高级植物生理学：植物水分与抗旱生理课件.ppt

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1、第二章 植物的水分平衡,根系对水分的吸收木质部中的水分运输水分从叶片散失到大气中,1 根对水分的吸收,一、根系吸水部位 根系吸水的部位一般认为在距根尖10100 mm的根毛区。根毛是根表皮细胞的微观延伸，在很大程度上增加了根的表面积，因而增强了根从土壤中吸收水分的能力，生长4个月的黑麦，根毛表面积占到了根表面积的60%以上。,测量结果：有13106个主根和侧根轴，长度可达500km，表面积可达200，还有1010个以上的根毛，从而又提供了300的表面积，加起来，单株黑麦根的表面积与一个职业篮球场的面积一样大。,根表面与土壤密切接触是根有效吸收水分所必须的。随着土壤中根和根毛的不断生长，根系从土

2、壤中吸收水的表面积也逐渐达到最大。,植物整个根系的吸水能力在不同的生育期也是不同的，这取决于该生育期内哪种根占主导地位，因为并非所有根系都参与了植物吸水 Passioura指出，干土中的小麦根系仅有13可能参与了吸水邵明安等提出了有效根密度的概念(吸水根系的根长密度)，且发现整个根系的吸水速率与有效根密度成正比,进一步的研究表明，根系吸水部位随根系发育阶段的不同而变化，且有植物种间差异，不存在一个统一的范围。要充分认识这一问题必须在对根系解剖结构认识的基础上，对根内不同部位的阻力及其对水流贡献的大小进行详细的研究。,二、作物体内水的分布和流动,由根系吸收进入植物体内的水分分布在三个部分：共质体

3、、质外体和液泡。,水分运输的途径：,土壤水根毛根皮层根中柱鞘中柱薄壁细胞根导管茎导管叶柄导管叶脉导管 叶肉细胞叶细胞间隙气孔下室气孔中柱鞘薄壁细胞大气。,根部水分运输的质外体、共质体和跨膜途径,从根的表皮到内皮层，水分的运输可通过三种途径：质外体、共质体和跨膜途径。,尽管三种途径中究竟那一个更重要还没有完全确定，但压力探针技术的实验表明，玉米幼苗根中质外体途径对于水分跨根皮层的运输尤为重要。凯氏带阻断了质外体途径的连续性，迫使水分和溶液通过跨膜途径来穿过皮层。水分须经共质体途径运输才能通过内皮层，这有助于解释为什么根对水分的通透性强烈依赖于水通道蛋白的存在，下调水通道蛋白基因的表达可以明显降低

4、根的导水率，并且导致植株很容易萎蔫或产生更大的根系。,三、根系吸水的动力,根系吸水的动力：根压和蒸腾拉力。 根压是一种主动吸水过程，这种动力来源于根系的生理活动。根压一般不大，大多数植物的根压不能超过0.1 0.2MPa,即使一些高大的树木也只有十分之几个MPa。根压现象是在土壤水势很高而蒸腾速率较低时才出现的。产生根压的植物往往会有“吐水现象”。,根系吸水的主要动力是蒸腾拉力。这种由蒸腾拉力引起的根系吸水是一种被动吸水过程，它是一种物理现象，即使根部被麻醉或根组织已死亡，甚至根被切除，进行着叶片蒸腾的枝条仍可以吸取水分。,四、影响根系对水分吸收的因素,1.影响根系对水分吸收的外界因素 土壤水

5、分的有效性 土壤阻力及根土界面阻力 土壤溶液的浓度和成分 土壤养分亏缺 土壤温度 、土壤通气 、菌根 等,1.影响根系对水分吸收的外界因素 1.1.土壤水分的有效性 经典的概念：从上限（田间持水量，field capacity）到下限（土壤永久萎蔫点，permanent wiltin g coefficient）之间，土壤水是同等有效的；这一观点假定直到永久萎蔫点以前，植物的功能是不受土壤含水量（soil moisture）下降的影响；而到达永久萎蔫点后，植物的活动便突然受到抑制。这一概念尽管是人为界定，但在田间灌溉管理中很实用。,实际上，随着土壤含水量的下降，土壤水的有效性也在降低；而达到永

6、久萎蔫点以前，植物可能已经受到水分协迫。此外，由于土壤含水量不是一个有效的令人满意的尺度。因此，将植物水分状况与土壤水分能量状况（即土壤水势，也称为张力、吸力、土壤水分胁迫等名词）联系起来。将田间持水量定为 -0.01 Mpa或-0.033 Mpa，而将永久萎蔫点定为-1.5 Mpa。,1.2.土壤阻力及根土界面阻力,土壤阻力对根系吸水的影响取决土壤的水分状况。土壤充分供水时(土壤水势为00.13 MPa)，根径向导度最小，根系成为限制吸水的主要因子；中度土壤水分胁迫下(土壤水势为-0.12-1.05MPa)，土根界面导度最小，界面层阻力成为根吸水的主要限制因子；严重土壤干旱下(土壤水势低于-

