Organizacyjne
16 stycznia 2011
00:37
Prowadzący: prof. Dr. Hab. Monika Kozłowska
Godzin wykładów: 15
Godzin ćwiczeń: 15
Podręcznik:
Fizjologia roślin - od teorii do nauk stosowanych - M. Kozłowska 2007
(cała fizjologia - nie tylko las) -nie musi być:)
Do egzaminu - program
Ekofizjologia - jak roslina radzi sobie w różnych warunkach
1. Wprowadzenie
21 lutego 2011
08:01
Molekuły-> roślina->ekologia
Ekofizjologia-> rośliny drzewiaste
Techniki badawcze (w tym prace symulacyjne - wirtualne modele roślin)
Poziom statyczny i fizjologiczny (jaki to ma potem wpływ na całość)
Rośliny drzewiaste
-gromada:
Nagozalążkowe (4 klasy)
Okrytozalążkowe (2 klasy)
-liczne cechy wyróżniające rośliny drzewiaste
Adaptacje morfologiczne drzew
Adaptacje chemiczne (terpenoidy) - ewolucyjnie o przetrwaniu zadecydowały związki toksyczne
(np. Pinen - terpenoid sosnowy C10H16 -lotny, nierozpuszczalny w wodzie (olejki eteryczne), tujon - u żywotników -ostry zapach, odstrasza owady, szkodniki; taksol - cisy - przeciwnowotworowy)
Program:
Podstawy strukturalno-funkcjonalne (poziom komórkowy)
Gospodarka wodna i elementy żywienia mineralnego
Procesy anaboliczno-kataboliczne (fotosynteza, gromadzenie i transport produktów, oddychanie)
Wzrost i rozwój rośliny, specyfika roślin drzewiastych
Podstawy strukturalno-funkcjonalne
08:20
Botanika + chemia organiczna! - struktura i skład chemiczny a uwarunkowania funkcjonalne
1. Ściana komórkowa
a. Przepuszczalność? - Łatwo przepuszczalne dla wody i związków rozpuszczalnych w wodzie (płot z siatki - wszystko przeleci, co małe).
b. Rola białek ściany komórkowej (możliwość rozciągnięcia ściany komórkowej => wzrostu!)
i. Ekspansyny -strukturalne, przy beleczkach celulozowych
ii. Ekstensyny -łączą beleczki celulozowe - od ich struktury zależy rozciągliwość ściany komórkowej
c. Rola enzymów - synteza celulozy, hemicelulozy, pektyn
i. Synteza pierwotna
ii. Synteza wtórna
d. Skład: polisacharydy - pierwotna 90% (więcej pektyn, mniej celulozy), wtórna (65-85%)(więcej celulozy i hemiceluzozy, mniej pektyn); białka (ściana pierwotna 10%), lignina (wtórna 15-35%)
e. Struktura - "beleczki" celulozy, połączone pektynami
2. Błony cytoplazmatyczne
a. Przepuszczalność? -selektywnie przepuszczalne - proces mocno regulowalny,
b. Podział komórki - przedziałowość - kompartmencja - aby mogły przebiegać różne procesy jednocześnie
c. Transport wody, składników mineralnych i organicznych (w tym asymilatów): Woda przenika najłatwiej - prawie nie stanowią bariery. Składniki mineralne - regulowany w większości. Organiczne - tylko regulowane!
i. Mechanizm transportu:
1. Pasywny (do momentu wyrównania stężeń):
a. Dyfuzja prosta (gradient stężeń)
b. Dyfuzja złożona (gradient pot. Osmotycznego i elektrochem)
c. Dyfuzja ułatwiona (z udziałem nośników białkowych i kanałów jonowych)
2. Aktywny (przeciw gradientowi stężeń):
a. Z udziałem nośników białkowych zależnych od ATP
b. Wywołany gradientem H+/pH, generowanym przez pompy protonowe (H+-ATPaza)
c. Cechy transportu aktywnego:
i. Wbrew gradientowi stężenia
ii. Prowadzi do akumulacji jonów i składników organicznych (np. gromadzenie zapasów)
iii. Wymaga nakładu energii metabolicznej (ATP)
iv. Jest procesem nieodwracalnym
d. Rola białek błonowych: model płynnej mozaiki, białka - regulatory, lipidy - regulatory. (*Arabidopsis - ma 2000 genów zw. Z białkami błonowymi - model)
i. Kanały białkowe (akwaporyny w warstwie lipidowej) - wielkość światła kanału - 0,15-0,2 nm =średnica cz. H2O, przemieszczenie wody - warunkuje osmozę
ii. Kanały jonowe - rola "bramkowania" - otwieranie i zamykanie kanałów(zależne od receptorów i napięcia); anionowe i kationowe, najważniejsze - kanały wapniowe (w tonoplaście) i potasowe (ap. Szparkowe:)- najlepiej poznane; (*wydajność - 10000-1mln jonów/s)
iii. Rysunki, modele - skołuj!!!
