Гоу впо «сибирский государственный технологический. Физиология растений лекции

Гоу впо «сибирский государственный технологический

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра дендрологии

Л.Н. Сунцова

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

КУРС ЛЕКЦИЙ

для бакалавров направления подготовки 250100 «Лесное дело» и 250700 «Ландшафтная архитектура» очной формы обучения

Красноярск 2011

Сунцова, Л.Н. Физиология растений: Курс лекций по физиологии растений для бакалавров направления подготовки 250100 «Лесное дело» и 250700 «Ландшафтная архитектура» очной формы обучения / Л.Н. Сунцова – Красноярск: СибГТУ, 2011. – 116 с.

В пособии рассматриваются основные физиологические функции растительного организма, механизмы их регуляции в онтогенезе растения. В курсе лекций изложены основные разделы этой науки: строение и функции растительной клетки, органические вещества клетки, фотосинтез, дыхание, водный обмен, минеральное питание, рост и развитие, механизмы защиты и устойчивости у растений. Материал изложен в соответствие с программой курса физиологии растений для лесохозяйственного факультета.

 Л.Н.Сунцова

 ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», 2011

Содержание

Введение 4

Лекция 1. Предмет и задачи физиологии растений 6

Лекция 2. Структурные компоненты клетки и их физиологические функции 10

Лекция 3. Химический состав клетки 15

Лекция 4. Фотосинтез 30

Лекция 5. Дыхание 39

Лекция 6. Водный режим растений 46

Лекция 7. Основы почвенной микробиологии 54

Лекция 8. Минеральное питание растений 66

Лекция 9. Превращение органических веществ в растении 76

Лекция 10. Рост и развитие растений 81

Лекция 11. Устойчивость растений к неблагоприятным условиям среды 95

Заключение 113

Библиографический список 114

Приложение А Перечень ключевых слов 115

Введение

Физиология растений – это наука, изучающая процессы жизнедеятельности растений на молекулярном, клеточном, организменном уровнях. В круг интересов физиологии растений входят изучение процессов фотосинтеза, дыхания, минерального питания, преобразования и транспорта веществ, роста и развития, водообмена, адаптации, а также выяснение роли каждого из них в общем ходе онтогенеза целого растения. Кроме того, физиология растений изучает и надорганизменный уровень организации живого: биоценозы, посевы, насаждения. Рассмотрение жизнедеятельности растений во взаимодействии с окружающей средой и под влиянием антропогенного воздействия дало начало новому направлению в физиологии растений – экологической физиологии.

Одной из глобальных задач, стоящих перед физиологией растений сегодня, является разработка теоретических основ повышения продуктивности растительных организмов и рационального природопользования.

Актуальность и причины ведения дисциплины обусловлены тем, что с освещением достижений физиологии и биохимии растений в области внутренней организации физиологических процессов важно показать студенту-лесохозяйственнику современный уровень знаний об особенностях жизненных процессов у древесных растений. От специалиста лесного хозяйства требуются глубокие знания по оптимизации внешних условий; определяющих успешность роста растений. Современный лесовод должен знать, предел своих возможностей в регулировании условий окружающей среды с тем, чтобы не нарушить уравновешенности биологической системы под названием лес. Изучение физиологии растений является актуальным, что делает необходимым преподавание данного курса в цикле лесных дисциплин.

Роль и место курса в структуре учебного плана, определено в цикле обще профессиональных дисциплин. Курс «Физиологии растений» связан со многими дисциплинами лесной направленности: ботаника; дендрология; генетика; селекция; биофизика; биохимия; почвоведение; лесоводство; фитопатология и др.

Целью и задачами курса физиологии растений является профессиональная подготовка инженеров лесного и лесопаркового хозяйства в области познания механизмов жизненных процессов в зависимости от генетических свойств растений, особенности конкретного вида растений и его реакцию на условия внешней среды.

Структура курса предусматривает изучение физиологии растительной клетки, водного режима растений, фотосинтеза, дыхания растений, основы почвенной микробиологии, минерального питания, роста и развития растений, устойчивости растений к неблагоприятным условиям.

Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов при изучении дисциплины обусловлена тем, что освоение курса предполагает помимо посещения лекций и выполнения лабораторных работ, выполнение рефератов, по предлагаемым темам, а также темам, выбранным студентами; выполнением контрольных заданий, охватывающих курс физиологии растений.

Объем курса 140 часов, из них 36 часов лекций, 36 часов лабораторных занятий, 68 часов самостоятельная работа студентов; читается в 3 семестре; завершается экзаменом.

studfiles.net

Лекция 5. Физиология растений - курс лекций

Физиология растений Конспект лекций

Лекции по теме Физиология растений

ВВЕДЕНИЕ

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ – наука, которая изучает жизнедеятельность и функции растительного организма во взаимодействии с условиями окружающей среды.

Предметом физиологии растений – являются исследования общих закономерностей жизнедеятельности растений, как открытой энергетической системы, которая состоит из подсистем. Основной структурной единицей растительного организма есть клетка.

Объектом исследования физиологии являются клетки, ткани, органы и целые растения, которые выращивают в лабораториях или в полевых условиях, или в закрытом грунте.

МИКРОБИОЛОГИЯ изучает морфологию, систематику и физиологические особенности микроорганизмов, условия их жизнедеятельности, роль в природе и жизни человека (с греческого micros – маленький, bios - жизнь, logos – учение).

Микробиология исследует значение микроорганизмов в развитии патологических процессов, выработки иммунитета при инфекционных заболеваниях человека, животных, растений, проводит разработку эффективных методов профилактики и борьбы с вредными микробами – возбудителями болезней. Рассматривает вопросы использования полезных микроорганизмов в медицине, ветеринарии, кормопроизводстве и экологии.

Возникает необходимость глубокого анализа характера микробиологических процессов, которые проходят в почвах, занятых сельскохозяйственными культурами, умение оценить влияние агротехнических мероприятий на характер микрофлоры и деятельность микроорганизмов. В дальнейшем это позволит успешно управлять процессами повышения плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур.

ЗАДАЧИ ФИЗИОЛОГИИ:

1. Изучение физиологических и биохимических процессов растительного организма в онтогенезе (индивид. развитие), что обеспечивает улучшение технологии выращивания, хранения и переработки продукции.

2. Разработка новых методов эффективного использования воды растением. Экология водного режима и физиология растений в условиях орошения.

3. Усовершенствование теории минерального питания для эффективного использования минеральных удобрений и повышения продуктивности растений.

4. Дальнейшее изучение механизма фотосинтеза и усовершенствование методов, способствующих увеличению использования растениями солнечной энергии.

5. Исследование роста и развития растений и разработка методов, направленных на управление этими процессами.

6. Изучение физиологии формирования качества урожая, независимо от экологических условий выращивания растений.

7. Дальнейшее изучение устойчивости растений к неблагоприятным факторам природы и деятельности человека (вредные выбросы промышленности и транспорта).

ФУНКЦИИ ЗЕЛЕНЫХ РАСТЕНИЙ - питание, дыхание, рост, развитие, размножение.

ПИТАНИЕ – поглощение минеральных элементов (макро - и микро) растениями. Оно бывает: корневое – через корневую систему и внекорневое – через листовую поверхность. Это правильное применение минеральных удобрений для каждой культуры в ходе выращивания с учетом их особенностей.

ДЫХАНИЕ – совокупность распада органических веществ, которые накопились при фотосинтезе. Различают дыхание: анаэробное – без доступа кислорода, и аэробное – с доступом кислорода. Как человек может повлиять на этот процесс?

РОСТ - увеличение массы растений. Типы роста.

ВЕГЕТАЦИОННЫЙ ПЕРИОД - время, на протяжении которого растение растет. Однолетние или многолетние растения.

РАЗВИТИЕ – смена фенологических фаз в процессе онтогенеза. У зерновых выделено 7 фаз.

ОНТОГЕНЕЗ – индивидуальное развитие растений, комплекс последовательных необратимых изменений жизнедеятельности и структуры растений (от семени и до смерти).

РАЗМНОЖЕНИЕ – половое и бесполое. Вегетативное (часть клубня, корневища - хрен, не образует семян, хотя и цветет, усами- земляника)семенами – зерновые, овощные.

Во время изучения физиологии растений используют данные цитологии - учение о клетке, генетики, химии, морфологии, экологии.

МЕТОДЫ ФИЗИОЛОГИИ

Лабораторные и полевые исследования, а также культура тканей и клеток.

Они включают изучение физиолого-биохимических процессов клетки, водного обмена, дыхания, минерального питания растений, процессов синтеза, транспорта, превращение и накопление органических соединений, физиологических особенностей онтогенеза и стойкости растений к неблагоприятным факторам внешней среды, а также взаимодействия с другими организмами.

Исследования на клеточном и молекулярном уровнях проводят с помощью методов микроскопии, электронной микроскопии, газовой хроматографии, радиоактивных и стабильных изотопов.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ КАК НАУКИ

Вначале развивалась как составная часть ботаники. Как самостоятельная наука сформировалась в конце 17века. Истинный основатель – швейцарский ученый Ж. Сенебье. (1800г).

М. Мальпиги (итал)- 1675г. Р. Гук (1665г) – учение о микроскопическом строении растений.