7、1.05 MPa)，土壤导度最小，土壤成为根系吸水的主要限制因子。,1.3.土壤溶液的浓度和成分,土壤溶液浓度过高，其水势降低。若土壤溶液水势低于根系水势，植物不能吸水，反而要丧失水分。一般情况下，土壤溶液浓度较低，水势较高。土壤溶液渗透势不低于-0.1MPa，对根吸水影响不大。但当施用化肥过多或过于集中时，可使根部土壤溶液浓度急速升高，阻碍了根系吸水，引起“烧苗”。盐碱地土壤溶液浓度太高，植物吸水困难，形成一种生理干旱 。如果水的含盐量超过0.2%，就不能用于灌溉植物。,1.4.土壤养分亏缺,矿质营养亏缺对吸水影响，资料并不是很多。Radin和Boyer(1982)报告氮亏缺降低向日葵根透性

8、近50%，导致白天叶膨压丧失和白天叶子扩张受到抑制。,1.5.土壤温度,低温影响根系吸水的原因是：(1)原生质粘性增大，对水的阻力增大，水不易透过生活组织 ，植物吸水减弱。(2)水分子运动减慢，渗透作用降低。(3)根系生长受抑，吸收面积减少。 (4)根系呼吸速率降低，离子吸收减弱，影响根系吸水。高温加速根的老化过程，使根的木 质化部位几乎到达根尖端，根吸收面积减少，吸收速率也下降。,1.6. 土壤通气,在通气良好的土壤中，根系吸水性强；土壤透气状况差，吸水受抑制。土壤通气不良造成根系吸水困难的原因主要是：(1)根系环境内O缺乏积累，呼吸作用受到抑制，影响根系吸水；(2)长时期缺氧下根进行无氧呼

9、吸，产生并积累 较多的乙醇，根系中毒受害，吸水更少；(3)土壤处于还原状态，加之土壤微生物的活动， 产生一些有毒物质，这对根系生长和吸收都是不利的。,1.7. 菌根,菌根有外生的和内生的或小囊泡丛状菌根（VA菌根）。菌根存在增加了吸收面积。可减少水运入大豆的阻力（Safir等,1972）。但Sands（1982）发现菌根对水流入松树根的阻力。菌根可能增加树木实生苗的耐旱性（Marks & Kozolwski , 1972, 1982）, 但是这方面的资料有限。,影响根系对水分收的内部因素 根系的有效性决定于根系的范围和总表面积以及表面的透性，而透性又随根龄和发育阶段而 变化。根系密度(root

10、 density)越大，根系占土壤体积越大，吸收的水分就越多，根系密度 通常指每立方厘米土壤内根长的厘米数(cmcm-3)。据测定高粱根系密度从 1 cmcm-3增加到 2 cmcm-3 时吸水能力增加。,21 径向阻力 在土壤植物系统中，从根土界面到根系木质部的水流沿径向途径转运，其阻力称为径向阻力，也称为根系的吸收阻力，在根阻力中占主导地位。带有凯氏带的内皮层是径向途径上水分进入植物体的主要障碍。,22 轴向阻力 除径向阻力外，水分在根内运动，还会遇到轴向阻力，也称为水分的传输阻力。已明确轴向水流主要沿木质部管道运行，由于木质部主要由成熟的导管和管胞组成，所以水流阻力很小，与径向水流相比，

11、常可忽略不计。但在干旱的条件下根系木质部导管产生气泡所形成的栓塞会极大地降低根系的轴向导度。,五. 根系研究方法,根系研究一般用室内溶液培养、温室盆栽和大田观测三种方法。前两者有利于根系生长和机制研究，有利于观测而与实际差异较大，后者则有利于实际的应用和检验，但取样检测很困难，因此在根系研究中应注意三个方面的的结合。虽然根系研究技术已有了大的进展，如田间非破坏性动态观测生长、分布技术、射线透视技术等已有应用，但目前研究性论文仍然以溶液培养和盆栽实验为主，这里主要阐述这两个方面的有关研究方法。,（一）、根系研究的溶液培养法 溶液培养最早用于研究矿质营养，由于其很容易获得完整无损的根系而广泛用于根

12、系的研究，将植株根系放入不同浓度的Hoagland营养液中，定时通气，能很便利的获得根系生长及活性根尖材料。为了研究其土壤干旱条件下的根系生长，一般在营养液中加入聚乙二醇，NaCl、甘露醇、蔗糖等物质，形成所需水势的溶液来模拟干旱下的根系生长，现在应用较多的是聚乙二醇6000 Polyethyeneglycols，PEG)。 供氧很关键。现在用溶掖培养研究根系时一般用Hoagland溶液的浓度为12110，pH值约在65左右。,（二）、温室盆栽根系研究方法 温室盆栽实验条件下根系研究受限制较多，选用生长盆高度在2030cm，不利于根的垂直分布，加之供水和供氧问题，而使根系在盆壁附近分布较多。现