iv. Aktywatory - ABA, GA3, światło niebieskie - modyfikują akwaporyny i kanały jonowe
v. Pompy protonowe i wapniowe (zwierzęta - pompa Na/K) Pompa powoduje wytworzenie gradientu potencjału chemicznego H+ (wyrzuca H+ z cytoplazmy na zewnątrz). Gradient powoduje ruch innych jonów do wewnątrz. Pompy są odpowiedzialne za transport pierwotny(wywalenie H+), energizację błon i transport składników do wnętrza (jonów i związków organicznych)- transport wtórny - konsekwencja energizacji błon
ATP ---------> ADP +H+
ATPaza (pompa)
plazmolema
H+
Gospodarka wodna rośliny
Błona półprzepuszczalna
08:59
1. Woda w roślinie (w liściach - do 95%, średnio 70%), dipol!, doskonały rozpuszczalnik - otoczki wodne na powierzchni jonów, białek, węglowodanów - rozpuszczanie, otoczki także na powierzchni koloidów. Duże ciepło - zmiana stanu skupienia dużo energii potrzeba! Cząsteczki podstawą kohezji i adhezji (siły spójności)
2. Procesy umożliwiające przemieszczenie się wody (ale też i innych składników!):
a. Dyfuzja---------> (stan równowagi) znaczenie w roślinie- niewielkie znaczenie w stosunku do związków rozpuszczalnych w wodzie. Istotne przy przenoszeniu gazów
b. Osmoza - ruch wody pomiędzy 2 przestrzeniami podzielonymi błoną półprzepuszczalną . Zjawisko fizyczne - w układach modelowych (np. komórka Traubego). Transport cząsteczek wody do wyrównania stężeń - w układzie biologicznym przez akwaporyny
c. Coc decyduje o ruchu? Kiedy zachodzi? Decyduje Potencjał chemiczny wody Ψw [psi] - aktywność wody wnoszona do układu. Jednostki J/dm3 albo Pa. Bar=105 Pa= 0,987 atm
Ψ= -CRT, w roztworze, gdzie C- stężenie [mol/dm3], R- stała gazowa=22,4 atm, 2,3 Mpa; T - temperatura bezwzględna
W komórce roślinnej Ψ zawsze ujemny, (-0,1 do -1 Mpa, w komórkach dobrze uwodnionych), im mniej uwodniona, tym bardziej ujemny potencjał chemiczny wody. Decydują:
Potencjał osmotyczny (mw odpowiada stężeniu - Ψπ), zawsze -; decydują o nim wszystkie związki rozpuszczone w wodzie!
Potencjał ciśnienia turgorowego, hydrostatycznego - różnicuje ten układ od ukłądu fizycznego ψp
Potencjał macierzy* ψm
Ψkomórki=(-)ψπ+ψp , Kierunek ruchu zależy od Δψ
Komórka jako układ osmotyczny, dla każdej komórki włośnikowej korzenia, roztwór glebowy jest drugim roztworem - może być różnie - gdy Ψkomórki >Ψroztworu - woda wyciągana z rośliny!
Transport międzykomórkowy - transport dalszy niż z komórki do komórki - w ramach apoplastu i symplastu. Komórki połączone ścianami komórkowymi, łączą się plazmodesmami, ciąg ścian komórkowych, jednolita przestrzeń - apoplast - woda płynie nieosmotycznie. Osmoza - tylko w poprzek komórki, przez wakuolę. Symplast - komórki połączone. Zdecydowana większość wody przez całe drzewo płynie apoplastem!
Transport apoplastyczny - ok..50 razy szybszy
3. Na poziomie komórki, pomiędzy komórkami (transport bliski)
4. Na poziomie rośliny (transport daleki)
5. Uwadnianie molekuł, struktur (imbibicja)-przyciąganie i tworzenie słabych wiązań wodorowych między cz. H2O a cząsteczkami hydrofilnymi (substancji budulcowych, zapasowych)
Gospodarka wodna na poziomie rośliny związana jest z transportem dalekim, jest niezależna od metabolizmu - do metabolizmu potrzeba niewiele wody.
Ilość wody w roślinie - względna ilość, jaka przepływa - >98%, związana osmotycznie 1-2%, związana chemicznie 0,1-0,2% =>ilość wody w roślinie jest wielokrotnie większa od ilości, która jest związana, dodatni bilans jest warunkiem prawidłowego wzrostu i rozwoju - dlatego w czasie suszy jest zaburzony wzrost.
