植物生理学教案第二章植物的水分代谢.docx

1、植物生理学教案第二章植物的水分代谢第二章植物的水分代谢教学时数：6学时教学目的与要求：要求学生了解水分对植物生命活动的重要性和合理灌溉的生理基础，掌握水势的概念、渗透性吸水和气孔开闭的机理，能运用水分代谢的知识来解释生产实践中出现的一些问题。教学重点：水势的概念、蒸腾-张力-内聚力学说、气孔运动的机理。教学难点：水势的概念及其应用。本章主要阅读文献资料：1王宝山主编。植物生理学。科学出版社，2004年1月（阅读水分代谢部分）2武维华主编。植物生理学。科学出版社，2003年4月（阅读水分代谢部分）3李合生主编。现代植物生理学。高等教育出版社，2002年1 月（阅读水分代谢部分）4白宝璋，李明军等

2、主编。植物生理学（第2版），中国农业科技出版社2001年1月（阅读水分代谢部分）5王忠主编植物生理学中国农业出版社2000年5月（阅读水分代谢部分）6曹仪植，宋占午主编植物生理学兰州大学出版社1998年（阅读水分代谢部分）教学内容：包括植物对水分的需要，植物对水分的吸收，植物体内水分的运输，植物体内水分的散失（蒸腾作用）和合理灌溉的生理基础五部分内容。水分代谢(water metabolism)：指植物对水分的吸收、运输和散失的过程。第一节 植物对水分的吸收“水是生命源泉”，水是生命起源的先决条件，没有水就没有生命，人们常说“水是农业的命脉”（凡海尔蒙特）。一、植物的含水量1.不同植物的含水量

3、不同；一般植物组织含水量占鲜重的75%90%，木本草本，陆生水生。2.同一种植物生活在不同环境中，含水量也不同；（干旱与适宜）3.同一株植物中，不同器官和不同组织的含水量也不相同。（生命活跃组织大于衰老组织）二、植物体内水分存在的状态水分子具有特殊的物理化学结构，一个O原子和两个H原子以V字形结合，电子云更多偏向O原子，所以水分子有极性。水分子与水分子通过氢键粘在一起。相联的构象：液态水，随机的构象：气态水（蒸发）。水分子在植物生命活动中的作用不仅与其数量有关，也与它的存在状态有关。植物细胞的原生质、膜系统以及细胞壁都是由蛋白质、纤维素等大分子组成，含有大量的亲水基团，蛋白质分子的疏水基（烷烃

4、基、苯基等）在分子内部，而亲水基如NH2、COOH、OH等则在分子表面，这些亲水基团对水分子有很大的亲和力，容易起水和作用。原生质主要化学成分是蛋白质，它能溶于水成为一种亲水的胶体，原生质胶体的颗粒叫胶粒。水分在植物组织和细胞中通常以束缚水和自由水两种状态存在。束缚水（bound water）：指比较牢固的被细胞中胶体颗粒吸附而不易自由流动的水分。自由水（free water）：指距离胶体颗粒较远而可以自由移动的水分。自由水参与植物体内的各种代谢过程，它的数量制约着植物的代谢强度；束缚水则与植物的抗性大小有密切的关系，束缚水含量高，植物的抗逆性（如抗寒性、抗旱性等）强，束缚水含量低，则植物抗逆

5、性就差。自由水含量多，胶体呈现溶液状态，这种状态的胶体称为溶胶（sol）；自由水含量少，胶体便失去流动性而凝结为近似固体的状态，这种状态的胶体称为凝胶(gel)。Sol gel（溶胶）（凝胶）三、水分在植物生命活动中的作用1.水是原生质的主要成分；2.水是某些代谢过程的反应物质；3.水是植物体进行代谢过程的介质；4.水分能使植物保持固有的姿态；5.水分可以调节植物体的温度；第二节 植物细胞对水分的吸收一、植物细胞对水分的吸收植物细胞吸水主要有3种方式：扩散，集流和渗透作用，最后一种方式是前两种方式的组合，在细胞吸水中占主要地位。其实植物细胞吸水有两种方式：吸胀性吸水（未形成液泡之前细胞的吸水方

