Раздел 3. Водный режим растений Лекция 3. Водный режим растений. Функции и формы воды в растениях.
Вода является одной из главных составных частей 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, в среднем 75-80 % массы растительной ткани.
Функции воды: 1 — среда, в которой протекают процессы обмена веществ; 2 — субстрат и продукт биохимических процессов (реакции гидролиза, окислительно-восстановительные реакции); 3 — источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, используемого для восстановления углекислого газа; 4 — поддерживает конформацию молекул белка; 5 — обеспечивает устойчивость структур цитоплазмы и оболочки клеток в упругом состоянии; 6- обеспечивает «тургорные» движения частей растений; 7 — осуществляет терморегуляцию растительного организма.
Свойства воды, обеспечивающие ее функции в растительной клетке: 1 — молекула воды представляет собой диполь; 2 — благодаря этому молекулы воды могут ассоциировать друг с другом, ионами и белковыми молекулами; 3 — вода участвует в поглощении и транспорте веществ, так как является хорошим растворителем, гидратные оболочки, окружающие ионы, ограничивают их взаимодействие; .4 — 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.
Формы воды в клетке.
В клетках и тканях различают две формы воды – прочно связанную (связанную) и рыхлосвязанную (свободную).
Связанная вода. Осмотически- связанная вода – гидратирует растворенные вещества – ионы и молекулы; коллоидно-связанная вода — гидратирует коллоиды (макромолекулы); капиллярно-связанная вода – связанная со структурами клеточных стенок и сосудов за счет сил адгезии.
Связанная вода выполняет структурную функцию – поддерживая структуру коллоидов и обеспечивая функционирование ферментов, органоидов и клетки в целом. Она мало подвижна, не участвует в растворении и транспорте веществ, отличается более низкой температурой замерзания и более высокой температурой кипения, чем свободная вода.
Свободная вода обладает высокой подвижностью, является растворителем и основным транспортером веществ по растению.
Доля связанной воды в клетке составляет около 40%, доля свободной – около 60%. При недостатке влаги в первую очередь снижается доля свободной воды.
Корневая система как орган потребления воды.
Водный баланс растений складывается из поглощения, использования и потери воды. Корневая система является органом поглощения воды из почвы. Сформировавшаяся корневая система представляет собой сложный орган с хорошо дифференцированной структурой. Подсчитано, что общая поверхность корневой системы может превышать поверхность надземных органов примерно в 150 раз. Рост корня и его ветвление продолжаются в течение всей жизни растения.
Поглощение воды и питательных веществ осуществляется корневыми волосками ризодермы. Ризодерма — это однослойная ткань, покрывающая корень снаружи. У одних видов растений каждая клетка ризодермы формирует корневой волосок, у других она состоит из двух типов клеток: трихобластов, образующих корневые волоски, а атрихобластов, не способных к образованию волосков (слайд 3.2).
Из ризодермы вода попадает в клетки коры. У травянистых растений кора корня обычно представляет собой несколько слоев живых паренхимных клеток. Между клетками имеются крупные межклетники, обеспечивающие аэрацию корня. Через клетки коры возможны два пути транспорта воды и растворов минеральных солей: по симпласту и апопласту. Более быстрый транспорт воды происходит по апопласту.
Затем вода попадает в клетки эндодермы. Эндодерма — это внутренний слой клеток коры, граничащий с центральным цилиндром. Их клеточные стенки водонепроницаемы из-за отложения суберина и лигнина (пояски Каспари). Поэтому вода и соли проходят через клетки эндодермы по симпласту и транспорт воды в эндодерме замедляется. Это необходимо, так как диаметр стели (центрального цилиндра), куда попадает вода из эндодермы, меньше всасывающей поверхности корня.
Центральный цилиндр корня содержит перицикл и две системы проводящих элементов: ксилему и флоэму. Клетки перицикла представляют собой одно- или многослойную обкладку проводящих сосудов. Его клетки регулируют транспорт веществ как из наружных слоев в ксилему, так и из флоэмы в кору. Кроме того, клетки перицикла выполняют функцию образовательной ткани, способной продуцировать боковые корни. Паренхимные клетки перицикла активно транспортируют ионы в проводящие элементы ксилемы. Контакт осуществляется через поры во вторичных клеточных стенках сосудов и клеток. Между ними нет плазмодесм. Затем вода и растворенные вещества диффундируют в полость сосуда через первичную клеточную стенку. Для некоторых паренхимных клеток сосудистого пучка характерны выросты — лабиринты стенок, выстланные плазмалеммой, что значительно увеличивает ее площадь. Эти клетки активно участвуют в транспорте веществ в сосуды и обратно и называются передаточными или переходными. Они могут граничить одновременно с сосудами ксилемы и ситовидными трубками флоэмы. По сосудам флоэмы транспортируются органические вещества из надземной части растения в корни.