Английский ученый Д. Пристли в 1771г.- выделение кислорода зелеными растениями, а то, что это протекает на свету, установил в 1779г. Голландец Я. Унгенхауз.

Сущность корневого питания была раскрыта немецким ученым Ю. Либихом в 1840г. Он сформулировал теорию минерального питания.

К. Тимирязев – фотосинтез, это биологический процесс превращения энергии солнца в химическую, создал оригинальную школу физиологии растений.

Быстрый рост науки в конце 18века позволил раскрыть сущность другого важного процесса в жизнедеятельности растительного организма – как дыхание. Швейцарский ученый Н. Соссюр в 1797г. Доказал принципиальную аналогичность этого процесса у животных и растений.

Химизм дыхания установлено следующими учеными – В. Палладин, Г. Кребс, С. Костычев.

Д. А.Сабинин установил закономерности роста и развития растений.

М. Максимов – изучал засухоустойчивость растений.

Д. Гродзинский – физиологию устойчивости растений к неблагоприятным условиям.

Ф. Мацков – внекорневое питание.

Современная агрономия – это синтез новейших достижений биологической и сельскохозяйственной науки и практик. Без понимания сущности микробиологических процессов почвы, умения анализировать роль микроорганизмов, которые отвечают за их происхождение, невозможна успешная деятельность будущих агрономов, а также усовершенствования современных технологий выращивания сельскохозяйственных культур.

ВЗАИМООТНОШЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ И РАСТЕНИЙ

Важное значение имеют микроорганизмы для жизни растительного мира.

В результате их жизнедеятельности обеспечиваются пригодными для усвоения организмами, минеральными и азотистыми соединениями.

Начиная от посева семян и заканчивая дозреванием растений и уборкой урожая, рост и преобразование растительного сырья на продукты питания и корма, происходит это все при помощи микроорганизмов почвы.

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Клетка – основная структурно-функциональная единица живой материи, которая находится в основе строения и развития всех организмов. В клетке происходят все жизненные процессы: питания, выделения, новообразование ее элементов, деление, реакция на раздражимость.

Клетка – это элементарная биологическая открытая система, которая способна к самовоспроизведению, саморегуляции и саморазвитию. Для прохождения этих процессов в клетке должны постоянно протекать обмен веществ и образовываться энергия.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ (МЕТАБОЛИЗМ) – обмен между организмами и средой (внешний обмен), а также транспортировка веществ в организм (внутренний обмен). Метаболизм характеризуется 2 взаимосвязанными процессами жизнедеятельности – анаболизмом и катаболизмом.

Анаболизм – это совокупность биохимических процессов, которые помогают усвоению питательных веществ и энергии, созданию тела клетки (фотосинтез).

Катаболизм – распад органических веществ, синтезированных при анаболизме, на более простые, необходимые для построения новых органических соединений и освобождения (выделения) определенного количества энергии (дыхание).

Единство этих 2 типов обмена и составляет основу жизни.

ОБЩАЯ МОРФОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Согласно современным представлениям, растительная клетка состоит из 3 основных частей – оболочки, протопласта и вакуоли. Клеточная оболочка относительно жесткая, сложная в химическом отношении и является продуктом деятельности протопласта. Протопласт – живая часть клетки, является коллоидным раствором с размещенными в нем структурными элементами (ядро, пластиды, митохондрии, Эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, рибосомы). Вакуоли – это неживые образования, заполненные растворами неорганических солей, поглощенных клеткой и органических веществ – продуктов метаболической деятельности клетки.

Морфологические отличия клеток обусловлены характером биологических процессов и типом обмена веществ. Если растительная клетка выращивается изолированно, то ее форма приближается к сферической, если в окружении других клеток, то может иметь форму многогранника. Клетки эмбриональных тканей и конуса нарастания очень маленьких размеров. У молодых клеток оболочка тонкая. Со временем, с увеличением объема клетки, количество протопласта постепенно увеличивается, в нем образуется много мелких вакуолей, которые постепенно сливаются в 1 большую и оболочка утолщается.

СТРОЕНИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ КОМПОНЕНТОВ КЛЕТКИ

Клеточная оболочка и ее функции. Оболочка клетки образуется из продуктов секреторной деятельности протопласта, которые постепенно наслаиваются в процессе развития клетки.

Между оболочками соседних клеток существует средняя пластинка, которую образуют вначале гелеподобные пектиновые вещества, но позже она дополняется целлюлозою и другими полисахаридами и приобретает жесткость. У древесных клеток оболочка насыщена лигнином.

Первичная оболочка клетки состоит из целлюлозных микрофибрил, погруженных в основное вещество – матрикс. Благодаря пространству между фибриллами клеточная стенка имеет достаточную гибкость.

Во время формирования клетки внешняя оболочка испытывает сильное давление сбоку протопласта, растягивается, и при этом к ней добавляется новый строительный материал – происходит ее рост и утолщение. Рост клеточной стенки возможен благодаря деятельности аппарата Гольджи.

Вещества матрикса и углеводные компоненты будущего целлюлозного каркаса переносятся к плазмалемме пузырьками диктиосом, где с помощью ферментов, связанных с мембраной клетки, происходит синтез и строение клеточной стенки. Как правило, в 2 оболочке выделяют 3 слоя – внешний, средний и внутренний. В этих слоях угол расположения целлюлозных микрофибрил разный, что обеспечивает твердость (плотность), незначительную пластичность оболочки и высокую прочность всей структуры.

У некоторых клеток, например, мезофилла, формирование клеточной оболочки заканчивается, как только клетка достигает своей максимальной величины. В других тканях в клетках, которые закончили свой рост, с внутреннего бока образуется вторичная клеточная оболочка с твердой структурой. Такое утолщение оболочки уменьшает объем протопласта. Со временем весь протопласт отмирает полностью, остаются только пустые цилиндры из клеточных оболочек, которые выполняют механическую функцию или функцию проводных тканей.

Вторичная клеточная оболочка пронизана многочисленными порами. Делянка оболочки с порами очень тонкая, состоит только из средней внутренней пластинки и первичной клеточной стенки.

В зрелых живых клетках поры представлены канальцами, это объединяет внутреннюю часть вторичной клеточной стенки и внешнюю часть первичной. Поры могут размещаться группами, образуя поровые поля, которые играют важную роль в пропуске воды, растворов минеральных и пластических веществ.

ПРОТОПЛАСТ – это коллоидная система. В живой клетке она находится в постоянном движении, благодаря которому обеспечивается оптимальное размещение органелл, лучшему протеканию биохимических реакций, удалению продуктов обмена из вакуоли и за границей клетки. Основу протопласта составляет цитоплазма.

Химический состав цитоплазмы (вода – 75-85%, белки и аминокислоты – 10-12%, углеводы – 4-6%, жиры и липиды – 2-3%, другие органические вещества – около 1%,минеральные вещества – 2-3%) благоприятствует образованию коллоидного раствора, который не смешивается с водой и веществами вакуолей.

Цитоплазме свойственна эластичность и довольно высокая плотность. Например, в клетках паренхимы коры бобов ее вязкость в 24 раза выше, чес у воды.

Вязкость цитоплазмы неоднородная. Периферическая часть ее, которая прилегает к оболочке, более вязкая и отделяется от нее поверхностной мембраной – плазмалеммой. От вакуоли цитоплазма отделена другой поверхностной мембраной – тонопластом. Между этими мембранами находится менее вязкий внутренний слой цитоплазмы – мезоплазма, которая является цитоплазматическим матриксом, который пронизан эндоплазматической сеткой (внутренней мембраной). В цитоплазматическом матриксе постоянно происходят процессы обмена веществ.

В структурной и функциональной организации цитоплазмы исключительно большое значение имеет вода. Свойства ее как растворителя и вещества, имеющее большое биологическое значение, определяются особенностями ее внутренне-молекулярной структуры (полярность молекулы). Эта полярность обусловлена несимметрическим электронов водорода и кислорода в молекуле и соответственно - неравномерным распределением позитивных и негативных зарядов.

Различают гидрофильные вещества, хорошо растворимые в воде вследствие способности молекул воды образовывать с молекулами водные связи и гидрофобные вещества, которые в воде практически не растворимы, потому что молекулы большинства из них не имеют полярности.

Вода является не только растворителем для растений питательных веществ, компонентом структуры цитоплазмы, но и средой, в которой происходят все биохимические реакции.

Центральным и важнейшим органом клетки является – ядро. Это неотъемлемая часть любой клетки. В нем заключена вся генетическая информация. Ядро имеет довольно сложную структуру. Форма его – шаровидная или овальная. Размер колеблется в широких пределах.

В ядре сосредоточена генетическая информация (хромосомы). Они переплетаются и образуют массу - хроматин. Кроме того, оно имеет 1 или несколько ядрышек. Пространство между ядерными структурами заполняет бесцветная жидкость – кариоплазма или нуклеоплазма.

Сверху ядро окружено мембраной пористой структуры, которая при помощи элементов ЭПС соединена с мембранами других клеточных структурных компонентов.

Ядро не только содержит генетическую информацию, но и передает ее цитоплазме (синтез информационной РНК) от клетки к клетке (деление ядра, деление клетки, размножение, наследственность). Среди белков ядра преобладают нуклеопротеиды. Структура ядра зависит от функционального состояния клетки.

