植物水分关系测定

植物水分关系测定法《高级植物生理实验技术》（理论部分之一）几种常用水分指标的测定

植物组织含水量的测定

植物组织中自由水和束缚水含量的测定

植物组织渗透势的测定

植物组织水势的测定

植物细胞压力势的测定第一节植物组织含水量测定测定原理：水分遇热蒸发，可用加热烘干的方法测定。表示指标：鲜重％＝((FW–DW)/FW)×100％干重％＝((FW–DW)/DW)×100％相对含水量％=(FW-DW)/(SW-DW)×100％式中：FW—鲜重；DW—干重；

SW—水饱和鲜重（植物材料吸水饱和后的重量）

一、植物组织含水量的测定

测定方法：取下的植物材料立即称重得鲜重（freshweight,FW）；将植物材料放入水中，吸水饱和后称重得饱和鲜重（saturatedweight,SW）；将植物材料用105℃5～10分钟杀死，80℃烘干，称重，得干重（dryweight,DW）。1-RWC（％）=水分饱和亏（%）二、植物组织中自由水和束缚水含量的测定

基本原理：

植物组织中的水分是由自由水与束缚水两部分组成的。束缚水不易蒸发和结冰，不能作为溶剂，也不易被夺取。所以，当植物组织被浸入较浓的糖溶液中脱水时，一定时间后,未被夺取的水分即为束缚水，而被夺取的水分作为自由水。自由水的量可根据糖溶液浓度的降低量来计算。

束缚水含量％＝组织含水量％－组织自由水含量％

第二节植物组织水势的测定测定方法液相平衡法,如小液流法和称重法

气相平衡法,如露点法、蒸气压渗透压计法

压力平衡法，如压力室法一、液相平衡法测定水势的基本原理

（如小液流法和称重法）

当植物组织与外液接触时，如果植物组织的水势低于外液的渗透势（溶质势），组织吸水，重量增大而使外液浓度变大；反之，则组织失水，重量减小而外液浓度变小；若两者相等，则水分交换保持动态平衡，组织重量及外液浓度保持不变。将植物组织浸在不同浓度（渗透势）的溶液中，达到水分平衡后，根据组织重量和外液浓度的变化情况，即可确定与植物组织等水势的溶液浓度。然后根据公式计算出溶液的渗透势，即为植物组织的水势。溶液渗透势的计算：ψS=-iCRT式中：ψS—溶液的渗透势，以MPa为单位；

R—气体常数，为0.008314MPa·L·mol-1·K-1；

T—绝对温度。即273+t℃；

C—溶液的质量摩尔浓度，以mol·kg–1·H2O为单位，用m表示；

i－为溶液的等渗系数，如CaCl2可用2.6。

iC称为渗摩尔浓度，指溶液中各种颗粒浓度之和。二、压力室法测定植物组织水势（后面详细讲测定技术）

植物叶片通过蒸腾作用不断地向周围环境散失水分，产生蒸腾拉力。导管中的水分由于“内聚力”的作用而形成连续的水柱。因此，对于蒸腾着的植物，其导管中的水柱由于蒸腾拉力的作用，承受着一定的张力或负压，使水分连贯地向上运输。当叶片或枝条被切断时，木质部中的液流由于张力解除迅速缩回木质部。将叶片装入压力室钢筒，叶柄切口朝外，逐渐加压，直到导管中的液流恰好在切口处显露时，所施加的压力正好抵偿了完整植株导管中的原始负压。这时所施加的压力值（通常称为“平衡压”）将叶片中的水势提高到相当于开放大气中的导管中液体渗透势ψs（sap）的水平。由于通过导管汁液的渗透势常接近于零（活性溶质含量很低），因此，有下式成立：基本原理式中：

P:平衡压（正值）；

ψw:叶片或枝条的水势（负值）；

ψs:木质部汁液的渗透势。P+ψw=ψs≈0→ψw=-P基本原理（续）WebFigure3.5.C

Thepressurechambermethodformeasuringplantwaterpotential.Thediagramatleftshowsashootsealedintoachamber,whichmaybepressurizedwithcompressedgas.Thediagramsatrightshowthestateofthewatercolumnswithinthexylematthreepointsintime:(A)Thexylemisuncutandunderanegativepressure,ortension.(B)Theshootiscut,causingthewatertopullbackintothetissue,awayfromthecutsurface,inresponsetothetensioninthexylem.(C)Thechamberispressurized,bringingthexylemsapbacktothecutsurface.第三节细胞压力势的测定

