Similar presentations:
Основы физиологии растений
1.
Основыфизиологии растений
доцент В.И. Ошмарина
2.
Физиология растений – биологическая наука,изучающая процессы жизнедеятельности и
функции растительного организма: питание,
дыхание, рост, развитие и размножение на
разных уровнях организации
(биоценотическом, организменном, органном,
клеточном, субклеточном, молекулярном и
даже субмолекулярном).
3.
Метаболизм растений(обмен веществ и энергии в организме
и с окружающей средой)
Метаболизм – это две неразрывно связанных
между собой и внешней средой стороны обменных
процессов: ассимиляция (совокупность процессов
биосинтеза сложных молекул) и диссимиляция
(совокупность процессов расщепления с
высвобождением энергии). Это необходимое условие
поддержания жизни организма, источник его роста,
развития и функционирования.
Пример ассимиляции – синтез углеводов в процессе
фотосинтеза.
Пример диссимиляции – распад сложных молекул в
процессе дыхания.
4.
Дыхание растений5.
Органические вещества, образованные впроцессе фотосинтеза, заключают в себе энергию
в виде химических связей. При разрыве этих
связей энергия выделяется в свободном виде и
может быть использована для любой
биологической работы.
Расщепление органических веществ до бедных
энергией веществ - углекислого газа и воды
(диссимиляция) осуществляется в процессе
дыхания, при этом потребляется кислород, а
выделенная энергия аккумулируется в виде
молекул АТФ.
В физиологии растений есть понятие «внешнее и
внутреннее дыхание».
6.
7.
Внутреннее дыхание – это совокупностьферментативных окислительных процессов.
Внутреннее дыхание осуществляется ступенчато,
начинается в цитоплазме, а заканчивается в
митохондриях.
Расщепление макромолекул происходит после их
гидролиза: полисахариды моносахара,
жиры глицерин и жирные кислоты,
белки аминокислоты.
Химизм дыхания рассмотрим на примере
универсального дыхательного субстрата – углеводов.
Реакции окисления при дыхании осуществляются
следующими путями:
= отщеплением водорода от окисляемого субстрата
= присоединением О2 к окисляемому субстрату
= отдачей электронов
8.
Процесс внутренннего дыханиясостоит из 2-х основных этапов:
1 этап, начальный – гликолиз ( анаэробный,
безкислородный). Происходит в цитоплазме,
является универсальным, т.к наблюдается в
клетках растений, животных и микроорганизмов.
Начало гликолиза – активирование сахаров
(глюкоза и др. углеводы), т.е превращение их в
фосфорные эфиры. Источником фосфатных групп
и энергии служит АТФ.
Гликолитический распад 1 молекулы сахарозы
(6 углеродное соединение) включает по меньшей
мере 11 ферментативных реакций. Конечными
продуктами гликолиза этой молекулы являются
2 молекулы 3-х углеродного соединения пировиноградной кислоты (пирувата С3),
2 молекулы АТФ и 2Н2, связанных с НАД (НАД-Н2).
9.
Пируват в зависимости от обеспеченности клеткикислородом может подвергаться превращениям
двумя путями: по типу дыхания и по типу брожения.
Пируват + О2 аэробный процесс или дыхание.
Пируват - О2 анаэробное расщенление по типу
брожения.
2 этап аэробный или дыхание происходит в
митохондриях, на их внутренних мембранах.
10.
На этом этапе пируват (С3)подвергается окислительному
декарбоксилированию с
образованием уксусной кислоты
(С2), а затем происходит ее
«активирование» путем
соединения с коферментом КоА. В виде «активированной»
уксусной кислоты (ацетил-КоА)
пируват вступает в цикл Кребса
(лимоннокислый цикл). В нем
пируват ступенчато окисляется
до СО2. Это окисление проходит
с образованием ди- и
трикарбоновых кислот.
11.
Кислород в цикле Кребса прямо не участвует,окисление осуществляется путем отнятия Н2.
Освобождающиеся Н2 поступают в дыхательную
цепь.
Дыхательная цепь – это ряд переносчиков, по которой
спускаются диссоциированные Н2, отдавая
постепенно энергию окисляемого вещества
кислороду с образованием воды.
В 3-х точках дыхательной цепи окисление сопряжено
с фосфорилированием (образованием АТФ) и
называется окислительным фосфорилированием.