В интерфазном ядре хромосомы имеют вид бесформенных скоплений хроматина, которые увеличились в объеме. Перед началом деления ядра каждая хромосома состоит из 2 хроматид, которые в анафазе делятся. Далее, в новой клетке хроматида удваивается и становится хромосомой с полным набором генетической информации.

ХРОМОСОМЫ или хроматин у эукариотов состоят из 4 видов молекул:

1. ДНК (примерно 35%)

2. РНК ( 12%)

3. Щелочного низкомолекулярного белка-гистона (40%)

4. Кислого негистонового белка, кроме ферментов (10%) и незначительного количества жиров, полисахаридов и ионов металлов.

ЯДРЫШКО – круглое образование высокой плотности, которое не имеет мембран. Оно состоит с более компактного, чем ядро материала, содержит рибонуклеиновую кислоту (15%) и белки (80%). В ядрышке содержатся в большом количестве субъединицы хромосом. Эти рибонуклеопротеидные гранулы вместе с рибонуклеопротеидными ниткообразными структурами (фибриллами) погружены в нуклеоплазму. В ядрышке синтезируются многочисленные рибосомные белки-гистоны, накапливается РНК перед выходом в цитоплазму. Также в ядрышке собираются другие типы РНК (транспортная РНК).

ПЛАСТИДЫ – продукты жизнедеятельности растительной клетки. Они образуются из пропластид – маленьких амебоподобных тел, которые берут начало от мельчайших частичек, которые отделяются от ядра и содержат нуклеоплазму. В растительных клетках содержится 3 типа пластид: лейкопласты (бесцветные), хлоропласты (зеленые) и хромопласты (оранжевые). Совокупность пластид принято называть «пластидом».

Пластиды всех 3 типов могут взаимно преобразовываться. Например, лейкопласты преобразовываются в хлоропласты при позеленении картофеля на свету, в темноте хлоропласты теряют зеленую окраску и превращаются в лейкопласты, при дегенерации хлоропластов и разложении хлорофилла преобразуются в хромопласты. (осенняя окраска листьев).

Хлоропласты имеют зеленую окраску, это обуславливается наличием в них хлорофилла.

МИТОХОНДРИИ содержатся в цитоплазме всех клеток эукариотов. В процессе полового размножения промитохондрии передаются потомству через яйцеклетку. Размножение митохондрий происходит путем поперечного деления, а также почкованием. Образовавшиеся дочерние органеллы – промитохондрии со временем преобразуются в зрелые митохондрии.

В состав митохондрий входят белки, жиры, витамины, рибосомы, РНК, ДНК, ферментативный комплекс.

Основной функцией митохондрий является обеспечение процессов жизнедеятельности клетки необходимой энергией путем преобразования энергии химических связей при окислении дыхательного субстрата в энергию макроэнергетических связей аденозинтрифосфорной кислоты АТФ). Митохондрии – энергетические станции. Образование АТФ происходит при ферментативном расщеплении углеводов, жирных кислот, аминокислот в процессе окислительного фосфорилирования. В них проходит биосинтез липидов и белков, которые принимают участие в общем процессе транспорта ионов в клетку.

Продолжительность жизни митохондрий нескольких суток. Митохондрия образована 2 мембранами - внешней и внутренней. Внешняя мембрана гладкая, пористая, содержит ферменты и белки, способна пропускать вещества с небольшой молекулярной массой, а также ионы. Внутренняя мембрана имеет сложное строение, образует многочисленные складки разной формы, которые называются кристами. Поверхность покрыта густо грибоподобными (элементарными) частичками, у которых присущи факторы, которые обеспечивают синтез ДНК.

Благодаря кристам внутреннее содержание митохондрий – матрикс - разделен на отделы. Митохондриальный матрикс представляет гелеобразное вещество, содержащее до 50% белков. В нем протекает (Цикл Кребса) и синтез липидов и белков.

РИБОСОМЫ – ультромикроскопические образования диаметром близко 0,2 мкм. Каждая клетка содержит тысячи рибосом. Общее их количество определяется интенсивностью синтеза белка в клетке. По химическому строению они являются нуклеопротеидами, которые состоят из высокомолекулярной рибосомальной РНК и молекулы структурного рибосомного белка. Они имеют свойство « считывать « информацию, которая содержится в звеньях матричной РНК в виде последовательно размещенных нуклеотидов, и реализовать ее в форме белковой молекулы с соответствующим размещением 20 аминокислот.

Они отвечают за синтез белка.

Они могут свободно размещаться в цитоплазме, образовывать полирибосомы, могут быть прикреплены к мембране эндоплазматического ретикулуму. Построены из больших и малых субъединиц, которые соединены между собой атомами магния.

Такая структурная организация обеспечивает возможность наилучшего пространственного размещения рибосомы, помогает найти необходимую ориентацию активным аминокислотам, которые берут участие в образовании пептидной цепочки (звена).

АППАРАТ ГОЛЬДЖИ (диктиосомы)

Аппарат Гольджи - комплекс больших и маленьких пустот « беспорядочного» типа, окруженных мембраной. Наиболее большим и типичным компонентом аппарата Гольджи являются диктиосомы – несколько больших уплотненных цистерн (мембранных дисков). Плоские мембранные цистерны имеют толщину около 15 мкм. Диаметр диктиосом – 0,2-1,5мкм. В промежутках между цистернами располагаются трубчатые образования (канальца).

От краев цистерн отшнуровываются пузырьки. Считают, что в цистернах диктиосом происходит синтез полисахаридов клеточной стенки, которые транспортируются в пузырьках к периферии клетки. Со временем пузырьки сливаются с плазматическими мембранами, а синтезированные соединения откладываются за протопластом.

Рядом с обычными пузырьками, которые имеют гладкую поверхность, на диктиосомах формируются пузырьки с шероховатой поверхностью, которые возможно содержат белки.

Функция аппарата Гольджи также состоит в образовании и выделении секреций (эфирные масла, камеди и др.). Секреторные продукты передвигаются через аппарат Гольджи к месту назначения. При прохождении через аппарат секреторные белки получают доработку (укорачивание боковых цепей олигосахаридов, присоединение фосфатных групп или жирных кислот, протеолитическое расщепление). Другой важной функцией аппарата Гольджи является сортировка ферментов и других соединений. Для осуществлений функций диктиосомы требуют энергии.

ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКИЙ РЕТИКУЛУМ

Эндоплазматический ретикулум (эндоплазматическая сеть) – это система мембран (каналов), которые пронизывают цитоплазму. Мембраны на одних участках суживаются, на других расширяются, образуя цистерны, плоские мешки или разветвленные трубки. ЭПС может быть гладким или гранулированным. На внешней поверхности гранулированного ретикулума размещены многочисленные маленькие органоиды – рибосомы. Гладкий ретикулум, который преобладает в растительных клетках, не несет на себе рибосомы. Эта система внутренних мембран начинается от внешней мембраны оболочки ядра и подходит к разным органоидам, связывая все части клетки.

Одновременно мембраны эндоплазматического ретикулума разделяют цитоплазму на многочисленные отделы, благодаря чему в каждом из таких отделов происходят полные процессы. Одновременно он выполняет функцию конвейера для многих ферментативных преобразований веществ и их перемещения по клетке. Кроме того, каналы ЭПС через плазмодесмы соединяются с ретикулумом соседних клеток.

ВАКУОЛИ, ЛИЗОСОМЫ, МИКРОТРУБОЧКИ

Вакуоль - расширенный отдел клетки, окруженный биологической мембраной – тонопластом. Она заполнена водным раствором солей, органических веществ, а также продуктами метаболизма клетки. В молодой клетке много мелких вакуолей, которые одновременно с ее ростом увеличиваются в объеме и со временем сливаются в одну центральную вакуолю, которая занимает иногда до 90% объема клетки. Содержимое вакуоли называется клеточным соком. Вакуоля играет решающую роль в регулировании водного режима, поддержании тургорного давления клетки. Тургор – натянутое состояние растительной оболочки, созданное гидростатическим давлением внутриклеточной жидкости.

Так как содержимое вакуоли значительно отличается от содержимого цитоплазмы, то можно сделать вывод, что проникаемость тонопласта отличается от проникаемости плазмалеммы.

У большинства растений РН клеточного сока колеблется в пределах 3,5-5,5, а РН цитоплазмы приближается к 7,0 Такая разница в концентрации ионов Н+ дает основание предположить существование в тонопласте гипотетических насосов, которые перекачивают ионы Н+ из цитоплазмы в вакуолю и содействуют (благоприятствуют) поддержанию РН цитоплазмы на постоянном уровне, что является очень важным для активности ферментов, которые в значительной степени определяют РН среды.

ЛИЗОСОМЫ – это маленькие сферические, окруженные мембраной тельца, в которых размещены другие ферменты или их группы. Пространственно они занимают центральное место в структурной организации клетки. Число этих телец (образований) определяется состоянием клетки, их биологическая функция - переваривание веществ, которые поступили в клетку.

Лизосома окружена мембраной и характеризуется хаотичностью внутренней структуры. В лизосомах сосредоточено около 50 ферментов, которые катализируют процессы распада : протеазы, которые гидролизируют белки, нуклеазы – распад нуклеиновых кислот, липазы – расщепление жиров. Наиболее активны эти ферменты в кислой среде.