利用微气压计（micromanometer）技术，美国宾夕法尼亚大学的PaulGreen首先发明了一种直接检测植物细胞膨压的技术。

用一个充满空气的玻璃管，一端密封，插入到细胞中。细胞中的高压(膨压)压缩玻璃管中截留的空气。根据体积的变化，通过理想气体常数，可以很容易计算细胞的压力（压力×体积＝常数）。

这种方法适用于体积较大的细胞，如绿藻的巨型细胞。对于小的细胞，细胞汁液从细胞流向玻璃管后足以使细胞收缩，从而造成人为的压力降低。WebFigure3.5.E

Useofthemicromanometer,apressureprobe,tomeasurecellturgorpressure.Nitellacells(whichareparticularlylarge—about100mmindiameterandmanycentimeterslong)wereusedforthesemeasurements.压力探针法(Pressureprobe)测定细胞的压力势

对于高等植物，细胞的体积比绿藻要小几个数量级，德国的ErnestSteudle发明一种更加实用的装置——压力探针。这种装置比微型注射器小。用一根玻璃毛细管拉成很小的一个尖端，插入一个细胞。毛细管中充满硅油，它是一种相对非压缩的液体，这种液体在显微镜下很容易与细胞液分辨开来。WebFigure3.5.F

Diagramofthesimplestpressureprobe(nottoscale).TheprimaryadvantageofthismethodovertheoneshowninWebFigure3.5.Eisthatcellvolumeisminimallydisturbed.Minimaldisturbanceisofgreatimportanceforthetinycellsthataretypicalofhigherplants,inwhichlossofevenafewpicoliters(10–12L)offluidcansubstantiallyreduceturgorpressure.压力探针法(Pressureprobe)测定细胞的压力势

当玻璃毛细管的尖端插入到细胞中时，细胞汁液开始流向毛细管，因为开始时毛细管中为低压，在显微镜下可以观察到这一现象。通过推动活塞施加一种压力，使细胞汁液返回细胞，来阻止这一现象。通过这种方式，油与细胞汁液的分界线可以退回到毛细管的尖端。当边界退回到毛细管尖端，并且保持稳定后，细胞的原始体积恢复，细胞内部的压力正好平衡毛细管的压力。

这种压力通过压力检测探头检测，这样直接测定单个细胞的静水压力。

这种方法可以用于检测各种植物的离体和连体组织的压力势以及多种水分参数。这一方法的限制因素是：（1）一些细胞太小不容易检测。（2）另外，一些细胞在毛细管穿刺后发生渗漏，还有的发生毛细管尖端的阻塞，影响正常测定。（3）但是，关键的技术问题的气穴现象限制负压力势的测定。

这种压力探针还可以测定木质部的压力势正值或者负值。压力探针法测定细胞的压力势第四节植物组织渗透势的测定测定方法质壁分离法测定基态渗透势冰点降低法测定渗透势蒸汽压渗透压计测定水势与渗透势露点微伏压计测定组织水势与渗透势植物组织渗透势的测定溶液依数性平衡法（一）质壁分离法测定细胞基态渗透势基本原理：

将植物组织放入一系列不同浓度的蔗糖溶液中，经过一段时间，植物细胞与蔗糖溶液间将达到渗透平衡状态。如果在某一溶液中细胞脱水达到平衡时，刚好处于临界质壁分离状态，则细胞的压力势ψp下降为零。此时细胞液的渗透势ψs等于外液的渗透势ψs0，即ψs=ψs0，此溶液称为该组织的等渗溶液，其浓度称为该组织的等渗浓度。因此，只要测出植物组织的等渗浓度，即可计算出细胞液的渗透势ψs。（一）质壁分离法测定细胞基态渗透势基本原理（续）：

实际测定时，由于临界质壁分离状态难以在显微镜下直接观察到，故通常以初始质壁分离作为判断等渗浓度的标准。处于初始质壁分离状态的细胞体积比吸水饱和时略小，故细胞液浓缩，而渗透势略低于吸水饱和时的渗透势，此种状态下的渗透势称基态渗透势。溶液的依数性（colligativeproperties）

溶液的依数性（colligative）是指这种特性依赖于溶解在溶液中的粒子数量，而与各种溶质的性质无关。例如，由于溶质的存在，使溶液的蒸汽压、冰点和露点降低，而沸点提高。溶液越浓，这种变化越大。这些特性与溶质的特异性无关。如：一个小金属离子与一个大糖分子的依数性相同。冰点是溶液的依数性之一，随着溶质的浓度增加冰点降低。例如，浓度（iC）为1mol/Kg的溶液，其冰点为-1.86℃，而纯水的冰点为0℃。