При действии дыхательных ядов, а также при
нарушении структуры митохондриальных мембран
происходит разобщение окисления и
фосфорилирования. Окислительные реакции идут, а
энергия не аккумулируется в АТФ, она рассеивается в
виде тепла, т.е клетка работает в холостую.
12.
Схема окислительных процессов придыхании
13.
Суммарная реакция дыхания:С6Н12О6 + 6 О2 → 6 СО2 + 6 Н2О + 38 АТФ
Баланс энергии:
2868 кдж (С6Н12О6) → 1596 кдж (АТФ)
100%
→
55%
Клетка сберегает 55% энергии, 45%
рассеивается в виде тепла и приводит к
увеличению скорости биохимических реакций,
выделяется в окружающую среду. Для сравнения КПД двигателя внутреннего сгорания лишь 35%.
14.
Рассмотрим случай, когда в клетке дефицит О2.В этом случае образованная в результате гликолиза
пировиноградная кислота подвергается расщеплению
без участия О2. Этот процесс получил название
анаэробного дыхания.
Л. Пастер первым доказал, что высшие растения
не прекращают выделение СО2 и после того, как
попадают в среду, лишенную О2.. Дыхание идет за
счет связанного кислорода и называется
интрамолекулярным.
Дыхание в этих случаях сопровождается накоплением
спирта, в некоторых случаях может образовываться
молочная, масляная, уксусная кислоты.
15.
Такие же реакции лежат в основе спиртового,молочнокислого, масляного, уксусного брожений,
осуществляемых соответствующими
микроорганзмами. Однако, при анаэробном
дыхании эти реакции идут без участия
микроорганизмов и называются «расщепление
по типу брожения».
Если анаэробное дыхание длительно и в
значительной степени преобладает над
аэробным, происходит гибель организма.
Причина – низкая энергетическая
эффективность процессов ( 2 молекулы АТФ на
1 молекулу глюкозы). Конечные продукты
обладают большим запасом энергии (например
спирт), чем вода в аэробном дыхании. Кроме этого
- токсичность конечных продуктов.
16.
Влияние внешних факторов на дыхание= с повышением температуры увеличивается
интенсивность дыхания, но до определенного
предела. После 40`С активность ферментов
падает.
= влажность как среда для биохимических
процессов находится в прямой корреляции с
интенсивностью дыхания.
= газовый состав: О2 повышает, СО2 снижает
интенсивность дыхания.
17.
Способы управления дыханием призаготовке и сушке растительного сырья
Сушка ЛРС – процесс, направленный на удаление
влаги и подавление дыхания, которое
продолжается даже в срезанных растениях, при
этом идет распад ценных фармакологически
активных веществ.
Зависимость процесса дыхания от t - одна из
основ подбора температурных условий сушки.
Т = 35-40С считается оптимальной для сушки
эфиромасличного сырья, при такой t существенно
тормозится интенсивность дыхания, уходит влага,
не улетучиваются эфирные масла.
Т= 50-60С полностью подавляет дыхание, т.к
инактивируется активность ферментов
окислительного процесса. Эта t для большинства
лекарственных растений рекомендуется при
искусственной сушке сырья.
18.
Как уже говорилось, в процессе дыхания частьэнергии (45%) выделяется в виде тепла, поэтому при
естественной воздушной сушке сырья непременным
условием является – «тонкий слой». Чем толще
слой сырья, тем выше температура, тем активнее
ферменты окислительных процессов.
То же следует сказать и о хранении лекарственного
сырья. При повышении влажности помимо
появления плесени, следует учитывать и
активирование дыхательных ферментов (особенно,
если речь идет о семенах, клубнях, плодах).
19.
Минеральное питание растенийЭто процесс поглощения растениями основных
химических элементов из окружающей среды,
их транспорт и усвоение
20.
Минеральные вещества – необходимая составнаячасть растения, хотя и составляет лишь 5% сухого
веса (зола).
В метаболизме растительного организма участвуют
более 70 элементов таблицы Менделеева. Однако не
все они обладают биологической активностью,
биогенами являются лишь 40 из них.
21.
22.