6、式）和渗透性吸水（液泡出现以后的吸水方式）。扩散（diffusion） 物质分子从高浓度（高化学势）区域向低浓度（低化学势）区域转移，直到均匀分布的现象。 扩散速度与物质的浓度梯度成正比。 扩散适合水分的短距离移动。集流（mass flow） 液体中成群的原子或分子在压力梯度作用下共同移动的现象。水分在植物细胞膜系统内移动的途径有两条，一种是单个水分子通过膜脂双分子层的间隙进入细胞；另一种是水集流（bulk flow）通过质膜上水孔蛋白中的水通道（water channel）进入细胞。1）水孔蛋白（aquaporins）又称为水通道蛋白（water channel protein），植物细胞的

7、水通道是由位于膜中的分子量在2530KD的通道蛋白组成，这种通道蛋白具有选择性的高效运转水分子的功能，特称水孔蛋白。2）水孔蛋白的“水漏”模型（the hourglass model）1994年，Jung等提出的“水漏模型”如图所示。水孔蛋白有6个跨膜结构区域（图中标为1、2、3、4、5、6），形成5个环（图中标为A、B、C、D、E），其中B环和E环最为重要。当蛋白质发生折叠时，B环和E环迁入膜中的双脂层，并形成一狭窄的水分子通道。水孔蛋白的一级结构为跨细胞膜6次的单肽链。虽然其单体可形成独立的水转运通道，但其结构的稳定和功能的正确行使，则需要蛋白在膜上的四级组装（四聚体），膜冰冻蚀刻技术观察

8、，4个水孔蛋白单体组成一个跨膜结构，中间形成一个孔道。3）水孔蛋白的功能水孔蛋白的嵌入使生物膜上形成了水的通道，因而使生物膜对水的通透能力大大提高。但通过改变水孔蛋白的活性，可以在很大程度上快速而灵活的调节水分子的跨膜运转。4）水分子运转的调节机理快速调节水分子运转的一个重要方式是水孔蛋白的磷酸化。5）水孔蛋白的生理意义水孔蛋白的发现及功能确定，对于研究植物与水分的关系，研究水孔蛋白对植物水分利用方面的作用都有重要意义。1.细胞的渗透性吸水渗透作用（osmosis）：溶液中的溶剂分子（水）通过半透膜而移动的现象。1）自由能和水势根据热力学原理，在一个系统中物质的总能量可分为自由能和束缚能两部分

9、：自由能（free energy）：在温度恒定的条件下可以用于作有用功的能量。束缚能（bound energy）：不能转化为用于作功的能量。化学势（chemical potential）：每一摩尔任何物质的自由能称为该物质的化学势。水的化学势（water chemical potential）：每一摩尔水具有的自由能。它是指水中能够用于作功的能量的度量。但是，在植物生理学中，一般并不以水的化学差的大小来指示水分运动的方向和限度，而是以水势的大小来指示的。水势（water potential）：每偏摩尔体积水的化学势（差）。即：任一体系水的化学势（w）和纯水的化学势（0w）之差(w)。用水的偏摩

10、尔体积(Vw)去除所得到的商值。以希腊字母(psi)或w表示。可用下式表示：w-0w ww Vw Vw水的偏摩尔体积（partial molar volume）：指在温度、压强和其它组成不变的条件下，在无限大的体系中加入1摩尔水时，对体系体积的增量。化学势的单位是Jmol-1，偏摩尔体积的单位是m3mol-1，1Pa =1 Nm-2 = 1Jm-3，故水势的单位是：Jmol-1m3mol-1Jm-3Pa。由于纯水的自由能最大，所以水势也最高。但是，水势的绝对值不易测得，故人为地将标准状况下（1个大气压下，引力场为0，与体系同温度）纯水的水势规定为0；而溶液水势与纯水水势比较，由于溶液中的溶质颗

11、粒降低了水的自由能，因而溶液水势低于纯水水势，成为负值。溶液越浓，水势越低。2）渗透作用（osmosis）渗透系统当两个不同浓度的溶液被一个分别透性膜（或差透膜或选择透性膜）隔开，则分别透性膜及其两边的溶液被称为渗透系统。渗透作用在一个渗透系统中，水分从水势高的溶液通过分别透性膜向水势低的溶液移动的现象，被称为渗透作用。3）植物细胞是一个渗透系统植物细胞的质膜和液泡膜都是选择透性膜，因此可以将原生质层（包括质模、细胞质和液泡膜）当作一个分别透性膜来看待，液泡内含有一定数量的可溶性物质，具有一定的水势。这样，细胞液、原生质层和环境中的溶液之间就会发生渗透作用。所以，一个具有液泡的植物细胞，与周围

