Процессы водного обмена растений

Раздел 5 Водный обмен растений

1. Водный баланс растений. 2. Влияние на растения недостатка и избытка влаги в почве. 3. Особенности водообмена у растений разных экологических групп (ксерофитов, мезофитов, гигрофитов, галофитов). 4. Особенности адаптационных реакций на влияние внешних факторов у растений разных экологических групп. 5. Орошение как путь повышения продуктивности растений; его физиологические основы.

1. Водный баланс растений.

Развитие и выживание растений в любых условиях гораздо сильнее зависит от доступности воды, чем от какого-либо ино­го фактора внешней среды.

На протяжении многих лет считалось доказанным, что в пересыхающей почве вода доступна растениям до тех пор, пока содержание влаги в ней не достигнет коэффициента устой­чивого завядания, когда в почве остается недоступная расте­нию вода. Согласно этой точке зрения физиологические про­цессы, рост и развитие растений на почве, подвергающейся иссушению, протекают нормально до достижения коэффи­циента завядания. Однако накоплено много данных, по­казывающих, что на обмен веществ, а следовательно, на рост и развитие растений влияет даже слабый водный дефицит. Та­кой внутренний водный дефицит возникает в тканях задолго до того, как содержание влаги в почве приблизится к уровню коэффициента завядания. Растения, перенесшие только однократную сильную кратко­временную засуху, так и не возвращаются к нормальному об­мену веществ. Внутренний водный баланс растения зависит от комплекса факторов, связанных а) с самим растением (засухо­устойчивость, глубина проникновения и ветвление корней, фаза развития); б) с количеством растений на данной площади; в) с климатическими факторами (потери воды на испарение и транспирацию, температура и влажность воздуха, туман, ве­тер и свет, количество осадков и т. д.); г) с почвенными факто­рами (количество воды в почве, осмотическое давление почвен­ного раствора, структура и влагоемкость почвы и др.).

2. Влияние на растения недостатка и избытка влаги в почве.

Дефицит влаги в растениях действует на такие процессы, как поглощение воды, корневое давление, прорастание семян, устьичные движения, транспирация, фотосинтез, дыхание, фер­ментативная активность растений, рост и развитие, соотноше­ние минеральных веществ и др. Изменяя обмен веществ, недо­статок воды влияет на продуктивность, вкус плодов, плотность древесины, длину и прочность волокна у хлопчатника и т. д.

Степень оводненности, необходимая для начала прораста­ния семян, сильно варьирует у разных видов. Между ско­ростью прорастания семян и скоростью поглощения воды су­ществует определенная корреляция. На скорость прорастания влияют также свойства семян и водоудерживающая способ­ность почвы.

Влияние водного дефицита на метаболические процессы в значительной мере зависит от длительности его действия. При устойчивом завядании растений увеличивается скорость распада РНК, белков и одновременно возрастает количество небелковых азотсодержащих соединений и отток их в стебель и колос (у злаков). В результате в условиях засухи содержание белков в листьях относительно уменьшается, а в семенах — уве­личивается.

Влияние водного дефицита на углеводный обмен выражает­ся вначале в снижении содержания моно- и дисахаридов в фо-тосинтезирующих листьях из-за снижения интенсивности фото­синтеза, затем количество моносахаридов может возрастать как следствие гидролиза полисахаридов листьев нижних яру­сов. При длительном водном дефиците наблюдается уменьше­ние количества всех форм Сахаров»».

Длительный водный дефицит снижает интенсивность фото­синтеза и, как следствие, уменьшает образование АТР в про­цессе фотосинтетического фосфорилирования. Под влиянием почвенной и атмосферной засухи тормозится также отток про­дуктов фотосинтеза из листьев в другие органы.

В условиях оптимального водоснабжения наблюдается по­ложительная корреляция между интенсивностью дыхания и ко­личеством фосфорилированных продуктов. Водный дефицит по-разному сказывается на дыхании листьев разного возраста: в молодых листьях содержание фосфорилированных продуктов резко падает, как и интенсивность дыхания, а у листьев, закон­чивших рост, эта разница четко не проявляется. При дефиците воды снижается дыхательный коэффициент.

