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植物生理学02矿质营养


第二章 植物的矿质营养
有收无收在于水

收多收少在于肥

?

第一节 植物的必需元素

1 植物体内的元素
1.1 矿质元素与非矿质元素

1)矿质元素:将植物烘干并充分燃烧后,余下一 些不能挥发的残烬称为灰分,而以氧化物形式 存在于灰分中的元素称为灰分元

素或矿质元素。 2)非矿质元素:燃烧时以气态形式散失到空气中 的元素,如C、H、O、N、S等)。

2 必需元素及其确定方法
1) 必需元素的判别准则
A)缺乏该元素植物生长发育发生障碍不能完成生活史; B)除去该元素则表现专一的缺乏症,而且这种缺乏症是 可以预防和恢复的;

C)该元素在植物营养生理上应表现直接的效果而不是间 接的。

2)确定方法

借助溶液培养法矿质和砂基培养法,已证明K、Ca、Mg、 S、P、N、Si、Cl、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Ni、 Na及C、H、O共19种元素为多数植物必需。

溶液培养法(简称水培法
Water culture, solution culture, hydroponics)

砂基培养法(sand culture)

注意事项: (1)选择合适的培养液;(2)定期更换培养液,调节pH; (3)通气; (4) 根系遮光。 应用:功能和吸收机制研究,大棚蔬菜、花卉甚至粮食生产。

几种营养液培养法 A.水培法:使用不透明 的容器(或以锡箔包裹 容器),以防止光照及避 免藻类的繁殖,并经常 通气; B. 营养膜(nutrient film) 法:营养液从容器a流进 长着植株的浅槽b,未被 吸收的营养液流进容器 c,并经管d泵回a。营养 液pH和成分均可控制。 C.气培法:根悬于营养 液上方,营养液被搅起 成雾状。

3)植物必需元素的种类
A)大量元素:在植物体内含量较多,占植物体干

重达万分之一以上的元素。包括C、H、O、N、 P、K、Ca、Mg、S等9种元素。 Si
B)微量元素:植物体内含量甚微,稍多即会发生

毒害的元素包括:Cl、Fe、Mn、B、Zn、Cu、 Mo、Ni等8种元素。Na

3 必需矿质元素的生理生化作用及缺乏症
A)是细胞结构物质的组成成分。如:磷存在于磷脂、

核酸和核蛋白中,钙是细胞壁的重要元素。
B) 是植物生命活动的调节者,参与酶的活动。如:钾

是40多种酶的辅助因子,还可促进糖类的合成和运输。
C) 起电化学作用及渗透调节。如:铁在呼吸、光合和

氮代谢等方面的氧化还原过程中起着重要作用。
D) 与体内其他物质结合成脂化物等参与物质代谢与运

输。

? 1)Nitrogen(N)生命元素

? 约占干物重的1-3%。 吸收硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N); 尿 素[CO(NH2)2]、氨基酸等。

A) 许多重要化合物的组成 核酸、蛋白质和酶、磷脂、叶绿素、光敏素、 植物激素(如IAA、CTK)、维生素(如B1、B2、 B6、PP)、生物碱等都含有氮; B)参与物质和能量的代谢。 高能三磷酸化合物(ATP、UTP、GTP、CTP、 ADP等)、辅酶(CoA、CoQ、NAD(P)、FAD、 FMN等)和铁卟啉等。

生长矮小, 根系细 长,分 枝(蘖) 减 少。 老叶发 黄枯死, 新叶色 淡

? N充足 时枝叶 繁茂,叶 色浓绿, 生长健 壮,籽粒 饱满; ? N过多 时导致 茎叶徒 长,易受 病虫危 害和倒 伏,贪青 迟熟。

老叶 发黄, 新叶 色淡 大麦 缺N

老叶发 黄,新 叶色淡 基部发 红 花色苷 积累其 中

? 2) Phosphorus(P)
? 植物以H2PO4-和HPO42-形式吸收磷素。
生理功能 A)组成成分:核酸、磷脂、辅酶、能量物质等。 B)参与能量代谢:直接参与氧化磷酸化和光合磷酸 化合成 ATP(ADP+Pi →ATP)。 C) 参与糖的代谢和运输。 D) 磷直接参与蛋白质,脂肪和淀粉的合成。 E) 组成缓冲体系。
缺磷时,分蘖分枝减少,幼芽、幼叶生长停滞,茎、根 纤细,植株矮小;叶子呈现不正常的暗绿色或紫红色。 症状首先在下部老叶出现,并逐渐向上发展。 磷过多,易产生缺Zn症。

