第1页：第一章植物的水分代谢教学目标
教学目标
- 了解水分在植物体内存在的状况及其主要生理生态作用
- 掌握植物细胞和根系对水分吸收的主要规律
- 了解蒸腾作用的生理意义与影响因子
- 了解植物体内水分运输的特点及机理
- 弄清作物合理灌溉的生理基础
第2页：植物体内水分存在的状态
讲授要点之一：1 植物对水分的需要
- 自由水（free water）
- 距离胶粒较远而可以自由流动的水分。
- 束缚水（bound water）
- 靠近胶粒而被胶粒束缚、不易流动的水分。
第3页：亲水物质吸附的水分子示意
亲水物质表面吸附的水分子由内向外依次形成束缚水与自由水，距胶粒越远，水分越容易自由流动。
第4页：水分状态与代谢的关系
- 束缚水一般不参与代谢反应；细胞或器官主要含束缚水时代谢极微弱，如越冬休眠植物和干燥种子，仅维持极弱代谢，但抗性明显增强
- 自由水主要参与各种代谢反应，含量越高代谢越旺盛
- 自由水／束缚水的比值可作为衡量植物代谢强弱和抗性的生理指标之一
第5页：水分的生理生态作用
1.3 植物体内水分的生理生态作用
- 水是细胞质的主要成分（含水量一般达70%—90%）
- 水分是代谢过程的反应物和产物（光合、呼吸等）
- 细胞分裂及生长都需要水分
- 水分是物质吸收运输及生化反应的溶剂
- 水分使植物保持固有姿态（维持细胞紧张度）
- 调节植物体温及大气湿度、温度（蒸腾失水）
第6页：植物细胞吸收水分的主要方式
讲授要点之二：2 植物细胞吸收水分的主要方式
- A）扩散
- 分子随机热运动造成的物质从高浓度区域向低浓度区域移动；水分子可以扩散方式通过膜脂双分子层进入细胞。
- B）集流
- 液体中成群的原子或分子在压力梯度下共同移动；水分从土壤溶液进入植物及在木质部运输中存在集流。
- C）渗透性吸水
- 水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动，是最主要的吸水方式。
第7页：水分跨过细胞膜的途径
- A．单个水分子通过膜脂双分子层扩散或通过水通道
- B．水分集流通过水孔蛋白形成的水通道
第8页：细胞的渗透性吸水示意
细胞的渗透性吸水示意：水分顺着水势梯度进出细胞，引起液泡体积和原生质层位置的变化。
第9页：渗透性吸水的原理水势
渗透性吸水的原理——水势
- 自由能
- 可用于作功的能量；化学势为1摩尔物质的自由能。
- 水势（water potential，Ψw）
- 某一系统中水的化学势与相同温度、压力下纯水的化学势之差，除以水的偏摩尔体积所得的商，是水分转移本领大小的指标。
第10页：几种常见化合物的水势
几种常见化合物的水势：纯水水势最高，溶液浓度越高水势越低。
几种常见溶液的水势（Ψw/MPa）| 溶液 | Ψw/MPa |
|---|
| 纯水 | 0 |
|---|
| Hoagland营养液 | -0.05 |
|---|
| 海水 | -2.50 |
|---|
| 1 mol·L-1 蔗糖 | -2.69 |
|---|
| 1 mol·L-1 KCl | -4.50 |
|---|
第11页：典型植物细胞的水势组成
典型植物细胞的水势由3部分组成：水势＝渗透势＋衬质势＋压力势
- 渗透势（Ψπ）
- 溶质颗粒存在引起的水势降低值，用负值表示，亦称溶质势（Ψs）。
- 压力势（Ψp）
- 细胞壁压力存在而增加的水势值，一般为正值；初始质壁分离时为0，剧烈蒸腾时可呈负值。
- 衬质势（Ψm）
- 细胞胶体亲水性和毛细管对自由水的束缚引起的水势降低值，以负值表示。
第12页：细胞水势与相对体积关系曲线
细胞水势、溶质势、压力势与相对体积的关系曲线：随细胞相对体积增大，溶质势升高、压力势上升，水势逐渐趋近于零。
第13页：水势的应用
水分总是由水势高的部位向水势低的部位运转，故水势可用于判断水分迁移的方向。
- 相邻细胞间：水分由水势高的细胞沿水势梯度流向水势低的细胞
- 植物体内：地上部分水势低于根系，根系水分可向地上部分运转
- 土壤—植物体—大气连续体系：水势由高到低依次为土壤→根系→叶片→大气，水分按此顺序迁移
第14页：
第15页：植物体内水势高低的分布规律
植物体内水势高低的分布规律：
- 多个细胞、植物器官之间：地上比根部低
- 上部叶比下部叶低；同一叶中距主脉越远越低
- 根部则内部低于外部
第16页：根系吸水的途径
讲授要点之三：3.1 根系吸水的途径
- 质外体途径
- 水分经胞壁和细胞间隙移动，不越膜，移动快。
- 共质体途径
- 水分依次从一个细胞经胞间连丝进入另一细胞。
- 跨膜途径
- 水分从一个细胞移动到另一个细胞，要经两次膜。
- 水孔蛋白
- 一类具有选择性、高效转运水分的膜通道蛋白。
第17页：
第18页：
第19页：质外体共质体与胞间连丝
- 质外体
- 开放性的连续自由空间，包括细胞壁、胞间隙及导管等。
- 共质体
- 通过胞间连丝把无数原生质体联系起来形成的连续整体。
- 胞间连丝
- 贯穿胞壁的管状结构物内的连丝微管，两端与内质网相连接。
