植物生理教案

《植物生理学》教案

安 振 锋

（生命学院植物生理教研室）

指导思想与整体计划

课程性质：植物生理学是研究植物生命活动规律的科学。植物生理学是生命科学主要学科之一，也是植物生产类各专业的学科基础课程。

课程目的：通过学习本门课程的理论课程，使学生了解植物生理学的研究内容和发展简史，熟悉植物生命活动的大体规律，理解和掌握植物生理学的大体概念、基础理论知识和主要实验的原理与方式。能够运用植物生理学的大体原理和方式综合分析、判断、解决有关理论和实际问题。通过学习本门课程实验课，提高学生科学实践技术，培育学生实事求是的科学态度和工作作风，进一步增强、提高学生科学素质。

推荐教材或参考书目：

推荐教材

《植物生理学》（第1版）. 张继澍主编. 高等教育出版社. 2006年

《植物生理学典型题解析及自测试题》 （第2版）.高等教育出版社.2008年

参考书目

潘瑞炽主编，《植物生理学》，高等教育出版社，2004年6月第1版。

武维华主编，《植物生理学》，科学出版社，2003年4月第1版

教学方式与手腕：课堂教学采用多媒体方式；实验课以班为单位，2人一组进行

考核方式： 考试

成绩评定：平时成绩占50%，形式有：作业（20%）、实验（30%）；考试成绩占50%，形式为闭卷考试。

绪论

大体内容

1) 植物生理学的概念、研究对象、内容。

2) 植物生理学的产生和发展。

3) 植物生理学对农业做出的贡献。

4) 植物生理学的发展趋势。

大体要求

1) 了解植物生理学的对象、内容、产生和发展。

2) 了解植物生理学对农业做出的贡献、发展趋势。

3) 了解植物生理学与分子生物学的关系。

一、植物生理学的概念、研究对象、内容

一、什么是植物生理学：植物生理学是研究植物生命活动规律，揭露植物生命现象本质的科学。它是植物学的一个分支。

生命活动：水分代谢、矿质代谢、光合作用、呼吸作用、种子萌生、营养器官的生长、生殖器官的形成，开花、传粉、受精、成熟衰老进程。

二、植物生理学研究对象——植物，主如果高等绿色植物，以揭露自养生物的生命现象本质及其与外界条件的彼此关系。

3、植物生理学的研究内容：

细胞生理：细胞的结构与功能。

营养与代谢：包括光合作用、呼吸作用、水分生理、矿质营养、物质运输与分派、植物生长物质。

生长与发育：生永生理、成花生理、生殖和衰老

环境生理：主要讲逆境生理。

4、植物生理学的大体任务 一方面是探索生命活动的大体规律，进行理论研究。

另一方面是应用该理论服务于农业生产，为栽培植物，改良和培育植物品种提供理论依据。并能不断提出控制植物生长的有效方式，从而改造自然，利用自然，造福人类。

二 植物生理学的产生与发展

第一阶段：植物生理学的孕育阶段。这一阶段从1627年荷兰人凡·海尔蒙（ Helmont）做柳枝实验开始，直到19世纪40年代德国化学家李比希（J. von

Liebig）创建植物矿质营养(minerral nutrient)学说为止，共经历了200连年的时间。

第二阶段：植物生理学诞生与成长的阶段。这一阶段从1840年李比希矿质营养学说的成立到19世纪末德国植物生理学家萨克斯(J. Sachs)和他的学生费弗尔(W. Pfeffer)所著的两部植物生理学专著问世为止，通过了约半个世纪的时间。萨克斯和费弗尔在全面总结了植物生理学以往的研究功效的基础上，别离写成了《植物生理学讲义》(J. Sachs, 1882)和三卷本的专著《植物生理学》(W. Pfeffer,1897),成为影响达数十年之久的植物生理学经典高作和植物生理学发展史中的重要里程碑。这两部高作的问世，意味着植物生理学终于从它的母体植物学中脱胎而出，独立成为一门新兴的学科。

