植物生理学水分代谢、矿质营养、光合与呼吸作用_思维导图模板

植物生理学水分代谢、矿质营养、
光合与呼吸作用

水分代谢——水分的吸收、运输、利用和散失（蒸腾）

植物对水分的需要

水的生理生态作用

细胞质主要成分（溶胶-凝胶）

代谢过程的反应物质

物质吸收和运输的良好溶剂

维持细胞的紧张度，保持植物的固有姿态

理化性质为植物生命活动提供便利

调节植物周围的小气候

植物体的含水量

取决于植物的种类、器官、年龄、生境

植物体内水分存在状态及作用

束缚水

靠近原生质胶粒、被胶粒紧密吸附束缚、不易自由流动和散失的水

不能自由移动，含量变化小，不易散失

冰点低，不起溶剂作用

决定原生质胶体稳定性

与植物抗逆性有关

自由水

距离原生质胶粒较远、吸附较弱、可自由流动的水

不被吸附或吸附很松，含量变化大

冰点为零，起溶剂作用

与代谢强度有关

自由水/束缚水

植物细胞对水分的吸收

水分跨膜运输途径

简单扩散（单个水分子）

分子热运动：浓度高向浓度低

顺浓度梯度

短距离运输

集流（多个水分子）

液体中成群的原子或分子在压力梯度下共同移动

顺压力梯度（与溶质浓度无关）

水分子通过膜上水孔蛋白构成的水通道

水流速度快

水孔蛋白（水通道蛋白，AQPs）

一般以同型四聚体形式存在，每个蛋白具有水通道活性，水分子特异性通过

分为三类：质膜内在蛋白、液泡膜内在蛋白（分布最丰富，透水性最大）、根瘤共生膜上的内在蛋白

对称分布的两个NPA序列形成“水漏模型”