Если лизосомы интактны, то их ферменты не могут вступать в контакт с веществами клетки. Любое повреждение клетки сопровождается нарушением целостности лизосом и соответственно освобождением ферментов. В результате всего этого, в клетке начинаются реакции, которые могут быть нежелательными для нее. Иногда реакции бывают полезными. Например, в ответ на проникновение в клетку вирусов, бактерий , грибов, могут образовываться метаболиты для уничтожения негативного влияния патогенов.

МИКРОТРУБОЧКИ – пустотелые, вытянутые протоплазматические частицы диаметром 18-30 нм и длинной несколько микронов, состоящие из фибриллярных нитей, основой которых является белок тубулин. Они не относятся к специализированным органеллам клеток, потому что функционируют только в соединении с цитоплазмой. Микротрубочки – это динамические структуры, которые регулярно рушатся и образуются снова на определенных этапах клеточного цикла.

В клетках, которые растягиваются и дифференцируются, микротрубочки, которые размещаются около внутренней поверхности плазматической мембраны, принимают участие в образовании клеточной оболочки, контролируя состав целлюлозных микрофибрил, которые откладываются цитоплазмой на клеточную оболочку. Микротрубочки направляют пупырышки диктиосом к оболочке, которая образуется. При делении клетки они составляют основу веретена деления и также принимают участие во внутриклеточном транспорте.

Микротрубочки выполняют в основном опорную и сократительную. Функции, обеспечивают циркуляцию цитоплазмы, принимают участие в морфогенезе клеток.

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ – ультратонкие структуры толщиной 5-10нм, созданные из белков (60%), фосфолипидов (40%) и небольшого количества углеводов. Они отделяют содержимое клетки, регулируют обмен между клетками и средой, образуют в середине клетки ряд компартментов, где протекают специальные метаболические процессы. Мембранами окружена цитоплазма, ядро, хлоропласты, аппарат Гольджи, рибосомы. Наиважнейшие биологические процессы (световые реакции фотосинтеза, окислительное фосфорилирование при дыхании) происходят непосредственно на мембранах.

Кроме названных функций, мембраны регулируют транспорт ионов и продуктов метаболизма.

Они имеют избирательное проникание, т. е. способность активно регулировать процесс проникновения веществ в клетку. Молекулы или ионы одних веществ проникают быстро, других – свободно, еще других – не проникают вообще.

Белки клеточной мембраны неоднородны по своему строению и выполняют разные функции. Некоторые являются носителями, которые транспортируют через мембрану к цитоплазме клетки или других органелл молекулы или ионы других веществ, другие являются ферментами, которые принимают участие в метаболических процессах, преобразование энергии, перенос электронов. Сложные белки-гликопротеиды содержат олигосахаридные цепи. Эти цепи являются своеобразными антеннами для опознавания внешних сигналов. Благодаря опознанию соседние клетки могут связываться одна с другой через определенные участки и образовывать ткани в процессе дифференциации.

Белки мембран выполняют ряд других важных функций. Предполагают, что у белков, которые насквозь пронизывают мембрану имеются гидрофильные каналы или поры. Через эти каналы могут проникать полярные молекулы веществ, которые не пропускает жировой слой мембраны. Химический состав жиров мембраны также неоднородный.

ВИТАМИНЫ, ЖИРЫ, УГЛЕВОДЫ

Среди других органических веществ, которые содержатся в растениях, витамины занимают особенное место. Витамины (от лат. Вита – жизнь) являются жизненно-важными для растительных и животных организмов соединениями. Они содержатся в очень малых количествах, но жизненно необходимы для нормального роста и поддержания важных биохимических процессов в организмах растений, животных и человека. Они выполняют каталитические функции, обеспечивают ход процессов обмена и преобразования энергии пластических веществ.

Витамины – компоненты разнообразных ферментных систем.

В зависимости от растворимости различают жирорастворимые и водорастворимые витамины. В группу водорастворимых витаминов входят:

1. Витамин С (аскорбиновая кислота), химическая формула – С6Н8О6- это кристаллическое вещество, имеет окислительно-восстановительные свойства, благодаря чему преобразовывается в дезоксиаскорбиновую кислоту при отщеплении 2 атомов Н+. В растениях она синтезируется из углеводов. Ее накопление зависит от условий выращивания. При выращивании растений в северных районах содержание аскорбиновой кислоты меньше, чем у растений южных зон выращивания. Одни и те же растения на легких почвах содержат больше аскорбиновой кислоты, чем на тяжелых. Увеличению количества витамина С способствуют фосфорные удобрения, а азотные, наоборот – снижению. Наибольшее содержание витамина С в плодах шиповника, ягодах черной смородины, лимонах, сладком перце.

Во время хранения плодов и овощей содержание ее снижается. Наибольшие потери витамина С – во время варки. Суточная норма потребления витамина С для человека составляет 50-100мг, недостаток – приводит к заболеванию – цинга.

2. Витамин В1 (тиамин) свое название получил благодаря наличию в нем атома серы. Это гетероциклическое соединение, молекула которой состоит из 2 компонентов - исходных пиримидину и тиазолу.

Он входит в состав фермента пируватдекарбоксилаза. Недостача его в организме приводит к нарушению углеводного обмена. Наибольшее его содержание – в наружных оболочках семян злаковых и бобовых культур.

Суточная норма – 2-3мг. Недостаток вызывает тяжелые нервные и сердечные заболевания.

3. Витамин В2 (рибофлавин, витамин роста) – по химическому составу это азотистое основание.

В соединении с фосфорной кислотой витамин В2 входит в состав флавиновых коферментов (ФАД, ФМН), которые принимают участие в окислении многих органических соединений, переноса Н+ от обновленных НАД-Н и НАДФ-Н на цитохромную систему. Недостаток этого витамина приводит к нарушению обмена веществ в организме. Суточная норма его – 2-4мг. Основным источником этого витамина являются зеленые овощи, мясные (печень, почки), молочные и рыбные продукты, дрожжи.

4. Витамин В3 (пантотеновая кислота) входит в состав кофермента А, который катализирует количественные реакции синтеза. Сам витамин В3 синтезируется только в растительном организме, поэтому его недостаток приводит к серьезным нарушениям обмена жиров и углеводов. Внешними признаками этих нарушений могут быть жесткость кожи, выпадение волос. Суточная норма – 10-20мг. Наиболее им богаты – дрожжи, некоторые мясные продукты, оболочки семян зерновых.

5. Витамин В6 (пиридоксин) является производным пиридина. Пиродоксин входит в состав активных групп ферментов, которые катализируют реакции трансаминирования, декарбоксилирования и др. преобразования аминокислот. Поэтому его недостаток вызывает нарушения белкового обмена у растений, животных и людей. Суточная потребность – 2-4мг.

6. Биотин (витамин Н). Биотиновые ферменты катализируют 2 типа реакций – декарбоксилирования (при участии АТФ) и транскарбоксилирования, которые имеют большое значение в синтезе высших жирных кислот, белков, нуклеиновых кислот. Его недостаток вызывает замедление роста, у человека повреждается кожа, волосяной покров. Суточная его норма для человека – 10мг. Содержится в картофеле, луке, томатах. Например, в 1л. Молока содержится до 50мг биотину.

7. Витамин РР (никотиновая кислота) является производным пиридина:

В растениях содержится в основном в виде кислоты, которая преобразуется в амид и принимает участие в синтезе наиважнейших окислительно-обновленных ферментов (дегидрогеназ) с активной группой никотинамидадениндинуклеотид (НАД) или НАДФ. Синтезируется она в растениях на свету. Ее недостаток нарушает обмен веществ При недостатке развивается пеллагра (хроническое заболевание кожи), нарушается психика. Суточная норма – 15-25мг. Наибольшее содержание никотиновой кислоты содержат – дрожжи, пшеничные зародыши, печень, почки животных.

8. Витамин В с (фолиевая кислота) впервые был выделен из листьев шпината. Принимает участие в биосинтезе нуклеотидов, реакция взаимных преобразований аминокислот, переносе формальдегидных, метильных и оксиметильных групп. Недостаток – заболевания крови (анемия, лейкопения).

В группу жирорастворимых витаминов входят:

1. Витамины группы А (ретинол). Известно 2 витамина группы – А1 и А2, соответственно ретинол и дегидроретинол, недостаток которых в организме человека вызывает заболевание глаз (ксерофтальмию). Эти витамины встречаются только в животном организме. У растений синтезируются провитамины А (каратиноиды), которые в организме животных преобразуются в витамин А. Провитамин А (каратиноиды) - группа желтых и красных пигментов, которые очень распространены в растительном мире. Каратиноиды содержатся практически во всех тканях и органах растений и выполняют разнообразные функции, принимают участие в процессах фотосинтеза, окислительно-восстановительных реакциях, процессах размножения. Наибольшее содержание каратиноидов – в листовых овощах, красной моркови, томатах, перце и фруктых. Суточная норма – 2 мг.

