植物生理課件

第一章植物細(xì)胞Chapter1PlantCellSchematicdiagramofplantcell研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能方法(1)形態(tài)結(jié)構(gòu)觀(guān)察

morphologicalcharacterandstructure(2)生化分析biochemicalanalyze(3)生理測(cè)定physiologicalassay(4)細(xì)胞組分的分級(jí)分離cellfractionationConfocalMicroscopy1.細(xì)胞的膜系統(tǒng)2.細(xì)胞骨架

3.細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)與功能4.胞間連絲5.植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)概述1.細(xì)胞的膜系統(tǒng)(EndomembraneSystem)內(nèi)質(zhì)網(wǎng),高爾基體,液泡,核膜Endoplasmicreticulum,ERGolgicomplexVacuoleNuclearmembrane液泡(centralvacuole)1.1液泡(vacuole)單層膜液泡膜(tonoplast)植物細(xì)胞的液泡及其發(fā)育A-E.幼期細(xì)胞到成熟的細(xì)胞，隨細(xì)胞的生長(zhǎng)，細(xì)胞中的小液泡變大，合并，最終形成一個(gè)大的中央液泡。主要成分是水。不同種類(lèi)細(xì)胞的液泡中含有不同的物質(zhì)，如無(wú)機(jī)鹽、糖類(lèi)、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、酶、樹(shù)膠、丹寧、生物堿等。1.2液泡的功能(1)轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)(2)吞噬和消化作用(3)調(diào)節(jié)細(xì)胞水勢(shì)(4)吸收和積累物質(zhì)(5)賦予細(xì)胞不同顏色酸性時(shí)呈紅色堿性時(shí)呈藍(lán)色植物細(xì)胞液泡2.1微管(microtubule,MT)

2.2微絲(microfilament,MF)

2.3中間纖維(intermediatefilament,IF）2.細(xì)胞骨架

(cytoskeleton)概念

細(xì)胞骨架（cytoskeleton）真核細(xì)胞中由蛋白聚合而成的三維的纖維狀網(wǎng)架體系。包括微絲、微管和中間纖維。在細(xì)胞空間結(jié)構(gòu)的維持、細(xì)胞分裂、細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸，細(xì)胞壁合成等許多生命活動(dòng)中都具有非常重要的作用。

2.1微管(Microtubule)

2.1.1微管的形態(tài)結(jié)構(gòu)

-和

-微管蛋白（tubulin）組成異二聚體，二聚體聚合形成直徑約25nm的空心管狀結(jié)構(gòu)。直列上連在一起的二聚體稱(chēng)為原絲體(protofilament)，大多數(shù)微管由13個(gè)原絲體組成。微管是一動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)微管的裝配微管的聚合具有極：正端和負(fù)端微管蛋白在體外條件下的聚合微管的聚合需要微管蛋白二聚體達(dá)到一定的濃度方可進(jìn)行，這個(gè)濃度稱(chēng)為微管聚合的臨界濃度。微管在體外的聚合還需要鎂離子、GTP和適當(dāng)?shù)木彌_體系。微管的聚合對(duì)溫度十分敏感，通常在低溫（4℃）下微管發(fā)生解聚，而在高溫（37℃）下微管聚合。這一特性也被用于微管蛋白的分離和純化。微管的聚合過(guò)程

植物細(xì)胞周期中微管列陣間期周質(zhì)微管紡錘體微管早前期微管帶成膜體微管2.1.2微管的功能1).控制細(xì)胞分裂和細(xì)胞壁的形成

2).保持細(xì)胞形狀

3).參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)運(yùn)輸2.2

微絲(Microfilament)

2.2.1微絲的結(jié)構(gòu)與特性

微絲是由單體肌動(dòng)蛋白（actin，42kD,375aa)聚合成的直徑7-8nm的螺旋絲狀結(jié)構(gòu)。又稱(chēng)F-actin.相應(yīng)地單體肌動(dòng)蛋白又稱(chēng)G-actin。微絲是一動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)ActinfilamentincentralcellofToreniafournieri(藍(lán)豬耳)labeledwithphalloidin-FITC花粉萌發(fā)過(guò)程中微絲骨架的變化2.2.2微絲的功能

微絲參與胞質(zhì)環(huán)流

微絲系統(tǒng)是形成胞質(zhì)環(huán)流的基礎(chǔ)。微絲參與一些細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng)和錨定(anchoring)：高爾基體的運(yùn)動(dòng)和質(zhì)體的運(yùn)動(dòng)。細(xì)胞核的錨定涉及到微絲和微管。微絲參與細(xì)胞尖端生長(zhǎng)。微絲與植物細(xì)胞的極性建立。3.細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和功能A棉花纖維B梨果實(shí)石細(xì)胞C厚角細(xì)胞D保衛(wèi)細(xì)胞高等植物細(xì)胞壁不僅是一個(gè)機(jī)械的支架，而且更重要的是一個(gè)有代謝活性的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，它參與細(xì)胞的生長(zhǎng)，分化，識(shí)別，抗病和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)壬顒?dòng)過(guò)程。細(xì)胞壁：植物細(xì)胞的質(zhì)膜外一層并不很厚但卻堅(jiān)硬的壁。3.3細(xì)胞壁的次生變化3.2細(xì)胞壁的發(fā)生3.1細(xì)胞壁的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)3.4細(xì)胞壁的功能

細(xì)胞壁（初生壁）的成分：

①.纖維素（cellulose）

②.半纖維素（hemicellulose）

③.果膠類(lèi)物質(zhì)(Pecticsubstance)

④.蛋白質(zhì)

⑤.礦質(zhì)

⑥.其它化學(xué)成分3.1細(xì)胞壁的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)①.纖維素（cellulose）纖維素分子是由（1－4）糖苷鍵連接的D-葡聚糖組成的高分子聚合物，并通過(guò)分子內(nèi)氫鍵使其形成一種類(lèi)螺旋狀的結(jié)構(gòu)。這種纖維素分子鏈不分支、不溶于水。纖維素，以微纖絲的(microfibril)形式存在，約占初生壁的20%－30%。1）、成分2）、纖維素的合成在質(zhì)膜上的蓮座（rosette）部位進(jìn)行。蓮座是纖維素合酶復(fù)合體（cellulosesynthetasecomplex）蓮坐通過(guò)質(zhì)膜的冷凍蝕刻和旋轉(zhuǎn)投影成像121.綠藻水綿的蓮坐聚集。2.水芹，正在增厚的細(xì)胞壁下的膜上，聚集很多的蓮坐。蔗糖合酶纖維素合酶復(fù)合體纖維素在質(zhì)膜纖維素合酶復(fù)合體上進(jìn)行合成的分子模型蔗糖＋UDP＝UDPG+果糖纖維素合酶

（14）連接的D-葡聚糖鏈

尿〔核〕苷二磷酸

根據(jù)序列同源性，在模式植物擬南芥中有10個(gè)CESA

基因。第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的纖維素合成酶基因，CESA1(RSW1)參與初生壁合成的基因：CESA1，CESA3，CESA6,有時(shí)還結(jié)合CESA2，CESA5或CESA9。參與次生壁合成的基因：CESA4，CESA7，CESA8。MostplantcellwallmatrixpolysaccharidesarefirstsynthesizedwithinthecellintheGolgiandsubsequently

depositedintothewallbyexocytosis.Celluloseissynthesizedattheplasmamembranebyaverylargemembrane-boundcomplexknownasthe

cellulosesynthasecomplex(CSC).ThreedifferentCesAproteins

interactassubunitswithinacellulose

synthasecomplex:CesA1,CesA3,CesA6---primarycell

wall.CesA4,CesA7,andCesA8–secondary

cellwalls.β-1，4葡聚糖→鏈狀纖維素分子→微纖絲→大纖絲→細(xì)胞壁。微纖絲的結(jié)構(gòu)形成的示意圖微團(tuán)相同的極性3）、微纖絲的組裝微管指導(dǎo)微纖絲的排列方向間期周質(zhì)微管纖維素微纖絲的組織與定向微管可能參與纖維素微纖絲的定向。TherelationshipbetweenterminalcomplexeswithmicrotubuleOverviewofCSCintracellulartrafficking.WightmanR,TurnerS.Plantphysiol2010;153:427-432LocalizationofMicrotubulesandtheCesAProteinIRX1(CESA8)inDevelopingXylemVessels.Confocalimageshowingthelocalizationofα-tubulin(green)andIRX1(red)EckardtN.Plantcell2003;15:1685-1687②半纖維素（hemicellulose）