第三阶段：植物生理学深化阶段。20世纪是科学技术突飞猛进的世纪，也是植物生理学快速壮大发展的世纪。20世纪以来，特别是50年代以来，植物生理学的研究在微观、个体和宏观三个层次上都发生了庞大的转变，取得了许多重大冲破。例如膜的“流动镶嵌”模型、细胞全能性、光敏色素的发现、光合作用光暗反映，光呼吸，C3、C4、CAM植物发现。

三、植物生理学对农业做出的贡献

矿质营养：肥料的基础，复合肥、微肥、叶肥、专用肥，无土栽培。

光合作用：间作套种、多熟栽培、合理密植、矮秆化、提高光能利用率和高光效育种。

呼吸作用：果蔬保鲜与储运。

激素：生长调控、开花结果调控、无性繁衍、插条生根、保鲜与贮藏。

春化与光周期：栽培、引种和育种。

组织培育：花药育种、原生质体培育、细胞杂融合合、基因导入、快繁、脱除病毒和植物性药物。

本源信号转导：节水农业。

作物产量形成与高产理论：这是植物生理学连年来长盛不衰的研究课题之一，已经形成了“作物产量生理学”、“光合作用与作物生产力”等分支学科。

从作物产量归根结底来自光合作用这一大体事实动身，植物生理学家将作物光合作用与产量的关系分解为光合面积、光合时间、光合效率、光合产物的消耗与光合产物的分派五个因素，产量是这五个因素协调统一的结果。

环境生理与作物抗逆性：环境生理学的研究对农业生产的贡献是多方面的，主要体此刻为从栽培、育种等方面提高作物抗逆性、减轻逆境造成的损失提供理论基础和可行的途径。

如关于作物渗透调节能力与作物抗旱、抗盐及抗寒性关系的发现，启发人们通过合理的栽培管理、品种选育、化学调控乃至遗传工程等途径，同时通过增强渗透调节能力来改善作物的抗逆性。

四、植物生理学的发展趋势

一、研究层次愈来愈宽广

微观：群体→个体→器官→组织→细胞→亚细胞→分子

宏观：个体→群体→群落→生物圈

二、研究手腕的现代化

3、学科间彼此渗透

植物生理学与分子生物学的关系：分子生物学（molecular biology）是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征和规律性及其彼此关系的科学。

最近几年来，分子生物学的发展真可谓日新月异，而且迅速向生物学各个学科渗透，在分子水平（基因表达与调控）上探讨植物生命活动的规律对植物生理学产生了重大而深刻的影响，它使植物生理学研究的领域更广漠了，机理分析也更深切了。

