教案植物的水分生理

1、课题第一章 植物的水分生理第1节 植物细胞对水分的吸收课时1课时授课时间2015年8月教学内容及教学方法难点1.植物体内水分存在的状态。2.自由水和束缚水的比例与植物代谢强度及植物的抗性的关系。3.细胞吸水的方式。4.渗透作用。5.植物细胞水势的构成。6.细胞间水分的移动。重点1.植物体内水分存在的状态。2.植物细胞水势的构成。3.植物细胞的相对体积变化与水势、渗透势和压力势之间的关系。教学过程具体步骤备注前言水是生命起源的先决条件,植物的一切生命活动只有在一定的细胞水分含量的状况下才能进行，否则植物的正常生命活动就会受阻，甚至停止。可以说没有水就没有生命。在农业生产上，水是决定收成有无的重要

2、因素之一，农谚常说：“有收无收在于水”就是这个道理。一、植物对水分的需要（一）植物的含水量规律 不同植物含水量不同，同种植物生长环境不同，含水量也不同，同株植物不同器官和组织含水量也不相同，同一器官在不同生长期含水量不一样。水生植物的含水量可以达到90%，草本植物的含水量为70%-85%，低等植物仅占鲜重的6%。生长在荫蔽潮湿环境中的植物其含水量比生长在向阳、干燥环境中的植物要高一些。根尖、嫩梢、幼苗和绿叶的含水量可达60%-90%，休眠芽为40%，风干的种子仅有10%-14%，由此可见生命活动旺盛的部分比成熟衰老部分水分含量高。同一植株同一器官在生长前期含水量高于生长后期。（二）植物体内水分

3、存在的状态 水分在植物体内的作用不但与含水量的多少有关，还与它的存在状态有关。细胞内的细胞质主要是由蛋白质组成，蛋白质溶液具有胶体的性质，因此细胞质是一个胶体系统。蛋白质分子的疏水基在分子内部，亲水基在外部。外部的亲水基对水分子有很大的亲和力，容易起水合作用，所以细胞质胶体微粒具有显著的亲水性，水分子距离胶粒越近，吸附力越强，距离胶粒越远，吸附力越弱，从而使水分子在细胞内以两种方式存在：一是距离胶粒越近的被吸附着的不易自由流动的水分子叫做束缚水；一种是距离胶粒较远的不被吸附的可以自由流动的水分子称为自由水。自由水参与各代谢活动，其数量的多少直接影响植物代谢的强度，自由水含量越高，植物的代谢活动

4、越旺盛。束缚水含量越高，植物的代谢活动越弱，越冬植物的休眠芽和干燥种子里所含的水基本上都是束缚水，这时植物以微弱的代谢活动度过不良的环境条件。因此植物植物体内的自由水和束缚水的含量与植物的抗逆性大小密切相关。通常把自由水与束缚水的比值作为衡量植物代谢强弱和植物抗逆性大小的指标之一。（三）水分在植物生命活动中的作用 生理作用：1水分是细胞质的主要成分 2水分是代谢作用过程的反应物质 3水分是植物对物质吸收和运输的溶剂 4水分能保持植物的固有姿态 生态作用：调节环境温度湿度，调节植物体温，提高光的通透性等。二、植物细胞对水分的吸收我们知道植物在生命活动中要不断的从外界吸收水分，并运输到各个部位，以

5、满足正常的生命活动需要，那么植物细胞是怎样吸收水分的呢？水分是通过什么方式运输到植物的各个地方去的呢？经过研究发现植物细胞吸水主要有三种方式：扩散、集流和渗透作用，其中渗透吸水占主要地位。（一）扩散 扩散是一种自发过程，指分子的随机热运动所造成的物质从浓度高的区域向浓度低的区域移动，是物质顺浓度梯度进行的。 适合短距（如细胞间）离迁徙，不适合长距离的迁徙。（二）集流 集流是指液体中成群的原子或分子在压力梯度下共同移动。例如水在水管中的流动，河水在河中的流动等。植物体内也有水分的集流，如水分从土壤溶液流入植物体。与扩散作用相反，水分集流与溶质浓度梯度无关。植物体的水分集流要借助于膜上的水孔蛋白形