2. Витамин группы Д – полициклические соединения спиртового характера класса стеролов. Стеролы под действием света способны преобразовываться в витамины группы Д. Высокое содержание витамина Д в жире, печенке морских рыб. Для человека основным источником витамина Д в зимний период является – коровье молоко, яйца. В летний период, как правило, необходимое количество его образуется под действием солнечных лучей. Среднесуточная потребность – 0,02мг. Недостаток этого витамина приводит к нарушению солевого обмена и заболеванию рахитом.

3. Витамин Е (токоферол) - группа гетероциклических соединений. В растениях встречается часто, особенно в зародышах семян, очень чувствительный к ультрафиолетовому свету. В животных организмах витамин Е защищает от окисления ряда веществ. В растениях токоферолы принимают участие в окислительно-восстановительных реакциях. Потребность человека в витамине Е точно не установлена, но суточная норма – 10-50мг.

4. Витамин К очень распространен в растениях, особенно в надземных органах, так как на его биосинтез значительно влияет свет. Он принимает участие в реакции фотосинтеза. В организме животных витамин К обеспечивает свертывание крови.

УГЛЕВОДЫ

Углеводы – это наиболее наиважнейшие и наиболее распространенные органические соединения, которые образуются в процессе фотосинтеза, и являются основным дыхательным материалом, что обеспечивает организм необходимой энергией и промежуточными продуктами для поддержания процессов жизнедеятельности и биосинтеза других сложных соединений.

По химическому составу они подразделяются на 3 класса:

МОНОСАХАРИДЫ, или простые сахара, содержат от 3 до 7 атомов углерода, гидроксильную (-ОН) и альдегидную или кетоновую группы.

По количеству углеродных атомов моносахариды называют триозами, тетрозами, пентозами, гексозами. Представителями моносахаридов являются глицериновый альдегид, диоксиацетон, рибоза, седогептулоза, глюкоза, фруктоза. Они хорошо растворимы в воде и используются растениями для регуляции роста растений.

ОЛИГОСАХАРИДЫ являются небольшими полимерами, которые состоят из ЭН моносахаридных остатков. Дисахарид сахароза – наиболее распространенный олисахарид в растениях.

Пектиновые вещества – водорастворимые полисахариды, компоненты первичной клеточной оболочки.

ОСМОС – свободное проникновение растворителя в раствор, отделенный от него мембраной, способное к избирательному пропусканию разных молекул и ионов.

ТУРГОР – напряженное состояние клеточной оболочки, созданное гидростатическим давлением внутриклеточной жидкости.

ВСАСЫВАЮЩАЯ сила - разница между осмотическим и тургорным давлением.

ПЛАЗМОЛИЗ – уменьшение объема протопласта живой клетки, с отделением цитоплазмы от оболочки, которое происходит под действием концентрированных растворов.

ЦИТОРИЗ – наблюдается при значительном высыхании почвы или сильной транспирации (сдавливание всей клетки)

ДЕПЛАЗМОЛИЗ – возвращение клетки к нормальному состоянию во время появления воды.

po-teme.com.ua

Лекции по физиологии растений — лекция

ЛЕКЦИЯ 1

Тема: Введение. Предмет, задачи и объекты физиологии растений. Основные структурные элементы растительной клетки: клеточная оболочка, цитоплазма, вакуоль, ядро, пластиды, митохондрии, рибосомы, эндоплазматическая сеть, микротрубочки. Водный обмен растений. Значение воды в жизнедеятельности растений. Осмотическое давление. Потенциал воды. Плазмолиз. Деплазмолиз.

Цель лекции: Ввести в курс о предмете, задачах и объектах физиологии растений. Ознакомить с основными структурными элементами растительной клетки. Дать знания о водном обмене растений и значении воды в жизнедеятельности растений.

Физиология растений является одной из фундаментальных дисциплин, необходимых для познания живой природы. Физиология растений – наука о

функциях растительного организма. Целью преподавания физиологии растений является освещение современного состояния знаний об общих закономерностях жизнедеятельности растений, выявление взаимосвязи основных биологических процессов между собой, а также зависимости этих процессов от условий внешней среды. Растение – это фототрофный организм, ведущий прикрепленный образ жизни.

Основные функции растительного организма:

1. энергетика (процессы фотосинтеза и дыхания)

2. водный режим и минеральное питание

3. мембранный и дальний транспорт веществ

4. процессы роста, развития и размножения

5. раздражимость и проведение сигналов в клетке и тканях

6. механизмы устойчивости и адаптации к неблагоприятным факторам

ФР изучает как минимум 4 типа превращений: превращение веществ, превращение формы, превращение энергии, превращение информации.

Обмен веществом, энергией и информацией составляет основу деятельности любой саморегулирующейся системы, в том числе и растения.

Этапы развития физиологии растений. Физиология растений зародилась в XVII—XVIII веках в классических трудах итальянского биолога и врача М. Мальпиги. В XIX веке в рамках физиологии растений обособляются её основные разделы: фотосинтез, дыхание, водный режим, минеральное питание, транспорт веществ, рост и развитие, движение, раздражимость, устойчивость растений, эволюционная физиология растений.В первой половине XX века главным направлением развития физиологии растений становится изучение биохимических механизмов дыхания и фотосинтеза. Во второй половине XX века намечается тенденция объединения в единое целое биохимии и молекулярной биологии, биофизики и биологического моделирования, цитологии, анатомии и генетики растений. Среди учёных возрастает интерес к исследованиям на субклеточном и молекулярном уровнях.

Высшие растения являются многоклеточными организмами, состоящими из миллионорв клеток, выполняющих специализированные функции. Специфические особенности растительной клетки: наличие системы пластид, крупной центральной вакуоли, прочной полисахаридной клеточной стенки. Раст. клетка содержит три относительно автономные, но тесно связанные между собой генетические системы – ядерную, митохондриальную и пластидную. Для растительных клеток характерен особый тип роста- рост растяжением. .

“300 лет назад жил в г. Дельфте, что в Голландии шлифовальщик стекол Антон Левенгук. Через свои стекла он рассматривал окружающий его мир. Взяв застоявшуюся воду из бочки, он увидел в ней движущиеся организмы. Левенгук очень удивился и назвал их ничтожнейшими зверушками. Позднее ученые дали им название простейшие. Заслуга Левенгука перед наукой велика: во-первых, он открыл не видимых невооружённым глазом животных. И, во-вторых, он сделал микроскоп орудием изучением природы”.

Основные структурные элементы растительной клетки. Дать определение: клеточная оболочка, цитоплазма, вакуоль, ядро, пластиды, митохондрии, рибосомы, эндоплазматическая сеть, микротрубочки. Основные функции структурных элементов растительных клеток. Пластиды — органоиды, присущие только растительным клеткам. Обычно это крупные тельца, хорошо видимые под световым микроскопом.Различают 3 типа пластид: бесцветные — лейкопласты, зеленые — хлоропласты, окрашенные в другие цвета — хромопласты. Пластиды каждого типа имеют свое строение и несут свои, им присущие функции. Хлоропласты — пластиды высших растений, в которых идет процесс фотосинтеза, т. е. использование энергии световых лучей для образования из неорганических веществ Митохондрии — мелкие тельца округлой или продолговатой формы, размером 0,5 — 1,5 мкм, т. е. величиной с бактерию. Митохондрии — это образования, построенные из липопротеиновых мембран, погруженных в основное вещество — матрикс. Оболочка митохондрии образована двумя мембранами, между которыми имеется промежуток.Внутренняя из мембран оболочки дает многочисленные впячивания внутрь, это кристы. Между ними находится матрикс. Эндоплазматический ретикулум — органоид цитоплазмы, в котором происходит синтез очень многих веществ. Различают агранулярный (гладкий) и гранулярный эндоплазматический ретикулум. На наружной поверхности каналов гранулярного ретикулума располагаются рибосомы. Агранулярный эндоплазматический ретикулум не несет рибосом. Аппарат (или комплексом) Гольджи или диктиосома - органелла состоящая из пачки плоских округлых цистерн, каждая из которых ограничена элементраной мембраной. Основная функция секреция веществ, синтезированных в клетке в наружную среду, либо во внутриклеточную вакуоль. Лизосомы — довольно мелкие (около 0,5 мкм в диаметре) округлые тельца. Содержимое лизосом — ферменты, переваривающие белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды. Вакуоль В типичной растительной клетке имеется крупная вакуоль, наполненная жидким содержимым. Часто вакуоль занимает почти весь объем клетки, так что цитоплазма составляет лишь тонкий слой, прилегающий к клеточной оболочке. У молодых клеток бывает несколько мелких вакуолей, которые по мере развития клетки разрастаются и сливаются в одну. Содержимое вакуоли — клеточный сок. Оболочка вакуоли – тонопласт. Клетки растений, в отличии от клеток животных, окружены плотной, механически прочной полисахаридной оболочкой называемой клеточной стенкой.

Водный обмен растений.

Вода является основной составной частью растительных организмов. Ее содержание составляет от 80 до 95 % от массы растущих тканей. Функции воды. Свободная вода легко передвигается, вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации и замерзает при низких температурах. Под связанной подразумевают содержащуюся в гетерогенных системах воду, которая не является растворителем и имеет ограниченную подвижность.

Осмосом называют процесс диффузии воды в раствор, отделенный полунепроницаемой мембраной, которая пропускает молекулы растворителя, но не растворенных веществ. Когда вода диффундирует в раствор, отделенный от неё полупроницаенмой мембраной возникает давление, называемое осмотическим.