約占20%25%

異質(zhì)多聚糖(中性和酸性)③果膠（pectin）

約占10%35%

異質(zhì)多聚糖

(–1,4–D–半乳糖醛酸)WTMutantMutantMutantWT12h24h48h果膠甲脂酶pectinmethylesterase參與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì):如伸展蛋白（extensin)與細(xì)胞壁組建或調(diào)節(jié)壁特性有關(guān)的酶類(lèi)：如纖維素酶、過(guò)氧化物酶類(lèi)識(shí)別或調(diào)節(jié)蛋白：如糖蛋白（凝集素，lectin)、擴(kuò)張蛋白（expansin）④蛋白質(zhì)(protein)占5%10%

伸展蛋白（extensin）：Lamport等人于1960年發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞壁中有富含羥脯氨酸的糖蛋白，約占初生壁干重的510%

。功能：可被傷害和病蟲(chóng)害所誘導(dǎo)；與植物細(xì)胞抵抗逆境有關(guān)。AFMimagesofself-assemblingextensins.LamportDetal.Plantphysiol2011;156:11-19AFM-原子力顯微鏡凝集素(lectin)：

一類(lèi)存在于細(xì)胞壁中能與多糖結(jié)合或使細(xì)胞凝集的蛋白，主要為糖蛋白，對(duì)糖基結(jié)合具有專(zhuān)一性。功能：參與植物對(duì)細(xì)菌、真菌和病毒的防御作用；在細(xì)胞識(shí)別中起重要作用。調(diào)節(jié)蛋白，可以使熱失活的細(xì)胞壁恢復(fù)在酸性條件下伸展的蛋白質(zhì)。擴(kuò)張蛋白（expansin）Microfibrilseparationvialooseningthecross-linkingglycansbyexpansinsexpansin木聚糖纖維素微纖絲“應(yīng)力松弛”松弛－生長(zhǎng)－拉緊

擴(kuò)張蛋白的已知特性

不能水解纖維素、半纖維素、果膠和細(xì)胞壁的其他成分，它的作用是打開(kāi)纖維素微纖絲與木葡聚糖或其它半纖維素多糖間的氫鍵等非共價(jià)鍵。對(duì)pH敏感。專(zhuān)一性。鈣調(diào)素和鈣調(diào)素結(jié)合蛋白:

可能在與鈣相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起作用。⑤礦質(zhì)

細(xì)胞壁是植物細(xì)胞的最大鈣庫(kù)（可達(dá)到10-5-10-4mol/L）。作用：在細(xì)胞壁的果膠的羧基間形成鈣橋（calciumbridge），有固化細(xì)胞壁的作用；鈣在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中起重要作用。木質(zhì)素:不是多糖，是由苯基丙烷衍生物的單體所構(gòu)成的聚合物，共價(jià)結(jié)合在纖維素和其它多糖上形成疏水網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。木質(zhì)素增加細(xì)胞壁的機(jī)械強(qiáng)度和抵抗病原菌的能力。栓質(zhì):由酚類(lèi)和脂類(lèi)化合物構(gòu)成，栓質(zhì)可防止水分蒸發(fā)。

角質(zhì):由長(zhǎng)度不等的脂肪酸構(gòu)成,可防止水分蒸發(fā),

機(jī)械損傷等。⑥其它化學(xué)成分:細(xì)胞壁中微纖絲與半纖維素和果膠質(zhì)的關(guān)系?微纖絲周?chē)錆M(mǎn)著襯質(zhì)(matrix），襯質(zhì)包括半纖維素和果膠質(zhì)。微纖絲與半纖維素和果膠質(zhì)的關(guān)系3.1.2細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)及組成A.Diagramofthecellwallorganization;B.Crosssectionofpinetracheidinwhichthreedistinctlayersinthesecondarywallarevisible.初生壁、次生壁和胞間層3.2細(xì)胞壁的發(fā)生（1）高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞核合成造壁物質(zhì)，線(xiàn)粒體提供能量。（2）纖維素的合成（3）微纖絲的組裝Cellwallformation,showndiagrammatically成膜體微管蛋白質(zhì)和修飾壁的酶非纖維素多糖所有結(jié)構(gòu)蛋白的肽鏈均在粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成，在高爾基體中進(jìn)行糖基化。3.3細(xì)胞壁的功能（結(jié)合成分與結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論）支撐和保護(hù)細(xì)胞纖維素微纖絲的骨架作用，半纖維素的支撐作用，結(jié)構(gòu)蛋白的網(wǎng)絡(luò)作用，果膠的粘合作用以及各組分之間的相互交聯(lián)，使細(xì)胞壁具有很強(qiáng)的剛性。細(xì)胞壁各層次上微纖絲的排列方向不同，在次生壁中更為明顯，使細(xì)胞壁可忍受來(lái)自各方向的壓力。維持細(xì)胞形狀和控制細(xì)胞生長(zhǎng)種子植物各種形狀的細(xì)胞細(xì)胞壁增加了細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度，并承受著內(nèi)部原生質(zhì)體由于液泡吸水而產(chǎn)生的膨壓，從而使細(xì)胞具有一定的形狀。通過(guò)控制細(xì)胞壁的組織，如微纖絲的合成部位和排列方向，來(lái)控制細(xì)胞的形狀。調(diào)節(jié)細(xì)胞水分平衡、物質(zhì)運(yùn)輸細(xì)胞壁中的果膠物質(zhì)與水親和力大，水分子滲入到壁結(jié)構(gòu)中，小分子物質(zhì)易于通過(guò)，利于細(xì)胞對(duì)物質(zhì)的吸收與排出。

細(xì)胞壁形成了植物體的質(zhì)外體空間。特別是由特化的細(xì)胞壁所形成的導(dǎo)管在水分和礦質(zhì)運(yùn)輸中起著不可替代的作用。植物的防御功能細(xì)胞壁是被動(dòng)防御的屏障細(xì)胞壁是主動(dòng)防御的前哨木質(zhì)化作用胼胝質(zhì)積累伸展蛋白增加高度木質(zhì)化和栓質(zhì)化

植保素(抗毒素）過(guò)敏性死亡細(xì)胞識(shí)別與信息傳遞細(xì)胞壁是化學(xué)信號(hào)和物理信號(hào)傳遞的介質(zhì)和通路。細(xì)胞壁中一些寡糖片段具有信號(hào)作用，調(diào)控基因表達(dá)。細(xì)胞壁是植物細(xì)胞最大的鈣庫(kù)，細(xì)胞壁內(nèi)還有鈣調(diào)素，說(shuō)明細(xì)胞壁在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中可能有作用。細(xì)胞壁中的多聚半乳糖醛酸酶和凝集素還可能參與了砧木和接穗嫁接過(guò)程中的識(shí)別反應(yīng)。4.胞間連絲(plasmodesmata）細(xì)胞的原生質(zhì)膜突出，穿過(guò)細(xì)胞壁與另一個(gè)細(xì)胞的原生質(zhì)膜連在一起，是相鄰細(xì)胞間穿通細(xì)胞壁的細(xì)胞質(zhì)通路。PlasmodesmataareregulatedconnectionsbetweenplantcellsCellWallReprintedfromZambryski,P.(2008)Plasmodesmata.Curr.Biol.18:R324-325withpermissionfromElsevier.TEMimagecreditBSAPhotobyKatherineEsau;胞間連絲結(jié)構(gòu)圖解孔環(huán)8-10=2.5nm胞間連絲的類(lèi)型胞間連絲的功能