6、成水通道来完成。 水孔蛋白的活化依靠磷酸化和脱磷酸化作用调节。如依赖Ca2+的蛋白激酶可使其丝氨酸残基磷酸化，水孔蛋白的水通道加宽， 水集流通过量增加。如除去此磷酸基团，则水通道变窄，水集流通过量减少。水孔蛋白广泛分布于植物各个组织。其功能依存在的部位不同而有所不同。 1.维管束薄壁细胞中：可能参与水分长距离的运输，参与调节整个细胞的渗透势。2.根尖的分生区和伸长区中，有利于细胞生长和分化3.分布于雄蕊、花药：可能与生殖有关（三）渗透作用渗透是指溶剂分子通过半透膜而移动的现象。细胞内水分移动需要能量做功，所以下面首先要讨论自由能和水势的概念。 一、自由能和水势 根据热力学原理，系统中物质的总能

7、量可以分为束缚能和自由能，束缚能是不能用于做功的能量，而自由能在温度恒定的条件下可以用于做功的能量，1mol物质的自由能就是该物质的化学势，可以用来衡量物质反应或做功所用的能量。同样的道理，衡量水分反应或做功所用的能量高低用水势来表示。在植物生理学上，水势定义为每偏摩尔体积水的化学势，就是偏摩尔体积的水在一个系统中的化学势与纯水在相同温度压力下的化学势之间的差，可以用公式表示为： 了解了水势的计算方式我们再来看看水势的单位。 化学势的单位为J /mol，J= Nm，J /mol=Nm/mol水的偏摩尔体积单位为m3/mol。根据水势的计算公式可以得出水势的单位和压力单位一样为帕。 偏摩尔体积是

8、指在1mol水中加入1mol溶液后，该1mol水的有效体积，如：纯水的摩尔体积是18.00ml,加入20.00ml的乙醇中，最终体积是37.00ml，水的偏摩尔体积是17.00ml。偏摩尔体积的具体数值随不同含水体系而异，在稀水溶液中水的偏摩尔体积与摩尔体积相差很小因此通常用摩尔体积来代替偏摩尔体积。 纯水的自由能最大，水势也最高我们把纯水的水势规定为零，其他溶液中由于含有溶质颗粒，而溶质颗粒的存在降低了水的自由能，所以溶液中水的自由能比纯水低，溶液的水势就为负值，溶液的浓度越高溶质颗粒越多，水势就越低。二、渗透作用 当我们把种子的种皮紧紧的束缚在漏斗上，注入蔗糖溶液，然后把整个装置浸入清水中

9、，使漏斗内液面与烧杯中水的液面相平，一段时间后我们可以观察到玻璃管的液面会逐渐上升。这是由于种皮是半透膜（水分子能够自由通过，而蔗糖分子不能通过），膜外是清水，膜内是蔗糖溶液使整个装置形成了一个渗透系统，由于膜内蔗糖溶液的水势低于膜外的清水，水分子从水势高的清水中流入蔗糖溶液中的多，从水势低的蔗糖溶液中流向亲水中的少，使得玻璃管的液面逐渐上升，当上升到一定高度时，静水压也逐渐增大，使得膜内外水分子进出达到动态平衡，液面不再上升。我们把这种水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统中移动的现象称为渗透作用。含有液泡的成熟细胞，依赖于渗透作用，以渗透吸水为主。三、植物细胞可以构成一个渗透系统 在植