Когда растение испытывает недостаток влаги водный потенциал клеточной стенки ниже, чем внутри клетки. Плазмолиз – это потеря тургора клетками в гипертонической среде. Различают колпачковый плазмолиз, который вызывается одновалентными ионами, и вогнутый, или судорожный, - многовалентными ионами. Деплазмолиз – процесс исчезновения плазмолиза и возвращение клетки в состояние тургора. Деплазмолиз наблюдается при всасывании воды плпзмолизированной клеткой.Движение воды из почвы по растению обусловливается тремя силами: корневым давлением, сосущей силой листьев и силой сцепления частиц воды.

Транспирация происходит и летом, и зимой; опадение листьев осенью — это приспособительная особенность растений для уменьшения транспирации, так как зимой подача воды корнями из замерзшей почвы сильно затруднена. Ветер усиливает транспирацию. Различают устьичную и кутикулярную транспирацию. Первая раз в 20 интенсивнее, чем вторая. Количество воды, необходимое растению для создания 1 г сухого вещества, называется транспирационным коэффициентом. Другой единицей сравнения растений в этом отношении будет продуктивность транспирации — количество граммов сухого вещества, образующегося при испарении 1 л (1000 г) воды. Чаще всего она равна 3—5 г.

Относительная транспирация — отношение воды, испаряемой листом, к воде, испаряемой со свободной водной поверхности той же площади за один и тот же промежуток времени.

Вопросы для самоконтроля.

Предмет и задачи физиологии растений.
Объекты физиологии растений
Назовите и охарактеризуйте основные структурные элементы растительной клетки .
Назовите основные отличия растительной клетки от животной.
Что такое транспирация, от чего она зависит?
Что называют транспирационным коэффициентом? Чему он примерно равен?
Чем обусловливается транспирация?
Что такое осмос, осмотическое давление?
Каковы физиологический механизм, лежащий в основе тургорного натяжения, и роль тургора в жизни растения?

10. Регуляция водообмена и продуктивность растений.

ЛЕКЦИЯ 2

единица. Реакционные центры. Фото-системы 1 и 2. Фотофосфорилирование. Значение фотосинтеза и его масштабы на Земле. Строение листа как органа фотосинтеза. Хлоропласты, их ультраструктура, химический фотосинтеза является основой питания всех живых существ, а также снабжает человечество топливом, волокнами и бесчисленными полезными химическими соединениями. Из диоксида углерода, связанных из воздуха в ходе фотосинтеза, и воды образуется около 90–95% сухого веса урожая. Остальные 5–10% приходятся на минеральные соли и азот, полученные из почвы. Человек использует около 7% продуктов фотосинтеза в пищу, в качестве корма для животных и в виде топлива и строительных материалов.

Общее уравнение фотосинтеза 6CO2 + 6h3O = C6h22O6 + 6O2

У наземных растений специальным органом фотосинтетической деятельности служит лист, где локализованы специализированные структуры клетки - хлоропласты, содержащие пигменты и другие компоненты, необходимые для процессов поглощения и преобразования энергии света в химический потенциал. Объяснить строение листа Строение листа. Основным органом фотосинтеза у высших растений является лист. Особенности строения этого органа позволяют осуществлять процесс поглощения солнечной энергии, преобразовывать ее в энергию органических соединений и обеспечивать автотрофный тип питания, который характерен для растительного организма. В зависимости от способа фиксации углекислого газа существуют определенные различия в структурной организации листовой пластинки. Большинство культурных растений средних широт имеют анатомическое строение, позволяющее осуществлять фиксацию углекислого газа за счет химических реакций цикла Кальвина (С3-путь).

Строения листа у растений, имеющих С3-путь фиксации углекислого газа

Эпидермис состоит из живых клеток различной формы, не способных к ассимиляции углекислого газа, защищает лист от неблагоприятных факторов внешней среды, регулирует поток квантов света. Мезофилл листа состоит из клеток двух типов, которые образуют столбчатую (полисадную) и губчатую паренхиму.

Функции тканей листа в процессе фотосинтеза

Н2О + СО2 --> Н2СО3

Н2СО3 --> Н+ + НСО3- ;

ион НСО3- является резервом углекислого газа и обеспечивает его приток в клетки мезофилла листа.

Для ряда растений, осуществляющих процесс фиксации углекислого газа путем Хэтча-Слэка (С4-путь), характерно особое анатомическое строение листа.

У С4-растений проводящие пучки окружены двойным слоем клеток – ײкранц-анатомияײ (от немецкого - корона, венец). Первый слой - клетки обкладки сосудистого пучка содержат крупные (часто без гран) хлоропласты. В хлоропластах функционируют ферменты цикла Кальвина-Бенсона, этот слой обеспечивает накопление крахмала.

Второй слой - клетки мезофилла листа, содержат хлоропласты обычного вида. Этот вид хлоропластов активно осуществляет процесс световой фазы фотосинтеза и фиксацию углекислого газа с помощью ФЕП-карбоксилазы, создает высокое соотношение СО2/О2.

Основными ф/с элементами клеток растений являются хлоропласты. Хлоропласты имеют наиболее высокую степень организации внутренних мембранных структур по сравнению с другими органоидами клетки

referat911.ru

Физиология растений - конспекты лекций

Конспект	Пути повышения продуктивности фотосинтеза.
Конспект	Лист как орган фотосинтеза.
Конспект	Развитие растений (типы онтогенеза, этапы онтогенеза, особенности периода эвокации, особенности фазы покоя).
Конспект	Формы воды в почве и их доступность для растений.
Конспект	Клетка как целостная живая система.
Конспект	Кинетика ферментативного катализа.
Конспект	Молекулярная физика и термодинамика. Лекция №1 Молекулярно-кинетическая теория
Конспект	Ферменты - это белки, выполняющие функция катализатора при прохождении в клетке биохимических реакций.
Конспект	Регулирование дыхания сельскохозяйственных продуктов при хранении.
Конспект	Цикл Кребса.
Конспект	Усвоение растением фотосинтетически активной радиации.
Конспект	Пластиды (хлоропласты, хромопласты), хлорофиллы, каротиноиды.
Конспект	Фотодыхание.
Конспект	Теория старения и омоложения растений Кренке.
Конспект	Передвижение органических веществ в растении.
Конспект	Приспособление растений к температурному фактору.
Конспект	Поступление воды в растение. Двигатели водяного потока.
Конспект	Приспособление растений к повышенному уровню засоления.
Конспект	Приспособление растений к уровню кислотности почвы.
Конспект	Тема: Фотосинтез.
Конспект	Роль минерального питания в формировании урожая и регулировании роста и развития растений.
Конспект	Роль зеленых растений в природе.
Конспект	Магниевое голодание.
Конспект	СН3СООН ® СН3СОСН2СООН ® СН3СН2СН2СООН
Конспект	С-4 путь фотосинтеза.
Конспект	Гликолиз.
Конспект	Особенности поглощения растениями элементов из почвенного раствора.
Конспект	Общая характеристика дыхания.
Конспект	Корень как орган поглощения минеральных элементов.
Конспект	Световая фаза фотосинтеза.

2dip.su

Лекция. Физиология растений - фитогормоны

Лекция. Физиология растений - фитогормоныскачать (303.7 kb.)

Доступные файлы (6):

содержание

(1) фитогормоны.docx

Реклама MarketGid: Фитогормоны — низкомолекулярные органические вещества, вырабатываемые растениями и имеющие регуляторные функции. Гормоны в органах - ауксинами богаче всего верхушечные меристемы стебля, гиббереллинами и флоригеном — листья, цитокининами — корни и созревающие семена. Фитогормоны регулируют многие процессы жизнедеятельности растений: прорастание семян, рост, дифференциацию тканей и органов, цветение, созревание плодов и т. п. Химические соединения, которые вырабатываются в одних частях растений и оказывают своё действие в других, проявляют свой эффект в исключительно малых концентрациях, обладают (в отличие от ферментов) обычно меньшей специфичностью действия на процессы роста и развития, что объясняется разным состоянием работы генов воспринимающих клеток, от которого зависит результат действия гормона, а также разным соотношением между собой различных фитогормонов (гормональным балансом). Эффект фитогормонов в значительной мере определяется действием других внутренних и внешних факторов. Гормоны разных растений могут отличаться по химической структуре, поэтому они сгруппированы на основании их эффекта на физиологию растений и общему химическому строению. В этой связи к ним часто применяется термин — природные регуляторы роста. Гормоны играют ведущую роль в адаптации растений к условиям среды. Извест

ны следующие пять групп фитогормонов: ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота, газ этилен. В последнее время к ним относят брассины (брассиностероиды). Условно можно отнести первые три группы—ауксины, гиб

береллины и цитокинины и частично брассины — к веществам стимулирующе

го характера, тогда как абсцизовую кислоту и этилен — к ингибиторам.

