Физиология растений

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра плодоводства и овощеводства

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ

Вариант 1

                            Проверил: Любимова О.В.

Выполнил: студентка 2 курса

                                                                                                                            специальности  ТППСХП

          Загребина А.Ю

       Шифр 07041

Ижевск 2009

Раздел 1. Физиология и биохимия растительной клетки.

1.Предмет и задачи физиологии и биохимии растений.

              Физиология растений, биологическая наука, изучающая общие закономерности жизнедеятельности растительных организмов. Физиология растений изучает процессы поглощения растительными организмами минеральных веществ и воды, процессы роста и развития, цветения и плодоношения, корневого (минерального) и воздушного (фотосинтез) питания, дыхания, биосинтеза и накопления различных веществ, совокупность которых обеспечивает способность растения строить своё тело и воспроизводить себя в потомстве. Раскрывая зависимость жизненных процессов от внешних условий, физиология растений создаёт теоретическую основу приёмов и методов повышения общей продуктивности растительных организмов, питательной ценности, технологического качества их тканей и органов. Физиологические исследования служат научной основой рационального размещения растений в почвенно-климатических условиях, наиболее полно соответствующих их потребностям. Круг вопросов, составляющих предмет физиологии растений, во многом определяется специфическими особенностями её объекта – зелёного растения. Зелёные растения отличаются от всех других форм живых существ способностью использовать в качестве источника энергии солнечный свет и преобразовывать его энергию в химическую (свободную) энергию органических соединений, т. е. осуществлять процесс фотосинтеза. Благодаря этому зелёные растения способны использовать для своего питания неорганические соединения, лишённые существенных запасов легко мобилизуемой свободной энергии. В процессе фотосинтеза растения обогащают энергией поглощаемые ими и преобразуемые минеральные соединения, синтезируют различные богатые энергией органические вещества и тем самым создают основную базу пищи и энергии для существования всех прочих форм жизни на Земле. В этом состоит принципиальное отличие зелёных растений от животных и др. бесхлорофилльных организмов (грибы, бактерии), для существования которых необходимы готовые органические соединения. Специфические свойства растений тесно связаны с особенностями их общей анатомо-морфологической структуры. В отличие от животных, для которых характерно "компактное" строение, растительные организмы, как правило, обладают значительно большей поверхностью благодаря ветвлению как надземных, так и подземных органов. Это позволяет растению взаимодействовать с большими объёмами почвы и воздуха как источниками питания. Кроме того, у растения на протяжении почти всей жизни не прекращается рост, т.к. наряду со старыми имеются молодые ткани, сохраняющие способность к образованию новых клеток. Другая специфическая особенность зелёных растений – отсутствие у них постоянной внутренней среды: температура тканей, содержание в них кислорода, углекислого газа и др. параметры могут меняться. В силу этого приспособление растений к изменяющимся условиям внешней среды осуществляется принципиально иным путём, чем у животных.

2. Нуклеиновые кислоты, их химический состав, строение. Правило Чаргаффа. Функция РНК в клетке.

              Нуклеиновые кислоты — биологические полимерные молекулы, хранящие всю информацию об отдельном живом организме, определяющие его рост и развитие, а также наследственные признаки, передаваемые следующему поколению. Нуклеиновые кислоты есть ядрах клеток всех растительных и животных организмов, что определило их название (лат. nucleus — ядро).

              В клетках имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Эти биополимеры состоят из мономеров называемых нуклеотидами. Мономеры-нуклеотиды ДНК и РНК сходны в основных чертах строения. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов, соединенных прочными химическими связями.

              Каждый из нуклеотидов, входящих в состав РНК, содержит пятиуглеродный сахар - рибозу; одно из четырех органических соединении, которые называют азотистыми основаниями - аденин, гуанин, цитозин, урацил (А, Г, Ц, У); остаток фосфорной кислоты.

              Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиуглеродный сахар - дезоксирибозу; одно из четырех азотистых основании: аденин, гуанин, цитозин, тимин (А, Г, Ц, Т) - остаток фосфорной кислоты.

В составе нуклеотидов к молекуле рибозы (или дезоксирибозы) с одной стороны присоединено азотистое основание, а с другой - остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются между собой в длинные цепи. Остов такой цепи образуют регулярно чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты, а боковые группы этой цепи - четыре типа нерегулярно чередующихся азотистых оснований.

              Нуклеиновые кислоты выполняют в клетке важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация о всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.

              Правила Чаргаффа — система эмпирически выявленных правил, описывающих количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК.