13、在普遍采用PVC塑料管能够有利于此问题的解决，另外也有不同的学者采用不同的装置来进行研究。,二、温室盆栽根系研究方法 根源化学信号产生与传递研究中的分根实验：Blackman和DaViescis)把一株玉米的根分成两部分，并分别栽植在两个容器中(或者是个容器分成两部分)，其中半边根系所在土壤保持良好灌水，而另半边根系所在的土壤停止供水而使其逐渐变干，与对照相比，这种处理对叶水分状况无影响，但气孔导度却明显下降。,（三）、压力探针技术及其应用 近年来研究根系水导方面的工作逐渐增加，传统测定根系水导方法是用蒸腾计技术(Potometer technique)，该技术已有了很长的历史并被广泛应用将一

14、条根或一段根放入一个装水的小室中测定通过根系吸收该小容器中的水分损失量来求得水导,压力探针技术开始是用来测定膨压的。 Gutknecht 在1968年制成，用一个毛细管插入细胞，外接一个水银柱以平衡膨压，通过水银柱高度的变化来反映膨压的变化，但由于毛细管直径和有效压力较大，并不适用于高等植物，仅用于藻类等大细胞膨压的测定。 1978年研制出了第一个适合于高等植物细胞膨压测定的压力探针，并被广泛用于高等植物细胞水分关系的研究中。该装置由一个内装硅油的微毛细管、密封系统、压力传感器和一系列输出装置构成，以硅油体积的变化来反映细胞膨压的变化，并以放大的电压信号输出。,1983年，Steudle 将压

15、力探针技术成功的运用于植物根系上，即所谓的根压探针技术。该技术以一株完整的植物根系或一条根为研究对象，将微毛细管插入根中或完整株植已被切去的茎中，通过外加压力或加入不同盐溶液介质以改变根中汁液的流出量，反映根或根系吸水性能和导水性能的变化。这是一种器官水平和细胞水平上测定相结合的方法，其优点在于单个细胞水平开始最后到整个根系系统，对植物水分关系研究产生了深远影响，导致了各种植物水分关系模型的建立。,细胞膨压在不同环境因子下变化的直接测定，可以说明干旱、盐碱、光照等因子对细胞膨压的影响，并同其他生理参数的测定一起说明相应环境因子对细胞生理变化的影响，以阐明细胞水分关系。 直接测定细胞体积的变化，

16、并根据细胞体积与细胞膨压间的关系，计算出细胞容积弹性模量随外界环境条件变化，以说明渗透调节和细胞壁弹性对膨压维持的相对贡献。,直接测定导管木质部的负压。发现木质部负压低于用内聚力学说计算出的理论值，认为由内聚力学说假定的轴向张力梯度被导管内的溶质梯度和表面活性物质量梯度所取代，并伴随着气泡的形成和水分的对流，由此提出了木质部垂直分室假说。,2. 植物体内水分运输,一、水分运输的途径,这一途径可分为两个部分： 经过维管束中的死细胞(导管或管胞)和细胞壁与细胞间 隙进行长距离运输，即所谓的质外体部分；与活细胞有关，属短距离径向运输， 包括根毛根皮层根中柱以及由叶脉导管到叶肉细胞叶细胞间隙，即共质体

17、运输。径向运输距离短，但运输阻力大，因为水分要通过生活细胞，这一部分是水分传导的制约点。沿导 管或管胞的长距离运输中，水分主要通过死细胞，阻力小，运输速度快。,二、 木质部的水分运输,在1m高的植物中，水分运输途径的99.5%以上是在木质部进行的，而高大的植物，木质部在水分运输中占据着更为重要的地位。将水提升100m到达树冠需要多大的压力？,假定：水在木质部中的运动速率为4/s，导管的直径为40m，用Poiseuille方程计算出，在内径均为40m的理想导管中，当水以4/s的速度运动时所需的压力梯度值为0.02MPa/m。世界上最高的树木是北美的海岸红杉和澳大利亚的花楸，这两个物种的有些植株的

18、高度超过100m，如果我们将树茎看成一个长的管道，将0.02MPa/m的压力梯度乘以树的高度估算出使水克服摩擦力从土壤运输到树冠所需的压力梯度为： 0.02MPa/m 100m=2MPa。除了摩擦力，还有重力， 100m高的标准水柱，其重量在水柱底部产生1MPa的压力，两者之和为3MPa。因此，将水运输到100m高的树木顶端枝条需要的压差约为3MPa。,3 植物的蒸腾作用,一、蒸腾作用的生理意义与部位,1、蒸腾作用(transpiration)：是植物体内的水分以气态方式从植物的表面向外界散失的过程。 陆生植物吸收的水分，只有约1%用来作为植物体的构成部分，绝大部分都是通过地上部分散 失到大气

19、中去了。1株玉米在生长期消耗的水量约200kg，作为植株组成的水不到2kg，作为 反应物的水约0.25kg，通过蒸腾作用散失的水量达总吸水量的99%。,（一）、蒸腾作用及其生理意义：,2、蒸腾作用意义： 第一，蒸腾作用失水所造成的水势梯度是植物吸收和运输水分的主要驱动力 第二，蒸腾作用能够降低植物体和叶片温度 第三，蒸腾作用引起的上升液流，有助于根部吸收的无机离子以及根中合成的有机物转运到 植物体的各部分，满足生命活动需要。,蒸腾作用可以促进植物生长发育。但因其不可避免地引起生活组织内部产生水分亏缺，影响代谢活性，并且也意味着由于脱水而有受伤的危险，甚至造成死亡。所以在很多情况下，植物并不能从