物質(zhì)運(yùn)輸信息傳遞電波傳遞病毒的胞間運(yùn)動(dòng)5.植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)概述細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(signaltransduction)：

指的是偶聯(lián)各種胞外信號(hào)（包括各種內(nèi)、外源信號(hào)）與其所引起的特定生理效應(yīng)之間的一系列分子反應(yīng)機(jī)制，具體包括細(xì)胞感受、傳導(dǎo)及放大各種刺激信號(hào)的分子機(jī)制，以及經(jīng)傳導(dǎo)和放大后的次級(jí)信號(hào)（第二信使）調(diào)控細(xì)胞生理生化活動(dòng)的分子機(jī)制等。細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模式框圖胞外刺激信號(hào)受體G蛋白效應(yīng)器第二信使靶酶或調(diào)節(jié)因子短期生理效應(yīng)基因表達(dá)調(diào)控跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)長(zhǎng)期生理效應(yīng)細(xì)胞外質(zhì)膜細(xì)胞內(nèi)5.1受體5.2GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白5.3第二信使系統(tǒng)5.4蛋白激酶和蛋白磷酸酶5.1受體（receptor)能夠特異識(shí)別生物活性分子并與之結(jié)合，進(jìn)而引起生物學(xué)效應(yīng)的特殊蛋白質(zhì)（個(gè)別是糖脂）。能與受體特異性結(jié)合的生物活性分子稱(chēng)為配體專(zhuān)一性；高親和力；具有飽和性；可逆性光信號(hào)受體，激素受體，植物細(xì)胞受體樣激酶此類(lèi)蛋白由于其生理調(diào)節(jié)功能有賴(lài)于與三磷酸鳥(niǎo)苷（GTP）的結(jié)合以及具有GTP水解酶的活性而得名。5.2GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白（GTP-bindingregulatoryproteins；簡(jiǎn)稱(chēng)G蛋白）:活細(xì)胞內(nèi)的G蛋白三種不同亞基（

,

,

）構(gòu)成的三聚體G蛋白（heterotrimericG-proteins，又稱(chēng)為大G蛋白）只含有一個(gè)亞基的單聚體G蛋白，又被稱(chēng)為小G蛋白（smallG-proteins）一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)結(jié)合GTP時(shí)G蛋白呈活化狀態(tài)，而當(dāng)GTP水解為GDP時(shí)，G蛋白為非活化狀態(tài)。5.2第二信使系統(tǒng)5.2.1鈣離子光激素溫度水分機(jī)械刺激病原因子其它跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)質(zhì)膜鈣通道內(nèi)膜鈣通道胞質(zhì)游離鈣氣孔運(yùn)動(dòng)胞質(zhì)運(yùn)動(dòng)離子通道碳代謝生長(zhǎng)分化基因表達(dá)胞質(zhì)pH跨膜電位細(xì)胞骨架酶活性等等鈣參與植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖5.2.2磷酯酰肌醇途徑為什么水總是往低處流？高度差異—重力勢(shì)！植物細(xì)胞內(nèi)怎么流動(dòng)？動(dòng)力是什么？體系自由能（free

energy）：體系中能夠做最大有用功的那部分能量。自由能降低原理（Principle

of

free

energy

decreasing）:

恒溫恒壓下，不做非體積功的封閉體系，總是自發(fā)地向著自由能降低的方向變化，當(dāng)自由能降低到最小值時(shí)，體系達(dá)到平衡態(tài)。狀態(tài)：△G＞0；＝0；＜0在一個(gè)多組分的體系中，其中的變量有多個(gè)，也含有多種不同量的物質(zhì)，因此該體系的變化就是有多種變量和多種不同量的物質(zhì)所致。等溫等壓條件下,在無(wú)限大的體系中，加入1摩爾j物質(zhì)時(shí)引起體系自由能的改變量。用j表示,寫(xiě)成數(shù)學(xué)表達(dá)式為:化學(xué)勢(shì)(chemicalpotential)化學(xué)勢(shì)可以指示某組分物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或轉(zhuǎn)移的本領(lǐng)。例如，設(shè)組分j在狀態(tài)A和狀態(tài)B的化學(xué)勢(shì)分別為μjA和μ

jB。當(dāng)一個(gè)體系中含有水分，水這個(gè)組分參與化學(xué)反應(yīng)或轉(zhuǎn)移的本領(lǐng)，用水的化學(xué)勢(shì)來(lái)表示，即：將標(biāo)準(zhǔn)條件下的純水化學(xué)勢(shì)規(guī)定為零,任何一溶液中水的化學(xué)勢(shì)與純水化學(xué)勢(shì)進(jìn)行比較：

Δμw=μw-μw0偏摩爾體積（the

partial

mole

volume，Vm)

：在溫度、壓強(qiáng)和其它組分不變時(shí)，在無(wú)限大的體系中加入1mol水時(shí)對(duì)體系體積的增量。Δμw=μw-μw0Ψw=--------------μw-μw0Vm水勢(shì)（water

potential）：每偏摩爾體積水的化學(xué)勢(shì)差。在20℃，1atm下，純自由水：Vw,m=18cm3/mol1mol水加入0.1M的蔗糖溶液中，

Vw,m=18.4cm3/mol1mol水中加入0.1MNaCl溶液中，

Vw,m=18.1cm3/mol1mol水加入酒精（50%）溶液中，

Vw,m=16.5cm3/mol水勢(shì)單位J.mol-1每摩爾水的化學(xué)勢(shì)m3.mol-1

每摩爾體積水勢(shì)=J.m-3=N.m.m-3=N.m-2=Pa溶液中溶質(zhì)的存在降低了水的自由能。溶液中的水勢(shì)如何界定？溶質(zhì)勢(shì)或滲透勢(shì)（SolutepotentialorOsmoticpotential）稀溶液的滲透勢(shì)可以由范德霍夫（Van'tHoff）方程式估算：

ψs=-RTCs

R：為氣體常數(shù)=0.0083dm3.MPa.mol.K-1;8.32焦?fàn)?摩爾.K；

T：為絕對(duì)溫度(K)；

Cs：為溶質(zhì)的濃度，每升水中完全溶解的溶質(zhì)粒子的摩爾數(shù)來(lái)表示（mol/L），負(fù)號(hào)表示溶解的溶質(zhì)降低溶液的水勢(shì)。陸生植物的葉片細(xì)胞的溶質(zhì)勢(shì)是-2

~

-1MPa;旱生植物葉片的細(xì)胞溶質(zhì)勢(shì)可以低到~

-10MPa。由于壓力存在而使體系水勢(shì)改變的數(shù)值。壓力勢(shì)（Pressurepotential，ψp)1atm下，開(kāi)放體系的溶液壓力勢(shì)為0。細(xì)胞吸水膨脹，較為剛性的細(xì)胞壁對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生壓力，使細(xì)胞具有正壓力勢(shì)。草本植物葉肉細(xì)胞壓力勢(shì)，晴天午后一般為0.3—0.5MPa,晚上為1.5MPa。細(xì)胞質(zhì)壁分離時(shí)，ψp為0。木質(zhì)部具有負(fù)的壓力勢(shì)。重力作用使水由高向低移動(dòng)，即：使處于較高位置的水比較低位置的水有高的水勢(shì)。重力勢(shì)Gravitationalpotential(ψg)

ψg=ρwghρw為水的密度；

g為重力加速度；

h為水相對(duì)于參考狀態(tài)時(shí)的高度。由于親水的大分子（如蛋白質(zhì)、淀粉粒、纖維素）與水分子的相互作用降低的那部分水勢(shì)?；|(zhì)勢(shì)（Matricpotential，ψm)在水分飽和的情況下，基質(zhì)勢(shì)可以忽略不記。干種子：ψw=ψm水分飽和的成熟細(xì)胞：ψw=ψs+ψp溶液的水勢(shì)Ψw=Ψs+Ψp+Ψg=-iCRT判斷溶液或植物細(xì)胞中的水勢(shì)：純水：ψw=0溶液：ψw=-iCRT水分飽和細(xì)胞：ψw=0，ψp=-ψs