12、溶液一起，构成一个渗透系统。质壁分离及其复原可以证明植物细胞是一个渗透系统。植物置于浓溶液中，由于细胞壁的伸缩性有限，而原生质层的伸缩性较大，当细胞继续失水时，原生质层便和细胞壁慢慢分离开来，这种现象被称为质壁分离。把发生了质壁分离的细胞浸在水势较高的稀溶液或清水中，外液中的水分又会进入细胞，液泡变大，原生质层很快会恢复原来的状态，重新与细胞壁相贴,这种现象称为质壁分离复原。利用细胞质壁分离和质壁分离复原的现象可以判断细胞死活。4）细胞的水势一个典型的植物细胞的水势由三部分组成：w = s p m渗透势（osmotic potential）又称溶质势（solute potential），s由于

13、溶质颗粒的存在而引起的那部分纯自由水水势的降低值，负值，溶质颗粒越多、溶液越浓，s 越低。由于纯水的水势为0，而溶液的水势由低于纯水的水势，所以溶液的溶质势为负值。溶质势表示了溶液中水分潜在的渗透能力的大小，因此又称之为渗透势。压力势（pressure potential），p指外界压力影响体系水势变化的势值，或由于外界压力的作用而使细胞水势发生的变化。衬质势（matric potential），m由于细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水的束缚而引起水势降低值。衬质势的大小决定于： a.亲水胶体的多少； b.毛细管的多少和水合数亲水胶体丰富，毛细管很多，水合度却很低。这样的物质有风干的种子，干燥

14、的粘土。衬质势常常很低，如苍耳种子的m接近-100 Mpa，故具有很强的吸水力。亲水胶体丰富，毛细管很多，水合度非常高。这样的物质自然界普遍存在，其衬质势非常高，接近于0（如已形成液泡的细胞的衬质势为-0.01 Mpa，其绝对值很小）。只占整个水势的微小部分，通常可忽略不计。因此，成熟的植物细胞的水势公式就可简化为：w = s p即：一个成熟的植物细胞的水势通常是由s和p这两部分组成。植物细胞体积的变化与细胞水势、渗透势和压力势之间的关系（由图可知）：a.细胞初始质壁分离时，压力势为0，w=s，两者都是最小值；b.当细胞吸水，体积增大时，w、s和p三者均增大；当细胞失水，体积减小时，w、s和p

15、三者均减小；c.当细胞吸水达到饱和时，sp（但符号相反），w0，不吸水； d.当叶片细胞剧烈蒸腾时（即气相状态下），w、s和p三者均为负值，但ws。5）细胞间水分的移动相邻两细胞的水分移动，决定于两细胞间的水势差（）。水势高的细胞中的水分向水势低的细胞方向移动。当有多个细胞连在一起时，如果一端的细胞水势较高，另一端水势较低，顺次下降，形成一个水师梯度，那么水分便从水势高的一段流向水势低的一端。植物器官之间水分流动方向就是依据这个规律。在同一植株上，地上器官的水势较根部的水势低；导管液的水势比根表皮细胞的低；即使是叶片，其水势也是随着距离地面的高度而降低。所以，根细胞吸水可以经导管向上送到植物的

16、各部分。 在土壤 植物 大气连续系统中，其水势是越来越低的。2.细胞的吸胀吸水未液泡化细胞的吸水1）吸涨作用（imbibition）亲水胶体吸水膨胀的现象称为吸涨作用。2）吸胀作用的大小决定于衬质势的高低细胞在形成液泡之前的吸水主要靠吸胀吸水。二、植物根系对水分的吸收1.根系吸水的部位根系的吸水主要在根尖进行，根尖的根毛区是植物根系吸水能力最强的部位。主要因为：根毛多，增大了吸收面积（510倍）；细胞壁外层由果胶质覆盖，粘性较强，有利于和土壤胶体粘着和吸水；输导组织发达，水分转移的速度快。由于植物吸水主要靠根尖,因此，在移栽时尽量保留细根，就减轻移栽后植株的萎蔫程度。2.根系吸水的途径1932

