Водный обмен растений Литература: 1. Н. Н. Третьяков. Физиология и биохимия растений, М. : Колос, 2005. 2. С. С. Медведев. Физиология растений. Санкт-Пет. ун-та, 2004 3. Кузнецов Физиология растений.
Общая характеристика водного обмена растительного организма: Ø Поступление воды в клетку растений Ø Распределение воды в клетке и в организме Ø Водный баланс в растениях
Распределение воды в клетке и в организме Вода основной компонент живого: Вода в растительном организме-80 -90% массы растения. Зависит от типа органов: Сочные плоды-80 -95% сырой массы Корни-70 -90% Листья -80 -90% Семена-5 -15% Зависит от возраста растения: в молодых растениях содержание воды больше, чем в стареющих т. к. биохим. реакции синтеза идут значительно больше, чем в стареющих. Зависит от вида растения: гомеостатическая вода (ГВ)-это пороговое содержание воды в тканях, ниже которого растение не в состоянии поддерживать основные физиол. функции, повреждается и погибает. Сод-е ГВ у растений разных экол. групп: Гигрофитов-65 -70% сырой массы Мезофитов-45 -60% с. м. Ксерофитов -25 -27% с. м. Вода в клетке: Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В парообразном состоянии- в межклетниках. Основными испаряющими органами растения являются листья. Значит наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии - в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, цитоплазме. Вакуоли — наиболее богатая водой часть клетки (до 98%), в цитоплазме (до 95%). Наименьшее содержание- в клеточных оболочках.
Функция воды в растениях она участвует прямо или косвенно во всех жизненных процессах и выполняет Исключительную роль : ü ü ü ü Вода — структурообразователь протоплазмы. Макромолекулы белков, НК, а также мембраны, клеточных стенок могут сохранять свою структуру и функц. активность только при наличии водородных связей воды. Вода – растворитель веществ (минеральных, органических, газообразных) и обеспечивает их транспорт по растению и циркуляцию растворов. Вода — активный участник многих химических реакций. Все реакции гидролиза, окислительно-восстановительные реакции (фотосинтез, дыхание) идут с участием воды. Это та внутренняя среда, в которой протекает обмен веществ. Вода защищает растительные ткани от резких колебаний температуры. Обеспечивает упругое тургесцентное состояние растений, с чем связано поддержание формы травянистых растений, ориентация органов в пространстве. Она осуществляет связь органов, координирует их деятельность в целостном растении. Высокое содержание воды придает содержимому клетки (цитоплазме) подвижный характер.
Структура и свойства воды ü 1) Н-О – ков. связь ü 2) Обр-ют угол 1050 ü 3) Атом О обл-ет большей спос-ью оттягивать на себя ē ü 4) у О обр-ся «-» заряд, а у Н «+» заряд ü 5) при общей электронейтральности молекула Н 2 О яв-ся полярной т. е. молекулой –диполем ü 6) Н-родная связь слабая (19 к. Дж/моль) по сравнению с ковалентоной (400 к. Дж/моль) поэтому они постоянно возникают и разрушаются Каждая молекула воды , являясь диполем с тетраэдрическим распределением ē вокруг атома О, за счет обр-я Ных связей может взаимодействовать с 4 -мя др. молекулами воды.
Уникальные физико-химические свойства воды 1) 3 агрегатных состояния 2) высокая теплоемкость и скрытая теплота парообразования 3) высокая растворяющая способность 4) высокое поверхностное натяжение 5) Взаимодействие с биополимерами 6) поглощает ИФ радиацию, сравнительно прозрачна для видимой части спектра
Поглощение воды растением Процессы жизнед-ти м б. только при постоянной оводненности тканей Расход Н 2 О должен компенсироваться его притоком из почвы Диффузия влаги в почве – не более 1 см в сутки Корень движется к воде (гидротропизм положительный) Это определяет спец. организацию корневой системы (большие размеры и исключ. способность к ветвлению) Общая поверхность корней в 140 -150 раз превышает поверхность надземных органов Способность корней осваивать новые объемы почвы связано: а) большим количеством точек роста б) высокой скоростью ростовых процессов в) «+» гидротропизмом Недостаток влаги в почве тормозит рост надземных органов, но ускоряет рост корней- это защитная реакция растений на добывание Н 2 О, что приводит к диспропорции надземной и корневой систем. В рез-те урожайность снижается.