萎蔫細(xì)胞：ψp=0，ψw=ψs細(xì)胞在外液中平衡時(shí)：細(xì)胞水勢(shì)=外液水勢(shì)植物細(xì)胞中的水勢(shì)組分與計(jì)算Ψw=ψp+ψs如何判斷細(xì)胞間水分流動(dòng)方向？比較各細(xì)胞Ψw的高低，水分總是從水勢(shì)高處流向水勢(shì)低處。水分如何進(jìn)入細(xì)胞？擴(kuò)散

(diffusion)集流(massflow或bulkflow)滲透作用（osmosis）三種方式：擴(kuò)散

(diffusion)物質(zhì)分子(氣體分子、水分子或溶質(zhì)分子)從較高濃度區(qū)向較低濃度區(qū)隨機(jī)的但是累進(jìn)的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致擴(kuò)散分子的均勻分布。擴(kuò)散的速度是很慢的(可通過(guò)菲克定律計(jì)算)。僅能滿(mǎn)足細(xì)胞尺度的物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男枰?。擴(kuò)散的動(dòng)力來(lái)自于溶質(zhì)勢(shì)梯度。集流(massflow或bulkflow)流速可用Poiseuille方程計(jì)算：

πr4?ψp

體積流速＝[————][———]

８η

χ

集流速率的單位是米3/秒；

r=管道半徑；

η=溶液粘度；

?ψp/χ=壓力差。由于壓力差的存在而形成的大量分子集體的運(yùn)動(dòng)。植物體內(nèi)木質(zhì)部汁液和韌皮部汁液的的運(yùn)輸都是以集流方式進(jìn)行的。滲透作用（osmosis）當(dāng)溶液被膜分隔為兩個(gè)部分，溶質(zhì)無(wú)法跨膜運(yùn)動(dòng)時(shí)，溶劑的跨膜擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。水分進(jìn)入細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)主要是以滲透形式進(jìn)行的。滲透的動(dòng)力來(lái)處于溶質(zhì)勢(shì)梯度和壓力勢(shì)梯度。水進(jìn)入植物細(xì)胞主要靠滲透運(yùn)動(dòng)，但過(guò)細(xì)胞膜時(shí)憑借水分子的跨膜擴(kuò)散與水通道蛋白。Watermovementacrossbiologicalmembranesoccursthroughthelipidbilayerandtheporesformedbywaterchannel.細(xì)胞滲透吸水過(guò)程中水勢(shì)及其組分與細(xì)胞體積變化之間的關(guān)系：圖中：水分飽和狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞ψw=0，ψp=-ψs，體積最大。水勢(shì)ψw從0下降到–1.8MPa細(xì)胞體積只下降5%。在這個(gè)過(guò)程中主要是ψp的下降（~1.5MPa)，ψs變化只占很小的比例（~

0.3MPa）。ModifiedHoflerdiagram（AfterTyreeandJarvis1982,basedonashootofSitkaspruce)原因：剛性細(xì)胞壁大多數(shù)植物細(xì)胞當(dāng)ψp下降到0時(shí)（初始質(zhì)壁分離狀態(tài)），細(xì)胞相對(duì)體積下降10-15%，如果細(xì)胞壁非常僵硬，體積變化會(huì)更小(自然狀態(tài)下的植物一天中水勢(shì)的變化主要是壓力勢(shì)的變化,細(xì)胞體積和滲透勢(shì)變化不大)。從ψp曲線(xiàn)的斜率可以判斷細(xì)胞壁的彈性大小。稱(chēng)為細(xì)胞彈性模量（cell’selasticmodulus），用ε表示。ε的單位是MPa。ε越大，表示細(xì)胞壁較堅(jiān)硬,細(xì)胞水勢(shì)變化主要由壓力勢(shì)決定。水分運(yùn)動(dòng)速率決定于：驅(qū)動(dòng)力(drivingforce)和水導(dǎo)率（hydraulicconductance)。驅(qū)動(dòng)力是水勢(shì)梯度，水導(dǎo)是水流通過(guò)該系統(tǒng)的難易程度的量度，是系統(tǒng)對(duì)水流阻力的倒數(shù)。Jv:

流速，m3m-2.s-1;Lp:水導(dǎo)，m3m-2.s-1MPa-1;Ψw

：水勢(shì)梯度MPaJv=Lp??ψw假設(shè)有一初始質(zhì)壁分離的細(xì)胞，其溶質(zhì)濃度為0.3mol.L-1，將其置于0.1mol.L-1

的蔗糖溶液中，水分如何移動(dòng)？假設(shè)細(xì)胞的壁非常僵硬，細(xì)胞體積變化忽略不計(jì)，求平衡時(shí)細(xì)胞的水勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)、壓力勢(shì)。（氣體常數(shù)R=0.00832dm3.MPa.mol-1.K-1，溫度20℃)計(jì)算：Ψw=-iCRT

Ψw=ψp+ψs1)液體交換法2)干濕球濕度計(jì)法3)壓力室法4)冰點(diǎn)下降法5)壓力探針?lè)ㄖ参锛?xì)胞水勢(shì)的測(cè)定1）

液體交換法

(measurementforexchangeofwater)將植物組織分別放進(jìn)一系列濃度的溶液中，

組織水勢(shì)<溶液水勢(shì)，

組織吸水；

組織水勢(shì)>溶液水勢(shì)，組織失水；

組織水勢(shì)=溶液水勢(shì)，

動(dòng)態(tài)平衡。溶液的濃度、比重、電導(dǎo)以及組織的體積與重量發(fā)生變化，根據(jù)這些參數(shù)的變化可確定與植物組織等水勢(shì)的溶液的水勢(shì)。液體交換法測(cè)定植物組織的水勢(shì)折光系數(shù)率將植物組織放在一系列已知水勢(shì)的溶液中，找到Ψw=Ψs=-iCRT相等的溶液，即可知被測(cè)植物組織材料的水勢(shì)。“小液流法”原理2)干濕球濕度計(jì)法水從一個(gè)表面蒸發(fā)會(huì)降低這個(gè)表面的溫度→測(cè)定溶液或植物組織水勢(shì)的原理。(溫度傳感器)植物材料與水滴蒸發(fā)容器中水蒸汽飽和容器內(nèi)溫度一致可測(cè)溶液或組織的水勢(shì)3)壓力室法(pressurebomb)認(rèn)為測(cè)量條件下木質(zhì)部溶液的水勢(shì)與植物組織的水勢(shì)相近，因此只要測(cè)出木質(zhì)部溶液的壓力勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)，得到木質(zhì)部溶液的水勢(shì)→植物組織水勢(shì)。平衡壓力+木質(zhì)部溶液的溶質(zhì)勢(shì)=植物組織水勢(shì)木質(zhì)部的壓力勢(shì)為-1~-2MPa溶質(zhì)勢(shì)僅為-0.05~-0.2MPa（忽略?。┢胶鈮毫?植物組織水勢(shì)壓力室儀Pressure

Chamber

Instrument

(Mode

600)4)冰點(diǎn)下降法(measurementoffreezing-pointdepression)原理：當(dāng)溶液中溶質(zhì)濃度上升時(shí)，溶液的冰點(diǎn)會(huì)下降。純水的冰點(diǎn)是0℃，在1公斤純水中加入1

