Transcript 第三章植物的矿质营养
第三章 植物的矿质营养 第一节 植物必需元素及其作用 一.植物体内元素及其含量 植物含水量10~95%,干物质燃烧后可分成: 1.挥发性元素:燃烧时以气态进入大气,如C、 H、O、N、S。 2.灰分元素:燃烧后以氧化物或盐的形式存 在于灰分中的元素(矿质元素),主要从 土壤中获得。已发现的灰分元素有60种以 上,并非全部为植物所必需。 植物体内的元素 灰分元素 N不是灰分元素,但也源于土壤 (NH4+,NO3-),吸收方式相同, 也放在 灰分中讨论。 植物体内化学元素的含量 含量≥ 0.1%植株干重 注:含量≥ 0.1%植株干重为大量元素 二.必需元素的标准及确定方法 1.必需元素的标准(概念) (1)完全缺乏某种元素,植物不能正常生长发 育,不能完成生活史。 (2)完全缺乏某种元素,出现专一性缺素症, 且不能被其它元素改善,只有加入该元素之后 植物才能恢复正常。 (3)某种元素的作用必须是直接的,而不是由 于改善土壤或培养基的物理、化学和微生物条 件所产生的间接效应。 思考题:设计一个试验,证明某一元 素是否必需元素。 植物体内的元素 非矿质元素 大量 矿质 元素 微量 C、H、O N、P、K、Ca、Mg、S、Si 有益元素 Na、Si、Co、 Se、V、稀土元素 有害元素 Hg、Pb、W、Al Fe、Cu、B、Zn、Mn、Mo、Ni、 Cl、Na 2.必需元素的确定方法 • (1)水培法 (2)砂培法 水培法营养液配方 3.必需元素的种类: 19种 大量元素:含量≥ 0.1%植株干重. C.H.O.N.P.K.S.Ca.Mg.Si (10种) 微量元素:含量< 0.1%植株干重. Fe.Mn.Cu.Zn.Mo.B.CL.Na.Ni(9种) • Si和Na不是被多数植物必需,尚有争议。 必需元素是随化学试剂的纯度和分析技术的提高 逐渐发现的。 三.植物必需元素的作用 (一) 矿质元素的一般生理作用 (1)细胞结构物质的组分: (2)调节生命活动:植物激素,维生素,金属离子。 (3)参与植物体内的醇基酯化(磷酸酯.硼酸酯)。 (4)电化学作用: 平衡电荷,维持细胞电位。 (二).主要矿质元素的作用及缺素症 1.N肥: 兼有(1) (2)两项作用, 主要以NH4+ 和NO3-被吸收。 缺氮主要症状: 缺素部位: N肥过量的危害: 营养生长过旺(徒 长)。 氮 及 缺 氮 症 状 2.P肥: 生理作用: 重要的结构物质: 参与能量转化: 参与酶促反应:构成辅酶 促进成熟、提高品质: 提高抗性; 缺素症:茎、叶有紫红色条纹。 缺 磷 症 状 3、钾肥( P44 ) 不参与任何有机物组成,以离子态存在。 生理作用: ●是细胞渗透势的主要成分; ●调节气孔开闭; ●是多种酶的激活剂:促进CH2O代谢和运输, 提高 品质,防止倒伏; ●参与能量代谢:间接作用 ●提高抗性; 缺素症:叶片失绿。严重时,叶片皱缩、焦枯。 思考题:N、P、K为什么只有配合使用才有效? 缺 钾 症 状 4.S :以SO42-形式被吸收. 作用: (1) 参与氨基酸、蛋白质的组成;并进一步 以 -SH(Cys)参与酶的活性中心组成。 (2)参与CoA、硫胺素、生物素的组成。 (3)通过-SH与-S-S-的变化调节体内的氧化还原 反应。 (4)是固氮酶的组分。 (5)硫氧还原蛋白(Td) 参与光合电子传递过程。 缺素症: 严重缺乏时,叶片失绿。 缺 硫 症 状 5.Ca :以Ca2+形式被吸收. 主要作用: (1)细胞壁的组成元素; (2)重要的信号物质; (3)提高植物抗病性; (4)降低草酸毒害作用; (5)是某些酶的活化剂。 