Анатомическое строение корня как органа поглощения Н 2 О Корень делится на 4 зоны: v Деления клеток v Растяжения v Всасывания (или зона корневых волосков) v Проводящая (или зона опробковения)
Зона деления клеток – клетки имеют крупные ядра, большая насыщенность цитоплазмы, отсутствие вакуолей, первичное строение клет. стенок. Нуждается в небольшом количестве воды. Зона растяжения - усиленное новообразование белков цитоплазмы, содержание которых возрастает в 1, 5— 2 раза, что увеличивает связывание воды. Увеличение объема клеток достигается за счет образования крупной центральной вакуоли, которая служит резервуаром осмотически активных веществ. Одновременно с возрастанием объема вакуоли наблюдаются размягчение и растяжение клеточных стенок. Благодаря эластичности они не оказывают сопротивления поглощению воды. Поэтому обеспечивается колоссальная способность поглощать воду. Содержание воды в расчете на клетку возрастает от (1 -5) 10 -8 г в зоне деления до (6 -35) 10 -8 г при растяжении. Это зона интенсивного поглощение воды. Зона корневых волосков (всасывания) — основная поглощающая зона корня, способствующая дальнейшему транспорту Н 2 О в растении. Здесь на 1 см 2 находится 230 -500 корневых волосков, что увеличивает активную поверхность в 10 -15 раз. Сильная вакуолизация клеток этой зоны, высокая степень развития мембранных структур и упругость закончивших формирование клет. стенок обеспечивают надежные механизмы осмотической регуляции транспорта воды, в которых наряду с осмотическими силами большое значение имеет развиваемое гидростатическое давление Проводящая зона (опробковения)-характеризуется опробковением покровных тканей. Ее поглотительная функция снижается, хотя опробковевшие части корня также могут поглощать воду. Особое значение это имеет после окончания вегетационного периода у многолетних растений.
Форма воды в почве Почва оказывает влияние на формирование корневой системы: ü Глубина проникновения по почвенному профилю ü Степень ветвления ü Анатомическую структуру ü Особенности эпидермальной ткани корней ü Кол-во воды доступной для растений Поступившая вода взаимодействует с твердой фазой почвы В зависимости от условий (к-ва воды, гранулометр. состав, хим. состав тв. фазы, структура почвы) почвенная вода нах-ся в разном состоянии: Ø Химически связанная вода Ø Сорбированная вода Ø Парообразная вода Ø Твердая вода
Недоступная для растений Химически связанная вода • Входит в состав вторичных минералов • Органических веществ Сорбированная вода • Гигроскопическая (прочносвязанная) удерж-ся силами адсорбции на поверх-ти почв. частиц (более 1000 м. Па) • Пленочная (рыхлосвязанная) удерж-ся силами адсорбции на поверх-ти почв. частиц (менее 1000 м. Па) Свободная вода Парообразная вода Твердая вода • Капиллярная вода( в верхней части почвы слабосвязанные силы) • Гравитационная вода (заполняет поры и перемещается под д-ем гравит. силы) – временно доступная Частично доступная Легкодоступная • В виде водяного пара, передвигается с током воздуха и градиенту упругости • При определенной t-ре и давлении конденсируется и пополняет резерв свободной или пленочной воды • При снижении t –ры ниже 00 С. • Яв-ся резервом доступной воды после таяния льдов Недоступная - доступная
Виды влагоемкости. Показатели для определения доступной растению почвенной влаги Влагоемкость — это способность почвы впитывать и удерживать то или иное количество воды. Различают следующие виды влагоемкости: полную, полевую, капиллярную и гигроскопическую. Полной влагоемкостью называется такое состояние влажности почвы, когда все поры ее полностью насыщены водой при отсутствии оттока. Полевая влагоемкость— это количество влаги, которое почва в естественном залегании в полевых условиях способна длительно удерживать после обильного ее увлажнения и свободного стекания воды. Капиллярная влагоемкость — количество воды, которое удерживается в почве в состоянии капиллярного насыщения при заполнении водой капиллярных пор под воздействием грунтовых вод. Гигроскопическая влагоемкость — количество влаги, которое сухая почва может поглотить, или сорбировать, из воздуха. Показатели для определения доступной растению почвенной влаги: Полевая влагоемкость и Влажность устойчивого завядания растений - такая влажность почвы, при которой появляются первые признаки увядания растений, не исчезающие при 12 -часовом пребывании их в атмосфере, насыщенной водяными парами. Доступная для растения почвенная влага – кол-во воды, которое накапливается в почве от уровня влажности устойчивого завядания до полевой влагоемкости 1 - нормально развитое растение, 2 -начало завядания, 3 -устойчивое завядание, 4 -гибель растения
Корневое давление Корневая система не только поглощает воду из почвы, но и подает ее в надземные органы. Это осущ-ся за счет корневого давления. Корневое давление – это процесс гидростатического давления обеспечивающее поднятие раствора по сосудам ксилемы в надземную часть растения. Обнаружить ее можно: По вытеканию пасоки (плач растений) Гуттации Хим. состав пасоки отлич-ся от поглощаемого корнями раствора почвы - это связано с синтетической и распределительной функцией корня. Хим. состав пасоки: мин. в-ва-К, Р-ты NO 3 -ты, сахара, органич. к-ты, азотсодержащие в-ва – амиды, своб. амин-ты, гормоны, витамины. Содержание вещ-в колеблется от вида, возраста растения и физиолог. состояния. Гуттация –выделение капельно-жидкой влаги на кончиках листьев при высокой влажности воздуха, когда транспирация затруднена. Капельки гуттационной жидкости не спутаешь с росой т. к. нах-ся в опред. местах гидатод – железки в эпидермисах растений Опыт по учету плача растений Гуттация растений Роса на растениях
Транспирация. Значение. Виды. Регуляция. В растениях существует тонкий и динамичный механизм регулирования поглощения СО 2 и испарения воды, который обеспечивает максимальную продуктивность фотосинтеза при минимальных потерях воды. Процесс испарения воды надземными органами растения называют транспирацией Значение: а) терморегуляция б) обеспечение деятельности верхнего концевого двигателя водного тока в) регулирование насыщенности клеток водой Интенсивность транспирации (ИТ) – кол-во воды испаряемое растением с единицы листовой поверхности в единицу времени или на единицу массы листьев. Для СХК ИТ днем— 15 -250, ночью – 1 -20 г/(м 2∙ч) Влажность воздуха летом – не превышает 60%, в период суховеев – 30%. Различают устьичную и кутикулярную транспирацию.