Экспериментальное исследование фитогормонов началось задолго до того, как был предложен сам термин «гормоны» (У. М. Бейлисс и Э. Г. Старлинг, 1905). В 1880 Ч. Дарвин в книге «О способности растений к движению» описал опыты по изучению изгибания проростков злака по направлению к свету. Было установлено, что свет воспринимается только самой верхушкой колеоптиля, тогда как изгиб происходит в нижележащей зоне, которая сама по себе нечувствительна к свету. Объектом опытов были маленькие проростки злака канареечной травы и их реакция на одностороннее действие света. Чтобы выяснить, какая часть растения реагирует на свет, Дарвин разделил проростки на три группы. В первой группе он покрыл верхушки проростков колпачка из листового олова, во второй - засыпал нижнюю часть проростков влажным песком, а третью группу растений ученый оставил непокрытой - для контроля. Затем Дарвин расположил все проростки возле окна так, чтобы свет падал па них только с одной стороны. На следующий день полностью непокрытые проростки и проростки с непокрытыми верхушками сильно изогнулись по направлению к свету. А растения с покрытыми верхушками продолжали расти прямо. Выяснилось также, что после удаления 3-4 миллиметров верхушки проростки не реагируют на свет. Ч. Дарвин писал: "Результаты заставляют, по-видимому, предполагать наличие в верхней части какого-то вещества, на которое действует свет и которое передает его действие в нижнюю часть". Дальнейшие исследования обнаруженного феномена привели в 1931-34 годах к открытию и установлению химической структуры основного ауксина растений — индолилуксусной кислоты (ИУК) (Ф. Кегль, К. В. Тиманн). Однако гораздо раньше была определена химическая природа другого фитогормона: еще в 1901 в своих опытах на проростках гороха в Санкт-Петербургском университете Д. Н. Нелюбов показал, что газ этилен в чрезвычайно низких концентрациях нарушает нормальный рост растений. К 1930 был установлен широкий спектр влияний этилена на растения. В 1934 Р. Гейном (США) было окончательно доказано, что этилен синтезируется самим растением и регулирует многие важные физиологические реакции, т. е. отвечает всем критериям фитогормона. В середине 1930-х годов учеными из Токийского универ. (Т. Ябута и др.) из паразитического гриба Gibberella, поражение которым вызывало чрезмерное вытягивание проростков риса, были выделены первые гиббереллины; структура одного из них (гибберелловой кислоты) была полностью расшифрована английским ученым Б. Кроссом в 1954. Вскоре гиббереллины были обнаружены и в составе растений. В 1955 Ф. Скугом и др. из автоклавированного препарата ДНК спермы сельди был выделен и охарактеризован фактор, сильно стимулирующий деление растительных клеток в культуре, названный кинетином. В 1963 австралийский ученый Д. Лейтем выделил природный аналог кинетина из незрелых зерновок кукурузы (Zea), названный им зеатином. Впоследствии были найдены другие аналоги кинетина со сходной физиологической активностью, получившие общее название цитокинины. Открытием абсцизинов и их главного представителя — абсцизовой кислоты — завершилось длительное исследование природных ингибиторов роста растений (Ф. Уоринг и др.). Структура абсцизовой кислоты была предсказана К. Окумой, Ф. Эддикоттом и др. и подтверждена прямым синтезом английским ученым Дж. Корнфорт в 1965. В России теория фитогормонов получила сильную поддержку в 1936-37 гг. благодаря работам М. Х. Чайлахяна и выдвинутой им концепции гормона флоригена, вызывающего зацветание растений. Колеоптиль - это полый цилиндр, подобно футляру заключающий нежнейшие молодые листья проростка. П. Бойсен-Йенсен установил, что если отрезать верхушку колеоптиля, а затем снова насадить ее так, чтобы между верхушкой и отрезанной частью поместилась бы прослойка из желатина или агара, то при освещении получатся такие же изгибы, как у нормальных колеоптилей. Следовательно, фототропическое раздражение передается через прослойку агара или желатина. Значит, верхушка проростка поставляет некое химическое вещество, и его перемещение определяет изгиб колеоптиля

при одностороннем освещении. Академии ^ , повторяя и модифицируя опыты Ч. Дарвина, предположил, что при геотропических изгибах важно наличие верхушки корня. В ней тоже образуется гормон, который перемещается от верхушки в нижележащую зону корня. Н. Г. Холодный и почти одновременно с ним голландский ученый Ф. Вент в 1928 году дали объяснение изгибам проростков и корней. Они создали независимо друг от друга гормональную теорию тропизма и роста растений. Суть ее в следующем: под влиянием одностороннего освещения гормон смещается на затененную сторону проростка. Повышение его концентрации вызывает усиление роста, и проросток изгибается по направлению к свету.

С именем доктора Ф. Вента связан оригинальный метод определения основного гормона роста - ауксина. Ученый обнаружил его в мизерном количестве в верхушках колеоптилей овса. Срезанная верхушка, положенная на агар, способна отдавать ему находящийся в ней гормон. Крошечный кубик из такого агара со стороной всего 2 миллиметра и расположенный на колеоптиле с отрезанной верхушкой только не прямо, а смещенный в сторону вызывает через час рост и искривление колеоптиля овса. По углу искривления судят о концентрации гормона. Чем больше угол, тем больше концентрация гормона. Простой, на первый взгляд, метод Ф. Вента, однако, до сих пор является самым специфическим способом обнаружения гормона роста. Из-за трудоемкости и технических трудностей он редко применяется в лабораториях, хотя по своей чувствительности к ауксинам "проба на овес" превосходит многие сложные современные методы.

химикам-органикам формула самого важного гормона - ауксина, а именно: β-индолил-3-уксусной кислоты - известна давно:

В 1928 г. Н.Г. Холодный и Ф. Вент выдвинули гормональную теорию тропизмов, которая в дальнейшем была подтверждена многочисленными эксперимен

тами. Согласно этой теории, при нормальном освещении и вертикальном поло

жении проростка ток гормона (ауксина), вырабатываемого в верхушке органа, распределяется равномерно. Следствием этого является равномерный рост. При одностороннем освещении либо при горизонтальном положении ауксин рас

пределяется неравномерно, результатом чего является неравномерный рост и изгиб органа. Так, в случае одностороннего освещения стебля ауксин кон

центрируется на затененной стороне, благодаря чему она растет быстрее, и сте

бель изгибается в сторону света.

^ в основных чертах и даже во многих молекулярных «деталях» сходен с механизмом действия гормонов животных, хотя значительно менее изучен. Чувствительные клетки воспринимают гормон благодаря специфическим рецепторам, расположенным главным образом на плазматической мембране. После взаимодействия с гормоном рецепторы меняют свою конформацию (пространственную форму) и тем или иным способом передают сигнал внутрь клетки. Как и у животных, передатчиками сигнала (вторичными посредниками) у растений могут служить каскады протеинкиназ/протеинфосфатаз, фосфоинозит, диацилглицерин, фосфатидные и жирные кислоты, кальций, циклические нуклеотиды, оксид азота, перекись водорода. Гормональный сигнал, проходя по определенному пути вплоть до эффекторных структур, обычно усиливается во много раз. Конечной мишенью фитогормонов в клетке являются гены, причем, в зависимости от типа фитогормона и типа ткани, активируется или репрессируется тот или иной набор чувствительных (компетентных) генов. При воздействии фитогормонов на гены-мишени происходит образование или, наоборот, исчезновение соответствующих ферментов. Хотя компетентные гены составляют малую долю от общего количества активных генов, изменения их активности обычно достаточно для включения или выключения метаболической программы, контролируемой фитогормоном.

В связи с важным и многообразным действием на рост и морфогенез растений, фитогормоны и их аналоги активно исследуются и применяются в биотехнологии и сельском хозяйстве. Фитогормоны (ауксины и цитокинины) необходимы для выращивания клеточных и каллусных линий в стерильной культуре и при получении трансгенных растений. Ауксины и их аналоги часто используют для предотвращения предуборочного опадения плодов, а также для укоренения черенков при вегетативном размножении растений. Этилен-продуценты (вещества, при разложении которых в тканях растения образуется этилен) применяют для ускорения созревания плодов и облегчения их уборки, а также для дефолиации хлопчатника, усиления истечения латекса у деревьев гевеи и многих других целей. Действие многих ретардантов (веществ, тормозящих рост растений в высоту), широко используемых для предотвращения полегания злаков, основано на подавлении синтеза эндогенных гиббереллинов в растении. С другой стороны, обработка гиббереллинами индуцирует зацветание многих растений, а также позволяет резко увеличивать урожай бессемянного винограда. В последние годы получены трансгенные формы культурных растений с измененным метаболизмом фитогормонов. Большую известность получили долгохранящиеся формы томатов с подавленным биосинтезом этилена. Работы по созданию растений с направленными изменениями систем гормональной регуляции имеют огромные перспективы для получения новых форм полезных растений.

Скачать файл (303.7 kb.)

gendocs.ru

Физиология растений

Курс лекций по "Физиологии растений"

Содержание

Лекции 1-4

Лекция 5

Лекция 6-9

Лекция 10-12

Лекции 1-4

Тема " Введение в предмет и задачи физиологии растений.

Ознакомление со структурой курса".

Рекомендуемая литература:

1. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений. Под ред. Третьякова, М. 2000 г.

Лебедев С.И. Физиология растений. М. Агропромиздат, 1988.

Гэлстон А., Дэвис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. М., Мир, 1983.