              До работ группы Чаргаффа господствовала так называемая «тетрануклеотидная» теория, согласно которой ДНК состоит из повторяющихся блоков по четыре разных азотистых основания (аденин, тимин, гуанин и цитозин). Чаргаффу и сотрудникам удалось разделить нуклеотиды ДНК при помощи бумажной хроматографии и определить точные количественные соотношения нуклеотидов разных типов. Они значительно отличались от эквимолярных, которых можно было бы ожидать, если бы все четыре основания были представлены в равных пропорциях. Соотношения, выявленные Чаргаффом для аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц), оказались следующими:

1. Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А=Т, Г=Ц.

2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.

3. Количество оснований с 6 аминогруппами равно количеству оснований с 6 кетогруппами: А+Ц=Г+Т.

Вместе с тем, соотношение (A+Т):(Г+Ц) может быть различным у ДНК разных видов. У одних преобладают пары АТ, в других — ГЦ.

                            Можно дать следующий список основных известных функций РНК:

1. Генетическая репликативная функция: структурная возможность копирования (репликации) линейных последовательностей нуклеотидов через комплементарные последовательности. Функция реализуется при вирусных инфекциях и аналогична главной функции ДНК в жизнедеятельности клеточных организмов - редупликации генетического материала.

2. Кодирующая функция: программирование белкового синтеза линейными последовательностями нуклеотидов. Это та же функция, что и у ДНК. И в ДНК, и в РНК одни и те же триплеты нуклеотидов кодируют 20 аминокислот белков, и последовательность триплетов в цепи нуклеиновой кислоты есть программа для последовательной расстановки 20 видов аминокислот в полипептидной цепи белка.

3. Структурообразующая функция: формирование уникальных трехмерных структур. Компактно свернутые молекулы малых РНК принципиально подобны трехмерным структурам глобулярных белков, а более длинные молекулы РНК могут образовывать и более крупные биологические частицы или их ядра.

4. Функция узнавания: высокоспецифические пространственные взаимодействия с другими макромолекулами (в том числе белками и другими РНК) и с малыми лигандами. Эта функция, пожалуй, главная у белков. Она основана на способности полимера сворачиваться уникальным образом и формировать специфические трехмерные структуры. Функция узнавания является базой специфического катализа.

5. Каталитическая функция: специфический катализ химических реакций рибозимами. Данная функция аналогична энзиматической функции белков-ферментов.

Раздел 2. Водный режим растений.

1. Корневая система как орган поглощения воды. Процесс всасывания воды корневой системой.

              Корневая система – это совокупность всех корней, принадлежащих одному растению. Корневая система отвечает за то, чтобы растения были обеспечены водой, минеральными удобрениями, всеми необходимыми компонентами, которые помогают здоровому и энергичному росту растений. Вода с растворенными в ней веществами переносится через ксилему к надземным органам, где включается в процессы фотосинтеза; через ксилему и флоэму корня происходит движение воды и питательных веществ

              Основная масса воды поглощается более молодыми частями корня в зоне корневых волосков. По мере роста корня в почве на нем постоянно образуются новые корневые волоски, а старые отмирают. Новые корневые волоски возникают на некотором расстоянии позади зоны растяжения. Эти волоски представляют собой трубчатые выросты эпидермальных клеток, существенно увеличивающие поверхность, способную поглощать воду и минеральные соли. Они вступают в тесный контакт с частицами почвы.

              В корне существует градиент водного потенциала — от более высокого в клетках, образующих корневые волоски, к более низкому в клетках, примыкающих к ксилеме. Этот градиент поддерживается двумя способами:

1) за счет движения воды вверх по ксилеме, при котором, как мы уже говорили, в ксилеме создается натяжение (отрицательное давление) и тем самым понижается водный потенциал ксилемного сока;

2) за счет того, что осмотический потенциал ксилемного сока более низкий (более отрицательный) по сравнению с осмотическим потенциалом разбавленного почвенного раствора.

Вода движется через корень по тем же путям, что и в листьях, а именно по апопласту, симпласту и через вакуоли.

              По мере того как вода поднимается вверх по корневой ксилеме, ее замещает вода из окружающих паренхимных клеток. В результате водный потенциал этой клетки снижается и в нее устремляется вода из соседней клетки благодаря осмосу или просто по симпласту, для мезофилла листа. Тогда в свою очередь снижается и водный потенциал клетки, в нее начинает поступать вода из соседней клетки  и так далее через весь корень до самого эпидермиса, образующего волоски. Водный потенциал почвенного раствора выше, чем в клетках эпидермиса и в корневых волосках. Следовательно, вода проникает в корень извне путем осмоса.

2. Водный баланс растений, явление завядания и его значение в жизни растений.

              Водный баланс растений – это соотношение между количеством воды, которое растения получают, и количеством воды, которое они за тот же период времени расходуют.