磷酸化：水通道加宽
去磷酸化：水通道变窄
受Ca2+调控

水分跨膜运输的原理

自由能

在温度恒定条件下可用于生物做功的能量

化学势

1mol某物质所含的自由能即为该物质的化学势

水的化学势

1mol水所含的自由能即为水的化学势。衡量水分反应或做功能量的高低

水的偏摩尔体积

一定温度和压力下，1mol某溶液中加入1mol水后，该1mol水所占的有效体积（Vw)，其具体数值随不同含水体系而定

水势

每偏摩尔体积水在一个系统中的化学势与纯水在相同温度、压力下的化学势之差。即每偏摩尔体积水的化学势差。

水势是自由能的量度，水的自由能越大，水势就越大。
纯水的自由能最大，水势最大，规定一定的温度和压力下ψW为0

渗透现象

溶液中溶剂分子通过半透膜扩散的现象

植物细胞构成一个渗透系统

原生质层：由质膜、细胞质、液泡膜组成

植物细胞水势的组成

吸胀作用

亲水胶体吸水膨胀的现象

风干种子初期的吸水（与种子成分关系大）

分生细胞(未形成液泡）的吸水过程

果实种子形成过程的吸水

细胞水势与相对体积的关系

根系吸水和水分向上运输
径向传输：从土壤溶液到根木质部导管－－根系吸水
轴向传输：从根木质部导管至到顶部－－水分向上运输

土壤中的水分

根系吸水

根系吸水部位：主要是根尖根毛区

根系吸水三条途径

共质体

活细胞内原生质体以胞间连丝互相连在一起的整体系统

质外体

包括细胞壁、细胞间隙、导管、管胞等无细胞质的非生命部分组成的一个系统，又称自由空间，水分和溶质可在其中自由扩散

跨膜途径

跨质膜液泡膜

根系吸水两种动力

根压

特点

由根系生理活动使液流从根部沿导管上升的动力

主动吸水

需代谢能量

现象

伤流

从受伤或折断的植物组织流出汁液

吐水

从未受伤的植物叶片边缘或尖端向外溢出液珠的现象。早晨或傍晚，植物吸水大于蒸腾

蒸腾拉力（更重要）

特点

由植物蒸腾作用产生的一系列水势梯度使导管中水分上升的动力

被动吸水

不需消耗呼吸代谢能量

影响根系吸水的土壤因素

土壤中可利用的水分

土壤温度

土壤通气状况

土壤溶液浓度

水分向上运输

土壤--植物--大气连续体

经过活细胞的运输（短距离）

经过死细胞的运输（长距离）

蒸腾作用

蒸腾作用意义、部位、指标

水分以气体状态，通过植物体的表面（主要是叶子），从体内散失到体外的现象

是植物对水分吸收和运输的主要动力

是植物吸收矿质盐类和在体内运转的动力

能降低叶片的温度

叶片蒸腾作用分为两种方式：角质蒸腾和气孔蒸腾

气孔蒸腾

气孔运动有三种方式

淀粉-糖互变

钾离子吸收

苹果酸生成

影响气孔运动的因素

光照

温度

二氧化碳

脱落酸

影响蒸腾作用的因素

外在条件

光照

空气相对湿度

温度

风

内部因素

气孔和气孔下腔

叶片内部面积大小

蒸腾速率

水蒸气向外的扩散力

扩散途径的阻力

合理灌溉生理基础

作物的需水规律

合理灌溉的指标

节水灌溉的方法

矿质营养

植物必需的矿质元素

植物体内的元素

灰分

植物体充分燃烧后，有机物中的C、H、O、N、部分S挥发掉，剩下的不能挥发的灰白色残渣为灰分

灰分元素

构成灰分的元素。包括所有金属元素及部分P、S非金属元素。因其直接或间接来自土壤矿质，又称矿质元素。矿质元素以氧化物形式存在于灰分中

N不是灰分元素，但和灰分元素一样从土壤中吸收，故将N归于矿质元素一起讨论

大量元素

C、H、O、N、P、K、Mg﹑Ca﹑S、Si

微量元素

Fe﹑Mn﹑B﹑Zn﹑Cu﹑Mo﹑Cl、Ni、Na

非必需元素

Al、Hg﹑Ag﹑Au

有利元素或有益元素

指对植物的生长有利，并能部分代替某一必需元素的作用，减轻其缺乏症状，如Co、Se(硒)