Физиология растений - наука, являющаяся фундаментом для всех остальных прикладных наук в растениеводстве, так как именно знания о сути происходящих в растении процессов позволяют агроному управлять развитием культур, получать максимальные урожаи с учетом условий выращивания растений. Для разработки оптимальных режимов полива, удобрения, сроков посева, посадки, уборки и т.д. необходимы знания о биохимических и физиологических процессах, протекающих в растении.

Физиология растений теснейшим образом связана с генетикой, селекцией, экологией, иммунитетом, агрохимией, агротехникой растений, всеми прикладными науками, такими как овощеводство, растениеводство, плодоводство.

Основные физиологические функции растения - питание, дыхание, рост, развитие, размножение - по сути своей процессы превращения веществ и энергии внутри растительного организма.

Основные направления в современной физиологии растений следующие:

Биохимическое - выявление химической природы механизмов физиологических функций (дыхания, фотосинтеза, питания, биосинтеза органических веществ),

Биофизическое - разработка вопросов энергетики клетки, физико-химических закономерностей физиологических функций,

Онтогенетическое - исследование возрастных закономерностей развития растений,

Эволюционное - исследование филогенеза видов растений, изучение взаимодействия генотипа растения и влияния окружающей среды,

Экологическое - раскрытие зависимости внутренних процессов в растении от условий внешней среды и обоснование оптимальных технологических условий возделывания растений.

Основными методами, использующими в физиологии растений являются:

лабораторно-аналитический,

полевой,

меченых атомов,

электронной микроскопии,

электрофоретический,

хроматографический.

Историческое развитие физиологии растений - на самостоятельное изучение.

В курсе физиологии растений будут изучены такие основные разделы, как:

Строение органических веществ.

Строение клетки.

Водный обмен в растении.

Фотосинтез.

Дыхание.

Минеральное питание.

Взаимопревращение органических веществ в растении.

Рост и развитие растений.

Устойчивость растений к факторам окружающей среды.

Раздел 1. "Строение органических веществ в растительной клетке".

Дополнительная литература к разделу:

Кретович В.Л. Основы биохимии растений. М., Высшая школа, 1971

Вопросы к разделу.

Химический состав клетки. Вода и минеральные вещества в клетке.

Строение, классификация и функции углеводов.

Строение, классификация и функции липидов.

Строение и классификация аминокислот.

Строение, классификация и функции витаминов.

Строение, классификация и функции белков.

Строение и классификация ферментов.

Кинетика ферментативного катализа.

Строение, классификация и функции нуклеиновых кислот.

Химический состав клетки. Вода и минеральные вещества в клетке.

В растительной клетке содержится по массе 85% воды, 1,5% неорганических веществ, 10% белков, 1,1% нуклеиновых кислот, 2% липидов, 0,4% углеводов.

Однако вода в клетке в силу своих молекулярных особенностей находится на 95% в связанном состоянии (пояснить структуру диполя воды). Поэтому структура клетки представляет собой сложную коллоидную систему с особыми свойствами, содержащую разнообразные биологически активные молекулы.

Вода в клетке находится как в связанном состоянии, так и в свободном (в особой органелле - вакуоли). Как универсальный растворитель вода определяет образование биологических коллоидов, сложных молекул, растворяет простые углеводы, переносит минеральные и простые органические вещества от клетки к клетке.

Неорганические вещества, составляющие в клетке незначительную долю, представлены в основном ионами (катионами водорода, калия, натрия, кальция, аммония и анионами гидроксила, сульфата, карбоната, нитрата, хлора). Основная роль ионов - участие в биохимических процессов в качестве составных элементов ферментов, вхождение в структуру биологических молекул. Определенный запас неорганических ионов всегда находится в вакуоли в растворенном состоянии и используется клеткой по мере необходимости. Кроме того, неорганические ионы определяют электрический потенциал клетки и участвуют в передаче импульсов возбуждения от клетки к клетке.

Из неорганических веществ растительные клетки (а также, как известно из курса микробиологии, клетки микробов, ведущие фотосинтез и хемосинтез) способны синтезировать органические вещества, которые и определяют накопление биомассы в природы, являясь базовым звеном во всех биоценозах.

Органические вещества растительной клетки относятся к четырем основным группам:

углеводам,

липидам,

белкам,

нуклеиновым кислотам.

Строение, классификация и функции углеводов.

Углеводы или, как их часто называют, сахара являются первыми синтезируемыми в процессах фотосинтеза или хемосинтеза органическими веществами, а затем в процессе биохимических превращений участвуют в создании других органических веществ.

Химический состав - это углерод, водород, кислород. Пространственная структура определяется сложностью молекулы.

Классифицируются углеводы на 3 группы:

моносахариды или монозы, иногда их называют - простые сахара.

олигосахариды,

полисахариды или полиозы.

Моносахара - это простые молекулы с числом атомов углерода от 2 до 7. В соответствии с этим она называются: биозы, триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы. Первые три - имеют линейную структуру молекул, последние - циклическую. Наиболее известный представитель моноз - глюкоза. Монозы легко растворяются в воде, легко вступают в биохимические реакции. Общая формула моноз (СН2О) п.

Олигосахара - это относительно простые молекулы, состоящие всего из 2-3 молекул моноз. Они не имеют собственной классификации, названия молекул - тривиальны. Наиболее известный представитель олигосахаридов - сахароза. Олигосахариды легко растворяются в воде, участвуют в реакциях синтеза более сложных сахаров.

Полисахариды - это биополимеры, т.е. сложные молекулы, состоящие из большого количества простых сахаров. Процесс синтеза этих молекул достаточно сложен и будет нами изучен в седьмом разделе курса. Пространственная структура полисахаридов сложна, эти молекулы нерастворимы в воде. Наиболее известные представители полисахаридов - крахмал, гликоген, клетчатка или гемицеллюлоза, пектины.

Функции углеводов:

энергетическая,

строительная,

запасающая.

Строение, классификация и функции липидов.

Липиды представляют собой достаточно сложные по химической структуре вещества. В их состав также входят углерод, кислород, водород, но в отдельные группы липидов могут входить и фосфор, и сера, и азот (фосфатиды, пигменты). Все липиды гидрофобны, т.е. не растворяются в воде. Функции у липидов различны в зависимости от химического строения. Липиды не являются биополимерами.

Липиды классифицируются на 5 больших групп по признаку функции и сложности строения:

Жиры,

Воска,

Фосфатиды,

Пигменты (хлорофиллы и каротиноиды),

Стероиды.

Жиры - наиболее легко синтезируемая группа липидов. С химической точки зрения - это эфиры жирных кислот и глицерина (дать формулу на доске).

Поскольку жирные кислоты бывают насыщенные и ненасыщенные, то они определяют структуру жира. Поэтому в обыденной практике твердые жиры (включающие насыщенные жирные кислоты) называют жирами, а жидкие жиры с ненасыщенными жирными кислотами - маслами.

Твердые жиры - в основном животного происхождения, и маслы - растительного, хотя есть и исключения из правила (рыбий жир и арахисовое масло).

Насыщенность жира ненасыщенными жирными кислотами определяют по йодному числу (т.е. по количеству граммов йода, связывающегося 100 г жира).

Основные функции жиров - энергетическая, строительная и запасающая.

Воска - это жироподобные вещества, твердые при комнатной температуре. По химической структуре - это сложные эфиры между жирными кислотами и высокомолекулярными одноатомными спиртами жирного ряда.

Основная функция восков - защитная.

Фосфатиды, к которым относятся глицерофосфатиды, лецитины и кефалины - это молекулы сложных эфиров глицерина, жирных кислот и фосфорной кислоты. Эти вещества входят в состав запасных жиров и предохраняют их от прогоркания.

Основная функция фосфатидов - запасающая.

Пигменты - это особая группа липидов, имеющая сложное строение, куда входят и азотистые радикалы. Подробно строение пигментов будет изучено в разделе о фотосинтезе. К пигментам относят две группы веществ - хлорофиллы и каротиноиды.

Основная функция пигментов - участие в энергетической (световой) фазе фотосинтеза.

Стероиды - это производные сложного гетероциклического соединения - циклопентанпергидрофенантрена. Дать формулу. В эту группу соединений входят высокомолекулярные спирты (стеролы) и их сложные эфиры (стериды) Наиболее известный стероид - эргостерол, из которого в промышленности получают витамин Д.

Основная функция стероидов - строительная (участвуют в составе мембран).

Строение и классификация аминокислот.

Аминокислоты - это мономеры белков, то есть составные компоненты биополимеро, к которым относятся белки.

В состав аминокислот входят углерод, водород, кислород, азот и сера. Общая форму аминокислот - дать формулу.

В природе имеется всего 20 аминокислот, из которых затем в живых организмах синтезируется огромное количество белков.

Все аминокислоты классифицируются на 4 группы:

моноаминомонокарбоновые (глицин, аланин, цистеин, метионин, валин),

моноаминодикарбоновые (аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота),

диаминомонокарбоновые (лизин, аргинин),

гетероциклические (триптофан, гистидин).

www.coolreferat.com

Сведения об образовательной организации

Полезные ссылки

Безопасность

Противодействие коррупции

Доступная среда

Карта сайта

НСОКО

Гоу впо «сибирский государственный технологический. Физиология растений лекции