Физиология и биохимия растений

Министерство  сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования 

«Уральская  государственная сельскохозяйственная академия»

(ФГБОУ ВПО  Уральская ГСХА)

 

 

 

 

 

 

 

 

Физиология  и биохимия растений

 

Выполнил: Кашлева П.А.,

Студент 1 курса ТППГСП, заочная форма  обучения

Направление подготовки 110900.62 «Технология  производства и переработки сельскохозяйственной продукции»

Номер зачетной книжки: 2012-09 «з»

Проверила:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                      

                                                               

                                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2013

 

Содержание 

 

Введение……………………………………………………………………………………….3

1 Протопласт. Строение и состав  клеточных органелл…………………………………….5

2 Корневая система как орган  поглощения воды…………………………………………...7

3 Значение дыхания в жизни растений, его роль в биосинтетических  процессах………..9

4 Круговорот элементов питания  в растении и вторичное их  использование…………....10

5 Использование фитогенов в практике сельского хозяйства …………………………….12

6 Фазы закаливания растений к  морозу. Необходимые условия для  прохождения

закаливая ……………………………………………………………………………………...15

Заключение  …………………………………………………………………………………...19

Библиографический список...………………………………………………………………..20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Физиология и биохимия – две  самостоятельные биологические  науки, изучаемые студентами агрономических специальностей вузов в курсе  «Физиология и биохимия растений». Физиология растений – наука, которая  изучает процессы жизнедеятельности  и функции растительного организма  на всем протяжении его онтогенеза; наука об организации, управлении и  интеграции функциональных систем; наука  о функциональной активности растительных организмов. Биохимия изучает химический состав растений, свойства химических компонентов растительных тканей и  органов, а также превращение  веществ и энергии, лежащие в  основе процессов жизнедеятельности.

Физиология и биохимия растений составляют теоретическую основу агрономических наук: растениеводства, плодо- и овощеводства, земледелия, агрохимии, селекции, защиты растений, хранения и переработки продукции растениеводства, а также биотехнологии. Физиология и биохимия базируются на знаниях ботаники, химии, физики и тесно связаны с другими биологическими науками: генетикой, цитологией, микробиологией, экологией.

В основе всех физиологических процессов: фотосинтеза, дыхания, минерального питания, роста и развития – лежит совокупность взаимосвязанных биохимических  реакций, в ходе которых происходит превращение веществ и энергии. Их характер и направленность закономерно  изменяются в зависимости от генетических особенностей растений и условий  среды. Зная общие закономерности жизнедеятельности  растительного организма, агрономы могут средствами агротехники создавать  благоприятные условия для формирования высоких и устойчивых урожаев  сельскохозяйственных культур.

Важной проблемой является повышение  устойчивости сельскохозяйственных растений к неблагоприятным экологическим  факторам: морозу, засухе, избытку влаги, засолению и др. В связи с  этим знания физиолого-биохимических  основ адаптации и устойчивости растений, их использование в растениеводстве  и селекции будут способствовать ослаблению негативного влияния  стрессовых факторов на урожай сельскохозяйственных культур.

Знания по физиологии и биохимии растений особенно важны в современных  условиях. Это связано с активным использованием в растениеводстве  удобрений, химических средств защиты и регуляторов роста. В условиях интенсификации сельского хозяйства  нередко ухудшается экологическая  ситуация, нарушается характер обменных процессов у растений, снижается  качество продукции растениеводства. Поэтому агроном, используя интенсивные  технологии выращивания сельскохозяйственных культур, должен владеть методами диагностики  растений, выявлять и исправлять нарушения  физиологических и биохимических  процессов на всех этапах онтогенеза растений, не ухудшая экологии.

Таким образом, важнейшими задачами физиологии и биохимии растений являются: раскрытие  сущности процессов жизнедеятельности  растительного организма на молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, организменном  и популяционном уровнях; разработка физиологических методов диагностики  растений в посевах с целью  регулирования их роста и развития; изучение природы устойчивости растений к неблагоприятным факторам и  разработка физиологических методов  оценки растений на устойчивость и адаптивность; разработка теоретических основ интенсивных и экологически безопасных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Протопласт. Строение и  состав клеточных органелл

 