Источник
Раздел 3. Водообмен растений Занятие 3. Изучение водного режима растений (4 ч)
Вода – обязательная составная часть живой материи. Роль воды в жизни растений проявляется во всех аспектах их жизнедеятельности. В тканях растений содержание ее колеблется в широких пределах – от 5 % до 95% от сырой массы тканей. Для процессов жизнедеятельности важным условием является не только общее содержание воды, но и ее состояние. Вода является и средой, и непосредственным участником большинства биохимических реакций.
Водный режим растений состоит из трех элементов: поглощения воды, ее передвижения и расходования главным образом в процессе транспирации. Нормальная обеспеченность клеток водой необходима для поддержания их оболочек в упругом состоянии, в состоянии тургора. Благодаря этому поддерживается форма органов растений со слабо развитой механической тканью. С изменением тургорного давления связаны и некоторые движения частей растений. Вода способна переносить по растению как минеральные, так и органические соединения. Испарение воды (транспирация) служит основным средством терморегуляции у растений, так как удельная теплота испарения воды очень велика. Высокое поверхностное натяжение способствует передвижению воды по капиллярам.
Метаболизм и продуктивность растений в сильной степени зависит от состояния воды и ее баланса в тканях. Поэтому различные показатели водообмена часто служат предметом исследования. Настоящий раздел включает некоторые из них.
Задание 8. Определение форм воды в растительных тканях
Содержащаяся в растительных тканях вода (общая вода) условно подразделяется на две формы – свободную (или рыхло связанную) и связанную (или прочно связанную). Под связыванием подразумевается возникновение взаимодействий между молекулами воды и неводного компонента, ведущих с снижению подвижности молекул воды, отчего изменяются и другие её свойства. Свободной, по существу, является более подвижная фракция воды, которая может составлять до 90 % общего количества воды в клетке. Она активно участвует в физиологических процессах.
Определяют свободную воду в растительных объектах при помощи дилятометра. Он представляет собой стеклянный сосуд, который в верхней части снабжен длинной капиллярной трубкой с делениями. Дилятометр дает возможность найти количество льда, которое образуется в тканях растений при температуре -3 о С … -7 о С . Определение при помоща этого прибора основано на измерении увеличения объема воды при переходе ее в лёд.
Ход работы: Сначала необходимо проградуировать дилятометр. Для этого необходимо налить в него 5 мл дистиллированной воды и бензин (или петролейный эфир), который не смешивается с водой и не замерзает при низких температурах. Закрыть пробку с капиллярной трубкой так, чтобы мениск бензина высоко поднялся по трубке.
Прибор поместить в смесь льда (или снега) с поваренной солью. Сначала дать возможность бензину и воде переохладиться до температуры криогидратного раствора, при этом уровень бензина в трубке упадет, а затем станет постоянным. В этот момент сделать первый отсчет, после чего потряхиванием дилятометра вызвать замерзание воды. Объем воды увеличится, что приведет к подъему уровня бензина в трубке. Когда вода замерзнет полностью и движение мениска бензина прекратится, сделать второй отсчет.
После градуировки взять навеску растительной ткани, например 5 г мелко нарезанного картофеля, поместить в дилятометр и залить бензином. Прибор поместить в охладительную смесь, при этом уровень бензина в трубке начнет падать и затем останется постоянным. Сделать первый отсчет. После этого потряхиванием дилятометра вызвать замерзание воды, находящейся в тканях растения. Сделать второй отсчет. По результатам опыта рассчитать содержание свободной воды в процентах к сырому веществу.
Пример расчета содержания свободной воды:
При замерзании 5 мл воды бензин поднялся в трубке на 7 делений, при замерзании 5 г картофеля – на 4 деления. Составить пропорцию и определить количество свободной воды в навеске в мл:
Х мл – 4 деления X = 5 . 4 / 7=2,89 мл
Далее рассчитать содержание свободной воды в процентах к сырому веществу :
2,89 г – Х % X = 2,89 . 100 / 5=57,8%
Для определения общего количества воды необходимо взять навеску из того же клубня картофеля 5-10 г, поместить в алюминиевый бюкс и высушить в сушильном шкафу при температуре 100 о С – 105 о С до постоянной массы.
Вычитанием из взятой навески массы, полученной после ее сушки, найти вес испарившийся воды. Рассчитать процент от сырого вещества тканей:
испарившаяся вода – X % X= испарившаяся вода . 100/навеска %.
Процент связанной воды к сырому веществу найти по разности между общим содержанием и количеством свободной воды:
%связанной воды (к сырому веществу) =% общ. воды — % своб. воды (5)
Для определения доли свободной и связанной воды в общем ее количестве надо провести следующий расчет:
количество общей воды (в % к сырому веществу) — 100%,
количество свободной воды (в % к сырому веществу) – X %,
X = свободная вода (%)*100/общая вода (%) = % свободной воды от общего содержания воды.
Вычитанием от 100% количества свободной воды определить содержание связанной воды в % от общего ее содержания.
Схемы записи опыта. Определение общего содержания воды
Масса бюкса с сырой навеской, г
Масса бюкса с навеской после сушки, г
Количество испарившейся при сушке воды, г
Источник