第20页：根系吸水的动力
2.2 根系吸水的动力
- 根压（root pressure）
- 植物根部的生理活动使液流从根部上升的压力；伤流和吐水可证明根压的存在。
- 蒸腾拉力（transpirational pull）
- 蒸腾作用产生的一系列水势梯度使导管中水分上升的力量，是主要动力。
第21页：根系吸水的影响因素
2.3 根系吸水的影响因素
- A）植物本身因素：根系发达程度、根系活力强弱、根系细胞水势
- B）土壤条件：可用水分多少、通气状况、温度、土壤溶液浓度
第22页：蒸腾作用的概念与方式
讲授要点之四：4 植物的蒸腾作用
- 蒸腾作用（transpiration）
- 水分以气态方式从植物体表面散失的过程。
- 枝、果——皮孔蒸腾
- 叶片——角质层蒸腾、气孔蒸腾（主要方式）
第23页：气孔的开放与关闭
植物气孔的开放与关闭：保卫细胞吸水膨压升高时气孔张开，失水膨压下降时气孔关闭。
第24页：气孔运动机理
气孔运动机理：光照下保卫细胞进行光合作用和呼吸作用，胞内CO2降低，pH升高，淀粉水解生成PEP并羧化形成苹果酸；同时光活化H+-ATP酶排出H+，促进K+、Cl-进入，保卫细胞水势下降并向周围细胞吸水，膨压升高，气孔张开。
第25页：影响气孔运动的因素一
影响气孔运动的因素：影响光合作用、叶子水分状况的因素均可影响气孔运动。
- 内生昼夜节律：随昼夜交替而开闭
- 光照：光诱导气孔开放，蓝光和红光最有效；光促进光合作用、苹果酸形成及K+、Cl-吸收
第26页：影响气孔运动的因素二
- CO2：叶内低CO2分压使气孔张开，高CO2则使其关闭；温度和光照可能通过影响叶内CO2浓度间接起作用
- 温度：一定范围内开度随温度升高而增大，25℃以上开度最大，30—35℃开度减小，低温下减小或关闭
- 叶片含水量：剧烈蒸腾失水过多或雨天含水过多均会使气孔关闭；叶片水势降低时开度减小或关闭
第27页：影响气孔运动的因素三
- 风：大风加快蒸腾使保卫细胞失水而促进关闭，微风有利于气孔开放和蒸腾
- 植物激素：细胞分裂素促进气孔开放，脱落酸促进气孔关闭；干旱时根产生的脱落酸运至地上部，促进保卫细胞膜上K+外流，使保卫细胞失水而关闭气孔
第28页：蒸腾作用的表示方法
- 蒸腾速率
- 又称蒸腾强度，植物单位时间内单位面积散失的水分量（克／平方分米·小时）。
- 蒸腾比率
- 植物每消耗1公斤水所形成的干物质重量（克）。
- 蒸腾系数
- 又称需水量，植物制造1克干物质所需的水分量（克），为蒸腾比率的倒数。
第29页：蒸腾作用的影响因素
- A）内部因素：气孔频度（气孔数/cm2）、气孔大小、气孔开度等
- B）外部因素：光照、空气相对湿度、温度、风速等
第30页：水分运输的途径与速度
讲授要点之五：5 植物体内水分的运输
运输途径：土壤水→根毛→根皮层→根中柱鞘→根导管→茎导管→叶柄导管→叶脉导管→叶肉细胞→叶细胞间隙→气孔下腔→气孔→大气。
运输速度：水分在导管中的运输速度一般为 3—45 m/h。
第31页：
第32页：水分上升的动力与原因
5.3 水分沿导管或管胞上升的动力
- 动力：根压和蒸腾拉力
- 水柱有张力（0.5—3 MPa）
- 水分子间有较大的内聚力（20 MPa），内聚力＞张力
- 水分子对导管壁有很强的附着力
第33页：蒸腾内聚力张力学说
- 蒸腾—内聚力—张力学说
- 由 H. H. Dixon 提出。叶片因蒸腾失水而从导管或管胞吸水，使水柱产生张力；由于水分子内聚力大于张力，保证水柱连续而使水分不断上升。
第34页：作物需水规律与水分临界期
讲授要点之六：6 合理灌溉的生理基础
- 作物需水规律：不同作物或同一作物不同时期需水量不同，如C3植物比C4植物多1—2倍
- 水分临界期：植物对水分不足最敏感、最易受害的时期。小麦为孕穗期和开始灌浆至乳熟末期；豆类、花生为开花期；果树为开花至果实生长初期
第35页：合理灌溉的指标与增产原因
- 形态指标：生长速率下降、幼叶凋萎、茎叶变红
- 生理指标：叶片水势、细胞汁液浓度或渗透势、气孔开度等
- 增产原因：改善各种生理作用特别是光合作用；改变土壤条件和气候条件（满足生态需水）；防止土壤干旱（满足生理需水）
第36页：灌溉的方法
- A）漫灌
- 目前应用最广泛，但浪费水资源，还会造成土壤冲刷、肥力流失、土地盐碱化。
- B）喷灌
- 借助动力设备把水喷到空中成水滴降落，可解除大气与土壤干旱，保持团粒结构，防止盐碱化并节约用水。
- C）滴灌
- 通过塑料管网络把水分输送到作物根系周围缓慢滴出，使根系常处于良好的水分、空气和营养状态。
第37页：
第38页：第一章思考题
思考题
- 一、基本概念：自由水、束缚水、水势（Ψw）、扩散、集流、蒸腾速率、蒸腾比率、蒸腾系数、内聚力学说
- 二、问答题：植物体内水分存在的状态与代谢关系如何？水分对植物有哪些生理生态作用？植物水分代谢包括哪些过程？蒸腾作用有什么生理意义、农业上可用哪些措施调控？
第39页：植物的向水性思考题
思考题5：请看图，并解释“植物的向水性”。