Другая классификация основана на биохимическойи физиологической функциях этих элементов:
1. Основные компоненты органических
веществ – О, Н, С, N, Р, S
2. Элементы, участвующие в осмотической
регуляции К, Са, Mn, Mg, Cl
3. Элементы – активаторы ферментов:
Mn, Mg, Cl, Fe, Cu, Zn, Mo
4. Элементы, токсичные в предельных
концентрациях: Se, Br, I, F, Аl, Ni, Pb, Cd
23.
Значимость элементов минерального питанияфизиологи определяют, выращивая растения в
водной культуре на питательной смеси, лишенной
того или иного элемента.
Таким способом установлено, что при отсутствии
Са не развиваются корни, недостаток Fe и Mg –
разрушение хлоропластов, отсутствие
микроэлементов – деформация плодов,
возникновение ряда заболеваний.
Что касается органогенов О, Н, С, N, Р, S, то их
роль определена в самом названии – формируют
органы, ткани, клетки и органеллы. Входят в состав
белков, нуклеиновых кислот, липидов, сахаров.
Каждый элемент строго необходим растению и
не может быть заменен другими злементами из
той же группы периодической системы.
24.
В естественных условиях питательные элементыпоглощаются в виде анионов (неметаллы) и
катионов (металлы). Разные соли и даже катионы и
анионы одной и той же соли поступают в растение
с различной скоростью.
Так у сульфата аммония интенсивнее поглощается
катион аммония. В результате сульфатные анионы
накапливаются в почвенном растворе и среда
подкисляется. Такая соль называется
физиологически кислой.
Из раствора соли нитрата натрия интенсивнее
поглощается нитратная группа и накопление катиона
натрия подщелачивает среду и такую соль называют
физиологически щелочной.
Нитрат аммония – физиологически нейтральная
соль, т.к катионы и анионы поглощаются с
одинаковой скоростью.
25.
Вам известно, что поглотительной тканью корняявляется эпиблема с корневыми волосками и
ткани первичной коры.
Достигнув сосудов ксилемы, часть минеральных
элементов поднимается по растению с током
воды. Большая часть вступает в химическое
взаимодействие и передвигается в надземные
органы в органической форме (хелаты).
Распределение минеральных питательных веществ
по органам растений определяется
интенсивностью транспирации и активностью
обмена веществ в органах.
Опыты, проведенные с меченным фосфором,
показали, что чем выше расположен лист, тем
интенсивнее в нем обменные процессы, тем
быстрее используются питательные вещества и тем
больше его притягивающая способность.
26.
Минеральное питание – мощный факторуправления ростом, развитием и синтезом
физиологически активных веществ.
Так, внесением минеральных удобрений можно
регулировать продолжительность вегетационного
периода многих растений. Азот способствует
образованию зеленой массы, используется для
увеличения биомассы сырья «листья» и «травы».
Фосфор ускоряет цветение, образование и
созревание плодов, используется для получения
сырья «цветки», «плоды», «семена». Сера
увеличивает содержание эфирных масел и
горчичных гликозидов у лекарственных растений
семейств Капустных и Луковых.
27.
На примере лекарственных растений можноотметить некоторую связь между синтезом БАВ и
избирательным поглощением определенных
микроэлементов из почвы.
Так в алкалоидных растениях белладонне и маке
опийном накапливается кобальт, медь и марганец.
Гречиха (флавоноидсодержащее растение)
избирательно поглощает медь и хром.
Виды наперстянки, богатые сердечными
гликозидами, избирательно накапливают марганец,
молибден и хром.
Женьшень и близкие роды семейства аралиевых,
оказывающие адаптогенное действие, накапливают
ванадий, молибден, марганец и стронций.
28.
Подкормка этих растений данными микроэлементамиповышала выход фармакологически активных веществ
в несколько раз. К тому же, марганец и молибден в
комплексе с сердечными гликозидами усиливают
действие последних.
29.
Водный режим растений30.
Основные процессы водного обменаПоступление воды в
растение
Транспорт воды по
стеблю к листьям
Испарение воды в
атмосферу
(транспирация)
31.
I. Поступление воды в растениеВода поглощается корневыми волосками в зоне
всасывания корня.
Из-за разности осмотического давления вода по
мезодерме первичной коры достигает эндодермы
(радиальный транспорт) и через ее тонкостенные
пропускные клетки попадает в ЦОЦ. При этом
создается гидростатическое (корневое) давление.