Необходимо отметить, что в условиях водного дефицита верхние листья, в которых за счет некоторого усиления гидро­литических процессов увеличивается содержание осмотически активных веществ, оттягивают воду от нижних листьев и дольше сохраняют ненарушенными синтетические процессы, а нижние листья в этих условиях засыхают раньше верхних.

Источник

3. Водный обмен

Вода является главной составной частью растений. Ее содержание неодинаково в разных органах растения (так, в листьях салата она составляет 95 %, а в сухих семенах — не более 10 % от массы ткани) и зависит от условий внешней среды, вида и возраста растения. Для своего нормального существования растение должно содержать определенное количество воды. Два процесса – поступление и испарение воды – называют водным балансом.

Вода — это среда, в которой протекают процессы обмена веществ. Все реакции гидролиза, окислительно-восстановительные реакции идут с участием воды. Вода служит источником кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, используемого для восстановления углекислого газа. Вода поддерживает конформацию молекул белка, устойчивость структур цитоплазмы и оболочки клеток в упругом состоянии. С изменением тургорного давления связаны некоторые движения частей растений.

Заряды в молекуле воды распределены неравномерно, так как атом кислорода воды оттягивает электроны от атомов водорода. Поэтому молекула воды представляет собой диполь: один полюс молекулы заряжен положительно, а другой отрицательно. Благодаря этому молекулы воды могут ассоциировать друг с другом, ионами и белковыми молекулами. Вода участвует в поглощении и транспорте веществ, так как является хорошим растворителем. Гидратные оболочки, окружающие ионы, ограничивают их взаимодействие.

Вода обладает высокой теплоемкостью — 1кал/град, что позволяет растению воспринимать изменения температуры окружающей среды в смягченном виде. Испарение воды растениями — транспирация служит основным средством терморегуляции у растений. Растения испаряют очень много воды. Большой расход воды связан с тем, что растения обладают значительной листовой поверхностью, необходимой для поглощения углекислого газа, содержание которого в воздухе незначительно (0,032 %).

3.2. Формы почвенной влаги

По степени доступности для растения различают следующие формы почвенной влаги. Гравитационная вода заполняет промежутки между частицами почвы и хорошо доступна растениям. Однако она быстро испаряется и легко стекает в нижние горизонты почвы под влиянием силы тяжести, вследствие чего бывает в почве лишь после дождей. Капиллярная вода заполняет капилляры в почвенных частицах. Эта вода хорошо доступна для растений, она удерживается в капиллярах силами поверхностного натяжения и поэтому не только не стекает вниз, но и поднимается вверх от грунтовых вод. Пленочная вода окружает коллоидные частицы почвы. Вода из периферических слоев гидратационных оболочек может поглощаться корнями. Гигроскопическая вода адсорбируется сухой почвой при помещении ее в атмосферу с 95 %-ной относительной влажностью. Этот тонкий слой молекул воды удерживается с такой силой, что их водный потенциал достигает -1000 бар и она недоступна для растений.

Количество почвенной воды в процентах, при котором растение впадает в устойчивое завядание, называют коэффициентом или влажностью завядания. Завядание растений разных видов может начинаться при одной и той же влажности, но промежуток времени от завядания растения до его гибели (интервал завядания) у растений может быть различным. Так, для растений бобов он составляет несколько суток, а для растений проса — несколько недель. Завядание начинается позже у растений с более отрицательным осмотическим потенциалом и меньшей скоростью транспирации.

«Мертвый запас» влаги в почве — это количество воды полностью недоступной растению. Он зависит от механического состава почвы. Чем больше глинистых частиц в почве, тем больше «мертвый запас» влаги. Количество доступной для растения воды представляет собой разность между полевой влагоемкостью (максимальное количество воды, удерживаемое почвой) и «мертвым запасом».