20、干燥空气所要求的高速蒸腾作用中得到直接利益。而光合所需的CO2和O2多半是通过气孔进行扩散运输的，于是蒸腾也是光合非有不可的副产品。因此，蒸腾有时也被描绘成一种灾难，适当地降低蒸腾速率，减少水分消耗，在生产实践上具有重要意义。,对蒸腾作用的讨论主要涉及叶片或单株植物，但是在自然界及生产实践中植物通常以群体存在。在群落中，主要的蒸发表面是不同年龄和不同生理状况的叶片、位于冠层的不同水平，并处于不同的环境中。因些群落中的失水是受光情况和气孔行为不同的许多叶片失水的平均值。群落中土壤蒸发失水的数量变化很大，取决于植物覆盖种类和数量。因此，测定单位土地表面的蒸发蒸腾作用的总失水量在农业和林业中比单独测

21、定蒸腾更为重要。这种测定对适时灌溉和估计流域的失量特别重要。,（二）、植物群落的蒸发作用 ：,离体快速称重法吸水纸法或吸水剂法稳态气孔计或光合仪等,（三）、蒸腾速率的测定,二、气孔构造及气孔蒸腾特点,气孔是植物叶表皮组织上的两个特殊的小细胞即保卫细胞(guard cell)所围成的一个小孔，不同植物气孔的类型大小和数目不同。除某些没有叶绿素的植物如水晶兰属(Monotropa)和鸟巢兰属(Neottia)(Willmer和Fricker,1996),气孔普遍存在于植物的叶片表皮上，有些植物的花瓣，萼片，以及苹果、葡萄等发育的果实表面以及马铃薯块茎中都有气孔存在。,（一）、气孔大小、形态、分布及

22、密度,大部分植物叶的上下表面都有气孔，但不同类型的植物其叶上下表面气孔数量不同。一般禾谷类作物如麦类、玉米、水稻叶的上、下表面气孔数目较为接近，双子叶植物向日葵、马铃薯、甘蓝、蚕豆、番茄及豌豆等，叶下表面气孔较多；有些植物，特别是木本植物，通常只下表面有气孔，例如桃、苹果、桑等；也有些植物如水生植物气孔只分布在上表面,使植物不易受到伤害并更能适应干旱环境。气孔的分布与植物长期适应生存环境有关。,一、气孔大小、形态、分布及密度,三、气孔运动机理,一、气孔大小、形态、分布及密度,1. 气孔的基本结构 一般植物的气孔由一对保卫细胞围成，有些植物中还有与表皮细胞明显不同的副卫细胞围绕着这一对保卫细胞，

23、组成气孔复合体(stomatal complex)或称气孔器(stomaltal apparatus)。大多数双子植物和许多单子叶植物、裸子植物、蕨类和藓类的保卫细胞为肾形，而禾本科植物和几种苔草(莎草科Cyperaceae)的保卫细胞为哑铃形。Raschke(1979)提出哑铃形保卫细胞比肾形保卫细胞在张开时有更高的效率，即在单位孔径宽度变化时需要的体积变化更小。,二、结构及生理特点,二、结构及生理特点,2 保卫细胞壁的特化和气孔运动 保卫细胞的壁按其和相邻细胞的相对位置分为背壁(dorsal wall)，指和表皮细胞相邻的壁；腹壁(ventral wall)，和背壁相对、近孔处的壁；外侧壁

24、(outer lateral wall)，靠叶片外表面的壁；内侧壁(inner lateral wall)，靠气孔下腔的壁。保卫细胞的壁各处厚薄不均，肾形保卫细胞一般背壁薄而腹壁特别加厚；哑铃形保卫细胞的球状末端壁较薄而中间棒状部分壁厚。保卫细胞壁的纤维素微纤丝有特殊的排列，肾形保卫细胞纤维素微纤丝从孔向周围呈辐射状定向，禾本科植物哑铃形保卫细胞球状部分纤维素微纤丝从孔向外放射。保卫细胞的壁有相当的弹性，壁的特异加厚和纤维素微纤丝的定向是保卫细胞不均匀膨胀和气孔运动中形状改变的主要决定因素。,二、结构及生理特点,2.1果胶质 保卫细胞壁富含果胶质(Wille和Lucas, 1984), Ste

25、vens和Martin(1977)报道在多足蕨属(Polypodium)内壁存在钾离子吸附袋(potassium-adsorbent sacs)，它们可能起到积累钾离子的作用。保卫细胞壁富含的胼胝质、木质素等带负电的多聚物分子有很强的吸附阳离子的能力，可以认为壁区是一个离子暂时贮存的库，对气孔运动中大量离子出入保卫细胞，特别是对K+的快速转运有重要意义(Willmer和Fricker，1996)。,二、结构及生理特点,2.2壁角质层(cuticle) 和周围表皮细胞相比，保卫细胞的蜡质沉淀少而角质层较厚，角质层从外侧壁经腹壁连续到内侧，厚薄不一，通常在外侧壁厚，有阻止水分丢失的功能，水蒸气通过