作用特点:与植物的抗病性密切相关;与体内信 息传递密切相关。 钙缺素症:生长点粘化、死亡。 缺 钙 症 状 苹果缺钙症状 水心病 红玉斑点病 痘斑病 苹果缺钙症状 苦痘病 6.Mg: 主要作用: (1)叶绿素的结构元素; (2)多种酶(RuBP羧化酶、TCA循环酶、 ATP酶、RNA聚合酶)的激活剂,广泛参 与光合作用、呼吸作用、核酸及蛋白质代 谢; 镁缺素症: 叶片脉间失绿,叶边缘较为严重。 镁 及 缺 镁 症 状 7、Fe 生理作用: (1)作为氧化还原酶的辅基,构成细胞内最 重要的氧化还原系统,通过 Fe2+ ←→Fe 3+传递电子 (2)为叶绿素合成所必需(不是结构元素); (3)不可重复利用。 铁缺素症:黄叶病。 位置: 碱性土壤易缺铁。 铁 及 缺 铁 症 状 8.B(硼) 生理作用: (1)与有性生殖过程密切相关。花中含量最 高,其中柱头、子房含量最高。缺硼时花 母细胞不能形成四分体,花粉粒不能萌发。 (2)参与糖代谢,促进蔗糖和果胶合成。 (3)促进根系发育,尤其促进根瘤发育。 (4)对硼敏感的植物:苹果、葡萄、萝卜 硼缺素症:华而不实;缩果病;根生长点死 亡. 与钙作用密切相关。 硼 及 缺 硼 症 状 缺 B 症 状 苹果果实缺硼症 状: 缩果病 9.Mn: 以Mn2+形式吸收 生理作用: (1)在体内可以不同化合价存在,可参与氧化 还原、电子传递等过程。 (2) 是光合放氧复合体的重要组分。 (3) 是维持叶绿体正常结构的必需元素。 (4)是TCA循环中多种酶的激活剂。 (5)是硝酸还原酶的辅助因素。 (6) 是SOD组分。 锰缺素症:与缺镁类似,但叶面有黄褐色锈斑。 锰桥:锰对酶的激活剂作用:连接酶与 底物。 钙、镁也有此项作用。 锰 及 缺 锰 症 状 10.Cu : 以Cu2+或 Cu+形式被吸收 生理作用: (1)构成体内的氧化还原系统,是一部分与 氧化还原相关酶(多酚氧化酶、抗坏血 酸氧化酶)的辅基; (2)构成质体蓝素( PC ),参与光合电子 传递; (3)作为SOD的组分。 (4)提高植物的抗病性。 铜缺素症:禾本科植物叶片发白;果树顶枯; 有萎蔫症状。 铜 及 缺 铜 症 状 11.Zn: 生理作用: (1) 是色氨酸合成酶成分,缺锌影响色氨酸合 成,进而影响IAA合成。 (2) 是碳酸酐酶成分,催化CO2+H2O→H2CO3 反应。与光合、呼吸密切相关。 (3) 是谷氨酸脱氢酶及羧肽酶组分,参与氮代 谢。 锌缺素症: 小叶病。 缺锌.缺钙 锌 及 缺 锌 症 状 12.Si:禾本科植物有较大需求。 13.Mo: 硝酸还原酶、固氮酶的组分。 14.Cl: 参与光合放氧;平衡电荷。 15.Na: 1975年确定,藜科植物较敏感,可代替钾 参与气孔开闭调节。 16.Ni: 脲酶的成分。 硅及缺硅症 状 钼 及 缺 钼 症 状 氯 害 症 状 (三).有关矿质元素的几个相关概念: 1.元素的再利用与缺素症部位: 元素再利用的概念: 可再利用元素:缺素症出现在老叶上。 不可再利用元素:缺素症出现在新叶上。 2.有益元素的概念:非必需,但能促进生长。 常见有益元素:Na、Si、Co、Se、钒、稀 土元素等。 3.有害元素:少量或过量对植物有毒害作用。 汞、铅、钨、铝等。 第二节.植物细胞对溶质的吸收 关于离子如何进入细胞,问题主要集中在两个 方面: 1.离子如何通过细胞膜? 2.离子越膜的驱动力何来? 一.生物膜上物质出入的通道及其特点 生物膜上有传递功能的蛋白质: 1.ATP酶(ATPase): 2.通道蛋白: 3.载体蛋白: 4.氧化还原蛋白:催化膜上发生的氧化还原 反应。