可是分子生物学只是植物生理学的一个伴侣，不会取代植物生理学，正如一个何等复杂的生物大分子，不能代替多细胞的生物有机体一样。

植物生理学是在不同水平上研究复杂生命进程及调控机理， 是基因水平研究与性状表达之间的“桥梁”。

第一章 植物细胞的结构和功能（自学）

第二章 植物的水分代谢

大体内容：

（1）水分在植物生命活动中的生理作用

（2）植物细胞对水分的吸收

（3）根系吸收水分的方式与动力

（4）蒸腾作用及其调控机理

（5）水分运输的途径与动力

（6）植物水分平衡及其维持

大体要求：

（1）理解自由能、化学势、水势、渗透势、压力势等大体概念

（2）熟练掌握植物细胞的水势组成、植物细胞间的水分移动原因

（3）领会植物根系吸水方式、动力及其影响因素

（4）掌握气孔运动的机理及影响蒸腾作用因素

（5）掌握植物体内水分运输的途径和动力，调控水分平衡的途径

（6）了解植物需水规律和合理浇灌的生理指标

教学重点及难点：

植物细胞的水分关系和水分吸收和散失的调控机理

第一节 水在植物生命活动中的重要性

一、植物的含水量：一般占鲜重的70-90%不同种类、器官、年龄不同

二、水的生理生态作用

1. 水是原生质的主要组分； 2. 水直接参与植物体内重要的代谢进程；

3. 水是各类生理生化反映和运输物质的良好介质；

4. 水能使植物维持固有的姿态；

5. 细胞割裂和延伸生长都需要足够的水；

6. 水具有重要的生态意义（体温调节、环境调节等）

三、植物体内水分存在的状态

植物体内水分存在的状态：自由水、束缚水

束缚水：被原生质胶体吸附不易流动的水。特点：不能自由移动，含量转变小，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、可自由流动的水。特性：不被吸附或吸附很松，含量转变大；可以挥发或结冰，起溶剂作用；直接参与代谢。

自由水/束缚水：比值大，代谢强、抗性弱；比值小，代谢弱、抗性强。

第二节 植物细胞对水分的吸收

一、植物细胞的水势

一、概念

化学势：每偏摩尔物质所具有的自由能。用希腊字母μ表示。

在一个多组分混合体系内，组分j的化学势是指在恒温、恒压、其它组分不变的条件下，在体系中加入1mol j 物质引发体系自由能的改变量。

物质老是从化学势高的地方自发地转移到化学势低的地方，而化学势相等时，则呈现动态平衡。

水势：每偏摩尔体积水的化学势。就是说，水溶液的化学势(μw)与同温、同压、同一系统中的纯水的化学势(μw0)之差(△μw)，除以水的偏摩尔体积(Vw)所得的商，称为水势。偏摩尔体积：温度、压强及其组分不变的条件下，在体系中加入1mol水时，体系体积的转变。

水势单位：帕（Pa）、巴(bar)、大气压(atm)。兆帕（MPa) 1Mpa=106 Pa

1bar (巴)= MPa= atm (大气压)

1标准atm=×105 Pa= bar

纯水的化学势规定为零，水中的溶质会增加束缚能，降低水的自由能，所以溶液的化学势均小于零，为负值。 水分的移动方向：水分由高水势区域流向低水势区域。

二、植物细胞的水势组成

Ψw = ψs + ψp + ψm + ψg

Ψs ：渗透势 Ψp ：压力势

Ψm ：衬质势 Ψg ：重力势（通常忽略不计）

(1)溶质势(solute potential)；渗透势(osmotic potential)

由于溶质颗粒的存在而引发体系水势降低的数值。用ψs表示。

ψs =-P(渗透压)=-iCRT。i：等渗系数，依盐的种类和温度不同而转变。C：溶质浓度R：气体常数。T：绝对温度。

(2)压力势(pressure potential)：由于细胞壁压力的存在而增加的水势。

原生质吸水膨胀，对细胞壁产生压力，而细胞壁对原生质会产生一个反作使劲，这就是细胞的压力势。

一般情况下压力势为正值；质壁分离时压力势为零；猛烈蒸腾时压力势为负值。

(3)衬质势(matric potential)：由于细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水的束缚而引发的水势降低值。恒为负值。未形成液泡的细胞有必然的衬质势（如干燥种子的可达-100MPa）。 已形成中央大液泡的成熟细胞Ψm可忽略不计。

有液泡细胞，ψm 忽略不计，水势公式简化为：ψw =ψs+ψp

没有液泡的分生细胞、风干种子胚细胞：ψw =ψm

初始质壁分离细胞：ψw =ψs

水饱和细胞：ψw =0

细胞间的水分移动：相邻两细胞间水分移动方向取决于两细胞间的水势差，水老是从水势高处流向水势低处，势差越大，流速越快。

二、植物细胞的吸水方式

一、植物细胞的渗透性吸水

渗透作用概念：水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动的现象。

半透膜：只允许水等小分子通过，其它溶质分子或离子不易通过的膜。

渗透吸水：由于ψs的下降而引发细胞吸水。是含有液泡的细胞吸水的主要方式。