植物必需矿质元素确定

不可缺少性

不可替代性

直接功能性

必需矿质元素的生理作用

细胞结构物质组分和代谢产物（N、P、S）

生命活动的调节者，参与酶活动（钾、镁）

起电化学作用，即离子浓度的平衡、电荷中和、电子传递、氧化还原等（钾、铁、氯）

作为细胞信号转导的第二信使（钙）

缺乏矿质元素诊断方法

化学分析法

病症诊断法

加入诊断法

细胞对矿质元素的吸收

生物膜

蛋白质、脂质、糖、固醇

离子的跨膜运输

扩散

离子通道运输

载体运输

单向运输载体

同向运输载体

反向运输载体

泵运输

H＋－ATP酶

H＋－焦磷酸酶

Ca＋＋－ATP酶

胞饮作用

植物体对矿质元素的吸收

植物吸收矿质元素特点

根系吸收矿质与吸收水分的关系既相关又相互独立

吸收矿质的选择性

单盐毒害和离子拮抗现象

单盐毒害

植物培养在含单一盐分溶液中，不久即呈不正常状态，最后死亡的现象

离子拮抗

在单盐溶液中加入少量其它金属离子（不同价）即可减弱或消除单盐毒害，这种离子间相互消除毒害的现象

平衡溶液

多种离子按一定浓度和比例配成混合溶液，对植物的生长发育有良好作用而无任何毒害的溶液

根部对土壤矿质的吸收

土壤中矿质元素的存在形式

水溶性状态

吸附状态

难溶性状态

根系对土壤溶液中矿质的吸收

根系对吸附态矿质的吸收

根系对难溶性矿质的利用

影响根系吸收矿质的因素

温度：三基点
通气状况
环境PH值
土壤溶液浓度
离子间的相互作用

叶片对矿质的吸收

地上部分对矿质吸收

矿质元素的运输和利用

矿质元素运输形式和途径

根表皮到导管径向运输（质外体、共质体）

通过木质部由下向上的长距离运输

韧皮部运输（双向运输）

矿质在植物体内的利用

可再利用元素

不可再利用元素

植物对氮、磷、硫的同化

氮的同化

硝酸盐的还原

氨的同化

生物固氮作用

硫酸盐的同化

磷酸盐的同化

合理施肥的生理基础

作物的需肥规律

合理施肥的指标

发挥肥效的措施

光合作用

光合作用的重要性

按照碳素营养方式的不同

自养植物

自养植物吸收二氧化碳，将其转变成有机物质的过程称为植物的碳素同化作用

异养植物

光合作用：绿色植物吸收阳光的能量，同化二氧化碳和水，制造有机物质并释放氧气的过程

光合作用的重要性

把无机物变成有机物

蓄积太阳能量

环境保护

叶绿体及其色素

叶绿体的结构和成分

叶绿体由两层膜构成，分别称为内膜和外膜

内膜具有控制代谢物质进出叶绿体的功能，具选择性

基质成分主要是可溶性蛋白质（酶）和其他代谢活跃物质，呈高度流动性状态，具有固定二氧化碳的能力，淀粉在基质里形成和贮藏

光合作用的能量转换功能是在类囊体膜上进行的，所以类囊体膜又称为光合膜

光合色素的物化性质

叶绿素分子含有四个吡咯环，和四个甲烯基连接成一个大环，叫做卟啉环。镁原子居于卟啉环的中央

叶绿素最大吸收区：波长为640~660nm的红光部分和波长为430~450nm的蓝紫光部分

叶绿素溶液在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色（叶绿素a为血红光，叶绿素b为棕红光），这种现象称为荧光现象

从第一单线态回到基态所发射的光称为荧光

第一三线态回到基态时所产生的光称为磷光

叶绿素的合成及降解

叶绿素a由叶绿素b演变过来，植物叶子呈现的颜色是叶子各种色素的综合表现

主要是绿色的叶绿素和黄色的类胡萝卜素两大类色素之间的比例

矿质元素、温度、光是影响叶绿素形成的主要因素

这种缺乏任何一个条件而阻止叶绿素形成使叶子发黄的现象称为黄化现象

光合作用过程

原初反应

光能的吸收、传递和转换过程

电子传递光合磷酸化

电能转化为活跃的化学能

碳同化（暗反应）

活跃的化学能转化为稳定的化学能过程

结构基础

光合单位=聚光色素系统+反应中心

反应中心色素

少数特殊的叶绿素a，具光化学活性

聚光色素

无光化学活性，有收集光能的作用，传到反应中心色素，绝大多数色素，又称为天线色素

光合反应中心

在类囊体中进行光合作用原初反应的最基本的色素蛋白结构

光能转换色素分子

原初电子受体

直接接受反应中心色素分子传来的电子

原初电子供体

高等植物的最初电子供体是水，最终电子受体是NADP+

红降

当光波大于685nm（远红光）时，虽然光子仍被叶绿素大量吸收，但量子产额急剧下降

增益效应（爱默生效应）

两种波长的光协同作用而增加光合效率

光合链

各种电子传递体具有不同的氧化还原电位，根据氧化还原电势高低排列，呈“Z”形，电子定向转移，这就是光合作用中非循环电子传递的方案。这一系列互相衔接的电子传递称为光合链

PSⅡ主要由核心复合体、PSⅡ捕光复合体、放氧复合体等亚基组成

利用贮存在跨类囊体膜的质子梯度的光能把ADP和无机磷合成为ATP的过程称为光合磷酸化

非循环光合磷酸化

循环光合磷酸化

由于ATP和NADPH用于暗反应中二氧化碳的同化，两者合称为同化能力

高等植物固定二氧化碳的生化途径有3条

卡尔文循环（还原戊糖磷酸途径）

三个阶段

羧化阶段

还原阶段

更新阶段

要产生一个PGAld（磷酸丙糖）分子需要3个二氧化碳分子，6个NADPH分子和9个ATP分子作为能量来源

卡尔文循环的调节

自身催化

光的调节（离子的移动；通过铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统；光增加Rubisco活性）

