调节性的结果可使得蛋白质组的集团效应在一定条件下予以强化，在生命有机体遭受外界不良环境因子作用时保持稳定而不受影响。,核酸、蛋白质的整合作用与生态适应、生态进化的整

19、体综合,基因与蛋白质 合成中的整合作用,信号转导不仅与基因表达调控有关，也与蛋白质功能表现与调节有关。 外源活性物质如生长因子、激素、神经递质、免疫因子、载脂蛋白等，作为细胞外信号，通常先经过跨膜传递机制将信号传递至细胞内，再通过第二信使系统、第三信使系统或别的系统传递到细胞核外，启动或关闭特定基因的表达。 也有些细胞外信号（如NO)可直接进入细胞起作用。,基因与蛋白质 信号转导整合作用,从基因到系统,“Systems biology is an approach to studying complex biological systems made possible through technologi