如通过穿梭作用完成还原力的转移。 5.信息传递蛋白:完成胞外信息的接受、识 别、传递,又称信号受体。是细胞信号转 导过程的重要组成部分。 (一)ATP酶(ATPase): 又称致电质子泵。质膜、液泡膜、叶绿体膜、 线粒 体膜上都有,各有特点。 1.概念: 膜上通过水解ATP供能完成离子跨膜转移的蛋白质。 如H+-ATP酶,Ca2+- ATP酶等。 2. 功能:将H+ 从胞内转移至胞外,造成跨膜质子梯度, 及由此产生的电势梯度。二者合称质子动力势,写 作pmf,也称H+-电化学势差,写作Δ-μH+。 跨膜存在的Δ-μH+将ATP的化学能转化为渗透能,可 用于物质的转移或能量的转化。 3.ATP酶的作用方式: • 酶上有与ATP和离子(M+) 的结合部位, 与离子结合的同时ATP结合,蛋白质发生 变构, 将离子释放,同时ATP水解成ADP 被释放。 • 水解ATP与H+搬运数量的关系: 质膜1:1, 液泡膜1:2 • 运输速率:10~1000/s • 当M+=Ca2+时,该酶为 Ca2+ -ATP酶。 ATP酶的作用方式 H+ -ATP酶在所有生物膜上均有分布,调控因 素略有不同。 4. Δ-μH+的作用: • 用于ATP合成; • 作为离子跨膜转移的驱动力; • 控制细胞内pH, 调控细胞伸长生长; • 控制气孔及叶柄的运动; • 控制渗透调节物质的合成等; • 有机物运输中源端的装入和库端的卸出; • 生长素的极性传导和酸生长学说。 (二)通道蛋白(离子通道). 1.概念:膜上供离子型物质及水通过的内在蛋白。 2.基本特征: 对离子的出入有选择性:离子大小;电荷特点; 通过构象的变化完成开闭控制。调控因素有膜电 位;配体;光照; 渗透压;激素等。 转运速率高:达106离子/s,是载体蛋白最快速 率的1000倍以上。 转运驱动力:跨膜电位差;溶质的浓度梯度。 3.现已观察到的通道蛋白: K+通道: 有内向和外向两种,前者被跨膜电 势差调节,后者被跨膜浓度差调节。 此外有: Ca2+通道; CL-通道; 水通道; NO3 -通道等。 离 子 通 道 模 型 配体控制的离子通道 离 子 通 道 运 输 离 子 (三)传递体蛋白(载体蛋白,透过酶) 1.概念:膜上通过与被运物质的可逆结合,完 成细胞内外物质传递的跨膜蛋白。 传递体蛋白与通道蛋白的最大区别,是其上 有与离子结合的特殊部位。 2. 传递体蛋白的作用方式: 识别→结合→变构→释放。 3.吸收特点: ①有饱和现象,吸收曲线与[S]对酶活性的影响相 似;与酶作用的区别,一是可以改变过程的 平衡点,二是不对被运物质做任何修饰。 ②某些离子间存在竞争现象,铷、铯都可抑制 钾的吸收; ③既可作为被动运输的通道,也可作为主动运 输通道。顺电化学势梯度运输时是被动转运; 逆电化学势梯度运输时是主动转运. 缬氨霉素——一种传递体 麦根酸——植物铁载体 4.传递体蛋白的种类: 膜电位正常情况下,内负外正。 ※共向传递体(同向运输器):将H+与阴离子或 分子共同内运的传递体。 ※反向传递体(反向运输器):内外双向传递体。 将膜外的H+运回膜内时,将Na+.Ca2+等阳离 子运出细胞。 ※单向传递体(单向运输器): 与质子的运输无 关,是胞外的离子或分子利用胞内的负电势 进入细胞的传递体。 • 单向传递体(单向运输器): ※三类通道的共同特点: ①均为跨膜存在的内在蛋白; ②有可控的运输能力; ③对物质出入有选择性。 三.细胞吸收溶质的方式 依据离子跨膜运输是否需要能量和离子运动 方向与电化学势的关系,将离子跨膜运输分 成两种形式。 (一)被动吸收(被动运输) 指不直接消耗水解ATP的能量,且只能顺电化 学势转运的吸收方式。