17、年，E.Mnch（敏赫）（德国人）根据原生质的有无将根部分为质外体和共质体两部分。质外体（apoplast）（又称外植体、无质体）：是指（根系）无原生质的部分。由（根内）所有自由空间组成，主要包括细胞壁、细胞间隙和木质部的导管等，它是植物体中“死”的部分，水分和溶质可以在其中自由通过。但质外体是不连续的，由于内皮层凯氏带（casparian strip）的存在，将质外体分为内皮层以内和内皮层以外两个区域。内皮层将质外体分成的两部分具备了一个渗透系统。内皮层上有围着细胞壁的凯氏带，它是由木栓（化）和木质（化）构成的带状增层物，环绕着内皮层细胞的左右和上下（径向壁和横壁），且与细胞壁牢固结合，没有

18、空间、水和溶质只能通过细胞质进入中柱，所以内皮层在根部吸水过程中具有控制水分运转的功能。共质体（symplast）：所有活细胞里原生质部分被胞间连丝连成的一个连续的体系。故共质体包括所有细胞的细胞质，它是有生命的部分。水分在从表皮向内皮层以及从内皮层向导管的迁移过程中，均可通过三条途径：1）质外体途径（apoplast pathway）水分完全通过细胞壁和细胞间隙移动，不越过任何膜。水分移动阻力小，速度慢。2）共质体途径（symplast pathway）水分依次从一个细胞通过胞间连丝进入另一个细胞。3）越膜途径（transmembrane pathway） 水分从一个细胞的一端进入，从另一端

19、流出，并进入第二个细胞，依次进行下去。在此途径中，每通过一个细胞，水至少要越过两次膜，即进出细胞时两次越膜，也有可能还要通过液泡膜。共质体途径和越膜途径统称为细胞途径（callular pathway）。由此可见，水分在根中的径向移动是一个复杂的过程。为简便起见，可以将根毛到根木质部的整个途径看作只是一层膜，对于水的移动也只有单一的阻力。实际上，根的整个行为也类似于一层具有选择透性的膜。 吸水过程：土壤溶液中的水和离子可以沿着质外体向内扩散，到达内皮层时，由于凯氏带的存在而阻碍了水和离子的通过，但其中的离子可以通过主动转运进入内皮层细胞原生质中，即进入共质体中，最后进入内皮层以内的质外体，直至

20、木质部导管，离子进入导管后，离子浓度增大，水势降低；内皮层以外质外体（皮层）离子浓度下降，水势升高，这样就形成了一个水势差，于是水经过内皮层（通过渗透作用）而进入中柱导管，水进入中柱导管就产生了一种静水压力，即根压，于是水沿木质部导管上升。3.根系吸水的动力：即细胞与细胞或细胞与外液的水势差（W）。根系吸水的动力有两种：根压和蒸腾拉力。1）根压（root pressure）是根系与外液水势差的表现和度量。植物根系可以利用呼吸作用释放的能量主动将土壤溶液中的离子吸收转运到根的木质部导管中，使导管溶液的浓度升高，这样导管溶液的渗透势便降低，使导管的水势低于土壤的水势，土壤中的水分顺水势梯度通过渗透

21、作用进入导管。与此同时，导管内的水分也向导管外部移动，但由于进入的水分子多于移出的水分子，于是产生了由外向内的压力差，这就是根压。根压的大小取决于导管与土壤的水势差，导管水势与土壤相比越低，则产生的根压就越大。根压可高达0.5 Mpa，但通常低于0.2Mpa。伤流（bleeding）：从受伤或折断的植物组织溢出液体的现象称为伤流。伤流是由根压引起的。把丝瓜茎在近地面处切断后，伤流现象可持续数日。从伤口流出的汁液叫伤流液。葫芦科植物伤流液较多。伤流液其中除含有大量水分之外，还含有各种无机物、有机物和植物激素等。凡是能影响植物根系生理活动的因素都会影响伤流液的数量和成分。所以，伤流液的数量和成分，