摩爾溶質(zhì)時(shí)，溶液冰點(diǎn)下降到-1.86℃。裝置：冰點(diǎn)滲透計(jì)Ψw=-iCRT-30℃冰緩慢升溫顯微鏡下觀(guān)察完全融化記錄此時(shí)溫度冰點(diǎn)溫度溶質(zhì)濃度滲透勢(shì)5)壓力探針?lè)ǎ≒ressureProbe)尖端非常細(xì)的玻璃毛細(xì)管，并在其中充滿(mǎn)硅油，插入細(xì)胞后，胞液進(jìn)入毛細(xì)胞管，細(xì)胞液與硅油的界面在顯微鏡下可看清楚，加壓，使胞液退回至細(xì)胞，此時(shí)壓力為平衡壓力。平衡壓力=細(xì)胞膨壓?jiǎn)渭?xì)胞膨壓Schematicrepresentationofthethreedifferentpathwaysinvolvedinradialwatertransport

acrossplantlivingtissues.水通道蛋白(aquaporin)水通道(waterchannel)：細(xì)胞質(zhì)膜上存在蛋白質(zhì)組成的對(duì)水具有特異通透性的孔道。水通道運(yùn)輸水分時(shí)，水通道蛋白受磷酸化調(diào)節(jié)。Howwatercrossesbiologicalmembranes?In

1920s,

diffusionNow,

also

including

aquaporinsDiffusionisalowcapacity,bidirectionalmovementofwaterthatoccursinallcellmembranes.haveaveryhighcapacityforpermeationbywater（selective）.TheDiscoveryofAQP1？預(yù)計(jì)：approximately32kDa

protein實(shí)際：a28-kDapolypeptide沒(méi)有放棄：isolatedtheprotein特點(diǎn)：detergent-insolubleprotein拷貝數(shù)多：approximately200,000copies/redbloodcell測(cè)定序列并制備N(xiāo)端抗體：

theN-terminalaminoacidsequence廣泛交流：

spoketowellknownbiochemistsandphysiologists獲得靈感：JohnC.Parker(1935–1993):

redbloodcellsandrenaltubules

watertransportthroughmembranes？克隆基因：thecDNAfromanerythroidlibrary,

269aa,sixbilayer-spanningdomainsMembraneorientationofAQP1predictedfromprimaryaminoacidsequence.ConservedmotifAsn-Pro-Ala(NPA).提出疑問(wèn)：28-kDaproteinwasawatertransporter?開(kāi)始驗(yàn)證：oocytes；verylowwaterpermeabilityControloocytes：injected

water

Testoocytes:

injected

2ng

of

cRNA驚喜結(jié)果：3×109watermoleculespersecondthehourglass

水孔蛋白(aquaporin)：一系列分子量為25～30KDa、選擇性高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分子的膜蛋白稱(chēng)為水通道蛋白或水孔蛋白。StructureofanaquaporinshowingthesixtransmembranehelicesandtwoconservedNPA(Asn-Pro-Ala)residues.In

Arabidopsisthaliana

：35differentaquaporingenesPhylogenetictreeofthe35MIPproteinsinArabidopsisthalianaandtheirgroupinginfour

subfamilies.根系對(duì)水分吸收水在植物體內(nèi)的運(yùn)輸水分的散失－－蒸騰作用1、土壤中水分的狀態(tài)2、根系吸水根系對(duì)水分吸收1.1土壤中的水分和土壤水勢(shì)

田間持水量（fieldcapacity):

土壤的最高含水量。指當(dāng)水飽和的土壤中的重力水完全排除后,土壤所保持的水量。

土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)影響土壤田間持水量土壤水勢(shì):s、m土壤溶液的s約為-0.02MPa,鹽堿地可達(dá)-0.2MPa；濕潤(rùn)土壤的m接近0。干燥土壤：m=–0.15MPa干旱時(shí),土壤m(xù)更低。當(dāng)土壤水勢(shì)>植物根組織水勢(shì)時(shí)，植物吸水。當(dāng)土壤水勢(shì)

植物根組織水勢(shì)時(shí)，由于蒸騰作

用不斷進(jìn)行，植物葉片發(fā)生萎蔫(wilting）。蒸騰降低后，萎蔫植株仍不能恢復(fù)正常，稱(chēng)為永久萎蔫(permanentwilting)。植物發(fā)生永久萎蔫時(shí)，土壤中尚存留的水分占土壤干重的百分率，稱(chēng)為永久萎蔫系數(shù)（permanentwiltingcoefficient）；永久萎蔫時(shí)的土壤水勢(shì)稱(chēng)為永久萎蔫點(diǎn)（permanentwiltingpoint)。1.2根系吸水植物具有發(fā)達(dá)的根系

如：16周齡的冬黑麥，有13х106條主根和側(cè)根，總長(zhǎng)度達(dá)500km,表面積200m2；沙漠植物的根可達(dá)地下50m；一年生作物根深達(dá)0.1-2.0m;廣度達(dá)0.3-1.0m。aperennialwheatrelativeThinopyrumintermedium1）、根系吸收水分的主要部位？2）、水分進(jìn)入根系組織內(nèi)部的途徑？3）、影響根系吸收水分的因素是哪些？

DiagramofprimaryrootstructureRegionofroothairPathwaysforwateruptakebyroot（1）土壤中可用水分（2）溫度（3）空氣（氧氣和CO2）（4）土壤溶液濃度水在植物體內(nèi)的運(yùn)輸SequoiasempervirensThetallesttree水分進(jìn)入根系水分在導(dǎo)管內(nèi)運(yùn)輸水分散失在大氣中112.5m1根系吸水傷流（bleeding)吐水（guttation）由于根系的生理活動(dòng)產(chǎn)生的促使液流從根部上升的壓力，稱(chēng)為根壓（rootpressure）根壓可達(dá)0.05-0.5MPa。

根系主動(dòng)吸收溶液中的離子，并通過(guò)共質(zhì)體途徑將離子輸送到中柱薄壁細(xì)胞，離子可沿著濃度梯度擴(kuò)散或載體進(jìn)入導(dǎo)管（內(nèi)部質(zhì)外體）。

內(nèi)部質(zhì)外體溶質(zhì)濃度提高，水勢(shì)下降，而外部質(zhì)外體離子濃度減少，水勢(shì)提高，這樣就在內(nèi)皮層內(nèi)外建立起一個(gè)水勢(shì)梯度。水分就會(huì)從外部質(zhì)外體經(jīng)內(nèi)皮層滲透進(jìn)入導(dǎo)管，產(chǎn)生靜水壓，即是根壓。1.1根壓產(chǎn)生的機(jī)制

內(nèi)皮層凱氏帶不透水，將根的質(zhì)外體分為內(nèi)外兩個(gè)部分。

3.3蒸騰拉力引起水分吸收蒸騰拉力(transpirationpull)：指因葉片蒸騰作用而產(chǎn)生的使導(dǎo)管中水分上升的力量。

木質(zhì)部的蒸騰拉力產(chǎn)生于葉片細(xì)胞的汽--水界面上。細(xì)胞壁的微纖絲和其他親水物質(zhì)多微孔道（含有大量的水分）

水分在葉肉細(xì)胞的間隙表面蒸發(fā)半月板水層表面細(xì)胞壁產(chǎn)生很大的張力或負(fù)的靜水壓葉片細(xì)胞水勢(shì)下降一系列相鄰細(xì)胞間的水分運(yùn)輸葉脈導(dǎo)管失水壓力勢(shì)下降根冠間導(dǎo)管中的壓力梯度根導(dǎo)管中水分向上輸送使根部細(xì)胞從周?chē)寥乐形考?xì)胞水分虧缺正常蒸騰情況下，植物以蒸騰拉力為吸水主要?jiǎng)恿?，屬于被?dòng)過(guò)程。根壓只占5%。只有在夜間、清晨或早春樹(shù)木葉片未展開(kāi)時(shí)，根壓為動(dòng)力吸水才占主要地位?！皟?nèi)聚力-張力學(xué)說(shuō)”-----117班第一組鐘云婕水分的散失－蒸騰作用(transpiration)1、蒸騰作用的概念2、植物蒸騰的方式3、蒸騰的指標(biāo)4、氣孔蒸騰5、合理灌溉的生理基礎(chǔ)

水從植物地上部以蒸汽狀態(tài)向外界蒸散的過(guò)程，稱(chēng)蒸騰作用(transpiration)。1、蒸騰作用的概念蒸騰作用是一個(gè)生理過(guò)程，受植物體結(jié)構(gòu)和氣孔行為的調(diào)節(jié)。2、植物蒸騰的方式（Modeoftranspiration)