Источник

Раздел 2. Водный обмен растений

Растительные ткани содержат большое количество воды (в среднем 75…90 % массы растения). Осо­бенно богаты водой сочные плоды, молодые корни и молодые листья (работа 10). Активное проявление жизнедеятельности без воды вообще невозможно. Это объясняется свойствами и ролью воды в живых клетках.

Вода в растениях находится как в свободном (с неизменными физико-химическими свойствами), так и связном состоянии (с измененными физико-химическими свойствами). Свободная вода содержится в клеточных стенках и проводящей системе растений. Связная вода составляет 10…15 % общего её содержания. Осмотически связная вода содержится в вакуолях клеток, коллоидно связная – в цитоплазме, каппилярно связная – в клеточных стенках, ксилеме, флоэме.

Вода обладает важными для процессов жизнедеятельности свойствами: высокой теплопроводностью, теплоемкостью и теплотой парообразования (охлаждение растения при транспирации); высокой растворяющей способностью; способностью диссоциировать на ионы (гидратирует белки, полисахариды, фосфолипиды, биоколлоиды и обеспечивают их пространственную конфигурацию и ориентацию в клеточных структурах); высокой реакционной способностью (участие в окислительно-восстановительных реакциях, гидролизе); электропроводностью (электрические свойства клеток).

Водный обмен растений складывается из процессов поглощения, передвижения и испарения воды.

Основным механизмом поглощения воды клетками является осмос (работа 11). Благодаря осмосу в клетках поддерживается тургорное давление, возникают другие осмотические явления (работа 12).

Важнейшим термодинамическим показателем, характеризующим состояние воды в растениях, является водный потенциал (работа 13), который являются алгебраической суммой четырех компонентов – осмотического потенциала (работа 14), матричного потенциала, потенциала давления и гравитационного потенциала. Градиент водного потенциала определяет направление транспорта воды в клетках, тканях, в системе почва-растения-атмосфера.

Функцию поглощения воды выполняет корневая система. Поглотительная способность корней зависит от их ростовой активности, степени ветвления, общей и рабочей адсорбирующей поверхности, обеспеченности органическими веществами. Основными внешними факторами, влияющими на поглощение воды корнями, являются температура и аэрация почвы.

Восходящий транспорт воды в растениях осуществляется под действием двух концевых двигателей: нижнего (корневое давление) и верхнего (транспирация). Вода передвигается как по живым клеткам (радиальный транспорт в корне, транспорт по клеткам листа), так и по проводящей системе (ксилеме). Направленный транспорт воды от корневых волосков к сосудам (радиальный транспорт в корне) способствует возникновению корневого давления. Проявлением корневого давления является плач растений – вытекание ксилемного сока из поврежденных стеблей или веток, и гуттация – выделение капельно-жидкой влаги в условиях высокой влажности воздуха через гидатоды, расположенные на кончиках или зубчиках листа.

Более 99 % поглощенной растениями воды испаряется. Процесс испарения воды растениями называется транспирацией. Главным органом транспирации является лист. Транспирация имеет важное физиологическое значение – обеспечивает охлаждение растений, способствует газообмену, транспорту минеральных веществ, является верхним концевым двигателем восходящего тока.

Для количественной характеристики водообмена используется ряд показателей: интенсивность транспирации (работы 15, 16, 18), относительная транспирация (работа 17), продуктивность транспирации, транспирационный коэффициент, водный дефицит (работа 19).

В посевах сельскохозяйственных культур эффективность использования воды характеризует эвапотранспирационный коэффициент, или коэффициент водопотребления, который рассчитывается как отношение эвапотранспирации (суммарного расхода воды с 1 га посева или насаждения за вегетацию) к создан­ной биомассе или хозяйственно-полезному урожаю.

Регуляция водообмена растений является одним из условий оптимизации их роста, развития и повышения продуктивности.

Источник