各种极性分子糖、氨 基酸、核苷酸等均可以这种方式进入细胞。 被动吸收的三种途径: 1.通过通道蛋白完成:是被动吸收的主要途径。 条件:通道蛋白开放;存在电化学势差。 电化学势梯度由浓度梯度和电势梯度构成,两 种梯度对于某一种离子来说,可能一致,也 可能不一致。 因为细胞的电位是内负外正,当某阳离子胞 外浓度高于胞内时,这时两种梯度一致,离 子顺电化学势梯度进入细胞; 在内负外正的细胞电位下,某种阳离子的胞 内浓度也可能大于胞外,即出现了两种梯度 不一致的现象,此时如按浓度差,离子应向 外扩散,按电势差,离子应向内扩散。 细胞内负电位 M+ M+ M+ M+ M+ M+ 细胞外 正电位 M+ M+ M+ [M+ ]内> [M+ ]外 离子实际扩散方向: • 此时离子的实际扩散方向,决定于两种 梯度的相对大小。 如果浓度梯度>电势梯度,该离子向外扩 散(逆电势梯度转移); 如果电势梯度>浓度梯度,该离子顺电势 差进入细胞 (逆浓度差转移),此时,细胞 无需耗费能量,就可以积累比外界浓度高得 多的离子。 ◎通道蛋白对被运物质的选择性 不同通道的选择性不同: • 选择性极强:只允许一种离子通过; • 选择性较弱:允许一种以上带同种电荷的 离子通过。 • 无选择性:可允许多种离子通过。是一种 特例,存在于参与快速运动的细胞,如含 羞草的叶枕细胞。 2.通过载体蛋白完成(协助扩散) 运输条件及运输方向与通过通道蛋白的方式 相近。据如下特点: (1)运输速度要远远慢于通道蛋白的运输。 (2)有饱和现象,存在最大运输速率; (3)不同物质,甚至同一物质的不同构型有不 同的运输速率。如D-葡萄糖穿过红细胞膜的 km值是1.5mmol/L,而L-葡萄糖的km值是> 300mmol/L (4)某些物质间有竞争作用。 3.直接通过膜进行简单扩散(单纯扩散): 即不通过膜蛋白进行的运输。 简单扩散的动力:浓度梯度。 小分子比大分子容易,非极性分子比极性分 子容易,如O2、N2、苯等极易通过。 离子最难。 水分子小,可通过膜脂运动产生的空隙进入 质膜,但速度慢;通过水孔蛋白进入,快。 (二)主动吸收(主动运输) • 离子逆着电化学势梯度,依赖ATP水解释 放能量完成跨膜运输的方式称为主动运输。 可分为两种情况: 1.初始主动运输: 由ATP酶(离子泵)利用水解ATP释放的能量 完成离子的定向转移。 如H+-ATP酶通过水解ATP释放能量转移H+ , 建立Δ-μH+的过程。 Ca2+-ATP酶,完成Ca2+的逆浓度转移,也是 初始主动运输。 2.次级主动运输(共运输) • H+-ATP酶转移H+ ,建立Δ-μH+,即将ATP 中的化学能转化成跨膜电化学势差的形式 (渗透能),传递体蛋白利用电化学势差作为 转移其他物质的动力。 (1)同向共运输——内向运输 在膜外的H+回到膜内的同时,协同完成阴离子 及中性分子(Cl-、NO3 - 、PO43-、SO42- 、 氨基酸、肽、蔗糖、己糖)的内运。 • H+回到膜内,是膜电位的去极化过程,膜电势梯 度降低,会启动H+ -ATP酶运转加速,将更多的H+ 运出质膜,经过一定时间后,细胞膜电势和pH又 恢复到原水平。 H+ 共 向梯 传度 递的 体作 开用 始 工打 作开 通 道 蛋 白 、 : (2) 反向共运输(双向运输): 由双向传递体完成。将H+内运的同时,完成 Na+、Ca2+等阳离子的外运。 (3)单向共运输(内向运输器):内向传递体。 其作用与H+的回传无关。是利用胞内的负电 位,胞外阳离子(Fe2+、 Zn2+ 、Mn2+ 、 Cu2+ 等)或分子顺浓度梯度进入细胞的过 程。 