幼小植株：整個(gè)植物體（地上部）蒸騰長(zhǎng)成植物:

皮孔蒸騰:占0.1%

葉片蒸騰：角質(zhì)蒸騰(cuticulartranspiration)

氣孔蒸騰(stomataltranspiration)角質(zhì)層蒸騰所占比例因角質(zhì)層薄厚而異：陰地植物：角質(zhì)蒸騰占約1/3；水生植物：以角質(zhì)蒸騰為主；陽(yáng)生植物：氣孔蒸騰占80-95%。3、蒸騰的指標(biāo)3.1蒸騰速率(transpirationrate)

指植物在單位時(shí)間內(nèi)單位面積通過(guò)蒸騰作用所散失的水量，又稱(chēng)蒸騰強(qiáng)度。一般用g/(m2·h)表示。大多數(shù)植物白天的蒸騰速率為15-25gm-2·h-1。夜晚為1-20gm-2·h-1。

蒸騰速率的測(cè)定 稱(chēng)重法：離體器官快速稱(chēng)重，植株重量變化。

氣量計(jì)測(cè)定相對(duì)濕度的短期變化。

紅外線(xiàn)分析儀測(cè)定濕度。3.2蒸騰系數(shù)(transpirationcoefficientorratio)蒸騰系數(shù)＝蒸騰散失的水分的量/光合作用固定的CO2的量木本植物<草本植物C4植物（250）<C3植物（500）CAM植物50大多數(shù)植物在125-10004、氣孔蒸騰（stomataltranspiration）氣孔是葉片與外界進(jìn)行氣體交換的通道，因此對(duì)蒸騰、光合、呼吸均有重要調(diào)控作用。保衛(wèi)細(xì)胞(guardcell)副衛(wèi)細(xì)胞或鄰近細(xì)胞(subsidiarycells)保衛(wèi)細(xì)胞之間的小孔合稱(chēng)氣孔復(fù)合體(stomatalcomplex)StomatalComplex4.1氣孔復(fù)合體

不均勻加厚的細(xì)胞壁及輻射狀排列的微纖絲保衛(wèi)細(xì)胞的特點(diǎn):

腎形保衛(wèi)細(xì)胞:

背壁（dorsalwall)較薄，

腹壁（ventralwall)較厚；

纖維素微纖絲從小孔向外呈輻射狀排列。Modelofguardcells

啞鈴形保衛(wèi)細(xì)胞：其胞端壁薄，中間加厚，

兩端微纖絲呈輻射排列。起加固細(xì)胞、拉力傳導(dǎo)，有利于細(xì)胞膨脹彎曲。有葉綠體

能進(jìn)行光合作用。黑暗時(shí)積累淀粉，光下淀粉減少。兩種植物體保衛(wèi)細(xì)胞中線(xiàn)粒體的比較

植物細(xì)胞類(lèi)型線(xiàn)粒體數(shù)

保衛(wèi)細(xì)胞50.8

蔥葉肉細(xì)胞16.8

蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞22.6

葉肉細(xì)胞11.0有豐富的線(xiàn)粒體

體積小

小量溶質(zhì)的變化能引起水勢(shì)迅速改變,膨壓迅速變化。氣孔運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，保衛(wèi)細(xì)胞液泡的動(dòng)態(tài)。

與周?chē)?xì)胞間無(wú)胞間連絲

有利于滲透梯度建立。

液泡隨氣孔開(kāi)關(guān)變化擬南芥氣孔發(fā)育途徑中的突變體表型4.2氣孔蒸騰的小孔擴(kuò)散律

氣孔擴(kuò)散的邊緣效應(yīng)氣體通過(guò)多孔表面的擴(kuò)散速率不與面積成正比，而與周長(zhǎng)成正比，稱(chēng)為小孔擴(kuò)散律（smallpore

diffusionlaw)。占葉面積1%的氣孔的蒸騰量可達(dá)到同葉面積自由水面蒸發(fā)量的50-60%，甚至80-100%。邊緣效應(yīng):在邊緣處，擴(kuò)散分子相互碰撞機(jī)會(huì)少，擴(kuò)散速率就比中間快。4.3氣孔運(yùn)動(dòng)及環(huán)境因素對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)的影響

光二氧化碳空氣濕度激素水分等保衛(wèi)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)(形狀改變)導(dǎo)致小孔打開(kāi)或關(guān)閉,稱(chēng)為氣孔運(yùn)動(dòng)(stomatalmovement)。氣孔運(yùn)動(dòng)(開(kāi)關(guān))受到各種環(huán)境因素影響。Light-stimulatedstomatalopeningindetachedepidermisofviciafabaStomatalopeningtracksphotosyntheticactiveradiationattheleafsurface4.3.1光

光促進(jìn)氣孔張開(kāi)（景天科植物除外）。不同植物氣孔張開(kāi)對(duì)光強(qiáng)的要求不同，一般在全光照的1/1000--1/30就能引起氣孔反應(yīng)。隨光強(qiáng)提高,開(kāi)度增大。4.3.2CO2

濃度

低濃度CO2促進(jìn)氣孔張開(kāi),高CO2使氣孔迅速關(guān)閉。

黑暗下，無(wú)CO2空氣可使氣孔張開(kāi)；若氣孔完全關(guān)閉，無(wú)CO2空氣則無(wú)作用。說(shuō)明是氣孔下腔的CO2濃度在起作用。4.3.3水分和濕度：

水分虧缺時(shí)，氣孔開(kāi)度變小或關(guān)閉。

被動(dòng)脫水關(guān)閉（hydropassiveclosure）：空氣干燥，保衛(wèi)細(xì)胞水分蒸發(fā)過(guò)快，水分運(yùn)輸不足以補(bǔ)充水分損失時(shí)，氣孔關(guān)閉。

主動(dòng)脫水關(guān)閉（hydroactiveclosure）：整個(gè)葉片或根缺水時(shí)，保衛(wèi)細(xì)胞可以通過(guò)其代謝過(guò)程減少細(xì)胞內(nèi)的溶質(zhì)提高細(xì)胞水勢(shì)，水分離開(kāi)保衛(wèi)細(xì)胞，氣孔關(guān)閉。與植物激素ABA作用有關(guān)。

久雨情況下，表皮細(xì)胞為水飽和，擠壓保衛(wèi)細(xì)胞，使氣孔關(guān)閉。

4.3.4溫度：

氣孔開(kāi)度隨溫度上升而增加，30℃左右最大，超過(guò)30℃，低于10℃，氣孔部分關(guān)閉。溫度對(duì)氣孔的調(diào)節(jié)可能主要是影響了酶活性。4.3.5植物激素：

CTK和IAA促進(jìn)氣孔開(kāi)，ABA促進(jìn)氣孔關(guān)閉。氣孔運(yùn)動(dòng)具有晝夜節(jié)律(circadianrhythm)。4.4氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)制4.4.1保衛(wèi)細(xì)胞膨壓變化控制氣孔運(yùn)動(dòng)保衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹,氣孔張開(kāi)。水分流出,膨壓降低，氣孔關(guān)閉。保衛(wèi)細(xì)胞體積的變化可達(dá)40%-100%4.4.2K+/蘋(píng)果酸等在氣孔運(yùn)動(dòng)中的作用+K+-K+蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞中的離子濃度在氣孔開(kāi)閉時(shí)的變化

氣孔狀態(tài)氣孔開(kāi)度

(

m)保衛(wèi)細(xì)胞體積(pl)K+(mmol?L-1)Cl-(mmol?L-1)