? 水稻缺P:新叶色深,呈墨绿色, 俗称“一枝 香”,“锅刷”

3) Potassium(K)。 ? 钾离子进入根部,只以离子形式存在植物体 内,主要集中于代谢旺盛部位。 A)调节水分代谢:渗透势, 气孔,蒸腾作用. B)酶的激活剂:60多种酶的激活剂,如丙酮酸 激酶、谷胱甘肽合成酶、淀粉合酶等。 C)提高抗性:抗倒、抗病虫。 D)参与物质运输:K+作为H+的反离子 E)钾促进蛋白质和多糖合成 。 F)参与能量代谢:促进氧化磷酸化;和光合磷 酸化.

K的缺乏症。 A)植株茎秆柔弱,易倒伏,抗逆性差。

B)老叶枯死有 褐色烧焦状斑 点--"焦边"。 叶缘(双子叶) 或叶尖(单子叶) 从坏死黄斑→ 逐渐呈褐色烧 焦状斑点--"焦 边"。

4) Calcium(Ca) 离子(Ca2+)形式吸收。
A)Ca是细胞壁等的组分。 B)Ca是某些酶类的活化剂。 (如ATP酶、琥珀 酸脱氢酶等),Ca-CaM系统行使第二信使功能

C)Ca2+参与光合放氧。 D)钙能提高膜稳定性,提高植物适应干旱 与干热的能力。

?

生长点坏死,大豆缺Ca

大白菜"干心病"

5) Magnesium (Mg) Mg2+形式被植物吸收。 A) 镁参与光合作用:叶绿素的组分, 促进光合 磷酸化;活化Rubisco. B) 酶的激活剂或组分。 转移磷酸基酶类 C)促进蛋白质合成。

Mg的缺乏症 老叶脉间失绿,网状脉(双子叶植物)和条 状脉(单子叶植物)。叶脉有时呈紫红色; 严重缺镁,形成坏死斑块。

6) Sulfur(S) 1) 是蛋白质和生物膜的成分。 含S氨基 酸和硫脂的组分。 2) 酶的成分,参与多种生化反应。 CoA、铁氧还蛋白、硫氧还蛋白、固氮 酶 3) 构成体内还原体系。谷胱甘肽-SH。

?

1.3.2 Physiological functions and deficient symptoms of microelements
微量元素是指植物需要量较少, 在植物体中含量较低,常占干 重的0.01%以下的元素。它们是Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、 Cl、Ni。

?

第二节 植物细胞对矿质元素的吸收
1 生物膜的结构与特性

2

植物细胞吸收溶质的方式
1)离子通道运输

2)载体运输
3)离子泵运输(质子泵和钙泵) 4)胞饮作用:物质吸附在质膜上,然后通过
膜的内折而转移到细胞内的获取物质的过程。

第三节 植物对矿质元素的吸收
1 植物吸收矿质元素的特点
1)对水分和盐分的相对吸收; 2)选择性吸收; 3)单盐毒害和离子对抗。

2 根部对溶液中矿质元素的吸收过程
1)离子吸附在根部细胞表面; 2)离子进入根部内部。

3 影响根部吸收矿物质的因素
1)温度:过低、过高都不利。如温度过低,代谢
弱,能量不足,主动吸收慢;胞质粘性增大,离

子进入困难。其中以对钾和硅的吸收影响最大。

2)通气状况:影响呼吸作用。 3)溶液浓度:过低、过高都不利。

4)pH值:一般作物生育最适的pH值是6-7。在土壤溶液碱性的反
应加强时,Fe、Ca、Mg、Zn呈不溶解状态,能被植物利用的量极 少。在酸性环境中P、K、Ca、Mg等溶解,但植物来不及吸收易被 雨水淋失,易缺乏。而Fe、Al、Mn的溶解度加大,植物受害。