同向和反向运输器;完成离子的逆浓度运输 (三).胞吞作用 • 胞饮作用: 胞吞物是液体 时, 囊泡较小。 吞噬作用: 胞吞物是颗粒 性物质时, 囊泡 较大。 第三节 植物根系和叶片对矿质元素的吸收 一.根对矿质元素的吸收 (一)根的吸收特点 1. 吸收区域: 不同植物、不同离子根的吸收 区域并不完全相同。 如玉米吸收K+、NO3-以伸长区吸收能力最强。 认为伸长区和根毛区有同等的吸收能力; 许多植物的整个根系表面都有吸收能力。 2.吸肥与吸水的关系: 是两个相对独立的过程。 (1)肥料需溶于水以离子态被吸收; (2)吸肥促进吸水(水势,K+与气孔); (3)蒸腾拉力是离子运输的动力 (但蒸腾最强烈部位并非离子分配最多的部 位)。 3.根系吸肥的选择性: 不同植物有不同的选择特点; 同一植物对同一盐的不同离子选择性不同。 生理酸性盐:(NH4)2SO4 生理碱性盐: NaNO3 生理中性盐: NH4NO3 4.单盐毒害与离子拮抗作用 (1)单盐毒害:溶液中只有单一离子存在对植 物造成的伤害。 (2)离子拮抗 :不同离子间相互消除单盐毒害 的现象。 同电荷异价离子之间才有拮抗作用,如: K+和Ca 2+互为拮抗离子. 生理平衡溶液:必需元素按一定浓度和比例混 合,其中的单盐毒害作用均被消除,这样的溶 液称为……. (二).根吸收矿质元素的过程: 1.离子通过吸附交换, 被代换到根细胞表面. • 交换离子的产生: 呼吸作用… • 交换形式:接触交换 或通过土壤溶液同电 荷等价交换。 2.离子进入根细胞 3.离子内运的途径:(1)共质体途径运输:可直 达导管;( 2)质外体途径运输:不能直达导管; (3)交替途径运输: 根毛区的共质体和质外体途径 (三).根对难溶性矿质元素的吸收 根呼吸产生H2CO3,分泌有机酸,溶解难溶矿 物质, 再交换吸收。 (四).土壤状况对根系吸收矿质元素的影 响 1.土壤温度的影响: 有最适温现象。 • 低温的影响:供能;扩散速度;质膜透性; 受低温影响的顺序:P>N>S>K>Mg>Ca • 高温的影响:酶钝化;膜透性加大;根老化 2.土壤通气状况:影响呼吸供能。 温 度 对 钾 吸 收 的 影 响 (3)土壤pH值 ①直接影响(等电点和离子竞争角度): 酸性增强有利于吸收阴离子: • 碱性增强有利于吸收阳离子: ②间接影响: • pH值改变盐类的溶解度: 碱性→不溶解→难吸收。 反硝化细菌活跃,使N素损失。 • 酸性→易溶解→淋溶。 重金属盐中毒; 根瘤菌死亡,不能固氮。 土壤pH对矿质元素吸收的影响:随pH升高 K+ 的吸收增强,NO3-吸收下降 pH对燕麦吸收K+的影响 pH对小麦吸收N03-的影响 不同作物生长的最适pH 土壤pH对矿质元素可利用性的影响 (4)土壤离子相互作用 ①协和作用与竞争作用 协和作用:一种元素促进另一种元素的吸收。 竞争作用:一种元素抑制另一种元素的吸收。 ②浓缩效应与稀释效应 • 浓缩效应:某种元素缺乏可导致其他元素积累。 • 稀释效应:补充缺乏元素后,其他元素被吸 收而稀释。 (5)土壤有毒物质状况:H2S、重金属离子、 有机酸、Fe2+等。 (6)土壤溶液浓度:一定范围内,吸收速率 与离子浓度成正相关。 二.叶片对矿质元素的吸收 1.叶吸收途径: 气孔、角质层 2.叶面追肥的优缺点: 3.叶面追肥注意事项: (1)浓度:大量元素在0.5%~2%之间,微量元素在 0.01%~0.1%之间; (2)双子叶植物效果好于单子叶植物;嫩叶吸收能 力大于老叶; (3)时间以傍晚或阴天较好,喷洒在叶背面较好. 三.矿质元素的运转与分配 1.运输形式 ①金属元素: 以离子态运输. ②非金属元素:以离子及小分子有机物质… 2.