10、物细胞中，细胞壁是一种透性膜，主要由纤维素分子组成，能够允许大分子自由通过，而质膜和液泡膜不同，两者都接近半透膜，因此我们可以把原生质体看成一个半透膜，膜内是液泡的细胞液，膜外是细胞所处的环境溶液，当膜内水势高于膜外时，细胞失水，细胞膜与细胞壁发生质壁分离，反之当膜内水势低于膜外时，细胞吸水，细胞膜与细胞壁发生质壁分离复原。质壁分离和质壁分离复原现象可以证明植物细胞是一个渗透系统。 1.概念：质壁分离：植物细胞由于液泡失水而使原生质体与细胞壁分离的现象。 质壁分离复原：把发生质壁分离的植物细胞放入清水或水势较高的溶液中，液泡变大，整个原生质体慢慢恢复原来状态的过程。 2.发生质壁分离的条件：（

11、1）外界环境水势低于细胞水势；（2）原生质层具有选择性；（3）细胞壁与细胞质的收缩能力不同。3.质壁分离说明以下问题：（1）原生质层具有半透膜的性质；（2）判断细胞的死活；（3）能测定细胞的渗透势。四、细胞的水势 刚才我们讲解了水势、渗透作用，还通过质壁分离和质壁分离复原现象证明了一个成熟的含有液泡的植物细胞是一个渗透系统。那么影响植物细胞水势的因素有哪些呢？ 一个成熟的含有液泡的植物细胞吸水固然与细胞液的渗透势有关，通过研究发现细胞的失水与吸水并不完全决定于渗透势，这是因为在植物细胞的原生质体外还有细胞壁，细胞壁限制原生质体膨胀，因此细胞吸水情况比渗透作用更加复杂。 一个典型细胞的水势由渗透

12、势、压力势和重力势组成。 渗透势，也称溶质势是由于溶质颗粒的存在而引起的水势降低值。恒为负值 压力势是指细胞的原生质体吸水膨胀，压迫细胞壁，引起细胞壁产生限原生质体膨胀的反作用力。压力势是由于细胞壁压力的存在而增加水势的值。压力势往往为正值。1.质壁初始分离时，压力势为0；2.质壁已经分离时，压力势不存在；3.在剧烈蒸腾但未发生质壁分离时，压力势可为负值，这是因为植物细胞壁的表面蒸发失水，原生质和液泡中的一部分水分就外移到细胞壁中去。但这时并不发生质壁分离。在强烈的蒸发环境中, 细胞壁内已经没有水分了，原生质体便与细胞壁紧密吸附而不分离。所以在原生质收缩时，就会拉着细胞壁一起向内收缩。由于细胞

13、壁的伸缩性有限，所以就会产生一个向外的反作用力，使原生质和液泡处于受张力的状态。这种张力相当于负的压力势，它增加了细胞的吸水力量，相当于降低了细胞的水势。 重力势由于重力因素而引起的水势升高值，一般为正值。由于水每上升1m，重力势仅增加0.01MPa，在细胞、组织水平上进行研究时，可忽略不计。 因此，对具有液泡的成熟细而言胞，其水势的高低决定于渗透势与压力势之和，渗透势始终为负值，压力势一般为正值，水势通常为负值。细胞含水量不同，细胞体积会发生变化，渗透势和压力势也会随之改变。从图中可以说明细胞水势、渗透势和压力势三者在不同细胞体积中的变化。 在细胞初始质壁分离时，细胞壁与原生质之间没有作用力，压力势为零，细胞的水势等于细胞的渗透势。 当细胞吸水体积增大时，细胞液稀释，渗透势增大，压力势增大，水势也增大。 当细胞吸水达到饱和时渗透势与压力势的绝对值相等水势为零，细胞不吸水。 蒸腾剧烈时，细胞虽然失水体积缩小，但并不产生质壁分离，压力势变为负值，水势低于渗透势。五、细胞间水分的移动 细胞在清水或溶液中水分是从水势高处流向水势低处。相邻两个细胞间水分的移动方向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流动。 如图中虽然细胞x渗透势低于细胞y，但两者的压力势不同，导致x细胞水