1.86为水的摩尔冰点下降常数。（二）冰点下降法测定组织汁液渗透势（二）冰点下降法测定组织汁液渗透势基本原理：

根据拉乌尔冰点下降原理，任何溶液，如果其单位体积中溶解的溶质颗粒（分子和离子）总数目相同时，则引起溶液冰点下降的数值也相同。1mol的任何非电解质溶解于1000g水中，则使水的冰点由0℃下降至–1.857℃；而1mol的电解质溶于1000g水中，其冰点下降值为离解离子与未离解的总物质的量(mol)乘以1.857。因此，欲求某一溶液的溶质颗粒浓度（iC），可先测其冰点下降值，然后按式算出：OS=Δt/1.857.式中：

OS—1000g水中所溶解的溶质颗粒数目，即质量渗（透）摩尔浓度（iC）；

Δt—冰点下降值（℃）；

1.857—水的摩尔冰点下降常数。（二）冰点下降法测定组织汁液渗透势基本原理（续）：

溶液的冰点下降值可用冰点渗透压计测定。该仪器以高灵敏度感温元件测量冰点，并转换为渗透摩尔浓度单位（OSmol＝iC）输出。冰点是指溶液的固态和液态处于平衡状态下的温度。但是，通常水溶液从液态向固态冷却变化的过程中，温度虽已达到甚至低于冰点,而不发生结冰的现象，这称之为“过冷现象”。处于过冷状态下的液体极不稳定，任一扰动便可“触发”其立刻结晶而变为固态，释放出“晶化热”，这种热量会使过冷的溶液在冰晶形成瞬间产生温度回升现象。（二）冰点下降法测定组织汁液渗透势基本原理（续）：上述过程，可用“结冰曲线”来描述（二）冰点下降法测定组织汁液渗透势基本原理（续）：

从结冰曲线可以看出，过冷的溶液在结冰释热后，有一段温度平稳的时间，这段较平稳的温度即为溶液的冰点。

冰点渗透压计可以测量冰点温度，并将冰点下降值换算成溶液的渗透摩尔浓度单位（iC）输出。OS=Δt/1.857

然后，根据公式（ψs=–iCRT）便可计算出溶液(细胞汁液)的渗透势。三、露点法测定植物组织水势和渗透势（气相平衡法测定水势）基本原理：

将植物组织或者汁液密闭在体积很小的样品室内，经过一定时间后，样品室内的空气和植物样品将达到温度和水分的动态平衡状态。此时，气体的水势（以蒸汽压表示，蒸汽压与水势有定量关系）与叶片的水势（或者组织汁液的渗透势）相等。因此，只要测定出样品室内的水蒸气压降低值，便可以知道植物组织的水势（或者汁液的渗透势）。由于空气的蒸汽压与其露点温度具有严格的定量关系，仪器便可以通过测定样品室内的露点温度而得知其蒸汽压。

测定时，首先给热电偶施加一个反向电流，使样品室内的热电偶结点降温（Peltier效应），当结点温度降至露点温度以下时，将有少量水凝结在结点表面，此时切断反向电流，记录热电偶结点温度变化（根据热电偶的输出电位）。开始时，结点温度因热交换平衡而很快上升；随后，因表面水分蒸发带走热量，而使温度保持在露点温度，呈现短时间的恒稳状态；待结点表面水分蒸发完毕后，温度将再次上升，直到恢复原来的温度平衡。记录恒稳状态的温度（露点），便可将其换算成待测样品的水势或者渗透势。露点微伏压计测定露点温度的工作原理：WebFigure3.5.A

Diagramillustratingtheuseofisopiesticpsychrometrytomeasurethewaterpotentialofaplanttissue.

基本原理：

当植物组织放在空气中，并与气相达成动态水分交换平衡时，组织的水势与气体的水势相等，气相水势与空气相对湿度（或者相对水蒸汽压）的关系如下：

式中：R为气体常数，T为绝对温度，VW是水的偏摩尔体积，P是系统的实际蒸汽压，P0是纯水的蒸汽压。

将植物组织（或者细胞液）放在密闭小室中，平衡后，测定密闭系统中的RH，根据公式即可计算组织的水势。ψW=lnaw=ln=lnRHRTVWRTVWpp0四、蒸汽压渗透压计测定组织水势和渗透势RTVW四、蒸汽压渗透压计测定组织水势和渗透势（续）

蒸汽压方法的最大优点是它不需要改变样品的物理状态。随之而来的优点还有：1、样品用量少（10μl体积）；2、任何生物液体均可进行常规测定，如血液、血清、血浆、尿、汗以及复杂的组织样品等；3、样品的物理特性，如粘度、粒子质量、非匀相状态等，在冰点下降法测定过程中都会引起早冻现象，但这些因素对蒸汽压渗透压计不会造成影响4、由于仪器的机械复杂程度小，测定具有很好的可靠性。注:仪器采用标准的国际单位：mmol/kg第五节渗透势与水势测定在逆境生理学中的应用