22、可作为根系活动能力强弱的生理指标。不少伤流液是重要的工业原料，如松脂、生漆、橡胶等。松脂一般采自松科植物特别是马尾松茎干上，生漆是采自漆树的一种树脂，耐酸碱，绝缘性好，是一种很好的涂料。橡胶是高分子不饱和碳氢化合物，具有高弹变形的性能。工业用的橡胶主要采自大戟科的橡胶树。吐水（guttation）：从未受伤植物的完整叶片的尖端或边缘向外溢出液滴的现象。作物生长健壮，根系活动较强，吐水量也较多，吐水现象可以作为根系生理活动的指标，能用以判断苗长势的强弱。吐水汁液的化学成分没有伤流那样复杂，因为吐水是经细胞渗出，许多有机物和盐类已被细胞有选择地截留了。2）蒸腾拉力（transpirational

23、pull）是叶组织与茎导管之间的水势差。当叶片蒸腾时，气孔下腔附近的叶肉细胞因蒸腾失水而导致水势下降，因而从邻近细胞吸水，邻近细胞又从其毗邻细胞吸水，顺次传递，直到从导管吸水，然后又促使根系从土壤中吸水，好似存在一种拉力，将水从根部拉到叶片。这种因叶片蒸腾作用而产生的一系列水势梯度使导管中水分上升的力量，称为蒸腾拉力。蒸腾拉力是根系被动吸水的动力。4.影响根系吸水的外界条件（自学）土壤温度、土壤中的水分状况以及土壤的通气条件均对根系的吸水有影响。1）土壤温度在适宜温度条件下，一般土温与水温越高，根系吸水越多，土温降低则吸水减少。A.土温低使根系吸水下降，原因：水粘度增加，扩散速率降低；根系呼吸

24、速率下降，主动吸水减弱；根系生长缓慢，有碍吸水面积的扩大。B.土温过高对根系吸水也不利，其原因： 提高根的木质化程度，加速根的老化， 根细胞中各种酶蛋白变性失活。喜温植物和生长旺盛的根系吸水易受低温影响，特别是骤然降温，如在烈日下用冷水浇灌，对根系吸水不利“午不浇园”2）土壤水分状况土壤中的水分对植物来说并不是都能利用的。有效水：能被植物吸收的水分成为有效水。无效水：不能被植物吸收的水分成为无效水。萎蔫（wilting）：指植物水分方缺时，细胞失去膨胀状态，叶片和茎的幼嫩部分下垂的现象。永久萎蔫（permanent wilting）：当蒸腾很弱时，萎蔫的植株也不能恢复正常状态，此时称为永久萎蔫

25、。永久萎蔫系数（permanent wilting coefficient）：当植物发生永久萎蔫时，土壤中的含水量与土壤干重的百分数称为永久萎蔫系数。3）土壤的通气状况土壤若通气不良则会使根系吸水量减少。这是由于土壤中O2缺乏CO2浓度过高的缘故。短期缺O2和高 CO2环境，可使细胞呼吸减弱，影响主动吸水；时将较长后，则细胞进行无氧呼吸，产生和积累较多的乙醇（酒精），使根系中毒受伤，吸水更少。4）土壤溶液浓度通常土壤溶液浓度较低,水势较高，根系易于吸水。但在盐碱地上,水中的盐分浓度高，水势低(有时低于-10MPa)，作物吸水困难。在栽培管理中，如施用肥料过多或过于集中,也可使土壤溶液浓度骤然升

26、高，水势下降，阻碍根系吸水，甚至还会导致根细胞水分外流，而产生“烧苗”。第三节 植物的蒸腾作用一、蒸腾作用的概念、意义和指标植物吸水的水分只有一小部分（15）用于代谢，绝大部分都散失到体外去了。水分从植物体中散失到外界去的方式有两种：吐水和蒸腾。1.蒸腾作用（transpiration）的概念指水分以气体状态通过植物体的表面，从体内散失导体外的现象。蒸腾部位： 植物幼小时，暴露在地面上的全部表面都能蒸腾； 植物长大后，主要在叶片上进行蒸腾。茎枝上的皮孔可以蒸腾，但非常微小，约占全部蒸腾量的0.1%。2.蒸腾方式 叶片蒸腾方式：角质蒸腾（cuticular transpiration） 气孔蒸腾