26、角质层的扩散速率一般很低，仅占开放气孔扩散水气的1%5%。在靠气孔下腔的有些区域被极薄的角质层覆盖，认为可能是感受湿度变化的部位(Appleby和Davies, 1983)。气孔关闭时，由腹壁突出出来的角质化的唇瓣(lip)能将孔盖严(Willmer和Fricker,1996)。 。,二、结构及生理特点,2.3胞间连丝和外壁胞质连丝(plasmodesmata and ectadesmata) 在保卫细胞发育过程中，和相邻表皮细胞间存在胞间连丝，是同化物和离子交换的通道，外源的糖可能通过胞间连丝运入保卫细胞，保卫细胞可利用外源的糖在自己的叶绿体中合成淀粉后贮存，但是一般认为在成熟的保卫细胞与表

27、皮细胞间没有胞间连丝存在(Pallas和Mollenhauer, 1985)。保卫细胞的相对独立更有利于其渗透势的调节。,二、结构及生理特点,3质膜 保卫细胞和周围细胞间是共质体分离的，气孔运动中发生的大量离子运输，受质膜的控制，研究保卫细胞质膜的特性和功能对于认识气孔运动机理有重要意义。电镜观察表明保卫细胞质膜有内向折叠，可能发生对离子或分子物质的胞饮或分泌作用(Thomson和Dejournett,1970)。还有由质膜形成的有被小泡(coated vesicles)和囊泡(vesicles)，在气孔开闭时调节质膜的表面积、控制质膜上的泵、离子通道、受体等的密度(Hillmer等，1990

28、)。近些年的研究表明，保卫细胞质膜上存在多种特殊蛋白质：各种结合蛋白、泵、离子通道等，这些特殊结构是保卫细胞接收和转导信号、控制离子出入的机构。,二、结构及生理特点,3.1保卫细胞质膜上的结合蛋白 3.1.1脱落酸结合蛋白一些实验室证明蚕豆保卫细胞质膜外侧存在ABA高亲和力的结合蛋白，每个原生质体上大约有20003000个结合位点(Hornberg和Weiler,1984，王恒彬等，1997)。ABA能有效地诱导气孔关闭和抑制气孔张开，质膜上ABA结合蛋白的存在是ABA信号传递的关键。ABA和其受体蛋白或结合位点结合后，经一系列信号转导途径，引起渗透势变化(Assmann, 1993).,二、

29、结构及生理特点,3.1保卫细胞质膜上的结合蛋白 3.1.2乙酰胆碱受体王恒彬等(1998)以蚕豆为材料，荧光定位和免疫印迹鉴定表明，保卫细胞原生质体质膜上存在n型乙酰胆碱受体，受体激活剂和抑制剂的药理学实验证明其n型乙酰胆碱受体参与乙酰胆碱调控的气孔运动。 3.1.3 光受体 一种对蓝光作出反应，另一种对UV-A作出反应。其中一个是叶绿体中的类胡萝卜素，另一个可能是质膜上的黄素蛋白(Kaufman, 1993)。,二、结构及生理特点,3.2保卫细胞质膜上的离子通道(ion channel) 3.2.1内向、外向K+通道气孔运动的渗透调节理论中心是大量K+的出入保卫细胞，改变渗透势而导致水分出入

30、，保卫细胞膨压变化，引起气孔启闭。保卫细胞质膜上存在外向和内向K+通道对保卫细胞K+的跨膜运输起重要作用(Blatt和Thiel, 1994)。这两种K+通道的激活条件、调控机理和功能各不相同。Schroeder等(1987)报道内外K+通道都可被Ba2+阻断，内向K+通道可被Al3+所阻断。外源Ca2+直接抑制内向K+通道。外向K+通道对Ca2+、G蛋白调节剂PTX和CTX及IP3都不敏感，但对胞内pH非常敏感，在胞质pH较高时被激活，而胞质酸化时受抑制(Blatt和Armstrong, 1993)。,二、结构及生理特点,3.2保卫细胞质膜上的离子通道(ion channel) 3.2.2质

31、膜上的阴离子通道(anion channel)近几年来，几个实验室应用膜片钳技术对质膜上的阴离子通道进行了研究。已证实在保卫细胞质膜上存在三种阴离子通道：R型(rapid type)阴离子通道，可能参与调控气孔张开(Keller 等 ，1989)。S型(slow type)阴离子通道，可能在调控气孔关闭需要持续的阴离子外流中起作用(Linder和Raschke,1992.)。SA(stretch-activited)离子通道它是对膨压高度敏感的非专一性Ca2+通道，同时可以通透Cl-和K+，被认为对保卫细胞的渗透调节也十分重要(Cosgrove和Hedrich, 1991)。,二、结构及生理特

32、点,4叶绿体 一般表皮细胞没有叶绿体，而多数植物的每个保卫细胞中有1015个叶绿体，约占整个细胞体积8%(Humble和Raschke, 1971)，叶肉细胞中的叶绿体数量在几十个到100个之间。与叶肉细胞相比，多数植物保卫细胞的叶绿体发育不好，类囊体结构小，基粒少(表2)。叶绿体内含大量淀粉粒，而且淀粉含量有昼夜的变化，白天气孔张开时，淀粉含量下降，夜间气孔关闭，淀粉积累。淀粉降解为合成有机阴离子提供碳骨架，参与渗透势调节(Willmer和Fricker, 1996)。保卫细胞叶绿体的光合磷酸化可为气孔运动提供一部分能源，但保卫细胞叶绿体进行光合磷酸化需要高强度的光(Zeiger, 1990

