Лекции по физиологии растений

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.

1. Предмет и задачи физиологии растений.
2. Объекты физиологии растений
3. Назовите и охарактеризуйте основные структурные элементы растительной клетки .
4. Назовите основные отличия растительной клетки от животной.
5. Что такое транспирация, от чего она зависит?
6. Что называют транспирационным коэффициентом? Чему он примерно равен?
7. Чем обусловливается транспирация?
8. Что такое осмос, осмотическое давление?
9. 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 + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 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