蘋(píng)果酸(mmol?L-1)張開(kāi)關(guān)閉1225.02.642438.522.03.1464.648.1鉀離子濃度的提高伴隨Cl-或蘋(píng)果酸根離子濃度提高,用以平衡K+的電荷。光H+泵出保衛(wèi)細(xì)胞胞內(nèi)pH上升、膜超極化K+通道活化K+進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞伴隨Cl-進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞水勢(shì)下降，細(xì)胞吸水氣孔開(kāi)放保衛(wèi)細(xì)胞膜上的H+-ATPase，水解ATP淀粉水解或光合作用PEP蘋(píng)果酸(陰離子)OAAPEPC蘋(píng)果酸脫氫酶保衛(wèi)細(xì)胞鉀離子-蘋(píng)果酸滲透調(diào)節(jié)理論(Patassium-malic

acidosmoregulationtheory)淀粉—糖轉(zhuǎn)化學(xué)說(shuō)(starch-sugarhypothesis,1908年,FELloyd)淀粉磷酸化酶淀粉糖［CO2］光pH(7-8)［CO2］暗pH(5)近期研究表明：蔗糖可能在保衛(wèi)細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的某些階段起作用。氣孔運(yùn)動(dòng)中可能有不同的滲透調(diào)節(jié)階段：日出，氣孔開(kāi)，K+吸收；日出后一段時(shí)間，蔗糖逐漸升高成為主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。Dailycourseofchangesinthestomatalaperture,andinpotassumandsucrosecontent,ofguardcellsfromintactleavesofbroadbean.4.5氣孔運(yùn)動(dòng)的其它調(diào)節(jié)機(jī)制4.5.1光對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)雙光實(shí)驗(yàn)(dual-beamexperiment)藍(lán)光參與氣孔張開(kāi)的控制系統(tǒng)Bluelight-stimulatedswellingofguardcellprotoplasts接受藍(lán)光的受體:

玉米黃素（Zeaxanthin)可能是氣孔藍(lán)光反應(yīng)的受體。證據(jù)：

（1）玉米黃素的吸收光譜與藍(lán)光促進(jìn)氣孔張開(kāi)的作用光譜吻合。（2）二硫蘇糖醇(DTT)抑制玉米黃素形成，也抑制氣孔開(kāi)放對(duì)藍(lán)光的反應(yīng)。

（3）玉米黃素缺陷的擬南芥突變體(npq1)，缺乏對(duì)藍(lán)光的反應(yīng)。

(4)照射藍(lán)光前先照射背景紅光,可增加氣孔對(duì)藍(lán)光的反應(yīng)。zeaxanthin玉米黃素被激發(fā)之后可能的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制是：藍(lán)光

受體

葉綠體膜Ca2+-ATPase激活胞質(zhì)鈣濃度降低質(zhì)膜H+-ATPase激活。4.5.2ABA對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)SimplifiedmodelforABAsignalingtransductioninstomatalguardcells鈣離子活性氧一氧化氮三磷酸肌醇cADPR蛋白激酶/磷酸酶等離子通道等涉及到復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和多種信號(hào)分子4.6影響蒸騰的因素光照氣孔開(kāi)度；提高溫度，增加蒸汽壓差。溫度氣孔開(kāi)度；提高溫度，增加蒸汽壓差。濕度濕度大，蒸汽壓差減小，蒸騰減弱。風(fēng)風(fēng)能使界面層變薄，增強(qiáng)蒸騰。強(qiáng)風(fēng)使氣孔關(guān)閉，降低蒸騰。水分促進(jìn)蒸騰。

5合理灌溉的生理基礎(chǔ)5.1作物的需水規(guī)律

不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期需水不同,以小麥為例：萌發(fā)—分蘗前期—分蘗末期—抽穗期—乳熟末期——完熟

水分臨界期:

指植物在生命周期中對(duì)水分缺乏最敏感，最易受害的時(shí)期。

一般而言植物的水分臨界期多處于花分母細(xì)胞四分體形成期。此時(shí)缺水，使性器官發(fā)育不正常，特別是雄性器官發(fā)育受阻或畸形。5.2灌溉的指標(biāo)及灌溉方法

土壤含水量田間持水量的60-80%適合植物生長(zhǎng)形態(tài)指標(biāo)莖葉顏色，幼葉狀態(tài)，生長(zhǎng)速度生理指標(biāo)：

葉片水勢(shì)細(xì)胞汁液濃度(滲透勢(shì))

氣孔開(kāi)度

如何認(rèn)識(shí)保衛(wèi)細(xì)胞（Guard

Cells）以及氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)？一、氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)二、氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的發(fā)育三、氣孔孔徑（大小）的調(diào)控StomataarelocatedontheleafsurfaceandarethemainconduitforwatertranspirationandCO2influxintoleaves.CO2H2Ostomata一、氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)二、氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的發(fā)育meristemoidmothercell(MMC)pavementcell+meristemoidguardmothercell(GMC)asymmetricdivisionapairofguardcellssymmetric

divisionNature,

2007如何確立這幾個(gè)基因的邏輯關(guān)系?各基因缺失突變體基因的表達(dá)模式正、反向遺傳學(xué)表型基因功能spch

Arabidopsis突變體（mutants）mute

Arabidopsisfama

ArabidopsisWTfamafama基因的表達(dá)模式promoter::reporterpromoter::GUSPromoter::GFP(beta-glucuronidase)(green

fluorescent

protein)RT-PCR

or

Real-time

PCRguardcellpromoter35Scauliflowermosaicviruspromoter

(35S

promoter）特異性啟動(dòng)子－－－只在保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)的啟動(dòng)子組成性啟動(dòng)子－－－可以任何組織中表達(dá)的啟動(dòng)子pGC1::GUSPlantMethods2008,4:6pGC1::YC3.60正、反向遺傳學(xué)forwardgeneticsreversegeneticsTraitsGenesGenesTraitsMUTEbasichelix–loop–helix

(bHLH)proteinakeyswitchformeristemoidfatetransitionmute

mutanttheentire

epidermistoadoptguardcellidentityMUTEhastwoparaloguesFAMAaregulatorofguardcellmorphogenesisSPEECHLESS

(SPCH)Nature,

2007At3g06120SPCH,MUTEandFAMAstomataldevelopmentinitiation,meristemoid

differentiationandguardcellmorphogenesisstomatalclusters三、氣孔孔徑（大?。┑恼{(diào)控stomatalaperturemultiplephysiological

factors(light,CO2,planthormones,

calcium,reactiveoxygenspecies,inositolphosphates,

andsphingolipids,

etc.)ost1-1ost1-2wild-typeOST1ost1-1ost1-2wild-typeOst1

mutationsimpairtheABAregulationof

stomatalapertureH2O2漫灌、噴灌、滴灌Concepts:田間持水量(fieldcapacity)萎蔫(wilting)暫時(shí)萎蔫(temporaywilting)永久萎蔫(permanentwilting)永久萎蔫點(diǎn)(permanentwiltingpoint)永久萎蔫系數(shù)(permanentwiltingcoefficient)水勢(shì)(waterpotential)滲透勢(shì)(osmosicpotential)溶質(zhì)勢(shì)(solutepotential)壓力勢(shì)(pressurepotential)基質(zhì)勢(shì)(matricpotential)滲透(osmosis)集流(bulkflow)擴(kuò)散(diffusion)水孔蛋白(aquaporin)根壓(rootpressure)傷流(bleeding)吐水(guttation)蒸騰拉力(transpirationpull)蒸騰作用(transpiration)蒸騰系數(shù)(transpirationcoefficient)蒸騰速率(transpirationrate)水分臨界期(watercriticalperiod)Keytopics:1、溶液的水勢(shì)組成2、植物細(xì)胞的水勢(shì)組成。3、水勢(shì)計(jì)算公式4、測(cè)定植物水勢(shì)的方法5、影響根系吸水的因素6、根壓形成機(jī)制7、蒸騰作用的方式8、影響氣孔運(yùn)動(dòng)、蒸騰作用的因素9、結(jié)合保衛(wèi)細(xì)胞特點(diǎn)，論述氣孔運(yùn)動(dòng)機(jī)制10、水分進(jìn)入植物并向上運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制？水柱能否經(jīng)受住張力而保持連續(xù)？水分子間有強(qiáng)大的內(nèi)聚力(30MPa)3.4內(nèi)聚力--張力學(xué)說(shuō)（Cohesion-TensionTheory)蒸騰拉力是木質(zhì)部水分上升的主要?jiǎng)恿ΑＫ哂泻芨叩膬?nèi)聚力，它足以抵抗水柱受到的張力，因而保持水柱的連續(xù)性，而使水分不斷上升。