33、)。,二、结构及生理特点,二、结构及生理特点,5线粒体 在所有检测到的植物中，保卫细胞含大量线粒体，通常是叶肉细胞的两倍，其大小、形状和嵴无太大差别(Allaway和Setterfield, 1972)。相对于叶肉细胞，保卫细胞的呼吸速率也高得多(Vani和Raghavendra, 1994)。目前认为，气孔的开放和关闭都是主动耗能的过程，由于叶绿体发育不完善，气孔运动所需要能量主要来源于氧化磷酸化形成的ATP。大麦保卫细胞线粒体的形状随气孔开放而变化，照光或无CO2气流引起气孔张开时，保卫细胞线粒体膜构型改变，分析可能是一种高能量状态(Couot-Gastelier和Louguet, 198

34、5)。,二、结构及生理特点,6 细胞骨架微管和微丝 细胞骨架在保卫细胞发育和分化中起重要作用，微管决定了保卫细胞壁纤维素微纤丝的走向，使保卫细胞膨胀时，只能向背壁处突出而拉开中间的孔。在可以灵活运动的保卫细胞中，微管和微丝的存在及其和气孔运动的关系是一个非常值得研究的问题。用植物微丝专一性抑制剂细胞松驰素B(CB)(黄荣峰和王学臣，1996)和微管特异性解聚剂甲基胺草磷(APM)(黄荣峰和王学臣， 1997a)预处理蚕豆表皮，可明显抑制Ca2+、ABA、光、K+引起的气孔运动，表明微管和微丝可能参与调节气孔运动。在光下ABA诱导的关闭气孔与光诱导开放的气孔和暗引起的关闭气孔周质微管排列发生明显

35、变化，可能与ABA诱导气孔运动的信号转导过程有关(黄荣峰和王学臣，1997b)。除了离子的渗透调节外，保卫细胞原生质的调节值得重视。,二、结构及生理特点,7核 保卫细胞的核和其它类型细胞的核大小无明显区别，但由于保卫细胞的体积小，所以核所占的体积比大，如蚕豆保卫细胞核的体积约0.091 pl，占关闭气孔保卫细胞原生质体积的3.5%(Humble和Raschke,1971),鸭趾草(Commelina communis)保卫细胞核体积约0.24 pl，为原生质积体的6%(Weyers和Fitzsimons, 1982)。肾形保卫细胞的核通常位于细胞中部，靠近腹壁；哑铃形保卫细胞中有长形核，从球状

36、部分的一端到另一端。,二、结构及生理特点,8液泡 8.1液泡的动态变化 在保卫细胞成熟时，液泡起源于一些网状结构的融合，和其它成熟的薄壁细胞相比，保卫细胞的液泡占原生质的较小部分(Faraday等，1982)。其大小和形状的气孔运动中发生变化，Fricker和White(1990)用激光共聚焦扫描电镜进行活体荧光染料观察，测定了鸭趾草气孔运动时，保卫细胞液泡的体积从气孔开度为0时的2.5 pl增加至气孔开度为16 m时的6 pl。有些观察表明，张开的气孔保卫细胞中有一个或几个较大的液泡，而关闭的气孔保卫细胞中有许多小的液泡(Couto-Gastelier等，1984)。用ABA诱导气孔快速关闭

37、时，保卫细胞内形成一些小的液泡；用壳梭霉素(FC)促进气孔开放时，又形成一个大的液泡(Willmer和Friker，1996)。,二、结构及生理特点,8.2液泡膜上的离子通道 在保卫细胞中，液泡在积累离子和产生膨压方面具有极其重要的功能。研究表明保卫细胞液泡膜上有SV (slow vacuolar)、FV (fast vacuolar)通道和非电压依赖型的K+选择性(VK)通道。保卫细胞液泡膜上的SV通道为Ca2+和Mg2+激活，是电压依赖型的，在气孔关闭的调节中，液泡中的Ca2+可能经SV通道释放(Ward和Schroeder, 1994)。FV通道的电子流(current)为瞬时的，在正的

38、膜电势时电流较大(Allen等，1998)。在胞质Ca2+升高时VK通道被激活，不依赖于电压，对K+有高度选择性，在保卫细胞液泡膜上VK通道的分布密度极大，可能在调控K+从液泡向胞质释放中起重要作用(Ward和Schroeder, 1994)。保卫细胞液泡膜上还有几种Ca2+选择性通道，能够引起Ca2+的释放，但它们的激活条件尚不清楚，Allen和Sanders(1994)报道在蚕豆保卫细胞液泡膜上存在电压门控型Ca2+释放通道，其调控功能和条件需进一步研究。,二、结构及生理特点,气孔的启闭运动是植物适应环境变化的一种主动调节，气孔运动有赖于其保卫细胞的特殊结构，近些年来对气孔的结构和其运动机