Uwodnienie organów jest zróżnicowane: liść sałaty, ogórek xD 94-5 %, nasiona 12-18%, nasiona oleiste 5-7% (słabo uwodnione, słabo pęcznieją) (istnieją nasiona nie znoszące odwonienia - dąb, leszczyna, orzech włoski - odwodnione <20% tracą zdolność kiełkowania)
Kierunek przepływu:
Gleba wilgotna -0,1 Mpa
Korzeń -0,2 do -0,4 Mpa
Ksylem drzewa -0,8 Mpa
Liście -1--3,5MPa
Powietrze suche ok.. -80MPa (b. niski potencjał chemiczny wody, b. duża siła ssąca)
Wartość Ψ w roślinie - stabilne, w glebie i powietrzu - bardzo zmienne, powietrza zależna od wilgotności
Woda w roślinach występuje w 3 fazach - ciekłym, gazowym (przestwory międzykomórkowe) i stałym - zimą wyjątkowo
Mechanizmy pobierania i przewodzenia wody:
1. Pasywny - siła ssąca transpiracji, podstawa transportu u roślin (u szpilkowych transport aktywny prawie nie istnieje) - energia słońca - światło powoduje otwarcie aparatów szparkowych, ciepło powoduje parowanie H2O i transpirację
2. Aktywny - siła parcia korzeniowego (ATP, "płacz" - najsilniejszy u brzozy i winorośli, mechanizm dolny, mechanizm górny - gutacja) - u niektórych roślin swoisty "zawór bezpieczeństwa" - zachodzi, gdy nie jest możliwy transport aktywny (b. duża wilgotność powietrza - brak siły ssącej, lub gdy drzewa nie mają liści - wczesną wiosną - ruszanie soków?- na zasadzie parcia korzeniowego)
W obu typach transportu mamy do czynienia z siłami kohezji (przyleganie cząsteczek H2O do naczyń włosowatych) i adhezji (przyleganie do siebie cząstek wody), obie te siły zapewniają spójność strumienia H2O
Transpiracja: wyparowywanie H2O z żywych komórek i tkanek - tylko żywych. Znaczenie: wymusza stały ruch wody w roślinie, ochładzanie latem, pośrednio przy transporcie soli mineralnych.
Przebieg:
1. Etap - zamiana wody w parę wodną - wyparowanie z komórek miękiszu do przestworów międzykomórkowych na tzw. Wewnętrznej powierzchni liścia (powierzchnia ścian komórkowych komórek sąsiadujących z przestworami międzykomórkowymi jest wielokrotnie (średnio 10,3 razy) większa od powierzchni zewnętrznej liścia - dlatego 1. etap zachodzi intensywnie, im większa powierzchnia wewnętrzna liścia, tym silniejsze parowanie) , zależy od gatunku i siedliska
2. Etap - wydostanie się pary wodnej przez otwarte aparaty szparkowe oraz bezpośrednio przez komórki skórki
Rodzaje transpiracji w liściach: szparkowa (>90%), kutikularna (<10%, bezpośrednio z powierzchni liścia - u młodych liści całość transpiracji do czasu wykształcenia aparatów szparkowych)
W pędach - przetchlinkowa
Regulacja - ruch aparatów szparkowych (zastawki hydrauliczne) - światło czynnik indukujący + Temperatura i stężenie CO2. Komórki aparatów szparkowych - grubość ich ścian komórkowych decyduje, czy się otworzy, czy nie, mają chloroplasty. Czynnik indukujący - światło - na zasadzie tak/nie.
Mechanizm ruchu: ruch turgorowy: Otwieranie - gdy następuje wzrost potencjału ciśnienia - spowodowany osmotycznym dopływem wody na skutek spadku potencjału wody. Przyczyny dopływu wody do komórek:
1. Transport jonów K+ i Cl- (rola kanałów jonowych i pompy protonowej) Gdy aparat zamknięty - zwiększa się ilość jonów, dopływ wody i otwiera się, gdy otwarty - odpływ jonów, woda odpływa, zamyka się.- główna przyczyna
2. Przebieg fotosyntezy
3. Rozkład skrobi
4. Synteza kwasów organicznych (jabłczany)
Różne rodzaje światła wpływają na ruch aparatów szparkowych
Światło powoduje otwieranie kanałów jonowych wpustowych dla K i Cl
Ciemność, deficyt H2O - zjawisko odwrotne - zamykanie kanałów wpustowych i otwieranie wypustowych - synteza w mezofilu i korzeniach ABA - kwasu abysycynowego - firtohormonu, który powoduje wypływ K+ i zamykanie aparatów szparkowych
Na świetle aparaty są z definicji otwarte, chyba, że zadziała ABA, w ciemności z definicji zamknięte
ABA powoduje zamknięcie szparek w okolicach południa i zmniejszenie transpiracji, gdy jest największa - zapobiega utracie wody przez roślinę
Wskaźniki transpiracji :
1. Intensywność jednostki - ćwiczenia
2. Współczynnik transpiracji - ilość wytranspirowanej wody w stosunku do przyrostu suchej masy - im większy, tym więcej H2O potrzebuje do wzrostu (bardziej rozrzutna gospodarka wodna), zazwyczaj ok. 500 (do wzrostu 1g suchej masy wyparowuje 500g h2o), minimum - 250 - kukurydza. Rośliny drzewiaste: iglaste ok. 300, liściaste 200-350, palmy 220-350, strefy gorącej 600-900.
...
cllaudiiee