Aworkingmodelofthecohension-tensionmechanism導(dǎo)管中存在的負(fù)壓可達(dá)到-0.5-2.5MPa。內(nèi)聚力--張力學(xué)說(shuō)基本被接受木質(zhì)部中也經(jīng)常發(fā)生氣穴化（cavitation),主要是由于木質(zhì)部汁液中溶解有氣體，或由于導(dǎo)管的負(fù)壓作用使氣體從側(cè)壁紋孔中進(jìn)入。氣泡較大時(shí)會(huì)堵塞管道，造成栓塞（embolism)。A木質(zhì)部栓塞B經(jīng)高壓水后，栓塞恢復(fù)第一節(jié)生物膜的物理化學(xué)特性第二節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍椎谌?jié)植物細(xì)胞的離子跨膜運(yùn)輸機(jī)制第四節(jié)植物細(xì)胞氮、磷、鉀、鈣的跨膜運(yùn)輸系統(tǒng)和機(jī)制研究進(jìn)展HighlyvariableenvironmentRelativelyconstantinternalenvironmentPlasmamembraneRelayofsignalsfromitsphysicalenvironmentandothercells.Traffickingofselectedmoleculesandions.第一節(jié)生物膜的物理化學(xué)特性?xún)捎H性(amphiphathtic)：生物膜的化學(xué)組成決定了膜具有兩親性(親水性和疏水性)。1.生物膜的“兩親性”與“絕緣性”親水部分疏水層帶電離子絕緣性(insulativity)：帶電物質(zhì)不易通過(guò)脂質(zhì)雙分子層。膜對(duì)溶質(zhì)的相對(duì)通透性極強(qiáng)親水性難通過(guò)膜Relativepermeability(cm/s)?人工膜生物膜

H2O10-2

H2O

甘油10-4

甘油

10-6K+10-8Cl-10-10Na+Cl-K+Na+人工膜生物膜

H2O10-2H2O

甘油10-4

甘油

10-6K+10-8Cl-10-10Na+Cl-K+Na+膜對(duì)溶質(zhì)的相對(duì)通透性極強(qiáng)親水性難通過(guò)膜跨膜運(yùn)輸功能蛋白R(shí)elativepermeability(cm/s)電化學(xué)勢(shì)梯度;ATP水解產(chǎn)生的能量。驅(qū)使離子跨膜運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力:2.跨膜電化學(xué)梯度和膜電位電化學(xué)梯度(electro-chemicalpotentialgradient)：化學(xué)梯度（不帶電中性分子和帶電粒子）和電勢(shì)梯度（帶電粒子）。

某離子的跨膜電化學(xué)勢(shì)梯度：跨膜化學(xué)勢(shì)梯度+跨膜電勢(shì)梯度ABABAB+--最初狀態(tài)[KCl]A>[KCl]B中間狀態(tài)[K+]A<[K+]B最終狀態(tài)[KCl]A=[KCl]BK+Cl-由半透膜相隔的兩相（A與B）間通過(guò)離子的跨膜運(yùn)輸最終達(dá)到平衡的過(guò)程示意圖當(dāng)膜對(duì)K+的通透性大于對(duì)Cl-的通透性時(shí)，擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生擴(kuò)散電位。但最終達(dá)到離子濃度和電荷平衡最初狀態(tài)ABK+Cl-不可透膜陰離子AB平衡狀態(tài)在活細(xì)胞中常有不可擴(kuò)散的陰離子，從而導(dǎo)致在最終擴(kuò)散平衡時(shí)，膜兩側(cè)電位不平衡。最終在擴(kuò)散平衡時(shí)，發(fā)生了電荷分離膜電位(transmembraneelectricalpotential)：在離子發(fā)生跨膜擴(kuò)散的過(guò)程中或達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，都有可能產(chǎn)生可跨膜擴(kuò)散的陰、陽(yáng)離子分布不平衡的狀態(tài)，這就造成了膜兩側(cè)可跨膜擴(kuò)散的電荷分布的不平衡，表現(xiàn)為膜兩側(cè)之間存在跨膜電勢(shì)（或電位）差。測(cè)定細(xì)胞膜電位的示意圖用微電極可容易地測(cè)量出活細(xì)胞跨膜電位典型的植物細(xì)胞,在細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)具有較高的負(fù)電荷,而在細(xì)胞膜的外側(cè)具有較高的正電荷。跨膜電位有方向性：描述活細(xì)胞的膜電位時(shí)，一般用膜內(nèi)側(cè)對(duì)于膜外側(cè)電位來(lái)表示（Ei-Eo)。

活細(xì)胞跨膜電位一般為負(fù)值（在-60---240mV)，作為細(xì)胞生理活動(dòng)指標(biāo)之一。細(xì)胞在靜息狀態(tài)下測(cè)得的膜電位稱(chēng)為靜息膜電位(restingmembraneelectricpotential)。當(dāng)某種刺激發(fā)生時(shí)，膜電位發(fā)生去極化或超極化,超極化狀態(tài)細(xì)胞生理活動(dòng)較活躍。超極化(hyperpolarization):

跨膜電位處于與原來(lái)的靜息狀態(tài)下的跨膜電位更負(fù)(絕對(duì)值更高)的狀態(tài)

細(xì)胞的整體生理活動(dòng)較為活躍。去極化(depolarization):

跨膜電位處于較原來(lái)的參照狀態(tài)下的跨膜電位更正(膜電位的絕對(duì)值較低)狀態(tài)。第二節(jié)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍?/p>

離子通道離子載體離子泵離子跨膜運(yùn)輸?shù)鞍?iontransporter)

膜片鉗技術(shù)(patchclamprecordingtechnique)1976年德國(guó)馬普生物物理研究所

NeherandSakmann

記錄通過(guò)離子通道的離子電流→細(xì)胞膜單一/多個(gè)離子通道分子活動(dòng)。1983年

《Single-channelRecording》一書(shū)問(wèn)世1991年細(xì)胞生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)產(chǎn)生重大影響，

二人獲得諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。BertSakmannErwinNeher1.離子通道離子通道(ionchannel)：由多肽鏈中的若干疏水性區(qū)段在膜的脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)中形成的跨膜孔道結(jié)構(gòu)。1–channel

domains2-outervestibule3–selectivity

filter4-diameterofselectivityfilter5-phosphorylationsite6–cell

membrane離子的選擇性：K+

channel、Ca2+

channel、Cl-

channel,

etc.運(yùn)輸離子方向：K+inward、K+outward,etc.離子通道開(kāi)放與關(guān)閉的調(diào)控機(jī)制：AKT1電壓門(mén)控通道(voltage-gatedionchannel)、調(diào)節(jié)因子調(diào)控的通道等。AKT1:

6個(gè)跨膜區(qū)，一個(gè)通道孔部區(qū)域；

S4區(qū)為電壓敏感區(qū)；

C端為磷酸化調(diào)控區(qū)。P質(zhì)膜通道主體結(jié)構(gòu)“門(mén)控結(jié)構(gòu)”胞外胞內(nèi)選擇性過(guò)濾結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)亞基電壓門(mén)控K＋通道模型示意圖電化學(xué)勢(shì)梯度正負(fù)2.離子載體離子載體（ioncarriers):

疏水跨膜區(qū)域不形成明顯的孔道結(jié)構(gòu)；載體蛋白的活性部位結(jié)合與轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)結(jié)合，變構(gòu)；載體運(yùn)輸可以順著也可以逆電化學(xué)勢(shì)梯度進(jìn)行。

由載體蛋白介導(dǎo)的跨膜離子運(yùn)轉(zhuǎn)可以是被動(dòng)的，也可以是主動(dòng)的。Kinetic(A)andcartoon(B)representationsoftheactivityofcarrier

高度