Долгое  время считали, что клетка — это  масса цитоплазмы, которая окружена клеточной оболочкой и содержит ядро. Такое представление просуществовало  до усовершенствования методов микроскопического  исследования. Разрешающая сила самого сильного светового микроскопа составляет около 150—200 нм и не позволяет увидеть  многие органеллы, а тем более  рассмотреть их внутреннее строение. Последнее стало возможным лишь после изобретения электронного микроскопа. Разрешающая способность  электронного микроскопа примерно на 2—3 порядка выше светового микроскопа и составляет около 0,1—1 нм. Правда, ценность электронного микроскопа снижается  из-за ряда технических трудностей. Низкая проникающая способность  электронов заставляет использовать ультратонкие срезы — 300—500 нм. Кроме того, в  большинстве случаев наблюдение в электронном микроскопе производится на фиксированных срезах. В связи  с этим интерпретация картин, видимых  в электронный микроскоп, должна проводиться с осторожностью. Не исключена возможность, что та или  иная картина представляет собой  артефакт (следствие отмирания). И  все же применение электронного микроскопа значительно продвинуло знания о  структуре и ультраструктуре  клетки. Рассмотрение с помощью электронного микроскопа показало, что клетка обладает чрезвычайно сложной структурной  организацией и представляет собой  систему, дифференцированную на отдельные  органеллы.

 

В растительной клетке следует различать  клеточную оболочку и содержимое. Основные жизненные свойства присуши  именно содержимому клетки — протопласту. Кроме того, для взрослой растительной клетки характерно наличие вакуоли  — полости, заполненной клеточным  соком. Протопласт состоит из ядра, цитоплазмы и включенных в нее  крупных органелл, видимых в световой микроскоп: пластид, митохондрий. В  свою очередь цитоплазма представляет собой сложную систему с многочисленными  мембранными структурами, такими, как  аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум, лизосомы, и немембранными структурами—микротрубочки, рибосомы и др. Все указанные органеллы погружены в матрикс цитоплазмы — гиалоплазму, или основную плазму. Каждая из органелл имеет свою структуру и ультраструктуру. Под ультраструктурой понимается расположение в пространстве отдельных молекул, составляющих данную органеллу. Даже с помощью электронного микроскопа далеко не всегда можно увидеть ультраструктуру более мелких органелл (рибосом). По мере развития науки открываются все новые структурные образования, находящиеся в цитоплазме, и в этой связи наши современные представления о ней ни в коей мере не являются окончательными. Размеры клеток и отдельных органелл приблизительно следующие: клетка 10 мкм, ядро 5—30 мкм, хлоропласт 2—6 мкм, митохондрии 0,5—5 мкм, рибосомы 25 нм. В создании надмолекулярных структур отдельных органоидов клетки большое значение имеют так называемые слабые химические связи. Наиболее важную роль играют водородные, вандерваальсовы и ионные связи. Важнейшей особенностью является то, что энергия образования этих связей незначительна и лишь немного превышает кинетическую энергию теплового движения молекул. Именно поэтому слабые связи легко возникают и легко разрушаются. Средняя продолжительность жизни слабой связи составляет лишь долю секунды. Наряду со слабыми химическими связями большое значение имеют гидрофобные взаимодействия. Обусловлены они тем, что гидрофобные молекулы или части молекул, находящиеся в водной среде, располагаются так, чтобы не контактировать с водой. При этом молекулы воды, объединяясь друг с другом, как бы выталкивают неполярные группы, сближая их. Именно слабые связи определяют в большой степени конформацию (форму) таких макромолекул, как белки и нуклеиновые кислоты, лежат в основе взаимодействия молекул и, как следствие, в образовании и самосборке субклеточных структур, в том числе органелл клетки.

Для поддержания сложной структуры  цитоплазмы необходима энергия. Согласно второму закону термодинамики всякая система стремится к уменьшению упорядоченности, к энтропии. Поэтому  любое упорядоченное расположение молекул требует притока энергии  извне. Выяснение физиологических  функций отдельных органелл связано  с разработкой метода их изоляции (выделения из клетки). Таков метод  дифференциального центрифугирования, который основан на разделении отдельных  компонентов протопласта. В зависимости  от ускорения удается выделить все  более и более мелкие фракции  органелл. Совместное применение методов  электронной микроскопии и дифференциального  центрифугирования дало возможность  наметить связи между структурой и функциями отдельных органелл.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Корневая система как орган  поглощение воды

 

Основной  источник влаги для растений —  вода, находящаяся в почве, и основным органом поглощения воды является корневая система. Роль этого органа прежде всего заключается в том, что благодаря огромной поверхности обеспечивается поступление воды в растение из почвы. Сформировавшаяся корневая система представляет собой сложный орган с хорошо дифференцированной внешней и внутренней структурой. Определение размеров корневых систем требует специальных методов. Очень много в этом отношении достигнуто благодаря работам русских физиологов В.Г. Ротмистрова, А.П. Модестова, И.В. Красовской. Оказалось, что общая поверхность корней обычно превышает поверхность надземных органов в 140— 150 раз. Подсчитано, что число корней у однолетних сеянцев яблони достигает 45 тыс. Корневые системы даже однолетних хлебных злаков проникают в почву на глубину 1,5—2 м. При выращивании одиночного растения ржи было установлено, что общая длина его корней может достигать 600 км, при этом на них образуется 15 млрд корневых волосков. Эти данные говорят об огромной потенциальной способности к росту корневых систем. Однако при росте растений в фитоценозах, размеры их корневых систем заметно уменьшаются.