                            Завядание растений, утрата растениями тургора (напряжённости тканей) вследствие нарушения водного баланса. Возникает в тех случаях, когда транспирация воды листьями превышает поступление её в ткани. Внешне завядание растений проявляется в повисании листьев и верхушек стеблей. Разные виды растений завядают при различной степени потери воды: подсолнечник и картофель — при потере более 30% содержащейся в листьях воды, а некоторые тенелюбивые растения — при потере 2—3% воды. Завядание растений может быть временным и длительным. Временное завядание растений (временный водный дефицит) наступает в случае, если поступающая из почвы вода не успевает компенсировать её расход растением, при ослаблении же транспирации, например к вечеру, водный баланс восстанавливается и растение приходит в нормальное состояние. Длительное завядание растений (остаточный водный дефицит) наступает в том случае, когда в почве остаётся мало или не остаётся доступной растению воды, водный дефицит не восполняется и в ночные часы. При завядании растений сначала приостанавливается рост, затем при усилении обезвоживания нарушается фотосинтез, снижается энергетическая эффективность дыхания, происходит распад крахмала, белков и др. высокомолекулярных соединений в тканях, что приводит к отмиранию клеток. Завядание растений в засушливых условиях может быть предотвращено применением орошения, улучшением минерального питания растений, предпосевным закаливанием семян, посевом засухоустойчивых сортов.

Раздел 3. Фотосинтез

1.      Планетарная роль фотосинтеза.

              Фотосинтез – единственный процесс на Земле, идущий в грандиозных масштабах и связанный с превращением энергии солнечного света в энергию химических связей. Эта космическая энергия, запасенная зелеными растениями, составляет основу для жизнедеятельности всех других гетеротрофных организмов на Земле от бактерий до человека. Выделяют пять аспектов космической и планетарной роли растений:

1.Накопление органической массы. В процессе фотосинтеза наземные растения образуют 100-172 млрд. т, а растения морей и океанов – 60-70 млрд. т биомассы в год (в пересчете на суховее вещество). Общая масса растений на Земле в настоящее время составляет 2402,7, причем 90 % этой сухой массы приходится на целлюлозу. На долю наземных растений приходится 2402,5 млрд. т, а на растения гидросферы – всего 0,2 млрд. т (из-за недостатка света). Общая масса животных и микроорганизмов на земле – 23 млрд. т, что составляет около 1 % от растительной биомассы. Из этого количества 20 млрд. т приходится на обитателей суши, а 3 млрд. т – на животных и микроорганизмов гидросферы.

За время существования жизни на Земле органические остатки растений и животных накапливались и модифицировались. На суше эти органические вещества представлены в виде подстилки, гумуса и торфа, из которых при определенных в толще литосферы формировался уголь. В морях и океанах органические остатки (главным образом животного происхождения) оседали на дно и входили в состав осадочных пород. При опускании в более глубокие области литосферы из этих остатков под действием микроорганизмов, повышенных температур и давления образовывались газ и нефть. Масса органических веществ подстилки, торфа и гумуса оценивается в 194, 220 и 2500 млрд. т соответственно. Нефть и газ составляют 10 000 – 12 000 млрд. т. Содержание органических веществ в осадочных породах достигает 20 000 000 млрд. т (по углероду).

Особенно интенсивное накопление мертвых органических остатков происходило 300 млн. лет назад в палеозойскую эру. Запасы древесины, а в последние 200 лет угля, нефти и газа используются человеком для получения энергии, необходимой в быту, промышленности и сельском хозяйстве.

Обеспечение постоянства содержания СО2 в атмосфере. Образование органических веществ гумуса, осадочных пород и горючих ископаемых выводило значительные количества СО2 из круговорота углерода. В атмосфере Земли СО2 становилось все меньше и в настоящее время он составляет только 0,3% (по объему), или (в абсолютных значениях) 711 млрд. т в пересчете на углерод.

В кайнозойской эре содержание диоксида углерода в атмосфере стабилизировалось и испытывало лишь суточные, сезонные и более длительные геохимические колебания. Эта стабилизация достигается сбалансированным связыванием и освобождением СО2, осуществляемых в глобальном масштабе. Связывание СО2 в ходе фотосинтеза и образование карбонатов компенсируется выделением СО2 за счет других процессов. Ежегодное поступление СО2 в атмосферу в пересчете на углерод (в млрд. т) обусловлено: дыханием растений – 10, дыханием и брожением микроорганизмов – 25, дыханием животных и человека – 1,6, производственной деятельностью людей – 5, геохимическими процессами – 0,05. При отсутствии этого поступления весь СО2 атмосферы был бы связан в ходе фотосинтеза за 6-7 лет. Мощным резервом диоксида углерода является Мировой океан, в водах которого растворено в 60 раз больше СО2, чем находится в атмосфере. Фотосинтез, с одной стороны, дыхание организмов и карбонатная система океана, с другой, поддерживают относительно постоянный уровень СО2 в атмосфере.