39、理的研究受到重视，特别是以保卫细胞作为一个研究细胞信号转导的典型材料，对其膜上的各种接受信号的蛋白质和离子通道的研究取得相当的进展。但是，仍有许多尚待明确的问题，如：保卫细胞的细胞壁是否一个重要的离子贮存库?外壁胞质连丝存在的普遍性和生理作用；质膜上存在哪些激素或其它信号的结合蛋白(受体?)及其和气孔敏感性的关系；保卫细胞质膜和液泡膜上的各种离子通道及其和气孔运动的关系；细胞骨架在气孔运动中的重要作用；叶绿体和线粒体对气孔运动的主要贡献是什么?细胞核动态变化的功能意义等。这些都是研究保卫细胞信号转导、阐明气孔运动机理的结构基础。,四、气孔运动机理,气孔运动实质上是由于两个保卫细胞内水分得失引起

40、的体积或形状变化，进而导致相邻两壁 间隙的大小变化。气孔运动与保卫细胞特点密切相关，与其它表皮细胞相比，保卫细胞具有 如下特点：(1)细胞体积很小并有特殊结构，有利于膨压迅速而显著地改变；表皮细胞大而无特别形状 ；(2)细胞壁上有横向辐射状微纤束与内壁相连，便于对内壁施加作用；(3)细胞质中有一整套细胞器，而且数目较多；(4)叶绿体具明显的基粒构造，其中常有淀粉的积累，其淀粉的变化规律是白天减少，夜晚 增多，表皮细胞无叶绿体。,四、气孔运动机理,1. 淀粉糖转化学说 保卫细胞叶绿体在光下进行光合作用，消耗CO2，使细胞 内pH升高，淀粉磷酸化酶催化淀粉水解成葡萄糖，细胞中溶质浓度增大，保卫细胞

41、吸水，气孔开放；相反暗中细胞呼吸放出CO2，pH降低，葡萄糖合成淀粉，溶质浓度降低，水势升高，保卫细胞失水，气孔关闭。,淀粉 + nPi,淀粉磷酸化酶,pH7.0,pH5.0,nG-1-P,nG + nPi,在光下，保卫细胞光合作用 消耗了 细胞质pH增高到7 淀粉磷酸化酶催化淀粉水解为糖 保卫细胞渗透势下降 水势降低 从周围细胞吸取水分 保卫细胞膨大 气孔张开,2.K+累积学说七十年代，观察到当气孔开放后，保卫细胞内含有大量的K+，气孔关闭后这些消失；并且在气孔开放期间，保卫细胞的液泡内积累的K+高达0.5 mol，可使渗透势降低-2.0MPa。同时证明，在任何已研究过的情 况中(如光、温、

42、浓度等)，气孔开放和K+向保卫细胞的转运都是极相关的。例 如，光照引起K+在保卫细胞或分离的保卫细胞原生质体中积累；无的空气亦有 同样的效果，经ABA处理，气孔关闭，同时保卫细胞中的K+也丧失。因此，几乎所有证 据都证明K+从副卫细胞转运到保卫细胞中引起渗透势下降，气孔张开；K+反向转运 ，则气孔关闭。为解释K+转运的机理，依据以上事实，提出了气孔开张的K+积累学说。,四、气孔运动机理,2.K+累积学说 在光下保卫细胞质膜上存在的-ase被激活，能水解保卫细胞中由光合 磷酸化和氧化磷酸化生成的ATP，产生的能量将从保卫细胞分泌到周围细胞中，保卫 细胞pH值升高，质膜内侧电势变得更低，周围细胞的

43、pH值降低。它驱动K+从周围细胞经 保卫细胞质膜上内向K+通道(inward K+chanrel)进入保卫细胞，保卫细胞K+浓度增加，水势降低，保卫细胞吸水。气孔张开。在K+进入保卫细胞的同时，还伴随 着等量负电荷的阴离子进入，以维持保卫细胞电中性，这也具有降低水势的效果。在暗中， 光合作用停止，-ase得不到所需的ATP而停止做功，保卫细胞质膜去极化(dep olarization)，驱使K经外向K+通道(outward K+channel)向周围细胞转移， 并伴有阴离子的释放，保卫细胞水势升高，保卫细胞失水，气孔关闭。,3.苹果酸代谢学说(malate metabolism theory)

44、。20世纪70年代初以来，人 们发现 苹果酸在气孔开闭运动中起着某种作用。在光照下，保卫细胞内的部分被利用时， pH值就上升至8.08.5，从而活化了PEP羧化酶，它可催化由淀粉降解产生的PEP与 HCO-3结合形成草酰乙酸，并进一步被NADPH还原为苹果酸。苹果酸解离为和 苹果 酸根，在K+泵驱使下，与K+交换，保卫细胞内K+浓度增加，水 势降低；苹果酸根进入液泡和Cl共同与K+在电学上保持平衡。同时，苹果酸的存在 还可降低水势，促使保卫细胞吸水，气孔张开。当叶片由光下转入暗处时，过程逆转。近期 研究证明，保卫细胞内淀粉和苹果酸之间存在一定的数量关系。即淀粉、苹果酸与气孔开闭 有关，与糖无关