Рост  корня, его ветвление продолжаются в течение всей жизни растительного  организма, т. е. практически он не ограничен. Меристемы — образовательные  ткани — расположены на верхушке каждого корня. Доля меристематических клеток сравнительно велика (10% по массе против 1% у стебля). В зависимости от типа растений распределение корневой системы в почве различно. У некоторых растений корневая система проникает на большую глубину, у других, главным образом, распространяется в ширину. Рост корней отличается большой скоростью. Считается, что одно растение риса в благоприятных условиях может образовать до 5 км новых корней в сутки. За счет этого прироста корневой системы в растение может дополнительно поступать 1,5 л воды. Только благодаря такому интенсивному росту корневые системы растений могут использовать скудно рассеянную в почве воду, поскольку скорость передвижения воды в почве за счет диффузии крайне мала — 1 см/сут. Важное значение имеет явление гидротропизма, при котором рост корневой системы как бы идет из более иссушенных слоев почвы к более влажным.

С физиологической точки зрения корневая система неоднородна. Далеко не вся  поверхность корня участвует  в поглощении воды. В каждом корне  различают несколько зон, правда, не всегда все зоны выражены одинаково  четко. Окончание корня снаружи  защищено корневым чехликом, напоминающим округлый колпачок, состоящий из живых  тонкостенных продолговатых клеток. Корневой чехлик служит защитой для  точки роста. Клетки корневого чехлика  слущиваются, что уменьшает трение и способствует проникновению корня в глубь почвы. Под корневым чехликом расположена меристематическая зона. Меристема состоит из многочисленных мелких, усиленно делящихся, плотно упакованных клеток, почти целиком заполненных цитоплазмой. Следующая зона — зона растяжения. Здесь клетки увеличиваются в объеме (растягиваются). Затем следует зона корневых волосков. При дальнейшем увеличении возраста клеток, а также расстояния от кончика корня, корневые волоски исчезают, начинается кутинизация и опробковение клеточных оболочек. Поглощение воды происходит главным образом клетками зоны растяжения и зоны корневых волосков. Некоторое количество воды может поступать и через опробковевшую зону корня. Это главным образом наблюдается у деревьев. В этом случае вода проникает через чечевички. Рассмотрим несколько подробнее поперечное строение корня в зоне корневых волосков. Поверхность корня в этой зоне покрыта ризодермой. Это однослойная ткань с двумя видами клеток, формирующими и не формирующими корневые волоски. В настоящее время показано, что клетки, формирующие корневые волоски, отличаются особым типом обмена веществ. Корневые волоски растут путем растяжения клеточной оболочки, которое происходит с большой скоростью (0,1 мм/ч). Для их роста очень важно присутствие кальция. У большинства растений клетки ризодермы обладают тонкими стенками. Вслед за ризодермой до перицикла идут клетки коры. Кора состоит из нескольких слоев паренхимных клеток. Важной особенностью коры является развитие системы крупных межклетников.

 

 

На  границе коры и центрального цилиндра развивается один слой плотно прилегающих  друг к другу клеток — эндодерма, для которой характерно наличие  поясков Каспари. Цитоплазма в клетках эндодермы плотно прилегает к клеточным оболочкам. По мере старения вся внутренняя поверхность клеток эндодермы, за исключением пропускных клеток, пропитывается суберином, что не позволяет передвигаться воде и растворенным в ней веществам. При дальнейшем старении сверху могут накладываться еще слои. По-видимому, именно клетки эндодермы служат основным физиологическим барьером для передвижения как воды, так и питательных веществ по свободному пространству (межклетникам и клеточным оболочкам). В центральном цилиндре расположены проводящие ткани корня. При рассмотрении структуры корня в продольном направлении важно отметить, что начало роста корневых волосков, появление поясков Каспари в стенках эндодермы и дифференциация сосудов ксилемы происходят на одном и том же расстоянии от апикальной меристемы. Именно эта зона является зоной снабжения растений питательными веществами. Обычно поглощающая зона составляет около 5 см в длину. Величина ее зависит от скорости роста корня в целом. Чем медленнее растет корень, тем зона поглощения короче.