（一）渗透调节能力的测定

在干旱、盐渍、寒冷等条件下，植物细胞内部主动积累一些小分子物质，从而降低细胞液的渗透势，降低水势，增强吸水能力，保持膨压和气孔开放，维持光合作用。这种现象叫做渗透调节作用。积累的物质叫做渗透调节物质，主要有可溶性糖、游离氨基酸、K+、脯氨酸、甜菜碱等。研究发现，抗旱（抗冷、抗盐）性不同的植物品种的渗透调节能力有差异，植物渗透调节能力的高低是鉴定植物抗旱性强弱的重要指标。渗透调节能力强的植物或者品种抗旱性强。（一）渗透调节能力的测定（续）

测定细胞渗透调节能力的方法常用水饱和渗透势法。进行水饱和的目的，是为了消除在干旱过程中细胞体积变小造成的细胞液浓度升高。榨取汁液之前首先对干旱与正常条件下的细胞进行水分饱和，然后榨取汁液，分别测定细胞液的饱和渗透势，按下式计算渗透调节能力（osmoticadjustment,OA）：OA=ψ100S(T)-ψ100S(CK)

取细胞液时需要将细胞膜冰冻破损，然后榨取汁液。操作过程中，保证细胞液浓度不发生改变，是保证数据准确性的关键。组织表面水分的存在是影响测定结果的关键因素。！！！（二）压力室P-V技术的应用

用压力室测定组织水势，以每次施加的压力为纵坐标，以相应的体积为横坐标，制作的曲线即压力－容积曲线（P-V曲线）。通过P-V曲线可以求得多种水分参数，利用这些参数可以推断植物的水分关系状况。这种技术称为P-V技术。1.P-V曲线的基本原理（续）

具有大液泡的植物组织的水势可用下式表示：ψW=ψS+ψP。当植物组织因失水而发生萎蔫时，细胞的膨压消失（ψP=0），这时细胞的水势等于渗透势（ψW=ψS）。

测定P-V曲线时，首先将植物材料进行水饱和，称鲜重（SW），以后在逐渐增大平衡压力的过程中，将植物材料中的水分逐渐压出来，并将水分称重（FW＝SW－水重量）。这种情况类似于水饱和的植物组织因失水而转向萎蔫状态（压力势消失），直至严重脱水状态。当溶液中物质颗粒数目（Ns）不发生变化时。体积与渗透势之间的关系：

ψS1V1＝ψS2V2

实验证明，从木质部压出的植物汁液几乎都是纯净的水。这表明植物细胞膜的半透性并未因加压而受损，细胞中的溶质也没有随水分的外渗而损失.1.P-V曲线的基本原理（续）?1.P-V曲线的基本原理（续）

根据Van’tHoff定律，溶液的渗透势与溶解一定量溶质的体积成反比。ψS＝－iCRTiC

=

Ns（1/V）ψS＝－RTNs（1/V）（1）式中：ψS

－溶液的渗透势

V－溶液体积

T－绝对温度

Ns－溶质的渗摩尔数，操作适当时应保持不变。1.P-V曲线的基本原理（续）每次加压过程中Ns不变。由（1）式得：ψSV＝－RTNs（2）由于R、T、Ns均为常数，三者的乘积也为常数，用K表示，这样公式可以变为:ψS=K•(1/V)于是有：ψS1V1＝ψS2

V2

（3）

在水势测定中，每次加压测出的压力值等于水势的绝对值，即ψW＝-P，当膨压消失后，ψP＝0，所以，ψW＝ψS＝K•（1/V）（4）可见，当植物组织发生萎蔫时，ψW与1/V的关系为直线关系。1.P-V曲线的基本原理（续）

实际应用中，V常用相对含水量（RWC）来表示。充分饱和时RWC＝1，这样，以RWC-1（=1/V）为横坐标，ψW为纵坐标作图，在膨压消失后，ψW与RWC-1是一条直线。

在膨压未消失前（ψP>0），随着RWC的降低，ψW急剧降低，ψW与RWC-1不符合上述直线关系，因为ψW=ψS+ψP，故：ψS＝ψW－ψP＝K•（1/V）（5）

ψW＝＝K•（1/V）＋ψP

（6）1.P-V曲线的基本原理（续）

由于ψP不是常数，它随着RWC的增大急剧增大，因此，ψW