4 根外营养
4.1 植物根外营养的吸收特点
A) 根外营养的主要器官为叶片,故又称为
叶片营养;

B)营养物质可经气孔或角质层进入叶内,并

经胞壁中的外连丝抵达质膜,再进入细胞, 最后到达叶脉韧皮部。
外连丝:是叶片表皮细胞通道,它从角质层 的内侧延伸到表皮细胞的质膜。

4.2 根外施肥的优点
A)在生育后期根部吸肥能力衰退时或营养
临界期时,可根外施肥补充营养;

B)某些肥料(如磷肥)易被土壤固定而根
外施肥无此现象,且用量少;

C)补充植物缺乏的微量元素,用量省、见
效快。

4 植物氮代谢
1 植物的硝酸盐还原
1.1 植物硝酸盐还原的主要过程
A) 硝酸还原
HNO3 HNO2

B) 亚硝酸还原
HNO2 NH3

1.2 植物硝酸盐还原的主要特点
亚硝酸还原在叶绿体);

1) 发生反应的细胞器(硝酸还原在细胞质; 2)参与反应的酶种类及其性质;
诱导酶:又称适应酶,指植物体内 本来不含有,但在特定外来物质的诱导 下可以生成的酶。如硝酸还原酶可为 NO3-所诱导。

3)与光合作用的关系。

2 植物的氨同化
2.1 植物氨同化的主要方式
2)氨基交换作用:一种氨基酸的氨基转到一种酮 酸上形成另一种氨基酸和酮酸; 3)氨甲酰磷酸化:氨与二氧化碳、ATP结合形成 氨甲酰磷酸;

1)还原氨基化:氨与α-酮酸结合生成相应氨基酸;

4)酰胺化作用:氨与氨基酸结合形成酰胺。

2.2 植物氨同化的生理意义
1)解除氨毒;

2)形成新的物质(如氨基酸等);
3)酰胺化得到的谷氨酰胺和天冬酰胺在植物 体内氨不足时可释放出氨。

第五节 矿物质在植物体内的运输
1 矿物质运输的形式、途径和速度
1.1 矿物质运输的形式

金属离子:以离子状态运输
(P:主要以正磷酸根离子向上运输) (N:主要以氨基酸和酰胺形式向上运输,少量以 硝酸根离子运输) (S:主要以硫酸根离子向上运输)

1.2 矿物质运输的途径
1)根部吸收的矿质元素主要通过韧皮部向上 运输; 2)叶片吸收的矿质元素的上行和下行运输都 以韧皮部为主;木质部中的矿质元素可横 向运输到韧皮部,韧皮部中的矿质元素也 可横向运输到木质部。

2 矿物质在植物体内的分布
2.1 可再利用元素

以离子或不稳定化合物形式存在,可转移 至其他部位循环利用,如N、P、Mg、K、Zn 等,其中以N、P最为典型。当植物缺乏这类元 素时,它们就从衰老组织转移到新生的幼嫩部 位,从代谢水平低的部位转移到代谢旺盛部位, 所以衰老的叶片出现相应的缺素症。

2.2 不可再利用元素 以难溶解的稳定化合物形式存在,难 以循环利用,如B、S、Ca、Fe、Mn、 Cu,其中以Ca最为典型。这些元素在老 叶中的含量高于幼叶中的含量,缺乏这些 元素,幼叶或新生组织会表现出相应的缺 素症。

第六节 作物合理施肥的生理基础
1 作物的需肥规律
不同作物或同一作物不同时期需肥量不同

(营养最大效率期:生殖生长时期)

2 追肥的指标
1)形态指标(相貌、叶色)
2)生理指标 (元素含量、酰胺含量、酶活性)


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