27、（stomatal transpiration） 皮孔蒸腾（lenticular transpiration）3.生理意义通过蒸腾作用（失水）使土壤植物大气系统（SPAC）造成一个水势差，而水势差是植物吸收水分和运输水分的动力；有利于矿质盐类和有机物的吸收以及在植物体内的传导和分布；能够降低植物体和叶片的温度。4.表示方法（或指标）蒸腾作用的强弱是植物水分代谢的一个重要生理指标。常用的蒸腾作用的量的表示法有三种：蒸腾速率（transpiration rate）或蒸腾强度 植物在一定时间内单位叶面积蒸发的水量，常用g/dm2/小时表示。也可以叶重量（干重或鲜重）来表示。g/g（干重或鲜重）/小时

28、。蒸腾比率（transpiration ratio）或蒸腾效率 植物每消耗一公斤水所形成的干物质克数。蒸腾系数（transpiration）或需水量（water requirment） 植物制造1g干物质所需（或消耗）水分的克数。二、气孔蒸腾气孔是植物叶子与外界发生气体交换的主要通道。因而影响着蒸腾、光合和呼吸等过程。掌握其运动规律就能调节植物的蒸腾作用和光合作用。1.气孔的大小、数目和分布气孔是植物叶表皮组织上由两个保卫细胞包围形成的小孔，一般长740um,宽320um，多分布于叶片的上、下表皮，一般单子叶植物上、下表皮的气孔数相反，双子叶植物气孔主要分布于下表皮。叶片上气孔的数目很多，2叶

29、面积上约分布几千至几万个。2.气孔扩散的边缘效应即气孔扩散的小孔律气体通过多孔表面扩散的速率不与小孔的面积成正比，而与小孔的周长成正比。这就是边缘效应或小孔律。经小孔的扩散度律不与孔的面积成正比，因此，小孔扩散也称为周长扩散（perimeter diffusion）。叶子上的气孔是很小的孔，正符合小孔扩散规律，所以在叶片上水蒸汽通过气孔的扩散速度要比同面积的自由水表面蒸发速度快得多。3.气孔运动1）保卫细胞的特点具有不均匀加厚的细胞壁（即壁厚报不均匀）保卫细胞具有叶绿体，能进行光合作用。2）气孔运动的原因引起气孔运动的原因主要是保卫细胞的吸水膨胀或失水收缩。因此，气孔运动又称为膨压运动。气孔运

30、动与保卫细胞内外壁厚薄不均匀有关，但最根本的结构基础是保卫细胞中径向排列的微纤丝（microfibril），这些微纤丝以气孔口为中心呈辐射状径向排列，由于这些微纤丝难以伸长，所以就限制了保卫细胞沿短轴方向直径的增大。双子叶植物保卫细胞吸水膨胀时，所有的细胞壁都受到来自细胞内部的、与细胞壁垂直的、指向细胞外部的压力。外壁在压力作用下沿纵轴方向伸展，表面积增大，同时有向外扩展的趋势，但由于微纤丝的限制，使向外的扩展受到抑制，这是作用在外壁上的向外的压力通过微纤丝传递到内壁，成为作用于内壁的，指向气孔口外方的拉力。内壁同时受到指向气孔口的压力和背离气孔口的拉力。由于通过相同微纤丝联系的外壁的表面积大

31、于内壁的表面积，这样前者收到的总压力就大于后者受到的总压力，而通过微纤丝的传递，就是得内壁受到的拉力大于压力，于是内壁被拉离气孔口，气孔张开。在单子叶植物（哑铃形）保卫细胞的壁上也存在径向排列的微纤丝，当保卫细胞吸水膨胀时，微纤丝限制了细胞纵向伸长，细胞两端的薄壁区横向膨大，这就将两个保卫细胞的中间（部）推离开，于是气孔张开。当保卫细胞失水时会发生相反的过程，气孔关闭。所以，气孔开闭就是保卫细胞的特殊结构和膨压的变化所引起的。4.气孔运动的机理气孔开闭主要决定于保卫细胞膨压的变化，而保卫细胞的膨压又是由保卫细胞的水势决定的。故气孔运动是由与保卫细胞水势的变化所引起的。1）淀粉糖互变学说（starch-sugar conversion theory）又称PH值控制论要点：淀粉与可溶性糖之间的变化和相