光合产物转运

C4途径

四个步骤

羧化

转移

脱羧与还原

再生

初产物：OAA

CO2受体：PEP

羧化酶：PEPC

景天科酸代谢途径

短期调节

长期调节

特殊的CO2固定方式

晚上气孔开放，吸进CO2，在PEP羧化酶作用下，与PEP结合，形成OAA，进一步还原为苹果酸，积累于液泡中

白天气孔关闭，液泡中的苹果酸便运到胞质溶胶，在依赖NADP苹果酸酶作用下，氧化脱羧，放出CO2，参与卡尔文循环，形成淀粉等

光呼吸

光呼吸的途径

植物的绿色细胞依赖光照，吸收氧气和放出二氧化碳的过程

光呼吸是一个氧化过程，被氧化的底物是乙醇酸，又称为乙醇酸氧化途径

乙醇酸是C2化合物，其氧化产物乙醛酸以及其转氨形成的甘氨酸都是C2化合物，故也称这条途径为二碳光呼吸碳氧化环，简称C2环

光呼吸的生理功能

在干旱和高辐射期间，气孔关闭，CO2不能进入，会导致光抑制。此时光呼吸释放CO2，消耗多余能量，对光合器官起保护作用，避免产生光抑制

Rubisco同时具有羧化和加氧的功能，在有氧条件下，光呼吸虽然损失一些有机碳，但通过C2循环还可回收75%的碳，避免损失过多

影响光合作用的因素

外部因素

光照、二氧化碳、温度、矿质元素、水分

内部因素

光合速率的日变化

植物对光能的利用

植物的光能利用率

提高光能利用率途径

呼吸作用

概念、种类、指标、生理意义

种类

有氧呼吸

指生活细胞在氧的参与下，把某些有机物质彻底氧化分解，放出二氧化碳并形成水，同时释放能量的过程

无氧呼吸

一般指在无氧条件下，细胞把某些有机物分解成为不彻底的氧化产物，同时释放能量的过程。这个过程用于高等植物，习惯上称为无氧呼吸，如应用于微生物，则称为发酵

生理意义

呼吸作用提供植物生命活动所需要的大部分能量

呼吸过程为其他化合物合成提供原料

多样性

呼吸途径的多样性

糖酵解（EMP胞质溶胶）

戊糖磷酸途径（PPP胞质溶胶）

三羧酸循环（TCA线粒体）

呼吸电子传递链的多样性

电子传递主路、几条支路和抗氰途径

电子传递链亦称呼吸链，就是呼吸代谢中间产物的电子和质子，沿着一系列有顺序的电子传递体组成的电子传递途径，传递到分子氧的总过程。组成电子传递链的传递体分为氢传递体和电子传递体

氢传递体传递氢（包括质子和电子），作为脱氢酶的辅助因子有：NAD、NADP、FMN、FAD

电子传递体是指细胞色素体系和铁硫蛋白（Fe-S），它们只传递电子。细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质

植物线粒体的电子传递链位于线粒体的内膜上，由5种蛋白复合体组成

复合体Ⅰ（NADH脱氢酶）

复合体Ⅱ（琥珀酸脱氢酶）

复合体Ⅲ（细胞色素bc1）复合物

复合体Ⅳ（细胞色素氧化酶）

复合体Ⅴ（ATP合酶，催化ADP和Pi转变为ATP）

在生物氧化中，电子经过线粒体的电子传递链传递到氧，伴随ATP合酶催化，使ADP和磷酸合成ATP的过程，称为氧化磷酸化作用。（化学渗透假说）

磷/氧比（P/O ratio）线粒体氧化磷酸化的一个重要指标，指氧化磷酸化中每消耗1mol氧时所消耗的无机磷酸摩尔数之比。（解耦联剂）

末端氧化酶的多样性

末端氧化酶是把底物的电子传递到分子氧并形成水或过氧化氢的酶

细胞色素氧化酶

酚氧化酶

抗坏血酸氧化酶

乙醇酸氧化酶

交替氧化酶

调控及影响因素

呼吸作用调控

影响呼吸作用的因素

呼吸作用与农业生产

植物生理学水分代谢、矿质营养、光合与呼吸作用

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