Благодаря корневому давлению вода проникает в
ксилему, в ее сосуды и трахеиды. Это так
называемый нижний концевой двигатель водного
тока. Создание корневого давления связано с
затратой энергии.
32.
II. Механизм подъема водыпо сосудам и трахеидам
Мертвые проводящие элементы ксилемы не имеют
сосущей силы, способной привести воду в движение.
Корневое давление позволяет подняться воде лишь
на несколько сантиметров, в то время как вода у
древесных растений поднимается на десятки метров.
Это происходит благодаря тому, что вода в сосудах
находится в виде сплошных водяных столбиков,
которые опираются с нижней стороны на живые
клетки корня, а сверху на живые клетки листа.
Водяные нити сцеплены очень крепко силой в 300 350 атм. Благодаря силе сцепления водяных нитей
вода движется по сосудам на высоту до 100 м и выше.
В движении воды вверх значительную роль играет
верхний концевой двигатель водного тока –
транспирация листьев.
33.
III. Транспирация и ее физиологическая рольТранспирация – выделение растением водяного
пара в атмосферу. Основа ее - физический процесс
испарения воды. Однако, транспирация процесс
регулируемый путем открывания и закрывания
устичных отверстий – главных «выходных ворот» для
водяного пара.
Небольшая часть водяных паров (около 10%) теряется
через кутикулу (кутикулярная транспирация).
Масштабы транспирации огромны: одна береза
теряет за день до 400 л воды, а буковое насаждение
возвращает атмосфере путем транспирации около
60% выпавших на него осадков.
Испарение такого количества воды необходимо для:
- снабжения надземных частей растения почвенными
питательными веществами;
- поступления через открытые устьица углекислого
газа, необходимого в процессе фотосинтеза;
- защиты растений от перегрева солнечными лучами.
34.
Факторы, усиливающие транспирацию1. Освещение, повышение t, высокое содержание
воды и др. факторы, вызывающие открывание
устьиц.
2. Ветер препятствует образованию над листьями
насыщенного водяными парами столба воздуха и
тем самым усиливает транспирацию.
Баланс между добыванием и расходованием
воды достигается растениями разными путями:
формированием глубокой корневой системы,
наличием опушенных листьев, углублением устьиц,
покрытием надземных органов восковым налетом,
мощным развитием палисадной паренхимы,
формированием гиподермы, редукцией листьев и др.,
что приводит к экономии влаги.
35.
Рост растенийРост – это необратимое увеличение линейных
размеров, поверхности, объема, массы растения, а
также новообразование структур цитоплазмы клетки
(хлоропластов, митохондрий др.). Таким образом, рост
складывается из роста клеток, тканей и органов.
36.
Рост клетокВ росте клеток выделяют 3 фазы – эмбриональную,
растяжения и внутренней дифференциации.
Для 1 фазы характерно увеличение массы
цитоплазмы и ядра, сопровождающееся делением
клетки.
2 фаза характеризуется резким увеличением
объема клеток, объема оболочек и возникновением
вакуоли.
Дифференциация, происходящая в 3 фазу,
приводит к утолщению клеточных оболочек,
специализации клеток и появлению всех групп
постоянных тканей.
37.
Типы роста органов определяются местомположения меристематических тканей
Апикальный рост – точка роста находится на
морфологически верхней части органа и органы
растут верхушкой ( стебель, корень).
Латеральный (боковой) рост связан с
деятельностью камбия, который продуцирует слои
клеток вдоль каждого побега и корня.
Базальный рост имеет место, если зона
нарастания располагается у основания органа, а
закончившие развитие ткани – выше зоны роста
(листья злаков, цветочные стрелки).
Интеркалярный (вставочный) рост – точка
активного роста находится между
сформированными тканями (рост стебля злаков у
основания междоузлия).
38.
Ритмичность и периодичность ростаРитмичность – регулярно повторяющаяся смена
периодов активного и замедленного роста.
Проявляется она как в пределах суток (суточная), так
и в пределах года (сезонная) и является
приспособлением к внешним условиям.
Изучение скорости ростовых процессов позволило
установить периоды покоя растений. Покой – это
такое физиологическое состояние, при котором резко
снижаются скорость роста и интенсивность обмена
веществ. Покоящееся растение устойчиво к морозам,
жаре, засухе. Глубокий покой вызывается
внутренними причинами и наступает даже при
оптимальных внешних условиях (семена).