运输途径: ①根系径向:质外体.共质体 ②纵向:木质部为主,也可横向进入韧皮部。 ③叶片吸收的元素向下通过韧皮部,向上通过 韧皮部、木质部. 3.分配和再分配 • 分配: 根系吸收的元素只有少部分留在根系, 大部分运到地上部分,生长中心分配较多, 老组织分配很少。 • 再分配: 衰老组织中可溶性的成分可运到新 组织或器官再利用,不溶解的成分不能再利 用。 • 不同元素缺素症出现的部位: 第四节 氮素的同化 氮素的同化 氨态氮可直接同化,硝态氮要还原 成氨态氮以后才能同化。 一. 硝态氮的还原:在两种酶作用下还原。 • +2e +6e NO3-—————→NO2- ————→NH3 硝酸还原酶 亚硝酸还原酶 1.硝酸还原酶(NR):诱导酶,同源二聚体。 含有FAD、细胞色素b557及钼复合体(Mo-Co) 等三种辅基。缺钼影响植物对硝态氮的利用。 还原反应; NO3- +2e- +2H+ ——→ NO2- +H2O • 还原场所:根或叶细胞的细胞质 还原力: NADH+,来源于TCA循环或光合作 用。 • 2.亚硝酸还原酶(NiR): • 催化亚硝酸盐还原为氨。 • 还原场所:根细胞质体或叶肉细胞的叶绿体。 在细胞质中形成的NO2-被运进质体进一步还原。 还原反应: NO2- +6e- +8H+ ——→ NH4+ +2H2O 还原力:在叶内电子直接来源于光合链末端的 Fd, 根内是来源于HMP途径的NADPH+. 二、氨基酸的生物合成——氨态氮的同化 1.谷酰胺-谷氨酸合成途径:主要途径,分2步。 (1) Glu+NH3+ATP————→Gln+ADP+Pi 谷酰胺合成酶 谷酰胺合成酶(GS)在绿色组织中定位于叶 绿体,在非绿色组织中定位于质体。对NH3 的亲和力很高,Km值:10~39μmol/L。 (2) 谷酰胺+α-酮戊二酸 ————→ 2谷氨酸 谷氨酸合成酶 2.还原氨基化作用:次要途径 α-酮戊二酸+ NH3 +NADH 谷氨酸+H2O 谷氨酸脱氢酶 (Km值5~30mmol ·L-1) • 使光合磷酸化解偶联的NH3浓度为2mmol·L1. (3)氨基移换作用: 合成其它氨基酸。 ※酰胺的生理功能:氨的贮库;氮素的运输形态. Gln是植物健康的标志,常与合成代谢和生长 有关。 Asn是植物不太健康的标志,常与分解代谢有 关。 三.生物固氮作用 全球每年自然固氮1亿吨,10%通过闪电完成, 90%通过生物固氮完成。工业固氮2500吨,占 自然固氮的25%。 1.生物固氮:微生物将游离氮素转化为含氮化合 物的过程。反应式: N2+8e-+8H++16ATP→2NH3+H2+16ADP+16Pi 固氮微生物是重要的基因资源。 生物固氮——微生物或其他生物 将大气中的分子态氮同化为含氮 化合物的过程。是无污染,有效 的自然过程,研究意义重大。 生物固氮主要由两类原核微生物 完成的: – 自生固氮微生物,多种细菌和篮 绿藻,占大部分。 – 共生固氮微生物,主要是与宿主 植物共生。 » 与豆科植物共生的-根瘤菌 。 » 与非豆科植物共生的-放线菌。 » 与水生蕨类共生的-蓝藻等。 第四节 作物合理施肥的生理基础 什么叫合理施肥? 施肥种类合理:缺什么补什么; 施肥量合理:非不足,无过量; 施肥时期合理:满足特定发育阶段的肥料要求。 一.作物需肥的规律 1.不同作物需肥不同: 2.不同生育期需肥不同: 3.生长中心需肥量最大: 二.合理施肥的指标 1.形态指标 2.生理指标 三.合理施肥增产的原因 1.生理基础:改善光合性能 2.生态基础:改善生态环境 图:B与碳水化合物合成的关系 共质体与质外体运输