45、。,内部因素 （1）ABA的调节根据近年来对根源信号传递理论的研究认为，气孔运动与根系发生的根源信号物质有关。当土壤含水量逐渐减少，部分根系处于脱水状态，地上部叶片 水分状况尚未表现出任何可检测性变化之前，气孔导度已发生了明显的降低。当脱水根系 产生根源信号物质脱落酸(abscisic acid,ABA)后，可通过木质部运到地上部，促进保 卫细胞膜上外向通道向外运送的量增加，而抑制内向通道活性减少向内流动量，因而使保卫细胞膨压下降，气孔导度减小。,五、影响气孔运动的因素,内部因素 （2）气孔振荡气孔行为中另一个特殊情况是在开放和关闭之间发生周期性变化或振荡。周期性变化主要发生在受水分胁迫的植物

46、，具有从几分种到几小时的周期，但大多数植物在15120分钟范围内。这种现象已在不同的草本植物上观察到。Raschkey 认为，当一个负的反馈信号被推迟到在它能增强初始反应而不是削弱它时到达保卫细胞，这种现象就可能发生，周期性能被冲击，如温度、湿度、光强制突然变化所引起，常常与一较高的根系阻力相结合。Cowan提出，气孔的周期性协调了对二氧化碳吸收的需求和对失水的控制之间的矛盾。当把植物从政党的昼夜条件下转移到连续的暗中时，也有一种内在节律，使气孔的开放和关闭持续几天。,五、影响气孔运动的因素,环境因素 1、二氧化碳 叶片内部低的分压可使气孔张开，高则使气孔关闭，在光 下或暗中都可以观察到这种现

47、象。其它外界环境因素(光照、温度等)很可能是通过影响叶内浓度而间接影响气孔开关的。 2、温度 气孔开度一般随温度的升高而增大。在25以上气孔开度达最大，但3035以上 的高温会引起气孔关闭。低温下长时期光照也不能使气孔张开。温度对气孔开度的影响可能 是通过影响呼吸作用和光合作用，改变叶内浓度而起作用的。,五、影响气孔运动的因素,环境因素 3、光 一般情况下，光照使气孔开放，黑暗使气孔关闭。光诱导气孔开张的过程需要1小时 左右 ，而暗诱导关闭则比较快。但对一些肉质植物例外，落地生根属和仙人掌类等植物气孔白天 关闭，夜晚开放。光质对气孔运动的影响研究较多。一般认为不同波长的光对气孔运动的影 响与对

48、光合作用过程的影响相似，即蓝光和红光最有效。这证明光下气孔开放是由于光合作 用降低了叶内浓度。光也可能通过在细胞内转化为化学能，这些化学能促进邻近细 胞内的离子进入保卫细胞，离子浓度增高而使水分以渗透方式进入保卫细胞。,五、影响气孔运动的因素,环境因素 4、水分 叶片的水势对气孔开张有着强烈的控制作用。当叶水势下降时，气孔开度减少或关闭。缺水对气孔开度的影响比光、温和尤为显著，它的效应是直接的，即由于保卫细胞失水所致。通常在植物不同种之间发生气孔关闭时的水分胁迫程度及其对湿度的敏感性不同。气孔关闭的叶水势对番茄是-0.7-0.9 MPa，对葡萄则是-1.2-1.6 MPa，田间生长的棉花气孔在

49、-2.7 MPa还在开放，而一种旱生的合金欢属植物的气孔在-5.0 MPa时及保持部分开放。偶而有报道突变种植株萎蔫得很严重，因为当水分胁迫发展时气孔也不关闭。可能与ABA有关。,五、影响气孔运动的因素,环境因素 5、风 高速气流(风)可使气孔关闭。这可能是由于高速气流下蒸腾加快，保卫细胞失水过 多所致。6、矿质营养的亏缺也影响气孔行为，但证据上有些矛盾。,五、影响气孔运动的因素,由于气孔的开度及阻力在控制水分丧失和CO2的吸收方面的重要作用，所以人们对气孔的开度及阻力测定很感兴趣。稳态气孔计、渗入法、印迹法、固定法。,六 、气孔开度及阻力的测定,3 蒸腾调节,蒸腾作用包括两个阶段：水分从细胞

50、壁的蒸发和扩散出叶片，第二步主要通过气孔。对于气孔蒸腾中水蒸汽的来源有着不同的意见。Slatyer(1967)提出，水蒸汽主是从邻接细胞间隙的叶肉细胞的表面蒸发的；Meidner(1975)等认为水蒸汽更多的是从靠近甚至由保卫细胞内表面上蒸发的。有些作者将此称为“环气孔蒸腾”（Maercker,1965）；而Tyree 与Yianoulis(1980)et 用计算机研究了气孔腔模型的水分扩散，认为全部蒸发的75%发生在保卫细胞区域内。在水汽扩散过程中所遇的阻力如图所示：,3 蒸腾调节,蒸腾作用的强度决定于蒸发水分所需能量的供应（这些能量构成驱动力）以及扩散中阻力的大小。蒸腾的强度Tr可用下式表