Вынужденный покой обусловлен неблагоприятными
условиями внешней среды (зимний покой).
39.
Факторы, влияющие на рост растенийВнешние факторы – t, свет, влажность, почвенные
условия.
Внутренние факторы – это присутствующие в растениях
регуляторы роста (фитогормоны).
Фитогормоны – это органические соединения, способные
ускорять или замедлять ростовые процессы. К
регуляторам роста относят как природные ростовые
вещества (ауксины, гиббериллины, цитокинины, абцизовая
кислота, этилен), так и полученные искусственным путем.
Влияние внутренних факторов на рост растений надлежит
изучить самостоятельно! Используйте материал учебника
(Е.И. Барабанов, С.Г. Зайчикова «Ботаника», 2006 стр.426 431) и приведенную ниже схему.
40.
41.
Влияние внешних факторов на рост растений наизучите самостоятельно! Используйте материал
учебника (Е.И. Барабанов, С.Г. Зайчикова
«Ботаника», 2006 стр.426 - 431).
42.
К быстропротекающим ростовым процессамотносятся многочисленные формы ростовых
движений.
Тропизмы – это ориентированные движения органов
растений в ответ на одностороннее действие
раздражителей. В роли фактора-раздражителя могут
быть химические соединения и физические факторы.
Известны виды тропизмов – гео-, магнито-, хемо-,
гидро-, термо-, травмотропизмы.
Настии или настические движения обусловлены
равномерным действием раздражителя, например
смена условий – свет/темнота, холод/тепло. Это
приводит к открыванию и закрыванию цветков.
Используя материал учебника (Е.И. Барабанов,
С.Г. Зайчикова «Ботаника», 2006 стр.428 - 429),
расширьте представления о ростовых движениях
растений!
43.
Культура клеток и тканей растенийВсе ростовые процессы в растении осуществляются
при согласованном взаимодействии органов, тканей,
клеток, органелл и молекул.
Изучение потенциальных возможностей этих структур
возможно при их отчленении от организма и
выращивании на стерильных питательных средах, т.е
методом культуры изолированных тканей, клеток,
протопластов.
Объектом для выращивания клеток in vitro («в
стекле») служат каллюсные клетки раневой
меристемы, полученные в результате искусственного
поранения различных органов растения.
Выращивание клеток ведется в специально
оборудованных камерах фитотрона, где строго
контролируется и дозируется влажность, t,
освещенность. Размножение культивируемых клеток
идет непрерывно и независимо от времени года.
44.
Схема получения культурыклеток растений
45.
Агаризованная и суспензионнаякультура клеток
46.
Живущие вне организма растительные клеткиотличаются высоким биосинтетическим
потенциалом и, как правило, сохраняют ряд
характерных свойств вида, индивидуума, органа, и
даже ткани, из которой они произошли. Сохраняется
способность к видоспецифичным синтезам таких
веществ вторичного метаболизма, как алкалоиды,
сапонины, фенольные соединения, слизи и др.
Это свойство растительных клеток положило начало
новой области биотехнологии – получение
биомассы лекарственных растений как
дополнительного источника лекарственного
растительного сырья (женьшень, раувольфия,
диоскорея, стефания, мак снотворный и др.)
47.
Развитие растенийРазвитие – необратимый процесс качественных
изменений. Это происходит в процессе жизни
отдельного организма (онтогенеза) и организмов в
процессе эволюции (филогенеза).
В жизненном цикле индивидуального растительного
организма (онтогенезе) выделяют 4 периода:
1. Эмбриональный,
2. Догенеративный (виргинальный, ювенильный,
молодости),
3. Генеративный (зрелость),
4. Сенильный (старение)
48.
Эмбриональный период охватывает развитиезародыша от образования зиготы до созревания
семени.
В догенеративный период - осуществляются
прорастание семян и формирование вегетативных
органов.
Генеративный период характеризуется
готовностью к зацветанию и образованию органов
генеративного размножения, формированию семян
и плодов.
Сенильный период – от полной потери
способности к цветению и плодоношению до
естественной смерти. Старение способствует более
быстрой эволюции, поскольку ускоряет смену
поколений.
Смена периодов развития контролируется
фитогормонами.
49.
Спасибоза внимание!