Устьичная транспирация Основной путь сообщения мезофилла листа с атмосферой – устьица Этапы устьичной транспирации (рис. 75 -Третьяков. Н. Н. ): 1. испарение воды с поверхности клеток в межклетники 2. выход паров воды из межклетников через устьичные щели 3. диффузия паров воды от поверхности листа в более далекие слои атмосферы. Внеустьичная регуляция: уменьшить испарение на 1 этапе можно за счет: 1) повышения водоудерживающей способности цитоплазмы путем ув-я осмотического и коллоидного связывания воды 2) уменьшение оводненности кл. стенок (механизм начинающего подсыхания или корневого регул-я транспирации) Устьичная регуляция транспирации: Число устьиц у разных видов сильно варьирует (у ксерофитов их меньше и сидят более глубже, чем у мезофитов). 50 -500 на 1 мм 2 У большинства СХК устьица расположены на нижней стороне или их больше по сравнению с верхней. Закон Стефана-скорость диффузии газов ч/з малые отверстия пропорциональна не площади, а диаметру отверстия. 1)закрывание и открывание устьиц связано с изменением формы замыкающих клеток и их оводненностью. Закрывание устьиц наполовину - мало влияет на ИТ. Полное закрывание – сокращает транспирацию на 90%. Устьица в мезофилле листа Строение устьиц
Кутикулярная транспирация (КТ) Кутикулярная транспирация - Испарение воды в атмосферу из клеточных стенок эпидермиса листа. При открытых устьицах потеря Н 2 О ч/з кутикулу незначительна. Но если устьица закрыты (во время засухи) КТ приобретает важное значение в водном режиме растений. Кутикула – это внешнее защитное покрытие эпидермиса. Значение кутикулы: 1) защищает от потери Н 2 О; 2) барьер для бактерий и грибов Состав кутикулы: а) Кутин – полимер из гидроксижирных кислот б) воска – смесь алканов, жирных кислот и спиртов. в) кутикулярный слой –(кутин, воска и углеводороды) Кутин и воска – яв-ся высокогидрофобными соединениями снижающую потерю Н 2 О. Интенсивность КТ зависит от: 1) толщины кутикулы 2) расположения, плотности и числа прослоек кутина и воска 3) вида и возраста растений и условия их прорастания (в молодых листьях-КТ-50%, у зрелых – 10%, в стареющихвозрастает из-за разрушения кутикулы) У кутикулы уник. св-во - изменять гидравл. проводимость в завти от оводненности клеток-при подсыхании наружных слоев слои кутикулы плотнее придвигаются-снижается КТ При низких температурах – набл-тся тот же эффект При ув-ии оводненности кутикула набухает, разрыхляется-КТ возрастает Т. О, потеря воды ч/з кутикулу регулируются оводненностью листа Структура кутикулы Кутин: HO-CH 2 -(CH 2)14 -COOH, CH 3 -(CH 2)8 -CH-(CH 2)5 -COOH, I он Воска: СН 3 -(СН 2)29 -СНз, СН 3 -(СН 2)22 -СООН, СНз- (СН 2)24 -СН 2 ОН Формулы кутина и воска
Способы снижения уровня транспирации По механизму действия антитранспиранты Вещ-ва, пленочного типа (образующие на пов-ти листьев пленки) Вещ-ва, метаболического типа (вызывающие закрывание устьиц) Механизм действия: не оказывая токсического влияния вызывают закрывание устьиц как при опрыскивании, так и введение ч/з корни с поливной водой Вещества: АБК (абсцизовая к-та) и ее производные Метиловый и фениловый эфиры Вомифолиол 2 -транс-дигидрофарнезол Алахлор Хлормекват ИУК (индолилуксусная кислота) фенилмеркурацетат Механизм действия: на поверхти листьев образуют моно- и полимолекулярные пленки, препятствующие испарению Н 2 О Они слабо проникают через эпидермис, обладают малой подвижностью в растении и не оказывают влияние на метаболизм Вещества: Эпикутикулярный воск Эмульсия высокомолекулярных соединений- полиэтилена, полипропилена, полистирола, полиакриламида, натуральный латекс искусственный латекс
Водный баланс в растениях
СРС – Влияние внешних и внутренних факторов на корневое давление
Скачать презентацию Водный обмен растений Литература 1 Н Н Третьяков
Водный обмен растений ЛЕКЦИЯ 1.pptx